KR20210129457A - High output power semiconductor device package and manufacturing method thereof - Google Patents

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KR20210129457A
KR20210129457A KR1020200047487A KR20200047487A KR20210129457A KR 20210129457 A KR20210129457 A KR 20210129457A KR 1020200047487 A KR1020200047487 A KR 1020200047487A KR 20200047487 A KR20200047487 A KR 20200047487A KR 20210129457 A KR20210129457 A KR 20210129457A
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semiconductor device
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김완호
김재필
송영현
정호중
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한국광기술원
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Abstract

The present invention relates to a high output power semiconductor device package and a manufacturing method thereof. The high output power semiconductor device package includes a metal frame having a semiconductor layer stacked on an upper surface thereof and including insulation holes formed on both sides around the semiconductor layer; a semiconductor chip disposed on the semiconductor layer; and an insulating part formed by filling the insulation holes with an organic material or an inorganic material. A source region, a drain region, and a gate region are separated by the insulating part to form an electrode. The source region and the semiconductor chip are electrically connected. The gate region and the semiconductor chip are electrically connected.

Description

고출력 전력 반도체 소자 패키지 및 그 제조 방법{ High output power semiconductor device package and manufacturing method thereof }High output power semiconductor device package and manufacturing method thereof

본 발명은 고출력 전력 반도체 소자 패키지 기술에 관한 것으로서, 특히 기존의 반도체 소자 패키지에 비해 공정성과 방열 성능을 향상시킬 수 있는 고출력 전력 반도체 소자 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a high output power semiconductor device package technology, and more particularly, to a high output power semiconductor device package capable of improving processability and heat dissipation performance compared to a conventional semiconductor device package and a method of manufacturing the same.

반도체 고출력 전력증폭기(Solid-State Power Amplifier, SSPA)는 수명시간, 유지보수 및 증폭기 동작 관점에서 우수한 장점을 가지고 있을 뿐만 아니라, 전력증폭기가 완전한 출력 전력 하에 전송을 시작하고 종료할 때, 반도체 고출력 전력증폭기의 승온시간(heat-up time)과 냉각시간(cool-down time)이 진행파관의 승온시간과 냉각시간보다 훨씬 짧기 때문에 반도체 고출력 전력증폭기가 진행파관을 대체할 것으로 강하게 전망하고 있다. The semiconductor high output power amplifier (SSPA) not only has excellent advantages in terms of lifetime, maintenance and amplifier operation, but also when the power amplifier starts and ends transmission under full output power, the semiconductor high output power Since the heat-up time and cool-down time of the amplifier are much shorter than the heating and cooling time of the traveling wave tube, it is strongly predicted that the semiconductor high-output power amplifier will replace the traveling wave tube.

이외에도 반도체 고출력 전력증폭기는 광대역 주파수 구현, 디지털 신호처리 등의 장점이 있다. 반도체 고출력 전력증폭기(SSPA) 기술은 반도체 전력증폭 소자 및 패키지 기술, 반도체 전력증폭기 모듈 및 MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit) 기술을 포함한다. In addition, semiconductor high-output power amplifiers have advantages such as wideband frequency realization and digital signal processing. Semiconductor high output power amplifier (SSPA) technology includes semiconductor power amplifier device and package technology, semiconductor power amplifier module, and MMIC (Microwave Monolithic Integrated Circuit) technology.

반도체 고출력 증폭기 구현을 위해 기본적으로 갖추어야 할 반도체 전력 증폭 소자 기술은 실리콘 기반의 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) 소자, 갈륨비소(Gallium Arsenide, GaAs) 기반의 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 소자, 질화갈륨(Gallium Nitride, GaN) 기반의 HEMT 소자 기술이 있다. 이 중 GaN 기반의 HEMT 소자(GaN HEMT 소자) 기술은 GaN 재료로 구현되는데, GaN 재료는 3.4eV의 넓은 에너지 갭으로 인하여 고전압에서 동작이 가능하고, 분극전하를 이용한 캐리어 농도가 GaAs의 10배 이상이므로 높은 전류밀도와 높은 전력밀도를 얻을 수 있어 고출력·고효율·소형의 전력증폭기 소자로 적합하다.The semiconductor power amplification device technology that must be basically equipped to implement a semiconductor high-power amplifier is a silicon-based LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) device, a Gallium Arsenide (GaAs)-based HEMT (High Electron Mobility Transistor) device, and gallium nitride. There is a HEMT device technology based on (Gallium Nitride, GaN). Among them, the GaN-based HEMT device (GaN HEMT device) technology is implemented with a GaN material. The GaN material can operate at a high voltage due to a wide energy gap of 3.4 eV, and the carrier concentration using the polarized charge is 10 times higher than that of GaAs. Therefore, high current density and high power density can be obtained, so it is suitable as a high-output, high-efficiency, small-sized power amplifier device.

