(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体デバイスが一方の面に搭載され、他方の面に入出力ピンが配された配線基板と、前記配線基板の熱膨張率に整合する熱膨張率を有し、前記配線基板の半導体デバイスが搭載された面の周縁部に設けられた第一の枠体及び該第一の枠体の上部に設けられた第二の枠体と、前記配線基板の熱膨張率とは整合しない熱膨張率を有し、前記複数の半導体デバイスを覆う蓋体と、前記複数の半導体デバイスと前記蓋体との間に設けられ、前記複数の半導体デバイスの発熱を前記蓋体に伝える熱伝導手段と、前記第一の枠体と前記配線基板とを相互に固着する手段と、前記第一及び第二の枠体と前記蓋体の周縁部に設けられたフランジ部とを部材を介して直接接触させないで機械的に締結する手段とから成るマルチチップモジュールの封止構造。
【請求項２】
前記第一及び第二の枠体と前記蓋体の周縁部に設けられたフランジ部とを介する前記部材は弾性体から成る部材である請求項１記載のマルチチップモジュールの封止構造。
【請求項３】
前記弾性体から成る部材はゴムＯリングである請求項２記載のマルチチップモジュールの封止構造。
【請求項４】
前記弾性体から成る部材はパッキンである請求項２記載のマルチチップモジュールの封止構造。
【請求項５】
前記第一及び第二の枠体と前記蓋体の周縁部に設けられたフランジ部とを介する前記部材は摺動性部材である請求項１記載のマルチチップモジュールの封止構造。
【請求項６】
前記摺動性部材はプラスティックである請求項５記載のマルチチップモジュールの封止構造。
【請求項７】
前記蓋体は空冷ヒートシンクである請求項１記載のマルチチップモジュールの封止構造。
【請求項８】
前記配線基板の材料はセラミックであり、前記蓋体の材料はアルミニュウム又は銅であり、前記第一の枠体の材料は鉄−ニッケル合金である請求項１記載のマルチチップモジュールの封止構造。
【請求項９】
マルチチップモジュールの封止構造であって、
複数の半導体デバイスが一方の面に搭載され、他方の面に入出力ピンが配された配線基板と、前記配線基板の熱膨張率に整合する熱膨張率を有し、前記配線基板の半導体デバイスが搭載された面の周縁部に設けられ内側に中段を有する第一の枠体と、前記第一の枠体の上部に設けられた第二の枠体と、前記配線基板の熱膨張率とは整合しない熱膨張率を有し、前記複数の半導体デバイスを覆う蓋体と、前記複数の半導体デバイスと前記蓋体との間に設けられ、前記複数の半導体デバイスの発熱を前記蓋体に伝える熱伝導手段と、前記第一の枠体の下面と前記配線基板とを固着する手段と、前記第一及び第二の枠体と前記蓋体の周縁部に設けられたフランジ部とを部材を介して直接接触させないで機械的に締結する手段とから成るマルチチップモジュールの封止構造。
【請求項１０】
前記第一の枠体の中段の底部と前記第二の枠体の下面にＯリング溝を設け、前記蓋体の周縁部に設けられたフランジ部を前記第一の枠体と前記第二の枠体との間で各々Ｏリングを介して締結する請求項９記載のマルチチップモジュールの封止構造。
【請求項１１】
前記蓋体の周縁部側面と前記第一の枠体の中段の内側側面との間に弾性体からなる部材を備える請求項１０記載のマルチチップモジュールの封止構造。
【請求項１２】
前記蓋体の周縁部を覆うようにして前記第一の枠体の中段の底部と、前記第一の枠体の中段の内側側面と、前記第二の枠体の下面との間に弾力性を有するパッキンを備える請求項９記載のマルチチップモジュールの封止構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルチチップモジュールの封止冷却機構に係り、特に、高性能な半導体デバイスを基板上に気密封止した電子計算機等に用いるマルチチップモジュールの封止構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子計算機の演算処理速度の高速化、記憶容量の増加等に伴って半導体デバイスの高速化、高集積化が成されている。しかし、その反面で半導体デバイスの消費電力の増加に伴うチップの発熱が、半導体デバイスの安定動作上の信頼性問題と絡んで問題となっている。特に、多数の半導体チップを高密度配線基板の上に搭載するマルチチップモジュールにおいては、この廃熱問題、すなわち、マルチチップモジュールの冷却構造が大きな課題として取上げられる。
【０００３】
一方、半導体デバイスの対環境信頼性やモジュールとしての冷却性能を長期にわたって保持するためには、半導体デバイス、冷却構造をマルチチップモジュール内部に閉じ込める、封止機構も重要な技術課題である。
【０００４】
マルチチップモジュールに関する、このように重要な封止構造は、“ＭＣＭ−Ｄ／Ｃ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＭｏｄｕｌｅ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  １９９６  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｍｕｌｔｉ−ｃｈｉｐ  Ｍｏｄｕｌｅｓ，  ｐ６９に開示されている。
【０００５】
