JP2004363609A - 目標荷重に基づいて荷重プレートを調整する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＳＩＣを回路基板に取り付けるときに必要な締付け荷重が、荷重プレートの材料、厚さ、熱処理の状況などで変動するのを少なくしようとするものである。
【解決手段】取付けハードウェアによって加えられるべき目標荷重に基づいて、荷重プレートの湾曲を調整し、回路アセンブリとしての取付けハードウェアを作成する方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＡＳＩＣを回路基板に取り付けるために使用されるハードウェアに関し、特に目標荷重を与える湾曲した荷重プレートを備えたハードウェアに関するものである。

特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）は、特定の用途のために設計されたマイクロチップである。ＡＳＩＣは、意図された用途に特有の形で情報を処理しまたはタスクを完了するように設計されている。例えば、ＡＳＩＣは、自動噴射制御、環境監視、情報携帯端末（ＰＤＡ）などの種々の用途に使用される。ＡＳＩＣは、様々な用途に様々なタスクを実行するために使用できる汎用集積回路と対比される。汎用集積回路の例には、典型的なパーソナル・コンピュータ内のマイクロプロセッサとランダム・アクセス・メモリ・チップが含まれる。

ＡＳＩＣは、特定の用途のために大量生産することもでき、特定の顧客の用途のために特注生産することもできる。特注生産は、通常、ＡＳＩＣコンポーネントの「構成単位（ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｂｌｏｃｋ）」ライブラリからのコンポーネントを使って行われる。各ＡＳＩＣは、ＡＳＩＣをさらに大きな回路に接続しかつＡＳＩＣが処理する信号およびデータを受け取ることを可能にするいくつかの入出力（Ｉ／Ｏ）リードを含む。これらの入出力リードは、一般に、ランド・グリッド・アレイ（ＬＧＡ）として知られるアレイで配列されている。ＡＳＩＣは、通常、プリント回路基板（ＰＣＢ）などの回路基板に取り付けられる。回路基板上のリードまたはソケットは、ＬＧＡの入出力リードと接触し、ＡＳＩＣをその一部分であるさらに大きな回路に接続する。

今日の大きなＡＳＩＣでは入出力の数が増え続けているために、ＡＳＩＣを回路基板に固定しかつＡＳＩＣとＰＣＢ上の回路との連続的な電気接触を保証するために、きわめて大きい締付け荷重が必要とされている。４００〜７００ポンド（約１８２〜３１８キログラム）の範囲の締付け荷重が一般的になりつつある。前述のように、ＰＣＢ上に、ＡＳＩＣを留めるソケットが設けられることがある。

ＡＳＩＣをＰＣＢに固定するために必要な荷重は、ＡＳＩＣを回路基板に取り付ける際に使用されるハードウェアによって生成される。このハードウェアは、しばしば「取付けハードウェア」と呼ばれる。取付けハードウェアは、ボルスタ・プレートと荷重プレートを含んでいる。荷重プレートは、一般に鋼からなる剛性プレートであり、ばねプレートと呼ばれることがある。ボルスタ・プレートも、同様である。

ＡＳＩＣアセンブリは、荷重プレートとボルスタ・プレートの間に挟まれる。荷重スタッドが、荷重プレートとボルスタ・プレートを連結し、荷重ねじは、荷重プレートとボルスタ・プレートを引き離すように押して荷重プレートを撓ませ、ＡＳＩＣと回路基板に所望の締付け力を生成する。

必要とされる締付け荷重がきわめて大きいので、その力によって、ＰＣＢおよび／またはボルスタ・プレートが、曲がったり変形したりすることがある。これは、ＡＳＩＣとＰＣＢの間のソケットや他の接続部の動作と性能を妨げることになる。従って、ボルスタ・プレートの曲がりを最小にしなければならない。用途によっては、加える荷重を最小限にすることが必要な場合がある。一方、ＡＳＩＣとＰＣＢの間のソケットまたは接続部には、ある最低限の荷重が確実になければならない。その結果、荷重は、上下で制限される。荷重は、ソケット内あるいはＡＳＩＣとＰＣＢの間で確実な接続を実現するほど大きくなければならないが、ボルスタ・プレートまたは回路基板に著しい曲がりを生じさせるほど大きくてはならない。

本発明は、ＡＳＩＣを回路基板に取り付けるときに必要な締付け荷重が、荷重プレートの材料、厚さ、熱処理の状況などで変動するのを少なくしようとするものである。

回路アセンブ用の取付けハードウェアの荷重プレートを作成する方法は、取付けハードウェアによって加えられる目標荷重に基づいて、荷重プレートの湾曲を調整することを含んでいる。

