JP2005522017A - ウェーブはんだ付け法によるマザーボードチップセットのヒートシンクの取付け - Google Patents

Abstract

多数のホールを有する基板に取付けられる表側と、反対の裏側とを有する熱発生コンポーネントから熱を除去する電子デバイス及び方法。熱インターフェイス材料を熱発生コンポーネントの裏側に配置する。基板の多数のホールに対応する多数のピンを有するヒートシンクを、ピンをホールに挿入するために熱インターフェイス材料の上方に配置する。ウェーブはんだ付け装置の予熱器の上方を通過させると、熱インターフェイス材料が融解して湿潤化するため熱発生コンポーネントの裏側とヒートシンクとの間に熱的結合が形成される。さらに、ウェーブはんだ付け装置のはんだウェーブ上を通過させると、ピンがはんだ付けされてそれぞれのピンと基板との間にはんだ接合部が形成され、熱インターフェイス材料の予熱時に形成された熱的結合が強固になって、熱問題が低コストで解決される。

Description

本発明は、一般的に、プリント回路板及びそれに結合されるコンポーネントに関し、さらに詳細には、プリント回路板に結合されるコンポーネントに関する。

プロセッサ及びそれに付随するコンピュータコンポーネントは、能力の増加により性能がますます向上する結果、これらのコンポーネントから放散される熱量が増加している。同様に、コンポーネントのパッケージ及びダイが小型化されるかのサイズが現状維持のため、コンポーネントの所与の単位表面積が発する熱エネルギーの量が増加している。さらに、コンピュータの関連装置の性能がますます向上するにつれて、プリント回路板に表面実装されるチップの数、また、小型化している装置またはシャーシの内部に配置されるコンポーネントの数が増加する結果小さくなった空間内にさらに多量の熱が発生する。温度が増加すると、装置のコンポーネントが損傷を受けるか、個々のコンポーネントまたは装置の寿命が減少する可能性がある。さらに、コンポーネントの一部は、テスト、実装または使用中に生じる応力または歪みにより損傷を受けやすい。

ハウジング内のプロセッサ及び他の熱発生コンポーネントからの熱の放散を促進するためにヒートシンクが使用されている。しかしながら、ヒートシンク全体の大きさは、ハウジング及びフットプリントの容積及び／またはサイズの制約により制限される。熱の放散は、ヒートシンクをプリント回路板上に装着されたプロセッサのパッケージに物理的に保持する、機械式クリップ、エポキシ、接着剤及び／またはリベットのような締着手段を用いることにより増加している。一部のヒートシンクでは、ばね荷重式締着手段を用いてヒートシンクを熱発生コンポーネントに結合することにより、熱発生コンポーネントから放散される熱を増加させている。しかしながら、かかる締着手段を使用するには１またはそれ以上の別の最終組立てステップが必要となり、はんだ付けステップを全て終了した後にさらに別の製造資源を使用しなければならない。これらの付加的な製造ステップは、チップセットのような熱発生コンポーネントの熱問題を解決するためのコストを増加させる。

図１、２、３及び４はそれぞれ、ヒートシンクをチップセット及び／またはマイクロプロセッサのような熱発生コンポーネントに結合する従来方法１００、２００、３００及び４００を示す。図１は、機械式クリップ１１０によりヒートシンク１２０をプリント回路板１４０上に装着された熱発生コンポーネント１３０に結合して熱発生コンポーネント１３０からの熱の放散を増加させる方法を示している。図２は、エポキシ及び／または接着剤２１０によりヒートシンク１２０を熱発生コンポーネント１３０に結合する構成を示している。図３は、ばね荷重式締着手段３１０によりヒートシンク１２０を熱発生コンポーネント１３０に結合する構成を示している。図４は、リベット４１０によりヒートシンク１２０を熱発生コンポーネント１３０に結合する構成を示す。これらの従来技術の方法は全て１またはそれ以上の別の最終組立てステップを必要とするため、熱発生コンポーネントの熱問題を解決するためのコストを増加させる。さらに、図１、３及び４に示す従来技術の方法では、ヒートシンクを定位置において機械的に保持するために回路板に実質的な空間が必要となる。

