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JPH02109354A - 半導体の冷却装置 - Google Patents

半導体の冷却装置

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JPH02109354A
JPH02109354A JP63261471A JP26147188A JPH02109354A JP H02109354 A JPH02109354 A JP H02109354A JP 63261471 A JP63261471 A JP 63261471A JP 26147188 A JP26147188 A JP 26147188A JP H02109354 A JPH02109354 A JP H02109354A
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cooling
semiconductor
thermal conductivity
heat conduction
base
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Application number
JP63261471A
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English (en)
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Ataru Yokono
中 横野
Takao Terabayashi
寺林　隆夫
Nobuo Kayaba
萱場　信雄
Takahiro Oguro
崇弘 大黒
Shigekazu Kieda
茂和 木枝
Fumiyuki Kobayashi
小林　二三幸
Sasuke Zushi
頭士　鎖夫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Priority to DE3934784A priority patent/DE3934784C2/de
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    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3733—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon having a heterogeneous or anisotropic structure, e.g. powder or fibres in a matrix, wire mesh, porous structures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2255/00—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes
    • F28F2255/18—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes sintered
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
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  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体あるいは集積回路チップ、特に大型電
子計算機における大規模集積回路チップなどから発生す
る熱を除去するための冷却装置に関するものである。
〔従来の技術〕
大型電子計算機では処理速度の速いことが要求されるた
め、近年半導体素子を大規模に集積した回路チップが開
