JP2017162973A - High-frequency semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、高周波半導体装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a high-frequency semiconductor device.
高周波半導体装置が搭載されるレーダー装置や通信機器などには高い信頼性を確保するために、パッケージには気密であることが要求される。マイクロ波以上の周波数で動作可能であるHEMT(High Electron Mobility Transistor)などの半導体素子は、パッケージに搭載される。 In order to ensure high reliability, such as a radar device or a communication device in which a high-frequency semiconductor device is mounted, the package is required to be airtight. A semiconductor element such as a HEMT (High Electron Mobility Transistor) that can operate at a frequency higher than a microwave is mounted on a package.
パッケージは、金属板、リード端子を配した枠体、蓋部などで構成される。金属板と枠体の接合には融点が高いことから銀ロウ材が使われる。 The package includes a metal plate, a frame with lead terminals, a lid, and the like. Silver brazing material is used for joining the metal plate and the frame because of its high melting point.
部品実装後に枠体と蓋部とを接合して気密封止する。部品実装後となるセラミック枠と蓋部の接合には部品実装温度以下の融点をもつ金錫半田が使われている。この接合温度をさらに下げるために金属ナノ粒子を接合材として用いる技術がある。 After mounting the components, the frame and the lid are joined and hermetically sealed. Gold-tin solder having a melting point lower than the component mounting temperature is used for joining the ceramic frame and the lid after mounting the components. In order to further lower the bonding temperature, there is a technique using metal nanoparticles as a bonding material.
金属ナノ粒子で気密性を得るためには接合面すべてを加圧することが必須である。しかし接合面となる枠体表面は反ったり、歪んだりしていることがある。その反りを吸収して気密性の高い接合を実現することにより、高信頼性が確保された高周波半導体装置を提供する。 In order to obtain hermeticity with the metal nanoparticles, it is essential to pressurize all the joint surfaces. However, the surface of the frame that becomes the joint surface may be warped or distorted. A high-frequency semiconductor device in which high reliability is ensured by absorbing the warpage and realizing highly airtight bonding is provided.
実施形態の高周波半導体装置は、パッケージ基部と、金属からなる蓋部と、第1の接合層と、高周波半導体素子と、を有する。前記第1の接合層は、前記パッケージ基部と前記蓋部とを接合し、閉曲線状に設けられ、第1の金属ナノ粒子層からなる。前記パッケージ基部は、金属板と、リード部を有する枠体と、第2の接合層と、を含む。前記第2の接合層は、前記枠体の下面と前記金属板の上面の外周部とを接合し、閉曲線状に設けられる。前記高周波半導体素子は、前記パッケージ基部と前記蓋部との内部空間の前記金属板の表面に接合される。前記パッケージ基部は前記枠部の側に凸形断面状に反り、前記第1の金属ナノ粒子層および前記蓋部は、前記パッケージ基部の前記凸形断面の反りに沿って曲げられる。 The high-frequency semiconductor device of the embodiment has a package base, a lid made of metal, a first bonding layer, and a high-frequency semiconductor element. The first joining layer joins the package base and the lid, is provided in a closed curve shape, and includes a first metal nanoparticle layer. The package base includes a metal plate, a frame having a lead portion, and a second bonding layer. The second joining layer joins the lower surface of the frame and the outer peripheral portion of the upper surface of the metal plate, and is provided in a closed curve shape. The high-frequency semiconductor element is bonded to the surface of the metal plate in the internal space between the package base and the lid. The package base is warped in a convex cross section toward the frame, and the first metal nanoparticle layer and the lid are bent along the warp of the convex cross section of the package base.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図1(a)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、図1(b)はA−A線に沿った模式断面図、図1(c)はB−B線に沿った部分模式断面図、である。
高周波半導体装置10は、パッケージ基部20と、金属からなる蓋部31と、第1の接合層32と、高周波半導体素子40と、入出力回路基板42と、を有する。
第1の接合層32は閉曲線状に設けられた金属ナノ粒子層である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1A is a schematic perspective view of the high-frequency semiconductor device according to the first embodiment, FIG. 1B is a schematic cross-sectional view along the line AA, and FIG. 1C is along the line BB. FIG.
