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発明の名称 電子装置
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6−224338
公開日 平成6年(1994)8月12日
出願番号 特願平5−8801
出願日 平成5年(1993)1月22日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】秋田 収喜
発明者 佐藤 俊彦 / 林田 哲哉
要約 目的
半導体チップの接合部分から冷却液に至る熱抵抗の低減化。

構成
配線基板2の主面に半田バンプ3を介して半導体チップ1を搭載する。半導体チップ1の半田バンプ3が存在しない背面に半田7を介して天板4が接着されている。天板4には溝15が設けられ、半導体チップ1の背面との間に流路6が構成されている。天板4には前記流路6の始端部分22または終端部分23に連通するマイクロコネクタ5が取り付けられている。始端部分22にマイクロコネクタ5から冷却液21を送り込み、終端部分22のマイクロコネクタ5から冷却液21を排水する。半導体チップ1の背面を直接、冷却液21によって冷却できるため、熱抵抗を大幅に低減できる。
特許請求の範囲
【請求項1】 配線基板と、この配線基板の一面に電極端子部分を介して接続された少なくとも一つの半導体チップと、前記半導体チップの電極が設けられない面に接着された天板と、前記天板と半導体チップ面との間に形成された流路と、前記天板に取り付けられかつ前記流路の始端部分と終端部分にそれぞれ連通する液体用継手とを有することを特徴とする電子装置。
【請求項2】 半導体チップと、配線基板と、一面に前記半導体チップを搭載し他面が前記配線基板に実装される整合用配線基板と、前記半導体チップの電極が設けられない面に接着されかつ周壁が前記整合用配線基板に気密的に接着されたキャップと、前記キャップと半導体チップ面との間に形成された流路と、前記天板に取り付けられかつ前記流路の始端部分と終端部分にそれぞれ連通する液体用継手とを有することを特徴とする電子装置。
【請求項3】 前記天板は周壁を有するキャップ構造となるとともに、前記周壁は半導体チップが搭載された配線基板に気密的に固定されていることを特徴とする請求項1記載の電子装置。
【請求項4】 前記流路は天板またはキャップに設けられた溝と半導体チップ面とによって形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の電子装置。
【請求項5】 前記流路は半導体チップに設けられた溝と天板面またはキャップ面とによって形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の電子装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電子装置、特にLSI(大規模集積回路)等高熱を発生する半導体チップを組み込んだ電子装置の冷却技術に関わり、たとえば、コンピュータにおける命令プロセサやシステム制御装置を構成する高密度モジュールの冷却技術に適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】コンピュータ等に使用されるIC(集積回路),LSI等半導体装置は、信頼性が高いものが要求されている。たとえば、日経BP社発行「日経エレクトロニクス」1990年12月10日号、P209〜P241「大型コンピュータM−880の処理方式とハードウエア技術」には、コンピュータに組み込まれるLSIの実装構造について記載されている。また、同様の内容が日立評論社発行「日立評論」1991年第2号、同年2月25日発行、P41〜P48「超大形プロセッサグループ“HITACM−880”のハードウェア技術」にも記載されている。以下、必要部分を要約する。
【0003】これらの文献によれば、コンピュータを構成する命令プロセサおよびシステム制御装置のLSIチップは、新たに開発されたMCC(micro carrier for LSIchip)と呼ぶパッケージに封止されている。命令プロセサを構成する大型のプロセッサ・ボードは、46層の多層プリント基板(大きさは730mm×534mm)と、この多層プリント基板の一面に配設された20個のモジュール・コネクタと、これらモジュール・コネクタに取り付けられた高密度モジュールと、前記高密度モジュールの水冷ジャケットに冷却水を循環させる冷却機構等とからなっている。銅製からなる水冷ジャケットには、2箇所に継手が設けられるとともに、これらの継手にはパイプが接続されている。水冷ジャケットにあっては、一方の継手のパイプは送り込み側パイプまたは上流側の高密度モジュールの水冷ジャケットの継手に接続され、他方の継手のパイプは下流側の高密度モジュールの水冷ジャケットの継手または取り出し側水パイプに接続されて、冷却水の循環による冷却が行われるようになっている。
