(57)【要約】【課題】放熱性を改善しつつ半導体装置を良好に接地可能な導電性サーマルシートおよび高周波モジュールを提供する。【解決手段】導電性サーマルシートは、シートと、金属層と、を有する。前記シートは、第１の面と前記第１の面とは反対の側となる第２の面とを有し、フレキシブルな導電性材料からなる。前記金属層は、前記第１の面を覆い前記シートの厚さよりも小さい厚さを有する第１領域と、前記第２の面を覆い前記シートの前記厚さよりも小さい厚さを有する第２領域と、を少なくとも有する。前記金属層は、前記第１領域と前記第２領域とを短絡するように前記シートの側面を覆う側面領域、または前記第１の面から前記第２の面に到達するスルーホール内に設けられ前記第１領域と前記第２領域とを短絡する貫通領域を有する。前記金属層の電気伝導度は、前記シートの電気伝導度よりも高い。【選択図】図１
2014175501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面と前記第１の面とは反対の側となる第２の面とを有し、フレキシブルな導電性材料からなるシートと、
前記第１の面を覆い前記シートの厚さよりも小さい厚さを有する第１領域と、前記第２の面を覆い前記シートの前記厚さよりも小さい厚さを有する第２領域と、を少なくとも有する金属層であって、前記第１領域と前記第２領域とを短絡するように前記シートの側面を覆う側面領域、または前記第１の面から前記第２の面に到達するスルーホール内に設けられ前記第１領域と前記第２領域とを短絡する貫通領域を有する、金属層と、
を備え、
前記金属層の電気伝導度は、前記シートの電気伝導度よりも高い導電性サーマルシート。
【請求項２】
前記側面領域の直流電気抵抗と、前記貫通領域の直流電気抵抗と、は、０．０１ｍΩ以下である請求項１記載の導電性サーマルシート。
【請求項３】
前記シートは、グラファイト、シリコン、シリコーンゴム、樹脂のうちのいずれかを含む請求項１または２に記載の導電性サーマルシート。
【請求項４】
前記シートは、熱伝導フィラーを含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の導電性サーマルシート。
【請求項５】
底面を有する金属筐体部と、  
半導体素子と、前記半導体素子からの発生熱の放熱経路となるベース板と、を有する半導体装置と、
前記金属筐体部の前記底面と、前記ベース板の下面と、の間に介挿される請求項１〜４のいずれか１つに記載の導電性サーマルシートと、
を備えた高周波モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、導電性サーマルシートおよび高周波モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力半導体装置には、高い放熱性が要求される。
【０００３】
高出力半導体装置のパッケージは大面積となる。このため、放熱のための金属プレートを有するパッケージが反りを生じやすくなる。
【０００４】
パッケージの金属プレートと実装部材との間に、フレキシブルかつ熱伝導率の高いサーマルシートを挟むと、パッケージの反りがあっても放熱性が改善される。
【０００５】
しかしながら、サーマルシートは、導電性を有していてもその電気伝導度が十分とは言えない。
【０００６】
このため、良好な接地を得ることが困難である。特に、マイクロ波のような高い周波数では、接地を良好にしないと電気的特性が低下しやすくなる。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３２９９８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
放熱性を改善しつつ半導体装置を良好に接地可能な導電性サーマルシートおよび高周波モジュールを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態の導電性サーマルシートは、シートと、金属層と、を有する。前記シートは、第１の面と前記第１の面とは反対の側となる第２の面とを有し、フレキシブルな導電性材料からなる。前記金属層は、前記第１の面を覆い前記シートの厚さよりも小さい厚さを有する第１領域と、前記第２の面を覆い前記シートの前記厚さよりも小さい厚さを有する第２領域と、を少なくとも有する。前記金属層は、前記第１領域と前記第２領域とを短絡するように前記シートの側面を覆う側面領域、または前記第１の面から前記第２の面に到達するスルーホール内に設けられ前記第１領域と前記第２領域とを短絡する貫通領域を有する。前記金属層の電気伝導度は、前記シートの電気伝導度よりも高い。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１（ａ）は第１の実施形態にかかる導電性サーマルシートの模式断面図、図１（ｂ）は第１の実施形態の模式平面図、図１（ｃ）は第１の実施形態の変形例の模式平面図、である。