発されている。また、その集積回路チップを互いに接続
する電気配線をできるだけ短くするため、マイクロパッ
ケージに多数の集積回路チップを実装する方法が開発さ
れている。
従来、特に大型電子計算機用集積回路チップの冷却装置
に関し種々の提案がされているが、例えば、第７図に示
すように冷却性能が優れ、組立誤差や熱変形を上下左右
に吸収できる柔構造とする半導体チップの冷却装置が特
開昭６０−１２６８５３号に示されている。同装置にお
いて、熱伝導性の良好な材料で作られたハウジング１５
の内面には、多数のプレート状のフィン１６が互いに平
行に設けられている。多層配線基板１に実装されたＬ　
Ｓ　Ｉチップ２の背面には熱伝導体ベース１７が置かれ
、このベース上にも前記フィンと同ピツチでプレート状
のフィン１８がベース１７と一体に多数段けられでいる
。フィン１６と１８とは、互いに微小間隙１９を保って
嵌め合わされている。ハウジング１５と基板１とで囲ま
れた密閉空間２０には、熱伝導率の良好な気体、例えば
ヘリウムガスあるいは水素ガスなどが充満されている。
ＬＳＩチップ２で発生した熱は、チップ背面に全面接触
する熱伝導体ベース１７に伝わり、ベース内で一様に拡
散された後、各フィン１８に伝おる。そして微小間隙１
９のヘリウムガス層を介してフィン１６に伝わり、最終
的にハウジング１５の上部に取り付けられた冷却器（図
示せず）により運び去られる。
なお、上記冷却構造の基板１は、高密度の多層電気配線
を内蔵するためアルミナなどセラミックス材から出来て
おり、そして、ハウジング１５も基板との熱膨張率の整
合性、高熱伝導性及び電気絶縁性などを考慮して、例え
ばＳｉＣあるいはＡΩＮなどセラミックス材で構成され
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、上記従来冷却構造は、多数のフィンを有する微
細構造であり、しかもＳｉＣやＡＱＮのような加工性の
悪い材料を用いるので、工業的に量産するには、冷却性
能が優れていてもコスト上池の冷却方式と競合できない
など生産技術上大きな問題があった。
更に、大型電子計算機なビ高速処理が要求される半導体
電子回路では、回路の動作温度によって回路の出力レベ
ルが異なるので、各ＬＳＩチップの温度は、所定の温度
差以内に収める必要がある。
また、マイクロパッケージに実装される多数のＬＳＩチ
ップは、電子計算機の論理設計止すへて発熱量が同じに
なるように使用されているわけではない、一方、上記冷
却構造のフィンは、形状、枚数、材質などが同じ様に構
成されるなら、互いに嵌め合ったフィンの冷却性能も同
じになる。したがって、従来の冷却構造において、各々
発熱量が異なるＬＳＩチップの温度を所定温度範囲内に
収めるには、フィンの形状、枚数を各々変えなれればな
らない。この点、工業的に量産するにはコスト上大きな
問題があった。
本発明は、工業的に低コストで生産し、かつ冷却構造の
フィン形状１枚数などを同じにしながらＬＳＩチップの
発熱量に適合した伝熱性能を有する半導体チップの冷却
装置を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
」二記目的を達成するために、１個ないし多数の半導体
チップあるいは半導体パッケージから熱伝導冷却素子を
介して冷却体に半導体の発生熱を伝える冷却構造におい
て、熱伝導冷却素子あるいは冷却体に、熱伝導率が２次
元面方向に著しく高く、２次元面と垂直方向には熱伝導
率が低いという熱伝導の異方性を示し、かつ熱伝導率が
等方性のＡＱＮに比べて切削、研削、研磨などに優れた
加工性を示すＡｆｌＮとＢＮとの複合焼結材を用いるこ
とに特徴がある。
また、熱伝導冷却素子を半導体チップ上に取付けても、
半導体チップの温度分布を出来るだけ一様にするために
、熱伝導冷却素子は、半導体チップに接触する部分を高
熱伝導率である等方性のセラミックス（例えばＡＱＮ）
で、その他の部分を熱伝導率異方性のＡＱＮとＢＮの複
