JPH03235357A - ヒートシンク構造体 - Google Patents

ヒートシンク構造体

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JPH03235357A
JPH03235357A JP2337040A JP33704090A JPH03235357A JP H03235357 A JPH03235357 A JP H03235357A JP 2337040 A JP2337040 A JP 2337040A JP 33704090 A JP33704090 A JP 33704090A JP H03235357 A JPH03235357 A JP H03235357A
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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] 本発明は一般的には半導体デバイスのパッケージングに
関し、特に半導体パッケージ構造体の内部で発生した熱
を除去することに関する。
[従来の技術と発明が解決しようとする課題]半導体技
術の進歩により集積回路チップ自体、並びにモジュール
の用語で当該技術分野において公知である数個のチップ
の組立体におけるチップのパッケージの双方において素
子の高密度化をもたらした。モジュールは、ハウジング
組立体に取り付けられかつ一群の相互配線されたチップ
を含む。このハウジング組立体は、外部配線に対する取
付けおよび接続を促進し、かつ放熱を促進するものであ
る。密度が増すと個々のチップの電流は極めて低くなる
が、現在の技術水準においてはチップ当りのデバイスの
数は数10万個に近づき、かつモジュール当りのチップ
の数は100程度に近づいており、そのため伝熱の問題
が最も深刻な検討項目となっている。
従来技術におけるモジュールパッケージの1タイプでは
チップで発生する熱を、例えば米国特許第4,323,
914号に示すような液体金属、米国特許第4,823
.863号に示すようなオイル充てん多孔層、米国特許
第4,587.505号に示すようなサーマルグリース
、および1978年6月刊行IBM Technica
lDisclosure Bulletins Vol
、21. No、1185頁および1978年9月刊行
同Vo1.21. No、4.1473頁に示すような
コンフォーマルフォイルのような粘性であるが、適合性
のよい(conf’oraal)材料を通してチップの
裏側からハウジングへ伝熱させている。
従来技術における別のタイプのモジュールパッケージは
、シリコンの中間ウェファを採用し、該ウェファ上に、
熱膨張運動を許容するよう中央ポストにより支持された
ある種の配電配線が配設され、かつ該ウェファにチップ
の接点が接着されている。そのようなモジネールは、パ
ッケージの一部を、1979年9月刊行“Electr
onic Packagingand Product
ion”の1271頁のJ、 K、 Haggeによる
論文“Ultra Re1iable IIWsI w
ith AluminuaNitride Packa
ging”に示す特殊材料AIHに依存している。米国
特許節3,999,105号に示すそのようなモジュー
ルの別の例は液体カプセル封じを採用している。
密度か増え、寸法が小さくなるにつれて、それと同じか
、あるいは単結晶シリコンのように熱膨張に対応する材
料の中央ポスト支持中間ウェファを用いることは、全て
の熱か均一に発生するとは限らないので、予測できない
こと、および若干広範囲の運動をもたらすことの可能性
がある。そのような状態においては、単に数回の熱サイ
クルの後でも中間ウェファに破壊が見られることがあり
うる。
[課題を解決するための手段] 前記課題を解決するために本発明は、周囲で弾力的に取
り付けられた中間ウェファの一方の側にチップが接着さ
れ、中間ウェファの他方の側全体は、何ら固体による接
続を介さずして、外部へ熱放散するよう適当な熱伝導状
態に保たれている集積回路パッケージ化原理を提供する
[実 施 例コ 本発明によれば、モジュール型パッケージは、外部の配
線担持基板上に配置された、複数の、相互配線されたチ
ップを含む。このモジュール型パッケージは、外部配線
担持基板に取り付は可能の放熱および支持ハウジングと
、外部配線基板の次に来る側でチップを位置させており
