JPS635904B2 - - Google Patents

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JPS635904B2
JPS635904B2 JP57218484A JP21848482A JPS635904B2 JP S635904 B2 JPS635904 B2 JP S635904B2 JP 57218484 A JP57218484 A JP 57218484A JP 21848482 A JP21848482 A JP 21848482A JP S635904 B2 JPS635904 B2 JP S635904B2
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JP
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cup
heat
shaped member
cap
semiconductor
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JP57218484A
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JPS58164252A (ja
Inventor
Barudeasu Deimetoriasu
Ruisu Hooasu Josefu
Dokatsukaa Ritsupushatsu Ruisu
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International Business Machines Corp
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Publication of JPS635904B2 publication Critical patent/JPS635904B2/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/433—Auxiliary members in containers characterised by their shape, e.g. pistons
    • H01L23/4338—Pistons, e.g. spring-loaded members
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector

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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の分野 本発明は、半導体素子がそれらの動作中に発生
する熱エネルギを放散させる構造体に係り、更に
具体的に云えば、半導体素子がはんだ接続部によ
り基板上に装着されそしてそれらの半導体素子の
裏側に近接して熱シンク即ちキヤツプ放熱キヤツ
プが装着されている、単一素子又は多素子集積回
路パツケージ組立体に於ける半導体素子を冷却さ
せる熱交換素子に係る。
今日の高回路密度の集積回路半導体素子に於て
は、それらの半導体素子の動作パラメータが所定
範囲内に保たれそして又過熱による半導体素子の
破壊が防がれる様な範囲内にそれらの半導体素子
の温度を維持するために、それらの半導体素子の
動作により生じた熱を効率的に除去することが必
要である。この熱の除去に関連する問題は、半導
体素子を基板上の適当な端子に電気的に接続する
はんだ端子によつて半導体素子が支持基板に接続
される場合には、より大きくなる。その様なはん
だ接続による半導体素子に於ては、はんだ接続部
を経て達成され得る熱伝導が、裏面接続による半
導体素子の場合と比べて限定されている。半導体
素子の冷却は、米国特許第3741292号の明細書に
開示されている如く、半導体素子を適当な冷却液
中に浸漬することによつて達成され得る。しかし
ながら、それらの冷却技術は、半導体素子及び基
板導体の腐食を生じ、又パツケージが分解されて
修理されねばならない場合に問題を生じ得る。冷
却は又、米国特許第3993123号の明細書に記載さ
れている如く、冷却ピストンの如き熱伝導材料系
を設け、又は米国特許第4069498号の明細書に記
載されている如く、半導体素子とキヤツプ即ち熱
シンクとの間に固定した部材を設けることによつ
ても達成され得る。それらの部材は、半導体素子
と熱シンク即ちキヤツプとの間に低い熱抵抗を保
つために出来る限り大きい面積に亘つて良好な界
面接触を一様に形成し且つ維持し得ねばならな
い。冷却ピストンを用いた場合には、半導体素子
が基板に関して傾斜して、不満足な点接触又は線
接触を生じ得るので、その様な界面接触を形成及
び維持することが難しい。概して、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ガスの
雰囲気中で用いられねばならず、又はピストン端
部と半導体素子との界面にグリース或は他の形状
適合手段が施されねばならない。もう一つの不利
な点は、パツケージが慣性力にさらされるとき、
ピストンが冷却されている半導体素子に衝撃を加
え得ることである。半導体素子と熱シンクとの間
の熱伝導にスプリング素子を用いることも知られ
ている。熱を効率的に伝導して間隔の許容誤差に
適応し、しかも半導体素子上に亀裂又は欠損を生
ぜしめる破壊力を与えない、充分に重いスプリン