添付図面は、本発明の様々な実施形態を示し、本明細書の一部分である。示した実施形態は、単に本発明の例に過ぎず、本発明の範囲を限定しない。

図面全体にわたって、同一の参照番号は、類似しているが必ず同一とは限らない要素を示している。

本明細書は、取付けハードウェアが使用状態にあるとき、目標たわみによって所望の目標荷重を生成させるため、ＡＳＩＣアセンブリ用の取付けハードウェアにおける荷重プレートの湾曲を制御する方法およびシステムを説明する。湾曲と、従って荷重プレートのばね定数は、使用状態にあるとき、荷重プレートのたわみが目標荷重を生成するように選択される。

図１は、取付けハードウェアで作られたＡＳＩＣアセンブリ（１００）を示す。図１に示したように、典型的なＡＳＩＣアセンブリは、回路基板（１０７）、例えばプリント回路基板に電気的に接続されたＡＳＩＣ（１０６）を含む。一般に、ＡＳＩＣ（１０６）は、ソケット（１０５）を使って回路基板（１０７）に接続される。回路基板（１０７）を、後で説明する取付けハードウェアから絶縁するために、回路基板（１０７）の下に絶縁物（１０８）が配置される。

ＡＳＩＣ（１０６）によって生成された熱を放散させるために、アセンブリには、一般に、ヒートシンク（１０４）が備えられている。ＡＳＩＣ（１０６）は、動作するときに熱を生成し、この熱が放散されない場合、ＡＳＩＣ（１０６）やアセンブリ（１００）の他の構成要素を破損させることがある。また、ヒートシンク（１０４）と回路基板（１０７）の間には、電磁妨害（ＥＭＩ）ガスケット（１１１）とＥＭＩフレーム（１１２）が配置される。熱接合面を強化しかつＡＳＩＣ（１０６）からヒートシンク（１０４）への熱伝導を改善するために、ヒートシンク（１０４）とＡＳＩＣ（１０６）の間に、サーモストレート（ｔｈｅｒｍｓｔｒａｔｅ）（１１３）が配置される。

前述のように、ＡＳＩＣ（１０６）と回路基板（１０７）は、取付けハードウェアのアセンブリと一緒に保持される。取付けハードウェアは、特に、荷重プレート（１０１）とボルスタ・プレート（１０９）を備えている。荷重スタッド（１０３）は、また、取付けハードウェアの一部分であり、荷重プレート（１０１）とボルスタ・プレート（１０９）の間に延在している。

図１に示したように、荷重プレート（１０１）は湾曲していて、例えば、荷重プレート（１０１）は、円筒状の湾曲を有する。荷重プレート（１０１）の湾曲によって、荷重プレート（１０１）は、派生ばね定数（ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｓｐｒｉｎｇ ｒａｔｅ）を有した、ＡＳＩＣアセンブリ（１００）に荷重をかけるばねとして働くことができる。

取付けハードウェアのもう１つの構成要素は、荷重ねじ（１０２）である。荷重ねじ（１０２）は、荷重プレート（１０１）にたわみを生じさせて、荷重プレート（１０１）の湾曲を小さくし、かつ荷重プレート（１０１）がアセンブリ（１００）に目標荷重を加えるように設計されている。荷重ねじ（１０２）は、荷重プレート（１０１）のねじ穴に挿し込まれる。荷重ねじ（１０２）は、荷重ねじ（１０２）の端部がヒートシンク（１０４）と接するまで、荷重プレート（１０１）内に押し込まれる。荷重ねじ（１０２）をヒートシンク（１０４）に対して押し続けると、荷重ねじ（１０２）が、荷重プレート（１０１）をたわませる上向きの力を荷重プレート（１０１）に加えて、荷重プレート（１０１）の湾曲を小さくする。荷重プレート（１０１）の角部は、荷重スタッド（１０３）によってアセンブリ（１００）の適所に保持されている。したがって、荷重プレート（１０１）の中心は、荷重プレート（１０１）の湾曲に対して上方にたわむ。従って、荷重プレート（１０１）は、アセンブリ（１００）に、荷重プレート（１０１）のばね定数とたわみによって決定される荷重をかける。

回路基板（１０７）、ソケット（１０５）、ＡＳＩＣ（１０６）および熱伝導材料（１１３）は、荷重プレート（１０１）のたわみによって生じた荷重がかけられた状態で、ボルスタ・プレート（１０９）とヒートシンク（１０４）の間に挟まれる。図１に示したように、ヒートシンク（１０４）、ＡＳＩＣ（１０６）、ソケット（１０５）、回路基板（１０７）、および絶縁物（１０８）はすべて、荷重プレート（１０１）とボルスタ・プレート（１０９）の間に挟まれて、ＡＳＩＣアセンブリ（１００）が完成される。

