JPH04305965A

JPH04305965A - マルチチップモジュール及びその製造方法

Info

Publication number: JPH04305965A
Application number: JP3069738A
Authority: JP
Inventors: Kuninori Imai; 今井　邦典
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-04-02
Filing date: 1991-04-02
Publication date: 1992-10-28

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マルチチップモジュー
ル、特に大集積回路チップを使用したマルチチップモジ
ュールからの発生熱を効果的に取り去るための、冷却構
造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】大型電子計算機に使用するマルチチップ
モジュールは、一枚の配線基板上に複数の集積回路を実
装した構造から成り、そのチップからの発生熱を除去す
る冷却技術は、電子計算機の性能を左右するため、極め
て重要である。冷却方式としては、従来の空冷方式から
、近年は水冷方式に移行しつつあり、いくつかの提案が
なされている。その一例として、特開昭５９−２００４
９５においては、図５に示すように、チップ２の上面に
個々に冷却構造体１０１を取り付け、冷却構造体同志を
ベローズのような可撓性を有するパイプ１０２を用いて
接続する方式を採用していた。この方式によれば、冷却
性能が極めて優れていることが実証されている。しかし
、この方式に基づいてモジュールを組立てようとした場
合、構造が複雑なため非常に煩雑な組立て工数を要し、
信頼性良く冷却構造体を完成させるには、非常に高度な
技術を必要としていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、組立
性に優れ、かつ冷却性能にも優れた冷却構造体を提供す
ることにある。特に、組立を難しくする最も大きな要因
となっていたベローズを省略し、構造を簡略化すること
を目的とする。更に、本発明の他の目的は、製造技術上
避けられない各チップ間の高さのばらつきによって冷却
効率が左右されない冷却構造を提供することにある。ま
た、更に他の目的は、集積回路チップが故障した場合な
どに、容易にチップを交換できるマルチチップモジュー
ルを提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、可撓性を有する境界板上に、冷却しよ
うとする個々のチップに対応する位置にフィンを配列し
、この境界板をチップに接触させた状態で、フィンに冷
媒（冷却水等）を強制的に流して冷却することを特徴と
する。

【０００５】

【作用】このような構造に冷媒を流した場合、境界板は
可撓性を有するため、冷媒の圧力によっていチップに押
しつけられ、個々のチップが配列誤差により多少高さが
ばらついたり傾いていても、それにならって接触し、チ
ップからの発熱は境界板からフィンを通って冷媒に伝え
られる。

【０００６】この構造において、フィンがなくてもある
程度の冷却性能はあるが、冷却性能を高めるためにはフ
ィンを設けて伝熱面積を増すことが極めて有効である。また、熱の伝導効率を上げるためには、熱が伝導する経
路の熱抵抗をできるだけ小さくすることが重要である。このために、フィンや境界板には熱伝導率の大きな素材
を用い、両者の間は半田付け又はろう付け等、熱伝導率
が大きな金属で接続する。また、チップと境界板の間は
、接触させる方式であるが、これの熱抵抗を小さくする
ためには、ヘリウムのような高熱伝導性気体を充填する
。又は熱伝導グリース等を塗布する等が効果的である。

【０００７】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明
する。

【０００８】図１は、本発明の一実施例である。基板１
の上に、１０ｍｍ２のチップ２がＣＣＢ（Ｃｏｎｔｒｏ
ｌｌｅｄ　　ＣｏｌｌａｐｓｅＢｏｎｄｉｎｇ）法によ
り４行×４列配列された場合を示しており、モジュール
の構造を、一部を断面により表している。

【０００９】境界板４の上には、冷却しようとするチッ
プの反対側の面上に、個々のチップに対応してフィン５
が４行×４列配列されている。ここで、境界板４には厚
さが０．２ｍｍの銅板を、またフィン５には、銅のブロ
ックを切削して、５のような形状のフィン（各フィンの
厚さが０．２ｍｍ、間隔０．２ｍｍ、高さ２ｍｍであり
、１０ｍｍ２×０．５ｍｍ（ｔ）の底板上に一体で成形
されたもの）をそれぞれ使用し、両者は銀ろう付けによ
り接合されている。

