JP7457747B2 - パッケージ用放熱構造体 - Google Patents

Description

本開示は電子パッケージング用放熱構造体及びその放熱構造体を含むチップに関する。

電気通信産業では、電気デバイスの高いデータ転送レート及び広い帯域幅が求められる。大電力増幅器は、携帯電話、タブレット、Ｗｉ－Ｆｉベースステーション、ブルートゥース（登録商標）及びブロードバンドアプリケーション及び衛星通信といったブロードバンドアプリケーション用電子製品において、必須の要素である。現在では一般的に、大電力増幅器は、ＲＦ信号を発生させるダイ、ダイを支持するキャリア、ＲＦ信号を伝達し又はダイに電力供給するための金属電極を備えるモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）設計内にパッケージされる。

電気製品の小型化及び多機能化の進展に伴い、大電力増幅器におけるダイの放熱はこの技術分野の問題の一つである。一般的に言えば、前述のダイを支持するキャリアは、高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）で構成されており、良好な熱効率を提供する。しかしＨＴＣＣは、高周波数信号伝達のアプリケーションにおいて周波数ドリフトする傾向があり、それはＲＦ信号伝達ロスを導く。通常、ＨＴＣＣは高温（１６００℃以上）での同時焼成のために、電極として高融点のタングステンを含むが、タングステンは高周波数信号に対し高いインピーダンスを有する。対照的に、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）はゼロに近い共鳴温度係数を有し、それゆえにＲＦ信号伝達に影響しないが、ＬＴＣＣによる放熱はＨＴＣＣによるものより効率が良くない。

ＬＴＣＣキャリアによる乏しい放熱効率の問題に取り組むために、一つの解決策は、キャリア上に数個の穴を形成させ、前記穴を金属で満たし放熱用のバイアスとすることであったが、熱分布が一様でないために効果的でなかった。したがって、高周波数通信における良好な熱効率及びＲＦ信号伝達ロス減少の要求は、この技術分野における挑戦である。

本開示では、チップ内のパッケージ用放熱構造体を提供する、そしてその放熱構造体は非効率的な放熱及び重大な信号伝達ロスの問題を解決する。

本開示の一実施形態は、フレームと放熱キャリアを含むパッケージ用の放熱構造体を提供する。フレームはセラミックのボディを含む。放熱キャリアはフレームのセラミックボディに取り付けられる。放熱キャリアはセラミック材料で構成され、放熱キャリアの熱伝導率は、セラミックボディの熱伝導率の１０倍又はそれ以上である。

本開示の他の実施形態は、前記放熱構造体を含むチップ、及び放熱キャリア上に支持されたダイを提供する。

本開示に関して、パッケージ用の放熱構造体は、信号特性における影響が低いセラミックボディ及び電気的に絶縁されかつ高い熱伝導率を有する放熱キャリアを有する。放熱キャリアは信号を出力するダイを携えることができ、ダイにより発生した熱は放熱キャリアにより放熱されることができる。それゆえ、放熱構造体において、高い熱伝導率を有する放熱キャリアは良好な放熱効率を有し、セラミックボディは過度の反射損失とともに挿入損失を防ぎ、それにより良好な放熱効率及び信号伝達ロス減少の要求を同時に満たす。

本開示の一実施形態に係るパッケージの放熱構造体の斜視図である。 図１の放熱構造体の別の斜視図である。 図１の放熱構造体の断面図である。 図１の放熱構造体を含むチップの概略図である。 ヒートシンクの上に載せられた図４のチップの概略図である。 図４のチップの挿入損失を示す。 図４のチップの反射損失を示す。

以下の詳細な説明において、説明の目的で、開示された実施形態の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細が述べられている。しかしながら、一つ以上の実施形態がこれらの特定の詳細なしで実施され得ることは明らかである。他の例において、よく知られた構造や装置は図を簡単にするために概略的に示されている。

図１及び図２を参照されたい。図１は本開示の一実施形態に係るパッケージ用放熱構造体の斜視図である。図２は図１の放熱構造体の別の斜視図である。この実施形態において、パッケージ用放熱構造体１はフレーム１０及び放熱キャリア２０を含む。

フレーム１０はセラミックボディ１１０を含み、放熱キャリア２０はセラミックボディ１１０に取り付けられている。放熱キャリア２０はセラミック材料で構成され、放熱キャリア２０の熱伝導率はセラミックボディ１１０の１０倍又はそれ以上である。放熱キャリア２０は１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有してよい。

