CN1891021A - 用于多高度装置的自调平散热片的系统和方法 - Google Patents

用于多高度装置的自调平散热片的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种自调平散热片，其包括一耦合到一衬底的具有至少一个孔和至少一个弹簧臂的弹簧臂装置。所述衬底上安装有至少一个封装，以使得当所述弹簧臂装置安装到所述衬底时，所述至少一个封装穿过所述至少一个孔。一可操作以将热量从所述至少一个封装移除的散热片具有至少一个散热柱，可操作所述至少一个散热柱以容纳一定位在所述至少一个弹簧臂中的每一者的远端处的散热夹具。所述至少一个弹簧臂中的每一者均从所述至少一个孔的一内边缘延伸，且可操作以将所述散热片耦合到所述至少一个封装。

Description

用于多高度装置的自调平散热片的系统和方法
技术领域
本发明通常涉及将能量从半导体装置中移除，且更确切地说，涉及用于半导体装置的自调平散热片(self-leveling heat sink)的系统和方法。
背景技术
通常通过将多个封装或装置安装到印刷电路板(PCB)衬底上来制造半导体装置。为了使热量从单独的半导体装置传导到散热片，所述散热片通常需要与所述单独封装接触。当PCB或ASIC具有不同高度的封装时，过去解决问题的方法通常是以这样的方式将散热片安装到衬底上：将散热片非常紧地下压到一些封装上，以确保所述散热片与所有封装接触。此方法具有各种缺点。举例来说，如果太紧或以太多的力将散热片安装到具有从衬底测量的最大高度的封装上，以便与安装在相同衬底上的具有最低高度的封装接触，那么确保散热片与最低封装接触所必需的力可能导致压碎或以其它方式损坏具有最大高度的封装。另外，如果散热片安装在衬底上以使得最高封装被接触，那么最短封装可能不能与散热片接触从而降低了系统的散热能力。
发明内容
根据本发明的实施例，实质上减少或消除了与将热量从安装在印刷电路板(PCB)上的集成电路封装移除相关联的问题。在一个实施例中，一种方法包括将弹簧臂装置耦合到衬底。所述弹簧臂装置优选具有多个孔，当弹簧臂装置安装到衬底时，可操作所述多个孔来容纳要穿过的封装。另外，弹簧臂装置具有至少一个弹簧臂，其从每个孔的内边缘延伸，在远端处具有u形或封闭孔。所述方法还包括将至少一个散热片耦合到弹簧臂装置，以使得散热片的一个侧上的散热柱可插入弹簧臂的远端处的u形开口或孔中，以将散热片保持在适当位置。
在另一实施例中，提供一种系统，其包括耦合到衬底的弹簧臂装置。另外，一个侧上定位有散热柱的散热片优选插入弹簧臂装置的弹簧臂中以将散热片保持在适当位置。弹簧臂优选从弹簧臂装置中的孔的内边缘延伸，以使得当散热柱插入弹簧臂装置中时，通过弹簧压力将散热片保持在安装于衬底上的封装上的适当位置中。
本发明的优势包括增加可从PCB消散的热量的量。另一优点包括安装在衬底上的每个封装均具有与其接触的散热片。又一优点为系统允许每个散热片的大小根据由安装在衬底上的单独装置所产生的热量而改变的能力。本发明的实施例可包括所列举的优势中的一些、一个也没有或所有。所属领域的普通技术人员将明了附加优势。
附图说明
为了更完整地理解本发明和其优势，现结合附图参考以下描述，其中：
图1是说明根据本发明的实施例的方法的流程图；
图2是根据本发明的实施例的弹簧臂装置的实例；
图2A是图2所说明的弹簧臂装置的横截面图；
图3是根据本发明的实施例的弹簧臂装置的替代实施例；
图4是根据本发明的实施例的用于安装在衬底上的弹簧臂装置的实例；
图4A是本发明的实施例中弹簧臂安装到衬底的图4的系统；
图5是根据本发明的实施例的配置在单独封装上的散热片的实例；
图6是根据本发明的实施例的散热片和弹簧臂装置的实例；
图7是根据本发明的实施例的耦合到弹簧臂装置的散热片的实例；
图7A是根据本发明的实施例的以u形支架安装的散热片的实例；和
图7B是根据本发明的实施例的安装到在弹簧臂中具有封闭孔的弹簧臂装置的散热片的实例。
具体实施方式
集成电路装置包含于封装中，所述封装随后安装于印刷电路板(PCB)上用于电运行。在运行期间，这些半导体装置产生热量，其必须消散以允许半导体装置适当地持续运行。因此，目前的散热方法包括安装与设置在衬底上的封装接触的散热片。此散热片通常安装到衬底，以使得半导体装置的单独封装接触散热片。通常，PCB上的单独封装具有不定的高度和尺寸，因此导致在封装与散热片表面之间具有不定大小的间隙。另外，当散热片紧固于封装上，企图确保散热片接触封装中的每一者以增加系统的散热能力时，最高或具有最大尺寸的封装通常在试图确保所有封装与散热片接触的过程中被损坏或压碎。
