JP2004022627A - 電力増幅半導体装置用パッケージとその製造方法およびそれを用いた電力増幅半導体装置 - Google Patents
電力増幅半導体装置用パッケージとその製造方法およびそれを用いた電力増幅半導体装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】高出力、高周波数用電力増幅半導体装置用パッケージのベースに生じた反りの影響で放熱性が低下し、半導体装置の特性および信頼性に影響を与える。
【解決手段】ベースと枠状部材の接合面間にベースよりも熱膨張係数が大きい薄板金属材料を挟着する。
【選択図】 図１
【解決手段】ベースと枠状部材の接合面間にベースよりも熱膨張係数が大きい薄板金属材料を挟着する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高出力、高周波数の電力増幅半導体装置用パッケージとその製造方法およびそれを用いた電力増幅半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高出力、高周波の気密封止型半導体装置とくに携帯電話中継基地局などの送信部における電力増幅用半導体装置に用いられるパッケージは、高い放熱特性や信頼性を有することが求められる。
【０００３】
例えば、特開平５−２２６５１４号公報に記載されているものがあった。
【０００４】
図４（ａ）は従来の半導体装置の斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＺ−Ｚ′線に沿った断面図を示すものである。
【０００５】
ベース１０１、ベース１０１上面に半導体素子１０２が載置される半導体素子載置部１０３、ベース１０１上面外周部に半導体素子１０２を中空部１１７で保持する鉄系合金の枠状部材１０５、枠状部材１０５に形成された貫通孔１０６に内部に収容する半導体素子１０２の電極を外部回路に接続するためのメタライズ配線１１８を有する酸化アルミニウム質焼結体からなる絶縁部材１０７、絶縁部材のメタライズ部と外部回路を電気的に接続する鉄系合金で形成されたリード端子１０８、各材料をＡｇ合金などの金属系ろう材１０４を介して気密的、絶縁的に接着されている。
【０００６】
半導体素子１０２実装後、外部環境の影響を遮断する気密封止用のキャップ１０９をＡｕ−Ｓｎ合金などの金属系ろう材１０４にて気密的に封止する。
【０００７】
前記構成により電力増幅半導体装置用パッケージ１１０を構成している。
【０００８】
ベース１０１の下部に放熱特性を向上するために、接合されるＣｕ、アルミ、真鍮等からなる放熱板１１１、ベース１０１と放熱板１１１とを接合する金属ネジ１１２、ベースのネジ止め部１１３、半導体素子載置部１０３に半導体素子１０２を接着する接着剤１１４、半導体素子１０２とリード端子１０８を電気的に接続するボンディングワイヤー１１５である。前記構成により電力増幅半導体装置１１９を構成している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の構成では、酸化アルミニウム質焼結体からなる絶縁部材１０７の熱膨張係数は６．７ｐｐｍであり、枠状部材１０５は熱膨張係数を合わせるために５．３ｐｐｍのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を使用し、ベース１０１は出来る限り熱伝導率の大きい材料を使用し放熱特性を向上させたいが、絶縁部材１０７の熱膨張係数との差があまりにも大きいとろう付け時に絶縁部材に亀裂が生じ気密性を損なってしまう。この事より使用出来る熱膨張係数は５．０〜９．０ｐｐｍの範囲となるが、現実にはＣｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕ合金などの熱膨張係数６．５〜９．０ｐｐｍの範囲となるベース１０１を使用し、金属系ろう材１０４にて接合し、半導体素子１０２実装後、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ等のキャップ１０９にて気密的、絶縁的に封着されているが、ベース１０１、枠状部材１０５、絶縁部材１０７の熱膨張係数の差を無くす事は出来ない。
【００１０】
このため、ベース１０１に金属系ろう材１０４を介して枠状部材１０５を接着する際や、キャップを金属系ろう材１０４を介して気密封止する際などの高温プロセスで、熱膨脹係数の相違に起因した熱応力が生じ、温度下降時の熱収縮が発生し、半導体パッケージ全体に湾曲形状の反りが発生し、ベース１０１と半導体素子１０２との間に隙間が形成され、半導体素子１０２動作時に発生する熱がベース１０１に吸収される効率が低下する。
【００１１】
また、ベース１０１に接着する放熱板１１１との間にも隙間が形成され、ベース１０１と放熱板１１１との接触面積が減少し、半導体素子１０２動作時に発生した熱を放熱する効率が低下する。放熱効率が低下すると、半導体素子１０２自体に自身の発した熱で半導体素子１０２が高温になり、特性に影響を及ぼし、半導体素子１０２が破壊に至る可能性がある。
【００１２】
更に、半導体パッケージ全体に湾曲形状の反りが発生すると、金属ネジ１１２にてベース１０１と放熱板１１１との接合時に、絶縁部材１０７に機械的応力が集中し亀裂が発生し、気密性が損なわれ信頼性を低下させていた。
【００１３】
