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JP2708495B2 - 半導体冷却装置 - Google Patents

半導体冷却装置

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Publication number
JP2708495B2
JP2708495B2 JP63232463A JP23246388A JP2708495B2 JP 2708495 B2 JP2708495 B2 JP 2708495B2 JP 63232463 A JP63232463 A JP 63232463A JP 23246388 A JP23246388 A JP 23246388A JP 2708495 B2 JP2708495 B2 JP 2708495B2
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JP
Japan
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chip
cooling
liquid
module
back surface
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JP63232463A
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茂和 木枝
忠克 中島
平吉 桑原
元宏 佐藤
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Priority to US07/407,159 priority patent/US5021924A/en
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
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    • H01L23/4336—Auxiliary members in containers characterised by their shape, e.g. pistons in combination with jet impingement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
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    • H01L2224/161—Disposition
    • H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/16221—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/16225—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は大型コンピユータに用いられる高発熱量チツ
プを搭載したマルチチツプモジユールなどの半導体の冷
却装置及びその製造方法に関する。
〔従来の技術〕
半導体集積回路を基板上に高密度実装する技術の進展
に伴い、回路から発生する多量の熱を除去するための手
段が種々検討されている。特に近年の電力消費量が莫大
な集積回路の冷却のためには、従来の強制空冷方式に代
って熱伝導体を用い発熱部と冷却用流体間を熱伝導の経
路で結び付ける伝導形液冷方式のものや、全体を冷却液
の中に浸漬する直接浸漬形の冷却方式のものが検討され
ている。前者の方式には例えば特開昭52-53547号に記載
されているように、チツプと水の冷却流路を含むハウジ
ング間にピストンと称される熱伝導体を用い、その熱伝
導で冷却するものがある。周知のようにこの様な冷却形
態ではチツプの補修や交換のためにモジユールは分解可
能でなければならない。また熱伝導体はチツプ実装時に
生じるチツプ面の位置の変位や傾きに対しても追従でき
るような柔軟な構造を持たなければならない。このため
に上記特許に記載された例では、チツプとピストン間な
らびにピストンとハウジングの間に空隙を設けている
