KR860001057B1 - 하이브리드 반도체 전자 소자등에 사용하는 밀봉 패키지 - Google Patents

하이브리드 반도체 전자 소자등에 사용하는 밀봉 패키지 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

하이브리드 반도체 전자 소자등에 사용하는 밀봉 패키지
제 1 도는 덮개판의 설치전에 본 발명의 링 프레임(ring-frame)과 기부 조립체의 결합을 도시한 평면도.
제 2 도는 덮개판이 제 위치에 있고, 일부가 절개단면으로 도시된 제 1 도의 패키지의 측면도.
제 3 도는 덮개판이 제 위치에 있는 제 1 도 및 제 2 도의 패키지의 단부도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 기부판 11 : 링 프레임
12 : 덮개판 13 : 링 프레임 제2연부
15 : 링 프레임 측면 17 : 전기 도선
21 : 구멍 22 : 확장 직경부
본 발명은 하이브리드 반도체 소자, 소형 전기기계장치 등에 사용하는 밀봉 패키지(hermetically sealed packages)에 관한 것이다.
전자 기술 분야에서, 전기 기계 또는 하이브리드 반도체 장치 등은 이들 소자가 처하게 되는 주위 조건을 안정시키기 위하여 캡슐로 피복할 필요가 있다. 이와 같은 캡슐피복 또는 패키지는 다양하게 이루어져 왔다. 특히 밀봉이 필요한 경우, 유리에서 금속으로 관통하는 전기도선이 구비된 금속 밀봉장치가 표준적인 방법이었다.
패키지가 소형이고 감지할 수 있는 전압 및 전력 레벨이 잔존 할때, 종래의 유리에서 금속으로 관통하는 전기 도선 장치는 제조하기에 어렵고 비교적 고가이다. 더우기, 이같은 밀봉장치는 파괴되기 쉬우며 부수적인 기계적 응력으로 인하여 결과적으로 고장나기 쉽게 된다.
본 발명에서 고려된 선행기술의 패키지의 형태와 크기는 코바르(kovar), 강철, 알루미늄, 동, 몰리브데늄 및 세라믹 재료 같은 재료들로 만들어진 것으로, 이들은 모두 비교적 무겉고 비싼 것이다.
관련된 공지의 선행 기술들은 대표적으로 하기 특허 문헌에 설명되어 있다.
미합중국 특허 제3,621,112호에는 상기 유리에서 금속으로 관통하는 전기도선이 구비된 철 금속 밀봉 장치가 제시된다.
미합중국 특허 제3,575,546호에는 밀봉되지 않고 열 흡입 특징이 제공되지 않는 "스냅-인(snap-in)" 헤더를 지닌 플라스틱 몸체가 보여진다.
미합중국 특허 제3,548,076호는 또 하나의 대표적인 반도체 하이브리드용 밀봉장치이다. 유리와 금속 밀봉장치내에 밀봉된 하이브리드로 접속하기 위해 필요한 비교적 많은 수의 전기도선이 마련되어 있는 것이 보여진다.
미합중국 특허 제3,538,597호는 미소회로 등을 내포하고 있는 "평판 팩(flat pack)" 용의 덮개판을 다룬 것이다. 코바르 덮개판(뚜껑)이 금속 하우징에 접착되어진다. (금속 하우징을 관통하는 전기 도선의 절연은 나타나지 않지만).
미합중국 특허 제2,932,684호는 대표적인 초기 형태의 보수 불가능한 캡슐 피복 장치인 것으로 나타난다. 각개의 많은 부품들이 비교적 큰, 단일전력 트랜지스터 패키지내에 포함된다.
미합중국 특허 제3,419,763호는 열 흡입 장치를 지닌 밀봉 하우징을 특징으로 하는 다수의 각개의 반도체 소자들을 병렬로 연결하려고 한 것이다. 이 패키지에서는 공지의 유리에서 금속으로 관통하는 전기도선이 기부에 있고 상부 덮개를 관통하기 위해 금속화된(metallized) 세라믹 밀봉장치가 필요하며, 전체 중량은 비교적 큰 것이 명백하다.
미합중국 특허 제3,433,885호는 단일 전력 반도체 소자용의 또 하나의 "전체 금속" 밀봉장치에 관한 것이다. 이 밀봉장치는 반도체 하이브리드 같은 다중 도선회로에 적당하지 않고 비교적 무겁다.
