JPS61220359A - 半導体モジユ−ル冷却構造体 - 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〕 本発明に、多層配線基板上に複数の半導体チップを搭載
した半導体マルチチップモジューシにおいて各チップを
個別に冷却可能な封入型液体冷却装置に係り、特に伸縮
可能な微小なベローズを複数個含む冷却構造体に関する
。

〔発明の背景〕

従来、半導体の電子回路が高集積化されるにつれ１個の
半導体チップから発生する熱ｉｌは増加を続け、これに
対処するため、より冷却効率の優れた新たなチップの冷
却手段が研究されている。特に計算機のようにチップ発
熱量が１０ｗｔ−越え、しかもチップの作動温度範囲を
厳しく管理する必要のめる高速データ処理装置に対して
は、例えば特公昭５６−５１７４５号公報に開示されて
いるような液体を用いｆＣ冷却装置が提案されている。

この種の装置でに、半導体チップから冷却媒体までの熱
抵抗會小さくするため両者の間を高熱伝導体で結合する
必要があり、また同時に個々のチップが基板の変形やソ
ルダリングの不均一によって高さや傾きが異なるため、
冷却媒体を供給する配管系と半導体チップを熱的に連結
する結合部に伸縮可能な可動部が必要である。この可動
部の構造としては、真空容器力どでよく見られるように
、ベローズが最も柔軟で最適な構造と考えられる。しか
し実際の高速データ処理装置では１００■角の基板に対
して１００個近い半導体チップを搭載するため、１個の
チップに対して冷却ブロックを１個接続しベローズを少
なくとも１個取付けるとしても、その外径寸法は１０露
以下となシ、従来の技術では電気メッキの手法でしか微
小なベローズをつくることができがい。電気メツキ法で
りくつた電鋳ベローズは、形状に制約があるため単位長
当りの山数を多くすることができず、メッキ膜質が硬く
なるため、バネ定数の高いベローズしかできない。ま九
、配管系とベローズあるいはベローズと冷却ブロックの
接合では、電鋳ベローズの構造上接合面に圧力をかける
ことができないため、接合な置きろうによるろう付けの
手段しかない。しかし、このろう付けではろうの渦流れ
やぬれ性を向上させ接合性を良くするためにフラックス
全相いなければならず、残渣が残った場合腐食に対する
悪影響が著しい。またろう付部に欠陥も生じやすく気密
性に対する信頼性にも乏しい。更に、構造材料表ろう材
とは組成を同じにできないため、冷却流体に水を用いた
場合ろう材層の近傍に電気化学的腐食が生じ、耐食性が
著しく劣化するという問題がある。他方、ハウジングあ
るいは冷却ブロックの材料には、多層配線基板あるいは
冷却ブロックの電気的絶縁層として用いる８１Ｃセラミ
ツクとの熱膨張差を考慮して、一般にコバール材を用い
るが、ベローズ材質としても電気化学的腐食の観点から
言えば同質のコバール材が望ましい。しかし、従来の電
気メツキ法では合金製のベローズをつくることが難しく
、Ｎ１のような純粋金属に限られるという問題がある。

更に、電鋳ベローズを用いて冷却構造体を組立てる場合
には、配管系を内蔵する１００ｍ角程のハウジングに対
して約１００個ものベローズをろう付しなければならず
、ベローズ及びろう材とフラツクスのセツティングに時
間？ｆ−要し、生産性に劣る。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、計算機などの高速データ処理装置にお
ける半導体モジュール用冷却構造体において、複数のＬ
ＳＩチップを高効率に冷却可能でしかも各ＬＳＩチップ
に外力が加わらないような柔軟性に富んだベローズを含
む複雑カ冷却構造体を、容易に組立て製造できる構造を
提供することにある。

