JPS60239049A - 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よっ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、本発明は半導体装置基体が微少はんだボールで
基板に取付けられた。学−装置基体もしくは多１に装置
基体を含む集積回路パッケージ組立体中の半導体装置基
体を冷却する熱伝導冷却モジュール装置に関する。

〔発明の背景〕 従来において、犬型電子計洒機で（ｒよ計算速度の速い
ことが要求でれるため、近年、限定された半導体基体中
に半導体水子を多数個乗積し６もって各素子間の電気的
連絡配線長を可及的に短縮した半導体装置、即ちＬａｒ
ｇｅ　５ｃａｌｅ　ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣＨｒｃｕｌ
ｔ（以下ＬＳＩと言う）チップが開発はれている。

又、そのＬＳＩチップを搭載し、同チップと外部回路と
を電気的中継接続する基板も多層かつ高密度に電気配線
され、もって中継接続配線長を実質的に短縮した回路基
板が開発されている。１！に上記ＬＳＩチップは上記回
路基板上に多数個実装される方法が開発されている。Ｌ
ＳＴチップの動作パラメータを予定の範囲内に保持する
とともに１過熱による同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
る必要がある。

上記ＬＳＩチップの実装密度が低く１発生熱量が少ない
場合は、従来、熱発生分としてのＬＳＩチップから熱中
継媒体を経由して連なる放熱体を。

空気による強制対流方式の冷却法が採られてきた。

しかしながら、」二記チップの実装密度が鍋くなり。

発生熱量の増大を招くＶこつれ、限られた表面種の放熱
体を十分冷却する必要があるが、このためには空気速度
を増さねばならず、これに伴なう騒音問題を無視できな
くなる。したがって１この強制空冷方式に代り得る何等
かの補助的冷却手段を施さなければ、ＬＳＩチップをこ
れらにとって適切な動作温度範囲に維持することはでき
ない。

補助的冷却手段の一例として提案されているものに、空
冷と液体冷却を併用した冷却システムがある。これは、
米国特許第３７４１２９２号に示されているように、カ
プセル内に封入された低融点の誘電性液体で包囲された
部分に、熱発生成分を浸漬したモジュールである１、こ
れに多用される液体は、低沸点を有するフロロカーボン
液で、比較的低い温度のもとで沸ｌ舟を生ずる。即ち、
熱発生成分か伝熱された上記液体は蒸気となり、液面よ
り上部に位置した蒸気部分に移動し、容器から内部へ向
けて連なった凝縮器として作用する内部フィンで冷却さ
れて再び液化はれるサイクルをくり返す。この際、容器
から外方に姑びている外部フィンが空冷され、内部フィ
ンから伝達された熱に対する放熱体の役割を担う。以」
二の過程のもとて熱発生成分の熱放散が達成される。し
かし、この種の液体カプセル封入モジュールは、沸騰−
凝縮の基本プロセスが確実に遂行されるように維持され
ねばならないが、このためには極端に高純度で汚染物質
の無い冷却剤液体を必要とする。又、この冷却概念は、
上記ＬＳＩチップの如き発生成分を冷却する場合には、
容易に適用できない。液体及び同液体に取込捷れた不純
物質又は汚染物質によりＬＳＩ構成物質が腐蝕されたり
、これに伴なう故障を併発する危険が極めて大きいから
である。

米国特許第３９９３１２３号には、１以上の冷却される
べき半導体チップの如き熱発生装置をガスとともにカプ
セル封止した冷却モジュール装置が開示されている。熱
発生装置はアルミナ基板上に搭載され、上記基板とキャ
ップにより密閉され、この密閉空間に不活性ガスが充填
されるとともに。

熱伝導性部材が配置されている。基板に対向するキャッ
プの壁面は熱発生装置に向って該装置と同一中心上を延
びる細長い開孔を有している。上記開孔の内方端部には
弾性部材が配置されている。

