專利名稱：半導(dǎo)體器件的散熱器裝配系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及把半導(dǎo)體器件安裝到散熱器上的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及經(jīng)由電路板通孔使用夾緊力把半導(dǎo)體器件安裝到散熱器上以保證在半導(dǎo)體器件和散熱器之間的高度導(dǎo)熱性的方法。
許多半導(dǎo)體器件都會產(chǎn)生熱，若不加以散熱，會使該器件的溫度上升到足以損害它致使其不能正常工作或完全損壞。因此，通常的做法是把半導(dǎo)體器件固定在某種形式的散熱裝置(通常被稱為散熱器)上，它有從該器件吸熱并把熱轉(zhuǎn)移到周圍大氣的作用。
典型地，半導(dǎo)體器件配備有傳熱表面，能用機械緊固件(例如安裝螺釘)把該表面固定到某種形式的散熱器上。然后把組裝的半導(dǎo)體器件和散熱器安裝到支架(例如印刷電路板)上，其中源自半導(dǎo)體器件的電引線通常經(jīng)焊接連到位于印刷電路板上的焊接區(qū)上。一般用機械緊固件(例如螺釘)把傳熱表面固定在散熱器上，其優(yōu)點在于能在半導(dǎo)體器件的傳熱表面和散熱器之間形成充分的接觸壓力使得它們之間能有良好的熱傳導(dǎo)。使用機械緊固件(例如螺釘)的缺點包括螺釘?shù)某杀?、所需費時的組裝過程以及要順序安裝幾個裝置時必須加以保持的嚴格的幾何公差。
由于這些原因，人們已經(jīng)提出了幾種能彈性地扣住半導(dǎo)體器件的散熱器，諸如在美國專利4509839;5065279;4933746;5019942和4462462中所揭示的那類，其說明書將引入本文供參考。這些技術(shù)不需要準(zhǔn)確調(diào)整和費時組裝的諸如螺釘之類的機械緊固件。但是，每個這類散熱器和用來把半導(dǎo)體器件固定在其上的方法被一個或更多的缺點所妨礙，使它對其預(yù)定目的來說變得不夠理想。例如，在美國專利4012769;4215361;和4235285中所說明和描述的散熱器，每一個都彈性地扣住半導(dǎo)體器件?？墒?，這些散熱器當(dāng)中沒有一個設(shè)有把散熱器固定到支架(例如即刷電路板)上的裝置。美國專利4509839揭示一種用彈性扣板把半導(dǎo)體器件固定于其上的散熱器。但是，沒有揭示用于把散熱器固定到即刷電路板上的裝置，而從半導(dǎo)體器件引出線到印刷電路板上的安裝過程往往由于機械導(dǎo)致的應(yīng)力而造成故障。并且，由于半導(dǎo)體必須和散熱器電氣絕緣，用來固定半導(dǎo)體安裝抽頭的螺栓也必須加以絕緣。這通常涉及有嚴格公差的費時組裝操作和由于大量元件所造成的令人生厭的方法。
本發(fā)明揭示用由于使用彈簧或其它垂直力發(fā)生裝置引起的較大夾緊力把半導(dǎo)體器件安裝到散熱器上的裝置，其中電路板被夾緊在定位單元和散熱器之間并具有尺寸按半導(dǎo)體器件能穿過其中而開的孔。通過把夾緊力引到半導(dǎo)體器件上使熱從半導(dǎo)體器件到散熱器的轉(zhuǎn)移達到最大限度，與先有技術(shù)的把半導(dǎo)體的傳熱表面擠壓到散熱器的螺絲緊固件方法相比，遍布的尺寸范圍很廣。
