(57)【要約】【課題】温度変化によってフィードスルーにクラックが発生することを防止した半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１００は、金属製枠体２０と、金属製ベース１０と、半導体素子３３と、金属製ベース１０上に搭載されたフィードスルー５０を有する。フィードスルー５０は、配線パターン５３を上面に有するセラミック製の下層ブロック５１と、下層ブロック５１上に搭載されたセラミック製の上層ブロック５２を備えている。配線パターン５３に沿った下層ブロック５１と上層ブロック５２の合成断面形状は凸状であり、上層ブロック５２は、上層ブロック５２が挿入される金属製枠体２０から、少なくとも内部空間側に向けて突出している。さらに、フィードスルー５０の配線パターン５３に沿う方向と直交する側面と金属製枠体２０の切り込み２１との間に、配線に沿った少なくとも全側面を覆う凸状の金属製の側面板６０を備える。【選択図】図１
2019216200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製枠体と、
金属製ベースと、
前記金属製枠体と前記金属製ベースによって区画された空間内で、前記金属製ベース上に搭載された半導体素子と、
前記金属製枠体に形成された切り込みに挿入され、前記金属製ベース上に搭載されたフィードスルーを有する半導体装置であって、
前記フィードスルーが、前記空間内と前記半導体装置外部とを電気的に接続する配線を上面に有するセラミック製の下層ブロックと、
該下層ブロック上に搭載されたセラミック製の上層ブロックを備え、
前記配線に沿った前記下層ブロックと前記上層ブロックの搭載方向の合成断面形状は凸状であり、
前記上層ブロックは、該上層ブロックが挿入される前記金属製枠体から、少なくとも前記空間内に向けて突出しており、
さらに、前記フィードスルーの前記配線に沿う方向と直交する側面と前記金属製枠体の切り込みとの間に、前記フィードスルーの前記側面の全体を覆う凸状の金属製の側面板を備える、
半導体装置。
【請求項２】
前記側面板は銅製である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記側面板が、少なくとも該側面板の凸状の前記空間側の段部を埋める三角形状の補強部をさらに有する、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記フィードスルーが、少なくとも該フィードスルーの前記凸状の前記空間側の段部を埋める三角柱状の補強部材をさらに有する、請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記側面板は、少なくとも３００μmの厚さを有する、請求項１から４のいずれか１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置では、水分および異物からの保護のため、半導体素子などの電子部品を気密封止することがある。この場合、封止された電子部品との信号の入力および出力はフィードスルーを介して行われる。このような気密封止型のパッケージにおいて、アルミナ製の凸状のフィードスルーは、温度変化によってフィードスルーを囲い込む金属壁からの応力を受け、クラックが生じ、気密性を失うことがある。このため、特許文献１には、フィードスルー上層部の厚さを金属壁の厚さよりも厚く形成することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−０３８８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された半導体装置では、フィードスルー下層部とフィードスルー上層部との接続点に集中する応力を軽減することができる。一方、例えば、衛星用に使用される半導体装置、あるいは、高出力の半導体素子を搭載した半導体装置では、厳しい温度条件や、温度変化の大きなヒートサイクルによるクラックの発生をより確実に防止することが求められている。
【０００５】
本発明は、これらの実情に鑑みてなされたものであり、温度変化によってフィードスルーにクラックが発生することを防止した半導体装置を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る半導体装置は、金属製枠体と、金属製ベースと、前記金属製枠体と前記金属製ベースによって区画された空間内で、前記金属製ベース上に搭載された半導体素子と、前記金属製枠体に形成された切り込みに挿入され、前記金属製ベース上に搭載されたフィードスルーを有する半導体装置であって、前記フィードスルーが、前記空間内と前記半導体装置外部とを電気的に接続する配線を上面に有するセラミック製の下層ブロックと、該下層ブロック上に搭載されたセラミック製の上層ブロックを備え、前記配線に沿った前記下層ブロックと前記上層ブロックの搭載方向の合成断面形状は凸状であり、前記上層ブロックは、該上層ブロックが挿入される前記金属製枠体から、少なくとも前記空間内に向けて突出しており、さらに、前記フィードスルーの前記配線に沿う方向と直交する側面と前記金属製枠体の切り込みとの間に、前記フィードスルーの前記側面の全体を覆う凸状の金属製の側面板を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、温度変化によってフィードスルーにクラックが発生することを防止した半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る半導体装置の平面図である。
