JPS6238860B2 - - Google Patents

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JPS6238860B2
JPS6238860B2 JP57125197A JP12519782A JPS6238860B2 JP S6238860 B2 JPS6238860 B2 JP S6238860B2 JP 57125197 A JP57125197 A JP 57125197A JP 12519782 A JP12519782 A JP 12519782A JP S6238860 B2 JPS6238860 B2 JP S6238860B2
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heat
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Ruisu Hoobasu Josefu
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体装置によつて発生される熱エネ
ルギの消散のための技法及び構造に関する。さら
に具体的には、本発明は装置がはんだボンドによ
つて基板上に取付けられ、熱はけもしくはカバー
が装置の裏側に近接して取付けられている場合
に、単一装置もしくは多重装置集積回路パツケー
ジ組立体における半導体装置を冷却するための熱
伝導素子に関する。
現代の集積回路半導体装置の高い回路密度は装
置の動作パラメータを予定の範囲内に保持し同様
に過熱による装置の破壊を防止するために動作に
よつて発生した熱を有効に除去する事を必要とす
る。熱除去の問題は装置が該装置を基板上の適切
な端子に電気的に接続するはんだ端子によつて支
持基板に接続される時には増大する。この様なは
んだ接続装置上でははんだボンドによつて達成さ
れ得る熱移動は裏面ボンド装置と比較して制限さ
れる。半導体装置の冷却は適切な流体冷却剤中に
装置を浸漬する事によつて達成され得る。しかし
ながら、これ等の冷却技法は装置及び基板治金の
腐食を生じ、もしパツケージが再生処理されなけ
ればならない時には問題が生ずる。冷却は同様に
装置及びキヤツプもしくは冷却板間に熱伝導性ピ
ストンもしくはばね素子の如き熱伝導性材料のリ
ンクを与える事によつて達成され得る。これ等の
素子は低熱抵抗を保持するために出来るだけ広い
領域上で良好なインターフエイス・コンタクトを
形成しなくてはならない。冷却ピストンでは、こ
の様なインターフエイスを形成する事は困難であ
る。なんとなれば装置が傾斜する事があつて、不
満足な点もしくは線状コンタクトを生ずるからで
ある。一般に、冷却ピストンは空気よりも高い熱
伝導率を有する不活性気体の雰囲気中で使用され
なくてはならず、グリースもしくは他の適合した
手段がピストン端−装置のインターフエイスに与
えられている。他の欠点はパツケージが慣性力を
受ける時にピストンが冷却される装置にシヨツク
を与える点にある。装置及び冷却板間に熱伝導を
与えるばね素子は周知である。関連問題は十分な
熱伝導を与え、しかもひび割れもしくは欠けを生
じない様な力を装置に加え得る十分重いばねを設
計する事である。装置とキヤツプ間のギヤツプの
公差が増大する時には問題はより重大となる。一
般に、周知にばね素子は効果的に熱を伝える様に
十分重くされる時は堅くなりすぎ、間隔の変動を
調節する事は出来ず、装置に対して致命的な応力
を与える可能性がある。逆にばね素子が間隔の公
差を調節出来る様に十分薄く可撓性に形成される
時は、厚さの減少は冷却の要件を満足される熱を
装置から運び去る能力を有さなくなる。
背景技法 次の文献ははんだボンド半導体装置から熱を除
去するための種々の構造体に関連する。米国特許
第3993123号は熱を装置から冷却板に伝導させる
様にはんだボンド半導体装置の裏側と接触する様
に可動熱伝導ピストンが置かれた半導体パツケー
ジを開示している。米国特許第4034468号及び第
4081825号は共に装置から熱を除去する様に低融
点はんだがはんだボンド装置及びモジユール・キ
ヤツプと接触された半導体パツケージを開示して
いる。米国特許第4156458号は装置の裏面と熱は
け間に延出す可撓性熱伝導性金属箔束を含む冷却
配列体を開示している。IBM Technical
Disclosure Bulletin Vol.21 No.３ Aug.1978
p.1141ははんだボンド半導体装置並びに長方形の
中心部及びキヤツプと接触する一対の発散翼より
