(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体デバイスが一面に搭載され他面に入出力ピンが配された配線基板と、前記半導体デバイスの発熱を外部へ排出させるための熱伝導手段と、前記配線基板の周縁部上面にはんだ固着され上部が該配線基板の外側に広がって中段を有する第一の枠体と、前記半導体デバイスおよび前記第一の枠体の全面を覆うように設けられた熱伝導性の蓋体と、前記蓋体の周縁部下面に設けられ内側に中段を有する第二の枠体と、前記蓋体と前記第一の枠体の上面との間に弾性に優れた部材を介すると共に前記第二の枠体の内側中段と前記第一の枠体の外側中段との間に摺動性又は弾性に優れた部材を介して締結する手段と、から構成されたマルチチップモジュールの封止構造であって、前記蓋体の外形サイズを前記半導体デバイスの搭載エリアよりも広く設けることを特徴とするマルチチップモジュールの封止構造。
【請求項２】
前記蓋体が空冷ヒートシンクであることを特徴とする請求項１記載のマルチチップモジュールの封止構造。
【請求項３】
前記蓋体が熱伝導手段と成し、前記蓋体の外側に空冷ヒートシンクを取り付けることを特徴とする請求項１記載のマルチチップモジュールの封止構造。
【請求項４】
前記第二の枠体および前記蓋体と前記第一の枠体との間に介する前記弾性に優れた部材は、少なくともゴムを含む弾性的に変形をする材料であることを特徴とする請求項１記載のマルチチップモジュールの封止構造。
【請求項５】
前記第二の枠体と前記第一の枠体との間に介する前記摺動性に優れた部材は、少なくともプラスチックを含む相対すべりを可能とする部材であることを特徴とする請求項１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搭載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の例を以下に述べる。“ＭＣＭ−Ｄ／Ｃ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｍｏｄｕｌｅ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  １９９６  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｍｕｌｔｉ−ｃｈｉｐ  Ｍｏｄｕｌｅｓ，  ｐ６９に図４に示すような封止構造が開示されている。
【０００５】
多数の半導体デバイス４０２がアルミナセラミックから成る配線基板４０１に搭載されている。配線基板４０１の裏面には入出力ピン４０３が設けられ、高熱伝導性の材料から成るキャップ板４０５が、配線基板４０１を覆うように被せられており、配線基板４０１の周縁部ではんだ固着４０８することでモジュール内を気密封止している。半導体デバイス４０２とキャップ板４０５の間には個々の半導体デバイス４０２に対応して熱伝導性コンパウンド４０４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４０２の発熱をキャップ板４０５に伝える。キャップ板４０５の上面には、空冷ヒートシンク４０７が取付けられており、キャップ板４０５を経た半導体デバイス４０２の発熱を放熱している。
【０００６】
さらに別の例として、特開２０００−３４９２１１号公報には図５に示すようなマルチチップモジュールの封止構造が開示されている。
図５は多数の半導体デバイス５０２がセラミック等の配線基板５０１に搭載されている。配線基板５０１は半導体デバイス５０２の熱膨張率と整合した熱膨張率を有する材料である。配線基板５０１の裏面には入出力ピン５０３が設けられている。
【０００７】
配線基板５０１の熱膨張率と整合する熱膨張率を有する材料である鉄−ニッケル合金から成る枠体５０５は、下面を配線基板５０１の半導体デバイス５０２が搭載された面と相互にはんだ固着５０８されている。
【０００８】
枠体５０５の上方は配線基板５０１の外側に広がり、枠体５０５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５０７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５０５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５１１を介す。
【０００９】
また、空冷ヒートシンク５０７の周縁部の上面には相対すべりに優れたプラスチック５０６を介し、上部枠体５１０の内側中段でプラスチック５０６の上面を押さえ、上部枠体５１０の下方と枠体５０５との間をボルト５０９にて締結することでゴムＯリング５１１を潰して気密封止を行う。
【００１０】
上部枠体５１０の内側中段の側面と空冷ヒートシンク５０７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５０５の上面と空冷ヒートシンク５０７の周縁部の下面は、ゴムＯリング５１１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ている。空冷ヒートシンク５０７と半導体デバイス５０２の間には、個々の半導体デバイス５０２に対応して熱伝導性コンパウンド５０４が設けられており、半導体デバイス５０２の発熱を空冷ヒートシンク５０７に伝える。
【００１１】
【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）封止部接続信頼性、（２）冷却性能の観点に立つと以下のような問題があった。
“ＭＣＭ−Ｄ／Ｃ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｍｏｄｕｌｅ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  １９９６  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｍｕｌｔｉ−ｃｈｉｐ  Ｍｏｄｕｌｅｓ，  ｐ６９に記載された図４の構造では、冷却性能を確保するためにキャップ板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している。
【００１２】
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している。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水平方向の変形がはんだ固着部で拘束され、大きなストレスが発生する。この結果、配線基板のセラミックスやはんだ部が破壊する恐れがあり、封止接続の信頼性の確保が困難となる。
【００１３】
また、上記のはんだ固着によって、水平方向の変形が拘束されると、バイメタル効果でモジュールは垂直方向の曲げ変形が起き、結果としてキャップと配線基板の間隔が大きく変化する。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の厚さの増加や剥離の恐れがあり、冷却性能の信頼性の確保が困難となる。
【００１４】
