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電子回路装置 - 株式会社日立製作所
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発明の名称 電子回路装置
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6−53374
公開日 平成6年(1994)2月25日
出願番号 特願平4−201473
出願日 平成4年(1992)7月28日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】富田 和子
発明者 河合 通文 / 佐藤 了平 / 松井 清 / 原田 正英 / 根津 利忠 / 白井 貢
要約 目的
電子回路部品の交換を容易に行なうことができ、小型で、高い冷却性能を備え、さらに、基板の反りある場合にも電子回路部品に応力を加えない電子回路装置を提供する。

構成
電子回路部品を冷却する冷却手段と、前記冷却手段と前記電子回路部品との双方に接触して、前記冷却手段と前記電子回路部品とを熱的に連結する連結手段とを有する電子回路装置であって、前記連結手段は、貫通孔を有する板状部材と、前記貫通孔を充填する充填部材とを有し、前記板状部材は、前記貫通孔の開口部を、前記電子回路部品側と前記冷却手段側とに有し、前記充填部材は、少なくとも一部が前記電子回路部品に接触し、かつ、前記貫通孔の電子回路部品側の開口部を閉塞するものである電子回路装置。
特許請求の範囲
【請求項1】基板と、前記基板上に配置された電子回路部品と、前記基板と電子回路部品とを電気的に接続する接続手段と、前記電子回路部品を冷却する冷却手段と、前記冷却手段と前記電子回路部品との双方に接触して、前記冷却手段と前記電子回路部品とを熱的に連結する連結手段とを有する電子回路装置であって、前記連結手段は、貫通孔を有する板状部材と、前記貫通孔を充填する充填部材とを有し、前記板状部材は、前記貫通孔の開口部を、前記電子回路部品側と前記冷却手段側とに有し、前記充填部材は、少なくとも一部が前記電子回路部品に接触し、かつ、前記貫通孔の電子回路部品側の開口部を閉塞することを特徴とする電子回路装置。
【請求項2】請求項1において、前記充填部材は、前記接続手段を構成する材料の融点より、低い融点を有する材料によって構成されていることを特徴とする電子回路装置。
【請求項3】請求項1において、前記連結手段は、前記冷却手段および前記充填部材と接触して熱を伝導する伝熱板をさらに有し、前記伝熱板は、前記貫通孔内の冷却手段側の開口部に配置されることを特徴とする電子回路装置。
【請求項4】請求項3において、前記伝熱板は、中央部の厚さが周辺部より厚いことを特徴とする電子回路装置。
【請求項5】請求項1において、前記連結手段は、前記板状部材を、前記電子回路部品に非接触な状態で、前記基板上に支持するための支持部材をさらに有することを特徴とする電子回路装置。
【請求項6】請求項5において、前記板状部材の貫通孔の開口部は、前記電子部品より大きいものであり、前記支持部材は、前記電子部品の一部が、前記貫通孔内に入る高さに、前記板状部材を支持することを特徴とする電子回路装置。
【請求項7】請求項6において、前記貫通孔は、内壁に段部を有することを特徴とする電子回路装置。
【請求項8】請求項1において、前記電子回路部品は、半導体チップまたはチップキャリアであることを特徴とする電子回路装置。
【請求項9】請求項2において、前記充填部材は、はんだであることを特徴とする電子回路装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高集積の半導体チップを高密度微細接続により実装する構造に関する。
【0002】
【従来の技術】電子計算機を高速化するためには、演算や記憶に用いられる半導体集積回路の配線長を短くする必要がある。そのため、半導体集積回路の高集積化が進んでいる。この半導体集積回路の高集積化に伴い、半導体集積回路から配線基板への入出力端子数が増加し、その接続部は微細化の一途をたどっている。そのため、接続部の強度が低下し、寿命が低くなるなどの問題が生じている。
【0003】これに対し、半導体チップを冷却することにより、チップと配線基板との接続部およびその他の接続部にかかる応力・ひずみの低減および接続部の信頼性の向上を図る技術が提案されている。例えば、特開平2−7456号公報によれば、図7に示すように、蛇腹構造を有するベローズ15の内部に冷却水を循環させて、半導体チップ2に接触させることにより、半導体チップ2を冷却する構造が開示されている。また、例えば、特開平1−125962号公報では、図8に示ような、応力を吸収する構造をもつダイヤフラム16を介して、冷却水を接触させ、半導体チップ2を冷却する構造が、また、特開平3−283451号公報では、図9に示すように、はんだを介して、半導体チップ2を冷却部材に接触させて冷却する構造が開示されている。