지금까지 구체적으로 언급된 것을 포함한 선행 기술의 장치들은 높은 제조가, 비교적 중량이 무거운 요인 및 다중 전기 결선이 필요한 경우에 부적합 성등의 단점이 있다. 유리와 금속 또는 세라믹과 금속 밀봉장치가 사용되는 경우에는 항상 이가 빠지거나, 깨지거나, 밀봉이 손상되거나 전기적 차단의 위험이 있는 것이다. 이같은 밀봉장치를 관통하는 도선에 우연히 기계적 응력이 가해지게 되면 이같은 손상 및 전기적 차단의 위험이 상당히 증가한다.
본 발명은 소형의 전자 또는 전기기계 소자, 특히 반도체 하이브리드 같은 다중 결선소자용의 중량이 가볍고, 저렴하게 제조되며, 밀봉될 수 있고, 보수가능한 패키지를 제공하려는 것이다.
폴리아미드-이미드 플라스틱 재료의 주형된 링 프레임의 한 연부가 대표적으로 알루미늄 또는 동 같은 높은 열 전도성 재료로 만들어진 기부판에 접착되어진다. 기부판과 접촉된 링 프레임의 연부면의 부위내에서 기부판을 관통하는 구멍은 주형 작업중에 링 프레임을 기부판에 부착시킨다. 링 프레임 플라스틱 재료는 단일 주형 단계에 이 구멍들 안으로 흘러 들어간다.
전기 도선들은 동시에 링프레임안에 주형되어진다. 이 도선들은 외부 돌출부로 부터 기부판에 대해 수직방향으로 연장될 때 링 프레임벽에 매설되는 "ㄴ 자형"금 도금된 동선들이다. 이 도선들은 링 프레임 벽의 미리 정해진 지점에서 굽혀져서(대표적으로, 필수적은 아니지만로) 링 프레임내의 반도체 소자에 결선되기 위하여 링 프레임의 내부로 돌출한다. 그 소자들은 상당한 열을 발생하는 형태이어도 되며 밀봉장치내에서 기부판 표면과 열 접촉될 수 있다. 기부판의 외측 표면은 더 용적이 큰 열 흡입장치에 종래와 같이 부착하기에 적합하다. 일반적으로 기부판은 평탄하고 기부판와 외부 열 흡입장치 사이에 열 전도성 화합물 재료로서 외부 열 흡입장치에 부착된다.
주어진 밀봉장치는 링 프레임의 타측연부상의 덮개판에 의하여 완성된다. 링 프레임과 동일 플라스틱 재료로 되는 것이 바람직한 덮개판은 링 프레임의 연부를 따라 금속화 되어서 덮개판이 종래와 같이 재위치에 접착되어지고 떼어지며 필요하면 다시 접착될 수 있다. 덮개는 물론 예컨데 에폭시 접착제로써 달리 부착될 수 있다.
제 1 도와 제 2 도를 보면, 기부판(10)이 링 프레임의 주형중에 링 프레임(11)에 부착되는 것으로 도시된다. 제 2 도에서, 구멍(21)은 확장된 헤드 부분(22)를 가져서, 링 프레임(11)의 주형중에 링 프레임(11)과 일체로 되며 링 프레임의 연부를 기부판과 장력으로 맞물려지게 밀착을 유지시키는 역할을 하는 "핀(pins)"이 형성된다. 사용된 플라스틱 재료는 구멍(21)과 헤드 부분(22)안으로 쉽게 흘러들어가서 링 프레임(11)의 본체가 강화됨에 따라 경화된다. 또한 플라스틱 재료는 기부판(10)의 표면과 그들 사이의 경계부위를 따라 상당히 잘 직접 부착된다.
링 프레임 부분의 형상은 특히 제 1 도에 도시되어 있으며, 제 2 도에 도시된 덮개판(12)는 링 프레임(11)의 외측 주변 형상과 동일한 외측 주변 형상을 갖는 것이 바람직하다.
