JPH0715965B2

JPH0715965B2 - 半導体冷却装置

Info

Publication number: JPH0715965B2
Application number: JP62170810A
Authority: JP
Inventors: 平吉桑原; 忠克中島; 繁男大橋; 崇弘大黒
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-07-08
Filing date: 1987-07-08
Publication date: 1995-02-22
Anticipated expiration: 2010-02-22
Also published as: JPS6414943A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体チップなどに代表される電子部品の発
熱体に柔軟性のある冷媒流路を接触させて、その冷媒流
路内に冷媒を流すことにより半導体チップを冷却するの
に好適な半導体冷却装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の装置は、例えば特開昭59−200495号公報および特
開昭58−200945号公報と記載されているように、発熱体
である半導体チップの裏面に冷却フィンを取付け、冷媒
の一例である冷却水を流すことにより半導体チップを冷
却する。該半導体チップは一般に配線基板上に半田ボー
ル（フリップチップ方式）を介して複数配置されてお
り、半導体チップの配線と配線基板の配線は、半田ボー
ルによって接続され、信号の授受が行なわれている。

また半導体チップ裏面側には、ベローズなどの柔軟性の
あるベローズなどで冷媒供給口および冷媒排出口が形成
された柔軟構造体が配置されており、該柔軟構造体は冷
媒ヘッダにＯリング又は半田により接合されている。こ
れにより冷媒ヘッダの変位などにもとづく応力が柔軟構
造体により吸収され、直接半導体チップに作用しないよ
うに構成されている。そして柔軟構造体内を流れる冷却
水により冷却フィンを介して半導体チップが冷却される
が、冷却フィンと半導体チップとの間は、半田などによ
り金属的に接合される場合、又は熱伝導性の良好な例え
ばシリコン油やグリースなどを介在させて接合される場
合があり、いずれにしても、熱伝導を良好にするような
手段がとられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のように本発明で対象とする半導体冷却装置は、冷
媒ヘッダと配線基板とが気密封止され、例えば温度の比
較的高い空気が侵入しないようになっている。この場
合、例えば配線基板はムライト、セラミックスなどで、
また冷媒ヘッダはコバールなどで構成されており、配線
基板と冷媒ヘッダの構成材料は異なっている。また温度
的には、半導体チップおよび配線基板側は素子の発熱の
ため温度が高く、冷媒ヘッダ側は冷却水が流れるため温
度が低い。従って、組立時にたとえベローズに応力がか
からないようになっていても、配線基板と冷媒ヘッダと
の構成材料が異なることおよび温度差により、配線基板
と冷媒ヘッダ間に相対的な変位が生ずる。この変位にベ
ローズのばね定数を乗じた分が力となって作用する。特
に半導体チップと配線基板の各配線を接続する半田ボー
ルは、力学的に他の部分に比べて弱いため、半田ボール
と配線基板の接続部又は半田ボールと半導体チップと接
続部は、力学的に他の部分に比べて弱く、各接続部が破
断することがしばしば発生している。

このような破断は、ベローズのばね定数を極めて小さく
すれば作用する力が小さくなり発生しない。ベローズの
ばね定数を小さくするには、ベローズ材の肉厚を薄くし
てベローズを柔かい構造にすればよいのであるが、この
ようにすると、ベローズ内部を冷却水が長時間流れるた
め、腐食などによってベローズに孔があいたりして事故
発生の原因となる。従って肉厚をある程度以上薄くする
ことは不可能であり、ばね定数もあまり小さくすること
ができない。

本発明の目的は、ベローズのばね定数を小さくして、配
線基板および冷媒ヘッダが熱ひずみにより変形した場合
においても、半導体チップにかかる熱応力を小さくおさ
えることができるようにした半導体冷却装置を提供する
ことにある。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる目的達成のため、本発明は、配線基板上に半田ボ
ールを介して搭載された複数の半導体チップごとに柔軟
性のあるベローズの一端部が取付けられ、該ベローズの
他端部が冷媒ヘッダに形成された複数の連通孔にそれぞ
れ取付けられ、前記ベローズの弾性力により前記半田ボ
ールを前記半導体チップを介して前記配線基板上に押圧
し、かつ前記冷媒ヘッダに冷媒を流すことにより前記半
導体チップを冷却する半導体冷却装置において、前記ベ
ローズの軸線が曲げられて取付けられているものであ
る。