【図２】図２（ａ）は本実施形態にかかる導電性サーマルシートを用いた高周波モジュールの模式平面図、図２（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った半導体装置近傍の断面図、図２（ｃ）は半導体装置の電流経路を説明する模式図、である。
【図３】図３（ａ）は半導体装置の模式平面図、図３（ｂ）はＤ−Ｄ線に沿った模式断面図、図３（ｃ）は模式斜視図、である。
【図４】半導体装置のベース板の反りを説明する図である。
【図５】比較例にかかる高周波モジュールの半導体装置近傍の模式断面図である。
【図６】図６（ａ）は第２の実施形態にかかる導電性サーマルシートの模式平面図、図６（ｂ）はＦ−Ｆ線に沿った模式断面図、である。
【図７】図７（ａ）は第３の実施形態にかかる導電性サーマルシートの模式断面図、図７（ｂ）はその模式平面図、図７（ｃ）は高周波モジュールの半導体装置近傍の模式断面図、である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる導電性サーマルシートの模式断面図、図１（ｂ）は第１の実施形態の模式平面図、図１（ｃ）は第１の実施形態の変形例の模式平面図、である。
導電性サーマルシート５は、シート１０と、金属層１２と、を有する。
【００１２】
シート１０は、第１の面１０ａと、第１の面１０ａとは反対の側の第２の面１０ｂと、を有し、フレキシブルな導電性材料からなる。  
【００１３】
シート１０は、グラファイト、シリコン、シリコーンゴム、樹脂などのうちのいずれかを含むことができる。グラファイトは、炭素（Ｃ）の六角板状結晶であり、黒鉛や石墨などと呼ばれる。層の面内は、炭素（Ｃ）の共有結合で強く結合されている。他方、層と層との間の結合は弱い。グラファイトシートは、たとえば、１７５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率と、２×１０６Ｓ／ｍの電気伝導度（または電気伝導率、または導電率）と、を有する。第１の実施形態において、導電性シート１０の厚さＴ１は、３０〜２００μｍなどとすることができる。
【００１４】
また、シート１０は、シリコンを含むことができる。この場合、炭化シリコン（ＳｉＣ）フィラーなどを分散配置すると、熱伝導率を２７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）などと高くし放熱性を高めることができる。また、シート１０は、シリコーンゴムなどとすることができる。また、シート１０は、樹脂材料に、熱伝導性フィラーや導電性フィラーなどが分散されたものでもよい。
【００１５】
図１（ａ）に表すように、金属層１２は、第１の面１０ａを覆う第１領域１２ａと、第２の面１０ｂを覆う第２領域１２ｂと、を少なくとも有する。また、金属層１２は、第１領域１２ａと第２領域１２ｂとを短絡するようにシート１０の側面１０ｃを覆う側面領域１２ｃを有する。
【００１６】
金属層１２は、シート１０の電気伝導度よりも高い電気伝導度を有する。また、金属層１２の第１領域１２ａの厚さＴ２と第２領域１２ｂシート１０の厚さＴ３は、シート１０の厚さＴ１よりもよりも小さくする。このようにすると、導電性サーマルシート５は、フレキシビリティを維持できる。また、側面領域１２ｃの直流電気抵抗は、０．０１ｍΩ以下とすると、接地を良好にできる。
【００１７】
たとえば、金属層１２の第１領域１２ａ厚さＴ２と第２領域１２ｂのＴ３は、ともに５〜３０μｍなどとすることができる。金属層１２は、金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの金属層とすることができる。
【００１８】
図１（ｂ）は、２つの側面領域１２ｃが、互いに反対側に設けられた導電性サーマルシートを表す。Ａ−Ａ線に沿った断面は、図１（ａ）のようになる。