本発明は、金属ろう材接着などの高温プロセスを伴う工程において発生する熱応力に起因する半導体パッケージ全体の反りを緩和し放熱特性の良好で高信頼性を有する電力増幅半導体装置用パッケージとその製造方法およびそれを用いた電力増幅半導体装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の電力増幅半導体装置用パッケージは、半導体素子が載置されるベースと半導体素子を保護するよう、ベース上面部に形成された枠状部材と、枠状部材と電気的に絶縁され、半導体素子の電極を外部回路に接続するためのメタライズ配線を有する絶縁部材と、絶縁部材メタライズ部と外部回路を電気的に接続するリード端子、半導体素子を保護するキャップからなり、ベースと枠状部材、枠状部材と絶縁部材および絶縁部材とリード端子が接着材を介して接着されたもので、接着材が金属系ろう材であり、ベースと枠状部材とが応力緩衝板を介して接着されたものである。
【００１５】
さらに、ベースが銅合金、枠状部材とリード端子およびキャップが鉄系合金、絶縁部材がＷまたはＭｏ−Ｍｎ等のメタライズ配線を有する酸化アルミニウム質焼結体からなり、応力緩衝板の熱膨張係数がベースの熱膨張係数より大きく構成されたものである。これによれば、ベースと枠状部材ならびに枠状部材と絶縁部材の接着の際、およびキャップをＡｕ−Ｓｎ等の金属ろう材を介して気密封止を行う際の高温プロセスで生じる熱膨張差による熱応力が、ベースと枠状部材の接合箇所に最も大きく集中し、温度下降時、半導体パッケージ全体を湾曲形状の反りを発生させる現象を、ベースよりも熱膨張係数の大きい応力緩衝板をベースと枠状部材間に挟着することで、ベースと枠状部材の接合箇所への熱応力を緩和し、ベースの湾曲形状の反りを緩和する事により放熱特性を向上させた電力増幅半導体装置用パッケージである。
【００１６】
またベースよりも熱膨張係数が大きく、降伏応力が小さい応力緩衝板をベースと枠状部材間に挟着することで半導体パッケージ全体が湾曲形状の反りが発生した状態でも、金属ネジにてベースと放熱板とを接合時に発生する機械的応力を応力緩衝板が塑性変形する事で吸収し絶縁部材に応力が集中しなくなり、亀裂発生が無くなり気密性低下のない高信頼性を有する電力増幅半導体装置用パッケージである。
【００１７】
また、本発明の電力増幅半導体装置用パッケージの製造方法は、半導体素子が載置されるベースと半導体素子を保護するよう、ベース上面部に形成された枠状部材と、枠状部材と電気的に絶縁され、半導体素子の電極を外部回路に接続するためのメタライズ配線を有する絶縁部材と、絶縁部材メタライズ部と外部回路を電気的に接続するリード端子、半導体素子を保護するキャップからなり、ベースと枠状部材、枠状部材と絶縁部材および絶縁部材とリード端子が接着材を介して接着されたもので、接着材が金属系ろう材であり、ベースと枠状部材とが応力緩衝板を介して接着されたものである。
【００１８】
さらに、ベースが銅合金、枠状部材とリード端子およびキャップが鉄系合金、絶縁部材がＷまたはＭｏ−Ｍｎ等のメタライズ配線を有する酸化アルミニウム質焼結体からなり、応力緩衝板の熱膨張係数がベースの熱膨張係数より大きく構成されたものである。これによれば、ベースと枠状部材ならびに枠状部材と絶縁部材の接着の際、およびキャップをＡｕ−Ｓｎ等の金属ろう材を介して気密封止を行う際の高温プロセスで生じる熱膨張差による熱応力が、ベースと枠状部材の接合箇所に最も大きく集中し、温度下降時、半導体パッケージ全体を湾曲形状の反りを発生させる現象を、ベースよりも熱膨張係数が大きく、降伏応力が小さい応力緩衝板をベースと枠状部材間に挟着することで、ベースと枠状部材の接合箇所への熱応力を緩和し、ベースの湾曲形状の反りを緩和する事により放熱特性を向上させた電力増幅半導体装置用パッケージの製造方法である。
【００１９】
またベースよりも熱膨張係数の大きい応力緩衝板をベースと枠状部材間に挟着することで半導体パッケージ全体が湾曲形状の反りが発生した状態でも、金属ネジにてベースと放熱板とを接合時に発生する機械的応力を応力緩衝板が塑性変形する事で吸収し絶縁部材に応力が集中しなくなり、亀裂発生が無くなり気密性低下のない高信頼性を有する電力増幅半導体装置用パッケージの製造方法である。
【００２０】
また、本発明の電力増幅半導体装置は、半導体素子が載置されたベースと半導体素子を保護するよう、ベース上面部に形成された枠状部材と、半導体素子とボンディングワイヤーにて接続されたパッケージ内外を導通するメタライズ配線を有する絶縁部材、絶縁部材メタライズ部と外部回路を電気的に接続するリード端子、半導体素子を保護するキャップからなり、ベースと枠状部材、枠状部材と絶縁部材および絶縁部材とリード端子が接着材を介して接着されたもので、接着材が金属系ろう材であり、ベースと枠状部材とが応力緩衝板を介して接着されたものである。
【００２１】
さらに、ベースが銅合金、枠状部材とリード端子およびキャップが鉄系合金、絶縁部材がＷまたはＭｏ−Ｍｎ等のメタライズ配線を有する酸化アルミニウム質焼結体からなり、応力緩衝板の熱膨張係数がベースの熱膨張係数より大きく構成されたものである。これによれば、ベースと枠状部材ならびに枠状部材と絶縁部材の接着の際、およびキャップをＡｕ−Ｓｎ等の金属ろう材を介して気密封止を行う際の高温プロセスで生じる熱膨張差による熱応力が、ベースと枠状部材の接合箇所に最も大きく集中し、温度下降時、半導体パッケージ全体を湾曲形状の反りを発生させる現象を、ベースよりも熱膨張係数の大きい応力緩衝板をベースと枠状部材間に挟着することで、ベースと枠状部材の接合箇所への熱応力を緩和し、ベースの湾曲形状の反りを緩和する事により半導体素子とベースならびにベースと放熱板との接触状態が良化し、放熱特性が向上した電力増幅半導体装置である。
【００２２】