が、この空隙には熱伝導率の小さい気体が封入されてい
るために大きな熱抵抗が生じるという問題がある。さら
に空隙内に存在する接触面においては接触熱抵抗が生
じ、これも大きな熱抵抗となる。この理由により上記従
来例に示されている例では、チツプから冷却水までの熱
抵抗の減少には限界があつた。
また米国特許第3,649,739号あるいは特開昭54-44479
号にはベローズ等の可動壁を有する冷却体の内部に冷却
用流体が流れる流路を設け、これにより冷却された冷却
体を直接チツプに接触させて冷却する方式が示されてい
る。この方式においてもやはり、チツプと冷却体の接触
面において大きな熱抵抗が生じるため、チツプの発熱を
冷却する能力に限界があつた。
一方、上記の伝導形冷却方式に対して、例えば特開昭
60-134451号に示されているようにフインを固着したチ
ツプを基板上に実装し、モジユール内を流れる液体の強
制対流によつてチツプを冷却する直接浸漬形の冷却方式
がある。この方式によれば強制対流により効率の良い冷
却が可能であるが、例えばその第３図に示されている様
にチツプを冷却用流体の流れ方向に一列に配置した場合
には、流れ方向に冷却用流体の温度が上昇するため、各
々のチツプ温度を均一に保つのが困難になるという問題
がある。また冷却効率をさらに向上させるためにその第
６図に示されている様にチツプを千鳥状に配列した場合
には、実装密度が減少するとともに各チツプを接続する
ための基板内配線長さが増大し、信号処理速度が遅くな
るなどの問題点がある。
上記米国特許第3,649,738号あるいは米国特許第4,27
7,816号では衝突噴流を用いた冷却法が示されている。
衝突噴流では例えば日本機械学会編、伝熱工学資料第３
版（昭和50年２月）110ページに記載されているよう
に、熱伝達率は噴流の衝突中心位置で最も高く、周辺に
向かうにつれて急激に低下するという特徴を有してい
る。このことは衝突噴流を用いてチツプの冷却を行う場
合、チツプ中心部では周辺部に比べて温度が低下するこ
とを意味しており、チツプ内での温度差に基づくノイズ
発生の原因となりうる。通常チツプとモジユール基板の
回路は多数の微小な半田粒によつて接続れる。衝突噴流
による冷却方式では、流体の運動量変化に伴う力が直接
チツプに作用し、したがってこれらの半田粒に荷重がか
かり、半田の強度の信頼性に問題が生じる。特に高い熱
量を除去する場合には噴流の速度を増加させる必要があ
るが、半田粒にかかる荷重は速度の二乗に比例するた
め、半田粒に対する強度上の問題はより一層深刻とな
る。このように、高い発熱量を持つチツプを従来の衝突
噴流方式で冷却する場合は、チツプ内の温度分布、また
回路接続用半田粒の強度の信頼性に関して大きな問題が
生じる。
良く知られているように、モジユール内に実装された
多数の回路の出力レベルを均一化し、回路間の温度差に
基づくノイズを低減するためには、各チツプの温度を一
定範囲内に収める必要がある。一つのモジユールにおい
て、機能の異なる複数のチツプが混在して配置されてい
るような場合には、各チツプの発熱量が大きく相違する
ことがある。このような場合にも各チツプの温度を一定
範囲内に収めるためには、各チツプの発熱量に応じて冷
却量を変化させる必要がある。ところが上記特開昭60-1
34451に示されている全体を浸漬する方法では、モジユ
ール全体を一括して冷却するため、個々のチツプ毎に流
れによる冷却特性を変化させることは容易ではない。こ
のことからチツプ毎に独立して冷却できる方式が望まし
いことがわかる。一方、上記米国特許第3,649,738号な
らびに特開昭54-44479号に開示された方法によれば、チ
ツプ毎に独立した冷却を行なうことが可能であるが、各
チツプの発熱量に応じて冷却性能を調整することは困難
である。すなわち冷却能力を変化させるには、冷却体に
流入する冷却用流体の流量、速度あるいは温度を各チツ
プの発熱量に応じて変える必要があるが、このためには
モジユール内のチツプの配置に対応して、流路の寸法や
形状を細かく変化させなければならず、量産性の面から
好ましいものではない。またそのように工夫したとして
も、接触熱抵抗などに含まれる熱抵抗のばらつきは通常
大きいため、流路の適正化の効果は必ずしも有効に寄与
しない。
