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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft grundsätzlich ein verbessertes Substrat
für Wärme erzeugende elektronische
Vorrichtungen und Einrichtungen und/oder Halbleitervorrichtungen
und -einrichtungen und insbesondere ein Verfahren zum Bilden eines verbesserten
Wärme ableitenden,
mit Rippen versehenen Substrats für solche Vorrichtungen und
Einrichtungen. Das Substrat weist eine metallische Platte mit einer
Mehrzahl parallel angeordneter Rippen auf, die sich von der Oberfläche weg
erstrecken und mit dieser fest verschweißt sind. Der Substratrohling wird
geformt, bestückt
oder in anderer Weise vervollständigt,
bevor die abschließende
Anbringung der Rippen geschieht, so dass normale Produktionstechniken
ausgeführt
werden können
und keine speziellen Techniken und/oder Vorrichtungen erforderlich sind,
um Beeinträchtigungen
der Rippen bei der Handhabung zu verhindern. Im Laufe des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine Matrix beabstandeter, parallel angeordneter, nicht ausgerichteter Rippenelemente
auf der Wärme
ableitenden Oberfläche
eines festen Substrats ausgebildet, wobei der Substratrohling danach
verschiedenen Montagevorgängen
unterzogen wird. Diese schließen
den Schritt des Behandelns der Montageoberfläche und der Schaltung und ebenfalls
das Bestücken
des Substrats ein. All dies geschieht vor der Ausrichtung oder Auslegung
der Rippen. Dementsprechend können die
Substratrohlinge gemäß der vorliegenden
Erfindung konventionellen Montagevorgängen unterzogen werden. Diese
Montagevorgänge
können
die Behandlung der Montageoberfläche
und die Bestückung
des Substrats einschließen,
ohne dass unübliche
Schritte oder Vorkehrungen unternommen werden müssen, um die Konfiguration
der sich nach außen
erstreckenden metallischen Rippen zu schützen.
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Um
die Wärmeeigenschaften
der Substrateinrichtungen zu verbessern, wurden typischerweise metallische
Rippen hinzugefügt,
um eine zusätzliche Oberfläche für die Ableitung
thermischer Energie bereitzustellen. Die
EP 1 104 015 zeigt einen rippenförmigen Kühlkörper, bei
dem die Rippen erzeugt werden, indem diese von einem großen metallischen Block
abgeschält
und dann nach oben gebogen werden. Die Verwendung von Rippen stellt
einen zusätzlichen
Mechanismus zum Ableiten von Wärme
von dem Substratelement bereit, indem wesentlich größere Oberflächen bereitgestellt
werden. Nichtsdestotrotz werden dabei konventionelle Montageschritte und/oder
Montagevorgänge
behindert oder verzögert,
wenn Anstrengungen unternommen werden, um Arbeiten an einer rippenförmigen Vorrichtung auszuführen oder
alternativ Rippen an einer bereits bestückten Aufnahme zu befestigen.
Aufgrund der Natur der Schaltungspakete oder anderen Komponenten,
die sich auf einer bestückten
Schaltungsoberfläche
befinden, wird akzeptiert, dass die nachträgliche Befestigung rippenförmiger Glieder
normalerweise durch Schritte und/oder Vorgänge erreicht wird, die darin
resultieren, dass die rippenförmigen Elemente
eine schlechte thermische Leistung erbringen. Aus diesem Grund wurden
mit Rippen versehene Substrate nur bei wenigen industriellen Anwendungen
eingesetzt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird ein verbessertes Wärme ableitendes Substrat
mit sich nach außen
erstreckenden Rippen geschaffen, indem vorgeformte Rippen in einer
nicht montierten Konfiguration verwendet werden, wobei diese Rippen
durch Schweißen
an der Substratplatte oder dem Rohling gesichert werden, bevor es
zur Anwendung kommt. Die Schweißverbindung
stellt verbesserte thermische Leiteigenschaften des Endprodukts
bereit. Zusätzlich
ist die Anordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung so gewählt,
dass die Rippen unausgerichtet (unausladend) und coplanar mit dem Substrat
verbleiben, bis die Schritte des Montierens des Schaltungspakets,
der Halbleitervorrichtungen oder anderen Komponenten auf der Oberfläche des Substrats
abgeschlossen wurden. Danach werden im letzten Vorgang, oder dem
nahezu letzten Vorgang, die Rippen so ausgebracht, dass sie sich
im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene des Substrats erstrecken.