またベースよりも熱膨張係数が大きく、降伏応力が小さい応力緩衝板をベースと枠状部材間に挟着することで半導体パッケージ全体が湾曲形状の反りが発生した状態でも、金属ネジにてベースと放熱板との接合時に発生する機械的応力を応力緩衝板が塑性変形する事で吸収し絶縁部材に応力が集中しなくなり、亀裂発生が無くなり気密性低下のない高信頼性を有する電力増幅半導体装置である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１（ａ）は本発明に係る電力増幅半導体装置用パッケージの斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ′線に沿った断面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）におけるＡ（接合箇所）の拡大図である。図１（ａ）、図１（ｂ）において、放熱性を考慮した銅合金例えば、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−ＭｏやＣｕ−Ｍｏ−Ｃｕなどからなるベース１、ベース１上面に半導体素子２が載置される半導体素子載置部３、ベース１上面外周部に半導体素子２を中空部１７で保持するＦｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金などからなる鉄系合金の枠状部材５、枠状部材５に形成された貫通孔６の内部に収容する半導体素子２の電極を外部回路に接続するためのメタライズ配線１８を有する酸化アルミニウム質焼結体からなる絶縁部材７、絶縁部材のメタライズ部と外部回路を電気的に接続するＦｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金などからなる鉄系合金で形成されたリード端子８、各材料をＡｇ合金やＡｕ−Ｓｎなどの金属系ろう材４を介して気密的、絶縁的に接着されている。
【００２４】
半導体素子２実装後、外部環境の影響を遮断する気密封止用のキャップ９をＡｕ−Ｓｎ合金などの金属系ろう材４にて気密的に封止されている。
【００２５】
前記構成により電力増幅半導体装置用パッケージ１０を構成している。
【００２６】
ベース１の下部に放熱特性を向上するために、接合されるＣｕ、アルミ、真鍮等からなる放熱板１１、ベース１と放熱板１１とを接合する金属ネジ１２、ベースのネジ止め部１３、半導体素子載置部３に半導体素子２を接着する接着剤１４、半導体素子２とリード端子８を電気的に接続するボンディングワイヤー１５である。前記構成により電力増幅半導体装置１９を構成している。
【００２７】
以上の構成は従来の構成と同様である。
【００２８】
熱応力によるベース１の反りを防ぐために、ベース１と枠状部材５の間に金属系ろう材４を介して接着するベース１よりも熱膨張係数が大きな金属材料からなる応力緩衝板１６、例えば熱膨張係数が１７ｐｐｍのＣｕ板などであり、この応力緩衝板１６をベース１と枠状部材５の間に設けた点が従来例と異なる。
【００２９】
図１（ａ）に示したように、ベース１上面外周部に、枠状部材５を、応力緩衝板１６を介して金属系ろう材４で接着している。これは、高温プロセスで生じる熱膨張差による熱応力が、ベース１と枠状部材５の接合箇所に最も大きく集中し、温度下降時、半導体パッケージ全体を湾曲形状の反りを発生させる現象を、ベースよりも熱膨張係数の大きい応力緩衝板をベースと枠状部材間に挟着することで、ベースと枠状部材の接合箇所への熱応力を緩和し、ベースの湾曲形状の反りを防ぐものである。
【００３０】
次に、電力増幅半導体装置用パッケージ１０の製造工程を斜視図である図２（ａ）と図２（ｂ）を用いて説明する。
【００３１】
半導体素子載置部３およびネジ止め部１３が形成されたＣｕ−Ｗ、Ｃｕ−ＭｏやＣｕ−Ｍｏ−Ｃｕなどからなるベース１の上面周縁部に、Ｆｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる枠状部材５を、Ｃｕなどからなる応力緩衝板１６をＡｇ合金やＡｕ−Ｓｎ合金からなる金属系ろう材４を用いてＮ２＋Ｈ２雰囲気中８３０℃で挟着する。また同時にメタライズ配線１８を有する酸化アルミニウム質焼結体からなる絶縁部材７とリード端子８の接合も行う。
【００３２】
一体に形成された半導体装置用パッケージ１０とキャップ９にＮｉめっきとＡｕめっきを施す（図示せず）。
【００３３】
ベース１上面外周部に、枠状部材５を、応力緩衝板１６を介して金属系ろう材４で接着している。これは、高温プロセスで生じる熱膨張差による熱応力が、ベース１と枠状部材５の接合箇所に最も大きく集中し、温度下降時、半導体パッケージ全体を湾曲形状の反りを発生させる現象を、ベースよりも熱膨張係数の大きい応力緩衝板をベースと枠状部材間に挟着することで、ベースと枠状部材の接合箇所への熱応力を緩和し、ベースの湾曲形状の反りを防ぐものである。
【００３４】
次に、前記製造方法で製造された電力増幅半導体装置用パッケージ１０を用いた電力増幅半導体装置１９の斜視図である図３（ａ）と、図３（ａ）のＹ−Ｙ′線に沿った断面図である図３（ｂ）を用いて説明する。
【００３５】
ベース１の下部に放熱特性を向上するために、接合されるＣｕ、アルミ、真鍮等からなる放熱板１１、ベース１と放熱板１１とを接合する金属ネジ１２、ベースのネジ止め部１３、半導体素子載置部３に半導体素子２を接着する接着剤１４、半導体素子２とリード端子８を電気的に接続するボンディングワイヤー１５である。
【００３６】