チツプを個別に冷却する方式として、液体噴流を用い
た強制対流沸騰で冷却する方式がコンピユーターズ イ
ン メキヤニカル エンジニアリング 第６巻 第６号
（1988年）（Computers in Mechanical Engineering,Sp
ringer-Verlag Vol.6,No.6,1988）の第５図に示されて
いる。この方式では高い熱流束を除去できるが、上述し
たようなチツプの発熱量が異なり、従つてチツプごとに
除去すべき熱量が異なる場合には、温度均一化のために
は噴流の流量、流速、あるいは温度等をチツプ毎に変化
させなければならず、上記米国特許第3,649,738号ある
いは特開昭54-44479号について述べたのと同様の問題点
が生じる。このように従来の方式では、チツプの発熱量
が変化する場合にチツプ温度の均一化を図ることに対し
て十分な配慮がなされていなかつた。
マルチチツプモジユールでは、チツプを実装した後に
回路の変更や補修のためにモジユール基板上に設けられ
た補修用パツド間を配線することがある。配線には補修
用ワイヤを用い、ワイヤボンデイングにより行われるこ
とが多い。液体を用いて冷却する場合、流体力がワイヤ
接続部等に作用すれば、ワイヤが切断したり、ワイヤと
モジユール基板部との接合部で剪断応力が発生したり、
あるいはワイヤの振動に起因する繰返し応力により接合
部が破断することがある。上記特開昭60-134451号では
この対策として、チツプ列を封止用筺体内に納め、モジ
ユール基板上に流体が流れないように配慮した例を示し
ている。しかるにこの例ではチツプとモジユール基板間
に段差を設けたり、封止を厳密に行わねばならないほ
ど、より複雑な作業工程が必要となる。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明の目的は大電力を消費する半導体集積回路を複
数個基板状に実装するマルチチツプモジユールにおい
て、各半導体集積回路チツプあるいはチツプを実装した
チツプキヤリアを効率良く冷却でき、かつモジユール内
の各チツプの温度を均一に保ち、また同一チツプ内の温
度を均一化し、さらに接続用半田粒に作用する流体力を
著しく低減するとともにモジユール基板上の補修用ワイ
ヤに作用する流体力を減少することのできる半導体冷却
装置及びその製造方法を得ることにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明はモジユール基板
上に搭載された複数の半導体集積回路チツプと、前記モ
ジユール基板に接合され複数の集積回路を封止するため
のハウジングを形成する封止部材と、該封止部材に具備
され個々の前記集積回路チツプに個別に対応した複数個
の冷却液体流出口を備えた液体供給手段を備え、前記液
体流出口が個々の前記集積回路チツプの裏面に対し傾斜
して形成され、前記各々の液体流出口部の流路断面の中
心軸に対して前記集積回路チツプの裏面の平面のなす角
度Θが、前記チツプと前記モジユールとを接続する半田
粒に対する許容加重をＷ、冷却用流体の密度をρ、前記
冷却用液体の温度をＶ、前記液体流出部の流路の断面積
をＡとした場合、Θ＜arcsin（W/ρAV2）の範囲とする
ことにより達成される。
さらに前記液体流出部流路の断面積中心軸と前記集積
回路チツプの裏面とがなす角度Θが０＜Θ＜35°とする
こと、さらには、前記液体流出出口の断面の形状が、そ
の高さｈと幅Ｗとの比h/wが0.1＜h/W＜1.0の範囲である
略矩型形状あるいは略長円形とすることにより達成され
る。
〔作用〕
本発明においては液体を直接チツプあるいはチツプを
実装したチツプキヤリアに作用させ強制対流冷却するた
め、従来冷却効率を下げる要因となつていた接触熱抵抗
などの熱抵抗を排除でき、効率の良い冷却が可能とな
る。さらに流体が物質的にチツプ裏面と平行に流れるた
め、衝突噴流に比べてチツプ裏面における熱伝達率がよ
り均一化され、チツプ内温度がより均一となり、回路の
信頼性を向上させることができる。また流れをチツプ裏
面と平行にすることにより、上記接続用半田に作用する
流体力を大きく低減でき、半田の強度の信頼性を向上さ
せることができる。さらにモジユール基板上の補修用ワ
イヤにかかる流体力も減少することができ、ワイヤの切
断を防止できる。
