JPS6184850A - 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
置に伝達するた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％Ｎ半導体基体に関連する熱伝
導路の熱抵抗を高めて半導体基体がより高い温度に維持
されると同時に、半導体装置基体の各々に関連する熱伝
導路を通じて電気的導通路を形成しないように、特別に
形成されたキャップ、又は、ハウジングをもつ熱伝導冷
却モジュール装置に関する。

〔発明の背景〕

従来、大型電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、限定された半応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ＬＳＩチップが開発されている。又、
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
、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。更に、ＬＳＩチップが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補助的手段を施す
必要がある。

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。

低沸点のフロロカーボン液で、比較的低い温度のもとで
沸騰する。即ち、熱発生成分から伝熱されたこの液体は
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
の役割を担うにの過程のもとで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、　ＬＳＩチップのような熱発生成分を冷却
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構成物質
が腐蝕されたり、これに伴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、半導体チップのよう
な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、この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、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
生装置に向って同装置と同一中心上を延びる細長い開孔
をもつ。

この開孔の内方端部には弾性部材が配置される。

熱伝導性部材が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。この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
不活性ガスにより周辺間隙及び熱発生装置と熱伝導性部
材間の界面を形成している。熱発生装置で生じた熱は、
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。

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、消費電力の少ない熱発生装置が同一モジュール
内で消費電力の多い熱発生装置とともに含まれている場
合・、又は、消１！電力の少ない熱発生装置のみが含ま
れている場合には、モジュールの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九た動作をす
るためには、それらの最低動作温度以下に冷却されてし
まうことは好ましくない、又、冷却されすぎると熱発生
装置が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
も小消費電力熱発生装置において顕著であり、対策を要
す。

又、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された半導体素子をも
つ。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
、従って、一般に、半導体素子は、ｐｎ接合を逆バイア
スして電気的に絶縁された、通常、島と呼ばれる半導体
領域内に形成する。第二の問題は、ｐｎ接合を逆バイア
スするた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に
よって生じる。基板上に実装される熱発生装置の全てが
同一機能をもつ半導体基体からなる場合は稀で、一般に
は、機能の異なる二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、逆バイアス電圧を二ないしそれ以上
の水準に維持する必要がある６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、上述の問題は解
消される。しかし、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連絡網を
形成する危険を伴う、従って、基板上に実装された熱発
生装置同士は、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、この意味でキャッ
プに電気絶縁機能を付与しておくことが望ましい。

更に、キャップは冷却モジュール装置全体の重量に対し
て占める割合が極めて大きい、冷却モジュール装置は、
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
向に突出し、金−錫ろう材のようなもので固定された多
数の接続ピンによって、補助回路等を担持するプリント
基板にはんだ様のもので接続され、しかも、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。

従って、冷却モジュール装置の全荷重は、ピンとこれに
連なる接続部材、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
実装する筐体からプリント基板を経て伝達される機械的
振動を受ける。この際、第三の問題は、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、これに伴う故障を生じる
に至る。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、冷却されるべき小消費電力熱発生装置
の熱伝導路において用いられ、熱伝導路の熱抵抗を増し
て小消費電力熱発生装置の動作温度をそれらの最低動作
温度よりも高く維持する、ハウジングをもつ熱伝導冷却
モジュールＭｆｆｉであって、具体的には熱伝導路の熱
抵抗を増す皮膜を被覆したハウジングをもつ熱伝導冷却
モジュール装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、冷却されるべき小消費電力熱発生
装置を含む熱発生装置の熱伝導路において、熱伝導路を
通じて熱発生装置が相互に電気的連絡路が形成されない
、改良されたハウジングをもつ熱伝導冷却モジュール装
置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、接続ピン並びに接続部材の
劣化を防止ないし軽減する、軽量な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〕

本発明熱伝導冷却モジュール装置は、以下の特徴をもつ
。

（１）本発明の熱伝導冷却モジュール装置は、冷却され
るべき小消費電力の熱発生装置を含む熱発生装置と、熱
発生装置の各々に対向するように熱伝導路内に含まれて
いるハウジングと、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、熱発生
装置に熱伝導中継部材を圧接してこれら両者間に熱伝導
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
置であってハウジングが炭化ケイ素を主成分とする焼結
体であって、小消費電力熱発生装置に関連する熱伝導路
にあってハウジングの熱交換を行なう部分に、熱抵抗を
増す絶縁性酸化物を設けたことを特徴とする。

（２）本発明の熱伝導冷却モジュール装置は、ハウジン
グが炭化ケイ素を主成分とし、ベリリウム。

酸化ベリリウム、窒化ホウ素の少なくとも一種を含む焼
結体であり、少なくとも小消費電力熱発生装置に関連す
る熱伝導路にあってハウジングの熱交換を行なう部分に
設けられた熱抵抗を増す絶縁性酸化物が、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、亜鉛の少なくとも一種の金属の酸化
物であることを特徴とする。

