JPH0521670A - ヒートシンク、ヒートシンクの製造方法および製造装置 - Google Patents

ヒートシンク、ヒートシンクの製造方法および製造装置

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JPH0521670A
JPH0521670A JP3172731A JP17273191A JPH0521670A JP H0521670 A JPH0521670 A JP H0521670A JP 3172731 A JP3172731 A JP 3172731A JP 17273191 A JP17273191 A JP 17273191A JP H0521670 A JPH0521670 A JP H0521670A
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heat
fixing jig
adhesive
semiconductor chip
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Katsunori Nishiguchi
勝規 西口
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体チップモジュールに装着することによ
り、内部に気密封止された半導体チップからの熱を安定
して放散し得るヒートシンクを提供する。 【構成】 キャップで気密封止された半導体チップモジ
ュールに装着されるヒートシンクにおいて、キャップに
形成された穴から挿入され、半導体チップモジュールに
気密封止された半導体チップに当接し半導体チップから
熱を吸収する吸熱手段３ａと、キャップの外部に露出し
吸熱手段３ａが半導体チップから吸収した熱を放熱する
放熱手段３ｃと、吸熱手段３ａと放熱手段３ｃとの間に
配置されキャップの上面に固着される接着面ａを備え、
少なくとも接着面ａに接着材ｓが被着していることを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はコンピュータや通信な
ど、信号処理の高速化が要求される分野に適用できる半
導体チップモジュール（マルチチップモジュール、シン
グルチップモジュール）に簡単に適用できるヒートシン
ク、ヒートシンクの製造方法および製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】電子機器の機能の大規模・高速化が求め
られるにつれて、論理ＬＳＩのゲート当りの遅延時間は
数百psと高速化してきた。それに対して、プリント基板
上に多数のＤＩＰやプラグインパッケージを搭載する従
来の実装形態では高速化したＬＳＩの性能を十分に発揮
させることが困難になってきた。その為に、１枚のセラ
ミック基板上に多くのチップを搭載し、高速性能を有す
る高密度実装したマルチチップモジュール方式が開発さ
れ実用されている（ＬＳＩハンドブック、第１版、pp.4
15-416、電子通信学会、１９８４年）。
【０００３】従来技術としては、ピストンをバネにより
半導体チップに接触させて冷却板に放熱させる構造が知
られている（“Materials/Processing Approaches to P
haseStabilization of Thermally Conductive Pastes
” pp.713-717 、IEEE TRANSACTIONS OF COMPONENTS,H
YBRIDS. AND MANUCFACTURING TECHNOLOGY,VOL.13,NO.4,
DECEMBER1990）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ピストンを用
いた半導体チップモジュールは、部品点数が多く、コス
トが極めて高くなるという欠点があった。
【０００５】そこで本発明は、半導体チップモジュール
に装着することにより、内部に気密封止された半導体チ
ップからの熱を安定して放散し得るヒートシンク、その
ヒートシンクを簡単に製造できる製造方法および製造装
置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、本発明に係るヒートシンクは、キャップで気密封止