本発明の他の目的は、冷却構造体の材質及び多数の継手
部の耐食性を向上させた冷却構造体を提供することにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明を概説すれば、本発明は半導体モジュール冷却構
造体に関する発明であって、冷却流体を供給及び排出す
る通路全形成したノ１ウジング、半導体チップに金属的
に接合されかつ底部に電気的絶縁層を有する冷却ブロッ
ク、及び該ハウジングと該冷却ブロックとをフレキシブ
ルにかつ気密性をもたせて結合するベローズを包含する
冷却構造体において、該ベローズが、リング状の薄板に
加圧接合処理を含む加工を施してなる接合ベローズであ
ることを特徴とする。

前記のように、本発明におけるベローズは、リング状の
薄板金積層し、加圧接合し、それを引伸し成形したジャ
バラ状のものである。本発明を第１図で具体的に説明す
る。すなわち第１図は、本発明の冷却構造体ｔ−ａ造す
る方法の１例の工程図である。Ａ〜Ｃは、ベローズを組
立てる部品を加工する工程である。

第１図において、符号１は薄板、２及び５は接合リング
、４はベローズリング、５及び６は接合膜、７は接合防
止膜、８はハウジング、９は冷却ブロック、１０はベロ
ーズ、１１はブリッジ、１２は枠金意味する。

第１図に示すように、ベローズの素材である耐食性の高
いＮ１、コバール、ステンレス鋼等の薄板１から、エツ
チングの方法にエフ、ベローズリング４、外周接合リン
グ３、内周接合リング２をパターニング加工する。この
とき、工程Ｂで示すように、各部品がバラバラにならな
いように、枠１２にブリッジ１１で固定した状態につく
る。ベローズの大きさあるいは配置は、冷却する半導体
モジュールにおけるＬＳＩチップの発熱１１あるいは配
置に合せてつくる。次に、各接合リング２と３には、接
合用合金膜として母材元素からなる純金属あるいは合金
にホウ素及び／又はケイ素を添加した合金を両面に数μ
ｍ以下の厚さに物理蒸着法あるいはメッキ法によって膜
形成する。他方ベローズリングには、ＰＶＤ　、りるい
はＣＶＤとドライエツチングを組合せた方法、リフトオ
フ法、メタルマスクを施した後ＰＶＤを行う方法等によ
り、接合温度でベローズ材の金属と反応せず化学的に安
定な酸化物や窒化物あるいは炭化物系の無機質を、ベロ
ーズリングの接合しない部分に接合防止膜７としてコー
ティングする。次に、内周接合リング２′５ｃブリツジ
１１から切離し、外周接合リング３及びベローズリング
４は枠１２に固定したまま、Ｆの工程で示すように、ハ
ウジング８と冷却ブロック９の間に、必要な山数に合せ
てベローズ部品２．３及び４を積層する。そして、真空
あるいは不活性雰囲気下で数〜数百２／−の圧力を加え
、温度全１１Ｑｏ℃以上に加熱して接合する。接合後、
ベローズ部品についているブリッジ１１及び枠１２ｔ−
必要に応じて切断除去し、ベローズを引伸して底形する
。

上記のプロセスは１例でアク、シたがって本発明の半導
体モジュール冷却構造体には、以下に示すような６程の
実施態様が含まれる。

本発明の１実施の態様は、ベローズ部品全フォトエツチ
ング等によりパターニングした板と、ハウジング及び冷
却ブロックを構成する例えば溝あるいは穴加工を施した
板金、同時に多数枚積層して加圧接合することにエフ組
立てられる冷却構造体の構造にある。このことにより、
微小で変形能の大きいベローズが多数ハウジングに接続
された複雑な冷却構造体を簡単なプロセスで容易に組立
てることができる。また、従来はメッキ法でしか作れな
かった微小なペローズを接合に工って組立てるため、ベ
ローズの材質としてハウジングや冷却ブロックと同質攻
ものを選ぶことができ、接合の信頼性を高めることがで
きる。