（３）本発明の熱伝導冷却モジュール装置は、ハウジン
グが炭化ケイ素を主成分とし、ベリリウム。

酸化ベリリウム、窒化ホウ素の少なくとも一種とアルミ
ニウム、シリコン、鉄、チタニウム。

ニッケルの少なくとも一種の単体又は酸化物ないし炭化
物を含む焼結体であり、少なくとも小消費電力熱発生装
置に関連する熱伝導路にあって、ハウジングの熱交換を
行なう部分に設けられた熱抵抗を増す絶縁性酸化物が、
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、亜鉛の少なくとも一
種の金属の酸化物であることを特徴とする。

ところで、ハウジングは、消費電力の大きい熱発生装置
に関連する熱伝導路にも用いられるから、本質的に高い
熱伝導性をもつことが必要であるほか、軽量、かつ、電
気絶縁性をもつことが最も望ましい。ハウジングになり
得る種々の材料を用いて熱伝導モジュール装置を比較検
討した結果、炭化ケイ素を主成分とする焼結体、更に、
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　
ｃａＩＡ／”Ｃ・ｃｘ　・ｓ　（室温）、密度３．２ｇ
　／　ｃｉ　、ビッカース硬さ約４０００　、曲げ強さ
く三点支持）４５ｋｇ−ｆ／薗及び電気抵抗率１０１ａ
Ω・国以上（室温）と、ハウジング用材料として好適な
性能をもつことに着目した。

炭化ケイ素焼結体からなるハウジングは、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焼結粒界
の電気抵抗を高められ、炭化ケイ素焼結体の電気絶縁性
が付与されると同時に熱伝導性が付与される。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。これらの不純物の小で、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するので少な・
いことが望ましい。しかし、一方、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。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。従って、
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ベリリウム、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
路に電気的連絡路が形成されないようにするために必要
な抵抗率は１０１０Ω■以上、そして熱伝導率は少なく
ともアルミニウム（０，５３ｃａ１２／■・℃・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
成するた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
ムガスのような気体を封入する容器を兼ねるため、高気
密性が必要である。

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ゃすいからであ
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、熱伝導冷却モジュールの場合、ヘリウムガス
のもれ量に換算して１０−’ａｔｍ　ｍ　Ｑ　／　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を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酸化ベリ
リウム、ベリリウム、窒化ホウ素のような添加物ととも
に均一に混合し、この混合物を９８　Ｍ　Ｐ　ａ程度の
圧力で仮成形後、温度２０５（Ｉｃ圧力３０　Ｍ　Ｐ　
ａで一時間程度真空ホットプレス（真空度１０−’ＭＰ
ａ）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
、鉄、チタニウム、ニッケルの単体又はこれらの酸化物
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。従って、積極的に焼結炭化ケイ
に気密性を付与するために、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。

Ｃ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
もつ気体封入熱伝導冷却モジュール装置の斜視図そして
、第２図は第１図に示される■−■部の断面図である。

両図を参照して説明するに、チップ１０はセラミックの
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、これらチップ１０の中には消費電
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１０ａが含まれる。基板１２はその他方の側から突
出する接続ピン１４をもつ。

これらのピン１４を補助回路等を担持した配線ボード１
３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１０，１０ａ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１
６が連らなって配置され、はんだ等のろう材のような封
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が形成されているが、この部
分にはヘリウムガスのように熱伝導性気体３１が充填さ
れている（第２図参照）、ハウジング１６の内方には、
チップ１０，１０ａに対向するように配置され、ハウジ
ング１６と熱交換を行なう熱伝導界面を形成するように
係合された熱伝導中継部材２０が設けられ、熱伝導中継
部材２０はばね２１（第２図参照）の抑圧によりチップ
１０．１０ａとの接触を維持している。この際、ハウジ
ング１６の小電力チップ１０ａに関連する熱伝導路に含
まれる部分には、二酸化シリコン膜１６ｄが被覆され、
熱伝導中継部材２０とハウジング１６間界面の熱抵抗を
増すように設計されている。二酸化シリコン膜１６ｄは
熱伝導性焼結炭化ケイ素に比べ、二指程度低い熱伝導率
をもつ。