〔作用〕

上述の構成によれば、配線基板と冷媒ヘッダ間の温度差
により発生する相対的変位がベローズにより吸収され、
またベローズのばね定数を小さくすることができる。こ
れにより半田ボールに作用する熱応力が緩和され、半田
ボールの破断が防止される。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の第１実施例に係り、半導体冷却装置１
は冷媒ヘッダ２と、複数のベローズ３とを備えている。
冷媒ヘッダ２は、コバールなどで形成されており、配線
基板５上に載置された下方部材６と、該下方部材６上に
載置された中間部材８と、該中間部材８上に載置された
上方部材９とからなり、これらの部材は、下方部材６と
上方部材９との間に中間部材８を挟んで一体的に固定さ
れている。配線基板５はムライト、セラミックスなどで
形成されており、該配線基板５上には複数の半導体チッ
プ10が半田ボール11を介して横一列又は格子状に搭載さ
れており、半田ボール11は配線基板５の配線と半導体チ
ップ10の配線とを接続する微小直径の接続体である。

下方部材６は、配線基板５上に載置された側壁部12と、
該側壁部12を横断して半導体チップ10と対向して配置さ
れた湾曲状の仕切り部13とからなり、該仕切り部13の湾
曲面13aは、例えば配線基板５の中央部では該配線基板
５から遠く、該配線基板５の両端部に向って順次該配線
基板５に近ずくように、すなわち上方に凸になるように
形成されている。また湾曲面13aには半導体チップ10に
対向して複数の連通孔15が形成されており、該連通孔15
の中心線は配線基板５の中央部に配置された半導体チッ
プ10に対しては同一中心線上に設定され、配線基板５の
中央部から離れて両端部に向って配置された半導体チッ
プ10に対しては該半導体チップ10の中心線より配線基板
５の端部方向に偏倚して設定されている。この偏倚量は
配線基板５の中央部から端部に向って順次大きく設定さ
れている。また下方部材６には、仕切り部13より上方の
側壁部12に排水口16が形成されている。

中間部材８は隔壁部18と、該隔壁部18に下方に直立して
一体的に形成された複数の給水管19とからなり、該給水
管19の軸線は半導体チップ10の中心線と一致するように
設定されており、各給水管19は連通孔15にそれぞれ、挿
入されている。上方部材９は頂壁部20と該頂壁部20の端
部から下方に直立して延出した側壁部21とからなり、該
側壁部21に給水口22が形成されている。複数のベローズ
３は、一端部が半導体チップ10の上面に半田付け等によ
り接合された冷却ブロック23に半田付け等によりそれぞ
れ接合されており、他端部が各連通孔15に例えばＯリン
グ25を介してボルト等でそれぞれ固定されている。

そして、上方部材９と中間部材８の隔壁部18上面および
給水管19内周面とにより給水部26が、中間部材８の隔壁
部18下面および給水管19外周面と下方部材６の側壁部12
内面および湾曲部13a上面とベローズ３とにより排水部2
8がそれぞれ気密に形成されている。

なお、冷却ブロック23には熱伝導を良好にするための冷
却フィン（図示せず）が載置されている。

つぎに、本発明の第１実施例の作用を説明する。

給水口22から流入した冷媒の一例たる冷却水は給水部26
を通って、冷却フィンを介して半導体チップ10を冷却
し、排水部28を通って排水口16より排出される。この場
合、前述の如く冷媒ヘッダ２と配線基板５との構成材料
は異なっており、また温度的には配線基板５および半導
体チップ10側は素子の発熱のため温度が高く、冷媒ヘッ
ダ２側は冷却水が流れるため温度が低い。この冷媒ヘッ
ダ２と配線基板５との構成材料が異なることおよび温度
差により室温時に組立てられた半導体冷却装置１は、冷
媒ヘッダ２と配線基板５との間に相対的な変位が生じ、
配線基板５が伸張し、冷媒ヘッダ２が収縮する場合、あ
るいはその逆の場合がある。

ところでベローズ３の剪断ばね定数はベローズ３の曲げ
方によってその値が異なる。つまり、ベローズ軸を曲げ
て支持し、他端に横荷重をかけた場合（ベローズ軸曲げ
固定式）と、ベローズ軸を直線状にして両端を固定し、
ベローズ軸に対して垂直方向に荷重をかけた場合（ベロ
ーズ軸直線固定式）とを比較すると、ベローズ軸直線固
定式の方が、同一変位量を得るのに比較的荷重が大き
く、ばね定数が大きい。ここで述べたベローズ３のばね
定数特性に関しては、例えばM.W.KELLOGG COMPANY「Des
ign of Piping Systems」のP.210〜230に記載されてお
り、同書に出典されている計算式から求めた剪断ばね定
数を第２図に示す。同図において、ベローズ３の直径を
Ｄ、長さをＬとした場合、横軸にアスペクト比（D/L）
を示し、縦軸に剪断ばね定数（g/μｍ）を示しており、
曲線Ａがベローズ軸曲げ固定式、曲線Ｂがベローズ軸直
線固定式の場合である。

