KR100259034B1 - 반도체 장치용 히트싱크설치 시스템 - Google Patents

반도체 장치용 히트싱크설치 시스템 Download PDF

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Abstract

반도체 장치(4)가 통과할 정도의 크기인 구멍을 회로기판(6)내에 형성하며, 상기 회로기판(6)의 일측에 히트 싱크(8)를 두는 한편, 회로기판(6)의 타측에 위치한 상기 반도체 장치(4)에 하중을 인가함으로써 상기 히트 싱크(8)쪽으로 밀쳐지게한, 반도체 장치용 히트 싱크 설치 시스템에 관한 발명이다.

Description

반도체 장치용 히트 싱크 설치 시스템
본 발명은 반도체 장치를 히트 싱크(heat sink)에 설치하는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 반도체 장치를 히트 싱크에 설치함에 있어 회로기판내 구멍을 통해 적정 클램핑력(clamping force)으로 상기 반도체 장치를 히트 싱크에 설치함으로써, 이들 반도체 장치 및 히트 싱크 사이의 높은 열전도성을 확보할 수 있는 방법에 관한 것이다.
많은 반도체 장치는 열을 발생시키게 되는 바, 이 열을 발산시키지 않으면, 장치의 온도를 증가시킴으로써 비정상적 작동 또는 완전 고장을 초래한다. 따라서, 반도체 장치를 통상 히트 싱크로 알려진 어떤 형태의 열 발산기에 부착하는 것이 보통인 바, 이 히트 싱크는 상기 장치로부터의 열을 흡수하여 주위 대기로 발산시키는 역할을 한다.
전형적으로, 반도체 장치에는, 나사 등의 기계적 조임구(fastener)에 의해 상기 열 발산기에 부착할 수 있는 열전달면이 구비되어 있다. 이들 조립된 반도체 장치 및 열 발산기는 이어서 회로기판 같은 지지구에 부착되는 바, 이 인쇄회로기판상에 위치한 연결 패드(connection pad)에는 반도체 장치로부터 인출된 전기도선들이 통상 납땜을 통해 연결된다. 나사 등의 기계식 조임구는, 상기 열전달면을 열발산기에 부착시키는 데 통상 이용되며, 또한 이들 열전달면 및 열 반산기 사이의 양호한 열전달을 위한 충분한 접촉압력을 만들어낸다고 하는 장점이 있다. 나사와 같은 기계식 조임구를 이용함에 따른 단점이라면, 몇개의 장치를 줄지어 설치하는 경우, 나사값, 조립 소요시간 및 엄격한 공차관리를 필요로 하는 점을 들 수 있다.
이러한 이유로 인하여, 미합중국 특허 제4,509,839호, 제5,065,279호, 제4,933,746호, 제5,019,942호 및 제 4,462,462호에 공개되고 본 명세서상에서 참고문헌으로 인용하는, 반도체 장치를 탄력적으로 잡아줄 수 있는 열 발산기들이 공개된 바 있다. 이들 기술들에 따르면, 정확한 배치 및 긴 조립시간을 요하는 나사 등의 기계식 조임구를 배제할 수 있다. 그러나, 이들 각각의 열 발산기, 및 상기 반도체 장치를 열 발산기에 부착하는 방법은, 그 목표하는 바를 제대로 이룰 수 없도록 하는 상당수의 결점에 직면하게 된다. 예를 들면, 미합중국 특허 제4,012,769호, 제4,215,361호 및 제4,235,285호에 공개된 바의 열 발산기는 반도체 장치를 탄력적으로 잡아주기는 하지만, 어느 경우도, 상기 열발산기를 인쇄회로기판 등의 지지구에 연결하는 방법을 제공하지는 못했다. 미합중국 특허 제4,509,839호에 따르면, 탄성 클립을 이용하여 반도체 장치를 부착하도록 된 열 발산기를 공개한 바 있다. 그러나, 인쇄회로기판에 대한 열 발산기 부착에 관한 것은 아니며, 또한 상기 반도체 장치로부터의 전기도선을 인쇄회로기판에 연결함에 있어 기계적 응력으로 인해 이따금 파손되는 경우가 있었다. 또한, 반도체 장치는 상기 열 발산기로부터 절연되어야 하는 관계로, 반도체 설치용 탭(tap)과 맞물리는 볼트는 절연 상태를 유지해야 한다. 이 때문에, 엄격한 공차하에서 장시간을 요하는 조립, 및 많은 수의 부품이 관여된 산만한 분위기의 조립이 불가피했다.
