(57)【要約】【課題】半導体チップの搭載部材とベース部材とが、極めて安価な一体構造で一部材で形成され、且つ、電気的にも金属の有する抵抗のみの低抵抗値で導通された構成の半導体装置を提供する。【解決手段】配線が形成された配線基板１２と、配線に電気的に接続される半導体チップ１３と、配線基板１２と半導体チップ１３が搭載される金属製のベース部材１５とを備えた半導体装置であって、半導体チップ１３の搭載領域部１４は、配線基板１２の搭載面側に突き出るようにベース部材１５と一体に形成されている。半導体チップの搭載領域部１４は、ベース部材１２をプレス成形して形成される。また、半導体チップの搭載領域部１４の搭載面１４ａには、半導体チップの搭載位置を示す溝２０が設けられる。さらに、半導体チップの搭載領域部１４は、角部が円弧状に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線が形成された配線基板と、前記配線に電気的に接続される半導体チップと、前記配線基板と前記半導体チップが搭載される金属製のベース部材とを備えた半導体装置であって、
前記半導体チップの搭載領域部は、前記配線基板の搭載面側に突き出るように前記ベース部材と一体に形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体チップの搭載領域部は、前記ベース部材をプレス成形して形成され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】
前記ベース部材の前記半導体チップの搭載領域部に対応する裏面部分が、窪んでいることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体チップの搭載領域部の搭載面に、前記半導体チップの搭載位置を示す溝が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ベース部材の表面にＡｕメッキが施されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体チップの搭載領域部は、角部が円弧状に形成されていることを特徴とする請求項２又は３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、配線基板、半導体素子を金属製のベース上に搭載実装してなる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ミリ波乃至マイクロ波帯の高周波領域で使用される半導体素子、例えば、バイポーラトランジスタ、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）等を実装する場合、単に半導体素子を接続しても、安定な電気的接続が必ずしも保証されているわけではない。また、ＦＥＴを超高周波で動作させる場合は、必然的に動作電流を大きくしなければならず、発熱も大きくなり、実装面においては発熱対策も重要になってくる。
【０００３】
従来、半導体素子（以下、半導体チップという）を熱伝導性及び導電性のよい搭載部材を介して金属製のベース部材に搭載するとともに、配線用の配線基板をベース部材に搭載してなる半導体装置が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。図４（Ａ）は特許文献１に開示の半導体装置の概略を説明する図、図４（Ｂ）は特許文献２に開示の半導体装置の概略を説明する図である。図中、１は半導体装置、２は配線基板、３は半導体チップ、４は搭載部材、４ａはチップ搭載面、４ｂは土台部、４ｃはチップ搭載部、５はベース部材、６は穴、７は開孔、８はボンディングワイヤ、９は導電性接着剤、１０は溝を示す。
【０００４】
図４（Ａ）において、半導体チップ３を搭載する搭載部材４は、熱伝導性及び導電性のよい銅などの金属から構成され、その表面に金メッキが施されている。搭載部材４の側面とベース部材５の穴６の内壁面とは同一形状で、搭載部材４はベース部材５に圧入により嵌め込まれる。ベース部材５の穴６の内壁面と搭載部材４の側面とは、密接して摩擦作用により接合されるので、締り嵌めの関係でベース部材５に対して確実に固定され、搭載部材４とベース部材５との間の熱抵抗を低減させることができるとされている。また、搭載部材４の側面とベース部材５の穴６は、角がない長円形状で形成することにより、密接度を一層高めることができ、ベース部材５に対する搭載部材４の固定を一層確実にすることができるともされている。