确保足够的能量从半导体装置消散所需的压力的量优选为足以确保在散热片与半导体装置之间的恒定接触。当PCB的装置具有不定尺寸和/或不定高度时，确保恒定接触的目前唯一可得的方法包括制造定制铣削的散热片(custom-milled heat-sink)。
图1说明用于制造半导体装置的改进的散热片系统的方法。在步骤110处，弹簧臂装置耦合到散热片。优选地，弹簧臂装置具有的装置孔的数目等于安装在衬底上的封装的数目。或者，弹簧臂装置可具有对应于安装在衬底上的复数个封装的单个孔。另一实施例可具有相似或相异尺寸的复数个装置孔，每个装置孔均对应于具有相似或相异尺寸的复数个装置。每个弹簧臂装置优选由弹簧钢、尼龙、聚氯乙烯(PVC)或具有足够刚度以将刚性赋予弹簧臂的任何其它材料制造。另外，可通过冲压一片弹簧钢、通过模制弹簧臂装置材料、通过切割弹簧臂装置材料或通过任何其它合适方法来制造弹簧臂装置。在步骤110期间，弹簧臂夹具优选附接到散热装置的柱。弹簧臂夹具优选定位在弹簧臂装置的远端处。弹簧臂夹具的形状优选为u形。或者，弹簧臂夹具可为o形，或可在弹簧臂的远端处具有长方形孔。
在步骤120处，弹簧臂装置和散热片耦合到衬底。在步骤120处，可通过使用螺丝、铆钉、夹具或任何其它合适方法将弹簧臂装置耦合到衬底。
散热装置可为能够将热量或能量从半导体装置移除的任何类型的装置。优选地，所述散热柱具有垂直于柱的纵向入口的径向弓形槽，且优选为可操作的以容纳弹簧臂夹具，所述弹簧臂夹具可为u形或由弹簧臂的远端内的例如圆形或长方形孔的孔组成，且由螺丝或插入散热柱中的其它经放大的远端头来固定。在步骤130处，优选对组合件进行检查以确保散热片与衬底上的封装接触。在步骤130处，如果散热片未与安装在衬底上的封装接触，那么可调节多个弹簧臂或一个弹簧臂，以使得散热片与封装接触。可通过调节散热片上的散热柱或通过调节弹簧臂的角度来执行此调节，以确保由弹簧臂施加在散热片上的弹簧臂压力足以维持散热片与封装接触。一旦散热片与封装接触且通过弹簧臂保持在适当的位置，所述方法就在步骤150处完成。
图2说明用于自调平散热片中的弹簧臂系统200。系统200包括弹簧臂装置210。弹簧臂装置210可具有安装孔212、装置孔220、孔内表面222、弹簧臂224和弹簧臂夹具226。在特定实施例中，安装孔212可定位在弹簧臂装置的转角处，或定位在弹簧臂装置210中的各个位置处以确保弹簧臂装置210可牢固地安装到衬底。尽管弹簧臂装置210具有多个孔，每个孔具有复数个弹簧臂224，但应了解在任何给定的弹簧臂装置210中，可存在一个或一个以上的孔，每个孔具有一个或一个以上具有对应弹簧臂夹具226的弹簧臂224。举例来说，弹簧臂装置210可具有单个孔220，在任何给定的实施例中，可操作所述单个孔以安在单个封装或具有相似尺寸的多个装置上。
图2A是沿图2中所描绘的线2A所取得的弹簧臂装置210的横截面图。在优选实施例中，其中认为弹簧臂装置210以零度的角存在于平面中，在远端处具有弹簧臂夹具226的弹簧臂224优选以零度的角配置。此实施例的零度角有助于保持安装在弹簧臂夹具226上的散热装置，以在耦合到弹簧臂装置210的散热片与PCB或ASIC接触放置且弹簧臂装置210耦合到衬底时，通过弹簧压力确保所述散热装置与安装在衬底上的封装恒定接触。
图3说明弹簧臂装置的替代设计。弹簧臂系统300包括弹簧臂装置310，其具有安装孔312、装置孔320和孔表面322，所述孔表面322具有自其延伸的弹簧臂324，在弹簧臂324的远端处具有弹簧臂夹具326。弹簧臂系统300的弹簧臂夹具326优选形成环，为“o形”，或在远端处具有长方形孔。弹簧臂夹具326的孔允许散热柱穿过所述环插入并由螺丝、柱或其它装置固定。另外，弹簧臂夹具326优选以长方形或椭圆形孔形成，以使得散热柱中的槽(例如图6的散热柱520的槽540)可随着压力从弹簧臂装置和散热片组合件中加载和卸载而前后滑动。在任何给定的实施例中，均可通过切割或冲压一片弹簧钢来形成系统300的装置孔320、弹簧臂324和弹簧臂夹具326。另外，可通过切割一片弹簧钢或通过使用塑料、PVC、PVCA或任何其它合适金属、塑料、尼龙或乙烯化合物来浇注铸模而制成所述装置。
