JPS60253248A - Heat conductive cooling module device - Google Patents
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- JPS60253248A JPS60253248A JP59108399A JP10839984A JPS60253248A JP S60253248 A JPS60253248 A JP S60253248A JP 59108399 A JP59108399 A JP 59108399A JP 10839984 A JP10839984 A JP 10839984A JP S60253248 A JPS60253248 A JP S60253248A
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Abstract
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
置に伝達するための構成、具体的には、半導体装置基体
が微少はんだで配線基板に取付けられた、単一装置基体
もしくは多重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。[Detailed Description of the Invention] [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a structure for transmitting heat generated by a semiconductor device substrate to a cooling device, and specifically, a structure in which the semiconductor device substrate is attached to a wiring board with a minute solder. The present invention relates to a thermal conduction cooling module apparatus for cooling semiconductor device substrates in integrated circuit package assemblies including single device substrates or multiple device substrates.
大型亀子計算機では計算速度の速いことが要求されるた
め、近年、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連絡配線長を可及的
に短縮した半導体装置、即ちI、arge 5cale
Integrated C1rcuit(以下LSI
と言う)チップが開発されている。又、そのLSIチッ
プを搭載し、該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に電気配線され、もって
中継接続配線長を実質的に短縮されている。更に、LS
Iチップは回路基板上に多数個実装される方法が開発さ
れている。LSI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、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良
く外部へ放散させる補助的手段を施す必要がある。Large-scale Kameko computers are required to have high calculation speeds, so in recent years semiconductors have been developed in which a large number of semiconductor elements are integrated into a limited semiconductor substrate, thereby shortening the length of electrical interconnections between each element as much as possible. Apparatus, namely I, arge 5cale
Integrated C1rcuit (hereinafter referred to as LSI)
) chips are being developed. Furthermore, the circuit board on which the LSI chip is mounted and which electrically relays and connects the chip and external circuits is also electrically wired in multiple layers and with high density, thereby substantially shortening the length of the relay connection wiring. Furthermore, L.S.
A method has been developed in which a large number of I-chips are mounted on a circuit board. In order to maintain the operating parameters of the LSI chip within a predetermined range and to prevent the LSI chip from being destroyed due to overheating, it is necessary to provide auxiliary means to efficiently dissipate the heat generated by the operation to the outside.
LSIチップの実装密度が低く、発生熱量が少ない場合
は、従来、熱発生源としての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
で冷却する方法が採られてきた。しかしながら、LSI
チップの実装密度が高くなり、発生熱量が増大するにつ
れ、放熱体の冷却を更に強化する必要があり、このため
には空気速度を増さねばならず、それには限界があるの
み々らず、それに伴なう騒音問題が新たに生じて来る。When the packaging density of LSI chips is low and the amount of heat generated is small, conventionally a method has been adopted in which a heat radiator connected from the LSI chip as a heat generation source via a heat relay medium is cooled by forced convection using air. Ta. However, LSI
As the packaging density of chips increases and the amount of heat generated increases, it is necessary to further strengthen the cooling of the heat sink, and this requires increasing the air velocity, which not only has its limits. As a result, new noise problems arise.
したがって、この強制空冷方式に代シ得る例等かの補助
的冷却手段を施さなければ、LSIチップを適切な動作
温度範囲に維持することはできない。Therefore, unless an auxiliary cooling means, such as an alternative to this forced air cooling method, is provided, it is not possible to maintain the LSI chip within an appropriate operating temperature range.
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。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て沸騰を生ずる。この冷却
システムでは、熱発生成分か伝熱された誘電性液体は蒸
気となシ、液面よシ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されるサイクルをくり返
す。この際、容器から外方に延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。One example of auxiliary cooling means that has been proposed is a cooling system that uses both air cooling and liquid cooling. this is,
As shown in U.S. Pat. No. 3,741,292,
This is a module in which a heat-generating component is immersed in a portion surrounded by a low-melting-point dielectric liquid enclosed within a capsule. The liquid often used for this purpose is a fluorocarbon liquid with a low boiling point, which boils at a relatively low temperature. In this cooling system, the heat-generating component or the dielectric liquid into which the heat is transferred is converted into vapor and moves from the liquid level to the vapor part located above the liquid level.
It is cooled by internal fins that act as condensers extending from the container to the inside, and the cycle is repeated until it is liquefied again. At this time, the external fins extending outward from the container are air-cooled and serve as a heat radiator for the heat transferred from the internal fins.
以上の過程のもとて熱発生成分の熱放散が達成される。Through the above process, heat dissipation of the heat generating component is achieved.
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
質の無い冷却剤としての液体を必要とする。父、この冷
却概念は、LSIチップの如き熱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ま
れた不純物質又は汚染物質によりLSIチップ構成物質
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。However, this type of liquid encapsulation module must be maintained to ensure that the basic process of boiling-condensation is carried out reliably, and for this purpose extremely pure and contaminant-free liquid as a coolant must be maintained. I need. However, this cooling concept cannot be easily applied when cooling heat-generating components such as LSI chips. This is because there is an extremely high risk that the LSI chip constituent materials will be corroded by the liquid and impurities or contaminants incorporated into the liquid, and that failures will occur as a result.
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、基板とキャップ
によシ密閉され、この密閉空間に不活性ガスが充填され
る。基板に対向するキャップの壁面には熱発生装置に向
って延びる細長い開孔が設けられている。開孔の底部に
は弾性部材が配置されている。各開孔には一端がLSI
チップに対向するように設けられた熱伝導性部材が案内
配置されており、各開孔の壁面と熱伝導性部材との間に
狭い間隙が形成されている。弾性部材は熱伝導性部材を
熱発生装置に圧接するような力を、熱伝導性部材に付与
している。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υ開孔と熱伝導性部材間の間隙及
び熱発生装置と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、このキャップと結合したヒート
シンクへ放出される。U.S. Pat. No. 3,993,123 discloses a cooling module arrangement in which a heat generating device, such as one or more semiconductor chips to be cooled, is encapsulated with a gas. The heat generating device is mounted on an alumina substrate and hermetically sealed between the substrate and the cap, and this sealed space is filled with an inert gas. The wall of the cap facing the substrate is provided with an elongated aperture extending toward the heat generating device. An elastic member is placed at the bottom of the aperture. Each hole has an LSI at one end.