された半導体チップモジュールに装着されるヒートシン
クにおいて、キャップに形成された穴から挿入され、半
導体チップモジュールに気密封止された半導体チップに
当接し半導体チップから熱を吸収する吸熱手段（例え
ば、円柱部材の一端部）と、キャップの外部に露出し吸
熱手段が半導体チップから吸収した熱を放熱する放熱手
段（例えば、円柱部材の他端部に配列された複数の円
盤）と、吸熱手段と放熱手段との間に配置されキャップ
の上面に固着される接着面を備え、少なくとも接着面に
接着材が被着していることを特徴とする。
【０００７】また、本発明に係るヒートシンクの製造方
法は、少なくとも保持手段の接着面に接着材が被着して
いないヒートシンク、円盤の外径より小さく円柱部材の
外径より大きい幅の溝を有する固定治具、さらに、接着
材が液状で収納された浴槽をそれぞれ準備する工程と、
固定治具の溝に円柱部材を係合させ固定治具の上面で円
盤の底部を保持する工程と、少なくとも接着面を浴槽に
浸す工程とを含んで構成される。
【０００８】この場合、ヒートシンクを導電性材料で形
成し、同一電源に接続された第１電極（陰極）と第２電
極（陽極）を準備し、第１電極をヒートシンクの一部に
接続すると共に第２電極を浴槽に浸し、ヒートシンクと
第２電極との間に電圧を印加してもよい。
【０００９】さらに、本発明に係るヒートシンクの製造
装置は、円盤の外径より小さく円柱部材の外径より大き
い幅の溝を有する固定治具と、固定治具を真空雰囲気中
で保持する真空容器と、真空容器内に固定され電子ビー
ムをるつぼに収納された接着材に照射して加熱する電子
銃と、固定治具を真空容器内で自転させる第１の回転手
段と、第１の回転手段自体を回転させることにより固定
治具を電子銃に対して公転させる第２の回転手段とを備
えて構成される。
【００１０】この装置を用いる場合、固定治具の溝に円
柱部材を係合させ、固定治具の上面で円盤の底部を保持
する工程と、固定治具を自転および公転させる工程と、
真空雰囲気中で電子ビームを接着材に照射して加熱する
ことにより接着材を蒸発させ、少なくとも接触面に接着
材を蒸着する工程を経て上述したヒートシンクを製造で
きる。
【００１１】
【作用】本発明に係るヒートシンクによると、ヒートシ
ンクの接着面に接着剤が固着されているので、ヒートシ
ンクの吸熱手段を内部に挿入した状態で、半導体チップ
モジュールの気密封止が可能である。
【００１２】また、本発明に係るヒートシンクの製造方
法によると、ヒートシンクの放熱手段を固定治具で保持
することにより、浴槽に接着面が浸るように位置決めさ
れる。 さらに、本発明に係るヒートシンクの製造装置
によると、電子銃の電子ビーム加熱により蒸発する接着
材に対して固定治具の位置が相対的に変化するので、蒸
発した接着材はほぼ均等に接着面に付着する。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の一実施例について、添付図面
を参照して説明する。なお、説明において同一要素には
同一符号を用い、重複する説明は省略する。図１は本発
明の一実施例に係るヒートシンクを示す縦断面図、図２
は本実施例に係るヒートシンクをマルチチップモジュー
ルに装着した状態を示す縦断面図である。
【００１４】まず、本実施例に係るヒートシンクが装着
されたマルチチップモジュールの構造を説明する。この
マルチチップモジュールは、下部基板１、上部基板２、
ヒートシンク３、キャップ４を含んで構成されている。
下部基板１はアルミナ材で形成され、その側面からは上
部基板２により構成された電気回路と接続した複数のリ
ードピン７が延びている。また、上部基板２は低誘電率
絶縁材料で形成され、例えば、熱抵抗３℃／Ｗ、サーマ
ルバイヤを併用した３インチ角のポリイミド多層配線構
造を使用することができる（“銅ポリイミド多層配線基
板”、HYBRIDS、Vol.7, No.1, pp.10-12 参照）。さら
に、キャップ４は例えば厚さ１ｍｍのコバール（kovar
）で蓋状に形成されており、比較的に発熱量の大きい
半導体チップ６の搭載位置と対応した位置に、例えば内
径６〜８ｍｍ程度の穴４ａが形設されている。この穴４
ａにヒートシンク３の一端部が挿入される。