上述の理由及び当業者であれば本願明細書を読めば明らかになる他の理由により、当該技術分野では従来技術の方法に比べて回路板の実質的に小さい空間を使用するため熱発生コンポーネントの熱問題を低コストで解決できる低コストの技術が求められている。

以下の詳細な説明において、本発明及びその実施態様を例示する添付図面を参照する。添付図面において、同一の番号は幾つかの図面を通して実質的に同じ部分を指示する。これらの実施例は、当業者が本発明を実施できるように十分に詳しく記載されており、他の実施例も可能であって、本発明の範囲から逸脱することなく構造的、論理的及び電気的変形を行うことができるであろう。さらに、本発明の種々の実施例はそれぞれ相違するが必ずしも互いに排他的ではないことを理解されたい。例えば、１つの実施例について述べる特定の特徴、構造または特性は他の実施例に利用することが可能である。従って、以下の詳細な説明は限定的な意味で解釈すべきでなく、本発明の範囲は、頭書の特許請求の範囲とかかる特許請求の範囲が享受する均等物の全範囲とだけによって規定される。

本願は、とりわけ、チップセットの熱問題を解決しようとする従来技術の手段よりも使用する回路板の空間が小さい低コストの技術について述べる。

図５、６、７及び８は、本発明によるヒートシンクの種々の実施例の前立面図である。図５は、本発明によるヒートシンク５００の１つの実施例を示す斜視図である。図５に示すように、ヒートシンク５００は、２つの装着ピン５１０及び熱伝導プレート５２０を有する。一部の実施例のヒートシンク５００は少なくとも１つの装着ピンを備えている。これらのピンは、ヒートシンク５００が熱発生コンポーネントに熱的結合されると、対応装着ホール内に位置するため、前組立時にピン５１０を装着ホールにはんだ付けしてヒートシンク５００を基板に機械的に取付けることにより熱問題を低コストで解決するように構成されている。一部の実施例において、ヒートシンク５００は、多数のピンと基板に設けた多数の対応装着ホールとを有する。

一部の実施例において、ピンはプレート５２０を越えて延びるため、熱伝導プレート５２０を熱発生コンポーネントに熱的結合する時にピン５１０をはんだ付けすることができる。ヒートシンクは、銅、アルミニウム及び熱発生コンポーネントからの熱の放散に好適な他の材料で形成することができる。一部の実施例において、ピン５１０と基板とのはんだ付けを、ウェーブはんだ付け、表面実装はんだ付け及び他のはんだ付けプロセスのような方法により行うことができる。一部の実施例のピンは、２個またはそれ以上のウェーブはんだ付け可能なピンである。

図６は、本発明によるヒートシンク６００の別の実施例を示す斜視図である。図６に示すヒートシンク６００と図５に示すヒートシンク５００とは、図６のヒートシンク６００がピン５１０とは反対の側に位置する熱交換部６１０を備えている点を除き同じである。一部の実施例の熱交換部６１０は、プレート５２０を越えて上方に延びる多数のフィンを有する。

図７及び８は、本発明によるヒートシンク７００及び８００の他の実施例を示す斜視図である。ヒートシンク７００及び８００と図５及び６に示すヒートシンク５００及び６００とは、ヒートシンク７００及び８００には図５及び６に示す２個のピンではなくて４個のピンがある点を除き同じである。また、熱伝導プレート７１０は、図７及び８に示すように４個のピンを有するように構成されている。

図９、１０、１１及び１２は、図５、６、７及び８に示すヒートシンクを用いる電子デバイスをプリント回路板１４０上に装着した少なくとも１つの熱発生コンポーネント１３０に組付けるに必要な本発明の方法９００、１０００、１１１０、１２１０の一例を示す。

図９に示す方法９００は、熱発生コンポーネント１３０の表側９３０を基板１４０へ装着するステップでスタートする。この基板１４０は多数のホール９５０を有する。一部の実施例において、熱発生コンポーネント１３０の装着は、そのコンポーネント１３０を基板１４０に電気的及び機械的に結合することである。熱発生コンポーネント１３０は、チップセット、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ及び／または特定用途集積回路デバイスのような集積回路デバイスを含む。

