專利名稱：用于固定集成電路封裝到散熱片的安裝結構的制作方法
技術領域：
本發明適用于集成電路封裝領域，和特別涉及用于固定集成電路封裝到散熱片的安裝結構。
集成電路(“IC”)在工業中從通訊到生活電器有很多用處。為了這個目標，通常設計多種類型的IC用于與連接在通用印刷電路板(PC)上安裝的其它電路元件一起使用。
作為例子，功率晶體管IC是通過在通常稱為晶體管“芯片”的硅晶片上制造一個或多個晶體管單元來形成的。把晶體管芯片固定到絕緣層上，絕緣層通常是導熱但不導電的陶瓷襯底。陶瓷襯底自己固定到導熱的安裝法蘭上。保護層固定到法蘭上，覆蓋襯底和晶體芯片，因而形成功率晶體管“封裝”。
把不同的導電引線(例如，薄金屬)固定到功率晶體管封裝上和從其上引出(就是說，引出到保護層外)，用于連接晶體管芯片的連接公共端到外部電路元件。例如，雙極結型功率晶體管，將固定到封裝的導電引線分別連接到晶體管的基極、發射極和集電極。
作為裝配工藝的一部分將完成的IC元件封裝典型地固定在PC板上。因為多數IC封裝特別是功率晶體管封裝在工作期間產生相當大的熱量，將封裝安裝法蘭的底表面典型固定到位于PC板表面下的散熱片上。例如，單層PC板-即，在PC板的上下表面之間只有一層介質層，-通常將其下表面通過螺絲或焊料連接到金屬導熱片，在其上表面上安裝一個或多個IC封裝，之后PC板上的各種表面引線通過例如焊料或夾具連接到從IC封裝延伸出的相應引線上。
有幾種已知技術用于固定IC封裝到散熱片表面上。例如，在
圖1A中所示，典型IC封裝20可以通過位于安裝法蘭26各一端上的螺絲24固定到散熱片22上。然而安裝結構需要在PC板裝配工藝中手工操作，這增加了很大的成本。進一步說，很難使用螺絲24作用均勻的力到安裝法蘭26的整個底表面上，一般是在螺絲的位置上比法蘭底面的其它部分作用更大的力。
參考圖1B，另一個通用技術是焊接(或粘接)安裝法蘭26到散熱片表面22上。這種工藝更容易自動化，同時焊料或粘接材料28有不同于各種(典型為金屬)安裝法蘭的熱膨脹系數。結果，在安裝法蘭26和散熱片22之間的結合被削弱或甚至被在兩層之間的熱膨脹應力破壞，特別是在IC封裝20使用期間溫度重復改變時。進一步，插入的結合材料28的存在減弱了在法蘭26和散熱片22之間熱傳導的效率。這種方法的進一步的缺點是為去掉IC封裝以修理或替換，必須加熱整個散熱片表面以破壞焊接結合，因而導致了在相同散熱片上的其它焊接結合被削弱。
特別是，希望相同的力作用到安裝法蘭26的底面上得到到散熱片22的最大熱傳導效率。進一步，因為最大的熱量典型地通過封裝和安裝法蘭的中央區域流動，也就是，在有源晶體管單元區域下面，希望在封裝20的中心作用最大的力到散熱片22上。
為了這個目的，如圖1C和1D所示，另一種已知封裝安裝結構包括使用一個或多個螺絲30插入并突出在散熱片22的上表面。從螺絲30上引出并形成了彈性金屬條32使得在IC封裝20的表面上作用了夾緊力，因而分配了很多中央作用力以固定安裝法蘭26到散熱片22上，然而，這種方法在PC板組裝工藝中依然需要人工加強的步驟。
因而，希望提供一種改進的安裝結構用于固定IC元件封裝到散熱片上，例如固定到PC板底部的散熱片，同時允許自動化PC板組裝。
本發明提供了一種用于固定IC元件封裝到散熱片表面的改進的安裝結構，其中通過封裝中央對散熱片施加了恒定的、均勻的外力，同時容易進行自動化組裝工藝。