대표적으로 부호 (17,18,19) 및 (20)으로 표시되어 있는 다수의 전기 도선들은 연장되어 링 프레임 측벽의 확대 부위(15) 및 (16)에 매설되어서 덮개판과의 간섭이 회피됨을 알 수 있을 것이다. 미리정해진 지점(또는 지점들, 폭 정렬될 필요는 없는)에서, 도선들은 내측으로 굽혀져서 기부판(10)과 덮개판(12)로 둘러 싸여진 링 프레임(11)의 내부로 들어간다. 도선이 이 내부로 들어가는 지점은 그 내부의 회로에 적합하도록 필요에 따라 서로 엇갈려진다.
도시된 도선의 구조에 의해 주어지는 기계적 손상(종종 유리와 금속 밀봉장치를 파괴하는 형태)에 대한 내력은 선행기술의 장치에 의해 주어지는 것보다 훨씬 우수하다.
외부로 연장되는 대표적인 도선의 단부는 제 3 도의 부호(18a)와 (20a)로 도시된다. 링 프레임(11)을 기부판(10)에 주형하는 이외에도, 상기 언급된 도선들은 동일 작업중에 제위치에 주형된다. 그 외에도, 4개의 나선홈파진 삽입물(대표적으로 부호 14)이 스크류에 의하여 바닥측(10a)로부터 외부 열 흡입장치를 통하여 이들 삽입물 안으로 끼워져서 전체에 부착되기 위하여 링 프레임 자체 안에 주형되어진다. 구멍(21)이 이같은 스크류의 관통공간을 제공한다.
링 프레임(11)과 덮개판(12)의 바람직한 재료는 일반적으로 비결정성 플리머 종으로 분류되는 폴리아미드-이미드 열가소성 물질이다. 이같은 재료는 상표 "Torlon"으로 아모코 케미칼 캄페니(Amoco Chemical Co.)로 부터 구매할 수 있으며 사출 성형에 이상적이다. 이것은 30% 유리섬유와 1% PTFE(폴리테트라 플로로 에틸렌)을 지닌 Torlon 5030으로서 표준 등급 제품으로 구매할 수 있다. 강화되면, Torlon은 대단히 강하고, 6000볼트/밀의 유전강도 및 최소한 1.2×1017오옴-센티미터의 체적 저항률을 가져서, 비교적 고전압회로에 적절한 전기적 특성이 주어진다. 본 발명의 특히 유리한 용도는 직류 1,000볼트에 이르는 전압에서 작동되는 하이브리드 회로에 관련된 것이다. 유리섬유의 첨가는 동 기부판(10)에 비하여 어울리는 링 프레임 팽창계수를 개선한다.
경계면(13)에서 링 프레임(11)의 연부 표면과 Torlon덮개판(12)의 대응부분의 금속화는 도금, 스퍼터링(sputtering), 페인팅 및 추후 구음(bake), 또는 기타 종래의 방법에 의한다. Torlon재료는 금속화에 적합하고 경계면(13)에 따른 밀봉에 적합하며 솔더 프리포옴(solder preform)이 삽입되어 유도가열 또는 기타 종래의 방법에 의해 열이 가해진다.
주형중에 전기도선을 제위치에 고정하는 것을 포함한 사출성형 공정에 필요한 공구 설비는 이 기술 분야내에서 용이하게 구비될 수 있다.
전기 도선은 보통 동으로 되고, 이것을 Torlon 주형에 부착하는 것은 종래와 같이 금 도금에 의하여 향상된다.
본 발명에 따른 대표적인 패키지의 외형적 칫수의 개념을 주는 칫수는 다음과 같다.
Figure kpo00001
칫수 k에 영향을 미치는 제한에는 반도체 부품의 높이, 소요 전압 및 하이브리드 접착장치의 "도달(reach)" 능력이 포함된다.
특수한 칫수로는 연속적으로 40왓트를 소모하는 4개의 0.635×0.635 센티미터 반도체 칩을 수용한다. 발생된 열은 이 칩들의 기부분(10)과의 열접촉에 의하여 그 다음에 기부판(10)을 통해 외부열 흡입장치로 제거된다.
제 3 도는 90°회전된 시점에서 도시된(단부도) 제 2 도와 동일한 구조물을 도시한 것이다. Torlon 덮개판(12)는 두께가 공칭 0.50cm이다. 링 프레임 측벽 두께는 도시된 실시예에서 변할 수 있으나, 비교적 얇은 단면으로 적절한 강도 및 안정도를 제공한다. 재료는 270℃ 정도의 전이온도를 갖는다. 더우기, 이것은 원자 및 자외선 방사에 내력이 있으며, 내화성을 위해 94V-O 정격으로 되고, 경합된후에 가스누출이 되지 않는다. 밀봉되지 않으면, 21℃에서 최대 0.22% 중량의 물을 흡수 및 방출하고 화학적 또는 크기 변화가 없다.
