JPS60126853A

JPS60126853A - 半導体デバイス冷却装置

Info

Publication number: JPS60126853A
Application number: JP58234219A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Oguro; 崇弘大黒; Tadakatsu Nakajima; 忠克中島; Noriyuki Ashiwake; 芦分　範行; Keizo Kawamura; 圭三川村; Motohiro Sato; 佐藤　元宏; Fumiyuki Kobayashi; 小林　二三幸; Hisashi Nakayama; 中山　恒
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-12-14
Filing date: 1983-12-14
Publication date: 1985-07-06
Also published as: EP0169270B1; JPH0578183B2; DE3481795D1; US4770242A; EP0169270A1

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、半導体素子あるいは集積回路チップから発生
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かくするため、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と一記）チップ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とＦｒｅｅ　Ｃ
ｈｉｐ−Ｆａｃｅ　Ｄｏｗｎ　Ｂｏｎｄｉｎｇによって
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チップ２を覆うようにハウジング５
が基板２に装着されてｔ濁る。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
ップ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。一基板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チップ２からの発生熱は、
ピストン７の球面状先端とＬＳＩチップ２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
の隙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１
０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。従って、ヘリウム層の熱抵抗を小つく押える
ためにはピストン７とシリンダ６との隙間を小さくする
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チップ１の
温度が大きくばらついたりする恐れがある。

上記９欠点を改善するため、米国特許第４．２６３，９
６５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チップ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
に各々薄い喪方形の熱伝導板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チップ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１
２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チップ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チップ１内の発熱分布は、時間と共に
変動する。従って、ＬＳＩチップ１の端のちで発熱して
いる場合は１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
導いＬＳＩチップ１を介して伝わっ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Ｌ
ＳＩチップ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、各熱伝導板の熱移送効率が低下
してしまう。

また、熱伝導板の設置面積がＬＳＩチップ１の幅によっ
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、半導体チップ
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、半導体チップの表面積すなわち放熱面積より
大きな底面積を有する熱伝導体に一体に、複数の第１フ
インを設け、この第１フインと、ハウジング内面側に設
けられた複数の第２フインとを互いに微小間隙を保って
嵌め合わせ、前記熱伝導体とハウジング側の間に介装さ
れた弾力性部材によって前記熱伝導体の表面を半導体チ
ップ面に押し付けるよう構成した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、胴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ィン１６が互いに平行に設けら
れている。ＬＳＩチップ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、前記フィ
ン１６と同ピツチでプレート状のフィン１８が多数ベー
スと一体に設けられている。ハウジング１５のフィン１
６と熱伝導体１７のベース上のフィン１８とは、互いに
微小間隙１９を保って嵌め合わされている。

熱伝導体１７のベースは、ＬＳＩチップ１の接続用の半
田ボール３に影響を及ぼさね様にばね定数が柔わらかい
ぼね２０によってＬＳＩチップ１に押し付けられ、ＬＳ
Ｉチップ１の背面と互いに面接触している。ばね２０は
、フィン１６の隙間２３゛内に挿入され、ハウジング１
５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チップ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チップ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チップ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満されている。なお、微小間隙１
９内にだけ熱伝導性グリースなどの高熱伝導性の液体を
充てんしてもよい。

本実施例は、上記のように構成したので、ＬＳＩチップ
ｌで発生した熱は、ＬＳＩチップ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の各フィン１８に伝わる。そ
して、各々微小間隙１９のヘリウムガス層からハウジン
グ１５のフィン１６へと伝わり、最終的にハウジング１
５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のフィン１８は、ベースと一体に形成され
ているので、たとえＬＳＩチップ１内の発熱分布が不均
一であっても′、発生熱は、ベース内で均一・に拡散さ
せることができる。従って、熱伝導体１７の各フィン１
８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、■、ＳＩチップ１の
背面積の２倍の面積５０からＬＳＩチップ−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のフィン１６あるいは熱伝導
体１７のフィン１８の総横断面積が、どちらか一方でも
ＬＳＩチップ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チップの背面積の２倍の面積５
０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チップの熱伝導体とぶつかるので、
熱伝導体１７の大きさは、最大値ＬＳＩチップの一個当
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、フィン１６．１８に直接力が加わら
ないので、フィン１６．１８を座折させる恐れがない。

このため、フィン１６．１８は薄くしてもよい。また、
熱伝導体１７のベースは、ＬＳＩチップ１に単に接触し
ているだけであるので、ＬＳＩチップ面に自由に追従し
可動することができる。一方、熱伝導体１７をＬＳＩチ
ップ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
たフィン２５及び熱伝導体２６のフィン２７が、互いに
先端が先細り状となる台形断面となっている。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。フィン２５゜２７の形状を台形断面とすること
により、フィ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のべ−ス面を
円筒面３０としたことを特徴とする。円筒面の中心軸は
、熱伝導体２８のフィン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
ィン２９とハウジング１５のフィン１６とは、各フィン
間の溝方向に自由に動けると共に、フィン２９と直交す
る方向にＬＳ　Ｉ−ｊツブ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。

円筒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チップ１面の追従性が向上したため
、フィン１６．２９間の微小隙間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ィン３２は、
先端に突起３５が設けられる。一方、熱伝導体４０は、
ＬＳＩチップ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ィン３１を、上記フィン３
２の間に挿入した時、熱伝導体４０がフィン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によって両側からＬＳＩチップ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に設けられるフィン４２が、各
ＬＳＩチップ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
ィン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のフィン１６とハウジング４１のフィン４２が互
いにかみ合う恐れがなくな２効来がある。