A thermally conductive member provided opposite the chip is guided and a narrow gap is formed between the wall of each aperture and the thermally conductive member. The elastic member applies a force to the thermally conductive member that presses the thermally conductive member against the heat generating device. The airtight space is filled with an inert gas, and this inert gas fills the gap between the υ opening and the thermally conductive member and the interface between the heat generating device and the thermally conductive member. The heat generated by the heat generating component reaches the cap via the inert gas and the thermally conductive member, and is emitted to the heat sink coupled to the cap.
上記の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
で構成することにより、効率のよい熱放散を実現してい
る。しかしながら、かかるカプセル封入冷却モジュール
装置では、占有面積が大きくなり、モジュール装置をプ
リント基板に実装する際に密度を高めることが困難であ
る。これは、高気密空間を形成するために、キャップと
の間で封止部を形成する部分に、アルミナ板の周辺から
封止部へ向けて延びるフランジを設けており、そして場
合によっては封止部を形成するため、キャップとフラン
ジとを圧着する締結手段が付与されるからである。又、
キャップに熱伝導性のよい銅を用いるよう力場台は、モ
ジュール装置の重量が過大になり、モジュールの入出力
信号を他回路との連絡をとる接続部の劣化を促進せしめ
る。In the above-mentioned encapsulated cooling module device, copper or aluminum is used as the cap material and the thermally conductive member, and helium, hydrogen, or carbon dioxide is used as the filler gas. These materials have excellent thermal conductivity, and by constructing the heat conduction path from the heat generating device to the heat sink with these materials, efficient heat dissipation is realized. However, such an encapsulated cooling module device occupies a large area, making it difficult to increase the density when mounting the module device on a printed circuit board. In order to form a highly airtight space, a flange is provided in the part that forms the sealing part with the cap, and extends from the periphery of the alumina plate toward the sealing part. This is because a fastening means for crimping the cap and the flange is provided to form the part. or,
A force field stand in which the cap is made of copper, which has good thermal conductivity, increases the weight of the module device and accelerates the deterioration of the connection part that communicates the input/output signals of the module with other circuits.
更に、封入カプセル内の基板には、熱発生装置が可及的
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、必要に応じて素子相互間を電気的に絶縁しなけれ
ばならない。Furthermore, heat generating devices are mounted on the substrate within the encapsulation capsule as densely as possible. Each heat generating device has a large number of semiconductor elements integrated in a limited semiconductor substrate. In order for each semiconductor element to form an electric circuit, the elements must be electrically insulated from each other as necessary.
このため、一般に半導体素子は、pn接合によって電気
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。問題は、pn接合を逆バイアスするだめの電圧が
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種ないしそ
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熱発生
装置どうしは、導電性の熱伝導性部材、弾性部材、キャ
ップを介して電気的に連絡することとなシ、アらかじめ
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
件が全く同一である場合は上述の問題は(9)
解消される。しかし力から、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短絡
網を形成する危険が伴なう。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
路以外で電気的に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ないし熱伝導性部材に電気絶
縁機能を付与しておく必要がある。For this reason, semiconductor elements are generally formed in semiconductor regions called islands, which are electrically isolated by pn junctions. The problem is that a voltage sufficient to reverse bias the pn junction is applied to the semiconductor substrate, ie, the heat generating device substrate that forms a contact interface with the thermally conductive member. It is rare that all of the heat generating devices mounted on a board are made of semiconductor substrates having the same function, and in general, when two or more types of heat generating devices with different functions are mounted in the same cooling module device. I have to think about it. In such cases, it is necessary to maintain the reverse bias voltage at a level of 2 or more. By the way, heat generating devices given different reverse bias voltages must be electrically connected to each other via an electrically conductive thermally conductive member, an elastic member, or a cap. Conditions cannot be maintained and the circuit function of the entire cooling module device is impaired. Further, if the reverse bias conditions of all the heat generating devices mounted in the cooling module device are exactly the same, the above-mentioned problem (9) is solved. However, due to power, the cooling module devices are electrically connected to each other through impurities and contaminants in the heat sink or refrigerant that connects to the cap to form a contact interface, and furthermore, cooling on the printed circuit board that is densely mounted in the housing. There is a risk of forming electrical short circuit networks due to vibrating contact between module devices. Therefore, it is undesirable for heat generating devices mounted on a board to be electrically connected to each other other than through a pre-planned conductive path. must be given.
一方、米国特許第4034468号及び4081825
号には、1以上の冷却されるべき熱発生装置としての半
導体チップとヒートシンクとしてのパッケージのキャン
またはカバーとの間に、浸れた熱輸送路を形成する低融
点ソルダからなる熱伝導パッドを設けた熱伝導冷却回路
パッケージが開示されている。半導体チップはアルミナ
基板上に搭載され、基板と銅又は真鍮からなるキャンま
たはカバーとにより密閉されている。半導体チップとキ
ヤ(10)
ンまたはカバーとの間には、ギャップが形成されている
が、このギャップ部分を埋める如くにインジウムまたは
その合金からなる熱伝導パッドを配置している。この熱
伝導パッドは、半導体チップまたはキャンないしカバー
のいずれか一方のみと金属的に接合され、金属的な接合
がなされない他方の係合部は非金属的に、例えば単に接
触界面を形成する如くに接合されている。この際、金属
的接合を具現するため、半導体チップまたはキャンない
しカバーにクロム−銅−金、クロム−ニッケル、チタニ
ウム−パラジウム−金、クロム−銅からなる薄膜が形成
されている。この熱伝導冷却回路パッケージでは、金属
的接合がなされない接触界面で機械的拘束力を受けない
から、熱的サイクルの付加にともなう劣化、例えば疲労
破壊の如き故障を生じにくい。しかし、熱伝導路を形成
する非金属的接合部は、金属的接合がなされた界面に比
べて熱伝導性能の点で劣ることは明確である。On the other hand, U.S. Patent Nos. 4,034,468 and 4,081,825
No. 2003-130000, a thermally conductive pad made of a low melting point solder forming a immersed heat transport path is provided between one or more semiconductor chips as a heat generating device to be cooled and a can or cover of a package as a heat sink. A thermally conductive cooling circuit package is disclosed. A semiconductor chip is mounted on an alumina substrate, and the substrate is sealed with a can or cover made of copper or brass. A gap is formed between the semiconductor chip and the can or cover, and a thermally conductive pad made of indium or an alloy thereof is arranged to fill this gap. This thermally conductive pad is metallically bonded to only one of the semiconductor chip, the can, and the cover, and the other engaging portion that is not metallically bonded is non-metallic, such as simply forming a contact interface. is joined to. At this time, in order to realize metallic bonding, a thin film made of chromium-copper-gold, chromium-nickel, titanium-palladium-gold, or chromium-copper is formed on the semiconductor chip or the can or cover. In this heat conduction cooling circuit package, since no mechanical restraint is applied at the contact interface where no metal bonding is made, deterioration due to addition of thermal cycles, such as failure such as fatigue fracture, is less likely to occur. However, it is clear that non-metallic joints that form heat conduction paths are inferior in terms of heat conduction performance compared to interfaces formed by metallic joints.
