JPS6238861B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の分野 本発明は、半導体素子により生じる熱エネルギ
を放散させるための構造体に係り、更に具体的に
云えば、はんだ接続部を用いて基板上に装着され
た集積回路半導体素子を、それらの素子上に装着
された冷却板を用いて冷却するための熱伝導シス
テムに係る。

高い回路密度を有する今日の集積回路半導体素
子に於ては、それらの素子の動作パラメータを予
定の範囲内に保つ様な範囲内にそれらの素子の温
度を維持し、又過熱によりそれらの素子が破壊さ
れない様にするために、それらの素子の動作によ
り生じた熱を効果的且つ迅速に除く必要がある。
この熱除去の問題は、素子を基板上の適当な端子
に電気的に接続するはんだの端子を用いて素子が
支持基板に接続される場合には、更に大きくな
る。その様なはんだ接続された素子に於ては、は
んだ接続部を経て達成され得る熱の転送は、背面
接続された素子に比べて、限定されている。従つ
て、動作中に生じた熱の大部分が素子の裏側から
除去されねばならない。

半導体素子からの熱の冷却又は除去は多数の周
知技術によつて達成され得る。１つの一般的な技
術は、素子を包囲している空気が伝導及び対流に
より熱を除去し得る様にすることである。その熱
の除去は、素子上及びその周囲に空気を強制的に
循環させることによつて増加され得る。しかしな
がら、この技術により除去され得る熱の量は、極
めて限定されており、概して高密度及び高性能の
半導体素子には不充分である。素子の冷却は又、
素子を適当な冷却液中に浸漬することによつても
達成され得る。しかしながら、冷却液は、素子及
び基板の金属化領域を腐食させ、又パツケージが
修理を要する場合に再加工の問題を生じ得る。冷
却は又、素子の裏側とカバー又は冷却板との間に
熱伝導性の連接材料を設けることによつても達成
され得る。しかしながら、この一般的技術はその
使用に関連して多くの問題を有している。その材
料が熱的グリースの場合の如く濃い粘性流体であ
る場合には、その材料は特に素子が加熱されたと
きに移動しそして素子及び基板の金属化領域に浸
出して、腐食そして恐らく短絡を生ぜしめ得る。
上記材料が然るべき位置に固定されておりそして
材料それ自体が硬い場合には、材料及び素子の温
度変化の結果、しばしば素子を破壊して使用不可
能にさせ得る応力が生じ得る。又、ピストンの如
き、可動材料片より成る熱伝導性の連接部材も知
られている。しかしながら、その素子は、パツケ
ージか衝撃又は慣性力を受けた場合に、破壊され
易い。更に、素子とピストンとの間に界面接触を
達成することが困難である。素子を基板に接続さ
せているはんだ接続部の長さに少しでも変動があ
れば、素子の裏面が可動ピストンの面接触せずに
点接触又は線接触しかしていない、傾いた素子が
生じ得る。これは、素子とピストンとの間の熱抵
抗を増加させ、素子により生じた熱を放散させる
能力を低下させる。

先行技術 次に示す従来技術の文献は、はんだ接続された
半導体素子から熱を除去するための種々の構造体
について記載している。

米国特許第3741292号及び第3851221号の明細書
は、複数の半導体素子を包囲している低沸点の誘
電性流体を含む半導体パツケージについて開示し
ている。

米国特許第3993123号の明細書は、素子から冷
却板へ熱を伝導させて逃がすために、可動熱伝導
ピストンがはんだ接続されている半導体素子の裏
側に接触されて配置されている、半導体パツケー
ジについて開示している。

米国特許第4235283号の明細書は、素子の裏側
から熱を除去するための、各部分に分けられた熱
伝導ピストンについて開示している。その各部分
に分けられたピストンは、素子が傾いている場合
でも素子の裏側に複数の点で接触する様に適合さ
れており、ピストンと素子との界面に跨つてより
低い熱抵抗を得る。

米国特許第4156458号の明細書は、素子から熱
シンクに熱を伝導させるために金属箔の束が用い
られているパツケージについて開示している。

米国特許第4092697号の明細書は、熱的液体材
料で充填された成形可能な枕状部材が半導体素子
の裏側とキヤツプとの間に露出されて、熱伝導ブ
リツジとして働く、半導体パツケージについて開
示している。

本発明の要旨 本発明の目的は、高密度の集積半導体素子のた
めの、簡単且つ安価で効率的な熱伝導冷却構造体
を提供することである。

本発明の他の目的は、半導体素子とピストンと
の間に界面接触が達成され、従つて界面の熱抵抗
を減少させ得る、半導体パツケージ熱伝導冷却構
造体を提供することである。

本発明の更に他の目的は、パツケージが大きな
衝撃及び／若しくは加速力又は減速力を受けた場
合でも、チツプへの衝撃による損傷が最小限にさ
れる、半導体パツケージのための熱伝導冷却シス
テムを提供することである。