반도체 고출력 증폭기 소자는 개별 반도체 전력 증폭기 소자를 어레이(array) 및 결합하여 구현되거나, 반도체 기판 상에서 능동소자와 수동소자를 동시에 사용하여 MMIC 형태로 구현되거나, 전력증폭기 MMIC를 어레이 및 결합하여 구현될 수 있다. The semiconductor high-power amplifier device can be implemented by combining individual semiconductor power amplifier devices in an array, or by using an active device and a passive device on a semiconductor substrate at the same time to form an MMIC, or by arraying and combining a power amplifier MMIC. have.

현재까지 고출력 고주파 전력 반도체 소자 패키지는 금속 및 세라믹 패키지 구성이 지배적이었으며, 이러한 경향에 고출력 GaN 트랜지스터 역시 금속 및 세라믹 패키지로 구성되었다. 결과적으로 금속 및 세라믹 패키지는 고출력 GaN 트랜지스터의 우수한 방열 특성 및 신뢰성을 향상시키고 있지만, 수요에 따른 공급을 위해 양산을 진행하기에는 재료비와 조립비가 매우 높으며, 생산량의 제한에 문제점이 있다. Until now, high-power, high-frequency power semiconductor device packages have been dominated by metal and ceramic packages. In this trend, high-power GaN transistors are also composed of metal and ceramic packages. As a result, metal and ceramic packages improve the excellent heat dissipation characteristics and reliability of high-power GaN transistors, but material and assembly costs are very high to proceed with mass production for supply according to demand, and there is a problem in the limitation of production.

반면에 플라스틱 오버몰드 패키지(Plastic overmold Package)는 투입되는 비용의 극히 일부만 들여 제작할 수 있으며, 저전력 애플리케이션에만 국한되어 있어 고출력 GaN 트랜지스터에는 적용되고 있지 않고 있다.On the other hand, a plastic overmold package can be manufactured at a fraction of the cost, and is limited to low-power applications, so it is not applied to high-power GaN transistors.

도 1은 종래 기술에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지의 적층 상태를 설명하는 도면이고, 도 2는 종래 기술에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지를 설명하는 단면도이며, 도 3은 종래 기술에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지를 설명하는 예시도이다.1 is a diagram illustrating a stacking state of a high output power semiconductor device package according to the prior art, FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a high output power semiconductor device package according to the prior art, and FIG. 3 is a high output power semiconductor device according to the prior art It is an example diagram explaining the package.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 종래 기술에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패캐지는 반도체칩(21)에서 발생하는 열을 효율적으로 방출하기 위해 금속 재질 기반의 패키지를 사용하는데, 금속 재질 기반의 기판(11) 위에 게이트, 소스, 드레인의 3단자 구조를 적층하여 형성된다. 이때, 전극(13)을 형성하기 위해 세라믹을 이용한 절연층(12)이 전극의 하부 측에 각각 적층된다.1 to 3 , the high output power semiconductor device package according to the prior art uses a metal-based package to efficiently dissipate heat generated from the semiconductor chip 21 , and the metal-based substrate 11 ) is formed by stacking a three-terminal structure of a gate, a source, and a drain. At this time, in order to form the electrode 13, the insulating layer 12 using ceramic is laminated on the lower side of the electrode, respectively.

전극(13) 위에 배치된 반도체칩(21)은 소스-드레인과 은(Au) 합금 본딩 와이어(22)를 이용하여 전기적으로 연결된 후 반도체칩(21)을 덮는 세라믹 캡(23)이 금속 기판(11)과 접합된다. 세라믹 캡(23)과 반도체칩(21) 사이에는 소정 공간이 형성되도록 한다. The semiconductor chip 21 disposed on the electrode 13 is electrically connected to the source-drain using a silver (Au) alloy bonding wire 22, and then a ceramic cap 23 covering the semiconductor chip 21 is formed on a metal substrate ( 11) is joined. A predetermined space is formed between the ceramic cap 23 and the semiconductor chip 21 .

