JPS6222531B2 - - Google Patents

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JPS6222531B2
JPS6222531B2 JP82500649A JP50064982A JPS6222531B2 JP S6222531 B2 JPS6222531 B2 JP S6222531B2 JP 82500649 A JP82500649 A JP 82500649A JP 50064982 A JP50064982 A JP 50064982A JP S6222531 B2 JPS6222531 B2 JP S6222531B2
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resistance
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JP82500649A
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JPS58501648A (ja
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Yabanchu Kei Hatsusan
Sebujin Okutai
Jon Ei Paibanasu
Kurarensu Jei Supekutaa
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International Business Machines Corp
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    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3736—Metallic materials
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    • 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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    • H01L2224/732—Location after the connecting process
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Description

請求の範囲 １ 基体と、上記基体の１つの表面に取付けられ
た半導体チツプと、上記半導体チツプの第２の表
面に密接して配置された熱伝達素子と、上記熱伝
達素子及び上記チツプ間の界面に配置された熱伝
導性非共晶合金の薄層とより成り、 上記熱伝導性非共晶合金は、ビスマス、鉛、錫
及びインジウムを含む合金であつて、上記半導体
チツプの温度が正常動作温度を上廻つたとき、固
相線・液相線温度範囲に入るような固相線温度を
有する合金であることを特徴とする、冷却手段を
備えた半導体組立体。
２ 上記合金は重量比で51.45％のビスマス、
31.35％の鉛、15.20％の錫及び2.0％のインジウム
の組成である請求の範囲第１項記載の半導体組立
体。
３ 上記合金は重量比で48.35％のビスマス、
28.15％の鉛、14.50％の錫及び9.0％のアンチモン
の組成である請求の範囲第１項記載の半導体組立
体。
〔技術分野〕
本発明は集積回路チツプ・デバイス用の冷却装
置に関するものであり、具体的にはチツプ冷却を
達成するために低い熱的接触抵抗を維持する方法
及び装置に関する。
〔背景技術〕
集積回路（IC）チツプ・デバイスの応用に際
して、チツプ及びヒートシンクのような隣接素子
間の界面で密着状態を維持すると同時に、チツプ
表面上に重負荷が掛るのを回避することが極めて
望ましい。密着は、過度の温度上昇を防止し且つ
寸法変化、不均等熱膨脹などの不都合な結果が生
じるのを防ぐよう、熱放散を改善するように働ら
く。
熱放散を正しく行なうためには半導体チツプか
ら熱をうばい去り、その熱を効果的な方法で放散
