專利名稱：將集成電路封裝固定到熱沉上的導(dǎo)熱安裝布局的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路封裝領(lǐng)域，特別涉及將集成電路封裝固定到熱沉的安裝布局。
集成電路(IC)在從通訊到消耗電子的工業(yè)中都有許多用途。例如，通過將一個(gè)或多個(gè)晶體管單元制造在一個(gè)硅晶片上形成功率晶體管IC，通常稱做晶體管“芯片”。晶體管芯片貼附(attached)到隔離層上，通常為導(dǎo)熱但不導(dǎo)電的陶瓷基片。陶瓷基片自身附著到導(dǎo)熱安裝法蘭盤上。保護(hù)性蓋固定到法蘭盤上，覆蓋基片和晶體管芯片，由此形成功率晶體管IC“封裝”。
各種導(dǎo)電(例如，薄金屬)引線可以附著并從封裝延伸出，以便將晶體管芯片的公用端連接到位于例如相鄰印制電路(“PC”)板上的其它電路元件上。例如，對(duì)于雙極結(jié)型功率晶體管，貼附到封裝的各電引線連接到晶體管芯片的基極、發(fā)射極以及集電極。
由于功率晶體管封裝在工作期間產(chǎn)生大量的熱，因此安裝法蘭盤的封裝下表面通常直接固定到位于PC板下面的金屬性的熱沉上。例如，單層PC板在各頂部和底部導(dǎo)電表面之間有介質(zhì)材料層，其中底表面作為參考地。該底面通常用螺釘或焊料連接到下面的金屬熱沉，所以相對(duì)于貼附到PC板上表面的任何電路元件，底面和熱沉具有相同的地電位。
現(xiàn)在有幾個(gè)公知的技術(shù)將IC封裝固定到熱沉表面。例如，如

圖1所示，示例性的IC封裝20可以通過封裝安裝法蘭盤26的底面和熱沉22表面之間的焊料連接28固定到熱沉22。
雖然這種措施較簡單，但與各(通常為金屬)安裝法蘭盤26和熱沉22相比，焊接材料28總是有不同的熱膨脹系數(shù)。因此，安裝法蘭盤26和熱沉22之間的粘結(jié)將變?nèi)趸蛏踔帘桓鲗又g的熱膨脹應(yīng)力破壞，特別是在每次使用IC封裝20期間溫度重復(fù)變化時(shí)。此外，中間粘合材料層28的存在表明法蘭盤26和熱沉22之間導(dǎo)熱的有效性。該措施的另一缺陷是為了拆卸IC封裝20用于修理或更換，必須加熱整個(gè)熱沉22以斷開焊料粘結(jié)28，由此削弱了相同熱沉22上的任何其它焊料粘結(jié)。
參考圖2，代替使用焊料連接，可以用一對(duì)螺釘24穿過位于安裝法蘭盤26各端上的開口將IC封裝20固定到熱沉22上。參考圖3和4，將IC封裝固定到熱沉上的另一技術(shù)是將一個(gè)或多個(gè)螺釘30插入到熱沉22的表面內(nèi)并伸出在熱沉22的表面之上。彈性金屬條32由螺釘30延伸出并成形由此將夾持力施加到IC封裝20的蓋上，從而分配一基本上居中的力將安裝法蘭盤26“固定”到熱沉22上。將IC封裝固定到熱沉上的另一方法公開并介紹在待審U.S.專利申請(qǐng)S/N08/956,193中，題目為“Mounting Arrangement For Securing AnIntergrated Circuit Package To A Heat Sink”，在這里作為參考引入。這里如圖5所示，IC部件封裝40的保護(hù)性蓋50的上表面提供有居中的突起54。形成帶形并具有從曲線底面60延伸出的彈性止動(dòng)彈簧46提供有尺寸與居中的突起54匹配的開口62。
要將IC封裝40安裝到熱沉42上，止動(dòng)彈簧開口62壓縮地匹配到封裝蓋突起54上，同時(shí)IC封裝40的安裝法蘭盤45插在從熱沉42上伸出基本上平行的壁44和48之間，由此相對(duì)的止動(dòng)彈簧端56和58以基本上相同但相反的角度從封裝蓋50延伸出。壁44和48彼此隔開一段距離，由此使相對(duì)的止動(dòng)彈簧端56和58以適中的壓力相互擠壓，將法蘭盤45插向熱沉42。
壁44和48每個(gè)具有多個(gè)切槽64和68，以“棘輪式”凸紋圖案基本上平行于熱沉42延伸。一旦安裝法蘭盤45壓向熱沉42，相對(duì)的彈簧端56和58由各壁上的切槽64和68保持在原位。以此方式，彈簧46向封裝蓋50施加一保持力，由此將安裝法蘭盤45固定到熱沉42上，如箭頭70所示。
對(duì)于以上圖示的將IC封裝固定到熱沉的方法，一旦IC封裝固定到熱沉，從封裝延伸出的電引線(圖1-5中未示出)必須連接到例如位于貼附到熱沉的相鄰PC板上的各導(dǎo)電面引線或區(qū)域。