【0004】また、電子回路の高集積化により、集積回路内の発熱密度が高まり、実装プロセス時及び実稼働時の回路の内部温度変化や三次元温度分布からの熱膨張などによる変形の構造への影響が深刻な問題となってきている。さらに、内部温度変化や温度分布の均一化及び発熱密度の上昇に対応するために冷却性能の向上も重要な課題となっている。
【0005】そこで、従来の図10に示すようなくし歯19により放熱面積を増加させ強制的に空冷するタイプから、図11に示すような水冷系とくし歯20による接触で冷却するタイプや、フレオンにチップを直接浸し冷却する液体浸漬タイプや、さらに上述の公開公報のようにチップをモジュールキャップにろう材もしくははんだで固着し水冷ジャケットに近づけ冷却する間接水冷タイプへ変化し、冷却性能向上のための技術の開発などが行われている。これらの技術については、特開平2−83957号公報に示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術では、十分な放熱特性を得ることと、冷却系を含めた半導体モジュール構造体の加工性・組立性が良いこととが両立していないという問題があった。
【0007】さらに、従来の技術で述べた半導体モジュール構造体は、いずれも、実装プロセス時に、構造体に熱変形が生じた場合、接続不良を起こすことがあった。また、実稼働時のオン・オフの繰返しによって、過渡的温度分布のサイクルにより、接続部破壊を起こすこともあった。これらは、従来の構造体の構造に起因する問題であると考えられる。このような問題は、半導体モジュールの接続の信頼性を低下させてしまうため、これらを向上させる構造の開発が望まれている。
【0008】従来技術の問題点を具体的に説明する。上述のベローズやダイヤフラム構造は、冷却性は良いが、不良のチップを交換する際に、水冷系をとり外さなければならず、リペア性が悪い。水冷系は、部品数が多いので、不良チップを交換する際に、とり外さなければならない部品数が多くなり、加工精度および組立て精度のバラツキが接続部寿命に大きく影響する。加えて、ベローズやダイヤフラム構造ではチップに応力をかけないために、バネ構造部を備えなければならない。そのため、バネ構造部のスペースが必要であり、モジュール全体構造の小型化にも限界がある。
【0009】次に、くし歯熱伝導構造では、くし歯の噛み合いしろ範囲内のずれを許容できるという利点があるので、他の構造と比べて加工性、組立て性、リペア性が良いが、くし歯構造部分の接触熱抵抗が大きいため熱抵抗の減少に限界がある。そのため、チップ発熱密度の増大に対し冷却性能をあげることができない。また、くし歯スペースを確保するためモジュール高さが高くなるという問題もある。
【0010】また、はんだ固着構造では、構造が簡単でリペア性も良く、チップを冷却系に近づけられるため冷却性能を大幅に向上でき、さらに、モジュールの大幅な小型化が可能となるなど利点も多いが、基板の反りへの対応が難しい。すなわち、ほとんどの基板は反りを有しているが、基板の反っている場合、チップにも傾きが生じる。その場合、チップと冷却系との間隔が、基板の反り加減で異なってしまう。そのため、チップと冷却系とのあいだに、充填すべきはんだの量が、基板の部位によってばらつく。このようなバラツキに個々に対応していたのでは、製造効率が極端に低下してしまう。しかし、はんだ固着構造では、はんだによって、チップと冷却系の接合部の応力を吸収する構造であるため、はんだ量の調節を行なわないと、チップとはんだとの接合部でチップに加わるストレスが大きくなる。
【0011】本発明の目的は、電子回路部品の交換を容易に行なうことができ、小型で、高い冷却性能を備え、さらに、基板の反りある場合にも電子回路部品に応力を加えない電子回路装置と、これを演算・記憶素子として備えた高性能の電子計算機を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために本発明によれば、基板と、電子回路部品と、前記基板と電子回路部品とを電気的に接続する接続手段と、前記電子回路部品を冷却する冷却手段と、前記冷却手段と前記電子回路部品との双方に接触して、前記冷却手段と前記電子回路部品とを熱的に連結する連結手段とを有する電子回路装置であって、前記連結手段は、貫通孔を有する板状部材と、前記貫通孔を充填する充填部材とを有し、前記板状部材は、前記貫通孔の開口部を、前記電子回路部品に接触する側と前記冷却手段に接触する側とに有し、前記充填部材は、少なくとも一部が前記電子回路部品に接触し、かつ、前記貫通孔の電子回路部品側の開口部を閉塞するものであることを特徴とする電子回路装置が提供される。
