JPH0445250Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔概要〕 半導体チツプを装着したセラミツク基板と該基
板を覆つて設けられる金属筐体との間に、熱膨張
係数の差や締め付けの際に発生する応力を緩和す
る方法として、セラミツク基板を熱膨張係数の近
似した金属を介して超弾性を示す金属板に半田付
けし、Ｏリングを介して金属筐体と気密封止する
半導体装置の冷却構造。

〔産業上の利用分野〕

本考案は冷媒を使用して冷却する半導体装置の
冷却構造に関する。

情報処理装置の処理能力を向上する方法として
多数の半導体素子から構成されている半導体チツ
プは単位素子の小形化と共に構成素子数の増大が
行われている。

すなわち、単位素子を形成する電極寸法や導体
パターン幅は極度に縮小されており、一方素子数
は増大してLSIやVLSIが実用化されている。

また、プリント配線基板への実装方法も改良さ
れ、従来は半導体チツプ毎にハーメチツクシール
パツケージに格納してあり、これを配線基板に搭
載していたが、今後の形態としてはパツシベーシ
ヨン技術の進歩により、複数のLSIチツプをセラ
ミツクなどの回路基板に装着してLSIモジユール
を作り、これを取替え単位として配線基板に装着
する方法が採られている。

一方、このように単位素子の小形化と高密度化
が進むに従つて、半導体チツプの発熱量も膨大と
なり、従来の空冷方法では素子の温度を最高使用
温度範囲内に保持することは不可能になつた。

すなわち、今までLSIチツプの発熱量は最高で
も４ワツト程度であつたが、VLSIにおいては10
ワツト程度に達しようとしている。

以上のことから、半導体チツプの冷却方法は従
来の空冷や強制空冷に代わつて冷媒を使用する冷
却方法が必要となつている。

〔従来の技術〕 冷媒を用いた半導体チツプの冷却方法について
は現在は研究或いは試験段階であつて、冷却構造
としては未だ確立された技術は存在しない。

第３図は多数の半導体チツプを装着してなる半
導体装置の従来の冷却構造であつて、同図Ａは断
面図、また同図Ｂは平面図である。

すなわち、LSIやVLSIなどの半導体チツプ１
は多層配線が施されているセラミツク基板２の表
面に装着されており、セラミツク基板２の裏面に
設けられている多数のコンタクトホールにリード
端子３が融着されて半導体チツプ１の電子回路が
取り出されている。

一方、放熱用のフイン４を備えた上部金属筐体
５と下部金属筐体６とはＯリング７を用いてネジ
８で締め付けるよう形成されている。

ここで、下部金属筐体６の中央部はセラミツク
基板２の装着可能なマージン部を残して窓開けさ
れており、このマージン部にセラミツク基板２が
半田付けされる構造をとつている。

そして、上部金属筐体５の中には各種のフルオ
ロカーボンや液体窒素（N2）、またヘリウム
（He）ガスなどの冷媒９が封入されるか或いは循
環する構造が考えられている。

然し、かかる冷却構造をとる半導体装置を動作
させて評価テストを行つたところ、次のような原
因で下部金属筐体６とセラミツク基板２との接合
部で気密漏れが起き易いことが判つた。

セラミツク基板２と下部金属筐体６との間で
熱膨張の差に起因して発生する応力。

冷媒を封止してある場合、電力印加の際に冷
媒の温度上昇により生ずる内圧の上昇。

ネジ８の締付けが均一に行われないことによ
る起こる応力。

これらのことから、セラミツク基板２と下部金
属筐体６とを直接に半田付けする構造は適当でな
いことが判つた。

〔考案が解決しようとする問題点〕

以上記したように多数の半導体チツプを搭載し
たセラミツク基板を金属筐体に装着し、その中に
冷媒を封入して冷却する冷却構造において、セラ
ミツク基板を直接に金属筐体に半田付けすると接
合部での破壊が起きやすく、気密漏れを生じ易い
ことが問題である。

〔問題点を解決するための手段〕 上記の問題は垂直方向に配置した超弾性金属板
を挟んで上下の対称位置に前記セラミツク基板と
熱膨張係数の近似した金属板を熔接した金属部材
があり、該金属部材の一端に前記セラミツク基板
を半田付けすると共に、他端をボルト締めにより
前記上部金属筐体と固定する下部金属筐体部にＯ
リングを用いて気密封止する構造をとる半導体装
置の冷却構造により解決することができる。

〔作用〕

本考案はセラミツク基板を直接に下部金属筐体
に半田付けする構造を改め、セラミツク基板と熱
膨張係数の近似した金属を用いて半田付けすると
共に、中間に超弾性をもつ金属を介在させること
によつて、側面と表面などあらゆる方向から加わ
る歪を総て吸収するようにしたものである。