基板と、裏面が上記基板と反対側に於て上を向
く様に基板上に装着された少くとも１つの半導体
素子と、上記基板の上に装着された熱シンクとを
有する半導体パツケージのための本発明による改
良された熱伝導冷却システムは、一方の端部が素
子の裏面に接触する様に開孔中に於て熱シンク上
にスライド可能に装着されている冷却ピストン
と、上記ピストンが上記素子に接触する様に上記
ピストンを下方に促しそして上記ピストンと上記
熱シンクとの間にしつかりした一定の表面間接触
が得られる様に上記ピストンを横方向に促すため
の手段と、上記開孔中に於て上記ピストンが回転
することを防ぐ手段とを有することを特徴とす
る。

本発明の好実施例 第１図乃至第３図は、マルチ・チツプ半導体パ
ツケージ１０に適用された本発明による改良され
た熱伝導冷却システムの１実施例を示している。
半導体パツケージ１０は、基板の上面に装着され
た半導体素子１４を相互に接続し且つそれらを基
板の底面上のＩ／Ｏピン１６に接続するための適
当な金属系を有する誘電体材料より成る基板１２
を有している。任意の適当な相互接続系が基板１
２中に用いられ得る。しかしながら、素子１４が
高密度で集積されて多数の素子が単一の基板上に
相互接続されるべき場合には、米国特許第
4245273号の明細書に開示されている如き多層セ
ラミツク基板構造体が好ましい。素子１４は、米
国特許第3429040号及び第3495133号に記載のはん
だ接続部１８によつて、基板１２の金属化領域に
電気的に接続されている様に示されている。カバ
ー即ちキヤツプ２０は、基板１２と組合わされ
て、素子１４上に封入体を形成する。上記カバー
は任意の適当な方法で基板１２に接続されること
が出来、例えばカバーは例えば硬ろう付けにより
基板１２に接続されたフランジ２２に接続され得
る。素子１４によりそれらの動作中に生じた熱を
パツケージからより効果的に除くために、液体に
より冷却されている冷却板２４がカバー２０に取
付けられている。カバーから熱を除くために他の
適当な手段も用いられることが出来、例えば空気
を移動させることにより冷却されるヒレ状部分、
蒸発技術及び同種の手段も用いられ得ることを理
解されたい。

カバー２０は、各半導体素子１４上に配置され
た円筒形開孔２６を含む。各開孔２６中には、半
導体素子に接触する底面３０及び傾斜した上面３
２を有している円筒形ピストン２８がスライド可
能に配置されている。円筒形開孔２６の直径とピ
ストン２８の直径との間には、円筒形開孔の壁に
隣接するピストンの壁の半分の上のはんだ層のた
めのスペースが得られる様に充分なすきまが設け
られていることが好ましい。その場合には、ピス
トンの壁の他の半分は何らはんだを有していな
い。いずれの場合でも、ピストンの壁の半分は円
筒形開孔の壁と接触していない。ピストン２８と
素子１４との間の界面に跨る熱抵抗を減少させ
て、熱除去システムの効率を増すためには、ピス
トン２８と素子１４との間に良好な界面接触を達
成することが重要である。好ましくは、第２図に
於てより明確に示されている如く、ピストン２８
の底面３０と素子１４との間に低融点の熱伝導性
材料層３４が配置される。低融点を有する典型的
な熱伝導性材料は、60℃乃至250℃の範囲の融点
を有する、ウツド・メタルの如き金属合金及び同
種のものである。ピストン２８は、例えば、はん
だで湿潤され得る銅の如き良好な熱伝導性材料よ
り成る。動作に於て、熱伝導性材料層３４は、は
んだで湿潤され得るピストンに付着すべきである
が、素子１４の裏面に付着してはならない。動作
に於て、層３４は溶融されて、ピストンと素子１
４との間に順応した界面を形成する。ピストン２
８の側壁上にも、ピストンと開孔２６の壁との間
の界面接触を増す同様な熱伝導性材料層３６が付
着され得る。カバー２０の材料がはんだで湿潤さ
れ得なければ、層３６はピストン２８のみに付着
する。層３６は、加熱されると、層３４と同様に
そして好ましくは層３４と同時に開孔２６の内側
に順応する。余分のはんだが円筒形ピストンの壁
の下端にはんだの肩部を形成しない様にするため
に、ピストン中に溝を形成してもよく、又は壁の
その領域の表面をはんだで湿潤されない様に処理
してもよい。ピストンの側壁及びピストンの底面
との間の順応した界面を維持するためには、該ピ
ストンが回転されない様にされねばならない。そ
の様な回転は、開孔２６中に長手方向に延びるス
ロツト４０及びピストン２８の上面中の凹所４２
と相互に作用する戻り止め３８を配置することに
よつて防がれる。戻り止め３８は、カバー２０中
の穴４６中に据えられたコイルばね４４によつて
下方にバイアスされている球状のボールであるこ
とが好ましい。第３図に示されている如く、縦方
向スロツト４０の断面の曲率は戻り止め即ち球状
のボール３８の曲率に対応していることが好まし
い。同様に、凹所４２は、ピストン２８の上面３
２に跨る距離のすべて又は一部に延びている溝で
あり、ボール３８の曲率当径に対応する曲率半径
を有している。この様な配置は、ピストン２８の
回転を防ぐ手段を与えるとともに、ピストン２８
が素子１４に接触する様にピストン２８を下方に
バイアスさせ且つピストンの側壁が開孔２６の側
壁に接触する様に該ピストンを横方向にバイアス
させる手段を与える。上記戻り止め及び溝の形状
並びにバイアスさせる方法か変更され得ることは
明らかである。更に、素子とピストンとの間及び
ピストンと開孔の側壁との間の界面接触を増す層
３４及び３６は除かれてもよいが、その場合には
或る程度の熱伝導性の損失を伴う。第３図に示さ
れている如く、開孔２６、縦方向スロツト４０、
及び穴４６は、適切な円形の中ぐりバイトを選択
することによつて、カバー２０中に簡便に機械加
工され得る。

