JP4022528B2 - 直動スライドカムを保持した板ばね荷重プレート - Google Patents

Description

本発明は、集積回路に関し、より詳細には、ヒートシンクなどの部品をプリント回路基板に取り付けるために使用される取付け機構に関する。

現在の集積回路パッケージは、プリント回路基板または基体に１つまたは複数のプロセッサを取り付けることによって組み立てられている。組み立ては、プロセッサの電気部品を回路基板にはんだ付けすることによって行われる。現在のはんだ付け方法は、プロセッサと基板の間に配置されたはんだボールを使用する。最近は、プロセッサを基板に取り付けるためにはんだカラムが使用されるようになった。この場合、ヒートシンクなどの他の部品は集積回路に取り付けられる。そのような他の部品のなかには、機械的手段を使用して取り付けられるものもある。そのような機械的取付け機構は、はんだボールとはんだカラムに応力をかけることがあり、集積回路の故障を早めることになる。

部品を基板に取り付けるために使用される機械的取付け機構は、基板に嵌められ、金属板を操作するために回転されるねじ、ボルトまたはスタッドの形をとることがある。ねじを回すと、金属板がねじの軸の方向に動き、部品が基板に押し付けられる。しかしながら、ねじや類似の装置の使用には、多くの欠点がある。特に、ねじをある操作者が回したときと別の操作者が回したときとで、トルクの印加が大きく変わりやすい場合がある。次に、部品に荷重を加えるこれらのシステムは複雑で、特殊な工具を必要とし、集積回路内の貴重なスペースを占有し、集積回路の金属汚染をもたらす。

交換可能な部品を集積回路に取り付けるための取付け機構を開示する。集積回路は、はんだカラムを使用して回路基板に電気的に結合されたプロセッサを含む。取付け機構は、上板と、上板と接している板ばねと、板ばねを支持し、上板の対応するスロットから突出する上側突出部を含む板ばねクレードルと、上側突出部の穴に差し込まれたピンと、上板の上側面の上側突出部の間に配置され、さらにピンの下に配置された直動スライドカムとを含む。カムは、上板の上側面と接触している平らな下部を有する。カムは、鞍部とくぼみとを有する。カムは、ピンがくぼみに係合する第１の位置では、ばね力を作用させて交換可能な部品を集積回路に確実に固定する。

また、交換可能な部品と、集積回路パッケージに交換可能な部品を差し込み確実に固定する機構とを含む集積回路取付け装置を開示する。この機構は、上板と、上板と接している板ばねと、板ばねを支持し、上板の対応するスロットから突出する上側突出部を含む板ばねクレードルと、上側突出部の開口に差し込まれるピンと、上側突出部間の上板の上側面に配置され、さらにピンの下に配置された直動スライドカムとを含む。カムは、第１の位置では交換可能な部品を集積回路に確実に固定し、第２の位置では交換可能な部品を集積回路上に配置することを可能にするように動作する。

さらに、回路に部品を着座させる着座力を繰り返し加えることを可能にする装置を開示する。装置は、スロットと穴を有する上板と、スロットから突出しピンを受ける穴を有する板ばねクレードルと、クレードルによって支持された板ばねであって、一番上の板ばねが上板の下面と接しており、ばね力がクレードルを上板から引き離す板ばねと、ピンと上板の上面と接する直動スライドカムとを含む。カムは、ピンと接して板ばねを圧縮する第１の面と、ピンと接して板ばねを復元する第２の面とを含む。板ばねが復元するとき、板ばね力が部品に伝えられて、部品が必要な荷重で確実に固定される。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。

プロセッサ上の素子の密度が高くなっているので、プロセッサをその下にある基盤または回路基板に取り付けるための新しい技術が必要である。代表的な応用例において、プロセッサは、約４２平方ミリメートルを占めることがあり、下にある回路基板と１，６００を超える接点を有することがある。はんだカラムを使用して、回路基板とプロセッサの間の適切な接触を確保することができる。はんだカラムは、はんだボールなどの初期の取付け機構の技術よりも優れた多数の利点を有する。特に、はんだカラムは、はんだボールよりも温度変化により受ける応力が小さい。応力が小さいと、はんだ接合の疲労が少なくなり、組み立てた回路基板とプロセッサの寿命が長くなる。しかしながら、プロセッサと回路基板の組み立て中に、はんだカラムに過剰な荷重がかかると、はんだカラムが挫屈することがある。この挫屈によって、２つのはんだカラムが接触した場合に短絡が生じることがある。また、挫屈によって、はんだカラムが破壊し、その結果プロセッサが機能しなくなることがある。

