JPS61105393A - マイクロベロ−ズおよびその製造方法 - Google Patents

マイクロベロ−ズおよびその製造方法

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JPS61105393A
JPS61105393A JP59226744A JP22674484A JPS61105393A JP S61105393 A JPS61105393 A JP S61105393A JP 59226744 A JP59226744 A JP 59226744A JP 22674484 A JP22674484 A JP 22674484A JP S61105393 A JPS61105393 A JP S61105393A
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JP
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thin plate
rings
bonding
ring
film
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JP59226744A
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English (en)
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良一 梶原
舟木 孝雄
小倉 慧
志田 朝彦
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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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、1イクロベローズおよびその製造法に関し、
特に、配線基板上に複数の半導体チップをwI載した半
導体モジ美−ルにおいて、各半導体チップを個別に、か
つ高効率に冷却するための液体冷却用マイクロベローズ
およびその製造方法に関する。さらに具体的には、本発
明は、伸縮可能で、かつ微lトなペローズおよびその製
造方法に関する。
〔発明の背景〕
従来に於て、半導体技術の発達に伴なって、1個のチッ
プ素子から発生される熱量は増加をつづけ、強制空冷型
の手段等では、半導体チップを充分に冷却することがで
きず、事実上ほぼ限界に達している。
このため、特に高速データ処理装置や同種の装置に関し
ては、例えば特公昭56−31473号公報に開示され
ているエラな、液体を用いた冷却装置が考案されている
この種の装置では、半導体チップから冷却媒体までの熱
抵抗を小さくするため、両者の間を良熱伝導体で結合す
る必要がある。また同時に、チップを搭載する基板の変
形やソルダリングの不均一によって、個々のチップの高
さや傾きが嚢なったり、あるいは熱膨張係数の差があっ
たりするため、冷却装置とチップの結合部には、伸縮可
能な可動部が必要である。
前記結合部の構造については、特公昭56−33862
号公報に開示されているような薄板や細砂を用いる方法
、特公昭56−2419号公報に開示されているような
弾性体を用いる方法、あるいはまた特公昭56−317
43号公報に開示されているよりなベローズを用いる方
法などが知られている。
これらの間でも、前二者の方法では伸縮性に乏しく、シ
かも熱抵抗がベローズ方式に比べると大きいという問題
があるため、現状では、ベローズを用いる方式が、最も
高性能で、実現の可能性の高い冷却方式であると考えら
れる。
しかし、実際の高速データ処理装置では、例えば100
m+角の基板に対して、約100ケ近い半導体デツプが
搭載されるため、1ケの半導体チップに少なくとも1ケ
のベローズを取り付ける場合でも、その外径寸法は10
m以下とすることが必要である0 84図に、従来のベローズ製造法の概略を示す。
図かられかるように、薄板リング31を重ね食わせてお
き、その外周縁および内周縁を、溶接トーチ33.36
によって溶接する。
なお、第4図中、34.35は電源、37゜38は溶接