また本発明においては個々のチツプ毎に流体を作用さ
せるため、チツプ単位での温度管理が可能となり、モジ
ユール内に配置されたチツプの温度を均一化することが
でき、半導体集積回路の信頼性を向上させることができ
る。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。第１図
は本発明を用いた一実施例である。半導体回路を形成し
たチツプ１は、微小な半田粒２によりセラミツク等で作
られたモジユール基板３上に実装される。この半田粒２
はチツプ上の回路とモジユール基板３上の回路を電気的
に接続するとともに、チツプをモジユール基板に固定す
るための機械的強度も受け持つている。モジユール基板
下面には多数のIOピン11があり、これによりモジユール
基板をプリント基板に電気的、機械的に接続する。モジ
ユール基板３はモジユール封止用キヤツプ８および側壁
部封止板９により封止され、内部に冷却用液体を充満さ
せることができる。なお封止用キヤツプ８および側壁部
封止板９は半田10などにより接合される。冷却用液体は
入口５よりモジユールに供給れ、ヘツダー６により各チ
ツプを個別冷却するためのノズル等の液供給手段４に分
配される。冷却用液体は各チツプを冷却した後、出口７
からモジユール外に排出される。４は本発明に係るチツ
プを個別に、かつ直接的に冷却するための液供給手段で
あり、チツプ裏面と実質的に平行な方向に冷却用液体を
噴出する。該液冷却手段の液噴出口は、チツプを効率良
く冷却するためにチツプとほぼ同一の幅を有することが
望ましい。
前述したように衝突噴流では噴流の衝突中心部に高い
熱伝達領域が形成される。第２図は衝突噴流を用いた場
合のチツプ裏面上の熱伝達率の一例であり、チツプ中央
で高い熱伝達率が得られることがわかる。一方、チツプ
裏面と平行に流体を流す場合、層流熱伝達であるなら
ば、熱伝達率は概ねチツプの端からの距離の平方根に反
比例する。第３図はそのような場合の熱伝達率の一例を
図示したものであり、第２図と比べて熱伝達率はより均
一であることがわかる。すなわち後者の方がチツプ内の
温度はより均一になり、チツプの冷却にはより適切であ
ることが示される。
なお冷却用液体は、チツプならびにモジユール基板上
の回路と直接に接するため、電気絶縁性を有するもので
なればならない。またモジユールを構成する材料に対し
て対腐食性を有し、さらに化学的に安定なものでなけれ
ばならない。このような冷却用流体としては、フレオン
（デユポン社の登録商標）またはフロリナート（スリー
エム社の登録商標）等の有機冷媒が良く知られている。
液供給手段４から吹き出した冷却用液体はチツプ１の上
面を通過することにより、チツプからの発熱を除去す
る。
第４図は本発明に係る他の実施例であり、特に液供給
手段４の流体出口部流路41をチツプ裏面42と平行に設置
した例である。このように設置することにより、噴出し
た流体を実質的にチツプ裏面と平行に流すことができ
る。第４図において、もしも流体出口部流路41のチツプ
に近い側の面41bがチツプ裏面よりもモジユール基板側
に位置するならば、第５図に示すようにチツプ上流側に
循環流域43が生じ、圧力損失が増すとともに、チツプ裏
面を通過する冷却に有効な流れの流量が減少し、効率が
低下する。このような状況を避けるには、上記流体出口
部流路のチツプに近い側の面41bを少なくともチツプ裏
面42の位置と同一にするか、チツプ裏面に対してモジユ
ール基板と反対側に位置させる必要がある。
第６図は流体出口部流路41をチツプ裏面に対して傾け
るとともに、噴出される流体がすべてチツプ裏面を通過
するように液供給手段４を設置した実施例である。噴流
がチツプ裏面を通過するためには流体出口部流路の最も
チツプに近い面を含む平面がチツプ裏面42と交差するよ
うにすれば良く、図のＡはそのような交差点である。出
口部流路の傾きθを流路断面の中心軸とチツプ裏面とが
なす角度で定義する。また流れの速度をＶ、密度をρ、
流路断面積をＡとすれば、チツプが受ける力Ｆは概ねＦ
＝ρAV2sinθとなる。一方、半田粒に対する許容荷重を
Ｗとすると、Ｆ≦Ｗでなければならず、したがってsin
θ≦Ｗ（ρAV2）を満たさなければならない。実用的な
V,A,Wの値を用いて検討すれば、出口部流路の傾きθは
