特許 7609340 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-23

(45)【発行日】2025-01-07

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20241224BHJP

   H01L 23/04 20060101ALI20241224BHJP

   H01L 25/00 20060101ALI20241224BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 C

H01L23/04 Z

H01L25/00 B

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2024550574

(86)(22)【出願日】2024-04-17

(86)【国際出願番号】 JP2024015299

【審査請求日】2024-08-26

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003199

【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小柳 有矢

(72)【発明者】

【氏名】宮脇 勝巳

(72)【発明者】

【氏名】隈 高宏

【審査官】鹿野 博司

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－１７９２５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１９８１９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－１９７１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３２４７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／００８４２４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－５５０４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平９－２９３８０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

Ｈ０１Ｌ ２３／０４

Ｈ０１Ｌ ２５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のベース板と、
前記第１のベース板に導電性の接合材により接合され、前記第１のベース板よりも熱伝導率が低い第２のベース板と、
前記第１のベース板の上に設けられた半導体チップと、
前記第２のベース板の上に設けられた電子部品と、
前記第１のベース板及び前記第２のベース板の上に設けられ、前記半導体チップ及び前記電子部品を囲む外枠と、
前記外枠の上に接合され、前記半導体チップ及び前記電子部品を気密封止するキャップとを備え、
前記第１のベース板と前記第２のベース板の接合面が傾斜していることを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

前記接合面は前記第１のベース板の底面に対して４５度傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

第１のベース板と、
前記第１のベース板に導電性の接合材により接合され、前記第１のベース板よりも熱伝導率が低い第２のベース板と、
前記第１のベース板の上に設けられた半導体チップと、
前記第２のベース板の上に設けられた電子部品と、
前記第１のベース板及び前記第２のベース板の上に設けられ、前記半導体チップ及び前記電子部品を囲む外枠と、
前記外枠の上に接合され、前記半導体チップ及び前記電子部品を気密封止するキャップとを備え、
前記第１のベース板の接合面の下側領域と前記第２のベース板の接合面の下側領域が前記接合材により接合され、
前記第１のベース板又は前記第２のベース板の接合面の上側領域に前記接合材の濡れ広がりを防ぐ処理が施され、
前記第１のベース板の接合面の上側領域と前記第２のベース板の接合面の上側領域の間に空気層が存在することを特徴とする半導体装置。

【請求項4】

第１のベース板と、
前記第１のベース板に導電性の接合材により接合され、前記第１のベース板よりも熱伝導率が低い第２のベース板と、
前記第１のベース板の上に設けられた半導体チップと、
前記第２のベース板の上に設けられた電子部品と、
前記第１のベース板及び前記第２のベース板の上に設けられ、前記半導体チップ及び前記電子部品を囲む外枠と、
前記外枠の上に接合され、前記半導体チップ及び前記電子部品を気密封止するキャップとを備え、
前記第２のベース板は、前記第１のベース板の上に配置され、開口部を有し、
前記半導体チップは、前記開口部において前記第１のベース板の上に設けられ、
前記電子部品の下方において、前記第１のベース板の上面に前記接合材の濡れ広がりを防ぐ処理が施され、前記第１のベース板と前記第２のベース板の間に空気層が存在することを特徴とする半導体装置。

【請求項5】

前記空気層を囲む領域において前記第１のベース板と前記第２のベース板が前記接合材により接合されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記第１のベース板と前記第２のベース板は前記接合材を介して電気的に接続され、
前記半導体チップの下面電極は前記第１のベース板に電気的に接続され、
前記電子部品の下面電極は前記第２のベース板に電気的に接続され、
前記半導体チップの上面電極と前記電子部品の上面電極はワイヤにより電気的に接続されていることを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記半導体チップは高周波増幅器であり、
前記電子部品はコンデンサであることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。

【請求項8】

前記電子部品は高誘電率系のチタン酸バリウム系材料を使用したセラミックコンデンサであることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。

【請求項9】

前記半導体チップはＧａＮデバイスであることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ベース板の上に半導体チップと電子部品が実装された半導体装置において、発熱源である半導体チップからベース板を介して電子部品に熱が伝わる。このため、発熱量の大きい半導体チップを用いた場合、定格温度の低い電子部品は使用できない。これに対して、チップと電子部品の間においてベース板を分離して伝熱を抑制することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２００２／０１７４００号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

半導体チップと電子部品をパッケージ内で気密封止する半導体装置においてベース板を分離すると気密性が損なわれてしまうという問題があった。

【0005】

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は半導体チップから電子部品への伝熱を抑制しつつ気密性を確保することができる半導体装置を得るものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る半導体装置は、第１のベース板と、前記第１のベース板に導電性の接合材により接合され、前記第１のベース板よりも熱伝導率が低い第２のベース板と、前記第１のベース板の上に設けられた半導体チップと、前記第２のベース板の上に設けられた電子部品と、前記第１のベース板及び前記第２のベース板の上に設けられ、前記半導体チップ及び前記電子部品を囲む外枠と、前記外枠の上に接合され、前記半導体チップ及び前記電子部品を気密封止するキャップとを備え、前記第１のベース板と前記第２のベース板の接合面が傾斜していることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本開示では、半導体チップが実装された第１のベース板よりも、電子部品が実装された第２のベース板の方が熱伝導率が低い。これにより、半導体チップから電子部品への伝熱を抑制することができる。また、第１のベース板と第２のベース板を接合材で接合しているため、パッケージ内を気密封止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。

