焊接的散熱器緊固件和使用方法
2023-09-18 10:06:25 1
專利名稱：焊接的散熱器緊固件和使用方法
領域本發明涉及印製電路板的領域。更具體地說，本發明涉及用於印製電路板的散熱器緊固件。
背景無法通過將封裝簡單地暴露在系統內的環境空氣中來充分地冷卻的集成電路(IC)可採用能夠除去額外熱量的機構，以便正確地操作並滿足可靠性的壽命要求。一種機構是在IC上放置具有較大表面積的金屬散熱器。這樣就可以增大暴露在空氣中的表面積，並增加從IC中傳出的熱量，從而將其溫度保持在允許的最大值之下。為了有效地散熱，散熱器保持與IC牢固地接觸，或者與和IC接觸的熱界面材料(例如膠帶或油脂)牢固地接觸。
用於固定散熱器的各種機構包括使用傳熱膠帶，並施加外力以將IC和散熱器夾在一起。外力機構為向下壓在散熱器上。也可以多種方式施加相反的向上力，包括(1)在IC自身的底部的下方向上拉，(2)在IC插座(如果使用了插座的話)的下方向上拉，以及(3)在安裝有IC的電路板的下方向上拉(與是否使用了插座無關)。
散熱器的質量是決定是否採用向上拉機構的一項因素。較小質量的散熱器可用膠帶來固定，或者用可將IC或其插座(如果使用了的話)向上拉的夾緊機構來固定。然而，較大的散熱器需要比這些機構所能提供的大得多的夾緊力。這是因為在振動期間，更大的質量部分產生了更大的分離力。較大功率器件(例如高速處理器和晶片組元件)所需的較大散熱器可採用將電路板向上拉的機構。
將電路板向上拉的一種機構是將一個通孔安裝(THM)緊固件人工地插入到電路板的電鍍通孔(PTH)中，並在板的底部通過波峰焊時對其引腳(或支腳)進行波峰焊，以便將所有其它的THM元件機械式和電氣式地連接到板上。THM緊固件設計的一個例子是倒馬蹄形的粗線設計，其引腳(或尖端)插入到板的PTH中。馬蹄形的彎曲部分用作連接或固定散熱器夾緊裝置的固定點。夾緊裝置施加力，以便使散熱器在靜態條件和較大力的振動動態條件下與IC保持牢固的接觸。
令人遺憾的是，靜態力和由振動引發的動態力會導致焊點產生蠕變，導致焊接裂紋並最終導致緊固件失效，這就使得該夾緊機構失效，還會導致散熱器和IC之間喪失接觸，並最終導致IC、電路板和系統失效。
附圖簡介在結合附圖閱讀時，可從示例性實施例的下述詳細描述和權利要求書中清楚上述內容並更好地理解本發明，所有這些均形成了本發明公開的一部分。雖然上述和下述書面及所示的公開內容集中於公開本發明的示例性實施例，然而應當清楚地理解，它們只是說明性的和示例性的，本發明並不限於此。
下述內容為附圖的簡短介紹，其中相同的標號表示相同的元件，在圖中
圖1顯示了將通過散熱器夾緊裝置來連接到通孔安裝緊固件上的散熱器；圖2顯示了通孔安裝緊固件；圖3顯示了在焊接後具有彎曲支腳的通孔安裝緊固件；圖4顯示了根據本發明的一個示例性實施例的通孔安裝緊固件；圖5顯示了根據本發明的一個示例性實施例的在插入到印製電路板中的期間的圖4所示的通孔安裝緊固件；圖6顯示了根據本發明的一個示例性實施例的在插入到印製電路板後的圖4所示的通孔安裝緊固件；
圖7顯示了根據本發明的一個示例性實施例的在波峰焊之後的圖4所示的通孔安裝緊固件；和圖8是顯示了根據本發明的一個示例性實施例的用於將元件固定到印製電路板上的操作的流程圖。
詳細描述在下述詳細介紹中，採用相同的標號和符號來在不同的圖中表示相同、對應或類似的元件。另外，在下述詳細描述中將介紹示例性的實施例，然而本發明並不限於此。
