JP6527666B2 - ハイパワー半導体素子用パッケージ - Google Patents
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Description
本発明の実施の形態は、小型電子素子に関し、特に、ハイパワー半導体素子用のパッケージを含む小型電子素子に関する。
現状の技術において、高いパワー密度を持つ素子への要求が高まっている。例えば、マイクロ波素子やミリ波素子のような素子に対する要求は、より厳しいものになっている。このような要求に適合するためには、窒化ガリウムの技術を用いることで好ましい結果となる。しかしながら、窒化ガリウムに関連した高いパワー密度に伴う熱出力が問題となる。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ハイパワー半導体素子用のパッケージを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の方法は、半導体材料の上に第１の熱発散層を設ける工程と、金属媒体の上に第２の熱発散層を設ける工程と、第１の熱発散層または第２の熱発散層の上に接着剤を設ける工程と、接着剤を設ける工程の後、第１の熱発散層と第２の熱発散層を結合する工程と、を備える。
本発明の別の態様は、装置である。この装置は、金属媒体と、金属媒体に結合される第１の熱発散層と、接着剤により第１の熱発散層に結合される第２の熱発散層と、を備える。第１の熱発散層および第２の熱発散層は、同じ材料で構成され、ダイは、第２の熱発散層に結合される。
本発明のさらに別の態様は、システムである。このシステムは、無線周波数信号を送信または受信するように構成される無線周波数（ＲＦ）フロントエンドと、ＲＦフロントエンドに接続され、ＲＦフロントエンドに電力供給する電源と、パワー増幅のためにＲＦフロントエンド内に設けられ、または、パワーマネジメントのために電源内に設けられる、窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）と、を備える。ＧａＮ−ＨＥＭＴは、ＧａＮのダイと、ＧａＮのダイに結合される複数の熱発散層と、複数の熱発散層のそれぞれの間を結合する接着層と、複数の熱発散層に結合される金属媒体と、を有する。
本発明によれば、ハイパワー半導体素子用のパッケージが提供される。
本発明の実施の形態は、添付の図面とともに、以下に詳細に示される記載により容易に理解されよう。この記載を助けるため、同様の構成要素には同様の符号を付す。本発明の実施の形態は、例示を目的として示され、添付の図面に示される形態に限定されることを目的としない。
以下の詳細な記載において、添付の図面には各構成要素を示す符号が付され、同様な構成要素には一貫して同様の符号が付される。図面には、例示を目的として、本発明が実現されうる実施の形態が示される。本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、他の実施の形態が利用され、構造上または理論上の変更がなされうることは理解されるべきである。したがって、以下の詳細な記載は、限定的な意味で捉えられるものではなく、本発明に係る実施の形態の範囲は、添付の請求項及びそれと同等のものにより規定される。
種々の工程は、本発明の実施の形態の理解を助けるように、複数に分離した工程として記載されうる。しかし、記載の順序は、これらの工程が順序依存であることを示すように解釈されるべきではない。さらに、いくつかの実施の形態では、記載される工程より多くの又はより少ない工程を含みうる。
本記載において、「一の実施の形態において」「実施の形態において」または「種々の実施の形態において」の語を使用するかもしれないが、これらは、一または一以上の同一または異なる実施の形態を示しうる。さらに、「備える」「含む」「有する」の語およびそれに類する語は、本発明の実施の形態に関して用いる際に、同じ意味を持つ。
本発明の適用上、「ＡまたはＢ」の語は、（Ａ）、（Ｂ）または（ＡおよびＢ）を意味する。
