专利名称：热增强的插入物及方法
技术领域：
本发明涉及用于电子系统中热扩展及散热的装置，尤其是涉及用以从半导体芯片及其载体上将热量传导开并包括承座格栅阵列的散热装置。
背景技术：
电子电路及其半导体器件的效能受到温度的限制。当内部温度到达或超过特定限制时半导体器件的效能将会降低。这种限制视半导体器件的种类而定。在典型的电子器件内通常有许多的半导体相关热源2，例如，中央处理单元或“CPU”2(图1)。安装到印刷电路板或布线板(PCB 4)上的其他的有源半导体器件3以及甚至流经电路路径5的电流，介于中央处理单元2与印刷电路板4(芯片载体，插入物等等)之间的连接装置产生热量。
为了维持或增加这些器件的效能，它们必须以一些方法散热。散热的方式取决于许多参数，包括用于散热程序的可用空间、所遭遇到的温度等等。在一些实例中，简单地在器件上或，在连接至该器件上地有鳍的散热片上通过液体，就足以维持半导体器件在安全的操作温度。在一个已知的半导体器件散热技术中，对流鳍片连接至半导体封装，或封装粘贴到称为散热片或冷却板的较大金属构件上。散热片从半导体器件将吸取开热量且可以气冷或液体冷却，取决于特定的应用。如果散热片是气冷的则典型上具有热对流鳍片。
现今的电子设备包括各种有源、热产生半导体元件，所述元件需要使用连接装置以与印刷电路板电连接。如该技术中所熟知的，“承座格栅阵列”(land grid array)或“针脚格栅阵列”是这样的连接装置的范例，且被使用于当将被连接的有源元件具有多个触点，所述多个触点被以规则型态排列。其它连接装置，大家所知道的“插入物”，连接器(如图1中标号6所示)典型上包括支撑在扁平壳体内的一阵列触点、元件、或垫片以便从该上表面及底表面突出。插入物6被放置在有源元件2及印刷电路板4之间，或两个印刷电路板之间，且提供相应位置接触垫之间的电连接。描述在现有技术中的承座格栅阵列的插入物可能通常包括弹簧或导电按钮，它们插入位于绝缘壳体中的适当定位孔阵列内。
例如，在此作为参考的美国第6,264,476号专利案中，揭露了用于承座格栅阵列的插入物，其包括介电壳体，其具有一阵列或格栅的孔及弹性导电按钮，所述弹性导电按钮分布在一个或多个孔中。在此作为参考的美国第6,312,266号专利案中，揭露了载体以提供单独接触构件的保持力的改良，该改良导致了承座格栅阵列的插入物连接器具有改良的可制造性、可靠性及更一致的机械及电效能。在一实施例中，该载体包括具有粘结剂层在其中间的上部及下部介电材料。其它可能有关的现有技术包括美国第5,528,456、5,705,850、6,299,460、6,304,451、6,078,500及6,317,326号专利案。
为数众多的电子系统需要经由连接器及芯片载体将更多的电流送至半导体器件阵列。这对具有时脉超过1GH2的处理器的当今技术的主板是特别真实的。例如，在每一新一代的微处理器中，为数众多的晶体管被包装在一个模中，其产生非常多的热量，且使封装的热阻抗危急。而且，缩小半导体模大小的趋势已导致较高的电源密度，这损害了封装散热的效能。
在本领域的技术中需要一种承座格栅阵列插入物连接器，其具有改良的可制造性、可靠性及及更一致的机械及电效能，且其经由有效热传递特性提供增强热管理能力。
发明内容
本发明提供一种热扩展插入物，它适合与电子元件一起使用，所述电子元件包括使用承座格栅阵列及针脚格栅阵列的元件。在该热扩展插入物的一个实施例中，至少一个电接触元件由壳体支撑，该壳体包括叠层。层压壳体包括由至少一个介电材料层支撑的至少一个热传导材料层，从而至少一个电接触元件的一部分与至少一个热传导材料层进行热交流。
在本发明的另一个实施例中，提供一种热扩展插入物，包括多个电接触元件，每一个电接触元件具有第一端及一第二端。所述电接触元件由一壳体支撑，以便第一端从壳体的第一侧向外凸出而第二端从壳体的第二侧向外凸出。壳体由至少一个热传导材料层形成，所述热传导材料层由至少一个介电材料层支撑，以便所述多个电触点元件中的每一个的一部分与至少一个热传导材料层进行热交流。在本发明的一个方面中，介电材料包括注塑聚合物，所述聚合物设置在实质上围绕构成至少一个热传导材料层的引线框架周围。
