JP2017045959A - 高周波半導体装置用パッケージおよび高周波半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性が高められた高周波半導体用パッケージおよび高周波半導体装置を提供する。
【解決手段】高周波半導体装置用パッケージは、ベース板と、グラファイトシートと、金属壁と、第１の端子と、第２の端子と、を有する。ベース板は、第１の金属板と、第２の金属板と、第１の金属板と第２の金属板との間に挟まれたグラファイトシートと、を有する。金属壁は、第１および第２の開口部を有し、第１の開口部の内壁とベース板とに接合される。第２の端子は、第２の開口部の内壁とベース板とに接合される。２次元原子結晶面は、第１の金属板に直交し、第１および第２の端子の端面に直交する方向と第１の金属板の厚さ方向とを含む面に平行である。ベース板は、第１の端子の両側および第２の端子の両側に設けられた取り付け孔を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、高周波半導体装置用パッケージおよび高周波半導体装置に関する。

高周波半導体装置は、横方向に広がった分配回路、合成回路、その間に配置された横長状の半導体素子、などを含む。このため、パッケージの平面サイズが大きくなる。

パッケージのサイズが大きくなると、ベース板の反りが大きくなる。このため、放熱源である半導体素子が配置されるベース板の中央部と、入出力端子が配置されるベース板の周辺部と、において、ベース板とヒートシンクの密着性をともに高めることが困難になる。

米国特許出願公開第２０１２／０２３４５２４号明細書

入出力端子の接続が確実で、かつ放熱性が高められた高周波半導体装置用パッケージおよび高周波半導体装置を提供する。

実施形態の高周波半導体装置用パッケージは、ベース板と、グラファイトシートと、金属壁と、第１の端子と、第２の端子と、を有する。前記ベース板は、第１の金属板と、第２の金属板と、前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に挟まれたグラファイトシートと、を有する。前記金属壁は、第１および第２の開口部を有し、前記第１の金属板の表面に接着される。前記第１の端子は、第１の絶縁体層と、前記第１の絶縁体層の表面に設けられた第１の配線層と、前記第１の配線層の表面に設けられたリードと、を有し、前記金属壁と絶縁されるように前記第１の開口部の内壁と前記ベース板とに接合される。前記第２の端子は、第２の絶縁体層と、前記第２の絶縁体層の表面に設けられた第２の配線層と、前記第２の配線層の表面に設けられたリードと、を有し、前記金属壁と絶縁されるように前記第２の開口部の内壁と前記ベース板とに接合される。前記グラファイトシートの２次元原子結晶面は、前記第１の金属板の前記表面に直交し、前記第１の端子の端面および前記第２の端子の端面に直交する方向と前記第１の金属板の厚さ方向とを含む面に平行である。前記ベース板は、前記第１の端子の両側および前記第２の端子の両側に設けられた取り付け孔を有する。

第１の実施形態にかかる高周波半導体装置の模式斜視図である。 図２（ａ）は高周波半導体装置用パッケージの模式平面図、図２（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、図２（ｃ）は模式側面図、である。 Ａ−Ａ線に沿ったベース板の模式側面図である。 図４（ａ）は第１の実施形態にかかる高周波半導体装置の模式平面図、図４（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、である。 図５（ａ）は第１の実施形態に用いるパッケージのＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図５（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。 比較例にかかる高周波半導体装置の模式斜視図である。 図７（ａ）は比較例のベース板Ａ−Ａ線に沿ったの模式断面図、図７（ｂ）は比較例のベース板のＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態にかかる高周波半導体装置の模式斜視図である。
高周波半導体装置は、高周波半導体装置用パッケージと、半導体素子４０と、を有する。

半導体素子４０は、たとえば、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）やＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor Field Effect Transistor）などとすることができる。半導体素子４０がＺ方向に複数のセル領域を有すると、出力を高めることができる。

高周波半導体装置用パッケージは、ベース板１０と、金属壁２０と、第１の端子３０と、第２の端子３５と、を有する。

図２（ａ）は高周波半導体装置用パッケージの模式平面図、図２（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、図２（ｃ）は模式側面図、である。
ベース板１０は、第１の金属板１２と、第２の金属板１４と、第１の金属板１２と第２の金属板１４との間に挟まれたグラファイト（黒鉛）シート１６と、を有する。グラファイトシート１６と、第１の金属板１２および第２の金属板１４とは接合される。

