JPS60239048A - 熱伝導冷却モジユ−ル装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体装置基体において発生される熱を冷却装
置に伝達するだめの構成及び技法に関する。更に具体的
には、消費電力の小さい半導体基体に関連する熱伝導路
の熱抵抗を高め、上記半導体基体がより高い温度に維持
されるように特別に形成された熱伝導中継部材を有する
熱伝導冷却モジュール装置に関する。

〔発明の背景〕

大型電子計算機では計算速度の速いことが要求されるだ
め、限定された半導体基体中に半導体素子を多数個集積
し、もって各素子間の電気的配線長を可及的に短縮した
半導体装置、即ちラージ・スケール・インチグレイテッ
ド・サーキット（以下ＬＳＩと言う）チップが開発され
ている。又、そのＴ、ＳＩチップを搭載し、同チップと
外部回路とを電気的に中継接続する回路基板も、多層か
つ高密度化され、もって中継接続配線長を実質的に短縮
されている。更に、ＬＳＩチップは回路基板上に多数個
実装される傾向になっている。ＬＳＩチップの動作パラ
メータを所望の範囲内に保持するとともに、過熱による
ＬＳＩチップの破壊を防止するためには、動作によって
発生した熱を効率的に外部へ放散させる補助的手段を施
す必要がある。

補助的冷却手段を施した一例として次のようなものが提
案されている。即ち、アルミナ基板と金属製のキャップ
部材とで密閉容器が形成され、アルミナ基板上に多数個
の半導体チップが搭載され、キャップ部材の容器外側に
冷媒を使用した強制冷却手段が取付けられ、半導体チッ
プとキャップ部材との間にはキャップ部材に取付けられ
たシリンダと半導体チップに押圧されるピストンとから
なる熱伝達手段が設けられ、かつ容器内には半導体チッ
プの放熱を助けるために不活性ガスが充填された構成の
半導体冷却モジュール装置が提案されている。

この冷却モジュール装置は、放熱効果が極めて優れてい
て半導体チップの如き熱発生装置を低温で動作させるの
に好適である。

しかしながら、消費電力の少ない即ち発熱量の少ない熱
発生装置と消費電力の大きい即ち発熱量の多い熱発生装
置が同一容器内に収納される場合又は消費電力の少ない
熱発生装置のみからなるモジュールと消費電力の大きい
熱発生装置のみからなるモジュールが並設される場合に
は、消費電力の少ない熱発生装置に対する冷却効率が高
過ぎるため、消費電力の少ない熱発生装置は実質的に冷
却され過ぎてしまう。これらの熱発生装置が予定された
動作をするためには、それらを最低動作温度以上に保持
する必要がある。又、冷却され逼ぎると熱発生装置が最
低動作温度に達するまでに長時間を要す。このような動
作温度の問題は、消費電力の大きい熱発生装置よりも、
消費電力の少ない熱発生装置において顕著である。また
、並設した半導体チップの動作温度が異なると、各チッ
プの特性が不均一となり、所望の特性のモジュール装置
が得られなくなるおそれがある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上述の問題点を解決した改良された熱
伝導冷却モジュール装置を提供することにある。

本発明の目的を具体的に言えば、発熱量の異なる熱発生
装置が同一の冷却手段によって冷却される場合に、熱発
生装置の動作温度を略等しくした熱伝導冷却モジュール
装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

かかる目的を奏する本発明熱発生装置の特徴とするとこ
ろは、発熱量の少ない熱発生装置と冷却手段との間に介
在する熱伝達手段の熱抵抗を、発熱量の多い熱発生装置
と冷却手段との間に介在する熱伝達手段の熱抵抗より大
きくした点にある。

熱抵抗を変える手段としては、熱伝達手段を構成する各
部材の材料を変えること、各部材の形状を一部変えるこ
と、各部材の一部に熱抵抗の大きい部材を付加すること
等がある。ここで言う熱発生装置には、半導体チップ、
半導体ｌ扶外の回路素子が含まれる。まだ、発熱量の少
ない熱発生装置と発熱量の多い熱発生装置とは、同一の
密閉容器に収納されていても、また異なる密閉容器に収
納されていてもよい。