、かつ中間ウェファ支持材に弾性を提供するのみならず
、中間ウェファの他方の側とハウジングとの間の空間を
完全に充たすある量のサーマルグリース用容器としでも
作用する部材によって周囲で弾力的に取り付けられた中
間ウェファチップ支持部材とから構成されている。本発
明の構造は使用中の熱サイクルを急進的に改良しうる単
純構造を提供する。
第1図を参照すれば、配線を概略的にエレメント2とし
て示す、例えばプリント回路のような外部配線担持基板
1上には多数の相互依存の機構を有するモジュールハウ
ジング3が位置している。
このハウジング3には、はんだ付は用パッドとして示さ
れているが外部配線基板1に対するアタッチメント4と
、例えば空気あるいは液体のような流体媒体に伝達する
フィンとして概略的に示す放熱装置5と、取外し可能部
材として概略図示する中間ウェファ6の支持および位置
決め装置7とが備えられ、かつ使用中に発生した熱によ
り中間ウェファ6の形を変えてしまうような場合、その
中ヘサーマルグリース8が出入りできる溝として概略図
示するサーマルグリース8の熱膨張吸収装置9を含めて
もよい。サーマルグリース8は、シリコーンあるいはミ
ネラルオイル中に懸濁した、酸化亜鉛あるいはセラミッ
クのような高熱伝導性の固体粒子の懸濁物である。この
材料は通常ペースト状である。
モジュールパッケージは中間ウェファ6のチップ取付は
部材を採用している。中間ウェファ6は、導体として概
略図示し配線11上に取り付けられたチップlOの半導
体材料と緊密に熱適合するものである。中間ウェファ6
はシリコン単結晶ウェファから作られることが好ましい
。このようなウェファの厚さは約0.635ミリメート
ル(0,025インチ)である。シリコン単結晶材料を
使用すると高度の弾力性を提供するものの、該材料は取
り付けられると使用中急速に脆性となり、そのため固体
接続部に対して発生する応力によりウェファに亀裂が始
める。代替的なウェファ6の構造は銅−インバー銅、銅
−モリブデンー銅のような複合材あるいはこれら材料を
含むより一般的な複合材から作ることができる。
チップ10は、その上にハウジング3が取り付けられて
いる外部配線担持基板1の面の次に来る中間ウェファの
側12に取り付けられている。チップ10はエレメント
13として概略図示されている電気端子を導体11にボ
ンディングすることにより取り付けられる。導体11は
弾性ワイヤとして概略図示する弾性導電性接続14によ
り基板1上の外部配線に接続されている。チップloと
基板1との間には空間15がある。
中間ウェファ6は一方の側でエレメント7上に載置され
、他方の側は弾性部材16によりその周囲でエレメント
5から隔置されている。中間ウェファ6の縁部はハウジ
ング3内で運動できる状態で嵌合している。エレメント
16は、中間ウェファ6を保持し、同時にその膨張運動
を許容し、またサーマルグリース8の面17に対する横
運動を抑制する。また、エレメント16により形成され
た周囲囲い部分はサーマルグリース8の粘性要件を緩和
させる作用がある。エレメント1Bは面18に接着取り
付けされるシリコーンゴムから作ればよい。そのような
構造体は、+ 850”C程度の好ましい動作温度に対
して、低くて一40℃まで、高くて+125℃まで安定
している。
この極めて単純な構造において、動作時に発生する熱は
チップから導き出され、発生しつる種々タイプの応力を
許容し、潜在的な温度サイクルによる損傷を防止する。
中間ウェファ6の膨張がチップに適合することにより、
端子13が配線11に導電性を有してボンディングされ
ている場合の応力を制御する。中間ウェファ6が可撓性
であるため、一方のチップ10が別のチップより多く熱
を発生する場合の局部膨張の差を制御する。中間ウェフ
ァ6に応力が発生しても弾性の周囲の取付部材16によ
り制御される。該取付部材は不均一な支持を許容し、−
刃用性の接続を排除している。
熱は、端子13を介して中間ウェファ6に、次いでサー
マルグリース8を介してウェファの面17の全面上から
ハウジング3へ、かつ放熱装置5へと伝達される。
次に第2図を参照すると、本発明による部材間の相互依
存性と構造の簡便性とが同じ参照番号を採用した概略斜
視図に詳しく示されている。第2図において、基板lの
一部にはハウジング3の一部がエレメント4において取
り付けられている。
中間ウェファ6はエレメント7に載置され、該エレメン