本発明の第２の態様は、接合部に低融点合金膜として母
材質にケイ素（８１）あるいはホウ素（Ｂ）の少なくと
も１種類以上を添加した合金を薄膜状、例えば１０μｍ
以下の厚さに形成し、接合温度を低融点合金の融点以上
に加熱し接合して組立てた点にある。このことにより、
低い接合圧力でも気密性の高い継手を得ることができ、
部材の変形全防止できる。また、合金膜が薄いためＳｌ
やＢの添加元素が容易に母材中へ拡散消失し、接合層が
母材と均質化される。この丸め継手部の耐食性が大幅に
向上する。

本発明の第３の態様は、１８エチツプに対応するベロー
ズあるいは冷却ブロックの大きさ金、テップの発熱量に
よって種々違えた点におる。

このことにより、各Ｌ８エチツ１の温度をその動作が最
も高速かつ安定になる特定の温度範囲内に保持すること
ができる。

本発明の第４の態様は、接合部に接合面と同じ形状をし
た、構造材と同じ材質の薄板を挿入して接合した点にあ
る。このことにエフ、組立てる冷却構造体が大きくなっ
た場合でも、圧力上接合面に集中できるため、トータル
の加圧力を小さくでき装置の小型化が図れ、接合の信頼
性も向上する。

本発明の第５の態様は、該ハウジング、ベローズ及び冷
却ブロックの金属材料が、多層配線基板材料の熱膨張率
に近い熱膨張＄１ｒもつ材質で統一されており、接合用
の低融点合金材が、構造体材料の成分にホウ素及び／又
にケイ素をある点にある。特にこの場合、多層配線基板
の熱膨張率が５　Ｘ　１０””／を以下のときには、該
金属材料が、Ｆｅ　−Ｎ　１合金又はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ
　合金で統一されていることが好適である。

第２図に、従来の電鋳ベローズを用いて組立てた冷却構
造体と、本発明の冷却構造体とにおける冷却ブロックの
上下方向の柔軟性の比較結果を示す。すなわち第２図は
、ベローズ長（−１横軸ンと、冷却ブロックの柔軟性（
ｆ　／　ｗｍ　、縦軸ンとの関係を示すグラフであシ、
０印は従来品、Δ印は本発明品の各曲線である。

第２図から明らかなように、冷却ブロックの柔軟性１０
０ｆ／ｗを得るには、従来品ではベローズ長１：　２８
　ｍとする必要がある。それに対して、本発明品では１
０箇でよく、°シたがって、冷却構造体をコンパクトに
することができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を、添付図面を参照して実施例により更に
具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定され
ない。

なお、第３図及び第４図は、本発明によるベローズリン
グの部品に接合防止Ｗ１．全ハターンコーティングする
方法の１例の工程図、第５図〜第８図はいずれもベロー
ズの形状例を示す概要図、第９図及び第１０図は本発明
の冷却構造体上半導体モジュールに実装した１例の断面
概略図である。

実施例１ 第１図により組立てプロセスの１例を示す。

ベローズの素材となるコバールの薄板１から、フォトレ
ジスト膜をかけてエツチングする方法により、ベローズ
リング４、外周接合用リング３、内周接合用リング２ｔ
−加工する。このとき、工程Ｂで示すように、各部品は
バラバラにならないように枠１２にブリッジ１１で固定
した状態につくる。ベローズの大きさあるいは配置は、
冷却する半導体モジュールのＬ８エテツプの発熱Ｉｉす
るいは配置に合せてつくる。次に、各接合用リング２及
び３には接合用合金＠５及び６としてコバール組成にホ
ウ素（Ｂ）を４％添加した合金を両面に各１μｍの厚さ
にスパッタリング法に工って形成する。他方ベローズリ
ングには、メタルマスクを用いて接合しない部分にのみ
接合防止膜７としてＺｒＯ，−７％’ｆｚｏｓ　’！−
約０．５μｍ厚さに形成する。次に、内周接合リング２
をプリッジ１１から切離し、外周接合リング３及びベロ
ーズリング４は枠１２に固定したまま、？の工程で示す
ように、コバールでつくられたハウジング８と冷却ブロ
ック９の間に、必要な山数に合せてベローズ部品を積層
する。そして真空雰囲気下で数〜数百ｆ／ｗ”の圧力を
加え、温度’１１１００℃以上に加熱して接合する。接
合後、ベローズ部品についているブリッジ１１及び枠１
２を切断除去し、ベローズを引伸ばして成形する。