Torlon 재료는 뛰어난 강도와 기타 특성을 제공하는 금속의 뛰어난 대체물이다. 본 발명에 따른 조립체의 전체 중량은 최경량의 구조물 금속으로 제조된 비교될만한 패키지의 중량의 반정도이고, 코바르, 철금속 또는 세라믹으로 만든것에 비해 훨씬 가볍다.
전술한 것으로 부터 제조가는 이 목적으로 종래의 선행기술에 의한 것보다 훨씬 낮음이 명백할 것이다. 이것은 대개 링프레임이 기부판에 용접되고 전기도선이 한번 작업에 모든 매설되는 주형 방법을 통하여 성취되는 것이다.
매설된 도선 구조가 조임 또는 다른 기계적 응력 및 또한 진동 및 열충격에 고도로 내력이 있음이 다시 한번 강조되어 진다. 상기 영향들은 선행기술에서 밀봉을 고장나게 할 수 있다.
비교적 낮은 가격 및 기타 장점들에 비추어, 본 발명은 항공기 시스템, 전기자동차, 산업장비, 선박 전자장치, 태양 전지장치 및 기타 우주 차량 같은 대단히 다양한 용도에 응용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 한표면에는 적어도 하나의 전자부품이 열접촉하게 설치되고 다른 표면은 외부의 열 흡수수단의 표면과 열 접촉되게 설치되어 있으며 큰 열전도성 금속으로 형성된 기부판(10), 적기도선이 전자부품과 연결되도록 내부로 돌출하게 측면을 관통하게 배치되어 주조되어 있으며 기부판의 한 표면이 제 1 연부면과 접촉되게 주조된 30%의 유리섬유와 1% PTFE를 지니는 비정질 플리머 플리아미드-이미드 재료로 형성된 링 프레임(11), 링 프레임의 제 2 연부면을 덮는 30%의 유리섬유와 1%의 PTFE를 지니는 비정질 폴리머 폴리아미드-이미드 재료로 제조된 덮개판(12)을 포함하고 상기 링 프레임(11)의 제 2 연부면과 덮개판(12)의 일치하는 영역은 금속화되고 상기 금속화된 링 프레임 연부와 덮개판 영역은 함께 접합되는 것으로 구성된 밀봉된 반도체 전자 하이브리드 패키지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기부판은 동 또는 알루미늄으로 만들어지는 패키지.
  3. 제 2 항에 있어서, 기부판은 링 프레임의 제 1 연부면 맞은 편에 관통하는 다수의 구멍(21)을 포함하고, 링 프레임은 링 프레임을 기부판에 대해 고착하기 위하여 링 프레임과 일체로 주조되는 상기 열가소성 플라스틱 재료로된 핀을 포함하여 상기 구멍의 일부로서 연장되는 패키지.
  4. 제 3 항에 있어서, 구멍들중 최소한 몇개는 기부판의 제 2 면에 인접하여 직경이 확장된 부분(22)을 포함하고 있으며, 상기 핀은 프레링임이 기부판 제 1 면에 대해 고착되도록 기부판 제 2 면에 인접하게 대응하는 확대된 단부를 갖는 패키지.
  5. 제 1 항에서 제 4 항까지 중의 어느 한 항에 있어서, 전기도선은 ㄴ자형 도선으로 되고, 그 ㄴ자의 한 다리부분은 외부 연결점으로부터 그 도선이 굽혀져서 링 프레임 내부로 연장되는 ㄴ자의 다른 한 다리를 형성하는 링 프레임 벽내의 지점까지 벽두께를 관통하는 패키지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 링 프레임의 측벽은 전기도선을 둘러싸는 덮개판의 위치에서 축방으로 외부로 연장되는 증가된 두께를 가져서, 전기도선의 한 다리부분은 그 덮개판에 대해 측방으로 외측으로 통과하는 패키지.
  7. 제 6 항에 있어서, 링 프레임과 덮개판의 금속화된 부분은 동으로 도금된 부위로 되는 패키지.
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