圖1顯示了將散熱器30連接到印製電路板(PCB)10上的一個機構。更具體地說，圖1顯示了將通過夾緊裝置連接到通孔安裝緊固件上的散熱器30。在該示例中，散熱器30設置在IC20上以從IC20中散熱。散熱器30可通過使用夾緊裝置40和通孔緊固件46而固定在印製電路板10上。雖然圖1顯示為在散熱器30的超過一個側面上使用夾緊裝置40和通孔緊固件46，然而下述描述僅涉及到裝置的一個側面。
夾緊裝置40可包括彈性偏壓的臂部分42，其可通過多種眾所周知的方式牢固地固定到散熱器30上。夾緊裝置40可包括鉤部分44，其形成為鉤子的形式並與通孔緊固件46相連。夾緊裝置40可以不包括鉤部分44，而是包括任何類型的可將彈性偏壓的臂部分42固定到通孔緊固件46上的機構。通孔緊固件46包括用於接受鉤部分44(或其它類型的連接構件)的環部分48、第一支腳52和第二支腳54。第一支腳52顯示為穿過印製電路板10的第一孔，第二支腳54顯示為穿過印製電路板10的第二孔。一旦第一支腳52和第二支腳54設置成穿過印製電路板10上的相應孔，就可對印製電路板10的底部進行波峰焊(或應用任何其它眾所周知的方式)，以便將通孔緊固件46緊固在印製電路板10上。在焊料適當地硬化後，鉤部分44便可環繞或連接在環部分48上，從而將夾緊裝置40固定在通孔安裝46上。這樣就將散熱器30固定在印製電路板10上。
圖2顯示了如圖1所示的通孔安裝緊固件46。更具體地說，圖2顯示了環部分48、第一支腳52和第二支腳54。第一支腳52顯示為穿過印製電路板10的第一孔72，第二支腳54顯示為穿過印製電路板10的第二孔74。圖2還顯示了基體部分60，其也連接在緊固件46上以防止環部分48向下壓得太靠近印製電路板10。在第一支腳52和第二支腳54分別穿過第一孔72和第二孔74之後，可通過波峰焊或其它眾所周知的焊接元件的方法來在第一孔72和第二孔74中提供焊料80。然而，該機構的一個問題是，如果隨著時間和溫度而施加足夠的向上力(如箭頭A)，那麼第一支腳52和第二支腳54可能會被從孔72和74中拉出來。
為了克服這一問題和/或其它問題，圖3顯示了一種改進的緊固件，這種改進是通過將各支腳52和54朝向印製電路板10的底面彎曲來實現的。這就允許緊固件支腳52和54向上直接靠在電路板10的底部上，從而減小了作用在焊點上的向上力。更具體地說，圖3顯示了第一支腳54上的彎曲部分56和第二支腳54上的彎曲部分58。彎曲部分56和58需要在將緊固件46插入到印製電路板10的通孔72，74中之後但在對電路板10進行波峰焊之前進行額外的加工。這可能需要額外的人工、額外的加工和生產線上的額外工作空間，這就增加了總裝配成本。通過要求在生產線上工作的人員來進行這一操作就可避免額外的人工。然而，這會降低生產線能力，也增加了總裝配成本。
本發明的實施例提供了一種通孔安裝緊固件，其在板和散熱器組件受到振動或受到溫度下的拉離力時提供了更大的拉離阻力。雖然這些實施例是針對將散熱器固定到印製電路板上來進行介紹的，然而本發明並不限於這些元件。通過形成能夠增加緊固件和焊料之間的接觸面積的更高波峰焊接頭，可以實現更大的拉離阻力。THM緊固件可提供的抗拉離力的大小是緊固件引腳和焊料之間的界面面積的函數。本發明的實施例形成了一種大得多的焊腳，因而提供了大得多的界面面積，從而提供了更大的拉離阻力。緊固件可包括焊料保持部分(在下文中稱為可壓縮部分)，其可保持比圖1-3所示緊固件46更大體積的焊料。該焊料保持部分(位於支腳的尖端上)為敞開式設計(例如網篩)，其在將緊固件支腳插入到通孔中時被壓縮，然後在波峰焊工藝期間膨脹成可捕獲額外焊料的形狀(例如錐體)。因此，焊料保持部分可提供額外的抗拉離力。因此，本發明的實施例可允許通孔安裝緊固件抵抗更大的拉離力，無須在波峰焊之前在印製電路板的背面上進行輔助操作。
