JP6164722B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置に関する。
近年、携帯電話などの無線通信システムにおいて電力の高出力化が望まれている。これに伴い、例えば基地局の電力増幅器などの電子装置に使用される半導体装置にはより高出力化が要求されている。従来から、LDMOS(Laterally Diffused MOS)が使用されていた。半導体装置の小型化のため窒化物半導体を含む半導体装置も使用されている。良好な特性を得るために、入力インピーダンス及び出力インピーダンスの整合を行うことが求められる。また半導体装置の動作に伴う発熱により温度が上昇する。温度上昇により半導体装置の特性が劣化するため、放熱性も重要である。電子装置には低コスト化及び小型化が求められる。特許文献1には、入力回路基板及び出力回路基板を備える発明が記載されている。
特開2010−186965号公報
しかし、インピーダンス整合のための整合回路が大型化及び複雑化することがある。この結果、電子装置の低コスト化及び小型化が困難となる。本願発明は、上記課題に鑑み、良好な特性及び放熱性を得ることができ、低コスト化及び小型化可能な半導体装置を提供することを目的とする。
本発明は、入力端子と、出力端子と、前記入力端子と前記出力端子との間の領域に配置された実装基板と、前記実装基板上の前記入力端子と前記出力端子との間の領域に配置された半導体チップと、前記入力端子と前記半導体チップとの間の領域に配置されるとともに、前記入力端子と前記半導体チップとに電気的に接続されてなる回路部品と、前記半導体チップの出力パッドと、前記出力端子とを直接に接続する第1ボンディングワイヤと、を具備し、前記半導体チップと前記出力端子との距離は、前記入力端子と前記半導体チップとの距離以上であり、かつ前記実装基板上の前記半導体チップと前記出力端子の間の領域は、回路部品が搭載されない領域であるである。
上記構成において、複数の前記半導体チップが、前記実装基板上に配置されている構成とすることができる。
上記構成において、前記出力端子は、前記半導体装置の外部の整合回路と接続される構成とすることができる。
上記構成において、前記実装基板は金属により形成されている構成とすることができる。
上記構成において、前記出力端子は、前記半導体装置の外部の整合回路と接続される構成とすることができる。
上記構成において、前記第1ボンディングワイヤの長さは1.5mm以上である構成とすることができる。
上記構成において、前記実装基板の一辺の長さは3mm以上である構成とすることができる。
本発明によれば、良好な特性及び放熱性を得ることができ、低コスト化及び小型化可能な半導体装置を提供することが可能となる。
図1(a)は実施例1に係る半導体装置を例示する平面図である。図1(b)は半導体装置を例示する断面図である。図1(c)はHEMTを例示する断面図である。 図2(a)は比較例1に係る半導体装置を例示する断面図である。図2(b)は比較例2に係る半導体装置を例示する断面図である。 図3(a)は半導体装置の等価回路を例示する回路図である。図3(b)は実施例1における出力インピーダンスの整合を例示するスミスチャートである。 図4(a)は半導体装置の等価回路を例示する回路図である。図4(b)は比較例1における出力インピーダンスの整合を例示するスミスチャートである。 図5(a)及び図5(b)は半導体装置を用いたE級パワーアンプを例示する回路図である。 図6は実施例2に係る半導体装置を例示する平面図である。
本発明の実施例について説明する。
実施例1は出力側のボンディングワイヤを長くする例である。図1(a)は実施例1に係る半導体装置100を例示する平面図である。図1(b)は半導体装置100を例示する断面図であり、図1(a)の線A−Aに沿った断面を図示している。
図1(a)及び図1(b)に示すように、半導体装置100は、パッケージ11、整合回路部品16及び半導体チップ18を有する。パッケージ11は、ダイパッド10(実装基板)、入力端子12a〜12c、及び出力端子14a〜14cを含む。半導体チップ18は、入力端子12aに入力される高周波信号を増幅するアンプとして機能する。増幅された高周波信号は出力端子14aから出力される。