０＜θ≦35°とするのが適当であることがわかつた。
チツプ裏面において流れの速度勾配dV/dzが大きいほ
ど高い熱伝達率が得られ、冷却には有利となる。ここに
ｚはチツプ裏面に垂直な方向である。上記液供給手段に
より噴出した噴流の速度分布は下流に行くにしたがつて
平坦化し、熱伝達率も低下する。この熱伝達率の低下を
防ぐためには、第７図に示したように出口断面40を流路
に対して傾斜して設置し、流路のチツプから遠い側の壁
41aをチツプから近い側の壁41bよりも長くなるようにす
れば良い。こうすることにより噴流の主流側境界44の発
達は遅くなり、速度分布の平坦化を遅らせることができ
る。第８図は流路41がチツプに対して傾いた場合につい
て、同様の手段を用いた実施例である。
第９図は液供給手段に関する一実施例であり、流路断
面26をほぼ長方形としたものである。これにより速度分
布は流れの横方向ｙにあまり依存しなくなり、冷却には
好都合となる。また同様の効果を得るために断面26をほ
ぼ長円形としても良い。
第10図は流体出口断面40を示したものである。出口断
面の高さをｈ、幅をｗとすれば、断面のアスペクト比h/
wの実際的な範囲は必要な流速，流量ならびに液供給の
ための圧力損失から決定される。また高さｈは流れの速
度分布形状とも関連するため、この点からの検討も必要
である。これらの諸量、ならびに周囲流体の流動等を検
討した結果、実用的なh/wの範囲を、0.1≦h/w≦1.0とす
ればよいことが明らかとなった。
第11図は本発明を用いた他の実施例であり、個々のチ
ツプ毎にそのチツプを冷却した冷却用液体を排出する出
口21を設置したものである。これにより、各チツプを冷
却することにより温度が上昇した冷却用流体の大部分は
ただちに排出口21より排出され、他の液供給手段から供
給される冷却用流体の温度に影響を与えることがなくな
り、冷却用流体温度を均一に保つことができる。この実
施例はチツプの発熱量が時間的に著しく変化するような
場合のチツプ温度の均一化に非常に有効である。すなわ
ち発熱量が時間的に著しく変化するチツプを冷却した後
の液体温度は時間的に変動しており、これが他のチツプ
を冷却する流体と混合すれば結果として冷却用流体の温
度変化が生じ、冷却性能が変動するためである。さらに
より一層温度管理を厳密にする必要のある場合には液供
給手段４の材料、ならびに液排出用流路22の流路壁23の
材料として熱伝導の悪いものを用いれば良い。あるいは
流路６もしくは液排出用流路22もしくは液供給手段５の
表面に小さな熱伝達率を有する材料の層を付加したり、
流路壁23の内部に小さな熱伝導率を有する材料の層を挿
入してもよい。このような層としては、たとえば高分子
膜をコーテイングしたり表面に金属酸化膜を形成すれば
良い。こうすることにより、流路６ならびに液供給手段
４内を通過する冷却前の冷却用液体が、流路22を通過す
る冷却後の温度上昇した流体により加熱され、温度が上
昇するのを防ぐことができる。
第12図は第11図と同様に液排出用流路22を設けた他の
実施例である。ここでは液供給手段４の断面形状をほぼ
長方形とし、液排出用流路22を流れる流体の方向25を断
面26の長軸方向とし、流路22内の圧力損失を低減したも
のである。なお第３図のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ部は液供給
手段出口部の様子をわかりやすく表わすために、流路壁
23の一部を削除した部分である。
第13図は本発明に係る実施例であり、チツプ裏面に冷
却用のフインを取付けたものである。フインの材質とし
ては、熱伝導率の高い銅やアルミニウムなどの金属材
料、あるいは炭化ケイ素のようなセラミック材料を用い
れば良い。フインとチツプとの接合にはチツプ表面にメ
タライズ層を形成した後半田等を接合すれば良い。さら
に第14図および第15図はフインの冷却性能を向上させる
ためのフインの配置の一例である。第14図ではフインは
流れ方向に分割されている。フイン前縁部では温度境界
層が薄いことと関連して高い熱伝達率を与えることが知
られており、このように配置することにより高い冷却性
能を得ることができる。さらに第15図では分割されたフ
インが千鳥状に配置された例であるが、この場合は上流