ここで、セラミツクス基板としてはガラスセラ
ミツクス多層基板、アルミナ多層基板、ガラス入
りイミド多層基板などが用いられており、この熱
膨張係数はそれぞれ4.4×10^-6／℃，8.6×10^-6／
℃，13×10^-6／℃である。

ここで、微細パターンを含む多層基板を形成す
るには焼成温度が900℃以下ですむガラスセラミ
ツク基板が最も適し、一般に用いられている。

一方、金属筐体の構成材料としてはアルミニウ
ム・マグネシウム（Al・Mg）合金などが一般的
に用いられており、JIS Ａ 5052（Al・Mg合金）
の熱膨張係数は21×10^-6／℃である。

本考案はこのように約一桁違う熱膨張係数の接
合に原因する応力を緩和あるいは吸収する方法と
して熱膨張係数がセラミツク基板に近似している
金属板を用い、また超弾性金属板を用いて伸長と
収縮により発生する応力を吸収するようにした。

第２図は本考案に係る半導体冷却構造の断面図
で、第１図は部分拡大断面図である。

すなわち、垂直方向に配置した超弾性金属板１
０を挟んで上下対称位置に熱膨張係数がセラミツ
ク基板２と近似する金属板１１を熔接したものを
準備しておき、この一端にセラミツク基板２を鑞
付けなどの方法で接合し、また他端は下部金属筐
体６の上に置き、Ｏリング７を配し、従来と同様
にネジ８を用いて上部金属筐体５と下部金属筐体
とを気密封止し固定する。

このような構造をとるとセラミツク基板２と金
属板１１とは熱膨張係数が近似していることか
ら、この間では熱膨張係数の差による破壊は起こ
らず、また金属筐体５，６との熱膨張係数の差に
より生ずる応力は超弾性金属板１０の形成により
吸収できるので、従来のような破壊は無くなり、
信頼性の高い冷却構造が実用化できる。

〔実施例〕

超弾性金属板１０の構成材料としてはチタン
（Ti）−51％ニツケル（Ni）合金を使用した。

また、半導体チツプを搭載するセラミツク基板
２の構成材料として熱膨張係数が4.4×10^-6／℃
のガラスセラミツクスを用いているので金属板１
１の構成材料として膨張係数が4.5×10^-6／℃の
42アロイ（Ni42％あとFe）を用いた。

ここで、超弾性金属板１０と金属板１１との熔
接は最大出力が400WのパルスNd−YAGレーザ
溶接機を用いて行い、またセラミツク基板２と金
属板１１との接合法としては、第１図に示すよう
にセラミツク基板２の裏面の接合部に銅（Cu）
ペーストを印刷焼成してメタライズした後、メツ
キ処理して厚さ約5μmのNiメツキ層１２を形成
し、金属板１１と半田付けした。

そして、セラミツク基板２をつけた金属部材１
３の片方にある金属板１１を従来のように下部金
属筐体６と積層し、Ｏリング７を介して上部金属
筐体５とネジ８で封止することにより冷却構造が
完成する。

この場合は金属筐体内に１気圧のHeガスを封
入し、Heリークデテクタを用いて気密性を試験
したところ１×10^-8atm cc／ｓ以下の高い気密
性をもつことが確認され、また−55℃〜＋125℃
の温度サイクルを10サイクル行つたが気密性に変
化は認められず、高い信頼性をもつことが確認で
きた。

〔考案の効果〕

本考案によれば、金属筐体とセラミツク基板と
の熱膨張係数の差に起因する応力を容易に変形が
可能な超弾性金属板により吸収することができる
ことから接合部の破損による気密漏れはなくな
り、超寿命で信頼性の高い気密容器の形成が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る金属筐体とセラミツク基
板との部分拡大断面図、第２図は本考案に係る半
導体装置の冷却構造の断面図、第３図は従来の半
導体装置の冷却構造で、Ａは断面図、Ｂは平面
図、である。 図において、１は半導体チツプ、２はセラミツ
ク基板、５は上部金属筐体、６は下部金属筐体、
７はＯリング、８はネジ、１０は超弾性金属板、
１１は金属板、１３は金属部材、である。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 IC，LSIなどの半導体装置チツプ１を搭載した
   セラミツク基板２を金属筐体に装着し、冷媒を用
   いて冷却する構造として、 垂直方向に配置した超弾性金属板１０を挟んで
   上下の対称位置に前記セラミツク基板２と熱膨張
   係数の近似した金属板１１を熔着した金属部材１
   ３があり、該金属部材１３の一端に前記セラミツ
   ク基板２を半田付けすると共に、他端をボルト８
   締めにより上部金属筐体５と固定する下部金属筐
   体６にＯリング７を用いて気密封止する構造をと
   ることを特徴とする半導体装置の冷却構造。