JP3113400B2 - 電子回路装置 - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高集積の半導体チップ
を高密度微細接続により実装する構造に関する。
を高密度微細接続により実装する構造に関する。
【0002】
【従来の技術】電子計算機を高速化するためには、演算
や記憶に用いられる半導体集積回路の配線長を短くする
必要がある。そのため、半導体集積回路の高集積化が進
んでいる。この半導体集積回路の高集積化に伴い、半導
体集積回路から配線基板への入出力端子数が増加し、そ
の接続部は微細化の一途をたどっている。そのため、接
続部の強度が低下し、寿命が低くなるなどの問題が生じ
ている。
や記憶に用いられる半導体集積回路の配線長を短くする
必要がある。そのため、半導体集積回路の高集積化が進
んでいる。この半導体集積回路の高集積化に伴い、半導
体集積回路から配線基板への入出力端子数が増加し、そ
の接続部は微細化の一途をたどっている。そのため、接
続部の強度が低下し、寿命が低くなるなどの問題が生じ
ている。
【0003】これに対し、半導体チップを冷却すること
により、チップと配線基板との接続部およびその他の接
続部にかかる応力・ひずみの低減および接続部の信頼性
の向上を図る技術が提案されている。例えば、特開平2
−7456号公報によれば、図7に示すように、蛇腹構
造を有するベローズ15の内部に冷却水を循環させて、
半導体チップ2に接触させることにより、半導体チップ
2を冷却する構造が開示されている。また、例えば、特
開平1−125962号公報では、図8に示ような、応
力を吸収する構造をもつダイヤフラム16を介して、冷
却水を接触させ、半導体チップ2を冷却する構造が、ま
た、特開平3−283451号公報では、図9に示すよ
うに、はんだを介して、半導体チップ2を冷却部材に接
触させて冷却する構造が開示されている。
により、チップと配線基板との接続部およびその他の接
続部にかかる応力・ひずみの低減および接続部の信頼性
の向上を図る技術が提案されている。例えば、特開平2
−7456号公報によれば、図7に示すように、蛇腹構
造を有するベローズ15の内部に冷却水を循環させて、
半導体チップ2に接触させることにより、半導体チップ
2を冷却する構造が開示されている。また、例えば、特
開平1−125962号公報では、図8に示ような、応
力を吸収する構造をもつダイヤフラム16を介して、冷
却水を接触させ、半導体チップ2を冷却する構造が、ま
た、特開平3−283451号公報では、図9に示すよ
うに、はんだを介して、半導体チップ2を冷却部材に接
触させて冷却する構造が開示されている。
【0004】また、電子回路の高集積化により、集積回
路内の発熱密度が高まり、実装プロセス時及び実稼働時
の回路の内部温度変化や三次元温度分布からの熱膨張な
どによる変形の構造への影響が深刻な問題となってきて
いる。さらに、内部温度変化や温度分布の均一化及び発
熱密度の上昇に対応するために冷却性能の向上も重要な
課題となっている。
路内の発熱密度が高まり、実装プロセス時及び実稼働時
の回路の内部温度変化や三次元温度分布からの熱膨張な
どによる変形の構造への影響が深刻な問題となってきて
いる。さらに、内部温度変化や温度分布の均一化及び発
熱密度の上昇に対応するために冷却性能の向上も重要な
課題となっている。
【0005】そこで、従来の図10に示すようなくし歯
19により放熱面積を増加させ強制的に空冷するタイプ
から、図11に示すような水冷系とくし歯20による接
触で冷却するタイプや、フレオンにチップを直接浸し冷
却する液体浸漬タイプや、さらに上述の公開公報のよう
にチップをモジュールキャップにろう材もしくははんだ
で固着し水冷ジャケットに近づけ冷却する間接水冷タイ
プへ変化し、冷却性能向上のための技術の開発などが行
われている。これらの技術については、特開平2−83
957号公報に示されている。
19により放熱面積を増加させ強制的に空冷するタイプ
から、図11に示すような水冷系とくし歯20による接
触で冷却するタイプや、フレオンにチップを直接浸し冷
却する液体浸漬タイプや、さらに上述の公開公報のよう
にチップをモジュールキャップにろう材もしくははんだ
で固着し水冷ジャケットに近づけ冷却する間接水冷タイ
プへ変化し、冷却性能向上のための技術の開発などが行
われている。これらの技術については、特開平2−83
957号公報に示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
では、十分な放熱特性を得ることと、冷却系を含めた半
導体モジュール構造体の加工性・組立性が良いこととが
両立していないという問題があった。
では、十分な放熱特性を得ることと、冷却系を含めた半
導体モジュール構造体の加工性・組立性が良いこととが
両立していないという問題があった。
【0007】さらに、従来の技術で述べた半導体モジュ
ール構造体は、いずれも、実装プロセス時に、構造体に
熱変形が生じた場合、接続不良を起こすことがあった。
また、実稼働時のオン・オフの繰返しによって、過渡的
温度分布のサイクルにより、接続部破壊を起こすことも
あった。これらは、従来の構造体の構造に起因する問題
であると考えられる。このような問題は、半導体モジュ
ールの接続の信頼性を低下させてしまうため、これらを
向上させる構造の開発が望まれている。
ール構造体は、いずれも、実装プロセス時に、構造体に
熱変形が生じた場合、接続不良を起こすことがあった。
また、実稼働時のオン・オフの繰返しによって、過渡的
温度分布のサイクルにより、接続部破壊を起こすことも
あった。これらは、従来の構造体の構造に起因する問題