従って、二酸化シリコン膜１６ｄの熱抵抗によって、小
電力チップ１０ａからハウジング１６に至る熱伝達が抑
制される。この結果小電力チップ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１６ｄは熱酸化法によって形成さ
れるのが適切である。この場合、二酸化シリコン膜は、
炭化ケイ素焼結体を３１！１された酸素源をもつ＃囲気
１例えば、水蒸気と酸素ガスを含む雰囲気中で、１００
０〜１５００℃に加熱することによって形成される。し
かし、上記熱酸化以外の方法、例えば、Ｃｈｅｍｉｃａ
ｌＶａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法で代表されるよ
うな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
よって形成された二酸化シリコン膜であっても、本発明
の目的を達成するための熱抵抗増加担体になり得る。又
、二酸化シリコン膜１６ｄは、二酸化シリコンであるこ
とは本発明の目的を達成する上で必ずしも必須としない
。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、亜鉛のように少なくとも一種の金属
の酸化物であっても熱抵抗増加担体になり得る。この場
合、スパッタリング法以外に、厚膜焼成法、溶射法のよ
うな他の方法で形成される。

第３図は小電力チップ１０ａに関連する熱伝導路に用い
られたハウジング１６の部分を拡大して示した概略断面
図である。小電力チップ１０ａは。

熱伝導中継部材２０と熱伝導界面を形成するが、上記熱
伝導中継部材２０のチップ１０ａに接しない他端部に開
孔２０ａが設けられ、開開孔２０ａをハウジング１６の
チップ１０ａに対向する部分に設けた突出部１６ａに案
内するように装着される。ハウジング１６の突出部１６
ａには二酸化シリコン膜１６ｄが設けられている。この
際、小電力チップ１０ａに関する熱伝導路では、熱抵抗
は二酸化シリコン膜１６ｄの厚さによって調節される。

チップ１０ａ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　ｔｒｎ、同部材の全長は６．０　　ｆｆｆｆ１に調
整されている。熱伝導中継部材２０の開孔部２０ａの側
壁２０　ｃとハウジング１６の突出部１６ａの側壁１６
ｂの間隙は約０．０２５　ｗｔｒである。

突出部１６ａの直径はＤ／２に等しく、その長さは８．
０　Ｉｍである。従って、側壁２０ｃと側壁１６ｂの間
の対向面積と相関をもつ対向長りは２．５　ｒｒｍ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（’Ｃ／Ｗ）を二酸化
シリコン膜１６ｄの厚さくμｍ）に対してプロットする
ことにより、第４図に示す熱特性曲線が得られる。同曲
線に示されるように、厚さが増すにつれ熱抵抗を増して
おり。

二酸化シリコン膜１６ｄの厚さを調節することにより放
熱能力を制御できることを開示している。

尚、放熱能力の制御は対向長りの調節によっても可能な
ことは勿論である。更に必要なら熱伝導中継部材に二酸
化シリコン膜を設けることもできる。

又、本実施例において、ハウジング１６としての焼結炭
化ケイ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ケイ素に、更に、確
実な電気絶縁性を付与するのに効果がある。そして、熱
伝導冷却モジュール装置の全重量に対して占める割合の
大きいハウジング１６が、炭化ケイ素焼結体の使用によ
って軽量化されており、接続ピン１４の接続部の劣化を
軽減ないし防止できることは轟然である。

第５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１ｏとともに基板
１２上に搭載され、これらのチップ１０．１０ａ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１０．１０ａに熱伝導熱中継
部材２ｏを圧接する力が付与されている。この際。

小電力チップ１０ａの熱伝導路内にある開孔部１６ｇの
表面には二酸化シリコン＠１６ｄ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１本実施例の場合は、熱伝導性中継部材２
０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図の構造のような場合に比ベハウジング
１６の重量増加を伴う、この場合でも、接続ピン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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図は第１図の
■−■矢視断面図、第３図は本発明のハウジングの断面
図、第４図は本発明の熱特性曲線図、第５図は本発明の
他の実施例の断面図である６１６・・・ハウジング、１
６ｄ・・・二酸化シリコン膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、冷却されるべき小消費電力の熱発生装置と、この熱
   発生装置の各々に対向するように熱伝導路内に含まれて
   いるハウジングと、この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、前
   記熱発生装置に前記熱伝導中継部材を圧接して熱伝導界
   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
   において、前記ハウジングが炭化ケイ素を主成分とする
   焼結体で、前記小消費電力熱発生装置に関連する熱伝導
   路にあつて前記ハウジングの熱交換を行なう部分に、熱
   抵抗を増す絶縁性酸化物を設けた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、 前記ハウジングが炭化ケイ素を主成分とし、ベリリウム
   、酸化ベリリウム、窒化ホウ素の少なくとも一種を含む
   焼結体であり、前記小消費電力熱発生装置に関連する熱
   伝導路にあつて前記ハウジングの熱交換を行なう部分に
   設けられた熱抵抗を増す絶縁性酸化物が、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、亜鉛の少なくとも一種
   の金属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。 ３、特許請求の範囲第２項において、 前記ハウジングが炭化ケイ素を主成分とし、ベリリウム
   、酸化ベリリウム、窒化ホウ素の少なくとも一種と、ア
   ルミニウム、シリコン、鉄、チタニウム、ニッケルの単
   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。