この点を改善する封止部構造として、特開２０００−３４９２１１号公報で開示された構造がある。図５の構造は、配線基板の熱膨張率と非整合な空冷ヒートシンクと配線基板の熱膨張率に整合した枠体や上部枠体との間にＯリングや摺動性のよいプラスチックを介すことで、空冷ヒートシンクと枠体や上部枠体との熱膨張差による水平方向の変形を拘束させずに封止することができる。このため、枠体と配線基板のはんだ固着部に発生するストレスが大幅に低減され、封止接続信頼性を確保することができる。
【００１５】
また、垂直方向の曲げ変形も発生しないため、熱伝導性コンパウンドの厚さの増加や剥離による冷却性能の低下という問題もない。しかし、上記の構造は、枠体の内側に空冷ヒートシンクを設けているため、空冷ヒートシンクの冷却フィンのエリアが必然的に枠体の内枠サイズよりも小さくなり、冷却性能の低下を招いている。このため、モジュール全体の発熱量の増加に伴い、上記の構造の空冷ヒートシンクではモジュールの冷却性能を確保することが困難になる。
【００１６】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を改善して（１）封止接続信頼性の向上と（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。
【００１７】
【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、複数の半導体デバイスを搭載した配線基板の周縁部に第一の枠体を設け、この第一の枠体を覆うように大型で広い冷却領域をもつ高冷却性能の蓋体を設け、第二の枠体と蓋体の間に摺動性に優れた部材や弾性変形量の大きい部材を介して第一の枠体を締結する手段から成る。
【００１８】
【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を用いて具体的に説明する。
〔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熱膨張率を有する。配線基板１の裏面には入出力ピン３が設けられている。
【００１９】
配線基板１の熱膨張率と整合する熱膨張率で鉄−ニッケル合金から成る第一の枠体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されている。
【００２０】
第一の枠体５の上方は配線基板１の外側に広がっており、第一の枠体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。
【００２１】
空冷ヒートシンク７の周縁部の下面はフランジ面に成っており、このフランジ面と第一の枠体５の上面に設けたＯリング溝との間に弾性に優れたゴムＯリング１１を介す。
【００２２】
また、第二の枠体１０は、空冷ヒートシンク７の熱膨張率に整合させた熱膨張率を有し、第二の枠体１０の内側中段と第一の枠体５の外側中段に相対すべりに優れたプラスチック６を介し、プラスチック６の下面を第二の枠体１０で押し上げながら、空冷ヒートシンク７の下方と第二の枠体１０との間をボルト９にて締結することでゴムＯリング１１を潰して気密封止する。
【００２３】
第二の枠体１０の内側中段の側面と第一の枠体５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、また第一の枠体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１１によって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て、空冷ヒートシンク７と第二の枠体１０が第一の枠体５や配線基板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の垂直方向の変形を抑える。
【００２４】
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の厚さを一定に保ち安定した冷却性能を得ることができる。また、モジュール封止用のボルト９を第二の枠体１０の下面から締結し、空冷ヒートシンク７の上面すべてに冷却のためのフィンを設けることで、大型ヒートシンクによる高冷却性能が確保できる。また、前述のように空冷ヒートシンク７や第二の枠体１０と第一の枠体５や配線基板１の間に生じる熱変形を拘束させない構造のため、第一の枠体５とセラミックの配線基板１のはんだ固着８部に発生するストレスを低減することができ、高封止部接続信頼性を確保できる。
【００２５】
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、モジュール封止用のボルト９を空冷ヒートシンク４の周縁部の上面に設けて締結している事以外実施例１と同じである。
〔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。
【００２６】
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、第一の枠体５の外側中段にＯリング溝を設け、第一の枠体５と第二の枠体１０にゴムＯリング１１を介在させ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１１を用いたものである。
【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封止接続信頼性と高冷却性能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】本発明の第一の実施例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２】本発明の第二の実施例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３】本発明の第三の実施例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４】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。
【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、４０１、５０１・・・配線基板
２、４０２、５０２・・・半導体デバイス
３、４０３、５０３・・・入出力ピン
４、４０４、５０４・・・熱伝導性コンパウンド
５・・・・・・・・・・・第一の枠体
６、５０６・・・・・・・プラスチック
７、４０７、５０７・・・空冷ヒートシンク
８、４０８、５０８・・・はんだ固着
９、５０９・・・・・・・ボルト
１０・・・・・・・・・・第二の枠体
１１、５１１・・・・・・ゴムＯリング
４０５・・・・・・・・・キャップ板
５０５・・・・・・・・・枠体
５１０・・・・・・・・・上部枠体
【図１】
0004051187.tif 000002
【図２】
0004051187.tif 000003
【図３】
0004051187.tif 000004
【図４】
0004051187.tif 000005
【図５】
0004051187.tif 000006