JP4664670B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子を収納する外囲器の放熱特性を向上させた半導体装置に関する。
マイクロ波帯で使用する半導体装置は、たとえば高周波信号を増幅する半導体素子およびその他の回路素子を外囲器内に配置した構成になっている。外囲器は、半導体素子や回路素子などを固着する底板および半導体素子などを囲んでその外側の底板上に設けた側壁、側壁の上部開口を覆う蓋などから構成される。
ところで、大電力用の半導体装置では、通常、複数の電力増幅用半導体素子が用いられる。したがって、大電力用の外囲器の場合、複数の半導体素子を収納する必要から形状が大きくなり、高い機械的強度が求められている。
また、大電力用の半導体装置に使用する外囲器は、半導体素子が発生する熱を放出する必要がある。そのため、比較的安価で熱伝導率の高い金属たとえば銅が一般的に用いられる。しかし、銅は柔らかく延性に富み、大電力用の外囲器に必要とする機械的強度が得られない場合がある。
そこで、発熱量が大きい大電力用の外囲器では、機械的強度を高めるために、銅よりも硬度の高いタングステンなどの支持金属を銅の間に挟んだ構造、いわゆるＣＭＣ構造の材料が用いられる。
ここで、従来の半導体装置について、ＣＭＣ構造の外囲器を用いた場合を例にとり図３を参照して説明する。図３は外囲器の蓋の部分を除いた状態を示し、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の線分ｂ−ｂにおける断面図である。図３（ａ）および（ｂ）は対応する部分に同じ符号を付している。
金属製の基板３１上に外囲器３２が固定されている。外囲器３２は、底板３２ａおよび側壁３２ｂ、側壁３２ｂ上方の開口を覆う蓋（図示せず）などから構成されている。底板３２ａはＣＭＣ構造で形成され、たとえば全体が矩形状に構成されている。ＣＭＣ構造は図３（ｂ）の底板３２ａ部分に示すように、板状をした金属たとえば銅Ｃ１、Ｃ２の間に銅よりも硬度の大きい板状の支持金属Ｍ、たとえばタングステンなどを挟んだ積層構造になっている。底板３２ａの両端部に、外囲器３２を基板３１にねじ止めするためのねじ穴３３が２つずつ形成されている。また、底板３２ａ上に側壁３２ｂが設けられている。
側壁３２ｂは、そのほとんどの部分が金属からなり、全体が４辺からなる長方形状の枠体に構成されている。そして、側壁３２ｂのたとえば対向する２つの辺の部分を入力側金属リード３４ａおよび出力側金属リード３４ｂが貫通している。金属リード３４ａ、３４ｂの貫通部分は側壁３２ｂの金属部分と接触しないように、金属リード３４ａ、３４ｂの周囲にセラミックなどの絶縁体３５ａ、３５ｂを設けている。金属リード３４ａ、３４ｂの一端部は側壁３２ｂの内側に突出し、その突出部ａ１、ｂ１の下方部分にもセラミックなどの絶縁体３５ａ、３５ｂが設けられている。
側壁３２ｂで囲まれた底板３２ａ上の中央に半導体素子３６、たとえばマイクロ波電力増幅用の４個の半導体素子３６ａ〜３６ｄが配置されている。半導体素子３６ａ〜３６ｄを挟んでその入力側金属リード３４ａ側に、整合回路を含んだ分配回路３７が配置されている。出力側金属リード３４ｂ側に、整合回路を含んだ合成回路３８が配置されている。半導体素子３６ａ〜３６ｄと分配回路３７との間、および、半導体素子３６ａ〜３６ｄと合成回路３８との間はワイヤーＷで電気的に接続されている。また、分配回路３７と入力側金属リード３４ａとの間、および、合成回路３８と出力側金属リード３４ｂとの間もワイヤーＷで電気的に接続されている。
上記した構成において、入力側金属リード３４ａを通してたとえば大電力の高周波信号が入力する。高周波信号は分配回路３７で４分割され、それぞれ半導体素子３６ａ〜３６ｄで電力増幅される。その後、合成回路３８で合成され、出力側金属リード３４ｂを通して外部に出力される。
大電力の高周波信号を増幅する場合、半導体素子３６ａ〜３６ｄの信号増幅部分、たとえば半導体素子３６ａ〜３６ｄを構成する動作層などで熱が発生する。動作層などで発生した熱の一部は、底板３２ａなどを経てその下面から図示下方の基板３１に放熱される。このとき、たとえば底板３２ａと基板３１との接合部分を通して４５度以上の広がりをもって底板３２ａ下面から基板３１側に放熱される。また、動作層などで発生した熱の一部は、黒体輻射によって半導体素子３６ａ〜３６ｄの上面から図示上方に放射される。なお、放熱する熱量は図示下方への熱放射が大部分を占める。
上記したように半導体素子などを外囲器内に配置する半導体装置は特許文献１などにも開示されている。