合焼結材で構成したことも特徴を有する。
さらに、例えば半導体チップのハウジングとなる冷却体
に、水あるいは空気で冷却する外部冷却器を取り付だ場
合でも、冷却体の温度分布を均一にし、外部冷却器と冷
却体との熱抵抗を小さくするために、冷却体は、外部冷
却器と接触する部分に高熱伝導率である暮方性のセラミ
ックス（例えばＡΩＮ）をその他の部分に熱伝導率異方
性のＡＱＮとＢＮとの複合焼結材で構成した点にも特徴
を有する。
上記のように冷却構造体の外壁表層の一部、あるいはす
べてを例えばＡＱＮとすると、ＡＱＮ−ＢＮ焼結体に比
べて接続上極めて重要なメタライズを施すことが容易と
なることも大きな利点である。
また逆に冷却構造体の外壁表層にＢＮ層を設けるならば
、ＡＱＮに比し水に犯されにくくなることが利点として
挙げられる。
このようにＡＱＮ−ＢＮ複合焼結体、ならびに層構成要
素がＡＱＮであったり、あるいはＢＮでって容易に生産
することが出来る。
ＡＱＮ−ＢＮの割合は、如何ようにも選択できるが、現
在得られているデータをみて、熱膨張率の異方性が少な
いことを一つの選定基準にするならばＢＮ３０％が好ま
しく、この点では通常得られる熱伝導率１６０Ｗ／ｍＫ
のＡｆｌＮに比べ、熱伝導率は二次元面で１８０Ｗ／ｍ
Ｋ、それに直行する面で４０とすることが出来、この値
では熱抵抗上差のない構成を与えることが可能である。
特に熱伝導率のすぐれた配合比はＢＮ５０％付近にあり
、この点であれば熱抵抗は上記ＡＱＮに比して著しく下
げることが可能となる。
〔作用〕
熱伝導冷却素子あるいは冷却体に熱伝導率の異方性を示
すＡＱＮ−ＢＮ複合焼結材を用いる場合には、熱伝導冷
却素子から冷却体に半導体チップの発生熱を伝える熱流
方向に、ＡｌＮ−ＢＮ複合焼結材の熱伝導率の最も高い
２次元平面を平行に、あるいは傾斜させたり、あるいは
直角に設置すれば、熱伝導冷却素子あるいは冷却体の伝
熱性能について、上限値から下限値までの間で任意に、
変更可能である６それによって、熱伝導冷却素子あるい
は冷却体の構造を同じように作っても、各ＬＳＩチップ
の発熱量に適合した伝熱性能を持つ冷却装置が、低コス
トに量産できる。
更に、ＡＱＮ−ＢＮ複合焼結材のビッカース硬度は従来
の熱伝導等方性のＡＱＮに比べ、約１−１５以下になる
ことから、ＡｌＮ−ＢＮ材の加工性は著しく向上する。
それによって、熱伝導冷却素子あるいは冷却体は、容易
に加工することができる。特に、微細寸法形状をした多
数の平行フィン構造の熱伝導冷却素子及び冷却体は、工
業上、低コストで量産することができる。
次に本発明に使用するＡＱＮ−ＢＮ系焼結体に薄刃砥石
で溝加工を施した場合の加工性について詳細に説明する
。
表１は厚さ０．６ｍで粒度＃２００のダイヤモンド砥石
により深さ４ｍの溝加工を行なった時の研削抵抗の値を
従来のＡＱＮの加工との比較において示したものである
。本発明におけるＡＱＮ−ＢＮ系焼結体は従来のＡＱＮ
に比べて法線方向研削抵抗にして約ｔ　／　３　、接線
方向研削抵抗にして約１１５であり、極めて加工性が良
いことがわかる。この結果、砥石の摩耗に対する寿命も
従来のものにくらべて著しく長くなり、量産加工に対し
て極めて有利になる。
表　　　１ また、熱伝導冷却素子あるいは冷却体の一部に熱伝導等
方性のセラミックスを、熱伝導異方性のＡＱＮ−ＢＮ材
上に設ければ、熱伝導等方性のセラミックスによって、
均等に熱流を拡げることができる。それによって、半導
体チップの温度分布を効率よく均一にするよう動作させ
ることができる。更に、冷却体では、外部冷却器との熱
移動の熱抵抗を小さくすることができるなどの性能を高
めながら、低コストの半導体の冷却構造を量産すること
ができる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第１図と第２図を用いて説明
する。
第１図において、セラミックス環の電気面、５ａｊＡ板
１の」二に多数のＬＳＩチップ２が実装され、ＬＳＩチ