【図2】実施の形態１に係る第１及び第２のベース板の上面を示す図である。

【図3】実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。

【図4】実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。

【図5】実施の形態３に係る第１及び第２のベース板の上面を示す図である。

【図6】図５のＡ－Ａ´に沿った断面図である。

【図7】図５のＢ－Ｂ´に沿った断面図である。

【図8】実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。

【図9】実施の形態４に係る第１及び第２のベース板の上面を示す図である。

【図10】実施の形態５に係る半導体装置を示す断面図である。

【図11】実施の形態５に係る第１のベース板の上面を示す図である。

【図12】実施の形態６に係る半導体装置を示す断面図である。

【図13】実施の形態６に係る第１のベース板の上面を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

【0010】

実施の形態１
図１は、実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。図２は、実施の形態１に係る第１及び第２のベース板の上面を示す図である。第１のベース板１と第２のベース板２が導電性の接合材３により接合されている。接合材３はＡｇろう材又はＡｕＳｎはんだ等である。第１のベース板１は例えばＣｕ－Ｍｏ合金からなる。第２のベース板２はＦｅ－Ｎｉ－Ｃｏ合金からなる。第２のベース板２は第１のベース板１よりも熱伝導率が低い。低放熱性の第２のベース板２には高放熱性の第１のベース板１よりも安価な材料を選択できるため、コストを削減できる。

【0011】

半導体チップ４が第１のベース板１の上に設けられている。電子部品５が第２のベース板２の上に設けられている。半導体チップ４の下面電極４ａは第１のベース板１に接合材６を介して電気的に接続されている。電子部品５の下面電極５ａは第２のベース板２に接合材７を介して電気的に接続されている。第１のベース板１と第２のベース板２は接合材３を介して電気的に接続されているため、半導体チップ４の下面電極４ａ及び電子部品５の下面電極５ａを共通の接地電位に接続することができる。

【0012】

半導体チップ４の上面電極４ｂと電子部品５の上面電極５ｂはワイヤ８により電気的に接続されている。半導体チップ４は例えばモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）の高周波増幅器である。電子部品５は、例えば、半導体チップ４の入力側にシャント接続されたコンデンサである。

【0013】

外枠９が、第１のベース板１及び第２のベース板２の上に設けられ、半導体チップ４及び電子部品５を囲んでいる。外枠９は、３層構造のセラミック９ａ～９ｃとシールリング９ｄを有する。上段のセラミック９ｃの上面がメタライズされ、シールリング９ｄの下面に接合材１０で接合されている。中段のセラミック９ｂの下面がメタライズされ、第１のベース板１及び第２のベース板２の上面外周部に接合材１１で接合されている。キャップ１２がシールリング９ｄの上面に接合材１３により接合され、パッケージ内の半導体チップ４及び電子部品５を気密封止する。なお、第１のベース板１と第２のベース板２の間は接合材３で完全に充填され、中段のセラミック９ｂと第１のベース板１及び第２のベース板２の間も接合材１１で完全に充填され、それぞれ気密が取れている。

【0014】

接合材３，６，７，１０，１１，１３として同じ材料を用いてもよい。ただし、ろう材は金属とセラミックの接合に使用できるが、はんだはそのままでは使用できない。従って、接合材１０，１１としてはんだを用いる場合は、上段のセラミック９ｃの上面及び中段のセラミック９ｂの下面をメタライズしておく必要がある。

【0015】

以上説明したように、本実施の形態では、半導体チップ４が実装された第１のベース板１よりも、電子部品５が実装された第２のベース板２の方が熱伝導率が低い。これにより、半導体チップ４の熱を放熱しつつ、半導体チップ４から電子部品５への伝熱を抑制することができる。この結果、発熱量の大きい半導体チップ４を用いた場合でも定格温度の低い電子部品５を使用することができる。また、第１のベース板１と第２のベース板２を接合材３で接合しているため、パッケージ内を気密封止することができる。これにより、パッケージ外部の水分又はガスによる半導体チップ４の劣化を防止することができる。

【0016】

高周波デバイスで使用するセラミックコンデンサは主に高誘電率系のチタン酸バリウム系材料を使用している。この材料は温度特性を持っており、高温域で静電容量変化が大きいため定格温度が低い。従って、電子部品５が高誘電率系のチタン酸バリウム系材料を使用したセラミックコンデンサである場合に本実施の形態は特に有効である。