フレーム１０のセラミックボディ１１０は低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）を含み、放熱キャリア２０は高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）を含む。ＨＴＣＣ放熱キャリア２０は、セラミックボディ１１０よりも高い前述の熱伝導率を満たすことができる窒化アルミニウム及び酸化アルミニウムのような熱伝導性材料で構成することができ、放熱構造体の放熱効率を増加させる。いくつかの他の実施形態においては、放熱キャリアは、窒化アルミニウムシート及び酸化アルミニウムシートのような良好な熱伝導率を有する金属シートでよい。

図３は、図１の放熱構造体の断面図である。この実施形態においては、フレーム１０はさらにセラミックボディ１１０上に配列した電極１２０を含み、そして電極１２０の少なくとも一部はセラミックボディ１１０内に固定されている。具体的には、電極１２０は第一部位１２１、第二部位１２２及び第三部位１２３を含み、それらは互いに接続している。第一部位１２１はセラミックボディ１１０内に固定され、第二部位１２２及び第三部位１２３は外側に露出している。より具体的には、第二部位１２２及び第三部位１２３は、それぞれセラミックボディ１１０の反対側表面に位置する。第二部位１２２はセラミックボディ１１０の上面１１１に位置し、溶接点となる。第三部位１２３はセラミックボディ１１０の上面１１１に位置し、電気接合用のピンとなる。図１及び図２は並列する電極１２０を含むフレーム１０を例示しているが、本開示が電極１２０の数を限定するものでないことに留意されたい。

この実施形態において、セラミックボディ１１０は電極１２０と同時焼成され、フレーム１０を形成する。具体的には、フレーム１０の製作工程において、ＬＴＣＣを含む未焼成のセラミックボディ１１０は低い融点、低い電気抵抗及び低いインピーダンスを有する金属とともに同時焼成される。例えば、セラミックボディ１１０は銀と同時焼成され、電極１２０は銀電極であることができる。

この実施形態において、フレーム１０のセラミックボディ１１０は、放熱キャリア２０と結合する。具体的には、放熱キャリア２０は、セラミックボディ１１０と放熱キャリア２０を同時焼成することにより、セラミックボディ１１０へ取り付けられる。セラミックボディ１１０はＬＴＣＣを含む場合にはガラス成分を含んでよい。放熱構造体１の製作において、同時焼成工程の前に、放熱キャリア２０はＬＴＣＣを含む半仕上げのセラミックボディ１１０の開口部に配置される。セラミックボディ１１０の同時焼成工程においてセラミックボディ１１０は熱収縮し、放熱キャリア２０と締まり嵌めが達成され、そして溶融又は軟化ガラス成分が放熱キャリア２０に対し接着される。それゆえ、セラミックボディ１１０と放熱キャリア２０との間の接合には、放熱グリス又はエポキシ樹脂のような接着剤は必要なく、放熱構造体１の製作を簡略化する助けとなる。

図４は、図１の放熱構造体を含むチップの概略図である。チップ２はＲＦ ＩＣチップであってよく、ダイ３はＲＦ信号を発生させるためのダイであってよく、ダイ３は放熱キャリア２０上に支持されてよい。ダイ３はワイヤ接合により電極１２０の第二部位１２２と電気的に接合されてよい。この実施形態において、電極１２０の部分は高周波信号伝達用に構成され、ダイ３より発生するＲＦ信号を第三部位１２３と電気的に結合している外部回路に伝達する。電極１２０の他の部分は、第三部位１２３と電気的に結合した外部電源からダイ３に電力を供給するように構成される。さらにフレーム１０のセラミックボディ１１０はキャップ１１３を含んでよく、ダイ３を封止するように構成される、しかし本開示ではそれらに限定されない。キャップ１１３はＬＴＣＣを含んでもよく、かつセラミックボディ１１０と一体でよく、又はその代わりにセラミックボディ１１０と接着した非金属シートであってよい。図４において、放熱キャリア２０の底面は、セラミックボディ１１０の底面と同一平面上にある。

図５は、ヒートシンクの上に載せられた図４のチップの概略図である。放熱構造体１は、銅板のようなヒートシンク４上に載せられてよく、放熱キャリア２０がヒートシンク４と熱的に接触する。ダイ３により発生する熱は、放熱キャリア２０を通りヒートシンク４へ移される。