ダイパッド10は入力端子12aと出力端子14aとの間に設けられている。整合回路部品16及び半導体チップ18は、導電性を有する接着剤26によりダイパッド10の上面に搭載されている。整合回路部品16は、入力端子12aと半導体チップ18との間に位置する。図1(b)に示すように、整合回路部品16は、基板16a、基板16aの上面に設けられた電極のパターン16b、及び図示しない裏面電極パターンを備え、キャパシタとして機能する。基板16aは例えばアルミナ(Al)などの絶縁体により形成されている。パターン16bは例えば金(Au)などの金属により形成されている。整合回路部品16は、その表面にインダクタのパターンを備える構造でもよい。このような整合回路部品16は、基板16aのような平面部材が採用され、半導体装置100の内部において所定の面積を占有する。半導体チップ18は、入力パッド18a及び出力パッド18bを含む。また半導体チップ18には後述するHEMT(High Electron Mobility Transistor:高電子移動度トランジスタ)が形成されている。入力端子12b及び12cは入力端子12aの両側に設けられている。出力端子14b及び14cは出力端子14aの両側に設けられている。入力端子12b及び12c、出力端子14b及び14cについては後述する。
入力端子12aとパターン16bとはボンディングワイヤ(第2ボンディングワイヤ)20により、電気的に接続されている。パターン16bと入力パッド18aとはボンディングワイヤ22により電気的に接続されている。出力パッド18bと出力端子14aとはボンディングワイヤ24(第1ボンディングワイヤ)により電気的に接続されている。半導体チップ18の下面に設けられた不図示の接地パッドは、ダイパッド10と接続されている。ボンディングワイヤ20、22及び24は例えばAuなどの金属により形成されている。封止部28は整合回路部品16及び半導体チップ18を封止する。ダイパッド10、入力端子12a及び出力端子14aは、例えば銅(Cu)とモリブデン(Mo)との積層構造、及びCuを主成分とする合金など、金属により形成されている。接着剤26は例えば銀(Ag)などの導電体を主成分とする。封止部28は例えばエポキシ樹脂などの樹脂により形成されている。整合回路部品16及びボンディングワイヤ20は入力インピーダンスを整合する。
入力端子12aと出力端子14aとが並ぶ方向(図1(a)の上下方向)における、半導体チップ18の長さX1は例えば0.5mmである。半導体チップ18の図1(a)における横方向の一辺は例えば0.8mmである。整合回路部品16の長さX2は例えば0.85mmである。ダイパッド10の入力端子12a側の端部から、半導体チップ18の入力端子12a側の端部までの距離X3は例えば1.5mmである。半導体チップ18の出力端子14a側の端部から、ダイパッド10の出力端子14a側の端部までの距離X4は例えば1.6mmである。半導体チップ18から整合回路部品16までの距離X5は例えば0.3mmである。ダイパッド10の他の一辺は例えば5.3mmである。ダイパッド10の面積は、例えば半導体チップ18の面積に対し10倍以上である。ボンディングワイヤ20の長さは例えば1mmである。ボンディングワイヤ22の長さは例えば1mmである。ボンディングワイヤ24の長さは例えば2mmである。1本のボンディングワイヤの直径は例えば25μmである。
図1(c)はHEMT19を例示する断面図である。図1(c)に示すように、HEMT19では、下から順に基板30、チャネル層32、電子供給層34、キャップ層36、及び絶縁層38が積層されている。キャップ層36の上面にゲート電極40が設けられている。電子供給層34の上面にソース電極42及びドレイン電極44が設けられている。HEMT19は半導体チップ18に含まれる。ゲート電極40は不図示の配線により入力パッド18aと電気的に接続されている。ソース電極42は不図示のビア配線などにより、ダイパッド10と電気的に接続されている。ドレイン電極44は出力パッド18bと電気的に接続されている。