図３（ａ）に示したように、半導体素子載置部３にＡｕ−Ｓｎなどの導電性の接着剤１４を介して半導体素子２を接着し、半導体素子２とパッケージ内部の絶縁部材７のメタライズ配線１８とをボンディングワイヤー１５で電気的に接続し、枠状部材５の上側端面に金属系ろう材４を介して金属キャップ９を接着し、気密封止している。ベース１と放熱板１１とをネジ止め部１３を介して金属ネジ１２で接合している。このとき、ベース１上面外周部に、枠状部材５を、応力緩衝板１６を介して金属系ろう材４で接着している。
【００３７】
これにより、ベース１と枠状部材５とならびに枠状部材５と絶縁部材７の接着の際、およびキャップ９をＡｕ−Ｓｎ等の金属ろう材４を介して気密封止を行う際の高温プロセスで生じる熱膨張差による熱応力が、ベースと枠状部材の接合箇所に最も大きく集中し、温度下降時、半導体パッケージ全体を湾曲形状の反りを発生させる現象を、ベース１よりも熱膨張係数の大きい応力緩衝板１６をベースと枠状部材間に挟着することで、ベース１と枠状部材５の接合箇所への熱応力を緩和し、パッケージ全体の湾曲形状反りを緩和させ、ベース１の反りが緩和する事により半導体素子２とベース１ならびにベース１と放熱板１１との接触状態が良化し、放熱特性が向上する。
【００３８】
また、ベース１よりも熱膨張係数が大きく、降伏応力が小さい応力緩衝板１６をベース１と枠状部材５間に挟着することで半導体パッケージ１０全体が湾曲形状の反りが発生した状態でも、金属ネジ１２にてベース１と放熱板１１との接合時に発生する機械的応力を応力緩衝板１６が塑性変形する事で吸収し絶縁部材７に応力が集中しなくなり、亀裂発生が無くなり気密性低下のない高信頼性を有する。
【００３９】
以上、本発明による電力増幅半導体装置用パッケージ、電力増幅半導体装置用パッケージの製造方法および電力増幅半導体装置の一実施形態について説明したが本発明の思想に逸脱しない限り適宜変更可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、パッケージの湾曲形状の反りを緩和することができ、半導体素子２動作時に発生する熱の放熱を効率良くすることができる。また、絶縁部材に応力が集中しなくなり、亀裂発生が無くなり気密性低下のない高信頼性を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による電力増幅半導体装置用パッケージを示すもので、
（ａ）は斜視図
（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ′線に沿った断面図
（ｃ）は図１（ｂ）におけるＡ（接合箇所）の拡大図
【図２】本発明の実施形態による電力増幅半導体装置用パッケージの製造工程を示すもので、
（ａ）は中間加工物を示す図
（ｂ）は電力増幅半導体装置用パッケージの完成品を示す図
【図３】本発明の実施形態による電力増幅半導体装置を示すもので、
（ａ）は斜視図
（ｂ）は図３（ａ）のＹ−Ｙ′線に沿った断面図
【図４】従来例の電力増幅半導体装置を示すもので、
（ａ）は斜視図
（ｂ）は図４（ａ）のＺ−Ｚ′線に沿った断面図
【符号の説明】
１ ベース
２ 半導体素子
３ 半導体素子載置部
４ 金属系ろう材
５ 枠状部材
６ 貫通孔
７ 絶縁部材
８ リード端子
９ キャップ
１０ 電力増幅半導体装置用パッケージ
１１ 放熱板
１２ 金属ネジ
１３ ネジ止め部
１４ 接着剤
１５ ボンディングワイヤー
１６ 応力緩衝板
１７ 中空部
１８ メタライズ配線
１９ 電力増幅半導体装置
１０１ ベース
１０２ 半導体素子
１０３ 半導体素子載置部
１０４ 金属系ろう材
１０５ 枠状部材
１０６ 貫通孔
１０７ 絶縁部材
１０８ リード端子
１０９ キャップ
１１０ 電力増幅半導体装置用パッケージ
１１１ 放熱板
１１２ 金属ネジ
１１３ ネジ止め部
１１４ 接着剤
１１５ ボンディングワイヤー
１１７ 中空部
１１８ メタライズ配線
１１９ 電力増幅半導体装置
【発明の属する技術分野】
本発明は高出力、高周波数の電力増幅半導体装置用パッケージとその製造方法およびそれを用いた電力増幅半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高出力、高周波の気密封止型半導体装置とくに携帯電話中継基地局などの送信部における電力増幅用半導体装置に用いられるパッケージは、高い放熱特性や信頼性を有することが求められる。
【０００３】
例えば、特開平５−２２６５１４号公報に記載されているものがあった。
【０００４】
図４（ａ）は従来の半導体装置の斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＺ−Ｚ′線に沿った断面図を示すものである。
【０００５】
ベース１０１、ベース１０１上面に半導体素子１０２が載置される半導体素子載置部１０３、ベース１０１上面外周部に半導体素子１０２を中空部１１７で保持する鉄系合金の枠状部材１０５、枠状部材１０５に形成された貫通孔１０６に内部に収容する半導体素子１０２の電極を外部回路に接続するためのメタライズ配線１１８を有する酸化アルミニウム質焼結体からなる絶縁部材１０７、絶縁部材のメタライズ部と外部回路を電気的に接続する鉄系合金で形成されたリード端子１０８、各材料をＡｇ合金などの金属系ろう材１０４を介して気密的、絶縁的に接着されている。
【０００６】
半導体素子１０２実装後、外部環境の影響を遮断する気密封止用のキャップ１０９をＡｕ−Ｓｎ合金などの金属系ろう材１０４にて気密的に封止する。
【０００７】
前記構成により電力増幅半導体装置用パッケージ１１０を構成している。
【０００８】