【図２】図１の線II−IIに沿った半導体装置の断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る半導体装置のフィードスルーと側面板を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る半導体装置のフィードスルーを内部から鳥瞰した図である。
【図５】第２の実施形態に係る半導体装置の、側面板を接合したフィードスルーを示す斜視図である。
【図６】第３の実施形態に係る半導体装置の、側面板を接合したフィードスルーを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（本願発明の実施形態の説明）
最初に本願発明の実施形態を列記して説明する。
（１）本発明の一態様に係る半導体装置は、金属製枠体と、金属製ベースと、前記金属製枠体と前記金属製ベースによって区画された空間内で、前記金属製ベース上に搭載された半導体素子と、前記金属製枠体に形成された切り込みに挿入され、前記金属製ベース上に搭載されたフィードスルーを有する半導体装置であって、前記フィードスルーが、前記空間内と前記半導体装置外部とを電気的に接続する配線を上面に有するセラミック製の下層ブロックと、該下層ブロック上に搭載されたセラミック製の上層ブロックを備え、前記配線に沿った前記下層ブロックと前記上層ブロックの搭載方向の合成断面形状は凸状であり、前記上層ブロックは、該上層ブロックが挿入される前記金属製枠体から、少なくとも前記空間内に向けて突出しており、さらに、前記フィードスルーの前記配線に沿う方向と直交する側面と前記金属製枠体の切り込みとの間に、前記フィードスルーの前記側面の全体を覆う凸状の金属製の側面板を備える。この構成により、温度変化によってフィードスルーにクラックが発生することが防止できる。
【００１０】
（２）前記側面板は銅製であってよい。この構成により、フィードスルーのセラミック製の上層ブロックと下層ブロックの両者が、ヤング率の小さい銅製の側面板を介して金属製の金属製枠体に接するため、フィードスルーが金属製の金属製枠体から受ける応力を緩和することができる。
（３）前記側面板が、少なくとも該側面板の前記凸状の前記空間側の段部を埋める三角形状の補強部をさらに有してよい。この構成により、フィードスルーのセラミック製の上層ブロックと下層ブロックの接合部に作用する応力をさらに緩和することができる。
（４）前記フィードスルーが、少なくとも該フィードスルーの前記凸状の前記空間側の段部を埋める三角柱状の補強部材をさらに有してよい。この構成により、フィードスルーのセラミック製の上層ブロックと下層ブロックの接合部が三角形状の補強部材によって補強されるため、応力による影響をさらに緩和することができる。
（５）前記側面板は、少なくとも３００μmの厚さを有することが望ましい。この構成により、フィードスルーが金属製の金属製枠体から受ける応力を充分に緩和することができる。
【００１１】
（本願発明の実施形態の詳細）
以下、図面を参照しながら、本発明の半導体装置に係る好適な実施形態について説明する。以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。なお、本発明はこれらの実施形態での例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内および均等の範囲内におけるすべての変更を含む。また、また、複数の実施形態について組み合わせが可能である限り、本発明は任意の実施形態を組み合わせたものを含む。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の平面図であり、図２は、図１の線II−IIに沿った半導体装置の断面図である。
図１および図２に示すように、半導体装置１００は、金属製ベース１０、金属製枠体２０、リッド（蓋）４０、入力側分岐回路３１、出力側合波回路３５、入力マッチング回路３２、出力マッチング回路３４、半導体チップ３３、および、２つのフィードスルー５０を備えている。なお、図１はリッド４０を透視した図である。
【００１３】
金属製ベース１０は、例えば、約５×１０ｍｍ2のＣｕ（銅）／Ｍｏ（モリブデン）／Ｃｕ（銅）の三層構造の金属の表面にＮｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）のメッキを施したものである。金属製ベース１０の材料としては、例えば、コバール、ＣｕＷ（銅タングステン）、ＣｕＭｏ（銅モリブデン）等が挙げられ、表面に、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｔ（プラチナ）、Ａｇ−Ｐｂ（鉛）等のメッキが被覆されていてよい。金属製ベース１０のＸ軸方向両辺には、切り欠き１１が４か所形成されており、金属製ベース１０を基板に実装し固定するためのネジが挿入される。
【００１４】