本実施例によれば、ハウジングに多数のベローズが接続
された冷却構造体を、１回の接合工程で組立てることが
でき、製造プロセスが簡単となる。このため、接合部の
品質が一定し信頼性の向上並びに生産性の向上が望める
。また、構成材料をコバールで統一しており、接合部も
母材と均質化できるため、耐食性の優れた冷却構造体と
なる。更に、ベローズの特性としてメッキ法でつくった
ベローズに比べ柔軟性が高いため、実際に半導体モジュ
ールに組立てて使用したとｌ、ＬＳＩチップに加わる力
を低減でき、はんだバンプの寿命を向上することができ
る。

実施例２ °第３図及び第４図の各工程図に工り、ベローズリング
の他の製法例を説明する。第Ｓ図はドライエツチング全
利用する方法であり、第４図はフォトレジスト膜全マス
クとして用いる方法である。

第５図において、符号１５は接合防止膜、１４は薄板、
１５はベローズリング、１６は枠、１７はベローズリン
グ部品を意味する。他方、第４図において、符号１８は
枠、１９はフォトレジスト膜、２０はベローズリング部
品、２１９１）ｉ合防止膜、２２はベローズリングを意
味する。

第３図に示すプロセスでは、まずベローズの素材である
薄板１４０両面全面に接合防止Ｍ１５を高周波スパッタ
リング法によって形成する。

次に、接合防止膜１３が必要か部分ｔ−７オトレジスト
膜で覆い、全面にイオンビーム照射してドライエツチン
グする。その後で、７オトエツチング法により、薄板１
４ｔ−ベローズリング１５の形状に加工し、ベローズ部
品とする。他方、第４図に示すプロセスでは、まずベロ
ーズの素材である薄板からベローズリングの形状にフォ
トエツチングで加工する。次に、接合防止膜２１を付け
ない部分にマスクとしてフォトレジスト膜１９全形成し
、その上全面に接合防止膜２１を高周波スパッタリング
法にエル形成する。その後、フォトレジスト膜をはく離
して、ベローズ部品とする。

本実施例によれば、ベローズリングのフォトエツチング
あるいは接合防止膜のパターニングを薄膜形成技術を用
いてミクロンオーダーの精度で精密にできるため、微小
なベローズが使われた冷却構造体を簡単なプロセスで精
密に製造できる。

実施例５ 第５図及び第６図は、Ｉ、８エチツプの大きさあるいは
ＬＳＩチップの発熱量が異なった場合でも、各ＬＳＩチ
ップの温度を同一温度に保持できる工うに、冷却性能ｔ
−論整した冷却構造体における冷却ブロックの配置と大
きさ及び冷却構造体を組立てるためのベローズ部品形状
の１実施例を示す。

第５図において、符号２３．２４及び２５はＬＳＩチッ
プ、２６．２７及び２８は冷却ブロック、２９は基板上
意味する。他方、第６図において、符号３０は枠、５１
はブリッジ、３２はベローズリングを意味する。

本実施例によれば、小電力のＬＳＩチップが同一基板上
に大電力のＬＳＩチップと共に搭載されている場合でも
、小電力のＬ８エチツプ會その動作範囲以下に冷却しす
ぎることなく、かつ大電力のＬＳＩチップをその動作範
囲内に十分冷却することができる。

