JP6238225B2 - 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。
配線パターンを形成した絶縁基板上に半導体チップを実装した半導体装置が知られている。このような半導体装置では、半導体チップで発生した熱を逃がすために、半導体チップ下の絶縁基板に複数のビアを形成することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２７３９２７号公報
半導体チップ下の絶縁基板に複数のビアを形成した構成では、熱抵抗が大きいため、良好な放熱性が得られない。また、入力端子及び出力端子は絶縁基板の下面に設けられる。このため、絶縁基板の下面には、入力端子、出力端子、及び半導体チップ下のビアに電気的に接続する金属膜が形成されることになり、これらをパターン形成する工程が必要となる。よって、製造コストが高くなってしまう。放熱性を向上させるために、絶縁基板に熱伝導率の高い窒化アルミニウム基板を用いることも考えられるが、窒化アルミニウム基板は高価であるため、この場合も、コストが高くなってしまう。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、低コストで放熱性に優れた半導体装置を提供することを目的とする。
本発明は、ダイパッド、入力端子、及び出力端子と、前記ダイパッド上に実装され、前記ダイパッドの表面を露出する開口部を有する樹脂基板と、前記開口部内の前記ダイパッド上に実装された半導体チップと、前記樹脂基板上に配置され、前記開口部を挟んで設けられた入力整合回路及び出力整合回路と、前記半導体チップと前記入力整合回路、前記出力整合回路それぞれとを電気的に接続させる第１接続部と、前記入力端子及び前記出力端子それぞれを前記入力整合回路、前記出力整合回路に電気的に接続させる第２接続部と、を備えることを特徴とする半導体装置である。
上記構成において、前記樹脂基板は、片側が開放されたＵ字型である構成とすることができる。
上記構成において、前記樹脂基板には、これを貫通して設けられたビア配線が設けられてなり、前記ビア配線を通じて、前記樹脂基板の上面の金属と下面の金属とが電気的に接続されてなる構成とすることができる。
本発明によれば、低コストで放熱性に優れた半導体装置を得ることができる。
図１は、実施例１に係る半導体装置の上面図である。 図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ間の断面図、図２（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ間の断面図である。 図３は、実施例１に係る半導体装置を示す回路図である。 図４は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 図５は、樹脂基板を示す上面図である。 図６は、比較例１に係る半導体装置の断面図である。 図７は、実施例２に係る半導体装置の上面図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図１は、実施例１に係る半導体装置の上面図である。図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ間の断面図、図２（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ間の断面図である。なお、図１では、樹脂封止部を透視して図示している。図１から図２（ｂ）のように、実施例１の半導体装置１００は、ダイパッド１０と入力端子１２と出力端子１４と基準電位端子１６とを含むリードフレーム１８と、プリント基板である樹脂基板２０と、半導体チップ２２と、樹脂封止部２４と、を有する。なお、実施例１では、基準電位がグランド電位である場合を例に説明するが、グランド電位以外の電位の場合でもよい。リードフレーム１８は、例えば銅等の金属からなる。樹脂基板２０は、例えばガラスエポキシ基板又はポリイミド基板を含む。半導体チップ２２は、例えば高周波及び高出力で動作する半導体チップであり、窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）チップである。なお、窒化物半導体としては、例えばＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮが挙げられる。樹脂封止部２４は、例えばエポキシ樹脂からなる。
