JPS6323658B2 - - Google Patents

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JPS6323658B2
JPS6323658B2 JP58068507A JP6850783A JPS6323658B2 JP S6323658 B2 JPS6323658 B2 JP S6323658B2 JP 58068507 A JP58068507 A JP 58068507A JP 6850783 A JP6850783 A JP 6850783A JP S6323658 B2 JPS6323658 B2 JP S6323658B2
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semiconductor device
solder
heat
plate
cooling
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JP58068507A
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Ruisu Hooasu Josefu
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International Business Machines Corp
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Publication of JPS6323658B2 publication Critical patent/JPS6323658B2/ja
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/70—Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control
    • H10W40/77—Auxiliary members characterised by their shape
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
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    • H10W72/072—Connecting or disconnecting of bump connectors
    • H10W72/07251—Connecting or disconnecting of bump connectors characterised by changes in properties of the bump connectors during connecting
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
    • H10W72/20—Bump connectors, e.g. solder bumps or copper pillars; Dummy bumps; Thermal bumps

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔本発明の分野〕 本発明は、半導体装置が発生する熱エネルギー
を消散するための技術及びそのような構造体に関
するものである。特に、本発明は、集積回路パツ
ケージ組立体における半導体装置を冷却するため
の熱伝導構造体に関するものである。このような
組立体においては、半導体装置は、ハンダ接続で
基板上に設けられており、ヒートシンク又はカバ
ーは、半導体装置の背面にきわめて接近して設け
られている。
最近の集積回路半導体装置は、高い回路密度に
なつてきたが、このように回路密度が高くなつて
くると、半導体装置の温度を次のような限界内に
保つために、動作時に発生する熱が効率良く除去
されなければならない。即ち、この限界は、半導
体装置の動作パラメータを所定の範囲内に保ち、
その上、過熱による半導体装置の破壊を防ぐよう
なものである。半導体装置を基板上の適切な端子
へ電気的に接続するハンダ端子により、半導体装
置が支持基板に接続されるときには、熱の除去に
関係した問題が深刻になつてくる。このようなハ
ンダ接続された半導体装置では、ハンダ接続を介
して達成できる熱の移動は、背面接続された半導
体装置に比べて、限られている。半導体装置の冷
却は、この装置を適切な液体冷却剤中に浸す事に
より、達成できる。しかしながら、このような冷
却技術は、結果的に、半導体装置及び基板の配線