ベース１０１の下部に放熱特性を向上するために、接合されるＣｕ、アルミ、真鍮等からなる放熱板１１１、ベース１０１と放熱板１１１とを接合する金属ネジ１１２、ベースのネジ止め部１１３、半導体素子載置部１０３に半導体素子１０２を接着する接着剤１１４、半導体素子１０２とリード端子１０８を電気的に接続するボンディングワイヤー１１５である。前記構成により電力増幅半導体装置１１９を構成している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の構成では、酸化アルミニウム質焼結体からなる絶縁部材１０７の熱膨張係数は６．７ｐｐｍであり、枠状部材１０５は熱膨張係数を合わせるために５．３ｐｐｍのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を使用し、ベース１０１は出来る限り熱伝導率の大きい材料を使用し放熱特性を向上させたいが、絶縁部材１０７の熱膨張係数との差があまりにも大きいとろう付け時に絶縁部材に亀裂が生じ気密性を損なってしまう。この事より使用出来る熱膨張係数は５．０〜９．０ｐｐｍの範囲となるが、現実にはＣｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕ合金などの熱膨張係数６．５〜９．０ｐｐｍの範囲となるベース１０１を使用し、金属系ろう材１０４にて接合し、半導体素子１０２実装後、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ等のキャップ１０９にて気密的、絶縁的に封着されているが、ベース１０１、枠状部材１０５、絶縁部材１０７の熱膨張係数の差を無くす事は出来ない。
【００１０】
このため、ベース１０１に金属系ろう材１０４を介して枠状部材１０５を接着する際や、キャップを金属系ろう材１０４を介して気密封止する際などの高温プロセスで、熱膨脹係数の相違に起因した熱応力が生じ、温度下降時の熱収縮が発生し、半導体パッケージ全体に湾曲形状の反りが発生し、ベース１０１と半導体素子１０２との間に隙間が形成され、半導体素子１０２動作時に発生する熱がベース１０１に吸収される効率が低下する。
【００１１】
また、ベース１０１に接着する放熱板１１１との間にも隙間が形成され、ベース１０１と放熱板１１１との接触面積が減少し、半導体素子１０２動作時に発生した熱を放熱する効率が低下する。放熱効率が低下すると、半導体素子１０２自体に自身の発した熱で半導体素子１０２が高温になり、特性に影響を及ぼし、半導体素子１０２が破壊に至る可能性がある。
【００１２】
更に、半導体パッケージ全体に湾曲形状の反りが発生すると、金属ネジ１１２にてベース１０１と放熱板１１１との接合時に、絶縁部材１０７に機械的応力が集中し亀裂が発生し、気密性が損なわれ信頼性を低下させていた。
【００１３】
本発明は、金属ろう材接着などの高温プロセスを伴う工程において発生する熱応力に起因する半導体パッケージ全体の反りを緩和し放熱特性の良好で高信頼性を有する電力増幅半導体装置用パッケージとその製造方法およびそれを用いた電力増幅半導体装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の電力増幅半導体装置用パッケージは、半導体素子が載置されるベースと半導体素子を保護するよう、ベース上面部に形成された枠状部材と、枠状部材と電気的に絶縁され、半導体素子の電極を外部回路に接続するためのメタライズ配線を有する絶縁部材と、絶縁部材メタライズ部と外部回路を電気的に接続するリード端子、半導体素子を保護するキャップからなり、ベースと枠状部材、枠状部材と絶縁部材および絶縁部材とリード端子が接着材を介して接着されたもので、接着材が金属系ろう材であり、ベースと枠状部材とが応力緩衝板を介して接着されたものである。
【００１５】
さらに、ベースが銅合金、枠状部材とリード端子およびキャップが鉄系合金、絶縁部材がＷまたはＭｏ−Ｍｎ等のメタライズ配線を有する酸化アルミニウム質焼結体からなり、応力緩衝板の熱膨張係数がベースの熱膨張係数より大きく構成されたものである。これによれば、ベースと枠状部材ならびに枠状部材と絶縁部材の接着の際、およびキャップをＡｕ−Ｓｎ等の金属ろう材を介して気密封止を行う際の高温プロセスで生じる熱膨張差による熱応力が、ベースと枠状部材の接合箇所に最も大きく集中し、温度下降時、半導体パッケージ全体を湾曲形状の反りを発生させる現象を、ベースよりも熱膨張係数の大きい応力緩衝板をベースと枠状部材間に挟着することで、ベースと枠状部材の接合箇所への熱応力を緩和し、ベースの湾曲形状の反りを緩和する事により放熱特性を向上させた電力増幅半導体装置用パッケージである。
【００１６】
またベースよりも熱膨張係数が大きく、降伏応力が小さい応力緩衝板をベースと枠状部材間に挟着することで半導体パッケージ全体が湾曲形状の反りが発生した状態でも、金属ネジにてベースと放熱板とを接合時に発生する機械的応力を応力緩衝板が塑性変形する事で吸収し絶縁部材に応力が集中しなくなり、亀裂発生が無くなり気密性低下のない高信頼性を有する電力増幅半導体装置用パッケージである。
【００１７】
また、本発明の電力増幅半導体装置用パッケージの製造方法は、半導体素子が載置されるベースと半導体素子を保護するよう、ベース上面部に形成された枠状部材と、枠状部材と電気的に絶縁され、半導体素子の電極を外部回路に接続するためのメタライズ配線を有する絶縁部材と、絶縁部材メタライズ部と外部回路を電気的に接続するリード端子、半導体素子を保護するキャップからなり、ベースと枠状部材、枠状部材と絶縁部材および絶縁部材とリード端子が接着材を介して接着されたもので、接着材が金属系ろう材であり、ベースと枠状部材とが応力緩衝板を介して接着されたものである。