図９に示す方法９００は、熱インターフェイス材料の層９１０を熱発生コンポーネント１３０の裏側９４０上に位置決めするステップも含む。熱発生コンポーネント１３０の裏側９４０は表側９３０とは反対にある。一部の実施例の熱インターフェイス材料９１０は、Chomerics T725、Chomerics 705、Chomerics 710及び／またはChomerics 454のような相変化熱インターフェイス材料またはThermally TC1、Shinetsu G749及び／またはShinetsu G750のような熱グリースの何れかである。Shinetsu G749及びShinetsu G750のような熱グリースは室温で液体（粘性体）であるが、Chomerics T725、Chomerics 705、Chomerics 710及び／またはChomerics 454のような相変化熱的材料は室温で軟らかい固体ペーストであり、加熱する融解する。これらの熱インターフェイス材料は、ヒートシンクが取付けられるような能動デバイスがウェーブはんだ付け温度に加熱されると融解する。一般的に、これらの相変化熱インターフェイス材料の相変化（ペースト状から液体状への変化）温度は約５５℃−６５℃である。一般的に、ウェーブはんだ付け装置の内部（予熱器及びはんだウェーブチェンバの周り）の周囲温度は７０℃よりも十分に高い。７０℃よりも高い温度は、一般的に、上述の相変化熱インターフェイス材料を融解させるのに十分な温度である。方法９００は、上述の熱インターフェイス材料の何れとも相性がよい。

図９に示す方法９００はさらに、ピン５１０を基板１４０にウェーブはんだ付けできるようにするために、少なくとも１つの装着ピン５１０が熱インターフェイス材料９１０の上方で、さらに基板１４０の少なくとも１つの対応ホール９５０内にあるようにヒートシンク６００を整列させるステップを含む。ピン５１０は、ピン・イン・ペースト法、表面実装法及び前組立時におけるヒートシンク６００の熱発生コンポーネント１３０への取付けに適した他の方法のような他の回路板組立て技術を用いて、基板１４０にはんだ付けするように設計可能であると思われる。

一部の実施例のヒートシンク６００は、ピンが熱伝導プレートを越えて延びるようにそのプレートを含むように形成されている。一部の実施例のヒートシンクは、さらにプレートを越えて延びる熱交換部６１０を有するように形成されている。熱交換部６１０は、熱発生コンポーネントの反対側に位置するように形成されている。一部の実施例において、熱交換部６１０の形成は、そのプレートから離れる方向に延びる多数のピンを形成するステップを含む。ヒートシンク６００は、銅、アルミニウム及び熱源から熱を放散させるに適した他のかかる材料で製造される。

図１０に示す方法１０００は、ヒートシンク６００を熱発生コンポーネント１３０に熱的結合すべく熱インターフェイス材料９１０によりそのコンポーネントを湿潤化するためにウェーブはんだ付け予熱器において熱インターフェイス材料９１０を予熱して（１０１０）熱インターフェイス材料の粘性を減少させるステップを含む。

一部の実施例において、熱インターフェイス材料９１０の粘性減少ステップはさらに、熱発生コンポーネント、熱インターフェイス材料及びヒートシンクを有する基板をウェーブはんだ付け装置のコンベヤに載せ、熱発生コンポーネント１３０の裏側９４０とヒートシンク６００との間の熱インターフェイス材料を予熱して（１０１０）熱インターフェイス材料の粘性を減少させることにより熱インターフェイス材料９１０が融解しヒートシンク６００の裏側９４０を十分に湿潤化して熱発生コンポーネント１３０とヒートシンク６００との間に十分な熱的結合が得られるようにするステップを含む。典型的なウェーブはんだ付け装置では、熱インターフェイス材料９１０は、予熱器の上方で７０℃より高い温度に１５乃至２５秒の期間曝され、さらに、はんだウェーブ上で８０℃より高い温度に８乃至８−１２秒の期間曝される。一般的に、これで、十分に熱インターフェイス材料９１０が融解し裏側９４０及びヒートシンク６００が湿潤化するため、熱発生コンポーネント１３０とヒートシンク６００との間に必要な熱的結合が得られる。曝される上述の時間及び温度は、特定のプロセス条件に適合するように典型的なウェーブはんだ付け装置において容易に変更／調整することができる。