【０００５】
搭載部材４の下面はベース部材５の下面とは面一にされ、搭載部材４の上面のチップ搭載面４ａは、配線基板２を搭載するためのベース部材５の上面から所定高さで突出し、配線基板２の上面と実質的に同じ高さになるように設定されている。配線基板２は、ベース部材５とほぼ同形の大きさの板状で、上面に配線導体が形成されており、ボンディングワイヤ８を介して半導体チップ３に信号伝送のための電気的接続が行なわれる。この配線基板２は、開孔７に搭載部材４を挿通させた状態で、ベース部材５の上面に搭載され、導電性接着剤９により接着固定される。配線基板２とベース部材５とを半田付けでなく導電性接着剤９により接着されているため、半田付に伴うフラックスの塗布や洗浄工程が不要となり、製造工程の簡略化が可能となるとされている。
【０００６】
半導体チップ３は、例えば、半導体基板上にゲート領域、ソース領域及びドレイン領域を形成したＦＥＴなどの半導体素子である。この半導体チップ３は、搭載部材４のチップ搭載面４ａに載置され、金錫合金（ＡｕＳｎ）により半田付されている。チップ搭載面４ａには溝１０が設けられていて、半田付した際に、余分な半田材は溝１０に流れ込んで、半田材がチップ搭載面４ａの全面に広がるのを抑制している。この結果、半田材の影響を受けることなくワイヤボンディングを施すことが可能となって電気的な接続をより確実なものとすることができるとされている。
【０００７】
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の搭載部材４が、チップ搭載部４ｃと土台部４ｂとで構成されている点で異なる例である。土台部４ｂの高さは、ベース部材５の厚さと同じになるように設定され、土台部４ｂの外形は配線基板２の開孔７より大きくされている。ベース部材５の穴６は、土台部４ｂが図４（Ａ）の場合と同様に圧入により嵌め込まれて、密接固定するように形成されている。また、搭載部材４の土台部４ｂとベース部材５の穴６は、角がない長円形状で形成することにより、密接度を高めるようにもしている。
【０００８】
配線基板２は、導電性接着剤９によりベース部材５上に接着固定される。導電性接着剤９は、ベース部材５上のみならず、搭載部材４の土台部４ｂの上面まで塗布され、搭載部材４、ベース部材５及び配線基板２の裏面が電気的に導通されている。これにより、土台部４ｂとベース部材５の摩擦接触による抵抗値にバラツキがあっても、電気的に安定した導通を図ることができ、高周波に対して安定した特性を得ることができるとされている。
【特許文献１】特開２００３−３１７４１号公報
【特許文献２】特開２００３−２５８１４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）のいずれの構成においても、搭載部材４とベース部材５は、圧入による嵌め込みで電気的な導通と機械的な固定が形成されている。しかしながら、良好な電気的な導通と機械的な固定を得るには、搭載部材４の嵌入部分（図４（Ｂ）においては土台部４ｂの部分）とベース部材５の穴６が高精度で形成されていることが必要である。このため、高精度の機械加工と組立てを必要とし、コスト的には不利となっている。また、図４（Ｂ）のように、搭載部材４とベース部材５を導電性接着剤９により導通させるとしても、導電性接着剤９は、金属導体と比べて導電率が必ずしもよいとは言えず、低抵抗接続に対しても十分ではない。
