JP2013131706A - 半導体装置およびデバイスパッケージ部材 - Google Patents

Abstract

【課題】キャップと金属層とを十分な強度で接合させることが可能な半導体装置およびデバイスパッケージ部材を提供すること。
【解決手段】本発明は、半導体チップ１４が搭載されたベース板１２と、ベース板１２上に半導体チップ１４を囲んで設けられた絶縁体からなる第１枠体２０及び第２枠体２６と、第２枠体２６の上面全周および第２枠体２６の上面から連続して第２枠体２６の内壁および外壁の少なくとも一方の延在して設けられた金属層２８と、第２枠体２６の上面に設けられた金属層２８にロウ材を介して接合されたキャップ３２と、を備える半導体装置である。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置およびデバイスパッケージ部材に関する。

半導体チップが搭載されたケース本体上に、半導体チップを囲んでセラミック層を設け、そのセラミック層上にキャップを設けた半導体装置が知られている（特許文献１参照）。

特開平６−２６８０９３号公報

キャップは、例えばロウ材によってセラミック層の上面に設けられた金属層に接合される。キャップと金属層とを十分な強度で接合させるには、ロウ材の量を適切にコントロールすることが求められる。しかしながら、昨今の小型化が進んだ半導体装置においては、ロウ材の適正量は微量なものとなり、その量をコントロールすることは難しい。このため、キャップを金属層に十分な強度で接合できない場合がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、キャップと金属層とを十分な強度で接合させることが可能な半導体装置およびデバイスパッケージ部材を提供することを目的とする。

本発明は、半導体チップが搭載されたベース板と、前記ベース板上に前記半導体チップを囲んで設けられた絶縁体からなる枠体と、前記枠体の上面全周および前記枠体の上面から連続して前記枠体の内壁および外壁の少なくとも一方に延在して設けられた金属層と、前記枠体の上面に設けられた前記金属層にロウ材を介して接合されたキャップと、を備えることを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、キャップを金属層に十分な強度で接合させることができる。

上記構成において、前記金属層は、前記枠体の上面から内壁および外壁の両方に延在して設けられている構成とすることができる。この構成によれば、ＲＦ（Radio Frequency）特性に及ぼす影響を抑えることができる。

上記構成において、前記枠体の内壁および外壁に設けられた前記金属層は、前記枠体の上面からの前記延在する長さが同じである構成とすることができる。この構成によれば、枠体の外壁側でのロウ材の拡散状態を確認することで、内壁側のロウ材の拡散状態を推測することができ、半導体チップが搭載された部分にまでロウ材が流れ出ていないかを確認することができる。

上記構成において、前記枠体の外壁に設けられた前記金属層は、前記枠体の内壁に設けられた前記金属層よりも、前記枠体の上面からの前記延在する長さが長い構成とすることができる。この構成によれば、枠体の内壁側に流れ出るロウ材の量を少なくでき、ロウ材が半導体チップにまで拡散することを抑制できる。

上記構成において、前記枠体の側壁に配置された、前記半導体チップを外部に電気的に接続させるリードを具備し、前記枠体の内壁および外壁の少なくとも一方に設けられた前記金属層のうち前記リード上に位置する部分は、他の部分よりも、前記枠体の上面からの前記延在する長さが短い構成とすることができる。この構成によれば、ＲＦ特性に及ぼす影響をより抑制することができる。

上記構成において、前記半導体チップは、窒化物半導体またはＧａＡｓ系半導体からなるＦＥＴである構成とすることができる。

本発明は、ベース板と、前記ベース板状の実装領域を囲んで設けられた絶縁体からなる枠体と、前記枠体の上面全周および前記枠体の上面から連続して前記枠体の内壁および外壁の少なくとも一方に延在して設けられ、ロウ材を介してキャップを接合するための金属層と、を備えることを特徴とするデバイスパッケージ部材である。本発明によれば、キャップを金属層に十分な強度で接合させることができる。