本発明の種々の実施の形態は、ハイパワー半導体素子のパッケージを形成するための方法および装置に関する。具体的には、いくつかの実施の形態において、パッケージは、ダイと金属媒体との間に配置された複数の別個の熱発散層（thermal spreader layer) を含むものとされる。従来技術として知られる種々の方法と比べて、これらの実施の形態は、ダイとヒートシンクの間の熱抵抗を減少させうる。これらの実施の形態は、比較的高いパワー密度を有するダイの領域に関連した局所的なホットスポットの存在または重大性を、追加的または代替的に減少させうる。
図１は、いくつかの実施の形態に係るパッケージ１００を示す。パッケージ１００は、熱発散層１０８に結合されるダイ１０４を含んでもよい。熱発散層１０８は、接着剤１１６により熱発散層１１２に結合されてもよい。熱発散層１１２は、さらに、金属媒体１２０に結合されてもよい。
ダイ１０４は、窒化ガリウム（ＧａＮ）のような半導体材料で構成されてもよい。ＧａＮは、他の半導体材料と比べて高いバンドギャップを有し、その結果、比較的高い電圧で動作し、比較的高いパワー密度を実現しうる。ＧａＮダイを用いた素子、例えば、ＧａＮの高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）素子は、パワーマネジメントや、パワー増幅、他のハイパワー用途に使用されうる。これらのハイパワー用途に用いられる、これらのＧａＮダイから供給される熱エネルギーを効果的に管理することにより、素子の性能および寿命が向上しうる。実施の形態では、ダイ１０４をＧａＮダイとして記述するが、他の実施の形態に係るダイは、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）もしくはシリコン（Ｓｉ）、またはこれらに限定されない他の半導体材料を含んでもよい。
技術的な理解を容易にするために、図１に示される構造は、原寸に比例していない。いくつかの実施の形態において、パッケージ１００の構成要素の厚さは、以下に示す値であってもよい。ダイ１０４は、約１−５μｍの厚さであり、熱発散層１０８は、約２５−５００μｍの厚さであり、熱発散層１１２は、約２５−５００μｍの厚さであり、金属媒体１２０は、１００−２０００μｍの厚さであってもよい。
熱発散層は、動作中のダイ１０４から供給される熱エネルギーの急速な発散を促すために、熱伝導率の高い材料で構成されてもよい。適した高熱伝導率を有する材料は、ダイヤモンド（熱伝導率は約７００−２０００［Ｗ／ｍ・Ｋ］）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ；熱伝導率は約３００［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下）、多結晶の窒化シリコン（ｐｏｌｙ−ＳｉＣ；熱伝導率は約３００［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上）、カーボンナノファイバ（熱伝導率は８００−２０００［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上）などである。
接着剤１１６は、金錫（Ａｕ−Ｓｎ）、金ゲルマニウム（Ａｕ−Ｇｅ）、金シリコン（Ａｕ−Ｓｉ）などの共晶合金や、焼結性の銀（Ａｇ）、焼結性の銅（Ｃｕ）、エポキシや、これらに限られない熱伝導性の接着剤であってもよい。熱発散層および接着剤１１６は、低熱抵抗のチャネルを実現して、ダイ１０４に例示される熱源から金属媒体１２０に例示されるヒートシンクへ熱エネルギーを急速に移送してもよい。
金属媒体１２０は、吸収した熱エネルギーを蓄積し徐々に放散させるのに十分な体積および熱容量を有する熱伝導性の材料であってもよい。種々の実施の形態において、金属媒体１２０は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）、銅タングステン（Ｃｕ−Ｗ）、アルミニウム炭化シリコン（ＡｌＳｉＣ）などや、これに限られない金属または金属の合金を含んでもよい。
上述した二層の熱発散体を用いることにより、後述される数多くの製造時の効率性および様々な動作時の効率性が得られる。例えば、熱発散体と、金属媒体１２０に例示されるヒートシンクとが近接することで、ダイ１０４の半導体素子チャネルから不必要な熱を効果的に除去できるようになるかもしれない。パッケージ１００の構造は、ダイ１０４から金属媒体１２０までのチャネル全体としての熱抵抗を低減するように作用するかもしれないし、ダイ１０４におけるホットスポット発生のリスクを低減するように作用するかもしれない。
