JP4128490B2 - 剛性基板プレートの放熱性を高める方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に熱を発する電子素子および（または）半導体素子および組立体のための改良された基板に関し、特にそのような素子および組立体用の改良された放熱フィン付き基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板はその表面から突出し、該面に溶接により固定された複数の平行に配置されたフィンを有する金属プレートからなる。通常の生産技術を実行することができ、かつフィンによる取扱いの煩雑さを避けるために特殊な技術および（または）装置を必要とすることがないように、フィンを最終的に配備させる前に基板のブランク（ｂｌａｎｋ）が形成され、ポピュレート（ｐｏｐｕｌａｔｅ：素子を基板に設けること）され、あるいは完成される。本発明による方法の過程において、剛性の基板の放熱面に離隔し平行配置した未配備のフィン部材の配列が形成され、その後基板のブランクは装着面および回路を処理する段階や、また基板をポピュレートする段階を含む各種の組み立て作業が、全てフィンを配備する、すなわち展開する前に行われる。従って、本発明による基板ブランクは、外方へ延在する金属のフィンの形状を保護するために特別な段階あるいは留意を必要とすることなく、装着面の処理や、基板のポピュレーティングの段階を含む従来の組み立て作業を行えばよい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
基板組立体の熱性能を高めるためには、熱エネルギを放散するための付加的な表面積を提供するよう典型的には金属のフィンが追加されてきた。フィンを使用すると、著しく大きな表面積を提供することによって基板部材から熱を導き出すための付加的なメカニズムを提供する。しかしながら、そうすると、フィン付きの素子に対して作業を実行したり、あるいは代替的に既にポピュレートされた支持体にフィンを取り付けようとしていつでも、従来の組立て段階および（または）作業が阻害されるか、あるいは遅速させられる。ポピュレートされた回路の面に存在する回路パッケージあるいはその他の要素の性質のため、フィン付き部材の後付けは、通常、結果的にフィン付きの部材が劣悪な熱性能をもたらすようになる作業段階および（または）作業によって行われることが認められている。従って、その理由から、フィン付きの基板は当該産業分野における適用が限定されていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、外方に突出するフィン付きの改良された放熱基板は未配備形態（ｎｏｎｄｅｐｌｏｙｅｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）で予備形成したフィンを使用することによって形成され、これらのフィンは配備（ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ）の前に基板プレートすなわち基板ブランクに溶接で固定される。溶接による取り付けは最終製品の熱伝導性を高める。更に、本発明の構造は、基板の表面に回路パッケージ、半導体素子あるいはその他の要素の取り付け段階が完了するまでフィンが未配備状態で、かつ基板と同一平面となるようにされている。その後、最終あるいは概ね最終の作業として、基板の平面に対して概ね直角に配置されるようにフィンが配備される。換言すれば、フィン部材を基板に固定あるいは接着するのに採用される新規な技術によって、フィンの延在した部分すなわち配備された部分は、製造および組立て作業の間基板と同一平面に留まるのみならず、溶接された接合部が高度に熱伝導性である結合を提供する。フィンの実際の配備は全体の作業における最終段階の一つとして実行されるので、組立ては実際の製造／組立て段階の間溶接されたフィンを保護あるいは隔離する必要性によって阻害されることなく従来の作業を利用して、製造を通して進捗する。
【０００５】
