JPH02220465A - 半導体デバイスの冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体チップあるいは半導体パッケージが発
生する熱を除去するのに好適な半導体デバイスの冷却装
置、とくに、半導体デバイスと冷却装置との接触面の形
状に関する。

〔従来の技術〕

従来の半導体の冷却装置としては、たとえば特開昭６０
−１２６８５３号に記載された構成のものがある。

この冷却装置は、第１３図に示すように基板１上に実装
された半導体チップ２に、ばね３による押圧力により熱
伝導体４を接触させる一方、熱伝導体４と半導体チップ
２との接触面間および熱伝導体４のフィン５と水冷ジャ
ケット８に接触するキャップ６のフィン７との隙間にヘ
リウム（Ｈａ）等の熱伝導性ガスを介在させ、半導体チ
ップ２がら発生した熱を前記熱伝導性ガスを介してキャ
ップ６へ伝導させることにより、半導体チップ２の冷却
を行っていた。

（発明が解決しようとする１１１１！題〕上記従来技術
は、熱伝導体４と半導体チップ２との接触面に介在させ
る熱伝導性流体として、Ｈａ等の気体を用いているので
、接触熱抵抗が大きいという着点がある。この接触熱抵
抗を小さくする方法の一つとして接触面に熱伝導率の大
きい熱伝導グリースを塗布することが一般的に行われて
いる。そして、こ、の熱伝導グリースを用いる場合、接
触面に介在するグリース層の厚さを所定の厚み以下にコ
ントロールしなければならない、しかし、熱伝導体４と
半導体チップ２の接触面が共に平面である場合、グリー
ス層の厚さは熱伝導体４の押し付荷型によって変化する
ため、所定の厚さにコントロールすることが困難である
。また、上記従来技術には、半導体チップ２の傾きに熱
伝導体４と追従させるため、熱伝導体４のフィン５とキ
ャップ６のフィン７との間に所定の隙間９が必要となり
、フィン５とフィン７の間の熱抵抗が大きくなるという
欠点が伴った。この熱抵抗を小さくするためにこの隙間
９を狭くするとフィン５の傾く範囲が狭くなり、半導体
チップ２の傾きに対し熱伝導体４が追従できなくなると
いう問題があった。

また、第１４図に示すような冷却装置が特開昭５２−５
３５４７号公報に記載されている。キャップ６内には、
シリンダ１５が開けられ、半導体チップ２から熱を導く
ピストン１６とピストン１６に押圧力を加えるはね３が
シリンダ１５中に挿入されている。基板１とキャップ６
とで囲まれた空間には高熱伝導性のヘリウムガスが濶だ
されている。

半導体チップ２からの発生熱は、ピストン１６と半導体
チップ２の接触部に介在するヘリウムガス層を介してピ
ストン１６に伝えられる。更に、ピストン１６からピス
トン１６とシリンダ１５との隙間９に介在するヘリウム
ガス層に伝わり、キャップ６に導かれる。基板１とキャ
ップ６の熱変形により生じる変位及び半導体チップ２に
よる高さのばらつきは、ばね３により吸収される。＊た
基板１の面のうねりによって生じる半導体チップ２にお
ける面のわずかな傾きに対しては、ピストン１６の先端
を球面として追随させている。この場合１次のような問
題があった。

ピストン１６の先端における球面接触部の熱抵抗が大き
く、半導体チップ２の背面から水冷ジャケット８に至る
全熱抵抗の４０％近くを占めている。この球面接触部の
熱抵抗を小さくする方法の一つとして接触面に熱伝導率
の大きい熱伝導グリースを塗布する方法がある。この熱
伝導性グリースを用いる場合、接触面に介在するグリー
ス層の厚さをコントロールしなければならない、しかし
、接触面が球面形状をしているため、半導体チップ２が
傾くと半導体チップ２の背面とピストン１６先端におけ
る球面の接点は、半導体チップ２の中心より外周方向へ
と回転しながら移動する。これによって接触面は、グリ
ースを巻き込みながら浮き上がり、接触面のグリース厚
さがだんだん厚くなるため、グリース厚さのコントロー
ルが困難となる。また、半導体チップ２の面の傾きが大
きくなると半導体チップ２とピストン１６の接点は、中
心より外周方向へと移動していくため、半導体チップ２
内の温度分布が一般的に大きくなり、半導体チップ２の
動作に悪影響を与える可能性が生じてくる等の問題があ
った。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、上記問題点を解決し、熱伝導体と半導
体チップあるいは半導体パッケージの間に介在する熱伝
導性流体の厚さのコントロールを容易にし、かつ、半導
体チップあるいは半導体パッケージの傾きに熱伝導体が
追従し易くし、また半導体チップ内の温度分布の変化を
小さくして半導体チップの誤動作を少なくすると共に、
半導体チップを効果的に冷却する半導体デバイスの冷却
装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、半導体チップあるいは半導体パッケージに
熱伝導性流体を介して熱伝導体を接触させ、冷却する半
纏体デバイスの冷却装置において、前記、半導体チップ
あるいは半導体パッケージと、熱伝導体のどちらか一方
の接触面の形状を角柱形または円錐形、あるいは角錐形
として、上記半導体チップあるいは半導体パッケージと
上記熱伝導体の間を直線または点で接触するようになし
、さらに必要に応じて上記一方の接触面、あるいは双方
の接触面に放射状の溝を設けることにより達成される。