提供一种在连接装置中的热扩展方法，其中提供一个插入物，其包括由壳体支撑的多个电触点。壳体由至少一个热传导材料层形成，所述至少一个热传导材料层放置在两个介电材料层之间以便所述多个电触点元件中的每一个的一部分与至少一个热传导材料层进行热交流。插入物放置于电子器件及印刷电路板之间以便从电子器件及其他热产生元件经由该至少一个热传导材料层将热传导开。
通过下面结合附图对本发明优选实施例的详细描述，本发明的这些和其他特点和优点将被完全批露或更加明显，其中相同的标号表示相同的部件，其中图1为现有技术的包括插入物的电子封装的侧视图；图2为用于图1中的插入物的接触按钮的透视图；图3是依据本发明实施例所形成的电子组件；图4是图3中电子组件沿图3中线4-4的断面图；图5是放置在电子组件中的热扩展插入物的另一实施例视图；图6是图5中电子组件沿图5中线6-6的断面图；图7是依据本发明实施例所形成的电子组件；图8是图7中电子组件沿图7中线8-8的断面图；图9是引线框架之上的通过插入模压聚合物形成的替代壳体的断面图；图10和图11是根据本发明的多个介电材料层及多个热传导材料层的局部拆分透视示意图，其中所述多个介电材料层及多个热传导材料层被放置以便层压在一起形成一个或多个层压壳体；图12是根据本发明所形成的层压壳体的截面透视图；图13是与图6类似的断面图，但示出了将翼片连接至根据本发明所形成的层压壳体的替代方法；图14是半导体芯片的透视图，该半导体芯片连接至放置在根据本发明所形成的针脚格栅阵列插槽之上的针脚格栅阵列；以及图15是图14中的针脚格栅阵列插槽沿线15-15的断面图。
具体实施例方式
优选实施例的描述要与附图结合在一起阅读，其被考虑为本发明整体描述的一部分。所绘附图并不需要按比例布置且为了清楚及简洁起见本发明的某些功能可能在大小上被过大的显示或在某些附图中形成。在此描述中，相关术语，例如，“水平”、“垂直”、“上”、“下”、“顶”，和“底”以及它们的派生术语(例如“水平地”，“向下地”、“向上地”等等)，应当解释为在下面的讨论中描述或显示在附图中的方位。这些相关术语是为了方便描述且通常并不旨在需要特定方向。适当时，包括“向内地”相对于“向外地”，“纵向地”相对于“横向地”及类似者的术语将被解释相对于其他一个或相对于延长的轴线，或轴线或旋转的中心。除了特别地描述外，否则关于附着，耦合及类似者，例如“连接的”及“互连的”的术语是指一种关系，其中结构是通过中介结构直接或间接地紧固或附着另一个上，以及可移动或刚性附着或关系。术语“可操作的连接”是这样一种附着，耦合或连接，即允许相关的结构能够通过这种关系如期望地操作。在该申请中，装置加功能条款是通过所描述或示出地预期去涵盖所描述的结构、建议或明显的表达以执行所列举的功能，不仅包括结构性等效而且包括等效性结构。
参照图3，半导体热源2通过包括散热片12的电子组件10有效地与印刷电路板4连接，且包括根据本发明所形成的承座格栅阵列的插入物16。更特别地，散热片12可能包括任何已知的结构用以从电子元件移除热量，例如冷却板、有鳍的散热槽、散热管、或大家所熟知的热管理结构的一些组合。
半导体热源2通常是大尺寸集成电路(LSI)或非常大尺寸的集成电路(VLSl)，通常在装置的非常小范围的部分，在本领域中被称为“热点”(hot spots)，这些集成电路每平方厘米会产生数百瓦的热流是大家所熟知的。当然，其他热产生元件3及结构(例如，电路路径5或电接触元件)可能在电子组件10内被互连。例如，单独印刷电路板在电子组件10内可以被连接或互连，所述印刷电路板携带多种热产生元件3，其他的电子封装、芯片载体、或电路载体，例如，显示在图14及15中的针脚格栅阵列(PGA)11或类似者。
半导体热源2典型包括多个接触垫21，所述接触垫以阵列方式排列在至少一表面上(图1)。此阵列与印刷电路板4相对表面上的另一接触垫23阵列在大小、形状及型态上相符合。所述多个接触垫21与接触垫23阵列的电子及机械通过允许电源及信号在半导体热源2及电子系统剩余的元件间传送连接完成电路。必须了解的是由于所述接触垫21及接触垫23之间的电及机械界面处的电阻加热将在电子组件10内产生显著量的热量。此电阻加热是通过在小区域范围内定位接地及电源触点以便携带大量电流负载的许多接触垫21及接触垫23彼此相邻的工业趋势邻近激起的。这种布置创造出了“连接热点”。通过允许将这些在“热点”产生的热量扩散穿越整个承座格栅阵列插入物16，本发明承座格栅阵列插入物理想地适合去解决本领域中的问题。