特開２００１−２５７２３４号公報
従来の半導体装置は、外囲器を銅だけで形成すると、外囲器の熱膨張率が分配回路や合成回路を構成する基板、たとえばセラミック基板の熱膨張率よりも大きくなる。したがって、分配回路や合成回路を外囲器の底板に半田付けすると、その後の熱収縮によってセラミック基板が割れる場合がある。
一方、外囲器の底板をＣＭＣ構造で形成した場合は、モリブデンの熱膨張率が分配回路や合成回路を構成するセラミック基板の熱膨張率に近いため、セラミック基板の割れを防止できる。しかし、モリブデンの熱伝導率が銅の約４０％と小さいため、モリブデンと銅の接着部分を含めた底板の熱伝導率が銅の半分以下になり、熱放出特性が低下する。
本発明は、上記した欠点を解決し、外囲器の機械的強度を保ち、かつ熱放出特性が良好な半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の半導体装置は、第１金属の間に前記第１金属よりも硬度の大きい第２金属を挟んだ積層構造の一部に凹部を形成し前記第２金属のない領域を設けた底板と、この底板の前記第２金属のない領域に配置した半導体素子とを具備したことを特徴とする。
本発明によれば、外囲器の底板を積層構造で形成するため、外囲器の機械的強度が確保される。また、外囲器の底板の一部に凹部を形成して、積層構造を構成する第２金属のない領域を設け、その凹部内に半導体素子を配置するため、良好な熱放出特性が得られる。
本発明の第１実施形態について図１を参照して説明する。
図１は外囲器の蓋を除いた状態を示し、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の線分ｂ−ｂにおける断面図で、図１（ａ）および（ｂ）は対応する部分に同じ符号を付している。
Ａｌなどの金属で形成した基板１１上に外囲器１２が固定されている。外囲器１２は、たとえば底板１２ａおよび側壁１２ｂ、側壁１２ｂ上方の開口を覆う蓋（図示せず）などから構成されている。底板１２ａはＣＭＣ構造で形成されている。ＣＭＣ構造は図１（ｂ）の底板１２ａ部分に示すように、２つの第１金属たとえば板状をした２つの銅Ｃ１、Ｃ２の間に、第２金属からなる支持金属Ｍたとえば銅よりも硬度の高い板状のタングステンやモリブデンなどを挟んだ積層構造になっている。そして、底板１２ａに支持金属Ｍの位置よりも深い凹部Ｈを形成し、底板１２ａの一部に支持金属Ｍのない領域Ｒを設けている。底板１２ａの両端部には、外囲器１２を基板１１にねじ止めするためのねじ穴１３を２つずつ設けている。また、底板１２ａ上に側壁１２ｂを形成している。
側壁１２ｂは、たとえばそのほとんどの部分が金属で形成され、たとえば全体が４辺からなる矩形の枠状に構成されている。また、側壁１２ｂの対向する２つの辺の部分を入力側金属リード１４ａおよび出力側金属リード１４ｂが貫通している。金属リード１４ａ、１４ｂはたとえば帯状に形成され、側壁１２ｂの貫通部分は側壁１２ｂの金属部分と接触しないように、周囲にセラミックなどの絶縁体１５ａ、１５ｂを設けている。金属リード１４ａ、１４ｂの一端部は側壁１２ｂの内側に突出し、その突出部ａ１、ｂ１の下方部分、たとえば底板１２ａ上には金属リード１４ａ、１４ｂよりも幅の広いセラミックなどの絶縁体１５ａ、１５ｂが設けられ、マイクロストリップ線路を形成している。
上記の側壁１２ｂで囲まれた中央部分たとえば凹部Ｈ内に半導体素子１６、たとえば４個のマイクロ波電力増幅用の半導体素子１６ａ〜１６ｄが配置されている。
半導体素子１６ａ〜１６ｄを挟んでその入力側金属リード１４ａ側の底板１２ａ上に、整合回路を含んだ分配回路１７が配置されている。底板１２ａ上の出力側金属リード１４ｂ側に、整合回路を含んだ合成回路１８が配置されている。そして、半導体素子１６ａ〜１６ｄと分配回路１７との間、および、半導体素子１６ａ〜１６ｄと合成回路１８との間はワイヤーＷで電気的に接続されている。また、分配回路１７と入力側金属リード１４ａとの間、および、合成回路１８と出力側金属リード１４ｂとの間もワイヤーＷで電気的に接続されている。
上記した構成において、入力側金属リード１４ａを通してたとえば大電力の高周波信号が入力する。高周波信号は分配回路１７で４分割され、それぞれ半導体素子１６ａ〜１６ｄで増幅される。その後、合成回路１８で合成され、出力側金属リード１４ｂを通して外部に出力される。
大電力の高周波信号を増幅する場合、半導体素子１６ａ〜１６ｄの信号増幅部分、たとえば半導体素子１６ａ〜１６ｄを構成する動作層などで熱が発生する。動作層などで発生した熱の一部は、底板１２ａなどを経てその下面から図示下方に放熱される。また、動作層などで発生した熱の一部は、黒体輻射によって半導体素子１６ａ〜１６ｄの上面から図示上方に放射される。