【００１０】一方、境界板のチップに接触する側の面に
は、絶縁板６を接合した。これは、チップの裏面が零電
位の場合には不必要であるが、本実施例では零電位では
なかったため、境界板４によって全てのチップが電気的
に導通することを防止する目的で設けたものである。こ
の絶縁板には、熱伝導率が大きく電気絶縁性が大きな材
料が好適であり、ＳｉＣ（ヒタセラムＳＣ−１０１：登
録商標）のようなセラミクスも好適である。しかし今回
は、高熱伝導性ＡｌＮセラミクスの板（１０×１０×０
．３ｍｍ）の片面にＴｉ−Ｎｉ−Ａｕの蒸着を施し、高
融点半田（Ａｕ−Ｓｎ−融点２８０℃）を用いて境界板
に接合した。（半田は上記に限られず、この後の工程で
使用する半田よりも融点が高いものならば適宜選択可能
。また、絶縁板の厚さは、薄いほど熱抵抗は小さくなる
が、接合時の作業性も考慮すれば０．２〜０．５ｍｍが
好適である。）上記のように準備した境界板を、図１に
示したようにハット７に接合した。ハット７には、一対
の給・排水口７２、またフィンに冷媒を流通させるため
に隔壁７１が設けられている。基板１と熱膨張率が近い
コバールで製作し、金めっきを施した。このハットに境
界板を接合する場合、フィン５を隔壁７１で形成される
溝（図３における冷媒通路７６）に挿入した状態で、フ
ランジ部７５の下面７５１を半田で気密封止した。なお
、これと同時に境界板４の反対面に、ハット７と同じ材
質（コバールに金めっき）で製作したスペーサ７３（四
角い断面の額縁状）をも半田で気密封止した。この場合の半田には、絶縁板６を接合したものより融点
が低いもの（Ｓｎ−Ａｇ−融点２２１℃）を使用し、真
空炉内で一括リフローした。なお、ハットのフランジ部
に設けた溝７４は、半田リフロー時に、フランジ部の熱
容量を小さくし、また半田の接続範囲を明確にする目的
で設けたものである。

【００１１】リフロー後の接続面７５１は、ハットに冷
媒を流したときに漏れてはならず、気密封止することが
必要である。また、反対側のスペーサとの接合面７３１
も、Ｈｅを封入することを考慮すれば、気密封止が必要
である。

【００１２】このように準備した冷却構造体を基板の上
に載せれば、外観的には一応完成である。ここで、スペ
ーサ７３と基板１との境界面１０の接続方法には、チッ
プ２と絶縁板６との間の熱的接触方法によって二つの方
法が可能である。すなわち、チップ２と絶縁板６との間
が、単純な接触、又は熱伝導性グリースを塗った状態で
接触させる場合には、境界面１０は必ずしも気密封止を
必要とせず、単純なねじ止め構造、又はＯリングを介し
てねじ止めする構造などが可能である。この場合には、
組立て後チップに電気的に不具合が認められた場合には
、その交換は極めて容易である。

【００１３】一方、チップ２と絶縁板６との接触面にＨ
ｅを封入する場合には、境界面１０を気密封止すること
が必要である。この方法として、これまで使用してきた
半田よりも融点が低い半田（例えば、Ｐｂ−Ｓｎ半田−
融点１８３℃）を用いて、リフローする方法が好適であ
る。

【００１４】上記のような二つの方法に関し、本実施例
では、二つを併用した。すなわち、スペーサ７３の境界
面１０には、その中心線に沿ってＯリング８をはめるた
めの溝を一周させて設け、電気回路の調整段階ではＯリ
ングを用いて冷却しながら回路調整を行い、調整が終了
した段階で気密封止して、Ｈｅを封入した。Ｈｅの封入
は、スペーサ７３の１箇所に図２に示すように、パイプ
９を接続しておき、このパイプから真空排気したのちＨ
ｅを送給し、最後にパイプ９を封止切りをした。