熱伝導性部材が上記の各開孔内に配置されており、各開
孔の壁面とそれに関連する熱伝導性部材との間に狭い周
辺間隙が形成されている。上記弾性部材は上記熱伝導性
部材を上記熱発生装置に圧接するような力を、上記熱伝
導性部材に付与している。

上記気密空間内には不活性ガスが充填されていて、この
不活性ガスにより上記周辺間隙及び上記熱発生装置と上
記熱伝導性部材間の界面を満している。

熱発生成分で生じた熱は、不活性ガスや熱伝導性部材を
経由してキャップに至り、同キャップと結合したヒート
シンクへ放出される。

上記カプセル封止冷却モジュール装置には、キャップ材
及び熱伝導性部材として銅やアルミニウム、そして封入
ガスとしてヘリウム、水素、二酸化炭素が用いられてい
る。これらは熱伝導性の優れた材料であって、熱発生装
置からヒートシンクへ至る熱伝導経路をこれらの材料で
構成するととにより、効率のよい熱放散を実現している
。しかしながら、キャップ及び熱伝導性部材はカプセル
封止冷却モジュール装置の全重惜の５０チ以上を占める
。−例を示すと、上記熱発生装置としてのＬ　Ｓ　Ｉチ
ップを９０個搭載した典型的な冷却モジュール装置で効
率的な冷却を行なわしめる場合、上記熱伝導性部材及び
キャップに銅を使用すると、これらだけで１．５　Ｋｇ
にも達する。冷却モジュール装置は、一般に上記基板の
熱発生装置を搭載した面と反対側の面から垂直方法に突
出し、金−錫ろう材の如きもので固定された多数の接続
ピンによって、補助回路等を相持するプリント基板には
んだの如きもので接続され、しかも上記プリント基板面
が引力方向に対して平行になるように実装される。した
がって、冷却モジュール装置の全荷重は、上記ピンとこ
れに連なる接続部材１例えば金−錫系ろう材やはんだで
支持される。冷却モジュール装置は、稼動時にはそれを
実装する篩体から上記プリント基板を経て伝達される機
械的撮動を受ける。この際、過大な荷重により、冷却モ
ジュール装置を支持する接続ピン並びに接続部材の機械
的劣化が加速され、これに伴なう故障を生ずるに至る。

又、典型的上記冷却モジュール装置では、効率的冷却能
力を維持するだめ、上記熱伝導性部材は約３．３ｇｒの
荷重を有する。上記熱発生装置の主要平面に対して垂直
な方向の振動は弾性部材によって吸収されるが、同王普
平面に対して平行表方向の振動はこれによっては吸収さ
れにくい。即ち、上記開孔壁面と熱伝導性部材間には間
隙が存在し、振動運動に伴なって、軟らかい銅からなる
熱伝導性部材は上記熱発生装置との接触部で摩耗される
。

この結果、微粉状となって封入モジュール内部に飛散し
た導電性物質は、相互に電気絶縁されている導電路間に
付層し、導通状態に至らしめ、所定の回路機能を消失せ
しめる。同様の摩耗は、キャップの開孔壁面と熱伝導性
部材間においても生ずる。又、上記摩耗の問題は、キャ
ップ材及び熱伝導部材にアルミニウムを用いた場合にも
共通する問題である。又、上記熱伝導性部材の振動は、
単に熱発生装置と熱伝導性部材間の接触面のすべり運動
のみを引起す訳ではない。例えば、熱発生装置の主要面
に対して垂直な成分と平行な成分からなる合力振動が与
えられた場合、熱伝導部材が重いと１合力振動の垂直成
分を上記弾性部材で吸収しきれなくなり、熱伝導性部材
は上記主要面に対（９） して点接触若しくは線接触の如き界面の保合状態を呈す
ることとなり、熱伝達機能の低下にあいまって上記熱発
生装置の局所に集中した押力ないしショックを付与する
に至る。このような場合は、上記熱発生装置若しくは上
記熱発生装置と上記基板間の電気接続を担う微少はんだ
ボールの如き接続部材の劣化、即ち割れ、欠れ、つぶれ
等を加速せしめる。この種の問題は、上記熱伝導性部材
の荷重が大きい程、上記キャップと上記熱伝導性部材間
のギャップの公差が増大する程顕著になる。