【００１５】ヒートシンク３は熱伝導率の高い材料（Ａ
ｌ、ＣｕＷ、ＡｌＮ、ＣＢＮ、ダイヤモンドなど）で形
成され、吸熱部３ａ、接着部３ｂ、放熱部３ｃを備えて
構成されている。吸熱部３ａは上述した穴４ａに挿入し
やすい形状になっており、例えば棒状になっている。ま
た、放熱部３ｃはキャップ４の外部に晒されるので、自
然冷却されやすいように表面積が大きくなる構造になっ
ており、例えば円盤状になっている。さらに、吸熱部３
ａと放熱部３ｃの間には円盤状に形成された接着部３ｂ
が配置され、その底部はキャップ４の上面に固着される
接着面ａになっている。この接着面ａと吸熱部３ａに
は、例えば１００μｍのハンダで形成された接着材ｓが
表面に被着されている。このように構成されているの
で、ヒートシンク３をキャップの穴４ａから簡単に挿入
することができ、半導体チップ６の上面に確実に接触さ
せることができる。
【００１６】ヒートシンク３の接着面ａに固着されたハ
ンダ層ｓは、吸熱部３ａが内部に挿入された後の局所加
熱あるいは全体加熱により溶融し、吸熱部３ａを半導体
チップ６に接触させた状態で、ヒートシンク３をキャッ
プ４に固定すると共に内部を気密封止する。したがっ
て、気密状態を維持したまま、キャップ４の外部に半導
体チップ６からの熱を効率良く逃がすことができる。ま
た、ヒートシンクの吸熱部３ａと半導体チップ６の接触
状態は面接触になっているので熱抵抗が低減し、熱伝導
効率が良くなる。
【００１７】この場合、ヒートシンク３の先端部のハン
ダ厚は初期厚に依存せず、最終的には１０〜２０μｍに
なることが確認されているが、実際のハンダ厚はハンダ
材の表面張力、設計上の公差などを考慮して決定する。
【００１８】次に、本発明に係るヒートシンクを製造す
る方法の一実施例を図３及び図４に基づき説明する。図
３（ａ）は第１実施例に係るヒートシンクの製造方法を
示し、ヒートシンクの接着面にハンダ材を被着する装置
を示す平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ´線で
切断した縦断面図を示す。この装置は、固定治具８、デ
ィップ槽（浴槽）９を備え、ディップ槽９にはＳｎＰｂ
などのハンダ材１０が満たされている。ディップ槽９は
ハンダ材１０の融点以上に加熱されているので、ハンダ
材１０は溶融状態になっている。固定治具８は平行に細
長い溝８ａが形成されており、この溝８ａに接着面にハ
ンダ層ｓが形成されていないヒートシンク３が保持され
る。具体的には、ヒートシンク３は放熱部３ｃを構成す
る最上部の円盤と２番目の円盤の間の円柱部ｃを固定治
具の溝８ａに係合させることにより位置決めされ、この
固定治具８をディップ槽９に結合すれば接触面ａはハン
ダ材１０に浸るようになっている。
【００１９】この装置を用いて、固定治具の溝８ａに円
柱部ｃを係合させ、固定治具８の上面で最上部の放熱部
３ｃの底面を保持する工程、接着面ａ及び吸熱部３ａを
ディップ槽９に浸せきする工程を経て、ヒートシンク３
を引き上げて冷却することにより実施例に係るヒートシ
ンクが製造される。
【００２０】図４（ａ）は第２実施例に係るヒートシン
クの製造方法を示し、ヒートシンクの接着面にメッキ材
を被着する装置を示す平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）
のＢ−Ｂ´線で切断した縦断面図を示す。この装置は、
固定治具８、ディップ槽９、同一電源１１に接続された
陽極（第２電極）１２ｂ及び陰極（第１電極）１２ａを
備える。ディップ槽９にはメッキ液１３が満たされてい
る。陽極１２ｂは例えば高純度Ｓｎで形成され、メッキ
液１３に浸されており、陰極１２ａは固定治具８に保持
された複数のヒートシンクの放熱部３ｃに一括して接続
されている。メッキ液としては酸性溶液、アルカリ性溶
液を使用することができる。なお、固定治具８及びディ
ップ槽９の基本的構造は上述した通りなので、説明は省
略する。
【００２１】この装置を用いて、固定治具の溝８ａに円
柱部ｃを係合させ、固定治具８の上面で最上部の放熱部
３ｃの底面を保持する工程、少なくともヒートシンク３
の接着面ａをディップ槽９に浸す工程、陰極１２ａを放
熱部３ｃの一部に接触させると共に陽極１２ｂをディッ
