DE3884846T2

DE3884846T2 - Kühlungsgerät und eine dieses Gerät verwendende Halbleitervorrichtung.

Info

Publication number: DE3884846T2
Application number: DE88303111T
Authority: DE
Inventors: Hideo Arakawa; Yukio Hishinuma; Shuntaro Koyama; Atsushi Morihara; Yoshio Naganuma; Shunsuke Nogita; Tasao Soga; Kazuji Yamada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-04-08
Filing date: 1988-04-07
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2008-04-08
Also published as: EP0288183A2; US4908695A; EP0288183B1; JPS63250848A; DE3884846D1; JPH063831B2; EP0288183A3

Description

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Kühlungsgerät oder eine neuartige Kühlvorrichtung zum wirkungsvollen Ableiten und Abstrahlen von Wärme von Halbleiterchips oder integrierten Schaltkreisen mit hoher Dichte und ein mit einer solchen Kühlvorrichtung kombiniertes Halbleiterbauelement, wie auch eine Montagestruktur zum Montieren eines solchen Halbleiterbauelements an einem Computer.
Moderne Großcomputer müssen hohe Verarbeitungsgeschwindig keiten meistern, und das Ausmaß der Integration einzelner integrierter Schaltkreise nahm zu. Infolgedessen nahm die von jeder integrierten Schaltung erzeugte Wärmemenge erheblich zu. In dieser Situation wurde übermäßigem Temperaturanstieg integrierter Schaltkreise, was üblich wurde, erhöhte Aufmerksamkeit geschenkt. Insbesondere wurde das Kühlen integrierter Schaltkreise ein wichtiges Problem, das im Hinblick auf aktuelle Montagetechniken zum Montieren integrierter Schaltungschips bei Großcomputern überwunden werden sollte. Um die Länge elektrischer Leitungen zum Anschließen integrierter Schaltungschips zu minimieren, wurde auch ein Verfahren zum Zusammenfassen mehrerer integrierter Schaltungschips in einer Mikrobaueinheit entwickelt.
Insbesondere auf dem Gebiet von Großcomputersystemen wurde eine Kühlvorrichtung des in Fig. 4 dargestellten Typs vorgeschlagen. Die in Fig. 4 dargestellte Kühlvorrichtung basiert auf einem gasgefüllten Wärmeleitungskühlsystem des in der Veröffentlichung Nr. 61-15353 zu einem ungeprüften japanischen Patent offenbarten Typs. Hochintegrierte Schaltkreis(nachfolgend als "LSI(s)" bezeichnet) Chips 11 (von denen nur einer dargestellt ist) sind über extrem kleine Lötmittelkugeln 17 mit einer gedruckten Mehrschichtleiterplatte (nachfolgend als "Leiterplatte" bezeichnet) 8 verbunden, die durch mehrere elektrisch leitende Schichten und elektrisch isolierende Schichten gebildet wird, und diese sind wiederum mit mehreren Stiften 12 verbunden, die sich von der Rückseite der Mehrschichtleiterplatte 8 aus erstrecken. Ein Gehäuse 15 ist auf der Leiterplatte 8 montiert, um die LSI-Chips 11 abzudecken. Mehrere Zylinder 18 sind innerhalb des Gehäuses 15 vorhanden, und jeder der Zylinder 18 weist einen Kolben 13 zum Ableiten von Wärme von der Rückseite eines zugehörigen LSI-Chips 11 sowie eine Feder zum Anlegen von Druck an den Kolben 13 auf. Der zwischen der Leiterplatte 8 und dem Gehäuse 15 festgelegte Raum ist mit Heliumgas mit guter Wärmeleitfähigkeit gefüllt.
Vom LSI-Chip 11 erzeugte Wärme wird über den Wärmewiderstand Rc im LSI-Chip 11 und den Wärmewiderstand Rc_p im Berührungsabschnitt zwischen dem kugelförmigen Ende des Kolbens 13 und der Rückseite des LSI-Chips zum Kolben 11 abgeleitet. Die Wärme wird ferner über den Wärmewiderstand Rf des Kolbens 13 selbst und den Wärmewiderstand Rp_h des in den Raum zwischen den Kolben 13 und dem Zylinder 18 eingefüllten Heliums zum Gehäuse 15 geleitet. Diese Wärme wiederum wird über den Wärmewiderstand Rh des Gehäuses 15 und den Wärmewiderstand Rexf zwischen dem Gehäuse 15 und kaltem Wasser, das durch einen oberen Abschnitt des Gehäuses 15 strömt, oder durch einen Kühler 16 zum Umwälzen eines Kühlmittels in der Endstufe des Kühlprozesses abgestrahlt.
JP-A-58-91665 offenbart eine Struktur, die durch eine ähnliche Kombination eines Kolbens und eines Zylinders gebildet wird. Bei dieser Struktur wird ein Kolbenelement auch radial weggedrückt und in Berührung mit dem Zylinder gebracht.