はんだカラムは、プロセッサ上に押し付けられて着座された部品によって過剰な荷重を受けることがある。そのような１つの部品は、プロセッサから熱を除去するために必要とされるヒートシンクである。ヒートシンクの最適な性能を保証するために、ヒートシンクは、下にあるプロセッサとしっかりと接触していなければならない。しかしながら、しっかりと着座させるためにヒートシンクに力が加えられたとき、回路基板とプロセッサの間に配置されたはんだカラムは、前述のように、時間が経つにつれてはんだカラムを挫屈させて短絡または断線を引き起こすことがある圧縮力を受ける。

図１は、ヒートシンクまたは類似の部品を基板に取り付ける従来技術の問題を解消する直動カムを保持した板ばね荷重プレート１０の実施形態の構成要素の分解図である。図１において、板ばね荷重プレート１０は、示したようなスロット６とキー付き穴７を有する上板１と、板ばね２と、板ばね２を保持し上板１のスロット６から突出する板ばねクレードル３と、ピン４と、直動スライドカム５とを含む。上板１と板ばねクレードル３は、薄鋼板で作成することができる。板ばね２は、焼入れしたまたは熱処理したステンレス鋼で作成されることが好ましい。ピン４は、軟鋼で作成される。直動スライドカム５は、成型プラスチックで作成されることが好ましい。直動スライドカム５は、直動スライドカム５の横方向の動きによって板ばね２が圧縮または復元するように形成される。直動スライドカム５は、特に、鞍部１１、くぼみ１３、および端面ストッパ１５を含む。鞍部１１は、ピン４を受けるように形成されている。ピン４が、鞍部１１の上に位置合わせされたとき、板ばね２は、最大圧縮状態にあり、ヒートシンクをその下にあるプロセッサに保持する力は加えられない（すなわち、荷重プレート１０は、緩く取り付けられる）。ピン４が、くぼみ１３の上に位置合わせされたとき、板ばね２は、板ばねクレードル３を押し、ヒートシンクをプロセッサ上に着座する。

図１は、３つの板ばね２を示しているが、板ばね２の数は、３つに限定されない。ヒートシンクを回路基板に保持する下向きの力を大きくするためにもっと多数の板ばね２を加えることができ、板ばね２が３つよりも少ないと、ヒートシンクをプロセッサに保持する下向きの力が小さくなる。

図２Ａは、組み立てた荷重プレート１０を示す。図２Ａで分かるように、板ばねクレードル３の耳状の部分は、上板１のスロット６から突出し、ピン４を支持する。直動スライドカム５は、くぼみ１３がピン４の下に位置合わせされた第１の位置で示されている。

図２Ｂは、組み立てられた荷重プレート１０を示すが、直動スライドカム５は第２の位置にある。第２の位置において、ピン４は、鞍部１１と係合している。

図３は、プロセッサと回路基板の間のはんだカラムを破損させずに最適な熱性能を実現するように取り付けられた荷重プレート１０を使用する取付け機構１００を示す。図３において、取付け機構１００は、ボルスター板２０、絶縁物３０、荷重スタッド４０、およびヒートシンク５０を含む。ヒートシンク５０は、ヒートシンクベース６０とヒートシンクカラム７０を含む。荷重プレート１０は、キー付き穴７を使用して荷重スタッド４０に取り付けられる。直動スライドカム５は、ヒートシンク５０を回路基板（図３に示していない）上に着座する位置で示されている。絶縁物３０とヒートシンクベース６０の間には、モジュール式プロセッサと回路基板がある。

図４は、図３の集積回路パッケージ１００のさらなる詳細を示す。モジュール式プロセッサ９０と回路基板９５は、ボルスター板２０とヒートシンク５０の間に配置される。モジュール式プロセッサ９０は、例えば、マルチチップモジュールや単一超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）パッケージなどの集積回路モジュールとしてもよい。ＶＬＳＩパッケージは、フリップチップ組立体としてもよい。モジュール式プロセッサ９０は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）としてもよい。回路基板９５は、例えば、マザーボードなどのプリント回路基板としてもよい。図４には、回路基板９５の一部分だけを示す。

図３と図４を参照すると、ボルスター板２０は、絶縁物３０の下面に置かれている。ボルスター板２０は、回路基板９５に取り付けられてもよい。ボルスター板２０は、ボルスター板２０の周囲に沿って配置され、荷重スタッド４０を収容するように適合されたソケット２１を含む。ある実施形態において、ソケット２１は、ねじ式であり、荷重スタッド４０が、ねじ式ソケット２１にねじ込まれる。回路基板９５には、ボルスター板２０のソケット２１の位置に対応する穴９６が形成されている。絶縁物３０は、ボルスター板２０上の、ボルスター板２０と回路基板９５の間に置かれる。絶縁物３０は、回路基板９５の下面に配置された入出力（Ｉ／Ｏ）パッド（図示せず）と、導電性のボルスター板２０との間を絶縁する。絶縁物３０は、ボルスター板２０による入出力パッド間の回路短絡を防ぐ。