基板30は例えば炭化シリコン(SiC)、チャネル層32及びキャップ層36は例えば窒化ガリウム(GaN)、電子供給層34は例えば窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)、絶縁層38は例えば窒化シリコン(SiN)により形成されている。ソース電極42及びドレイン電極44は、電子供給層34に近い方からチタン層及びアルミニウム層(Ti/Al)を積層したオーミック電極である。ゲート電極40は、キャップ層36に近い方から例えばニッケル層及び金層(Ni/Au)を積層した電極である。チャネル層32と電子供給層34との界面には二次元電子ガス33が発生する。HEMT19を含む半導体チップ18の動作電力は例えば20Wである。
実施例1によれば、距離X3と同等又はX3以上の距離X4を確保することにより、ダイパッド10が大きくなる。距離X4の領域は、整合回路部品16が搭載される距離X3の領域以上の大きさを有し、かつキャパシタなどの整合回路部品が搭載されていない。つまり距離X4の領域は整合回路が搭載されないスペースとなる。このように、図1(a)ではダイパッド10を大きくすることで、放熱経路が大きくなり、放熱性が高まる。熱の発生による半導体装置100の特性の劣化は抑制される。さらに、ボンディングワイヤ24を長くすることができるため、ボンディングワイヤ24のインダクタンス成分が大きくなる。ボンディングワイヤ24が出力インピーダンスの整合に寄与することができる。従って、半導体装置100を含む電子部品の低コスト化・小型化が可能となり、かつ特性が改善する。以下、比較例と比較し説明する。
図2(a)は比較例1に係る半導体装置100Rを例示する断面図である。図2(a)に示すように、半導体チップ18の出力端子14a側の端部と、ダイパッド10の出力端子14a側の端部との距離X4aは、実施例1における対応する距離X4より小さい。つまり、実施例1と比較して、比較例1におけるダイパッド10は小さい。このため、放熱性が悪化する。半導体チップ18の動作に伴う発熱により、半導体装置100Rの特性が悪化する。またダイパッド10が小さいため、ボンディングワイヤ24は実施例1と比べ短くなる。従って出力インピーダンスを整合するために半導体装置100Rの外部に整合回路を接続する。整合回路は大型かつ高価であるため、半導体装置100Rを含む電子部品が大型化及び高コスト化する。
図2(b)は比較例2に係る半導体装置200Rを例示する断面図である。図2(b)に示すように、半導体チップ18と出力端子14aとの間に整合回路部品23が設けられている。比較例2における半導体チップ18の出力端子14a側の端部と、ダイパッド10の出力端子14a側の端部との距離X4bは、距離X4と同程度である。このため比較例2における放熱性は実施例1と同程度である。半導体チップ18の出力パッド18b(図2(b)では不図示)と整合回路部品23が備えるパターン(不図示)とは、ボンディングワイヤ25により電気的に接続されている。整合回路部品23のパターンと、出力端子14aとは、ボンディングワイヤ27により電気的に接続されている。整合回路部品19によりインピーダンス整合が可能である。しかし、整合回路部品23は高価であるため、半導体装置200Rは半導体装置100に比べ高コストである。
実施例1と比較例1について等価回路を用いて説明する。図3(a)は半導体装置100の等価回路を例示する回路図である。
図3(a)に示すように、入力端子InとHEMT19のゲート電極との間に、入力端子Inに近い側からインダクタL1及びL2が直列に接続されている。HEMT19のドレイン電極と出力端子Outとの間にインダクタL3が直列に接続されている。In〜L1間にキャパシタC1の一端、L1〜L2間にキャパシタC2の一端、L2〜HEMT19間にキャパシタC3の一端が接続されている。HEMT19〜L3間にキャパシタC4の一端、L3〜Out間にキャパシタC5の一端が接続されている。HEMT19のソース電極、及びキャパシタC1〜C5の他端は接地されている。出力端子Outには整合回路46が接続されている。