ト7は一方向に周囲支持体を形成し、かつ空間I5を画
成している。中間ウェファ6はさらに周囲の弾性スペー
サ部材16により他方向において隔置されている。中間
ウェファ6の上には、測定した量のサーマルグリース8
は、弾性スペーサ部材16により周囲を、中間ウェファ
6の面17により一方の側を、而18により他方の側を
囲まれ、かつエレメント9に作られている空間へ膨張し
て出入りできる。
次に第3図と第4図とを参照すると、弾性スペーサ16
の種々の位置づけを示している。第3図においては、弾
性スペーサ16はハウジング3の方向が変わる交差部に
位置し、ハウジング3に接着させずに中間ウェファが撓
みうるようにする空間20が設けられている。第4図に
おいては、別の形状の弾性スペーサ21が提供され、該
スペーサ21は、それを中間ウェファ6を横方向に位置
づけしゃすくするよう空間20へ延びている部分22を
有している。
次に第5図を参照すると、測定された量のサーマルグリ
ース8を供給する状態の概略図示において本発明の構造
の簡便性と組立ての容易さとが示されている。1s5図
においては、概略組立て斜視図が示されており、スペー
サモールド23は、中間ウェファ6と接触して位置決め
される過程において示されている。スペーサモールド2
3は、例えば黄銅のシム材を単純に打抜いたものであっ
て、測定された量のサーマルグリースを規定する開口2
5の縁部が弾性スペーサエレメントIBの内縁部と一致
するような幅24を前記開口25とスペーサモールド2
3の縁部との間で有する。スペーサモールド23の厚さ
はエレメント1Bの厚さと基本的に等しい。
曲かった点線の矢印で示すように中間ウェファ6と接触
するよう位置されると、真直の点線で示すように運動す
る標準的なドクタブレード26が測定された量のサーマ
ルグリース8を面18上に堆積させる。代替的なサーマ
ルグリースの膨張を吸収する装置9は面18上のX字形
溝であるエレメント27として示されている。
全体的な組立ては、測定された量のサーマルグリース8
の周囲と厚さとを規定するスペーサモールド23を作り
、スペーサモールド23を面18と接触して位置させ、
測定された量のサーマルグリース8を堆積させ、放熱装
置5の面18上に弾性スペーサ16を位置させ、ウェフ
ァ6と、グリース8と放熱装置5の組合せとをハウジン
グ3に組み立てる過程とを含むだけである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による構造体の概略断面図、第2図は本
発明による構造エレメントの相対位置づけを示す概略斜
視図、 第3図と第4図とは弾性中間ウェファマウントの種々゛
位置づけの概略図、および 第5図は本発明による構造体を組み立てる方法において
測定された量のサーマルグリースを供給する態様を示す
概略図である。 1・・基 板      2・・・配 線3・・・ハウ
ジング 6・・・中間ウェファ 9・・・溝 15・・・空 間 18・・・面 21・・・スペーサ 25・・・開 口 27・・・溝 5・・・放熱装置 8・・・サーマルグリース 10・・・チップ 16・・・弾性部材 20・・・空 間 23スペーサモールド 26・・・ドクタブレード (外1名)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、集積回路パッケージにおいて、 一方の側で少なくとも1つの集積回路半導体チップがそ
    の上に接着されているウェファを含み、前記ウェファが
    周囲で弾性的に取り付けられ、前記ウェファの他方の側
    が広い領域で外部の放熱構造体と適合した伝熱関係にあ
    る集積回路パッケージ。 2、半導体材料に対して熱膨張適合性を有する材料から
    なるウェファ形状の部材と、 該部材の一方の側の面に取り付けられた半導体電子デバ
    イスとを含み、 前記部材の他方の側の面が放熱手段に対置され、かつ前
    記部材と該放熱手段との間での熱接触を提供する手段を
    有する構造体。 3、請求項2に記載の構造体において、前記ウエファ形
    状の部材が半導体材料である構造体。 4、請求項2に記載の構造体において、前記ウェファ形
    状の部材が複合材である構造体。 5、請求項3に記載の構造体において、前記半導体電子
    デバイスが前記ウェファ形状の部材と同じ半導体材料の
    集積回路である構造体。 6、請求項5に記載の構造体において、前記ウェファ形