圖4顯示了根據本發明的一個示例性實施例的通孔安裝緊固件。通孔安裝緊固件的其它實施例和結構也屬於本發明的範圍內。更具體地說，圖4顯示了這樣一種緊固件100，其包括環部分110、第一支腳120、錐形倒刺125、第二支腳130和錐形倒刺135。錐形倒刺125設置在第一支腳120上的與環部分110相反的端部(或尖端)，而錐形倒刺135設置在第二支腳130上的與環部分110相反的端部(或尖端)。錐形倒刺125，135可提供且執行下述功能(1)錐形倒刺125，135在其被插入到印製電路板的通孔中時被壓縮；(2)錐形倒刺125，135在穿過通孔之後膨脹；以及(3)錐形倒刺125，135可捕獲並支撐倒刺尖端和印製電路板底面之間的焊料。緊固件100(包括錐形倒刺125，135)可由可焊材料如任何類型的眾所周知的金屬製成。錐形倒刺125，135可與環部分110、第一支腳120和第二支腳130形成一體，或者錐形倒刺125，135可單獨地形成並之後連接到第一支腳120和第二支腳130的尖端上。當不受壓縮時，錐形倒刺125和135膨脹到比相關通孔更大的直徑。在插入到通孔中時，錐形倒刺125和135被壓縮到比通孔稍窄的直徑。
圖5顯示了在緊固件100被插入到印製電路板10中時的通孔安裝緊固件100。圖5清楚地顯示了錐形倒刺125在被插入到第一通孔140中時被第一通孔140的壁壓縮，還顯示了錐形倒刺135在被插入到第二通孔150中時被第二通孔150的壁壓縮。
在穿過這些孔後，錐形倒刺125，135膨脹到其未壓縮的狀態，其中它們具有比相關通孔的直徑更大的寬度。圖6顯示了分別膨脹到比通孔140和150的直徑更大的寬度的錐形倒刺125和135。更具體地說，距離B代表第一通孔140的直徑，距離C表示處於未壓縮狀態下的倒刺的直徑。所示的第一支腳52和第二支腳54延伸到印製電路板10的底面15之下，使得在錐形倒刺125和印製電路板10的底面15之間形成了空間145，在錐形倒刺135和印製電路板的底面15之間形成了空間155。之後可在空間145和155中填充焊料，以便提供更長的焊料-引腳界面。與不具備這些特點的設置相比，這些額外的焊料提供了額外的抗拉離力。支腳52和54延伸到印製電路板10的底面15之下的距離可根據基體部分60固定在支腳52，54上的位置而定。
圖7顯示了根據本發明一個示例性實施例的在波峰焊之後的通孔安裝緊固件100。其它類型的焊接也屬於本發明的範圍內。更具體地說，圖7顯示了處於錐形倒刺125和印製電路板10的底面15之間(以及第一通孔140中)的焊料160。圖7還顯示了處於錐形倒刺135和印製電路板10的底面15之間(以及第二通孔150中)的焊料170。來自波峰焊工藝的熔融焊料可在支腳52和54與通孔140和150的壁之間通過毛細作用而被向上吸。一些焊料可形成位於印製電路板10之上的頂部焊腳。如果安裝緊固件承受到向上的力的話(如箭頭A所示)，那麼印製電路板10的底面15和錐形倒刺125，135之間的焊料160，170可提供額外的抗拉離力。錐形倒刺125和135捕獲並保持了額外的焊料，從而為緊固件100提供了更大的強度。這樣就提供了大得多的焊料-緊固件界面(其從基體部分60的底部到錐形倒刺125和/或135的尖端來測量)。