【0013】
【作用】本発明において、電子回路部品は、基板上に配置され、さらに接続手段によって基板と電気的に接続される。連結手段は、電子回路部品と冷却手段との双方に接触することにより、電子回路部品の熱を冷却手段に伝導して、電子回路部品を冷却する。
【0014】連結手段は、貫通孔を有する板状部材と、貫通孔を充填する充填部材とを有している。板状部材は、貫通孔の開口部を、電子回路部品に接触する側と前記冷却手段に接触する側とに備えている。充填部材は、少なくとも一部が電子回路部品に接触し、かつ、貫通孔の電子回路部品側の開口部を閉塞するものである。
【0015】基板に反りがある場合には、板状部材と電子回路部品との位置関係が、基板の反り加減によって、ばらつくこととなるが、本発明では、等しい量の充填部材で、そのばらつきを許容することができる。すなわち、基板の反りによって、板状部材と電子回路部品が、離れている場合には、板状部材と電子回路部品との間隙が大きく、これを充填部材がを満たすので、貫通孔の内部を満たす充填部材の量が少なくなる。また、板状部材と電子回路部品とが接近している場合には、板状部材と電子回路部品との間隙が小さく、貫通孔の内部を満たす充填部材の量が多くなる。どちらの場合においても、充填部材は、貫通孔の電子回路部品側の開口部を閉塞している。これは、板状部材が電子部品側から冷却手段側に貫通する貫通孔を有しているがゆえに可能となった技術である。
【0016】また、本発明の電子回路装置は、構造が簡単であるので、電子回路部品の交換を容易に行なうことができる。また、電子回路部品は、充填部材と、板状部材とによって、直接冷却手段に連結されるので、冷却効率も高い。
【0017】このように、本発明の電子回路装置において、板状部材に貫通孔と、これを充填することにより板状部材と電子回路部品とを直接連結する充填部材とを用いたことにより、基板の反りある場合にも電子回路部品に応力を加えない電子回路装置が提供される。
【0018】
【実施例】以下に、本発明の一実施例の電子回路装置を、図1から図6を用いて説明する。
【0019】まず、本発明の第1の実施例の電子回路装置の実装構造を図1を用いて説明する。本実施例の電子回路装置は、裏面に信号ピン9を有する絶縁多層基板1と、絶縁多層基板1上に複数個(図1では1個のみ図示している)の半導体チップ2とを有している。半導体チップ2と絶縁多層基板1とは、はんだバンプ8で接続されている。また、電子回路装置は、半導体チップを冷却するための冷却ジャケット4と、半導体チップ2を冷却ジャケット4に熱的に連結するための、天板3と充填部材5と伝熱板6とを備えている。天板3と充填部材5と伝熱板6とは、熱伝導性グリス11を介して冷却ジャケット4と接触している。また、天板3と充填部材5と伝熱板6とは、半導体チップ2とも接触している。天板3は、基板8の端部に配置されたフレーム7によって、支持されている。基板1およびフレーム7、フレーム7および天板10はそれぞれろう材10で接続されている。冷却ジャケット4は、内部に冷却水を循環させるための冷却管4aを有している。
【0020】天板3は、セラミックで構成されている。天板3は、半導体チップ2側から冷却ジャケット4側に、貫通する貫通孔を有している。貫通孔は、半導体チップ2の搭載位置に設けられている。貫通穴の半導体チップ2側の開口部のサイズは、半導体チップ2のサイズより若干小さめになっている。天板3は、半導体チップ2の上面と天板3下面がほぼ同一平面内にくるよう配置されている。
【0021】この貫通穴には、低融点の金属から成る充填部材5(例えばIn48Sn(融点:約120℃)、Bi56.3Pb(融点:約125℃))が充填されている。充填部材5を構成する材料の融点は、はんだバンプ8を構成するはんだの融点より低いものを用いる。冷却ジャケット4側の開口部には、Cuなどの高熱伝導性金属からなる伝熱板6がのせられている。充填部材5は、少なくとも一部が前記電子回路部品に接触し、かつ、前記貫通孔の電子回路部品側の開口部を閉塞している。