金属製ベース１０の上側（Ｚ軸方向プラス側）に、例えばコバールからなる金属製枠体２０が設けられ、金属製枠体２０の上側は、金属製枠体２０と同様にコバールにより形成されたリッド４０に覆われる。金属製枠体２０およびリッド４０の金属材料としては、コバール以外に、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ等を用いてもよい。金属製枠体２０のＹ軸方向に対向する２つの壁の略中央に切り込み２１がそれぞれ設けられ、２つの切り込み２１のそれぞれには入力用、出力用のフィードスルー５０が挿入される。本実施形態では、金属製ベース１０、金属製枠体２０、リッド４０、および、フィードスルー５０がパッケージを構成している。
【００１５】
２つのフィードスルー５０のうち、例えば、Ｙ軸方向マイナス側に位置するものが入力用のフィードスルー５０であり、Ｙ軸方向プラス側に位置するものが出力用のフィードスルー５０となる。フィードスルー５０には、それぞれ配線パターン５３が形成されている。
【００１６】
パッケージに収納される電子部品は、内部空間中央部に、例えば窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）を含む半導体チップ３３を搭載し、この半導体チップ３３を挟んで入力インピーダンス調整用の入力マッチング回路３２と出力インピーダンス調整用の出力マッチング回路３４が搭載される。さらに、それらの外側に、入力側分岐回路３１と出力側合波回路３５が配置される。入力側分岐回路３１と出力側合波回路３５は入力端子となる配線パターン５３に対して半導体チップ３３の幅が広いので、入力信号を均等に各ＦＥＴに配分するため、また、各ＦＥＴからの出力を均等に出力端子に集めるためのものである。
【００１７】
入力側分岐回路３１、入力マッチング回路３２、半導体チップ３３、出力マッチング回路３４、出力側合波回路３５の電子部品は、金属製ベース１０の上面に搭載され、金属製枠体２０は、ＸＹ平面内において、これらの電子部品を囲んでいる。これらの電子部品は、金属製ベース１０、金属製枠体２０、リッド４０、および、フィードスルー５０により、気密封止される。
【００１８】
入力用のフィードスルー５０の配線パターン５３と入力側分岐回路３１、入力側分岐回路３１と入力マッチング回路３２、入力マッチング回路３２と半導体チップ３３、半導体チップ３３と出力マッチング回路３４、出力マッチング回路３４と出力側合波回路３５、および、出力側合波回路３５と出力用のフィードスルー５０の配線パターン５３とは、それぞれボンディングワイヤ３０により電気的に接続されている。ボンディングワイヤ３０は例えばＡｕなどの金属により形成されている。また、半導体チップ３３には裏面電極が形成されており、裏面電極は金属製ベース１０を介してグランド電位に落とされる。
【００１９】
２つのフィードスルー５０上の金属製枠体２０より外側に位置する配線パターン５３には、それぞれ図示しないリードが設けられている。２つのリードの一方（Ｙ軸方向マイナス側）から配線パターン５３に、例えば高周波（Radio Frequency：ＲＦ）信号が入力され、２つのリードのうち他方（Ｙ軸方向プラス側）からＲＦ信号が出力される。またリードには、半導体チップ３３のＦＥＴのバイアス電圧が入力される。フィードスルー５０は伝送線路として機能し、ＲＦ信号がフィードスルー５０を流れる。半導体装置１００は例えばＲＦ信号を増幅する増幅器として機能する。
【００２０】
図３は、第１の実施形態に係る半導体装置のフィードスルーと側面板を示す図であり、図４は、第１の実施形態に係る半導体装置のフィードスルーを内部から鳥瞰した図である。フィードスルー５０は、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などのセラミックからなる下層ブロック５１と、下層ブロック５１の上表面に形成した配線パターン５３と、セラミックからなる上層ブロック５２から構成される。上層ブロック５２のＹ軸方向の幅Ｗ２は金属製枠体２０の壁の幅Ｗ１よりも大きく、さらに下層ブロック５１のＹ軸方向の幅は上層ブロック５２の幅Ｗ２よりも大きく形成されている。上層ブロック５２は下層ブロック５１の上でＹ軸方向中央部に配置され、両者は一体に形成されている。これにより、フィードスルー５０のＹＺ平面、すなわち、配線パターン５３に沿った下層ブロック５１と上層ブロック５２の搭載方向のの断面形状は凸状となっている。そして、フィードスルー５０のＸ軸方向の両側面の全面には、緩衝材としての、例えばＣｕからなる金属板からなる凸状形状を有する側面板６０が設けられている。
【００２１】
側面板６０の厚さは、３００μｍ以上が望ましく、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などからなるロウ材によって、アルミナからなるフィードスルー５０の側面に接合される。側面板６０を接合したフィードスルー５０は、金属製ベース１０と金属製枠体２０の切り込み２１によって形成される開口部に挿入される。側面板６０を接合したフィードスルー５０と開口部との間には、例えば、予めＡｇロウ材が設けられ、加熱することによってフィードスルー５０が金属製ベース１０と金属製枠体２０の切り込み２１によって形成される開口部内に固定される。その際に、図４に示すように、少なくとも、上層ブロック５２が金属製枠体２０の内部側の空間内に突出されるように配置される。また、フィードスルー５０を固定する際に、金属製枠体２０と金属製ベース１０との間にもロウ材あるいは接着剤が設けられて、金属製ベース１０、金属製枠体２０、および、フィードスルー５０の三者が固定される。