本發(fā)明減少了小硬件(例如平墊圈和彈簧墊圈、絕緣子和小螺釘)的操作。并且，如果在散熱器中使用螺紋孔或有螺紋的螺釘，通過使用本發(fā)明，在攻絲或螺紋成形操作中所產(chǎn)生的毛邊就不和半導(dǎo)體直接接觸，因為螺紋孔是重新定位于該器件外部的一個區(qū)域而不是直接在它下面，因而消除了可能發(fā)生的電氣短路。
經(jīng)常是多晶體管安裝的必要條件的嚴格公差可通過使用本發(fā)明加以緩和。因此，重力進給生產(chǎn)(gravityfeedmanufacturing)可用于大量生產(chǎn)?？梢园寻雽?dǎo)體器件放在印刷電路板上并加以焊接而不必安裝散熱器，它可在后面的生產(chǎn)工序中安裝。
本發(fā)明的一項措施是使用彈簧把半導(dǎo)體器件安裝到散熱器上以便在寬尺寸范圍內(nèi)提供夾緊力。
本發(fā)明的另一項措施是提供把半導(dǎo)體器件安裝到散熱器上的方法，其中印刷電路板被夾在定位單元和散熱器之間。
本發(fā)明的另一措施是提供把半導(dǎo)體器件安裝到散熱器上的方法，其中半導(dǎo)體器件位于印刷電路板的孔內(nèi)，以便把半導(dǎo)體器件的電引線焊接到帶有垂直力發(fā)生裝置(例如位于該器件一側(cè)的彈簧和位于該器件相對側(cè)的散熱器)的印刷電路板上。
本發(fā)明的又一措施是提供把半導(dǎo)體器件安裝到散熱器的方法，其中印刷電路板的一部分被切下以使半導(dǎo)體器件穿過那里使印刷電路板能被夾在定位單元和散熱器的柏對側(cè)之間。


圖1是按照本發(fā)明安裝到散熱器的半導(dǎo)體器件的一個實施例的透視圖;
圖2是沿直線Ⅱ-Ⅱ所取的用于本發(fā)明半導(dǎo)體器件的安裝系統(tǒng)斷面圖;
圖3是顯示水平加載彈簧的本發(fā)明的另一實施例的斷面圖;
圖4是本發(fā)明的一可選實施例的斷面圖，顯示具有使散熱片接合的末端線夾的定位單元;及圖5是顯示夾緊力和熱阻抗之間關(guān)系的曲線圖。
現(xiàn)在參考圖1，該圖顯示出半導(dǎo)體裝置安裝系統(tǒng)2，其中在工作時產(chǎn)生高溫的半導(dǎo)體裝置4安裝在形成于印刷電路板6上的板孔12內(nèi)部，該半導(dǎo)體裝置的傳熱表面7與薄的熱傳導(dǎo)安裝墊圈(未示出)直接接觸，該墊圈充當(dāng)電絕緣子，它同散熱器(例如散熱片8)接觸并把熱傳導(dǎo)到散熱器上，這散熱片一般是由高熱傳導(dǎo)率材料(例如鋁)制成并起著把過量的熱分散到周圍空氣或冷卻液中的作用。熱傳導(dǎo)電絕緣子(熱墊圈)通常是填充有熱傳導(dǎo)材料(例如氧化鋁)的薄硅片。
圖1顯示了三個半導(dǎo)體裝置4。(盡管能使用本發(fā)明的方法以類似方式順序地安裝任何數(shù)量的裝置)
半導(dǎo)體裝置4一般具有許多電連接引線10，它們是通過焊接到連接焊盤而電氣地和機械地固定在印刷電路板6上。然后電氣地把連接焊盤接到位于印刷電路板6上的那些裝置(圖中未示)。
加工形成電路板孔12，以便使半導(dǎo)體裝置4能穿過那里并經(jīng)由熱墊圈同散熱片8接觸。定位單元14被用來保持和固定負載彈簧16以使在定位單元被拴接到散熱片8(通過擰入散熱片8的許多螺紋孔)時，負載彈簧16是被壓縮的。固定螺栓18牢過定位單元14中的相應(yīng)數(shù)目的裝配螺栓孔20延伸出去并銜接和擰入散熱片8。電路板6被夾持在定位單元14和散熱片8之間。
