JP4808032B2 - 圧縮荷重適応ソケット - Google Patents

Description

本発明は、圧縮荷重適応ソケットに関する。

パッケージ化され組み立てられた電子装置および電子システムは、一般に、１つまたは複数の高電力レベルの特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）を有することが多い、複数の集積回路チップを含む。高電力レベルおよびそれと関連した熱放散に対応するために、ＡＳＩＣにヒートシンクが熱接続されることがある。

また、そのような装置およびシステムは、一般に、集積回路とプリント回路基板すなわちマザーボードとを相互接続する１つまたは複数のソケットを含む。このソケットは、集積回路と他の設置された構成要素との間の通信を可能にする。技術の進歩によってソケット上のピン数と通信速度が増大し、確実な信号接続を維持することの難しさが増大している。

電子システムで使用するインタフェースの例示的実施形態において、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）ソケット（ボール格子配列ソケット）が、回路基板とヒートシンクとの間に配置された集積回路を収容しその集積回路に電気接続するように構成される。取り付け要素が、ヒートシンクから独立した（ヒートシンクからかからない）圧縮荷重によってＢＧＡソケットを回路基板に保持するように構成される。

構造と動作方法の両方に関係する本発明の実施形態は、以下の説明と添付図面を参照することによって最もよく理解することができる。

ボールグリッドアレイの電気相互接続の信頼性は、ソケットに圧縮荷重がかけられた場合に高められる。いくつかの構成において、この荷重は、プロセッサドータカードを有するヒートシンクアセンブリとソケットとの直接接触によって印加される。例えば、ヒートシンクは、荷重をソケットにかけるばね式のねじまたはクリップによってドータボードに取り付けられる。

これに対して、ソケットとソケットに組み込まれた集積回路との間にギャップがある場合にソケット耐久性が改善されることが分かる。例えば、表面実装ピンの配置によってソケットに電気接続する集積回路は、ピンによるギャップによってソケットから離されることがあり、集積回路を冷却するために利用されるヒートシンクの質量がソケットと集積回路とから孤立する。集積回路とソケットの間にギャップを作る構成では、ヒートシンクを使用してソケットに圧縮荷重を加えられない。

電気装置の構成は、ソケット内に取り付けられた集積回路を冷却するヒートシンクによって加えられる荷重を分離する構成で、ソケットボールグリッドアレイに圧縮荷重を加えることによって接続信頼性を高める。

図１Ａと図１Ｂを参照すると、簡略化した上面図と側面図とは、電子システムで使用するインタフェース１００の実施形態を示す図である。ソケット１０２は、ヒートシンク１０８（ヒートシンク１０８の質量）とは別に荷重がかけられる。インタフェース１００は、回路基板１０６とヒートシンク１０８の間に配置された集積回路１０４を収容し、集積回路１０４と電気接続するように構成されたソケットボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）１０２を含む。取り付け要素１１０が、ヒートシンク１０８とは別の圧縮荷重によってソケットＢＧＡ１０２を回路基板１０６に固定するように構成されている。

ソケットＢＧＡ１０２の取り付けの信頼性は、圧縮荷重を加えることによって改善される。ソケットＢＧＡ１０２は、例えばプリント回路基板などの回路基板１０６に接続するはんだボール１１６を有する。はんだボール１１６と回路基板１０６の接続の信頼性は、ソケットが圧縮なしで取り付けられた場合よりも改善される。通常の作動条件下であっても、重いヒートシンクが集積回路１０４および／またはソケット１０２を破損させる過度の荷重をかけるときに生じる衝撃条件下で生じることがある破損を防ぐために、ヒートシンク１０８とは別の圧縮荷重がソケット１０２に直接加えられる。

ひとつの例示的実施形態において、ソケットＢＧＡ１０２は、集積回路１０４を回路基板１０６に接続するボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）技術を実施する。ＢＧＡ技術は、回路基板のソケット接続面に複数のランドまたはボールを接続する。これに対応する複数のパッドが、ソケットのパッケージ接続面に配列される。ソケットおよび／または回路基板に加えられる圧縮荷重が、ランドまたはボールをソケットパッドと強制的に電気接触させる。