Jedoch ist das Leistungsvermögen der Wärmeleitvorrichtungen mit den oben beschriebenen bekannten Strukturen begrenzt, und es ist schwierig, Chips mit einer Leistung von mehreren 10 oder mehr Watt pro Chip zu kühlen.
Allgemein gesagt, ist das Wärmeleitfähigkeit von Heliumgas ausgezeichnet, und zwar etwa das Zehnfache anderer Gase, jedoch ist es extrem klein im Vergleich zur Wärmeleitfähigkeit metallischer Teile wie des Kolbens 13 und des Zylinders 18. Demgemäß ist der Wärmewiderstand Rp_h des Heliumgases (Schicht) der größte Wärmewiderstand. Um den Wärmewiderstand Rp_h abzusenken, ist es erforderlich, den Raum zwischen dem Kolben 13 und dem Zylinder 18 zu verringern. Zu diesem Zweck muß der Kolben 13 oder der Zylinder 18 mit hoher Genauigkeit bearbeitet werden. Geringe Bearbeitungsgenauigkeit würde den Bewegungszustand des Kolbens 16 verschlechtern, was zu Schwankungen der Temperaturen der LSI-Chips 11 führen würde.
JP-A-61-15353 offenbart ein Beispiel, bei dem ein Medium mit guter Leitfähigkeit statt Heliumgas in die Räume zwischen den Kolben 13 und den Zylindern 18 gefüllt ist. In diesem Beispielsfall kann eine zufriedenstellende Wirkung nicht erzielt werden, ohne daß ein Medium dieser Art mit guter Leitfähigkeit verwendet wird. Ferner ist der Kolben 13 mit konischer Form ausgebildet, um seine Wärmeleitfläche zu erhöhen, und es wird ein geeigneter Wert für den Kontaktdruck auf das Fett zwischen dem Kolben 13 und dem Zylinder 18 ausgeübt. Jedoch kann zwischen dem Zylinder 18 und dem Kolben 13 kein direkter Kontakt hergestellt werden, und die Wärmeleitfähigkeit typischer Fettarten ist extrem gering, ungefähr ein Zehntel derjenigen, die im Fall direkten Kontakts besteht.
Dem oben beschriebenen Stand der Technik sind verschiedene andere Schwierigkeiten eigen. Keiner der Kolben ist so angeordnet, daß er Positionsänderungen eines entsprechenden Halbleiterbauelements folgt. Es ist eine komplizierte Struktur erforderlich, und wenn kein Wärmeleitmittel verwendet wird, ist es unmöglich, den Wärmewiderstand abzusenken. Demgemäß ist keine der vorstehenden Kühleinrichtungen dazu in der Lage, den Anforderungen aktueller Großcomputersysteme zu genügen.
JP-A-60-46056 offenbart eine Kühlanordnung, bei der ein leitendes Teil eine flache, einen Chip kontaktierende Seite und eine gegenüberliegende, teilkugelige Seite aufweist, die in einer teilkugeligen Aussparung eines Zapfens mit Federvorbelastung aufgenommen wird.
IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 20, Nr. 11B, April 1978 zeigt eine andere Kühlanordnung, bei der ein federvorbelastetes, keilförmiges Wärmeleitteil mit flachen Seiten zwischen die Chipoberfläche und eine geneigte Fläche des Gehäuses eingefügt ist.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Kühlvorrichtung anzugeben, die dazu in der Lage ist, Halbleiterchips zu kühlen, wenn sie mit diesen in Oberflächenkontakt gebracht wird, während im wesentlichen freie Verschiebung der Halbleiterchips zulässig ist, selbst wenn diese vertikal oder horizontal oder unter einem beliebigen Winkel geneigt sind.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterbauelement anzugeben, das mit der oben beschriebenen Kühlvorrichtung kombiniert ist.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine Montagestruktur zum Montieren der oben genannten Halbleiterbauelemente an einem Computer anzugeben.
Erfindungsgemäß wird eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines Halbleiterchips mit integriertem Schaltkreis angegeben, wie in Anspruch 1 dargelegt.
Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Ansprüchen 6 und 7 beansprucht.
Typische Wärmeleitteile, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, sind so ausgebildet, daß sie in erster Linie Änderungen im Abstand zwischen dem Wärmeübertragungsblock und den Halbleiterchips in einer Baugruppe ausgleichen. Demgegenüber ermöglicht es die Erfindung, Änderungen in der relativen Neigung zwischen dem Wärmeübertragungsblock und den Halbleiterchips zusätzlich zur oben angegebenen Kompensation auszugleichen. Das Ausführen der Erfindung ist einfach, weil jedes Wärmeleitteil verschieb- und verdrehbar auf einer ebenen Oberfläche gehalten wird, die zu einer Kühlfläche geneigt ist.