更に、封入カプセル内の基板には、Ｍ発生装置が可及的
高密度に実装されている。それぞれの熱発生装置には、
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だ
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眠気的に分離された１通
常島と呼ばれる半導体領域に形成される。問題は。

上記ｐｎ接合を逆バイアスするための電圧が上記（１０
） 半導体基体、即ち熱伝導性部材と接触界面を形成する熱
発生装置基体に与えられることである。基板上に実装さ
れる熱発生装置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釉なりしヤ
れ以上の熱発生装置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。このような場合は上記逆バ
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た上
記熱発生装置どうしは、導電性の上記熱伝導性部材９弾
性部材、キャップを介して電気的に連絡することとなり
、あらかじめ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（ロ）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一である場合は上述の問題
は解消される。しかしながら、上記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（１１） 装されたプリント基板上の、冷却モジュール装置どうし
の撮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
とは好ましくなく、この意味で具体的にはキャップ々い
し熱伝導性部材に電気絶縁機能を付与しておくことが望
ましい。

〔発明の目的〕

本発明の主な目的は、上記冷却されるべき熱発生装置の
冷却を効率的に行なわしめ、上記熱発生装置から放熱の
だめのヒートシンクに至る熱伝導路の伝熱性能を維持す
る熱伝導中継部材ないしハウジングを有する熱伝導冷却
モジュール装置を提供することである。

本発明の他の目的は、上記接続ピン並びに接続部材の劣
化を防止ないし軽減する。＠量な熱伝導冷却モジュール
装置、及び上記熱発生装置を基板配線に電気連絡する接
続部材ないし上記熱発生装置の劣化、損傷を防止ないし
軽減する。＠蓋な熱伝導中継部材を有する熱伝導冷却モ
ジュール装置（１２） を提供することである。

本発明の他の目的は、上記摩耗とこれに伴なう導電路間
の電気的導通を防止ないし軽減し、併せて電圧を付与さ
れたｌないしそれ以上の熱発生装置相互間の電気的連絡
を防止するため、耐牽耗性と電気絶縁性を維持できる熱
伝導中継部材ないしハウジングを有する熱伝導冷却モジ
ュール装置を提供することである。

〔発明の概要〕

本発明熱伝導冷却モジュール装置は、以下各項目の特徴
を有する。即ち、本発明の熱伝導冷却モジュール装置は
、少なくとも１の冷却されるべき熱発生装置と、上記熱
発生装置の各々に対向する如くに熱伝導路内に含まれて
いるハウジングと、上記ハウジングの表壁との間で熱交
換を行なうように配置されている熱伝導中継部材と、上
記熱発生装置に上記熱伝導中継部材を圧接して上記両者
間に熱伝導界面を形成する弾性手段を含む熱伝導冷却モ
ジュール装置であって、上記ハウジングないし上記熱伝
導中継部材が炭化ケイ素を主成分と（１３） する焼結体であることを特徴とする。

又１本発明の熱伝導冷却モジュール装置は、上記ハウジ
ングないし上記熱伝導中継部材が炭化ケイ素を主成分と
し、ベリリウム、酸化ベリリウム。

窒化ホウ素の少くとも１種を含む焼結体であることを他
の特徴とする。

又１本発明の熱伝導冷却モジュール装置は、上記ハウジ
ングないし上記熱伝導中継部材が炭化ケイ素を主成分と
し、ベリリウム、酸化ベリリウム。

窒化ホウ素の少くとも１ｉと、アルミニラ乞シリコン、
鉄、チタニウム、ニッケルの少くトモ１種の単体又は酸
化物ないし炭化物を含む焼結体であることを他の特徴と
する。