〔作用〕

半導体チップあるいは半導体パッケージと熱伝導体のど
ちらか一方の接触面を角柱形または１円錐や角錐形にし
、接触面のどちらか一方または両面に熱伝導性流体を塗
布する０次に、半導体チップあるいは半導体パッケージ
と熱伝導体を互いに押し付けていくと接触面の断面形状
が楔形をしているため、接触面に介在している熱伝導性
流体は、僕の先端から徐々に外周方向へと押し出されて
いく、そして、該楔形の先端がもう一方の接触面に接し
て止まる。これによって半導体チップあるいは半導体パ
ッケージと熱伝導体との間の熱伝導性流体が一定、１工
に保たれるので、楔形状の角度を変えることにより熱伝
導性流体の厚さをコントロールすることが容易となる。

また、前記接触面の断面形状が楔形をしているため、半
４体チップあるいは半導体パッケージが傾いても模の先
端を支点として楔形状の角度範囲で熱伝導体が、半導体
チップあるいは半導体パッケージに追従する。このとき
、楔先端の支点は、接触面中心に位置し移動しないので
熱伝導性流体の巻き込みがなく、接点が浮き上がらない
ため、熱伝導性流体Ｊヴさのコントロールが容易である
。また、楔先端の支点が中心より移動しないため、半４
体チップあるいは半導体パッケージ内の温度分布の変動
を少なくできるので、半導体チップあるいは半導体パッ
ケージを効果的に冷却することが可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図〜第３図は本発明の第１の実施例に係る。

第１図の４１は本発明により半導体チップ２との接触面
を楔状とした熱伝導体である。

第２図はこの熱伝導体４１の形状番示す斜視図で、該楔
状の面４２が熱伝導性グリース１０を介在して半導体チ
ップ２の面と対向して押しつけられる。第１図において
半導体チップ２で発生した熱は、熱伝導グリース１０を
介して熱伝導体４１に伝わり、熱伝導体４１のフィン５
からＨｅガス層を介してキャップ６のフィン７に伝えら
れ、最終的にキャップ６に接する水冷ジャケット８によ
り外部へ伝達される。

半導体チップ２と熱伝導体４１のｌ！ｆｌに介在する熱
伝導性グリース１０は、ばね３の押圧力により熱伝導体
４１によって押しつぶされ、熱伝導体４１の稜線４３の
両側に押し出され、稜線４３は半導体チップ２に接触す
る。

従来技術による熱伝導体は例えば第１３図の４および第
１４図の１６に示すような形状を示し。

半導体チップ２の面とは平面あるいは円筒面で接してい
た。このため、ばね３の押圧力によって。

介在する熱伝導性グリースを押しつぶして所定の厚みと
し、該伝導性グリースの熱抵抗を所定の値に制御するこ
とが困難であった。

このような従来技術に較べ上述した本発明ではばね３の
押圧力によって稜線４３を容易に半導体チップ２に接触
せしめることができるので、熱伝導性グリース１０の平
均的な厚みを常に一定に保つことができ、したがって、
熱伝導グリース１０の熱抵抗値をばらつき少なく設定で
きる。さらに熱伝導体４１の楔状面４２のなす角度を平
坦方向に広げれば稜線４３の両側に挾まれる熱伝導グリ
ース１０の分量を低減できるので上記の熱抵抗値を低く
保つことも可能になる。