実施の形態では、二つの熱発散層を用いる場合を示したが、他の実施の形態においては追加的な熱発散層を含んでもよい。接着層は、異なる熱発散層の間に配置されてもよい。
具体的に示していないが、パッケージ１００は、ワイヤーボンディングおよびルーティングのため、さらにパッケージ化されてもよいし、マザーボード、ドーターボード、アプリケーションボードなどのプリント回路基板上に直接取り付けられてもよい。
図２は、いくつかの実施の形態に係るパッケージ（例えば、パッケージ１００）の製造工程２００を示すフローチャートである。図３は、いくつかの実施の形態に係る製造工程２００に対応する図である。ブロック２０４および図３（ａ）において、製造工程２００は、半導体材料３０４の上に熱発散層３０８を設ける工程を含む。半導体材料３０４は、例えばＧａＮであってもよく、熱発散層３０８は、例えばダイヤモンドであってもよい。
ブロック２０４における工程は、半導体材料３０４の上に熱発散層３０８を形成する工程を含んでもよいし、それと上下が逆の工程を含んでもよい。ある層の上に別の層を形成する工程は、成長、堆積、カップリングなどの方法やこれらに限られない方法を含む、いかなる種類の形成工程を含んでもよい。いくつかの実施の形態において、この形成工程は、化学気相法（ＣＶＤ）による工程を含んでもよい。ＣＶＤによる工程は、特に、ダイヤモンドの熱発散層を形成する場合に有益でありうる。ＣＶＤにより形成されたダイヤモンドを含む熱発散層に係る実施の形態において、この熱発散層を「ＣＶＤダイヤモンド熱発散層」ともいう。
製造工程２００は、ブロック２０８および図３（ｂ）において、金属媒体３２０の上に熱発散層３１２を設ける工程をさらに含んでもよい。ブロック２０８における工程は、ブロック２０４における工程と同様であってもよいし、異なっていてもよい。例えば、ブロック２０８における工程は、金属媒体３２０の上に熱発散層３１２を形成する工程を含んでもよいし、それと上下が逆の工程を含んでもよい。
いくつかの実施の形態において、熱発散体の形成は、下に設けられる基板の特性に依存してもよい。例えば、半導体材料３０４の上に設けられる熱発散層３０８の形成は、金属媒体３２０の上に設けられる熱発散層３１２の形成と異なっていてもよい。半導体材料３０４と金属媒体３２０の特性が異なるためである。このようにして、二つの形成工程は、独立して改善されうる。
製造工程２００は、ブロック２１２および図３（ｃ）において、熱発散層３０８または熱発散層３１２の上に接着層３１６を設ける工程をさらに含んでもよい。図３（ｃ）において、接着層３１６は、熱発散層３１２の上に示される。しかしながら、他の実施の形態において、接着層３１６は、代替的または追加的な場所、例えば、熱発散層３０８の上に設けられてもよい。
製造工程２００は、ブロック２１６および図３（ｄ）において、熱発散層３０８（及び、これに接して配置される半導体材料）を熱発散層３１２(及び、これに接して配置される金属媒体)を結合する工程をさらに含んでもよい。ブロック２１６における工程は、熱発散層３０８を接着層３１６および熱発散層３１２に接触させて配置し、接着層３１６を硬化させる工程を含んでもよい。接着層３１６を硬化させる工程において、適切な量の熱および／または圧力を加えてもよい。
製造工程２００は、ブロック２２０および図３（ｅ）において、ダイに個片化する工程をさらに含んでもよい。ブロック２２０におけるダイを個片化する工程は、機械的な切断（例えば、ソーイング、スクライブ、割断など）や、レーザソーイング、プラズマダイシング、プラズマおよび機械切断のハイブリッドダイシングなどにより行ってもよい。
図４は、いくつかの実施の形態に係るパッケージ（例えば、パッケージ１００）の製造工程２００を示すフローチャートである。図５は、いくつかの実施の形態に係る製造工程４００に対応する図である。製造工程４００は、別途説明する点を除いて、製造工程２００と同様であってもよい。
ブロック４０４および図５（ａ）において、製造工程４００は、ＧａＮウェハなどの半導体材料５０４の上に熱発散層５０８を設ける工程を含んでもよい。
製造工程４００は、ブロック４０８および図５（ｂ）において、ダイ５０２（ａ）、５０２（ｂ）に個片化する工程をさらに含んでもよい。ダイ５０２（ａ）は、半導体片５０４（ａ）と、熱発散片５０８（ａ）を含んでもよい。同様に、ダイ５０２（ｂ）は、半導体片５０４（ｂ）と、熱発散片５０８（ｂ）を含んでもよい。
