JPH03285348A - ハイブリッドｉｃ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体素子を載せた回路基板を金属容器内に
気密封止するハイブリッドＩＣと、これに用いる金属容
器とに関するものである。

（発明の背景） 民生用の分野においては、各種電源や音響機器用オーデ
ィオアンプ等に５０Ｗ／ｉｎ”以上の高電力バイブリッ
ドＩＣ（以下ＨＩＣ）がすでに多用されている。ここに
高電力ＨＩＣは消費電力がＩＷ／ｉｎ２以上のものであ
り、熱放散を考慮した構造設計が行われている。

第３図はこの従来の高電力ＨＩＣの断面図である。この
図で符号１０は金属容器であり、四角形の平板状底板部
１２と、この底板部１２の周縁から起立する枠体部１４
とを一体に形成したものである。枠体部１４には適宜数
のり−ド１６が貫通してガラス封止部１８で封止されて
いる。ここにガラス封止部１８のガラスとリード１６と
枠体部１４との熱膨張係数を整合させるため、金属容器
１０とリード１６は鉄・コバルト・ニッケル合金である
コバールで作られる。

２０は裸の半導体チップＪ２１は膜抵抗である。半導体
チップ２０はアルミナセラミックス製の回路基板２２に
導電性接着剤２４、例えば銀入りエポキシ樹脂系接着剤
により接着されている。

膜抵抗２１は回路基板２２上に印刷または蒸着によりに
より形成され、その抵抗値がレーザビームによるトリミ
ングによって高精度に調整されている。

このようにして半導体チップ２０や膜抵抗２１などの取
付けられた回路基板２２は非導電性接着剤２６、例えば
アルミナまたはシリカ入りのエポキシ樹脂系接着剤によ
って金属容器１０内の底板部１２に接着されている。ま
た電気的接続をとるために、金ワイヤ２８により、チッ
プ２０上の電極と回路基板２２上の回路パターンとが接
続され、あるいはり−ド１６とが接続されている。

このように金属容器１０内に回路基板２２を接着した後
、枠体部１４の開口にキャップ３０が載せられ、その周
縁がシーム溶接される。すなわちローラ電極をこの周縁
に押圧しつつローラ電極と金属容器１０との間に電流を
流すことにより溶接するものである。

このような構造の従来の高電力ＨＩＣでは、各部の熱膨
張を整合させるために、金属容器１０とリード１６とキ
ャップ３０とに、ガラス封止部１８のガラスと熱膨張係
数が接近しているコバールを用い、また回路基板２２に
同様に熱膨張係数が接近したアルミナセラミックスを用
いている。

しかしこの従来構造のＨＩＣは熱放散に限界があって高
電力化が困難であった。このため従来のＨＩＣはＩＷ／
ｉｎ２以下の信号処理回路などの小電力の分野に使用が
制限されていた。

その理由を第４図のＨＩＣの熱伝導モデル図を用いて説
明する６半導体チップ２０のジャンクション部で発生す
る熱の大部分は矢印で示すようにパッケージ１０の底板
部１２に向って流れ、この底板部１２の外面に密着する
ヒートシンク３２に放熱される。この図で一点鎖線は等
混線を示す。この伝熱モデルは単純化して次式のように
表わされる。

Ｔ、−Ｔｅ＝ＰｘΣＲ。

ＴＪ　“半導体ジャンクション温度、 ＴＣパッケージ底板部温度、 Ｐ　・半導体チップの消費電力、 Ｒ１熱流経路の熱抵抗、 ここに左辺のＴＪは半導体の絶対最大定格で決まり（１
５０〜２００°Ｃ位）、Ｔｃは使用環境などで決まる（
８５〜１２５°Ｃ位）から、左辺はほぼ一定の範囲（２
５〜１）５°Ｃ位）に抑える必要がある。このため消費
電力Ｐを大きく確保するためには熱抵抗ΣＲ６をできる
だけ小さくする構造設計が必要になる。各層の熱抵抗Ｒ
５は材料の熱伝導ＩＫ、に反比例するから、結局この熱
流経路の構造材料を熱伝導率の大きいものにする必要が
ある。

第５Ａ−Ｃ図は各種材第４の特性比較図であるが、この
第５Ａ図からも明らかなように熱流経路に介在する接着
剤は有機系であるため熱伝導率が著しく低く、またコバ
ールの熱伝導率もアルミナと同程度しかない。このため
従来構造のパッケージでは、各部材の熱膨張係数の整合
を取りながら熱放散を高めることはできなかった。

そこで出願人は、金属容器の底板部１２を熱伝導率の大
きい銅タングステン複合材で、回路基板２２を窒化アル
ミニウムでそれぞれ形成し、これらをハンダで接着する
ことを提案している（本願と同時出願の特許願（１））
。しかしこの場合に、窒化アルミニウムの回路基板に従
来装置と同様に膜抵抗を形成し、これをレーザトリミン
グすると、窒化アルミニウムが窒素とアルミニウムとに
分解し、金属アルミニウムが析出する。このため回路基
板の絶縁性が劣化するという問題が生じることが解った
。