【００１０】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、半導体チップの搭載部材とベース部材とが、極めて安価な一体構造で一部材で形成され、且つ、電気的にも金属の有する抵抗のみの低抵抗値で導通された構成の半導体装置の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による半導体装置は、配線が形成された配線基板と、配線に電気的に接続される半導体チップと、配線基板と半導体チップが搭載される金属製のベース部材とを備えた半導体装置であって、半導体チップの搭載領域部は、配線基板の搭載面側に突き出るようにベース部材と一体に一部材で形成される。また、半導体チップの搭載領域部は、ベース部材をプレス成形して形成される。また、半導体チップの搭載領域部の搭載面には、半導体チップの搭載位置を示す溝が設けられる。さらに、半導体チップの搭載領域部は、角部が円弧状に形成されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の構成によれば、半導体チップの搭載領域部は金属製のベース部材と機械的な結合がない一体構造に一部材で形成されるため、結合のための機械加工や嵌め込み作業がなく、極めて安価に製造することができる。また、半導体チップの搭載領域部とベース部材は、一体構造で一部材であるため、導通抵抗が低く高周波に対する電気的特性の安定したものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図により本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による半導体装置の概略を説明する図、図２（Ａ）は半導体チップ搭載部の第１の実施形態を示す図、図２（Ｂ）は半導体チップ搭載部の第２の実施形態を示す図である。図中、１１は半導体装置、１２は配線基板、１３は半導体チップ、１４はチップ搭載部、１４ａはチップ搭載面、１５はベース部材、１６は凹部、１７は開孔、１８はボンディングワイヤ、１９は半田材、２０は溝、２１はカバー、２２は配線導体、２３は回路素子、２４は端子、２５はポッティング樹脂を示す。
【００１４】
本発明による半導体装置１１は、図１に示すように配線基板１２とこれに接続される半導体チップ１３と、これらを搭載するベース部材１５を備えている。これをカバー２１により全体を覆い、外部接続用の端子２４等を接続し、通常ハイブリット集積回路モジュールとも言われている半導体装置である。また、発熱のある半導体チップ１３等に対しては導熱性の部材を用いてベース部材１５を通して放熱が行なわれるように構成される。更に、必要に応じて、モジュール全体は、放熱フィンを備えた放熱器等に搭載して使用される。
【００１５】
配線基板１２は、エポキシ樹脂等の樹脂材料で多層に形成され基板上に、所定のパターンで配線導体２２を形成し、例えば、コンデンサ、抵抗、インダクタ等の複数の回路素子２３等を、別工程で予め３００℃程度で溶融するソルダリングにより搭載しておく。また、発熱のある半導体チップ等を搭載する部分には、開孔１７が設けられている。この配線基板１２には、外部回路への接続ための端子２４が接続され、また、必要に応じてスルホールを設けて基板下面側に接地接続のための導体が形成されている。
【００１６】
ベース部材１５は、銅などの熱伝導性のよい金属板から形成され、配線基板１２を搭載し得る形状の外形を有し、両端に取付け部１５ａを設け、表面にニッケルメッキ等を施して外装ケースの底板としての機能を備えている。このベース部材１５は、例えば、幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍで厚さ２.０ｍｍの銅板を、プレス加工等で所望の位置に半導体チップ１３の搭載領域部（以下、チップ搭載部という）１４が突き出るように加工する。例えば、このプレス加工でチップ搭載部１４の厚さを元の厚さの２.０ｍｍとし、他の部分を１.２ｍｍ程度の薄さになるようにプレスする。これにより、チップ搭載部１４は、接合のための機械加工や嵌め込みを行なうことなく、ベース部材１５と一体に一部材で形成される。なお、取付け部１５ａ、或いは、カバー２１との結合用耳片等の形状、構造については任意であって、また、これらの加工形態も本発明の範囲外で、任意な形態で実施することができる。
【００１７】
チップ搭載部１４の上面のチップ搭載面１４ａは、平坦度が要求されることから０.２ｍｍ程度研磨して、表面を平坦にする。この結果、厚さ１.８ｍｍとなり、他の平面部から０.６ｍｍ程度突き出たチップ搭載部１４が形成される。また、チップ搭載面１４ａには、半導体チップ１３を半田付けする際の搭載位置を示すマークとして、例えば、コ字状の溝２０を形成しておく。この溝２０は、刻印用の治具やポンチを用いて簡単に形成することができ、前記したコ字状以外にロ字状、Ｕ字状、単なるバー状などであってもよく、また、プレス加工の前に形成しておいてもよく、後であってもよいものである。