종래에는 세라믹을 이용한 절연층(12)을 금속 기판(11)과 접합시키기 위해 고온 및 고압에서 소성하여 패키지를 생성하게 되므로, 가격이 높고 공정성이 낮을 뿐만 아니라 단품 패키지 형태로 패키징 공정을 진행하여 패키징 공정성이 낮은 문제점이 있다. Conventionally, in order to bond the insulating layer 12 using ceramic to the metal substrate 11, the package is produced by firing at high temperature and high pressure. There is a problem with low fairness.

또한, 금속 세라믹 패키지 구조는 패키지 자체에 방열 구조를 가지고 있으나, 기판 가격이 비싸고 자동 공정이 어렵다는 문제점이 있다.In addition, although the metal ceramic package structure has a heat dissipation structure in the package itself, there are problems in that the substrate price is high and automatic processing is difficult.

대한민국등록특허 제 110-2018-0000105 호(발명의 명칭 : 고주파 전력 트랜지스터 패키지 및 그 제조 방법)Republic of Korea Patent No. 110-2018-0000105 (Title of the invention: high frequency power transistor package and manufacturing method thereof)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따라 반도체 칩에서 발생하는 열을 효율적으로 방출하기 위해 금속 재질 기반의 패키지를 제작하고, 내구성 및 가격 경쟁력 확보를 위해 세라믹을 이용한 절연층을 대체하여 유기물 또는 무기물로 충진된 절연부 구조를 통해 소스, 게이트, 드레인의 3단자를 구성할 수 있도록 하는 것에 목적이 있다.In order to solve the above problems, according to an embodiment of the present invention, a metal-based package is manufactured in order to efficiently dissipate heat generated from a semiconductor chip, and ceramic is used to secure durability and price competitiveness. An object of the present invention is to make it possible to configure three terminals of a source, a gate, and a drain through an insulating structure filled with an organic material or an inorganic material by replacing the insulating layer.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical task to be achieved by the present embodiment is not limited to the technical task as described above, and other technical tasks may exist.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지는, 상부면에 반도체층이 적층되고, 상기 반도체층을 중심으로 양측에 형성된 절연용 홀을 포함하는 금속 프레임; 상기 반도체층에 배치되는 반도체칩; 상기 절연용 홀에 유기물 또는 무기물로 충진되어 형성된 절연부를 포함하되, 상기 절연부에 의해 소스 영역, 드레인 영역, 게이트 영역이 구분되어 전극을 형성하고, 상기 소스 영역과 상기 반도체칩을 전기적으로 연결하고, 상기 게이트 영역과 상기 반도체칩을 전기적으로 연결하는 것이다.As a technical means for achieving the above technical problem, the high output power semiconductor device package according to an embodiment of the present invention includes a semiconductor layer stacked on an upper surface, and insulating holes formed on both sides around the semiconductor layer. metal frame; a semiconductor chip disposed on the semiconductor layer; an insulating part formed by filling the insulating hole with an organic material or an inorganic material, wherein a source region, a drain region, and a gate region are separated by the insulating part to form an electrode, and the source region and the semiconductor chip are electrically connected; , electrically connecting the gate region and the semiconductor chip.

상기 금속 프레임은, 알루미늄(Al), 구리(CU), 코바르(Kovar)를 포함한 금속 재질 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 한편, 상기 금속 프레임은 중앙에 안착홈이 형성되고, 상기 안착홈에 상기 반도체층이 적층될 수 있다. The metal frame may be formed of any one of a metal material including aluminum (Al), copper (CU), and Kovar. Meanwhile, a seating groove may be formed in the center of the metal frame, and the semiconductor layer may be stacked in the seating groove.

상기 절연용 홀은 상기 금속 프레임의 상면에서 하면까지 관통하는 형태로 형성되고, 상기 금속 프레임의 양측에 대칭적 형태로 형성될 수 있다. The insulating hole may be formed to penetrate from an upper surface to a lower surface of the metal frame, and may be formed symmetrically on both sides of the metal frame.

상기 절연용 홀은 상기 금속 프레임의 상면에서 일측면까지 관통하는 형태로 형성되고, 상기 금속 프레임의 양측에 대칭적 형태로 형성될 수 있다.The insulating hole may be formed to penetrate from the upper surface to one side of the metal frame, and may be formed in a symmetrical shape on both sides of the metal frame.