樹脂基板２０は、導電性接着剤２６によって、ダイパッド１０の上面に実装されている。導電性接着剤２６は、例えば金−錫の合金、銀、又は半田など金属を含むペーストを用いることができる。樹脂基板２０は、中央部分にダイパッド１０の表面を露出する開口部２８を有している。半導体チップ２２は、この開口部２８内で、導電性接着剤２６によって、ダイパッド１０の上面に実装されている。半導体チップ２２の上面には、半導体チップ２２の上面に形成された機能部分におけるゲート及びドレインに電気的に接続されたゲート電極パッド３０及びドレイン電極パッド３２が設けられている。半導体チップ２２の下面には、半導体チップ２２の上面に形成された機能部分におけるソースに、半導体チップ２２を貫通するビア配線（不図示）によって電気的に接続されたソース電極パッド３４が設けられている。
樹脂基板２０上には、入力配線３６（入力整合回路）、出力配線３８（出力整合回路）、及び基準電位配線４０が設けられている。入力配線３６と出力配線３８とは、開口部２８を挟んで設けられている。入力配線３６は、半導体チップ２２のゲート電極パッド３０に第１ワイヤ４６ａ（第１接続部：第１接続部はワイヤ以外にもリボンを用いることができる）によって電気的に接続され、入力端子１２に第２ワイヤ４６ｂ（第２接続部：第２接続部はワイヤ以外にもリボンを用いることができる）によって電気的に接続されている。したがって、ゲート電極パッド３０と入力端子１２とは、入力配線３６を介して電気的に接続されている。出力配線３８は、半導体チップ２２のドレイン電極パッド３２に第１ワイヤ４６ａ（第１接続部）によって電気的に接続され、出力端子１４に第２ワイヤ４６ｂ（第２接続部）によって電気的に接続されている。したがって、ドレイン電極パッド３２と出力端子１４とは、出力配線３８を介して電気的に接続されている。半導体チップ２２のソース電極パッド３４は、導電性接着剤２６を介して、ダイパッド１０に電気的に接続されている。ダイパッド１０は、樹脂封止部２４の下面から露出していて、これにより、半導体チップ２２で発生した熱を効果的に放熱させることができると共に、ダイパッド１０を基準電位（例えばグランド電位）とすることができる。したがって、ソース電極パッド３４は、ダイパッド１０に電気的に接続されることで、基準電位に接続されている。
基準電位配線４０は、樹脂基板２０を貫通するビア配線４２を介して、樹脂基板２０の下面に設けられた金属膜４３に電気的に接続されている。樹脂基板２０は導電性接着剤２６によってダイパッド１０に接続されていることから、金属膜４３、ビア配線４２、及び基準電位配線４０は、ダイパッド１０に電気的に接続されている。したがって、金属膜４３、ビア配線４２、及び基準電位配線４０は基準電位に接続されている。
樹脂基板２０上に、基準電位配線４０と入力配線３６とに跨るチップ部品４４が、導電性接着剤２６によって実装されている。つまり、チップ部品４４は、基準電位配線４０と入力配線３６との間に電気的に接続されている。チップ部品４４は、例えば容量チップである。樹脂基板２０、半導体チップ２２、第１ワイヤ４６ａ、及び第２ワイヤ４６ｂを封止して樹脂封止部２４が設けられている。入力端子１２、及び出力端子１４の下面は、樹脂封止部２４の下面から露出している。
図３は、実施例１に係る半導体装置を示す回路図である。図３のように、入力端子Ｉｎから出力端子Ｏｕｔにかけて、インダクタＬ１、Ｌ２、Ｌ３、ＨＥＭＴ２２ａ、インダクタＬ４、Ｌ５が直列に接続されている。インダクタＬ３は、ＨＥＭＴ２２ａのゲート電極Ｇに接続され、インダクタＬ４は、ＨＥＭＴ２２ａのドレイン電極Ｄに接続されている。ＨＥＭＴ２２ａのソース電極Ｓは基準電位（例えばグランド電位）に接続されている。インダクタＬ１とＬ２との間のノードｎ１と基準電位（例えばグランド電位）との間にキャパシタＣ１が接続されている。インダクタＬ４とＬ５との間のノードｎ２と基準電位（例えばグランド電位）との間にキャパシタＣ２が接続されている。