製造工程４００は、ブロック４１２および図５（ｃ）において、金属媒体５２０の上に熱発散層５１２を設ける工程をさらに含んでもよい。
製造工程４００は、ブロック４１６および図５（ｄ）において、熱発散層５１２の上に接着層５１６を設ける工程をさらに含んでもよい。いくつかの実施の形態において、接着層５１６は、熱発散層５１２の上に、接着部５１６（ａ）、５１６（ｂ）を含むパターンとして設けられてもよい。いくつかの実施の形態において、接着層５１６は、スクリーン版やマスクを用いてパターン化されてもよい。
製造工程４００は、ブロック４２０および図５（ｅ）において、ダイ５０２と熱発散層５１２（及び、これに接して配置される金属媒体）を結合する工程をさらに含んでもよい。この工程は、ダイ５０２を適切な接着部の上に配置するピック−アンド−プレース（pick‐and‐place）工程を含んでもよい。その後、接着部は、ダイ５０２を熱発散層５１２にしっかりと結合させるため、熱硬化されてもよい。
製造工程４００は、ブロック４２４および図５（ｆ）において、個片化されたダイを分離する工程をさらに含んでもよい。ブロック４２４において個片化されたダイを分離する工程は、ブロック４０８におけるダイの個片化処理の工程と同様であってもよい。しかしながら、この分離工程は、実際のところ精度が低くてもよく、より安価で高速な分離処理の使用が許されるかもしれない。
このダイベースの製造工程４００は、ウェハベースの製造工程２００と比べて追加的な分離工程を必要とするが、より高い歩留まりにつながるかもしれない。製造工程４００における高い歩留まりは、特定の動作基準を全体として満たすウェハではなく、ダイのみが特定の動作基準を満たせば、先の処理がなされてもよいという事実によるかもしれない。
ここで示したパッケージは、具体的には、マイクロ波および／またはミリ波の周波数に例示される様々な周波数におけるパワーマネジメントやパワー増幅のための無線周波数（ＲＦ）システムに組み込まれる、ＧａＮ−ＨＥＭＴに適しているかもしれない。図６は、種々の実施の形態に係るＲＦシステム６００を示すブロック図である。ＲＦシステム６００は、ＲＦ信号の送信または受信を実現する様々な構成要素を含むＲＦフロントエンド６０４を有する無線通信装置であってもよい。この構成要素は、アンテナスイッチモジュール、送信機、受信機、増幅器、変換器、フィルタなどや、これらに限定されれない要素を含んでもよい。
ＲＦフロントエンド６０４に加えて、ＲＦシステム６００は、少なくとも図示されるように互いに接続される、アンテナ６１６、送受信機６２０、プロセッサ６２４、メモリ６２８を有してもよい。ＲＦシステム６００は、適切な電源供給のために、一以上の他の構成要素に接続される電源６３２をさらに含んでもよい。種々の実施の形態において、本開示に係るパッケージを持つＧａＮ−ＨＥＭＴ（または、他の素子）は、電源６３２におけるパワーマネジメントの用途や、ＲＦフロントエンド６０４におけるパワー増幅の用途や、その他の用途に用いることができる。
プロセッサ６２４は、無線通信装置６００の全体的な動作を制御するために、メモリ６２８に保存される基本的なＯＳ（operating system）プログラムを実行してもよい。例えば、プロセッサ６２４は、送受信機９２０による信号の受信および送信を制御してもよい。プロセッサ６２４は、メモリ６２８に常駐する他のプロセスやプログラムを実行する能力を有してもよく、実行するプロセスの要求に応じて、データをメモリ６２８に移動したり、メモリ６２８から取り出したりしてもよい。
送受信機６２０は、送信用データ（例えば、音声データ、ウェブデータ、Ｅメール、通信用データなど）をプロセッサ６２４から取得し、出力用データを意味するＲＦ信号を生成し、ＲＦ入力信号をＲＦフロントエンド６０４に供給してもよい。逆に、送受信機６２０は、ＲＦフロントエンド６０４から受信用データを意味するＲＦ信号を受信してもよい。送受信機６２０は、ＲＦ信号を処理し、受信した信号をさらなる処理のためにプロセッサ６２４に送信してもよい。
ＲＦフロントエンド６０４は、種々のフロントエンド機能を提供してもよい。このフロントエンド機能は、スイッチング、増幅、フィルタ、変換などの機能を含むが、これらに限定されない。