成るモジユール・キヤツプ間に配向された熱的シ
ヤント素子を開示している。IBM TDB Vol.20
No.６ Nov.1977 p.2214及び米国特許第4146458
号は装置から熱を除去するために互いに入れ子式
にされ、はんだボンド半導体装置及びハウジング
間に配向された複数個の予め形成されたアルミニ
ウム箔のシートを開示している。IBM TDB
Vol.19 No.12 May 1977 p.4683は複数の交互に
介在して相対的に滑行可能なひれを特徴とするは
んだボンド半導体装置及びキヤツプ間の熱伝導性
ブリツジ素子を開示している。米国特許出願第
249262号は少なく共１個のタブ素子を画定する切
断部が与えられた比較的厚い金属シートを開示し
ている。
本発明の開示 本発明ははんだボンド半導体装置及びモジユー
ル・キヤツプもしくは冷却板間に位置付けられ、
装置及びキヤツプもしくは冷却板間に熱伝導ブリ
ツジを形成する適合した改良冷却素子を与える。
本発明のブリツジ素子は材料より弾性にするため
の材料を少量含んだ代表的には銅もしくは銀合金
である弾性的熱伝導材料の湾曲したデイスクであ
る。デイスクには共通の中心点から放射して、外
縁のわずか手前で終る間隔を隔てた第１の複数の
半径方向溝、該第１の半径方向溝間に交互に存在
し、外縁から内方向に延びてデイスクの中心の手
前で終る間隔を隔てた第２の複数の半径方向溝が
与えられている。デイスクは鉛、錫、インジウム
もしくは低融点はんだの如き低融点被覆が与えら
れる事が好ましい。内方向及び外方向に半径方向
にのびる溝の組合せはかなり厚いデイスクの使用
を可能とし、効果的、効率的に熱を伝導し得、他
方装置に対して破壊的応力を加える事なく屈曲す
る能力を保持し得る。
好ましい実施例の開示 図面、特に第１図を参照するに、基板１０上に
取付けられた装置１２及び基板の下面から延出す
ピン１４を相互接続する基板の上部表面内もしく
は上の治金パターンを有する基板１０より形成さ
れた半導体パツケージが示されている。ひれ１８
が与えられた代表的ひれ付きキヤツプ１６がろう
付け封止体２０によつて基板１０に取付けられて
いる。装置１２ははんだ相互接続体２２によつて
基板１０上もしくは内の治金パターンに電気的に
相互接続されている。動作時に、装置１２は熱を
発生し、この熱ははんだボンド２０を介する熱伝
導によつて、好ましくは装置の裏面からキヤツプ
もしくは熱はけに熱を伝導する或る型の熱的相互
接続体によつて放散されなければならない。本発
明においては、熱は熱的ブリツジ素子２４によつ
て装置から上方のキヤツプ１６に除去される。熱
的ブリツジ素子２４はより明瞭に拡大して第２図
及び第３図に示されている。素子２４は基本的に
は熱伝導性材料、代表的には金属もしくは合金好
ましくは銅もしくは銀が主要成分である合金で形
成された、ふくらんだデイスクである。好ましい
合金は銅が99.85％、ジルコニウム0.15％存在す
るジルコニウム−銅である。他の好ましい合金は
99.75％のCn及び残部がAg、Ｐ及びMgより成
る。一般に金属は所望の高い熱伝導性を保持する
ために少なく共25乃至30％の銅もしくは銀を含ま
なければならない。第２図に示された如く、デイ
スクは円形の周辺を有する。デイスクは多角形を
なしてもよい。素子２４は多量の熱伝導を与える
比較的重量のある厚さのシートの使用を可能とす
るために大きな可撓性を与える２組の溝を有す
る。間隔を隔てた半径方向の溝２６の第１の組は
共通の中心点から放射し、外部の縁の手前で終つ
ている。溝２６と交代関係に配列された間隔を隔
てた半径方向溝２８の第２の組は素子２４の外縁
から内部に延び、デイスクの中心の手前で終つて
いる。溝の数及び素子の直径に関する長さはデイ
スクの厚さ及び半導体装置１２上に加えられ得る
許容可能な力によつて決定される。一般に、溝２
６及び２８の幅は10.16×10-3cm乃至45.72×10-3
cmの範囲にある。溝２６は適切な長さのものであ
り得るが、好ましい長さはデイスクの半径の略90
％である。溝２８はデイスクの半径の長さの70乃
至80％である事が好ましい。湾曲したデイスク素
子２４は任意の可能な技法によつて形成され得
る。素子２４を形成するのに有用な技法は選択さ
れた材料のシート上にマスク用被覆を与え、溝の
パターンを画定するために被覆を露光し、レジス
トを現像し、溝の露光領域を食刻し去る方法であ
る。もしくは本発明のデイスクは素子を適切なダ
イスで型打ちする事によつて形成される。溝２６
及び２８が形成された後、デイスク素子は図面の
第３図に一般的に示された断面を与える様に形造