又１本発明の熱伝導冷却モジュール装置は、上記１項な
いし３項において、少くとも１の冷却されるべき熱発生
装置と、上記熱発生装置の各々に対向する突出部を有し
て熱伝導路内に含まれているハウジングと、開孔部を有
し上記開孔部側壁と上記突出部の表壁との間で熱交換を
行なうように上記突出部に上記開孔部を配置されている
熱伝導（１４） 中継部材と、上記熱発生装置に上記熱伝導中継部材を圧
接して上記両者間に熱伝導界面を形成する弾性手段を含
むことを他の特徴とする。

又１本発明の熱伝導冷却モジュール装置は、上記１項な
いし４項において、上記ハウジングないし上記熱伝導中
継部材に１０１０Ωｍ以上の電気抵抗率が付与されてい
る焼結体であることを他の特装とする。

又、本発明の熱伝導モジュール装置は、上記熱伝導路の
熱抵抗を上記ハウジングの突出部表壁と上記熱伝導中継
部材の開孔部側壁との間の対向面積により調節すること
を他の特徴とする。

ところで、前述した熱伝導中継部材とハウジングが具備
すべき主な性質は、（１）熱伝導性が銅やアルミニウム
等の金属にほぼ匹敵する程に優れ、（２）可及的に軽量
であり、（３）耐摩耗性に優れ、そして（４）電気絶縁
性を有していることである。そこで、こうした性能を有
する材料を探索し比較検討した結果、ベリリウム、酸化
ベリリウム、窒化ホウ素の少くとも１種を含む高密度焼
結体炭化ケイ素が（１５） 上記（１）〜（４）の性能をＭすることを試作品により
確認した。具体的には炭化ケイ素１００重量部に対しべ
ＩＪ　ＩＪウム含有蓋（酸化ベリリウム換算）、窒化ホ
ウ素含有量が２重量部以上である焼結炭化ケイ素は、熱
伝導率０．７　ｃａｔ／　’Ｃ−ｃｍ　・Ｓ　（室温）
。

密度３．２ｇ／ｃｍ”、ビッカース硬さ約４０００．曲
げ強さく三点支持）　４５Ｋｇｔ　／ｒｎｘ＋　２．及
び電気抵抗率１０夏３Ω・ｍ以上（室温）と、上記熱伝
導中継部材並びにハウジング用材料として好適な能性を
有していることに着目した。

上記炭化ケイ素焼結体からなる熱伝導中継部材及びハウ
ジングは、ベリリウム、酸化ベリリウム。

窒化ホウ素により炭化ケイ素結果粒界の電気抵抗を高め
られ、炭化ケイ素焼結体の電気絶縁性が付与されている
と同時に熱伝導性が付与されている。

焼結炭化ケイ素には、出発原料中に不純物の形で含有さ
れているシリコン、アルミニウム、鉄、チタニウム、ニ
ッケルの単体又はこれらの酸化物。

炭化物及び遊離炭素が残留している。これらの不純物の
中で、アルミニウムは炭化ケイ素焼鞘体の（１６） 抵抗率を低下させる働きを有するので少ないことが望ま
しい。しかし、一方においてアルミニウムは焼結炭化ケ
イ素の高密度化、即ち気孔率の低減に重要な役割を演す
るものでもある。この気孔率の低減の必要性は後述する
パッケージの高気密化に無視できない意味を持つ。した
がって、このような場合はアルミニウムの存在によって
低下した抵抗率を相殺する分量の上記べＩＪ　ＩＪウム
、酸化ベリリウム、窒化ホウ素を添加することが望まし
い。

本発明の熱伝導性冷却モジュール装置において、熱伝導
中継部材やハウジングとして必要な抵抗率は１０Ｉ０Ω
副以上、そして熱伝導率は少くともアルミニウム（０，
５３ｃａＬ／ｃｍ−Ｃ−８）と同等若しくはそれ以上で
あることが望ましい。これを達成するための望ましい添
ｉＪｎ量は、酸化べＩＪ　ＩＪウムによってべＩＪ　Ｉ
Ｊウムを添加する場合の添加量及び窒化ホウ素の添加量
を主成分となる炭化ケイ素１００重量部に対して２重量
部以上である。

