JP2017162975A - 高周波半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接合面となる枠体表面の反りを吸収して気密性の高い接合が可能な高周波半導体装置を提供する。【解決手段】高周波半導体装置は、パッケージ基部と、蓋部と、第１の接合層と、高周波半導体素子と、を有する。第１の接合層はパッケージ基部と蓋部とを接合し、閉曲線状に設けられ、第１の金属ナノ粒子からなる。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。第２の接合層は、枠体の下面と金属板の外周部の上面とを接合し、閉曲線状に設けられる。高周波半導体素子は、パッケージ基部と蓋部との内部空間の金属板の表面に接合される。枠体の上面の反り量は、枠体の下面の反り量よりも小さい。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、高周波半導体装置に関する。

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。

フラットパッケージは、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。

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。

特開２０１１−１６５７４５号公報

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が可能な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は、パッケージ基部と、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た第１の金属ナノ粒子からなる。前記第２の接合層は、前記枠体の下面と前記金属板の外周部の上面とを接合し、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。前記枠体の上面の反り量は、前記枠体の前記下面の反り量よりも小さい。

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。 図２（ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態においてパッケージ基部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２（ａ）はＣ−Ｃ線に沿った断面図、図２（ｂ）は平面図、である。 図３（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り、図３（ａ）は金属板と銀ロウ材と枠体とを重ねた状態、図３（ｂ）は銀ロウ付けプロセス後、図３（ｃ）は蓋部に金属ナノペーストを塗布したプロセス後、図３（ｄ）は乾燥プロセス後、図３（ｅ）は蓋部を接合する加圧・加熱プロセス後、図３（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。 図４（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ごとの断面形状を説明する模式図であり、図４（ａ）は金属板と銀ロウ材と枠体とを重ねた状態、図４（ｂ）は銀ロウ付けプロセス後、図４（ｃ）は蓋部に金属ナノペーストを塗布したプロセス後、図４（ｄ）は乾燥プロセス後、図４（ｅ）は加圧・加熱プロセス後、図４（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。 図５（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プロセスごとの断面形状を説明する模式図であり、図５（ａ）は銅からなる金属板２２に金属ナノペーストを塗布するプロセス後、図５（ｂ）は金属ナノペーストを乾燥するプロセス後、図５（ｃ）はパッケージ基部を形成するプロセス後、図５（ｄ）は金属ナノペーストを乾燥するプロセス後、図５（ｅ）はパッケージ基部と蓋部とを接合するプロセス後、を説明する断面図、である。

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、蓋部３０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。

パッケージ基部２０は、金属板（金属ベース）２２と、接合材２６と、枠体（フレーム）２９と、フィードスルー部５０と、を有する。

枠体２９は、金属を含む。枠体２９の金属の一部には開口部が設けられる。開口部には、リード部２８が接続されたセラミックからなるフィードスルー部５０が嵌合される。枠体２９の下面２９ａと金属板２２の外周部２２ａの上面とは、閉曲線状に設けられた接合層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、例えば、銀ロウ材である。

フィードスルー部５０は、枠体２９に設けられた開口部に嵌合される。たとえば、開口部の内壁とフィードスルー部５０の側面と上面とを接合層２６も銀ロウ材により接合し、かつフィードスルー部５０の下面と金属板２２の表面とを接合層２６で接合することができる。このようにすると、フィードスルー部５０近傍も気密にできる。

第１の接合層３２は、枠体２９と蓋部３０の外周部３０ａとを接合するように閉曲線状に設けられる。

高周波半導体素子４０は、パッケージ基部２０と蓋部３０との内部空間Ｎの金属板２２の表面に金錫（ＡｕＳｎ）半田（融点約２８２℃）などを用いて接合される。

枠体２９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。また、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２９の高さＴ２は０．５〜１ｍｍなどとすることができる。

図２（ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態においてパッケージ部材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２（ａ）はＣ−Ｃ線に沿った断面図、図２（ｂ）は平面図、である。

金属ナノペースト３２ｃは、ディスペンサ９０から蓋部３０の表面に幅Ｗ２で塗布される。ディスペンサ９０は、蓋部３０の外周部３０ａ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。または、金属ナノペースト３２ｃは、枠体２９の上面２９ｂに塗布してもよい。

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。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。

図３（ａ）〜（ｆ）は、第１の実施形態の製造ごとの断面形状を説明する模式図である。すなわち、図３（ａ）は金属板と銀ロウ材と枠体とを重ねた状態、図３（ｂ）は銀ロウ付けプロセス後、図３（ｃ）は蓋部に金属ナノペーストを塗布したプロセス後、図３（ｄ）は乾燥プロセス後、図３（ｅ）は蓋部を接合する加圧・加熱プロセス後、図３（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。