種々の実施の形態において、アンテナ６１６は、ダイポールアンテナ、モノポールアンテナ、パッチアンテナ、ループアンテナ、マイクロストライプアンテナ、その他、ＲＦ信号の送信および／または受信に適した、いかなる種類のアンテナを含む、一以上の方向性および／または無指向性のアンテナを有してもよい。
種々の実施の形態において、無線通信装置６００は、携帯電話、ページング装置、パーソナルデジタルアシスタント、テキストメッセンジャー装置、ポータブルコンピュータ、デスクトップコンピュータ、基地局、加入者局、アクセスポイント、レーダー、衛星通信装置、その他無線によりＲＦ信号を送受信可能な、いかなる装置であってもよいが、これらに限定されるものではない。
当業者であれば、ＲＦシステム６００が例示として示されており、簡潔性および明確性のため、ＲＦシステム６００の大半の構成および動作が、実施の形態の理解のために必要とされる程度に示され、記載されていることが認識されるであろう。種々の実施の形態は、ＲＦシステム６００に関連し、具体的なニーズに従う適切な目的を実行する、いかなる適切な要素または要素の結合を考慮する。さらに言えば、ＲＦシステム６００は、具体的に実施されうる種類の装置に限定されるように解釈すべきではないことが理解されよう。
特定の実施の形態は、好ましい実施の形態を示す目的で例示され、ここに記載されたが、本開示の範囲を逸脱しない限りにおいて、同様の目的を実現すると考えられるさまざまな代替的および／または等価な実施の形態により、上述した特定の実施の形態が置換されてもよいことは、当業者によって理解されるであろう。当業者であれば、本開示によって示された内容が、様々な実施の形態として実施されてもよいことは、すぐに理解されるであろう。本明細書は、ここで示した実施の形態のいかなる変形例をもカバーすることを意図する。したがって、本発明に係る実施の形態は、本明細書に係る請求項またはそれと同等の記載にのみ限定されないことが明白に意図される。
１００…パッケージ、１０４…ダイ、１０８，１１２…熱発散層、１１６…接着剤、１２０…金属媒体、３０４…半導体材料、３０８，３１２…熱発散層、３１６…接着層、３２０…金属媒体、５０２…ダイ、５０４…半導体材料、５０８，５１２…熱発散層、５１６…接着層、５２０…金属媒体、６００…ＲＦシステム、６０４…ＲＦフロントエンド、６３２…電源。
Claims (5)
- 金属媒体と、
前記金属媒体に結合される第１の熱発散層と、
接着剤により前記第１の熱発散層に結合される第２の熱発散層であって、前記第１の熱発散層および前記第２の熱発散層が化学気相法で形成されるダイヤモンドで構成され、前記接着剤が焼結性の銀または焼結性の銅である第２の熱発散層と、
前記第２の熱発散層に結合されるダイと、を備える装置。 - 前記ダイは、窒化ガリウム（ＧａＮ）のダイである、請求項１に記載の装置。
- 前記金属媒体は、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）を備える、請求項１または２に記載の装置。
- 前記第１の熱発散層は、２５μｍから５００μｍの間の厚さを有し、
前記第２の熱発散層は、２５μｍから５００μｍの間の厚さを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。 - 無線周波数信号を送信または受信するように構成される無線周波数（ＲＦ）フロントエンドと、
前記ＲＦフロントエンドに接続され、前記ＲＦフロントエンドに電力供給する電源と、
パワー増幅のために前記ＲＦフロントエンド内に設けられ、または、パワーマネジメントのために前記電源内に設けられる、窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）と、を備え、
前記ＧａＮ−ＨＥＭＴは、
金属媒体と、
前記金属媒体に結合される第１の熱発散層と、
接着剤により前記第１の熱発散層に結合される第２の熱発散層であって、前記第１の熱発散層および前記第２の熱発散層が化学気相法で形成されるダイヤモンドで構成され、前記接着剤が焼結性の銀または焼結性の銅である第２の熱発散層と、
前記第２の熱発散層に結合されるＧａＮのダイと、を有するシステム。
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