JP5127617B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体パッケージを用いた半導体装置に関し、特に、繰り返し温度サイクルが加わる環境で使用される半導体装置に関する。

高周波用の半導体装置に用いられる半導体パッケージには、半導体素子の発熱が大きいことから、通常は伝導性の良好なＣｕが用いられる。放熱板を兼ねるＣｕの金属ベースの上に、半導体素子や半導体チップと外部回路とのインピーダンス整合をとるためのセラミックス製回路基板がはんだで接合されている。
従来の半導体パッケージでは、金属ベースの上に、例えばＣｕＷやＭｏ等からなる金属台座を配置し、その上に回路基板を設けていた。このように、金属ベースの線膨張係数と回路基板の線膨張係数の中間の線膨張係数を有する金属台座を挟むことにより、回路基板と金属ベースとの線膨張係数の違いにより生じる応力を金属台座で緩和し、半導体素子や回路基板の割れや金属ベースの反りを防止していた。
特開平１０−５６０９２号公報

しかしながら、高周波用の半導体装置は例えば宇宙空間等で使用され、−６５℃から１７５℃程度の温度環境で、繰り返し温度サイクルが加えられることが想定される。上述のように、従来の半導体装置では、金属台座と金属ベースの材料の間に線膨張係数の違いがあり、このような線膨張係数の異なる材料を接合する接合材に高温で繰り返し応力が付加された場合、クリープ変形が生じることがある。この結果、接合材のクリープ変形に起因する応力が金属ベースに加わり反り等が発生するという問題があった。特に、温度サイクルが繰り返された場合、高温から低温に変化する際に金属ベースに新たな塑性変形が生じ、これが累積して金属ベースに大きな反りが発生し、放熱性能が悪くなり、信頼性が低下するおそれがあるという問題があった。

そこで、本発明は、接合材のクリープ変形に起因して金属ベースの塑性変形が累積されるのを防止した半導体装置の提供を目的とする。

本発明は、温度サイクルが加わる環境で使用される半導体装置であって、半導体素子を搭載した金属ベースと、金属ベースの上に第１接合材で接合され、金属ベースより線膨張係数が小さくかつ降伏応力が高い台座と、台座の上に第２接合材で接合された回路基板とを含み、第１接合材の融点は第２接合材の融点より高く、かつこれらの融点が共に温度サイクルの最高温度より高く、金属ベースが埋め込み部を有し、埋め込み部中に台座が接合され、埋め込み部は、金属ベースに設けられた貫通孔からなることを特徴とする半導体装置である。

以上の説明から明らかなように、本発明では、接合材のクリープ変形を防止し、温度サイクルが繰り返し加わる環境においても信頼性の高い半導体装置を提供できる。

以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる高周波用の半導体装置の断面図である。半導体装置１００は、例えばＣｕからなる金属ベース６を含む。金属ベース６には、金属台座４を埋め込むための埋め込み部１１が設けられている。金属台座４は埋め込み部１１の中に、接合材５で、底面および側面が固定される。

接合材５は、想定される温度サイクル（−６５℃から１７５℃）の高温側（１７５℃）においてクリープ変形をほとんど生じない材料からなる。例えば、金−銀共晶ロウ材、Ａｕ−Ｇｅはんだ材のような融点３００℃以上の接合材が用いられる。かかる接合材は、融点が３００℃未満のはんだ材（例えばＡｕ−Ｓｎ）と比較してクリープ変形しにくい。

金属台座４の上には、接合材３により回路基板２が固定される。回路基板２は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミック基板の上に回路配線が設けられた構造となっている。回路基板２には、例えばインピーダンスの整合回路が形成されている。

接合材３は、融点が低い（例えば３００℃未満）、例えば共晶はんだやＡｕ−Ｓｎはんだなどの、一般的なはんだ材料からなる。接合材３は、温度サイクルの高温側（１７５℃程度）でクリープ変形を生ずるものであっても良い。

接合材５は接合材３より融点が高く、かつこれらの融点は共に温度サイクルの最高温度（１７５℃）より高くなるように接合材３、５が選択される。

また、金属ベース６の上には、同じく接合材３を用いて半導体素子１が固定されている。半導体素子２は、例えば高周波用のトランジスタ等からなる。金属ベース６の上には、半導体素子１や回路基板２を囲むように、例えばＣｕからなる側壁部７が設けられている。側壁部７の外側には、端子８が設けられている。
端子８、回路基板２の回路配線、および半導体素子２は、適宜ＣｕやＡｌのワイヤ等により接続されている。