본 발명은, 스프링 또는 기타 수직하중 발생장치를 이용함에 따른 비교적 큰 클램핑력으로 반도체 장치를 열 발산기, 즉 히트 싱크에 설치하는 수단을 공개하는 바, 여기서, 회로기판은, 유지 블록(retaining block) 및 히트 싱크 사이에서 클램핑되며, 상기 반도체 장치가 통과할 수 있는 구멍을 갖고 있다. 반도체 장치의 열절달면을 히트 싱크로 밀어부치는 종래의 나사식 조임구에 비해 광범위한 클램핑력을 상기 반도체 장치에 대해 인가함으로써 반도체 장치로부터 히트 싱크로의 열전달을 최대화하고 있다.
본 발명은, 평와셔, 로크와셔, 절연구 및 작은 나사 등 소형 부품의 취급을 줄인다. 또한, 탭 가공된 구멍, 또는 나사를 히트 싱크에 이용한다. 본 발명에 따르면, 상기 탭 가공된 구멍이 반도체 장치 바로 아래가 아닌 그 외측으로 배치되어 있기 때문에, 탭핑(tapping) 또는 나사형성 가공중 발생한 버르(burr)가 반도체 장치와 직접 접촉하지 않음으로써 전기적 접촉은 발생하지 않는다.
다중 트랜지스터 설치를 위한 필요조건이기도 한 엄격한 공차를, 본 발명에 있어서는 완화시킬 수 있다. 결과적으로, 대량생산을 위하여 중력 공급 제조법(gravity feed manufacturing)을 이용할 수 있다. 즉, 후속 생상공정을 통해 장치 가능한 상기 히트 싱크를 부착할 필요 없이, 반도체 장치를 인쇄회로기판상에 두고 납땜만 하면 된다.
본 발명은, 반도체 장치를 히트 싱크에 설치함에 있어 스프링을 이용함으로써 광범위한 클램핑력을 제공하는 것이다.
본 발명은 또, 인쇄회로기판이 유지 블록 및 히트 싱크 사이에 삽설되도록 한, 반도체 장치를 히트 싱크에 설치하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 또한, 반도체 장치를 상기 인쇄회로기판상의 구멍내에 둠으로써, 상기 장치 일측방에 스프링 등 수직하중 발생장치를 두는 한편 그 반대측에 히트싱크를 둔 상태로 하여, 반도체 장치의 전기도선을 인쇄회로기판에 납땜할 수 있도록 한, 반도체 장치를 히트 싱크에 설치하는 방법을 제공하는 것이다.
아울러, 본 발명은, 인쇄회로기판 일부를 절개함으로써, 반도체 장치가 이 절개부를 통과하여 유지 블록 및 히트 싱크 사이에 삽설되도록 한, 반도체 장치를 히트 싱크에 설치하는 방법을 제공하는 것이다.
제1도는 본 발명에 따른 반도체 장치용 히트 싱크 설치 시스템의 일예를 나타낸 사시도.
제2도는 상기 제1도의 II-II선을 따라 취한 히트 싱크 설치 시스템 단면도.
제3도는 평판 스프링을 이용하는 본 발명의 일실시예를 나타내는 단면도.
제4도는 히트 싱크와 맞물린 선단 클립을 갖는 유지 블록을 나타내는 본 발명의 일실시예를 나타내는 단면도.
제5도는 클램핑력 및 열적 임피던스의 상호 관계를 나타내는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
4 : 반도체 장치 7 : 열전달면
8 : 히트 싱크 14 : 유지 블록
16 : 로드 스프링 18 : 체결볼트
제1도에 나타낸 바의 반도체 장치 설치 시스템(2)은, 작동시 고온을 발생시키게 되는 반도체 장치(4)를, 통상 알루미늄 같은 높은 열전도성 재질로 이루어져 과도한 열을 주위의 공기 또는 냉매 속으로 발산하는 히트 싱크(8) 등의 열 발산기와 접촉함으로써 상기 열을 외부로 전달하는 전기적 절연체로서의 얇은 열전도성 설치 패드(mounting pad)(도시하지 않음)와 상기 장치상의 열전달면(7)이 직접 접촉한 상태에서, 인쇄회로기판(6)에 형성된 기판 구멍(12)내에 위치하도록 하고 있다. 상기 열전도성을 갖는 전기적 절연체(열적 패드)는, 알루미늄 산화물 같은 열전도성 재질로 채워진 실리콘 박판으로 통상 되어 있다.