또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지의 제조 방법은, 소스 영역, 드레인 영역, 게이트 영역을 구분하기 위한 절연용 홀의 위치를 선정하는 과정; 상기 절연용 홀을 제외한 나머지 부분을 금속 재질로 채워 금속 프레임을 생성하는 과정; 상기 절연용 홀에 유기물 또는 무기물을 충진하여 절연부를 형성하는 과정; 상기 드레인 영역의 상부면에 반도체층을 적층하여 반도체칩을 배치하는 과정; 및 상기 소스 영역과 상기 반도체칩을 전기적으로 연결하고, 상기 게이트 영역과 상기 반도체칩을 전기적으로 연결하는 과정을 포함하는 것이다. In addition, a method of manufacturing a high output power semiconductor device package according to another embodiment of the present invention includes the steps of selecting a location of an insulating hole for separating a source region, a drain region, and a gate region; creating a metal frame by filling the remaining portions except for the insulating hole with a metal material; forming an insulating part by filling the insulating hole with an organic or inorganic substance; arranging a semiconductor chip by stacking a semiconductor layer on an upper surface of the drain region; and electrically connecting the source region and the semiconductor chip, and electrically connecting the gate region and the semiconductor chip.

상기 절연용 홀에 유기물 또는 무기물을 충진하여 절연부를 형성하는 과정은, 상기 금속 프레임의 상면에서 하면까지 관통하는 방식과, 상기 금속 프레임의 상면에서 일측면까지 관통하는 방식 중 어느 하나의 방식으로 절연부를 형성하여 상기 절연부가 상기 소스 영역, 드레인 영역, 게이트 영역을 구분하는 격벽 역할을 수행할 수 있다.The process of forming the insulating part by filling the insulating hole with an organic material or an inorganic material is a method of penetrating from an upper surface to a lower surface of the metal frame, and a method of penetrating from the upper surface to one side of the metal frame. By forming a portion, the insulating portion may serve as a barrier rib separating the source region, the drain region, and the gate region.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 고집적 및 고방열 기판을 기반으로 한 리드리스 표면실장 타입의 소형화된 새로운 형태의 고출력 전력 반도체 소자 패키지를 제공할 수 있고, 금속 재질 기반의 프레임을 통해 방열 특성을 향상시킬 수 있으며, 내부 와이어 본딩과 배선에 의한 기생 성분으로 손실과 수율 감소를 최소화하기 위한 공정 최적화를 통해 우수한 전력 밀도와 높은 효율을 유지하여 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다. According to the problem solving means of the present invention described above, it is possible to provide a new type of miniaturized high output power semiconductor device package of a leadless surface mount type based on a high integration and high heat dissipation substrate, and heat dissipation through a frame based on a metal material Characteristics can be improved and reliability can be secured by maintaining excellent power density and high efficiency through process optimization to minimize loss and yield reduction due to parasitic components caused by internal wire bonding and wiring.

도 1은 종래 기술에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지의 적층 상태를 설명하는 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지를 설명하는 단면도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지를 설명하는 예시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지의 구성을 설명하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지의 구성을 설명하는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지의 구성을 설명하는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지의 구성을 설명하는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
1 is a view for explaining a stacked state of a high output power semiconductor device package according to the prior art.
2 is a cross-sectional view illustrating a high output power semiconductor device package according to the prior art.
3 is an exemplary view illustrating a high output power semiconductor device package according to the prior art.
4 is a cross-sectional view illustrating the configuration of a high output power semiconductor device package according to the first embodiment of the present invention.
5 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a high output power semiconductor device package according to a second embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a high output power semiconductor device package according to a third embodiment of the present invention.
7 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a high output power semiconductor device package according to a fourth embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a high output power semiconductor device package according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement them. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Throughout the specification, when a part is "connected" with another part, this includes not only the case of being "directly connected" but also the case of being "electrically connected" with another element interposed therebetween. . Also, when a part "includes" a component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated, and one or more other features However, it is to be understood that the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded in advance.