圖8是顯示了根據本發明一個示例性實施例的用於將元件(如集成電路)固定到印製電路板上的操作的流程圖。其它的實施例、結構和操作順序也屬於本發明的範圍內。更具體地說，在框202中，將緊固件插入到印製電路板中，使得焊料保持部分(如錐形尖端)在穿過印製電路板中的孔時被壓縮。在框204中，焊料保持部分在穿過印製電路板中的孔後擴大到未壓縮的狀態。在框206中，對緊固件和其它進行波峰焊，以便將它們固定到印製電路板上。在框208中，將散熱器置於集成電路上，在框210中，將夾緊裝置置於散熱器上。然後在框212中，將夾緊裝置固定在緊固件上。
因此，本發明的實施例提供了位於通孔安裝緊固件的引腳端部處的倒刺形尖端(圖4)。倒刺形尖端可設計成當緊固件從板一側插入時其稍稍壓縮(圖5)，然後當緊固件從板的另一側離開時其稍稍膨脹(圖6)。倒刺設計成當對板進行波峰焊時其能夠吸引並保持相當大量的焊料(圖7)。未修正過的尖端(圖2)可以焊腳的形狀來保持正常量的焊料，而本發明實施例所述的錐形倒刺可產生更高、更寬的錐形焊料沉積。這就導致了具有更大表面積的焊料-緊固件-引腳界面。界面表面積可等於緊固件引腳的周長乘以從頂部焊腳(位於印製電路板10的上方)的頂部到底部焊腳的底部的距離。與未修正過的尖端相比，該較大的表面積可導致在振動和溫度下更大的拉離力。
錐形倒刺尖端可以任意方式來構造，包括構造成支腳的一個整體部分或可連接到支腳上的單獨部分。錐形倒刺尖端可通過切開並摺疊支腳材料的後部來製成。倒刺可由彈性接觸材料如鈹銅的衝壓圓片來製成。圓片的中心可連接到引腳尖端上，圓片的其餘部分可形成為倒刺的分支。
尖端的其它形狀和構造也屬於本發明的範圍內。也就是說，本發明的實施例還可應用到任何在插入到孔中時壓縮、在穿過孔後膨脹並能以與上述類似的方式保持焊料以便保持較大體積的焊料的尖端中。
因此，本發明的實施例可提供一種安裝到印製電路板上的緊固機構。緊固機構包括環件、從環件中延伸出來的第一支腳，以及從該支腳中延伸出來的第二支腳。第一支腳可穿過印製電路板的第一孔而安裝，並包括在插入到第一孔中時壓縮且在穿過第一孔後膨脹的可壓縮部分(或焊料保持部分)。該可壓縮部分可支撐緊固機構和第一孔之間的焊料。第二支腳可穿過印製電路板的第二孔而安裝，並包括在插入到第二孔中時壓縮且在穿過第二孔後膨脹的可壓縮部分(或焊料保持部分)。該可壓縮部分可支撐緊固機構和第二孔之間的焊料。
本說明書中的用語「一個實施例」、「實施例」、「示例性實施例」等意味著與該實施例有關的特定特徵、結構或特性均包括在本發明的至少一個實施例中。這些用語在本說明書中的不同位置處的出現並不要求全部引用這一相同的實施例。另外，當介紹與任何實施例有關的特定特徵、結構或特性時，可以認為在本領域的技術人員的知識範圍內，其能夠在其它實施例中實施這種特徵、結構或特性。此外，為了容易理解，將一定的方法步驟描述成單獨的步驟；然而，這些單獨描述的步驟不應被理解成與其執行有關的必要順序。也就是說，一些步驟能夠以其它的順序或同時地進行。
雖然已經參考本發明的多個說明性實施例來介紹了本發明，然而可以理解，本領域的技術人員可以設計出屬於本發明原理的精神和範圍內的大量其它的修改和實施例。更具體地說，在不脫離本發明的精神的前提下，可在上述公開、附圖和所附權利要求的範圍內對題述組合裝置的元件部分和/或設置進行合理的變更和改進。除對元件部分和/或設置的變更和改進之外，其它的應用對本領域的技術人員來說也是顯而易見的。
權利要求