参照图2至图4，本发明承座格栅阵列插入物16包括多个安装在层压壳体26内的弹性导电接触按钮24。更具体地，每一个导电接触按钮24包括柔性的导电元件32，该导电元件32围着可压缩绝缘芯体34缠绕。可压缩的绝缘芯体34从导电接触按钮24的第一端36延伸至第二端37，且典型包括绝缘纱线或其他适合的介电材料。可压缩的外壳38围绕该柔性的导电元件32，且与柔性的导电元件32及可压缩的绝缘芯体34接触。可压缩的外壳38最佳是由弹性体形成，例如，硅橡胶、氯丁橡胶，或聚丁二烯。柔性的导电元件32及可压缩的绝缘芯体34被嵌入到可压缩的外壳38中，因此外壳-导电元件接合实质上沿着柔性的导电元件32的整个长度进行。
选择柔性导电元件32的刚度，以便当导电接触按钮24被弹性地压缩时，介于柔性的导电元件32、可压缩的绝缘芯体34、可压缩的外壳38之间的界面区域在柔性的导电元件32及可压缩的外壳38内创造出实质上相应的位移。这允许第一端36及第二端37分别建立并维持与热源2及印刷电路板4的接触垫23的相对位置接触垫21的接触。
当半导体热源2与印刷电路板4对齐且承座格栅阵列插入物16放置在它们之间时，导电接触按钮24被压下以便形成接触垫21及接触垫23阵列之间的电连接。当维持所述阵列电触点之间良好的电接触时，导电接触按钮24的弹性允许所述元件上某种程度的不平坦。
参照图3-13，层压壳体26通过将多个介电材料层50及多个热传导材料层52层压到一起，即重叠介电材料层50及热传导材料层52的插入层而有利地形成(图10)。更明确地说，介电层50典型包括电绝缘材料，例如环氧-玻璃或聚酰胺基绝缘材料，例如FR4。这些材料是较佳的，因为它们的热膨胀系数(CTE)与周围结构地热膨胀系数实质上相匹配。典型地，每一个介电层50将具有约0.03至0.07英寸地厚度，且较佳是0.05英寸。
至少一个热传导材料层52被放置或夹在两个相邻介电层50之间(图4)。每一个热传导材料层52包括有效热传递材料，例如金属，如铜、铝等等，但可以是任何热传导材料且可与一个或多个介电层50层压在一起。在一个较佳实拖例中，每一个热传导材料层52大概使用两盎司地铜。典型地，每一个热传导材料层52将具有约0.01至0.05英寸地厚度，且较佳是约0.03英寸。
层压壳体26可以制成一系列单个的独壳体，其中多个介电及热传导材料层被层压在一起以形成单个壳体(图10)。换句话说，层压壳体26形成为大量生产程序的一部分，其中多个单独的介电层54是由介电材料片55预先形成的(图11)。每一单独的介电层54通过金属带51保持在矩阵中。介电材料片55然后与多个热传导材料层52层压在一起以便形成多个层压壳体26。在后续处理步骤中，单独的层压壳体26可能通过简易的分离金属带51从介电片55释放。该技术允许插入物16的改良的可制造性、可靠性及更一致的机械及电气特性。
当然，必须了解的是也可以通过经由传统的注塑在聚合物壳体53内插入模制一个或多个热传导材料层52形成替代性壳体(图9)。LGA插入物16的注塑壳体53可能由大家所熟知的聚合物材料中的一种所形成，该聚合物材料适合使用在电子连接系统中，例如，聚卤代烯烃、聚酰胺、聚烯烃、聚苯乙烯、乙烯类聚合物、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚脂、聚二烯、多氧化物、聚酰胺和聚硫化物及它们的混合物、共聚物及它们的取代衍生物。