图4说明安装到衬底的弹簧臂系统200的实例。应了解，在任何给定的实施例中，可将系统200或系统300可交换地用于安装到图4所说明的衬底。图4和4A所说明的系统通常为说明性系统，其展示安装到PCB的弹簧臂装置。尽管所示的实施例说明将系统200或300安装到PCB的衬底410，但可使用其它类型的衬底。可在将组合件耦合到衬底或PCB之前，将散热片安装到系统200或300。因此，图4和4A所示的实施例说明在不具有耦合到安装到衬底410的系统200的散热片的情况下，本发明的实施例的一方面。优选地，图4和4A所示的系统包括衬底410、安装孔420和安装在衬底410上的封装430。另外，安装螺丝412可用于将弹簧臂系统200固定到衬底410。或者，可以环氧树脂或粘合剂(未明确展示)将弹簧臂系统200或300安装到衬底410。
在所示的实施例中，弹簧臂装置210的复数个孔220直接定位于封装430上，将弹簧臂装置210安装到衬底410后，封装430可立即穿过孔220。优选地，当将弹簧臂装置210安装到衬底410时，弹簧臂装置210的孔220具有足够的尺寸以允许在其远端处具有弹簧臂夹具226的弹簧臂224定位在远离封装430一些距离处。
图5说明系统500，其中散热片510放置在半导体装置上。在所示的实施例中，四个半导体装置中的每一者均具有对应的散热片510。尽管所示的散热片510中的每一者均具有大体上相等的尺寸，但应了解，每个散热片可具有不定尺寸。因此，在任何给定的实施例中，可将具有较低能量输出的装置放置在更靠近衬底的中心处，从而允许较大的散热片覆盖较高能量的装置，可将较高能量的装置放置在更靠近装置的边缘处。另外，在给定的实施例中，PCB或ASIC可具有安装在衬底上的任何数目的封装，且一个或一个以上封装对应于每个孔，且每个孔对应于单个散热片。
图6说明由图5的线6所描绘的横截面图中的安装在半导体装置430上的散热片510的实例。在图6所示的实施例中，散热片510包括散热鳍片514、接触部分512、散热柱520、定位在散热柱520的纵向入口上的径向弓形槽540和经放大的远端530。在一个实施例中，散热柱520可为其中切割或蚀刻有槽的一块硬质材料。在替代实施例中，散热柱520可为在远端处具有孔的硬质柱。在此实施例中，可通过将螺丝或远端头530插入散热柱520的远端处的孔(未明确展示)中来产生槽540。在图6中，散热片510直接定位于安装在衬底410上的半导体装置430上。在一个实施例中，在将弹簧臂装置210安装在衬底410上之前，将散热片510附接到弹簧臂装置210。
图7说明根据本发明的实施例的与半导体装置接触的散热片。因此，图7A说明一实施例，其中弹簧臂夹具226为u形，以使得在弹簧臂224延伸到远端时，u形夹具226插入定位在散热柱520上的槽540中。优选地，散热夹具(heat-sink clip)226防止朝向或远离半导体装置430的明显移动，以使得散热片510保持与安装在衬底410上的半导体装置430接触。图7B说明替代实施例，其中利用弹簧臂系统300。在图7B中，弹簧臂装置310具有从孔320的内表面322延伸的弹簧臂324，以使得定位在弹簧臂324的远端处的弹簧臂夹具326呈封闭环或形成于远端处的弹簧臂324中的孔的形式。在图7B所示的实施例中，可移除散热柱520的远端头530，以使得散热柱520的槽部分540可穿过散热夹具326的孔而插入，并由远端头530固定。固定到散热柱后，弹簧臂324优选立即提供弹簧臂压力，以确保散热片510的接触部分512维持与安装在衬底410上的封装或半导体装置430接触。
尽管已经详细描述了本发明，但应了解，可在不脱离由权利要求书所限定的本发明的精神和范畴的情况下，作出各种改变、代替和变更。

Claims (21)

1.一种将能量从一半导体中移除的系统，其包含：
一弹簧臂装置可操作的耦合到一衬底，所述弹簧臂装置包含至少一个孔，当所述弹簧臂装置耦合到所述衬底时，可操作所述至少一个孔以允许安装在一衬底上的至少一个封装穿过；
一散热片可操作的将热量从所述至少一个封装中移除，所述散热片包含至少一个散热柱，所述散热柱包含一可操作的容纳一散热夹具的凹进部分；和
至少一个弹簧臂，其从所述孔的一内边缘延伸，所述弹簧臂包含在所述弹簧臂的所述远端处的所述至少一个散热夹具，且可操作其以保持一散热柱，可操作所述散热柱的保持力以将所述散热片耦合到所述至少一个封装。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述弹簧臂装置为一片经冲压的弹簧钢。
3.根据权利要求1所述的系统，其中以至少一个螺丝将所述弹簧臂装置耦合到所述衬底。
4.根据权利要求1所述的系统，其中以环氧树脂将所述弹簧臂装置耦合到所述衬底。