ＨＥＭＴ２２ａは、図１及び図２（ａ）における半導体チップ２２に対応する。インダクタＬ１は、入力端子１２と入力配線３６との間の第２ワイヤ４６ｂにより生成される。インダクタＬ２は、入力配線３６により生成される。インダクタＬ３は、入力配線３６と半導体チップ２２との間の第１ワイヤ４６ａにより生成される。インダクタＬ４は、半導体チップ２２と出力配線３８との間の第１ワイヤ４６ａにより生成される。インダクタＬ５は、出力配線３８と出力端子１４との間の第２ワイヤ４６ｂにより生成される。キャパシタＣ１は、チップ部品４４によるキャパシタである。キャパシタＣ２は、出力配線３８により生成される。
入力端子Ｉｎに入力された高周波信号は、ＨＥＭＴ２２ａにより増幅されて、出力端子Ｏｕｔから出力される。ＨＥＭＴ２２ａの入力側にインダクタＬ１、Ｌ２、Ｌ３とキャパシタＣ１とが接続され、出力側にインダクタＬ４、Ｌ５とキャパシタＣ２とが接続されている。このため、入力側及び出力側におけるインピーダンス整合がなされる。
次に、実施例１に係る半導体装置の製造方法について説明する。図４は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。図４のように、まず、中央部分に開口部２８を有すると共に、入力配線３６、出力配線３８、基準電位配線４０、ビア配線４２、及び金属膜４３が形成された樹脂基板２０を形成する（ステップＳ１０）。開口部２８は、例えばルータ加工によって形成することができる。図５は、樹脂基板２０を示す上面図である。なお、図５では、入力配線３６等の図示は省略している。図５のように、複数の樹脂基板２０が形成された多面取り構造とすることができる。多面取り構造を採用することで、複数の半導体装置を同時に形成することが可能となり、製造コストを削減できる。以下において、複数の樹脂基板２０が形成された基板を多面取り樹脂基板と称すこととする。
図４に戻り、多面取り樹脂基板に含まれる複数の樹脂基板２０それぞれにチップ部品４４を搭載する（ステップＳ１２）。ダイパッド１０、入力端子１２、出力端子１４、及び基準電位端子１６を有するリードフレーム１８が複数形成された多面取り構造のリードフレーム（以下、多面取りリードフレームと称す）を準備する。多面取りリードフレーム上に、導電性接着剤２６を挟んで、多面取り樹脂基板を配置する（ステップＳ１４）。この際、各樹脂基板２０が、各リードフレーム１８のダイパッド１０上になるように位置合せをする。これにより、複数の樹脂基板２０をダイパッド１０上に同時に配置することができる。
各樹脂基板２０の開口部２８内のダイパッド１０上に、導電性接着剤２６を挟んで、半導体チップ２２を配置する（ステップＳ１６）。その後、導電性接着剤２６を熱硬化させる（ステップＳ１８）。これにより、各樹脂基板２０と各半導体チップ２２とが、ダイパッド１０の上面に固定される。
半導体チップ２２と樹脂基板２０上に形成された入力配線３６及び出力配線３８との間、並びに、入力配線３６及び出力配線３８と入力端子１２及び出力端子１４との間を、第１ワイヤ４６ａ及び第２ワイヤ４６ｂを用いて、ワイヤボンディングする（ステップＳ２０）。樹脂基板２０、半導体チップ２２、第１ワイヤ４６ａ、及び第２ワイヤ４６ｂを封止する封止樹脂を充填し、熱硬化させる（ステップＳ２２）。これにより、樹脂基板２０、半導体チップ２２、第１ワイヤ４６ａ、及び第２ワイヤ４６ｂを封止する樹脂封止部２４が形成される。その後、半田めっきを行った後、ダイシングを行って、半導体装置１００を個片化する（ステップＳ２４）。このような工程を含んで、実施例１の半導体装置１００が形成される。
ここで、実施例１の半導体装置１００の効果を説明するにあたり、まず、比較例１の半導体装置について説明する。図６は、比較例１に係る半導体装置の断面図である。図６のように、樹脂基板６０上に、導電性接着剤６２によって、半導体チップ６４が実装されている。半導体チップ６４の上面に設けられたゲート電極パッド（不図示）は、ワイヤ７８によって、入力配線７０とチップ部品７２とに電気的に接続されている。チップ部品７２は、入力側のインピーダンス整合を行う整合回路を形成するためのチップ部品であり、例えば容量チップである。入力配線７０は、樹脂基板６０を貫通して設けられたビア配線７４を介して、樹脂基板６０の下面に設けられた入力端子７６に電気的に接続されている。