The high-
The
パッケージ基部20は、金属板(金属ベース)22と、リード部を有する枠体24と、を含む。枠体24の下面24aと金属板22の外周部22aとは、閉曲線状に設けられた第2の接合層26により接合される。第2の接合層は閉曲線状に設けられた例えば銀ロウである。
The
第1の接合層層32は、枠体24と蓋部31の外周部31aとを接合するように閉曲線状に設けられる。
The
枠体24の一方の辺の長さL1、および他方の辺の長さL2は、たとえば、ともに10mmなどとすることができる。高周波半導体素子40は、パッケージ基部20と蓋部31との内部空間Nの金属板22の表面に接合される。
For example, the length L1 of one side of the
図2(a)〜(d)は、パッケージ基部の製造工程を説明する模式斜視図である。すなわち、図2(a)は枠体を構成する2つのセラミック部材の模式図、図2(b)はセラミックの同時焼成プロセスを説明する模式図、図2(c)はスルーホール形成プロセスを説明する模式図、図2(d)は金属板(金属ベース)およびリード部を枠体に銀ロウ付けを説明する模式図、である。 2A to 2D are schematic perspective views for explaining a manufacturing process of the package base. 2A is a schematic diagram of two ceramic members constituting the frame body, FIG. 2B is a schematic diagram illustrating a simultaneous firing process of ceramics, and FIG. 2C is a diagram illustrating a through-hole formation process. FIG. 2D is a schematic diagram for explaining silver brazing on a metal plate (metal base) and a lead portion as a frame.
第1の実施形態において、枠体24は、セラミックとする。図2(a)に表すように、酸化アルミニウム(Al2O3)や窒化アルミニウム(AlN)などからなる枠状のセラミックをそれぞれ成型する。さらにリード部28を設ける領域には、たとえば厚膜からなる導電部25を設ける。次に、図2(b)に表すように、カーボン型などを用いて、2つの枠体24c、24dの位置を合わせ炉に入れ、同時焼成(co-fire)を行う。
In the first embodiment, the
次に、2つの枠体24c、24dは同時焼成により一体化し枠体24となる。枠体24の上面24bから下面24aに貫通するスルーホールTHを形成する(図2(c))。スルーホールTHの側面または内部に導電層を設け上面24bから下面24aまでを導通可能とする。蓋部31に設けられたメタライズ部をスルーホールTHの導電部を介してパッケージ基部20の金属板22などに電気的に接続することにより、EMI(Elecro-Magnetic Interference)の影響の低減や不要な共振の抑制ができる。
Next, the two
金属板22の厚さT1は0.5〜1.5mm、枠体24の幅W5は0.2〜1.5mm、枠体24の高さT2は0.5〜1mmなどとすることができる。
The thickness T1 of the
次に、図2(d)に表すように、枠体24の下面24aと金属板22の外周部22aとは、閉曲線状に設けられた接合層26により接合される。接合層26を銀ロウなどとすることができる。銀ロウが銀(72重量%)と銅(28重量%)を含む場合、銀ロウ付け温度を、780〜900℃とすることができる。
Next, as shown in FIG. 2D, the
このように高いロウ付け温度であると、線膨張係数に大きい銅などからなる金属板22は、冷却時に線膨張係数の小さいセラミックに対して上に凸となるように反る。なお、高周波半導体素子40は、金属板22の表面の接合領域の半田材などで接合できる。このようにして、パッケージ基部20が完成する。なお、高周波半導体素子40は、金属板22の表面の接合領域に金錫半田材や接着剤などで接合できる。このように高い銀ロウ付け温度であると、線膨張率が大きいCuなどからなる金属板22は、冷却時に線膨張率の小さいセラミックに対して上に凸となるように反る。