電極、39.40はシールドガス、41.42はアーク
でろシ、32は**部である。
しかし、第4図に示したような、従来の溶接式ベローズ
の製法では、トーチ36が内側に入らなければならない
ため、小屋のベローズは製造困難、もしくは不可能でる
る。
小形のベローズについては、第5図に示すような電気メ
ツキ法による製法が知られている。
すなわち、容@43内にメッキ液47を満し、その中に
メツ中型44およびN1電極46を浸漬する。そして、
前記メッキ型44とN1m!極46間に電源45によつ
て電圧を印加すると、前記メツ中型44の内1iliK
電鋳ベローズ48が形成される。
しかし、このI11法では、 (1)肉厚にバラツキが生じること、 (2)山の形状を鋭角または小曲率半径にできない(メ
ッキ液の供給確保の必要上)ことのために1単位長さ当
りの変形量を大きくできないこと、(3)薄肉にした場
合、ピンホールが生じやすく、気密性に関する信頼性が
劣ること、 などの理由によシ、コンパクトで、しかも長期間に渡っ
て高信頼性を要求される高速データ処理装置には用いる
ことが難しかった。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、49に、高速データ処理装置等におけ
る半導体モ:)エールの冷却装置に使用可能な、小形で
変形量が大きく、シかも、気密性についても、長期に渡
って高い信頼性を有するマイクロベローズを提供するこ
とKらる。
〔発明の[1り 本発明のtf#徴は、l!IK、彎イクロペローX1構
成する金属の薄板リングの台面間に、接合用の像融点合
金膜と接合防止用の(無機物の)l[を形成し、これを
多数枚積層し、加熱加圧接合して組立てる製造方法にあ
る。
この製造方法によシ、微小、で複雑な形状をしたベロー
ズでありても、薄膜形成技術を用いて、精就のよい形状
の膜を形成できるため、積層の位置合せを高精度に行な
5仁とKよシ、微小で精密なベローズな容易に製造する
ことができる。
本発明の第2の特徴は、マイクロベローズをS成するよ
うに積層された金属製の薄板リングの内周端縁および外
周端縁をlりおきに接合膜で結合した、特有の構造にあ
る。
このよりな構造の故に、本発明によるマイクロベローズ
は、単位長さ当シの山数を多くてきる。
このため、従来の電鋳ベローズに比べると、同じ変形量
を与えた時の応力を小さくすることができる。
また、ベローズの材質として、低−照会金膜を選択する
ことによって、融接らるいはメッキ形成がFM難な材質
を用いることが可能となる。
本発明の第3の特徴は、マイクロベローズヲ得成する金
属の薄板リングの間に、接合面と同じ形状をした金属リ
ングを介装した点に6る。
この上りな構成によシ、べp−ズ間の間隙が広くなシ、
ベローズ内に冷却水を入れた場合のすき間腐食が低減さ
れる。
本発明の第4の特徴は、ぺ四−ズの内面に1気相あるい
は物理蒸着等の手段によシ、無機物被膜をコーティング
した点に6る。この構成によシ、ベローズの耐食性を大
幅に向上することができる。
CAljlの実施例〕 以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
第1図(a)は、本[によるマイクロベローズの製造方
法を示す断面図でらる。
まず、ベローズを構成する複数のニッケル薄板リングl
および4を、炉内に設けられた加熱ヒータlOの内部に
、必要枚数だけ交互に積層する。
その際、前記薄板リング1(ただし、最上端のものを除
く)!及び4の片w(図示例では上g)には、予めマス
クをかけたスパッタリング等によりて、それ−ゼれの内
周及び外周部にNIB f)ta合IEa+6を予め形
成し、さらに残シの面にはSl、N4の接合防止wX2
 、5を形成しておく。
そして、前述のように、この薄板リング1−14を交互
に会費枚数積層するとき、各薄板リングが同軸上に配置
されるように、円筒状の黒鉛治具8と、中心部に丸棒が
形成され2Ic黒鉛治具9とを用いて、各tII板リン
グの位置決めを行なっている。
薄板リング1.4をセクトし終った後、上方から、加圧
油A7を介してこれらの薄板リングl。
4に圧力を加え、さらに^空中でヒータ10によシ炉内
