JPH04263456A - ヒートシンクを備える物品 - Google Patents

ヒートシンクを備える物品

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JPH04263456A
JPH04263456A JP3269909A JP26990991A JPH04263456A JP H04263456 A JPH04263456 A JP H04263456A JP 3269909 A JP3269909 A JP 3269909A JP 26990991 A JP26990991 A JP 26990991A JP H04263456 A JPH04263456 A JP H04263456A
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JP
Japan
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heat
heat sink
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segment
free end
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JP3269909A
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Inventor
D W Dahringer
デー．ダブリュ．ダーリンガー
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AT&T Corp
Original Assignee
American Telephone and Telegraph Co Inc
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ハイブリッド集積回路
（ＨＩＣｓ　）　などの電子回路の各要素から可変量の
熱を除去するヒートシンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】ハイブリッド集積回路（ＨＩＣ）は、集
積回路（ＩＣ）チップのような能動チップ、または動作
時に熱を発生するかあるいはＨＩＣの他の要素により発
生された熱を受けるその他の要素もしくはデバイスを有
することが多い。これらのデバイスのあるものは、動作
特性の熱誘起変化、またはそり、分離、配線切断もしく
は破断などのような他の熱誘起損傷を受け易くなってい
る。各要素が密に集中している回路ではこれらの悪影響
はさらに著しいものになる。したがって、ＨＩＣの個別
要素の少なくともいくつかの要素から、これらの要素に
高い熱伝導性金属の「ヒートシンク」を設けてこれらの
要素から熱を取り出して外部に解放することにより、過
剰な熱を除去することが望まれている。ときには、可変
量の熱を除去することが望まれることが多い。例えば、
ある要素またはデバイスがある温度で動作するように計
画されているとき、または回路が低温環境にあるときは
、過剰量の熱の除去はこの要素またはデバイスの動作特
性に悪影響をもたらすことになる。したがって、この要
素またはデバイスの通常の動作温度以上のある温度レベ
ルが生じたときにのみ熱を除去することが望まれること
になる。
【０００３】中間金属部分により接続された上部および
底部金属板を有する放熱（ヒートシンク）構造体が１９
８３年１０月４日付で　Ａ．　Ｄ．　Ｃａｌａｂｒｏに
与えられた米国特許第４，４０８，２２０号に示されて
いる。この構造体は、印刷回路板などの支持基体に装着
されたＩＣパッケージに摺動自在に装着されるように形
成されている。 ヒートシンクの上部板は中間セクションに弾性的に接続
され、このような一連のヒートシンクに共通する熱伝播
器用の板に当接するように構成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに機械的に固定されたヒートシンクは、さらに小形化
し、製造および組付けを自動化する際に使用が困難にな
るという問題点がある。また、このヒートシンクはＩＣ
から熱伝播器（ｈｅａｔ　ｓｐｒｅａｄｅｒ）への可変
熱伝達に対して計画されないという問題点がある。
【０００５】したがって本発明の目的は、チップまたは
他のデバイスなどの要素に装着されたヒートシンクを有
