JPH01183141A - Joint structure of cooling device - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
（概要〕
冷却構造体を備えた半導体モジールに関し、冷却構造体
を半導体モジュールから容易に離脱し得るようにするこ
とを目的とし、
配線基板上に複数の半導体パンケージがマトリックス状
に配列しており、それぞれのパッケージが該パンケージ
の上部に備えた伝熱基板により冷却構造体の伝熱板と伝
熱材料を介して接合してなる半導体モジュールにおいて
、前記冷却構造体の伝熱板の周辺部と前記半導体パッケ
ージの伝熱基板の周辺部とが互いに同方向の曲率をもち
、対向して接合するように冷却構造体を構成する。[Detailed Description of the Invention] (Summary) Regarding a semiconductor module equipped with a cooling structure, the object of the present invention is to enable the cooling structure to be easily detached from the semiconductor module. In the semiconductor module, the packages are arranged in the form of a heat transfer material, and each package is connected to the heat transfer plate of the cooling structure through a heat transfer material by a heat transfer substrate provided on the upper part of the pancage. The cooling structure is configured such that the peripheral portion of the hot plate and the peripheral portion of the heat transfer substrate of the semiconductor package have curvatures in the same direction and are joined to face each other.
・本発明は半導体モジュールと冷却構造体との接合構造
に関する。- The present invention relates to a bonding structure between a semiconductor module and a cooling structure.
大量の情報を高速に処理するため情報処理技術は進歩し
、情報処理装置は小形大容量化が進められている。Information processing technology has advanced to process large amounts of information at high speed, and information processing devices are becoming smaller and larger in capacity.
こ＼で、情報処理装置の主体を占めるのは半導体装置で
あって、多層基板上に多数のＬＳＩパッケージをマトリ
ックス状に配列して半導体モジュールを形成する実装形
態がとられているが、この実装密度は時を追うに従って
向上している。In this case, semiconductor devices occupy the main body of information processing equipment, and a mounting method is used in which a large number of LSI packages are arranged in a matrix on a multilayer board to form a semiconductor module. Density has improved over time.
例えば、最近の半導体モジュールについて言えば、２０
０ ｍｓ角の多層配線基板に縦、横１２個ずつ計１４４
個のＬＳＩパンケージを搭載して形成することが予定さ
れている。For example, regarding recent semiconductor modules, 20
A total of 144 wires, 12 vertically and 12 horizontally, on a 0 ms square multilayer wiring board.
It is planned that it will be equipped with several LSI pancakes.
か＼る場合、ＬＳＩパッケージは微小間隔をおいて密に
配列しているため、使用時における発熱は著しく、それ
故にパンケージに格納されているＬＳＩを最高使用温度
（８５℃）以下に保つにはフィンを用いる強制空冷方式
では既に無理であって、液冷方式が採られている。In such a case, since LSI packages are arranged closely with small intervals, they generate a lot of heat during use, so it is necessary to keep the LSI stored in the pan cage below the maximum operating temperature (85℃). A forced air cooling system using fins is no longer possible, so a liquid cooling system has been adopted.
そして、液冷方式としてはマトリックス状に配列してい
る個々のＬＳＩパッケージに合わせてベローズを備えた
冷却構造体がマトリックス状に配列しているものを作り
、両者を位置合わせし、ベローズの伸縮性を利用して接
合し、半導体モジュールを形成する構造がとられている
。As for the liquid cooling system, we created a system in which cooling structures equipped with bellows are arranged in a matrix to match the individual LSI packages arranged in a matrix. A structure has been adopted in which semiconductor modules are formed by bonding using the following methods.
然し、この半導体モジュールの保守のためには冷却構造
体がＬＳＩパッケージから離脱可能に構成されているこ
とが必要である。However, in order to maintain this semiconductor module, it is necessary that the cooling structure be configured to be detachable from the LSI package.
本発明はこの離脱を容易にした接合構造に関するもので
ある。The present invention relates to a joining structure that facilitates this separation.
第３図は冷却構造体を備えた半導体モジュールの構造を
示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing the structure of a semiconductor module including a cooling structure.
すなわち、多層構成をとる配線基板１の上に半導体パッ
ケージ２が装着されており、この上に冷却構造体３が接
合する構造をとっているが、詳細に説明すると、配線基
板１の上面にパターン形成されている配線のパッドに位
置合わせてフラットパッケージ形の半導体パッケージ２
のリード端子が溶着されている。That is, a semiconductor package 2 is mounted on a wiring board 1 having a multilayer structure, and a cooling structure 3 is bonded to this. A flat package type semiconductor package 2 is aligned with the formed wiring pad.