【００１５】このように組立てた冷却構造体の冷却機能
について説明する。すなわち、一対の吸・排水口７２を
通じて、冷媒として冷却水を流した場合、その水圧によ
って図３に示すように境界板４がたわみ、チップ２の姿
勢に応じて接触し、この結果高熱伝導性が保証されるも
のである。この機能を十分に発揮させるには、次の２点
に留意することが必要である。

【００１６】（１）　冷媒通路７６の寸法に、フィン５
が回転するための余裕を持たせること：境界板のたわみ
性を利用するには、フィン５がハットの隔壁７１に接触
して回転が妨げられてはならない。したがってい、通路
の寸法は、フィン５より大きいことが必要であり、その
間隙は、１０ｍｍ２のチップで片側が０．２〜０．５ｍ
ｍ程度が適当であった。（この間隙が大き過ぎると、隣
の通路との水の流れが多くなり、どれか一つのフィンに
ゴミがつまるなどの異常が生じた場合には、そのフィン
を避けて水が流れるようになる結果、冷却性能にばらつ
きが生じ易くなる。）（２）　水圧を適度に調整すること：境界板４をたわま
せてチップ２に接触させる力は、水圧によって生ずる。冷却水を流し始めたときに、水圧を徐々に増してゆくと
、冷却性能は水圧と共に急激に増すが、ある圧力を過ぎ
ると次第に冷却性能は変化しなくなる。これは、チップ
２と絶縁板６との接触がほぼ十分に行われたあとは、圧
力を増しても殆んど冷却性能が変化しなくなるためであ
る。また、圧力を増し過ぎると、チップ２と基板１とを接続
している半田バンプ３が破損し易くなる。したがって、
圧力は適度な値（本実施例の場合、１〜２気圧程度）に
保たなければならない。

【００１７】なお、本実施例では、境界板４に銅板を使
用した。この材質としては、冷媒によって腐食しないこ
と、また、ハット７と熱膨張係数ができるだけ近く、熱
伝導率ができるだけ大きいものが望ましい。このような
観点からすれば、境界板４の材質として、Ｔｉ，Ｎｉ，
Ｐｔ，Ｍｏ，Ａｇなども適用可能である。なお、フィン
の材質も上記材質に応じて線膨張係数が同等で、熱伝導
率の大きなものが良い。その意味からは、フィンを高熱
伝導性セラミックス（ＡｌＮ，ヒタセラム等）で製作す
ることも有効である。ただし、ＡｌＮの場合には水と接
触することによって化学的に溶解し始める。これを防ぐ
ためには、ＡｌＮ製フィンに耐水性を増すための表面処
理、例えば、■表面を酸化させて、表面にＡｌ２Ｏ３を
形成させる。

【００１８】■耐水性を有する物質を蒸着等で被着させ
る（Ｐｔなどの金属をイオンプレーティング、またパリ
レン（商標名）によるガラスの被着、など）が有効であ
る。また、境界板４の形状として、上記実施例では平板
を使用した。しかし、その形状として、図４に示すよう
に、フィンを接合する周囲にベローズ４１を成形するこ
とも有効である。すなわち、このように成形された境界
板を使用すれば、上下方向のたわみ性が増し、図３に示
したようなチップ２への接触が得られ易くなり、更に効
果的である。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、前述の公知例に開示さ
れているような複雑な構造を採用することなく、優れた
冷却性能を得ることができる。具体的に言えば、■個々
のチップ毎に独立した冷却部材を用いる必要がなく、ベ
ローズや冷却部材を省略することができる。■ベローズ
等の細い径の管路を冷媒が通る必要がないことから、冷
媒の流路抵抗が大幅に軽減される。■構造が簡単で組立
て易くなる分、組立ての信頼性が増し、熱抵抗の場所に
よるばらつきが小さくなる。などの利点がある。冷却性
能については、前述の公知例の場合にはチップ２の裏面
に冷却部材を半田付けしていたことから、チップから冷
却部材への熱抵抗は、本発明の方が大きくなり、この部
分での熱抵抗は３０〜５０％程度増大する。しかし、冷
却構造全体としては、公知例が１℃／Ｗであったのが１
．２℃／Ｗ程度の熱抵抗であり、４０Ｗ程度の冷却は可
能である。