するＨＩＣｓ　であって、ヒートシンクが熱伝播器また
は放熱器に対して変動量の熱エネルギーをＨＩＣの動作
温度を安定化するように要素またはデバイスまたは周囲
環境に対応して変動する温度に応じて伝達することがで
きるＨＩＣｓ　を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、適切な支持基
体に装着された要素、およびこの要素に装着されたヒー
トシンクを有するハイブリッド集積回路（ＨＩＣ）など
の電子回路を備える物品である。熱伝播器段が支持基体
から離隔されて配置される。ヒートシンクは底部部分と
熱エネルギーを熱伝播器段に伝達する少なくとも１つの
フランジとを有している。底部部分は前記要素に固定さ
れる。各々のフランジは、熱伝播器に向けてヒートシン
クの底部部分から突出する直立セグメントと、熱伝播器
と離れて曲げられた自由端部セグメントと、直立セグメ
ントと自由端部セグメントとの中間にあり熱伝播器に隣
接する屈曲セグメントとを有する。各々のフランジは、
以下で「サーモスタット」と呼ぶ感熱セクションをさら
に備えており、この感熱セクションは、直立セグメント
の一部を形成すると共にある量の熱エネルギーの有無に
応じて熱伝播器とのより大きなまたはより小さな当接領
域を形成するようにそれぞれ熱伝播器に向けてまたはそ
れから離れるようにヒートシンクの自由端部セグメント
を移動させるように作用する。このサーモスタットは、
フランジのものとは異なる熱膨脹係数を有する金属をフ
ランジの直立セグメントに嵌込み（インレー）したりあ
るいはこのような金属を直立セグメントに装着するなど
のいくつかの方法で形成することができる。
【０００７】
【実施例】符号１は、一部のみを図示した、ハイブリッ
ド集積回路などの例示としての電子回路を示す。符号２
は、セラミック、半導体（例えばシリコン）、グラフ、
プラスチック（例えばエポキシ）、ガラスファイバ補強
エポキシ、樹脂被覆金属（例えばエポキシ被覆アルミニ
ウム）、成形回路板、およびその他の適切な従来使用さ
れた材料などの適切な材料からなる支持基体を示す。符
号３は支持基体上に装着された要素またはデバイスを示
す。実施例においては要素３は集積回路（ＩＣ）チップ
などの能動性半導体チップである。この能動性半導体チ
ップは、このチップ上の回路（図示省略）と支持基体上
の導電リードとパッド（図示省略）の間を導電接触させ
るいわゆる「フリップチップ」法で支持基体上に装置さ
れる。この能動性半導体チップは、半田付け、合金化、
金共晶結合、および導電性接着剤などの従来の方法で支
持基体上に固定される。
【０００８】符号４により一般に示されるヒートシンク
はチップの上部または非能動表面、すなわち支持基体に
対向する表面とは逆のチップの表面に装着される。一方
、支持基体は実際にはサーモスタットの基体であり、ま
たＩＣチップの現在自由な能動面はリードフレームにワ
イヤボンドされ得る。ヒートシンクは、アルミニウム、
銅、ニッケル、それらの合金、真鍮、青銅、ステンレス
鋼などの高熱伝導率を有する適切な金属または合金で形
成される。金、パラジウム、白金または銀などの貴金属
またはそれらの合金も使用可能である。この金属は前記
要素の不純物となるべきではない。
【０００９】ヒートシンクは、チップに装着された底部
部分６と、支持基体２から離れた距離に位置し、熱伝播
器７に熱を伝達する少なくとも１つのフランジ８とを備
えている。本実施例においてはＵ字状をなし、少なくと
も２つのフランジ８を有している。各フランジは底部部
分６から突出する直立セグメント９、自由端部セグメン
ト１０、および屈曲セグメント１１を有する。ヒートシ
ンクの底部部分６は、適切な温度特性と処理特性を有す
る接着剤１２などのような適切な手段によりチップ３の
上部または非能動面に固定される。各々のフランジ８の
自由端部セグメント１０は、各々の自由端部１３が通常
は支持基体２を指向するように、それぞれの直立セグメ
ント９に対して鋭角をなしている。各々のフランジの屈
曲セグメント１１は熱伝播器７に近接しまたは当接して
配置される。熱伝播器７はまた、アルミニウム、銅、ニ
ッケル、それらの合金、真鍮、青銅、ステンレス鋼など
の大きな熱伝導率の金属からなり、ヒートシンクからの
熱を収集し、その熱を周囲環境から離れるように伝導し
またはそれを周囲環境に放熱するように設けられている
。熱伝播器は特にこの目的のために設けられた板として