また、この場合であっても、半導体チップからキャンな
いしカバーに至る熱伝導路内に、上述した(11)
電気絶縁性を付与する必要性のあることは当然である。Furthermore, even in this case, it is natural that it is necessary to provide electrical insulation as described in (11) above in the heat conduction path from the semiconductor chip to the can or cover.
この−し0として、米国特許第4034468号では、
それ自体良好な絶縁体である酸化べIJ IJウムから
々るキャンないしカバーを用い得ることを開示している
。しかし、酸化ベリリウムは毒性の問題を有している。As for this, in U.S. Pat. No. 4,034,468,
It is disclosed that a can or cover made of aluminum oxide, which is itself a good insulator, can be used. However, beryllium oxide has toxicity problems.
従って、よシ冷却効率の高い熱伝導路を形成するには、
熱発生装置としての半導体チップからヒートシンクへ係
合されるハウジングに至る熱伝導路に、半導体チップ及
びハウジングの双方に金属的に接合された熱伝導パッド
を配置するのが好ましい。しかしこの場合には、熱伝導
パッドが半導体チップ又はハウジングのいずれか一方と
金属的に接合されない部分を有する。伝導冷却パッケー
ジにおいて発生しにくい新たな問題が生ずる。即ち、互
に熱膨張係数の異なる半導体チップとハウジング部材の
双方に合金材の如き熱伝導パッドを金属的に接合した場
合は、回路の稼動及び休止に伴なう熱変化を生ずるとき
、熱膨張係数の差に起因して熱伝導パッドに熱応力が印
加され、この熱(12)
応力の〈υ返し印加によって熱伝導パッドの疲労破壊、
例えばクラックを生ずるに至る。このような熱伝導パッ
ドの疲労破壊は、熱伝導路の熱抵抗を高める要因となり
、特に発熱量の大きい半導体チップに関する熱伝導路の
場合は、破壊を防止する手段が講じられねばならない。Therefore, in order to form a heat conduction path with high cooling efficiency,
Preferably, the heat conduction path from the semiconductor chip as a heat generating device to the housing which is engaged to the heat sink is provided with heat conduction pads which are metallically bonded to both the semiconductor chip and the housing. However, in this case, the thermally conductive pad has a portion that is not metallically bonded to either the semiconductor chip or the housing. A new problem arises that is less likely to occur in conduction cooled packages. In other words, if a thermally conductive pad such as an alloy material is metallically bonded to both a semiconductor chip and a housing member that have different coefficients of thermal expansion, thermal expansion will occur when thermal changes occur due to circuit operation and shutdown. Thermal stress is applied to the thermally conductive pad due to the difference in coefficients, and this thermal stress (12) is applied in return, causing fatigue failure of the thermally conductive pad.
For example, cracks may occur. Such fatigue failure of the heat conduction pad becomes a factor that increases the thermal resistance of the heat conduction path, and in particular, in the case of a heat conduction path associated with a semiconductor chip that generates a large amount of heat, measures must be taken to prevent the failure.
本発明の目的は、冷却されるべき熱発生装置の冷却を効
率的に行なわしめる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。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an improved heat conduction cooling module device that efficiently cools a heat generating device to be cooled.
本発明の他の目的は、熱伝導路の疲労破壊を防止ないし
軽減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。Another object of the present invention is to provide an improved thermal conduction cooling module arrangement that prevents or reduces fatigue failure of the thermal conductive paths.
本発明熱伝導冷却モジュール装置は、上記の目的を達成
するため、以下の特徴を有する。The heat conduction cooling module device of the present invention has the following features in order to achieve the above object.
熱発生装置を密封する容器外に設けた冷却手段と冷却さ
れるべき熱発生装置との間の熱伝導路を、炭化ケイ素を
主成分とする焼結体からなる部分及び低融点金属からな
る部分を配置したことを特徴(13)
とする。炭化ケイ素を主成分とする焼結体には、ベリリ
ウム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素の少なくとも1種を
含まれているのが好ましい。The heat conduction path between the cooling means provided outside the container that seals the heat generating device and the heat generating device to be cooled is formed by a portion made of a sintered body mainly composed of silicon carbide and a portion made of a low melting point metal. The feature (13) is that . The sintered body containing silicon carbide as a main component preferably contains at least one of beryllium, beryllium oxide, and boron nitride.
本発明における容器のキャップ部材は熱発生装置に関連
する熱伝導路に用いられるから、本質的に高い熱伝導性
を有していることが必要であるほか、軽量かつ電気絶縁
性を有していることが好ましい。更に好ましくは、容器
のキャップ部材は熱膨張係数が熱発生装置及び熱発生装
置を搭載する配線基板と近似し、高い気密性を有してい
る必要がある。これは熱伝導路となる低融点金属の疲労
劣化を避けるとともに、容器内の高気密性を維持するた
めである。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IJウム、酸化ベリリウム、窒
化ホウ素の少なくとも1種を含む高密度焼結体炭化ケイ
素が上記の性能を有することを試作品によシ確認した。Since the cap member of the container in the present invention is used as a heat conduction path related to a heat generating device, it is necessary that it has essentially high thermal conductivity, as well as being lightweight and electrically insulating. Preferably. More preferably, the cap member of the container should have a coefficient of thermal expansion similar to that of the heat generating device and the wiring board on which the heat generating device is mounted, and should have high airtightness. This is to avoid fatigue deterioration of the low melting point metal that serves as a heat conduction path and to maintain high airtightness within the container. Therefore, as a result of searching for and comparing materials with such performance, we found that high-density sintered silicon carbide containing at least one of beryllium oxide, beryllium oxide, and boron nitride has the above performance. confirmed.