本発明の他の特徴は、以下に述べる実施例の説明から明
らかとなろう。

〔発明の実施例〕

第１図及び第２図は熱発生装置としてＬＳＩチップを用
いた本発明熱伝導冷却モジュール装置の一実施例を示す
断面図である。

図において、チップ１０は、一般にセラミックの多層配
線基板１２の一方の面に微少はんだボール１１により装
着されており、このうち１０ａは消費電力が少なく発熱
量の小さい熱発生装置としての小電力チップである。基
板１２はその他方面から突出する接続ビン１４を有して
いる。これらのビン１４を補助回路等を担持した配線ボ
ード１３のホールに差込み、熱伝導冷却モジュール装置
が配線ボード１３に支持される。基板１２のチップ１０
，１０８を搭載した側の周辺部には金属又はセラミック
からなるスペーサ１５が、そしてスペーサ１５の他方の
側にはキャップ即ちハウジング１６が載首され、はんだ
等の封着部材１７゜１８により固着されている。これら
部材１２゜１５．１６によって密閉容器１９が形成され
、この内部にヘリウムガスの如き熱伝導性気体３１が充
填されている。ハウジング１６の容器内方には、チップ
１０，１０８の各々に対向してピストン状の突出部１６
ａが形成されている。チップ１０゜１０ａ上に、突出部
１６ａを案内するに開孔２０ａを有するシリンダ状の熱
伝導中継部材２０が突出部１６ａが開孔２０ａに係合し
た状態で配置されている。熱伝導中継部材２０の開孔２
０ａの底部にばね２１が配ＩＷされ、このばね２１の押
圧によりチップ１０と熱伝導中継部材２０との接触を維
持している。熱伝導中継部材２０の材質は、（１）電気
絶縁性を有し、（２）耐摩耗性が高く、（３）軽量であ
る点で、ベリリウム、酸化べυリウム、窒化硼素の少な
くとも１糧を添加した焼結炭化硅素が好適である。熱伝
導中継部材２０の各々から伝達された熱は、ハウジング
１６に蓄えられるとともに、ハウジング１６に連らなっ
て設けられている冷却板３２の如きヒートシンクに伝達
され、更に冷却板３２に蓄積された熱は冷却板３２内を
循環する冷却液体４２に伝達される。第１図で理解され
るように、ハウジング１６の容器外表面と冷却板３２０
表面は、両者間で良好な熱伝達がなされるように平坦に
形成されている。冷却板３２の空間部３２ａには、冷却
板３２に伝達された熱を除去する冷却液体４２が循環さ
れていて、効率的な冷却がなされる。効率的な冷却をな
し得る冷却液体として、水の如き液体が望ましい。した
がって、冷却されるべきチップ１０が、作動状態におい
てあらかじめ設計された温度以上に過熱されない状態に
維持される場合には、冷却板３２による冷却に代えて空
冷によるヒートシンクを用いることも可能である。この
際には、当然ながら騒音問題を軽微にとどめるような配
慮がなされなければならない。

熱発生装置であるチップ１０，１０３から発生された熱
は、チップ１０，１０１と熱伝導中継部材２０との界面
、熱伝導中継部材２０、熱伝導中継部材２０の開孔部２
０ａ内壁面とハウジング１６の突出部１６Ｈの表面との
間隙、ハウジング１６、ハウジング１６と冷却板３２間
界面、冷却板３２を順次経由して、最終的にヒートシン
クである冷却液体４２へと伝達される。第３．図は小型
（９） カチツプ１０ａに関連する熱伝導路に用いられた熱伝導
中継部材２０の部分を拡大して示した概略断面図である
。ｌド醒カチップ１０ａ及びハウジング１６の突出部１
６ａとの間で熱伝導手段を構成する突出部１６ａ及び熱
伝導中継部材２０の少なくとも一方の対向する表面部分
に二酸化シリコン膜２０ｄが被覆され、これらの界面で
熱抵抗が増すようにされている。二酸化シリコン膜２０
ｄは熱伝導性焼結炭化硅素に比べ、２桁程度低い熱伝導
率を有している。したがってこの二酸化シリコン膜２０
ｄの熱抵抗によって、小電力チップ１０ａから熱伝導中
継部材２０への熱伝達又は熱伝導中継部材２０からハウ
ジング１６への熱伝達がそれぞれ抑制される。この結果
として小電力チップ１０ａにおける蓄熱がなされ、同チ
ップは予定された動作温度範囲に維持される。二酸化シ
リコン膜２０ｄは熱酸化法によって形成されるのが最も
適切である。この場合二酸化シリコン膜は、炭化硅素焼
結体を調整された酸素源を有する雰囲気、例えば水蒸気
と酸素ガスを含む雰囲、気中で、１０００（１０） 〜１５００Ｃに加熱することによって形成される。

