JPH0578183B2

JPH0578183B2 -

Info

Publication number: JPH0578183B2
Application number: JP58234219A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Ooguro; Tadakatsu Nakajima; Noryuki Ashiwake; Keizo Kawamura; Motohiro Sato; Fumyuki Kobayashi; Hisashi Nakayama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-12-14
Filing date: 1983-12-14
Publication date: 1993-10-28
Also published as: DE3481795D1; EP0169270A1; US4770242A; JPS60126853A; EP0169270B1

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体素子集積回路チツプあるいは
マイクロパツケージ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。

〔発明の背景〕

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
た回路チツプが開発されている。また、その集積
回路チツプを互いに接続する電気配線をできるだ
け短縮するため、マイクロパツケージに多数の集
積回路チツ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システムの冷却装置
に関し、第１図に示すように冷却装置が提案され
ている。

大規模集積回路（以下LSIと略記）チツプ１
は、多数の導電層及び絶縁層からなる多層配線基
板２（以下基板と称す）上に非常に小さな半田ボ
ール３を用いたFace Down Bondingによつて実
装され、基板２の裏面の多数のピンに電気接続さ
れている。多数のLSIチツプ１を覆うようにハウ
ジング５が基板２に装着されている。ハウジング
５内には多数のシリンダ６が開けられ、シリンダ
６の中にはLSIチツプ１の背面から熱を導びくピ
ストン７と、ピストン７に押圧力を加えるばね８
が挿入されている。基板２とハウジング５とで囲
まれた密閉空間９には、ヘリウムガスが満たされ
ている。LSIチツプ１からの発生熱は、ピストン
７の球面状先端とLSIチツプ１の背面との接触部
に介在するヘリウムガス層を介してピストン７に
伝えられる。ピストンから更にピストン７とシリ
ンダ６との〓間に介在するヘリウムガス層を伝わ
り、ハウジング５に導びかれる。そして、最終的
に、ハウジング５の上部に設けられた冷水または
冷却空気の流通する冷却器１０により除去され
る。

しかし、このような従来技術には次のような問
題点がある。

ヘリウムガスの熱伝導率は、気体の中では大き
い方であるが、ピストンあるいはシリンダなど金
属体に比べ非常に小さい。従つて、ヘリウム層の
熱抵抗を小さく押えるためにはピストン７とシリ
ンダ６との〓間を小さくする必要がある。このた
め、ピストン７あるいはシリンダ６は、高い加工
精度が要求される。加工精度が低ければ、ピスト
ン７の動きが阻害されたり、各LSIチツプ１の温
度が大きくばらついたりする恐れがある。

上記の欠点を改善するため、米国特許第
4263965号の如き、冷却構造が提案されている。

これを第２図で説明する。第１図の冷却構造に
対して第２図の冷却構造は、LSIチツプ１に対向
するハウジング１１内に多数の平行溝１２を設
け、各平行溝１２内に各々薄い長方形の熱伝導板
１３と熱伝導板１３に押圧力を加える板ばね１４
が挿入されている。

第２図の冷却構造は、第１図の冷却構造に比べ
熱伝導板１３と平行溝１２の側壁との熱交換する
伝熱面積を大きくとれ、また、熱伝導板１３と
LSIチツプ１との接触状態を熱伝導板１３の板厚
分の面接触に改善されている。

しかし、第２図の冷却構造においても、下記の
問題点がある。

多数の熱伝導板１３が各々切り離され独立し、
平行溝１２の中に挿入されているので、各熱伝導
板１３間相互の熱交換がほとんど行われない。
LSIチツプ１の集積回路は、多数の電気回路から
構成されているため、一般に一様に発熱すること
が極めてまれである。LSIチツプ１内の発熱分布
は、時間と共に変動する。従つて、LSIチツプ１
の端で発熱している場合は、発熱部分に近い熱伝
導板１３しか熱を奪い去ることができず、遠くの
熱伝導板１３からは、非常に薄いLSIチツプ１を
介して伝わつて来た熱しか持ち去ることができな
い。すなわち、多数の熱伝導板１３をLSIチツプ
１の上に置いても、熱伝導板間の熱移動がほとん
ど行われないため、各熱伝導板の熱移動効率が低
下する。

また、熱伝導板の設置面積がLSIチツプ１の幅
によつて制限されるため、冷却性能向上には限界
がある。

〔発明の目的〕本発明の目的は、上記に鑑み基板の反り、半導
体チツプ接続時の変位、冷却構造組立時の変形、
冷却構造の熱変形など種々の変位を吸収する能力
を有し、かつ冷却性能が優れた半導体素子及び集
積回路の冷却装置を提供することである。