具体的には炭化ケイ素100重量部に対しベリリウム含
有量(酸化ヘリリウム換算)、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o、7cn
t7(14)
C−副・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)45に9f/
m+”、熱膨張係数3.7X10−’/c及び電気抵抗
率1013Ω・m以上(室温)と、熱伝導部材並びに容
器のキャップ部材用材料として好適な性能を有している
ことに着目した。Specifically, sintered silicon carbide with a beryllium content (in terms of helium oxide) and a boron nitride content of 2 parts by weight or more per 100 parts by weight of silicon carbide has a thermal conductivity of o and 7cn.
t7 (14) C-sub・S (room temperature), density 3.2g/cm", Vickers hardness approximately 4000, bending strength, three-point support) 45 to 9f/
It was noted that the material had suitable performance as a thermally conductive member and a material for a cap member of a container, with a thermal expansion coefficient of 3.7×10 −′/c and an electrical resistivity of 10 13 Ω·m or more (room temperature).
炭化ケイ素焼結体からなる熱伝導部材及び容器のキャッ
プ部材は、ベリリウム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素に
よシ炭化ケイ、素結晶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。Thermal conductive members and container cap members made of silicon carbide sintered bodies are made of beryllium, beryllium oxide, and boron nitride, which increases the electrical resistance of silicon carbide and elementary grain boundaries, and improves the electrical insulation properties of silicon carbide sintered bodies. At the same time, it is provided with thermal conductivity.
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
は炭化ケイ素焼結体の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(1
5)
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1,11J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。Sintered silicon carbide contains residual silicon, aluminum, iron, titanium, and nickel, or their oxides, carbides, and free carbon, which are contained in the form of impurities in the starting materials. Among these impurities, aluminum has the function of lowering the resistivity of the silicon carbide sintered body, so it is desirable that the amount of aluminum is small. However, on the other hand, aluminum also plays an important role in increasing the density of sintered silicon carbide, that is, reducing the porosity. This porosity (1
The need to reduce 5) has a significant meaning that cannot be ignored in making the package highly airtight, which will be described later. Therefore, in such a case,
It is desirable to add 1,11 J of the above-mentioned beryllium, beryllium oxide, and boron nitride in an amount that offsets the resistivity lowered by the presence of aluminum.
本発明の熱伝導性冷却モジュール装置において、熱伝導
部材や容器のキャップ部材として必要な抵抗率は101
0 Ωm以上、そして熱伝導率は少なくともアルミニウ
ム(0,53d/CrrI−C@S)と同等若しくはそ
れ以上であることが望ましい。これを達成するだめの望
ましい添加量は、酸化ベリリウムによってベリリウムを
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2重量部以上であ
る。In the thermally conductive cooling module device of the present invention, the resistivity required for the thermally conductive member and the cap member of the container is 101.
0 Ωm or more, and the thermal conductivity is preferably at least equal to or higher than that of aluminum (0.53d/CrrI-C@S). In order to achieve this, the desired amount of addition is 2 parts by weight or more when beryllium is added using beryllium oxide and the amount of boron nitride is added to 100 parts by weight of silicon carbide, which is the main component.
又、特にキャップ部材は、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、熱伝導部材とキャップ
部材また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(16)
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、キャップ部材用素
材として金属を用いる場合と異なり、セラミックス材を
適用する場合に特に解決しなければならない点である。In particular, the cap member forms a space surrounding the heat generating device together with the substrate and other members, and seals in a gas such as helium gas that assists heat transfer at the interface between the heat conducting member and the cap member or the heat generating device. Since it also serves as a container, it must be highly airtight (16). This is because helium gas is a gas with a small atomic radius and easily dissipates through extremely small gaps and pores. Such an airtightness problem must be solved especially when a ceramic material is used as the material for the cap member, unlike when metal is used as the material for the cap member.
この気密性は、ヘリウムガスのもれ量に換算して10″
−tBtmml/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、焼結体の
相対密度が97−以上にすることが望ましい。このよう
な炭化ケイ素焼結体を得るには、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9
8MPa程度の圧力で仮成形後、温度2050c圧力3
0MPa−t’1時間程度真空ホットプレス(真空度1
0”’MPa)するのがよい。この際、−焼結炭化ケイ
素中には、絶縁性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、畝、チタニウム、ニッケルの単体又(1
7)
は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、
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。This airtightness is equivalent to 10" in terms of helium gas leakage.
-tBtmml/S or less is a preferable value, but in order to impart this degree of airtightness to sintered silicon carbide, it is desirable that the relative density of the sintered body is 97 or more. To obtain such a silicon carbide sintered body, the particle size is typically 2 μm.
The following silicon carbide powders were uniformly mixed with additives that impart insulation and thermal conductivity of equivalent particle size, and the mixture was
After temporary molding at a pressure of about 8MPa, temperature 2050c pressure 3
0MPa-t' Vacuum hot press for about 1 hour (vacuum degree 1
0"' MPa). In this case, in addition to the additives for imparting insulation and thermal conductivity to the sintered silicon carbide, silicon as an impurity contained in the starting raw material,
Aluminum, ridge, titanium, nickel alone (1
7) contains these oxides, carbides and free carbon. These impurities have an effective function to make the silicon carbide crystal grains denser. therefore,
In order to actively impart airtightness to sintered silicon carbide, it is preferable to add silicon, aluminum, iron, titanium, nickel alone or their oxides or carbides.
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こ・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俯諏図、
そして第2図は第1図のA−A’線に沿う断面図である
。両図を参照して説明するに、シリコン基体に固体回路
を形成してなるLSIチップ10の約100個が、面積
約90旧×90−のセラミックの多層配線基板12の一
方面に微少はんだポール11により装着されている。基
板12はその他方面から突出する約1500本もの接続
ピン14を有している。とれらのピン14を(18)
補助回路等を担持した配線ボード13に差込み、熱伝導
モジュール装置が支持される。基板12のチップ10を
搭載した側に、その周縁部に対向する如くに突出部16
aが設けられた凹型のキャップ即ちハウジング16が載
置され、はんだろう材の如き封着部材17により気密に
固着されている。これらの部材即ち、基板、ハウジング
及び封着部材によって密閉空間19が形成されているが
、この空間19にはヘリウムガスの如き熱伝導性気体3
1が充填されている(第2図参照)。各チップ10とそ
れに対向するハウジング16の各部との間には、チップ
10とハウジング16に金属的に接合された低融点金属
からなる熱伝導性パッド20が設けられ、これがチップ
10からハウジング16に至る熱伝導路を形成している
。ハウジング16の材質は上述した性能を有する炭化ケ
イ素焼結体が選択されるが、基板12の母材がアルミナ
セラミック、ムライトセラミックであり、チップ10が
シリコンである場合、特に浸れた性能を発揮することが
できる。即ち、炭化ケイ素焼結(19)
体はシリコンに極めて近似した熱膨張係数を有しており
、熱伝導性パッド20の熱疲労破壊が防止できる。また
、炭化ケイ素焼結体はアルミナセラミックやムライトセ
ラミックと近似した熱膨張係数を有しており、基板12
とハウジング16間の封止部材17の熱疲労破壊が防止
できる。熱伝導性パッド20の破壊が引起されないから
主要な熱伝導路の伝熱性能が維持され、かつ封止部材1
7の破壊を生じないから熱伝導性気体31のもれがなく
同気体を経由する熱伝導路の伝熱性能が維持される。伺
、基板12の母材が樹脂である場合においても、熱膨張
係数の調節された基板であれば、炭化ケイ素焼結体をハ
ウジングに用いることができる。FIG. 1 is a schematic overhead view showing a heat generating device shown as an LSI chip 10 and a gas-filled heat conduction cooling module device having an auxiliary cooling means for cooling the heat generating device;
FIG. 2 is a sectional view taken along line AA' in FIG. 1. To explain with reference to both figures, about 100 LSI chips 10 each having a solid-state circuit formed on a silicon substrate are connected to micro solder poles on one side of a ceramic multilayer wiring board 12 with an area of about 90 mm x 90 mm. It is attached by 11. The substrate 12 has about 1,500 connecting pins 14 protruding from other sides. These pins 14 (18) are inserted into a wiring board 13 carrying auxiliary circuits, etc., and the heat conduction module device is supported. A protrusion 16 is provided on the side of the substrate 12 on which the chip 10 is mounted, so as to face the peripheral edge thereof.