しかしながら、熱酸化法以外の方法、例えばＣｈｅｍｉ
ｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｉ）ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法で代表
される如き化学反応を利用した方法や、スパッタリング
法等によっても二酸化シリコン膜を形成でき、これらの
方法によって設けられた二酸化シリコン膜であっても、
本発明の目的を達成するだめの熱抵抗増加担体になり得
る。又、二酸化シリコン膜２０ｄは、本発明の目的を達
成する上でこれに限定されるものではない。即ち、ゲル
マニウム、アルミニウム、チタニウム、マグネシウム、
リチウム、ジルコニウム、鉛、亜鉛の如き少なくとも１
種の金属の酸化物であっても熱抵抗増加担体になシ得る
。この場合、スパッタリング法以外に、厚膜焼成法、溶
射法の如き他の方法で形成される。

又、上記実施例の熱伝導冷却モジュール装置において、
ハウジングと小電力チップ１０８間の熱伝導手段の熱抵
抗は、二酸化シリコン膜２０ｄの厚さによっても調節さ
れる。チップ１０ａに向けてばね２１によシ押圧が与え
られる熱伝導中継部（１１） 材２０の末端部分２０ｂの直径りは約６．５咽、同部材
２０の全長は６．０襲に調整されている。熱伝導中継部
材２０の開孔部２０ａの側壁２０ｃとハウジング１６の
突出部１６ａにおける側壁１６ｂの間隙は、約０．０２
５圏である。突出部１６ａの直径はＤ／２に等しく、そ
の長さは８０硼である。

したがって、側壁２０Ｃと側壁１６ｂ間の対向面積と相
関を有する対向長りは２．５胴である。これらの一定パ
ラメータを用いて、チップ１０ａからハウジング１６に
至る全熱抵抗１／Ｗ）を二酸化シリコン膜２０ｄの厚さ
くμｍ）に対してプロットすることによシ、第４図に示
す熱特性曲線が得られる。同曲線に示される如く、厚さ
が増すにつれ熱抵抗を増しておシ、二酸化シリコン膜２
０ｄの厚さを調節によって小電力チップ１０ａの熱伝導
路に関する放熱能力を制御できることが理解される。又
、熱伝導路の放熱能力は二酸化シリコン膜２０ｄを熱伝
導中継部材２０の一部に設げることによっても調節され
る。第５図は熱伝導中継部材２０のチップ１０ａと熱伝
導界面全形成する部（１２） 分に選択的に二酸化シリコン膜２０ｄを設けた熱伝導中
継部材２０の拡大断面図である。このような構造にする
ことによ如、チップ１０ａからハウジング１６に至る全
熱抵抗を、熱伝導中継部材２０の全面に二酸化シリコン
膜２０ｄを設けた場合に対して、約１／３に調節できる
。更に、熱伝導路の放熱能力は、二酸化シリコン膜２０
ｄの膜質、例えば密度、空孔率の調節によっても変え得
る。

又、本実施例の熱伝導冷却モジュール装置には、熱発生
装置としてのチップ１０，１０８が可及的高密度に実装
されている。それぞれの熱発生装置１０．１０８は、限
定された半導体基体中に多数個集積した半導体素子を有
している。各々の半導体素子が電気回路を形成するため
には、必要に応じて個々の素子を電気絶縁しなければな
らない。

したがって、一般に半導体素子は、ｐｎ接合を逆バイア
スすることによって電気的に分離された、通常島と呼ば
れる半導体領域に形成される。この場合、ｐｎ接合を逆
バイアスするだめの電圧が半（１３） 導体基体、即ち熱伝導性部材と接触界面を形成する熱発
生装置１０，１０８に与えられる。基板１２上に実装さ
れる熱発生装置１０．１０ａの全てが同一機能を有する
半導体基体からなる場合は稀で、一般には機能の異なる
２種ないしそれ以上の熱発生装置１０，１０８が同一冷
却モジュール装置内に実装されると考えねばならない。