を約1100℃に加熱して、各擁板リングlおよび4の
接合を行なう。
第1図の(b)は、この方法で製造したベローズのwR
IfilII造を示している。
本実施例の製造法によると、外径が105m以下で、肉
厚が数十〜数百pm程度の微小なベローズでらっても、
山数に関係なく、換言すれば、任意の山数のものを、高
ff度な寸法で、容易に組立て製造することができる。
また、単位長当シのベローズの伸縮量は、山の形状を鋭
角にでき、かつ単位長歯りの山の数を多くすることがで
きるので、電鋳ベローズに比べ数倍以上大きいものが得
られる、 本実施例では、各薄板リングの片面にのみ、接合膜およ
び接合防止膜を形成したが、第6図(a)に示すように
、各薄板リング1.4の両面に6膜を形成すれは、より
一層信頼性の高い接合とすることができる。
また、同図(b)のように、薄板リング1には6膜のい
ずれをも形成せず、薄板リング40片面の内周部および
反対面の外周部に接合膜3.6を、また両面の残りの部
分に接合防止mz + sを、それぞれ形成することに
よっても、同様の1イクロペローズが製造できることは
明らかである。
以上を要約すると、本発明において必要なことは、隣接
する前記薄板リングの間には、その内周縁および外周縁
に交互に接合膜が介在し、かつ接合膜が介在しない部分
には接合防止膜が介在する工9に、前記隣接する薄板リ
ングの少なくとも一方の面に、前記接合Mおよび接合防
止膜の少なくとも一方を予め形成しておくことでるる。
なお、前記の接合防止膜は、場合によっては省略するC
ともできるし、あるいは製造後に除去するようKしても
よい。
前記薄板リング1.4の材質については、前記実施例で
はNlを用いているが、ステンレス鋼や各種Nl、 F
@金合金またはA4及びk1合金などの薄板リングを用
いても、接合膜3.6としての低融点合金膜を、N1−
乙0Cr−5,0Fe−4,58i−5,OBなどのN
l基合金や、AI’−8tなどの合金に変えることによ
って1本実施例と同様の方法で容易にベローズに組立て
ることができる。
第2図は、ベローズ内面の耐食性を向上したぞ4造の他
の実施例゛を示す断面図である。
図から明らかなように、この実施例では、ベローズを構
成する薄板リング12の間には、衿合面の形状をした外
周および内周接合リング14゜16を挿入している。こ
の場合、接合膜(図示は省略)は、薄板リング12の上
か、あるいは接合リング14.16の上か少なくともど
ちらか一方の上に形成されておればよい。
そして、前述と同様の加熱圧接手法によシ、ベローズに
組立てた後で、ベローズの内部に、AICIHとCO,
とHlの混合ガスを流し、全体を1ooocs後に加熱
し、その状態でベローズを伸縮運動させながら、内面に
AI、O,を約1μmの厚さに堆積する0 このコーティング膜15は、Al103の他にzro、
5t3N、 + StC+ ZrC、Ticなどが利用
可能であり、一般的に耐食性のよい材質ならぐいずれで
もよい。
第2図の実施例によれば、接合リングをベローズの薄板
リングの間に挿入したことによりて、薄板す77間の間
隙を広くできる。この九め、耐食性のある膜をベローズ
の内面全面に均一にコーティングすることができる。
その結果、純度の低い水をベローズ内に流した場合でも
、腐食に対する寿命を大幅に向上することができる。
第3図は、半導体装置のマルチチップモジエールの冷却
装置に、本発明によるマイクロベローズを適用して構成
した応用例の断面図を示す。
この図にpいて、半導体チップ20は、メタ2イズ膜2
1を介して多層配線基板19上にはんだ22により接続
されている。
前記の半導体チップ20の上には、良熱伝導性で、がつ
電気的絶縁性を有するSICセラミック23によりて、
その下端を気密封止され、かつその上端を、給排水ダク
)29.30を内部く形成されたモジエール封止用キャ
ップ18に、気密接合されたマイクロベローズ17が愼
別に設けられている。
なお、金属製の前記マイクロベローズ17とSICセラ
ミック23とは、熱膨張差による応力を緩和するため、
緩衝材26を介して接合されている。
一方、半導体チップとS1Cセラミツクは、メタライズ
膜を介してはんだ接続されている。
また、マイクロベローズ17と封止用キャップ18とは
