JPS5891665A - パツケ−ジ - Google Patents

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】 本発明の分野 本発明は、半導体素子によシ生じる熱エネルギを放散さ
せるための構造体に係シ、更に具体的に云えば、はんだ
接続部を用いて基板上に装着された集積回路半導体素子
を、それらの素子上に装着された冷却板を用いて冷却す
るための熱伝導システムに係る。

高い回路密度を有する今日の集積回路半導体素子に於て
は、それらの素子の動作パラメータ全予定の範囲内に保
つ様な範囲内にそれらの素子の温度を維持し、又過熱に
よシそれらの素子が破壊されない様にするために、それ
らの素子の動作により生じた熱を効果的且つ迅速に除く
必要がある。

この熱除去の問題は、素子全基板上の適当な端子に電気
的に接続するはんだの端子を用いて素子が支持基板に接
続きれる場合には、更に大きくなる。

その様なはん屑接続された素子に於ては、はんだ接続部
を経て達成され得る熱の転送ハ゛、背面接続された素子
に比べて、限定されている。従って、動作中に生じた熱
の大部分が素子の裏側から除去でれねばならない。

半導体素子からの熱の冷却又は除去は多数の周知技術に
よって達成され得る。１つの一般的な技術は、素子を包
囲している空気が伝導及υ対流によシ熱を除去し得る様
にすることである。その熱の除去は、素子上及びその周
囲に空気を強制的に循環させることによって増加され得
る。しかしながら、この技術によシ除去され得る熱の量
は、極めて限定されておシ、概して高密度及び高性能の
半導体素子には不充分である。素子の冷却は又、素子を
適当な冷却液中に浸漬することによっても達成され得る
。しかしながら、冷却液ば、素子及び基板の金ｆ！【上
領域を腐食させ、又パッケージが修理を要する場合に再
加工の問題を生じ伶る。冷却は又、素子の裏側とカバー
又は冷却板との間に′　　　　　　熱伝導性の連接材料
を設けることによっても達成され得る。しかしながら、
この一般的技術はその使用に関連して多くの問題を有し
ている、その材料が熱的グリースの場合の如く濃い粘性
流体である場合には、その材料は特に素子が加熱された
ときに移動しそして素子及び基板の金ＷＡ【ヒ領斌に浸
出して、腐食そして恐らく短絡を生ぜしめ得る。

上記材料が然るべき位置に固定されておシそして材料そ
れ自体が硬い場合には、材料及び素子の温度変ｒヒの結
果、しばしば素子を破壊して使用不可能にさせ得る応力
が生じ得る。又、ピストンの如き、可動材料片よシ成る
熱伝導性の連接部材も知られている。しかしながら、そ
の素子は、パッケージが衝撃又は慣性力を受けた場合に
、破壊され易い。更に、素子とピストンとの間に界面接
触を達成することが困難である。素子を基板に接続させ
ているはんだ接続部の長さに少しでも変動があれば、素
子の裏面が可動ピストンに面接触せずに点接触又は＃Ｊ
接触しかしていない、傾いた素子が生じ得る。これは、
素子とピストンとの間の熱抵抗を増加させ、素子により
生じた熱を放散させる能力を低下させる。

先行技術 次に示す従来技術の文献は、はんだ接続された半導体素
子から熱を除去するための種々の構造体について記載し
ている。

米国特許第３７４１２９２号及び第３８５１２２１号の
明細ｉは、複数の半導体素子を包囲している低沸点の誘
電性流体を含む半導体パッケージについて開示している
。

米国特許第５９９３１２５号の明細１は、素子から冷却
板へ熱を伝導させて逃がすために、可動熱伝導ピストン
がはんだ接続されている半導体素子の裏側に接触されて
配置されている、半導体パ・ノケージについて開示して
いる。