又、特にハウジングは、基板や他の部材とともに熱発生
装置を包囲する空間を形成し、熱伝導中（１７） 継部材とハウジング又は熱発生装置間界面の伝熱を補助
するヘリウムガスの如き気体を封入する容器を兼ねるた
め、高気密性を有していなければならない。ヘリウムガ
スは原子半径の小さい気体であって、極めて微少な間隙
や気孔を通して散逸しやすいからである。このような気
密性の問題は。

ハウジング用素材として金属を用いる場合と異なり、セ
ラミクス材を適用する場合に特に解決しなければならな
い点である。この気密性は、ヘリウムガスのもれ量に換
算して１０−７０−７ａｔ／ｓ　以下が好ましい値であ
るが、焼結炭化ケイ素にこの程度の気密性を付与するに
は、同焼結体の相対密度が９７チ以上にすることが望ま
しい。このような炭化ケイ累焼結体を得るには、典型的
には粒径２μｍ以下の炭化ケイ素粉末を同等の粒径の絶
縁性、熱伝導性を付与する添加物とともに均一に混合し
、同混合物を９８ＭＰ、程度の圧力で仮成形後、温度２
０５０Ｃ，圧力３０ＭＰ、で１時間程度真空ホットプレ
ス（真空度１０−’ＭＰ、）するのがよい。この際、焼
結炭化ケイ素中には、絶縁性（１８） や熱伝導性を付与するための添加物以外に、出発原料中
に含まれる不純物としてのシリコン、アルミニウム、鉄
、チタニウム、ニッケルの単体又ハこれらの酸化物や炭
化物及び遊離炭素が含まれている。これらの不純物は炭
化ケイ素結晶粒相互間を緻密にさせるために有効な働き
を持つものである。したがって１積極的に焼結炭化ケイ
素に気密性を付与するために、上記シリコン、アルミニ
ウム、鉄、チタニウム、ニッケルの単体又はこれらの酸
化物、炭化物を添加するのは好ましいことである。

又、熱伝導路内に含まれている熱発生装置と熱伝導中継
部材間及び熱伝導中継部材と７・ウジフグ間の熱交換を
効率的に遂行するためには、両者間の対向ＵｆＪ積が可
及的に広く、かつ間隙が小さいことが望ましい。この意
味で、熱発生装置及びハウジングとの対向界面を形成す
る熱伝導中継部材はできるだけ大寸法である方がよい。

しかしながら。

上記熱伝導中継部材の大寸法化は、その重量の増大を伴
なうこととなり、前述の熱発生装置及′び同（１９） 装置と基板間接続部材の劣化ないし損傷が促進される。

つまり、熱伝導中継部材と熱発生装置、ハウジング間の
対向面積を同一に維持する場合、熱発生装置とこれに対
向する部分に開孔を設けたハウジング間に略柱状の熱伝
導中継部材を配置した構造をとるよりも、熱発生装置と
これに対向する部分に突起を設けたハウジング間に、上
記突起に対向する部分に開孔部を設けた熱伝導中継部材
を配置した構造をとる方が、熱伝導中継部材自体を＠量
化でき、上述の熱発生装置及び接続部材の劣化ないし損
傷を防止できる。

〔発明の実施例〕

次に、図面を参照して１本発明の実施例を更に詳細に説
明する。第１図はＬＳＩチップ１０として示されている
熱発生装置とこれを冷却するための補助的冷却手段を有
した気体封入熱伝導冷却モジュール装置を示す概略断面
図である。チップ１０ば、一般に知られているように、
高密度に実装された素子や配線を有する固体回路を形成
しているもので、チップ内の回路において消費された（
２０） 電力が熱に変換される。したがって、同回路を所定の動
作パラメータの範囲内で安定動作させるため、以下の熱
伝導放熱手段が取られる。