Andere wahlweise Aufgaben und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor.
In den Zeichnungen ist folgendes dargestellt:
Fig. 1 ist eine schematische, teilgeschnittene Seitenansicht des wesentlichen Abschnitts einer Kühlvorrichtung gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 ist eine schematische, perspektivische Darstellung der in Fig. 1 gezeigten Kühlvorrichtung;
Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung im Teilschnitt, die ein Halbleiterbauelement veranschaulicht, für das die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung verwendet wird;
Fig. 4 ist ein schematischer Querschnitt einer bekannten Kühlvorrichtung;
Fig. 5 veranschaulicht den Zustand jedes Elementes des Aufbaus, wenn bei der Erfindung ein Chip aufgrund der Verschiebung einer integrierten Leiterplatte vertikal verschoben wird;
Fig. 6 ist eine schematische, perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 7 ist ein schematischer Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 8 ist ein schematischer Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 9 ist ein schematischer Querschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung; und
Fig. 10 ist eine schematische, perspektivische Darstellung, bei der Teile der Einfachheit halber weggelassen sind, einer Montage struktur zum Montieren des ersten Ausführungsbei-Spiels der Erfindung an einem Computer.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden untenstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Gemäß Fig. 1, die ein erstes Ausführungsbeispiel veranschaulicht, sind einige hundert gedruckte (nichtdargestellte) Leitungen, die an der Unterseite jedes von integrierten Schaltungschips 11 (von denen nur einer dargestellt ist) über kugelförmige Lötmittelanschlüsse 17 mit einer Mehrschichtleiterplatte 8 verbunden, die aus Keramik oder dergleichen hergestellt ist. Eine ebene Kühlfläche, d. h. die Oberseite des integrierten Schaltungschips 11 steht in Berührung mit der ebenen Bodenfläche zweier Wärmeleitungsteile
3. Diese Kontaktflächen werden einer Oberflächenbehandlung unterzogen, um die Wärmeleitung zu erhöhen und Reibungskräfte zu minimieren. Beim ersten Ausführungsbeispiel sind zwei Leitungsteile 3 für jedes der integrierten Schaltungschips 11 vorhanden, und jedes der Teile 3 ist in Form eines dreieckigen Prismas mit einem rechtwinkligen Dreieck im Querschnitt ausgebildet. Wie dargestellt, sind die Wärmeleitungsteile 3 unter Einhaltung eines gegenseitigen Spaltes symmetrisch Seite an Seite angeordnet, um ein großes zusammengesetztes Dreiecksprisma zu bilden, um dadurch als Ganzes eine große, ebene Kontaktfläche zu schaffen.
Die Oberfläche jedes der Wärmeleitungsteile 3, die vom integrierten Schaltungschip 11 weg zeigt, ist unter einem Winkel Θ zur zugehörigen Bodenfläche geneigt. Diese Fläche ist eine gekrümmte Fläche, die ein Segment eines Zylinders mit einem Radius r festlegt. Der Winkel Θ und der Radius r sind wichtige Faktoren, die die Wärmeleitungseigenschaften und die Bewegung der Wärmeleitungsteile 3 bestimmen. Je größer der Winkel Θ desto größer ist die Fläche der Wärmeübertragungskontaktfläche zwischen dem Wärmeleitungsteil 3 und einem kühlenden Wärmeübertragungsblock 1. Jedoch ist jede übermäßige Zunahme im Abstand zwischen einer Kühlfläche 5 und dem integrierten Schaltungschip 11 hinsichtlich des Kühlwirkungsgrades von Nachteil. Daher wird der Winkel e vorzugsweise zwischen 30 und 60º, einschließlich, gewählt. Wenn das Wärmeleitungsteil 3 die Tiefe H und die Breite L aufweist, wird der gesamte Widerstand Rt auf Grundlage des Wärmewiderstandes des geneigten Abschnitts (des Abschnitts A - A') durch die folgende Gleichung repräsentiert:
Rt = (tan Θ)/kbHL + (cos Θ)/hHL,