1.一種裝置，包括具有第一表面和第二表面的印製電路板；可安裝到所述第一表面上的元件；和用於將所述元件固定到所述印製電路板上的機構，所述機構包括與所述元件相連的夾緊裝置和與所述印製電路板相連的通孔安裝緊固件，所述夾緊裝置可與所述緊固件相連，以便將所述元件固定到所述印製電路板上，所述緊固件包括從所述印製電路板的所述第一表面中延伸出來的環部分，以及延伸穿過所述印製電路板的第一通孔且從所述第二表面中延伸出來的第一支腳，所述第一支腳包括可壓縮部分，其可在插入到所述第一孔中時壓縮且在穿過所述第一孔後膨脹，所述可壓縮部分可支撐所述可壓縮部分和所述第二表面之間的焊料。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述通孔安裝緊固件還包括延伸穿過所述印製電路板的第二通孔且從所述第二表面中延伸出來的第二支腳，所述第二支腳包括可壓縮部分，其可在插入到所述第二孔中時壓縮且在穿過所述第二孔後膨脹，所述壓縮部分可支撐所述可壓縮部分和所述第二表面之間的焊料。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述可壓縮部分包括設於所述第一支腳的端部處的錐形倒刺。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述可壓縮部分可膨脹到超過所述第一孔直徑的距離。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述可壓縮部分與所述第一支腳形成一體。
6.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述可壓縮部分形成為與所述第一支腳部分分開。
7.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述機構包括金屬物質。
8.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述可壓縮部分延伸到所述印製電路板的所述第二表面之下，所述焊料設於所述可壓縮部分和所述第二表面之間以及所述第一支腳和所述第一孔的壁之間。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於，所述壁包括電鍍通孔的壁。
10.一種裝置，包括具有第一表面和第二表面的印製電路板，所述印製電路板包括在所述第一表面和所述第二表面之間延伸的第一孔；可安裝到所述第一表面上的元件；和用於將焊料保持在所述第一孔中和所述第二表面上的機構，所述保持機構包括可與所述元件相連的臂和與所述印製電路板相連的通孔安裝緊固件，所述臂可連接到所述緊固件上以將所述元件固定到所述印製電路板上，所述通孔安裝緊固件包括從所述印製電路板的所述第一表面中延伸出來的環件，以及延伸穿過所述印製電路板的所述第一孔且從所述第二表面中延伸出來的第一支腳，使得焊料被保持在所述第一孔中和所述第二表面上。
11.根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於，所述第一支腳包括可在插入到所述第一孔中時壓縮且在穿過所述第一孔後膨脹的機構，所述可壓縮的機構可將焊料支撐在所述第二表面上。
12.根據權利要求11所述的裝置，其特徵在於，所述可壓縮的機構包括設於所述第一支腳的端部處的錐形倒刺。
13.根據權利要求11所述的裝置，其特徵在於，所述可壓縮的機構可膨脹到超過所述第一孔直徑的距離。
14.根據權利要求11所述的裝置，其特徵在於，所述可壓縮的機構與所述第一支腳部分形成一體。
15.根據權利要求11所述的裝置，其特徵在於，所述可壓縮的機構與所述第一支腳的其它部分分開地形成。