チップ１０は、一般にセラミックの多層配線基板１２の
一方の側に微少はんだボール１１により装着されており
、基板１２はその他方の側から突出する接続ピ／１４を
有している。これらのピン１４を補助回路等を相持した
配線ボード１３のスルーホール１３ａに差込み、この部
分をはんだ等のろう材の如き接続部材１３ｂで固着する
ことにより、基板１２並びにこれに連なる各種部材から
なる熱伝導冷却モジュール装置が支持される。この際、
接続ピン１４は基板１２に金−錫ろう１４ａにより接続
されている。基板１２のチップ１０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が連々つて配置され、はんだ等のろう材の如き封
着部材１７゜１８により固着されている。これらの部材
構成によって、密閉空間１９が形成されている。スベー
（２１） す１５の材質は熱伝導性の観点よりも、むしろ基板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はアルミ
ナセラミック、ムライトセラミック、炭化ケイ素焼結体
、コバール、５８Ｆｅ−４２Ｎｉ。

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、前記した性質を兼備して
いることの外に、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、更に好ま
しくは基板１２と熱膨張係数が近似している観点で選択
さ扛るべきで、これらの諸条件を満し得る材料としてべ
ＩＪ　ＩＪウム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素の少くと
も１種を添加した焼結炭化ケイ素が適合する。ノ・ウジ
フグ１６内（２２） 方には、相対して配置されているチップ１ｏの各各に対
向して突出部１６ａが形成されており、この突出部１６
ａに案内されるように開孔２０ａを有する熱伝導中継部
材２０が配置され、突出部１６ａと開孔２０ａで形成さ
れる空間にばね２１が配置されている。とのばね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の材ノ直は、前記し
た性質を兼備している点でべＩＪ　ＩＪウム、酸化ベリ
ＩＪウム、窒化ホウ素の少なくとも１種を添加した焼結
炭化ケイ素が最も適切である。熱伝導中継部材２０の開
孔２０ａはハウジング１６の突出部１６ａの側壁との間
に小さい間隙３０が形成されている。

この間隙３０は、熱伝導中継部材２０とチップ１０間の
保合が平坦面による面接触的に接触されるように、ゆと
りが存在するような幅を有している。又、熱伝導中継部
材２０は種々の高さを有しているチップ１０に適合でき
るようにばね２１の弾性力が与えられるように々つてい
る。熱伝導中継部材２０に開孔２０ａを設け、そしてハ
ウジン（２３） グ１６側に突出部１６ａを設けている理由は、熱伝導中
継部材２０の自重を軽減し、チップ１０と微少はんだボ
ール１１の劣化の進行ないし損傷を抑制する点に基づく
。基板１２．スペーサ１５゜そしてハウジング１６で構
成される空間１９にはヘリウムガス３１が導入されてい
て、チップ１０と熱伝導中継部材２０との間の微少間隙
や熱伝導中継部材２０とハウジング１６との間の間隙を
満して、気体による熱伝導路を形成している。ヘリウム
ガスは周知の如く、低分子量気体であって微少間隙に侵
入して満しやすく、良好な熱伝導体であって熱抵抗を下
げ、不活性ガスであって安全性が高く、腐蝕性や毒性が
無く、最も好ましい封入用気体材料になり得る。しかし
、チップ１０の安定動作を維持する上で放熱能力に余裕
がある場合は、水素、二酸化炭素、窒素等の気体を封入
すること及びヘリウムガスを含めた上記気体の２種類以
上の混合体を封入することも可能である。この場合、気
体の種類や気体の混合組成は冷却されるべきチップ１０
の発生熱量と熱伝導冷却モジュー（２４） ル装置全体の放熱能力とのバランスで適宜選択されるべ
きである。空間１９は、基板１２、スペーサ１５．ハウ
ジング１６とこれら各部材を固着している封止部材１７
．１８により気密性を維持し。

封入ヘリウムガス３１の散逸を防ぐと同時に外気の侵入
による腐蝕等から保護されるようになっている。このよ
うな気密性保持や疲労破壊防止の観点で選択される限り
においては封止部材１７゜１８として、錫、鉛、ゲルマ
ニウム、シリコン。