ップ２と外部冷却器５によって冷却される冷却体４との
間に熱伝導冷却素子３が組み込まれている。ＬＳＩチッ
プ２から発生した熱は、熱伝導冷却素子３．冷却体４を
矢印６の方向に流れ、最終的に外部冷却器５から運び去
られる。
熱伝導冷却素子３は、Δ１２ＮとＢＮとの複合焼結体で
作られている。ＡＱＮとＢＮとの複合焼結体を第２図に
示すように、単位立方体で表わすと、ｘ　−ｚ軸で示さ
れる２次元面方向の熱伝導率（λＸ。
λ２）は著しく高く、上記２次元面と直行する夕方向の
熱伝導率（λｙ）が著しく低い特徴をもっている。この
ＡＱＮとＢＮとの複合焼結体の熱伝導率の高い２次元面
方向をＬＳＩチップの熱流方向を示す第１図の矢印６の
方向に対して平行となるように、熱伝導冷却素子３を構
成することにより、熱伝導冷却素子３の伝熱性能を最も
大きくすることができる。逆に矢印６と直行する方向に
配置すれば、伝熱性能は、最も小さくなる。なお、上記
２次元面を矢印６と傾斜角度をもって構成すれば、熱伝
導冷却素子は、最大の伝熱性能から最小の伝熱性能に至
る中間の伝熱性能を設定することができる。
上記のように熱伝導冷却素子あるいは冷却体がＡ、ＱＮ
−ＢＮ複合焼結体であり、しかも熱伝導率の高い２次元
面方向をＬＳＩチップの熱流方向に対し、平行から直角
まで角度をもって設定することによって、基板に実装さ
れた多数のＬＳＩチップの発熱量が個々に異なっても、
各ＬＳＩチップに対応する熱伝導冷却素子の伝熱性能を
変更でき、ＬＳＩチップの温度をほぼ一様にそろえるこ
とができる。
また、通常のＡＱＮのピンカース硬度が約１００１００
Ｏ／　ｏｎ’に対し、ＡｆｌＮ−ＢＮ複合焼結材は、Ａ
ＱＮの１１５以下にすることができるから、加工性を著
しく向上できるので、熱伝導冷却素子に対して低コスト
で容易に切削、研削、研磨などの加工を行なうことがで
きる。
更に、Ａ（ＩＮ−ＢＮ複合焼結体の熱膨張率は約４　Ｘ
　１．　Ｏ”　（１／℃）程度であるので、セラミック
ス基板とＬＳＩチップなどどの熱膨張の整合がとれ、熱
歪を著しく小さく出来る。このため、半導体チップの冷
却装置の信頼性を高めることができる。
第３図に示す他の実施例は、熱伝導冷却素子の伝熱性能
を著しく高め、かつ冷却部品の加工公差や組立誤差及び
ＬＳＩチップの発熱による熱応力を緩和するために柔構
造としたものである。
すな力ち、熱伝導冷却素子は、ＬＳＩチップ２に接触す
る面をベース６とし、その上に多数の薄板状の第１のフ
ィン７が互いに平行に、かつペースと一体に設けられて
いる。一方、冷却体４は、基板１上に実装したＬＳＩチ
ップ２をおおうように封止するハウジング８である。こ
のハウジング８の内面には、前記第１のフィン７と同ピ
ツチの薄板状の第２のフィン９が設けられている。これ
ら第１のフィン７と第２のフィン９は互いに微小間隙を
保って嵌め合わされている。熱伝導冷却索子３は、ＬＳ
Ｉチップ２に対し必要以上の荷重を加えることのないば
ね力で接触し、かつバネ１０がり、　Ｓ　Ｉチップ２に
対する熱伝導冷却素子３の位置決めを行っている。第１
のフィン７とベース６から構成される熱伝導冷却素子３
、あるいはハウジング８と第２のフィン９とから構成さ
れる冷却体４は、第１図の実施例と同様にＡＡＮとＢＮ
との複合焼結体から出来ており、その構成も同じである
ので、その説明は省略する。
第３図の実施例では、特に熱伝導冷却素子と冷却体の伝
熱性能を高めるため、第１と第２のフィン７．９が非常
に薄く、その枚数が非常に多い構成となっている。しか
し、Ａ　Ｑ　Ｎ−Ｂ　Ｎ複合焼結体を用いることにより
、ＬＳＩチップの温度を制御出来ることはもちろん、複
雑な構造でも容易に加工できる。特に、多数のフィンを
同時に加工する際、高価なダイヤモンド砥石を多数使用
せず、安価なアルミナ砥石を用い、砥石寿命を長くする
ことができる効果がある。その理由は、ＡＱＮ−ＢＮ複
合焼結体の硬度が通常のＡｌ１Ｎと比べて１１５以下で
あるためである。また、フィンの加工精度も高めること