借助圖示參考圖6，IC封裝80的安裝法蘭盤86通過常規(guī)的焊料焊接84(solder weld)安裝在熱沉82上。單層PC板88也例如通過與封裝80的兩側(cè)相鄰的螺釘固定到熱沉82上。PC板分別包括金屬頂面90、介質(zhì)材料層92以及金屬底面94，其中相對(duì)于附著到PC板88的頂面的電路元件(未示出)，底面94和貼附的熱沉82一起作為參考地。各引線96和98從封裝80的相對(duì)側(cè)面延伸出并借助各焊料焊接100和102連接到形成在PC板88頂面90的對(duì)應(yīng)導(dǎo)電路徑。
和以上結(jié)合圖1介紹的各封裝法蘭盤(28)和熱沉(22)之間使用焊料連接存在的問題一樣，焊料連接100和102也易于存在由焊接材料、導(dǎo)電面90以及各(金屬)引線96和98之間的不同熱膨脹系數(shù)引起的問題。特別是，重復(fù)加熱和冷卻之后焊接材料會(huì)晶化，使焊接100和102削弱和/或失效，各引線96和98升高并與PC板88的表面90分離。
由此，需要提供將IC元件封裝固定到熱沉的改進(jìn)的布局，由此省卻了焊接。
此外，需要將盡可能多的熱從各IC封裝和電引線傳導(dǎo)到熱沉。
本發(fā)明提供一種將IC部件封裝固定到熱沉的改進(jìn)布局，通過提供從封裝到位于相鄰PC板表面上的各導(dǎo)電路徑的非焊料基連接，并改進(jìn)了從封裝到熱沉的熱傳導(dǎo)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，電路組件包括具有與熱沉接觸的導(dǎo)熱安裝法蘭盤的IC封裝。IC封裝包括貼附到IC封裝的第一面并從IC封裝的第一面延伸出的第一引線，貼附到IC封裝的第二面并從IC封裝的第二面延伸出的第二引線。第一導(dǎo)電表面貼附到與IC封裝的第一面相鄰的熱沉，第二導(dǎo)電表面貼附到與IC封裝第二面相鄰的熱沉。
導(dǎo)熱外殼通過第一和第二螺釘固定到熱沉，其中第一螺釘將第一引線框架電連接到第一導(dǎo)電表面，第二螺釘將第二引線框架電連接到第二導(dǎo)電表面。具體地，第一螺釘穿過外殼和第一引線框架緊回到熱沉內(nèi)，設(shè)置在外殼和第一引線框架之間的第一隔離墊圈將兩個(gè)部件相互隔離。第二螺釘穿過外殼和第二引線框架緊固到熱沉內(nèi)，設(shè)置在外殼和第二引線框架之間的第二隔離墊圈將兩個(gè)部件相互隔離。
第一和第二螺釘朝外殼/隔離墊圈充分?jǐn)Q緊以將各引線框架壓成與導(dǎo)電表面電接觸的實(shí)體。切掉部分各引線框架和環(huán)繞各擰緊螺釘周圍的導(dǎo)電表面以避免引線框架和/或?qū)щ姳砻嫱ㄟ^擰緊的螺釘與熱沉短路。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，彈性保持部件設(shè)置在外殼和IC封裝之間，保持部件將足夠的力施加到IC封裝上以保持安裝法蘭盤和熱沉之間良好的熱接觸，所以不需要傳統(tǒng)的焊料連接。
對(duì)于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說，在下文中本發(fā)明的其它和另一些目的和優(yōu)點(diǎn)將變得很顯然。
附圖示出了本發(fā)明的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，其中為了易于圖示，在不同的實(shí)施例中類似的元件采用了相同的參考數(shù)字，其中圖1為第一現(xiàn)有技術(shù)安裝布局的側(cè)視圖，其中IC封裝焊接或在其它情況中粘結(jié)到熱沉；圖2為第二現(xiàn)有技術(shù)安裝布局的部分剖視圖，其中安裝螺釘用于將IC封裝直接固定到熱沉；圖3為第三現(xiàn)有技術(shù)安裝布局的側(cè)視圖，其中使用一個(gè)夾持螺釘和從其延伸出的夾持條將IC封裝固定到熱沉；圖4為第四現(xiàn)有技術(shù)安裝布局的側(cè)視圖，其中使用一對(duì)夾持螺釘和一個(gè)從兩者之間延伸出的夾持條將IC封裝固定到熱沉；圖5為將IC封裝安裝到熱沉的另一布局的部分剖視圖，其中彈性帶形夾持彈簧固定到封裝的保護(hù)殼的中心并由一對(duì)從熱沉伸出的相對(duì)壁保持在原位；圖6為焊料粘結(jié)到熱沉的IC封裝的部分剖視圖，由此相鄰PC板上導(dǎo)電表面上的引線通過現(xiàn)有技術(shù)的焊料連接連接到從封裝延伸出的各引線；圖7為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選電組件的部分剖視圖，其中通過一對(duì)穿過導(dǎo)熱外殼擰緊的螺釘將IC晶體管封裝安裝在熱沉上，導(dǎo)電外殼基本上封閉了晶體管封裝；以及圖8為圖7中組件的晶體管封裝和導(dǎo)熱外殼的透視圖，為了圖示顯示的外殼從晶體管封裝上提升起。