이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 동일 범위의 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.The following examples are detailed descriptions to help the understanding of the present invention, and do not limit the scope of the present invention. Accordingly, an invention of the same scope performing the same function as the present invention will also fall within the scope of the present invention.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지의 구성을 설명하는 단면도이고, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지의 구성을 설명하는 단면도이며, 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지의 구성을 설명하는 단면도이고, 도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지의 구성을 설명하는 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating the configuration of a high output power semiconductor device package according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating the configuration of a high output power semiconductor device package according to a second embodiment of the present invention, 6 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a high output power semiconductor device package according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a high output power semiconductor device package according to a fourth embodiment of the present invention.

도 4 내지 도 7을 참고하면, 고출력 전력 반도체 소자 패키지(100)는, 금속 프레임(110), 반도체칩 및 절연부(120)를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.4 to 7 , the high output power semiconductor device package 100 includes, but is not limited to, a metal frame 110 , a semiconductor chip, and an insulating part 120 .

금속 프레임(110)은 상부면에 반도체층(101)이 적층되고, 반도체층(101)을 중심으로 양측에 형성된 절연용 홀(도시되지 않음)을 포함한다. 이러한 금속 프레임(110)은 알루미늄(Al), 구리(CU), 코바르(Kovar)를 포함한 금속 재질 중 어느 하나로 형성된다. 여기서 코바르는 가장 널리 사용되는 금속 패키지로서, 철ㆍ니켈ㆍ코발트계의 합금 소재이다. The metal frame 110 includes a semiconductor layer 101 stacked on an upper surface, and insulating holes (not shown) formed on both sides of the semiconductor layer 101 as a center. The metal frame 110 is formed of any one of a metal material including aluminum (Al), copper (CU), and Kovar. Here, Kovar is the most widely used metal package, and is an iron, nickel, and cobalt alloy material.

반도체칩(도시되지 않음)은 반도체층(101)에 배치되고, 절연부(120)는 금속 프레임(110)의 양측에 형성된 절연용 홀에 유기물 또는 무기물로 충진되어 형성된다. 절연부(120)는 유기물, 무기물, 유기물 및 무기물을 복합적으로 적용할 수 있다. A semiconductor chip (not shown) is disposed on the semiconductor layer 101 , and the insulating part 120 is formed by filling insulating holes formed on both sides of the metal frame 110 with an organic or inorganic substance. The insulating part 120 may apply a combination of organic materials, inorganic materials, organic materials, and inorganic materials.

절연부(120)는 소스 영역(131), 드레인 영역(133), 게이트 영역(132)을 구분하는 격벽 역할을 수행하는 것으로서, 반도체층(101)의 하부에 위치한 드레인 영역(133)을 기준으로 일측에 소스 영역(131), 타측에 게이트 영역(132)이 위치하도록 한다. The insulating part 120 serves as a barrier rib separating the source region 131 , the drain region 133 , and the gate region 132 , and is based on the drain region 133 located under the semiconductor layer 101 . A source region 131 on one side and a gate region 132 on the other side are positioned.

소스 영역(131), 드레인 영역(133) 및 게이트 영역(132)은 금속 재질 기반으로 형성된 금속 프레임(110) 상에서 절연부(130)에 의해 구분되므로, 소스 영역(131)은 소스 전극, 게이트 영역(132)은 게이트 전극, 드레인 영역(133)은 드레인 전극이 된다. Since the source region 131 , the drain region 133 , and the gate region 132 are separated by the insulating part 130 on the metal frame 110 formed of a metal material, the source region 131 is a source electrode and a gate region. Reference numeral 132 denotes a gate electrode, and a drain region 133 denotes a drain electrode.

소스 영역(131)은 반도체칩과 Au 와이어(140)를 이용하여 전기적으로 연결되고, 게이트 영역(132)도 반도체칩과 Au 와이어(140)를 이용하여 전기적으로 연결된다. The source region 131 is electrically connected to the semiconductor chip using the Au wire 140 , and the gate region 132 is also electrically connected to the semiconductor chip using the Au wire 140 .

금속 프레임(110)은 도 4에 도시된 바와 같이 육면체 형태로 형성될 수 있고, 도 5에 도시된 바와 같이 육면체 형태의 몸체 중앙에 안착홈(111)이 형성되고, 안착홈(111)에 반도체층(101)이 적층되도록 할 수 있다. 금속 프레임(110)은 직육면체, 정육면체 외에도 다양한 크기와 모양으로 형성될 수 있다. The metal frame 110 may be formed in a hexahedral shape as shown in FIG. 4 , and a seating groove 111 is formed in the center of the hexahedral body as shown in FIG. 5 , and a semiconductor in the seating groove 111 . Layer 101 may be laminated. The metal frame 110 may be formed in various sizes and shapes in addition to a rectangular parallelepiped and a cube.