本发明的一个优选实施例可通过精确且正确无误地在层压壳体26中钻出一个阵列的孔56形成(图12)。通过钻孔工艺形成的孔56可能被使用，或可能具有热传导体，该热传导体电沉积到限定孔的层压壳体26的表面上以便形成热传导衬垫57。当然，在本领域中大家所熟知的其他技术也可被使用以形成孔56，例如，利用一个或一系列光致抗蚀剂掩模的化学蚀刻，或其他化学碾磨工艺或激光钻孔方法。根据本发明，如果在形成LGA插入物中使用插入注模壳体53，孔56及衬垫57将形成一个或多个引线框架58的一部份，引线框架58也形成热传导层52(图9)。在注入聚合物之前引线框架58被放置到注模的腔体中。此技术是常规的，且在用于连接装置生产的插入注模技术领域内是大家所熟知的。
在任何情形中，接触按钮24安装至每一个孔56中以便形成LGA插入物16。在此方法中，或通过每一个孔56内的衬垫57进行热交流(固4)，或通过与每一个热传导材料层52环状边缘的直接热交流(图8)，每一个热传导材料层52的环状的边缘与每个接触按钮24的一部分热接合。特别是，当每一个接触按钮24安装至孔56中，可压缩外壳38的外表面接合衬垫57或每一个热传导材料层52的环状边缘。这些布置中的任一个将每一个接触按钮24放置的与每一个热传导材科层52热传递交流。当LGA插入物16放置在电子组装10内，且电源被提供至半导体热源2，热传导材料层52将局部区域中与某些接触按钮24接合的热点所产生的热量传递并扩展至一个或更多个与这些热点隔离的接触按钮24。
在印刷电路板4具有足够的热阻的情形中，由半导体热源2产生且经由接触按钮24扩展的热能将被消散。然而，如果印刷电路板4不具有足以消散热能所需的能力，一个或更多个热传导材料层52的大小可能大于LGA插入物16以便形成一个或更多个翼部60。参照图5-8，翼部60可通过层压一个或更多个热传导材料层52形成，所述热传导材料层的大小超过介电层50的长度、宽度或两者以便形成层压壳体26或模制壳体53。在此方法中，翼邻60从层压壳体26或模制壳体53的一个或多个边缘向外凸出以便形成散热器，从而通过例如对流、传导或两者以将热量散至周遭的环境中。翼部60也可能与其他安装至电子组件10上或与电子组件10相邻的热扩展器，例如，热管、鳍片，风扇、导管、或其他散热片接合热交流。此外，一个或多个翼部60可能与印刷电路板4直接进行热交流。在一实施例中，分散式翼部65被热接合至至少一个热传导材料层52(图13)。
因此本发明提供一种LGA插入物连接器，其通过完整的热传递结构能增强电子系统中热管理能力。必须了解的是虽然本发明并不限于上述公开的特定结构和图示结构，而是包括权利要求范围内的任何修改和等同物。
例如，参照图14及15，电子组件可能包括安装至针脚格栅阵列芯片载体11的半导体热源2及安装至印刷电路板4的针脚格栅阵列插座70，更明确地说，针脚格栅阵列芯片载体11典型是正方形陶瓷72，其具有安装在其上或下表面上的集成电路芯片74。多个针脚76被连接至集成电路芯片74，且在正方形陶瓷72边缘部分附近的间隔阵列中悬挂在正方形陶瓷72上。
针脚格栅阵列插座70包括层压壳体80，其支撑多个插座终端920。更明确地说，层压壳体80的结构类似于层压或模制壳体26。如此，层压壳体80通过将多个介电层50及多个热传导层52层压到一起，即叠置，插入介电材料50及热传导材料52(图15)的插入层有利地形成。再次，介电层50典型包括电绝缘材料，例如环氧玻璃或聚酰胺基绝缘材料，例如FR4。至少一个热传导材料层52被放置或夹在两个相邻的介电层50之间(图15)。每一个热传导材料层52包括有效热传递材料，例如金属，例如铜、铝等等，但可以是任何热传导的材料且可与一个或多个介电层50层压到一起。多个接触通路86在配合面88及针脚格栅阵列插座70的安装面90之间延伸。
多个插座终端92的每一个都安装在各个接触通路86中。每一个插座终端92具有伸长的插座部分，从侧边形成的至少两个相对弹簧臂延伸至插座中以便与针脚仅76滑动接合。插座终端92还设置有安装尾部94，其容纳在印刷电路板4的电镀通孔96中。安装尾部94可能包括任何大家所熟知的通孔连接技术，例如顺从销、楔形销、或简单的波浪焊锡尾部。有利地，电绝缘壳体100被放置在热传导材料层52的边缘之间，所述边缘打开到接触通路86上以便将电路整体维持在针脚格栅阵列插座70中。必须了解的是接地及电源平面可能也被限定在层压壳体80中。
权利要求