【００１９】
図１（ｃ）は、側面領域１２ｃが、４つの側面に設けられた導電性サーマルシートを表す。すなわち、Ｂ−Ｂ線に沿った断面も図１（ａ）のようになる。
【００２０】
図２（ａ）は本実施形態にかかる導電性サーマルシートを用いた高周波モジュールの模式平面図、図２（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った半導体装置近傍の断面図、図２（ｃ）は半導体装置の直流電流経路および高周波電流経路を説明する模式図、である。
高周波モジュール３０は、金属筐体部３４と、高周波半導体装置３２と、導電性サーマルシート５と、回路基板３６と、を有する。
【００２１】
金属筐体部３４には底面３４ａを有する。 底面３４ａには導電性サーマルシート５が配設される。導電性サーマルシート５の上にＨＥＭＴ(High  Electron  Moblity  Tranjistor)のような半導体装置９２が配設される。
【００２２】
図２（ａ）は、高周波モジュールがＨＥＭＴ増幅器である場合を表す。回路基板９６は、導電パターンからなる整合回路９６ａ、９６ｂ、９６ｃ、９６ｄ、９６ｅ、ゲートバイアス端子Ｖｇ１、Ｖｇ２、ドレインバイアス端子Ｖｄ１、Ｖｄ２などを有する。回路基板９６は金属筐体部３４の底面３４ａに配設される。
【００２３】
図２（ｂ）に表すように、導電性サーマルシート５はフレキシブルであるので、ネジ止めなどにより、半導体装置９２と金属筐体部３４との間の隙間を埋める。このため、半導体装置９２の発熱源ＨＧで発生した熱は、導電性サーマルシート５、金属筐体部３４を通る放熱経路ＨＦから外部に放熱される。すなわち、シート１０をグラファイトのような高熱伝導材料や熱伝導フィラーが分散配置され熱伝導率が高められた材料、すなわち弾性がある材料を挟むことにより密着性を高めることにより放熱性が高められる。
【００２４】
図２（ｃ）は、直流電流経路および高周波電流経路を説明する模式断面図である。ＨＥＭＴなどの半導体装置９２が、マイクロ波で動作する場合、電流のうちの高周波成分Ｉrf_GNDは、表皮効果により導体の表面に集中する。たとえば、１０ＧＨｚにおいて、電流が表面電流の略３７％（１／ｅ）となる表皮深さは、Ａｕでは略０．７９μｍなどとなる。すなわち、高周波電流成分Ｉrf_GND（ドット線）は、半導体装置９２ｂを構成するベース板７２の金属表面近傍と、導電性サーマルシート５の金属層１２の表面近傍と、を流れる。
【００２５】
半導体装置９２の信号入力基準面ＰＩおよび信号出力基準面ＰＯでは、良好な接地が保たれる。このため、インピーダンス整合のずれが抑制され、安定動作が可能である。他方、直流電流成分Ｉｄｃは、導体の内部を流れるので、発熱源ＨＧの下方のシート１０の厚さ方向に伝導して金属筐体部３４へ流れる。
【００２６】
なお、高周波モジュールは、増幅器に限定されず、発振器やＶＣＯ（Voltage  Controlled  Oscillator)などであってもよい。
【００２７】
図３（ａ）は半導体装置の模式平面図、図３（ｂ）はＤ−Ｄ線に沿った模式断面図、図３（ｃ）は模式斜視図、である。
半導体装置は、パッケージと、その内部に設けられたＨＥＭＴなどの半導体素子７０と、入力整合回路５０と、出力整合回路６０と、蓋部８０と、を有する。
【００２８】
パッケージは、ベース板７２と、枠部３９と、入力リード４０と、出力リード４２と、を有する。ベース板７２は、銅、銅合金、金属を含む複合材料などとすることができる。
【００２９】
高出力を得ようとする場合、ＨＥＭＴなどの半導体素子７０は、図３（ａ）に表すように、細長いサイズとし、中央部での温度を低減する。また、図３（ｂ）の模式断面図に表すように、チップの位置が発熱源となり、金属筐体部３４から熱を外部へ排出する。
【００３０】
パッケージ内の整合回路は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）焼結体などのセラミックなどからなる基板上に導電部をパターニングすることにより設けることができる。入力整合回路５０とベース板７２と、は、ＡｕＳｎ半田４４などで接着できる。また、出力整合回路６０と、ベース板７２と、は、ＡｕＳｎ半田４６などで接着できる。ＡｕＳｎ半田材の接着工程のあと、ＡｕＳｎ半田の融点（略２８０℃）から室温までの降温工程において、線膨張率の差異によりベース板７２の下面７２ａには反りを生じることがある。