〔発明の概要〕

本発明は、回路基板上に実装された複数の半導
体デバイスからの発生熱を熱伝導体を介してハウ
ジングに伝えて冷却する半導体デバイス冷却装置
において、前記ハウジングには、その内壁に、ハ
ウジングの一方の端から他方の端にわたり連続し
て互いに平行な複数の第２フインをハウジングと
一体で前記熱伝導体側に垂直に伸長して形成し、
前記熱伝導体は、前記複数の半導体デバイスと対
になるように、一方の面が半導体デバイスに接触
し、他方の面が前記ハウジングの内壁との間に間
隔を有するように独立して複数が配置され、これ
らの熱伝導体には、前記半導体デバイスの表面積
より大きい底面積を有し前記半導体デバイスに接
触するベースと該ベース上に互いに平行な複数の
第１フインをベースと一体で前記ハウジング側に
垂直に伸長して形成し、前記熱伝導体に形成され
た第１フインと前記ハウジングの内壁に形成され
た第２フインとは、隣接するフイン間、第１フイ
ンの伸長方向端部と前記ハウジングの内壁との間
及び第２フインの伸長方向端部と前記熱伝導体の
ベース上面との間とが各々微小な間〓を介して係
合しており、前記ハウジングの内壁と前記各々の
熱伝導体のベース上面との間には、前記熱伝導体
を前記半導体デバイスに押圧するためのばね部材
を介在させ、該ばね部材は、前記第１フインと第
２フインの少なくとも一方に設けられた溝部に挿
入されており、その一方の作用点が前記熱伝導体
のベース上面にあり、他方の作用点が前記ハウジ
ングの内壁上にあることを特徴とするものであ
る。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第３図から第６図を
用いて説明する。

図において、銅あるいはアルミニウムのような
熱伝導性の良好な材料により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イン１６
が互いに平行に設けられている。LSIチツプ１の
背面の伝熱面積より大きな面積を有する熱伝導体
１７のベースの上にも、多数のプレート状のフイ
ン１８が前記フイン１６と同ピツチでベースと一
体に設けられている。ハウジング１５のフイン１
６と熱伝導体１７のベース上にフイン１８とは、
互いに微小間〓１９を保つて嵌め合わされてい
る。熱伝導体１７のベースは、LSIチツプ１の接
続用の半田ボール３に影響を及ぼさぬ様にばね定
数が小さいばね２０によつてLSIチツプ１に押し
付けられ、LSIチツプ１の背面と互いに面接触し
ている。ばね２０は、フイン１６の〓間２３内に
挿入され、ハウジング１５に設けられた穴２１と
熱導伝体１７のベース中央に設けられた穴２２と
で固定されている。この場合、ばねの作用点が熱
伝導体１７のベース及びハウジング１５の両端に
設けられるので、熱伝導体１７をLSIチツプ１に
対して安定に押し付けることができると共に、ば
ね２０の長さを充分長くとることができる。更
に、熱伝導体１７のベースがLSIチツプ１の上か
らずれ落ちないように防止することも出来き、そ
して常にLSIチツプ１の中央に熱伝導体１７を面
接触させることができる。

ハウジング１５と基板２とで囲まれた密閉空間
２４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填されてい
る。なお、微小間〓１９内にだけ熱伝導性グリー
スなどの高熱伝導性の液体を充填してもよい。

本実施例は、上記のように構成したので、LSI
チツプ１で発生した熱は、LSIチツプ１と全面接
触する熱伝導体１７のベースに一旦伝えられ、ベ
ース内で一様に拡散された後、熱伝導体１７の各
フイン１８に伝わる。そして、各々微小間〓１９
のヘリウムガス層からハウジング１５のフイン１
６へと伝わり、最終的にハウジング１５上部に取
り付けられる冷却器（図示せず）により持ち去ら
れる。

