JPH10116939A - 電力用トランジスタおよび電力増幅モジュール - Google Patents

電力用トランジスタおよび電力増幅モジュール

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JPH10116939A
JPH10116939A JP8268104A JP26810496A JPH10116939A JP H10116939 A JPH10116939 A JP H10116939A JP 8268104 A JP8268104 A JP 8268104A JP 26810496 A JP26810496 A JP 26810496A JP H10116939 A JPH10116939 A JP H10116939A
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power transistor
aluminum nitride
filler
transistor
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Morio Nakamura
守雄 中村
Toshimichi Ota
順道 太田
Masahiro Maeda
昌宏 前田
Shigeru Morimoto
森本　　滋
Kaoru Inoue
薫 井上
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低コストで放熱性の優れた電力用トランジス
タおよび電力増幅モジュールを提供する。 【解決手段】 トランジスタチップ８の上面に塗布され
た封止用樹脂７に熱伝導性の優れた窒化アルミニウムフ
ィラーを混合する。これにより封止用樹脂の熱伝導性を
高める。この構成によりトランジスタチップ８の表面で
発生した熱は金属ベースのパッケージ１１に拡散してい
くが、チップ８の下部からパッケージ１１へ直接拡散し
ていくだけでなく、熱伝導性の優れた封止用樹脂７を介
してチップ９の上部からも拡散していくため、トランジ
スタチップ８の放熱性を向上することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電力増幅用トランジ
スタ、および前記トランジスタとチップ部品を用いた高
周波電力増幅回路から構成される高周波電力増幅モジュ
ールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、携帯電話をはじめとする通信機器
の普及によりマイクロ波帯の電力増幅器への需要が高ま
っている。通信機に用いられる部品の中で電力増幅器は
最も電力消費量の多い部品であり、放熱性の向上が重要
になってくる。電力増幅器の構成としては、放熱性に優
れた電力増幅モジュールが一般に用いられている。
【０００３】電力増幅モジュールは一般に図1(a)に示す
ような構成となっている。マイクロストリップラインが
設けられたプリント基板2上に電力増幅用トランジスタ5
と抵抗やコンデンサのチップ部品4が実装されている。
放熱性を高めるために、プリント基板は金属の放熱板3
上に半田付けされるとともに、全体が金属キャップ1で
被われている構成が一般的である。この構成においてト
ランジスタチップ5は金属ベースのセラミックパッケー
ジに実装され、さらにパッケージ底面は基板に設けられ
た貫通穴を通して直接放熱板上に半田付けされる。
【０００４】図１(b)にトランジスタパッケージの拡大
図を示す。金属のベース11上にトランジスタチップ8が
ダイスボンドされ、トランジスタの各端子とパッケージ
はボンディングワイヤ9により接続されている。このボ
ンディングワイヤ9を保護し、トランジスタチップ8の信
頼性を確保するため、チップ8の表面は半導体封止用樹
脂7で封止されている。
【０００５】従来のパッケージでは信頼性を高めるため
高耐湿性等が重視され、封止材として一般にシリコン樹
脂系の材料が用いられている。しかし、この材料は熱伝
導性に乏しく、チップ8の表面で発熱した熱はチップ8の
下部からパッケージ11を通して下の放熱板3に放散して
いくのみである。さらに放熱性を改善するためには放熱