在示例的參考方案中，IC元件封裝保護層的上表面具有中央突出，例如，在保護層上伸出的圓柱銷子。通過扭曲使金屬條成為從曲線底面部分伸出的具有相對端部的帶狀形式形成了彈性彈簧。帶狀彈簧的底表面具有一個開口以與封裝層的中央突起相匹配，這樣彈簧的相對端部以基本相似、相反的角度相對于封裝層頂部延伸。
為了安裝IC封裝到散熱片，在帶狀彈簧底部上的開口被壓縮地匹配到封裝層的中央突起上，同時將封裝插入到兩個從散熱片上突起的充分平行的壁之間。將壁相互拉開使得彈簧的相對端部適當地向內壓縮(就是相互作用)，同時封裝的底表面相對散熱片插入。這種壓縮導致彈簧作用了相對封裝層的上表面向下的力，因此固定封裝底面到散熱片并提供好的熱接觸。
兩個壁的相對表面(就是面對)每個提供了一個或多個間隔的缺口，其基本平行于散熱片的表面以棘齒的起伏圖案擴展。在這種模式中，一旦封裝的底表面相對散熱片被壓住時，彈簧的各個相對端部被保持就位。這種固定封裝到散熱片方法的優點是熱膨脹力將不作用在二者之間的結合上。
因為安裝裝配工藝不用使用特殊的工具就可完成(例如，不用螺絲或焊接)，工藝容易自動化。進一步，帶狀彈簧的彈性本質允許IC封裝通過簡單的壓力使彈簧端部彈出各自的保持缺口而容易從散熱片上去除。
以上對本領域的技術人員是明顯的，其它和進一步的目的和優點將在下面出現。
附圖示出了本發明的設計和裝置，其中在不同方案中的相似元件出于容易表示的目的使用相同的標號，其中圖1A是第一現有技術安裝結構的部分剖視圖，其中使用安裝螺絲直接安裝IC封裝到散熱片上；圖1B是第二現有技術安裝結構的側視圖，其中將IC封裝焊接或粘接到散熱片上；圖1C是第三現有技術安裝結構的側視圖，其中單個保持螺絲和其間延伸的保持條用于固定IC封裝到散熱片上；圖1D是第四現有技術安裝結構的側視圖，其中一對保持螺絲和其間延伸的保持條用于固定IC封裝到散熱片上；圖2是一個依照本發明用于安裝IC封裝到散熱片的優選結構的部分剖視圖，其中封裝通過貼著封裝的保護層中心的彈性帶狀保持彈簧固定，并通過從散熱片突出的一對相對壁來保持就位；圖3是圖2中晶體管封裝的頂視圖；圖4是圖2中保持彈簧的透視正視圖；圖5是圖4中保持彈簧的頂視圖，表示在伸展位置；和圖6是一種示出用于圖2中安裝結構組裝優選工藝的部分剖視圖。
圖2示出了一種用于安裝IC封裝40到位于PC板表面44下的散熱片的優選結構，其中將封裝40通過彈性帶狀保持彈簧46固定到散熱片上。
為了簡單，示出的封裝40通常包括固定到安裝在熱傳導法蘭48上的襯底(未示出)上的IC芯片，其中將保護層50以覆蓋襯底的方式固定到法蘭48。保護層50的上表面52具有在表面52中心并從封裝40延伸出來的圓柱銷54。
保持彈簧46通常有帶狀形式并擁有從曲線端部60延伸出的相對端部56和58。特別地，保持彈簧46的底部60擁有與中央圓柱銷54匹配的環狀缺口62，使得相對端部56和58從封裝層50的上表面52以基本相似、相反的角度延伸出。
保持彈簧46的相對端部56和58通過各自的缺口66和68保持在它們的末端，該缺口在與從散熱片42的表面突出的壁76和78基本平行的相對表面上形成。特別地，基本平行的散熱片42的表面形成各自的缺口66和68，壁76和78最好互相拉開距離，使得缺口66和68將保持彈簧46的端部56和58向內壓縮，如圖2中箭頭70所指示的。
