JP2007243016A - 半導体装置の実装構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】システム筐体に組み込まれた冷却システムとは独立した放熱構造により、他の電子部品装置との熱的影響を防止し冷却システムの設計の自由度が大幅に向上できる半導体装置の実装構造を提供すること。
【解決手段】高周波グランドと放熱面が同じである筐体11に形成された凹部に、放熱ベース面が高周波グランドとなるように電力増幅用半導体素子が実装されたパッケージ13を通常の実装方向とは上下逆に反転させフリップ実装を行う。パッケージ13の放熱ベース面が上方向になるので、ここに筐体11とは熱的に独立した冷却機構14を設置する。冷却機構14は放熱フィン15とヒートパイプ16で構成されている。電力増幅用半導体素子の冷却機構が独立になるので、他の電子部品装置との熱的影響を防止し冷却システムの設計の自由度が大幅に向上できる。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置の実装構造に関し、特にマイクロ波帯の高周波用半導体装置へ電力増幅用半導体素子を実装する構造に関する。
衛星通信分野など近年の通信の大容量化に伴い、電力増幅用半導体素子の高出力化への要求が高まっている。現在Ku 帯(12 〜 15 GHz)アプリケーションにおいては100W、C 帯(4 〜 8 GHz)においてはその出力は500 W を超えているが,これ以上の高出力化には電力増幅用半導体素子で発生する熱をいかに効率よく放熱するかということが重要である。この高出力化は今後さらに増大する傾向にあり、そのために半導体装置の放熱が課題になっている。
従来の実装構造は、図4で示すように電力増幅用半導体素子41が水冷または空冷装置が組み込まれたシステム筐体42のベース基板上に他の電子部品43と共に実装され一体で放熱されている。上述したように電力増幅用半導体素子からの発熱が大きくなっているために周辺電子部品も高温に晒され、周辺に実装された電子部品の特性に悪影響を及ぼす。現在の実装方法では電力増幅用半導体素子の放熱面がシステム筺体と一体となっているため放熱に対する設計自由度がないことが問題となる。したがって個別にパワー半導体を冷却できる実装構造を採用する必要が生じている。半導体チップを個別にかつ筐体面で冷却しない構造として、例えば冷却フィンと半導体チップまたは半導体チップがボンディングされた金属ベースとを熱伝導エラストマまたは熱伝導グリースを介して直接バネの力で機械接触させて放熱させる実装構造がある。これはCPUチップの放熱構造や特許文献にて見ることができるが、これはFC−PGA(Flip Chip Pin Grid Array)やBGA(Ball Grid Array)タイプのパッケージの実装方法でありグリッドアレー面から冷却ができないためであって、高出力な高周波電力増幅用半導体素子についての実装については未解決である。(特許文献1参照)
特開平7−94912号公報
したがって本発明は前記に鑑みてなされたものでその目的とするところは、システム筐体に組み込まれた冷却システムとは独立した放熱構造により、他の電子部品装置の熱的影響を防止し冷却システムの設計の自由度が大幅に向上できる半導体装置の実装構造を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本願発明の一態様によれば、高周波グランドと放熱面が同じである筐体に形成された凹部と、放熱ベース面が高周波グランドとなるように半導体装置が実装されたパッケージと、前記パッケージの放熱ベース面に熱的に独立した冷却機構とを備え、前記パッケージの高周波グランドと前記筐体の高周波グランドが接続するように、前記凹部に前記パッケージを反転してフリップ実装したことを特徴とする半導体装置の実装構造が提供できる。
また、本願発明の一態様によれば、半導体装置が収納されたパッケージの放熱ベース面に熱的に独立した冷却機構を具備したことを特徴とする半導体装置の実装構造が提供できる。
本発明の半導体装置の実装構造によれば、パワー半導体の発熱面をシステム筺体と独立にしたことで、自由度のある独立した放熱システムが設計できる。これにより高周波での電気的特性を損なうことなく、放熱特性に優れた実装構造をもつシステムが容易に設計できる。また、発熱面がシステム筺体と独立になったことで、周辺電子部品に熱が伝わることを抑制でき、また冷却機構としてヒートパイプを用いた場合、発熱面が筐体上面となるのでヒートパイプの放熱面を上、受熱面を下に配することができるので、有効にその効果を機能させることができる。
以下本発明の実施形態につき詳細に説明する。図1は本発明の一実施形態における半導体装置の実装構造の断面図を表したものである。
高周波グランドと放熱面が同じである筐体11に形成された凹部12に、放熱ベース面が高周波グランドとなるように電力増幅用半導体素子が実装されたパッケージ13を通常の実装方向とは上下逆に反転させフリップ実装を行う。このように実装を行うとパッケージ13の放熱ベース面が上方向になるので、ここに筐体11とは熱的に独立した冷却機構14を設置する。冷却機構14をは放熱フィン15とヒートパイプ16で構成されている。またこの筐体11上には同時に他の電子部品17が実装されている。本発明の一実施形態を詳細に説明するにあたり、図2を用いてパッケージ13の構造についてまず説明する。