안착홈(111)이 형성된 금속 프레임(110)은 반도체칩이 소스와 드레인보다 낮게 위치되어 있으므로 반도체칩의 상부에 소정 공간이 형성될 수 있고, 그로 인해 반도체칩에서 발생하는 열을 더욱 효율적으로 방출할 수 있다.In the metal frame 110 in which the seating groove 111 is formed, since the semiconductor chip is positioned lower than the source and drain, a predetermined space may be formed in the upper portion of the semiconductor chip, thereby more efficiently dissipating heat generated from the semiconductor chip. can do.

한편, 절연용 홀은 금속 프레임(110)의 상면에서 하면까지 관통하는 형태로 형성되는데, 도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이 일자 형태('│'), 사선 형태('\'), 굴곡 형태('

Figure pat00001
') 등 다양한 형태로 형성될 수 있고, 절연용 홀은 반도체층(101)을 중심으로 양측에 대칭적으로 형성된다. On the other hand, the insulating hole is formed in a form penetrating from the upper surface to the lower surface of the metal frame 110, as shown in Figs. form('
Figure pat00001
'), and the like, and the insulating hole is symmetrically formed on both sides of the semiconductor layer 101 as a center.

절연용 홀은 금속 프레임(110)의 상면에서 일측면까지 관통하는 형태, 즉 'ㄴ'자형으로 형성될 수도 있다. The insulating hole may be formed in a shape penetrating from the upper surface to one side of the metal frame 110 , that is, in a 'L' shape.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 전력 반도체 소자 패키지의 제조 방법을 설명하는 순서도이다. 8 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a high output power semiconductor device package according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 고출력 전력 반도체 소자 패키지의 제조 방법은 소스 영역(131), 드레인 영역(133), 게이트 영역(132)을 구분하기 위해 격벽 역할을 수행하는 절연용 홀의 위치를 선정한다(S1).Referring to FIG. 8 , in the method of manufacturing a high-output power semiconductor device package, a location of an insulating hole serving as a barrier rib is selected to separate the source region 131 , the drain region 133 , and the gate region 132 ( S1 ). ).

절연용 홀은 반도체층(101)의 하부에 위치한 드레인 영역(133)을 기준으로 일측에 소스 영역(131), 타측에 게이트 영역(132)이 위치하도록 금속 프레임(110)의 양측의 소정 영역에 형성될 수 있다. 이러한 절연용 홀은 소스 영역(131)과 게이트 영역(132)이 거의 동일한 면적을 갖도록 금속 프레임(110)의 양측에 대칭적 형태로 형성된다. The insulating hole is formed in a predetermined region on both sides of the metal frame 110 so that the source region 131 and the gate region 132 are positioned on the other side with respect to the drain region 133 located under the semiconductor layer 101 . can be formed. The insulating hole is formed symmetrically on both sides of the metal frame 110 so that the source region 131 and the gate region 132 have substantially the same area.

또한, 절연용 홀은 금속 프레임(110)의 상면에서 하면까지 관통하거나, 상면에서 일측면까지 관통하도록 형성되어 소스, 드레인, 게이트의 각 영역을 구분하는 격벽이 된다. In addition, the insulating hole is formed to penetrate from the upper surface to the lower surface of the metal frame 110 or to penetrate from the upper surface to one side of the metal frame 110 to become a barrier rib dividing each region of the source, drain, and gate.

절연용 홀을 제외한 나머지 부분을 금속 재질로 채워 금속 프레임(110)을 생성한다(S2). 이때, 반도체칩과 패키지 간의 열적 특성 및 열팽창 계수를 고려하여 금속 재질을 선정한다. The metal frame 110 is created by filling the remaining portions except for the insulating hole with a metal material (S2). At this time, the metal material is selected in consideration of the thermal characteristics and thermal expansion coefficient between the semiconductor chip and the package.

프레임(110)의 양측에 위치한 절연용 홀에 유기물, 무기물, 유기물 및 무기물의 복합체를 충진하여 절연부(120)를 형성한다(S3). The insulating part 120 is formed by filling the insulating holes located on both sides of the frame 110 with an organic material, an inorganic material, and a composite of an organic material and an inorganic material (S3).