如在本領域的技術人員所熟知的，這種彈簧端部56和58向內的壓縮導致保持彈簧46的底部60施加了相對封裝層50的上表面52的向下力，因此固定法蘭48的底表面64到散熱片42上。這種固定IC封裝40到散熱片42上的方法的顯著的優點是允許在散熱片42和安裝法蘭48之間有不同的熱膨脹系數，并不用在兩個工件之間作用熱接觸結合。
壁76和78的相對表面最好每一個擁有多個缺口86和88，各自以均勻的間隔的行延伸，且基本平行散熱片42的表面，因而在壁76和78每一個上形成棘齒起伏圖案。在這種模式中，保持彈簧46的各自相對端56和58可以變化的壓縮并保持施加不同的力到封裝層50的上表面。
優選地，壓縮保持彈簧46的相對端部56和58使施加到封裝層50表面52上的力能充分提供在法蘭64的底表面和散熱片42之間好的熱接觸，并提供在從封裝40引出的電引線72和74之間的固定電接觸和一對位于在各自散熱片壁76和78之間延伸的PC板表面44上的各自電接觸82和84。如同在本領域的技術人員所知道的，為了示例的方便，在圖2和6中以夸張的比例表示了各自的電接觸82和84。
參考圖3，為了保證保持彈簧46施加到封裝40的力有利地在中央，銷子54優選地相對于層52的上表面在中央。
參考圖4和5，依照發明的更加特定的方面，保持彈簧46由彈性條形成，例如，不銹鋼。為了形成優選的帶狀形式，將一對矩形切口部分92和94以條90的相對端／邊切割。將條90的端部56和58帶著輕度相對扭曲的折疊，使得矩形剪裁部分92和94互相插入。如同本領域的技術人員所知道的，金屬條90的彈性本質導致矩形切口部分92和94的各自外邊緣96和98將條90保持在帶狀形式(最好看圖4)。
如同本領域的技術人員所進一步知道的，因為不使用特殊工具可以完成安裝裝配工藝(例如，不用螺絲或焊接)，工藝容易自動化。為了示例，用于裝配圖2中的安裝結構的示例優選裝配工藝在圖6中描述，由此IC封裝40和保持彈簧46在裝配工藝中可以作為獨立元件引入，如同箭頭100指示的。特別是，把在保持彈簧46的底表面上的缺口62壓配合到封裝層50的中央銷54上，同時封裝插入到散熱片42的壁之間。另外，將保持彈簧46固定到IC封裝層50上，作為獨立的步驟-也就是在IC封裝40固定到散熱片42上之前。
如同在本領域的技術人員進一步知道的，保持彈簧46的彈性本質允許IC封裝40容易從散熱片42上去掉，通過簡單壓縮保持彈簧46的端部56和58使之脫出它們各自的保持缺口66和68，例如使用一對合適的夾子或鉗子。
因而，優選方案已經公開一種改進的用于安裝晶體管封裝到散熱片的結構，例如固定散熱片到PC板。這種發明的方案和應用已經示出和描述，如同對本領域的技術人員知道，很多不偏離發明概念的更多的修正和應用在這里是可能的。
為了示例，在上面描述的優選方案中，示出和描述的封裝層50具有凸匹配(就是銷52)以便安置到在保持彈簧46底部60上的凹匹配(就是，孔62)。對本領域的技術人員容易理解對于這種設計的很多變化是可能的。例如，IC封裝層可以形成向內的凹陷，與保持彈簧組的突起部分匹配或容納。
因而，發明的范圍將在權利要求中限制。
權利要求
1．一種集成電路封裝，包括一個安裝法蘭；一個固定到安裝法蘭的半導體襯底；和一個固定到安裝法蘭表面的覆蓋層，該層基本覆蓋半導體襯底并具有設計放置保持彈簧的外表面。