図１１に示す方法１１１０は、熱インターフェイス材料９１０が依然として高温である間に少なくとも１つのピン５１０を基板１４０にはんだ付けすることによりヒートシンク６００を熱発生コンポーネント１３０及び基板１４０上の固定位置に取付けるステップを含む。一部の実施例において、ヒートシンク６００を固定位置に取付けるステップは、少なくとも１つのピン５１０を基板１４０にはんだ付けしてはんだ接合部１１２０を形成することによりヒートシンク６００を熱発生コンポーネント１３０及び基板１４０の上方の固定位置に取付けるステップを含む。ピン５１０をはんだ付けすると、予熱時に熱グリース９１０の湿潤化により形成された熱的結合が強固になり、熱発生コンポーネント１３０の熱問題が低コストで解決される。一部の実施例において、ピンを基板上にはんだ付けするステップは、少なくとも１つのピン５１０を基板１４０にウェーブはんだ付けしてヒートシンク６００を基板１４０に機械的に固定するステップを含む。

図１２に示す方法１２１０は、はんだ付けしたピンを冷却してはんだ接合部１１２０によりヒートシンク６００を定位置に機械的に固定し、さらに、熱インターフェイス材料９１０が依然として高温である間に熱発生コンポーネント１３０の裏側９４０とヒートシンク６００との間の熱的結合を強固にするステップを含む。

図１３、１４及び１５はそれぞれ、図９、１０、１１及び１２を参照して説明した方法によりヒートシンク５００が熱発生コンポーネント１３０に熱的結合された組立て済み基板１４０を有する電子デバイスの上面図１３００、側立面図１４００及び前立面図５００である。ヒートシンク５００を熱発生コンポーネント１３０に結合する本発明のプロセスについては、図９、１０、１１及び１２を参照して詳説した。基板１４０とヒートシンク５００との間に２個以上の熱発生コンポーネントを介在させ、さらに、図９、１０、１１及び１２を参照して説明したプロセスによりヒートシンクを２個以上の熱発生コンポーネントに熱的結合できると考えることが出来る。図１３、１４、１５には図示しないが、ファンのような空気移動装置をヒートシンク５００上に装着するとヒートシンク５００からの熱の放散がさらに増加すると考えることが出来る。一部の実施例において、熱発生コンポーネント１３０は、チップセット、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ及び／または特定用途集積回路デバイスのような集積回路デバイスである。

図１６及び１７は、ウェーブ予熱器を通過した後のヒートシンクの面１６００及び熱発生コンポーネント１７００の面上の熱インターフェイス材料の被覆及び湿潤化状況を示す。図１６は、ウェーブ予熱器を通過した後のヒートシンクの面１６２０上の熱インターフェイス材料の被覆を示す。図１６の点線は、ウェーブ予熱器を通過する前にヒートシンク５００と熱発生コンポーネント１３０との間に存在した元の熱ペースト１６１０の輪郭である。図１７は、ウェーブ予熱器を通過した後の熱発生コンポーネント１３０の面１７１０の熱インターフェイス材料９１０の被覆を示す。図１６及び１７から、典型的なはんだ付け装置のウェーブ予熱器を通過した後、熱インターフェイス材料９１０は熱発生コンポーネント１３０を完全に湿潤化し、元の位置の熱ペースト１６１０の輪郭を越えて広がっている様子がわかる。