アンチモン、ビスマス、カドミウム、ガリウムから選択
された少くとも１種を含む金糸合金材や、Ｑ、　鉛、　
銀、アンチモン、インジウム、ビスマス。

銅、亜鉛、金、カドミウムから選択された少くとも１種
を含む鉛又は錫又は銀合金等のろう材が好ましい。又、
金属ろう材による固着手段以外に熱硬化性樹脂組成物、
熱可塑性樹脂組成物による封止材を適用することも可能
である。この場合、一般に樹脂組成物は金属に比べ気体
に対する気密性に劣るため、封入気体の選択が必要にな
る。更に。

金属ろう材、樹脂組成物による固着手段以外であ（２５
） つても、圧接法、陽極結合法等の手法によって封止する
ことも可能である。しかし々がら、チップ１０は基板１
２上に可及的高密度に搭載されていて、その中の一部に
故障を生じた場合は所定の回路機能を維持できなくなる
。このような場合には１熱伝導冷却モジユ一ル装置全体
の構成を全て交換するか、あるいはチップ１０の一部を
交換するか、いずれかの方法によって再生を計らねばな
らない。

後者の方法は、前者に比べて経済的損失を軽微にとどめ
る点で好ましい方法と言える。しかしこのだめには、封
止部を開放ｊ〜てチップ１０の交換が可能な状態にする
こと、即ち熱伝導冷却モジュール装置には開封性が付与
されていなければならず。

更に開封並びに再封止の熱処理によって他の接続部１例
えば微少はんだボール１１に幾影響を及ぼさないような
配慮がなされねばならない。このような観点で封止部材
１７又は１８を選択するならば１例えば微少はんだボー
ル１１の材質として９５鉛−５錫系はんだを用いた場合
は、少くとも同はんだ材の固相点よりも低い融点を有す
るろう（２６） 材、即ち９５錫−５銀、６３錫−３７鉛、８０インジウ
ム−１５鉛−５銀、５０錫−５０インジウム、３４錫−
２０鉛−４６ビスマス、１４錫＝２９％−４８ビスマス
ー１０アンチモン等のろう材が好ましい。

熱伝導中継部材２０の各々からハウジング１６に伝達さ
れた熱は、ハウジング１６に取付けられている冷却板３
２の如きヒートシンクに伝達される。第１図で理解され
るように、ハウジング１６の表面と冷却板３２の表面は
１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１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、上記冷却板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（２７） ながら上述した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から発生された熱は、チッ
プ１０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２０ａ
内壁向とハウジング１６の突出部１６ａの表面間の間隙
、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。この熱伝導経路のい
かなる部分においても熱伝導を阻害する要因が存在する
ことはチップ１０の安定動作を保障する上で好ましくな
い。

特に熱伝導中継部材２０の開孔２０ａ内壁面とハウジン
グ１６の突出部１６８表面間の対向面積は。

熱伝導冷却モジュール装置全体としての冷却能力に対し
て支配的な影響力を持つ。即ち、上記対向面積が増すに
つれ、冷却能力の増大に寄与する。

この意味で、チップ１０の発熱量が大きい場合は。

それに応じて上記対向面積を増すことが重要である。し
だがって、所望の対向面積を得るには、理（２８） 論的な評価又は好ましくは実際の製造段階における測定
に基づいて、突出部１６ａの寸法や開孔部２０ａの寸法
を調整すればよい。