16.根據權利要求11所述的裝置，其特徵在於，所述可壓縮的機構延伸到所述印製電路板的所述第二表面之下，所述焊料設於所述可壓縮的機構和所述第二表面之間以及所述第一支腳和所述第一孔的壁之間。
17.一種可安裝到印製電路板上的緊固機構，所述緊固機構包括環件和從所述環件中延伸出來的第一支腳，所述第一支腳可穿過所述印製電路板的第一孔而安裝，並包括可壓縮部分，其可在插入到所述第一孔中時壓縮且在穿過所述第一孔後膨脹，所述可壓縮部分可支撐所述緊固機構和所述第一孔之間的焊料。
18.根據權利要求17所述的緊固機構，其特徵在於，所述緊固機構還包括從所述環件中延伸出來的第二支腳，所述第二支腳可穿過所述印製電路板的第二孔而安裝，並包括可壓縮部分，其可在插入到所述第二孔中時壓縮且在穿過所述第二孔後膨脹，所述可壓縮部分可支撐所述緊固機構和所述第二孔之間的焊料。
19.根據權利要求17所述的緊固機構，其特徵在於，所述可壓縮部分包括設於所述第一支腳的端部處的錐形倒刺。
20.根據權利要求17所述的緊固機構，其特徵在於，所述可壓縮部分可膨脹到超過所述第一孔直徑的距離。
21.一種使用緊固機構來固定元件的方法，所述方法包括在將所述緊固機構的焊料保持部分插入到印製電路板的孔中時壓縮所述焊料保持部分；使所述焊料保持部分穿過所述孔；在所述焊料保持部分穿過所述孔之後擴大所述緊固機構的所述焊料保持部分，使得所述焊料保持部分比所述孔的直徑更大；和通過在所述印製電路板的表面和所述焊料保持部分之間的區域上以及所述孔內的區域上施加焊料來將所述緊固機構緊固到所述印製電路板上。
22.根據權利要求21所述的方法，其特徵在於，所述焊料保持部分包括錐形倒刺。
23.根據權利要求21所述的方法，其特徵在於，所述焊料沿著所述印製電路板的所述表面通過波峰焊來施加。
24.根據權利要求21所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括將夾緊裝置連接到緊固於所述印製電路板上的所述緊固機構上。
25.一種緊固機構，包括環件、從所述環件中延伸出來的第一支腳和從所述環件中延伸出來的第二支腳，所述第一支腳包括位於所述第一支腳的尖端上的第一焊料保持部分和位於所述第二支腳的尖端上的第二焊料保持部分。
26.根據權利要求25所述的緊固機構，其特徵在於，所述第一焊料保持部分可在插入到孔中時壓縮且在穿過所述孔後膨脹，所述第一焊料保持部分可支撐所述第一焊料保持部分和所述孔之間的焊料。
27.根據權利要求25所述的緊固機構，其特徵在於，所述第一焊料保持部分包括錐形倒刺。
28.根據權利要求25所述的緊固機構，其特徵在於，所述第二焊料保持部分可在插入到孔中時壓縮且在穿過所述孔後膨脹，所述第一焊料保持部分可支撐所述第二焊料保持部分和所述孔之間的焊料。
全文摘要
提供了一種用於將元件固定到印製電路板上的緊固機構和方法。緊固機構可包括環件、從環件中延伸出來的第一支腳和從環件中延伸出來的第二支腳。第一支腳可穿過印製電路板的第一孔而安裝，並包括可在插入到第一孔中時壓縮且在穿過第一孔後膨脹的可壓縮部分。第一支腳的可壓縮部分可支撐緊固機構和第一孔之間的焊料。類似的，第二支腳可穿過印製電路板的第二孔而安裝，並包括可在插入到第二孔中時壓縮且在穿過第二孔後膨脹的可壓縮部分。第二支腳的可壓縮部分可支撐緊固機構和第二孔之間的焊料。
文檔編號H05K3/30GK1592967SQ02823333
公開日2005年3月9日 申請日期2002年8月8日 優先權日2001年9月28日
發明者G·阿里戈蒂, T·皮爾遜, R·阿斯帕迪爾, C·庫姆斯 申請人:英特爾公司