さらに半導体チップ２が傾いても、半導体チップ２と熱
伝導体４１は実質的に直線状に接触するので、その傾き
ま上舵熱伝導体４１の楔面４２のなす角度によって吸収
され、熱伝導体４１のフィン５とキャップ６のフィン７
の隙間を小さくすることが可能となり、これに伴ってフ
ィン５とフィン７の間の熱抵抗を小さくすることができ
る。

さらに、熱伝導体の稜線４２と半導体チップ２との接線
の位置が上記半導体チップ２の傾きによって移動するこ
とがないので、半導体チップ２と熱伝導体４１間の熱抵
抗変動を少なくすることができる。

また、上記熱伝導体の稜線４２と半導体チップ２との接
線を半導体チップの中央部に位置せしめれば、第１図に
示す本発明による冷却装置を多数用いた場合、半導体チ
ップ相互間の半導体表面の温度分布偏差を低くすること
ができる。

第４１１！Ｊは、本発明の他の実施例に係る半導体パッ
ケージの冷却装置の断面図である。

第４図において、２２は、半導体チップ２を内蔵した半
導体パッケージ、２１は、その封止キャップである。熱
伝導体４の底面と接触する封止キャップ２１の上面は楔
形につくられ半導体パッケージ１２の傾きに対して熱伝
導体４の底面が追従できる角度を有している。封止キャ
ップ２１と熱伝導体４の間には、熱伝導体として熱伝導
グリース１０が介在している。

１１に伝わり、熱伝導グリース１０を介して熱伝導体４
に伝えられ、さらにフィン５からＨｅガス層を介してキ
ャップ６のフィン７に伝えられ、最終的にキャップ６に
接する水冷ジャケット８により外部へ除去される。

封止キャップ２１と熱伝導体４の間に介在する熱伝導性
グリース１０は、ばね３の押圧力により熱伝導体４によ
って押しつぶされる。熱伝導グリース１０は、相対して
押される封止キャンプ２１の上面の断面形状が楔形をし
ているため、楔先端の中心部から外周方向へと押し出さ
れる。そして。

封止キャップ２１の楔先端が熱伝導体４に接したところ
で熱伝導体４と熱伝導グリースの動きが止まり一定址の
グリース層が保たれる。これによって、半導体パッケー
ジ２２と熱伝導体４との接触熱抵抗は小さくなり、所定
の値が得られる。また、封止キャップ２１の上面は、三
角形をしているため、半導体パッケージ２２の傾きに熱
伝導体４の底面が追従するので熱伝導体４のフィン５と
キャップ６のフィン７の隙間を小さくすることができる
。楔先端の支点は、接触面中心に位置し、移動しないの
で熱伝導グリース１０を巻き込むことがなく、また、接
点が浮き上がることもないので、熱伝導グリース１０の
厚さのコントロールが容易になるとともに、楔先端の支
点が中心より移動しないため、半導体パッケージ２２内
の平均温度および温度分布幅を小さくでき、半導体チッ
プ２の誤動作を防止する効果を得ることができる。

第５図は、本発明の他の実施例に係る半導体チップの冷
却装置の断面図である。半導体チップ２の上面に楔形の
伝熱板２３を設けているので、既に説明した第１図、第
４図に示した本発明の実施例と同様の効果が得られる。

第６図は１本発明の他の実施例に係る半導体チップの冷
却装置の断面図である。第１図では半導体チップ２と接
する面に熱伝導体の楔形面を設けていたが第６図では、
この楔形面をフィン７の上部１７がキャップ６と接する
面に設けている。＊形部を用いる作用は同様であるので
第６図に示した本発明の実施例により第１図、第４図、
第５図に示した実施例と同様の効果を得ることができる
。

第７図は、第１図に示した本発明による熱伝導体の他の
形態を示す斜視図、第８図はその底面の平面図である。

第７吋、第８図によれば、熱伝導体４５の底面に複数の
溝４４を設けることにより熱伝導体４５が半導体チップ
２に圧着される際に熱伝導グリース１０は押しのけられ
、溝４４に流れ込むので熱伝導グリース１０が詰まりに
くくなり熱伝導体４５と半導体チップ２との密着性を良
くし、熱伝導グリース１０の動きを滑らかにする効果が
得られる。