であると考えられる。このような問題は、半導体モジュ
ールの接続の信頼性を低下させてしまうため、これらを
向上させる構造の開発が望まれている。
【0008】従来技術の問題点を具体的に説明する。上
述のベローズやダイヤフラム構造は、冷却性は良いが、
不良のチップを交換する際に、水冷系をとり外さなけれ
ばならず、リペア性が悪い。水冷系は、部品数が多いの
で、不良チップを交換する際に、とり外さなければなら
ない部品数が多くなり、加工精度および組立て精度のバ
ラツキが接続部寿命に大きく影響する。加えて、ベロー
ズやダイヤフラム構造ではチップに応力をかけないため
に、バネ構造部を備えなければならない。そのため、バ
ネ構造部のスペースが必要であり、モジュール全体構造
の小型化にも限界がある。
述のベローズやダイヤフラム構造は、冷却性は良いが、
不良のチップを交換する際に、水冷系をとり外さなけれ
ばならず、リペア性が悪い。水冷系は、部品数が多いの
で、不良チップを交換する際に、とり外さなければなら
ない部品数が多くなり、加工精度および組立て精度のバ
ラツキが接続部寿命に大きく影響する。加えて、ベロー
ズやダイヤフラム構造ではチップに応力をかけないため
に、バネ構造部を備えなければならない。そのため、バ
ネ構造部のスペースが必要であり、モジュール全体構造
の小型化にも限界がある。
【0009】次に、くし歯熱伝導構造では、くし歯の噛
み合いしろ範囲内のずれを許容できるという利点がある
ので、他の構造と比べて加工性、組立て性、リペア性が
良いが、くし歯構造部分の接触熱抵抗が大きいため熱抵
抗の減少に限界がある。そのため、チップ発熱密度の増
大に対し冷却性能をあげることができない。また、くし
歯スペースを確保するためモジュール高さが高くなると
いう問題もある。
み合いしろ範囲内のずれを許容できるという利点がある
ので、他の構造と比べて加工性、組立て性、リペア性が
良いが、くし歯構造部分の接触熱抵抗が大きいため熱抵
抗の減少に限界がある。そのため、チップ発熱密度の増
大に対し冷却性能をあげることができない。また、くし
歯スペースを確保するためモジュール高さが高くなると
いう問題もある。
【0010】また、はんだ固着構造では、構造が簡単で
リペア性も良く、チップを冷却系に近づけられるため冷
却性能を大幅に向上でき、さらに、モジュールの大幅な
小型化が可能となるなど利点も多いが、基板の反りへの
対応が難しい。すなわち、ほとんどの基板は反りを有し
ているが、基板の反っている場合、チップにも傾きが生
じる。その場合、チップと冷却系との間隔が、基板の反
り加減で異なってしまう。そのため、チップと冷却系と
のあいだに、充填すべきはんだの量が、基板の部位によ
ってばらつく。このようなバラツキに個々に対応してい
たのでは、製造効率が極端に低下してしまう。しかし、
はんだ固着構造では、はんだによって、チップと冷却系
の接合部の応力を吸収する構造であるため、はんだ量の
調節を行なわないと、チップとはんだとの接合部でチッ
プに加わるストレスが大きくなる。
リペア性も良く、チップを冷却系に近づけられるため冷
却性能を大幅に向上でき、さらに、モジュールの大幅な
小型化が可能となるなど利点も多いが、基板の反りへの
対応が難しい。すなわち、ほとんどの基板は反りを有し
ているが、基板の反っている場合、チップにも傾きが生
じる。その場合、チップと冷却系との間隔が、基板の反
り加減で異なってしまう。そのため、チップと冷却系と
のあいだに、充填すべきはんだの量が、基板の部位によ
ってばらつく。このようなバラツキに個々に対応してい
たのでは、製造効率が極端に低下してしまう。しかし、
はんだ固着構造では、はんだによって、チップと冷却系
の接合部の応力を吸収する構造であるため、はんだ量の
調節を行なわないと、チップとはんだとの接合部でチッ
プに加わるストレスが大きくなる。
【0011】本発明の目的は、電子回路部品の交換を容
易に行なうことができ、小型で、高い冷却性能を備え、
さらに、基板の反りある場合にも電子回路部品に応力を
加えない電子回路装置と、これを演算・記憶素子として
備えた高性能の電子計算機を提供することにある。
易に行なうことができ、小型で、高い冷却性能を備え、
さらに、基板の反りある場合にも電子回路部品に応力を
加えない電子回路装置と、これを演算・記憶素子として
備えた高性能の電子計算機を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明によれば、基板と、電子回路部品と、前記基板
と電子回路部品とを電気的に接続する接続手段と、前記
電子回路部品を冷却する冷却手段と、前記冷却手段と前
記電子回路部品との双方に接触して、前記冷却手段と前
記電子回路部品とを熱的に連結する連結手段とを有する
電子回路装置であって、前記連結手段は、貫通孔を有す
る板状部材と、前記貫通孔を充填する充填部材とを有
し、前記板状部材は、前記貫通孔の開口部を、前記電子
回路部品に接触する側と前記冷却手段に接触する側とに
有し、前記充填部材は、少なくとも一部が前記電子回路
部品に接触し、かつ、前記貫通孔の電子回路部品側の開
口部を閉塞するものであることを特徴とする電子回路装
置が提供される。
に本発明によれば、基板と、電子回路部品と、前記基板
と電子回路部品とを電気的に接続する接続手段と、前記
電子回路部品を冷却する冷却手段と、前記冷却手段と前
記電子回路部品との双方に接触して、前記冷却手段と前
記電子回路部品とを熱的に連結する連結手段とを有する
電子回路装置であって、前記連結手段は、貫通孔を有す
る板状部材と、前記貫通孔を充填する充填部材とを有
し、前記板状部材は、前記貫通孔の開口部を、前記電子
回路部品に接触する側と前記冷却手段に接触する側とに