金属壁２０には、第１および第２の開口部２２、２４が設けられ、ベース板１０を構成する第１の金属板１２の表面１２ａに銀ロウ材などを用いて接合される。

第１の端子３０は、第１の絶縁体層３１と、第１の絶縁体層３１の表面に設けられた第１の配線層３２と、第１の配線層３２の表面に設けられたリード３３と、を有する。第１の端子３０は、金属壁２０と絶縁されるように第１の開口部２２の内壁２６と第１の金属板１２とに接合される。

第２の端子３５は、第２の絶縁体層３６と、第２の絶縁体層３６の表面に設けられた第２の配線層３７と、第２の配線層３７の表面に設けられたリード３８と、を有する。第２の端子３５は、金属壁２０と絶縁されるように第２の開口部２４の内壁２７と第１の金属板１４とに接合される。

グラファイトシート１６の２次元原子結晶面は、第１の金属板１２の表面に直交し、第１の端子３０の端面３０ａおよび第２の端子３５の端面３５ａに直交する方向（Ｘ）と第１の金属板１２の厚さ方向（Ｙ）とを含む面に平行である。すなわち、２次元原子結晶面は、端面３０ａおよび端面３５ａにもそれぞれ直交する。なお、第１の端子３０の端面３０ａおよび第２の端子３５の端面３５ａは、信号が伝搬する入力面および出力面となり、高周波半導体装置の入力インピーダンスや出力インピーダンスを表すときの基準面である。

第１の端子３０は、第１の絶縁体層３１の上部に設けられ、第１の開口部２２の内壁２６とに接合される第３の絶縁体層３４をさらに有することができる。また、第２の端子３５は、第２の絶縁体層３６の上部に設けられ、第２の開口部２４の内壁２７とに接合される第４の絶縁体層３９をさらに有することができる。このような高周波半導体装置用パッケージ５を蓋部６０により封止することにより、内部を気密にすることができる。第１の絶縁体層３１と、第３の絶縁体層３６とは、たとえば、銀ロウなどを用いてベース板１０に接合できる。また、第２の絶縁体層３５と、第４の絶縁体層３９とは、たとえば、銀ロウなどを用いて金属壁２０に接合できる。

第１の絶縁体層３２、第２の絶縁体層３６、第３の絶縁体層３４、および第４の絶縁体３９は、アルミナや窒化アルミニウムなどのセラミックとすることができる。

ベース板１０は、第１の端子３０の両側、および第２の端子３５の両側に設けられた取り付け孔１８を有する。取り付け孔１８は、貫通孔または切り欠きとすることができる。

金属壁２０内に露出した第１の金属板１２の表面１２ａには、導電層を設けることができる。また、導電層の表面に、たとえば、Ａｕを含む保護層を設けることができる。このようにすると、半導体素子４０や、入力回路基板５２や出力回路基板５４を半田材や導電性接着剤で接着することが容易となる。

パッケージのサイズは、たとえば、Ｘ方向の長さが１０〜２５ｍｍ、Ｚ方向の長さが１０〜２０ｍｍなどとすることができる。Ｙ方向の高さは、２〜５ｍｍなどとすることができる。また、第１の金属板１２および第２の金属板１４の厚さは、０．３〜０．６ｍｍ、グラファイトシート１６の厚さは、０．１〜０．３ｍｍなどとすることができる。

図３は、Ａ−Ａ線に沿ったベース板の模式側面図である。
２次元原子結晶は、たとえば、六方晶系の層状結晶がファンデルワールス力で結合し繊維状や鱗片状となる。グラファイトシート１６の熱膨張係数（ＣＴＥ：Coefficient of Thermal Expanshion）、熱伝導率（ＴＣ：Thermal Conductivity）、および電気抵抗率は、異方性を有する。

たとえば、グラファイトシート１６は、２次元原子結晶面１６ａ（図１〜３においてＸＹ面に平行とする）内の熱伝導率が約１６００Ｗ／ｍＫなどとなる。Ｃｕの熱伝導率は約３９０Ｗ／ｍＫであるので、グラファイトシート１６の熱伝導率をＣｕの４倍以上とすることが可能である。