入力端子Inは図1(a)及び図1(b)に示した入力端子12aに対応する。キャパシタC1は入力端子12aの寄生容量である。キャパシタC2は整合回路部品16により生成される。インダクタL1はボンディングワイヤ20、インダクタL2はボンディングワイヤ22により生成される。キャパシタC3は半導体チップ18のゲート電極の寄生容量であり、キャパシタC4はドレイン電極の寄生容量である。つまりHEMT19、キャパシタC3及びC4は半導体チップ18に含まれる。インダクタL3はボンディングワイヤ24により生成される。出力端子Outは出力端子14aに対応し、キャパシタC5は出力端子14aの寄生容量である。
図3(b)は実施例1における出力インピーダンスの整合を例示するスミスチャートである。黒丸A1は所望する出力インピーダンス(例えば50Ω)を表す。黒丸A2はHEMT19の出力端(図1(a)及び図1(b)の出力パッド18b)、黒丸A3はインダクタL3(ボンディングワイヤ24)の出力端子Out側、黒丸A4は出力端子Out、それぞれにおける出力インピーダンスを表す。
図3(b)に示すように、出力インピーダンスは、インダクタL3によりA2からA3、キャパシタC5によりA3からA4にシフトする。つまり出力インピーダンスはA1が表す所望の値に近付く。整合回路46は出力インピーダンスをA2からA1にシフトさせる機能を有していればよい。これにより所望の出力インピーダンスが得られ、良好な特性が得られる。整合回路46の構成は簡単になり、かつ小型化可能である。また整合回路46における信号の損失は抑制される。
図4(a)は半導体装置100Rの等価回路を例示する回路図である。図4(a)に示すように、HEMT19〜Out間にインダクタL3が接続されていない。これは、図2(a)に示すようにボンディングワイヤ24が短いため、インダクタンス成分をほとんど有しないことによる。
図4(b)は比較例1における出力インピーダンスの整合を例示するスミスチャートである。黒丸A5は出力端子Outにおける出力インピーダンスを表す。図4(b)に示すように、出力インピーダンスは、キャパシタC5によりA2からA5にシフトする。つまり出力インピーダンスはA1が表す所望の値から遠ざかる。整合回路46は出力インピーダンスをA5からA1にシフトさせる。従って、整合回路46の構成は複雑になり、かつ大型化する。このため整合回路46における信号の損失は増大する。
次に半導体装置100をE級パワーアンプに用いる例を説明する。図5(a)は半導体装置100を用いたE級パワーアンプ110を例示する回路図である。
図5(a)においても、図3(a)と同様にHEMT19のドレイン電極にインダクタL3及びキャパシタC4が接続されている。HEMT19、インダクタL1〜L3及びキャパシタC1〜C4は半導体装置100に含まれる。キャパシタC6及びC7、インダクタL4及び抵抗R1は半導体装置100の外部から接続される。HEMT19のドレイン電極と抵抗R1の一端との間に、インダクタL3及びキャパシタC6が直列に接続されている。L3〜C6間にはインダクタL4の一端、及びキャパシタC7の一端が接続されている。インダクタL4の他端は電源Vdcに接続されている。キャパシタC7の他端はHEMT19のソース電極と抵抗R1の他端との間に接続されている。インダクタL3とキャパシタC7とは共振回路Res1を形成する。キャパシタC6は信号のDC(Direct Current:直流)成分をカットする。ボンディングワイヤ24がインダクタL3として機能するため、寄生容量を抑制し、かつE級パワーアンプ110を小型化することができる。またインダクタL3は高いQを有するため、共振回路Res1の共振特性が改善する。従って、小型で高効率なE級パワーアンプ110を得ることができる。
図5(b)は半導体装置100Rを用いたE級パワーアンプ110Rを例示する回路図である。図5(b)に示すように、インダクタL5は半導体装置100Rの外部に接続される。例えばチップインダクタをインダクタL5とすることができる。このため、インダクタL5による寄生容量が大きくなる。またインダクタL5は、インダクタL4よりQが低い。このため、共振特性が悪化する。インダクタL5としてQの高い空芯インダクタを用いることができる。しかし、空芯インダクタは不要な電磁波を発生させる。このためE級パワーアンプ110Rの受信感度が低下し、周辺の回路に影響を及ぼす。