有し、前記充填部材は、少なくとも一部が前記電子回路
部品に接触し、かつ、前記貫通孔の電子回路部品側の開
口部を閉塞するものであることを特徴とする電子回路装
置が提供される。
【0013】
【作用】本発明において、電子回路部品は、基板上に配
置され、さらに接続手段によって基板と電気的に接続さ
れる。連結手段は、電子回路部品と冷却手段との双方に
接触することにより、電子回路部品の熱を冷却手段に伝
導して、電子回路部品を冷却する。
置され、さらに接続手段によって基板と電気的に接続さ
れる。連結手段は、電子回路部品と冷却手段との双方に
接触することにより、電子回路部品の熱を冷却手段に伝
導して、電子回路部品を冷却する。
【0014】連結手段は、貫通孔を有する板状部材と、
貫通孔を充填する充填部材とを有している。板状部材
は、貫通孔の開口部を、電子回路部品に接触する側と前
記冷却手段に接触する側とに備えている。充填部材は、
少なくとも一部が電子回路部品に接触し、かつ、貫通孔
の電子回路部品側の開口部を閉塞するものである。
貫通孔を充填する充填部材とを有している。板状部材
は、貫通孔の開口部を、電子回路部品に接触する側と前
記冷却手段に接触する側とに備えている。充填部材は、
少なくとも一部が電子回路部品に接触し、かつ、貫通孔
の電子回路部品側の開口部を閉塞するものである。
【0015】基板に反りがある場合には、板状部材と電
子回路部品との位置関係が、基板の反り加減によって、
ばらつくこととなるが、本発明では、等しい量の充填部
材で、そのばらつきを許容することができる。すなわ
ち、基板の反りによって、板状部材と電子回路部品が、
離れている場合には、板状部材と電子回路部品との間隙
が大きく、これを充填部材がを満たすので、貫通孔の内
部を満たす充填部材の量が少なくなる。また、板状部材
と電子回路部品とが接近している場合には、板状部材と
電子回路部品との間隙が小さく、貫通孔の内部を満たす
充填部材の量が多くなる。どちらの場合においても、充
填部材は、貫通孔の電子回路部品側の開口部を閉塞して
いる。これは、板状部材が電子部品側から冷却手段側に
貫通する貫通孔を有しているがゆえに可能となった技術
である。
子回路部品との位置関係が、基板の反り加減によって、
ばらつくこととなるが、本発明では、等しい量の充填部
材で、そのばらつきを許容することができる。すなわ
ち、基板の反りによって、板状部材と電子回路部品が、
離れている場合には、板状部材と電子回路部品との間隙
が大きく、これを充填部材がを満たすので、貫通孔の内
部を満たす充填部材の量が少なくなる。また、板状部材
と電子回路部品とが接近している場合には、板状部材と
電子回路部品との間隙が小さく、貫通孔の内部を満たす
充填部材の量が多くなる。どちらの場合においても、充
填部材は、貫通孔の電子回路部品側の開口部を閉塞して
いる。これは、板状部材が電子部品側から冷却手段側に
貫通する貫通孔を有しているがゆえに可能となった技術
である。
【0016】また、本発明の電子回路装置は、構造が簡
単であるので、電子回路部品の交換を容易に行なうこと
ができる。また、電子回路部品は、充填部材と、板状部
材とによって、直接冷却手段に連結されるので、冷却効
率も高い。
単であるので、電子回路部品の交換を容易に行なうこと
ができる。また、電子回路部品は、充填部材と、板状部
材とによって、直接冷却手段に連結されるので、冷却効
率も高い。
【0017】このように、本発明の電子回路装置におい
て、板状部材に貫通孔と、これを充填することにより板
状部材と電子回路部品とを直接連結する充填部材とを用
いたことにより、基板の反りある場合にも電子回路部品
に応力を加えない電子回路装置が提供される。
て、板状部材に貫通孔と、これを充填することにより板
状部材と電子回路部品とを直接連結する充填部材とを用
いたことにより、基板の反りある場合にも電子回路部品
に応力を加えない電子回路装置が提供される。
【0018】
【実施例】以下に、本発明の一実施例の電子回路装置
を、図1から図6を用いて説明する。
を、図1から図6を用いて説明する。
【0019】まず、本発明の第1の実施例の電子回路装
置の実装構造を図1を用いて説明する。本実施例の電子
回路装置は、裏面に信号ピン9を有する絶縁多層基板1
と、絶縁多層基板1上に複数個(図1では1個のみ図示
している)の半導体チップ2とを有している。半導体チ
ップ2と絶縁多層基板1とは、はんだバンプ8で接続さ
れている。また、電子回路装置は、半導体チップを冷却
するための冷却ジャケット4と、半導体チップ2を冷却
ジャケット4に熱的に連結するための、天板3と充填部
材5と伝熱板6とを備えている。天板3と充填部材5と
伝熱板6とは、熱伝導性グリス11を介して冷却ジャケ
ット4と接触している。また、天板と充填部材5とは、
半導体チップ2とも接触している。天板3は、基板8の
端部に配置されたフレーム7によって、支持されてい
る。基板1およびフレーム7、フレーム7および天板1
0はそれぞれろう材10で接続されている。冷却ジャケ
ット4は、内部に冷却水を循環させるための冷却管4a
を有している。
置の実装構造を図1を用いて説明する。本実施例の電子
回路装置は、裏面に信号ピン9を有する絶縁多層基板1
と、絶縁多層基板1上に複数個(図1では1個のみ図示
している)の半導体チップ2とを有している。半導体チ
ップ2と絶縁多層基板1とは、はんだバンプ8で接続さ
れている。また、電子回路装置は、半導体チップを冷却
するための冷却ジャケット4と、半導体チップ2を冷却
ジャケット4に熱的に連結するための、天板3と充填部
材5と伝熱板6とを備えている。天板3と充填部材5と
伝熱板6とは、熱伝導性グリス11を介して冷却ジャケ
ット4と接触している。また、天板と充填部材5とは、