ができるので、上記実施例では。
高い伝熱性能を有する冷却構造を工業的に低コストで量
産することができる効果もある。
第４図に示す他の実施例は、熱伝導冷却素子のベース６
上に高熱伝導であり等方性のセラミック材（例えばＡＱ
Ｎ）の熱拡散板１１を接合したもので、その他の点は、
上記実施例と同じである。
このように構成すると、熱伝導冷却素子の熱伝導率異方
性の影響がＬＳＩチップに直接及ばず熱拡散板１１によ
って緩和されるので、ＬＳＩチップ内の温度分布がほぼ
一様になる効果がある。
更に、第５図に示す他の実施例は、熱伝導冷却素子のベ
ースをすべて高熱伝導であり等方性のセラミック材から
なる熱拡散ベース１２とし、この上に直接Ａ、　Ｑ　Ｎ
　−Ｂ　Ｎ複合焼結材の薄板状の平行フィン１３を多数
接合したものである。この場合、−段とＬＳＩチップ内
の温度分布を均一化できると共に、熱拡散ベース１２内
の熱移動が良好になるので、各フィン１３への熱分配を
改善できる。
第６図に示す他の実施例は、冷却体がＬＳＩチップ３を
包むハウジング８で、熱伝導冷却素子がＬＳＩチップ３
の背面及びハウジング８の内面に装着したベース６．１
４上に複数の板上フィン７゜９を設けた２、１の冷却部
材から成り、フィン７゜９が互いに微小間隙を保って嵌
め合わされている。
前記ベース６は、ばね１０からの力によってＬＳＩチッ
プ３の伝熱面に接触し、ベース１４はハウジング内面に
半田あるいはロー材などによって固着されている。なお
、ベース１４も、ベース６と同様に単に接触するだけで
もよい。そして、２組のフィン７．９が嵌め合わされた
熱伝導冷却素子は、共にＡＱＮ−ＢＮ％’Ｊ合焼結体か
ら構成されている。
このように構成されていると、２Ｒ１ｉのフィンとベー
スは、共に熱膨張率が等しいので、前記微小間隙が変化
することがない。このため、熱伝導冷却素子の伝熱性能
が安定する効果がある。特に５本実施例では、２組のフ
ィン７．９は、同一加工条件で工業的に低コストで量産
することが出来るので、この効果は大きい。更に、ハウ
ジング８の材料は熱伝導冷却素子と同じにする必要がな
いので、ハウジングに適したものを自由に選定できる効
果がある。
本発明は、ＬＳＩチップ及び熱伝導冷却素子に限った実
施例で説明したが、上述の実施例に限るものではなく、
半導体パッケージ、集積回路パッケージなど各種の半導
体発熱体１こも同様に適用できる。
本発明で用いるＢ　Ｎ−Ａ　Ｑ　Ｎ系焼結体は、ＢＮと
ＡΩＮの組成比によって熱伝導率などの諸物性値が異な
る１本発明に係る半導体の冷却装置に好適に用いられる
素材としては、ＢＮが５０〜２０重量％、Ａ、、　ＯＮ
が５０〜８０重量％の組成である。
ＢＮが５０重量％を越える組成においては焼結体は比較
的高熱伝導率ではあるものの１曲げ強さがあまり大きく
なく、また熱膨張係数の異方性が大きいため、またＡｕ
Ｎが８０重量％を超える組成においては焼結体の切削加
工性が劣るため本発明の放熱用部品の素材としては適さ
ない。
以下に本発明に係るＡＱＮ−ＢＮ焼結体を好適に製造し
得る方法の一例について述べる。平均粒径１μｍ以上の
六方晶ＢＮ粉末と平均粒径２μｍ程度のＡＱＮ粉末を所
定の組成比となるように配置 合し、さらに炭化カルシウム、酸化にットリウム等を焼
結助剤として０．２〜５重量部程度配合する。この混合
粉末を窒素ガス気流中でｉ−８００℃で２時間程度、４
０ＭＰａ程度の圧力でホットプレス焼結を行なう、この
ようにして得られた焼結体は、ホットプレス圧力軸と平
行な軸方向が熱伝導率の低い方向となる。その点を考慮
して、上述したようにフィンの配置の仕方を変更して、
熱伝導率を調整できる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、ビッカース硬度が通常のＡＱＮの１１
５以下で５２次元平面方向には等熱伝導性のＡｌ２Ｎよ
り熱伝導率が高く、これと直行する方向には熱伝導率の
低い熱伝導率異方性の性質を有するＡＱＮ−ＢＮ複合焼