wobei kb die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübertragungsblocks 1 und H der Koeffizient für die Wärmeübertragung an der Kontaktfläche zwischen dem Wärmeleitungsteil 3 und dem Wärmeübertragungsblock 1 ist. Der erste Term auf der rechten Seite der obigen Gleichung repräsentiert den Wärmewiderstand des Wärmeübertragungsblocks 1, und der zweite Term auf der rechten Seite repräsentiert den Wärmewiderstand an der Kontaktfläche. Aus der obigen Gleichung kann ein optimaler Winkel als Winkel e abhängig von solchen Faktoren wie der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübertragungsblocks 1 und dem Wärmeübertragungskoeffizienten an der Kontaktfläche berechnet werden.
Der Radius r wird durch den geschätzten Neigungswinkel des integrierten Schaltungschips 11 bestimmt. Anders gesagt, wenn der Chip 11 maximal zulässig geneigt ist, ist es erforderlich, die geneigte Fläche 2 in Kontakt mit der geneigten Fläche des kühlenden Wärmeübertragungsblocks 1 zu halten. Daher gilt:
r < (L tan Θ)/(2 sin α),
wobei α der maximale Neigungswinkel des Chips 11 ist. Der Radius r der gekrümmten Fläche 2 wird aus der obigen Gleichung bestimmt.
Es kann zugelassen werden, daß das Wärmeleitungsteil 3 frei auf der Oberfläche des zugehörigen integrierten Schaltungschips 11 gleitet. Daher sind Federn 4, wie in Fig. 1 dargestellt, so geneigt, daß die benachbart zum Chip 11 liegenden Teile in Berührung mit den entsprechenden geneigten Flächen des Wärmeübertragungsblocks 1 und der Oberfläche des Chips 11 mit Hilfe eines vorgegebenen Drucks jeder der Federn 4 gebracht werden. Bevorzugt beträgt ein Winkel ß zwischen der Achse der Feder 4 und der Kontaktfläche zwischen dem zugehörigen Wärmeleitungsteil 3 und dem Chip 11 45 bis 70º. Bevorzugterweise sind zwei Federn 4 in einem mittleren Abschnitt in Tiefenrichtung jedes Paars Wärmeleitungsteile 3 angeordnet.
Wenn der Chip 11 in bezug auf die Achse des Zylinders geneigt ist, dessen Segment durch jede der gekrümmten Flächen 2 festgelegt ist, wird jedes der Wärmeleitungsteile 3 um eine Achse rechtwinklig zur Kontaktfläche zwischen dem Wärmeleitungsteil 3 und der zugehörigen geneigten Fläche des Wärmeübertragungsblocks 1 wie auch um die Zylinderachse gedreht. So werden die Wärmeleitungsteile 3 jeweils in eine geeignete Position in solcher Weise verschoben, daß vollständiger Kontakt zwischen dem Chip 11 und dem Wärmeleitungsteil 3 aufrechterhalten werden kann.
Gemäß Fig. 2 werden die Wärmeleitungsteile 3 dann, wenn die Vorderseite des Chips 11 (Seite B) nach unten geneigt ist, während die entgegengesetzte Seite (Seite B') nach oben geneigt ist, auf der Seite B voneinander weggeschoben, dagegen auf der Seite B' aufeinander zu. Die Bodenfläche jedes der Wärmeleitungsteile 3 ist abhängig von der Neigung des Chips 11 geneigt.
Fig. 5 veranschaulicht den Zustand jedes Aufbauelements, wenn der Chip 11 aufgrund einer Verschiebung der Mehrschichtkeramikplatte 8 oder dergleichen vertikal verschoben ist. Wenn (a) der Chip 11 im Vergleich zum normalen Zustand (b) in Richtung zum Wärmeübertragungsblock 1 verschoben ist, werden die Wärmeleitungsteile 3 gegeneinander geschoben, um die Verschiebung aufzuheben. Wenn (c) der Chip 11 im Vergleich zum Normalzustand (b) vom Wärmeübertragungsblock 1 weggeschoben ist, werden die Wärmeleitungsteile 3 voneinander weggeschoben, um die Verschiebung aufzuheben. In jedem dieser Fälle kommen die Wärmeleitungsteile 3 in Kontakt mit der Oberseite des Chips 11 und der entsprechenden Seitenfläche des Wärmeübertragungsblocks 1, wodurch gute Wärmeübertragungseigenschaften erzielt werden können.
Gemäß erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 ist der Wärmeübertragungsblock 1 im Gehäuse 15 untergebracht, und er wird durch ein Kühlmittel gekühlt, das in direktem Kontakt mit der Kühlfläche 5 steht. Ein Kanal, durch den das Kühlmittel geführt wird, kann durch den Wärmeübertragungsblock 1 selbst hindurch ausgebildet sein.
Ein vorgegebener Spalt ist zwischen zwei Wärmeleitungsteilen 3 vorhanden, so daß sie abhängig von der Neigung des zugehörigen Chips 11 gegeneinander verschoben werden können. Zusätzlich ist es bevorzugt, daß das obere Ende jedes Wärmeleitungsteils 3 so abgeflacht ist, daß das Ausmaß seiner Verschiebung nach oben unter Bezug auf den Wärmeübertragungsblock 1 zunimmt.