（発明の目的） 本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、半
導体チップを窒化アルミニウムの回路基板に取付けて熱
放散を向上させる場合に、抵抗体のレーザトリミングに
よる回路基板の絶縁性劣化を招くことがないハイブリッ
ドＩＣを提供することを目的とする。

（発明の構成） 本発明によればこの目的は、底板部とその周縁から立上
がる枠体部とを一体に形成した金属容器内に、半導体チ
ップおよび抵抗体を固着した回路基板を収容し、前記金
属容器にリードをガラス封止すると共に、前記枠体部の
開口を金属キャップを塞いで気密封止するハイブリッド
ＩＣにおいて、前記金属容器は銅コンスタンクンの底板
部と鉄・コバルト・ニッケル合金の枠体部とを互いに接
合して形成され、前記回路基板が窒化アルミニウムで形
成され、予め抵抗値を調整した抵抗体と半導体チップと
が前記回路基板にハンダ付けされる一方、この回路基板
が前記底板部にハンダ接合されていることを特徴とする
ハイブリッドＩＣ１により達成される。

また同一の目的は、底板部とその周縁から立上がる枠体
部とを一体に形成した金属容器内に、半導体チップを固
着した回路基板を収容し、前記金属容器にリードをガラ
ス封止すると共に、前記枠体部の開口を金属キャップで
塞いで気密封止するハイブリッドＩＣにおいて、前記金
属容器は銅・タングステンの底板部と鉄・コバルト・ニ
ッケル合金の枠体部とを互いに接合して形成され、前記
回路基板が窒化アルミニウムで形成され、前記半導体チ
ップが前記回路基板にまたこの回路基板が前記底板部に
それぞれハンダ接合される一方、上面に膜抵抗を設け予
め抵抗値を調整したアルミナ基板が前記底板部にハンダ
付けされていることを特徴とするハイブリッドＩＣ０ （実施例） 第１図は本発明の一実施例の断面図である。

この図において、金属容器１０Ａは底板部１２Ａと枠体
部１４Ａとが異なる材料で作られている。すなわち底板
部１２Ａは、銅タングステン（ＣｕＷ）で、枠体部１４
Ａはコバールで作られ、両者は銀ロー付けされている。

ここに銅タングステンは、焼結させたタングステンの中
に銅を溶かし込んだ複合材料である。

リード１６Ａは、大電力用に大径としたコバール製の内
部リード１６ａと、これにフラッシュ溶接された銅製の
外部リード１６ｂとで構成され、内部リード１８ａが枠
体部１４Ａにガラス封止部１８Ａにおいて封止されてい
る。

回路基板２２Ａは窒化アルミニウム（、＝ｌ！Ｎ）で作
られ、半導体チップ２０はこの基板２２Ａにハンダ２４
Ａで接着されている。

５０は抵抗体であり、アルミナ基板５２と、このアルミ
ナ基板５２の上面に形成されたＲ費抵抗５４とで構成さ
れる。この膜抵抗５４は予めレーザトリミングにより抵
抗値の調整がなされている。

この抵抗体５０はハンダ５６によって回路基板２２Ａに
接着されている。

この基板２２Ａはさらにハンダ２６Δにより底板部１２
Ａに接着される。キャップ３０は従来と同様にコバール
製であり、枠体部１４Ａにシーム溶接されている。ここ
に窒化アルミニウムは第５Ｃ図に示すように比誘電率が
小さく絶縁性が良好なものである。

熱流経路に介在する回路基板２２Ａ（ＡρＮ）と、底板
部１２Ａ（ＣｕＷ）とは第５Ａ図に明らかなように従来
装置のアルミナ、コバールに比べて熱電導率が著しく大
きく、また接着に用いるハンダも有機系の接着剤に比べ
て著しく大きくなる。この結果前記した熱抵抗ΣＲ１が
著しく小さくなり、消費電力Ｐを大きくすることができ
る。

第２図は、消費電力ｐ　（ｗ）に対する温度上昇の変化
を、本願のものと従来のものとに対して実測により求め
比較する図である。この図でａは２ｍｍ角のパワートラ
ンジスタを実装した従来構造のＨＩＣの特性を、Ａは同
じく本願構造のＨＩＣの特性を示す。またｂは６．５１
角のパワートランジスタを実装した従来構造の特性を、
Ｂは同じく本願構造の特性を示す。この図によれば、１
４Ｗの消費電力に対し、ｂの特性では熱抵抗が９３／１
４＝６．６°Ｃ／Ｗとなり、Ｂの特性では熱抵抗が２６
／１４＝１．９℃／Ｗとなる。従って本願構造によれば
放熱性は６．６　／１．９　＝３．５倍に向上すること
が解る。この結果例えばＴＪ＝１７５°Ｃ，ＴＣ＝８５
°Ｃとした時には、本願の構造によれば消費電力４７Ｗ
まで使用可能になる。