結論

上述の方法及び装置は、とりわけ、前組立時に熱発生コンポーネントをヒートシンクに熱的結合することにより低コストの熱問題解決法を提供する。

ヒートシンクをプリント回路板上に装着された熱発生コンポーネントに結合する従来技術の方法を示す。 ヒートシンクをプリント回路板上に装着された熱発生コンポーネントに結合する従来技術の方法を示す。 ヒートシンクをプリント回路板上に装着された熱発生コンポーネントに結合する従来技術の方法を示す。 ヒートシンクをプリント回路板上に装着された熱発生コンポーネントに結合する従来技術の方法を示す。 本発明によるヒートシンクの実施例を示す前立面図である。 本発明によるヒートシンクの実施例を示す前立面図である。 本発明によるヒートシンクの実施例を示す前立面図である。 本発明によるヒートシンクの実施例を示す前立面図である。 図５、６、７及び８に示すヒートシンクを用いて電子デバイスを組立てる本発明のプロセスステップを示す。 図５、６、７及び８に示すヒートシンクを用いて電子デバイスを組立てる本発明のプロセスステップを示す。 図５、６、７及び８に示すヒートシンクを用いて電子デバイスを組立てる本発明のプロセスステップを示す。 図５、６、７及び８に示すヒートシンクを用いて電子デバイスを組立てる本発明のプロセスステップを示す。 図９、１０、１１及び１２に示すプロセスステップを用いた組立て済み電子デバイスを示す。 図９、１０、１１及び１２に示すプロセスステップを用いた組立て済み電子デバイスを示す。 図９、１０、１１及び１２に示すプロセスステップを用いた組立て済み電子デバイスを示す。 ウェーブ予熱器を通過した後のヒートシンクと熱発生コンポーネントとの間の熱インターフェイス材料の被覆／湿潤化状況を示す。 ウェーブ予熱器を通過した後のヒートシンクと熱発生コンポーネントとの間の熱インターフェイス材料の被覆／湿潤化状況を示す。

Claims (30)