Aufgrund der neuen verwendeten Techniken beim Befestigen oder Verbinden
der Rippenelemente mit dem Substrat verbleiben anders gesagt die ausgerichteten
oder ausgestellten Teile der Rippen nicht nur während der Herstellungs- und
Montagevorgänge
coplanar zum Substrat, sondern stellt die Schweißverbindung eine Verbindung
mit hohen thermischen Leiteigenschaften bereit. Da die eigentliche Ausbringung
der Rippen als einer der letzten Schritte im Gesamtvorgang ausgeführt wird,
vollzieht sich die Herstellung unter Verwendung konventioneller
Vorgänge,
ohne dass dies durch die Notwendigkeit des Schützens oder Isolierens der geschweißten Rippen während der
eigentlichen Herstellungs-/Montageschritte beeinträchtigt wird.
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Bei
einem typischen Vorgehen wird eine dünne metallische Schicht oder
Folie auf der metallischen Basisoberfläche eines Substratrohlings
aufgebracht, um eine Vorformeinrichtung zu schaffen. Danach wird
die Vorform in eine Arbeitsstation eingebracht, die zwischen dem
Energie bereitstellenden Arm (Schwingkopf) eines Ultraschallenergiegenerators
und eines stabilen Ambosses geschaffen ist, wobei sich der Energie
bereitstellende Arm in Flächenkontakt
mit der Schicht oder Folie befindet. Eine geeignete Schweißkraft wird
auf den Arm aufgebracht, während
dem Ultraschallgenerator Energie zugeführt wird, wobei die Vorform
durch die Arbeitsstation weitergeführt wird, wobei der Vorschub
so gewählt
ist, dass die Ausbildung kontinuierlicher, gleichmäßiger und
integral geschweißter
Bänder
erfolgt. Die Schweißschritte
werden bei Bedarf wiederholt, um mehrere parallele beabstandete
Schweißbänder zu erzeugen.
Es ist gegenwärtig
wünschenswert,
mehrere Energie liefernde Arme zu verwenden, um mehrere Bänder in
einem Durchlauf herzustellen, wodurch die Anzahl von zu wiederholenden
Schweißvorgängen reduziert
wird. Danach wird die metallische Schicht/Folie benachbart zu derselben
Kantenoberfläche
jedes Schweißbands
losgetrennt, um unverbundene metallische Schicht/Folienabstände zwischen
benachbarten Schweißbändern zu
erzeugen. Entweder vor oder nach dem Ablösevorgang wird die den Halbleiter
oder das Schaltungspaket tragende Montagefläche behandelt, wobei sie solchen Vorgängen, wie
der Ausbildung oder Verfeinerung der Schaltung, Schritten zur Vorrichtungsbestückung und
dergleichen unterliegt. Danach werden als ein letzter oder nahezu
letzter Vorgang die Folienbereiche nach außen gefaltet, bis sie sich
senkrecht zu der Ebene des Substratrohlings erstrecken.
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Daher
ist es ein primäres
Ziel der vorliegenden Erfindung, verbesserte Kühlkörper mit Rippen bereitzustellen,
bei denen die Rippen durch Schweißen mit der Oberfläche des
Substrats/Kühlkörpers verbunden
und so ausgerichtet sind, dass sie sich erst in einem letzten oder
nahezu letzten Vorgang nach außen
erstrecken.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Technologie für
die Herstellung von Kühlkörpern mit
Rippen für
Halbleitervorrichtungen bereitzustellen, wobei die Kühlkörper mit
metallischen Rippen versehen sind, die sich nach außen von
der Oberfläche
weg erstrecken, und wobei die Rippen durch Ultraschallschweißtechniken
so verschweißt
sind, dass verbesserte Wärmeableitungseigenschaften
und -charakteristiken erreicht werden.
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Andere
und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann
beim Studium der folgenden Beschreibung, Patentansprüche und Zeichnungen
geläufig
werden.
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ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Seitenansicht einer isolierten Metallsubstratbasisplatte mit
einem Paar gegenüberliegender
Hauptoberflächen,
von denen eine Oberfläche
angepasst ist, um eine Wärme
erzeugende elektronische Vorrichtung zu tragen, wobei die andere Oberfläche eine
dünne metallische
Schicht aufweist, die auf ihr angeordnet ist und aus der rippenartige Vorsprünge ausgebildet
werden, nachdem die Schritte des Verbindens durch Schweißen und
des Schlitzens ausgeführt
wurden.
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2 ist
eine veranschaulichende Ansicht, ähnlich wie 1,
die die Ausbildung der Komponenten aus 1 nach dem
Verbinden der dünnen
metallischen Schicht mit der Basisplatte durch Ausbildung geschweißter Bänder oder
Streifen an den zugehörigen
Oberflächen
darstellt, wobei bestimmte Komponenten der Anordnung in übertriebener
Weise dargestellt sind, um die Merkmale der Erfindung besser darzustellen.
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3 ist
eine Ansicht der in 2 dargestellten Komponenten,
wobei jedoch die Vormontagegruppe und ihre Ausbildung realistischer
gezeigt sind.