절연부(120)에 의해 소스, 드레인, 게이트가 형성되면, 드레인 영역(133)의 상부면에 반도체층(101)을 적층하여 반도체칩을 배치한다(S4). 그리고, 소스 영역(131)과 반도체칩을 전기적으로 연결하고, 게이트 영역(132)과 반도체칩을 전기적으로 연결하여 패키지를 완성한다(S5).When the source, drain, and gate are formed by the insulating part 120 , the semiconductor layer 101 is stacked on the upper surface of the drain region 133 to arrange a semiconductor chip ( S4 ). Then, the source region 131 and the semiconductor chip are electrically connected, and the gate region 132 and the semiconductor chip are electrically connected to complete the package (S5).

한편 도 8의 단계 S1 내지 S5은 본 발명의 구현예에 따라서 추가적인 단계들로 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계간의 순서가 변경될 수도 있다.Meanwhile, steps S1 to S5 of FIG. 8 may be divided into additional steps or combined into fewer steps according to an embodiment of the present invention. Also, some steps may be omitted if necessary, and the order between steps may be changed.

이와 같이, 고출력 전력 반도체 소자 패키지의 제조 방법은 금속 프레임(110)에 게이트, 소스, 드레인의 3단자를 구분하는 격벽으로 절연부(120)를 형성함으로써 기존의 세라믹을 이용한 절연층을 대체할 수 있어 공정성과 방열 성능을 향상시킬 수 있다. As described above, the method of manufacturing a high-output power semiconductor device package can replace the conventional insulating layer using ceramic by forming the insulating part 120 as a barrier rib that separates the three terminals of the gate, the source, and the drain in the metal frame 110 . Thus, it is possible to improve fairness and heat dissipation performance.

본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 전력 소자 패키지의 제조 방법에 의해 제작된 GaN 트랜지스터 패키지는 5G 기지국용 모듈 소형화를 위한 고집적 모듈 통합(tegration) 기술에 적용될 수 있다. The GaN transistor package manufactured by the method of manufacturing a high-output power device package according to an embodiment of the present invention may be applied to a high-integration module tegration technology for miniaturizing a module for a 5G base station.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 전력 소자 패키지는 이동통신 기지국, 민수 및 군수용 레이더 등 다양한 분야에서 활용 가능하고, RF FEM 등 다양한 회로 및 시스템에 적용 가능하다.In addition, the high output power device package according to an embodiment of the present invention can be used in various fields such as a mobile communication base station, civil and military radar, and can be applied to various circuits and systems such as RF FEM.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 이러한 기록 매체는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하며, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함하며, 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.The embodiments of the present invention described above may also be implemented in the form of a recording medium including instructions executable by a computer, such as a program module executed by a computer. Such recording media includes computer-readable media, and computer-readable media can be any available media that can be accessed by a computer, and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media. Computer readable media also includes computer storage media, which include volatile and nonvolatile embodied in any method or technology for storage of information, such as computer readable instructions, data structures, program modules, or other data. , both removable and non-removable media.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.

100: 고출력 전력 반도체 소자 패키지
101: 반도체층
110: 금속 프레임
120 : 절연부
131: 소스 영역
132: 게이트 영역
133: 드레인 영역
100: high output power semiconductor device package
101: semiconductor layer
110: metal frame
120: insulation
131: source area
132: gate area
133: drain region

Claims (7)