図2は、本発明の一実施形態における半導体装置の実装構造に使用するパッケージの概念図である。このようなパッケージ13に、金メッキされたCu(銅)などの放熱用金属ベース20上に電力増幅用半導体チップ21を実装し、内部整合回路22を内蔵してそれぞれフィードスルータイプの入出力端子23、24に接続される。電力増幅用半導体素子は、その信頼性確保のためフレーム25と蓋26によってハーメチック封止されている。このパッケージを筐体11に固定するために固定フランジ27が放熱用金属ベース20と一体になって構成されている。この固定フランジ27をネジ18で固定することで筐体11の高周波グランドと放熱を確保することができる。
本一実施形態においては、高周波グランドとなる筐体11にパッケージ13がフリップ実装できるように凹部12を形成する。この凹部12にパッケージ13を入出力方向はそのままに上下を反転してフリップ実装する。パッケージ13を固定するために固定用フランジ26を用い、筐体11にネジ18を使用してネジ止めを行う。
この時パッケージ下面である蓋25は凹部の底面に接触しないようスペースをもって設置する。パッケージ下面が凹部底面に接触しているとパッケージのベース21を凹部12の上端でネジ止めする際、ネジが完全に締まらないということが生ずる。ネジが完全に締まらない場合両者の電気的導通が不完全になり、凹部12を含む筐体11はパッケージ13のベース21を基準とする高周波グランド電位が維持できなくなり、全体の特性に悪影響を及ぼしてしまう。そのため凹部12の深さはパッケージ13のベース面からの高さより少し大きくする必要がある。この隙間は放熱効果のあるグリースやゲル状エラストマなどを挿入してもよいし、そのままでも構わない。そのままで構わない理由は、後述するようにパッケージ13の放熱面であるベース21が上方向になるので、ここに筐体11とは熱的に独立した冷却機構14を設置できるからである。
この冷却機構14の例として放熱フィン15とU字型のヒートパイプ16で構成されている。この構成は熱的に分離できるだけでなく、冷却機構が上部に設置できることで放熱効果が向上する。放熱フィン15の熱は空気の熱に変換され上昇することが可能であり、熱対流を原理とするヒートパイプ16においては放熱効果の向上がさらに期待できる。
上述したように、この筐体11上には同時に分波器、合波器、入出力整合回路、制御回路など他の電子部品17が実装されている。このように高出力の半導体素子を独立に冷却できる機構を採用することで、他の電子部品と熱的に分離でき、発熱が特性に悪影響を及ぼすことを防止できる。また筐体11は熱伝導率のよい金属で通常構成するとし、具体的にはCu、Al等の安価な材料が用いられる。
図3は本発明の一実施形態における半導体装置の実装構造において、パッケージの高周波グランドと筐体グランドとの接続方法の一例を示した図で、(a) は横から見た図、(b)は真上から見た図を示している。反転実装されたパッケージ31の入出力端子が筐体33上に形成されたマイクロ波伝送線路34に接続された様子を示している。パッケージ31を反転実装すると入出力端子32近傍の高周波グランドと筐体33のマイクロ波伝送線路34との高周波グランドを接続するための高周波グランド接続部35を具備することによって高周波特性の劣化を防止する。
このように構成された本発明の一実施形態における半導体装置の実装構造によれば、パワー半導体の発熱面をシステム筺体と独立にしたことで、自由度のある独立した放熱システムが設計できる。これにより高周波での電気的特性を損なうことなく、放熱特性に優れた実装構造をもつシステムが容易に設計できる。また、発熱面がシステム筺体と独立になったことで、周辺電子部品に熱が伝わることを抑制でき、また冷却機構としてヒートパイプを用いた場合、発熱面が筐体上面となるので有効にその効果を機能させることができる。
尚、本発明は前記実施形態をそのままに限定されるものではなく、実施段階でその要旨を逸脱しない範囲で具体化できる。
本発明の一実施形態における半導体装置の実装構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態における半導体装置の実装構造に使用するパッケージの概念図である。 本発明の一実施形態における半導体装置の実装構造において、パッケージの高周波グランドと筐体グランドとの接続方法の一例を示した図で、(a) は横から見た図、(b)は真上から見た図である。 従来の半導体装置の実装構造を示す断面図である。
符号の説明
11、33…筐体
12…凹部
13、31…パッケージ
14…冷却機構
15…放熱フィン
16…ヒートパイプ
17…他の電子部品
18…ネジ
20…ベース
21…電力用半導体チップ
22…内部整合回路
23…入力端子
24…出力端子
25…フレーム
26…蓋
27…固定用フランジ
32…入出力端子
34…マイクロ波伝送線路
35…高周波グランド接続部

Claims (3)

  1. 高周波グランドと放熱面が同じである筐体に形成された凹部と、放熱ベース面が高周波グランドとなるように半導体装置が実装されたパッケージと、前記パッケージの放熱ベース面に熱的に独立した冷却機構とを備え、
    前記パッケージの高周波グランドと前記筐体の高周波グランドが接続するように、前記凹部に前記パッケージを反転してフリップ実装したことを特徴とする半導体装置の実装構造。
  2. 半導体装置が収納されたパッケージの放熱ベース面に熱的に独立した冷却機構を具備したことを特徴とする半導体装置の実装構造。
  3. 実装状態において前記パッケージの下面と前記凹部の底面との間に隙間が形成されたことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の実装構造。
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