実施例４ 第７図及び第８図は、第６図の実施例におけるベローズ
の形状を円形から矩形に変えた場合の１実施例會示す。

第８　ｒｉｌＪＶＪ、ベローズリングを形成する部品板
を示す。なお、図には示さなかつたが、接合リングの形
状もベローズリングに合せて矩形になっている。

ｆＪＩｃ７図において、符号７４は基板、７５は冷却ブ
ロックを意味する。他方、第８図において、符号７６は
枠、７７はブリッジ、７８はベローズリングを意味する
。

本実施例によれば、スペースの限られた領域を最大限に
利用し、ベローズ内の流通断面積金最大罠できるため、
冷却効率を高くすることができる。

実施例５ 第９図に、本発明による冷却構造体の１つを半導体モジ
ュールに実装した場合の１実施例の断面概略図を示す。

ＷＪ９図において、符号５３はハウジング、３４はべｐ
−ズ、５５は冷却ブロック用キャップ、３６はｓｅａセ
ラミック、５７及び５９はメタライズ膜、５８は低融点
はんだ、４０はＳ１チツプ、４１及び４５は端子、４２
　ｆｌ　９５Ｐｂ−５８ｎ　ｆｌんだ、４４は多層配線
基板、４５は給水通路、４６は排水通路、４７は天上板
、４８は甲板、４９は底板、５０は内周接合リング、５
１は外周接合リング、５２はベローズリング、５５はパ
イプ、７０はメタライズ膜、７２は冷却ブロックを意味
する。

組立て手順は、ハウジング３３の底板４９とベローズ３
４を構成するための部品５０．５１．５２と冷却ブロッ
ク用キャップ５５を積層し、接合面に予め形成した接合
膜を溶融させて、ハウジングの底板から冷却ブロックの
キャップまでを組立てる。次に、各大きさのパイプ５３
を所定の位置に接合した中板４８と天上板４７ｔ−重ね
、密閉水路を形成する形で、ハウジング外周を気密接合
する。次に、　ｓ１ｃセラミック５６にメタライズ膜７
０．５７’ｌｆ形成した高熱伝導電気絶縁体を冷却ブロ
ックのキャップ３５に液相拡散接合する。他方、多層配
線基板４４上には、予めメタライズ膜３９を形成した８
１チップ４０’１９５Ｐｂ−５８ｎ　　はんだ４２にょ
シ接続しておき、最後に、冷却ブロック７２と８１チツ
プ４゜を低融点はんだ５８により金属的に接合し、組立
てを終了する。

本実施例によれば、冷却媒体を８１チツプ近傍まで導く
ことができ、しかもＳ１チツプと゛冷却媒体の間が高熱
伝導材料で接続されているため、非常に高い冷却効率を
得ることができる。同時に、ベローズが構造上非常に柔
軟であるため、基板とハウジングの熱膨張差による歪を
完全に吸収し、はんだ接合部４２に加わる応力を低減で
き、半導体モジュールとしての信頼性を向上できる。更
に、冷却構造体の耐食性も、第１図の実施例１で述べた
ように非常に良いため、装置としての信頼性を向上でき
る。

実施例６ 第１０図に、本発明による冷却構造体の１つを半導体モ
ジュールに実装した場合の他の実施例の断面概略図を示
す。

第１０図において、符号５４はハウジング、５−５は接
合リング、５６はベローズ、５７は接合リング、５８は
冷却ブロック、５９は高熱伝導電気絶縁性板、６０及び
６２はメタライズ膜、６１は低融点はんだ、６３はＬＳ
Ｉチップ、６４及び６６は端子、６５ははんだ、６７は
基板、６８は給水通路、６９は排水通路、７１は接合層
、７３は低融点はんだ、７９はベローズリング、８０は
メタライズ膜を意味する。

組立て手順は、給水通路６８及び排水通路６９の水路を
加工したハウジング５４と、ベローズ５６を構成するた
めのベローズリング７９及び接合リング５５．５７と、
水の人出口を設けた冷却ブロック５８を積層し、接合面
に予め形成しておいた接合膜を溶融させて、ハウジング
から冷却ブロックまでを一括接合で組立てる。なお接合
面以外の領域には接合防止膜を形成しておき、余分な所
が接合されないように対策している。次に、冷却ブロッ
ク５８の底部に電気絶縁性で熱伝導性の高いセラミック
等の無機質の板を、ろう付あるいは拡散接合の手法によ
って接合する。そして、最終的に、Ｌ８エチツプ６３を
搭載した基板６７に、上記冷却構造体を低融点はんだ６
１．７３で結合する。