上記した構成によれば、外囲器を構成する底板１２ａをＣＭＣ構造の材料で形成している。そのため、機械的強度の大きい外囲器が得られる。また、底板１２ａに設けた銅がむき出しの凹部Ｈに半導体素子１６ａ〜１６ｄを配置している。したがって、半導体素子１６ａ〜１６ｄの図示下方に、ＣＭＣ構造を構成する支持金属Ｍがないため、半導体素子１６ａ〜１６ｄで発生した熱は、底板１２ａから基板１１へと迅速に伝達し、良好な放熱特性が得られる。また、半導体素子１６ａ〜１６ｄを凹部Ｈに配置しているため、半導体素子１６ａ〜１６ｄと基板１１が接近し、放熱特性がより向上する。
上記した構成の場合、半導体素子１６ａ〜１６ｄがＣＭＣ構造の銅部分と半田などで接合している。半導体素子１６ａ〜１６ｄの銅部分との接合部分はＧａＡｓ基板などの結晶構造の半導体であるため、底板１２ａが冷却時に収縮しても割れなどの問題は発生しない。
次に、本発明の他の実施形態について、半導体素子の近傍を抜き出した図２の断面図を参照して説明する。図２は、図１に対応する部分に同じ符号を付し重複する説明を一部省略する。
半導体素子１６の外面をポリイミドなどの絶縁材料２１で覆い、半導体素子１６との間に発生する凹部Ｈ内の隙間を金属、たとえばＳｎ−Ｐｂ半田などの金属２２を溶かした状態で流し込んで冷却し、充填している。
この構成によれば、凹部Ｈ内の隙間が空気の場合に比べて、半導体素子１６から底板１２ａへの熱伝達が向上し、より良好な熱放出特性が実現される。
図２は、金属が凹部Ｈ内の隙間を完全に満たしているが、その隙間の一部だけを充填してもよく、凹部Ｈから盛り上がるように充填してもよい。
上記の実施形態は、外囲器内に複数の半導体素子および分配回路、合成回路などを配置する場合で説明している。しかし、これ以外の回路素子、たとえば積層コンデンサやコイルなどを配置してもよい。これらの回路素子はパッシブ素子で、ロスが小さく発熱量も少ないため、支持金属Ｍのある領域に配置しても放熱上の問題は起きない。
また、底板を形成する材料のＣＭＣ構造が３層の場合で説明している。本発明は、第１金属の間にこれよりも硬度の大きい第２金属を挟んだ積層構造をもつものであれば、上記の実施形態で説明した以外の積層構造をもつ材料を用いた場合にも適用できる。
また、ＣＭＣ構造が３層の場合、支持金属を挟む２つの金属、たとえば銅の厚さに相違があると、熱によって反りが生じ、平坦度が低下する場合がある。したがって、支持金属を挟む２つの金属の厚さは同じであることが好ましい。
本発明の実施形態を説明するための概略の構造図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。 本発明の他の実施形態を説明するための概略の構造図で、一部を抜き出した断面図である。 従来例を説明するための概略の構造図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
符号の説明
１１…基板
１２…外囲器
１２ａ…底板
１２ｂ…側壁
１３…ねじ穴
１４ａ…入力側金属リード
１４ｂ…出力側金属リード
１５ａ、１５ｂ…絶縁体
１６ａ〜１６ｄ…半導体素子
１７…分配回路
１８…合成回路
Ｗ…ワイヤー
Ｃ１、Ｃ２…銅
Ｍ…支持金属
Ｒ…底板の支持金属のない領域

Claims (4)

  1. 第１金属の間に前記第１金属よりも硬度の大きい第２金属を挟んだ積層構造の一部に凹部を形成し前記第２金属のない領域を設けた底板と、この底板の前記第２金属のない領域に配置した半導体素子とを具備したことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記底板上に形成した金属製の側壁と、この側壁を貫通する金属リードと、前記側壁及び前記金属リードが接触しないように設けられる絶縁体とを設けたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記底板の積層構造は２つの第１金属の間に第２金属を挟んだ３層構造で、前記２つの第１金属は厚さが同じであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体素子を絶縁体で覆い、この絶縁体で覆った半導体素子と前記凹部との隙間に金属を充填したことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
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