側のフインによる流体の温度上昇の影響を低減でき、一
層冷却性能を高めることができる。
第16図は本発明の他の実施例であり、チツプ裏面に冷
却板を流れに直角方向に設置した例である。流れは冷却
板に衝突し、剥離および再付着することにより、乱流化
する。周知のように流れが乱流になることにより熱伝達
は大幅に向上するため、チツプの冷却には好適である。
第17図はさらに冷却板31に開孔部32を設けたものであ
る。冷却板に衝突する流れの一部は冷却板を乗り越え、
また一部はこの開孔を通過して下流側の冷却板に衝突
し、高い熱伝達領域を形成する。すなわちこの構造にお
いては流れが乱流化すると共に、衝突噴流による熱伝達
の増加も利用できるため、高い冷却性能が得られ、チツ
プ冷却には好都合である。なお乱流促進用として、チツ
プ裏面を粗面化する、チツプ裏面に凹凸面を形成する、
ワイヤ等を設置する、などして流れの不安定化を図つて
も良い。
このようにチツプにフインまたは冷却板等を設置する
場合、フインまたは冷却板等の寸法、形状あるいは枚数
を変化させることにより、チツプに対して種々の熱伝達
特性を与えることができる。すなわちチツプの発熱量が
同一でなく、チツプごとに除去すべき熱量が異なる場合
にも上述した方法により、各チツプに冷却板の熱伝達特
性を適正化することによつて、チツプ回路部の温度を均
一にすることができる。これは一つのモジユール内に発
熱量の異なるチツプを混在させて搭載させるような場合
に非常に有効な方法であることは明らかである。
以上の例では主としてチツプを強制対流により冷却す
る場合について述べたが、適当な沸点を有する冷却用流
体を選定することにより強制対流冷却と同時にチツプ表
面で沸騰が生じるようにもすることができる。沸騰によ
る伝熱性能を向上させるために、例えば特開昭60-22935
3号に示されているように微小な孔を多数設けた多孔ス
タツドをチツプの裏面に設置する方法が知られている。
したがつて第13図あるいは第16図に示したフインや冷却
板等の代わりに、この多孔スタツドが設置しても良い。
第18図はモジユール基板３上に補修用ワイヤ51が接続
されている場合に、流体力が直接この補修用ワイヤに作
用するのを防止するため、遮蔽板50を設置した本発明の
実施例である。遮蔽板50には開孔52を設けチツプ１がは
まるようになつている。遮蔽板50は液供給手段４と一体
化させても良いし、モジユール基板３上に直接に半田等
で取付けても良い。
モジユールの製作に当たつては、ヘツダとなる流路
６、ならびにもし必要ならば排出用流路22に液供給手段
４を取り付け、全体をモジユールキヤツプとして作成し
チツプを搭載したモジユール基板上に接合すれば良い。
接合に当たつては、たとえばモジユール側面に封止する
ための側壁部封止板を用い、キヤツプ、側壁部封止板、
モジユール基板を半田で固着すれば良い。
なお大型コンピユータにおいては、集積回路を形成し
たチツプは第19図に示すように、チツプ単体で、あるい
は第20図，第21図に示すようにチツプキヤリア上に搭載
された状態でモジユール基板上に実装されることが多
い。良く知られているように、チツプキヤリアはチツプ
上の集積回路からの配線を相互に接続したり、拡大した
りするものである。チツプキヤリアの構造としては、第
20図に示すようにチツプを露出させたものや、第21図に
示すようにチツプ部をキヤツプで封止した構造のものが
ある。以上述べた実施例ではチツプをそのままモジユー
ル基板上に実装した場合について説明したが、チツプの
代りに第20図，第21図に示したような構造を持つチツプ
キヤリアを実装したモジユールに適用してても、同様の
効果が得られる。
〔発明の効果〕
本発明によれば高い発熱量を持つチツプを効率良く冷
却できる。これに加えてチツプ内温度を均一化できる。
また接続用半田粒にかかる流体力の荷重を著しく低減で
き、さらにモジユール基板上の補修用ワイヤに作用する
流体力を減少させることができるため、半田粒およびワ
イヤの強度信頼性を増すことができる。本発明によれば
さらにチツプごとに冷却性能を変えることができるた
め、モジユールに搭載された多数のチツプの回路部温度
を均一化できる。また一つのチツプを冷却したことによ
る冷却用流体の温度上昇の影響が他のチツプに及ぶこと
