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発明の名称 電子デバイスの冷却装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−37215
公開日 平成6年(1994)2月10日
出願番号 特願平4−186559
出願日 平成4年(1992)7月14日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】高田 幸彦
発明者 川村 圭三 / 大黒 崇弘 / 佐々木 重幸
要約 目的


構成
一つの電子デバイス1に対し、一つの弾性部材10が位置ずれ防止と垂直及び水平方向の押し付け力をフィン付き熱伝導体4に与える。
特許請求の範囲
【請求項1】回路基板上に実装された半導体パッケージあるいは半導体チップを含む電子デバイスの発生熱を熱伝導体を介してハウジングに伝えて冷却するために、前記熱伝導体の一方の端が熱伝導体ベースで前記電子デバイスの表面に接触し、他方が前記熱伝導体ベース上に一体に形成された複数の第1フィンと微小間隙を介して前記ハウジング側の第2フィンと係合する熱伝導体において、前記電子デバイスの表面に押し付けられた前記熱伝導体ベースと、前記ハウジングの前記第2フィン側面に押し付けられた前記熱伝導体の前記第1フィンとを含む弾性部材を前記熱伝導体と前記ハウジングの間に設置してなることを特徴とする電子デバイスの冷却装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体パッケージあるいは半導体チップ等を含む電子デバイスから発生する熱を除去するための冷却装置に関する。
【0002】
【従来の技術】大型電子計算機では処理速度の速いことが要求されるため、近年、半導体素子を大規模に集積した回路チップが開発されている。また、その集積回路チップを互いに接続する電気配線をできるだけ短くするため、マイクロパッケージに多数の集積回路チップを実装する方法が開発されている。従来、大型計算機用集積回路チップの冷却装置に関し多数提案されているが、例えば、図13から図16に示すように、組立て誤差や熱変形を上下,左右に吸収できる柔構造とする半導体チップの冷却装置が特開平2−20049号公報に開示されている。同装置において、冷却ハット16の内面には、多数のプレート状のフィン17が互いに平行に設けられている。多層配線基板2に実装されたLSIチップ1の背面にはベース22が置かれ、このベース22の上にもフィン17と同ピッチでプレート状のフィン18が多数ベース22と一体に設けられている。冷却ハット16のフィン17とベース22上のフィン18とは、互いに微小間隙7を保って嵌め合わされている。ベース22は、バイアス手段19によってLSIチップ1に押しつけられ、LSIチップ1の背面と互いに面接触している。バイアス手段19は、フィン付内部熱伝導装置20と冷却ハット16の間に存在する。バイアス手段19は接触する領域間に均一なバイアス力を加え、従って、フィン付き内部熱伝導装置20のベース4の平坦な表面が、変形性の熱媒体を介してチップ1に向かって押し付けられる。また、フィン付き内部熱伝導装置20は、一番外側のフィン18の一番外側の表面に切れ目を入れることによってばねフラップ21が形成されている。これによって、フィン付き内部熱伝導装置20に横方向のバイアス力が働きフィン17とフィン18との微小間隙7が更に小さくなり伝熱性能を向上させている。LSIチップ1の傾きや熱膨張による変形は、フィン17とフィン18との微小間隙7で吸収している。
【0003】LSIチップ1で発生した熱は、LSIチップ1と全面接触するフィン付き内部熱伝導装置20のベース22に、一旦、伝えられ、ベース内で一様に拡散された後、フィン付き内部熱伝導装置20の各フィン18に伝わる。そして、各々微小間隙7のヘリウムガス層から冷却ハット16のフィン17へと伝わり、最終的に冷却ハット16の上部に取り付けられる冷却器(図示せず)により持ち去られる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の冷却構造は、フィン付き内部熱伝導装置を半導体チップと冷却ハットのフィン側面に押し付けるために、一つの半導体チップに対して二つの弾性部材を有している。また、内部熱伝導装置はフィンと平行方向にずれ半導体チップから外れる可能性があるため、位置決め用の他の部材が必要となる。このため、部品点数が増えることにより加工や組立て誤差が大きくなり、組立て性が悪く高コストの半導体チップの冷却装置となる。