【００１８】
さらに、ベースが銅合金、枠状部材とリード端子およびキャップが鉄系合金、絶縁部材がＷまたはＭｏ−Ｍｎ等のメタライズ配線を有する酸化アルミニウム質焼結体からなり、応力緩衝板の熱膨張係数がベースの熱膨張係数より大きく構成されたものである。これによれば、ベースと枠状部材ならびに枠状部材と絶縁部材の接着の際、およびキャップをＡｕ−Ｓｎ等の金属ろう材を介して気密封止を行う際の高温プロセスで生じる熱膨張差による熱応力が、ベースと枠状部材の接合箇所に最も大きく集中し、温度下降時、半導体パッケージ全体を湾曲形状の反りを発生させる現象を、ベースよりも熱膨張係数が大きく、降伏応力が小さい応力緩衝板をベースと枠状部材間に挟着することで、ベースと枠状部材の接合箇所への熱応力を緩和し、ベースの湾曲形状の反りを緩和する事により放熱特性を向上させた電力増幅半導体装置用パッケージの製造方法である。
【００１９】
またベースよりも熱膨張係数の大きい応力緩衝板をベースと枠状部材間に挟着することで半導体パッケージ全体が湾曲形状の反りが発生した状態でも、金属ネジにてベースと放熱板とを接合時に発生する機械的応力を応力緩衝板が塑性変形する事で吸収し絶縁部材に応力が集中しなくなり、亀裂発生が無くなり気密性低下のない高信頼性を有する電力増幅半導体装置用パッケージの製造方法である。
【００２０】
また、本発明の電力増幅半導体装置は、半導体素子が載置されたベースと半導体素子を保護するよう、ベース上面部に形成された枠状部材と、半導体素子とボンディングワイヤーにて接続されたパッケージ内外を導通するメタライズ配線を有する絶縁部材、絶縁部材メタライズ部と外部回路を電気的に接続するリード端子、半導体素子を保護するキャップからなり、ベースと枠状部材、枠状部材と絶縁部材および絶縁部材とリード端子が接着材を介して接着されたもので、接着材が金属系ろう材であり、ベースと枠状部材とが応力緩衝板を介して接着されたものである。
【００２１】
さらに、ベースが銅合金、枠状部材とリード端子およびキャップが鉄系合金、絶縁部材がＷまたはＭｏ−Ｍｎ等のメタライズ配線を有する酸化アルミニウム質焼結体からなり、応力緩衝板の熱膨張係数がベースの熱膨張係数より大きく構成されたものである。これによれば、ベースと枠状部材ならびに枠状部材と絶縁部材の接着の際、およびキャップをＡｕ−Ｓｎ等の金属ろう材を介して気密封止を行う際の高温プロセスで生じる熱膨張差による熱応力が、ベースと枠状部材の接合箇所に最も大きく集中し、温度下降時、半導体パッケージ全体を湾曲形状の反りを発生させる現象を、ベースよりも熱膨張係数の大きい応力緩衝板をベースと枠状部材間に挟着することで、ベースと枠状部材の接合箇所への熱応力を緩和し、ベースの湾曲形状の反りを緩和する事により半導体素子とベースならびにベースと放熱板との接触状態が良化し、放熱特性が向上した電力増幅半導体装置である。
【００２２】
またベースよりも熱膨張係数が大きく、降伏応力が小さい応力緩衝板をベースと枠状部材間に挟着することで半導体パッケージ全体が湾曲形状の反りが発生した状態でも、金属ネジにてベースと放熱板との接合時に発生する機械的応力を応力緩衝板が塑性変形する事で吸収し絶縁部材に応力が集中しなくなり、亀裂発生が無くなり気密性低下のない高信頼性を有する電力増幅半導体装置である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１（ａ）は本発明に係る電力増幅半導体装置用パッケージの斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ′線に沿った断面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）におけるＡ（接合箇所）の拡大図である。図１（ａ）、図１（ｂ）において、放熱性を考慮した銅合金例えば、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−ＭｏやＣｕ−Ｍｏ−Ｃｕなどからなるベース１、ベース１上面に半導体素子２が載置される半導体素子載置部３、ベース１上面外周部に半導体素子２を中空部１７で保持するＦｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金などからなる鉄系合金の枠状部材５、枠状部材５に形成された貫通孔６の内部に収容する半導体素子２の電極を外部回路に接続するためのメタライズ配線１８を有する酸化アルミニウム質焼結体からなる絶縁部材７、絶縁部材のメタライズ部と外部回路を電気的に接続するＦｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金などからなる鉄系合金で形成されたリード端子８、各材料をＡｇ合金やＡｕ−Ｓｎなどの金属系ろう材４を介して気密的、絶縁的に接着されている。
【００２４】
半導体素子２実装後、外部環境の影響を遮断する気密封止用のキャップ９をＡｕ−Ｓｎ合金などの金属系ろう材４にて気密的に封止されている。
【００２５】
前記構成により電力増幅半導体装置用パッケージ１０を構成している。
【００２６】
ベース１の下部に放熱特性を向上するために、接合されるＣｕ、アルミ、真鍮等からなる放熱板１１、ベース１と放熱板１１とを接合する金属ネジ１２、ベースのネジ止め部１３、半導体素子載置部３に半導体素子２を接着する接着剤１４、半導体素子２とリード端子８を電気的に接続するボンディングワイヤー１５である。前記構成により電力増幅半導体装置１９を構成している。