第１３図の他の実施例は、ハウジング４３のフィン４５
を、ＬＳＩチップ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のフィンとして製作し、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、面熱伝導体１７．４４は
、同一のプロセス中で作ることができるため、フィン１
６゜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ィン加工するより、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
フィン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ィン加工が容易であ
る。また、一般に多数配線を施した基板２は強度的にも
ろく、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、温度膨張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ィンの
高さを一定の長さとして説明して来たが、ＬＳＩチップ
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チップの動作信頼性を向上させる
ため、Ｌ’Ｓ　Ｉチップの温度を一定に保つ必要がある
。徒って、各ＬＳＩチップの状態によって、熱伝導体の
フィン、あるいはハウジングのフィ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
フィンを低くしても、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チップの背面は、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、鋼あるいはアルミニ
ウム製の熱伝導体を押し付けたら、各ＬＳＩチップは互
いにショートしてしまう。従って、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５ｉ
−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ＬＳ
Ｉチップとの熱膨張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、各フィンの枚
数及びＬＳＩチッ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１
７図に示す。

性能を調べるのに当り、Ｌ、ＳＩチップの大きさを４Ｗ
ｒｌ角、ＬＳＩチップ１個当りの占有面積を９Ｉ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、熱伝導体が互いにぶつか
らぬように、幾伝導体ベースの木きさは最大８ＩＩＩ１
１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ＩＭｎ、第１フインの枚数が４枚、幅
が８−と各々一定とした場合、フィン長さを長くし、第
１フインと第２フインとの嵌め合い長さを１０ｎｏ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めたもので
ある。曲線Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄは、間隔が各々２５μｍｓ　
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５１１Ｉ１１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城ため、
結局余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フィン間の間隙を５０μｍ一定
とし、第１フイン及び第２フインの板厚を２．６　ｍｎ
から０．２　ｍｎまで薄くして熱伝導体ベース８ｍｏ角
の上に乗せ得る最大限のフィ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めたのが第１６図であ
る。曲線Ｅ、Ｆ、Ｇ。

Ｈは、フィンの厚さが２．６　ｍｎ、１．０　Ｉｎ１Ｄ
、　Ｏ，’４腑、０，２ｍ、並びにフィン枚数が２．４
，８゜１６枚である。フィ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、フィンの板厚を薄くし、フィ
ン枚数を多くし、かつ、フィン間隔を小さくする仁共に
、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、餉１７図では、第１フインの厚さを１膿。

長さ４ｍｍ、嵌ψ合い長さ３ｍｍ、フィン間隔５０μｍ
とし、熱伝導−ベースに１次々フィン枚数を増加させて
いた時→熱抵抗を示す。第１フィ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、熱抵抗が増加してしまう。フ
ィ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、半導体チップを
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、半導体チッ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ィンとを一体に形成した
ので、半導体チッ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。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来の半導体チップの冷却装置の縦断
面図、第３図は本発明の半導体チップの冷却装置の一実
施例を示す一部断面斜視図、第４図は第３図の半導体チ
ップ部の要部縦断面図、第５図は第３図の半導体チップ
の冷却装置の要部横断面図、第６図は半導体チップの平
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１２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チップ、２・・・基板、３・・・半田ボ
ール、４・・・ピン、５，１．１．１５・・・ハウジン
グ、７・・・ピストン、８，２０・・・ばね、９，２４
・・・密閉空間、１０・・・冷却器、１２・・・溝、１
３・・・熱伝導板、１４゜３３・・・板ばね、１６，１
８，２５，２７，２９゜３１．３２・・・フィン、１７
，２６，２８，４０・・・熱伝導体、２１．２２中大、
２３・・・スリット、３０・・・円筒面、１９・・・微
小間隙。代理人　弁理士　高橋明夫充　１　旧ＹＪｚ図￥１３　（２）第４図）ＦＩ５　（２））ｈ　ろ　しろ５１亮　７　図 ′″ｆＪ３図第　９　図１べ聞　１２　（２） ′ｆＪ１３　図３Ｙｌ　７４図４７　１．ｌｙ第　１５　図ＩＪめ４トい長さ　（ｍ割） ′：ｐｆＪ７６　図１揺今い長２、（ガｍ）！Ｏ１７図１）　１　フ４　ン才ズ、朕

Claims

【特許請求の範囲】１、回路基板上に実装された半導体チップの発生熱をハ
ウジングに伝えて冷却するために、一方が前記半導体チ
ップの表−に接触し、他方が微小間隙を介してハウジン
グ側と係合する熱伝導体と１．該熱伝導体と前記ハウジ
ング間に介装された弾性部材とを、備えたものにおいて
、前記熱伝導体は前記半導体チップの表面積よりも大き
な底面積を有するベースと、該ベース上に一ジング側に
設けたことを特徴とする半導体チップの冷却装置。２、前記第１フイン及び第２フィン共に複数の平行な平
板状としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の半導体チップの冷却装置。３、前記熱伝導体のベースの半導体チップと接触する側
の表面を、前記第１フインと平行な中心軸を有する円筒
面としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
半導体チップの冷却装置。