を防止できるため、チツプの回路部温度に対して高精度
の温度管理が可能となる。このように高度の温度管理を
行えるため、モジユールに搭載した多数の半導体集積回
路の信頼性を向上させることできる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明装置の一実施例の断面図、第２図は衝突
噴流による熱伝達率分布の一例を示す線図、第３図は本
発明を用いた場合の熱伝達率分布の一例を示す線図、第
４図は本発明の一実施例に係る液供給手段の断面図、第
５図は液供給手段を不適切に設置した場合の例を示す断
面図、第６図，第７図及び第８図はそれぞれ液供給手段
の他の実施例を示す断面図、第９図は液供給手段の他の
実施例を示す斜視図、第10図は流体出口形状の一例を示
す断面図、第11図は本発明装置の別の実施例の断面図、
第12図は本発明更に別の実施例を示すチツプ冷却部の拡
大図、第13図，第14図および第15図はそれぞれフインの
形状を変えた場合の実施例を示す斜視図、第16図はチツ
プに冷却板を設置した例を示す斜視図、また第17図は冷
却板の形状を変えた場合の例を示す斜視図、第18図はモ
ジユール基板上の補修用ワイヤを保護するための流れの
遮蔽板を用いた場合の一実施例を示す斜視図、第19図，
第20図および第21図はそれぞれモジユールに搭載するチ
ツプの形態を示した図である。 １……半導体集積回路チツプ、２……半田粒、３……モ
ジユール基板、４……液供給手段、５……冷却用流体モ
ジユール側入口、６……ヘツダー、７……冷却用流体モ
ジユール側出口、８……モジユール封止用キヤツプ、９
……モジユール側壁部封止板、10……封止用半田、11…
…IOピン、21……冷却用流体排出口、22……冷却用流体
排出用流路、23……流路壁、30……フイン、31……乱流
促進冷却板、32……開孔、40……液噴出口、41……流体
出口部流路、41a,41b……流体出口部流路壁、42……チ
ツプ裏面、50……流体遮蔽板、51……補修用ワイヤ、60
……チツプキヤリア、61……チツプキヤリア封止用キヤ
ツプ、62……チツプキヤリア封止用半田、63……半田
粒。
フロントページの続き (72)発明者 佐藤 元宏 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所機械研究所内 (56)参考文献 特開 昭57−178351（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−160152（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−215755（ＪＰ，Ａ) 特公 昭44−21015（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】モジュール基板上に搭載された複数の半導
    体集積回路チップと、前記モジュール基板に接合され複
    数の集積回路を封止するためのハウジングを形成する封
    止部材と、該封止部材に具備され個々の前記集積回路チ
    ップに個別に対応した複数個の冷却液体流出口を備えた
    液体供給手段を備え、前記液体流出口が個々の前記集積
    回路チップの裏面に対し傾斜して形成され、前記各々の
    液体流出口部の流路断面の中心軸に対して前記集積回路
    チップの裏面の平面のなす角度Θが、前記チップと前記
    モジュールとを接続する半田粒に対する許容加重をＷ、
    冷却用流体の密度をρ、前記冷却用液体の速度をＶ、前
    記液体流出部の流路の断面積をＡとした場合、 Θ＜arcsin（W/（ρAV2））の範囲である半導体冷却装
    置。
  2. 【請求項２】前記液体流出部流路の断面積中心軸と前記
    集積回路チップの裏面とがなす角度Θが０＜Θ＜35°で
    ある前記請求項１記載の半導体冷却装置。
  3. 【請求項３】前記液体流出出口の断面の形状が、その高
    さｈと幅Ｗとの比h/wが0.1＜h/W＜1.0の範囲である略矩
    型形状あるいは略長円形である前記請求項１または２記
    載の半導体冷却装置。
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