表示為螺旋式彈簧的負載彈簧16(但可以是任何類型的彈簧)在使用固定螺栓18或任何其它類型的緊固件固定定位單元時是被壓縮的并導(dǎo)致壓向每個相應(yīng)半導(dǎo)體裝置4的壓力，迫使裝置4頂壓著散熱片8，由此使最大量的熱能通過傳熱表面7和熱傳導(dǎo)電絕緣子轉(zhuǎn)入散熱片8。還能使用諸如平板金屬彈簧之類的其它類型彈簧。引起夾緊力以產(chǎn)生在半導(dǎo)體裝置傳熱表面7和散熱片8之間的高接觸壓力的任何負載發(fā)生裝置都可加以使用。
圖2是沿示于圖1的直線Ⅱ-Ⅱ所截取的定位單元14的剖面圖。圖2顯示許多負載彈簧16，其中彈簧腔24是成形于定位單元14內(nèi)使負載彈簧16能放入其內(nèi)。此外還示出裝配螺栓孔20，它允許裝配螺栓18穿過，然后經(jīng)過板裝配孔22擰入散熱片8的螺紋孔。
散熱片8可以有各種幾何形狀并可包括從裝配印刷電路板的區(qū)域伸出的翼片。散熱片8還可用引入的加壓流動液體(例如水)加以冷卻，這在本技術(shù)領(lǐng)域中是眾所周知的。
定位單元14可以由像塑料之類易于模制和/或機械加工的材料制成，以便把彈簧腔24和裝配螺栓孔20包括在內(nèi)。另一方面，為增加強度和更多一些的熱轉(zhuǎn)移，或許能使用某種金屬材料。負載彈簧16是由彈簧鋼制成，并根據(jù)半導(dǎo)體裝置4的特定幾何尺寸、彈簧腔24相對于電路板6表面的深度以及負載彈簧16的總直徑，選擇彈簧線圈的長度和直徑來選擇負載彈簧16以提供經(jīng)由熱墊圈把半導(dǎo)體裝置4固定到散熱片8上所需的夾緊壓力。
使用本發(fā)明所揭示的裝配方法，能獲得高夾緊力以便經(jīng)由熱墊圈迫使半導(dǎo)體裝置4頂壓散熱片8，用于改善熱轉(zhuǎn)移或改善冷卻。被冷卻的半導(dǎo)體裝置4一般是市場上可買到的表面安裝器件，例如場效應(yīng)晶體管。
圖3揭示本發(fā)明的另一個可供選擇的實施例，其中負載彈簧所用的線圈彈簧已由板簧26來代替，該板簧26在裝配定位單元14′時被彎成U形，使其頂著半導(dǎo)體裝置4受到壓縮，從而在半導(dǎo)體裝置4上提供經(jīng)由充當(dāng)散熱器的熱墊圈頂著散熱片8把它夾緊的力。定位單元14′已被改動以便把延伸段27包括在內(nèi)，它使板簧26在半導(dǎo)體裝置4范圍內(nèi)保持在適當(dāng)?shù)奈恢蒙稀６ㄎ粏卧?4′被固定在適當(dāng)?shù)奈恢貌⒂脭Q入散熱片8的若干裝配螺栓18加以壓縮。
圖4顯示定位單元14″的另一個可供選擇的實施例，其中定位單元14或14′在各端面上被變更以便包括端部卡箍28a和28b，該卡箍咬入散熱片8上的凸緣部分30，由此以類似于圖1所示方式壓縮負載彈簧16。這改型實施例便于制造和簡化了裝配，這在許多固定螺栓18被擰入散熱片8時所不能達到的。
此外，類似于圖1和2，印刷電路板6所具有的供各半導(dǎo)體裝置4用的板孔12，其形狀便于半導(dǎo)體裝置4穿過電路板6與夾緊力直接接觸并經(jīng)過熱傳導(dǎo)電絕緣子(熱墊圈)直到散熱片8，而電路板6則位于定位單元14和散熱片8之間。
圖5是半導(dǎo)體裝置4的傳熱表面7與經(jīng)過熱墊圈的散熱片8之間的界面的熱阻抗和夾緊力之間關(guān)系的圖解表示法。可以使用本發(fā)明技術(shù)，通過選擇適當(dāng)?shù)膹椈蓜偠群涂偟膹椈筛叨葋懋a(chǎn)生所需的大約25磅力(1bsf)的夾緊力(如點32所示)。如圖5所示，當(dāng)夾緊力由零增加到101bsf時，熱阻抗(每瓦攝氏度)迅速減小，為改進半導(dǎo)體裝置4和散熱片8之間的熱轉(zhuǎn)移創(chuàng)造條件。超過301bsf的力沒有顯著減小熱阻抗。