본 발명의 방법에 따라 어떤 수의 반도체 장치라도 연속 설치할 수 있지만, 제1도에는 3개의 반도체 장치만을 나타낸다.
반도체 장치(4)는, 연결 패드와의 납땜을 통해 상기 인쇄회로기판(6)에 기계적으로 부착되는 다수의 전기도선(10)을 통상 갖고 있다. 연결 패드들은 이어서 상기 인쇄회로기판(6)상에 놓은 장치들(도시하지 않음)과 연결된다.
상기 회로기판 구멍(12)은, 반도체 장치(4)로 하여금 그 구멍을 통과함으로써 상기 열적 패드를 매개로 히트 싱크(8)와 접촉하도록 되어 있다. 유지 블록(14)은, 상기 히트 싱크(8)내 다수의 나사 구멍을 통해 볼트 체결됨에 따라 로드 스프링(load spring)(16)이 눌려지도록 하여 이를 위치 결정하고 또한 잡아주는 역할을 한다. 체결 볼트(18)는, 상기 유지 블록(14)을 통과하는 상응하는 수의 설치 볼트 구멍(20)을 지나 히트 싱크(8)내 나사구멍으로 체결된다. 이로써, 상기 회로기판(6)은 유지 블록(14) 및 히트 싱크(8) 사이에서 클램핑된다.
로드 스프링(16)은, 코일 스프링으로 도시되어 있으나, 어떤 스프링이라도 무방하며, 상기 체결 볼트(18) 또는 기타의 형태의 조임구를 이용하여 유지 블록(14)을 부착함에 따라 눌러져, 각각의 반도체 장치(4)를 상기 히트 싱크(8)쪽으로 밀어 부침으로써, 상기 열전달면(7)을 통한 히트 싱크(8)로의 최대 열전달을 이루도록 해준다. 평판 스프링 등 다른 형태의 스프링이라도 무방하다. 클램핑력을 인가함으로써 반도체 장치 열전달면(7) 및 히트 싱크(8) 사이의 높은 접촉 압력을 얻게 되는 한의 기타 하중 발생수단을 이용할 수도 있다.
제2도는 상기 제1도상의 II-II선을 따라 취한 유지 블록(14) 단면도이다. 제2도는, 로드 스프링(16)이 삽설될 수 있도록 상기 유지 블록(14)내에 형성된 스프링 포켓(24), 및 그 양쪽으로 뻗은 다리(15)를 나타낸다. 또한, 상기 체결볼트(18)로 하여금 기판 설치구멍(22)을 지나 히트 싱크(8)상의 탭 구멍으로 나사 결합될 수 있도록 하는 볼트구멍(20)을 나타낸다.
상기 히트 싱크의 기하학적 형상은 다양화할 수 있는 바, 상기 인쇄회로기판 설치 부분, 즉 주부분(8a)으로부터 뻗어나간 핀(fin)(8b)으로 구성되어도 무방하다. 히트 싱크는, 종래 잘 알려진, 물 등의 고압 유체를 가해 냉각시켜도 무방하다.
유지 블록(14)의 경우, 쉽게 성형할 수 있고, 또는 상기 스프링 포켓(24) 및 설치 볼트구멍(20)을 쉽게 가공할 수 있는 플라스틱재로 만들 수도 있다. 선택 여하에 따라서는, 강도의 보강 및 보충적 열전달을 위하여 금속재를 이용할 수도 있다. 상기 로드 스프링(16)은, 스프링강으로 만들어지며, 반도체 장치(4)가 갖는 특정 형상, 회로기판(6) 표면에 대한 상기 스프링 포켓(24)의 깊이, 및 로드 스프링(16) 전체 직경에 따라 그 길이 및 코일경을 선택함으로써, 상기 히트 싱크(8)에 대한 적정 반도체 장치(4) 클램핑력을 얻게 된다.