結材を用いることにより、形状１寸法などが同じであっ
ても、ＬＳＩチップの発熱量に応じた伝熱性能を持つ半
導体チップの冷却ｒｉ置を、工業的に低コストに量産加
工することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例に係る半導体の冷却装置の縦
断面図、第２図は本発明の半導体の冷却装置に用いるＡ
ＱＮ−ＢＮ複合焼結体の熱伝導率異方性を示す単位立方
体、第３図は本発明の他の実施例の斜視図、第４図及び
第５図は本発明に係わる熱伝導冷却素子の他の実施例を
示す斜視図。 第６図は本発明の他の実施例の斜視図、第７図は従来の
半導体チップの冷却装置の斜視図である。 １・・・基板、２・・ＬＳＩチップ、３・・・熱伝導冷
却素子、４・・・冷却体、５・・・外部冷却体、６，１
４゜１７・・・ベース、７，９，１３，１６．１８・・
フィン、８１１５・ハウジング、１０・・・ばね、１１
゜１２・・・熱拡散板、１９・・微小間隙、２０・・・
空間、２１・・・ピン。 第　１　図 第２図 代理人弁理士　／１１　　川　勝　男β第 図 第 図 第 図 第 第 図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、半導体素子から熱伝導冷却素子を介して半導体素子
    からの発生熱を冷却体へ伝える半導体の冷却装置におい
    て、該熱伝導冷却素子あるいは該冷却体のうち少なくと
    も一方に、熱伝導率が二次元面に高く、該二次元面と垂
    直の方向に低い熱伝導率を示し、かつ切削、研削、若し
    くは研磨などの加工性に優れたＡｌＮとＢＮとを複合焼
    結したセラミック材を用いたことを特徴とする半導体の
    冷却装置。 ２、請求項１記載の半導体の冷却装置において、該熱伝
    導冷却素子と冷却体を、ベースと一体に及びほぼ平行に
    配列された複数の板状のフィンを互いに微小間隙を保っ
    て嵌め合わされる冷却部材とすることを特徴とする半導
    体の冷却装置。 ３、請求項１若しくは２記載の半導体の冷却装置におい
    て、該冷却体が半導体パッケージのハウジングとし、ハ
    ウジング内部に、高熱伝導性流体を封止したことを特徴
    とする半導体の冷却装置。 ４、請求項１記載の半導体の冷却装置において、冷却体
    は半導体チップあるいは半導体パッケージをおおうハウ
    ジングとし、ハウジング内部に高熱伝導性流体を封止し
    、熱伝導冷却素子はベースと、前記ベース上にほぼ一体
    に形成された複数の板状フィンとからなる２組の冷却フ
    ィンを、互いに微小間隙を保って嵌め合わされる冷却部
    材とし、前記ベースの一方は半導体チップあるいは半導
    体パッケージ表面に、他方のベースはハウジング内面に
    、ばね力による接触あるいは接合材による固着などによ
    って装置されることを特徴とする半導体の冷却装置。 ５、請求項２記載の半導体の冷却装置において、該熱伝
    導冷却素子あるいは該冷却体のうち少なくとも一方のベ
    ースに熱伝導率の等方性のセラミック製熱拡散板を接合
    したことを特徴とする半導体の冷却装置。 ６、熱伝導冷却素子と冷却体とがベース及び前記ベース
    と一体にかつほぼ平行に配列された複数の板状のフィン
    とから成り、前記フィンが互いに微小間隙を保って嵌め
    合い、前記熱伝導冷却素子を介して半導体チップあるい
    は半導体パッケージから前記冷却体へ半導体の発生熱を
    伝える半導体の冷却装置であって、 該ベースは、熱伝導率が等方性でかつ高熱伝導性のセラ
    ミックを用い、前記フィンは熱伝導率異方性のＡｌＮと
    ＢＮとの複合焼結材を用い、前記ベースと前記フィンが
    互いに接合されていることを特徴とする半導体の冷却装
    置。
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