고출력 전력 반도체 소자 패키지에 있어서,
상부면에 반도체층이 적층되고, 상기 반도체층을 중심으로 양측에 형성된 절연용 홀을 포함하는 금속 프레임;
상기 반도체층에 배치되는 반도체칩;
상기 절연용 홀에 유기물 또는 무기물로 충진되어 형성된 절연부를 포함하되,
상기 절연부에 의해 소스 영역, 드레인 영역, 게이트 영역이 구분되어 전극을 형성하고,
상기 소스 영역과 상기 반도체칩을 전기적으로 연결하고, 상기 게이트 영역과 상기 반도체칩을 전기적으로 연결하는 것인, 고출력 전력 반도체 소자 패키지.
In the high output power semiconductor device package,
a metal frame having a semiconductor layer stacked on an upper surface thereof and including insulating holes formed on both sides around the semiconductor layer;
a semiconductor chip disposed on the semiconductor layer;
Including an insulating portion formed by filling the hole for insulation with an organic material or an inorganic material,
A source region, a drain region, and a gate region are separated by the insulating portion to form an electrode,
and electrically connecting the source region and the semiconductor chip, and electrically connecting the gate region and the semiconductor chip.
제1항에 있어서,
상기 금속 프레임은, 알루미늄(Al), 구리(CU), 코바르(Kovar)를 포함한 금속 재질 중 어느 하나로 형성된 것인, 고출력 전력 반도체 소자 패키지.
According to claim 1,
The metal frame, which is formed of any one of a metal material including aluminum (Al), copper (CU), Kovar (Kova), high output power semiconductor device package.
제1항에 있어서,
상기 금속 프레임은 중앙에 안착홈이 형성되고, 상기 안착홈에 상기 반도체층이 적층되는 것인, 고출력 전력 반도체 소자 패키지.
According to claim 1,
The metal frame has a seating groove formed in the center, and the semiconductor layer is stacked in the seating groove, a high output power semiconductor device package.
제1항에 있어서,
상기 절연용 홀은 상기 금속 프레임의 상면에서 하면까지 관통하는 형태로 형성되고, 상기 금속 프레임의 양측에 대칭적 형태로 형성된 것인, 고출력 전력 반도체 소자 패키지.
According to claim 1,
The insulating hole is formed in a form penetrating from the upper surface to the lower surface of the metal frame, and is formed in a symmetrical form on both sides of the metal frame, a high output power semiconductor device package.
제1항에 있어서,
상기 절연용 홀은 상기 금속 프레임의 상면에서 일측면까지 관통하는 형태로 형성되고, 상기 금속 프레임의 양측에 대칭적 형태로 형성된 것인, 고출력 전력 반도체 소자 패키지.
According to claim 1,
The insulating hole is formed in a form penetrating from the upper surface to one side of the metal frame, and is formed in a symmetrical form on both sides of the metal frame, high output power semiconductor device package.
고출력 전력 반도체 소자 패키지의 제조 방법에 있어서,
소스 영역, 드레인 영역, 게이트 영역을 구분하기 위한 절연용 홀의 위치를 선정하는 과정;
상기 절연용 홀을 제외한 나머지 부분을 금속 재질로 채워 금속 프레임을 생성하는 과정;
상기 절연용 홀에 유기물 또는 무기물을 충진하여 절연부를 형성하는 과정;
상기 드레인 영역의 상부면에 반도체층을 적층하여 반도체칩을 배치하는 과정; 및
상기 소스 영역과 상기 반도체칩을 전기적으로 연결하고, 상기 게이트 영역과 상기 반도체칩을 전기적으로 연결하는 과정을 포함하는 것인, 고출력 전력 반도체 소자 패키지의 제조 방법.
A method for manufacturing a high output power semiconductor device package, comprising:
a process of selecting a position of an insulating hole for dividing a source region, a drain region, and a gate region;
creating a metal frame by filling the remaining portions except for the insulating hole with a metal material;
forming an insulating part by filling the insulating hole with an organic or inorganic substance;
arranging a semiconductor chip by stacking a semiconductor layer on an upper surface of the drain region; and
and electrically connecting the source region and the semiconductor chip, and electrically connecting the gate region and the semiconductor chip.
제6항에 있어서,
상기 절연용 홀에 유기물 또는 무기물을 충진하여 절연부를 형성하는 과정은,
상기 금속 프레임의 상면에서 하면까지 관통하는 방식과, 상기 금속 프레임의 상면에서 일측면까지 관통하는 방식 중 어느 하나의 방식으로 절연부를 형성하여 상기 절연부가 상기 소스 영역, 드레인 영역, 게이트 영역을 구분하는 격벽 역할을 수행하는 것인, 고출력 전력 반도체 소자 패키지의 제조 방법.
7. The method of claim 6,
The process of forming an insulating part by filling the insulating hole with an organic or inorganic substance,
An insulating part is formed in any one of a method of penetrating from the upper surface to the lower surface of the metal frame and penetrating from the upper surface to one side of the metal frame, so that the insulating part separates the source region, the drain region, and the gate region A method of manufacturing a high-output power semiconductor device package that serves as a barrier rib.
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