ここで、金属台座４は、その上にマウントされる回路基板２より大きな線膨張係数を有しかつ、金属ベース６よりも高い弾性率を有する材料からなり、例えばＣｕＷ、Ｍｏ、Ｃｕ−Ｍｏなどの焼結金属材料が用いられる。この時、線膨張係数は、金属ベース６を構成するＣｕが約１６．４ｐｐｍ／Ｋ、回路基板２を構成するＡｌ_２Ｏ_３が約７．１ｐｐｍ／Ｋ、金属台座４を構成するＣｕＷが約８．３７ｐｐｍ／Ｋとなる。

半導体装置１００では、線膨張係数の異なる金属台座４と金属ベース６の間の接合材５の融点が温度サイクル（−６５℃から１７５℃）の最高温度よりも高く、温度サイクルが繰り返し加えられても、高温側の保持状態においてクリープ変形を生じないため、金属台座４と金属ベース６の間の熱応力が緩和されない。このため、温度サイクルが高温側から低温側に移行して金属ベース６に熱応力が加わっても、金属ベース６が新たに塑性変形することはない。

一方、従来の半導体装置では、温度サイクルの高温側で接合材がクリープ変形して熱応力の緩和が起きるため、ここで金属ベースに弾性変形が生じる。このため、温度サイクルが高温側から低温側に移行して金属ベースに熱応力が発生すると、金属ベースに新たな塑性変形が生じる。温度サイクルが繰り返されると金属ベースの塑性変形が累積され、金属ベースが大きく反るようになる。

このように、本実施の形態１にかかる半導体装置１００では、温度サイクルが繰り返し加えられる環境で使用しても、金属ベース６の反りが発生せず、信頼性が高く長寿命の半導体装置１００を提供することができる。なお、以下の実施の形態２〜４は、半導体装置１００の変形例であり、当然にここで述べた効果を有する。

もちろん、従来と同様に、金属ベース６の線膨張係数と回路基板２の線膨張係数の中間の線膨張係数を有する金属台座４を挟むことにより、回路基板２と金属ベース６との線膨張係数の違いにより生じる応力を金属台座４により緩和することもできる。

また、半導体素子１と回路基板２の接合、回路基板２と金属台座４との接合には、３００℃以下の温度で溶融する接合材３が用いられるため、接合工程が容易に行える。

図２は、実施の形態１にかかる半導体装置１００において、金属台座４を銅とタングステンによる焼結材料（２０Ｃｕ−８０Ｗ）から形成し、金属ベース６を無酸素銅から形成して、−６５℃から１７５℃の温度サイクルを加えた場合において、金属ベース６の厚みに対する金属台座４の厚みの割合の変化に対する、熱発生応力の変化を示す図である。
図２からわかるように、半導体装置１００に対して温度変動範囲２４０Ｋの温度サイクルが加わった場合に、金属台座４の厚みを、金属ベース６の厚みに対して１２〜３８％の間にすることで、発生熱応力は無酸素銅である金属ベース６の降伏応力６０ＭＰａを超え、温度サイクルの高温側、低温側の双方で、金属ベース６は互いに逆方向に塑性変形を生じるようになる。このため、クリープ変形の少ない材料で接合材５を形成したがそれでも金属ベース６に塑性変形が生じた場合であっても、温度サイクルの高温側、低温側で発生する塑性変形が違いに相殺しあって１サイクルあたりの塑性変形量を低減できる。

例えば、従来構造で一般に使用される厚み約０．３５ｍｍの半導体素子または回路基板を、直接０．０５ｍｍの厚みのはんだで約２．０ｍｍの金属ベースに接合した場合で、−６５℃／１７５℃の温度サイクル負荷を１００サイクルかけた場合、金属ベースに数１０μｍの反りが発生する。これに対して、本発明の半導体装置１００では、半導体素子２の厚みと同程度の厚み（約０．３５ｍｍ）のＣｕＷからなる金属台座４をマウントすることで、反りを３μｍ以下に抑制することができる。