集積回路１０４は、リードとして働きソケットＢＧＡ１０２内のセラミック基板の面に格子状に配列された金属ボールに接続される。ソケットＢＧＡ１０２は、ボールを回路基板１０６上で対応する数々のパッドに結合する表面実装技術を通常は使用して、回路基板１０６に直接に取り付けられる。金属ボールは、一般に、はんだ合金などの材料で構成される。いくつかの実施形態において、ボールは、パッド上に形成されるはんだペーストによって回路基板１０６に取り付けられる。はんだは、加熱工程を使用してリフローされ、それにより、ボールは、はんだの冷却時にパッドに結合される。

ソケットＢＧＡ１０２にヒートシンク１０８と別の荷重をかけるために、いくつかの処理が実施される。１つの例において、１つまたは複数のばねクリップ１１０Ａ、１１０Ｂが、取り付け要素として使用され、また、回路基板１０６にソケットＢＧＡ１０２を直接結合するように構成される。ばねクリップ１１０Ａ、１１０Ｂは、回路基板１０６上の穴と係合し、ソケットＢＧＡ１０２の表面上に延在し、ヒートシンク１０８とは別の荷重をソケットＢＧＡ１０２に加える。ばねクリップ１１０Ａ、１１０Ｂは、ソケットＢＧＡ１０２と回路基板１０６との間に特定の圧縮荷重を加えるために適切な強度と弾性を有する材料から構成される。ばねクリップ１１０Ａ、１１０Ｂは、組み立てを容易にする単純な構造の部品として使用される。

特定の実施形態において、ソケットＢＧＡ１０２は、ピングリッドアレイ（ＰＧＡ）チップなどの集積回路チップを収容するように構成されたゼロ挿入力（ＺＩＦ）ソケット（無挿入力ソケット）である。このＺＩＦソケットは、圧力を加えることなく集積回路１０４のＺＩＰソケットへの取り付けを可能にし、きわめて高価な可能性のある集積回路チップの集積回路インタフェースピンを曲げる危険を回避する。

図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃを参照すると、概略図は、アセンブリ２００に圧縮荷重を加える状態のソケット２０２を含む電子アセンブリ２００の実施形態を示す。図２Ａと図２Ｂとはそれぞれ、アセンブリ２００の分解側面図と組立側面図とを示す。電子アセンブリ２００は、プリント回路基板２０６に取り付けるヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット２０４を含む。電子アセンブリ２００は、さらに、ヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット２０４内で、例えばプロセッサなどの集積回路２０８を収容しこの集積回路２０８と電気接続するように構成されたソケット２０２を含む。ソケット２０２は、ヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット２０４による圧縮荷重とは別の圧縮荷重によって、プリント回路基板２０６に結合される。ヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット２０４をソケット２０２から分離することによって、集積回路２０８および／またはソケット２０２の衝撃および振動による破損を防ぎ、作業コストと製造コストを削減することができる。さらに、ヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット２０４をソケット２０２から分離することによって、ヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット２０４をプリント回路基板２０６に強力に取り付けることができ、ヒートシンクを取り付けるためにばねを使用することがなくなり、それによりにコストと複雑さが減少する。

特定の実施形態において、図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃは、信号をシステム基板に送り電力を供給する働きをするプリント回路基板２０６上に蓋が取り付けられたコンピュータチップ２０８の断面を示す。

いくつかの実施形態において、ソケット２０２は、プリント回路基板２０６と、ヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット２０４内のヒートシンク２１０との間にある集積回路２０８を収容し、この集積回路２０８と電気接続するように構成されたボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）ソケットである。取り付け要素２１２は、ヒートシンク２１０の圧縮荷重とは別の圧縮荷重によってソケットＢＧＡ２０２をプリント回路基板２０６に保持するように構成されている。ヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット２０４は、ヒートシンク２１０を保持するヒートシンクフレーム２１４を有する。