ボンディングワイヤ24は、出力パッド18bと出力端子14aとを直接に接続する。つまり出力パッド18bと出力端子14aとの間には部品が接続されない。このためボンディングワイヤ24が長くなり、ボンディングワイヤ24のインダクタンス成分を高くすることができる。例えば整合回路部品16を半導体装置100の外部に出してもよい。しかし、入力端子12aと半導体チップ18とを接続するボンディングワイヤが長くなり、インダクタンス成分が大きくなる。この結果、インピーダンス整合を適切にとることが難しく、半導体装置100の特性が劣化する。整合回路部品16は半導体装置100に含まれることが好ましい。
ボンディングワイヤに大きな電流が流れると、ジュール熱が増大し、ボンディングワイヤが溶断することがある。特に、長いボンディングワイヤは大きなジュール熱が発生し溶断しやすい。例えば半導体チップ18はLDMOS(Lateral Diffused MOS:横方向拡散MOS)を備えてもよい。LDMOSを用いる場合、例えばVds=28Vとする。出力電力を高めるために、ゲート幅を大きくし電流を増大させる。しかし電流の増大によりジュール熱が大きくなり、溶断が起こりやすくなる。図1(c)のように、半導体チップ18がHEMT19(GaN−HEMT)を備えてもよい。例えばGaN−HEMTはLDMOSと比較して耐圧が高いため、例えばVds=50Vとすることができる。このため、例えばLDMOSの場合と同じ出力電力を得る場合、電流を小さくすることができる。従ってジュール熱が小さくなり、溶断が抑制される。実施例1のようにダイパッド10を大きくすることで放熱性が高まる。従って、溶断はより効果的に抑制される。
ボンディングワイヤ22の本数は、入力パッド18aの数に応じて定まる。入力パッド18aは半導体チップ18のゲート幅に応じて定めればよい。例えばゲート幅を大きくすることにより、半導体チップ18の出力電力を高めることができる。ボンディングワイヤ24の本数は、出力パッド18bの数及び出力電流に応じて定めることができる。
寸法は変更可能である。長さX2は長さX1より大きければよい。距離X4は距離X3以上で、長さX1及びX2より大きく、かつX4>X2+X5であればよい。放熱性を高めかつインピーダンス整合を適切にとるためである。出力インピーダンスを整合させるためには、ボンディングワイヤ24は十分な長さを有することが好ましい。ボンディングワイヤ24はボンディングワイヤ22より長く、例えば1.5mm以上3mm以下である。ボンディングワイヤ24の長さは例えば、1mm以上、1.3mm以上、1.7mm以上又は2mm以上でもよい。放熱性を高めるためには、ダイパッド10が大きいことが好ましい。ダイパッド10の一辺の長さ(図1(a)のX1+X3+X4)は例えば3mm以上5mm以下である。ダイパッド10の一辺の長さは例えば2mm以上、2.5mm以上、3.5mm以上、又は4mm以上でもよい。
放熱性を高めるために、ダイパッド10は金属により形成されていることが好ましい。また放熱性及びソース電極42とダイパッド10との接続を確保するため、接着剤26は金属を含有していることが好ましい。
実施例2は複数の半導体チップ18及び52を備える例である。図6は実施例2に係る半導体装置200を例示する平面図である。
図6に示すように、ダイパッド10上に、整合回路部品16及び50、並びに半導体チップ18及び52が搭載されている。パターン16bは入力端子12bと接続され、半導体チップ18は出力端子14bと接続されている。整合回路部品50はベース部50a及びパターン50bを有する。半導体チップ52にはHEMTが形成されており、入力パッド52a及び出力パッド52bを有する。入力端子12cとパターン50bとは、ボンディングワイヤ54により接続されている。パターン50bと入力パッド52aとは、ボンディングワイヤ56により接続されている。出力パッド52bと出力端子14cとはボンディングワイヤ58により接続されている。