本実施例によれば、ベローズ３は、配線基板５の中央部
に対向するものを除いて軸線が曲げられて冷却ブロック
23および連通孔15に固定されており、ベローズ軸曲げ固
定式の構造である。従って、上述のように作動時におい
て冷媒ヘッダ２と配線基板５との間に材質の相違および
温度差による熱応力が作用してもベローズ３のばね定数
が比較的小さいために、半導体チップ10に作用する応力
が小さくなる。

ここでベローズ軸曲げ固定式のベローズ３の作用を第３
図により説明する。冷媒ヘッダ２と配線基板５が、組立
時に熱応力零であったものが、その材質の相違および温
度差による熱膨張率差から熱応力が矢印Ｄ（Ｄ′）の方
向に作用した場合を想定する。この力Ｄ（Ｄ′）は２つ
の分力Ｅ（Ｅ′）、Ｆ（Ｆ′）に分けて考えることがで
きる。分力Ｅ（Ｅ′）はベローズ３に対して垂直方向の
力であり、この方向の力はベローズ３の垂直方向の変位
で吸収される。分力Ｆ（Ｆ′）に対しては、ベローズ３
は矢印ＧおよびＨの方向に縮み代が異なるように伸縮し
てベローズ３の変位で吸収される。

このようにベローズ軸に対して剪断方向にかかる力は、
ベローズ３の伸縮運動によって吸収される。すなわち、
ベローズ３に大きな剪断力をかけることなく冷媒ヘッダ
２と配線基板５との間の相対的変位は吸収される。また
この相対的変位は、配線基板５の端部近傍が最も大きく
なるが、連通孔15と半導体チップ10の中心線の偏倚量が
端部近傍が最大となっており、これによって吸収され
る。このようにして半導体チップ10に作用する応力を小
さく抑えることができ、半田ボール11の破断が防止され
る。

なお連通孔15と半導体チップ10の中心線の偏倚量は同一
に設定してもよい。

第４図は本発明の第２実施例に係り、第１実施例と異な
るところは、仕切り部13の湾曲面13aの形状が異なる点
である。仕切り部13の湾曲面13aは、配線基板５の中央
部では該配線基板５に近く、該配線基板５の両端部に向
って順次遠くなるように、すなわち上方に凹になるよう
に形成されている。また複数の連通孔15の中心線は、配
線基板５の中央部に配置された半導体チップ10に対して
は同一中心線上に設定され、配線基板５の中央部から離
れて両端部に向って配置された半導体チップ10に対して
は、該半導体チップ10の中心線より配線基板５の中央部
方向に偏倚して設定されている。

その他の構成および作用は第１実施例に示すものと同様
である。

第５図および第６図は本発明の第３実施例に係り、複数
の半導体チップ10は並列に配置されており、冷媒ヘッダ
２には、各半導体チップ10に対応して仕切壁30によって
形成された給水部26および排水部28と、湾曲面13aに給
水部26および排水部28にそれぞれ連通する連通孔15A,15
Bとが設けられている。該連通孔15A,15Bの外側には、ベ
ローズ3Aの上端がＯリング25を介してボルト等で固定さ
れており、該ベローズ3Aの下端は冷却ブロック23に半田
等で接合されている。このベローズ3Aの上端部の取付け
位置は、第１実施例に示すものに準じて設定されてい
る。また連通孔15A,15Bの内側には、ベローズ3Bの上端
がＯリング25を介してボルト等で固定されており、この
ベローズ3A,3Bにより給水流路31および排水流路32が形
成される。その他の構成および作用は第１実施例に示す
ものと同様である。

第７図および第８図は本発明の第４実施例に係り、第１
実施例と異なるところは、仕切り部13が平面状に形成さ
れており、ベローズ３の上端を取付ける取付け面32が仕
切り部13内面の連通孔15周辺に形成されている点であ
る。

第７図に示すように半導体チップ10と連通孔15の各中心
線が同一直線上にある場合、取付け面32は、配線基板５
の中央部に配置された半導体チップ10に対しては水平面
上に設定されており、配線基板５の中央部から端部に向
って配置された半導体チップ10に対しては、中央部側を
上にして水平面に対して一定角度θ傾斜して設定されて
いる。