の腐食を生じることになり、その上、パツケージ
が再構成されなければならないなら、再構成が面
倒である。冷却作用は、また、半導体装置とキヤ
ツプ若しくは冷却プレートとの間に、冷却用のピ
ストン若しくは弾性部材のような熱伝導性物質の
リンクを提供することによつても、達成できる。
これらの部材は、それと半導体装置との間に良
い界面接触を確実に形成して保つことができると
ともに、低い熱抵抗を維持するために、できる限
り広い表面領域にわたつてプレートを冷却できな
ければならない。冷却用ピストンの場合には、半
導体装置が傾いてしまうことがあり、その結果、
満足できない点接触若しくは線接触を生じてしま
うので、良い界面接触を形成して保つことは、困
難である。一般に、冷却用ピストンは、空気より
も大きな熱伝導度を有する不活性ガス雰囲気中で
用いられねばならないし、又は、グリースその他
のコンフオーマル（conformal）な手段が、ピス
トンの先端と半導体装置との界面に提供されねば
ならない。もう１つの欠点は、パツケージが慣性
力を受けるときに、ピストンが冷却されている装
置に衝撃を与え得ることである。半導体装置と冷
却プレートとの間に熱伝導のための弾性部材を設
けることは、知られている。熱伝導のために、半
導体装置と冷却プレート若しくはキヤツプとの間
に、平らな薄板状の弾性部材が設けられ得る。し
かしながら、半導体装置と弾性部材との間及び弾
性部材とヒートシンク若しくはキヤツプとの間に
おける、一般的に限られた表面領域での界面接触
は、結果的に、冷却作用の効率をかなり下げるよ
うな比較的高い熱抵抗を生じる。もし、ハンダが
界面接触を向上するために用いられるなら、弾性
部材の端部は堅く接合されてしまい、弾性部材を
非常に堅くすることになる。このような事態は、
半導体装置を破壊しかねない極端な応力が温度変
化の間に半導体装置に加わり得るので、避けなけ
ればならない。また、堅くなつた弾性部材は、表
面から離れることもあり、それにより、冷却能力
が著しく下がることになる。
従つて、半導体実装技術において望まれている
ものは、低い熱抵抗を有し、半導体装置とキヤツ
プ若しくは冷却プレートのような冷却部との間に
おける、寸法の変化や非平行な表面接触に適応で
きる、廉価で、弾力性を有し、しかも信頼性のあ
る、熱伝導構造体である。さらに、このような構
造体は、簡単に設置でき、しかも、必要ならば、
再構成作業のために分解できるべきである。
〔先行技術〕
以下の先行技術は、ハンダ接続された半導体装
置から熱を除去するための種々の構造を示してい
る。
米国特許第3993123号は、熱を半導体装置から
冷却プレートまで伝導するために、ハンダ接続さ
れた半導体装置の背面に可動な熱伝導性ピストン
が接触して設けられている、半導体パツケージを
開示している。
米国特許第4034468号及び第4081825号は、とも
に、半導体装置から熱を除去するために、ハンダ
接続された半導体装置の背面及びモジユール・キ
ヤツプに低融点のハンダが接触して提供されてい
る、半導体パツケージを開示している。
米国特許第4156458号は、半導体装置の背面と
ヒートシンクとの間に伸びている、弾力性のある
熱伝導性金属薄片束を含む冷却構成を開示してい
る。
IBM Technical Disclosure Bulletin Vol.21、
No.３、Aug.21、1978、pp.1141は、ハンダ接続さ
れた半導体装置と次のようなモジユール・キヤツ
プとの間に設けられた熱をそらせる部材を開示し
ている。即ち、このキヤツプは矩形の中央部分と
キヤツプに接触している１組の分岐翼部から成
る。
IBM Technical Disclosure Bulletin Vol.20、
No.６、Nov.1977、pp.2214及び米国特許第
4146458号は、半導体装置から熱を除去するため
に、ハンダ接続された半導体装置とハウジングと
の間に設けられ、一諸に組み重ねられた、アルミ
ニウム薄片から成る複数の所定の形にされたシー
トを開示している。
IBM Technical Disclosure Bulletin Vol.19、
No.12、May 1977、pp.4683は、ハンダ接続された
半導体装置とキヤツプとの間の熱伝導構造体であ
つて、薄片を交互に重ねて作られた複数の比較的
摺動可能なひれ状部（fin）の特徴をなすものを
開示している。
1981年３月30日出願の米国特許出願通し番号第
249262号は、少なくとも１つのタブ部材を定める
ような切込み（cut）が与えられた比較的厚い金
属シートを含むカバーまで、半導体装置から熱を
伝導するための熱伝導構造体を開示している。
1981年２月19日出願の米国特許出願通し番号第