本発明によれば、キャップを金属層に十分な強度で接合させることができる。

図１（ａ）は、比較例１に係る半導体装置の上面図の例であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ方向から見た側面図の例である。 図２（ａ）は、枠体の断面図の例であり、図２（ｂ）は、キャップの接合で生じる課題を説明するための半導体装置の斜視図の例である。 図３（ａ）は、実施例１に係る半導体装置の斜視図の例であり、図３（ｂ）は、キャップとロウ材を透視した場合の斜視図の例である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、キャップを金属層に接合させる工程を説明するための断面図の例である。 図５は、第２枠体の一部分の断面図の例である。 図６は、第２枠体の内側部分にロウ材が流れ出た場合に生じ得る課題を説明するための図である。 図７（ａ）は、実施例１の変形例１に係る半導体装置の斜視図の例であり、図７（ｂ）は、枠体の断面図の例である。 図８（ａ）は、実施例２に係る半導体装置の斜視図の例であり、図８（ｂ）は、枠体の断面図の例である。 図９（ａ）は、実施例３に係る半導体装置の斜視図の例であり、図９（ｂ）は、枠体の断面図の例である。 図１０は、実施例４に係る半導体装置の斜視図の例である。

まず、比較例１に係る半導体装置について説明する。図１（ａ）は、比較例１に係る半導体装置の上面図の例であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ方向から見た側面図の例である。なお、図１（ａ）においては、キャップ及びロウ材を透視して図示している。図１（ａ）及び図１（ｂ）のように、ベース板７２上に搭載された半導体チップ（不図示）を囲んで、例えばセラミックからなる枠体７４が、ベース板７２上に設けられている。枠体７４の側壁には、半導体チップを外部に電気的に接続させるためのリード７６が配置されている。枠体７４の上面には金属層８０が設けられており、この金属層８０に、例えばコバールからなるキャップ７８が、例えばＡｕ−Ｓｎからなるロウ材により接合されている。このような構成によって、半導体チップは気密封止されている。

次に、キャップを接合させる際に生じる課題について説明する。図２（ａ）は、枠体７４の断面図の例であり、図２（ｂ）は、キャップ７８の接合で生じる課題を説明するための半導体装置の斜視図の例である。図２（ａ）のように、枠体７４の上面に金属層８０が設けられている。この金属層８０の上面にロウ材を用いてキャップ７８が接合される。キャップ７８を金属層８０の上面に接合させる際、ロウ材の使用量が少ないと、キャップ７８が金属層８０に十分な強度で接合されない。これを回避するため、ロウ材を多めに使用して、キャップ７８を金属層８０に接合させることがなされる。しかしながら、ロウ材の使用量が多過ぎると、図２（ｂ）のように、キャップ７８を金属層８０の上面に接合させる際のスクラブ工程にて、ロウ材８２が枠体７４の内壁及び外壁に流れ出ることがある。これにより、金属層８０上面のロウ材が少なくなり、その結果、キャップ７８が金属層８０に十分な強度で接合されずに、半導体チップを気密封止できない場合がある。

ロウ材の使用量を適切にコントロールすれば、キャップ７８と金属層８０とを十分な強度で接合させることができる。しかしながら、昨今の半導体装置の小型化により、半導体チップの大きさは例えば１ｍｍ×１ｍｍ以下となり、枠体７４の大きさは例えば３．３ｍｍ×３．５ｍｍ以下となっている。これにより、枠体７４の幅Ｗも例えば０．５ｍｍ以下と細くなり、ロウ材の適正量は微量なものとなっている。このため、ロウ材の使用量を適切にコントロールすることは難しい。そこで、ロウ材の使用量を厳密にコントロールせずとも、キャップと金属層とを十分な強度で接合させることが可能な半導体装置の実施例を以下に説明する。

図３（ａ）は、実施例１に係る半導体装置の斜視図の例であり、図３（ｂ）は、キャップとロウ材とを透視した場合の斜視図の例である。図３（ａ）及び図３（ｂ）のように、例えばＣｕなどの金属からなるベース板１２上の実装領域に、例えば窒化物系半導体やＧａＡｓ系半導体からなるＦＥＴ（Field effect transistor）などの半導体チップ１４、入力回路基板１６、及び出力回路基板１８が搭載されている。なお、窒化物半導体の例として、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、及びＡｌＩｎＧａＮが挙げられる。ＧａＡｓ系半導体の例として、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、及びＩｎＡｌＧａＡｓが挙げられる。