することが必要である。熱は一般にチツプの１つ
の表面から例えば熱放散装置即ちヒートシンク、
冷は冷却装置へ伝達され、且つチツプの反対側表
面からボンド材料を介して基板へ伝達される。後
者の熱伝達経路を経由する熱の流れに対する抵抗
の方が相対的に高い。従つて熱放散を最大にする
ためには、チツプ表面及び熱放散装置間の界面に
於ける熱抵抗が最小でなければならない。
一般に、ICチツプ・デバイスのための従来の
熱放散技術では、重大な問題を生じることなく85
℃の最大許容チツプ温度まで熱制御することが出
来る。しかし半導体チツプをより高い回路密度
で、より小さく、且つより大きい電力で動作する
ように作る傾向の下では、発熱の大きさは現在採
用されている冷却技術のみでは過熱の問題を解決
できないほど急激に増加する。従つてチツプ界面
に於ける熱抵抗を十分に低下させることは難かし
い。その上ヒートシンク構造体の他の界面位置に
於ける熱抵抗を最小化することも極めて重要であ
る。
しかし従来のICチツプ組立体の機械的形状は
達成しうる熱接触抵抗の値に影響を及ぼす。例え
ばチツプ表面と熱伝達装置との間の滑らかで連続
したボンデングであるかのように見える部分は、
大概の部分が実は無効な連続状態を生じさせる一
連の比較的少数の接触点であるに過ぎない。かく
て接触界面は比較的高い熱抵抗を与える。理想的
には、界面に於て極めて低い接触負荷を持ちしか
も低い熱抵抗を実現することが徴小ICチツプ・
デバイスにとつて望ましい。更にこれらの状態は
製品の寿命の間適正なレベルに制御され且つ維持
されなければならない。
〔発明の開示〕
本発明によつて解決される技術的課題は集積回
路チツプ・デバイスに於ける効率的な熱放散及び
温度制御である。チツプ・デバイス及びヒートシ
ンク間の橋渡し界面に低い熱抵抗を形成するため
に非共晶金属合金が使われる。合金は固相線・液
相線温度範囲を持ち、かくて若しも回路動作中に
ストレスが与えられるならたとえチツプ・デバイ
ス及びヒートシンクの界面に低い接触負荷があつ
たとしても、低い熱抵抗で界面を再確立し且つ維
持する能力を持つ。チツプ界面ばかりでなく、上
述の冷却手段は極めて低い熱抵抗を達成するだけ
に設計次第で、ヒートシンクの他の界面的領域に
於ても使うことが出来る。
〔図面の概略的説明〕
第１Ａ図及び１Ｂ図はチツプ温度が夫々固相線
温度より低いとき及びより高いときの、一定の接
触負荷の下でのチツプ表面及びヒートシンクの表
面間の界面の状態を図解したIC回路半導体チツ
プ組立体の断面図である。
第２図はチツプ界面に本発明を組込んだICチ
ツプ組立体のヒートシンクの１例の部分切除断面
図である。
第３図は一定の界面接触負荷を有するチツプ界
面に於ける熱抵抗減少及び維持特性を図解した、
界面温度に関する界面抵抗のグラフである。
第４図はチツプ及び帽子型カバー界面の両者に
本発明を組込んだICチツプ組立体に於ける他の
ヒートシンク技術の部分切除断面図である。
本発明を実施するための最良の態様 図について説明するとICパツケージは半導体
チツプ１０を含み、それは例えば半田球接続体で
あつてもよいボンド着手段１４によつて基体１２
へボンド着されている。矢印で示すような制御さ
れた負荷力Ｆが例えばスプリング１６によつてチ
ツプ１０へ供給されて、銅のような高熱伝導性材
料製の枢着可能ピストン式熱伝達素子１８とチツ
プ１０との表面接触度を最大にするように働ら
く。チツプに於て発生された熱はチツプ界面を横
切つてピストン素子へ伝導され、そしてピストン
素子からギヤツプ間隙２６を横切る基本的には気
体伝導により包囲構造体へ伝導される。包囲する
帽子型構造体２０はICパツケージのカバー及び
付加的な熱放散手段として働らく。
本発明に従つてICパツケージの組立中に、低
温度非共晶ビスマス合金２２が熱伝導素子へボン
ド着される。良好な実施例で使用された合金は市
販のオストアロイ（Ostalloy、米国Arconium社
製）である。その合金はビスマス51.45％、鉛
31.35％、錫15.20％、インジウム2.0％を含み、約
88℃の固相線温度ＴS及び約112℃の液相線温度Ｔ
Lによつて特徴づけられる。使用しうる他の低溶
融温度合金はビスマス48.35％、鉛28.15％、錫