291218号は、弾力性のある熱伝導物質でできてお
り盛り上がつた円盤体をなす熱伝導構造体を開示
している。この円盤体には、その中心から放射状
に広がり周囲の縁部近くで終端している第１の複
数の放射状のみぞと、第１の複数の放射状のみぞ
の間に交互になるように設けられ、前記縁部から
内側に伸びて前記中心近くで終端している第２の
複数の放射状のみぞとが形成されている。
〔本発明の概要〕
本発明の目的は、基板上に設けられた半導体装
置からこの装置にきわめて接近している冷却プレ
ート若しくはキヤツプのような冷却部まで熱を伝
導する半導体装置のパツケージで用いられる熱伝
導構造体を提供することである。
この熱伝導構造体は、中央部分と当該中央部分
につながつた外延部分とを有し前記中央部分が盛
り上がつた面領域をなすハンダと接着しない弾性
手段と、前記半導体装置の背面に接触して設けら
れたハンダ接着可能な第１の平板状部材と、この
第１の平板状部材と前記中央部分との間に存在す
るハンダ層と、一方の面が前記冷却部に接触し他
方の面が前記外延部分を受ける第２の平板状部材
と、を含む。
本発明は、前記の熱伝導構造体を、上記のよう
なハンダと接着しない弾性手段とハンダ接着可能
な第１の平板状部材とを設けた新規な構成とする
ことにより、このような弾性手段及び平板状部材
を設けない場合に比べて、次のような著しい効果
を達成したものである。即ち、 (1) 前記弾性手段は前記第１の平板状部材に固着
しないので、熱膨張や外部振動に起因した過度
の力が半導体装置に加わることを防止できる。
同時に、前記弾性手段の弾力性を十分に発揮さ
せることができる。
(2) ハンダ接着時に、前記弾性手段の変位に適合
して、前記弾性手段と前記第１の平板状部材と
の間に、最適な形状及び接触をなすハンダ層の
接触領域を形成することができる。従つて、前
記弾性手段の弾力性を損なうことなく、前記弾
性手段と半導体装置との間に、最適な熱伝導を
達成することができる。
〔本発明の実施例〕
さて、本発明の好実施例を示した図面を参照す
るに、これらの図には、上面及び中に配線パター
ンを有した基板１０から成る半導体パツケージが
示されている。この配線パターンは、基板の上面
に設けられた半導体装置１２と基板の底面から伸
びているピン１４とを相互接続している。ひれ状
部１８が設けられた典型的なひれ状に形成された
キヤツプ１６は、ろう付密封で基板１０に固着さ
れている。半導体装置１２は、ハンダ相互接続部
２２により、基板１０上及び中の配線システムへ
電気的に接続されている。動作時には、半導体装
置１２は、熱を発生する。この熱は、ハンダ接続
部２２及び、好ましくは、半導体装置の背面から
キヤツプ若しくはヒートシンクのような冷却部へ
熱を伝導する、あるタイプの熱伝導性相互接続部
を介しての熱伝導によつて、消散されねばならな
い。本発明では、この熱は、熱伝導構造体２４に
よつて、半導体装置から上にあるキヤツプ１６へ
取り除かれる。熱伝導構造体２４は、中央部分が
盛り上がつていて軸方向に圧縮可能な大きな面領
域の弾性手段２６を有する。弾性手段２６は、適
切な形状、即ち、円形、正方形、長方形等であ
る。好ましくは、弾性手段をより曲りやすくする
ために、みぞ２８が提供されると良い。弾性手段
２６は、金属又は高い熱伝導度を有する物質で形
成される。好ましくは、銅を主成分とし、弾力性
を増す金属を含んでいる銅の合金で形成されると
良い。弾性手段２６は、適切な厚さを有し、好ま
しくは、約0.20mm乃至0.25mmであると良い。プレ
ート３０が半導体装置１２の背面に接触して設け
られている。プレート３０の中央に、突起部３４
を設けることができる。この突起部３４は、弾性
手段とプレートとを位置合せした関係に保つため
に、弾性手段２６の開孔３２と係合する。プレー
ト３０は、例えば銅のような熱伝導性物質で形成
される。好ましくは、ハンダ接着可能な物質で形
成されると良い。プレート３０は、適切な厚さに
されるが、典型的には0.5mm程度である。上には、
プレート４０が、カバー１６に接触して設けられ
ている。このプレート４０は、例えば銅のような
熱伝導性物質で形成される。第１図及び第２図に
示されているように、カバーには、プレート４０
を受ける凹所４２を設けることができる。好まし
くは、プレート４０は、ハンダ接着可能な表面を
有し、また、弾性手段２６をプレート４０に取り
付けるための手段が提供されていると良い。第１
図及び第２図に示されているように、弾性手段２
６を位置付けるためにフランジ４４を設けること
ができる。弾性手段が伸縮できるように、適切な
すきまが、弾性手段２６の先端部とフランジの内
径表面との間に、設けられている。
先に述べたように、プレート３０及び４０の表