【００１８】
ベース部材１５は、プレス加工の後、全体を洗浄し全面にＮｉメッキを施し、更に全面にＡｕメッキを施すのが好ましい。しかし、本発明では、チップ搭載面１４ａ、或いは、ベース部材１５の裏面を除く上面側全体というように、限定的にＡｕメッキすることを排除するものではない。チップ搭載部１４は、ベース部材１５を機械的或いは化学的にエッチングすることによっても形成することができる。この場合、比較的精度のよいものを作製することができるが、時間がかかる上にコスト的に高いものとなる。この点、プレス加工によるものは、精度が落ちるが、比較的安価で生産性がよい。
【００１９】
Ａｕメッキが施されたチップ搭載面１４ａ上には、ＦＥＴ等の半導体チップ１３がダイボンディングされる。ダイボンディングに際しては、チップ搭載面１４ａ上にＡｕＳｎの半田粒を載せてベース部材１５の温度を３００℃に昇温し、半田粒を溶融して薄く展延させておき、その上に半導体チップ１３を搭載する。半導体チップ１３側の裏面にもＡｕメッキが施されているので、ベース部材１５上のＡｕメッキ層、ＡｕＳｎ半田層、半導体チップ１３の裏面のＡｕメッキが融合してダイボンディングされる。このとき、コ字状の溝２０をマークとして、その内側に半導体チップ１３をダイボンディングする。これにより、融けたＡｕＳｎ半田は、コ字状の溝２０の外には流れ出ないようにすることができる。
【００２０】
チップ搭載部１４に半導体チップ１３が搭載された後、図２（Ａ）の第１の実施形態で示すように、ベース部材１５上に配線基板１２を搭載する。ベース部材１５の上面にプレス加工等に突き出るように形成されたチップ搭載部１４は、配線基板１２の開孔１７と一致するように設けられていて、これにより配線基板１２との位置合わせができる。チップ搭載面１４ａ上にダイボンディングされた半導体チップ１３は、配線基板１２の上面に露出する。なお、チップ搭載面１４ａの位置が、配線基板１２の面と同じである必要はなく、多少上下していても後に説明するワイヤボンディングの作業に支障をきたさない範囲であればよい。
【００２１】
ベース部材１５には、チップ搭載部１４等の突き出る部分以外の部分に、溶融温度が比較的低い２２０℃位の半田シートを搭載しておき、ベース部材１５全体を２２０℃程度に昇温して溶融し、搭載された配線基板１２の下面側に形成された導体と電気的並びに機械的に接続して一体化する。ベース部材１５の全面に金メッキが施されていると、フラックスを使うことなく半田材１９で配線基板１２との接合が容易に行なうことが可能となる。
【００２２】
配線基板１２に予め搭載されている回路素子２３は、３００℃程度の溶融温度が高いソルダリングで搭載しておくことにより、上述の半田シートの溶融接着による影響はない。しかし、配線基板１２をベース部材１５に搭載するのに、使用される周波数帯域、配線基板１２の配線導体の接地抵抗が特性的に許容される範囲においては、特許文献１又は２で開示の導電性接着剤を用いることもできる。
【００２３】
ベース部材１５と一体に形成したチップ搭載部１４上に搭載された半導体チップ１３と、配線基板１２上の配線導体２２或いは導電パッドとは、ボンディングワイヤ１８により接続される。この場合、配線基板１２を搭載したベース部材１５全体を１５０℃程度に昇温させ、Ａｕワイヤーを用いたボールボンディングを行なう。なお、半導体チップ１３がＦＥＴである場合、接地電位に接続される端子（通常はソース端子）は、チップ搭載部１４のチップ搭載面１４ａに直接ボンディングされる。このため、上述したように、刻印等の方法によりコ字状に形成された位置決め用の溝２０を利用して、半導体チップ１３を接着固定するＡｕＳｎ半田がチップ搭載面１４ａの所定領域から展延しないようにするのが望ましい。
【００２４】