【0017】

ＧａＮのバンドギャップ３．４ｅＶは、ＧａＡｓのバンドギャップ１．４２４ｅＶよりも大きい。半導体材料のバンドギャップが高いと絶縁破壊電圧が高く、高電圧で動作可能である。ＧａＮデバイスはＧａＡｓデバイスよりも発熱量の大きいため、半導体チップ４がＧａＮデバイスの場合に本実施の形態は特に有効である。

【0018】

実施の形態２
図３は、実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。第１のベース板１と第２のベース板２の接合面が傾斜している。このため、接合時に高温炉へ投入した際に第１のベース板１と第２のベース板２が摩擦により互いに接触した状態で保持される。従って、第１のベース板１と第２のベース板２を平坦な治具に載せればよく、両者を強制的に接触させる治具を用いる必要が無い。

【0019】

半導体チップ４から下方への熱の広がりは４５則に従う。このため、第１のベース板１の接合面が第１のベース板１の底面に対して４５度傾斜していることが望ましい。これにより、半導体チップ４からの放熱が阻害されない。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。

【0020】

実施の形態３
図４は、実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。図５は、実施の形態３に係る第１及び第２のベース板の上面を示す図である。図６は図５のＡ－Ａ´に沿った断面図である。図７は図５のＢ－Ｂ´に沿った断面図である。第１のベース板１の接合面の下側領域と第２のベース板２の接合面の下側領域が接合材３により接合されている。第２のベース板２の接合面の上側領域にアルミナコート１４が塗布されている。アルミナコート１４は第２のベース板２の素材に比べて接合材３の濡れ性が悪い。なお、第１のベース板１の接合面の上側領域にアルミナコート１４を塗布してもよい。即ち、第１のベース板１又は第２のベース板２の接合面の上側領域に接合材３の濡れ広がりを防ぐ処理が施されている。このため、第１のベース板１の接合面の上側領域と第２のベース板２の接合面の上側領域の間には、接合材３が濡れ広がらず、空気層１５が存在する。この空気層１５により、半導体チップ４から電子部品５への伝熱を更に抑制することができる。この結果、電子部品５の温度上昇を更に抑制することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。

【0021】

実施の形態４
図８は、実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。図９は、実施の形態４に係る第１及び第２のベース板の上面を示す図である。第２のベース板２は、第１のベース板１の上に配置され、開口部２ａを有する。半導体チップ４は、第２のベース板２の開口部２ａにおいて、第２のベース板２を介することなく第１のベース板１の上に設けられている。このような構成でも半導体チップ４から電子部品への伝熱を抑制することができ、パッケージ内を気密封止することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。

【0022】

実施の形態５
図１０は、実施の形態５に係る半導体装置を示す断面図である。図１１は、実施の形態５に係る第１のベース板の上面を示す図である。電子部品５の下方において、第１のベース板１の上面にアルミナコート１４が塗布されている。アルミナコート１４は第１のベース板１の素材に比べて接合材３の濡れ性が悪い。即ち、電子部品５の下方において、第１のベース板１の上面に接合材３の濡れ広がりを防ぐ処理が施されている。このため、電子部品５の下方において、接合材３が濡れ広がらず、第１のベース板１と第２のベース板２の間に空気層１５が存在する。この空気層１５により、半導体チップ４から電子部品５への伝熱を更に抑制することができる。この結果、電子部品５の温度上昇を更に抑制することができる。その他の構成及び効果は実施の形態４と同様である。

【0023】

実施の形態６
図１２は、実施の形態６に係る半導体装置を示す断面図である。図１３は、実施の形態６に係る第１のベース板の上面を示す図である。実施の形態５では空気層１５と半導体チップ４の間で第２のベース板２が第１のベース板１に接合されず浮いた片持ち梁の構造になっている。これに対して、本実施の形態では、空気層１５の全周を囲む領域において第１のベース板１と第２のベース板２が接合材３により接合されている。空気層１５の全周を支持することにより、実施の形態５の片持ち梁の構造に比べて第２のベース板２が壊れにくい。その他の構成及び効果は実施の形態５と同様である。

【符号の説明】

【0024】

１ 第１のベース板、２ 第２のベース板、２ａ 開口部、３ 接合材、４ 半導体チップ、４ａ，５ａ 下面電極、４ｂ，５ｂ 上面電極、５ 電子部品、８ ワイヤ、９ 外枠、１２ キャップ、１４ アルミナコート（接合材の濡れ広がりを防ぐ処理）、１５ 空気層

【要約】

第１のベース板（１）と第２のベース板（２）が導電性の接合材（３）により接合されている。第２のベース板（２）は第１のベース板（１）よりも熱伝導率が低い。半導体チップ（４）が第１のベース板（１）の上に設けられている。電子部品（５）が第２のベース板（２）の上に設けられている。外枠（９）が第１のベース板（１）及び第２のベース板（２）の上に設けられ、半導体チップ（４）及び電子部品（５）を囲む。キャップ（１２）が外枠（９）の上に接合され、半導体チップ（４）及び電子部品（５）を気密封止する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】