【0004】高密度モジュールは、44層のAlNを主体とする多層セラミック基板(モジュール基板)と、このモジュール基板に搭載される36〜41個のMCCと、前記MCCの上に取り付けられるセラミック(AlN:窒化アルミ)製の小型フィン(マイクロフィン)と、前記モジュール基板に気密的に取り付けられかつ前記MCC等を被うAlNからなるセラミック・キャップ(モジュール・キャップ)と、前記モジュール・キャップ上に熱伝導グリースを介して接触する水冷ジャケットとからなっている。前記モジュール基板の層数は、表裏2層,信号18層,整合用11層,電源・接地13層の合計44層である。表面層には、MCCのボンディング・パッド、設計変更や製造欠陥などの補修用パターン、インサーキット・テスト用のプロービング・パッドなど約4万個のパターンがある。また、モジュール基板の裏面層には端子ピンのろう付け用パッドと、裏面補修用パッドが準備されている。裏面の端子ピンは合計2521ピンである。端子ピンは2.7mmピッチの面心格子配列となっている。隣接するピンとの間隔は1.91mmである。一方、前記マイクロフィンの上部は櫛の歯状に切り込み(下櫛歯)が入っているとともに、モジュール・キャップの前記MCCに対面する内面(天井面)にも櫛の歯状に切り込み(上櫛歯)が入り、上・下櫛歯が噛み合って熱を伝えるようになっている。また、セラミック・キャップ内には、熱伝導性と不活性雰囲気を確保するためにHeガスが充填され、櫛歯間の微小な隙間では、Heガスを介して放熱がされる。モジュールの大きさは106mm角である。
【0005】MCCは、ムライト系セラミック(熱膨張係数3.5×10-6/°C)からなるMCC基板と、このMCC基板上にハンダ・バンプを介して搭載(フリップチップ)するシリコン(Si:熱膨張係数3.0×10-6/°C)からなるLSIチップと、前記LSIチップを被うとともにMCC基板にハンダ封止されるAlN(熱膨張係数3.8×10-6/°C)からなるMCCキャップ(AlNキャップ)と、前記MCC基板の露出面(下面)に設けられるハンダ・バンプとからなっている。また、前記LSIチップの背面は、放熱(伝熱)のためにハンダによってMCCキャップの天井に接続されている。前記MCC基板は、厚膜導体7層,薄膜導体5層,薄膜抵抗1層からなる厚膜/薄膜混成基板構造となるとともに、LSIチップのバンプ・ピッチ(最小250μm間隔)と、MCCを搭載するモジュール基板の格子ピッチ(ハンダ・バンプは450μm格子)の整合をとるようになっている。MCCは10〜12mm角の大きさとなるとともに、端子数は合計528ピンとなっている。端子(ピン)は、LSIの信号に252ピン、終端抵抗に99ピン、残りは電源ピン,接地ピン,モニタ・ピンに割り振られている。
【0006】また、接続・封止等に使っているハンダ材料は、LSIチップのハンダ・バンプの融点が最も高く、モジュール・キャップを封止するハンダの融点が最も低くなるように選ばれ、組み立て工程での温度階層をつけ、接続の信頼性を上げている。
【0007】LSIチップで発生した熱は、LSIチップ背面のハンダを通ってMCCキャップに伝わる。MCCキャップに伝わった熱は、マイクロフィン,モジュール・キャップ,グリース,水冷ジャケットと伝わって冷却水に放出される。この結果、LSIの接合部から冷却水までの熱抵抗は2℃/W以下となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】前記文献に記載される従来の冷却構造では、発熱部である半導体チップ(LSIチップ)と、冷却部である水冷ジャケット間の介在物が多い。このため、発熱がより大きなものとなる半導体チップ(半導体集積回路)を組み込んだ場合、半導体チップの温度が上昇してしまい、より発熱の大きな半導体チップの冷却には対応でき難くなる。
【0009】本発明の目的は、発熱部である半導体チップと冷却水との間の熱抵抗の低減を図ることができる電子装置を提供することにある。本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
【0010】
【課題を解決するための手段】本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。すなわち、本発明の電子装置は、配線基板と、この配線基板の一面に電極端子部分を介して接続された少なくとも一つの半導体チップと、前記半導体チップの電極が設けられない面に接着された天板と、前記天板と半導体チップ面との間に形成された流路と、前記天板に取り付けられかつ前記流路の始端部分と終端部分にそれぞれ連通する液体用継手とを有する構造となっている。また、前記流路は天板に設けられた溝と半導体チップ面とによって形成されている。これにより、半導体チップの電極が設けられない面、すなわち背面側には直接液冷ジャケットが形成されることになる。
【0011】本発明の他の実施例では、前記流路は半導体チップに設けられた溝と天板面とによって形成されている。