When the brazing temperature is high in this way, the
図3(a)はパッケージ基部に高周波半導体素子40と入出力回路基板42とが半田材や接着剤などで接合された状態の模式斜視図、図3(b)は蓋部31とパッケージ基部20とが金属ナノ粒子層で接合された模式斜視図、である。
第1の実施形態において、高周波半導体素子40がHEMT(High Electron Mobility Transistor)である場合、チップ形状を細長くしマルチセル構造とすることにより高出力化することができる。図1(c)に表す高周波半導体装置は、マイクロストリップ回路に搭載することが容易である。
3A is a schematic perspective view of a state in which the high-
In the first embodiment, when the high-
図4(a)、(b)は、第1の実施形態においてパッケージ基部の枠体24の上面に金属ナノ粒子ペーストを塗布するプロセスを説明する模式図であり、図4(a)はC−C線に沿った断面図、図4(b)は平面図、である。
FIGS. 4A and 4B are schematic views for explaining a process of applying a metal nanoparticle paste to the upper surface of the
金属ナノペースト32cは、ディスペンサ90から蓋部30の表面に供給される。ディスペンサ90は、蓋部31の外周部31aに沿って走査され液状の金属ナノペースト32cを滴下する。なお、金属ナノペースト32cは、図2(d)に表す枠体24の上面24bにも同様に塗布することができる。
The
金属ナノペースト32cは、銀、金、白金、パラジウムなどの金属粒子と、エステルアルコールなどの有機溶剤とを所望の比率で混合して調整される。金属粒子の粒径は数十〜数百nmなどとされる。金属粒子の割合は、たとえば、85〜93重量%などとされる。また、有機溶剤の割合は、たとえば、5〜15重量%などとされる。加熱温度を80〜300℃などとすると、金属ナノペースト中の金属粒子が焼結された金属ナノ粒子層となる。
The
なお、金属板22は銅、枠体24はセラミック、接合材26は銀ロウ、金属ナノ粒子層32は銀ナノ粒子層とすることができる。
図5(a)〜(f)は、第1の実施形態の製造プロセスごとの断面形状を説明する模式図である。すなわち、図5(a)は金属板と銀ロウ材と枠体とを重ねた状態、図5(b)は銀ロウ付けプロセス、図5(c)は枠体に金属ナノペーストを塗布するプロセス後、図5(d)は乾燥プロセス後、図5(e)は蓋部を接合した加圧・加熱プロセス後、図5(f)は完成した高周波半導体装置、を説明する断面図である。
The
FIG. 5A to FIG. 5F are schematic views for explaining a cross-sectional shape for each manufacturing process of the first embodiment. 5A shows a state in which a metal plate, a silver brazing material, and a frame are stacked, FIG. 5B shows a silver brazing process, and FIG. 5C shows a process of applying metal nano paste to the frame. 5D is a cross-sectional view illustrating a dry process, FIG. 5E is a pressurizing / heating process with a lid joined, and FIG. 5F is a cross-sectional view illustrating a completed high-frequency semiconductor device.