グを設計することは難しく、この問題は半導体素
子とキヤツプとの間の間隙の許容誤差が増すとと
もに更に大きくなる。概して、従来のスプリング
素子は、熱を効率的に伝導させる様に充分重く形
成された場合には、硬すぎて間隔の変動に適応で
きず、半導体素子上に損傷を与え得る応力を加え
ることになる。これと逆に、スプリング素子が間
隔の許容誤差に適応する様に充分薄く且つ可撓性
を有する様に形成された場合には、その厚さは冷
却条件を充たす様に半導体素子から熱を逃がす充
分な能力を有していない。半導体パツケージ技術
に於ては、傾斜した半導体素子にも適応すること
が出来、しかもはめ込み式素子相互間に確実な面
接触を達成する良好な熱伝導特性を有する、安価
な、伸張可能な熱交換素子が必要とされている。
本発明の概要 本発明は、半導体パツケージに於て基板上に装
着されている半導体素子からそれらの半導体素子
との間に間隔を置いて配置されている熱シンク即
ちキヤツプへ熱を伝導させる、はめ込み式熱交換
素子を提供し、その熱交換素子は、平坦な底面及
び環状壁（周囲壁）を有する熱伝導性材料より成
る第１カツプ状部材と、平坦な底面及び上記第１
カツプ状部材の上記壁に対してはめ込み式にスラ
イド可能な状態に並置される、好ましくはスロツ
トが設けられた弾性環状壁を有する熱伝導性材料
より成る第２カツプ状部材と、上記第１及び第２
カツプ状部材の壁相互間に均一な信頼し得るスラ
イド接触を生ぜしめる手段とを有する。
本発明の好実施例 第１図は、基板の上面に装着された半導体素子
１２と基板の底面から延びるピン１４とを相互接
続する、基板内又は基板上の導体パターン（図示
せず）を有する基板１０より成る半導体パツケー
ジを示している。ひれ状部分１８を設けられた典
型的なキヤツプ（放熱キヤツプ）１６がろう付け
封止部２０により基板１０に固定されている。半
導体素子１２は、はんだ接続部２２により基板上
又は基板内の導体系に電気的に接続されている。
動作に於て、半導体素子１２は放散されねばなら
ない熱を発生する。発生された熱の一部ははんば
接続部２２を経て基板１０へ伝導される。しかし
ながら、高性能の集積半導体素子を用いた場合に
は、はんだ接続部２２を経ての熱伝導では、半導
体素子の温度を動作可能な範囲内に維持するには
通常不充分である。本発明に於ては、はめ込み式
熱交換素子２４によつて、熱が半導体素子１２か
ら上のキヤツプ１６へ除去される。
第２図は、本発明の一実施例によるはめ込み式
熱交換素子２４を拡大して示している。熱交換素
子２４は、キヤツプ１６と接触する平坦な底面２
８及び環状壁周囲壁３０を有する熱伝導性金属よ
る成る、第１カツプ状部材２６を有している。カ
ツプ状部材２６は、例えば銅、銀又はそれらの合
金の如き、適当な金属から形成され得る。好まし
くは、壁が弾性を有する様にスプリングに似た動
作をする金属が用いられる。壁３０は、その各部
分が他の部分から独立して撓み得る様にスロツト
を有していることが好ましい。カツプ状部材２６
は、正方形の断面を有していることが好ましい
が、所望ならば矩形又は円形の断面を有してもよ
い。カツプ状部材の金属の厚さは適当でよいが、
典型的には約0.07乃至0.5mmの範囲内である。平
坦な底面３４及びスロツトが設けられた弾性環状
壁３６を有する熱伝導性材料より成る第２カツプ
状部材３２が、第１カツプ状部材２６の上記壁に
対してはめ込み式にスライド可能な状態に並置さ
れている。カツプ状部材２６及び３２の組立てが
容易になる様に、部材２６の壁３０の上部が外側
に張り出されそして部材３２の壁３６の上部が内
側に傾斜していることが好ましい。部材２６の内
側の幅の寸法が部材３２の外側の幅の寸法に相当
していることが好ましい。部材２６及び３２が相
互に内方に押されて、より近接してはめ込まれた
（圧入された）とき、それらの壁３０及び３６の
間のスライド接触は環状の面接触となる。ここ
で、壁３０及び３６は共に板ばね状に形成されて
おり、これらのばね作用により第１カツプ状部材
２６内から第２カツプ状部材３２を押し出す付勢
力が得られ、この付勢力により底面２８がキヤツ
プ１６の平坦面に押し付けられ、底面３４が半導
体素子１２の平坦面に押し付けられるように構成
されている。第２図に示されている位置に於て
は、部材２６及び３２の間の接触は線接触であ
る。第２図に於ては、構造をより明確に示すため
に、壁３０及び３６の弓状端部が誇張して示され
ている。部材２６及び３２の平坦な底面２８及び
３４を半導体素子１２及びキヤツプ１６に対して
押しつけるために、適当なスプリング３８が設け
られ得る。
第３図は、カツプ状部材２６及び３２が内部に
スプリングを用いて又は用いずに相互に組合わさ
れた後に、それらが分離しない様にする１つの係
合機構を示している。熱交換素子の各角部に、両
部材の分離を防ぐ１組のフツク手段が設けられて
いる。より具体的に云えば、第３図に示されてい
る如く、壁３０上のタブの延長部分４０が壁３６
上のタブの対応する延長部分４２と係合する。カ
ツプ状部材２６及び３２が相互にはめ込まれると
き、一方又は両方のタブが外方へ撓められて、タ
ブの延長部分４０及び４２が相互に係合され得
る。必要ならば、組合わされているカツプ状部材
は、角部の各タブを同時に外方へ撓ませてそれら
の延長部分の係合を外すことによつて、相互に分
離され得る。両カツプ状部材相互間の分離が防が
れるとともに、半導体素子をキヤツプの変動に適
応させるためにそれらの重畳部分が自由に増加又
は減少され得る。
カツプ状部材２６及び３２の一方又は両方にス