ベース板１２は、図１（ａ）に示したベース板７２と同様な形状をしている。半導体チップ１４、入力回路基板１６、及び出力回路基板１８が搭載された実装領域を囲んで、例えばセラミックなどの絶縁体からなる第１枠体２０が、ベース板１２上に設けられている。第１枠体２０は、半導体チップ１４、入力回路基板１６、及び出力回路基板１８の周りを完全に囲んでいる。第１枠体２０上に、半導体チップ１４などを外部に電気的に接続させるための、例えばコバールなどの金属からなるリード２２が設けられている。リード２２は、例えば高周波信号の入出力に用いられる。リード２２と、半導体チップ１４、入力回路基板１６、及び出力回路基板１８とは、例えばＡｕなどの金属からなるボンディングワイヤ２４により電気的に接続されている。

第１枠体２０上に、リード２２を間に挟むようにして、例えばセラミックなどの絶縁体からなる第２枠体２６が設けられている。第２枠体２６は、例えば第１枠体２０の上面に接して設けられている。第２枠体２６も、半導体チップ１４、入力回路基板１６、及び出力回路基板１８の周りを完全に囲んでいる。リード２２を挟む部分の第２枠体２６は凹型をしている。これにより、リード２２は、第１枠体２０の側壁と第２枠体２６の側壁との間に、隙間が生じることなく配置されている。第２枠体２６の上面から連続して内壁及び外壁に延在して金属層２８が設けられている。金属層２８は、第２枠体２６の上面全周を覆い、内壁及び外壁を１周して設けられている。金属層２８の上面には、例えばＡｕ−Ｓｎなどのロウ材３０によりキャップ３２が接合されている。

ここで、キャップ３２をロウ材３０により金属層２８に接合させる工程を説明する。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、キャップ３２を金属層２８に接合させる工程を説明するための断面図の例である。図４（ａ）のように、金属層２８の上面にペレット状のロウ材３０を搭載した後、キャップ３２をロウ材３０上に位置決めする。図４（ｂ）のように、キャップ３２をロウ材３０上に位置決めした状態でロウ材３０を加熱して、キャップ３２を金属層２８の上面に接合させる。このとき、ロウ材３０が足りなくなることがないように多めに用いた場合、キャップ３２を接合させる際のスクラブ工程にて、ロウ材３０が第２枠体２６の内壁及び外壁に設けられた金属層２８上に流れ出る場合がある。しかしながら、金属層２８の表面積が、比較例１の場合に比べて大きいため、ロウ材３０が、金属層２８を越えて濡れ性の悪い第２枠体２６の内壁及び外壁までは流れ出にくい。

このように、第２枠体２６の上面全周とその上面から連続して内壁及び外壁に延在して金属層２８を設けることで、キャップ３２の接合に用いるロウ材３０の使用量を厳密にコントロールせずに多く使用した場合でも、ロウ材３０は金属層２８上に留まり易くなる。ロウ材３０が金属層２８上に留まることで、ロウ材３０は、第２枠体２６の内壁及び外壁の金属層２８を伝って量の多い箇所から少ない箇所に回り込むようになり、金属層２８上で均一化される。これにより、第２枠体２６の上面のロウ材３０が少なくなることを抑制でき、キャップ３２を金属層２８に十分な強度で接合させることができる。したがって、半導体チップ１４などを、第１枠体２０、第２枠体２６、及びキャップ３２によって気密封止することができる。

次に、図５を用いて、金属層２８について詳しく説明する。図５は、第２枠体２６の一部分の断面図の例である。図５のように、第２枠体２６の上面から連続して内壁及び外壁に延在して設けられた金属層２８は、Ｎｉメッキ層３４とＡｕメッキ層３６との積層である。第２枠体２６の内壁及び外壁に設けられた金属層２８は、第２枠体２６の上面からの長さが同じになっている。例えば、第２枠体２６の内壁及び外壁に設けられた金属層２８は、第２枠体２６の上面からの長さＨが、第２枠体２６の幅Ｗの半分となっている。