様々な実施形態において、取り付け要素２１２は、いくつかの形態のうちの１つまたは複数の形態で構成することができる。例えば、取り付け要素２１２は、ソケット２０２をプリント回路基板２０６に保持する圧縮荷重を直接加える１つまたは複数のばねクリップを含む。１つの実施態様は、プリント回路基板２０６に形成された開口を有し、金属またはプラスチックの弾性ばねクリップが開口の近くで基板と係合して、ソケット２０２を圧縮荷重によって保持する鋭い曲がりまたは他のロック構造を有する構成である。もう１つの実施態様は、ばねクリップを基板に取り付けるねじを有する。他の構成は、プリント回路基板２０６にはんだ付けされたばねクリップを有する。

ヒートシンクフレーム２１４は、ヒートシンク２１０を、プリント回路基板２０６または例えばシャーシなどの他の安定した要素に強力に取り付け、ヒートシンク２１０をプロセッサ２０８とソケット２０２から分離するように構成された部材（２１８）を備えてもよい。ヒートシンクフレーム２１４を基板２０６に強力に取り付けることにより、ばね式のねじなどの取り付け要素を用いる必要がなくなる。

他の実施形態において、例えばアセンブリ２００は、図２Ｃに組立側面図として示されており、取り付け部材２１２は、ヒートシンクフレーム２１４に取り付けられソケット２０２にばね力を直接加える１つまたは複数のばね要素２１６を含む。

ヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット２０４は、プロセッサ２０８とソケット２０２との間のギャップ距離を保持し維持する構成を有することができ、ソケット２０２において、ヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット２０４とは別に荷重をかけられることが保証される。

いくつかの実施形態において、ソケット２０２は、ゼロ挿入力（ＺＩＦ）ソケットでもよい。

図３Ａから図３Ｄを参照すると、様々な概略図は、プロセッサ３０４とソケット３０６との間のギャップ３０２を保持し維持するように構成された電子アセンブリ３００の実施形態を示す。図３Ａは、プロセッサ３０４とソケット３０６との間のギャップ３０２を維持する構成において、現場交換可能ユニット３００の実施形態を示す斜視図である。図３Ｂと図３Ｃはそれぞれ、プロセッサ３０４とソケット３０６の分解図と組立図を示す側面図である。図３Ｄはヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット３０８を省略し及びそのユニット３０８を含めたアプリケーション固有の電子アセンブリ３００を示す。

ギャップ３０２は、プロセッサ３０４とソケット３０６からヒートシンクを分離して、衝撃事象において潜在的に脆弱な構成要素の破損を防ぐ。ギャップ３０２は、また、ヒートシンクおよび関連した保持構成要素とハードウェアの寸法要件を小さくし、コストを削減できる製造の変動を許容し、様々な構成要素モデルの使用を可能にする。これに対して、特にプロセッサドータカードとソケット間の接触を必要とする取り付け設計では、大きな寸法公差で生じるマイクロプロセッサの荷重のばらつきを防ぐために、設計寸法公差の接続路が慎重に制御され、コストと複雑さが増大する。

電子アセンブリ３００は、ヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット（３０８）とソケット３０６とから構成される。ソケット３０６は、ヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット３０８に結合し、ヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット３０８内でプロセッサ３０４を受け取り、プロセッサ３０４と電気接続する。ヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット３０８とソケット３０６とは、ヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット３０８内でプロセッサ３０４とソケット３０６との間のギャップ３０２を形成するように構成され、プロセッサ３０４とソケット３０６との両方からヒートシンクの質量が分離される。

複数の表面実装ピン３１０が、プロセッサ３０４の平面３１２上に形成されている。そして、表面実装ピン３１０は、ソケット３０６内の表面実装ピン３１０に対応する複数の孔に入り込み、この孔に嵌り、プロセッサ３０４とソケット３０６の間に電気接続を形成する。ひとつの例示的実施形態において、ヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット３０８は、ほぼ表面実装ピン３１０のピンの長さのギャップを画定する。