板への熱放散を改善する必要があり、そのためには基板
厚を薄くしたり、さらにチップ8の裏面にヒートシンク
を埋め込むような構成が用いられたりするが、コストの
増大や歩留まり低下が問題になってくる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】通信機器の小型化が進
み、部品の実装密度が上がるとさらに放熱性の改善が要
求される。しかし、従来の実装方法では、チップ裏面側
から放熱板への下方向の熱放散のみに依存しており、さ
らなる熱放散の改善は困難であった。
【０００７】本発明の目的は、これらの問題点に鑑み、
低コストで放熱性の優れた電力用トランジスタおよび電
力増幅モジュールを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、封止材に熱伝導性の優れた窒化アルミニウ
ム(AlN)のフィラーを混合することにより、封止材の熱
伝導性を高める。この高熱伝導性の封止材でチップ表面
を封止することにより、放熱板への下方向の熱放散だけ
でなく、熱の発生箇所であるチップ表面からの熱放散も
改善され、トランジスタの放熱性を向上させることがで
きる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）図１は第１の実施の形態の電力用トラ
ンジスタとそれを用いたモジュールを示すものである。
図1(a)はモジュールの構造、図1(b)はトランジスタのパ
ッケージの構造を示す。モジュールおよびパッケージの
構造は従来と同じである。本実施の形態の特徴は、封止
用樹脂7として従来のシリコン系の樹脂に加えて、窒化
アルミニウムのフィラーを混合している点にある。窒化
アルミニウムの熱伝導率は金属と同程度で非常に高い。
そのため、窒化アルミニウムを混合することにより封止
材の熱伝導率を高めることができ、チップ8の表面から
の熱放散を改善することができる。
【００１０】この構成の最大の利点は、封止材の改善を
行うのみで、その他の組立工程は変更が要らず、低コス
トかつ量産性に優れている点である。
【００１１】しかし信頼性を考慮すると、窒化アルミニ
ウムをそのまま使用した場合、窒化アルミニウムと水分
が反応して水酸化アルミニウムとアンモニアが生じ、熱
伝導率の低下や信頼性の低下が問題となる。そこで図1
(c)に示すように窒化アルミニウムの周囲をシリカ(SiO
2)でコーティングしたフィラーが用いられる。ここでさ
らに放熱特性を向上させるために以下のように工夫をす
る。
【００１２】シリカの熱伝導率が低いため、シリカで表
面をコーティングすることにより、窒化アルミニウムフ
ィラーの熱伝導率が低下する。窒化アルミニウムの熱伝
導率に比べて、一桁以上低下してしまう。粒子径が小さ
い程、この傾向は顕著になる。封止材の熱伝導率を大幅
に改善するためには、できるだけ高密度に窒化アルミニ
ウムフィラーを混入することが必要である。粒子径の小
さい方がより高密度に混合することができる。しかし、
上記したように粒子径が小さいと窒化アルミニウムフィ
ラー自体の熱伝導率が低下するため、窒化アルミニウム
フィラーを用いた効果も低減される。反対に粒子径が大
きいとフィラーの熱伝導率は高くなるが、間隙が大きく
なり、充填効率が低下してしまう。そこで図1(d)に示す
ように粒径の異なる複数のフィラーを組み合わせ、粒子
径の大きなフィラーの間隙に粒子径の小さいフィラーを
充填することにより、窒化アルミニウムの充填密度を高
め、封止材の放熱性を向上することができる。また、異
なる粒子径の窒化アルミニウムのフィラーを混合した複
数の高熱伝導性樹脂を用いて多層に封止することによっ
て、効率良く放熱性を改善することができる。
【００１３】また、窒化アルミニウムフィラーを高密度
かつ均一に充填するためには、もととなる封止用樹脂が
低粘度であることも重要である。また窒化アルミニウム
フィラーを混入すると粘度が高くなるため、封止盛り上
がり性を同じにするためにも低粘度の封止用樹脂に混合
することが必要である。封止材の粘度が高くなると、窒
化アルミニウムの混合が不均一になるばかりでなく、塗
布時にボイドが発生しやすく信頼性の低下につながる。
また低粘度の封止用樹脂を使用するだけでなく、窒化ア
