JPH0428255A

JPH0428255A - 半導体冷却装置

Info

Publication number: JPH0428255A
Application number: JP13251290A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Kurihara; 和明栗原; Katsuhide Natori; 名取　勝英; Kenichi Sasaki; 謙一佐々木; Motonobu Kawarada; 河原田　元信
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-05-24
Filing date: 1990-05-24
Publication date: 1992-01-30

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】〔概　要〕半導体冷却装置に係り、特に大型コンピュータやスーパ
ーコンピュータに使用される、半導体素子を高密度に実
装した半導体装置の冷却構造に関し、基板アセンブリと水冷アセンブリを分離した際、シャー
ベット金属がチップキャリアの表面に残らない半導体冷
却装置を提供することを目的とし、半導体素子を設けた
基板アセンブリと、該基板アセンブリを介して該半導体
素子を冷却する冷却アセンブリと、該冷却アセンブリの
伝熱板に被着して、前記基板アセンブリに接触可能に設
けられたシャーベット金属層とからなる半導体冷却装置
において、前記シャーベット金属に接する前記基板アセ
ンブリ表面にダイヤモンド膜を設けることを構成とする
。

〔産業上の利用分野〕

本発明は半導体装置に係り、特に大型コンピュータやス
ーパーコンピュータに使用される、半導体素子を高密度
に実装した半導体装置の冷却構造に関する。

〔従来の技術〕

近年、半導体素子の集積度の向上によりチップあたりの
発熱量が増加している。そのため、高速、高密度実装が
要求される大型コンピュータ等では、すでに空冷の限界
を越えており、水冷が主流となっている。

第４図は従来の半導体冷却装置の主要部断面図を示すも
ので、１は多層回路基板、２はリード、３はＳｉ　チッ
プ、４はチップキャリア、５は弾性伝熱体、６はＣｕ伝
熱板、７はベローズ、８は冷却水、９はＬＳＩパッケー
ジ、１０は基板アセンブリ、１１は冷却アセンブリであ
る。なお、第４図でＬＳＩパッケージ９でＳｌチップ３
が露出した構造が示されているが、セラミックパッケー
ジ等により封止されたものであることは云うまでもない
。

Ｓ１チツプ３はチップキャリアにボンディングされ、電
極パッドは、ワイヤボンディング或いは配線パターンに
接続されてリードに電気接続される。

また第５図は冷却アセンブリと基板アセンブリからなる
高密度実装モジュールの全体概略図である。

保守、点検のために、基板アセンブリと水冷アセンブリ
は容易に離せなくてはならないため、一般にチップキャ
リア４とＣｕ伝熱板６の間は弾性を有する伝熱体５　（
熱伝導性ゴム）で接続されていた。しかし弾性伝熱体５
といえども、有機材料であるため、その熱伝導率は金属
やセラミックスに比べ１ケク以上悪く、トータルな放熱
性を著しく低下させていた。

最近、名取らは室温で半凝固状態のＩｎ系シャーベット
金属を開発（特開昭６３−１０２３４５号公報）し、前
記弾性伝熱体のかわりに使用する方法を提案している。

〔発明が解決しようとする課題〕

この材料は、金属であるため熱伝導率が高く、放熱性を
大幅に向上させることができる利点はある。しかし、基
板アセンブリと水冷アセンブリを分離した際、シャーベ
ット金属がチップキャリアの表面に残り、その後の作業
性に悪影響を与えていた。

本発明は、上記問題点を解決し、基板アセンブリと水冷
アセンブリを分離した際、シャーベット金属がチップキ
ャリアの表面に残らない半導体冷却装置を提供すること
を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題は本発明によれば半導体素子を設けた基板アセ
ンブリと、該基板アセンブリを介して該半導体素子を冷
却する冷却アセンブリと、該冷却アセンブリの伝熱板に
被着して、前記基板アセンブリに接触可能に設けられた
シャーベット金属層とからなる半導体冷却装置において
、前記シャーベット金属に接する前記基板アセンブリ表面
にダイヤモンド膜を設けることを特徴とする半導体冷却
装置によって解決される。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。