また熱膨張係数は、リード１６Ａのガラス封止部１８Ａ
を通る部分がコバールで作られ、枠体部１４Ａ、キャッ
プ３０がコバールで作られているから、熱膨張係数の整
合が良好にとれ、信頼性は確保される。なお底板部１２
Ａと枠体部１４Ａとは銀ローにより強固にロー付けされ
ているから、温度変化による信頼性の低下はない。

第６図は他の実施例の断面図である。この実施例の抵抗
体５０Ａはチップ抵抗により形成され、このチップ抵抗
は窒化アルミニウムの回路基板２２Ａにリフローソルダ
リング法などによってハンダ付けされる。ここにチップ
抵抗は、線抵抗や半導体抵抗等を絶縁層で被覆し両端に
金属電極を一体に形成した構造のものである。なおこの
図においては他の構成は第１図のものと同様であるから
、その説明は繰り返さない。

以上の実施例はいずれも共通の回路基板２２Ａに半導体
チップ２０と抵抗体５０．５０Ａとをハンダ付けしたも
のである。しかし本発明は、抵抗体５０を直接底板部１
２Ａにハンダ付けしたものであってもよい。すなわちア
ルミナ基板５２の上面に膜抵抗５４を形成し予め抵抗値
を調整した抵抗体５０を、半導体チップをハンダ付けし
た回路基板から分離して底板部１２Ａにハンダ付けする
ものである。

（発明の効果） 請求項（１）の発明は以上のように、底板部を銅タング
ステン複合材料で、枠体部をコバールでそれぞれ作りこ
れらをロー付けなどで互いに接合して金属容器を形成し
、窒化アルミニウムで作った回路基板に半導体チップお
よび予め抵抗値の調整が終った抵抗体をハンダで接着し
、さらにこの回路基板を底板部にハンダで接着したもの
であるから、熱流経路に介在する材料の熱伝導係数が従
来構造にに比べて著しく大きくなる。このため熱放散が
向上しＨＩＣの高電力化が可能になる。また回路基板に
膜抵抗を直接形成してＬ・−ザトリミングするものでは
なく、予め出来上がった抵抗体をハンダで回路基板に取
付けるものであるいがら、回路基板に窒化アルミニウム
を用いてもこの回路基板にレーザが直接照射されること
がなく、回路基板の絶縁性が劣化するおそれがない。

また請求項（２）の発明によれば、抵抗体が底板部に直
接ハンダ付けされるので、抵抗体の放熱性は一層向上す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図はその効果
を従来構造のものと対比する比較図、第３図は従来装置
の断面図、第４図は熱流伝導モデル図、第５図は各材料
の特性図、また第６図は他の実施例の断面図である。 １０Ａ・・・金属容器、　　　１２Ａ・・・底板部１４
Ａ・・・枠体部、　　　　１６・・・リード、１８・・
・ガラス封止部、　　２０・・・半導体チップ、２２Ａ
・・・回路基板、 ２４Ａ、２６△・・・ハンダ、 ５０．５０Ａ・・・抵抗体、５２・・・アルミナ基板、
５４・・・膜抵抗。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）底板部とその周縁から立上がる枠体部とを一体に
   形成した金属容器内に、半導体チップおよび抵抗体を固
   着した回路基板を収容し、前記金属容器にリードをガラ
   ス封止すると共に、前記枠体部の開口を金属キャップで
   塞いで気密封止するハイブリッドＩＣにおいて、 前記金属容器は銅・タングステンの底板部と鉄・コバル
   ト・ニッケル合金の枠体部とを互いに接合して形成され
   、前記回路基板が窒化アルミニウムで形成され、予め抵
   抗値を調整した抵抗体と半導体チップとが前記回路基板
   にハンダ付けされる一方、この回路基板が前記底板部に
   ハンダ接合されていることを特徴とするハイブリッドＩ
   Ｃ。
2. （２）抵抗体は、アルミナ基板と、このアルミナ基板の
   上面に設けた膜抵抗で形成された請求項（１）のハイブ
   リッドＩＣ。
3. （３）抵抗体は、チップ抵抗である請求項（１）のハイ
   ブリッドＩＣ。
4. （４）底板部とその周縁から立上がる枠体部とを一体に
   形成した金属容器内に、半導体チップを固着した回路基
   板を収容し、前記金属容器にリードをガラス封止すると
   共に、前記枠体部の開口を金属キャップで塞いで気密封
   止するハイブリッドＩＣにおいて、 前記金属容器は銅・タングステンの底板部と鉄・コバル
   ト・ニッケル合金の枠体部とを互いに接合して形成され
   、前記回路基板が窒化アルミニウムで形成され、前記半
   導体チップが前記回路基板にまたこの回路基板が前記底
   板部にそれぞれハンダ接合される一方、上面に膜抵抗を
   設け予め抵抗値を調整したアルミナ基板が前記底板部に
   ハンダ付けされていることを特徴とするハイブリッドＩ
   Ｃ。