A concave cap or housing 16 provided with a mark a is mounted thereon, and is hermetically fixed with a sealing member 17 such as a soldering material. A sealed space 19 is formed by these members, that is, the substrate, the housing, and the sealing member, and this space 19 is filled with a thermally conductive gas 3 such as helium gas.
1 (see Figure 2). A thermally conductive pad 20 made of a low melting point metal and metallically bonded to the chip 10 and the housing 16 is provided between each chip 10 and each part of the housing 16 facing it. It forms a heat conduction path. As the material of the housing 16, a silicon carbide sintered body having the above-mentioned performance is selected, but when the base material of the substrate 12 is alumina ceramic or mullite ceramic and the chip 10 is silicon, it exhibits particularly excellent performance. be able to. That is, the silicon carbide sintered body (19) has a coefficient of thermal expansion very similar to that of silicon, and thermal fatigue failure of the thermally conductive pad 20 can be prevented. Furthermore, the silicon carbide sintered body has a coefficient of thermal expansion similar to that of alumina ceramic and mullite ceramic, and the substrate 12
Thermal fatigue failure of the sealing member 17 between the housing 16 and the housing 16 can be prevented. Since the thermally conductive pad 20 is not destroyed, the heat transfer performance of the main thermal conduction path is maintained, and the sealing member 1
7 does not occur, there is no leakage of the thermally conductive gas 31, and the heat transfer performance of the heat conduction path passing through the gas is maintained. However, even when the base material of the substrate 12 is resin, a silicon carbide sintered body can be used for the housing as long as the substrate has an adjusted coefficient of thermal expansion.
本実施例において、熱伝導性パット20は67重量%ビ
スマス−16重量%鉛−17重量%錫はんだであシ、チ
ップ10及びハウジング16にそれぞれ金属的に接合さ
れている。この熱伝導性パッド20は固相点95C1液
相点149Cを有する低融点金属で、チップ10とハウ
ジング16と(20)
の微少な熱膨張係数差に基づく熱伝導性パッド20の疲
労を、優れた塑性変形性能で補なっている。熱伝導性パ
ッド20は、上記組成のはんだ材以外にビスマス、錫、
インジウム、水銀の如き単体金属や、鉛、錫、ビスマス
、インジウム、カドミウム、水銀、アンチモンの少なく
とも1種を含む合金材にすることにより、上述と同様の
耐熱疲労性が付与される。In this embodiment, the thermally conductive pad 20 is metallically bonded to the chip 10 and the housing 16 using 67% by weight bismuth-16% by weight lead-17% by weight tin solder. The thermally conductive pad 20 is made of a low melting point metal with a solidus point of 95C and a liquidus point of 149C, and has excellent resistance to fatigue of the thermally conductive pad 20 due to the minute difference in coefficient of thermal expansion between the chip 10 and the housing 16 (20). This is complemented by its plastic deformation performance. In addition to the solder material having the above composition, the thermally conductive pad 20 is made of bismuth, tin,
By using a single metal such as indium or mercury or an alloy material containing at least one of lead, tin, bismuth, indium, cadmium, mercury, and antimony, the same thermal fatigue resistance as described above is imparted.
熱伝導性気体31としての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シ得る。しかし、チップ100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種類以上の混合気体を封入
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
導冷却モジュール装置全体(21)
の放熱能力とのバランスで適宜選択されるべきである。As is well known, helium gas as the thermally conductive gas 31 is
It is a low molecular weight gas that easily penetrates and fills minute gaps.
It is a good thermal conductor with low thermal resistance, is an inert gas, has high safety, is non-corrosive and non-toxic, and can be the most preferred gas material for encapsulation. However, if there is sufficient heat dissipation capacity to maintain stable operation of the chip 100, gases such as hydrogen, carbon dioxide, and nitrogen may be sealed, or a mixture of two or more of the above gases including helium gas may be sealed. It is also possible to do so. In this case, the type of gas and the gas mixture composition should be appropriately selected based on the balance between the amount of heat generated by the chip 10 to be cooled and the heat dissipation capacity of the entire heat conduction cooling module device (21).
空間19は、基板12、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なくとも1種を含む金糸合金材や、
錫、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なくとも1種を
含む鉛又は錫又は銀合金等のろう材が好ましい。また、
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。The space 19 is kept airtight by the substrate 12, the housing 16, and the sealing member 17 that fixes these members, thereby preventing the dissipation of the sealed helium gas 31 and protecting it from corrosion caused by the intrusion of outside air. It has become. Tin, lead, germanium,
A gold thread alloy material containing at least one selected from silicon, antimony, bismuth, cadmium, and gallium;
tin, lead, silver, antimony, indium, bismuth, copper,
A brazing material such as lead, tin, or silver alloy containing at least one selected from zinc, gold, and cadmium is preferable. Also,
In addition to fixing means using metal brazing material, thermosetting resin composition,
It is also possible to apply a sealant made of a thermoplastic resin composition.