半導体チップ６４の上面に設けられたドレイン電極パッド（不図示）は、ワイヤ７８によって、出力配線８０とチップ部品８２とに電気的に接続されている。チップ部品８２は、出力側のインピーダンス整合を行う整合回路を形成するためのチップ部品であり、例えば容量チップである。出力配線８０は、樹脂基板６０を貫通して設けられたビア配線８４を介して、樹脂基板６０の下面に設けられた出力端子８６に電気的に接続されている。
半導体チップ６４下の樹脂基板６０には、半導体チップ６４で発生した熱を放熱させるためのビア金属９０が設けられている。ビア金属９０は、樹脂基板６０の下面に設けられた金属膜９２に接続されている。樹脂基板６０上には、半導体チップ６４等を封止する樹脂封止部９４が設けられている。
比較例１では、半導体チップ６４で発生した熱は、ビア金属９０を介して放熱されることになるため、熱抵抗が高くなり、良好な放熱性が得られない。また、入力端子７６及び出力端子８６は、樹脂基板６０の下面に設けられる。ビア金属９０に接続された金属膜９２も、樹脂基板６０の下面に設けられる。このため、樹脂基板６０の下面に、入力端子７６、出力端子８６、及び金属膜９２を形成するためのパターン形成工程が必要となるため、製造コストが増大してしまう。
一方、実施例１では、半導体チップ２２は、樹脂基板２０に設けられた開口部２８内のダイパッド１０上に実装されている。ダイパッド１０は、銅等の金属からなることから、優れた放熱性が得られる。また、ダイパッド１０、入力端子１２、及び出力端子１４はリードフレーム１８からなり、樹脂基板２０上に配置され、開口部２８を挟んで設けられた入力配線３６及び出力配線３８は、第２ワイヤ４６ｂによって入力端子１２及び出力端子１４に接続されている。このため、樹脂基板２０の下面に形成される金属膜４３をベタ膜とすることができ、比較例１のようなパターン形成が不要となるため、製造コストを削減することができる。
実施例１では、半導体チップ２２の前後に入力配線３６、及び出力配線３８がそれぞれ設けられている。半導体チップ２２に対して、入力配線３６及び出力配線３８は高い精度で位置あわせされる必要がある。つまり、半導体チップ２２に対して、入力整合回路および出力整合回路は、高い精度で位置あわせされる必要がある。入力整合回路や出力整合回路は、半導体チップと別部品であるので、これらを個別に用意した場合には、それぞれの位置あわせ精度が加算されることから、その相対的な位置精度のばらつきが大きくなる。また、入力整合回路と出力整合回路を一体に形成すると、これらを構成する基板には、半導体チップ２２を収容する開口部を設ける必要がある。ところで、整合回路部品を構成するために一般に用いられる材料はセラミックスである。しかしながら、上記のように入力整合回路および出力整合回路を一体化したうえ、さらに開口部を設けると、セラミックスの割れや欠けが生じやすい。いっぽう、実施例１ではこの基板材料として樹脂を採用している。樹脂で基板を構成すれば、モールド型を利用した整形が可能になり、その形状の自由度が向上する。実施例１では、以上の構成を採用することにより、半導体チップ２２と入力整合回路及び出力整合回路の位置関係が高精度に規定できるとともに、基板を容易に構成することができる効果を有している。
樹脂基板２０を用いて、整合回路のキャパシタを形成する場合には、チップ部品によって形成することが好ましい。そこで、樹脂基板２０を貫通するビア配線４２を形成し、ビア配線４２を通じて、樹脂基板２０の上面の金属（基準電位配線４０）と下面の金属（金属膜４３）とが電気的に接続される構成とする。これにより、図１のように、樹脂基板２０上に、基準電位配線４０と入力配線３６との間に接続されたキャパシタであるチップ部品４４を搭載することができる。以上により、樹脂基板２０上に、半導体チップ２２の入力側のインピーダンス整合を行う整合回路を形成することができる。
図７は、実施例２に係る半導体装置の上面図である。実施例１の半導体装置１００では、図１のように、樹脂基板２０は、中央部分に開口部２８が設けられたＯ字型形状をしている。一方、実施例２の半導体装置２００では、図７のように、樹脂基板２０ａは、第１方向（図６では左右方向）に延在する一対の第１領域５０と、第１方向に交差する第２方向（図６では上下方向）に延在し、一対の第１領域５０の端部に接続する第２領域５２と、で形成されたＵ字型形状をしている。半導体チップ２２は、一対の第１領域５０の間でダイパッド１０上に実装されている。この形状にすることで、半導体チップ２２がダイパッド１０上に実装された状態を、樹脂基板２０ａがＵ字型形状の開放されている方向から検査（目視検査）することができる。その他の構成は、実施例１の図１と同じであるため説明を省略する。