第９図は、第１図に示した本発明の熱伝導体の他の形層
を示す斜視図、第１０図は、その底面の平面図である。

第９図において、熱伝導体４６の底面を円錐形状または
角錐状にすることにより、熱伝導体４６と半導体チップ
２が実質的に点で接触するので半導体チップ２のあらゆ
る傾きに対し、熱伝導体４６が追従する効果が得られる
。また、さきに説明した他の効果も併せて得られること
はいうまでもない。

第１１図は、第９図に示した本発明の熱伝導体の他の形
態を示す斜視図、第１２図は、その底面の平面図である
。熱伝導体４７の底面に複数の溝を設けているので熱伝
導体４７が半導体チップ２に圧着される際に熱伝導グリ
ース１０が押しのけられ、溝４８に流れ込むので圧着面
に熱伝導グリース１ｏが詰まりにくくなり、熱伝導体４
７と半導体チップ２との密着性をよくし、熱伝導グリー
ス１０の動きを滑らかにする効果が得られる。

尚、第７図ないし第１２図に示した本発明による熱伝導
体の底面形状は、第４図における封止キャップ２１と、
第５図における伝熱板２；３及び第６図の実施例におけ
る熱伝導体１７等の形状に適用して第１図ないし第１２
図に示した本発明の実施例と同様の効果が得られること
はいうまでもなし１゜ また、第７図〜第１２図に示した溝４４および４８等は
熱伝導体４４．４８等の他にこれらと対向する半導体の
封止キャップ２１の面上、或は熱伝導体と封止キャップ
の双方に設けることも出来。

これにより上記した本発明の実施例と同様の効果を得る
ことができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本実施例によれば、熱伝導体と半導
体チップあるいは半導体パッケージの間に介在する熱伝
導グリースの厚さのコントロールを容易にし、かつ、半
導体チップあるｙｌは半導体パッケージの傾きに熱伝導
体が追従し易くすることにより、半導体チップあるいは
半導体パッケージと水冷ジャケット間の熱抵抗を下げ、
また、半導体チップあるいは半導体パッケージ内の温度
分布のばらつきを小さくし、半導体チップあるいは半導
体パッケージの誤動作を少なくすると共に。

半導体チップあるいは半導体パッケージを効果的に冷却
する半導体デバイスの冷却装置を提供することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る半導体チップの冷却
装置の断面図、第２図は１本発明の熱伝導体の斜視図、
第３図は、その平面図、第４図。 第５図、第６図は１本発明の他の実施例に係る半導体チ
ップの冷却装置の断面図、第７図ないし第１２図は１本
発明の他の実施例に係る熱伝導体の斜視図及び、その熱
伝導体底面の平面図、第１３図、第１４図は、従来の半
導体チップの冷却装置の断面図である。 １・・・基板、２・・・半導体チップ、３・・・ばね、
４゜４１．４５，４６．４７・・・熱伝導体、５，７・
・・フィン、６・・・キャップ、８・・・水冷ジャケッ
ト、９・・・隙間、１０・・・熱伝導グリース、１３・
・・伝熱板、１４・・・溝、１５・・・シリンダ、１６
・・・ピストン、１７・・・フィンの上部、２１・・・
封止キャップ、２２・・・半導体パッケージ、２３・・
・楔形の伝熱板、４２・・・楔状の面、４３・・・熱伝
導の稜線、４４．４８・・・溝。 第　１　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体チップあるいは半導体パッケージに熱伝導体
   を接触させ、前記半導体チップあるいは半導体パッケー
   ジを冷却する半導体装置の冷却装置において、前記半導
   体チップあるいは半導体パッケージと前記熱電導体を実
   質的に直線または点で接触せしめたことを特徴とする半
   導体装置の冷却装置。 ２、半導体チップあるいは半導体パッケージに熱伝導体
   を接触させ、前記半導体チップあるいは半導体パッケー
   ジを冷却する半導体デバイスの冷却装置において、前記
   半導体チップあるいは半導体パッケージと、前記熱伝導
   体のどちらか一方の接触面の形状が角柱あるいは、円錐
   形あるいは角錐であることを特徴とする半導体デバイス
   の冷却装置。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項記載の半導体デ
   バイスの冷却装置において、 前記半導体チップあるいは半導体パッケージと前記熱伝
   導体の何れか一方、または双方の接触面に、一つあるい
   は複数の溝を備えたことを特徴とする半導体デバイスの
   冷却装置。