モジュール式プロセッサ９０は、ボルスター板２０の上の回路基板９５の上面にある。モジュール式プロセッサ９０は、プロセッサ９１、熱接続材料（ＴＩＭ：ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）９２、プロセッサ蓋９３、およびはんだカラム９４を含む。ＴＩＭ９２は、プロセッサ９１からヒートシンク５０への熱伝導を高める熱接続強化材料を使用している。ＴＩＭ９２は、プロセッサ９１の上面に置かれる。はんだカラム９４は、プロセッサ９１と回路基板９５の間の電気接続を実現する。プロセッサ９１とヒートシンク５０の確実な熱接続を確立し維持するために、はんだカラム９４に過剰な荷重を加えることなく、はんだカラム９４は回路基板９５とプロセッサ９１の間の圧縮荷重に耐えなければならない。

前述のように、荷重スタッド４０は、ボルスター板２０にねじ込まれる。あるいは、荷重スタッド４０は、ボルスター板２０に圧入するようにしてもよい。各荷重スタッド４０は、ヘッド４１、上肩部４２、および下肩部４３を含む。各荷重スタッド４０は、肩部４３までボルスター板２０の上面に入る。

ヒートシンク５０は、ヒートシンクベース６０の周囲に沿って配置された穴６１を通る荷重スタッド４０によって配置される。穴６１は、ボルスター板２０のソケット２１の位置に対応している。ヒートシンク５０は、モジュール式プロセッサ９０の上に接触して配置されている。ヒートシンク５０は、プロセッサ９１によって生成された熱を分散するための表面領域を提供する押し出し成形あるいは形成されたカラム７０を含む。例えば、カラム７０は、円筒として示されているが、カラム７０は、この構造に限定されず、断面が正方形でもよい。プロセッサ９１に生じた熱は、ヒートシンク５０に熱的に伝えられ、さらにカラム７０によって周囲の空気流に伝えられて熱が発散される。ヒートシンク５０は、例えば、アルミニウムで形成することができる。

荷重プレート１０は、ヒートシンク５０の上に置かれ、荷重プレート１０の穴７を通る荷重スタッド４０上で左右に動かされる。荷重プレート１０は、各穴７の広い開口８を通して、荷重スタッド４０まで下げることができ、次に横方向に左右に動かされ、それにより、各穴７の狭い穴９が、各荷重スタッド４０のヘッド４１と上肩部４２の間に配置される。穴７の位置は、ボルスター板２０のソケット２１の位置に対応している。

図１と図２Ａに関して前に示したように、荷重プレート１０は、板ばねクレードル３内に支持された１つまたは複数の板ばね２を含むことができる。板ばね２は、形が凹状であり、凹面が板ばねクレードル３の内側上面に面するように向けられている。板ばねクレードル３の下面は、いくつかのヒートシンクカラム７０の上部と接する。図示したように、直動スライドカム５がくぼみ１３内に位置決めされた状態で、板ばね２によって生じる荷重によって、板ばねクレードル３が、ヒートシンクカラム７０の上部に押し付けられる。この生じた力は、荷重プレート１０と荷重スタッド４０を介してボルスター板２０にはたらき、ヒートシンク５０が、モジュール式プロセッサ９０としっかりと接触する。

板ばね荷重プレート１０を使用することは、従来技術の設計よりも優れた大きい利点がある。板ばね荷重プレート１０は、集積回路パッケージにおいて、１つの実施形態において加える荷重を約１０〜１６ポンド（約０．４５ｋｇ〜０．７２ｋｇ）の力の低い値で維持しかつ高い精度で制御しなければならないときに、特に有効である。しかしながら、前述のように、実荷重は、取付け機構１００に使用される板ばね２の数による影響を受ける。また、実荷重は、板ばね荷重プレート１０の下部とヒートシンク５０の上部の間の距離による影響を受ける。板ばね荷重プレート１０は、集積回路に部品を着脱することを可能にする。さらに重要なことには、板ばね荷重プレート１０は、集積回路に取り付けられる部品に加える力を制御することができ、人的要因による加えられる力の変動がなくなる。すなわち、組み立てた板ばね荷重プレート１０内の板ばね２の数を調整することによって、特定の反復可能な力が確実に加えられる。回すべきねじ、トルクを与えるべきボルト、または人間が済ませるべき他の機械的操作がないので、ピン４が鞍部１１上にある位置からくぼみ１３上にある位置まで直動スライドカム５が移動されたときに、板ばね荷重プレート１０が常に所望の力を加え、それにより板ばね２が、板ばねクレードル３上に下向きの力を働かせることができる。さらに、ヒートシンクカラム７０の上部に力を加えることによって、ヒートシンク５０はそこから突出するヒートシンクカラムをすべて保持し、それにより熱除去が最大になる。さらにもう１つの利点は、ねじやボルトを回さないようにすることによって、ヒートシンクの取付けと調整中に、金属くずが生じないことである。