られる。使用に際しては熱は装置から第３図の矢
印３０によつて示されたギヤツプを横切つてカバ
ーもしくは冷却板に伝導されなくてはならない。
ギヤツプとして特徴付けられるこの距離は半導体
パツケージを製造する際に固有な公差に依存して
長さが変動する。素子２４はパツケージ中で遭遇
する可変のギヤツプを橋渡し得、同様にはんだ接
続体２２が均一でなくもしくは基板１０に反りが
生じた時に生ずるチツプの傾斜を調節可能でなけ
ればならない。素子２４は第３図に示された断面
を有する様に形造られる事が好ましい。装置１２
及びカバー１６間のギヤツプは所望の形状をより
良く示すために図では誇張して示されている。こ
の断面は外方の環状縁を半径R1の曲率に、内方
の中央部分を半径R2の反対の曲率に形造る事に
よつて画定される。R1及びR2はギヤツプ距離、
素子２４の厚さ、溝２６及び２８の長さ、デイス
クの直径等に依存した適当な任意の半径であり得
る。R1の半径はデイスクの直径の25乃至100％の
範囲にあり、R2の半径はデイスクの直径の25乃
至100％の範囲にある事が好ましい。
ふくらんだデイスク素子２４と装置及びキヤツ
プもしくは冷却板間の境界の接触を改良するため
に、低融点合金の被覆３２がブリツジ素子の表面
上に付着され得る。この被覆はSn、Cd、Biの
Pb、In合金及びPb−Sn混合体もしくは他の低融
点合金であり、1.27×10-3cm乃至5.08×10-3cmの
厚さを有する。パツケージ中の素子の組立時に素
子２４は装置及びカバーに関連して位置付けら
れ、組立体が加熱される。加熱中、薄い被覆は軟
化し、接触表面と密接に適合する様になる。第１
図及び第３図に示された如く、被覆３２の加熱及
び融解は通常装置及び素子間並びにカバー及び素
子間に夫々すみ肉（フイレツト）２５及び２７を
生ずる。同一の基本目的を達成するために熱的グ
リースの薄層が与えられ得る。
第４図を参照するに、内方向に延びる半径方向
溝２８を与え、その長さを増大する事の装置の負
荷に対する効果が、ギヤツプ距離の或る範囲につ
いて示されている。この曲線は内方に延びる半径
方向の可変長溝を有する多数の熱的ブリツジ素
子、同様に溝のないデイスクを選択する事によつ
て得られた。種々の素子はギヤツプ距離を変化さ
せ、デイスクによつて加えられる力を測定する事
によつてテストされた。デイスクはすべて同一の
直径、厚さを有し及び同一の外方向に延びる溝を
有する同一の材料で形成された。曲線４０は内方
に延びる半径方向溝がないデイスク素子を示す。
負荷はギヤツプの距離に略正比例して増大する事
に注意されたい。最大のギヤツプでは力は加えら
れない。曲線４０の急峻な傾斜は力が装置を破壊
する様な大きさに急激に増大する事を示してい
る。曲線４２，４４及び４６は種々の長さの内方
向に延びる半径方向溝を有するデイスクである。
曲線４２は半径距離の略50％の長さを有する溝を
有するデイスクを示す。曲線４４は半径の略70％
の長さを有する内方向に延びる半径方向溝を有す
るデイスクを示す。曲線４６は半径の略85％の長
さを有する半径方向溝を有するデイスクを示す。
これ等の曲線は素子の熱的パフオーマンスを実質
的に減少させる事なく内方向に延びる溝が素子よ
り一層可撓性にし、より大きなギヤツプの公差を
調節する事が出来る事を示している。
第５図は半径R1及びR2によつて画定される異
なる形状を有する、及び熱的グリースを使用した
場合の、湾曲したデイスクの熱抵抗を異なるギヤ
ツプ距離にわたつて比較したグラフである。曲線
５０は熱的グリースのみで形成された熱的ブリツ
ジ素子に対するギヤツプ距離に関する熱抵抗の変
化を示している。曲線５０はギヤツプ距離が増大
する時に熱抵抗が略正比例して増大する事を示し
ている。これは同様に熱抵抗変化が線の勾配によ
つて示された如く比較的急激である事を示す。曲
線５２は半径R1及びR2が比較的大きく、即ちデ
イスクの直径の略100％に当るデイスク素子に対
するものである。この様な大きな半径の使用は装
置及び素子間並びにギヤツプ及び素子間に比較的
幅広い環状の接触領域を生ずる。熱的ブリツジ素
子の構造はギヤツプを変化する事から生ずる圧力
もしくは負荷に敏感である事に注意されたい。負
荷が低い最大値近くのギヤツプにおいては曲線５
２は比較的急峻な勾配を有し、負荷の変化による
熱的抵抗の急速な変化を示している。しかしなが
ら、Ａ及びＢによつて示されれている範囲におい
ては、熱的抵抗は比較的低い数値で安定してい
る。曲線５４は半径R1及びR2が比較的小さく、
即ちデイスクの直径の略40％である如き形状のデ