このような場合は逆バイアス電圧を２ないしそれ以上の
水準に維持する必要がある。ところで、異なる逆バイア
ス電圧の与えられだ熱発生装置１０．１０ａどうしは、
導電性の熱伝導中継部材、弾性部材としてのばね１、キ
ャップとしてのハウジング１６を用いた場合はこれらを
介して電気的に連絡することとなり、予定された逆バイ
アス条件を維持できず、冷却モジュール装置全体の回路
機能が損なわれる。又、冷却モジュール装置内に実装さ
れた全ての熱発生装置の逆バイアス条件が全く同でであ
る場合は上述の問題は解消される。しかしながら、キャ
ップに連なって接触界面を形成するヒートシンクないし
冷媒中の不純物や汚染物質を通じ（１４） て冷却モジュール装置相互が電気的に連絡されたり、更
に筐体中に高密度実装されたプリント基板上の、冷却モ
ジュール装置どうしの振動接触による電気連絡網を形成
する危険を伴なう。したがって、基板上に実装された熱
発生装置どうしは、あらかじめ予定された導電路以外で
電気的連絡されることは好しくなく、この意味で具体的
にはキャップないし熱伝導中継部材に電気絶縁機能を付
与しておくことが望ましい。本実施例において、熱伝導
中継部材２０としての焼結炭化硅素には添加剤によって
電気絶縁性が付与されているが、各種金属の酸化物は焼
結炭化硅素に更に確実な電気絶縁性を付与し、又焼結炭
化硅素が添加剤による絶縁性を付与されていない場合で
も各種金属の酸化物は炭化硅素焼結体に新たなる絶縁性
を付与せしめるのに効果がある。

尚、本実施例において、熱伝導中継部材２０には、同部
材２０自身の荷重を軽減し、もって熱伝導冷却モジュー
ル装置に過大な慣性力が与えられた場合にチップ１０，
１０２あるいは微少はんだ（１５） ボール１１に及ぼす悪影響、例えばチッピング。

割れ、つぶれ等を可及的に避けるため、ハウジング１６
との熱的係合部に開孔部２０ａを設けて荷重を軽減した
構造を有している。しかしながら、焼結炭化硅素はそれ
自体密度が３．２ｇ／ｃｍ３　と小さく、小荷重の熱伝
導中継部材になり得る。したがって、上述の悪影響が及
ぼされない限りにおいて、ハウジングに開孔部を設け、
その開孔部に略柱状の熱伝導中継部材を配置した構造の
場合でも、熱伝導界面部に熱抵抗を増す皮膜を設けた柱
状部材は小電力チップ用の熱伝導中継部材として使用し
得る。

又、本発明熱伝導冷却モジュール装置では、ハウジング
１６が、封入モジュール装置の外方で冷却媒体に直接触
れるヒートシンクを兼ねることは何等障害になるもので
はない。即ち、ハウジング１６が直接冷却媒体としての
水や空気によって冷却されることも可能である。

尚、本発明熱伝導冷却モジュール装置では、スペーサ１
５の材質は熱伝導性の観点よシも、むしく１６） ろ基板１２及びハウジング１６と熱膨張係数が一致又は
近似している点を優先して選択されるべきである。例え
ば基板１２の材質がアルミナセラミック、ムライトセラ
ミックの場合には、スペーサ１５けアルミナセラミック
、ムライトセラミック。

炭化硅素焼結体、：ｆｆバール、５８Ｅ’ｅ−４２Ｎｔ
。

タングステンカーバイド等のような材質を選ぶことがで
きる。熱膨張係数の観点を優先する理由は、基板１２又
はハウジング１６との間の熱膨張係数差に起因して、熱
的サイクルが与えられたとき生ずる封着部材の疲労破壊
を避ける必要からである。

又、ハウジング１６の材質は、同様の疲労破壊を避ける
必要から、スペーサ１５との熱膨張係数が近似している
観点や、熱伝導性が優れる観点から選択されるのが最も
望ましい。この理由から、ノ飄つジング１６として上述
の添加剤を含む炭化硅素焼結体が選ばれるのが好ましい
。しかし、ヒートシンクによる冷却が効率的であって、
スヘ−サ１５との封着部分の温度変化が少ない場合、即
ち、封着部材１８の疲労破壊が防止される限りにおい（
１７） ては、ハウジング１６用材質として熱伝導性のよい銅、
アルミニウムの如き金属を用い得る。