米国特許第４２３５２８３号の明細誓は、素子の裏側か
ら熱を除去するための、各部分に分けられた熱伝導ピス
トンについて開示している。その各部分に分けられたピ
ストンは、素子が傾いている場合でも素子の裏側に複数
の点で接触する様に適合されておシ、ピストンと素子と
の界面に跨ってよシ低い熱抵抗を得る。

米国特許第４１５６４５８号の明細嘗は、素子から熱シ
ンクに熱全伝導させるために金属箔の束が用いられてい
るパッケージについて開示している。

米国特許第４０’９２６９７号ノ明細ＩＦＩ′ｉ、熱的
液体材料で充填された成形可能な柱状部材が半導体素子
の裏側とチャツプとの間に露出されて、熱伝導ブリッジ
として働く、半導体パッケージについて開示している。

本発明の要旨 本発明の目的は、高密度の集積半導体素子のための、簡
曝且っ安価で効率的な熱伝導冷却構造体全提供すること
である。

本発明の他の目的は、半導体素子とピストンとの間に界
面接触が達成され、従って界面の熱抵抗全減少させ得る
、半導体パッケージ熱伝導冷却構造体全提供することで
ある。

本発明の更に他の目的は、パッケージが大きな衝撃及び
／若しくは加速力又は減速力を受けた場合でも、チップ
への衝撃による損傷が最小限にされる、半導体パッケー
ジのための熱伝導冷却システムを提供することである。

基板と、裏面が上記基板と反対側に於て上を向く様に基
板上に装着された少くとも１つの半導体素子と、上記基
板の上に装着された熱シンクとを有する半導体パッケー
ジのための本発明による改良された熱伝導冷却システム
は、−力の端部が素子の裏面に接触する様に開孔中に於
て熱シンク上にスジ１ド５’１ＴｉＱに装着されている
冷却ピストンと、上記ピストンが上記素子に接触する様
に上記ピストンを下刃に促しそして上記ピストンと上記
熱シンクとの間にしつかシした一定の表面間接触が得ら
れる様に上記ピストンを横力向に促すための手段と、上
記開孔中に於て上記ピストンが回転することを防ぐ手段
とｔ有することを特徴とする。

ど 第１図乃至第３図は、マルチ・チップ半導体パツケ・−
ジ１０に適用された本発明による改良された熱伝導冷却
システムの１実施例會示している。

半導体パッケージ１０は、基板の上面に装着された半導
体素子１４を相互に接続し且つそれら上基板の底面上の
Ｉ１０ビン１６に接続するための適当な金属系上布する
誘電体材料より成る基板１２會有している。任意の適当
な相互接続系が基板１２中に用いられ得る。しかしなが
ら、素子１４が高密度で集積されて多数の素子が畦−の
基板上に相互接続されるべき場合には、米国特許第４２
４５２７５号の明細筈に開示されている如き多１セラミ
ック基板構造体が好ましい。素子１４は、米国特許第３
４２９ＣＩ４０号及び第３４９５１３３号に記載のはん
だ接続部１８によって、基板１２の金属比領域に電気的
に接続されている東示されている。カバー即ちキャップ
２０は、基板１２と組合わされて、素子１４上に封入体
を形成する。上記カバーは任意の適当な方法で基板１２
に接続されることが出来、飼えばカバーは例えば硬ろう
付けによシ基板１２に接続されたフランジ２２に接続さ
れ得る。素子１４によシそれらの動作中に生じた熱ｋ　
パッケージからよシ効果的に除くために、液体によシ冷
却されている冷却板２４がカバー２０に暇付けられてい
る。カバーから熱會除くために他の適当な手段も用いら
れることが出来、例えば空気を移動さぜることによシ冷
却きれるヒレ状部分、蒸発技術及び同種の手段も用いら
れ得ること全理解されたい。

カバー２０は、各半導体素子１４上に配置された円筒形
開孔２６全含む。各開孔２６中には、半導体素子に接触
する底面３０及び傾斜した上面３２を有している円筒形
ピストン２８がスライド町舵に配置されている。円筒形
開孔２６の直径とピストン２８の直径との間には、円筒
形開孔の壁に隣接するピストンの壁の半分の上のはんだ
層のためのスペースが得られる様に充分なすきまが設け
られていることが好ましい。その場合には、ピストンの
壁の他の半分は何らはんだを有していない。