典型的な手順においては、予備的形成品組立体（ｐｒｅｆｏｒｍ ａｓｓｅｍｂｌｙ）を形成するために薄い金属シートすなわちフォイルが基板ブランクの金属の基面上に重ね合わされる。その後、前記予備的形成品（ｐｒｅｆｏｒｍ）は超音波エネルギ発生器のエネルギ送給ホーン（ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｌｉｖｅｒｙｈｏｒｎ）と安定したアンビルとの間に形成された作業ステーション（ｗｏｒｋ ｓｔａｔｉｏｎ）中へ挿入されて、前記エネルギ送給ホーンは前記シートすなわちフォイルと面接触される。超音波発生器が作動されている間適当な溶接力が前記送給ホーンに対して加えられ、前記予備的形成品は連続した、均一でかつ一体的に溶接された帯状部を形成するのに適した作業で作業ステーションを通して進められる。複数の平行で離隔した溶接帯状部を形成するために、必要に応じて、溶接段階が繰り返される。一回のパスで多数の帯状部を形成するために多数のエネルギ送給ホーンを使用することがしばしば望ましく、それによって繰り返し溶接作業の数を減少させる。その後、金属シート／フォイルは各々の溶接した帯状部の同じ側の縁面の近傍で切断されて、相互に隣接した溶接帯状部の間で非取り付け金属シート／フォイルスパン（ｆｏｉｌ ｓｐａｎｓ）を形成する。前記切断作業の前、あるいは後で、半導体あるいは回路パッケージ装着面が処理され、回路の形成あるいは微細調整、素子のポピュレート段階などのような作業が行われる。その後、最終あるいは概ね最終の作業として、前記フォイルスパンは、それらが基板ブランクの平面に対して直角に突出するようになるまで外方へ折り曲げられる。
【０００６】
従って、本発明の主要な目的は、フィンが基板／熱だめ（ｓｕｂｓｔａｔｅ／ｓｉｎｋ）の表面に溶接により取り付けられ、最終の、あるいは概ね最終の作業として外方へ突出するように配備される改良されたフィン熱だめ（ｆｉｎ ｈｅａｔ ｓｉｎｋｓ）を調製することである。
【０００７】
本発明の別の目的は、半導体素子のためのフィン付きの熱だめを製造する改良された技術であって、前記熱だめには表面から外方へ突出している金属のフィンが設けられ、前記フィンが改良された放熱性および放熱特性を達成するために超音波溶接技術を通して溶接により取り付けられる改良された製造技術を提供することである。
【０００８】
本発明のその他および別の目的は以下の明細書、特許請求の範囲、および添付図面を検討することにより、当該技術分野の専門家には明らかとなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の好適実施例に従い、かつ特に図１を参照すれば、全体的に１０で示す半組立体が、一方の主要面（ｍａｊｏｒ ｓｕｒｆａｃｅ）に結合されている誘電面１２を有する剛性の金属アルミニウムの基板ベースプレート１１を含む半組立体として示されている。熱を発生する半導体素子（図示せず）用の支持体の基本形態を完成するために回路フォイル１３が接着あるいは他の方法で誘電面１２に固定されている。薄いアルミニウム金属シート１５が剛性基板プレート１１の主要面１６上に重ね合わされ、この薄い金属シート１５は前記面１６に重ね合わされながら、基板１１と共に予備的形成品（プリフォーム）を形成している。誘電面１２は、充填用、および（または）補強用としうる例えばエポキシあるいはポリエステルベースの材料のような電気的に絶縁性であるプラスチック樹脂製の材料であり、これらの材料は当該技術分野では周知であり、基板構成要素として使用されている。
【００１０】
予備的形成品は、図２において１８で部分的に仮想的に示す超音波発生装置のエネルギ送給ホーンと作用関係にあるように配置されている。例えばアルミニウムのような金属を超音波溶接するのに適合した超音波発生装置は勿論市販されており、そのような一つの装置が「ウルトラシーム２０」（Ｕｌｔｒａｓｅａｍ−２０）という商標で識別され、コネチカット州シェルトンのアメリカンテクノロジー社（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ． ｏｆ Ｓｈｅｌｔｏｎ，ＣＴ）から市販されている。超音波エネルギ送給ホーン１８とは反対側に配置されているのは安定したアンビル支持体１９であって、それは半組立体１０の予備的形成品のための作業支持体を提供するに十分耐久性があり、かつ剛性であるように設計されている。超音波エネルギ送給ホーン１８とアンビル支持体１９とを組み合わせたものが溶接作業のために作業ステーションを形成する。この目的に対する支持アンビルは勿論市販されており、当該技術分野の専門家には既知である。