參考圖7和8，作為優(yōu)選電組件107的一部分，功率晶體管封裝110下面的安裝法蘭盤115設(shè)置在貼附到熱沉112的單層PC板的第一和第二部分113和114之間的熱沉112上。各PC板部分113和114每個(gè)分別包括導(dǎo)電的金屬頂面116、介質(zhì)材料的中間層120以及導(dǎo)電金屬底面118，相對(duì)于貼附到導(dǎo)電頂面116的電路元件(未示出)，底面118和固定的熱沉112一起作為參考地。
功率晶體管封裝110包括在第一PC板部分113的上表面116上延伸的第一電引線框架122，和在第二PC板部分114的上表面116上延伸的第二電引線框架124。
導(dǎo)熱外殼125基本上將晶體管110頂著熱沉112封閉。優(yōu)選由如銅等的高導(dǎo)熱金屬制成的外殼吸收晶體管封裝110工作期間產(chǎn)生的熱。外殼125通過第一和第二擰緊螺釘126和127固定到熱沉112。
具體地，第一擰緊螺釘126分別穿過外殼125、第一介質(zhì)隔離墊圈130、第一引線框架122以及第一PC板部分113緊固到熱沉112內(nèi)。第二擰緊螺釘128分別穿過第二介質(zhì)隔離墊圈132、第二引線框架124和第二PC板部分114緊固到熱沉112內(nèi)。螺釘126和128優(yōu)選能充分地?cái)Q緊隔離墊圈130和132，以便墊圈將各引線框架122和124壓成與各PC板部分113和114的導(dǎo)電頂面116電接觸的實(shí)體。
切掉引線框架122和124以及環(huán)繞各螺釘126和128的PC板部分113和114的導(dǎo)電頂面116以防止電接觸，避免引線122/124和/或?qū)щ婍斆?16通過螺釘126/128與熱沉112短路。隔離墊圈130和132優(yōu)選由導(dǎo)熱性良好的導(dǎo)體制成，以使來自引線框架122和124的熱通過各螺釘126和128散發(fā)到外殼125內(nèi)。這種材料的例子包括如氧化鈹和氮化鋁等的介質(zhì)。
在組件107中使用封裝引線連接的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以省卻各引線框架122和124與PC板部分113和114的導(dǎo)電面116之間的焊料連接，由此減小了引線上的熱應(yīng)力和張力。
另一優(yōu)點(diǎn)是與各外殼125和封裝引線框架122/124結(jié)合的介質(zhì)隔離墊圈130和132提供了一對(duì)電容器以有助于引線框架122/124和各導(dǎo)電面116區(qū)域之間的阻抗匹配。值得注意的是，根據(jù)介質(zhì)隔離墊圈130/132的硬度，螺釘126和128的每個(gè)可作為調(diào)整器，即通過相對(duì)擰緊的各螺釘調(diào)節(jié)各墊片130/132的電容。
再一優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱外殼125有助于改善晶體管封裝110散發(fā)的熱借助螺釘126和128到熱沉112的熱傳導(dǎo)，螺釘126和128也優(yōu)選由如銅等的高導(dǎo)熱材料制成。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，彈性保持部件134設(shè)置在晶體管封裝110的外殼125和蓋136之間。具體地，保持部件134將足夠的力施加到晶體管封裝110上，以保持安裝法蘭盤115和熱沉112之間良好的熱接觸，由此不需要兩個(gè)部件之間傳統(tǒng)的焊料連接。
由此，優(yōu)選實(shí)施例已公開了將IC封裝固定到熱沉上的改進(jìn)的安裝布局。雖然顯示和介紹了本發(fā)明的實(shí)施例和應(yīng)用，但對(duì)于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說，顯然不脫離這里的本發(fā)明概念的范圍內(nèi)還可以有更多修改和應(yīng)用。
因此，本發(fā)明的范圍僅限于附帶權(quán)利要求書的精神。
權(quán)利要求