、マイクロベローズ17を接合して組立てる時に、同時
に低融点合金膜な用いて接合することができる。
ここでは、マイクロベローズ17にNl、封止用キャノ
フニコパール(鉄−二ツケル−コバルト合金)を用いて
おり、ベローズ接合膜としての低融点合金膜にはN1−
4XB、ベローズと封止用キャップの接合用低融点合金
膜にはNl −7X Cr −3XFo −4,5X 
St −3X Bを用い、膜厚は1 z+mで接合して
いるヨ また図において、マイクロベローズ17の内部には、給
水ダクト29から、効率的に冷却水をSICセラミック
230表面に供給できるように、結氷パイプ27が設け
られている。
第3図の構成例によれば、柔軟性の高いマイクロベロー
ズ17を介して、封止用キャップ18と半4坏チッグ2
0とが金属的に結合されているため、両者間の熱抵抗が
低くなって冷却効率が非常に高くなる。
しかも、半導体テップ20に加わる外力を小さくできる
ため、基板19に対する半導体チップ20のはんだ接続
部の疲労寿命を向上でき、モジエールの信頼性向上が図
れる1、また、ベローズの耐食性及び接合部の耐食性を
向上しているため、冷却装置の信頼性も大きく向上でき
る。
〔発1110効果〕 以上詳述したよりに、本発明によれば、高速データ処塩
装置等における半導体モジー−ルの冷却装置に使用可能
な、小形で柔軟性が高く、気密性や耐食性が長期に渡っ
て保たれ、高い信頼性のあるマイクロベローズが実現さ
れる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は、木兄1jlKよるマイクロベローズの
製造方法を説明するための断面図、同図(b)は前記方
法で作られたマイクロベローズの一部断面図、第2図は
マイクロベローズの耐食性を向上した本発明の他の実施
例の断面図、第3図は半導体モジュールの冷却装置に、
本発明のマイクロベローズを適用した場合の応用例を示
す4面図、第4図は従来の酊接ベローズの製造法を説明
するための断面図、第5図は従来の電鋳ベローズの製造
法を説明するための断面図、第6図は本発明のマイクロ
ベローズの他の実施例2よびその製造法を説明するだめ
の要部断面図である。 1.4・・・ニッケル薄板リング、2.5・・・接合防
止膜、3.6・・・接合膜、7・・・加圧治具、8,9
・・・黒鉛治具、10・・・ヒーター、12・・・薄板
リング、13・・・接合防止膜、14.16・・・接合
リング、15・・・コーティング膜、17・・・マイク
ロペa−ズ、18・・・封止用キャンプ、19・・・多
1−配樺基板、20・・・半導体チップ、21・・メタ
ライズ膜、22・・・はん九、23・・・SiCセラミ
ック、26・・・緩衝材、27・・・パイプ、28・・
・冷却水、29・・・給水ダクト、30・・・排水ダク
ト代理人弁理士  平 木 道 人 第  2 図 第  3  図 第   4   図 第   6   図

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)ほぼ同軸上に重ねて配置された複数の薄板リング
    と、前記薄板リングの隣接するもの同士の間に介在され
    、前記隣接薄板リングの外周縁および内周縁を交互に結
    合する接合膜とよりなることを特徴とするマイクロベロ
    ーズ。
  2. (2)ほぼ同軸上に重ねて配置された複数の薄板リング
    と、前記薄板リングの隣接するもの同士の間に介在され
    、前記隣接薄板リングの外周縁および内周縁を交互に結
    合する接合膜と、前記隣接薄板リングの少なくとも一方
    の、接合膜が存在しない面に形成された接合防止膜とよ
    りなることを特徴とするマイクロベローズ。
  3. (3)ほぼ同軸上に重ねて配置された複数の薄板リング
    と、前記薄板リングの隣接するもの同士の間に介在され
    、前記隣接薄板リングの外周縁および内周縁を交互に結
    合する接合リングとよりなることを特徴とするマイクロ
    ベローズ。
  4. (4)接合リングの材質は薄膜リングのそれと同じであ
    ることを特徴とする前記特許請求の範囲第3項記載のマ
    イクロベローズ。