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4 ist
eine ausschnittsweise Draufsicht der weggeschnittenen Vormontagegruppe
gemäß 3.
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5 ist
eine veranschaulichende Ansicht, ähnlich wie 2,
die die Ausbildung der Komponenten aus 1 und 2 zeigt,
nachdem die Schritte des Schlitzens an der dünnen metallischen Schichtkomponente
durchgeführt
wurden.
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6 ist
eine Ansicht der in 5 gezeigten Komponenten, wobei
jedoch die Ausbildung der Vormontagegruppe nach dem Schritt des
Schlitzens, wie in 5 dargestellt, realistischer
gezeigt ist.
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7 ist
eine veranschaulichende Ansicht, ähnlich wie 2 und 5,
die die Ausbildung der Komponenten zeigt, nachdem die Rippen von
der Ebene der Substratbasisplatte weggefaltet wurden.
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8 ist
eine Ansicht der in 7 gezeigten Komponenten, wobei
jedoch die Montagegruppe mit den Rippen gezeigt ist, wie diese so
gefaltet sind, dass sie sich senkrecht zu der Ebene der Substratbasisplatte
erstrecken.
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9 ist
ein Flussdiagramm, welches eine typische Abfolge von Schritten zeigt,
die bei der Durchführung
der Schritte oder Vorgänge
unternommen werden, die im erfindungsgemäßen Vorgang eingeschlossen
sind.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und insbesondere unter Berücksichtigung
von 1 der Zeichnungen ist eine grundsätzlich mit 10 bezeichnete
Vormontageeinheit dargestellt, die eine feste metallische Aluminiumsubstratbasisplatte 11 mit
einer dielektrischen Oberfläche 12 aufweist,
die mit einer Hauptoberfläche
der Aluminiumsubstratbasisplatte 11 verbunden ist. Die
Schaltkreisfolie 13 ist mit der dielektrischen Oberfläche 12 verbunden
oder in anderer Weise an dieser befestigt, um die Basiskonfiguration
der Unterlage für
eine Wärme
erzeugende Halbleitervorrichtung (nicht dargestellt) zu bilden.
Eine dünne
metallische Aluminiumschicht 15 ist auf Hauptoberfläche 16 der
festen Substratplatte 11 angeordnet, wobei die dünne metallische
Schicht 15 in der die Oberfläche 16 überlagernden
Position gemeinsam mit dem Substrat 11 eine Vorform bildet. Das
Dielektrikum 12 ist ein harzhaltiges Kunststoffmaterial,
welches elektrisch isoliert ist, so wie beispielsweise Epoxid-basierte
oder Polyester-basierte Materialien, wobei diese verstärkt und/oder
versteift sein können.
Diese Materialien sind im Stand der Technik gut bekannt und werden
als Substratkomponenten verwendet.
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Die
Vorform wird in eine Arbeitsposition zu dem Energie liefernden Arm
eines Ultraschall generierenden Systems gebracht, wobei der Arm
teilweise und durchsichtig in 2 dargestellt
und mit 18 bezeichnet ist. Ultraschall erzeugende Systeme,
die zum Ultraschallschweißen
von Metallen, wie beispielsweise Aluminium, geeignet sind, sind
natürlich kommerziell
verfügbar.
Eines solcher Systeme wird mit der Marke "Ultraseam-20" bezeichnet und durch die American Technology,
Inc. aus Shelton, Connecticut, USA angeboten. In gegenüberliegender
Anordnung zum Ultraschallenergie liefernden Arm 18 ist eine
stabile ambossartige Stütze 19 vorgesehen,
die ausgebildet ist, um hinreichend haltbar und fest zu sein, um
eine Arbeitsunterstützung
für die
Vorform der Montageeinheit 10 bereitzustellen. Die Kombination
des Ultraschallenergie liefernden Arms 18 und der ambossartigen
Stütze 19 schafft
eine Arbeitsstation für
den Schweißvorgang.
Unterstützende
Ambosse für
diesen Zweck sind selbstverständlich
kommerziell verfügbar
und dem Fachmann bekannt.
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Beim
Schweißvorgang
wird der Energie liefernde Arm 18 in Kontakt mit der freien
Oberfläche der
Metallfolie 15 entgegengesetzt zum das Werkstück aufnehmenden
Amboss 19 gebracht, um den gewünschten Flächenkontakt zwischen dem Arm und
der metallischen Schicht/Folie am vorbestimmten Kontaktort bereitzustellen.