図5(a)において、金属板22は銅、接合材26は銀ロウ、枠体24はセラミックであるものとし、これらを重ね合わせる。図5(b)に表すように、約850℃に加熱し金属板22と枠体24とを接合する。銅の線膨張率(16.5×10−6/K)は、セラミックの線膨張係数よりも大きいので、冷却後パッケージ基部20は、上面(セラミックの側)が凸形断面となるように反る。この反り量をS3とする。反り量S3は、30〜100μmなどである。
In FIG. 5A, the
図5(c)に表すように、蓋部31は、コバールなどの金属からなるものとする。蓋部31に銀ナノペースト32cをディスペンサなどを用いて塗布する。次に、図5(d)に表すように、約120℃に加熱し有機溶媒を揮発させる。このとき、厚さは約10%程度減少する。
As shown in FIG. 5C, the
次に、図5(e)に表すように、セラミックからなる枠体24の中央凸部近傍と銀ナノ粒子層32とが接するように蓋部31を載置する。加圧・加熱(約200℃)を行う。加圧開始直後は、凸部近傍に圧力が集中するが、シリコンラバーなどの緩衝材を介して加圧すると、図5(f)に表すように、金属からなる蓋部31は枠体31の反りに沿ってしなり、加圧・加熱による接合範囲が蓋部31の全体に広がる。
Next, as illustrated in FIG. 5E, the
すなわち、パッケージ基部20に反り(反り量S3)を生じても金属からなる蓋部31が反りに応じて変形するので気密が保たれる。なお、金属からなる蓋部31は、枠体24との接合面以外の領域が上方に向かって凸形断面を有してもよい。
That is, even if the
図6(a)〜(f)は、比較例にかかる高周波半導体装置の製造プロセスを説明する模式図である。すなわち、図6(a)は金属板と銀ロウ材と枠体とを重ねた状態、図6(b)は銀ロウ付けプロセス後、図6(c)は蓋部に銀ナノペーストを塗布したプロセス後、図6(d)は乾燥プロセス後、図6(e)は加圧・加熱プロセス後、図6(f)は完成した高周波半導体装置、を説明する断面図である。 6A to 6F are schematic views illustrating a manufacturing process of a high-frequency semiconductor device according to a comparative example. 6A shows a state in which a metal plate, a silver brazing material, and a frame are stacked, FIG. 6B shows a silver brazing process, and FIG. 6C shows a case where silver nano paste is applied to the lid. FIG. 6D is a cross-sectional view illustrating the high-frequency semiconductor device after the process, FIG. 6D after the drying process, FIG. 6E after the pressurizing / heating process, and FIG. 6F.
図6(a)において、金属板122は銅、接合材126は銀ロウ、枠体124はセラミックからなるものとする。これらの部材を重ね合わせ、たとえば、850℃に加熱する。銅の線膨張率はセラミックの線膨張率よりも大きいので、冷却後にはパッケージ基部120は、上部(セラミックの側)に凸となるように反りを生じる(図6(b))。
6A, the
他方、図6(c)に表すように、セラミックからなる蓋部130に銀ナノペースト132cが塗布される。さらに、図6(d)に表すように、約120℃に加熱し有機溶剤を揮発させると、銀ナノペースト132cの厚さは10%程度減少する。
On the other hand, as shown in FIG. 6C, the
続いて、図6(e)に表すように、蓋部130の銀ナノペースト132cとパッケージ基部120の枠体124とを接触させ、加圧・加熱(約200℃)する。加熱開始直後はパッケージ基部120の凸部近傍に圧力が集中する。さらに、銀ナノ粒子の反応が進むとともに加圧された領域の銀ナノ粒子が潰れて加圧面積が増加するが、反りが大きい領域は、加圧がされず接合されない領域を生じる(図6(f))。このため、パッケージ内部を気密に保つことが困難となり、外部から湿気などが入り込み高周波半導体素子40に劣化を生じ易くなる。
Subsequently, as shown in FIG. 6E, the
これに対して、本実施形態に用いるパッケージ基部20には反り(反り量S3)が生じても、金属からなる蓋部31がパッケージ基部20の反りに応じてしなり、内部を気密に保つことが容易となる。
On the other hand, even if the
図7(a)〜(e)は、第2の実施形態にかかる高周波半導体装置の製造方法を説明する模式図である。すなわち、図7(a)は金属板に金属ナノペーストを塗布するプロセス、図7(b)は金属ナノペーストを加熱するプロセス、図7(c)はパッケージ基部を形成するプロセス、図7(d)は金属ナノペーストを加熱するプロセス、図7(e)はパッケージ基部と蓋部とを接合するプロセス、を説明する断面図、である。 7A to 7E are schematic views for explaining a method for manufacturing a high-frequency semiconductor device according to the second embodiment. 7A is a process for applying a metal nano paste to a metal plate, FIG. 7B is a process for heating the metal nano paste, FIG. 7C is a process for forming a package base, and FIG. ) Is a process for heating the metal nanopaste, and FIG. 7E is a cross-sectional view for explaining a process for joining the package base and the lid.