The lead terminals are welded.
そして、アルミナからなるセラミック基板４の凹部には
半導体チップ５が接着固定されており、この半導体チッ
プ５の周辺に設けである端子部とセラミック基板４の面
部周辺に設けられている配線端部とはワイヤボンディン
グにより回路接続されている。A semiconductor chip 5 is adhesively fixed to the recessed portion of the ceramic substrate 4 made of alumina, and a terminal portion provided around the semiconductor chip 5 and a wiring end portion provided around the surface portion of the ceramic substrate 4 are connected to each other. are connected to the circuit by wire bonding.
次に、凹部に半導体チップ５を装着したセラミンク基板
４の上にばバーチツクシールと放熱とを兼ねて熱伝導率
のよい材料を用いて伝熱基板６が形成されている。Next, on the ceramic substrate 4 with the semiconductor chip 5 mounted in the recessed portion, a heat transfer substrate 6 is formed using a material with good thermal conductivity to serve both as a vertical seal and as a heat dissipator.
次に、冷却構造体３は冷却した伝熱板７により半導体パ
ッケージ２の伝熱基板６を冷却する構造であって、冷却
水を噴出するノズル８と排水口９があり、噴出した水は
ベリリウム・銅（Ｂｅ−Ｃｕ）などの弾性金属材料を用
いて形成されているベローズｌＯの底部に設けられてい
る伝熱板７に当たった後、排水口９から排水するよう構
成されている。Next, the cooling structure 3 has a structure in which the heat transfer substrate 6 of the semiconductor package 2 is cooled by the cooled heat transfer plate 7, and has a nozzle 8 and a drain port 9 for ejecting cooling water, and the ejected water is made of beryllium. - After hitting the heat transfer plate 7 provided at the bottom of the bellows IO formed using an elastic metal material such as copper (Be-Cu), the water is drained from the drain port 9.
カミる構成をとる半導体モジュールにおいては伝熱板７
および伝熱基板６は熱伝導の良い材料からなることが必
要条件であり、伝熱基板６の材料としては窒化アルミニ
ウム（Ａ１１．熱伝導率：１００〜２００ Ｗ／ｍ −
ｄｅｇ） 、炭化硅素（ＳｉＣ’＋熱伝導率： １００
Ｗ／ｍ −ｄｅｇ） 、窒化硅素（Ｓｔ３Ｎｔ＋熱伝
導率： ４０Ｗ／ｍ−ｄｅｇ） 、酸化アルミニウム（
八ｉ！ｚＯ３゜熱伝導率： ２０Ｗ／ｍ−ｄｅｇ）など
の使用が適当と考えられている。In a semiconductor module with a folding configuration, the heat transfer plate 7
The heat transfer substrate 6 is required to be made of a material with good thermal conductivity, and the material of the heat transfer substrate 6 is aluminum nitride (A11. Thermal conductivity: 100 to 200 W/m −
deg), silicon carbide (SiC'+ thermal conductivity: 100
W/m-deg), silicon nitride (St3Nt+thermal conductivity: 40 W/m-deg), aluminum oxide (
Eight i! It is considered appropriate to use zO3° thermal conductivity: 20 W/m-deg).
また、伝熱板７の材料としてはＣｕやＢｅ−（ｕ合金な
どの使用が予定されている。Furthermore, it is planned to use Cu, Be-(u alloy, etc.) as the material for the heat exchanger plate 7.
次に、冷却構造体３の伝熱板７を半導体パンケージ２の
伝熱基板６に当接するには熱伝導が良く柔軟で密着性の
良い材料を介して行うのが好ましく、当初はシリコーン
ゴムに熱伝導率の高い窒化硼素（ＢＮ、熱伝導率： ６
０Ｗ／ｍ−ｄｅｇ）を分散したサーマルシートの使用が
考えられていたが、熱伝導率が充分でなく（約３ Ｗ／
ｍ −ｄｅｇ）、また伝熱板７との界面に空気が介在し
易いなどの問題から、シリコーン・オイルに酸化亜鉛（
ＺｎＯ）の微粉末を分散させたコンパウンドや常温で液
状を呈している溶融金属（Ｉｎ−Ｇａなど）を塗布する
方法が提案されている。Next, in order to bring the heat transfer plate 7 of the cooling structure 3 into contact with the heat transfer substrate 6 of the semiconductor pancage 2, it is preferable to use a material with good heat conduction, flexibility, and good adhesion. Boron nitride (BN, thermal conductivity: 6) with high thermal conductivity
The use of a thermal sheet with dispersed energy (0 W/m-deg) was considered, but the thermal conductivity was insufficient (approximately 3 W/m-deg).