第１図は本発明に係る半導体冷却装置主要部の断面図で
あり、第２図は、第１図の半導体冷却装置の水冷アセン
ブリを外した時の断面図である。

第１図、第２図において８１チツプ３を有するＨｉＮ製
チップキャリア４　（基板アセンブリ）上面に約１０廁
の厚さのダイヤモンド膜１５がコーティングされており
、このダイヤモンド膜１１はＩｎ７０重量％Ｇａ　３０
重量％からなるシャーベット金属層１６と接触してＡｌ
Ｎ製チップキャリア４を介してＳｉチップ３を冷却する
。チップキャリア４としてＡｌｘの他にＳｉＣ，Ａ１２
０３等耐熱性で熱伝導性の良好なセラミックチップキャ
リアを用いることができる。チップキャリア４への８１
チツプのボンディングに際しては、ダイヤモンド膜を形
成したＡβＮのボンディング部にポンディングパッド、
配線パターン等をＣｒ、Ａｕ等のスパッタリング、蒸着
により形成し、Ａｕ−３ｎ等のはんだで、Ｓｉチップを
ポンディングパッド部にボンディングし、配線パターン
と８１チツプのパッド部をワイヤボンディング等により
接続する。

上記シャーベット金属層１６の組成における固相線及び
液相線の温度はそれぞれ１５．７℃及び７５℃であるの
で、その１５．７℃から７５℃の温度範囲内でそのシャ
ーベット金属層１６は半凝固状態であり、ダイヤモンド
膜１５との接触性が高い。

またチップキャリア４上にコーティングされたダイヤモ
ンド膜は本発明者らが開発した第３図に示す高速ダイヤ
モンド気相合成方法であるＤＣプラズマジェッ）ＣＶＤ
法（特開昭６４−３３０９６号公報）を利用してなされ
る。すなわち第３図に示すように、原料ガスである水素
（Ｈ２）ガスとメタン（ＣＨ２）ガスの混合ガス（）１
２＋ｃＨ４）をカソード２０、アノード２１からなるト
ーチ２２に供給し、直流電源２３により放電電流電圧を
印加し、原料ガスが各電極（アノード２１、カソード２
０）間を通過する際のアーク放電により原料ガスを活性
種に分解し、プラズマとなりトーチ開口部からチップキ
ャリア４表面にプラズマジェット２４の形で衝突する。

該チップキャリア４は冷却水２６によって冷却された水
冷基板ホルダ２５によって支持されており、この冷却に
よりチップキャリア４上にダイヤモンドが析出し、ダイ
ヤモンド膜１５がコーティングされる。ダイヤモンド膜
１５のコーティングの条件は水素ガス流量５０　ｊ２　
／ｍｉｎ　、メタン流量１．５β／ｍｉｎ、圧力５０’
ｌ’ｏｒｒ、アーク出力１０ＫＩｌｉ、製膜時間１０分
である。ダイヤモンド膜は厚さ約１０廊にコーティング
される。

ダイヤモンドコーテイング膜の膜厚は１〜１００ｐｒ１
１程度であるのが望ましい。ＩＩＭｌより小であるとダ
イヤモンドの連続膜とするのが難しく、１００廂より大
であってもそれ以上の効果が得られない。特に、好まし
いダイヤモンドコーテイング膜の膜厚は１０〜２０廁で
ある。

この実装構造（第１図）でチップ接合部から冷却水まで
の熱抵抗を調べたところ、１．２℃／Ｗであった。従来
の弾性伝熱体を用いた時の熱抵抗が２．５℃／Ｗであり
、本発明により冷却特性を２倍以上改善したことがわか
る。また、基板アセンブリと冷却アセンブリを分離した
際シャーベット金属はすべて冷却アセンブリのＣｕ伝熱
板６につき、ダイヤモンド・コーティングしたチップキ
ャリアに伝熱材、シャーベット金属はまったく残らなか
った。

第１表に各種の実装方法（本発明法、従来法）で熱抵抗
および、分離時のチップキャリア表面のシャーベット金
属付着性を示す。

第１表第１表によれば本発明法、（伝熱材を■ｎ／Ｇａのシャ
ーベット金属とし、チップキャリア表面をダイヤモンド
でコーティングする）が従来法に比較し、熱抵抗が小（
冷えやすい）でシャーベット金属の基板アセンブリへの
付着も無く良好であることがわかる。