使用本發(fā)明，多個半導(dǎo)體裝置4穿過電路板中相同數(shù)目的開口斷面可用最少元件和放寬的幾何尺寸公差的情況下，以理想的夾緊力度固定和裝配到散熱片8上。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會意識到，對上述較好實施例，進行多種變化同時又保持在本發(fā)明的范圍之內(nèi)是可能的。因此不應(yīng)認為本發(fā)明局限于這些較好實施例或?qū)Σ牧?、結(jié)構(gòu)、尺寸、用途或其中采用的參數(shù)方面的特定選擇。
權(quán)利要求
1.用于半導(dǎo)體裝置(4)的散熱器裝配系統(tǒng)(2)，包括用于收集由所述半導(dǎo)體裝置(4)所產(chǎn)生的熱的散熱裝置(8)；用于向所述半導(dǎo)體裝置(4)施加夾緊力由此迫使所述半導(dǎo)體裝置(4)頂壓所述散熱裝置(8)的負載裝置(16)；及具有形成于其中的孔(12)的電路板(6)，該孔的尺寸是按所述半導(dǎo)體裝置(4)能穿過而定，所述電路板(6)和所述散熱裝置(8)一起定位在所述電路板(6)的一側(cè)，而所述負載裝置(16)則置于所述電路板的另一側(cè)。
2.用于半導(dǎo)體裝置(4)的散熱器裝配系統(tǒng)(2)，包括用于收集由所述半導(dǎo)體裝置(4)產(chǎn)生的熱的散熱裝置(8);用于向所述半導(dǎo)體裝置(4)施加加載力由此迫使所述半導(dǎo)體裝置(4)頂壓所述散熱裝置(8)的彈簧裝置(16);具有使所述半導(dǎo)體裝置(4)能穿過其中的孔(12)的電路板(6);固定在所述散熱裝置(8)上的定位單元(14)，所述電路板(6)夾在它們之間，所述彈簧裝置(16)一端由所述定位單元(14)所支承，另一端接觸所述半導(dǎo)體裝置(4)迫使所述半導(dǎo)體裝置(4)頂壓所述散熱裝置(8)，以便散失所述半導(dǎo)體裝置(4)所產(chǎn)生的熱。
3.如權(quán)利要求2的散熱器裝配系統(tǒng)(2)，其特征在于，所述彈簧裝置(16)是線圈狀彈簧。
4.如權(quán)利要求2的散熱器裝配系統(tǒng)(2)，其特征在于，所述彈簧裝置(16)是板簧。
5.如權(quán)利要求2的散熱器裝配系統(tǒng)(2)，其特征在于，所述定位單元(14)是用許多固定螺栓(18)固定到所述散熱裝置(8)的。
6.如權(quán)利要求2的散熱器裝配系統(tǒng)(2)，其特征在于，所述散熱裝置(8)是用鋁材制成，含有許多源自基本區(qū)段(8a)的翼片(8b)，其中所述基本區(qū)段為(8a)接觸所述半導(dǎo)體裝置(4)。
7.如權(quán)利要求2的散熱器裝配系統(tǒng)(2)，其特征在于所述定位單元(14)是用在所述定位單元(14)中形成的卡箍部(28a，28b)固定到所述散熱裝置(8)上，所述卡箍部接合所述散熱裝置中形成的凸緣部分(30)。