【0012】本発明の他の実施例では、前記天板は周壁を有するキャップ構造となるとともに、前記周壁は半導体チップが搭載された配線基板に気密的に固定され、半導体チップは気密的に封止されている。
【0013】本発明の他の実施例では、半導体チップと、配線基板と、一面に前記半導体チップを搭載し他面が前記配線基板に実装される整合用配線基板と、前記半導体チップの電極が設けられない面に接着されかつ周壁が前記整合用配線基板に気密的に接着されたキャップと、前記キャップと半導体チップ面との間に形成された流路と、前記天板に取り付けられかつ前記流路の始端部分と終端部分にそれぞれ連通する液体用継手とを有する構造となっている。
【0014】
【作用】上記した手段によれば、本発明の電子装置は、半導体チップの電極が設けられない背面側に直接液冷ジャケットが形成され、半導体チップを直接冷却できる構造となっていることから、半導体チップの接合と冷却液との間の熱抵抗を大幅に低減できる。したがって、発熱量の大きい半導体チップの冷却も可能となる。
【0015】
【実施例】以下図面を参照して本発明の一実施例について説明する。図1は本発明の一実施例による液冷ジャケット付電子装置の要部を示す断面図、図2は同じく液冷ジャケット付電子装置における冷却液が流れる流路を示す断面図、図3は同じく液冷ジャケット付電子装置が多数組み込まれた電子装置の要部を示す模式的斜視図である。
【0016】本発明の電子装置は、図1に示すように、セラミック材料からなる配線基板2の主面に設けた電極上に半田バンプ3を介してフェイスダウンボンディングによって半導体チップ1が搭載されている。前記配線基板2は、半導体チップ1を構成するSiの熱膨張係数に近似した熱膨張係数を有するムライト系セラミックにより構成された多層セラミック基板からなり、上下面にそれぞれ図示しない配線層を有している。そして、配線基板2の下面には、図示はしないが半田バンプあるいはピンが固定される。
【0017】一方、前記半導体チップ1の半田バンプ(電極端子)3が設けられない面、すなわち背面(図では上面)には、半田7を介して天板4が接着されている。この天板4は、AlN,SiC,CuWなどからなり、熱膨張係数が半導体チップを構成するシリコンと略同じ材料で形成され、熱膨張係数の違いによって半導体チップ1が熱的に損傷しないようになっている。前記半導体チップ1に対面する天板4の面には、流路6が設けられている。この流路6は、天板4に設けられた溝15と、この溝15を塞ぐ半導体チップ面とによって形成されている。また、天板4の露出面(上面)には、2つの液体用継手(マイクロコネクタ)5が取り付けられている。このマイクロコネクタ5は、前記流路6の両端部分に連通するようにかつ気密的に取り付けられている。このマイクロコネクタ5は、熱歪み等によるトラブルを起こさないように、天板4と同一の材料あるいは略同一の熱膨張係数を有する材料で形成されている。前記流路6は、たとえば、図2に示すように蛇行している。同図では5回蛇行するパターンとなっているが、冷却水等冷却液が円滑に流れるような幅および深さを有するように、半導体チップ1の大きさをも考慮して決定すればよい。半導体チップサイズが14mm角程度の場合には、1乃至3回程度の蛇行を繰り返すパターンで良い。また、流路6のパターンとしては、冷却液の供給箇所と排液箇所とを複数本の流路で結ぶようなパターンでもよい。
【0018】本発明の電子装置の最小ユニットは、マイクロコネクタ5が取り付けられた天板4と、この天板4に接着された半導体チップ1と、半導体チップ1の一面に設けられた半田バンプ3とからなっている。このユニット20は、所定の配線基板に実装される。使用時には、冷却水等の冷却液21が一方のマイクロコネクタ5側から流路6の始端部分22に供給されるとともに、冷却液21は流路6の終端部分23に連なる他方のマイクロコネクタ5から排出される。これによって半導体チップ1は、その背面が直接冷却液21で冷却される。したがって、半導体チップ1の接合部分から冷却液に至る熱抵抗は、従来に比較して大幅に低下する。このため、このユニット20構造によれば、発熱量の高い半導体チップの冷却も可能となる。
【0019】図3は本発明によるユニット20を多数配列した使用形態を示すものである。配線基板2には縦横に多数のユニット20が搭載されている。縦横に整列配設されたユニット20においては、一方向において、隣合うユニット20のマイクロコネクタ5がパイプ24によって接続される。また、両端のユニット20の空いたマイクロコネクタ5は、パイプ24によって、冷却液供給側パイプ25または冷却液排液側パイプ26に接続される。これにより、一方向に沿って並んだユニット20は、冷却液供給側パイプ25から供給される冷却液で冷却され、安定に動作する。
【0020】