プ槽９に浸し、ヒートシンク３と陽極１２ｂとの間に電
圧を印加する工程を経て、接着面ａ及び放熱部３ｃの表
面にＳｎ膜が形成される。このように、この製造方法に
よると多数のヒートシンクが一度に形成されるので、生
産性が向上する。この場合、ヒートシンク３とキャップ
４及び半導体チップ６との接着を容易にするために、Ｓ
ｎが固着した接着面ａ及び放熱部３ｃと接触する半導体
チップ６の上面及びキャップ４の上面にはＡｕがメタラ
イズされていることが望ましい。
【００２２】次に、本発明に係るヒートシンクの製造装
置の一実施例を説明する。図５は２種類のモータを用い
て、ヒートシンクを固定する固定治具の自転、公転を実
現した装置の構造を示す縦断面図である。この装置は、
内部雰囲気を真空状態に維持できる真空室１４、この真
空室１４の内部でモータ１５の駆動により回転自在に支
持された回転部材（第２の回転手段）１６、この回転部
材１６の回転軸１６ａから離れた位置で回転自在に支持
された固定治具８、真空室１４の底部に固定され、るつ
ぼ１７に収納されたＳｎ（接着材）に電子ビームを照射
可能な電子銃１８、上述した固定治具８を回転駆動する
モータ（第１の回転手段）１９を備えて構成されてい
る。固定治具８は、例えば円板状に形成されており、ヒ
ートシンクの放熱部３ｃを構成する円盤の外径より小さ
く円柱部ｃの外径より大きい幅の溝（図示せず）が形設
されている。この溝にヒートシンクの放熱部３ｃを係合
させることにより、ヒートシンク３は固定治具８の回転
中も安定して保持される。また、ヒートシンク３は回転
部材１５及び固定治具８の回転により、電子銃１６の電
子ビームにより蒸発する接着材に対して自転及び公転運
動をする。その為、蒸発したＳｎガスはヒートシンクの
接着面ａに平均的に付着し、ほぼ均等なＳｎ層の真空蒸
着が可能になる。
【００２３】この装置を用いて、固定治具８の溝に円柱
部ｃを係合させ、固定治具８の上面でヒートシンクの放
熱部３ｃを構成する円盤の底部を保持する工程、モータ
１５、１８を回転させることにより固定治具８を自転お
よび公転させる工程、真空雰囲気中において電子ビーム
をＳｎに照射、加熱することによりＳｎを蒸発させ、少
なくともヒートシンクの接触面ａにＳｎの蒸着膜を形成
する工程を経て、接着面ａ及び放熱部３ｃの表面にＳｎ
膜が形成される。
【００２４】なお、この装置を用いて固定治具を回転す
ると、ヒートシンクの接着部３ｂの側面にも接着材ｓが
被着するが、ヒートシンクの吸熱部３ａの長手方向に沿
って蒸着することにより、接着面ａだけに接着材ｓを被
着してもよい。 また、本実施例では２種類のモータを
使用してヒートシンク３の自転、公転運動を実現してい
るが、例えば遊星歯車機構を利用してもよい。
【００２５】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではない。本実施例ではヒートシンクの放熱部として
円盤、吸熱部として円柱を基本的に利用した断面円形の
構造を示したが、これらの断面形状は円形に限定される
ものではない。
【００２６】
【発明の効果】本発明に係るヒートシンクは、マルチチ
ップモジュール及びシングルチップモジュールにも適用
でき、安定した熱の放散が可能になる。
【００２７】また、本発明に係るヒートシンクの製造方
法、製造装置を使用すれば、簡単に熱放散性に優れたヒ
ートシンクを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るヒートシンクの構造を
示す図である。
【図２】本発明の一実施例に係るヒートシンクが装着さ
れたマルチチップモジュールをヒートシンクの挿入方向
に沿って切断した縦断面図である。
【図３】本発明の第１実施例に係るヒートシンクを製造
する方法を説明するための説明図である。
【図４】本発明の第２実施例に係るヒートシンクを製造
する方法を説明するための説明図である。
【図５】本発明の一実施例に係るヒートシンクの製造装
置を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…下部基板、２…上部基板、３…ヒートシンク、４…
キャップ、５、６…半導体チップ、７…リードピン、８
…固定治具、９…ディップ槽、１０…ハンダ材、１１…
電源、１２…電極、１３…メッキ液、１４…真空室、１