図7(a)に表すように金属板22に銀ナノペースト33cを塗布し、さらに図7(b)に表すように約120℃に加熱すると、銀ナノペースト33cから有機溶媒が揮発し厚さが約10%減少して銀ナノ粒子層33となる。図7(c)に表すように、セラミック(たとえば、酸化アルミニウム)からなる枠体24を重ねて加圧・加熱(約200℃)すると銀ナノ粒子層33により金属板22と枠体24とが接合されパッケージ基部20となる。
When the
銅の線膨張率は、酸化アルミニウムの線膨張率(略6.4×10−6/K)よりも大きい。しかしながら、加熱温度が約200℃と銀ロウの加熱温度(約850℃)に比べて低いので、冷却後の反り(枠体24の側がわずかに凸となる)は十分に小さい。
The linear expansion coefficient of copper is larger than that of aluminum oxide (approximately 6.4 × 10 −6 / K). However, since the heating temperature is about 200 ° C., which is lower than the heating temperature of silver solder (about 850 ° C.), the warp after cooling (the
すなわち、第1の実施形態のパッケージ基部20の反り(反り量S3)に比べて、第2の実施形態のパッケージ基部20の反りは十分に小さい。続いて、図7(d)に表すように、パッケージ基部20の枠体24の上面に銀ナノペースト32cを塗布し約120℃に加熱する。加熱により銀ナノ粒子層32の厚さは約10%減少する。
That is, the warp of the
さらに、図7(e)に表すように、銀ナノ粒子層32の上に金属からなる蓋部31を載置し、シリコンラバーなどを介して加圧しつつ加熱(約200℃)を行う。金属ナノ粒子層32および蓋部31は、パッケージ基部20の凸形断面に沿って反る。このため、高周波半導体素子は、パッケージ内で気密に保たれる。
Further, as shown in FIG. 7E, a
第1および第2の実施形態によれば、高周波半導体素子が湿気などで劣化することが抑制された高周波半導体装置が提供される。このような高周波半導体装置が搭載されたレーダー装置や衛星通信機器などは、厳しい使用環境においても高い信頼性を保つことができる。 According to the first and second embodiments, a high-frequency semiconductor device in which the high-frequency semiconductor element is suppressed from being deteriorated by moisture or the like is provided. Radar devices and satellite communication devices equipped with such high-frequency semiconductor devices can maintain high reliability even in harsh usage environments.
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。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10 高周波半導体装置、20 パッケージ基部、22 金属板、22a 外周部、24 枠体、24a 枠体の下面、24b 枠体の上面、26 接合材、31 蓋部、32、33 金属ナノ粒子層、32c、33c 金属ナノペースト、S3 反り量
DESCRIPTION OF
Claims (5)
金属からなる蓋部と、
前記パッケージ基部と前記蓋部とを接合し、閉曲線状に設けられ、第1の金属ナノ粒子層からなる第1の接合層と、
高周波半導体素子と、
を備え、
前記パッケージ基部は、金属板と、リード部を有する枠体と、第2の接合層と、を含み、
前記第2の接合層は、前記枠体の下面と前記金属板の上面の外周部とを接合し、閉曲線状に設けられ、
前記高周波半導体素子は、前記パッケージ基部と前記蓋部との内部空間の前記金属板の表面に接合され、
前記パッケージ基部は前記枠部の側に凸形断面状に反り、前記第1の金属ナノ粒子層および前記蓋部は、前記パッケージ基部の前記凸形断面の反りに沿って曲げられる、高周波半導体装置。 A package base;
A lid made of metal;
Bonding the package base and the lid, a first bonding layer provided in a closed curve shape and comprising a first metal nanoparticle layer;
A high-frequency semiconductor element;
With
The package base includes a metal plate, a frame body having a lead portion, and a second bonding layer,
The second joining layer joins the lower surface of the frame and the outer peripheral portion of the upper surface of the metal plate, and is provided in a closed curve shape.
The high-frequency semiconductor element is bonded to the surface of the metal plate in the internal space of the package base and the lid,
The package base is warped in a convex cross-section toward the frame, and the first metal nanoparticle layer and the lid are bent along the warp of the convex cross-section of the package base. .
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