ルミニウムフィラーを混合するときに樹脂の温度を若干
上昇させて粘度を下げることにより、均一かつ高密度に
充填することができる。さらにコーティング時に樹脂ま
たは基板の温度を若干上昇させて流動性を向上させるこ
とも、ボイドの発生防止に有効である。
【００１４】以上のように本実施の形態によれば、金属
ベースのパッケージに実装されたトランジスタのチップ
表面を窒化アルミニウムのフィラーを混合した高熱伝導
性樹脂で封止することにより、チップ表面からの熱放散
が改善され、トランジスタの放熱性を向上することがで
きる。
【００１５】（実施の形態２）図２は第２の実施の形態
の電力用トランジスタとそれを用いたモジュールを示す
ものである。図2(a)はモジュールの構造、図2(b)はトラ
ンジスタの実装部分の拡大図を示す。第１の実施の形態
と異なる点は、トランジスタがパッケージに実装されて
おらず、基板2上にベアチップ実装されている点であ
る。チップ8はボンディングワイヤ9により基板2と電気
的に接続され、表面が封止用樹脂7で封止されている点
は第１の実施の形態と同じである。小型化を重視した場
合、このようなマルチチップモジュールの構成が有効で
あるが、放熱性は基板2への熱放散に依存するため、放
熱性の良い窒化アルミニウム等のセラミック基板を用い
られる。本実施の形態ではヒートシンクとして金属ベー
スのパッケージを用いていないため、トランジスタの実
装は特に重要である。
【００１６】放熱性を向上させるためには、チップ8の
裏面から基板への熱放散だけでなく、チップ表面からの
熱放散を改善することが有効である。第１の実施の形態
と同様に本実施の形態においても、窒化アルミニウムフ
ィラーを混合した封止用樹脂7を用いることにより、チ
ップ表面からの熱放散を改善でき、トランジスタの放熱
性向上を図ることができる。
【００１７】また第１の実施の形態と同様に、粒子径の
異なる複数のフィラーを組み合わせたり、低粘度の封止
材に混合することにより、窒化アルミニウムの充填密度
を高めることができ、より効果を高めることができる。
【００１８】以上のように本実施の形態によれば、基板
上にベアチップ実装されたトランジスタのチップ表面を
窒化アルミニウムのフィラーを混合した高熱伝導性樹脂
で封止することにより、チップ表面からの熱放散が改善
され、トランジスタの放熱性を向上することができる。
【００１９】（実施の形態３）図３は第３の実施の形態
の電力用トランジスタとそれを用いたモジュールを示す
ものである。図3(a)はモジュールの構造、図3(b)はトラ
ンジスタの実装部分の拡大図を示す。トランジスタ8が
ベアチップ実装されている点は第２の実施の形態と同じ
であるが、基板2との接続はボンディングワイヤを用い
ず、チップ8がバンプ17を介して基板2にフェースダウン
で接続されるフリップチップ方式となっている。また第
2の実施の形態と同じく、基板２として放熱性の優れた
セラミックが用いられる。チップ8の表面と基板2の表面
の間には充填用樹脂16が充填されているが、チップから
の熱放散はこの充填用樹脂を介した熱伝導が最も支配的
である。そこで、充填用樹脂16に高熱伝導性の窒化アル
ミニウムのフィラーを混合することにより、充填用樹脂
の熱伝導性を高めることができ、チップから基板への放
熱性を改善することができる。本実施の形態において
は、熱の発生箇所であるチップ表面と放熱板となる基板
が向き合っており、この間に充填される樹脂の熱伝導性
を高めることはチップの放熱性向上において特に有効で
ある。
【００２０】さらに図3(c)に示すようにチップの上側も
封止用樹脂で封止することにより、さらに放熱性を改善
することができる。第1および第２の実施の形態と同じ
くチップ上側の封止用樹脂にも窒化アルミニウムのフィ
ラーを混合することにより、チップ上側からの熱放散を
増大させ、チップの放熱性を高めることができる。
【００２１】また第１の実施の形態と同様に、粒子径の
異なる複数のフィラーを組み合わせたり、低粘度の封止
材に混合することにより、窒化アルミニウムの充填密度
を高めることができ、より効果を高めることができる。
また、チップと基板の間の充填用樹脂とチップ上側の封