m-deg), and air is likely to be present at the interface with the heat exchanger plate 7, so zinc oxide (
A method of applying a compound in which fine powder of ZnO (ZnO) is dispersed or a molten metal (such as In-Ga) that is liquid at room temperature has been proposed.
然しなから、これらのコンパウンドや溶融金属を伝熱材
料１１として半導体パッケージ２に冷却構造体３を接合
すると、密着性が優れているために冷却構造体３の取り
外しに当たって、離脱が困難となると云う問題を生じた
。However, if the cooling structure 3 is bonded to the semiconductor package 2 using these compounds or molten metal as the heat transfer material 11, it will be difficult to remove the cooling structure 3 due to its excellent adhesion. caused a problem.
すなわち、垂直に冷却構造体を持ち上げる場合には１個
の半導体パッケージ当たり１Ｋｇ以上の離脱力を要する
ことから、例えば１４４個で構成される半導体モジール
の場合には１４４Ｋｇ以上の離脱力を要することになり
実際的ではなく、また従来のベローズ構造では１Ｋｇ以
上の力で引っ張ると変形を生じて“ばね”定数が変化し
てしまう。In other words, when lifting the cooling structure vertically, a detachment force of 1 kg or more is required per semiconductor package, so for example, in the case of a semiconductor module consisting of 144 pieces, a detachment force of 144 kg or more is required. This is not practical, and in the conventional bellows structure, if pulled with a force of 1 kg or more, deformation occurs and the "spring" constant changes.
また、横にずらせても離脱が可能であるが、この距離と
しては１０鶴以上が必要である。It is also possible to detach by moving it to the side, but this distance requires 10 cranes or more.
然し、上記の半導体モジュールにおいては隣接する半導
体パッケージとの間隔が狭く、移動可能距離は１鶴程度
に限定されている。However, in the above semiconductor module, the distance between adjacent semiconductor packages is narrow, and the movable distance is limited to about one crane.
以上のことから、少ない離脱力で冷却構造体を分離でき
る構造の開発が必要であった。In light of the above, it was necessary to develop a structure that could separate the cooling structure with less separation force.
以上記したように高密度に半導体モジュールを実装した
半導体モジュールにおいては、半導体パンケージと冷却
構造体との接着に接着性の良い伝熱材料を使用するため
に冷却構造体の分離に大きな離脱力を必要とすると云う
問題があり、解決が必要であった。As mentioned above, in semiconductor modules in which semiconductor modules are mounted at high density, a heat transfer material with good adhesiveness is used to bond the semiconductor pancage and the cooling structure, so a large separation force is required to separate the cooling structure. There was a problem that needed to be solved.
上記の問題は配線基板上に複数の半導体パンケージがマ
トリックス状に配列しており、それぞれのパッケージが
該パッケージの上部に備えた伝熱基板により冷却構造体
の伝熱板と伝熱材料を介して接合してなる半導体モジュ
ールにおいて、前記冷却構造体の伝熱板の周辺部と前記
半導体パッケージの伝熱基板の周辺部とが互いに同方向
の曲率をもち、対向して接合するように冷却構造体を構
成することにより解決することができる。The above problem arises when a plurality of semiconductor pancages are arranged in a matrix on a wiring board, and each package is connected to the heat transfer plate of the cooling structure via the heat transfer material by the heat transfer board provided on the top of the package. In the semiconductor module formed by bonding, the cooling structure is configured such that a peripheral portion of the heat transfer plate of the cooling structure and a peripheral portion of the heat transfer substrate of the semiconductor package have curvatures in the same direction and are bonded facing each other. This can be solved by configuring.
本発明は微少な牽引力で冷却構造体を分離する方法とし
て、互いに接着する冷却構造体の伝熱板と半導体パッケ
ージの伝熱基板のそれぞれの端部に同方向の弯曲部を作
り、伝熱板を横にずらせるものである。The present invention provides a method for separating cooling structures using a minute traction force, by creating curved portions in the same direction at the ends of the heat exchanger plate of the cooling structure and the heat exchanger substrate of the semiconductor package, which are bonded to each other. It is something that moves the .