与えられてもよく、またはＨＩＣを包被するハウジング
の一部を形成するように与えられてもよい。
【００１０】各フランジ８は、自由端部セグメント１０
と熱伝播器７との当接領域を自動的に制御するサーモス
タットを備えている。このサーモスタットは、底部６と
屈曲セグメント１１との間に配置されると好適であるが
、各々の自由端部セグメント１０上などのようにヒート
シンク上の他の配置も可能である。さらに、サーモスタ
ットは、熱伝播器７に対して４５°以下の鋭角をなす正
常位置から熱伝播器７に向けて自由端部セグメント１０
の移動をもたらすように計画される。自由端部セグメン
ト１０は、動作条件にしたがって、また周囲温度にした
がって、熱伝播器との当接位置に向けて移動し、または
その正常位置に向けて熱伝播器から離れるように移動す
る。
【００１１】サーモスタットは、バイメタル要素を形成
する異なる熱膨脹係数（ＴＣＥ）を有する２つの金属お
よび／または合金で構成される。この構成の材料は市販
されており、また温度、物理的設計、および材料の関数
として予測可能な曲げが施される。次の表Ｉはいくつか
の適切な材料および温度範囲が３２°Ｆから２１２°Ｆ
の前記材料のそれぞれの熱膨脹係数（α）をリストした
ものである。 ─────────────────────────
──────────　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　表　　Ｉ──────────────
─────────────────────　　金属
　　α（ｐｐｍ／°Ｆ）　　　　　　　　　　　　金属
　　α（ｐｐｍ／°Ｆ）──────────────
─────────────────────　　Ａｌ
　　　　１１．５−１３．７　　　　　　コバール　　
　　　　　　　　　　　　　　３．３　　Ｃｕ　　　　
　　９．３　　　　　　　　　　　　　　　　モネル　
　　　　　　　　　　　　　　　　　〜１５　　Ａｇ　
　　　１０．５−１０．６　　　　　　ステンレス鋼４
１６　　　　　　９．９　　Ａｕ　　　　　　７．９　
　　　　　　　　　　　　　　　ステンレス鋼３０３　
　　　１７．４　　Ｐｔ　　　　　　５．０　　　　　
　　　　　　　　　　　Ａｌ合金　　　　　　　　　　
　　　　　　〜２３　　Ｐｄ　　　　　　６．５　　　
　　　　　　　　　　　　　リン青銅　　　　　　　　
　　　　　　　　９．９　　Ｎｉ　　　　　　７．１　
　　　　　　　　　　　　　　　アンバー　　　　　　
　　　　　　　　０．８−０．９　　真鍮　　　　９．
８−１１ ─────────────────────────
──────────
【００１２】サーモスタットは多
くの変形例として形成され得る。例えば、図１に示した
一例においてはＴＣＥの１つの値α１　を有する金属の
嵌込み体（インレイ）１６が他のＴＣＥ値α２　を有す
る金属の直立セグメント９に埋設され、また図２に示し
た他の例においては前記１つのＴＣＥ値α１　を有する
金属の薄い板１７が、半田付け、合金化により、または
例えばエポキシ組成物を用いる接着によるような従来の
方法で、前記他のＴＣＥ値α２　を有する金属からなる
直立セグメント９に装着される。サーモスタットを形成
する１対の金属としては、例えば、ヒートシンクに対し
てアルミニウムを、また嵌込み体に対してはアンバーを
使用できる。他の変形例は直立セグメント９に嵌込まれ
たり取り付けられるバイメタル複合体を含むであろう。
【００１３】図１および図２に示した２つの実施例にお
いては、嵌込み体１６または薄板１７のＴＣＥ、α１　
は直立セグメント９の材料のＴＣＥ、α２　より小さく
なされる（α１　＜α２　）。このＴＣＥｓ　の違いに
よりある温度増加を受けると、嵌込み体１６（または薄
板１７）のものより直立セグメント９の金属の膨脹が大
きくなる。 ２つの金属のそれぞれのＴＣＥｓ　およびＴＣＥ値がよ
り小さな金属のそれぞれの物理的寸法を適切に選択する
ことにより、ヒートシンクのある温度値に対する感度を
予め選択することができる。
【００１４】サーモスタットは適切な予め選択された構
成でヒートシンク上に配置される。例えば、これらのサ
ーモスタットは、図２に示したように各々の直立セグメ
ント９の両外側に配置されてよく、また直立セグメント
の両内側（図示省略）に配置されてもよく、または１つ
のフランジの自由端部を他のフランジの自由端部とは逆