止用樹脂に混合する窒化アルミニウムの粒子径を異なる
ものを用いることにより、効率良く放熱性を改善するこ
とができる。たとえば、チップと基板の間隔が狭く窒化
アルミニウムフィラーの粒子径と近い場合は、充填用樹
脂に混合するフィラーの粒子径を小さくすることも放熱
性改善に有効である。
【００２２】以上のように本実施の形態によれば、基板
上にフリップチップ実装されたトランジスタのチップ表
面と基板との間に充填された樹脂に窒化アルミニウムの
フィラーを混合することにより、チップ表面から基板へ
の熱伝導が改善され、トランジスタの放熱性を向上する
ことができる。
【００２３】（実施の形態４）図４は第4の実施の形態
の電力用トランジスタである。図4(a)はトランジスタの
真性領域の一部を上面からみた図、図4(b)はその断面図
を示す。本実施の形態の特徴は、トランジスタチップ表
面の真性領域上のソース電極またはドレイン電極上の保
護膜の一部が開口されている点である。
【００２４】チャネル24で発生した熱は基板25の下方に
拡散していく他に、ソース電極18またはドレイン電極19
を介してチップ表面からも拡散していく。チップ表面か
らの放熱の経路としては、ソースまたはドレインの配線
を通り、ボンディングワイヤへと拡散していくもの、ま
たはチップ表面からチップを封止している封止用樹脂へ
拡散していくものがある。ボンディングワイヤを介して
の熱放散はワイヤの本数を増やすことにより向上する
が、ワイヤボンディングのピッチやチップサイズの制約
から大幅に改善することはできない。封止用樹脂へ拡散
していく熱放散についてはチップ表面の保護膜21を考慮
する必要がある。保護膜21としては、窒化珪素（SiN）
等が用いられているが、一般的にこのSiN等の保護膜の
熱伝導率は低い。そこで、チップ表面の電極上のSiN膜
の一部に開口部22を設け、第1から３の実施の形態で示
したように、窒化アルミニウムのフィラーを混合した高
熱伝導性樹脂を用いてチップを封止、または基板と接合
することにより、チップ表面からの熱放散が飛躍的に改
善される。熱伝導率の低いSiNを介さずに電極と高熱伝
導性樹脂が直接接触することにより、放熱性が向上する
ことになる。
【００２５】また第１の実施の形態と同様に、粒子径の
異なる複数のフィラーを組み合わせたり、低粘度の封止
材に混合することにより、窒化アルミニウムの充填密度
を高めることができ、より効果を高めることができる。
また保護膜の開口部のサイズが小さいため、粒子系の小
さいフィラーを混合した樹脂でチップ表面を封止し、さ
らにその上に粒子系の大きなフィラーを混合した樹脂を
塗布することも放熱性の改善に有効である。
【００２６】本実施の形態のトランジスタは、高周波用
の電力増幅器として一般的なGaAsのMESFETを用いて説明
したが、他の構造においても同様の効果が得られる。
【００２７】以上のように本実施の形態によれば、トラ
ンジスタチップの真性領域上のソースまたはドレイン電
極上の保護膜の一部を開口することにより、チップ表面
からの熱放散が飛躍的に改善され、トランジスタの放熱
性を向上することができる。
【００２８】(実施の形態５）図５は第５の実施の形態
の電力用トランジスタとそれを用いたモジュールを示す
ものである。図5(a)はキャップ装着前、図５(b)はキャ
ップ装着後のモジュールの構造を示す。モジュールおよ
びパッケージの構造は基本的に第１の実施の形態と同じ
であるが、トランジスタ5だけでなく、金属キャップ1に
も高熱伝導性の樹脂7が塗布されている点が本実施の形
態の特徴である。
【００２９】放熱性をさらに高めるためには、高熱伝導
性樹脂で封止されたパッケージの表面から空気中に放熱
するよりも、放熱板等に接合された状態の方が、熱伝導
性は優れている。そこで図5(a)に示すように、トランジ
スタ5に加えて金属キャップ1にも熱伝導性封止用樹脂7
を塗布し、キャップをヒートシンクに装着すれば、トラ
ンジスタ5から金属キャップ1への封止用樹脂を介した熱
伝導により放熱性は向上する。しかし、樹脂が硬化した
状態で金属キャップをヒートシンクに装着すると、ボン
ディングワイヤに圧力がかかり、信頼性上好ましくな
い。また、熱伝導性樹脂の量が少ないと圧力は低減され