半導体チップ2とも接触している。天板3は、基板8の
端部に配置されたフレーム7によって、支持されてい
る。基板1およびフレーム7、フレーム7および天板1
0はそれぞれろう材10で接続されている。冷却ジャケ
ット4は、内部に冷却水を循環させるための冷却管4a
を有している。
【0020】天板3は、セラミックで構成されている。
天板3は、半導体チップ2側から冷却ジャケット4側
に、貫通する貫通孔を有している。貫通孔は、半導体チ
ップ2の搭載位置に設けられている。貫通穴の半導体チ
ップ2側の開口部のサイズは、半導体チップ2のサイズ
より若干小さめになっている。天板3は、半導体チップ
2の上面と天板3下面がほぼ同一平面内にくるよう配置
されている。
天板3は、半導体チップ2側から冷却ジャケット4側
に、貫通する貫通孔を有している。貫通孔は、半導体チ
ップ2の搭載位置に設けられている。貫通穴の半導体チ
ップ2側の開口部のサイズは、半導体チップ2のサイズ
より若干小さめになっている。天板3は、半導体チップ
2の上面と天板3下面がほぼ同一平面内にくるよう配置
されている。
【0021】この貫通穴には、低融点の金属から成る充
填部材5(例えばIn48Sn(融点:約120℃)、Bi56.3Pb
(融点:約125℃))が充填されている。充填部材5を
構成する材料の融点は、はんだバンプ8を構成するはん
だの融点より低いものを用いる。冷却ジャケット4側の
開口部には、Cuなどの高熱伝導性金属からなる伝熱板
6がのせられている。充填部材5は、少なくとも一部が
前記電子回路部品に接触し、かつ、前記貫通孔の電子回
路部品側の開口部を閉塞している。
填部材5(例えばIn48Sn(融点:約120℃)、Bi56.3Pb
(融点:約125℃))が充填されている。充填部材5を
構成する材料の融点は、はんだバンプ8を構成するはん
だの融点より低いものを用いる。冷却ジャケット4側の
開口部には、Cuなどの高熱伝導性金属からなる伝熱板
6がのせられている。充填部材5は、少なくとも一部が
前記電子回路部品に接触し、かつ、前記貫通孔の電子回
路部品側の開口部を閉塞している。
【0022】さらに、貫通穴の冷却ジャケット4側を拡
げて段差を設けてることにより、伝熱経路の拡大してい
る。伝熱金属薄板6にも天板側の段差の張出し部3a形
状に対応した段差を設けている。この張出し部3aは、
天板3の剛性を高める補強材としての役目を持ってい
る。また、この張出し部は、絶縁基板1及び天板3など
の加工精度及び組立て精度が悪い場合に、冷却ジャケッ
ト4締め付け時に、伝熱板6を支持することにより、は
んだバンプ8に過剰な圧力を加えないためのスペーサの
役目も果たしている。
げて段差を設けてることにより、伝熱経路の拡大してい
る。伝熱金属薄板6にも天板側の段差の張出し部3a形
状に対応した段差を設けている。この張出し部3aは、
天板3の剛性を高める補強材としての役目を持ってい
る。また、この張出し部は、絶縁基板1及び天板3など
の加工精度及び組立て精度が悪い場合に、冷却ジャケッ
ト4締め付け時に、伝熱板6を支持することにより、は
んだバンプ8に過剰な圧力を加えないためのスペーサの
役目も果たしている。
【0023】ここで、本実施例では、図1のように、伝
熱板6の下面に曲率を持たせている。このような曲率を
有する場合には、充填部材5が伝熱板6の中心側からぬ
れ拡がるため、接続面にボイドができにくい。また、チ
ップ中心側ほど、充填部材の厚さが薄くなるので、熱抵
抗が小さい構造となり、モジュール全体の温度分布が均
一化されることなどの利点がある。
熱板6の下面に曲率を持たせている。このような曲率を
有する場合には、充填部材5が伝熱板6の中心側からぬ
れ拡がるため、接続面にボイドができにくい。また、チ
ップ中心側ほど、充填部材の厚さが薄くなるので、熱抵
抗が小さい構造となり、モジュール全体の温度分布が均
一化されることなどの利点がある。
【0024】本実施例の電子回路装置を組み立てる手順
を説明する。まず、基板1上にはんだバンプ8によっ
て、半導体チップ2を接続する。つぎに、基板1上に、
フレーム7をろう材10によって取付ける。そして、フ
レーム7上に天板3を搭載する。この時、天板3の下面
と半導体チップ2の上面が一致し、かつ、天板3が半導
体チップ2に、圧力を加えない高さとなるように配置す
る。
を説明する。まず、基板1上にはんだバンプ8によっ
て、半導体チップ2を接続する。つぎに、基板1上に、
フレーム7をろう材10によって取付ける。そして、フ
レーム7上に天板3を搭載する。この時、天板3の下面
と半導体チップ2の上面が一致し、かつ、天板3が半導
体チップ2に、圧力を加えない高さとなるように配置す
る。
【0025】天板3の貫通孔から半導体チップ2上に、
充填部材5を構成するための低融点の金属の塊をおく。
つぎに、この低融点の金属を加熱して溶融し、半導体チ
ップ2と天板3との間および貫通孔の半導体チップ2側
の開口部を完全に充填する。さらに、低融点金属を溶融
した状態で、伝熱板6を貫通孔の冷却ジャケット側の開
口部にいれる。このとき、伝熱板6と溶融した低融点金
属が接するようにする。天板3の上面から、低融点金属
があふれた場合には、吸引して取り除く。つぎに、低融
点金属を冷却して固体化して充填部材5を構成する。天
板3と、伝熱板6上に、熱伝導性グリス11を塗布し、
水冷ジャケットを搭載して完成させる。
充填部材5を構成するための低融点の金属の塊をおく。
つぎに、この低融点の金属を加熱して溶融し、半導体チ
ップ2と天板3との間および貫通孔の半導体チップ2側
の開口部を完全に充填する。さらに、低融点金属を溶融
した状態で、伝熱板6を貫通孔の冷却ジャケット側の開
口部にいれる。このとき、伝熱板6と溶融した低融点金