    状の部材と前記放熱手段との間で前記ウェファ形状の部
    材の縁部に沿って配置され、その間で空洞を形成する周
    囲弾性部材を含み、前記空洞が粘性で熱伝導性の材料で
    充てんされている構造体。 7、請求項6に記載の構造体において、前記熱伝導性材
    料の移動を制御する手段を含む構造体。 8、請求項7に記載の構造体において、前記移動を制御
    する手段が溝である構造体。 9、集積回路パッケージにおいて、 半導体材料と熱膨張適合性のある材料のウェファ部材を
    含み、 該ウェファ部材がその第1の側で少なくとも1つの半導
    体集積回路を支持し、 前記ウェファ部材が、第2の側である反対の側で弾性的
    にかつ周囲が外部放熱手段と適合した伝熱の関係に配置
    されている集積回路パッケージ。 10、請求項9に記載のパッケージにおいて、前記ウェ
    ファの半導体材料と前記集積回路の半導体材料とが同じ
    である集積回路パッケージ。 11、請求項10に記載のパッケージにおいて、前記半
    導体材料がシリコンである集積回路パッケージ。 12、請求項11に記載のパッケージにおいて、前記の
    適合した伝熱のものが前記ウェファ部材の前記第2の側
    と前記外部放熱手段の面との間で、弾性のウェファ部材
    のスペーサにより囲まれた領域を充たすある量の粘性伝
    熱材料である集積回路パッケージ。 13、請求項12に記載のパッケージにおいて、前記の
    粘性の伝熱材料の移動を制御する手段を含む集積回路パ
    ッケージ。 14、請求項13に記載のパッケージにおいて、前記移
    動を制御する手段が溝である集積回路パッケージ。 15、請求項14に記載のパッケージにおいて、前記ウ
    ェファの半導体材料と前記集積回路の半導体材料とが同
    じである集積回路パッケージ。 16、請求項15に記載のパッケージにおいて、前記半
    導体材料がシリコンである集積回路パッケージ。 17、請求項16に記載のパッケージにおいて、前記弾
    性ウェファスペーサがシリコーンゴムである集積回路パ
    ッケージ。 18、伝熱適合性半導体集積回路を作る方法において、 放熱構造体の内面と接触し、測定した量の粘性伝熱材料
    の周囲と厚さとを規定するスペーサモールド部材を位置
    決めするステップと、 前記スペーサモールド部材を前記粘性伝熱材料で充たす
    ステップと、 前記スペーサモールド部材を外すステップと、前記放熱
    構造体の内面に弾性スペーサ部材を位置決めし、前記粘
    性の伝熱材料を囲むステップと、少なくとも1つの集積
    回路チップを支持している中間ウェファ部材と、前記粘
    性伝熱材料と前記放熱構造体とを組合せたものを、前記
    ウェファ部材の周囲を前記弾性スペーサ部材と接触させ
    るハウジングに組み立てるステップと、 を備える伝熱適合性半導体集積回路を作る方法。 19、請求項18に記載の方法において、前記放熱構造
    体の前記内面に膨張吸収用の溝を形成するステップを含
    む伝熱適合性半導体集積回路を作る方法。
JP2337040A 1990-01-29 1990-11-30 ヒートシンク構造体 Expired - Lifetime JPH0697681B2 (ja)

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US472501 1990-01-29

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JPH03235357A true JPH03235357A (ja) 1991-10-21
JPH0697681B2 JPH0697681B2 (ja) 1994-11-30

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EP0439752A3 (en) 1991-08-28
DE69018806D1 (de) 1995-05-24
DE69018806T2 (de) 1995-11-23
EP0439752B1 (en) 1995-04-19
EP0439752A2 (en) 1991-08-07

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