他方、グラファイトシート１６の積層方向（図１〜３においてＺとする）の熱伝導率は約１０Ｗ／ｍＫ、などのように低い。すなわち、グラファイトシート１６は、薄く、かつ軽い高熱伝導材料として用いることができる。

グラファイトシート１６は、２次元原子結晶面（ＸＹ）１６ａ内の熱膨張係数（または熱膨張率という）が約１×１０^−６／Ｋ、積層方向（Ｚ）の熱膨張係数は約２５×１０^−６／Ｋ、などとなる。

グラファイトシート１６を積層方向（Ｚ）に平行な面でスライスすることにより、２次元原子結晶面（ＸＹ）１６ａ内に熱を広げることができる。このため、ベース板１０がＣｕ（ＴＣ：約３９０Ｗ／ｍＫ）やＣｕＭｏ（ＴＣ：１４０〜１６０Ｗ／ｍＫ）などの金属のみを含む構造よりも、放熱性を高めることができる。ベース板１０の下面を筐体（ヒートシンク）９０に密着させると、さらに熱ＨＶを筐体９０に向けて排出できる。

図４（ａ）は第１の実施形態にかかる高周波半導体装置の模式平面図、図４（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、である。
高周波半導体装置は、高周波半導体装置用パッケージ５と、半導体素子４０と、入力回路基板５２と、出力回路基板５４と、を有する。

入力回路基板５２や出力回路基板５４は、分配／合成回路を含む。第１の端子３０から分配回路でＺ方向に広げられた高周波信号は複数のセル領域を有する半導体素子４０にＸ軸に沿って入力される。さらに、半導体素子４０から出力されたのち合成回路により合成され第２の端子３５からＸ軸に沿って出力される。グラファイトシート１６の熱伝導率が低いＺ方向には、熱が伝導されにくい。他方、半導体素子４０から下方に向かって放出された熱ＨＶは、グラファイトシート１６が高熱伝導率であるＸＹ面に沿って熱ＨＨのように伝導される。

図５（ａ）は第１の実施形態に用いるパッケージのＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図５（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
Ａ−Ａ線に沿ったベース板１０の熱膨張係数は約９×１０^−６／Ｋ以上となり、ＦｅＮｉＣｏ（ＣＴＥ：約７×１０^−６／Ｋ）からなる金属壁２０の熱膨張係数よりも高い。このため、図５（ａ）のように、接合前の平坦面（破線で表す）に対して上方に凸となるように反る。

他方、Ｂ−Ｂ線に沿ったベース板１０の熱膨張係数は約９×１０^−６／Ｋ以下となり、ＦｅＮｉＣｏ（ＣＴＥ：約７×１０^−６／Ｋ）からなる金属壁２０の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数となる。この場合、図５（ｂ）のように、接合前の平坦面（破線で表す）に対してベース板１０が下方に凸となるように反る。第１の実施形態では、取り付け孔１８を介して、ベース板１０を取り付けねじ９１を用いて筐体（接地面ともなる）に取り付ける。このため、筐体への密着性が高まり、グラファイトシート１６内を伝導された熱が筐体から放出され、動作温度を低減できる。

なお、グラファイトシート１６のＡ−Ａ方向の電気抵抗率は、Ｂ−Ｂ方向の電気抵抗率よりも低い。このため、グラファイトシート１６を介して、第１の金属板１２と第２の金属板１４とは、導通している。

図６は、比較例にかかる高周波半導体装置の模式斜視図である。
高周波半導体装置用パッケージは、ベース板１１０と、金属壁１２０と、第１の端子１３０と、第２の端子（図示せず）と、を有する。なお、高周波半導体装置のパッケージ内部には、半導体素子１４０、入力回路基板１５２、および出力回路基板１５４が組み込まれている。

ベース板１１０は、第１の金属板１１２と、第２の金属板１１４と、第１の金属板１１２と第２の金属板１１４との間に挟まれ２次元原子結晶が第１の金属板１１２の表面に対して平行方向（Ｚ）に積層されたグラファイトシート１１６と、を有する。２次元原子結晶の積層方向（Ｚ）は、第１の端子１３０の端面および第２の端子１３５の端面に平行である。また、ベース板１１０は、Ａ−Ａ線の両側に設けられた取り付け孔１１８を有する。