14.50％及びアンチモン9.0％の組成を有し、約87
℃の固相線温度及び約128℃の液相線温度を有す
る。更に他の組成物もICデバイスの所望温度動
作条件次第で使用可能である。
ビスマス合金２２はヒートシンク表面上に約
0.05mmの厚さに付着される。但しその付着は最初
は、第１Ａ図に示されたように空所２４間の離隔
点に於てチツプ１０の表面と実際に接触するに過
ぎない。小集合熱伝達領域上に冷却用チツプ表面
をランダムに接触させるこのような合金の初期状
態では、界面熱抵抗は比較的高く、且つ熱伝導は
比較的低い。
ICパツケージ組立中且つ合金が付着された後
でデバイスの温度が合金の溶融範囲まで高められ
る。チツプの温度が固相線温度ＴSよりも高い温
度ＴCへ増加するとビスマス合金は溶融し、そし
て加えられた力Ｆの作用により粘性流れ条件下
で、空所空間２４を満たすように順応する（第１
Ｂ図）。結果として生じた増大した接触領域、及
び今や空所を満たしている合金を介するチツプと
熱伝達素子との間の改善された熱経路が界面の熱
抵抗の急激な減少を生じさせ、かくて過剰な熱の
効果的な放散を可能にする。この基本的なプロセ
スでは、薄い合金層の上述の局地的順応作用は表
面張力の制御作用によつて界面領域に局限され
る。
その部分の継続する処理中に、例えば寸法的な
変動、熱膨脹の相異、衝撃装填効果などに起因し
てチツプの表面と熱伝達素子との間の接触界面に
若しも裂目が生じるならば、空所が再び発生する
ことに起因して熱接触抵抗が瞬間的に増加する。
結果として短時間の温度上昇が生じて合金の溶融
範囲に及ぶことにより低い熱抵抗を回復し、これ
に続いて温度が最初の落付いた状態へ急速に低下
する。要するに、チツプ表面に順応するように溶
融する合金の自己修復プロセスが生じるので熱接
触抵抗は下げられて更に低い温度レベルに維持さ
れる。
良好な実施例では、凡そ100グラムの接触負荷
で0.1乃至0.2℃／ワツトのチツプ界面熱抵抗が得
られる。比較してみると、本発明の手段で得られ
る抵抗レベルは熱伝達グリースで実現される抵抗
レベルの凡そ５乃至７分の１である。
本発明に従うプロセスが第３図に示される。組
立時にリフロ処理により比較的高い抵抗ＲHが低
い抵抗レベルＲLへ減少される。温度を最大動作
条件よりも下に減少すると、抵抗は動作温度範囲
内でそのような低いレベルＲLに維持される。し
かし若しも点Ａで示すように界面擾乱が生じる
と、抵抗の上昇は温度の上昇を生じさせてペース
ト状になる「緩み（pasty）」範囲へ入らせ、そ
の範囲で抵抗及び温度の両者が夫々初期状態へ急
速に減少する。例えば最大固相線温度△ＴMSは１
−３℃、固相線・液相線温度△ＴSLは15−25℃の
範囲である。
本発明のシステムは正常の動作条件下では常に
固体状態である。熱抵抗・温度回復のための固相
線・液相線範囲への侵入は製品の寿命に較べると
極めて僅かな時間にしかならない。システムは実
質的に常時固体状態にあるので、界面に於ける接
触負荷は低く、不都合な冶金学上の現象は本質的
に排除される。その上、最初の低い抵抗値ＲLが
得られると、チツプ表面の擾乱は抵抗の瞬間的な
増加を生じさせる。これらの僅かな抵抗変化は極
めて短時間で取去られる。開示された自己回復技
術により、余分のリフロ工程を必要とすることな
く極めて低い熱抵抗レベルが維持される。開示さ
れた技術はチツプ界面に於ける低い熱抵抗の長期
間維持を保証する。これはチツプ寸法が減少し且
つ熱放散要求が高まるので極めて重要である。
第２図に示されたヒートシンク技術を適用する
ことによりチツプ界面に低い熱抵抗を達成したこ
とに加え、本発明はヒートシンク構造の他の界面
でも低い熱抵抗を得るように適用可能である。本
発明がチツプ界面及び帽体界面の両者に使用され
たそのような構造の例は第４図に示される。制御
された負荷力Ｆが、例えばスプリング１６によつ
て枢着ピストン熱伝達素子１８へ向つて矢印で示
すように斜に印加される。この構成によればチツ
プ表面１０及び帽子表面２０との熱伝達素子１８
の表面接触は最大化され、且つ夫々負荷力成分Ｆ
V及びＦHによつて実行される。ビスマス合金２２
が凡そ0.05mmの厚さにピストンの各表面に付着さ