例えばカナダ国サンタクララのインテルコーポレーション（Ｉｎｔｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって製造されたＭｏｎｔｅｃｉｔｏ Ｉｔａｎｉｕｍ（登録商標）プロセッサなどのいくつかのプロセッサは、プロセッサドータカードとシステムボード上のソケットとの間を電気接続するための表面実装ピンアレイを有する。説明のための例において、ピンは、ゼロ挿入力（ＺＩＦ）ソケットに嵌り、約３ミリメートルの長さを有する。他の実施形態において、他のプロセッサ、ソケット構造およびピン長を実施することができる。

適切なヒートシンク取り付け構造は、このピン長を使用して、最悪の場合の機械の寸法公差の条件下でも、プロセッサドータカードとソケットとの間のギャップを画定し作成する。

プリント回路基板３１４は、ヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット３０８とは別の圧縮荷重によってプリント回路基板３１４に接続するソケット３０６を用いて、ヒートシンク／プロセッサ現場交換可能ユニット３０８に結合する。

説明のための構造および構成は、ソケットとプロセッサとの間のギャップ及び独立したソケットへの荷重の組み合わせを得ることができる熱機械的構成を例示する。

図４を参照すると、フローチャートは、集積回路ソケットアセンブリを構成する方法４００の実施形態を示す。方法４００は、ヒートシンク、集積回路、ソケットおよびプリント回路基板（ＰＣＢ）を含むアセンブリを構成するステップ４０２を含む。次いで、ステップ４０４において集積回路とソケットとの間のギャップ距離を維持する。次いで、ステップ４０６において、プリント回路基板にソケットを保持する圧縮荷重を加え、それによりヒートシンクの質量がプロセッサとソケットから分離される。

方法４００を使用して、圧縮式ソケットＢＧＡ荷重（ヒートシンクの質量がかからない荷重であって、ソケットＢＧＡに掛けられる荷重）を使用可能にすることができる。

ひとつの例示的実施形態において、集積回路は、ソケットと係合する長さ３ミリメートルのピンアレイを有するプロセッサであり、それによりギャップ距離が維持される（ステップ４０４）。例えばギャップによってプロセッサとソケットとを分離して信頼性を高めるために、ソケットに荷重をかけ（ステップ４０６）、ヒートシンク／プロセッサアセンブリを自由に構成できるようにするために、ばねクリップが使用される。荷重をかけることにより（ステップ４０６）、ボールグリッドアレイボールに圧縮力が加わり、ソケットと回路基板との間のより確実な電気接触が可能になる。この機械的設計により、ヒートシンクとプロセッサ間の最適な分離が可能になる。また、小さいヒートシンクが用いられてもヒートシンクアセンブリは一般に例えば１キログラム以上と重いため、望ましい条件も可能になる。プロセッサとソケットとから分離されていないヒートシンク、例えばソケットに圧縮式に取り付けられたヒートシンクは、衝撃条件下でボールグリッドアレイのボールにきわめて大きな重力をかけ、これにより破砕する可能性もある。

説明のための方法は、ピン長を利用してギャップを形成し維持し（ステップ４０４）、同時にソケットと回路基板間に圧縮力を加える（ステップ４０６）。圧縮力は、潜在的に脆弱な集積回路とソケットとをヒートシンクの重い質量から物理的に分離するように加えられる(ステップ４０６）。