【0022】さらに、貫通穴の冷却ジャケット4側を拡げて段差を設けてることにより、伝熱経路の拡大している。伝熱金属薄板6にも天板側の段差の張出し部3a形状に対応した段差を設けている。この張出し部3aは、天板3の剛性を高める補強材としての役目を持っている。また、この張出し部は、絶縁基板1及び天板3などの加工精度及び組立て精度が悪い場合に、冷却ジャケット4締め付け時に、伝熱板6を支持することにより、はんだバンプ8に過剰な圧力を加えないためのスペーサの役目も果たしている。
【0023】ここで、本実施例では、図1のように、伝熱板6の下面に曲率を持たせている。このような曲率を有する場合には、充填部材5が伝熱板6の中心側からぬれ拡がるため、接続面にボイドができにくい。また、チップ中心側ほど、充填部材の厚さが薄くなるので、熱抵抗が小さい構造となり、モジュール全体の温度分布が均一化されることなどの利点がある。
【0024】本実施例の電子回路装置を組み立てる手順を説明する。まず、基板1上にはんだバンプ8によって、半導体チップ2を接続する。つぎに、基板1上に、フレーム7をろう材10によって取付ける。そして、フレーム7上に天板3を搭載する。この時、天板3の下面と半導体チップ2の上面が一致し、かつ、天板3が半導体チップ2に、圧力を加えない高さとなるように配置する。
【0025】天板3の貫通孔から半導体チップ2上に、充填部材5を構成するための低融点の金属の塊をおく。つぎに、この低融点の金属を加熱して溶融し、半導体チップ2と天板3との間および貫通孔の半導体チップ2側の開口部を完全に充填する。さらに、低融点金属を溶融した状態で、伝熱板6を貫通孔の冷却ジャケット側の開口部にいれる。このとき、伝熱板6と溶融した低融点金属が接するようにする。天板3の上面から、低融点金属があふれた場合には、吸引して取り除く。つぎに、低融点金属を冷却して固体化して充填部材5を構成する。天板3と、伝熱板6上に、熱伝導性グリス11を塗布し、水冷ジャケットを搭載して完成させる。
【0026】つぎに、本実施例の電子回路装置のリペア時に、半導体チップ2を交換する手順について説明する。まず、水冷ジャケット4を取外す。そして、充填部材5を加熱して、充填部材5を構成する低融点金属を溶融する。この状態で、伝熱板6を取外し、溶融した状態の低融点金属を吸引する。つぎに天板3をとり外して、半導体チップを交換する。
【0027】このように、本実施例の電子回路装置において、半導体チップ2は、熱伝導性グリス11と伝熱板6と充填部材5とを介して、冷却ジャケット4と接触している。熱伝導性グリス11と伝熱板6と充填部材5は、熱伝導性が良いので、半導体チップ2を効果的に冷却することができる。また、基板に反りのある場合にも、充填部材5が、半導体チップ2と天板3との間隙を充填して、半導体チップ2に応力を加えることなく、基板の反りを許容することができる。
【0028】さらに、上述のように本実施例の電子回路装置は、部品数が少ないので、リペア時に半導体チップ2を容易に交換することができる。
【0029】また、貫通孔の内部に段差を設けているので、天板3と、充填部材5との接触面積が大きく、天板と充填部材との接合強度が大きいという利点がある。
【0030】また、低融点金属によって半導体チップ2と天板3とを接続しているので、融点から室温までの温度差が小さいため、接続時の加熱・冷却過程での構造部材の熱膨張・熱収縮による部材の変形が小さいため、はんだバンプに余分な応力・ひずみを与えることもほとんどない。
【0031】本発明の第2の実施例を図2を用いて説明する。
【0032】本実施例は、実施例は、図1の実施例における貫通穴の開口部のサイズを半導体チップ2のサイズとほぼ等しいか、若干大きめにした場合の例である。この場合、絶縁多層配線基盤1及び天板もしくはキャップ3に反りがあって、天板3の下面より上に半導体チップ2の上面が位置してしまうような場合でも、貫通孔内に半導体チップ2が入り込むことで、半導体チップ2の上面が天板に接触しない。したがって、はんだバンプ8に余分な圧力をかけることなく、半導体チップ2の上面と、天板3との接続ができる。
【0033】本発明の第3の実施例を図3を用いて説明する。
【0034】本実施例は、貫通穴に段差を設けていない場合の実施例である。貫通穴の開口部のサイズは実施例2と同様に、半導体チップ2のサイズとほぼ等しいか、若干大きめにした。貫通孔の段差を設けていないので、天板3の加工が簡単で、かつ、図2の実施例と同様絶縁配線基盤1の反りに柔軟に対応できる。
【0035】さらに、本実施例において、リペア時に半導体チップ2を交換する場合に、充填部材5と伝熱板6とを取外した後、天板3をとり外さずに、貫通孔から半導体チップ2を交換することも可能である。この場合には、交換の工数を減少させることができるので、リペアの効率を高くすることができる。