イスク素子の場合である。比較的小さい半径R1
及びR2の使用は装置及び素子間並びにキヤツプ
及び素子間に比較的狭い環状の接触部を生ずる。
接触領域が相対的に狭い場合には、ギヤツプを変
化させる事によつて生ずる圧力もしくは負荷は熱
的抵抗に実質的影響を与えない事に注意された
い。なんとなれば曲線の勾配は全ギヤツプ距離に
対して実質０であるからである。しかしながら全
熱抵抗はＡ及びＢ間の曲線５２の平坦部分より高
くなつている。
装置の冷却の場合には、熱抵抗はできるだけ低
い事が一般に望ましい。同様に熱抵抗は一定であ
る事が望まれる。半導体パツケージの製造におい
ては、ギヤツプの公差は主に制御不可能なプロセ
ス及び材料の変数によつて変化する。選択される
熱的ブリツジ素子はこれ等の公差を調節し得、低
抵抗を与え、安定な熱的抵抗を保持し得る事が好
ましい。もしギヤツプの公差が第５図のＡ−Ｂに
よつて示された範囲に限定されると、曲線５２に
よつて示されるより大きな半径R1及びR2によつ
て画定される形状の熱的ブリツジ素子が最上の選
択である。しかしながら、もし公差がＡ−Ｂによ
つて示された距離を越えると、素子は曲線５４を
生じた構造体間の折衷を得るために半径R1及び
R2によつて画定される異なる形状を使用して再
設計されなければならない。異なるプロセスの規
模及び条件を調節し得る熱素子は本発明の熱的ブ
リツジ素子の特徴を使用して設計され得る事が明
らかである。
【図面の簡単な説明】
第１図は半導体パツケージ及びその中で使用さ
れる本発明の熱的ブリツジ素子の拡大立断面図で
ある。第２図は本発明の熱的ブリツジ素子の正面
図である。第３図は第２図の線３−３に沿つて見
た第２図の熱的ブリツジ素子及び冷却板とはんだ
ボンド半導体装置間の関係を示した断面図であ
る。第４図は半径方向の溝の長さをパラメータと
してばね素子によつて課せられる負荷対ギヤツプ
の距離の関係を示したグラフである。第５図は異
なる型の熱的ブリツジ素子に対する熱抵抗対ギヤ
ツプの関係を示したグラフである。 １０……基板、１２……半導体装置、１４……
ピン、１６……ギヤツプ、１８……ひれ、２４…
…熱的ブリツジ素子、２６……外方向に半径方向
に延びる溝、２８……内方向に半径方向に延びる
溝。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 熱伝導性の弾性材料の湾曲したデイスクと、 上記デイスクの共通の中心点から放射し、外方
    縁の近くで終る複数の間隔を隔てた半径方向の第
    １の溝と、 上記デイスクの外方縁から延び、中心の近くで
    終る、上記複数の第１の溝間に交互に存在する複
    数の間隔を隔てた半径方向の第２の溝と、 より成るはんだ接着半導体装置の裏側から、該
    半導体装置の近くに存在する冷却板に熱を伝導さ
    せるため半導体パツケージにおいて使用される熱
    的ブリツジ素子。
JP57125197A 1981-08-10 1982-07-20 熱的ブリッジ素子 Granted JPS5833860A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US291218 1981-08-10
US06/291,218 US4415025A (en) 1981-08-10 1981-08-10 Thermal conduction element for semiconductor devices

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS5833860A JPS5833860A (ja) 1983-02-28
JPS6238860B2 true JPS6238860B2 (ja) 1987-08-20

Family

ID=23119394

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP57125197A Granted JPS5833860A (ja) 1981-08-10 1982-07-20 熱的ブリッジ素子

Country Status (5)

Country Link
US (1) US4415025A (ja)
EP (1) EP0071748B1 (ja)
JP (1) JPS5833860A (ja)
CA (1) CA1187208A (ja)
DE (1) DE3276283D1 (ja)

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