〔発明の効果〕

以上説明した様に本発明によれば、従来法と比べ極めて
高い効率で半導体素子を冷却することができるので、半
導体素子の実装密度を上げることができ、大型コンピュ
ータ等の性能（処理速度）を向上させることができる。

また、保守、点検時に高密度実装モジュールから冷却ア
センブリを分離し、基板アセンブリを取り出した際、基
板アセンブリにシャーベット金属が付着していないため
、ＬＳＩパッケージの交換などの作業が簡単に実行でき
るため、大型コンピュータ等の稼働率を高め、さらに信
頼性も向上させることができる。上記実施例では、基板
アセンブリ表面にダイヤモンド族／ｌｎ）を設ける例を上げたが、場合によっては、第６図の如く
、基板アセンブリ側に低融点金属（シャーベット金属）
９６を収容する溝部を設け、溝内にシャーベット金属を
保持させる構造とし、伝熱板６のシャーベット金属９６
と接する表面にダイヤモンド膜を設ける構成としても良
い。第６図で１は多層回路基板、２はリード、６４はフ
ランジ６４ｂを有する外周壁６４ａをチップキャリア６
４上に設け、シャーベット金属９６をチップキャリア６
４上と外周壁６４ａ内に保持する。１０３はシール部材
であり、６６はダイヤモンド膜をシャーベット金属９６
と接する面に設けた伝熱板である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体冷却装置主要部の断面図で
あり、第２図は、第１図の半導体冷却装置の水冷アセンブリを
外した時の断面図であり、第３図は本発明者らが開発した高速ダイヤモンド気相合
成方法であるＤＣプラズマジエ１．トＣＶＤ法を実施す
る装置の概略断面図であり、第４図は従来の半導体冷却
装置の主要部断面図であり、第５図は冷却アセンブリと基板アセンブリからなる高密
度実装モジュールの全体概略図、第６図は本発明の他の
構成を示す断面図である。１・・・多層回路基板、２・・・リード、３・・・Ｓ１
チツプ、４・・・チップキャリア、５・・・弾性伝熱体
、６・・・Ｃｕ伝熱板、７・・・ベローズ、訃・・冷却
水、９・・・ＬＳＩパッケージ、１０・・・基板アセン
ブリ、１１・・・冷却アセンブリ、１５・・・ダイヤモ
ンド膜、１６・・・シャーベット金属層、２０・・・カ
ソード、２１・・・アノード、２２・・・トーチ、２３
・・・電流電源、２４・・・プラズマジェット、２５・
・・水冷基板ホルダ、２６・・・冷却水。４・・・チップキャリア従来例第４図１５・・ダイヤモンド膜２０・・カソード２１・・・アノード２２・・トーチ２３・・電流電源２４・・プラズマジェット２５・・冷却基板ホルダ２６・・冷却水２・・・リード３・・・Ｓ１チツプ４・・・チップキャリア５・・・弾性伝熱体６・・・Ｃ８伝熱板７・・・ベローズ８・・・冷却水１１・・・冷却アセンブリ

Claims

【特許請求の範囲】１、半導体素子を設けた基板アセンブリと、該基板アセ
ンブリを介して該半導体素子を冷却する冷却アセンブリ
と、該冷却アセンブリの伝熱板に被着して、前記基板ア
センブリに接触可能に設けられたシャーベット金属層と
からなる半導体冷却装置において、前記シャーベット金属に接する前記基板アセンブリ表面
もしくは前記冷却アセンブリの伝熱板表面にダイヤモン
ド膜を設けることを特徴とする半導体冷却装置。２、前記シャーベット金属がＩｎとＧａを主成分とする
合金であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の装置。３、前記ダイヤモンド膜の厚さを１〜１００μｍとする
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。４、前記ダイヤモンド膜をＤＣプラズマジェット法で設
けることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第３項
記載の装置。５、前記基板アセンブリのチップキャリアがＡｌＮ、Ｓ
ｉＣ、Ａｌ＿２Ｏ＿３から選択されてなる請求項１記載
の装置。