Eine zum Erzeugen eines wirksamen Schweißdrucks an der Schnittstelle zwischen
der Schicht und der Platte ausreichende Kraft wird etabliert und
beibehalten, wobei die wirksame Kraft und die wirksamen Bereiche
dem Fachmann bekannt sind. Wenn Energie zugeführt wird, stellt die Ultraschall-Schwingungsenergie,
die von dem Arm 18 dem Ort zugeführt wird, die Energie und Kraft
bereit, um die Wärme
zu erzeugen, die zur Ausbildung der gleichmäßigen geschweißten Zone
zwischen der Oberfläche
der Aluminiumsubstratplatte 11 und der dünnen Aluminiumschicht 15 erforderlich
ist. Im Folgenden werden nun typische Beispiele genannt: die Platte 11 hat
eine Dicke von zwischen etwa 1 bis 5 mm (40-200 mils (Milli-Inch; 10-3 Zoll)),
wobei die metallische Schicht 15 eine Dicke von zwischen etwa
0,25 bis 0,5 mm (10-20 mils) besitzt. Für die meisten Zwecke ist ein
Bereich von zwischen etwa 1,5 bis 3 mm (60-120 mils) für die Platte 11 und
zwischen etwa 0,3 bis 0,38 mm (12-15 mils) für die Schicht 15 höchst sinnvoll.
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Um
die langgestreckten streifenförmigen Verbindungen
bereitzustellen bzw. auszubilden, wie diese bei 21-21 zwischen
der Platte 11 und der Schicht 15 dargestellt sind,
wird eine kontinuierliche Relativbewegung bereitgestellt, indem
die Vorform durch die Arbeitsstation gezogen und/oder bewegt wird,
um das schmale, langgestreckte Schweißband über die gesamte Breite des
Substrats 11 innerhalb der Vorform und/oder der Einrichtung 10 zu
erzeugen. Schweißbänder mit
einer Breite von etwa 3,18 mm (1/8 Zoll) mit Abständen zwischen
den Bändern von
etwa 25,4 mm (1 Zoll) in der Mitte wurden als besonders nützlich für eine Vielzahl
von Anwendungen angesehen. Bänder
mit Abständen
von zwischen 12,7 mm (1/2 Zoll) und 25,4 mm (1 Zoll) in der Mitte wurden
als nützlich
festgestellt.
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Wenn
nun der 3 der Zeichnungen Beachtung
geschenkt wird, wird beobachtet werden, dass Schnitte, wie mit 25 bezeichnet,
entlang jeder der ersten seitlichen Kantenoberflächen einer Mehrzahl gegenüberliegender
Schweißungen
ausgebildet sind, um geschweißte
Folienplättchen
zu bilden, wie diese mit 26 bezeichnet sind (siehe ebenfalls 5, 6).
Nach der Ausbildung der Plättchen
und wie in 4 dargestellt, werden die Plättchen,
wie mit 27 bezeichnet, so gefaltet, dass sie die Rippen 28-28 ausbilden,
die sich senkrecht nach außen von
der Oberfläche
der Substratplatte 11 erstrecken (siehe ebenfalls 7, 8).
Danach wird die Vorrichtung mit einer Matrix parallel und beabstandet
angeordneter Wärme
ableitender Metallfolienrippen 28-28 versehen.
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Unter
Berücksichtigung
dieser Konfiguration wird festgestellt werden, dass Halbleitervorrichtungen
auf der isolierenden Oberfläche,
wie mit 13 bezeichnet, der Vorform und/oder der Einrichtung 10 behandelt
und/oder auf diese bestückt
werden können.
Unter den Vorgängen,
die vor den Faltvorgängen
und/oder den Schichtablösevorgängen durchgeführt werden,
befinden sich die Definierung der Schaltungsleitungen und/oder deren
Leistungsbeschreibung/Zeichnung, das Montieren der Halbleitervorrichtungen,
sowie die Oberflächenmontage
anderer Komponenten, die bei der im Gesamten fertiggestellten Vorrichtung
verwendet werden können.
Bei dieser Anordnung werden die Rippen 28-28 daher weder
ausgerichtet noch aufgerichtet, bis die abschließende Phase des Gesamtvorgangs
erreicht wurde, wodurch die Substratplatte bei konventionellen Produktionsvorgängen schneller
verwendbar ist.
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Als
ein weiterer Vorteil der Anordnung der vorliegenden Erfindung werden
die einzelnen Schritte vor der Montage und/oder Bestückung der
aktiven Oberfläche
der Anordnung durchgeführt.
Somit werden die Halbleitervorrichtungen und anderen Komponenten
nicht den Bedingungen unterworfen, die beim Befestigen, Sichern
oder Verbinden von Wärme
ableitenden Rippen an der Oberfläche
des Substrats auftreten können.
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Es
wird anerkannt werden, dass die hierin erläuterten Beispiele lediglich
der Illustrierung dienen und zu keiner Beschränkung des Schutzbereichs der Erfindung
führen,
wie dieser in den folgenden Patentansprüchen definiert ist.