  5. (5)ほぼ同軸上に重ねて配置された複数の薄板リング
    と、前記薄板リングの隣接するもの同士の間に介在され
    、前記隣接薄板リングの外周縁および内周縁を交互に結
    合する接合リングと、前記接合リングおよび薄板リング
    の内面に形成された腐食防止用コーティング膜とよりな
    ることを特徴とするマイクロベローズ。
  6. (6)(イ)複数の薄板リングを、ほぼ同軸上に積層配
    置し、 (ロ)その際、隣接する前記薄膜リングの間には、その
    内周縁および外周縁に交互に接合膜が介在し、かつ接合
    膜が介在しない部分には接合防止膜が介在するように、
    前記隣接する薄板リングの少なくとも一方の面に、前記
    接合膜および接合防止膜の少なくとも一方を予め形成し
    ておき、 (ハ)前記のように積層した複数の薄板リングを接合膜
    の融点以上に加熱すると共に、圧力を加え、(ニ)これ
    により、隣接する前記薄板リングの各内周縁および外周
    縁を交互に前記接合膜によつて接合固着することを特徴
    とするマイクロベローズ製造方法。
  7. (7)薄板リングは2種類であって、これらが交互に積
    層され、第1種の薄板リングの上面には、その内周縁に
    接合膜が形成され、第2種の薄板リングの上面には、そ
    の外周縁に接合が形成されることを特徴とする前記特許
    請求の範囲第6項記載のマイクロベローズ製造方法。
  8. (8)薄板リングは2種類であつて、これらが交互に積
    層され、第1種の薄板リングの一面には、その内周縁に
    接合膜が形成され、その反対面には、その外周縁に接合
    膜が形成されることを特徴とする前記特許請求の範囲第
    6項記載のマイクロベローズ製造方法。
  9. (9)(イ)複数の薄板リングおよび接合リングを交互
    に、かつ前記接合リングが前記薄板リングの内周縁およ
    び外周縁に交互に位置するように、ほぼ同軸上に積層配
    置し、 (ロ)その際接合リングと薄板リングとの間には接合膜
    が介在するように、前記接合リングおよび薄板リングの
    少なくとも一方の対向面に接合膜を予め形成しておくと
    共に、一方薄板リングの接合リングとは対向せず、隣接
    薄板リングと対向する各薄板リングの面の間には接合膜
    が介在するように、前記隣接リングの少なくとも一方の
    対向面に接合防止膜を形成しておき、 (ハ)前記のように積層した複数の薄板リングおよび接
    合リングを接合膜の融点以上に加熱すると共に、圧力を
    加え、 (ニ)これによって、前記接合リングおよび薄板リング
    を前記接合膜によつて接合固着することを特徴とするマ
    イクロべローズ製造方法。
  10. (10)接合リングの材質が薄板リングのそれと同一で
    あることを特徴とする前記特許請求の範囲第9項記載の
    マイクロベローズ製造方法。
  11. (11)(イ)複数の薄板リングおよび接合リングを交
    互に、かつ前記接合リングが前記薄板リングの内周縁お
    よび外周縁に交互に位置するように、ほぼ同軸上に積層
    配置し、 (ロ)その際接合リングと薄板リングとの間には接合膜
    が介在するよりに、前記接合リングおよび薄板リングの
    少なくとも一方の対向面に接合膜を予め形成しておくと
    共に、一方薄板リングの接合リングとは対向せず、隣接
    薄板リングと対向する各薄板リングの面の間には接合膜
    が介在するように、前記隣接リングの少なくとも一方の
    対向面に接合防止膜を形成しておき、 (ハ)前記のように積層した複数の薄板リングおよび接
    合リングを接合膜の融点以上に加熱すると共に、圧力を
    加え、 (ニ)これによつて、前記接合リングおよび薄板リング
    を前記接合膜によって接合固着し、 (ホ)前記接合リングおよび薄板リングの内面に腐食防
    止用のコーティング膜を形成することを特徴とするマイ
    クロベローズ製造方法。
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