図３（ａ）において、金属板２２は銅、接合材２６は銀ロウ、枠体２９はコバールなどとし、これらを重ね合わせる。次に、図３（ｂ）に表すように、約８５０℃に加熱し金属板２２と枠体２９とを接合する。銅の線膨張率（約１６．５×１０^−６／Ｋ）は、コバールの線膨張率（約５．１×１０^−６／Ｋ）よりも大きいので、冷却後パッケージ基部２０は、上面（コバールの側）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。

図３（ｃ）に表すように、蓋部３０は、酸化アルミニウムのようなセラミックからなるものとする。蓋部３０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３（ｄ）に表すように、約１２０℃に加熱し有機溶媒を揮発させる。厚さは約１０％程度減少する。

次に、図３（ｅ）に表すように、枠体２９の中央凸部近傍と銀ナノペースト３２ｃとが接するように蓋部３０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、加圧の経過とともに枠体２９の上部が座屈し平坦化され接合面積が蓋部３０の全体に広がる。

その結果、図３（ｆ）に表すように、枠体２９の上面２９ｂの反り量Ｓ６は、枠体２９の下面２９ａの反り量Ｓ７よりも小さくなる。

すなわち、座屈により枠体２９の上面２９ｂの反り量Ｓ６を小さくできるので気密性が保たれる。なお、銅の代わりに銅タングステン（線膨張率は、約６．４×１０^−６／Ｋ）とするとパッケージ基部２０の反り量をより低減できる。銅とタングステンの比率や銀ロウ付け温度の最適化によりパッケージ基部２０の反り量をより低減しつつ、上面（コバールの側）が凸形断面となるように反らせることが出来る。

図４（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ごとの断面形状を説明する模式図である。すなわち、図４（ａ）は金属板とロウ材と枠体とを重ねた状態、図４（ｂ）は銀ロウ付けプロセス後、図４（ｃ）は蓋部に銀ナノペーストを塗布したプロセス後、図４（ｄ）は乾燥プロセスｇｐ、図４（ｅ）は加圧・加熱プロセス後、図４（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。

図４（ａ）において、金属板１２２は銅、ロウ材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。

他方、図４（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４（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％減少する。

続いて、図４（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。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。

これに対して、本実施形態では、パッケージ基部２０の金属板２２に反りが残っても、枠体２９の上部は平坦化するので内部を気密に保つことが容易となる。

図５（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５（ａ）は銅からなる金属板に金属ナノペーストを塗布するプロセス、図５（ｂ）は金属ナノペーストを加熱するプロセス、図５（ｃ）はパッケージ基部を形成するプロセス、図５（ｄ）は金属ナノペーストを加熱するプロセス、図５（ｅ）は高周波半導体素子が接合されワイヤ接続された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。

図５（ａ）に表すように、銅からなる金属板２２に金属ナノペーストを塗布する。図５（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。

次に、図５（ｃ）に表すように、コバールなどからなる枠体２９を金属板２２に重ねて加圧・加熱（約２００℃）すると銀ナノ粒子層３３により金属板２２と枠体２９とが接合されパッケージ基部２０となる。銅の線膨張率は、コバールの線膨張率よりも大きい。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、冷却後の反り量は十分に小さい。

すなわち、第１の実施形態の枠体２９の下面２９ａの反り量Ｓ７に比べて、第２の実施形態の枠体２９の下面２９ａの反り量Ｓ８は十分に小さい。続いて、図５（ｄ）に表すように、パッケージ基部２０の枠体２９の上面に銀ナノペースト３２ｃを塗布し約１２０℃に加熱する。加熱により銀ペースト層３２の厚さは約１０％減少する。

さらに、図５（ｅ）に表すように、銀ナノ粒子層３２を間に挟んで、加圧・加熱（約２００℃）を行うと。加圧開始から全体に均一に圧力が加わる。この結果、枠体２９の上面２９ｂの反り量Ｓ９は、枠体２９の下面２９ａの反り量Ｓ８よりも十分に小さくできる。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。

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る。これらの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。

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。

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、２６ 接合材、２８ リード部、２９ 枠体、２９ａ 枠体の下面、２９ｂ 枠体の上面、３０ 蓋部、３２ 第１の接合層（金属ナノ粒子層）、３３ 銀ナノ粒子層、３２ｃ、３３ｃ 金属ナノペースト、４０ 高周波半導体素子、５０ フィードスルー部、Ｎ 内部空間、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９ 反り量

Claims (5)

1. パッケージ基部と、
   蓋部と、
   前記パッケ−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外周部の上面とを接合し、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、
   前記枠体の上面の反り量は、前記枠体の前記下面の反り量よりも小さい高周波半導体装置。
2. 前記蓋部はセラミックであり、前記金属板は銅または銅タングステン合金である請求項１記載の高周波半導体装置。
3. 前記第２の接合層は銀ロウである請求項１または２に記載の高周波半導体装置。
4. 前記第２の接合層は第２の金属ナノ粒子層である請求項１または２に記載の高周波半導体装置。
5. 前記第１および第２の金属ナノ粒子層は銀を含む請求項４記載の高周波半導体装置。

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