図５のように、第２枠体２６の内壁及び外壁に設けられた金属層２８を、第２枠体２６の上面からの長さを同じとすることの利点を説明する。図６は、第２枠体２６の内側部分にロウ材３０が流れ出た場合に生じ得る課題を説明するための図である。なお、図６は、リフロー加熱の途中状態を図示しており、キャップの図示は省略している。図６のように、第２枠体２６の内側部分の実装領域には、半導体チップ１４、入力回路基板１６、及び出力回路基板１８が、例えばＡｕ−Ｓｎなどのロウ材３８を用いて搭載されている。キャップ３２の接合に用いるロウ材３０が、半導体チップ１４などが搭載された部分にまで流れ出ると、ロウ材３０とロウ材３８とが合わさり、ボンディングワイヤ２４に接触してしまう場合がある。これにより、半導体装置が正常に動作しなくなる場合がある。

したがって、ロウ材３０が、半導体チップ１４などが搭載された部分にまで流れ出ていないことを確認できることが望ましい。しかしながら、半導体チップ１４などは気密封止されているため、直接目視して確認することはできない。そこで、第２枠体２６の内壁及び外壁に設けられた金属層２８を、第２枠体２６の上面から同じ長さにする。これにより、第２枠体２６の内壁側及び外壁側に流れ出るロウ材３０の状態を同様にすることができる。つまり、第２枠体２６の外壁側でのロウ材３０の拡散状態を確認することで、内壁側のロウ材３０の拡散状態を推測することができる。これにより、半導体チップ１４などが搭載された部分にまでロウ材３０が流れ出ていないかを確認することができる。

図５のように、第２枠体２６の内壁及び外壁に設けられた金属層２８は、第２枠体２６の上面からの長さＨが、第２枠体２６の幅Ｗの半分程度である場合が好ましい。これにより、金属層２８の表面積を、金属層２８が第２枠体２６の上面にのみ設けられた場合に比べて２倍程度にすることができ、その結果、ロウ材３０の付着面積を２倍程度にすることができる。よって、ロウ材３０の使用量を厳密にコントロールせずに多く使用した場合でも、ロウ材３０は金属膜２８上に留まり易くなる。したがって、第２枠体２６の上面のロウ材３０が少なくなることを抑制でき、キャップ３２を金属層２８に十分な強度で接合させることができる。また、金属層２８の長さＨが長いと、金属層２８とリード２２とが近づくことになる。リード２２は高周波信号の入出力に用いられるため、金属層２８がリード２２に近づくと、ＲＦ（Radio Frequency）特性に影響を及ぼす場合がある。そこで、金属層２８の長さＨを第２枠体２６の幅Ｗの半分程度とすることで、金属層２８とリード２２との間をある程度離すことができ、ＲＦ特性に及ぼす影響を抑えることができる。

第２枠体２６の外壁に設けられた金属層と、内壁に設けられた金属層とが、第２枠体２６の上面からの長さが異なる場合でもよい。図７（ａ）は、実施例１の変形例１に係る半導体装置の斜視図の例であり、図７（ｂ）は、枠体の断面図の例である。なお、図７（ａ）においては、キャップ及びロウ材を透視して図示している。図７（ａ）及び図７（ｂ）のように、第２枠体２６の上面から内壁及び外壁に延在する金属層２８ａは、外壁での金属層２８ａの方が、内壁での金属層２８ａよりも、第２枠体２６の上面からの長さが長くなっている。その他の構成については、実施例１と同じであるため、ここでは説明を省略する。

図７（ａ）及び図７（ｂ）のように、第２枠体２６の外壁の金属層２８ａを、内壁の金属層２８ａよりも、第２枠体２６の上面から長くすることで、第２枠体２６の外壁側に流れ出るロウ材３０の量を多くすることができる。つまり、第２枠体２６の内壁側に流れ出るロウ材３０の量を少なくでき、その結果、ロウ材３０が半導体チップ１４などの搭載部分にまで拡散することを抑制できる。