【0005】本発明の目的は、部品点数を増やさずに内部熱伝導装置の位置ずれを防止し、組立て性が良く低コストの電子デバイスの冷却装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明は、回路基板上に実装された電子デバイスの発生熱を熱伝導体を介してハウジングに伝えて冷却するために、熱伝導体の一方が前記電子デバイスの表面に接触し、他方が熱伝導体のベース上に一体に形成された複数の第1フィンと微小間隙を介してハウジング側の第2フィンと係合する熱伝導体において、ベース側の第1フィンと、ハウジング側の第2フィンとの直角方向にスリットを設け、突起を2箇所に備えたリング状あるいはコの字状の一つの弾性部材を両者のスリットに挿入する。この時、前記弾性部材に備えた突起の一方を第2フィンの溝に差し込み固定し、他方の突起をスリットと平行方向のどちらか一方に偏心させながら第1フィンの溝に差し込みベース側の第1フィンと、ハウジング側の第2フィンとを係合させるものである。
【0007】
【作用】本発明によれば、一つの電子デバイスに対し、一つの弾性部材の突起の一方を第2フィンの溝に差し込んで固定し、他方の突起をスリットと平行方向のどちらか一方に偏心させながら第1フィンの溝に差し込みベース側の第1フィンと、ハウジング側の第2フィンとを係合させることにより、熱伝導体のベースは、電子デバイスの表面に垂直に押し付けられながらベース側の第1フィンをフィンと直角方向に押し付け、ハウジング側の第2フィン側面に押し付ける。このため第1フィンと第2フィンの間隙が小さくなり冷却性能が向上する。また、一つの電子デバイスに対し、一つの弾性部材をベース側の第1フィンと、ハウジング側の第2フィンとの直角方向にスリットを設け、両者のスリットに挿入することにより弾性部材のずれがスリットの壁によって拘束されるので、熱伝導体は、ハウジングの所定の位置からずれることなく、電子デバイスとの位置関係が決められる。従って、熱伝導体の位置ずれを防止するための部品が不要となるため、部品点数が少なくなり、組立て性が向上し、部品コストが安くなり生産コストが減少する。
【0008】
【実施例】以下、本発明の各実施例を図1ないし図12を参照して説明する。
【0009】まず、図1は、本発明の一実施例の電子デバイスの冷却装置の断面図、図2は、図1の線A−Aで得られる断面図、図3は、図1の分解斜視図である。
【0010】図1において、熱伝導性の良好な材料により作られたハウジング9の内面には、多数のプレート状のフィン8が互いに平行に設けられている。多層配線基板2に実装されたLSIチップ1の背面には熱伝導体4のベースが置かれ、このベースの上にもフィン8と同ピッチでプレート状のフィン6が多数ベースと一体に設けられている。ハウジング9のフィン8と熱伝導体4のベース上のフィン6とは、互いに微小間隙7を保って嵌め合わされている。熱伝導体4のベースは、LSIチップ1の接続用の半田ボール3に影響を及ぼさぬように薄いベルトをリング状にしたばね定数の柔らかいばね10によってLSIチップ1に押しつけられ、LSIチップ1の背面と互いに面接触している。ばね10は、フィン8とフィン6に設けられたスリット11内に挿入され突起12によってハウジング9側に固定される。また、ばね10に備えた突起13をばね10の中心線より偏心させて熱伝導体4側のフィン6の間に挿入することによって、突起13はフィン6を横方向に押し付ける。そして、フィン6とフィン8の間隙は最小になり伝熱性能が向上する。一方、ばねの作用点は熱伝導体4のベース及びハウジング9の両端に設けられるので、熱伝導体4をLSIチップ1に対して安定に押しつけることができ、ばね10はスリット11の壁によって動きが拘束されるので、熱伝導体4は、ハウジング9の所定の位置からずれることなく、LSIチップ1との位置関係が決められ、熱伝導体4のベースがLSIチップ1の上からずれ落ちないように防止することも出来る。LSIチップ1の傾きや熱膨張による変形は、フィン8とフィン6との微小間隙7で吸収している。
【0011】ハウジング9と基板2とで囲まれた密閉空間23には、熱伝導率の良好な気体、例えば、ヘリウムガス、あるいは水素ガスなどが充満されている。なお、微小間隙7内にだけ油、又は熱伝導性グリースなどの高熱伝導性の液体を充填してもよい。