直動カムを保持した板ばね荷重プレートの実施形態の構成要素の分解図である。 組み立てられた荷重プレートを示す。 組み立てられた荷重プレートを示す。 ヒートシンクを集積回路に取り付けるために使用される組み立てられた荷重プレートを示す。 荷重プレートと図３の集積回路の詳細を示す図である。

符号の説明

１ 上板
２ 板ばね
３ 板ばねクレードル
４ ピン
５ 直動スライドカム
１１ 鞍部
１３ くぼみ
５０ 交換可能な部品
９０ 集積回路
９５ 回路基板
１００ 取付け機構

Claims (10)

1. 交換可能な部品を集積回路に取り付けるための取付け機構であって、前記集積回路が、はんだカラムを使用して回路基板に電気的に結合されるプロセッサを備えた取付け機構において、
   上板と、
   前記上板と接触している板ばねと、
   前記板ばねを支持する板ばねクレードルであって、前記上板の対応するスロットから突出する上側突出部を有する板ばねクレードルと、
   前記上側突出部の穴に差し込まれたピンと、
   前記上板の上側面上の前記上側突出部の間に配置され、さらに前記ピンの下に配置された直動スライドカムであって、前記上板の前記上側面と接触する平坦な下部を有し、さらに、鞍部と、くぼみと、を有する直動スライドカムと、
   を備え、
   前記カムは、前記ピンが前記くぼみと係合する第１の位置にあるときは、荷重を加えて前記交換可能な部品を前記集積回路に固定するよう動作することを特徴とする取付け機構。
2. 前記カムは、前記ピンが前記鞍部と係合する第２の位置にあるときは、前記荷重を除去するように動作することを特徴とする請求項１に記載の取付け機構。
3. 前記交換可能な部品がヒートシンクであり、前記ヒートシンクが、前記プロセッサと接触していることを特徴とする請求項１に記載の取付け機構。
4. 前記カムが前記第１の位置にあるときは、前記クレードルの下面が、前記ヒートシンクと接触して、前記ヒートシンクを前記集積回路に固定することを特徴とする請求項３に記載の取付け機構。
5. 集積回路取付け装置において、
   交換可能な部品と、
   前記交換可能な部品を集積回路に差し込み固定する機構であって、上板と、前記上板と接触している板ばねと、前記板ばねを支持し、前記上板の対応するスロットから突出する上側突出部を備える板ばねクレードルと、前記上側突出部の穴に差し込まれたピンと、前記上板の前記上側面の前記上側突出部の間に配置され、さらにピンの下に配置された直動スライドカムとを有する機構と、
   を備え、
   前記カムが、第１の位置にあるときは前記交換可能な部品を前記集積回路に固定し、第２の位置にあるときは前記交換可能な部品を前記集積回路上に配置することを可能にするように動作することを特徴とする取付け装置。
6. 前記カムの前記第１の位置と前記第２の位置の間の移動によって前記板ばねが圧縮されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記クレードルが前記交換可能な部品と接触し、かつ、前記カムが前記第１の位置にあるときに、前記板ばねによるばね力が前記交換可能な部品を前記集積回路パッケージ内に固定することを特徴とする請求項５に記載の装置。
8. 前記板ばねが３つのばね要素で構成されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
9. 部品を回路内に着座させる着座力を繰り返し加えることを可能にする装置において、
   スロットと穴とを有する上板と、
   前記スロット内を通りかつピンを受ける穴を有する板ばねクレードルと、
   前記クレードルによって支持された板ばねであって、一番上の板ばねが前記上板の下面と接し、ばね力が前記クレードルを前記上板から引き離す板ばねと、
   前記ピンおよび前記上板の上面と接する直動スライドカムであって、前記ピンと接触して前記板ばねを圧縮する第１の面と、前記ピンと接触して前記板ばねを復元する第２の面とを有する直動スライドカムと、
   を備え、
   前記板ばねが復元したときに、前記着座力が伝えられて、前記部品が確実に着座することを特徴とする装置。
10. 前記着座力が、０．４５ｋｇ〜０．７２ｋｇの間で変化する力であることを特徴とする請求項９に記載の装置。

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