【００２２】
ここで、熱膨張による応力解析を行うと、例えば、図４に示すフィードスルー５０に側面板６０を設けず、上層ブロック５２の幅Ｗ２と金属製枠体２０の壁の幅Ｗ１を同じにした場合、応力は、図中Ａで示す、下層ブロック５１と上層ブロック５２との境界部分（段部）で金属製枠体２０の空間内側のＸ軸方向両端部に集中する結果となった。このことは、実際にクラックが発生することによっても確かめられた。下層ブロック５１と上層ブロック５２との境界部分はそもそも材質は同様であっても別部材を接合した箇所であり、かつ、中央部では配線パターン５３を挟んで両部材を接合した箇所に該当する。このため、機械的に弱い箇所に応力が集中するため、境界部分に容易にクラックを生じてしまうと考えられる。
【００２３】
また、応力の集中の原因としては、フィードスルー５０の主材料たるアルミナの熱膨張係数は約７．２×１０-6／℃であるのに対し、フィードスルー５０を囲む金属製枠体２０のコバールの熱膨張係数は約４．８×１０-6／℃であり、金属製ベースのＣｕの熱膨張係数は約１６．７×１０-6／℃である。フィードスルー５０の上層ブロック５２は金属製枠体２０にのみ固定されているが、下層ブロック５１は金属製枠体２０のほかに金属製ベース１０にも固定されている。このため、下層ブロック５１と上層ブロック５２とに作用する熱膨張と収縮による応力の差によって、下層ブロック５１と上層ブロック５２との境界部分であって、金属製枠体２０に近い部分に応力が集中すると考えられる。
【００２４】
これに対して、本実施形態では、フィードスルー５０の上層ブロック５２を金属製枠体２０から、少なくとも金属製枠体２０の内部側の空間内に向けて突出させることによって、下層ブロック５１と上層ブロック５２との境界部分の位置を金属製枠体２０から遠ざけるとともに、金属製枠体２０の切り込み２１との間にフィードスルー５０の全側面を覆う金属製の側面板を設けることによって、下層ブロック５１と上層ブロック５２とに作用する応力の差を小さくしている。このため、境界部分に発生するクラックの発生を防止することができる。
【００２５】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る半導体装置の、側面板を接合したフィードスルーを示す斜視図である。第２の実施形態では、第１の実施形態に比べて、側面板６０’が、破線で示す補強部６１を一体に有している。補強部６１は第１の実施形態の側面板６０の凸状の段部を埋める三角形状をしている点で異なる。そして、補強部６１は、少なくともフィードスルー５０の金属製枠体２０の内部空間側に設けられているが、金属製枠体２０の外側にも設けられてもよい。側面板６０’が補強部６１を有しているため、フィードスルー５０のセラミック製の上層ブロック５２と下層ブロック５１に作用する応力の差が補強部６１によってさらに小さくなるため、応力による接合部のクラックの発生をさらに抑制することができる。
【００２６】
（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に係る半導体装置の、側面板を接合したフィードスルーを示す斜視図である。第３の実施形態では、第２の実施形態に比べて、フィードスルー５０が、少なくとも金属製枠体２０の内部空間側の凸状の段部を埋める三角柱状の補強部材５４を有している点で異なる。三角柱状の補強部材５４は、下層ブロック５１および上層ブロック５２と同等にセラミックからなっており、下層ブロック５１、上層ブロック５２、および、補強部材５４は一体に形成されている。このため、フィードスルー５０のセラミック製の上層ブロックと下層ブロックの境界部分が三角形状の補強部材５４で一体に覆われて補強されるため、両者に作用する応力による影響を、第２の実施形態のものよりもさらに緩和することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１０…金属製ベース、
１１…切り欠き、
２０…金属製枠体、
２１…切り込み、
３０…ボンディングワイヤ、
３１…入力側分岐回路、
３２…入力マッチング回路、
３３…半導体チップ、
３４…出力マッチング回路、
３５…出力側合波回路、
４０…リッド、
５０…フィードスルー、
５１…下層ブロック、
５２…上層ブロック、
５３…配線パターン、
５４…補強部材、
６０…側面板、
６０'…側面板、
６１…補強部、
１００…半導体装置。
【図１】
2019216200.tif 000003
【図２】
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【図３】
2019216200.tif 000005
【図４】
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【図５】
2019216200.tif 000007
【図６】
2019216200.tif 000008