このようにすると従来は１０龍以上ずらせることが必要
であったが、本発明の構造による場合は横に僅かずらせ
ても隙間を生じ、自然に分離するので１１程度の移動で
冷却構造体の離脱が可能となる。Conventionally, it was necessary to shift the cooling structure by 10 degrees or more, but with the structure of the present invention, even if the cooling structure is shifted slightly laterally, a gap is created and the cooling structure separates naturally. It is possible to leave.
第１図および第２図は本発明を実施した冷却構造体の伝
熱板と半導体パッケージの伝熱基板の断面図であって、
第１図は下面端部が弯曲した伝熱板１２と上面の端部よ
り内側の部分に弯曲部をもつ伝熱基板１３を表しており
、また第２図は下面の端部より内側の部分に弯曲部をも
つ伝熱板１４と上面の端部に弯曲部をもつ伝熱基板１５
の断面図を示している。1 and 2 are cross-sectional views of a heat transfer plate of a cooling structure and a heat transfer substrate of a semiconductor package according to the present invention,
FIG. 1 shows a heat transfer plate 12 with a curved bottom end and a heat transfer board 13 with a curved part inside the top end, and FIG. 2 shows a heat transfer board 13 with a curved part inside the bottom end. A heat transfer plate 14 having a curved portion at the end thereof and a heat transfer substrate 15 having a curved portion at the end of the upper surface.
shows a cross-sectional view of.
このような構造とすると伝熱板１２．１４の僅かのずら
しにより伝熱板１２．１４の端部の何れかが伝熱基板１
３．１５の端部に乗り上げ、両者の間に自然と隙間がで
きるので、容易に分離が可能となる。With this structure, a slight shift of the heat exchanger plates 12.14 causes either of the ends of the heat exchanger plates 12.14 to touch the heat exchanger substrate 1.
3.15, and a gap is naturally created between the two, making it easy to separate them.
ここで、問題は伝熱板１２．１４および伝熱基板１３゜
１５に設ける曲率である。Here, the problem is the curvature provided on the heat exchanger plates 12, 14 and the heat exchanger substrate 13.15.
そこで、伝熱板の曲率を１１１と２重層とに、また伝熱
基板の曲率を０．５，１． ２． ３の４種類に変え、
第４図に示すような測定治具を用いて離脱力と離脱に要
する距離を測定した。Therefore, the curvature of the heat transfer plate is set to 111 and double layer, and the curvature of the heat transfer board is set to 0.5, 1. 2. Change to 4 types of 3,
The detachment force and distance required for detachment were measured using a measuring jig as shown in FIG.
なお、試料として用いた伝熱板１４の寸法は直径１９＊
ｎ、厚さ２１１ｍのディスク状であり、また伝熱基板１
４は長さが１２ 、５ ＊＊で厚さが５１謹の正四角形
である。The dimensions of the heat exchanger plate 14 used as a sample were 19* in diameter.
It has a disc shape with a thickness of 211 m, and a heat transfer substrate 1
4 is a regular square with a length of 12.5** and a thickness of 51.
る引張り試験機の測定治具、また同図（Ｂ）は参考とし
て従来構造の伝熱板７と伝熱基板６との離脱力を測定し
た測定治具の断面図である。FIG. 3B is a cross-sectional view of the measuring jig used for measuring the separation force between the heat transfer plate 7 and the heat transfer substrate 6 of the conventional structure for reference.
なお、両者を接合する伝熱材料としては２４．５％Ｉｎ
−Ｇａ合金を使用した。The heat transfer material used to join the two is 24.5% In.
-Ga alloy was used.
第１表はこの組み合わせと測定した離脱力と離脱に要し
た移動距離を示している。Table 1 shows this combination, the measured breakaway force, and the travel distance required for breakaway.
なお、この表で曲率半径が２鮪の伝熱板と曲率半径が０
．５ｍｍの伝熱基板との組み合わせにおいて記載のない
のは、この条件では初めより両者の間に隙間があり、密
着していないことによる。In addition, in this table, the tuna heat exchanger plate has a radius of curvature of 2 and the radius of curvature is 0.
．． The reason why there is no description regarding the combination with a 5 mm heat transfer substrate is that under these conditions there is a gap between the two from the beginning and they are not in close contact.
また、第４図（Ｂ）の測定治具を用いる場合。In addition, when using the measuring jig shown in FIG. 4(B).