Fig. 3 ist eine perspektivische, teilgeschnittene Darstellung eines Halbleiterbauelements, dessen Chip 11 mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung kombiniert ist. Die erfindungsgemäße Kühlung ist in einem wassergekühlten Gehäuse 5 aus Metall wie Al, Cu und rostfreiem Stahl vorhanden, und mehrere Halbleiterchips 11 sind auf der keramischen, mehrschichtigen gedruckten Leiterplatte 11 montiert. Das Gehäuse 5 ist mit der keramischen Mehrschichtplatte 8 verbunden. Das Gehäuse 5 ist mit mehreren Löchern 6 versehen, in die Wasser als Kühlmittel eingeleitet wird, und es ist mit dem Wärmeübertragungsblock 1 verbunden. Der Wärmeübertragungsblock 1 kann selbstverständlich integral mit dem Gehäuse 5 ausgebildet sein. Die keramische, mehrschichtige Leiterplatte 8 ist aus einem Sinterkörper gebildet, der im wesentlichen aus Aluminiumoxid, Metallchloriden, SiO, AlN oder Si&sub3;N&sub4; usw. besteht, und elektrisch leitende Schichten bestehen aus einer Paste aus W, Mo oder dergleichen. Die Mehrschichtplatte 8 ist mit den Stiften 12 versehen, die ihrerseits in Durchgangslöcher 23 eingesetzt sind, die in einer mehrschichtigen gedruckten Leiterplatte 25 ausgebildet sind. So sind elektrische Verbindungen zwischen den Platten 8 und 25 hergestellt. Kühlwasser wird durch eine Leitung 24 in das wassergekühlte Gehäuse 15 eingeleitet. Die oben angegebenen Halbleiterchips 11 sind auf einer keramischen Trägerplatte über der keramischen, mehrschichtigen gedruckten Leiterplatte 8 angebracht, und sie weisen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der demjenigen der keramischen Mehrschichtplatte 8 entspricht. Die Halbleiterchips 11 und die keramische Trägerplatte sind durch Löten in einer Flipflopanordnung miteinander verbunden, und vorzugsweise ist der Spalt zwischen den Halbleiterchips 11 und der keramischen Trägerplatte mit Gummikörnchen gefüllt, die einen kleineren thermischen Expansionskoeffizienten als das Lötverbindungsmittel aufweisen, und mit einer Harzmischung mit anorganischem Pulver gefüllt.
Der Wärmeübertragungsblock 1 und die erfindungsgemäßen Wärmeleitungsteile 3 können aus Verbindungen von Cu, Al, SiC, AlN und Cu-Mo bestehen. Insbesondere besteht der Wärmeübertragungsblock 1 vorzugweise aus Verbindungen von AlN oder Cu-Mo, und die Wärmeleitungsteile 3 bestehen vorzugsweise aus Al oder Cu. Ein SiC-Sinterkörper wird vorzugsweise aus solchen mit 0,1 bis 3,5 Gew.% Be mit einem thermischen Expansionskoeffizienten von mindestens 0,25 cal/cm sec ºC und einem spezifischen Widerstand von mindestens 10¹³ Ω cm ausgewählt.
Fig. 6 ist eine schematische, perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Der Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel besteht darin, daß, obwohl die Wärmeleitungsteile 3 beim ersten Ausführungsbeispiel jeweils die Form eines dreieckigen Prismas aufweisen, die Teile beim zweiten Ausführungsbeispiel in Form einer Dreieckspyramide ausgebildet sind. Die grundlegende Funktion des zweiten Ausführungsbeispiels ist dieselbe wie die des ersten Ausführungsbeispiels. Die wirkungsmäßige Eigenschaft des zweiten Ausführungsbeispiels ist die, daß seine Wärmeübertragungseigenschaften nicht stark von der Neigung des Chips 11 beeinflußt werden.
Fig. 7 ist ein Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dahingehend, daß die Feder 4 den einander gegenüberstehenden Wärmeleitungsteilen 3 gemeinsam ist, und sie parallel zur Oberfläche des zugehörigen Chips 11 dadurch angeordnet ist, daß die Wärmeleitungsteile 3 an ihren spitzen Kanten abgeschrägt sind und daß eine V-förmige Aussparung im Wärmeübertragungsblock 1 zusätzlich eine quadratische Nut in der tiefsten Ecke der Aussparung aufweist. Die parallele Anordnung der Feder vereinfacht die Herstellung der Wärmeleitungsteile 3 und des Wärmeübertragungsblocks 1. Das Abschrägen des Wärmeübertragungsteils 3 trägt zum Verhindern des Eindringens von Metall oder von Keramikstaub bei, wenn das leitende Teil aus Metall, Sintermetall oder Keramikmaterialien besteht. Die quadratische Nut, die am Boden der V-förmigen Aussparung des Wärmeübertragungsblocks ausgebildet ist, vereinfacht die Schneidarbeit für die V-förmige Aussparung. Diese Vorteile des Ausführungsbeispiels gewährleisten eine Kühlvorrichtung mit erhöhter Zuverlässigkeit und verringerten Kosten. Ferner kann zum Verringern des Wärmewiderstands ein wärmeleitendes Medium wie ein Fett in den Spalt zwischen dem Halbleiterchip 11 und dem wärmeleitenden Teil 3, wie auch in den Spalt zwischen dem wärmeleitenden Teil 3 und dem Wärmeübertragungsblock 1 eingefüllt sein.