ＡＳＩＣアセンブリ（１００）の組み立ては、以下のように行われる。ボルスタ・プレート（１０９）とＥＭＩフレーム（１１２）が、荷重スタッド（１０３）によって回路基板（１０７）に連結される。ソケット（１０５）とＡＳＩＣ（１０６）が、回路基板（１０７）上に配置される。次に、ヒートシンク（１０４）が、荷重スタッド（１０３）に沿ってＡＳＩＣ（１０６）まで下降される。荷重プレート・アセンブリ（１０１、１０２）が、荷重スタッド（１０３）に沿って上下運動され、荷重ねじ（１０２）は、荷重プレート（１０１）内に押し込まれてヒートシンク（１０４）と接触する。図２に、組み立てたユニットを示す。しかしながら、図２では、荷重ねじ（１０２）は、完全には差し込まれていない。荷重ねじ（１０２）は、荷重ねじ（１０２）の頭部が荷重プレート（１０１）またはワッシャと接触して、荷重プレート（１０１）に圧力を加え、荷重プレートを目標たわみに撓ませるまで締め付けられる。

本明細書は、荷重プレート（１０１）のばね定数の変動を幾何学的補償によって大幅に減少させる方法を開示した。ＡＳＩＣアセンブリの作成中に、荷重プレート（１０１）のばね定数が変動すると、それに従って、所定のアセンブリで加えられる荷重も変動することが理解されよう。これは、許される作動範囲を超えた荷重を生じ、製品の信頼性の欠如、および／または特定のアセンブリの欠陥をもたらす可能性がある。

前述のように、ＡＳＩＣアセンブリの荷重は、円筒状に湾曲した荷重プレートを初期高さから特定の圧縮高さまで圧縮または撓ませることにより生じる。図３ａは、生産後の荷重プレート（１０１）の形状で、荷重ねじによってプレート（１０１）上に力を加えられていない初期高さまたは湾曲（Ｓ）を備えた荷重プレート（１０１）を示している。図３ｂは、使用状態にありかつ（Ｓ）よりも小さい作用高さ（Ｄ）に撓んだ荷重プレート（１０１）を示している。荷重プレート（１０１）は、このたわみに逆らうので、アセンブリに所望の荷重を加える。

必要とされる大きな荷重を提供しかつ生じた応力に耐えるために、荷重プレートは、多くの場合、ステンレス鋼で作成され、次にきわめて高い降伏応力を実現するように熱処理され焼き戻しされる。成形と熱処理の後で、荷重プレートは、第１サイクルの塑性降伏をなくすために、目標たわみをわずかに越えるように圧縮される。その結果、安定した結果をもたらす部品として再使用できる。これは、部品のサイジングと呼ばれる。

理想的には、このプロセス中に生産される各荷重プレートは、同じ力たわみ曲線に従う。しかしながら、実際には、使用中に個々の荷重プレートによって生成される荷重は、自由状態から取り付けた状態までのプレートの高さの変化すなわちたわみに、その作用高さにおけるプレートのばね定数を掛けた関数である。ばね定数は、荷重プレートの幾何学形状（例えば、荷重プレートを形成するために使用された板の厚さ）と、荷重プレートが形成されている材料の関数である。

前述のように、一貫性と製品信頼性を高めるために、様々なＡＳＩＣアセンブリ内の荷重プレートによって加えられる荷重の変動を最小にすることが望ましい。荷重プレートの取付け高さまたはたわみ高さは一定なので、加えられる荷重の変動は、初期高さ（プレート湾曲）とばね定数の変動から生じる。前述のように、ばね定数は、プレートの厚さとプレートの材料に依存する。したがって、荷重の変動は、荷重プレートの厚さまたは材料組成の変動や処理プロセス（例えば、熱処理と焼戻し）に対する反応（response)によって生じることがある。

これらの両方の変数による荷重の変動は、目標荷重が、荷重プレートの取付け高さまたはたわみ高さで達成されるように、荷重プレートの初期高さまたは湾曲を適切に調整することによってなくすことができる。材料成分、材料厚さ、および製作プロセスに対する反応の変動は、荷重プレートの製造プロセスに入ってくる、例えばステンレス鋼などのそれぞれの新しいロットの荷重プレート材料によってもたらされることがある。一般に、単一ロット内の材料の組成と厚さの変動は、無視することができる。

図４は、荷重プレートが使用状態にあるときにプレートの印加荷重の変動をなくすため、本明細書に開示した原理の下で使用することができる例示的な方法を示す。図４に示したように、この方法は、所望の作動荷重を生成するために荷重プレートの初期高さまたは湾曲を調整することを含んでいる。