実施例２は、金属層が、第２枠体の上面から外壁に延在している場合の例である。図８（ａ）は、実施例２に係る半導体装置の斜視図の例であり、図８（ｂ）は、枠体の断面図の例である。なお、図８（ａ）においては、キャップ及びロウ材を透視して図示している。図８（ａ）及び図８（ｂ）のように、金属層４２は第２枠体２６の上面から外壁に延在して設けられている。金属層４２は第２枠体２６の内壁には設けられていない。実施例２に係る半導体装置のその他の構成については、実施例１と同じであり、図３（ａ）及び図３（ｂ）で説明しているため、ここでは説明を省略する。

図８（ａ）及び図８（ｂ）のように、第２枠体２６の上面から外壁に延在して金属層４２を設けた場合でも、キャップ３２の接合に用いるロウ材３０は、金属層４２上に留まり易くなる。よって、この場合でも、第２枠体２６の上面のロウ材３０が少なくなることを抑制でき、キャップ３２を金属層２８に十分な強度で接合させることができる。

実施例３は、金属層が、第２枠体の上面から内壁に延在している場合の例である。図９（ａ）は、実施例３に係る半導体装置の斜視図の例であり、図９（ｂ）は、枠体の断面図の例である。なお、図９（ａ）においては、キャップ及びロウ材を透視して図示している。図９（ａ）及び図９（ｂ）のように、金属層５２は第２枠体２６の上面から内壁に延在して設けられている。金属層５２は第２枠体２６の外壁には設けられていない。実施例３に係る半導体装置のその他の構成については、実施例１と同じであり、図３（ａ）及び図３（ｂ）で説明しているため、ここでは説明を省略する。

図９（ａ）及び図９（ｂ）のように、第２枠体２６の上面から内壁に延在して金属層５２を設けた場合でも、図８（ａ）及び図８（ｂ）と同様に、キャップ３２の接合に用いるロウ材３０は、金属層５２上に留まり易くなる。よって、この場合でも、第２枠体２６の上面のロウ材３０が少なくなることを抑制でき、キャップ３２を金属層２８に十分な強度で接合させることができる。

実施例１から実施例３のように、金属層は、第２枠体の上面から連続して内壁及び外壁の少なくとも一方に延在して設けられている場合であればよい。この場合であれば、第２枠体の上面のロウ材が少なくなることを抑制でき、キャップを金属層に十分な強度で接合させることができる。特に、実施例１のように、金属層を第２枠体の上面から内壁及び外壁に延在して設ける場合が好ましい。この場合、実施例２及び実施例３のように、金属層を第２枠体の上面から内壁又は外壁に延在して設けた場合に比べて、金属層の表面積を同じにしたときに、金属層とリードとの間隔を離すことができる。よって、キャップと金属層とを十分な強度で接合させつつ、ＲＦ特性に及ぼす影響を抑えることができる。

実施例１から実施例３において、第２枠体２６の内壁及び外壁の少なくとも一方に設けられた金属層は、内壁及び外壁を１周して設けられている場合に限らず、途中で一部途切れている場合でもよい。しかしながら、リフロー時に、ロウ材が第２枠体２６の内壁及び外壁の金属層を伝って均一化されることを考慮すると、金属層は内壁及び外壁を１周して設けられている場合が好ましい。

図１０は、実施例４に係る半導体装置の斜視図の例である。なお、図１０においては、キャップ及びロウ材を透視して図示している。図１０のように、第２枠体２６の上面から内壁及び外壁に延在して金属層６２が設けられている。第２枠体２６の内壁及び外壁に設けられた金属層６２は、リード２２上に位置する部分６４で、他の部分よりも、第２枠体２６の上面からの長さが短くなっている。実施例４に係る半導体装置のその他の構成については、実施例１と同じであり、図３（ａ）及び図３（ｂ）で説明しているため、ここでは説明を省略する。