【0036】本発明の第4の実施例を図4を用いて説明する。
【0037】本実施例は、天板3の貫通孔の半導体チップ2側の開口部のサイズを、半導体チップ2と同等か大きめにし、冷却ジャケット4側の開口部のサイズを小さくして、段差を設けた場合のものである。この段差により、冷却経路は狭くなるが、天板3の剛性が高くなるという利点がある。
【0038】本発明の第5の実施例を図5を用いて説明する。
【0039】図5の実施例は、天板3を、外周部と内部とで構成する部材を変えたものである。外周部を厚板の枠とし、内部を中間金属薄板の加工物12で構成した。中間金属薄板の加工物12は、半導体チップ2を搭載部に、貫通孔を有している。この構成は、天板3全体としての剛性が高く保ちながら、半導体チップ2の搭載部の剛性を低くすることができ、はんだバンプへのストレスも小さくすることができる。
【0040】本発明の第6の実施例を図6を用いて説明する。
【0041】本実施例の電子回路装置3は、天板3とフレーム7との間、および、フレーム7と絶縁多層配線基板1と間に、それぞれOリング14a、14bを、配置している。また、天板3と半導体チップ2との間にも、Oリング14cを配置している。Oリング14a、14b、14cは、気密封止と、充填部材5の漏れ防止を図ったものである。フレーム7には、排気管13を配置した。
【0042】この場合、充填部材5を充填する前に、天板3と基板1とが構成する気密空間の内部気体を排気管13より高温雰囲気中での排気を行う。この空間を構成する部材の内面の加工精度が悪い場合、すなわち、天板3の加工精度が悪い場合や、多層基板1のうねりが激しい場合には、排気が十分に行われないので、この加工精度の検出も同時に行うことが可能である。さらに、すべてのはんだバンプ8にほぼ一定の荷重をかけることができるという利点がある。また、封止後排気管13より不活性ガスを注入し密封することにより、気密封止も行える構造である。
【0043】上述の第1の実施例から第6の実施例において、天板3とこれを支持するフレーム7の部分を一体構造としたキャップ状の部材とすることも可能である。また、半導体チップ2を、チップキャリアやその他電子回路部品に置き換えた場合でもどうように構成することが可能である。
【0044】上述の6つの実施例の効果をまとめると以下の6点のようになる。
【0045】(1)半導体チップ2と天板3とを実装プロセス時に構造的に分離させ、各接合部に生じる応力・ひずみを低減させることができる。
【0046】(2)充填部材5を構成する低融点金属は、同時に低剛性であり、これにより実稼働時の内部温度変化および温度分布による変形を吸収し、他の接合部に生じる応力・ひずみを低減させることができる。
【0047】(3)天板3を、熱伝導性グリス11を介して冷却ジャケット4と接続することができ、放熱経路が特定できる。また、半導体チップ2を冷却系に近づけられるため熱抵抗が減少し、冷却性能の向上が図れるため電子回路装置内の温度分布および温度上昇が少なくなり電子回路装置全体の熱変形が小さくなる。
【0048】(4)貫通穴中の充填部材5を構成する低融点金属を溶融した状態において、天板3上面と、伝熱板6上面を同時に平板により加圧しながら冷却することにより多層基板1の反りを吸収し、電子回路装置の上面を平坦化することができる。
【0049】(5)上記伝熱板6の半導体チップ2側の面に曲率を持たせ凸状にすることにより、充填部材を構成する低融点金属が中心からぬれ拡がるため、ボイドなどの接続欠陥を大幅に低減することが可能となる。
【0050】(6)上記伝熱板6の曲率により、充填部材5の熱抵抗は、チップ2の中心が最も小さくなり、チップ2の発熱でチップ2に生じる温度分布が小さくなる。そのため、チップ2の熱変形により、はんだバンプ8に生じる熱応力・ひずみが低減される。
【0051】(7)不良チップ2の交換において、上記充填部材5を構成する低融点金属を先に溶かして吸い取り、チップ2と天板3とをを完全に分離した後、リペアを行うことができる。
【0052】本実施例では、伝熱板6として曲率を持たせたが、必ずしも曲率を持たせる必要はなく、単なる平板もしくは段付き平板でも、その要求性能に対して適した形状を選択すれば良い。
【0053】
【発明の効果】上述のように、本発明によれば、電子回路部品の交換を容易に行なうことができ、小型で、高い冷却性能を備えた電子回路装置でありながら、さらに、基板の反りある場合にも電子回路部品に応力を加えない電子回路装置が提供することができる。




 

 


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