なお、この取付け面32の傾斜角度θは、配線基板５の中
央部から端部に向って順次大きくなるように設定しても
よい。

また第８図に示すように連通孔15の中心線が配線基板５
の中央部に配置された半導体チップ10に対して同一中心
線上に設定され、配線基板５の中央部から離れて端部に
向って配置された半導体チップ10に対しては、該半導体
チップ10の中心線より配線基板５の端部方向にｅだけ偏
倚して設定されている場合、取付け面32はすべて水平面
上に設定されている。

なお、連通孔15の偏倚量ｅは配線基板５の中央部から端
部に向って順次大きくなるよう設定してもよい。

第９図は本発明の第５実施例に係り、上記実施例と異な
るところは、取付ける前からベローズ軸が曲がった状態
でベローズ３を成形している点であり、このベローズ３
は上記いずれの実施例にも適用される。

〔発明の効果〕

上述のとおり、本発明によれば、冷媒ヘッダと半導体チ
ップとを接続するベローズの軸線が曲げられて取付けら
れているので、冷媒ヘッダと配線基板との構成材料の相
違および温度差による相対的変位が吸収され、またベロ
ーズのばね定数が小さくなり、半田ボールに作用する熱
応力が大幅に緩和され、半田ボールの破断を防止するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る半導体冷却装置の縦
断面図、第２図はベローズの剪断ばね定数の計算値を示
す線図、第３図は本発明のベローズの作用を示す説明
図、第４図は本発明の第２実施例に係る半導体冷却装置
の縦断面図、第５図は本発明の第３実施例に係る部分縦
断面図、第６図は第５図に示すものの概略平面図、第７
図および第８図は本発明の第４実施例に係る部分縦断面
図、第９図は本発明の第５実施例に係るベローズの正面
図である。１…半導体冷却装置、２…冷媒ヘッダ、３…ベローズ、
５…配線基板、10…半導体チップ、11…半田ボール、13
…仕切り部、13a…湾曲面、15…連通孔。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】配線基板上に半田ボールを介して搭載され
た複数の半導体チップごとに柔軟性のあるベローズの一
端部が取付けられ、該ベローズの他端部が冷媒ヘッダに
形成された複数の連通孔にそれぞれ取付けられ、前記ベ
ローズの弾性力により前記半田ボールを前記半導体チッ
プを介して前記配線基板上に押圧し、かつ前記冷媒ヘッ
ダに冷媒を流すことにより前記半導体チップを冷却する
半導体冷却装置において、前記ベローズの軸線が曲げら
れて取付けられている半導体冷却装置。
【請求項２】前記ベローズの取付け状態において、該ベ
ローズの両端面が互いに平行でない特許請求の範囲第１
項記載の半導体冷却装置。
【請求項３】前記ベローズの他端部の水平面に対する傾
きが前記配線基板の中央部から端部に向って該中央部を
上にして順次大きく設定されている特許請求の範囲第１
項記載の半導体冷却装置。
【請求項４】前記ベローズの他端部が湾曲状の仕切り部
に形成された複数の連通孔にそれぞれ取付けられている
特許請求の範囲第１項記載の半導体冷却装置。
【請求項５】前記仕切り部の湾曲面が前記配線基板の中
央部では該配線基板から遠く、該配線基板の端部に向っ
て順次該配線基板に近づくように形成されている場合に
は、前記連通孔の中心線が前記配線基板の中央部に配置
された前記半導体チップに対しては同一中心線上に設定
され、前記配線基板の中央部から離れて端部に向って配
置された前記半導体チップに対しては該半導体チップの
中心線より前記配線基板の端部方向に偏倚して設定され
た特許請求の範囲第４項記載の半導体冷却装置。
【請求項６】前記仕切り部の湾曲面が前記配線基板の中
央部では該配線基板に近く、該配線基板の端部に向って
順次遠くなるように形成されている場合には、前記連通
孔の中心線が前記配線基板の中央部に配置された前記半
導体チップに対しては同一中心線上に設定され、前記配
線基板の端部から中央部に向って配置された前記半導体
チップに対しては該半導体チップの中心線より前記配線
基板の中央部方向に偏倚して設定されている特許請求の
範囲の第４項記載の半導体冷却装置。
【請求項７】前記連通孔の前記半導体チップに対する設
定位置が、中央部から端部に向って順次大きく偏倚して
設定されている特許請求の範囲第４項記載の半導体冷却
装置。
【請求項８】前記ベローズの軸線があらかじめ曲げられ
て成形されている特許請求の範囲第１項記載の半導体冷
却装置。