본 발명의 설치방법을 이용하면, 높은 클램핑력을 확보함으로써, 양호한 열전달 및 냉각을 위한 상기 열적 패드를 매개로 하여, 히트 싱크(8)에 대해 상기 반도체 장치(4)를 강력하게 밀어줄 수 있다. 냉각 대상이 되는 반도체 장치(4)는 전계효과 트랜지스터 등 상용되는 표면 설치 반도체 장치이다.
제3도는, 로드 스프링(16)으로서의 상기 코일 스프링을, 유지 블록(14') 설치와 동시에 반도체 장치(4)를 밀치면서 눌려져, 열 패드를 매개로 상기 열 발산기로서의 역할을 하는 히트 싱크(8)에 대해 상기 반도체 장치(4)를 강력하게 클램핑하게 되는 U자형 평판 스프링(26)으로 대체한, 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 상기 유지 블록(14')은, 반도체 장치(4)상의 적정 위치에 있어 상기 평판 스프링(26)을 잡아줄 수 있는 연장부(27)를 갖는 형태로 만들 수도 있다. 히트 싱크(8) 내부로 나사 결합되는 다수의 체결 볼트(18)를 이용함으로써 유지 블록(14')을 위치 결정하고 또한 고정시킨다.
제4도는, 상기 유지 블록(14 또는 14') 선단을 변경하여 히트 싱크(8)상의 플랜지부(30)와 맞물리는 선단 클립(28a, 28b)을 갖도록 함으로써, 상기 제1도에서와 유사한 방법으로 로드 스프링(16)을 눌러주게 된 또 다른 실시예의 유지 블록(14")을 나타낸다. 이 실시예의 경우, 히트 싱크(8)내로 다수의 체결 볼트(18)를 삽설하는 경우에 비해 조립이 용이해진다.
다시 제1도 및 제2도를 참조하면, 상기 회로기판(6)은 각각의 반도체 장치(4)를 위해 형성된 기판 구멍(12)을 가짐에 따라 반도체 장치(4)가 회로기판(6)을 통과하게 되는 바, 이로써, 상기 반도체 장치는, 회로기판(6)이 상기 유지 블록(14) 및 히트 싱크(8) 사이에 삽설된 상태에서, 상기 클램핑력을 받아 히트 싱크(8)에 밀착된다.
제5도는 클램핑력과, 반도체 장치(4)상의 열전달면(7) 및 상기 히트 싱크(8)간 경계부의 열적 임피던스 사이의 상호 관계를 그래프로 나타낸 것이다. 점(32)으로 나타낸 약 25 파운드(1bsf)의 클램핑력은, 적정 스프링 상수 및 전체 스프링 높이를 선정함으로써, 본 발명의 기술을 통하여 얻을 수 있다. 제5도에 나타낸 바와 같이, 클램핑력이 0으로부터 10 파운드로 증가하면, 상기 반도체 장치(4) 및 히트 싱크(8) 사이의 열전달이 향상됨에 따라 열적 임피던스[와트(watt)당 온도(℃)]는 급격히 감소하게 된다. 30 파운드를 초과하는 하중의 경우 열적 임피던스를 크게 감소시키지 못한다.
본 발명에 따르면, 회로기판내의 구멍들을 통과하는 다수 반도체 장치(4)를, 부품수의 최소화 및 공차의 완화를 이루는 가운데, 적정 수준의 클램핑력으로 상기 히트 싱크(8)에 부착 내지 설치할 수 있다.
본 발명의 기본취지를 벗어나지 않는 범위내에서 상기 실시예에 대한 다양한 변형이 가능함을 당업자라면 이해할 것이다. 즉, 본 발명은, 실시예에서 언급한 바의 특정 재료, 형상, 치수, 파라미터(parameter) 및 그 범위에 한정되지 않음을 밝혀둔다.
본 발명은, 반도체 장치를 히트 싱크에 설치함에 있어 스프링을 통한 광범위한 클램핑력을 상기 반도체 장치에 인가함으로써, 반도체 장치 및 히트 싱크 사이의 열전달을 극대화할 수 있다.

