(57)【要約】【課題】蓋部との接合面の反りを吸収して気密性の高い接合を実現することにより、高信頼性が確保された高周波半導体装置を提供する。【解決手段】高周波半導体装置は、パッケージ基部と、蓋部と、第１の接合層と、高周波半導体素子と、を有する。第１の接合層は、パッケージ基部と蓋部とを接合し、閉曲線状に設けられ、第１の金属ナノ粒子を含む。パッケージ基部は、金属板と、リード部を有する枠体と、第２の接合層とを含む。第２の接合層は枠体と金属板の上面の外周部とを接合し、閉曲線状に設けられる。高周波半導体素子は、パッケージ基部と蓋部との内部空間の金属板の表面に接合される。第１の金属ナノ粒子の塗布量は接合面となる枠体の上面の反りに応じて制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージ基部と、
蓋部と、
前記パッケージ基部と前記蓋部とを接合し、閉曲線状に設けられ、第１の金属ナノ粒子を含む第１の接合層と、
高周波半導体素子と、
を備え、
前記パッケージ基部は、金属板と、リード部を有する枠体と、第２の接合層とを含み、  前記第２の接合層は前記枠体と前記金属板の上面の外周部とを接合し、閉曲線状に設けられ、
前記高周波半導体素子は、前記パッケージ基部と前記蓋部との内部空間の前記金属板の前記表面に接合され、
前記第１の金属ナノ粒子の塗布量は接合面となる前記枠体の上面の反りに応じて制御される、高周波半導体装置。
【請求項２】
前記パッケージ基部は前記枠体の側が凸状断面となるように反り、
前記第１の接合層に接する前記枠体の前記上面の反り量は、前記第１の接合層に接する前記蓋部の下面の反り量よりも大きい、請求項１記載の高周波半導体装置。
【請求項３】
前記金属板は銅からなる請求項２記載の高周波半導体装置。
【請求項４】
前記金属板は銅タングステンからなる請求項１記載の高周波半導体装置。
【請求項５】
前記第２の接合層は銀ロウである請求項１〜４のいずれか１つに記載の高周波半導体装置。
【請求項６】
前記第２の接合層は第２の金属ナノ粒子層である請求項１〜４のいずれか１つに記載の高周波半導体装置。
【請求項７】
前記第１および第２の金属ナノ粒子層は銀を含む請求項６記載の高周波半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、高周波半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波半導体装置が搭載されるレーダー装置や通信機器などには高い信頼性を確保するために、パッケージには気密であることが要求される。マイクロ波以上の周波数で動作可能なＨＥＭＴなどの半導体素子は、パッケージに搭載される。
【０００３】
パッケージは、金属板、リード端子を配した枠体、蓋部などで構成される。金属板と枠体の接合には融点が高いことから銀ロウ材が使われる。
【０００４】
部品実装後に枠体と蓋部とを接合して気密封止する。部品実装後となるセラミック枠と蓋部の接合には部品実装温度以下の融点をもつ金錫半田が使われている。この接合温度をさらに下げるために金属ナノ粒子を接合材として用いる技術がある。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１６５７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
金属ナノ粒子で気密性を得るためには接合面すべてを加圧することが必須である。しかし接合面となる枠体表面は反ったり、歪んだりしていることがある。その反りを吸収して気密性の高い接合を実現することにより、高信頼性が確保された高周波半導体装置を提供する。  
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の高周波半導体装置は、パッケージ基部と、蓋部と、第１の接合層と、高周波半導体素子と、を有する。前記第１の接合層は、前記パッケージ基部と前記蓋部とを接合し、閉曲線状に設けられ、第１の金属ナノ粒子を含む。前記パッケージ基部は、金属板と、リード部を有する枠体と、第２の接合層とを含む。前記第２の接合層は前記枠体と前記金属板の上面の外周部とを接合し、閉曲線状に設けられる。前記高周波半導体素子は、前記パッケージ基部と前記蓋部との内部空間の前記金属板の前記表面に接合される。前記第１の金属ナノ粒子の塗布量は接合面となる枠体の上面の反りに応じて制御される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は第１の実施形態にかかる高周波半導体装置の模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った部分模式断面図、である。
【図２】図２（ａ）〜（ｄ）はパッケージ基部の製造工程を説明する模式図であり、図２（ａ）はセラミック部材の斜視図、図２（ｂ）はセラミック部材の同時焼成プロセスを説明する斜視図、図２（ｃ）はスルーホール形成プロセスを説明する斜視図、図２（ｄ）は枠体と金属板の接合プロセスを説明する斜視図、である。