熱伝導体１７のフイン１８は、ベースと一体に
形成されているので、たとえLSIチツプ１内の発
熱分布が不均一であつても、発生熱は、ベース内
で均一に拡散させるとができる。従つて、熱伝導
体１７の各フイン１８の熱輸送効率を最大限に高
めることができる。熱伝導体１７の大きさは、基
板２上に投影した熱伝導体１７の投影面積が、第
６図に示すように、LSIチツプ１の背面積の２倍
の面積５０からLSIチツプ一個当りの基板２上の
占有面積５１まで自由に選ぶことができる。すな
わち、ハウジング１５のフイン１６あるいは熱伝
導体１７のフイン１８の総横断面積が、どちらか
一方でもLSIチツプ１の伝熱面積より小さいと、
断面積縮小の熱抵抗により伝熱性能が低下するの
で、熱伝導体１７の大きさは、最小限LSIチツプ
の背面積の２倍の面積５０が必要である。一方、
熱伝導体１７を大きくし過ぎると、隣接する他の
LSIチツプの熱伝導体と接触するので、熱伝導体
１７の大きさは、最大値LSIチツプの一個当りの
基板２上の占有面積５１まで大きくすることがで
きる。

なお、ばね２０は、フイン１６，１８に直接力
が加わらないので、フイン１６，１８を座折させ
る恐れがない。このため、フイン１６，１８は薄
くしてもよい。また、熱伝導体１７のベースは、
LSIチツプ１に単に接触しているだけであるの
で、LSIチツプ１面に自由に追従し可動すること
ができる。一方、熱伝導体１７をLSIチツプ１か
ら自由に引き離すことができる。

第７図に示す他の実施例は、ハウジング１５に
設けられたフイン２５及び熱伝導体２６のフイン
２７が、互いに先端が先細り状となる台形断面と
なつている。その他の構造は、第３図に示す実施
例と同一であるので説明を省略する。フイン２
５，２７の形状を台形断面とすることにより、フ
イン形状の加工が容易となる利点がある。

第８図に示す他の実施例は、熱伝導体２８のベ
ース面を曲面３０としたことを特徴とする。曲面
３０の中心線は、熱伝導体２８のフイン２９の平
面と平行に形成されている。このように構成され
ていると、熱伝導体２８のフイン２９とハウジン
グ１５のフイン１６とは、各フイン間の溝方向に
自由に動けると共に、フイン２９と直交する方向
にLSIチツプ１が傾いても、熱伝導体２９は自由
に追従することができる。

曲面にしたことにより、球面の点接触から線接
触に移行し、接触熱抵抗を小さくすることができ
る。また、熱伝導体２９のLSIチツプ１面の追従
性が向上したため、フイン１６，２９間の微小〓
間１９は、小さくすることができ、結局、熱伝導
体の冷却性能を高めることができる。

更に、本発明の他の実施例を第９図、第１０
図、第１１図を用いて説明する。

ハウジング１５内面に設けられた多数のフイン
３２は、先端に突起３５が設けられる。一方、熱
伝導体４０は、LSIチツプ１と接する面が平面で
ある。熱伝導体４０と一体に形成された多数のフ
イン３１を、上記フイン３２の間に挿入した時、
熱伝導体４０がフイン３２間の溝の長手方向に移
動しないように、上記突起３５の間に保持され
る。更に熱伝導体４０は、多数のばねを一体に形
成した板ばね３３によつて両側からLSIチツプ１
に押付けられている。

第１２図に示す本発明の他の実施例は、第３図
の実施例に対し、ハウジング４１に設けられるフ
イン４２が、各LSIチツプ１個々に対応するよう
に個別に設けられている。その他の点は、第３図
の実施例と同じである。フイン４２を分割したた
め、たとえハウジング４１が熱変形あるいは外力
などによる応力変形を生じても、熱伝導体１７の
フイン１６とハウジング４１のフイン４２が互い
にかみ合う恐れがなくなる効果がある。

第１３図の他の実施例は、ハウジング４３のフ
イン４５を、LSIチツプ１側に熱伝導体１７と同
じようにハウジング４３側の熱伝導体４４のフイ
ンとして製作し、その後、熱伝導体４４をハウジ
ング４３の内面に接合したものである。本実施例
の場合、両熱伝導体１７，４４は、同一のプロセ
ス中で作ることができるため、フイン１６，４５
を容易に同一精度で作ることができる。また、ハ
ウジングに直接フイン加工するより、別々に製作
した方が、ハウジングの生産性を高めることがで
きる。

第１４図に示す他の実施例は、ハウジング４６
を天井部４７と側枠部４９とに分割している。ハ
ウジング４６のフイン４８を製作する際、側枠部
４９を最初から別々にしておくと、特に切削加工
の場合フイン加工が容易である。また、一般に多
数配線を施した基板２は強度的に脆弱で、ハウジ
ングの封止用フランジを別に設けている。本実施
例では、天井部４７の材質を基板２と同質の材料
に選んでいるため、温度膨脹率を合わせることが
でき、また、側枠部４９は、封止用フランジと強
度的に同じ材質を選ぶことができる。このよう
に、天井部４７と側枠部４９の材質を別々に選ぶ
ことにより、封止性能向上、熱応力緩和、生産性
向上と各種利点が生れる。