【発明の効果】(1)本発明の電子装置は、半導体チップの電極が設けられない背面側に直接液冷ジャケットが形成された構造となり、直接半導体チップが冷却されるため、半導体チップの接合部分から冷却水に至る間の熱抵抗値を小さくすることができるという効果が得られる。
【0021】(2)上記(1)により、本発明の電子装置は、熱抵抗値の低減により、冷却機構の能力を低くすることができるという効果が得られる。
【0022】(3)上記(1)により、本発明の電子装置は、熱抵抗値の低減により、冷却効率が高くなることから、発熱量の大きい半導体チップの冷却も可能となるという効果が得られる。
【0023】(4)本発明の電子装置は、冷却のためにグリースやHeガス等の熱媒体を使用することがなく、材料の低減によってコスト低減が可能となるという効果が得られる。
【0024】(5)上記(1)〜(4)により、本発明によれば、冷却コストが安価でかつ冷却能力の大きい液冷ジャケット付電子装置を提供することができるという相乗効果が得られる。
【0025】以上、本発明によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。たとえば、図4に示すように、半導体チップ1の背面に溝15を設け、天板4の平坦な面との間で流路6を形成するようにしても前記実施例同様な効果が得られる。この実施例では、半導体チップ1の背面に溝15を設けることから、半導体チップ1の接合部分から冷却液に至る間の熱抵抗がさらに低くなり、冷却効果はさらに良くなる。
【0026】図5は本発明の他の実施例による電子装置の要部を示す断面図である。この実施例では、パッケージ基板8ともなる配線基板の主面(上面)に半田バンプ3を介して半導体チップ1が固定される。また、半導体チップ1の背面に半田7を介して接着される天板4は、周縁に周壁30を有するキャップ構造となっている。この天板4は、前記実施例同様に2つのマイクロコネクタ5が取り付けられるとともに、溝15が設けられ、半導体チップ1との間に流路6を構成している。天板4の周壁30は半田31によって前記パッケージ基板8に気密的に接着されている。前記半田7,31が濡れるパッケージ基板8および天板4(周壁30)の表面は、太い線で示すようにメタライズ層が設けられている。前記パッケージ基板8は上・下面の配線層(電極パッド)が、内部に設けられた配線32によって電気的に接続されている。図が微細となることから、これら電極パッドには符号は付けないが、上面では半導体チップ1の半田バンプ3が接続され、下面では前記半田バンプ3よりも大きな半田バンプ33が取り付けられている。
【0027】この実施例による電子装置、すなわち、パッケージ基板8,このパッケージ基板8に半田バンプ3を介して実装される半導体チップ1,マイクロコネクタ5を有するとともに半導体チップ1との間に流路6を構成するキャップ構造の天板4,パッケージ基板8の外部端子となる半田バンプ33とによって気密構造のユニット(気密パッケージ35)を構成することになる。そして、この気密パッケージ35は、多層セラミック基板や多層プリント基板等からなる他の配線基板40に半田バンプ33を介して実装される。この配線基板40は、図示はしないが、上面に実装のための電極パッドを有するとともに、下面には半田バンプあるいはピンが固定される。気密パッケージ35におけるパッケージ基板8は、半導体チップ1の狭い半田バンプ3のピッチと、配線基板40の広い電極パッドのピッチとの整合をとる整合用配線基板36となっている。また、この実施例では、前記実施例と同様に天板4に溝15を設けて半導体チップ1との間に流路6を設けているが、半導体チップ1に溝15を設けて流路6を形成してもよい。また、天板4および半導体チップ1の両方に溝15を対面して設けることによって深い流路6を形成することができる。この気密パッケージ35も半導体チップ1を直接冷却する構造となっていることから、半導体チップ1の接合から冷却液に至る熱抵抗の低減が図れる。
【0028】気密パッケージ35は、図3に示した例と同様に、他の配線基板40上に縦横に多数配列できる。したがって、配線基板40上の各気密パッケージ35をパイプ24で接続するとともに、端の気密パッケージ35を冷却液供給側パイプ25や冷却液排液側パイプ26とパイプ24で接続することによって、強制冷却が可能となる。このような構造は、コンピュータを構成する命令プロセサやシステム制御装置を構成するより高密度化した電子装置に適した構造となる。
【0029】以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野である半田バンプによるフェイスダウンボンディングのみの例を示したが、TAB等の他のボンディング方式にも適用できる。さらに、本実装基板上には液冷構造の半導体チップのみでなく、空冷構造お半導体チップの混在もできる。本発明は少なくとも冷却を必要とする半導体チップを組み込んだ電子装置には適用できる。




 

 


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