Fig. 8 ist ein Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel dahingehend unterscheidet, daß drei Wärmeleitungsteile 31, 32 und 33 verwendet werden. Genauer gesagt, ist das Wärmeleitungsteil 33 mit seiner Kühlfläche A am integrierten Schaltungschip 11 befestigt, und es weist geneigte Flächen B auf. Die Wärmeleitungsteile 31 und 32 weisen jeweils ebene Flächen C auf, die in gleitende Berührung mit entsprechenden Flächen des Wärmeübertragungsblocks 1 kommen, sowie eine ebene Fläche D, die in gleitende Berührung mit der ebenen Fläche B kommt. Federn 34 sind so angeordnet, daß sie so auf die ebenen Flächen C drücken, daß diese in enge Berührung mit den entsprechenden Flächen des Wärmeübertragungsblocks 1 kommen, und sie drücken so auf die ebenen Flächen D, daß diese in enge Berührung mit den ebenen Flächen B des Wärmeleitungsteils 33 kommen. Die wirksame Eigenschaft des fünften Ausführungsbeispiels ist die, daß, da jeder der Chips 11 am Wärmeleitungsteil 3 befestigt ist, die Temperaturverteilung im Chip 11 auf einfache Weise gleichförmig eingestellt werden kann.
Fig. 9 ist eine Querschnittsdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel dahingehend unterscheidet, daß die Kontaktflächen der Wärmeleitungsteile 3, die dem integrierten Schaltungschip 11 gegenüberstehen, jeweils als gekrümmte Fläche 40 ausgebildet sind und daß Blattfedern 41 anstelle der Feder 4 verwendet werden. Die wirksame Eigenschaft des fünften Ausführungsbeispiels ist die, daß die Herstellkosten durch Verwendung der Blattfedern 41 erniedrigt werden können.
Wie dargestellt, sind Nuten 26 ausgebildet, um jeweils ein Ende der zugehörigen Blattfeder 41 aufzunehmen. Die Nuten 26 wirken dahingehend, daß sie verhindern, daß die Aufwärtsverschiebung der Wärmeleitungsteile 3 nach oben hin begrenzt ist, und sie vereinfachen das Schneiden der geneigten Flächen des Wärmeübertragungsblocks 1. Die Nuten 26 können ähnlich im Wärmeübertragungsblock l ausgebildet sein, wie er in den Fig. 1 bis 3 sowie den Fig. 5 bis 7 dargestellt ist. Es ist bevorzugt, jede der Nuten 26 über die Länge des Wärmeübertragungsblocks 1 in diesem auszubilden.
Fig. 10 ist eine schematische, perspektivische Darstellung, mit zum Zweck der Einfachheit weggelassenen Teilen, einer Montagestruktur zum Montieren des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung an einem Computer.
LSI-Mehrchip-Modulbaugruppen 58 sind jeweils auf einer wassergekühlten, mehrschichtigen Keramikplatte montiert, und sie sind mit einer zugehörigen Mehrschichtplatte 25 verbunden. Verbindungsanschlüsse sind an den Kanten der Mehrschichtplatten 25 vorhanden. Verbinder 60 sind mit gegenüberliegenden Enden jeder der Mehrschichtplatten 25 verbunden, und die Mehrschichtplatten 25 sind über die Verbinder 60 mit externen Anschlüssen verbunden. Die Verbinder 60 sind andererseits mit Mehrkernverbindern verbunden, die an einer rückwärtigen Leiterplatte 56 vorhanden sind. Auf diese Weise wird eine dreidimensionale Montagestruktur gebildet. Die LSI-Chips 11 werden dadurch gekühlt, daß Wasser durch Kühlrohre 59 umgewälzt wird.
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel ermöglicht Kühlung mit hohem Wirkungsgrad und demgemäß eine kompakte Montagestruktur.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß gemäß der Erfindung jedes der wärmeleitenden Teile abhängig von der vertikalen und horizontalen Neigung eines zugehörigen Halbleiterchips verschoben werden kann, um den Halbleiterchip zu kühlen, nachdem er in Oberflächenkontakt damit gebracht wurde, während im wesentlichen freie Verschiebung des Halbleiterchips zugelassen wird. Demgemäß kann hochwirksames Kühlen erzielt werden.