第２図は、チップ１０とともに用いられた熱伝導中継部
材２０及びハウジング１６の部分を拡大して示した概略
断面図である。チップ１０に向けてばね２１により押圧
が与えられる熱伝導中継部材２０の末端部分２０ｂの直
径りは約６．５　ｍ　、同部材２０の全長は任意に変え
られる。熱伝導中継部材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
０．０２５關である。上記突出部１６ａの直径はＩ）／
２に等しく、その長さは８．０ｍｍ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
対向長をＬで示しておく。これらの一定パラメータを用
いて、チップ１０からハウジング１６に至る全熱抵抗（
Ｃ／Ｗ）を対向長Ｌ（ｃｒｎ）に対してプロットするこ
とＫより、第３図に示す熱特性曲線が得られる。同図曲
線に示される如く、長さＬが増すにつれ熱抵抗は感じて
おり、上記りの調（２９） 節によって熱伝導冷却モジュール装置の放熱能力を制御
できることが開示される。このことは、同一基板１２上
に発熱量の異なる複数のチップ１０が実装された場合で
あっても、上記り即ち熱伝導中継部材２０の寸法を調節
することによって、あらかじめ設定された動作温度範囲
内にチップ１０を維持できることを意味する。

冑、本発明熱伝導冷却モジュール装置では、炭化ケイ素
焼結体からなるハウジング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。又、炭化ケイ素焼結
体からなる熱伝導中継部材２０は、摩耗問題に対する対
策を施すことにより例えばアルミニウムの如き素材に代
替できる。この際には、アルミニウムからなる熱伝導中
継部材の表面に酸化アルミニウムの如き耐摩耗性のよい
膜を被覆するような対策がとられる。

〔発明の効果〕

以上述べたように１本発明によれば冷却勃、率の優れた
熱伝導冷却モジュール装置を得ることかで（３０） きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱伝導冷却モジュール装置の概略的断
面図であり、第２図は冷却されるべき熱発生装置の熱伝
導路に配置されている特別に形成された熱伝導中継部材
を示す断面図であり、そして第３図は熱伝導中継部材と
・・ウジングの係合部分の長さに関して熱伝導路の熱抵
抗を示しているグラフである。 １０・・・ＬＳＩチップ、１２・・・基板、１６・・・
ハウジング、２０・・・熱伝導中継部材。 代理人　弁理士　高橋明夫 （３１） 第１刀 第２０ 鱈３の 暑 臂 Ｌ（気？Ｆ１．）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも１の冷却されるべき熱発生装置と。 上記熱発生装置の各々に対向する如くに熱伝導路内に含
   まれているハウジングと、上記ハウジングの表壁との間
   で熱交換を行なうように配置されている熱伝導中継部材
   と、上記熱発生装置に上記熱伝導中継部材を圧接して上
   記両者間に熱伝導界面を形成する弾性手段を含む熱伝導
   冷却モジュール装置であって、上記ハウジングないし上
   記熱伝導中継部材が炭化ケイ素を主成分とする焼結体で
   ある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、上記ハウジングな
   いし上記熱伝導中継部材は、炭化ケイ素を主成分とし、
   ベリリウム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素の少くとも１
   種を含む焼結体であることを特徴とする熱伝導冷却モジ
   ュール装置。 ３、％許請求の範囲第１項において、上記ハウジングな
   いし上記熱伝導中継部材は、炭化ケイ素を主成分とし、
   ベリリウム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素の少くとも１
   種と、アルミニウム、シリコン、鉄、チタニウム、ニッ
   ケルの少くとも１種の単体又は酸化物ないし炭化物を含
   む焼結体であ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１項、第２項或いは第３項におい
   て、少くとも１の冷却されるべき熱発生装置と、上記熱
   発生装置の各々に対向する突出部を有して熱伝導路内に
   含まれているハウジングと、開孔部を有し上記開孔部側
   壁と上記突出部の表壁との間で熱交換を行なうように上
   記突出部に上記開孔部を配置されている熱伝導中継部材
   と、上記熱発生装置に上記熱伝導中継部材を圧接して上
   記両者間に熱伝導界面を形成する弾性手段を含むことを
   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１項、第２項、第３項或いは第４
   項において、上記ハウジングないし上記熱伝導中継部材
   に１０１０Ω（７）以上の電気抵抗率が付与されている
   焼結体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４項或いは第５項において。 上記熱伝導路の熱抵抗を、上記ハウジングの突出部光壁
   と上記熱伝導中継部材の開孔部側壁との間の対向面積に
   よシ調節することを特徴とする熱伝導冷却モジュール装
   置ｔ、。