ロツトが設けられ得る。スロツトは壁を複数の部
分に分割させて、確実なスライド接触を達成す
る。又、壁の弾性も、組立体の外部抵抗を著しく
減少させるスライド接触を達成して、半導体素子
１２から上のキヤツプ即ち熱シンクへの熱の効率
的な伝導を可能にする。本発明によるはめ込み式
熱交換素子は、両カツプ状部材相互間に確実なス
ライド接触を得るための精密加工を要しないの
で、比較的安価である。更に、本発明のはめ込み
式熱交換素子は質量が小さく、従つてパツケージ
が大きな慣性力にさらされても、該パツケージに
於ける半導体素子が損傷される可能性が極めて低
い。従つて、質量の小さい熱交換素子２４は半導
体素子に最小の力を加える。又、熱交換素子２４
は、半導体素子とキヤツプとの間に於ける変動す
る幅の間隙を橋渡しすることが出来る。更に、第
２カツプ状部材３２が壁３０及び３６の弾性によ
つて傾斜面に適応し得るので、熱交換素子２４は
基板１０上の傾斜した半導体素子に適応し得る。
それと同時に、両カツプ状部材２６及び３２の間
に、熱抵抗を低下させる線接触又は面接触のいず
れかが維持される。
第４Ａ図及び第４Ｂ図は、本発明のもう１つの
実施例を示している。はめ込み式カツプ状部材５
０及び５２は、半導体素子を冷却するために、先
に熱交換素子２４に関して述べた場合と同様にし
て、熱伝導を行う。しかしながら、この実施例に
於ては、壁５４及び５６の端部が湾曲していな
い。その結果、両カツプ状部材５０及び５２間に
は、常に面接触が得られる。その接触の面積が両
部材の相対的位置に応じて変化することは勿論で
ある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明によるはめ込み式熱交換素子並
びに該熱交換素子と半導体素子及び熱シンクとの
間の関係を示す、半導体パツケージの立面図であ
り、第２図は本発明によるはめ込み式熱交換素子
の一実施例を示す立面図であり、第３図は両カツ
プ状部材の分離を防ぐ、本発明の他の実施例を示
す図であり、第４Ａ図は組立てられていない本発
明による熱交換素子のもう１つの実施例を示す立
面図であり、第４Ｂ図は組立てられた第４Ａ図の
熱交換素子を示す立面図である。 １０……基板、１２……半導体素子、１４……
ピン、１６……キヤツプ（熱シンク）、１８……
ひれ状部分、２０……ろう付け封止部、２２……
はんだ接続部、２４………はめ込み式熱交換素
子、２６，３２，５０，５２……カツプ状部材、
２８……部材２６の底面、３０，３６，５４，５
６……環状壁、３４……部材３２の底面、３８…
…スプリング、４０，４２……タブの延長部分。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 所定の間隔を置いて向い合つた半導体素子の
    平坦面と放熱キヤツプの平坦面との間に介挿さ
    れ、半導体素子で生じた熱を放熱キヤツプに伝達
    する熱交換素子であつて、 半導体素子の平坦面又は放熱キヤツプの平坦面
    のいずれか一方に当接する底面と、周囲壁とを有
    し、熱伝達性金属より成る第１カツプ状部材と、 半導体素子の平坦面又は放熱キヤツプの平坦面
    のいずれか他方に当接する底面と、周囲壁とを有
    し、熱伝達性金属より成る第２カツプ状部材と、 を備え、 第１カツプ状部材内には第２カツプ状部材の頂
    部側が圧力されるとともに、第１及び第２カツプ
    状部材の少なくとも一方は、第１カツプ状部材内
    から第２カツプ状部材を押し出すよう付勢して第
    １及び第２カツプ状部材の夫々の底面を半導体素
    子あるいは放熱キヤツプの平坦面に押し付ける板
    ばね状に形成されていることを特徴とする熱交換
    素子。
JP57218484A 1982-03-10 1982-12-15 熱交換素子 Granted JPS58164252A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/356,677 US4483389A (en) 1982-03-10 1982-03-10 Telescoping thermal conduction element for semiconductor devices
US356677 1982-03-10

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS58164252A JPS58164252A (ja) 1983-09-29
JPS635904B2 true JPS635904B2 (ja) 1988-02-05

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ID=23402456

Family Applications (1)

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JP57218484A Granted JPS58164252A (ja) 1982-03-10 1982-12-15 熱交換素子

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US (1) US4483389A (ja)
EP (1) EP0088246B1 (ja)
JP (1) JPS58164252A (ja)
DE (1) DE3374491D1 (ja)

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