【００１１】
溶接作業において、エネルギ送給ホーン１８は、所定の接触点あるいは接触箇所において前記送給ホーンと金属シート／フォイルとの間で所望の領域あるいは面接触を提供するよう作業受け入れアンビル１９とは反対側の関係にある金属フォイル１５の露出面と接触するよう配置される。シート／プレートの境界面において作業溶接圧力を発生させるに十分な力が設定され、かつ保持される。この作業力と範囲（ｒａｎｇｅｓ）とは当該技術分野の専門家には既知である。作動されると、溶接箇所へホーン１８によって送られる超音波振動エネルギは、アルミニウムの基板プレート１１の面と薄いアルミニウムシート１５との間で均一に溶接ゾーンを形成するために必要な熱を発生させるエネルギおよび力を提供する。典型的な例として、プレート１１の厚さは大体１．０１６ミリメートル（４０ｍｉｌｓ）から５．０８ミリメートル（２００ｍｉｌｓ）の間の範囲であり、金属シート１５は厚さが大体０．２５４ミリメートル（１０ｍｉｌｓ）から０．５０８ミリメートル（２０ｍｉｌｓ）の間の範囲である。殆どの目的に対して、プレート１１に対しては大体１．５２４ミリメートル（６０ｍｉｌｓ）から３．０４８ミリメートル（１２０ｍｉｌｓ）の間の範囲、シート１５に対しては大体０．３０４８ミリメートル（１２ｍｉｌｓ）から０．３８１ミリメートル（１５ｍｉｌｓ）の範囲であることが極めて有用である。
【００１２】
２１−２１で示すような細長い帯片状の接合部をプレート１１とシート１５との間で提供すなわち形成するために、予備的形成品および（または）組立体１０内で基板１１の全幅に亘って狭い幅の細長い溶接した帯状部を形成するために作業ステーションを通して予備的形成品を引っ張り、および（または）移動させることによって連続した相対的な運動が提供される。幅が約３．１８ミリメートル（１／８ｉｎｃｈ）で、中心間で約２５．４ミリメートル（１ｉｎｃｈ）離隔されている溶接した帯状部が多数の用途に対して極めて有用であることが判明している。中心間で１２．７ミリメートル（１／２ｉｎｃｈ）から２５．４ミリメートル（１ｉｎｃｈ）の間離隔されている帯状部が有用であることが判明している。
【００１３】
図５を参照すると、溶接されたフォイルの小プレート（ｐｌａｔｅｌｅｔｓ）を例えば２６において形成するには複数の相互に隣接した溶接部の第１の横縁面の各々に沿って、例えば２５において切断部が形成されることが認められる。小プレートの形成に続いて、例えば図７で示すように、基板プレート１１の表面から直角に外方へ突出するフィン２８−２８を形成するために小プレートが例えば２７において折り曲げられる。その後、素子には一群の平行に離隔配置された熱放散金属フォイルのフィン２８−２８が設けられる。
【００１４】
このような形態を念頭に入れると、半導体素子は予備的形成品および（または）組立体１０の例えば１３におけるような絶縁面上で処理および（または）ポピュレートされることが注目される。折り曲げ作業および（または）シート切断作業の前に実行しうる作業の中には、回路配線の画成（ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）および（または）描写（ｄｅｌｉｎｅａｔｉｏｎ）、半導体素子の装着、並びに計画している全体の仕上り素子（ｆｉｎｉｓｈｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）において利用しうるその他の要素の表面実装がある。従って、このような配置において、フィン２８−２８は全体の作業の最終段階までは配備および（または）直立されることがなく、そのため基板プレートは従来の製造作業においてもより容易に使用可能とされる。
【００１５】
本発明による配置の更に別の利点として、個々の段階は組立体の活性面を装着する、および（または）ポピュレーティングする前に実行される。このように、半導体素子およびその他の要素には、熱放散フィンを基板の面に取り付けたり、固定したり、あるいは接合するために使用される条件が課せられることはない。
【００１６】