この開示されているマルチチップモジュールの封止構造を例にとって説明する。図５では、多数の半導体デバイス１２がアルミナセラミックから成る配線基板１１に搭載されている。配線基板１１の裏面には入出力ピン１３が設けられ、高熱伝導性の材料から成るキャップ板１６が、配線基板１１を覆うように被せられており、配線基板１１の周縁部ではんだ１８を介して固着することでモジュール内を気密封止を行っている。半導体デバイス１２とキャップ板１６の間には個々の半導体デバイス１２に対応して熱伝導性コンパウンド１４と呼ばれる熱伝導手段が設けられていて、半導体デバイス１２の発熱をキャップ板１６に伝える。キャップ板１６の上面には、空冷ヒートシンク１７が取付けられており、キャップ板１６を経た半導体デバイス１２の発熱を放熱している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなマルチチップモジュールの封止構造では、（１）封止接続信頼性、（２）冷却性能の観点に立つと以下のような問題があった。
【０００７】
“Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｃｏｌｕｍｎ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ  （ＣＣＧＡ）  Ｍｏｄｕｌｅ  ｆｏｒ  ａ  Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｗｏｒｋ  Ｓｔａｔｉｏｎ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ”，  １９９７  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐ３１９や“ＭＣＭ−Ｄ／Ｃ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｍｏｄｕｌｅ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  １９９６  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｍｕｌｔｉ−ｃｈｉｐ  Ｍｏｄｕｌｅｓ，  ｐ６９に記載された構造では、冷却性能を確保するためにキャップやヒートシンクに熱伝導性の高い金属、例えばアルミニウムや銅等を採用する。
【０００８】
一方、配線基板は、微細な多層配線を施すためにアルミナセラミックス等のセラミックスを採用する。キャップ板やヒートシンクに用いるアルミニウムや銅は、セラミックスの熱膨張率よりも大きく不整合なため、モジュール全体の発熱量の増加や配線基板サイズの大型化が進むと、キャップ板やヒートシンクと配線基板間の熱膨張差が大きくなる。前記構造では、キャップ板と配線基板をはんだを介して固着しているため、この間の熱膨張差が大きくなるとはんだ固着部を拘束点として水平方向の変形が拘束される。
【０００９】
キャップにアルミニウム（熱膨張係数＝２４×１０―6／℃）、配線基板にアルミナセラミックス（熱膨張係数＝７×１０―6／℃）を用いた大きさ１５０ｍｍ□のモジュールを例に熱変形量を求めてみる。通常、半導体デバイスは温度が８０℃以下になるように冷却されるが、この時、配線基板は約８０℃、キャップは冷却方法によるが６０℃前後になる。よって、常温からの温度変化に対するモジュール中心からコーナーまで相対熱変形量は、下式（１）を用いて計算できる。
【００１０】
ΔＬ＝L×（α1・ΔＴ1−α2・ΔＴ2）・・・・・・（１）
ΔＬ  ：相対熱変形量
Ｌ    ：部材長さ（＝１５０／√２）
α１    ：配線基板の線膨張係数（＝７×１０―6／℃）
ΔＴ１  ：配線基板の温度変化（＝８０−２０＝６０℃）
α２  ：キャップの線膨張係数（＝２４１０―6／℃）
ΔＴ２  ：キャップの温度変化（＝６０−２０＝４０℃）
式（１）を用いて予測した相対熱変形量は５７μｍとなる。この水平方向の相対変位量を拘束すれば、バイメタル効果によりモジュールは垂直方向に曲げ変形し、結果としてキャップと配線基板間の間隔が広がる。すなわち、キャップと半導体デバイスとの間に塗布された熱伝導性コンパウンド部の間隔が増加し、冷却性能を低下させるため、冷却性能の確保が困難になる。また、はんだ固着部にもこの熱変形で大きなストレスが発生するため、セラミックスやはんだ部が破壊する恐れがあり、封止部の信頼性の確保が困難になる。
【００１１】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を改善して、（１）封止部信頼性の向上と（２）冷却性能に優れたマルチチップモジュールの封止構造を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、熱膨張の異なる部材間の締結部にゴムやプラスチック等の弾性変形量の大きい材料で支え、温度変化に伴って生じる部材間の相対的な熱変形を、この易弾性材料の変形で吸収する構造を提供することにある。
【００１３】