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って
も、圧接法、陽極結合法等の(22)
手法によって封止することも可能である。しかしながら
、チップ10は基板12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、熱伝導冷
却モジュー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。しかしこのためには、封止部を開放してチップ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、例え
ば微少はんだボール11に悪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1
7を選択するならば、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、該はん
だボールの固相点よりも低い融点を有するろう材、即ち
95錫−5銀、63錫−37鉛、(23)
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鉛−
48ビスマス−10アンチモン等のろう材が好ましい。In this case, since resin compositions are generally inferior in airtightness to gases compared to metals, it is necessary to select the gas to be enclosed. Further, sealing can also be achieved by methods (22) such as pressure bonding, anodic bonding, etc., other than fixing means using metal brazing materials and resin compositions. However, the chips 10 are mounted as densely as possible on the substrate 12, and if a failure occurs in some of them, it becomes impossible to maintain a predetermined circuit function. In such a case, it is necessary to attempt regeneration by either replacing the entire configuration of the heat conduction cooling module device or replacing a part of the chip 10. The latter method can be said to be preferable in that it causes less economic loss than the former. However, for this purpose, the sealing part must be opened and the chip 10
In other words, the thermal conduction cooling module device must be able to be opened, and furthermore, the heat treatment for opening and resealing will not adversely affect other connections, such as the minute solder balls 11. Care must be taken to ensure that this does not affect the From this point of view, the sealing member 1
If 7 is selected, for example, when 95 lead-5 tin based solder is used as the material for the minute solder balls 11, a brazing material having a melting point lower than the solidus point of the solder ball, that is, 95 tin-5 silver, is selected. , 63 tin-37 lead, (23) 80 indium-15 lead-5 silver, 50 tin-50 indium, 34 tin-20 lead-46 bismuth, 14 tin-29 lead-
A brazing material such as 48 bismuth-10 antimony is preferred.
チップ10から熱伝導性パッド20を経由してハウジン
グ16に伝達された熱は、ハウジング16に係合された
冷却板32の如きヒートシンクに伝達される。第2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、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32H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、当然ながら上述した騒音問題を軽微にとどめ
(24)
るような配慮がなされなければならない。同、本発明熱
伝導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。Heat transferred from the chip 10 to the housing 16 via the thermally conductive pad 20 is transferred to a heat sink, such as a cold plate 32, engaged to the housing 16. As seen in FIG. 2, the surface of the housing 16 and the cooling plate 32
The surfaces of the two are flat to allow good heat transfer between the two. A cooling liquid 42 for removing heat transferred to the cooling plate 32 is circulated in the space 32H of the cooling plate 32, thereby achieving efficient cooling. A liquid such as water is desirable as a cooling liquid capable of efficient cooling. Therefore, if the chip 10 to be cooled is maintained in a state where it is not overheated above a pre-designed temperature in the operating state, it is also possible to use an air-cooled heat sink instead of cooling with the cooling plate 32. In this case, consideration must naturally be given to keeping the above-mentioned noise problem to a minimum (24). Similarly, in the heat-conducting module device of the present invention, there is no problem in that the housing 16 made of the silicon carbide sintered body doubles as a heat sink that is in direct contact with the cooling medium outside the enclosed module device.
第3図は、チップ10とともに用いられた熱伝導性パッ
ド20及びハウジング160部分を拡大して示した概略
断面図である。チップ10は一辺が6.5 mの正方形
状をしておシ、チップ10のはんだボール11の設けら
れていない側にクロム−ニッケルー銀積層金属層からな
る金属化層10aが設けられ、熱伝導性パッド20とテ
ップ10の金属的接合の実現に寄与している。また、ハ
ウジング16のチップ10との対向部に略同寸法のクロ
ム−ニッケルー銀積層金属層からなる金属化層16bが
設けられ、熱伝導性パッド20とハウジング16との金
属的接合の実現に寄与している。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged portion of the thermally conductive pad 20 and housing 160 used with the chip 10. The chip 10 has a square shape with a side of 6.5 m, and a metallized layer 10a made of a chromium-nickel-silver laminated metal layer is provided on the side of the chip 10 where the solder balls 11 are not provided, and the metallized layer 10a is made of a chromium-nickel-silver laminated metal layer to improve heat conduction. This contributes to realizing a metallic bond between the sexual pad 20 and the tip 10. Furthermore, a metallized layer 16b made of a chromium-nickel-silver laminated metal layer having approximately the same dimensions is provided on the portion of the housing 16 facing the chip 10, which contributes to realizing metallic bonding between the thermally conductive pads 20 and the housing 16. are doing.
金属化層10aや16・bのクロム層はシリコンまたは
炭化ケイ素焼結体との接合強度を保つだめの役割、ニッ
ケル層は熱伝導性パッド20の構成金(25)
属とクロム層の反応を抑制するためのストッパとしての
役割、そして銀層は熱伝導性パッド20に対するぬれ性
を付与する役割をそれぞれ有している。したがって、そ
れぞれの金属層は上述の役割を果し得る限りにおいて、
他の金属に代替できる。The chromium layer of the metallized layers 10a and 16/b serves to maintain the bonding strength with the silicon or silicon carbide sintered body, and the nickel layer serves to prevent the reaction between the metal (25) constituting the thermally conductive pad 20 and the chromium layer. The silver layer has the role of a stopper for suppressing the thermal conductivity, and the silver layer has the role of providing wettability to the thermally conductive pad 20. Therefore, insofar as each metal layer can fulfill the above-mentioned role,
Can be substituted with other metals.
例えば接着強度を保つだめの層としては、クロムの代シ
にチタニウム、モリブデン、タングステン、ニッケル、
アルミニウムの如き金属が、ストッパとしてはニッケル
の代シに銅、パラジウム、白金、アルミニウムの如き金
属が、そしてぬれ性を付与するための層としては銀の代
りに金、白金、ニッケル、銅の如き金属が使用できる。For example, instead of chromium, titanium, molybdenum, tungsten, nickel, etc. can be used as a layer to maintain adhesive strength.
A metal such as aluminum is used as a stopper, a metal such as copper, palladium, platinum, or aluminum is used instead of nickel as a stopper, and a metal such as gold, platinum, nickel, or copper is used instead of silver as a layer for providing wettability. Metal can be used.
必要ならクロムJf4トニッケル層の間にクロム・ニッ
ケル混合層を設けて接着力を強化する手段を講じてもよ
い。If necessary, a chromium-nickel mixed layer may be provided between the chromium Jf4 and nickel layers to strengthen the adhesion.