るが、熱伝導を促進するための十分な接着が得られな
い。そこで以下の手順で組み立てを行なう。
【００３０】放熱板3上に基板2およびトランジスタ5を
実装するところまでは従来と同様に行い、次にキャップ
1上に高熱伝導性樹脂7を形成する。通常の封止用樹脂に
窒化アルミニウムフィラーを混入することにより樹脂の
粘度が高くなるため、金属キャップに塗布したときに図
5(a)に示すような盛り上がりが可能になる。この状態で
キャップをヒートシンクに装着後、熱硬化させることに
より、ボンディングワイヤに圧力をかけることなく図5
(b)に示すようにトランジスタパッケージと金属キャッ
プとが高熱伝導性樹脂を介して接続されることになる。
その結果これまで空気中への放熱だけだったパッケージ
表面から高熱伝導性樹脂を介して金属キャップへの熱伝
導が増大し、トランジスタの放熱性向上を図ることがで
きる。
【００３１】また第１の実施の形態と同様に、粒子径の
異なる複数のフィラーを組み合わせることにより、窒化
アルミニウムの充填密度を高めることができ、より効果
を高めることができる。
【００３２】以上のように本実施の形態によれば、トラ
ンジスタパッケージに加えて金属キャップにも高熱伝導
性樹脂を塗布し、キャップと放熱板を装着後に熱硬化さ
せることにより、ボンディングワイヤに圧力を加えるこ
となく、パッケージ上部からキャップへの熱伝導が改善
され、トランジスタの放熱性を向上させることができ
る。
【００３３】
【発明の効果】以上述べてきたように本発明により、窒
化アルミニウムを混合した高熱伝導性樹脂を用いること
により、電力用トランジスタの放熱性を向上することが
でき、トランジスタの信頼性および性能をの向上するこ
とができる。また、放熱性が向上したため、さらに高密
度の実装が可能になり機器の小型化を図ることができ
る。
【００３４】また、本発明は樹脂の変更だけで特別なプ
ロセスを必要とせず、従来の組み立てラインが使用でき
るため、低コストかつ高歩留まりな量産性に優れたモジ
ュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）第１の実施の形態の電力用トランジスタ
とそれを用いた電力増幅モジュールの断面構成図 （ｂ）第１の実施の形態の電力用トランジスタのパッケ
ージ実装状態の断面図（図１（ａ）の円内部分を示す） （ｃ）第１の実施の形態の電力用トランジスタの樹脂封
止材に混入される窒化アルミニウムフィラーの断面図 （ｄ）第１の実施の形態の電力用トランジスタの樹脂封
止材に複数の異なる粒子径の窒化アルミニウムフィラー
を混入した様子を示す図
【図２】（ａ）第２の実施の形態の電力用トランジスタ
とそれを用いた電力増幅モジュールの断面構成図 （ｂ）第２の実施の形態の電力用トランジスタのチップ
周辺部の拡大図（図２（ａ）の円内部分を示す）
【図３】（ａ）第３の実施の形態の電力用トランジスタ
とそれを用いた電力増幅モジュールの断面構成図 （ｂ）第３の実施の形態の電力用トランジスタのチップ
周辺部の拡大図（図３（ａ）の円内部分を示す） （ｃ）第３の実施の形態の電力用トランジスタのチップ
周辺部の拡大図（図３（ａ）の円内部分を示す）
【図４】（ａ）第４の実施の形態の電力用トランジスタ
の真性領域の一部分を拡大して上面から見た図 （ｂ）第４の実施の形態の電力用トランジスタの断面図
（図４（ａ）の上面図に対応する部分を示す）
【図５】（ａ）第５の実施の形態の電力用トランジスタ
とそれを用いた電力増幅モジュールの断面構成図（キャ
ップ装着前の状態を示す） （ｂ）第５の実施の形態の電力用トランジスタとそれを
用いた電力増幅モジュールの断面構成図（キャップ装着
後の状態を示す）
【符号の説明】