【0012】LSIチップ1で発生した熱は、LSIチップ1と全面接触する熱伝導体4のベースに、一旦、伝えられ、ベース内で一様に拡散された後、熱伝導体4の各フィン6に伝わる。そして、各々微小間隙7のヘリウムガス層からハウジング9のフィン8へと伝わり、最終的にハウジング9の上部に取り付けられる冷却器(図示せず)により持ち去られる。なお、冷却構造の基板2は、高密度の多層電気配線を内蔵するためアルミナなどセラミックス材から出来ており、そして、ハウジング9やフィン6,8も基板との熱膨張率の整合性,高熱伝導性及び電気絶縁性などを考慮して、例えば、SiCあるいはAlNなどセラミックス材で構成されている。
【0013】本実施例によれば、一つの半導体チップに対し、一つの弾性部材によって熱伝導体の位置ずれを防止し、半導体チップへの垂直の押し付け力、及びハウジング側のフィンへの押し付け力を得ることが出来るため、部品点数が少なくなり、冷却性能が向上する。このため、加工や組立て誤差が減少し、組立て性が良くなり生産性が向上する。更に、部品コストが安くなり生産コストが減少する。
【0014】次に本発明の他の実施例を図4を参照して説明する。図4は、本発明における図1の実施例のばね10の代替ばねを示すものである。図4におけるばね10は、細い針金状の物をリング状にし、突起12と13を設けたものである。本実施例によれば、図1と同じ作用で、図1の実施例と同様の効果が期待できる。
【0015】次に本発明の他の実施例を図5及び図6を参照して説明する。図5は、本発明の一実施例に係る電子デバイスの冷却装置の断面図、図6は、図5の線B−Bで得られる断面図である。
【0016】図5において、熱伝導性の良好な材料により作られたハウジング9の内面には、多数のプレート状のフィン8が互いに平行に設けられている。多層配線基板2に実装されたLSIチップ1の背面には二つに分割(フィンと平行方向)された熱伝導体4と5のベースが置かれ、このベースの上にもフィン8と同ピッチでプレート状のフィン6が多数ベースと一体に設けられている。ハウジング9のフィン8と熱伝導体4及び5のベース上のフィン6とは、互いに微小間隙7を保って嵌め合わされている。熱伝導体4及び5のベースは、LSIチップ1の接続用の半田ボール3に影響を及ぼさぬように薄いベルトをリング状にしたばね定数の柔らかいばね10によってLSIチップ1に押しつけられ、LSIチップ1の背面と互いに面接触している。ばね10は、フィン8とフィン6に設けられたスリット11内に挿入される。このときばね10は、垂直方向に押されることにより水平方向に拡がるため、ばね10の各々の突起13は、熱伝導体4及び5のフィン6を両方向に押し付ける。そして、フィン6とフィン8の間隙は小さくなり伝熱性能が向上する。また、熱伝導体のベースを二つに分割することによって、それぞれのベース側フィンの動きに対する自由度が増加し、更に、フィン8とフィン6の間隙が小さくなり冷却性能が向上する。一方、ばねの作用点は熱伝導体4と5のベース及びハウジング9の両端に設けられるので、熱伝導体4と5をLSIチップ1に対して安定に押しつけることができ、ばね10はスリット11の壁によって動きが拘束されるので、熱伝導体4は、ハウジング9の所定の位置からずれることなく、LSIチップ1との位置関係が決められ、熱伝導体4のベースがLSIチップ1の上からずれ落ちないように防ぐことも出来る。LSIチップ1の傾きや熱膨張による変形は、フィン8とフィン6との微小間隙7で吸収している。
【0017】ハウジング9と基板2とで囲まれた密閉空間23には、熱伝導率の良好な気体、例えば、ヘリウムガス、あるいは水素ガスなどが充満されている。なお、微小間隙7内にだけ油、又は、熱伝導性グリースなどの高熱伝導性の液体を充填してもよい。
【0018】LSIチップ1で発生した熱は、LSIチップ1と全面接触する各々の熱伝導体4と5のベースに、一旦、伝えられ、ベース内で一様に拡散された後、各々の熱伝導体4と5の各フィン6に伝わる。そして、各々微小間隙7のヘリウムガス層からハウジング9のフィン8へと伝わり、最終的にハウジング9の上部に取り付けられる冷却器(図示せず)により持ち去られる。なお、冷却構造の基板2は、高密度の多層電気配線を内蔵するためアルミナなどセラミックス材から出来ており、そして、ハウジング9やフィン6,8も基板との熱膨張率の整合性,高熱伝導性及び電気絶縁性などを考慮して、例えば、SiCあるいはAlNなどセラミックス材で構成されている。