属が接するようにする。天板3の上面から、低融点金属
があふれた場合には、吸引して取り除く。つぎに、低融
点金属を冷却して固体化して充填部材5を構成する。天
板3と、伝熱板6上に、熱伝導性グリス11を塗布し、
水冷ジャケットを搭載して完成させる。
【0026】つぎに、本実施例の電子回路装置のリペア
時に、半導体チップ2を交換する手順について説明す
る。まず、水冷ジャケット4を取外す。そして、充填部
材5を加熱して、充填部材5を構成する低融点金属を溶
融する。この状態で、伝熱板6を取外し、溶融した状態
の低融点金属を吸引する。つぎに天板3をとり外して、
半導体チップを交換する。
時に、半導体チップ2を交換する手順について説明す
る。まず、水冷ジャケット4を取外す。そして、充填部
材5を加熱して、充填部材5を構成する低融点金属を溶
融する。この状態で、伝熱板6を取外し、溶融した状態
の低融点金属を吸引する。つぎに天板3をとり外して、
半導体チップを交換する。
【0027】このように、本実施例の電子回路装置にお
いて、半導体チップ2は、熱伝導性グリス11と伝熱板
6と充填部材5とを介して、冷却ジャケット4と接触し
ている。熱伝導性グリス11と伝熱板6と充填部材5
は、熱伝導性が良いので、半導体チップ2を効果的に冷
却することができる。また、基板に反りのある場合に
も、充填部材5が、半導体チップ2と天板3との間隙を
充填して、半導体チップ2に応力を加えることなく、基
板の反りを許容することができる。
いて、半導体チップ2は、熱伝導性グリス11と伝熱板
6と充填部材5とを介して、冷却ジャケット4と接触し
ている。熱伝導性グリス11と伝熱板6と充填部材5
は、熱伝導性が良いので、半導体チップ2を効果的に冷
却することができる。また、基板に反りのある場合に
も、充填部材5が、半導体チップ2と天板3との間隙を
充填して、半導体チップ2に応力を加えることなく、基
板の反りを許容することができる。
【0028】さらに、上述のように本実施例の電子回路
装置は、部品数が少ないので、リペア時に半導体チップ
2を容易に交換することができる。
装置は、部品数が少ないので、リペア時に半導体チップ
2を容易に交換することができる。
【0029】また、貫通孔の内部に段差を設けているの
で、天板3と、充填部材5との接触面積が大きく、天板
と充填部材との接合強度が大きいという利点がある。
で、天板3と、充填部材5との接触面積が大きく、天板
と充填部材との接合強度が大きいという利点がある。
【0030】また、低融点金属によって半導体チップ2
と天板3とを接続しているので、融点から室温までの温
度差が小さいため、接続時の加熱・冷却過程での構造部
材の熱膨張・熱収縮による部材の変形が小さいため、は
んだバンプに余分な応力・ひずみを与えることもほとん
どない。
と天板3とを接続しているので、融点から室温までの温
度差が小さいため、接続時の加熱・冷却過程での構造部
材の熱膨張・熱収縮による部材の変形が小さいため、は
んだバンプに余分な応力・ひずみを与えることもほとん
どない。
【0031】本発明の第2の実施例を図2を用いて説明
する。
する。
【0032】本実施例は、実施例は、図1の実施例にお
ける貫通穴の開口部のサイズを半導体チップ2のサイズ
とほぼ等しいか、若干大きめにした場合の例である。こ
の場合、絶縁多層配線基盤1及び天板もしくはキャップ
3に反りがあって、天板3の下面より上に半導体チップ
2の上面が位置してしまうような場合でも、貫通孔内に
半導体チップ2が入り込むことで、半導体チップ2の上
面が天板に接触しない。したがって、はんだバンプ8に
余分な圧力をかけることなく、半導体チップ2の上面
と、天板3との接続ができる。
ける貫通穴の開口部のサイズを半導体チップ2のサイズ
とほぼ等しいか、若干大きめにした場合の例である。こ
の場合、絶縁多層配線基盤1及び天板もしくはキャップ
3に反りがあって、天板3の下面より上に半導体チップ
2の上面が位置してしまうような場合でも、貫通孔内に
半導体チップ2が入り込むことで、半導体チップ2の上
面が天板に接触しない。したがって、はんだバンプ8に
余分な圧力をかけることなく、半導体チップ2の上面
と、天板3との接続ができる。
【0033】本発明の第3の実施例を図3を用いて説明
する。
する。
【0034】本実施例は、貫通穴に段差を設けていない
場合の実施例である。貫通穴の開口部のサイズは実施例
2と同様に、半導体チップ2のサイズとほぼ等しいか、
若干大きめにした。貫通孔の段差を設けていないので、
天板3の加工が簡単で、かつ、図2の実施例と同様絶縁
配線基盤1の反りに柔軟に対応できる。
場合の実施例である。貫通穴の開口部のサイズは実施例
2と同様に、半導体チップ2のサイズとほぼ等しいか、
若干大きめにした。貫通孔の段差を設けていないので、
天板3の加工が簡単で、かつ、図2の実施例と同様絶縁
配線基盤1の反りに柔軟に対応できる。
【0035】さらに、本実施例において、リペア時に半
導体チップ2を交換する場合に、充填部材5と伝熱板6
とを取外した後、天板3をとり外さずに、貫通孔から半
導体チップ2を交換することも可能である。この場合に
は、交換の工数を減少させることができるので、リペア
の効率を高くすることができる。
導体チップ2を交換する場合に、充填部材5と伝熱板6
とを取外した後、天板3をとり外さずに、貫通孔から半
導体チップ2を交換することも可能である。この場合に
は、交換の工数を減少させることができるので、リペア
の効率を高くすることができる。
【0036】本発明の第4の実施例を図4を用いて説明
する。
する。
【0037】本実施例は、天板3の貫通孔の半導体チッ
プ2側の開口部のサイズを、半導体チップ2と同等か大