1．一種電組件，包括熱沉；集成電路(IC)封裝，包括與熱沉接觸的導(dǎo)熱安裝法蘭盤；固定到熱沉的導(dǎo)熱外殼，外殼至少部分封閉IC封裝；以及設(shè)置在外殼和IC封裝之間的保持部件，保持部件將足夠的力施加到IC封裝上，以保持安裝法蘭盤和熱沉之間良好的熱接觸。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的電組件，組件還包括與IC封裝相鄰貼附到熱沉的導(dǎo)熱表面，IC封裝還包括從封裝中延伸出貼附的引線框架，其中外殼還以將引線框架電連接到導(dǎo)電表面的方式固定到熱沉。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的電組件，其中導(dǎo)電表面包括單層PC板。
4．根據(jù)權(quán)利要求2的電組件，其中將外殼固定到熱沉的裝置包括螺釘。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的電組件，其中螺釘穿過部分引線框架固定到熱沉。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的電組件，其中切掉環(huán)繞螺釘?shù)牟糠忠€框架以防止引線框架和螺釘之間的電接觸。
7．根據(jù)權(quán)利要求2的電組件，其中外殼與引線框架電隔離。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的電組件，其中保持部件包括彈性金屬件。
9．一種電組件，包括熱沉；集成電路(IC)封裝，包括與熱沉接觸的導(dǎo)熱安裝法蘭盤，IC封裝還包括從IC封裝延伸出的引線框架；與IC封裝相鄰貼附到熱沉的導(dǎo)電表面；以及固定到熱沉的導(dǎo)熱外殼，外殼至少部分封閉IC封裝，其中外殼還以將引線框架電連接到導(dǎo)電表面的方式固定到熱沉。
10．一種電組件，包括熱沉；集成電路(IC)封裝，包括與熱沉接觸的導(dǎo)熱安裝法蘭盤，IC封裝還包括貼附IC封裝的第一側(cè)面到并從IC封裝的第一側(cè)面延伸出的第一引線框架，以及貼附到IC封裝的第二側(cè)面并從IC封裝的第二側(cè)面延伸出的第二引線框架；與IC封裝的第一側(cè)面相鄰并貼附到熱沉的第一導(dǎo)電表面；以及與IC封裝的第二側(cè)面相鄰并貼附到熱沉的第二導(dǎo)電表面；通過第一和第二螺釘固定到熱沉的導(dǎo)熱外殼；其中第一螺釘將第一引線框架電連接到第一導(dǎo)電表面，第二螺釘將第二引線框架電連接到第二導(dǎo)電表面。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的電組件，還包括設(shè)置在外殼和IC封裝之間的保持部件，保持部件將足夠的力施加到IC封裝上，以保持各安裝法蘭盤和熱沉之間良好的熱接觸。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的電組件，其中保持部件包括彈性金屬件。
13．根據(jù)權(quán)利要求10的電組件，其中第一和第二導(dǎo)電表面每個(gè)包括一個(gè)單層PC板。
14．根據(jù)權(quán)利要求10的電組件，還包括設(shè)置在第一螺釘和第一引線框架之間的第一隔離裝置；以及設(shè)置在第二螺釘和第二引線框架之間的第二隔離裝置。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的電組件，其中第一和第二隔離裝置包括各第一和第二介質(zhì)墊圈，其中第一螺釘分別穿過外殼和第一引線框架固定到熱沉，第一墊圈設(shè)置在外殼和第一引線框架之間，以及第二螺釘分別穿過外殼和第二引線框架固定到熱沉，第二墊圈設(shè)置在外殼和第二引線框架之間。
16．根據(jù)權(quán)利要求10的電組件，其中切掉部分第一引線框架以防止第一引線框架和第一螺釘之間的電接觸；以及切掉部分第二引線框架以防止第二引線框架和第二螺釘之間的電接觸。
全文摘要
一種電組件包括具有與熱沉接觸的導(dǎo)熱安裝法蘭盤的IC封裝。導(dǎo)熱外殼固定到熱沉,外殼至少部分封閉IC封裝。彈性保持部件設(shè)置在外殼和IC封裝之間,保持部件將足夠的力施加到IC封裝上,以保持安裝法蘭盤和熱沉之間良好的熱接觸。
文檔編號(hào)H01L23/40GK1309815SQ99808796
公開日2001年8月22日 申請(qǐng)日期1999年5月12日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月28日
發(fā)明者B·阿爾, L·C·萊頓, T·W·莫勒爾 申請(qǐng)人:艾利森公司