1.一种热扩展连接器，包括至少一个电触点，所述电触点由壳体支撑，其中壳体包括叠层，所述叠层具有由至少一个介电材料层支撑的至少一个热传导材料层，以便至少一个电触点的一部分与至少一个热传导材料层进行热交流。
2.如权利要求1所述的热扩展连接器，其中壳体包括多个介电层及多个热传导层。
3.如权利要求1所述的热扩展连接器，其中所述多个介电层包括热传导绝缘。
4.如权利要求1所述的热扩展连接器，其中所述每个介电层都具有约0.03英寸至0.07英寸的厚度。
5.如权利要求1所述的热扩展连接嚣，其中至少一个热传导材料层具有约0.01英寸至0.05英寸的厚度。
6.如权利要求1所述的热扩展连接器，其中至少一个电触点的一部分与至少一个热传导材料层中的每一个热传导材料层的环状边缘进行热交流。
7.如权利要求6所述的热扩展连接器，其中壳体限定了多个孔，每一个孔都具有热传导衬垫，该热传导衬垫布置的与至少一个热传导材料层进行热交流，其中每一个电触点与该衬垫的一部分进行热交流接合。
8.如权利要求1所述的热扩展连接器，其中至少一个热传导材料层的尺寸大于壳体以便形成至少一个翼部，所述翼部从壳体的至少一个边缘向外凸出以便将热散至周遭的环境中。
9.如权利要求8所述的热扩展连接器，其中至少一个翼部与散热片进行热交流接合。
10.如权利要求8所述的热扩展连接器，其中至少一个分散翼部热接合至至少一个热传导材料层。
11.一种热扩展连接器，包括多个电触点元件，其中每一个都具有第一端及第二端且由壳体支撑，以便第一端从壳体的第一侧向外凸出且第二端从壳体的第二侧向外凸出其中壳体由至少一介电材料层所支撑的至少一个热传导材料层形成，以便所述多个电触点元件中的每一个的一部分与至少一个热传导材料层进行热交流。
12.如权利要求11所述的热扩展连接器，其中至少一个热传导材料层包括引线框架且两个介电材料层包括设置在引线框架相关部分周围的聚合物。
13.如权利要求11所述的热扩展连接器，其中壳体限定了多个孔，每一个孔都具有引线框架的一部分，所述部分布置的与电触点之一进行热交流。
14.如权利要求11所述的热扩展连接器，其中引线框架的尺寸大于壳体，以便形成至少一个翼部，所述翼部从壳体的至少一个边缘向外凸出以便形成散热器，从而将热量散至周遭的环境中。
15.如权利要求14所述的热扩展连接器，其中至少一个翼部与散热片进行热交流。
16.如权利要求14所述的热扩展连接器，其中该至少一个分散的翼部热接合至引线框架的一部分。
17.一种用于电子器件的散热方法，包括提供连接器，所述连接器包括由壳体支撑的多个电触点，其中壳体由至少一个介电材料层所支撑的至少一个热传导材料层形成，以便多个电触点中的每一个的一部分与至少一个热传导材料层进行热交流；a)将连接器放置在电子器件与印刷电路板之间以及b)通过至少一个热传导材料层将热传导离开电子器件。
18.如权利要求17所述的散热方法，还包括给至少一个热传导材料层提供热传递翼部。
19.如权利要求18所述的散热方法，其中所述热传递翼部与热传递装置进行热交流接合。
20.如权利要求19所述的散热方法，其中所述热传递装置系选自下列的热传递装置群组印刷电路板、连接到印刷电路板上的热传递装置、从热传导材料层延伸至周围空气中的鳍片，被动热传递装置，与电子器件结合的针脚以及主动热传递装置。
21.如权利要求17所述的散热方法，其中连接器连接至少一个承座格栅阵列安装电子器件及针脚格栅阵列安装电子器件。
22.一种针脚格栅阵列插座，包括介电第一层及热传导第二层，第二层包括接地及电源平面且第一层包括热传导介电材料。
23.一种承座格栅阵列连接器，包括介电第一层及热传导第二层，第一层包括接地及电源平面且第二层包括热传导介电材料以进行散热。
全文摘要
本发明提供一种热扩展连接器，其适合与电子元件一起使用，包括使用承座格栅阵列和针脚格栅阵列的连接器及其使用方法。本发明的连接器包括至少一个介电层及至少一个热传导层。
文档编号H05K1/14GK1565152SQ02819920
公开日2005年1月12日 申请日期2002年12月10日 优先权日2002年1月23日
发明者李泽豫, 范智能, 德克B·布朗 申请人:高度连接密度公司