1. 熱源から熱を放散させる電子デバイスであって、
   基板と、
   基板上に配置され該基板にはんだ付けされた少なくとも１つの装着ピンを有するヒートシンクと、
   基板とヒートシンクとの間に介在しヒートシンクに熱的結合された少なくとも１つの熱発生コンポーネントとより成る電子デバイス。
2. 基板はさらに少なくとも１つの装着ホールを有し、少なくとも１つの装着ピンは基板の少なくとも１つの装着ホールに挿入され、ヒートシンクはさらに、前組立時にピンをホールに挿入しピンを基板にはんだ付けすることにより基板に取付けられる請求項１の電子デバイス。
3. ヒートシンクはさらに熱伝導プレートを有し、熱発生コンポーネントは表側と、反対の裏側とを有し、熱伝達プレートは裏側に結合され、基板は表側に取付けられ、少なくとも１つのピンは、熱伝導プレートを熱発生コンポーネントの裏側に結合すると基板にはんだ付けできるように該プレートを越えて延びる請求項１の電子デバイス。
4. ヒートシンクはさらに熱交換部を有し、熱交換部は該プレートを越えて延び且つ熱発生コンポーネントとは反対側に位置する請求項２の電子デバイス。
5. 熱交換部はプレートから離れる方向に延びる多数のフィンを有する請求項３の電子デバイス。
6. ヒートシンクと熱発生コンポーネントの裏側との間に位置して熱発生コンポーネントの裏側とヒートシンクとの間の熱抵抗を減少させる熱インターフェイス材料をさらに有する請求項３の電子デバイス。
7. 熱インターフェイス材料は、相変化熱インターフェイス材料及び熱グリースより成る群から選択される請求項６の電子デバイス。
8. 基板は表側に電気的及び機械的に結合される請求項３の電子デバイス。
9. ヒートシンクは、銅、アルミニウム及び熱源から熱を放散させるに適した他の材料より成る群から選択される材料で形成されている請求項１のシステム。
10. 熱発生コンポーネントは、チップセット、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ及び特定用途集積回路デバイスより成る群から選択される集積回路デバイスである請求項１のシステム。
11. 基板はプリント回路板である請求項１のシステム。
12. 少なくとも１つのピンを少なくとも１つのホールにはんだ付けしてヒートシンクからの熱の放散を増加させるのは、前組立時に少なくとも１つのピンを基板の対応する少なくとも１つのホールにはんだ付けしてヒートシンクを基板に機械的に結合し、熱発生コンポーネントから熱を放散させることである請求項１のシステム。
13. 電子デバイスの組立て方法であって、
    熱発生コンポーネントを基板に装着し、
    熱インターフェイス材料が基板上に位置するように熱インターフェイス材料の層を熱発生コンポーネント上に配置し、
    熱インターフェイス材料が熱発生コンポーネントとヒートシンクとの間に介在し、さらに少なくとも１つのピンが基板にはんだ付けするために該基板上に位置するように、少なくとも１つの装着ピンを有するヒートシンクを熱インターフェイス材料の上方において整列させ、
    熱インターフェイス材料をウェーブはんだ付け予熱器内で予熱して熱インターフェイス材料の粘性を減少させることにより、熱インターフェイス材料が熱発生コンポーネントを湿潤化してヒートシンクが熱発生コンポーネントに熱的結合されるようにし、
    熱インターフェイス材料が依然として高温である間に少なくとも１つのピンを基板にはんだ付けしてヒートシンクを熱発生コンポーネント及び基板上の固定位置に取付けるステップより成る電子デバイスの組立て方法。
14. 熱インターフェイス材料の粘性を減少させるステップはさらに、
    熱発生コンポーネント、熱インターフェイス材料及びヒートシンクを有する基板をウェーブはんだ付け装置のコンベヤに載せ、
    ウェーブはんだ付け装置の予熱器で熱インターフェイス材料を予熱して熱インターフェイス材料により熱発生コンポーネントを湿潤化するステップを含む請求項１３の方法。
15. はんだ付けしたピンを冷却してヒートシンクを定位置に機械的に固定し、さらに予熱時に形成された熱発生コンポーネントとヒートシンクとの間の熱的結合を強固にするステップをさらに含む請求項１４の方法。
16. 基板は少なくとも１つのホールを有し、少なくとも１つのピンを基板にウェーブはんだ付けするために基板の対応ホールに挿入する請求項１３の方法。
17. ピンを基板にはんだ付けするステップは、少なくとも１つのピンを基板にウェーブはんだ付けしてヒートシンクを基板に機械的に固着し、さらに熱インターフェイス材料が依然として高温である間に熱発生コンポーネントとヒートシンクの間に形成された熱的結合を強固にするステップより成る請求項１６の方法。
18. 少なくとも１つのピンが熱伝導プレートを越えて延びるように熱伝導プレートを有するヒートシンクを形成するステップをさらに含む請求項１６の方法。
19. ヒートシンクを形成するステップはさらに、熱交換部がプレートを越えて熱発生コンポーネントの反対側に延びるように熱交換部を形成するステップを含む請求項１８の方法。
20. 熱交換部を形成するステップは、プレートから離れる方向に延びる多数のフィンを形成するステップより成る請求項１９の方法。
21. ヒートシンクは、銅、アルミニウム及び熱源から熱を放散させるに適した他の材料より成る群から選択される材料で形成されている請求項１３の方法。
22. ウェーブはんだ付け予熱温度で融解可能な熱インターフェイス材料は、相変化熱インターフェイス材料及び熱グリースより成る群から選択される請求項１３の方法。
23. 熱発生コンポーネントを基板に装着するステップは、
    熱発生コンポーネントを基板に電気的及び／または機械的に結合するステップより成る請求項２２の方法。
24. 熱発生コンポーネントは、チップセット、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ及び特定用途集積回路デバイスより成る群から選択される集積回路デバイスである請求項１３の方法。
25. 電子デバイスの組立て方法であって、
    熱発生コンポーネントを少なくとも１つの装着ホールを有する基板に装着し、
    少なくとも１つの装着ピンを有するヒートシンクを各装着ピンが装着ホールに挿入されるように基板に整列させ、
    熱発生コンポーネントとヒートシンクと間に熱インターフェイス材料を配置し、
    電子デバイスにウェーブはんだ付けプロセスを施して熱インターフェイス材料の粘性を減少させることにより、熱インターフェイス材料を湿潤化してヒートシンクを熱発生コンポーネントに熱的結合し、さらに少なくとも１つのピンを少なくとも１つの装着ホールにはんだ付けするステップより成る電子デバイスの組立て方法。
26. 少なくとも１つのピンが熱伝達プレートを越えて延びるように該プレートを有するヒートシンクを形成するステップをさらに含む請求項２５の方法。
27. ヒートシンクを形成するステップはさらに、
    熱交換部がプレートを越えて熱発生コンポーネントの反対側に延びるように熱交換部を形成するステップをさらに含む請求項２６の方法。
28. ヒートシンクは、銅、アルミニウム及び熱源から熱を放散させるに適した他の材料より成る群から選択される材料で形成されている請求項２７の方法。
29. ウェーブはんだ付け予熱温度で融解可能な熱インターフェイス材料は、相変化熱インターフェイス材料及び熱グリースより成る群から選択される請求項２５の方法。
30. 熱発生コンポーネントは、チップセット、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ及び特定用途集積回路デバイスより成る群から選択される集積回路デバイスである請求項２５の方法。

Images