8.把半導(dǎo)體裝置(4)安裝到散熱器(8)上以便散失所述半導(dǎo)體裝置(4)工作期間所產(chǎn)生的熱的方法，該方法包括以下步驟提供含有加工成使所述半導(dǎo)體裝置(4)能穿過的孔(12)的電路板(6);提供彈簧裝置(16)，用于對所述半導(dǎo)體裝置(4)加載，以使其頂壓在所述散熱器(8)上，所述彈簧裝置(16)具有第一端和第二端;提供定位單元(14)，該單元含有彈簧定位裝置(24)，以固定所述彈簧裝置(16)的所述第一端;借助于使用彈簧裝置(16)在所述定位單元(14)和所述半導(dǎo)體裝置(4)之間給與一壓力，迫使所述半導(dǎo)體裝置(4)頂著所述散熱器(8)，所述彈簧裝置(16)具有約束所述定位單元(14)的第一端和接觸所述半導(dǎo)體裝置(4)的第二端，其中所述彈簧裝置(16)迫使所述半導(dǎo)體裝置(4)頂著所述散熱器(8);及把所述電路板(6)跟位于所述電路板(6)中的所述孔(12)內(nèi)的所述半導(dǎo)體裝置(4)一起夾在所述散熱器(8)和所述定位單元(14)之間。
9.如權(quán)利要求8的安裝半導(dǎo)體裝置(4)的方法，其特征在于，所述定位單元(14)是用許多螺紋緊固件(18)固定到所述散熱器(8)上。
10.如權(quán)利要求8的安裝半導(dǎo)體裝置(4)的方法，其特征在于，所述定位單元(14)是用許多在所述定位單元(14)上形成的卡箍固定到所述散熱器(8)上，該卡箍接合所述散熱器(8)上形成的凸緣。
11.把配有電連接器(10)的電氣裝置(4)安裝到用于驅(qū)散所述電氣裝置(4)工作期間所產(chǎn)生的熱的散熱部件(8)上的方法，包括以下步驟提供電路板(16)，該板含有加工成形使所述電氣裝置(4)能穿過的孔(12);提供壓力發(fā)生裝置(16)，用于迫使所述電氣裝置(4)頂壓所述散熱部件(8);穿過所述電路板(6)中的所述孔(12)把所述電氣裝置(4)安裝到所述散熱部件(8)上，所述壓力發(fā)生裝置(16)作用于所述電氣裝置(4)上迫使所述電氣裝置(4)頂壓在所述散熱部件(8)上;及把所述電連接器(10)接到所述電路板(6)上。
12.如權(quán)利要求11的安裝電氣裝置(4)的方法，其特征在于，所述壓力發(fā)生裝置(16)是線圈式彈簧。
13.如權(quán)利要求12的安裝電氣裝置(4)的方法，其特征在于，所述線圈式彈簧(16)具有接觸所述電氣裝置(4)的一端和相對于所述散熱部件(8)受約束的另一端。
14.如權(quán)利要求13的安裝電氣裝置(4)的方法，其特征在于，所述線圈式彈簧(16)相對于所述散熱部件(8)被安裝到所述散熱部件(8)上的約束裝置(14)所約束。
15.如權(quán)利要求14的安裝電氣裝置(4)的方法，其特征在于，所述電路板(6)被夾在所述約束裝置(14)和所述散熱部件(8)之間。
16.如權(quán)利要求14的安裝電氣裝置的方法，其特征在于，所述約束裝置(14)是用許多螺紋緊固件(18)安裝到所述散熱部件(8)。
全文摘要
把半導(dǎo)體裝置(4)安裝到散熱器(8)的方法，這里電路板(6)上面的孔(12)是依一定尺寸加工成型以使半導(dǎo)體裝置(4)能穿過該孔，其中散熱器(8)是放在電路板(6)的一側(cè)，負載是在電路板(6)的另一側(cè)引入并加到半導(dǎo)體裝置(4)上迫使它頂壓散熱器(8)。
文檔編號H01L23/40GK1080433SQ93106878
公開日1994年1月5日 申請日期1993年6月5日 優(yōu)先權(quán)日1992年6月5日
發(fā)明者F·G·戈塞爾, A·M·麥康奈爾, M·L·蘭廷 申請人:易通公司