この開示は、様々な実施形態を示しているが、これらの実施形態は、実例と理解されるべきであり、特許請求の範囲を限定しない。示した実施形態の多くの変形、修正、追加および改良が可能である。例えば、当業者は、本明細書で開示した構造および方法を提供するのに必要なステップを容易に実施し、そのプロセスパラメータ、材料および寸法が単なる例として提供されていることを理解するであろう。パラメータ、材料および寸法は、特許請求の範囲内にある望ましい構造ならびに修正を達成するように変更することができる。また、本明細書に開示した実施形態の変形および修正は、特許請求の範囲内にあるまま行うこともできる。例えば、ソケットに圧縮力を加えるために様々な他のタイプのばねまたはコネクタを用いることができる。同様に、様々なばねまたはコネクタをプリント回路基板や基板上だけでなく任意の適切な場所に位置決めすることができる。

集積回路をボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）ソケットに接続するために電子システムで使用されるインタフェースの実施形態を示す概略図である。 集積回路をボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）ソケットに接続するために電子システムで使用されるインタフェースの実施形態を示す概略図である。 アセンブリに圧縮荷重をかけるソケットを有する電子アセンブリの実施形態の概略分解透視図である。 アセンブリに圧縮荷重をかけるソケットを有する電子アセンブリの実施形態の概略組立透視図である。 アセンブリに圧縮荷重をかけるソケットを有する電子アセンブリの実施形態の概略組立透視図である。 プロセッサとソケットとの間のギャップを保持し維持するように構成された電子アセンブリの実施形態を示す様々な概略図である。 プロセッサとソケットとの間のギャップを保持し維持するように構成された電子アセンブリの実施形態を示す様々な概略図である。 プロセッサとソケットとの間のギャップを保持し維持するように構成された電子アセンブリの実施形態を示す様々な概略図である。 プロセッサとソケットとの間のギャップを保持し維持するように構成された電子アセンブリの実施形態を示す様々な概略図である。 集積回路ソケットアセンブリを構成する方法の実施形態を示すフローチャートである。

符号の説明

１００ インタフェース
１０２ ソケットＢＧＡ（ボール格子配列ソケット）
１０４ 集積回路
１０６ 回路基板
１０８ ヒートシンク
１１０ 取り付け要素
１１６ はんだボール

Claims (3)

1. 現場での交換が可能なプロセッサ及びヒートシンクと、
   プリント回路基板と、
   前記プリント回路基板と前記ヒートシンクとの間に配置される前記プロセッサと電気的に接続されるボール格子配列ソケットと、
   前記ヒートシンクを前記プリント回路基板に保持するように構成されるヒートシンクフレームと、
   前記プロセッサの平面に結合され、前記プロセッサと前記ソケットとの間の電気接続を形成する複数の表面実装ピンと、
   前記ボール格子配列ソケット上に圧縮荷重をかけ、前記ボール格子配列ソケットを前記回路基板に保持するように構成された取り付け要素とを備え、
   前記表面実装ピンの長さ及び前記ヒートシンクフレームによって、前記プロセッサ及び前記ソケットの間のギャップが維持され、
   前記取り付け要素は、前記ボール格子配列ソケットに直接ばね力を加えるように構成される少なくとも１つのばねクリップであることを特徴とする電子アセンブリ。
2. 現場での交換が可能なプロセッサ及びヒートシンクと、
   前記プロセッサと電気的に接続するように構成されたボール格子配列ソケットと、
   プリント回路基板と、
   前記ヒートシンクを前記プリント回路基板に保持するように構成されたヒートシンクフレームと、
   前記プロセッサの平面に結合され、前記プロセッサと前記ソケットとの間の電気接続を形成する複数の表面実装ピンと、
   前記ボール格子配列ソケット上に圧縮荷重をかけ、前記ボール格子配列ソケットを前記回路基板に保持するように構成された取り付け要素とを備え、
   前記表面実装ピンの長さ及び前記ヒートシンクフレームによって、前記プロセッサ及び前記ソケットの間のギャップが形成され、
   前記取り付け要素は、前記ヒートシンクフレームと前記ソケットとの間に配置され、前記ソケットに直接ばね力を加えるように構成された少なくとも１つのばね要素であることを特徴とする電子アセンブリ。
3. 前記ボール格子配列ソケットは無挿入力ソケットであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電子アセンブリ。

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