きめにし、冷却ジャケット4側の開口部のサイズを小さ
くして、段差を設けた場合のものである。この段差によ
り、冷却経路は狭くなるが、天板3の剛性が高くなると
いう利点がある。
プ2側の開口部のサイズを、半導体チップ2と同等か大
きめにし、冷却ジャケット4側の開口部のサイズを小さ
くして、段差を設けた場合のものである。この段差によ
り、冷却経路は狭くなるが、天板3の剛性が高くなると
いう利点がある。
【0038】本発明の第5の実施例を図5を用いて説明
する。
する。
【0039】図5の実施例は、天板3を、外周部と内部
とで構成する部材を変えたものである。外周部を厚板の
枠とし、内部を中間金属薄板の加工物12で構成した。
中間金属薄板の加工物12は、半導体チップ2を搭載部
に、貫通孔を有している。この構成は、天板3全体とし
ての剛性が高く保ちながら、半導体チップ2の搭載部の
剛性を低くすることができ、はんだバンプへのストレス
も小さくすることができる。
とで構成する部材を変えたものである。外周部を厚板の
枠とし、内部を中間金属薄板の加工物12で構成した。
中間金属薄板の加工物12は、半導体チップ2を搭載部
に、貫通孔を有している。この構成は、天板3全体とし
ての剛性が高く保ちながら、半導体チップ2の搭載部の
剛性を低くすることができ、はんだバンプへのストレス
も小さくすることができる。
【0040】本発明の第6の実施例を図6を用いて説明
する。
する。
【0041】本実施例の電子回路装置3は、天板3とフ
レーム7との間、および、フレーム7と絶縁多層配線基
板1と間に、それぞれOリング14a、14bを、配置
している。また、天板3と半導体チップ2との間にも、
Oリング14cを配置している。Oリング14a、14
b、14cは、気密封止と、充填部材5の漏れ防止を図
ったものである。フレーム7には、排気管13を配置し
た。
レーム7との間、および、フレーム7と絶縁多層配線基
板1と間に、それぞれOリング14a、14bを、配置
している。また、天板3と半導体チップ2との間にも、
Oリング14cを配置している。Oリング14a、14
b、14cは、気密封止と、充填部材5の漏れ防止を図
ったものである。フレーム7には、排気管13を配置し
た。
【0042】この場合、充填部材5を充填する前に、天
板3と基板1とが構成する気密空間の内部気体を排気管
13より高温雰囲気中での排気を行う。この空間を構成
する部材の内面の加工精度が悪い場合、すなわち、天板
3の加工精度が悪い場合や、多層基板1のうねりが激し
い場合には、排気が十分に行われないので、この加工精
度の検出も同時に行うことが可能である。さらに、すべ
てのはんだバンプ8にほぼ一定の荷重をかけることがで
きるという利点がある。また、封止後排気管13より不
活性ガスを注入し密封することにより、気密封止も行え
る構造である。
板3と基板1とが構成する気密空間の内部気体を排気管
13より高温雰囲気中での排気を行う。この空間を構成
する部材の内面の加工精度が悪い場合、すなわち、天板
3の加工精度が悪い場合や、多層基板1のうねりが激し
い場合には、排気が十分に行われないので、この加工精
度の検出も同時に行うことが可能である。さらに、すべ
てのはんだバンプ8にほぼ一定の荷重をかけることがで
きるという利点がある。また、封止後排気管13より不
活性ガスを注入し密封することにより、気密封止も行え
る構造である。
【0043】上述の第1の実施例から第6の実施例にお
いて、天板3とこれを支持するフレーム7の部分を一体
構造としたキャップ状の部材とすることも可能である。
また、半導体チップ2を、チップキャリアやその他電子
回路部品に置き換えた場合でもどうように構成すること
が可能である。
いて、天板3とこれを支持するフレーム7の部分を一体
構造としたキャップ状の部材とすることも可能である。
また、半導体チップ2を、チップキャリアやその他電子
回路部品に置き換えた場合でもどうように構成すること
が可能である。
【0044】上述の6つの実施例の効果をまとめると以
下の6点のようになる。
下の6点のようになる。
【0045】(1)半導体チップ2と天板3とを実装プ
ロセス時に構造的に分離させ、各接合部に生じる応力・
ひずみを低減させることができる。
ロセス時に構造的に分離させ、各接合部に生じる応力・
ひずみを低減させることができる。
【0046】(2)充填部材5を構成する低融点金属
は、同時に低剛性であり、これにより実稼働時の内部温
度変化および温度分布による変形を吸収し、他の接合部
に生じる応力・ひずみを低減させることができる。
は、同時に低剛性であり、これにより実稼働時の内部温
度変化および温度分布による変形を吸収し、他の接合部
に生じる応力・ひずみを低減させることができる。
【0047】(3)天板3を、熱伝導性グリス11を介
して冷却ジャケット4と接続することができ、放熱経路
が特定できる。また、半導体チップ2を冷却系に近づけ
られるため熱抵抗が減少し、冷却性能の向上が図れるた
め電子回路装置内の温度分布および温度上昇が少なくな
り電子回路装置全体の熱変形が小さくなる。
して冷却ジャケット4と接続することができ、放熱経路
が特定できる。また、半導体チップ2を冷却系に近づけ
られるため熱抵抗が減少し、冷却性能の向上が図れるた
め電子回路装置内の温度分布および温度上昇が少なくな
り電子回路装置全体の熱変形が小さくなる。
【0048】(4)貫通穴中の充填部材5を構成する低
融点金属を溶融した状態において、天板3上面と、伝熱
板6上面を同時に平板により加圧しながら冷却すること
により多層基板1の反りを吸収し、電子回路装置の上面
を平坦化することができる。
融点金属を溶融した状態において、天板3上面と、伝熱