2．權利要求1的集成電路封裝，其中覆蓋層的外表面有一個基本圓柱型的向外突出的銷子。
3．集成電路封裝和保持彈簧的組合，集成電路封裝包括一個安裝法蘭，一個固定到安裝法蘭表面上的半導體襯底，和一個固定到安裝法蘭表面的覆蓋層，該層基本覆蓋半導體襯底并有設計放置保持彈簧的外表面。
4．權利要求3的組合，其中保持彈簧包括一個有第一和第二相對端部的彈性條，將所述彈性條扭曲使得第一和第二相對端部向上伸出并互相分開以便限定一個曲線底表面，因此保持彈簧固定集成電路封裝到熱傳送表面。
5．權利要求4的組合，其中覆蓋層的外表面有基本圓柱型的向外突出的銷子。
6．權利要求5的組合，其中保持彈簧的底表面包括設計與基本圓柱型的銷子匹配的缺口。
7．一種PC板組件，包括一個散熱片；和一個通過保持彈簧固定到散熱片上的集成電路封裝，所述集成電路封裝包括一個安裝法蘭，一個固定到安裝法蘭的第一表面的半導體襯底，和一個固定到第一安裝法蘭表面的覆蓋層，該層基本覆蓋了半導體襯底并具有設計放置保持彈簧的外表面。
8．權利要求7的PC板組件，其中所述散熱片包括一個具有一對基本平行的突出壁的表面，壁具有相對的側面，壁的相對的每一側面上形成有與散熱片表面基本平行延伸的凹槽。
9．權利要求8的PC板組件，其中每一個相對壁側面包括形成棘齒型起伏圖案的多重凹槽。
10．權利要求8的PC板組件，保持彈簧包括具有第一和第二相對端部的彈性條，其中將彈性條扭曲使得第一和第二相對端部向上伸出并互相分開以便限定曲線底表面，其中保持彈簧的第一和第二相對端部通過在相對壁的側面形成的各個凹槽進行限制，適當保持彈簧的底表面對IC封裝層的外表面施加壓力，由此固定安裝法蘭的第二表面到散熱表面。
11．權利要求10的PC板組件，其中在IC封裝上有保持彈簧施加的壓力導致一個從IC封裝伸出的引線與在PC板上的導電接觸元件形成電接觸。
12．權利要求7的PC板組件，其中保持彈簧包括有第一和第二相對端部的彈性條，其中將彈性條扭曲使得第一和第二相對端部向上伸出并互相分開由此限定曲線底表面。
13．權利要求12的PC板組件，其中覆蓋層的外表面有基本圓柱型的向外突起的銷子，其與保持彈簧的底表面上的缺口匹配。
全文摘要
一個IC元件封裝的保護層的上表面具有中央突起,例如,圓柱型突起,并在保護層上伸出。通過扭曲將彈性金屬帶(例如金屬)變成具有從曲線底表面伸出的相對端部的帶狀形狀以形成保持彈簧。保持彈簧的底表面具有一個用于匹配在封裝層上中央突起的開口,使得保持彈簧的相對端部從封裝層以基本相同的、相反的角度伸出。為了安裝IC封裝到散熱片,將保持彈簧的底表面壓配合到封裝層上,同時將封裝插入到兩個從散熱片表面突出的兩個基本平行的壁之間,其中壁互相保持距離使得當封裝插入到相對散熱片表面插入時,產生適當的彈簧相對端部互相向內的壓縮。兩個壁的相對表面具有基本平行于散熱片表面的在棘齒型釋放模式的多重缺口,使得當IC封裝固定到散熱片上時,保持彈簧的相對端部由各自的缺口保持位置。
文檔編號H01L23/40GK1283307SQ98812547
公開日2001年2月7日 申請日期1998年10月5日 優先權日1997年10月22日
發明者L·C·萊頓, T·W·莫勒爾, B·阿爾 申請人:艾利森公司