方向に指向させて、図１に示した右手側または左手側（
図示省略）のように各々の直立セグメントの同じ側に配
置されてもよい。
【００１５】ヒートシンクに対する嵌込み体１６または
薄板１７の前記配置により、それぞれの自由端部１３が
対面する方向、および／または熱流の増加に対する応答
が決定される。α１　＜α２　のＴＣＥｓ　の場合、図
２に示したように薄板１７をヒートシンクの外側に配置
すると、自由端部１３はヒートシンクの内側に配置され
る必要がある。また、両嵌込み体１６がヒートシンクの
外側に配置されたときも同様の状況が生じる。嵌込み体
１６または薄板１７を共にヒートシンクの内側に配置し
、α１　＜α２　の場合は、自由端部１３はヒートシン
クの外方に面することが要求される。嵌込み体１６また
は薄板１７の他の配置では、図１に示した構成か、イン
レイ１６または薄板１７の位置を逆にして図１のものと
は逆の構成（図示省略）のいずれかが与えられる。同様
に、それぞれのＴＣＥｓ　の関係が異なると（例えばα
１　＞α２　）、他の予測可能な配置が得られる。これ
らの変形構成例は、このようなヒートシンクを有するデ
バイスを含む回路構造の設計に際して有効に用いられる
。
【００１６】上記構造は、ヒートシンク６のＴＣＥと要
素３のＴＣＥとの不つり合いに起因するそりおよび／ま
たは離層損傷に対してさらに安定化される。このような
安定化を実現する１つの有効な方法が、ここで引用に含
ませることにする１９９０年１０月１９日付けの同時係
属米国出願番号第０７／５９９９４７号（Ｄａｈｒｉｎ
ｇｅｒ，Ｄ．　Ｗ．　Ｃａｓｅ　５）に示されている。 図３および図４にこの発明の使用例が示してあり、図に
おいて同様の番号は図１および図２に関連してすでに示
された同様の部分を示すものである。前記安定化は、ヒ
ートシンクの材料のＴＣＥとは異なるが、好適には要素
３の材料のＴＣＥに等しいＴＣＥを有する応力バランス
インサート１８を底部部分６上でヒートシンク４内に配
置することにより実現される。この応力バランスインサ
ートは要素３と同様の材料で形成してもよく、例えば「
ダミー」チップなどの半導体チップでもよく、または要
素３のＴＣＥとは異なるＴＣＥあるいは等価なＴＣＥを
有する他の適切な材料で形成してもよい。このインサー
トは接着剤１２に好適には類似する接着剤手段によるな
どの従来の方法でヒートシンクの底部６に固定される。
【００１７】上記実施例は単に本発明の原理を示すに過
ぎないことが理解されるべきである。当業者により本発
明の範囲と精神から逸脱せずに本発明の原理を実施する
他の多くの変形および変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により構成された例示としての装置の一
例を示す横断面図である。
【図２】本発明により構成された例示としての装置の他
の例を示す横断面図である。
【図３】熱的バランスインサートを備えた場合の前記例
示としての装置の一例を示す横断面図である。
【図４】熱的バランスインサートを備えた場合の前記例
示としての装置の他の例を示す横断面図である。
【符号の説明】
１　　電子回路 ２　　支持基体 ３　　要素またはデバイス ４　　ヒートシンク ６　　ヒートシンク底部 ７　　熱伝播器 ８　　フランジ ９　　直立セグメント １０　　自由端セグメント １１　　屈曲セグメント １２　　接着剤 １３　　自由端部 １６　　嵌込み体 １７　　薄板

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　支持基体の表面に装着された要素と、
    この要素から隔置された距離に配列されて熱エネルギー
    を散逸させる熱伝播手段と、前記要素と前記熱伝播手段
    との間に配列されて前記要素から前記熱伝播手段に前記
    熱エネルギーを伝達するヒートシンクであって、熱エネ
    ルギーを散逸させる要素であると共に高熱伝導材料から
    なり、さらに前記要素に装着された底部と熱エネルギー
    を熱伝播手段に伝達する少なくとも１つの熱伝導フラン
    ジとを有し、各々の熱伝導フランジは、 ａ）ヒートシンクの底部から突出する直立セグメントと
    、 ｂ）この直立セグメントに対して鋭角をなして配列され
    ると共に通常は前記熱伝播手段から離れるように指向す
    る自由端部セグメントと、 ｃ）前記直立セグメントと前記自由端部セグメントとを