図６は、図４のチップの挿入損失を示す。２０ＧＨｚを超える周波数における信号伝達のアプリケーションにおいて、放熱構造体１を含むチップ２の挿入損失は０ｄＢから－０．４ｄＢである。ほかにも４０ＧＨｚをも超える周波数における信号伝達のアプリケーションにおいて、チップ２の挿入損失は約－０．３ｄＢにすぎないことが示される。図７は、図４におけるチップの反射損失を示す。２０ＧＨｚを超える周波数における信号伝達のアプリケーションにおいて、放熱構造体１を含むチップ２の反射損失は－２０ｄＢから－４０ｄＢである。ほかにも４０ＧＨｚをも超える周波数における信号伝達のアプリケーションにおいて、チップ２の反射損失は約－２３ｄＢにすぎないことが示される。

本開示によれば、パッケージ用の放熱構造体は、信号伝達特性に影響が低いセラミックボディ、及び電気的に絶縁され高い熱伝導率を有する放熱キャリアを有する。放熱キャリアは信号を出力するダイを携えることができ、ダイにより発生した熱は放熱キャリアにより放熱されることができる。それゆえ、放熱構造体において高い熱伝導率を有する放熱キャリアは良好な放熱効率を有し、前記セラミックボディは過度の反射損失とともに挿入損失を防ぎ、それにより良好な放熱効率及び信号伝達ロス減少の要求を同時に満たす。

さらに、セラミックボディはＬＴＣＣを含んでよく、低融点、低い電気抵抗及び低いインピーダンスを有する金属とともに同時焼成され、フレーム１０を形成できる。またＬＴＣＣを含むセラミックボディは、放熱キャリアと同時焼成されることができる。セラミックボディの同時焼成の工程において、セラミックボディは熱収縮し、放熱キャリアと締まり嵌めが達成される。さらにＬＴＣＣ中のガラス成分が加熱され、溶融又は軟化され、放熱キャリア対し接着されることができる。それゆえ、セラミックボディと放熱キャリア間の接合には追加の接着剤は必要なく、放熱構造体の製作を簡略化する助けとなる。

本開示に対して様々な修正及び変更を行うことができることは、当業者には明らかである。明細書及び例示は、例示的な実施形態としてのみ考慮され、本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって示される。

１ パッケージ用放熱構造体
２ チップ
３ ダイ
４ ヒートシンク
１０ フレーム
１１０ セラミックボディ
１１１ 上面
１１２ 底面
１１３ キャップ
１２０ 電極
１２１ 第一部位
１２２ 第二部位
１２３ 第三部位
２０ 放熱キャリア

Claims (7)

1. セラミックボディを含むフレームと、
   前記フレームのセラミックボディに取り付けられた放熱キャリアであって、前記放熱キャリアはセラミック材料で構成され、前記放熱キャリアの熱伝導率は前記セラミックボディの１０倍又はそれ以上である前記放熱キャリアと、
   を含み、
   前記放熱キャリアの底面は、前記セラミックボディの底面と同一平面上にあり、
   前記セラミックボディは低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）を含み、
   前記放熱キャリアは高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）を含む、
   パッケージ用放熱構造体。
2. 前記放熱キャリアが、窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムで構成される請求項１に記載のパッケージ用放熱構造体。
3. 前記フレームが、前記セラミックボディ上に配列した電極をさらに含み、前記電極の少なくとも一部は前記セラミックボディ内に固定される、請求項１に記載のパッケージ用放熱構造体。
4. 前記電極が、前記セラミックボディ内に固定された第一部位、及び外側に露出した第二部位を含み、前記第二部位は溶接点となる、請求項３に記載のパッケージ用放熱構造体。
5. 前記電極が銀で構成され、前記フレームは、前記セラミックボディと前記電極とを同時焼成して構成される、請求項３に記載のパッケージ用放熱構造体。
6. 前記放熱キャリアが、前記セラミックボディを前記放熱キャリアと同時焼成することにより前記セラミックボディに取り付けられる、請求項１に記載のパッケージ用放熱構造体。
7. 前記セラミックボディがガラス成分を含み、前記放熱キャリアが前記セラミックボディのガラス成分に接着される、請求項１に記載のパッケージ用放熱構造体。

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