距離の記述がないのは垂直方向に引張り、ずれが生じな
いことによる。The reason why there is no description of distance is because it is pulled in the vertical direction and no deviation occurs.
第１表
この結果から伝熱板１４の曲率が大きいほど離脱力は少
なくなるが、移動距離は１ｍｍを越えることが判る。
゛
然し、現在開発されつつある半導体モジールにおいては
、冷却構造体の移動可能距離は１ｍｍ程度に限られるの
で、この点から伝熱板の曲率半径は１ｍ１程度が良く、
また伝熱基板の曲率半径は大きいほうが良いことが判る
ともあれ、この実施例から従来構造に較べｌ／１０程度
にまで離脱力を軽減することができる。Table 1 From the results, it can be seen that the larger the curvature of the heat exchanger plate 14, the smaller the detachment force, but the moving distance exceeds 1 mm.
However, in semiconductor modules that are currently being developed, the movable distance of the cooling structure is limited to about 1 mm, so from this point of view, the radius of curvature of the heat exchanger plate is preferably about 1 m1.
Although it is known that a larger radius of curvature of the heat transfer substrate is better, this embodiment makes it possible to reduce the detachment force to about 1/10 compared to the conventional structure.
本発明の実施により、従来に較べて逼かに少ない離脱力
で冷却構造体を半導体パンケージから離脱することがで
き、これにより作業性のよい半導体モジールを開発する
ことができる。By carrying out the present invention, the cooling structure can be removed from the semiconductor pancake with a much smaller removal force than in the past, making it possible to develop a semiconductor module with good workability.
第１図は本発明に係る伝熱板と伝熱基板の断面図、
第２図は本発明に係る伝熱板と伝熱基板との別の断面図
、
第３図は冷却構造体を備えた半導体モ逸−ルの部分断面
図、
第４゛図は離脱力の測定に使用した測定治具の断面図、
である。
図において、
工は配線基板、 ２は半導体パンケージ、３は
冷却構造体、 ６．１３．１５は伝熱基板、７．
１２．１４は伝熱板、
である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a heat transfer plate and a heat transfer substrate according to the present invention, FIG. 2 is another cross-sectional view of a heat transfer plate and a heat transfer substrate according to the present invention, and FIG. Fig. 4 is a partial cross-sectional view of the semiconductor mold that was prepared, and Fig. 4 is a cross-sectional view of the measuring jig used to measure the detachment force. In the figure, 1 is a wiring board, 2 is a semiconductor pancake, 3 is a cooling structure, 6.13.15 is a heat transfer board, and 7.
12.14 is a heat transfer plate.
Claims (1)
配列しており、それぞれの半導体パッケージ（２）が該
半導体パッケージ（２）の上部に備えた伝熱基板（６）
により冷却構造体（３）の伝熱板（７）と伝熱材料（１
１）を介して接合してなる半導体モジュールにおいて、
前記冷却構造体（３）の伝熱板（７）の周辺部と前記半
導体パッケージ（２）の伝熱基板（６）の周辺部とが互
いに同方向の曲率をもち、対向して接合してなることを
特徴とする冷却構造体の接合構造。A plurality of semiconductor packages (2) are arranged on a wiring board (1), and each semiconductor package (2) has a heat transfer board (6) provided on the top of the semiconductor package (2).
The heat transfer plate (7) of the cooling structure (3) and the heat transfer material (1)
1) In a semiconductor module bonded via
A peripheral portion of the heat transfer plate (7) of the cooling structure (3) and a peripheral portion of the heat transfer substrate (6) of the semiconductor package (2) have curvatures in the same direction and are bonded to face each other. A joining structure of a cooling structure characterized by:
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| JP771188A JPH01183141A (en) | 1988-01-18 | 1988-01-18 | Joint structure of cooling device |
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| JP771188A JPH01183141A (en) | 1988-01-18 | 1988-01-18 | Joint structure of cooling device |
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| JP (1) | JPH01183141A (en) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008306202A (en) * | 2008-07-22 | 2008-12-18 | Fujitsu Ltd | Electronic component and heat dissipating member, and method of manufacturing semiconductor device using the same |
-
1988
- 1988-01-18 JP JP771188A patent/JPH01183141A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008306202A (en) * | 2008-07-22 | 2008-12-18 | Fujitsu Ltd | Electronic component and heat dissipating member, and method of manufacturing semiconductor device using the same |
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