いずれの場合でも、ピストンの壁の半分は円筒形開孔の
壁と接触していない。ピストン２８と素子１４との間の
界面に跨る熱抵抗を減少させて、熱除去システムの効率
を増すためには、ピストン２８と素子１４との間に良好
な界面接触全達成することが重要である。好ましくは、
第２図に於てより明確に示されている如く、ピストン２
８の底面３０と素子１４との間に低融点の熱伝導性材料
層３４が配置される。低融点を有する典型的な熱伝導性
材料は、６０℃乃至２５０℃の範囲の融点を有する、つ
・／ド・メタルの如き金属合金及び同種のものである。

ピストン２８は、例えば、はんだで湿潤され得る銅の如
き良好な熱伝導性材料よシ成る。動作に於て、熱伝導性
材料層３４は、はんだで湿潤され得るピストンに付着す
べきであるが、素子１４の裏面に付着してはならない、
動作に於て、層３４は溶融されて、ピストンと素子１４
との間に順心した界面全形成する。ピストン２８の側壁
上にも、ピストンと開孔２６の壁この間の界面接触を増
す同様な熱伝導性材料層３６が付着され得る。カバー２
０の材料かはんだで湿潤され得なければ、ｌｉ＃３６は
ピストン２８のみに付着する。

＠３６は、加熱されると、＠３４と同様にそして好まし
くは＋１３４と同時に開孔２６の内側に順応する。余分
のはんだが円筒形ピストンの壁の下端にはんだの肩部ｔ
′影形成ない様にするために、ピストン中に溝全形成し
てもよく、又は壁のその領域の表面全はんだで湿潤され
ない様に処理してもよい。ピストンの側壁及びピストン
の底面との間の順応した界面を維持するためには、該ピ
ストンが回転されない様にされねばならない。その様な
回転は、開孔２６中に長手方向に延びるスロット４０及
びピストン２８の上面中の凹所４２と相互に作用する戻
シ止め３８全配置することによって防がれる。戻り止め
３日は、カバー２０中の穴４６中に据えられたコイルば
ね４４によって下刃にバイアスされてい・る球状のボー
ルであることが好ましい。第３図に示されている如く、
縦方向スロット４０の断面の曲率は戻９止め叩ち球状の
ボーク ル３８の曲率に対応していることが好ましい。同様に、
凹所４２は、ピストン２８の上面３２に跨る距離のすべ
て又は一部に延びている溝であり、ボール３８の曲率当
径に対応する曲率半径を有している。この様な配置は、
ピストン２８の回転を防ぐ手段全厚えるとともに、ピス
トン２８が素子１４に接触する様にピストン２８を下刃
にバ１アスさせ且つピストンの側壁が開孔２６の側壁に
接触する様に該ピストン全横力向にバ１アスさせる手段
會与える。上記戻Ｉ）止め及び溝の形状並びにバ１アス
させる方法が変更され得ることは明らかである。更に、
素子とピストンとの間及びピストンと開孔の側壁との間
の界面接触？増す層３４及び３６は除かれてもよいが、
その場合には成る程度の熱伝導性の損失を伴う。第３図
に示されている如く、開孔２６、縦方向スロット４０、
及び穴４６は、適切な円形の中ぐシバ１トを選択するこ
とによって、カバー２０中に簡便に機械加工され得る。

第４図、第５図及び第６図は、本発明による熱伝導冷却
システムのもう１つの好実施［ＨＪｔ−示している。半
導体パッケージ５ｏは、前述の実施例に於ける基板の場
合と同様な相互接続金属系及び工１０ビン１６４設けら
れている。１つ又はそれμ上の半導体素子１４がはんだ
接続部１８によシ基板の金属系に相互接続されている。