板6上面を同時に平板により加圧しながら冷却すること
により多層基板1の反りを吸収し、電子回路装置の上面
を平坦化することができる。
【0049】(5)上記伝熱板6の半導体チップ2側の
面に曲率を持たせ凸状にすることにより、充填部材を構
成する低融点金属が中心からぬれ拡がるため、ボイドな
どの接続欠陥を大幅に低減することが可能となる。
面に曲率を持たせ凸状にすることにより、充填部材を構
成する低融点金属が中心からぬれ拡がるため、ボイドな
どの接続欠陥を大幅に低減することが可能となる。
【0050】(6)上記伝熱板6の曲率により、充填部
材5の熱抵抗は、チップ2の中心が最も小さくなり、チ
ップ2の発熱でチップ2に生じる温度分布が小さくな
る。そのため、チップ2の熱変形により、はんだバンプ
8に生じる熱応力・ひずみが低減される。
材5の熱抵抗は、チップ2の中心が最も小さくなり、チ
ップ2の発熱でチップ2に生じる温度分布が小さくな
る。そのため、チップ2の熱変形により、はんだバンプ
8に生じる熱応力・ひずみが低減される。
【0051】(7)不良チップ2の交換において、上記
充填部材5を構成する低融点金属を先に溶かして吸い取
り、チップ2と天板3とをを完全に分離した後、リペア
を行うことができる。
充填部材5を構成する低融点金属を先に溶かして吸い取
り、チップ2と天板3とをを完全に分離した後、リペア
を行うことができる。
【0052】本実施例では、伝熱板6として曲率を持た
せたが、必ずしも曲率を持たせる必要はなく、単なる平
板もしくは段付き平板でも、その要求性能に対して適し
た形状を選択すれば良い。
せたが、必ずしも曲率を持たせる必要はなく、単なる平
板もしくは段付き平板でも、その要求性能に対して適し
た形状を選択すれば良い。
【0053】
【発明の効果】上述のように、本発明によれば、電子回
路部品の交換を容易に行なうことができ、小型で、高い
冷却性能を備えた電子回路装置でありながら、さらに、
基板の反りある場合にも電子回路部品に応力を加えない
電子回路装置が提供することができる。
路部品の交換を容易に行なうことができ、小型で、高い
冷却性能を備えた電子回路装置でありながら、さらに、
基板の反りある場合にも電子回路部品に応力を加えない
電子回路装置が提供することができる。
【図1】本発明による第1の実施例の電子回路装置の構
造を示す断面図。
造を示す断面図。
【図2】本発明による第2の実施例の電子回路装置の構
造を示す断面図。
造を示す断面図。
【図3】本発明による第3の実施例の電子回路装置の構
造を示す断面図。
造を示す断面図。
【図4】本発明による第4の実施例の電子回路装置の構
造を示す断面図。
造を示す断面図。
【図5】本発明による第5の実施例の電子回路装置の構
造を示す断面図。
造を示す断面図。
【図6】本発明による第6の実施例の電子回路装置の構
造を示す断面図。
造を示す断面図。
【図7】従来技術で冷却部にベローズ構造を用いた電子
回路装置の構造を示す断面図。
回路装置の構造を示す断面図。
【図8】従来技術でモジュール上面にダイヤフラムを用
いた電子回路装置の構造を示す断面図。
いた電子回路装置の構造を示す断面図。
【図9】従来技術でモジュール上面とLSI背面をはん
だで固着した電子回路装置の構造を示す断面図。
だで固着した電子回路装置の構造を示す断面図。
【図10】従来技術でくし歯を用いた電子回路装置の構
造を示す断面図。
造を示す断面図。
【図11】従来技術でくし歯を用いた電子回路装置の構
造を示す断面図。
造を示す断面図。
1…絶縁多層配線基板、2…チップ、3…天板、4…冷
却ジャケット、5…低融点金属、6…伝熱板、7…モジ
ュールフレーム、8…はんだバンプ、9…I/Oピン、
10…封止用ろう材、11…熱伝導性グリス、12…中
間金属薄板、13…排気管、14…Oリング、15…ベ
ローズ、16…ダイヤフラム、17…チップ背面固着用
はんだ、18…支持リング、19…放熱フィン、20…
くし歯。
却ジャケット、5…低融点金属、6…伝熱板、7…モジ
ュールフレーム、8…はんだバンプ、9…I/Oピン、
10…封止用ろう材、11…熱伝導性グリス、12…中
間金属薄板、13…排気管、14…Oリング、15…ベ
ローズ、16…ダイヤフラム、17…チップ背面固着用
はんだ、18…支持リング、19…放熱フィン、20…
くし歯。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松井 清 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社 日立製作所 生産技術研究所 内 (72)発明者 原田 正英 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社 日立製作所 生産技術研究所 内 (72)発明者 根津 利忠 神奈川県秦野市堀山下1番地 株式会社 日立製作所 神奈川工場内 (72)発明者 白井 貢 神奈川県秦野市堀山下1番地 株式会社 日立製作所 神奈川工場内 (56)参考文献 特開 平5−102354(JP,A) 実開 平3−113837(JP,U) 特許2821229(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 23/36 H01L 23/473
Claims (10)
- 【請求項1】基板と、前記基板上に配置された電子回路
部品と、前記電子回路部品を冷却する冷却手段と、前記
冷却手段と前記電子回路部品との双方に接触して、前記
冷却手段と前記電子回路部品とを熱的に連結する連結手
段とを有し、 前記連結手段は、前記電子回路部品と前記冷却手段との
間に配置され、前記電子回路部品の上部に貫通孔を有す
る板状部材と、前記貫通孔内に配置される伝熱板と、前