Claims (8)

  1. 반도체 장치(4)에 의해 발생한 열을 발산시키는 히트 싱크(8)와; 상기 반도체 장치(4)를 상기 히트 싱크(8)쪽으로 밀어부치는 클램핑력을 반도체 장치(4)에 인가하기 위한, 반도체 장치(4)와 접촉한 제1 선단을 갖는 로드 스프링(16)과; 상기 반도체 장치(4)가 통과할 수 있는 구멍(12)을 갖는 회로기판(6)과; 다수의 나사식 조임구에 의하여 상기 히트 싱크(8)에 부착되는 유지 블록(14)을 포함하여 구성되며, 상기 회로기판(6)은 상기 유지 블록(14) 및 히트 싱크(8) 사이에 클램핑되며, 상기 유지 블록(14)은, 상기 코일 스프링(16)의 제2 선단을 수용하기 위한 스프링 포켓(24)을 갖는 한편 포켓 양쪽으로 뻗은 두개의 다리(15)를 갖고, 또한 상기 회로기판(6)과 접촉하며, 상기 각각의 다리(15)는, 상기 나사식 조임구와 통과를 위한 볼트구멍(20)을 그 내부에 갖는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 히트 싱크 설치 시스템(2).
  2. 제1항에 있어서, 상기 다리(15)는, 상기 로드 스프링(16)을 적정량만큼 눌러줌으로써 상기 반도체 장치(4)에 대해 소요 하중을 발생시킬 수 있는 크기인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 히트 싱크 설치 시스템(2).
  3. 제2항에 있어서, 상기 로드 스프링(16)은 상기 반도체 장치(4)에 대해 대략 20 내지 35 파운드의 클램핑력을 인가하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 히트 싱크 설치 시스템(2).
  4. 제1항에 있어서, 상기 다수의 로드 스프링(16)은 동일수의 반도체 장치(4)와 상기 제1 선단에서 접촉하며, 상기 유지 블록(14)은 로드 스프링(16)과 동일수의 스프링 포켓(24)을 가져 상기 로드 스프링(16)의 제2 선단을 수용하고, 상기 스프링 포켓(24)은, 각각의 다리와 동일선상으로서 각쌍의 다리(15) 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 히트 싱크 설치 시스템(2).
  5. 반도체 장치(4)와 접촉한 주부분(8a)으로부터 안출된 다수의 핀(8b)을 갖는 히트 싱크(8)와; 대략 중심선 지점에서 부분적으로 구부러짐에 따라 서로 마주 보는 제1 및 제2 선단을 가지며, 상기 반도체 장치(4)에 하중을 인가함으로써 상기 히트 싱크(8)의 주부분(8a)쪽으로 반도체 장치(4)를 밀어부치고, 상기 제1 선단은 상기 반도체 장치(4)와 접촉하도록 된 평판 스프링(26)과; 다수의 나사식 조임구에 의하여 상기 히트 싱크(8)에 부착되는 유지 블록(14')을 포함하여 구성되며, 상기 회로기판(6)은 상기 유지 블록(14') 및 히트 싱크(8) 사이에 클램핑되며, 상기 유지 블록(14')은, 상기 평판 스프링(26)의 제1 선단으로부터 제2 선단으로의 연장선에 대해 대략 평행인 표면을 갖는, 상기 회로기판(6)을 향해 연장된 연장부(27)를 가지며, 또한 상기 평판 스프링(26)의 양쪽에서 연장된 두개의 다리(15)를 통해 상기 회로기판과 접촉하고, 상기 각각의 다리(15)는, 상기 나사식 조임구의 통과를 위한 볼트구멍(20)을 그 내부에 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 히트 싱크 설치 시스템(2).
  6. 제5항에 있어서, 상기 평판 스프링(26)은, 그 제1 선단이 상기 연장부(27)를 바로 향하도록 배치된 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 히트 싱크 설치 시스템(2).
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 선단에서 동일수의 반도체 장치(4)와 접촉하는 다수의 평판 스프링(26)과; 상기 나사식 조임구의 통과를 위한 볼트구멍(20)을 그 내부에 각각 갖는, 상기 평판 스프링(26)의 수에 1을 더한 수의 다리(15)를 갖는 유지 블록(14')을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 히트 싱크설치 시스템(2).
  8. 제5항에 있어서, 상기 평판 스프링(26)은 상기 반도체 장치(4)에 대하여 20 내지 35 파운드의 하중을 인가하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 히트 싱크 설치 시스템(2).
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