これら積層金属層は真空蒸着法によって形成されるが、
必要ならスパッタリング法、イオンブレーティング法を
用いて形成してもよい。金属化層10a、16bは熱伝
導路の伝熱性能を高めるのに有効である。よシ伝熱性能
を高めるには、・・ウジングの金属化層は、サンドブラ
スト法等で面に(26)
微細な凹凸を設けた後形成されることが望ましい。These laminated metal layers are formed by vacuum evaporation method,
If necessary, it may be formed using a sputtering method or an ion blasting method. The metallization layers 10a, 16b are effective in enhancing the heat transfer performance of the thermal conductive path. In order to improve the heat transfer performance, it is desirable that the metallized layer of the Uzing is formed after providing (26) fine irregularities on the surface by sandblasting or the like.
又、金属化層16bは例えばモリブデン厚膜焼成メタラ
イズ層や銅−マンガン合金圧接メタライズ層等にぬれ性
を付与する金属をめっき形成したようなものであっても
よい。同、ハウジング16の突出部16aと基板12と
の間の封止部材17に対するぬれ性と金属的接合を可能
にするため、突出部16aに同様の金属化層(図示せず
)が設けられ、そして基板12側にも金属化層(図示せ
ず)が設けられている。炭化ケイ素ハウジングには、上
述した種々の金属層からなる積層金属層が設けられるの
が好ましく、上述の実施例においてはクロム−ニッケル
ー銀からなる積層金属層が設けられている(図示せず)
。この封着部は内部を気密に保つために重要な部分であ
って、金属化層形成部の残留歪が過大になると温度変化
が与えられることによってハウジング材の破壊を生ずる
危険がある。積層金属層は1〜2μm程度の薄膜であっ
てハウジングに与える残留歪を小さくする上で大きな効
果がある。この残留歪の問題は熱伝導性パ(27)
゛ラド形成部においても存在し、上述と同様に解決され
得る。Further, the metallized layer 16b may be formed by plating a metal that imparts wettability to, for example, a molybdenum thick film fired metallized layer or a copper-manganese alloy pressure-bonded metallized layer. Similarly, in order to enable wettability and metallic bonding to the sealing member 17 between the protrusion 16a of the housing 16 and the substrate 12, the protrusion 16a is provided with a similar metallized layer (not shown), A metallized layer (not shown) is also provided on the substrate 12 side. The silicon carbide housing is preferably provided with a laminated metal layer consisting of the various metal layers mentioned above, and in the above-mentioned embodiments is provided with a laminated metal layer consisting of chromium-nickel-silver (not shown).
. This sealing part is an important part for keeping the inside airtight, and if the residual strain in the metallized layer forming part becomes excessive, there is a risk that the housing material will break due to temperature changes. The laminated metal layer is a thin film of about 1 to 2 μm and has a great effect in reducing residual strain imparted to the housing. This problem of residual strain also exists in the thermally conductive pad (27) and can be solved in the same manner as described above.
上述の実施例において、ハウジング16は基板12との
間で封止部材17によシ直接固着されているが、本発明
においてハウジング16は基板12に間接的に固着され
てもよい。第4図はその一例であり、基板12のチップ
10を搭載した側の周辺部には金属またはセラミックか
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が連なって配置され、
はんだ等のろう材の如き封着部材17.18によシ固着
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。スペーサ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そしてハウジングが炭化ケイ素焼
結体である場合には、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、(28)
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
点を憂先する理由は、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。更に、金属化層はハウジングと可及的に大きな接着
強度を有していることが望ましい。本発明において接着
強度は、例えばクロム層の厚さを調節することで向上さ
せ得る。−例を示すと、クロム−ニッケルー金積層金属
層である場合、接着強度はクロム層厚さ0.1μmの時
の2.5に4l1m”から0.3 p mの時の7勾/
Ti1l”に向上させ得る。In the embodiments described above, the housing 16 is directly fixed to the substrate 12 by the sealing member 17, but in the present invention, the housing 16 may be indirectly fixed to the substrate 12. FIG. 4 shows an example of this, in which a spacer 15 made of metal or ceramic is arranged around the side of the substrate 12 on which the chip 10 is mounted, and a cap or housing 16 is arranged in series on the other side of the spacer 15. ,
It is fixed by a sealing member 17, 18 such as a brazing material such as solder. With these component configurations, the closed space 19
is formed. The material of the spacer 15 should be selected not from the viewpoint of thermal conductivity but from the point that the coefficient of thermal expansion matches or is similar to that of the substrate 12 and the housing 16. For example, when the substrate 12 is made of alumina ceramic, mullite ceramic, and the housing is made of silicon carbide sintered body, the spacer 15 is made of alumina ceramic, mullite ceramic, silicon carbide sintered body, (28) Kovar, 58Fe-42Ni, tungsten. Materials such as carbide can be selected. The reason for giving priority to the thermal expansion coefficient is the need to avoid fatigue failure of the sealing member that occurs when thermal cycles are applied due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate 12 or the housing 16. be. Furthermore, it is desirable that the metallization layer has as high an adhesive strength as possible with the housing. In the present invention, the adhesive strength can be improved by adjusting the thickness of the chromium layer, for example. - For example, in the case of a chromium-nickel-gold laminated metal layer, the adhesive strength is 2.5 when the chromium layer thickness is 0.1 μm to 7 when the thickness is 0.3 μm.
It can be improved to "Ti1l".
以上に説明したように、本発明熱伝導冷却モジュール装
置のハウジング16には電気絶縁性や耐ヘリウムリーク
性が付与されると同時に高い熱伝導性が与えられておシ
、チップ10や基板12との間における熱膨張係数の整
合性や軽量性を有しており、高性能かつ高信頼の熱伝導
冷却モジ−”4−(29)
一ル装置を得るのに有効である。As explained above, the housing 16 of the thermal conduction cooling module device of the present invention is provided with electrical insulation and helium leak resistance as well as high thermal conductivity. It has a consistent coefficient of thermal expansion and is light in weight, and is effective in obtaining a high-performance and highly reliable thermal conduction cooling module.
第1図は本発明の一実施例を示す一部断面した斜視図、
第2図は第1図のA−A’線に沿う断面図、第3図は第
2図の要部拡大図、第4図は本発明の他の実施例を示す
断面図である。
10・・・LSIチップ、12・・・配線基板、20・
・・熱伝導性パッド。
代理人 弁理士 高橋明夫
(30)
第Zロ
ア2 lb久
茅30
茅4目
zisFIG. 1 is a partially sectional perspective view showing an embodiment of the present invention;
2 is a sectional view taken along line AA' in FIG. 1, FIG. 3 is an enlarged view of the main part of FIG. 2, and FIG. 4 is a sectional view showing another embodiment of the present invention. 10...LSI chip, 12...wiring board, 20...