１ 金属キャップ ２ プリント基板 ３ 放熱板 ４ チップ部品 ５ トランジスタ（パッケージ品） ６ 半田 ７ 封止用樹脂 ８ トランジスタチップ ９ ボンディングワイヤ １０ パッケージ（セラミック部） １１ パッケージ（金属部） １２ 窒化アルミニウム（AlN） １３ シリカ（SiO2） １４ 窒化アルミニウムフィラー １５ シリコン系樹脂 １６ 充填用樹脂 １７ バンプ １８ ゲート電極 １９ ソース電極 ２０ ドレイン電極 ２１ 保護膜（SiN） ２２ 開口部 ２３ n+層 ２４ チャネル層 ２５ GaAs基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森本 滋 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 井上 薫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 セラミックパッケージに実装された電力
    用トランジスタチップの表面が、半導体封止材で封止さ
    れており、前記半導体封止材に高熱伝導性の窒化アルミ
    ニウムのフィラーを混合していることを特徴とする電力
    用トランジスタ。
  2. 【請求項２】 セラミック基板にベアチップ実装された
    電力用トランジスタチップの表面が、半導体封止材で封
    止されており、前記半導体封止材に高熱伝導性の窒化ア
    ルミニウムのフィラーを混合していることを特徴とする
    電力用トランジスタ。
  3. 【請求項３】 セラミック基板に電力用トランジスタチ
    ップがフリップチップ実装されており、前記チップ表面
    と前記基板表面の間に絶縁性樹脂が充填されており、前
    記絶縁性樹脂に高熱伝導性の窒化アルミニウムのフィラ
    ーを混合していることを特徴とする電力用トランジス
    タ。
  4. 【請求項４】 セラミック基板に電力用トランジスタチ
    ップがフリップチップ実装されており、前記チップ表面
    と基板表面の間に絶縁性樹脂が充填されるとともに、前
    記チップ上側も半導体封止材で封止されており、前記絶
    縁性樹脂および半導体封止材に高熱伝導性の窒化アルミ
    ニウムのフィラーを混合していることを特徴とする電力
    用トランジスタ。
  5. 【請求項５】 粒子径の異なる窒化アルミニウムのフィ
    ラーを組み合わせて樹脂に混合していることを特徴とす
    る請求項１〜4のいずれかに記載の電力用トランジス
    タ。
  6. 【請求項６】 トランジスタチップ表面の真性領域上の
    ソース電極またはドレイン電極上の保護膜の一部が開口
    されていることを特徴とする請求項１〜5のいずれかに
    記載の電力用トランジスタ。
  7. 【請求項７】 粒子径の異なる窒化アルミニウムフィラ
    ーを混合した複数種の樹脂で多層に封止されていること
    を特徴とする請求項６に記載の電力用トランジスタ。
  8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれかに記載の電力用
    トランジスタを用いた電力増幅用モジュール。
  9. 【請求項９】 金属キャップ側にも窒化アルミニウムの
    フィラーを混合した絶縁性樹脂を塗布し、キャップ装着
    時に請求項１〜７のいずれかに記載の電力用トランジス
    タに塗布された樹脂と接合されることを特徴とする電力
    増幅用モジュール。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001053508A (ja) * 1999-08-17 2001-02-23 Hitachi Kokusai Electric Inc 高周波回路部品の実装構造
JP2001102400A (ja) * 1998-11-09 2001-04-13 Nippon Soken Inc 電気機器およびその製造方法
JP2010098831A (ja) * 2008-10-16 2010-04-30 Denso Corp 車両用回転電機の電力変換器
JP2015225918A (ja) * 2014-05-27 2015-12-14 大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 半導体モジュールおよび半導体スイッチ
JP2019016744A (ja) * 2017-07-10 2019-01-31 株式会社東芝 半導体装置

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