【００２７】
以上の構成は従来の構成と同様である。
【００２８】
熱応力によるベース１の反りを防ぐために、ベース１と枠状部材５の間に金属系ろう材４を介して接着するベース１よりも熱膨張係数が大きな金属材料からなる応力緩衝板１６、例えば熱膨張係数が１７ｐｐｍのＣｕ板などであり、この応力緩衝板１６をベース１と枠状部材５の間に設けた点が従来例と異なる。
【００２９】
図１（ａ）に示したように、ベース１上面外周部に、枠状部材５を、応力緩衝板１６を介して金属系ろう材４で接着している。これは、高温プロセスで生じる熱膨張差による熱応力が、ベース１と枠状部材５の接合箇所に最も大きく集中し、温度下降時、半導体パッケージ全体を湾曲形状の反りを発生させる現象を、ベースよりも熱膨張係数の大きい応力緩衝板をベースと枠状部材間に挟着することで、ベースと枠状部材の接合箇所への熱応力を緩和し、ベースの湾曲形状の反りを防ぐものである。
【００３０】
次に、電力増幅半導体装置用パッケージ１０の製造工程を斜視図である図２（ａ）と図２（ｂ）を用いて説明する。
【００３１】
半導体素子載置部３およびネジ止め部１３が形成されたＣｕ−Ｗ、Ｃｕ−ＭｏやＣｕ−Ｍｏ−Ｃｕなどからなるベース１の上面周縁部に、Ｆｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる枠状部材５を、Ｃｕなどからなる応力緩衝板１６をＡｇ合金やＡｕ−Ｓｎ合金からなる金属系ろう材４を用いてＮ２＋Ｈ２雰囲気中８３０℃で挟着する。また同時にメタライズ配線１８を有する酸化アルミニウム質焼結体からなる絶縁部材７とリード端子８の接合も行う。
【００３２】
一体に形成された半導体装置用パッケージ１０とキャップ９にＮｉめっきとＡｕめっきを施す（図示せず）。
【００３３】
ベース１上面外周部に、枠状部材５を、応力緩衝板１６を介して金属系ろう材４で接着している。これは、高温プロセスで生じる熱膨張差による熱応力が、ベース１と枠状部材５の接合箇所に最も大きく集中し、温度下降時、半導体パッケージ全体を湾曲形状の反りを発生させる現象を、ベースよりも熱膨張係数の大きい応力緩衝板をベースと枠状部材間に挟着することで、ベースと枠状部材の接合箇所への熱応力を緩和し、ベースの湾曲形状の反りを防ぐものである。
【００３４】
次に、前記製造方法で製造された電力増幅半導体装置用パッケージ１０を用いた電力増幅半導体装置１９の斜視図である図３（ａ）と、図３（ａ）のＹ−Ｙ′線に沿った断面図である図３（ｂ）を用いて説明する。
【００３５】
ベース１の下部に放熱特性を向上するために、接合されるＣｕ、アルミ、真鍮等からなる放熱板１１、ベース１と放熱板１１とを接合する金属ネジ１２、ベースのネジ止め部１３、半導体素子載置部３に半導体素子２を接着する接着剤１４、半導体素子２とリード端子８を電気的に接続するボンディングワイヤー１５である。
【００３６】
図３（ａ）に示したように、半導体素子載置部３にＡｕ−Ｓｎなどの導電性の接着剤１４を介して半導体素子２を接着し、半導体素子２とパッケージ内部の絶縁部材７のメタライズ配線１８とをボンディングワイヤー１５で電気的に接続し、枠状部材５の上側端面に金属系ろう材４を介して金属キャップ９を接着し、気密封止している。ベース１と放熱板１１とをネジ止め部１３を介して金属ネジ１２で接合している。このとき、ベース１上面外周部に、枠状部材５を、応力緩衝板１６を介して金属系ろう材４で接着している。
【００３７】
これにより、ベース１と枠状部材５とならびに枠状部材５と絶縁部材７の接着の際、およびキャップ９をＡｕ−Ｓｎ等の金属ろう材４を介して気密封止を行う際の高温プロセスで生じる熱膨張差による熱応力が、ベースと枠状部材の接合箇所に最も大きく集中し、温度下降時、半導体パッケージ全体を湾曲形状の反りを発生させる現象を、ベース１よりも熱膨張係数の大きい応力緩衝板１６をベースと枠状部材間に挟着することで、ベース１と枠状部材５の接合箇所への熱応力を緩和し、パッケージ全体の湾曲形状反りを緩和させ、ベース１の反りが緩和する事により半導体素子２とベース１ならびにベース１と放熱板１１との接触状態が良化し、放熱特性が向上する。
【００３８】
また、ベース１よりも熱膨張係数が大きく、降伏応力が小さい応力緩衝板１６をベース１と枠状部材５間に挟着することで半導体パッケージ１０全体が湾曲形状の反りが発生した状態でも、金属ネジ１２にてベース１と放熱板１１との接合時に発生する機械的応力を応力緩衝板１６が塑性変形する事で吸収し絶縁部材７に応力が集中しなくなり、亀裂発生が無くなり気密性低下のない高信頼性を有する。
【００３９】
以上、本発明による電力増幅半導体装置用パッケージ、電力増幅半導体装置用パッケージの製造方法および電力増幅半導体装置の一実施形態について説明したが本発明の思想に逸脱しない限り適宜変更可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、パッケージの湾曲形状の反りを緩和することができ、半導体素子２動作時に発生する熱の放熱を効率良くすることができる。また、絶縁部材に応力が集中しなくなり、亀裂発生が無くなり気密性低下のない高信頼性を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による電力増幅半導体装置用パッケージを示すもので、
（ａ）は斜視図
（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ′線に沿った断面図