面はハンダ接着可能であるが、弾性手段２６の表
面は、ハンダ接着しないようにされる。好ましく
は、プレート４０の下側の被膜同様に、プレート
４０の上側にも、ハンダ被膜４６が提供されると
良い。この被膜は、適切な厚さにされるが、典型
的には、0.03mm乃至0.13mmである。また、好まし
くは、プレート３０の上面と底面に、被膜４８及
び４９が提供されると良い。本発明の熱伝導構造
体が組立てられ、キヤツプ１６が基板１０に結合
されると、ろう付けシール２０を溶かすために、
組立体は、加熱ステツプを受ける。この時に、熱
伝導構造体のハンダ被膜が、また、溶ける。パツ
ケージ組立体が冷却されると、ハンダが固まり、
これによつて、プレート４０がキヤツプ１６の表
面に接続される。プレート３０の被膜が固まつ
て、半導体装置１２と弾性手段２６とを密接に接
触させ、それらの間に界面を形成する。同様に、
プレート４０の下側のハンダ被膜も固まるが、し
かし、弾性手段がハンダ接着しないので、そのハ
ンダ被膜は、弾性手段２６には付着しない。この
ような構成により、半導体装置１２の動作時に生
じる温度変化のために、パツケージの各部材が伸
縮しても、弾性手段２６は、依然として、自由に
曲ることができる。弾性手段２６と両プレート３
０及び４０の固まつたハンダとの間に提供された
良い界面接触によつて、界面は、確実に低い熱抵
抗になる。このように、動作中に半導体装置が発
生する熱は、半導体装置から上にあるキヤツプ若
しくはヒートシンクのような冷却部へ効率良く伝
導する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、半導体パツケージ及びそれに使用さ
れる本発明の熱伝導構造体を示す拡大断面図であ
る。第２図は、本発明の熱伝導構造体並びにそれ
と半導体装置及びキヤツプとの関係を詳細に示す
拡大断面図である。 １０……基板、１２……半導体装置、１６……
キヤツプ、２４……熱伝導構造体、２６……弾性
手段、３０，４０……プレート、４４……フラン
ジ、４６，４８，４９……ハンダ被膜。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 基板上に設けられた半導体装置から当該半導
    体装置に近接する冷却部まで熱を伝導する熱伝導
    構造体であつて、 中央部分と当該中央部分につながつた外延部分
    とを有し前記中央部分が盛り上がつた面領域をな
    すハンダと接着しない弾性手段と、前記半導体装
    置の背面に接触するハンダ接着可能な第１の平板
    状部材と、前記第１の平板状部材と前記中央部分
    との間に存在するハンダ層と、一方の面が前記冷
    却部に接触し他方の面が前記外延部分を受ける第
    ２の平板状部材と、を含む熱伝導構造体。 ２ 前記第２の平板状部材が、前記他方の面に前
    記外延部分と前記第２の平板状部材との接触領域
    を増大させるハンダ層を有している、特許請求の
    範囲第１項記載の熱伝導構造体。
JP58068507A 1982-06-28 1983-04-20 熱伝導構造体 Granted JPS596565A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US392918 1982-06-28
US06/392,918 US4479140A (en) 1982-06-28 1982-06-28 Thermal conduction element for conducting heat from semiconductor devices to a cold plate

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Publication Number Publication Date
JPS596565A JPS596565A (ja) 1984-01-13
JPS6323658B2 true JPS6323658B2 (ja) 1988-05-17

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ID=23552550

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US (1) US4479140A (ja)
EP (1) EP0097782B1 (ja)
JP (1) JPS596565A (ja)
CA (1) CA1196110A (ja)
DE (1) DE3375348D1 (ja)

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