実施例２のように、樹脂基板２０ａは、第１方向に延在する一対の第１領域５０と第２方向に延在し、一対の第１領域５０の端部に接続する第２領域５２とで形成される場合でもよい。つまり、樹脂基板２０ａは、片側が開放されたＵ字型である場合でもよい。この場合でも、半導体チップ２２は、一対の第１領域５０の間でダイパッド１０上に実装されることができるため、優れた放熱性が得られる。
実施例１及び実施例２のように、ダイパッド１０上に実装される樹脂基板は、１つからなる場合が好ましいが、２つ以上に分かれている場合でもよい。樹脂基板が１つからなる構成とすることで、製造を容易にすることができる。また、キャパシタであるチップ部品は、基準電位配線と入力配線との間に接続される場合に限らず、基準電位配線と出力配線との間に接続されていてもよい。つまり、樹脂基板に、キャパシタであるチップ部品によって、半導体チップ２２の出力側のインピーダンス整合を行う整合回路が形成されていてもよい。このように、チップ部品は、基準電位配線と入力配線との間及び基準電位配線と出力配線との間の少なくとも一方に接続されていてもよい。即ち、樹脂基板は、半導体チップ２２の入力及び出力の少なくとも一方のインピーダンス整合を行う整合回路を有していてもよい。
樹脂基板は、単層の場合に限らず、多層からなる場合でもよい。樹脂基板が多層からなる場合、テフロン（登録商標）等の高周波損失の小さい材料からなる上層とガラスエポキシ等の安価な材料からなる下層とからなる多層基板のように、異なる材料からなる層を有する多層基板としてもよい。また、半導体チップ２２のドレイン電極を半導体チップ２２の出力端子としたが、ゲート電極又はソース電極を出力端子としてもよい。さらに、半導体チップ２２は、窒化物半導体を用いたＨＥＭＴの場合に限らず、窒化物半導体又はＧａＡｓ系半導体を用いた電界効果トランジスタチップの場合でもよいし、電界効果トランジスタチップ以外の場合でもよい。窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタチップは、高周波及び高出力で動作されることから、発熱量が大きい。したがって、半導体チップ２２が窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタチップである場合に、本発明を適用することが好ましい。
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
１２ 入力端子
１４ 出力端子
１６ 基準電位端子
１８ リードフレーム
２０、２０ａ 樹脂基板
２２ 半導体チップ
２４ 樹脂封止部
２８ 開口部
３６ 入力配線
３８ 出力配線
４０ 基準電位配線
４２ ビア配線
４３ 金属膜
４４ チップ部品
４６ａ 第１ワイヤ
４６ｂ 第２ワイヤ
５０ 第１領域
５２ 第２領域
１００、２００ 半導体装置

Claims (2)

  1. ダイパッド、入力端子、及び出力端子と、
    前記ダイパッド上に実装され、片側が開放されたＵ字型であり、前記ダイパッドの表面を露出する開口部を有する樹脂基板と、
    前記開口部内の前記ダイパッド上に実装された半導体チップと、
    前記樹脂基板上に配置され、前記開口部を挟んで設けられた入力整合回路及び出力整合回路と、
    前記半導体チップと前記入力整合回路、前記出力整合回路それぞれとを電気的に接続させる第１接続部と、
    前記入力端子及び前記出力端子それぞれを前記入力整合回路、前記出力整合回路に電気的に接続させる第２接続部と、を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記樹脂基板には、これを貫通して設けられたビア配線が設けられてなり、前記ビア配線を通じて、前記樹脂基板の上面の金属と下面の金属とが電気的に接続されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
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