新しい材料のロットの場合（決定１３０）、荷重プレートの試験運転（sample run）を実行し測定する（ステップ１３１）。プレートの初期高さ（図３ａのＳ）または湾曲ならびにプレートが熱処理されサイジング処理されていくときの高さの変動を追跡する（ステップ１３２）。

次に、目標を達成するために必要なたわみを測定して、そのロットの材料の新しい初期高さを決定することができる（ステップ１３３）。製作プロセスにおいて湾曲を形成する工具は、調整可能に設計されており、初期高さは、使用される材料と所望の作動荷重を一致させるように調整される。

次に、本生産を開始することができる（ステップ１３４）。従って、製作方法は、様々な材料ロットから生産される荷重プレートの作動特性の変動を最小にするように調整される。

これまで、異なる生産工程で生産された荷重プレートが作動する荷重の変動は大きく、製品の一貫性と信頼性を低下させていた。わずか＋／−０．００２インチ（０．０５mm）の標準的な厚さ変動による荷重公差は、目標荷重３３０ｌｂｓ（約１５０ｋｇ）で＋／−４１．５ｌｂｓ（約１８．９ｋｇ）、すなわち荷重の約＋／−１２％である。さらに、完成したプレートの初期高さは、新しいロットの材料が熱処理とサイジングされたときに０．０２５インチ（０．６４ｍｍ）も変化する。ばね定数が約１７００ｌｂｓ／ｉｎ（約３０４ｋｇ／ｃｍ）のとき、生じる荷重の変化は、＋／−２１ｌｂｓ（約９．５ｋｇ）である。

この開示で概説したように、部品の高さを材料特性と合うように調整することによって、最終荷重の複合的な＋／−６２ｌｂｓ（約２８ｋｇ）の公差のほとんどをなくすことができる。従って、本明細書に示した方法に従って作成された荷重プレートは、製品の一貫性と信頼性を高める。

以上の説明は、本発明の実施例を単に例示し説明するために示された。説明は、網羅的なものでもなく、本発明を開示した任意の厳密な形態に限定するものでもない。以上の教示を鑑みて、多くの修正および変形が可能である。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって定義される。

本発明の実施形態による所望の荷重を提供するように設計された取付けハードウェアを含むＡＳＩＣアセンブリの分解組立図である。 組み立てられたときの図１のＡＳＩＣアセンブリの説明図である。 最初の圧縮されていない形状の荷重プレートを示す図である。 たわんだ作用中の形状の荷重プレートを示す図である。 本発明のもう１つの実施形態による取付けハードウェアによって加えられる荷重を制御する方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０１ 荷重プレート
１０５ ソケット
１０６ 特定用途向け集積回路
１０７ 回路基板

Claims (10)

1. 回路アセンブリのための取付けハードウェア・アセンブリの荷重プレートを作成する方法であって、前記取付けハードウェア・アセンブリによって加える目標荷重に基づいて、前記荷重プレートの湾曲を調整するステップを有することを特徴とする方法。
2. 前記目標荷重に基づいて前記荷重プレートの前記湾曲を調整するステップは、さらに、前記荷重プレートが作られている材料の材料厚さと材料組成に基づいて前記湾曲を調整するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記荷重プレートを作成するために使用される新しい材料ロットごとに、前記荷重プレート生産のための試験運転を実行するステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 湾曲を測定するため、前記試験運転をされた少なくとも１つの荷重プレートの初期高さを測定するステップと、
   前記試験運転により試作された前記少なくとも１つの荷重プレートについて前記初期高さの変動を追跡するステップとをさらに有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記試作は、前記荷重プレートを熱処理するステップを有することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記試験運転で追跡された前記初期高さの変動と前記目標荷重に基づいて、前記荷重プレートを生産するための最初の初期高さを調整するステップをさらに有することを特徴とする請求項４に記載の方法。
7. 荷重プレートの本生産を開始して前記材料ロットを使い果たすステップをさらに有する請求項６に記載の方法。
8. 回路と回路基板の間で電気接続を行うステップと、
   前記回路と前記回路基板間の前記接続を確実にするために、取付けハードウェア・アセンブリによって加えられる荷重の目標値を決定するステップと、
   前記取付けハードウェアによって加えられる目標荷重に基づいて、前記取付けハードウェア・アセンブリの荷重プレートの湾曲を調整するステップとを有することを特徴とする回路アセンブリを作成する方法。
9. 前記回路と前記回路基板の間の前記接続を確実にするために、前記取付けハードウェア・アセンブリで荷重を加えるステップをさらに有する請求項８に記載の方法。
10. 前記電気接続を行うステップが、前記回路基板のソケットに特定用途向け集積回路を接続するステップをさらに有することを特徴とする請求項８に記載の方法。