以上、上記の実施例では、いずれも熱伝導体の
フインの高さを一定の長さとして説明して来た
が、LSIチツプは、動作状態あるいは電気回路が
異なるので、その発生熱量も異なる。LSIチツプ
の動作信頼性を向上させるため、LSIチツプの温
度を一定に保つ必要がある。従つて、各LSIチツ
プの状態によつて、熱伝導体のフイン、あるいは
ハウジングのフインの長さを調整すれば、簡単に
温度コントロールできる。特に、熱伝導体のフイ
ンを低くしても、熱伝導体の押付用ばねの長さは
変化しない。

また、熱伝導体あるいはハウジングの材質は、
高い熱伝導率を有する銅あるいはアルミニウムが
一般的であるが、LSIチツプの背面は、特別の電
気絶縁処理を施さないかぎり、電気伝導性である
ため、銅あるいはアルミニウム製の熱伝導体を押
し付けたら、各LSIチツプは互いにシヨートす
る。従つて、熱伝導体あるいはハウジングを電気
絶縁性に富み、高熱伝導率を有するSi−Ｃ材にす
れば、銅とアルミニウムとの中間の高い熱伝導率
を確保することができると共に、基板あるいは
LSIチツプとの熱膨脹率の差を小さくできる。

なお、本発明の範囲から離れることなく、各フ
インの枚数及びLSIチツプ搭載数など変更しても
よい。

本発明の冷却装置の性能を調べた結果を第１５
図〜第１７図に示す。

性能を調べるに当り、LSIチツプの大きさを４
mm角、LSIチツプ１個当りの占有面積を９mm角、
熱伝導体及びハウジングの材質をアルミニウム、
封入ガスをヘリウムガスとした。また、熱伝導体
が互いに接触せぬように、熱伝導体ベースの大き
さは最大８mm角を越えないものとした。

第１５図は、熱伝導体の第１フイン及びハウジ
ングの第２フインの厚さが１mm、第１フインの枚
数が４枚、幅が８mmと各々一定とした場合、フイ
ン長さを長くし、第１フインと第２フインとの嵌
め合い長さを10mmまで大きくし、第１フインと第
２フインとの間隔をパラメータとして熱伝導体と
ハウジング間の熱抵抗を求めたものである。曲線
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、間隔が各々25μｍ、50μｍ、
100μｍ、200μｍのものである。間隔が一定なら、
熱抵抗を極小にする嵌め合い長さが存在する。例
えば、間隔が25μｍなら、最適嵌め合い長さは、
約５mmとなる。間隔が50μｍ、100μｍ、200μｍと
大きくなるにつれ、最適嵌め合い長さは長くな
る。この理由は、嵌め合い長さが短かいと、第１
及び第２フイン内の熱伝導熱抵抗は小さくなる
が、第１フインと第２フインとの対向面積が減る
ため、結局全熱抵抗は大きくなる。一方、嵌め合
い長さが長くなると、逆に対向面積は大きいが、
第１及び第２フインの熱抵抗が増加するため、総
熱抵抗も増加する。

一方、第１フインと第２フイン間の間〓を50μ
ｍ一定とし、第１フイン及び第２フインの板厚を
2.6mmから0.2mmまで薄くして熱伝導体ベース８mm
角の上に乗せ得る最大限のフイン枚数を多くして
した時の熱抵抗を、嵌め合い長さに対して求めた
のが第１６図である。曲線Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈは、フ
インの厚さが2.6mm、1.0mm、0.4mm、0.2mm、並び
にフイン枚数が２、４、８、16枚である。フイン
枚数を増すほど熱抵抗は、小さくなる。なお、第
１５図の曲線Ｂと第１６図の曲線Ｆとは、同一の
ものである。

第１５図、第１６図より、フインの板厚を薄く
し、フイン枚数を多くし、かつ、フイン間隔を小
さくすると共に、最適の嵌め合い長さを選べば、
熱抵抗を小さくすることができる。