図７（ａ）はＡ−Ａ線に沿った比較例のベース板の模式断面図、図７（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った比較例のベース板の模式断面図、である。
図７（ａ）に表すように、ベース板１１０はＡ−Ａに沿った断面において、接合前の平坦面に対して上方が凸となるように反る。他方、図７（ｂ）に表すように、熱膨張係数が金属壁２０の熱膨張係数（約７×１０^−６／Ｋ）よりも小さくなると、Ｂ−Ｂ線に沿った断面において、接合前の平坦面に対して下に凸となるように反る。

Ａ−Ａ線に沿った断面において、ベース板１１０を筐体にねじ止めしても、ベース板１１０は、筐体に密着しない。このため、Ｂ−Ｂ線に沿った伝導熱が筐体へ伝導しにくい。また、第１の端子１３０および第２の端子１３５と筐体（接地面））との電気的接触が不十分となる。

これに対して、本実施形態では、浮き上がっている部分をねじで抑え込んでいるのでベース板１０が筐体に密着しやすく、Ｙ軸方向に熱が伝わりやすいとともに、Ｘ軸に沿ってグラファイトシート１６内を伝導した熱は、ベース板１０および取り付けねじ９１を介して筐体に伝導される。このため、放熱性を高めることができる。また、ベース板１０は、第１の端子３０および第２の端子３５の両側において取り付けねじ９１により確実に筐体に接地される。このため、高周波特性が高められる。このような高周波半導体装置は、レーザー装置や通信機器に広く利用可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

５ 高周波半導体用パッケージ、１０ ベース板、１２ 第１の金属板、１４ 第２の金属板、１６ グラファイトシート、１８ 取り付け孔、２０ 金属壁、２２ 第１の開口部、２４ 第２の開口部、２６、２７ 内壁、３０ 第１の端子、３０ａ 端面、３１ 第１の絶縁体層、３２ 第１の配線層、３３ リード、３４ 第３の絶縁体層、３５ 第２の端子、３５ａ 端面、３６ 第２の絶縁体層、３７ 第２の配線層、３８ リード、３９ 第４の絶縁体層、ＴＣ 熱伝導率、ＣＴＥ 熱膨張係数

Claims (7)

1. 第１の金属板と、第２の金属板と、前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に挟まれたグラファイトシートと、を有するベース板と、
   第１および第２の開口部が設けられ、前記第１の金属板の表面に接着された金属壁と、
   第１の絶縁体層と、前記第１の絶縁体層の表面に設けられた第１の配線層と、前記第１の配線層の表面に設けられたリードと、を有し、前記金属壁と絶縁されるように前記第１の開口部の内壁と前記ベース板とに接合された第１の端子と、
   第２の絶縁体層と、前記第２の絶縁体層の表面に設けられた第２の配線層と、前記第２の配線層の表面に設けられたリードと、を有し、前記金属壁と絶縁されるように前記第２の開口部の内壁と前記ベース板とに接合された第２の端子と、
   を備え、
   前記グラファイトシートの２次元原子結晶面は、前記第１の金属板の前記表面に直交し、前記第１の端子の端面および前記第２の端子の端面に直交する方向と前記第１の金属板の厚さ方向とを含む面に平行であり、
   前記ベース板は、前記第１の端子の両側および前記第２の端子の両側に設けられた取り付け孔を有する、高周波半導体装置用パッケージ。
2. 前記第１の金属板は、ＣｕＭｏおよびＣｕＷのいずれかを含み、
   前記第２の金属板は、ＣｕＭｏおよびＣｕＷのいずれかを含む、請求項１記載の高周波半導体装置用パッケージ。
3. 前記第１および第２の絶縁体層は、セラミックを含む請求項１または２に記載の高周波半導体装置用パッケージ。
4. 前記第１の金属板と第２の金属板とは、同一材料を含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の高周波半導体装置用パッケージ。
5. 前記金属壁は、リング形状を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の高周波半導体装置用パッケージ。
6. 前記金属壁は、ＦｅＮｉＣｏを含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の高周波半導体装置用パッケージ。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の高周波半導体装置用パッケージと、
   前記第１の金属板の前記表面に設けられ、前記第１の端子の前記端面に平行な方向に配列された複数のセル領域を有する半導体素子と、
   を備えた高周波半導体装置。

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