５、１９…モータ、１６…保持部材、１７…るつぼ、１
８…電子銃、ａ…接着面、ｃ…円柱部、ｓ…ハンダ。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 キャップで気密封止された半導体チップ
    モジュールに装着されるヒートシンクにおいて、 前記キャップに形成された穴から挿入され、前記半導体
    チップモジュールに気密封止された半導体チップに当接
    し前記半導体チップから熱を吸収する吸熱手段と、前記
    キャップの外部に露出し前記吸熱手段が前記半導体チッ
    プから吸収した熱を放熱する放熱手段と、前記吸熱手段
    と前記放熱手段との間に配置され前記キャップの上面に
    固着される接着面を備え、 少なくとも前記接着面に接着材が被着していることを特
    徴とするヒートシンク。
  2. 【請求項２】 前記吸熱手段は円柱部材の一端部を用い
    て形成され、前記放熱手段は前記円柱部材の他端部に前
    記円柱部材より外径が大きい複数の円盤を任意の間隔で
    順次配置して構成されている請求項１記載のヒートシン
    ク。
  3. 【請求項３】 請求項２記載のヒートシンクを製造する
    方法であって、 前記接着面に接着材が被着していないヒートシンク、前
    記円盤の外径より小さく前記円柱部材の外径より大きい
    幅の溝を有する固定治具、さらに、前記接着材が液状で
    収納された浴槽をそれぞれ準備する工程と、 前記固定治具の溝に前記円柱部材を係合させ前記固定治
    具の上面で前記円盤の底部を保持する工程と、 少なくとも前記接着面を前記浴槽に浸す工程とを含んで
    構成されるヒートシンクの製造方法。
  4. 【請求項４】 請求項２記載のヒートシンクを製造する
    方法であって、 前記接着面に接着材が被着していない導電性材料で形成
    されたヒートシンク、前記円盤の外径より小さく前記円
    柱部材の外径より大きい幅の溝を有する固定治具、前記
    接着材が液状で収納された浴槽、さらに、同一電源に接
    続され所定電圧が印加される第１電極及び第２電極をそ
    れぞれ準備する工程と、 前記固定治具の溝に前記円柱部材を係合させ、前記固定
    治具の上面で前記円盤の底部を保持する工程と、 少なくとも前記ヒートシンクの接着面を前記浴槽に浸す
    工程と、前記第１電極を前記放熱手段の一部に接触させ
    ると共に前記第２電極を浴槽に浸し、前記ヒートシンク
    と前記第２電極との間に電圧を印加する工程とを含んで
    構成されるヒートシンクの製造方法。
  5. 【請求項５】 請求項２記載のヒートシンクを製造する
    装置であって、 前記円盤の外径より小さく前記円柱部材の外径より大き
    い幅の溝を有する固定治具と、前記固定治具を真空雰囲
    気中で保持する真空容器と、前記真空容器内に固定され
    電子ビームをるつぼに入れられた接着材に照射して加熱
    する電子銃と、前記固定治具を前記真空容器内で自転さ
    せる第１の回転手段と、前記第１の回転手段自体を回転
    させることにより前記固定治具を前記電子銃に対して公
    転させる第２の回転手段とを備えて構成されるヒートシ
    ンクの製造装置。
  6. 【請求項６】 請求項５記載の製造装置を用いてヒート
    シンクを製造する方法であって、 前記固定治具の溝に前記円柱部材を係合させ、前記固定
    治具の上面で前記円盤の底部を保持する工程と、前記固
    定治具を自転および公転させる工程と、真空雰囲気中に
    おいて電子ビームを前記接着材に照射して加熱すること
    により前記接着材を蒸発させ、少なくとも前記接触面に
    前記接着材を蒸着する工程とを含んで構成されるヒート
    シンクの製造方法。
JP3172731A 1991-06-18 1991-07-12 ヒートシンク、ヒートシンクの製造方法および製造装置 Pending JPH0521670A (ja)

Priority Applications (12)

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