記貫通孔内の空間を満たして固化した充填部材とを含
み、 前記伝熱板は、前記電子回路部品に対向する側の面が、
前記電子回路部品に対して凸型であり、 前記充填部材は、固化後の剛性が前記伝熱板の剛性より
も小さい材料からなり、 前記充填部材は、前記伝熱板と前記電子回路部品との間
の空間を満たし、前記伝熱板と前記電子回路部品とを非
接触な配置としている ことを特徴とする電子回路装置。 - 【請求項2】基板と、前記基板上に配置された電子回路
部品と、前記電子回路部品を冷却する冷却手段と、前記
冷却手段と前記電子回路部品との双方に接触して、前記
冷却手段と前記電子回路部品とを熱的に連結する連結手
段とを有し、 前記連結手段は、前記電子回路部品と前記冷却手段との
間に配置され、前記電子回路部品の上部に貫通孔を有す
る板状部材と、前記貫通孔内に配置される伝熱板と、前
記貫通孔内の空間を満たして固化した充填部材とを含
み、 前記伝熱板は、前記電子回路部品に対向する側の面が、
前記電子回路部品に対して凸型であり、 前記充填部材は、固化後の剛性が前記伝熱板の剛性より
も小さい低融点金属からなり、 前記充填部材は、前記伝熱板と前記電子回路部品との間
の空間を満たし、前記伝熱板と前記電子回路部品とを非
接触な配置としている ことを特徴とする電子回路装置。 - 【請求項3】基板と、前記基板上に配置された電子回路
部品と、前記電子回路部品を冷却する冷却手段と、前記
冷却手段と前記電子回路部品との双方に接触して、前記
冷却手段と前記電子回路部品とを熱的に連結する連結手
段とを有し、 前記連結手段は、前記電子回路部品と前記冷却手段との
間に配置され、前記電子回路部品の上部に貫通孔を有す
る板状部材と、前記貫通孔内に配置される伝熱板と、前
記貫通孔を充填する充填部材とを含み、 前記充填部材の剛性は、前記伝熱板の剛性よりも小さ
く、 前記伝熱板は、前記電子回路部品に対向する側の面が、
前記電子回路部品に対して凸型であり、該凸型の面と前
記電子回路部品との間には、前記充填部材が満たされ、
前記凸型の面と前記電子回路部品とは非接触であり、 前記貫通孔の内壁面には、前記伝熱板が予め定めた距離
以上に前記電子回路部品に接近するのを阻止するための
段差部が設けられていることを特徴とする電子回路装
置。 - 【請求項4】請求項1または2に記載の電子回路装置に
おいて、前記貫通孔の内壁面には、前記伝熱板が予め定
めた距離以上に前記電子回路部品に接近するのを阻止す
るための段差部が設けられていることを特徴とする電子
回路装置。 - 【請求項5】請求項1、2または3に記載の電子回路装
置において、前記伝熱板は、前記冷却手段側の面が、前
記板状部材の前記冷却手段側の面と同一面上にあること
を特徴とする電子回路装置。 - 【請求項6】請求項1、2または3に記載の電子回路装
置において、前記連結手段は、前記板状部材を、前記電
子回路部品に非接触な状態で前記基板上に支持するため
の支持部材をさらに有することを特徴とする電子回路装
置。 - 【請求項7】請求項6に記載の電子回路装置において、
前記板状部材は、前記貫通孔の前記電子回路部品側の開
口が、前記電子回路部品よりも大きく、 前記支持部材は、前記電子回路部品の一部が、前記貫通
孔内に入る高さに前記板状部材を支持することを特徴と
する電子回路装置。 - 【請求項8】請求項2に記載の電子回路装置において、
前記電子回路部品は、はんだにより前記基板と電気的に
接続され、前記充填部材の融点は、前記はんだの融点よ
りも低いことを特徴とする電子回路装置。 - 【請求項9】請求項1、2、3または8に記載の電子回
路装置において、前記充填部材は、はんだであることを
特徴とする電子回路装置。 - 【請求項10】請求項1、2、3に記載の電子回路装置
において、前記電子回路部品は、半導体チップまたはチ
ップキャリアであることを特徴とする電子回路装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP04201473A JP3113400B2 (ja) | 1992-07-28 | 1992-07-28 | 電子回路装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP04201473A JP3113400B2 (ja) | 1992-07-28 | 1992-07-28 | 電子回路装置 |
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JPH0653374A JPH0653374A (ja) | 1994-02-25 |
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JP04201473A Expired - Fee Related JP3113400B2 (ja) | 1992-07-28 | 1992-07-28 | 電子回路装置 |
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JP2006073810A (ja) * | 2004-09-02 | 2006-03-16 | Toyota Motor Corp | パワー半導体モジュールおよびその製造方法 |
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1992
- 1992-07-28 JP JP04201473A patent/JP3113400B2/ja not_active Expired - Fee Related
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