Claims

1. Kühlungsgerät zum Kühlen eines Halbleiterchips (11) mit integriertem Schaltkreis, mit einer ebenen Kühlfläche, mit: - einem Wärmeübertragungsblock (1), der von einem Kühlmittel zu kühlen ist, wobei der Block eine dem Chip (11) gegenüberliegende Aussparung aufweist, welche Aussparung durch mindestens eine Fläche begrenzt wird, die zur ebenen Fläche des Chips (11) geneigt ist;

- mindestens einem Wärmeleitungsteil (3) mit einer ebenen Kontaktfläche, die der ebenen Kühlfläche des Chips (11) zugeordnet ist und gleichzeitig in Kontakt mit dem Wärmeübertragungsblock (1) und dem Chip (11) gehalten wird; und

- einem elastischen Teil (4) zum Ausüben von Druck auf das Wärmeleitungsteil (3) in bezug auf den Wärmeübertragungsblock (1) und den Chip (11);

- einem Wärmeleitungsteil (3), das, in Berührung mit der geneigten Fläche der Aussparung, mindestens eine Oberfläche (2) aufweist, die im wesentlichen gegen die ebene Kühlfläche des Chips (11) geneigt ist, so daß das Wärmeleitungsteil dazu in der Lage ist, zu gleiten und den Kontakt mit dem Chip und dem Wärmeübertragungsblock beizubehalten;

dadurch gekennzeichnet, daß die geneigte Fläche (2) des Wärmeleitungsteils (3) gekrümmt ist und linienförmigen Kontakt mit der geneigten Fläche der Aussparung aufweist und daß das Wärmeleitungsteil (3) dazu in der Lage ist, relativ zum Wärmeübertragungsblock (1) zu gleiten und sich zu verdrehen, wenn der Halbleiterchip mit dem integrierten Schaltkreis in beliebiger Richtung verschoben oder unter beliebigem Winkel gegenüber dem Wärmeübertragungsblock geneigt wird, wobei die ebene Kühlfläche des Chips in Seite an Seite liegendem Kontakt zur ebenen Kontaktfläche des Wärmeleitungsteils (3) gehalten wird.

2. Kühlungsgerät nach Anspruch 1, mit mehreren Wärmeleitungsteilen (3), die jeweils die Form eines dreieckigen Prismas mit der Form eines rechtwinkligen Dreiecks im Querschnitt rechtwinklig zur ebenen Kontaktfläche des Chips (11) aufweist, wobei entsprechende Flächen der Wärmeleitungsteile sich nur zur ebenen Kontaktfläche des Chips (11) rechtwinklig erstrecken, die einander unter Einhaltung eines Spaltes gegenüberstehen, wobei die Aussparung des Wärmeübertragungsblocks mehrere geneigte Flächen aufweist, die jeweils durch die Wärmeleitungsteile (3) kontaktiert sind.

3. Kühlungsgerät nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 mit einem elastischen Teil (4) für das Wärmeleitungsteil (3) oder jedes solcher Teile, das zwischen dem Wärmeleitungsteil (3) und dem Wärmeübertragungsblock (5) angeordnet ist.

4. Kühlungsgerät nach Anspruch 2, mit einem elastischen Teil (4), das zwischen den einander gegenüberstehenden Wärmeleitungsteilen so angeordnet ist, daß die elastische Kraft des elastischen Teils (4) so wirkt, daß sie die einander gegenüberstehenden Wärmeleitungsteile (3) in Richtungen voneinander weg verschiebt.

5. Kühlungsgerät nach Anspruch 1, mit mehreren Wärmeleitungsteilen (3), von denen jedes mit der Form einer dreieckigen Pyramide ausgebildet ist, wobei die Wärmeleitungsteile so zusammengestellt sind, daß sie eine zusammengesetzte quadratische Pyramide bilden.

6. Kühlungsgerät zum Kühlen eines Halbleiterchips (11) mit integriertem Schaltkreis, mit einer ebenen Kühlfläche, mit:

- mindestens einem ersten Wärmeleitungsteil (31, 32) mit einer ersten ebenen Kontaktfläche (C) in Berührung mit der ebenen Fläche des Wärmeübertragungsblocks (1), und einer zweiten Kontaktfläche, wobei die erste und die zweite Kontaktfläche für einen Pfad für thermischen Fluß zwischen dem Wärmeübertragungsblock und dem Chip sorgen; und

- einem elastischen Teil (34), um das Wärmeleitungsteil (31, 32) auf den Wärmeübertragungsblock (1) und den Chip (11) hin zu drücken;

- wobei das erste Wärmeleitungsteil (31, 32) dazu in der Lage ist, zu gleiten, um die Berührung zwischen dem Chip (11) und dem Wärmeübertragungsblock (1) beizubehalten;

dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Wärmeleitungsteil (33) mit der Kühlfläche des Chips (11) verbunden ist und eine gekrümmte Oberfläche (13) aufweist, die linienförmigen Kontakt mit der zweiten Kontaktfläche (D) des ersten Wärmeleitungsteils herstellt, wobei die zweite Kontaktfläche (D) des ersten Wärmeleitungsteils gegenüber der Kühlfläche des Chips geneigt ist, und daß das erste Wärmeleitungsteil (31, 32) dazu in der Lage ist, zu gleiten und sich gegenüber dem Wärmeübertragungsblock (1) zu verdrehen, so daß dann, wenn der Halbleiterchip mit dem integrierten Schaltkreis in einer beliebigen Richtung verschoben oder unter einem beliebigen Winkel in bezug auf den Wärmeübertragungsblock geneigt wird, die Kontaktfläche des Wärmeübertragungsblocks (1) in einander Seite an Seite liegendem Kontakt mit der ersten Kontaktfläche (C) des ersten Wärmeleitungsteils (3) gehalten wird.