5.根据权利要求1所述的系统，其中以粘合剂将所述弹簧臂装置耦合到所述衬底。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述散热夹具包含一在所述弹簧臂的所述远端处的u形部分。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个散热夹具包含一在所述至少一个弹簧臂的所述远端处的封闭孔。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个散热柱的所述凹进部分包含一大体上垂直于所述至少一个散热柱的纵轴的弓形槽。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个散热柱的所述凹进部分包含一弓形区域，其由所述至少一个散热柱的所述远端和沿所述散热柱的所述纵轴插入所述至少一个散热柱的远端面中的柱来限制，所述柱具有一经放大的远端。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述至少一个散热夹具包含一在所述至少一个弹簧臂的所述远端处的封闭孔，通过沿所述散热柱的所述纵轴将所述柱穿过所述孔插入所述至少一个散热柱的所述远端面中，来将所述至少一个散热夹具耦合到所述至少一个散热柱。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个孔包含复数个孔，当所述弹簧臂装置耦合到所述衬底时，所述复数个孔中的每一者可操作的允许安装在所述衬底上的所述至少一个封装中的一者穿过。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述至少一个散热片包含复数个散热片，所述复数个散热片中的每一者均对应于安装在所述衬底上的所述至少一个封装中的一者。
13.一种将热量从一半导体装置中移除的方法，其包含：
将一弹簧臂装置耦合到一衬底，所述弹簧臂装置包含：
至少一个孔可操作的允许安装在所述衬底上的至少一个封装穿过；和
至少一个弹簧臂，其从所述至少一个孔中的每一者的一边缘延伸，所述至少一个弹簧臂进一步包含一在一远端处的弹簧臂夹具；和
将至少一个散热片耦合到所述弹簧臂装置，所述至少一个散热片包含至少一个散热柱，可操作的耦合到所述至少一个弹簧臂夹具，其中所述至少一个散热片耦合到所述弹簧臂装置以允许所述至少一个散热片接触安装在所述衬底上的所述至少一个封装。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少一个散热片包含复数个散热片，且其中所述至少一个封装包含复数个封装，复数个散热片中的每一者可操作的耦合到所述复数个封装中的一者。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述弹簧臂夹具包含一在所述至少一个弹簧臂的所述远端处的u形部分，所述弹簧臂夹具可操作的在所述至少一个散热柱的所述纵轴附近由一径向弓形槽容纳。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述弹簧臂夹具包含一在所述至少一个弹簧臂的所述远端处的封闭孔，所述弹簧臂夹具可操作的耦合到所述至少一个散热柱中的一径向弓形槽。
17.根据权利要求所述16的方法，其进一步包含通过使用一端盖将所述至少一个弹簧臂夹具固定到所述至少一个散热柱，所述端盖的直径大于所述封闭孔的直径。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述弹簧臂装置进一步包含一经冲压的弹簧钢板，其中所述至少一个孔和所述至少一个弹簧臂包含所述弹簧钢板的部分。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少一个孔包含复数个孔，当所述弹簧臂装置耦合到所述衬底时，每个孔可操作的允许安装到所述衬底的至少一个封装穿过。
20.根据权利要求13所述的方法，其中在将所述弹簧臂装置耦合到所述衬底之前，将所述至少一个散热片耦合到所述弹簧臂装置。
21.一种将能量从一半导体装置中移除的系统，其包含：
一弹簧臂板，其包含在一远端处具有一弹簧臂夹具的至少一个弹簧臂，其中所述弹簧臂板耦合到其上安装有至少一个封装的一衬底，且其中所述弹簧臂板具有至少一个孔，所述至少一个孔可操作的允许所述至少一个封装穿过；和
至少一个散热片，其包含对应于所述至少一个弹簧臂夹具的至少一个散热柱，所述至少一个散热片耦合到所述弹簧臂夹具，其中所述弹簧臂夹具通过施加到所述至少一个散热柱的所述弹簧臂压力来维持所述至少一个散热片与所述至少一个封装之间的接触。
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