【0019】本実施例によれば、一つの半導体チップに対し、一つの弾性部材によって熱伝導体の位置ずれを防止と半導体チップへの垂直の押し付け力、及びハウジング側のフィンへの押し付け力を得ることが出来るため、部品点数が少なくなると共に、冷却性能が向上する。このため、加工や組立て誤差が減少し熱的信頼性が高くなると共に、組立て性が良くなり生産性が向上する。更に、部品コストが安くなり生産コストが減少する。更に、本実施例によれば一つの半導体チップに2個の熱伝導体を接触させることにより、接触面を二つに分割することが出来る。これによって半導体チップ全面の反りも二つに分割され各々の熱伝導体のベースが接触する反りが小さくなる。接触面の反りが小さくなることによって接触面の間隙が小さくなり冷却性能が更に向上する。なお、この効果は、半導体チップと熱伝導体との接触面積が大きくなるほど有効である。
【0020】次に本発明の他の実施例を図9を参照して説明する。図9は、本発明における図5の実施例のばね10の代替ばねを示すものである。図9におけるばね10は、薄いベルトをπ字状にし、突起13を設けたものである。本実施例によれば、図5と同じ作用をし、図5の実施例と同様の効果が期待できる。
【0021】次に本発明の他の実施例を図7及び図8を参照して説明する。図7は、本発明の一実施例の電子デバイスの冷却装置の断面図、図8は、図7の線C−Cで得られる断面図である。図7及び図8において、図5の実施例と異なる点は、薄いベルトをC字状にしたばね10の突起13を熱伝導体4と5のフィン6に掛けながらフィン8とフィン6に設けられたスリット11内に挿入することにより、各々の突起13は、熱伝導体4及び5のフィン6を内側に押し付ける。そして、それぞれのフィン6とフィン8の間隙は小さくなり伝熱性能が向上すると共に、熱伝導体4及び5のベース間隙14も小さくなりLSIチップ1から熱伝導体4及び5のベース間との伝熱性能が向上する。
【0022】本実施例によれば、図5の実施例と同様の効果が期待できると共に熱伝導体4及び5のベース間隙14が小さくなるため、LSIチップ1から熱伝導体4及び5のベース間との伝熱性能が更に向上する。
【0023】次に、本発明の他の実施例を図10を参照して説明する。図10は、本発明における図7の実施例に係るばね10の代替ばねを示すものである。図10におけるばね10は、薄いベルトをリング状にし、突起13の間を波形15状にすることにより熱伝導体4と5におけるフィン6の内側に押し付ける力を強化したものである。本実施例によれば、図7の実施例と同じ作用し、図7の実施例と同様の効果が期待できる。
【0024】次に、本発明の他の実施例を図11を参照して説明する。図11は、本発明における図7の実施例のばね10の代替ばねを示すものである。図11におけるばね10は、薄いベルトをリング状にし、突起13を円弧状にすることにより熱伝導体4と5におけるフィン6の内側に押し付ける力を強化したものである。本実施例によれば、図7の実施例と同じ作用し、図7の実施例と同様の効果が期待できる。
【0025】次に、本発明の他の実施例を図12を参照して説明する。図12は、本発明における図7の実施例に係るばね10の代替ばねを示すものである。図12におけるばね10は、薄いベルトをπ字状にしたものである。本実施例によれば、図7の実施例と同じ作用し、図7の実施例と同様の効果が期待できる。
【0026】尚、本実施例における全てのばね10は、細い針金状やコイル状の物をリング状にして挿入しても同じ効果が期待できる。また、本実施例における全ての突起12,13は、ばね10と一体あるいは別部材で構成してもよい。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば一つの半導体チップに対し、一つの弾性部材によって熱伝導体の位置ずれを防ぎ、半導体チップへの垂直の押し付け力、及びハウジング側のフィンへの押し付け力を得ることが出来るため、部品点数が少なくなり、冷却性能があがる。従って、加工や組立て誤差が減少し、組立て性が良くなり生産性が向上する。更に、部品コストが安くなり生産コストが減少する。




 

 


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