本実施例でに、複雑な冷却構造体が１回の接合工程で組
立てられる九め、接合部の信頼性が向上しかつ製造コス
トが低減される。また、冷却効率及び半導体モジュール
や装置としての信頼性は、第９図と同様優れた効果が得
られる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によれば、計算機などの高
速データ処理装置における半導体モジュール冷却構造体
において、Ｌ８エチツプを高効率に冷却可能でしかもＬ
８エチツプに外力が加わらないような柔軟性の高いベロ
ーズを含む複雑な構造の冷却構造体を、積層加圧接合に
工って容易にかつ低コストで組立て製造を行うことがで
きる。また、材質及び接合部共に耐食性の高い冷却構造
体を製造することができるという顕著な効果が奏せられ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の冷却構造体を製造する方法の１例の工
程図、第２図はベローズ長と冷却ブロックの柔軟性との
関係を従来品及び本発明品で示すグラフ、第３図及び第
４図は本発明によるベローズリングの部品に接合防止膜
をパターンコーティングする方法の１例の工程図、第５
遺体を半導体モジュールに実装した１例の断面概略図で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、冷却流体を供給及び排出する通路を形成したハウジ
   ング、半導体チップに金属的に接合されかつ底部に電気
   的絶縁層を有する冷却ブロック、及び該ハウジングと該
   冷却ブロックとをフレキシブルにかつ気密性をもたせて
   結合するベローズを包含する冷却構造体において、該ベ
   ローズが、リング状の薄板に加圧接合処理を含む加工を
   施してなる接合ベローズであることを特徴とする半導体
   モジュール冷却構造体。 ２、該冷却構造体が、ベローズ部品をパターニング加工
   した薄板と、ハウジング及び冷却ブロックを構成する加
   工を施した板とを、同時に多数枚積層して加圧接合処理
   を含む加工により組立てられたものである特許請求の範
   囲第１項記載の半導体モジュール冷却構造体。 ３、該ベローズ又は冷却ブロックを組立てるための板が
   、冷却すべき半導体モジュールの ＬＳＩチップの配置及び寸法、あるいはチップの発熱量
   に見合つてパターニングされたものである特許請求の範
   囲第１項又は第２項記載の半導体モジュール冷却構造体
   。 ４、該加圧接合処理が、接合すべき領域には構造体材料
   より融点が低くかつ構造体材料とぬれ性の良い合金が薄
   膜としてコーティングされ、接合させてはならない領域
   には高温で化学的及び物理的に安定な無機物がコーティ
   ングされた加工した板を、積層し、該合金の融点以上の
   温度で加圧接合することにより行つたものである特許請
   求の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の半導体モジ
   ュール冷却構造体。 ５、該加圧接合処理が、冷却構造体を構成する板の間に
   、構造体材料と同じ材質でかつ接合面と同じ形状の薄板
   をインサートして行つたものである特許請求の範囲第４
   項記載の半導体モジュール冷却構造体。 ６、該ハウジング、ベローズ及び冷却ブロックの金属材
   料が、多層配線基板材料の熱膨張率に近い熱膨張率をも
   つ材質で統一されており、接合用の低融点合金材が、構
   造体材料の成分にホウ素及び／又はケイ素を添加した合
   金であり、冷却ブロックの電気的絶縁層の材料が、高熱
   伝導性のＳｉＣセラミックである特許請求の範囲第１項
   〜第５項のいずれかに記載の半導体モジュール冷却構造
   体。 ７、該ハウジング、ベローズ及び冷却ブロックの金属材
   料が、多層配線基板の熱膨張率が５×１０＾−＾６／℃
   以下の場合に、Ｆｅ−Ｎｉ合金又はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合
   金で統一されている特許請求の範囲第６項記載の半導体
   モジュール冷却構造体。