半導体装置200における寸法及び距離は、半導体装置100と同じである。従って、ボンディングワイヤ24及び58のインダクタンス成分が大きく、出力インピーダンスの整合が可能である。ダイパッド10が大きいため、放熱性が高くなる。半導体装置200は2つの半導体チップ18及び52を有する。従って、半導体装置200を差動プッシュプルアンプ及びドハティアンプとして用いることができる。また半導体装置200における半導体チップ18及び52、整合回路部品16及び50における各寸法及び各距離は異なっていてもよい。また、どちらか一方のみが実施例1及び2に示したような構成を採ることもできる。半導体チップは3つ以上でもよい。
半導体チップ18はHEMT以外のトランジスタを含んでもよい。上述のように、溶断を抑制し高出力を得るためには半導体チップ18はHEMTを含むことが好ましい。HEMT19は図1(c)に示した以外の窒化物半導体を含んでもよい。窒化物半導体とは窒素(N)を含む半導体であり、例えば窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム(InN)、窒化インジウムガリウム(InGaN)、窒化インジウムアルミニウム(InAlN)、及び窒化アルミニウムインジウムガリウム(AlInGaN)などである。HEMT19は窒化物半導体以外に、ガリウム砒素(GaAs)など砒素系の半導体を含んでもよい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
10 ダイパッド
11 パッケージ
12a、12b、12c、In 入力端子
14a、14b、14c、Out 出力端子
16、50 整合回路部品
18、52 半導体チップ
18a、52a 入力パッド
18b、52b 出力パッド
19 HEMT
20、22、24、54、56、58 ボンディングワイヤ
46 整合回路

Claims (9)

  1. 入力端子と、
    出力端子と、
    前記入力端子と前記出力端子との間の領域に配置された実装基板と、
    前記実装基板上の前記入力端子と前記出力端子との間の領域に配置された半導体チップと、
    前記実装基板上の前記入力端子と前記半導体チップとの間の領域に配置されるとともに、前記入力端子と前記半導体チップとに電気的に接続されてなる回路部品と、
    一端が前記半導体チップの上面に設けられた出力パッドに接続され他端が前記出力端子に接続された第1ボンディングワイヤと、を具備し、
    前記半導体チップと前記出力端子との距離は、前記入力端子と前記半導体チップとの距離以上であり、かつ前記実装基板上の前記半導体チップと前記出力端子の間の領域は、回路部品が搭載されない領域であることを特徴とする半導体装置。
  2. 複数の前記半導体チップが、前記実装基板上に配置されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記出力端子は、前記半導体装置の外部の整合回路と接続されることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置。
  4. 前記実装基板は金属により形成されていることを特徴とする請求項1から3いずれか一項記載の半導体装置。
  5. 前記第1ボンディングワイヤの長さは1.5mm以上であることを特徴とする請求項1から4いずれか一項記載の半導体装置。
  6. 前記実装基板の一辺の長さは3mm以上であることを特徴とする請求項1から5いずれか一項記載の半導体装置。
  7. 前記回路部品は整合回路部品であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  8. 前記半導体チップと前記出力端子との距離は、前記入力端子と前記半導体チップとの距離より大きい請求項1に記載の半導体装置。
  9. 前記実装基板の前記半導体チップ、前記回路部品、前記第1ボンディングワイヤおよび前記回路部品が搭載されていない領域は樹脂封止されてなる請求項1に記載の半導体装置。
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