第４図、第５図及び第６図は、本発明による熱
伝導冷却システムのもう１つの好実施例を示して
いる。半導体パツケージ５０は、前述の実施例に
於ける基板の場合と同様な相互接続金属系及び
Ｉ／Ｏピン１６を設けられている。１つ又はそれ
以上の半導体素子１４がはんだ接続部１８により
基板の金属系に相互接続されている。カバー５２
は、基板１２とともに、基板１２上に装着されて
いる素子１４のための封入体を形成する。カバー
５２には、素子１４により生じた熱を放散させる
ためのヒレ状部分５４が設けられている。これ
は、第１図乃至第３図に関連して述べたマルチ・
チツプ半導体パツケージにも用いられ得ることは
明らかである。カバー５２は素子１４の上に開孔
５６を有し、開孔５６内にピストン５８がスライ
ド可能に装着されている。ピストン５８は、低融
点の熱伝導性材料層３４及び３６をその底面上及
び側面上に各々設けられていることが好ましい。
層３４及び３６は前述の実施例の場合と同様にし
て働く。又、ピストン５８と開孔５６との間に
は、はんだ接続部１８の異なる高さによつて生じ
得る傾斜した素子１４が収容され得る様にピスト
ン５８の限定された傾斜を許容するに充分なすき
まが設けられている。ピストン５８が開孔５６内
で回転しない様にするために、開孔５６は非円形
の断面構造を有している。或る好ましいピストン
は、第６図に示されている如く、矩形の断面構造
を有している。ピストン５８及び開孔５６の断面
構造は、回転を防ぐために、任意の他の適当な非
円形構造であり得る。ピストンを前述の実施例の
場合の如く下方即ち軸方向にバイアスさせる機構
が設けられている。ピストン５８の上端には、傾
斜した上面３２が設けられている。キヤツプ５２
中には、円筒形の穴６０が上面３２を略横断する
角度で設けられている。穴６０内には、ピストン
５８の上面３２と係合する様に頭部を有するピン
６４をバイアスさせるコイルばね６２が据えられ
ている。この配置は、ピストン５８が素子１４に
接触するとともにピストン５８が開孔５６の側壁
に押しつけられる様にピストン５８を維持する。

【図面の簡単な説明】

第１図は水により冷却されるマルチ・チツプ半
導体パツケージに適用された本発明による改良さ
れた熱伝導冷却システムの１実施例を示している
縦断面図、第２図は第１図の実施例を拡大して示
している縦断面図、第３図は第２図の線３−３か
ら見た上面図、第４図は本発明によるもう１つの
実施例を用いている半導体パツケージを示してい
る縦断面図、第５図は第４図の実施例を拡大して
示している縦断面図、第６図は第５図の線６−６
から見た上面図である。 １０，５０……半導体パツケージ、１２……基
板、１４……半導体素子、１６……Ｉ／Ｏピン、
１８……はんだ接続部、２０，５２……カバー即
ちキヤツプ（熱シンク）、２２……フランジ、２
４……冷却板、２６……円筒形開孔、２８……円
筒形ピストン、３０……底面、３２……傾斜した
上面、３４，３６……熱伝導性材料層、３８……
戻り止め（球状のボール）、４０……縦方向スロ
ツト、４２……凹所、４４，６２……コイルば
ね、４６，６０……穴、５４……ヒレ状部分、５
６……非円形断面構造の開孔、５８……非円形断
面構造のピストン、６４……頭部を有するピン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体素子を基板上の金属化領域に結合及び
   電気的に接続する手段と、上記基板上に於て上記
   素子の上に設けられたカバーとを有するパツケー
   ジに於て、 上記カバー中の開孔内にスライド可能に装着さ
   れた少くとも１つのピストンと、 上記ピストンが上記素子の裏側と接触する様に
   該ピストンを長手方向に促し且つ上記ピストンが
   上記開孔の壁と接触する様に該ピストンを横方向
   に促す手段と、 上記ピストンが上記開孔内で回転することを防
   ぐ手段とを有することを特徴とするパツケージ。