また、半導体チップ１３は、例えば、ペア状態で搭載されることがある。この場合、半導体チップ１３の電極等が周囲環境に晒されるため半導体チップ表面を保護する必要がある。このため、ワイヤボンディング後にシリコン系のポッティング樹脂２５等で封止する。この工程を通常、ポッティングと言っている。ポッティングは、半導体チップ１３の表面のみならず、チップ搭載面１４ａ及び配線基板１２上のワイヤボンディングされた個所の全体を覆うように行なわれる。これにより、ポッティング樹脂２５は、半導体チップ表面の保護だけでなく、ボンディングワイヤ１８の機械的保護も兼ねることができる。
【００２５】
次に、図２（Ｂ）により、第２の実施形態を説明する。図２（Ａ）では、チップ搭載部１４のような突き出る部分以外をプレス等で薄くすることで、結果的に凸部を形成（プレス加工分野で、フルピアス型とも言う）している。これに対し、図２（Ｂ）では、裏面側を押し出して表面側に凸部を形成する（プレス加工分野で、ハーフピアス型とも言う）例で、ベース部材１５の厚みを厚くできる構成の例である。
【００２６】
銅板を用いた熱抵抗特性についてシミュレーションしてみると、図３のような結果が得られる。すなわち、銅板の厚さが厚くなればなるほど熱抵抗は小さくなる（放熱特性がよくなる）ことを示している。しかし、銅板の厚みが２.０ｍｍ前後を越えると、熱抵抗の低下の度合いは小さくなる。すなわち、銅板の厚みを２.０ｍｍより厚くしても、その厚くした効果が次第に希薄になってくる。図３からは、銅板の厚さが２.０ｍｍのときの熱抵抗が３.３５℃／Ｗ程度であるのに対し、銅板の厚さが１.２ｍｍの場合は３.４℃／Ｗ程度に上昇する。
【００２７】
半導体装置１１の熱源がチップ搭載部１４のような凸部である場合、図３の平板を想定して算出された熱抵抗とは多少異なる（差が少なくなる）ことが想定されるが、ベース部材１５が厚い方が好ましいことは明らかである。したがって、同じ材料で同じ厚さのベース部材を用いるとすれば、チップ搭載部１４をハーフピアス型で一体に形成することが好ましい。この場合、図２（Ａ）の例と同程度の突き出し高さ（０.６ｍｍ）を得るには、平坦度確保のための０.２ｍｍを削り分とすると、０.８ｍｍの突き出しを行なうこととなる。
【００２８】
この場合、ベース部材１５の裏面側に深さが０.８ｍｍの凹部１６が生じる。凹部１６が生じることにより、放熱器の熱伝導面で０.８ｍｍの空隙が生じ、熱抵抗を増加させる結果となる。しかし、凹部１６内にサーマルオイル（グリス等）を介在させることにより、実質上、これによる熱抵抗増加は抑制することができる。また、その他の面は、放熱器と密接に接触され、また、ベース部材１５の厚みが減じられていない分だけ、放熱器との間の熱抵抗が小さく放熱特性を向上させることができる。
【００２９】
図２（Ｂ）のハーフピアス型と図２（Ａ）のフルピアス型では、ベース部材１５とチップ搭載部１４の一体形成方法が異なるだけで、他の構成については両者同じあるので、その他の構成については説明を省略する。なお、フルピアス型及びハーフピアス型のいずれの場合も、チップ搭載部１４は、角部が円弧状に形成されていることが好ましい。このため、平面形状として、楕円状、長円状、卵状というようなものになるが、角部が円弧状となっている限り、特に形状を限定するものではない。
【００３０】
チップ搭載部１４の角部を円弧状とすることにより、プレス加工時に角部における応力集中を緩和することができる。この結果、チップ搭載部１４のチップ搭載面１４ａの平坦度確保のための調整厚さは、０.２ｍｍ程度とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による半導体装置の概略を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態を説明する図である。
【図３】熱抵抗と銅板の厚さとの関係を説明する図である。
【図４】従来の技術を説明する図である。
【符号の説明】
【００３２】
１１…半導体装置、１２…配線基板、１３…半導体チップ、１４…チップ搭載部、１４ａ…チップ搭載面、１５…ベース部材、１６…凹部、１７…開孔、１８…ボンディングワイヤ、１９…半田材、２０…溝、２１…カバー、２２…配線導体、２３…回路素子、２４…端子、２５…ポッティング樹脂。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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