ここで提供した例は図示だけのためのものであり、本発明の範囲に対する制限として解釈すべきでなく、本発明の範囲は特許請求の範囲において規定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】相対する一対の主要面を有し、その面の一方の面が熱を発する電子素子を支持するようにされ、他方の面がその上に薄い金属シートを重ね合わせており、溶接による取り付けおよび切断段階が実行されるのに続いてその面からフィン付きの突起が形成される絶縁された金属基板ベースプレートの側断面図。
【図２】図１と類似の説明図であって、組み合わせた面において溶接帯状部あるいは帯片を形成することによって薄い金属のシートをベースプレートに取り付けた後の図１に示す要素の形態を示し、本発明の特徴をより良好に図示するために前記配置の要素のあるものが誇張して示されている図。
【図３】図２に示す要素を示す図であるが、半組立体とその形態とをより実際的に示す図。
【図４】図３に示す半組立体の破断した部分的な上面図。
【図５】図２と類似の説明図であって、薄い金属シート要素に対して行われた切断段階の後の図１および図２に示す要素の形態を示す図。
【図６】図５に示す要素を示す図であるが、図５に示すように切断段階に続いて半組立体をより実際的に示す図。
【図７】図２および図５と類似の説明図であって、基板のベースプレートの平面からフィンを折り曲げたのに続く要素の形態を示す図。
【図８】図７に示す要素の図であるが、基板のベースプレートの平面から直角に突出するようフィンが折り曲げられている組立体を示す図。
【図９】本発明の方法に関わる段階あるいは作業を実行するために行われる段階の典型的な順序を示すフローチャート。
【符号の説明】
１０ 半組立体
１１ 基板ベースプレート
１２ 誘電面
１３ 回路フォイル
１５ 金属シート
１６ 基板プレートの面
１８ エネルギ送給ホーン
１９ アンビル支持体
２１ 接合部
２５ 切断部
２６ 小プレート
２７ 折り曲げ部
２８ フィン

Claims (1)

1. 剛性の基板プレートの熱放散面から突出する、直立し、離隔して平行に配置された金属フィンの配列を形成することによって剛性の基板プレートの放熱性を高める方法であって、該基板プレートが第１と第２の相対する主要面を有し、前記第１の主要面が熱を発生させる半導体素子を支持し、前記第２の主要面には前記突出する金属フィンが溶接により取り付けられている剛性の基板プレートの放熱性を高める方法において、
   （ａ） 前記基板プレートの放熱面と重ね合わせる関係に金属フォイルのシートを配置して予備的形成品（プリフォーム）を形成する段階と、
   （ｂ） 超音波発生装置のエネルギ送給ホーンを安定したアンビルの作業受け入れ面に対して相対して近接離隔する関係に配置して超音波溶接ステーションを形成する段階と、
   （ｃ） 前記予備的形成品を前記作業ステーション内に配置して前記予備的形成品の半導体支持面を前記作業受け入れ面に対して位置付ける段階と、
   （ｄ） 前記エネルギ送給ホーンを前記アンビルの作業受け入れ面に対して対向関係で前記予備的形成品の金属フォイル面と接触するようにして所定の接触箇所において前記送給ホーンと前記金属フォイルの面との間で比較的短い線接触を提供する段階と、
   （ｅ） 前記予備的形成品のフォイル／プレートの境界面において作業溶接圧力を発生させるに十分な力を加える段階と、
   （ｆ） 前記フォイル／プレートの境界面が、横方向に離隔された第１と第２の縁部を備えた溶接された帯状接合部を形成するまで前記の選択された箇所において前記金属フォイルに超音波周波数で振動エネルギを供給するように超音波エネルギ発生器を前記送給ホーンに結合させる段階と、
   （ｇ） 前記基板の幅に亘って比較的狭い幅の細長い溶接された帯状部を形成するように前記予備的形成品と前記作業ステーションとの間で連続的な相対運動を提供する段階と、
   （ｈ） 前記第１の横縁部表面の各々に沿って前記フォイルを切断し複数の相互に隣接した溶接されたフォイルの小プレートを形成する段階と、
   （ｉ） 前記第２の横縁部表面に沿って前記フォイルの小プレートの各々を折り曲げて、一群の平行に配置され離隔された放熱金属フォイルフィンを形成する段階とを含むことを特徴とする剛性基板プレートの放熱性を高める方法。

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