7. Kühlungsgerät zum Kühlen eines Halbleiterchips (11) mit integriertem Schaltkreis, mit einer ebenen Kühlfläche, mit:

- einem Wärmeübertragungsblock (1), der durch ein Kühlmittel zu kühlen ist, wobei der Block eine dem Chip (11) gegenüberstehende Aussparung aufweist, wobei die Aussparung durch mindestens eine ebene Fläche festgelegt ist, die gegenüber der ebenen Fläche des Chips (11) geneigt ist;

- mindestens einem Wärmeleitungsteil (3) mit einer ersten ebenen Kontaktfläche, die ebenfalls gegen die ebene Fläche des Chips geneigt ist und die Fläche des Wärmeübertragungsblocks (1) kontaktiert, und das eine zweite Kontaktfläche (40) aufweist, die gleichzeitig die ebene Kühlfläche des Chips kontaktiert; und

- einem elastischen Teil (41), um das Wärmeleitungsteil (3) auf den Wärmeübertragungsblock (1) und den Chip (11) zu drücken;

- wobei das Wärmeleitungsteil dazu in der Lage ist, zu gleiten und Kontakt mit dem Chip und dem Wärmeübertragungsblock beizubehalten;

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kontaktfläche (40) des Wärmeleitungsteils (3) gekrümmt ist und linienförmigen Kontakt zur ebenen Fläche des Chips herstellt und daß das Wärmeleitungsteil (3) dazu in der Lage ist, relativ zum Wärmeübertragungsblock (1) zu gleiten und sich zu verdrehen, so daß dann, wenn der Halbleiterchip mit dem integrierten Schaltkreis in einer beliebigen Richtung verschoben oder unter einem beliebigen Winkel in bezug auf den Wärmeübertragungsblock verdreht wird, die ebene Fläche des Wärmeübertragungsblocks (1) in Seite an Seite liegendem Kontakt mit der ersten ebenen Kontaktfläche des Wärmeleitungsteils (3) gehalten wird.

8. Halbleiterbauelement mit:

- mindestens einem Halbleiterchip (11) mit einer ebenen Kühlfläche, der auf einer keramischen, mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatte (8) angebracht ist;

- einem Gehäuse (5), das von einem Kühlmittel gekühlt wird;

- einem Kühlungsgerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Kühlen des Chips oder der Chips (11);

- wobei der Wärmeübertragungsblock (1) in das Gehäuse eingeschlossen ist.

9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, bei dem das Gehäuse an der keramischen, mehrschichtigen gedruckten Leiterplatte befestigt ist, mehrere Halbleiterchips auf der keramischen, mehrschichtigen gedruckten Leiterplatte montiert sind und jeder mit einem Kühlungsgerät versehen ist.

10. Bauelement nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, bei dem der mindestens eine Halbleiterchip (11) auf einer keramischen Trägerplatte montiert ist, die über der keramischen, mehrschichtigen gedruckten Leiterplatte (8) liegt und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der demjenigen der keramischen, mehrschichtigen gedruckten Leiterplatte entspricht, wobei der mindestens eine Halbleiterchip und die keramische Trägerplatte dadurch miteinander verbunden sind, daß sie in einer Flipflop-Anordnung verlötet sind, und daß der Spalt zwischen dem mindestens einen Halbleiterchip und der keramischen Trägerplatte mit Gummikörnchen mit einem kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als dem des Lötmittels sowie mit einer Harzmischung mit anorganischem Pulver gefüllt ist.

11. Montagestruktur zum Montieren eines mit einem Kühlungsgerät kombinierten Halbleiterbauelements an einem Computer, mit:

- einer keramischen, mehrschichtigen gedruckten Leiterplatte (8) zum Halten mehrerer Halbleiterchips (11), von denen jeder eine Kühlfläche aufweist;

- einer mehrschichtigen gedruckten Leiterplatte (23), die elektrisch mit den mehreren Halbleiterchips über Stifte (12) verbunden ist, die an der keramischen Leiterplatte (8) vorhanden sind;

- einer Rückseitenplatte, die über Mehrkernverbinder mit der mehrschichtigen gedruckten Leiterplatte verbunden ist;

- einem Gehäuse, das von einem Kühlmittel gekühlt wird und an der keramischen, mehrschichtigen gedruckten Leiterplatte befestigt ist;

- einem Kühlungsgerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Kühlen jedes der Chips (11);

- wobei der Wärmeübertragungsblock (1) des Kühlungsgeräts in das Gehäuse (5) eingeschlossen ist.