・Thermal conductive pad. Agent Patent Attorney Akio Takahashi (30) No. Z Roa 2 lb Hisaya 30 Kaya 4me zis
Claims (1)
る配線基板と、配線基板の周辺部に気密に接着され配線
基板と共に熱発生装置を気密に包囲する容器を形成する
キャップ部材と、熱発生装置とキャップ部材との間を熱
的に連絡する熱伝導部材と、キャップ部材を冷却する手
段とを具備し、キャップ部材の熱伝導部材と冷却手段と
の間に位置する部分が炭化ケイ素を主成分とする焼結体
であり、かつ熱伝導部材が熱発生装置とキャップ部材に
金属的に接合された低融点金属からなることを特徴とす
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、上記熱伝導部材が
ビスマス、錫、インジウム、水銀の群から選択された1
種の単体金属又は鉛、錫、ビスマス、インジウム、カド
ミウム、水銀、アンチモンの少なくとも1種の金属を含
む合金材であり、上記熱伝導部材が、上記キャップ部材
にクロム、チタニウム、モリブデン、・−ングステン、
ニッケル、アルミニウムの群から選択された少なくとも
1種からなる第1の金属層、ニッケル、銅、パラジウム
、白金、アルミニウムの群から選択された少なくとも1
種からなる第2の金属層、銀、金、白金、ニッケル鋼の
群から選択された少なくとも1種からなる第3の金属層
からなる積I−金属層を介して、金属的に接合されたこ
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項または第2項において、上記
キャップ部材が、炭化ケイ素を主成分とし、ベリリウム
、酸化ベリリウム、窒化ホウ素の群から選択された少な
くとも1種を添付物として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項または第2項において、上記
キャップ部材が、電気抵抗率1010Ω・副以上を付与
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1項または第2項において、上記
キャップ部材が、炭化ケイ素を主成分とし、ベリリウム
、酸化ベリリウム、窒化ホウ素の群から選択された少な
くとも1種を添付物として含み、アルミニウム、シリコ
ン、鉄、チタニウム、ニッケルの少なくとも1種の単体
、また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。 6、特許請求の範囲第1項、第2項、第3項、第4項ま
たは第5項において、上記熱発生装置がLSI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。[Claims] 1. A heat generating device to be cooled, a wiring board on which the heat generating device is placed, and a container that is airtightly adhered to the periphery of the wiring board and airtightly surrounds the heat generating device together with the wiring board. a heat conduction member that thermally communicates between the heat generating device and the cap member, and a means for cooling the cap member, the heat conduction member forming a heat conduction member of the cap member and the cooling means. A heat conduction cooling module characterized in that the portion located at is a sintered body mainly composed of silicon carbide, and the heat conduction member is made of a low melting point metal metallically joined to the heat generating device and the cap member. Device. 2. In claim 1, the heat conductive member is selected from the group of bismuth, tin, indium, and mercury.
A single metal or an alloy material containing at least one metal of lead, tin, bismuth, indium, cadmium, mercury, and antimony; ,
a first metal layer made of at least one member selected from the group of nickel and aluminum; at least one member selected from the group of nickel, copper, palladium, platinum, and aluminum;
A second metal layer consisting of a metal layer consisting of a second metal layer consisting of a metal, a third metal layer consisting of at least one metal selected from the group of silver, gold, platinum, and nickel steel - metallurgically bonded through the metal layer A heat conduction cooling module device characterized by: 3.% Permissible claim 1 or 2, wherein the cap member is composed of silicon carbide as a main component and contains at least one member selected from the group of beryllium, beryllium oxide, and boron nitride as an additive. A thermal conduction cooling module device characterized by being a solid body. 4. The thermal conduction cooling module device according to claim 1 or 2, wherein the cap member has an electrical resistivity of 1010 Ω or more. 5. Claim 1 or 2, wherein the cap member contains silicon carbide as a main component, contains at least one selected from the group of beryllium, beryllium oxide, and boron nitride as an attachment, and contains aluminum as an attachment. 1. A heat conduction cooling module device characterized in that it is a sintered body containing at least one of silicon, iron, titanium, and nickel, or an oxide or carbide. 6. A heat conduction cooling module device according to claim 1, 2, 3, 4, or 5, wherein the heat generating device is an LSI chip.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59108399A JPS60253248A (en) | 1984-05-30 | 1984-05-30 | Heat conductive cooling module device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59108399A JPS60253248A (en) | 1984-05-30 | 1984-05-30 | Heat conductive cooling module device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60253248A true JPS60253248A (en) | 1985-12-13 |
| JPH0439783B2 JPH0439783B2 (en) | 1992-06-30 |
Family
ID=14483769
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59108399A Granted JPS60253248A (en) | 1984-05-30 | 1984-05-30 | Heat conductive cooling module device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60253248A (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63169749A (en) * | 1987-01-08 | 1988-07-13 | Fujitsu Ltd | Semiconductor device |
| US4996589A (en) * | 1987-10-21 | 1991-02-26 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor module and cooling device of the same |
| US5040051A (en) * | 1988-12-05 | 1991-08-13 | Sundstrand Corporation | Hydrostatic clamp and method for compression type power semiconductors |
| US5249100A (en) * | 1989-05-19 | 1993-09-28 | Hitachi, Ltd. | Electronic circuit device provided with a ceramic substrate having lead pins bonded thereto by solder |
| US6281575B1 (en) | 1998-07-08 | 2001-08-28 | Hitachi, Ltd | Multi-chip module |
| JP2012142532A (en) * | 2010-12-15 | 2012-07-26 | Fujitsu Ltd | Semiconductor device, cooling device, and manufacturing method of cooling device |
| CN113903710A (en) * | 2021-09-30 | 2022-01-07 | 重庆平创半导体研究院有限责任公司 | Silicon carbide packaging structure and packaging method |
-
1984
- 1984-05-30 JP JP59108399A patent/JPS60253248A/en active Granted
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| CN113903710A (en) * | 2021-09-30 | 2022-01-07 | 重庆平创半导体研究院有限责任公司 | Silicon carbide packaging structure and packaging method |
| CN113903710B (en) * | 2021-09-30 | 2025-09-19 | 重庆平创半导体研究院有限责任公司 | Silicon carbide packaging structure and packaging method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0439783B2 (en) | 1992-06-30 |
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