図１０のように、第２枠体２６の内壁及び外壁に設けられた金属層６２のうちリード２２上に位置する部分６４を、他の部分よりも、第２枠体２６の上面からの長さを短くする。これにより、実施例１と比べて、金属層６２の表面積を僅かに減少させただけで、リード２２と金属層６２との間隔を広げることができる。よって、キャップ３２と金属層６２とを十分な強度で接合させることができると共に、ＲＦ特性に及ぼす影響をより抑制することができる。

リード２２上に位置する部分では、金属層６２が設けられていない場合でもよいが、リフロー時に、ロウ材３０が第２枠体２６の内壁及び外壁の金属層６２を伝って均一化されることを考慮すると、リード２２上にも金属層６２が設けられている場合が好ましい。

金属層６２は、第２枠体２６の上面から内壁及び外壁に延在している場合に限られず、第２枠体２６の上面から内壁又は外壁に延在している場合でもよい。

実施例１から実施例４では、ベース板１２上の実装領域を囲んで設けられた第１枠体２０及び第２枠体２６と、第２枠体２６の上面から連続して内壁及び外壁の少なくとも一方に延在する金属層と、を備えるデバイスパッケージ部材を示した。このようなデバイスパッケージ部材は、実装領域に半導体チップが実装される場合に限られず、その他のデバイスチップが実装されてもよい。

実施例１から実施例４において、金属層はＮｉメッキ層とＡｕメッキ層との積層で、ロウ材はＡｕ−Ｓｎの場合を例に示したが、その他の材料を用いる場合でもよい。ただし、金属層は、ロウ材に含まれる元素を少なくとも１つ有することが好ましい。これにより、金属層とロウ材との濡れ性を良好にすることができる。

また、キャップ３２は、金属からなる場合だけでなく、セラミックなどの絶縁体からなる場合でもよい。この場合は、キャップ３２に金属層を形成し、このキャップ３２に設けた金属層と、第２枠体２６上面の金属層とをロウ材で接合させればよい。また、半導体チップ１４などは気密封止されている場合を例に示したが、気密封止されていない場合でもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１２ ベース板
１４ 半導体チップ
１６ 入力回路基板
１８ 出力回路基板
２０ 第１枠体
２２ リード
２４ ボンディングワイヤ
２６ 第２枠体
２８ 金属層
２８ａ 金属層
３０ ロウ材
３２ キャップ
３４ Ｎｉメッキ層
３６ Ａｕメッキ層
３８ ロウ材
４２ 金属層
５２ 金属層
６２ 金属層
６４ リード上に位置する部分

Claims (7)

1. 半導体チップが搭載されたベース板と、
   前記ベース板上に前記半導体チップを囲んで設けられた絶縁体からなる枠体と、
   前記枠体の上面全周および前記枠体の上面から連続して前記枠体の内壁および外壁の少なくとも一方に延在して設けられた金属層と、
   前記枠体の上面に設けられた前記金属層にロウ材を介して接合されたキャップと、を備えることを特徴とする半導体装置。
2. 前記金属層は、前記枠体の上面から内壁および外壁の両方に延在して設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記枠体の内壁および外壁に設けられた前記金属層は、前記枠体の上面からの前記延在する長さが同じであることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
4. 前記枠体の外壁に設けられた前記金属層は、前記枠体の内壁に設けられた前記金属層よりも、前記枠体の上面からの前記延在する長さが長いことを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
5. 前記枠体の側壁に配置された、前記半導体チップを外部に電気的に接続させるリードを具備し、
   前記枠体の内壁および外壁の少なくとも一方に設けられた前記金属層のうち前記リード上に位置する部分は、他の部分よりも、前記枠体の上面からの前記延在する長さが短いことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
6. 前記半導体チップは、窒化物半導体またはＧａＡｓ系半導体からなるＦＥＴであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の半導体装置。
7. ベース板と、
   前記ベース板状の実装領域を囲んで設けられた絶縁体からなる枠体と、
   前記枠体の上面全周および前記枠体の上面から連続して前記枠体の内壁および外壁の少なくとも一方に延在して設けられ、ロウ材を介してキャップを接合するための金属層と、を備えることを特徴とするデバイスパッケージ部材。

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