ここでは、金属ベース６に埋め込み部１１を設け、その中に金属台座４を設ける構造について説明したが、埋め込み部１１を設けず、金属ベース６の上に接合材５で金属台座４を接合することもできる。

実施の形態２．
図３は、全体が２００で表される、本実施の形態２にかかる半導体装置の断面図である。図３中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

図３に示すように、半導体装置２００では、埋め込み部１２が金属ベース６を貫通するように設けられ、その中に、金属台座４が接合材５で接合されている。金属台座４の厚みは、金属ベース６の厚みと略同程度であるが、異なるように形成しても構わない。金属台座４の側面が、接合材５で金属ベース６に接合されている。

図３の構成によれば、金属ベース６に埋め込み部１２を打ち抜き加工で形成できるため、埋め込み部１２の形成工程が容易になる。
また、金属台座４の直下に金属ベース６が存在しないため、接合材５のクリープ変形に起因する金属ベース６の反りを大幅に低減できる。

実施の形態３．
図４は、全体が３００で表される、本実施の形態３にかかる半導体装置の断面図である。図４中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

半導体装置３００では、上述の半導体装置２００の埋め込み部１２の少なくとも一方の側面が傾斜し、上部（上面）の開口部に比較して、下部（下面）の開口部が狭くなった埋め込み部１３を有している。同様に、金属台座４の側面も埋め込み部１３の形状に合うように傾斜している。そして、金属台座４の側面が、接合材５を介して埋め込み部１３の側面に接合されている。
傾斜した面は、埋め込み部１３の１つの側面から全て（通常は４つの）の側面まで、適宜選択できる。

このような構成を用いることにより、特に、金属台座４を金属ベース６に接合する工程で、金属台座４の抜け落ちが防止でき、接合工程が容易に行える。特に、図４のような傾斜とすることで、半導体素子１の下部の金属ベース６の体積が大きくなり、半導体素子１から発生する熱を効率的に放出することができる。

実施の形態４．
図５は、全体が４００で表される、本実施の形態４にかかる半導体装置の断面図である。図５中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

本実施の形態４にかかる半導体装置４００では、金属ベース６に埋め込み部１４が設けられ、その上に、接合材５を用いて金属台座４が設けられている。埋め込み部１４は、金属ベース６を貫通しない構造となっている。
更に、金属台座４の上に、半導体素子１と回路基板２が、それぞれ接合材３を用いて固定されている。

このような構成を用いることにより、埋め込み部１４を設けるための、金属ベース６の加工箇所が１箇所となるため、製造工程が簡略化できる。
また、回路基板２に加えて、半導体素子１と金属ベース６との線膨張係数の違いに起因する熱応力も金属台座４で緩和することができる。

本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる半導体装置において、金属ベースの厚みに対する金属台座の厚みの割合の変化に対する、熱発生応力の変化を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる半導体装置の断面図である。

符号の説明

１ 半導体素子、２ 回路基板、３ 接合材、４ 金属台座、５ 接合材、６ 金属ベース、７ 側壁部、８ 端子、１１ 埋め込み部、１００ 半導体装置。

Claims (5)

1. 温度サイクルが加わる環境で使用される半導体装置であって、
   半導体素子を搭載した金属ベースと、
   該金属ベースの上に第１接合材で接合され、該金属ベースより線膨張係数が小さくかつ降伏応力が高い台座と、
   該台座の上に第２接合材で接合された回路基板とを含み、
   該第１接合材の融点は該第２接合材の融点より高く、かつこれらの融点が共に該温度サイクルの最高温度より高く、
   該金属ベースが埋め込み部を有し、該埋め込み部中に該台座が接合され、
   該埋め込み部は、該金属ベースに設けられた貫通孔からなることを特徴とする半導体装置。
2. 上記第１接合材の融点は３００℃以上であり、第２接合材の融点は３００℃未満であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 上記半導体素子と上記回路基板が、ともに上記台座の上に固定されたことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の半導体装置。
4. 上記貫通孔は、上記金属ベースの上面および下面に矩形形状の開口部を有し、下面の開口部が上面の開口部より狭くなるように、上記貫通孔の側面が傾斜したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 上記金属ベースはＣｕからなり、上記台座は銅とモリブデンの合金または銅とタングステンの合金からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。

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