また、他の解決手段としては、熱膨張の異なる部材間の締結部に摺動性に優れたプラスチック等の材料を挟み、温度変化に伴って生じる相対的な熱変形を、この摺動で吸収する構造を提供することにある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による各実施例を、図１、図２、図３、図４を用いて具体的に説明する。
【００１５】
〔実施例１〕
図１は本発明の第１の実施例の構成を示すマルチチップモジュールの封止構造の断面図である。図１は多数の半導体デバイス２がセラミック等の配線基板１に搭載されている。配線基板１は半導体デバイス２の熱膨張率と整合した材料である。配線基板１の裏面には入出力ピン３が設けられている。
【００１６】
熱膨張率が配線基板１と整合する材料である鉄−ニッケル合金から成る枠体５の下面が配線基板１の半導体デバイス２が搭載された面ではんだ固着８で相互に係合されている。
【００１７】
枠体５の上方は配線基板１の外側に広がって、枠体５の上面はＯリング溝を設けたフランジ面となっている。空冷ヒートシンク７の周縁部の上下面はフランジ面に成っており、このフランジ下面と枠体５の上面のＯリング溝との間に弾性に優れたゴムＯリング１５を介す。
【００１８】
また、空冷ヒートシンク７の周縁部の上面には相対すべりに優れたプラスチック６を介し、上部枠体１０の内側中段でプラスチック６の上面を押さえ、上部枠体１０の下方と枠体５との間をボルト９にて締結することでゴムＯリング１５を潰して気密封止する。
【００１９】
上部枠体１０の内側中段の側面と空冷ヒートシンク７の外周側面との間には組立精度と熱膨張差分を考慮した隙間を設け、枠体５の上面と空冷ヒートシンク７の周縁部の下面は、ゴムＯリング１５による気密性を保ちながら接触を避けるように微少の隙間を設け、空冷ヒートシンク７が上部枠体１０や枠体５および配線基板１と水平方向の相対的な熱変形を拘束しないようにすることでモジュール垂直方向の変形を抑える。
【００２０】
空冷ヒートシンク７と半導体デバイス２の間には、個々の半導体デバイス２に対応して熱伝導性コンパウンド４が設けられており、モジュール垂直方向の変形を抑えることで、熱伝導性コンパウンド４の間隔を一定に保ち、高冷却性能を確保する。また、枠体５と配線基板１がはんだ固着８にて相互に係合しているセラミック部に発生するストレスを低減し、高封止部接続信頼性を確保する。
【００２１】
〔実施例２〕
以下、本発明に係る実施例を、図２を用いて説明する。
【００２２】
図２は本発明の第２の実施例に係るマルチチップモジュールの封止構造の断面図である。この第２の実施例は、空冷ヒートシンク７の周縁部上面のゴムＯリング１５と上部枠体１０の内側中段にＯリング溝を設けている事以外実施例１と同じである。すなわち、図１のプラスチック６の代りにゴムＯリング１５を用いたものである。
【００２３】
〔実施例３〕
以下、本発明に係る実施例を、図３を用いて説明する。
【００２４】
図３は本発明の第３の実施例に係るマルチチップモジュールの封止構造の断面図である。この第３の実施例は、枠体５の中段と上部枠体１０下面に各々Ｏリング溝を設け、空冷ヒートシンク７の周縁部でゴムＯリング１５を介してボルト９締結する。また、枠体５の中段側面と空冷ヒートシンク７の外周側面の間には、この間の熱膨張差を十分に吸収できる弾力性に優れたゴム１９を介して空冷ヒートシンク７の水平方向の位置を決める。上記の事以外実施例１と同じである。
【００２５】
〔実施例４〕
以下、本発明に係る実施例を、図４を用いて説明する。
【００２６】
図４は本発明の第４の実施例に係るマルチチップモジュールの封止構造の断面図である。この第４の実施例は、ゴムＯリング１５およびゴム１９の代わりに気密性および弾力性に優れたパッキン２０を用い、枠体のＯリング溝を除いたこと以外実施例３と同じである。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、高発熱半導体デバイスの高実装密度、高封止接続信頼性を可能とするマルチチップモジュールの封止構造を実現した。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示すマルチチップモジュールの封止冷却機構の断面図である。
【図２】  本発明の第２の実施例を示すマルチチップモジュールの封止冷却機構の断面図である。
【図３】  本発明の第３の実施例を示すマルチチップモジュールの封止冷却機構の断面図である。
【図４】  本発明の第４の実施例を示すマルチチップモジュールの封止冷却機構の断面図である。
【図５】  従来技術によるマルチチップモジュールの封止構造の断面図である。
【符号の説明】
１、１１・・・配線基板
２、１２・・・半導体デバイス
３、１３・・・入出力ピン
４、１４・・・熱伝導性コンパウンド
５・・・枠体
６・・・プラスチック
７、１７・・・空冷ヒートシンク
８、１８・・・はんだ固着
９・・・ボルト
１０・・・上部枠体
１５・・・ゴムＯリング
１６・・・キャップ板
１９・・・ゴム
２０・・・パッキン
【図１】
0003653417.tif 000002
【図２】
0003653417.tif 000003
【図３】
0003653417.tif 000004
【図４】
0003653417.tif 000005
【図５】
0003653417.tif 000006