    接続する屈曲セグメントと、 ｄ）前記自由端部と前記熱伝播手段との距離を減少させ
    ると共に前記自由端部セグメントと前記熱伝播手段との
    熱交換を増加させるように、熱伝導される温度増加に応
    じて自由端部セグメントを前記熱伝播手段に向けて移動
    させる感熱セクションとを有するヒートシンクとを備え
    る物品。
  2. 【請求項２】　　前記感熱セクションは、予め選択され
    た熱膨張係数α２　を持つ金属および予め選択された異
    なる熱膨張係数α１　を持つ他の金属により形成された
    サーモスタットであり、α１　およびα２　は、動作温
    度に対する温度変化に応じて前記熱伝播手段に向けてま
    たはそれから離れるように前記自由端部を移動させるよ
    うに予め選択される請求項１記載の物品。
  3. 【請求項３】　　前記他の金属は前記直立セグメントに
    おける嵌込み体である請求項２記載の物品。
  4. 【請求項４】　　前記他の金属は前記直立セグメントに
    装着された薄板の形態をなす請求項２記載の物品。
  5. 【請求項５】　　前記サーモスタットは、予め選択され
    た温度値に応じて前記自由端部セグメントを前記熱伝播
    手段に最大に当接させる請求項１記載の物品。
  6. 【請求項６】　　前記予め選択された熱膨張係数はα１
    　＜α２　でありさらにα１　を有する金属は自由端部
    セグメントと反対側の直立セグメントにあり、またはそ
    の逆である請求項２記載の物品。
  7. 【請求項７】　　前記屈曲セグメントは前記熱伝播手段
    に当接する請求項１記載の物品。
  8. 【請求項８】　　前記ヒートシンクはＵ字形断面を有す
    る請求項１記載の物品。
  9. 【請求項９】　　前記ヒートシンクは複数のフランジを
    有する請求項１記載の物品。
  10. 【請求項１０】　　前記ヒートシンクの金属は、アルミ
    ニウム、銅、ニッケル、それらの金属、青銅、黄銅、ス
    テンレス鋼からなる金属のグループから選択される請求
    項１記載の物品。
  11. 【請求項１１】　　前記他の金属はコバール、アンバー
    、モネル、およびニッケルからなる金属のグループから
    選択される請求項１記載の物品。
  12. 【請求項１２】　　前記ヒートシンクの材料はアルミニ
    ウムからなり、前記サーモスタットを形成する他の金属
    の材料はアンバーである請求項２記載の物品。
JP3269909A 1990-10-19 1991-10-18 ヒートシンクを備える物品 Pending JPH04263456A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/599,948 US5107330A (en) 1990-10-19 1990-10-19 Self-adjusting heat sink design for vlsi packages
US599948 1996-02-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH04263456A true JPH04263456A (ja) 1992-09-18

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ID=24401779

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP3269909A Pending JPH04263456A (ja) 1990-10-19 1991-10-18 ヒートシンクを備える物品

Country Status (8)

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US (1) US5107330A (ja)
EP (1) EP0481720B1 (ja)
JP (1) JPH04263456A (ja)
KR (1) KR100201740B1 (ja)
CN (1) CN1060925A (ja)
CA (1) CA2050378C (ja)
DE (1) DE69113738T2 (ja)
HK (1) HK34396A (ja)

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