（ｃ）は図１（ｂ）におけるＡ（接合箇所）の拡大図
【図２】本発明の実施形態による電力増幅半導体装置用パッケージの製造工程を示すもので、
（ａ）は中間加工物を示す図
（ｂ）は電力増幅半導体装置用パッケージの完成品を示す図
【図３】本発明の実施形態による電力増幅半導体装置を示すもので、
（ａ）は斜視図
（ｂ）は図３（ａ）のＹ−Ｙ′線に沿った断面図
【図４】従来例の電力増幅半導体装置を示すもので、
（ａ）は斜視図
（ｂ）は図４（ａ）のＺ−Ｚ′線に沿った断面図
【符号の説明】
１ ベース
２ 半導体素子
３ 半導体素子載置部
４ 金属系ろう材
５ 枠状部材
６ 貫通孔
７ 絶縁部材
８ リード端子
９ キャップ
１０ 電力増幅半導体装置用パッケージ
１１ 放熱板
１２ 金属ネジ
１３ ネジ止め部
１４ 接着剤
１５ ボンディングワイヤー
１６ 応力緩衝板
１７ 中空部
１８ メタライズ配線
１９ 電力増幅半導体装置
１０１ ベース
１０２ 半導体素子
１０３ 半導体素子載置部
１０４ 金属系ろう材
１０５ 枠状部材
１０６ 貫通孔
１０７ 絶縁部材
１０８ リード端子
１０９ キャップ
１１０ 電力増幅半導体装置用パッケージ
１１１ 放熱板
１１２ 金属ネジ
１１３ ネジ止め部
１１４ 接着剤
１１５ ボンディングワイヤー
１１７ 中空部
１１８ メタライズ配線
１１９ 電力増幅半導体装置
Claims (12)
- 半導体素子が載置されるベースと前記半導体素子を保護するよう前記ベース上面部に形成された枠状部材と、前記枠状部材と絶縁物により電気的に絶縁され前記半導体素子と外部回路とを電気的に接続するリード端子と、前記半導体素子を保護するキャップからなり、前記ベースと前記枠状部材が接着材を介して接着されていることを特徴とする電力増幅半導体装置用パッケージ。
- 前記接着材が金属系ろう材であることを特徴とする請求項１記載の電力増幅半導体装置用パッケージ。
- 前記ベースと前記枠状部材とが応力緩衝板を介して金属系ろう材で接着されていることを特徴とする請求項２記載の電力増幅半導体装置用パッケージ。
- 前記ベースが銅合金、前記枠状部材が鉄系合金、前記絶縁物が酸化アルミニウム焼結体からなり、前記応力緩衝板は、熱膨張係数が前記ベースの熱膨張係数より大きく、降伏応力が前記ベースより小さいことを特徴とする請求項３に記載の電力増幅半導体装置用パッケージ。
- 半導体素子載置部およびネジ止め部が形成されたベースにおいて、前記ベースの上面周縁部に、貫通孔が形成された枠状部材を接着材を用いて立設し接着する工程と、前記貫通孔に絶縁部材を挿通し、前記絶縁部材を介して気密的、絶縁的に接着材を用いて接着する工程とからなることを特徴とする電力増幅半導体装置用パッケージの製造方法。
- 前記接着材が金属系ろう材であることを特徴とする請求項５記載の電力増幅半導体装置用パッケージの製造方法。
- 前記ベースと前記枠状部材とが応力緩衝板を介して接着されていることを特徴とする請求項６記載の電力増幅半導体装置用パッケージの製造方法。
- 前記ベースが銅合金、前記枠状部材が鉄系合金、絶縁物が酸化アルミニウム焼結体からなり、前記応力緩衝板は、熱膨張係数が前記ベースの熱膨張係数より大きく、降伏応力が前記ベースより小さいことを特徴とする請求項７に記載の電力増幅半導体装置用パッケージの製造方法。
- 半導体素子が載置されるベースと前記半導体素子を保護するよう、前記ベース上面部に形成された枠状部材と、前記枠状部材と絶縁物により電気的に絶縁され、前記半導体素子と外部回路とを電気的に接続するリード端子と、前記ベースに半導体素子が載置され、前記半導体素子と前記絶縁部材のメタライズ配線とをボンディングワイヤーにより、電気的に接続され、前記半導体素子を保護するキャップからなり、前記ベースと前記枠状部材が接着材を介して接着したことを特徴とする電力増幅半導体装置。
- 前記接着材が金属系ろう材であることを特徴とする請求項９記載の電力増幅半導体装置。
- 前記ベースと前記枠状部材とが応力緩衝板を介して接着したことを特徴とする請求項１０記載の電力増幅半導体装置。
- 前記ベースが銅合金、前記枠状部材が鉄系合金、前記絶縁物が酸化アルミニウム焼結体からなり、前記応力緩衝板は、熱膨張係数が前記ベースの熱膨張係数より大きく、降伏応力が前記ベースより小さいことを特徴とする請求項９に記載の電力増幅半導体装置。
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|---|---|---|---|---|
| JP2008294418A (ja) * | 2007-04-26 | 2008-12-04 | Kyocera Corp | パッケージおよび電子装置 |
| CN102064137A (zh) * | 2010-12-06 | 2011-05-18 | 日月光半导体制造股份有限公司 | 具有金属边框的半导体结构 |
| JP2011228591A (ja) * | 2010-04-22 | 2011-11-10 | Kyocera Corp | 素子収納用パッケージ、およびこれを備えた電子装置 |
| JP2014049700A (ja) * | 2012-09-03 | 2014-03-17 | Toshiba Corp | 部材の接合構造およびその接合方法、パッケージ |
-
2002
- 2002-06-13 JP JP2002172311A patent/JP2004022627A/ja active Pending
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060418 |