【００３１】
図４は、半導体装置のベース板の反りを説明する図である。
ベース板７２の下面７２ａに反りが生じても、フレキシブルな導電性サーマルシート５を用いることにより、隙間を埋めることができる。たとえば、反り量が３０μｍ程度である場合、シート１０の厚さＴ１を１００μｍ以上とするとベース板７２と金属筐体部３４の底面３４ａとの隙間に本実施形態の導電性サーマルシート５で充填し、放熱性を改善しつつ、接地特性を良好にできる。
【００３２】
図５は、比較例にかかる高周波モジュールの半導体装置近傍の模式断面図である。
比較例において、高周波電流成分Ｉrf_GNDは、ベース板１７２の表面近傍を流れ、導電性サーマルシート１０５の表面に到達する。導電性サーマルシート１０５の電気伝導度はＡｕの略２１分の１と低いため、導電性サーマルシート１０５を介して金属筐体部１３４に対して良好な接地することが困難である。また、導電性サーマルシート１０５の押し付け状態により、接触抵抗が変化を生じやすい。このため、高周波特性が変化することがある。
【００３３】
これに対して、高い電気伝導度を有する金属層１２で覆われている本実施形態では、導電性サーマルシート５の金属層１２を介して、ベース板７２と金属筐体部３４の底面３４ａとの接触抵抗を低くすることができる。このため、図２（ｂ）に表すように、半導体素子７０の入力信号基準面Ｐ１および出力信号基準面ＰＯで確実にかつ安定して接地ができる。
【００３４】
図６（ａ）は第２の実施形態にかかる導電性サーマルシートの模式平面図、図６（ｂ）はＥ−Ｅ線に沿った模式断面図、である。
【００３５】
金属層１２は、シート１０に設けられたスルーホール１０ｄ内に、第１領域１２ａと第２領域１２ｂとを短絡する貫通領域１２ｄを有してもよい。金属層１２の厚さＴ２、Ｔ３は、５〜３０μｍなどとすることができる。なお、図６（ａ）は、Ｆ−Ｆ線に沿った模式平面図である。このようにしても、貫通領域１２ｄの直流電気抵抗は、０．０１ｍΩ以下とすることができる。
【００３６】
ここで、導電性サーマルシートのサイズが１０ｍｍ（縦）×１０ｍｍ（横）×１００μｍ（厚さ）とする。また、その材料は、電気伝導度が２×１０６Ｓ／ｍのグラファイトで構成するものとする。また、側面領域１２ｃや貫通領域１２ｄをＡｕ（電気伝導度：４１×１０６Ｓ／ｍ）からなるものとする。Ａｕの電気伝導度は、グラファイトの略２１倍と高いので、熱伝導を良好に保ちつつ電気抵抗を低減できる。
【００３７】
図７（ａ）は第３の実施形態にかかる導電性サーマルシートの模式断面図、図７（ｂ）はその模式平面図、図７（ｃ）は高周波モジュールの半導体装置近傍の模式断面図、である。
金属層１３は、対向する２つの側面１３ｃの近傍領域に設けられてもよい。この場合、金属層１３の厚さＴ２、Ｔ３を１０μｍ以下などと薄くすると、導電性サーマルシート５の下面と筐体３４の底面３４ａとが密着しやすく、かつ導電性サーマルシート５の上面とベース板７２とが密着しやすくなる。このため、放熱性が改善される。
【００３８】
また、図７（ｃ）に表すように、高周波成分電流Ｉrf_GNDは、金属層１３を流れて接地を良好にする。他方、直流電流成分Ｉｄｃは、シート１０の中央部を通り金属筐体部３４へ流れ込み外部へ熱を排出することができる。
【００３９】
第１〜第３の実施形態にかかる導電性サーマルシートは、高い放熱性を保ちつつ半導体装置を良好に接地可能である。このため、高周波モジュールの電気的特性および信頼性を改善することができる。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４１】
５  導電性サーマルシート、１０  シート、１０ａ  第１の面、１０ｂ  第２の面、１０ｃ  側面、１０ｄ  スルーホール、１２  金属層、１２ａ  第１領域、１２ｂ  第２領域、１２ｃ  側面領域、１２ｄ  貫通領域、３４  金属筐体部、３４ａ  底面、７０  半導体素子、７２  （半導体装置の）ベース板、７２ａ  下面、９２、９２ａ、９２ｂ  半導体装置、９６  回路基板、ＨＦ  放熱経路  
【図１】
2014175501.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014175501.tif 000008
【図７】
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