第６図は本発明の他の実施例を開示する熱伝導冷却モジ
ュール装置の、熱伝導路を拡大して示す概略断面図であ
る。小電力チップ１０ａは他のチップ１０とともに基板
１２上に搭載され、これらのチップ１０，１０８に対向
するハウジング１６の内壁に開孔部１６ｇが設けられ、
略柱状の熱伝導中継部材２０が開孔部１６ｇに配置され
、ばね２１によってチップ１０．１０８に熱伝導中継部
材２０を圧接する力が付与されている。この際、小電力
チップ１０Ｈの熱伝導路内にある熱伝導中継部材２０の
表面には二酸化シリコン膜２０ｄが設けられ、熱伝導路
内の熱抵抗が調整されるように設計されている。この結
果、小電力チップ１０ａは予定された動作温度範囲に維
持される。尚、本実施例の場合は、熱伝導中継部材２０
はハウジング１６の開孔部１６ｇに案内される構造をと
るため、第２図構造の如き場合に比ベハウジング１６の
重量増加を伴なう。この場合であっても、接続ｌ噌ｏＸ ビン１４に関連する接続部の問題を避は得る範囲で実施
できることは勿論である。

以上は本発明の代表的な実施例について説明したが、本
発明はこれらに限定されることなく種々の変形が可能で
ある。例えば、第３図及び第６図において、二酸化シリ
コン膜の代りに熱伝導中継部材とハウジングの対向面に
所定数の凹部を設けること、第３図及び第６図において
大消費電力チップに対向接触する熱伝導中継部材を金属
材料としその表面を二酸化シリコン膜で被覆したもの等
も本発明を実現する上で有効な方法である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、熱発生装置の発熱量に関係なく動作温
度を略均−にすることができる効果がある。このため、
発熱量の異なる熱発生装置を熱伝達手段を変えることで
多数個同一冷却手段で冷却することができ、装置の構成
が簡略化できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明熱伝導冷却モジュール装置の一実施例を
示す斜視図、第２図は第１図のＡ−Ａ’（１９） 線に沿う概略断面図、第３図は第２図の一部拡大図、第
４図は二酸化シリコン膜の厚さと熱抵抗との関係図、第
５図は熱伝導中継部材の他の実施例を示す断面口、第６
図は更に他の実施例を示す断面図である。 １０・・・ＬＳＩチップ（大消費電力用）、１０ａ・・
・ＬＳＩチップ（小消費電力用）、１２・・・基板、１
６・・・ハウジング、１６ａ・・・突出部、２０・・・
熱伝導中継部材、２０ｄ・・・二酸化シリコン膜。 代理人　弁理士　高橋明夫 （２０） 袷　（因 ９７ 冨　２０ 蒋３０ 第　５０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、発熱量の異なる熱発生装置と、熱発生装置を収納す
   る密閉容器と、密閉容器外に配置され熱発生装置を冷却
   する冷却手段と、熱発生装置と冷却手段との間を熱的に
   接続する熱伝達手段とを具備し、発熱量の小さい熱発生
   装置と冷却手段との間に配置される熱伝達手段の熱抵抗
   が、発熱量の大きい熱発生装置と冷却手段との間に配置
   される熱伝達手段のそれより大きいことを特徴とする熱
   伝導冷却モジュール装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、熱伝達手段が、熱
   発生装置と容器との間に設けたシリンダ部とそれに案内
   されるピストン部とを備えていることを特徴とする熱伝
   導冷却モジュール装置。 ３、特許請求の範囲第２項において、熱抵抗の大きい側
   の熱伝達手段は、シリンダ部及びピストン部の熱伝達通
   路となる個所に絶縁膜を有することを特徴とする熱伝導
   冷却モジュール装置。 ４、特許請求の範囲第２項或いは第３項において、シリ
   ンダ部及びピストン部が炭化硅素を主成分とし、それに
   ベリリウム、酸化ベリリウム、窒化硼素の少なくとも１
   種を添加した焼結体で形成されていることを特徴とする
   熱伝導冷却モジュール装置。 ５、特許請求の範囲第４項或いは第５項において、絶縁
   ｆｉＬ５Ｅ、シリコン、ゲルマニウム、アルミニウム、
   チタニウム、マグネシウム、リチウム、ジルコニウム、
   鉛、亜鉛の少なくとも１種の酸化物であることを特徴と
   する熱伝導冷却モジュール装置。 ６、特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項或
   いは第５項において、熱発生装置が半導体チップである
   ことを特徴とする熱伝導冷却モジュール装置。