【００２０】なお、本発明によれば、モジュールの厚さ
が小さくできることも大きな利点である。すなわち、大
型計算機のように大規模な電子回路を必要とする場合に
は、図１のようなモジュールを何枚も重ねて使用するこ
とが多く、そのためには一つのモジュールの厚さが薄い
ほど、小型で高性能な機能を得ることが可能である。こ
の観点から、図１に示した吸・排水口は、必ずしもモジ
ュールの上面にある必要はなく、側面に設ける等、適宜
選択が可能である。また、上記実施例では、冷却水を４
本の通路７６を平行に流通させる方法について述べたが
、これは必須条件ではなく、１本の通路を流通させたの
ち隣の通路に移行させるなどの方法も考えられる。

【００２１】なお、電子計算機の水冷のために、フィン
を使用する水冷却方式は多数の出願例がある（例えば、
出願Ｎｏ．ｐ６３−１５６７６０（公開Ｎｏ．ｐ０２−
００７４５６））。これらの方式においては、チップの
裏面にフィンを配列はするものの、これに強制的に水を
通水させる方式は採用していない。冷却性能を高めるた
めには、フィンに水をふり注ぐだけではなく、フィンの
中を水が通過せざるを得ないような構造を採用すること
が極めて重要である。本発明では、そのための実用的な
手法、すなわち組立性が良く、しかも冷却性能も高い手
法を提示している。したがって、本発明を電子計算機等
、大規模の高速電子回路を必要とする機器に適用すれば
、その性能向上に大きな効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的構造の１実施例を示す斜視図で
ある。

【図２】気密封止法を示す説明図である。

【図３】本発明によるチップへの接触状況を示す説明図
である。

【図４】境界板にベローズを成形した構造の説明図であ
る。

【図５】従来の構造を説明するための図である。

【符号の説明】

１…基板、２…チップ、３…半田バンプ、４…境界板、５…フィン、６…絶縁板、７…ハット、８…Ｏリング、９…封止管。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個の半導体チップを塔載したマルチチ
ップモジュールにおいて、該半導体チップに接触する金
属板を設け、該金属板の半導体チップとの反対側の面上
の相対する位置に冷却フィンを接合し、該冷却フィンに
強制的に冷媒を流すことを特徴とするマルチチップモジ
ュール。
【請求項２】請求項１において、該半導体チップと該金
属板との間に絶縁板を介在させたことを特徴とするマル
チチップモジュール。
【請求項３】請求項１又は２において、該半導体チップ
又は該絶縁板と該金属板との間に熱伝導性グリースを介
在させることを特徴とするマルチチップモジュール。
【請求項４】請求項１又は２において、該半導体チップ
を気密封止したのち、高熱伝導性気体を封入することを
特徴とするマルチチップモジュール。
【請求項５】請求項１又は２において、該マルチチップ
モジュールの電子回路の調整段階においては該半導体チ
ップ上に熱伝導性グリースを塗布した冷却構造を、また
電子回路の調整を完了した段階においては該半導体チッ
プを気密封止し、高熱伝導性気体を封入することを特徴
とするマルチチップモジュールの製造方法。
【請求項６】請求項１又は２記載の冷却構造を採用した
マルチチップモジュールを塔載して成ることを特徴とす
る電子計算機。