なお、第１７図では、第１フインの厚さを１
mm、長さ４mm、嵌め合い長さ３mm、フイン間隔
50μｍとし、熱伝導体ベースに、次々とフイン枚
数を増加させていつた時の熱抵抗を示す。第１フ
イン枚数がふえるにつれ、熱抵抗は小さくなる
が、ある枚数以上になると、第２フインの板厚が
薄くなり、熱抵抗が増加する。フイン枚数を増加
させるなら、第１６図に示すように、第１フイン
と第２フインを共に薄くし、嵌め合い長さを短か
くすればよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、半導体
チツプを回路基板に実装した時の傾きあるいは高
さのバラツキ、基板製造時に発生する反り、冷却
構造体組立時に発生する変形、冷却構造体の熱変
形など各種雑多の変位に対して、自由に追従し、
半導体チツプの発生熱を高い伝熱性能でヒートシ
ンクであるハウジングに伝えることができる。

また熱伝導体とその上のフインとを一体に形成
したので、半導体チツプ面以上の大きな熱伝導体
が用いられるので、冷却性能を高めることができ
る。

そして、複数の熱伝導体と係合されるように連
続的に伸びたハウジング側の第２フインを有する
ようにした本発明によれば、複数の電子デバイス
間の熱抵抗を減少できるという効果が得られる。
すなわち、各電子デバイス間の発熱量はかなり異
なるが、デバイス間の発熱量が大幅に異なつて
も、本発明によれば、デバイス間の温度差を小さ
く保つことができ、その結果、 (a) より冷却能力の小さい冷却装置でよく、冷却
装置が安価になる、 (b) 各デバイス間の動作速度を一様にでき、コン
ピユータの信頼性を向上できる、という効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来の半導体チツプの冷却装
置の縦断面図、第３図は本発明の半導体デバイス
冷却装置の一実施例を示す一部断面斜視図、第４
図は第３図の半導体チツプ部の要部縦断面図、第
５図は第３図の半導体デバイス冷却装置の要部横
断面図、第６図は半導体チツプの平面図、第７
図、第８図、第９図は本発明に係わる他の実施例
の主要部断面図、第１０図は第８図のハウジング
部材の詳細を示す一部断面斜視図、第１１図は第
８図の板ばねの詳細を示す一部断面斜視図、第１
２図は本発明の他の実施例の斜視図、第１３図は
さらに他の実施例の要部縦断面図、第１４図は他
の実施例のハウジング部分の断面図、第１５〜第
１７図は本発明の性能を示すために、はめ合い長
さ、及び第１フインの枚数と熱抵抗の関係を示す
図である。１……LSIチツプ、２……基板、３……半田ボ
ール、４……ピン、５，１１，１５……ハウジン
グ、７……ピストン、８，２０……ばね、９，２
４……密閉空間、１０……冷却器、１２……溝、
１３……熱伝導板、１４，３３……板ばね、１
６，１８，２５，２７，２９，３１，３２……フ
イン、１７，２６，２８，４０……熱伝導体、２
１，２２……穴、２３……スリツト、３０……曲
面、１９……微小間〓。

Claims

【特許請求の範囲】１回路基板上に実装された複数の半導体デバイ
スからの発生熱を熱伝導体を介してハウジングに
伝えて冷却する半導体デバイス冷却装置におい
て、前記ハウジングには、その内壁に、ハウジング
の一方の端から他方の端にわたり連続して互いに
平行な複数の第２フインをハウジングと一体で前
記熱伝導体側に垂直に伸長して形成し、前記熱伝導体は、前記複数の半導体デバイスと
対になるように、一方の面が半導体デバイスに接
触し、他方の面が前記ハウジングの内壁との間に
間隔を有するように独立して複数が配置され、これらの熱伝導体には、前記半導体デバイスの
表面積より大きい底面積を有し前記半導体デバイ
スに接触するベースと該ベース上に互いに平行な
複数の第１フインをベースと一体で前記ハウジン
グ側に垂直に伸長して形成し、前記熱伝導体に形成された第１フインと前記ハ
ウジングの内壁に形成された第２フインとは、隣
接するフイン間、第１フインの伸長方向端部と前
記ハウジングの内壁との間及び第２フインの伸長
方向端部と前記熱伝導体のベース上面との間とが
各々微小な間〓を介して係合しており、前記ハウジングの内壁と前記各々の熱伝導体の
ベース上面との間には、前記熱伝導体を前記半導
体デバイスに押圧するためのばね部材を介在さ
せ、該ばね部材は、前記第１フインと第２フイン
の少なくとも一方に設けられた溝部に挿入されて
おり、その一方の作用点が前記熱伝導体のベース
上面にあり、他方の作用点が前記ハウジングの内
壁上にあること、を特徴とする半導体デバイス冷却装置。