れる。しかし第１Ａ図に示されたように、最初は
空所２４間の離隔した点だけでチツプ１０の表面
と実際に接触するに過ぎない。同様に帽体２０の
表面と合金２２の接触も点接触及び空所空間を伴
う。小さい集中熱伝達領域上に冷却チツプ表面及
び帽体表面をランダムに接触させるこの合金の初
期状態では、界面に於ける熱抵抗は比較的高く、
且つ熱伝達は比較的低い。
ビスマス合金が付着され終えた後のICパツケ
ージ組立中、デバイスの温度は合金の溶融範囲へ
と上昇される。チツプの温度が固相線温度ＴSよ
りも高い温度ＴCへ増加されると、ビスマス合金
は溶融し、そして印加された力成分ＦVの作用の
下で前述のような空所空間を満たす。本質的にそ
れと同時に、介在するピストン材料の高い熱伝導
率に起因して帽体界面の合金が溶融し、且つ印加
された力成分ＦHの作用の下でこの領域の空所空
間を満たす。その結果両界面の接触領域が増加す
るので、熱抵抗が急に減少しかくて過剰な熱を効
果的に放散させる。
この部分の継続する動作中に、前にチツプ接触
と関連して説明されたような理由で界面に裂目が
若しも生じるならば、チツプと帽体の界面に空所
が再発生することに起因して熱接触抵抗が瞬間的
に増加する。その結果として短時間の温度上昇行
程が合金の溶融範囲中に存在することにより、低
い熱抵抗が回復しそれに続いて温度が最初の非擾
乱状態へ急速に低下する。要するに、チツプ及び
帽体表面に順応するように溶融する合金の自己回
復プロセスが生じるので、接触熱抵抗は低下し且
つ低いレベルに維持される。
本発明に従うプロセスはチツプ接触表面状態の
例として第３図に示される。帽体界面状態のプロ
セスはチツプ接触のプロセスと同じである。かく
て両者の界面状態に於て、組立時の比較的高い抵
抗ＲHはリフロ処理によつて低いレベルＲLへ減少
される。温度が最大動作状態より下へ減少して
も、抵抗は動作温度範囲のそのような低いレベル
ＲLに留まる。若しも界面の擾乱が生じるなら
ば、合金の自己修復作用により、第３図と関連し
て前述した態様で低い熱抵抗及び温度の急速な回
復が行なわれる。
上述のように良好な実施例で0.1乃至0.2℃／ワ
ツトのチツプ界面熱抵抗が凡そ100グラムの接触
負荷で得られる。この接触負荷の大きさでビスマ
ス合金と帽体表面の接触領域を相対的にもつと大
きくすると、相当する望ましい帽体界面熱抵抗は
0.01乃至0.02℃／ワツトの範囲となる。
第２図及び４図に示されたICチツプ冷却技術
は効果の高い熱放散を達成し且つ維持するため取
りうる多数の形態のうちの２つだけを示す。本発
明の構造を用いると、９−20ワツト／チツプの熱
放散を必要とする応用例に適する。
JP82500649A 1981-12-29 1981-12-29 冷却手段を備えた半導体組立体 Granted JPS58501648A (ja)

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PCT/US1981/001754 WO1983002363A1 (en) 1981-12-29 1981-12-29 Cooling means for integrated circuit chip device

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Publication Number Publication Date
JPS58501648A JPS58501648A (ja) 1983-09-29
JPS6222531B2 true JPS6222531B2 (ja) 1987-05-19

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ID=22161583

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EP (1) EP0097157B1 (ja)
JP (1) JPS58501648A (ja)
DE (1) DE3176475D1 (ja)
WO (1) WO1983002363A1 (ja)

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