カバー５２は、基板１２とともに、基板１２上に装着さ
れている素子１４のための封入体全形成する。カバー５
２には、素子１４によシ生じた熱全放散きせるためのヒ
レ状部分５４が設けられている。これは、第１図乃至第
３図に関連して述べたマルチ・チップ半導体パッケージ
にも用いられ得ることは明らかである。カバー５２は素
子１４の上に開孔５６を有し、開孔５６内にピストン５
８がステ１ド０１１１に装着されている。ピストン５８
ＦＸ、、低融点の熱伝導性材料層３４及び３６會その底
面上及び側面上に各々設けられていることが好ましい。

轡３４及び３６は前述の実施例の場合と同様にして働く
。

又、ピストン５８と開孔５６との間には、はんだ接続部
１８の異なる高さによって生じ得る傾斜した素子１４が
収容され得る様にピストン５８の限定された傾斜を許容
するに充分なすきまが設けられている。ピストン５８が
開孔５６内で回転しない様にするために、開孔５６け非
円形の断面構造全層している。成る好ましいピストンは
、第６図に示されている如く、矩形の断面構造を有して
いる。ピストン５８及び開孔５６の断面構造は、回転會
防ぐために、任意の他の適当な非円形構造であシ得る。

ピストンを前述の実施例の場合の如く下刃即ち軸力向に
バ１アスさせる機構か設けられている。ピストン５８の
上端には、傾斜した上面３２が設けられている。キャッ
プ５２中には、円筒形の穴６０が上面３２全略横断する
角度で設けられている。穴６０内に社、ピストン５８の
上面３２と係合する様に頭部金層するビン６４′にバ１
アスさせるコイルばね６２が据えられている。この配置
は、ピストン５８が素子１４に接触するとともにピスト
ン５８が開孔５６の側壁に押しつけられる様にピストン
５８會維持する。

【図面の簡単な説明】

第１図は水によシ冷却されるマルチ・チップ半導体パッ
ケージに適用された本発明にｒる改良された熱伝導冷却
システムの１実施例を示している縦断面図、第２図は第
１図の実施例を拡大して示している縦断面図、第３図は
第２図の線３−３から見た上面図、第４図は本発明によ
るもう１つの実施列を用いている半導体パッケージを示
している縦断面図、第５図は第４図の実施例を拡大して
示している縦断面図、第６図は第５図の線６−６から見
た上面図である。 １０．５０・・・・半導体゛パツケー′ジ、１２・・・
・基板、１４・・・°半導体素子、１６・・・・■１０
ビン、１８・・・・はんだ接続部、２０．５２・・・・
カバー即ちキャップ（熱シンク）、２２・・・・フラン
ジ、２４・・・・冷却板、２６・・・・円筒形開孔、２
８・・・・円筒形ピストン、３０・・・・底面、３２・
・・・傾斜した上面、３４．３６・・・・熱伝導性材料
層、３８・・・・戻シ止め（球状のボール）、４０・・
・・縦方向スロット、４２・・・・凹所、４４．６２・
・・・コ１ルばね、４６．６０・・・・穴、５４・・・
・ヒレ状部分、５６・・イ　　　　　・・非円形断面構
造の開孔、５８・・・・非円杉断面構′１ 造のピストン、６４・・・・頭部を有するヒ＝ン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体素子上基板上の金属化領域に結合及び電気的に接
   続する手段と、上記基板上に於て上記素子の上に設けら
   れたカバーと上布するパッケージに於て、 上記カバー中の開孔内にクラ１ド可能に装着された少く
   とも１つのピストンと、 上記ピストンが上記素子の裏側と接触する様に該ピスト
   ン？長手方向に促し且つ上記ピストンが上記開孔の壁と
   接触する様に該ピストンを横力向に促す手段と、 上記ピストンが上記開孔内で回転することを防ぐ手段と
   金有すること全特徴とするパッケージ。