【図３】図３（ａ）はパッケージ基部に高周波半導体素子と入出力回路基板とが接合された状態の模式斜視図、図３（ｂ）は蓋部とパッケージ基部とが接合された模式斜視図、である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、パッケージ基部に金属ナノ粒子ペーストを塗布するプロセスを説明する模式図であり、図４（ａ）はＣ−Ｃ線に沿った断面図、図４（ｂ）は平面図、である。
【図５】図５（ａ）〜（ｆ）は、第１の実施形態の製造プロセスごとの断面形状を説明する模式図であり、図５（ａ）は金属板と銀ロウ材と枠体とを重ねた状態、図５（ｂ）は銀ロウ付けプロセス後、図５（ｃ）は枠体に銀ナノペーストを塗布したプロセス後、図５（ｄ）は乾燥プロセス後、図５（ｅ）は蓋部を接合した加圧・加熱プロセス後、図５（ｆ）は完成した高周波半導体装置、を説明する断面図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｆ）は、比較例にかかる高周波半導体装置の製造プロセスごとの断面形状を説明する模式図であり、図６（ａ）は金属板と銀ロウ材と枠体とを重ねた状態、図６（ｂ）は銀ロウ付けプロセス後、図６（ｃ）は蓋部に銀ナノペーストを塗布するプロセス後、図６（ｄ）は乾燥プロセス後、図６（ｅ）は加圧・加熱プロセス後、図６（ｆ）は完成した高周波半導体装置、を説明する断面図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｅ）は、第２の実施形態にかかる高周波半導体装置の製造プロスごとの断面形状を説明する模式図であり、図７（ａ）は金属板に金属ナノペーストを塗布するプロセス後、図７（ｂ）は金属ナノペーストを乾燥するプロセス後、図７（ｃ）はパッケージ基部を形成するプロセス後、図７（ｄ）は金属ナノペーストを乾燥するプロセス後、図７（ｅ）はパッケージ基部と蓋部とを接合するプロセス後、を説明する断面図、である。
【図８】図８（ａ）〜（ｅ）は第３の実施形態にかかる高周波半導体装置の製造ごとの断面形状を説明する模式図であり、図８（ａ）は金属板、接合材、枠体をこの順序に重ねた状態、図８（ｂ）は銀ロウ付けプロセス後、図８（ｃ）はリード部を接合するプロセス後、図８（ｄ）は枠体に金属ナノペーストを塗布し乾燥するプロセス後、図８（ｅ）はパッケージ基部と蓋部とを接合するプロセス後、を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の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高周波半導体装置の模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った部分模式断面図、である。
高周波半導体装置１０は、パッケージ基部２０と、蓋部３０と、第１の接合層３２と、高周波半導体素子４０と、入出力回路基板４２と、を有する。第１の接合層３２は閉曲線状に設けられた金属ナノ粒子層である。
【００１０】
パッケージ基部２０は、金属板（金属ベース）２２と、リード部を有する枠体２４、第２の接合層２６と、を含む。枠体２４の下面２４ａと金属板２２の外周部２２ａの上面とは、閉曲線状に設けられた第２の接合層２６により接合される。第２の接合層２６は、閉曲線状に設けられた例えば銀ロウである。
【００１１】
金属ナノ粒子層３２は、枠体２４と蓋部３０の外周部３０ａとを接合するように閉曲線状に設けられる。金属板２２の線膨張率は、セラミックなども絶縁体からなる枠体２４の線膨張率よりも通常大きい。このため、パッケージ基部２０は、Ａ−Ａ線に沿った枠体２４の垂直断面において、枠体２４の側が凸形断面となるように反る。
【００１２】
枠体２４の一方の辺の長さＬ１、および他方の辺の長さＬ２は、たとえば、ともに１０ｍｍなどとすることができる。高周波半導体素子４０は、パッケージ基部２０と蓋部３０との内部空間Ｎの金属板２２の表面に接合される。
【００１３】
図２（ａ）〜（ｄ）は、パッケージ基部の製造工程を説明する模式斜視図である。すなわち、図２（ａ）は枠体を構成する２つのセラミック部材の模式図、図２（ｂ）はセラミックの同時焼成プロセスを説明する模式図、図２（ｃ）はスルーホール形成プロセスを説明する模式図、図２（ｄ）は金属板（金属ベース）２２およびリード部２８を枠体２４に銀ロウ付けを説明する模式図、である。
【００１４】
第１の実施形態において、枠体２４は、セラミックとする。図２（ａ）に表すように、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などからなる枠状のセラミックをそれぞれ成型する。さらにリード部２８が設けられる領域には、たとえば厚膜からなる導電部２５が設けられる。次に、図２（ｂ）に表すように、カーボン型などを用いて、２つの枠体２４ｃ、２４ｄの位置を合わせて炉に入れ同時焼成（co-fire）を行う。
【００１５】
２つの枠体２４ｃ、２４ｄは同時焼成により一体化され、枠体２４となる。枠体の上面２４ｂから下面２４ａに貫通するスルーホールＴＨを形成する（図２（ｃ））。スルーホールＴＨの側面または内部に導電層を設け上面２４ｂから下面２４ａまでを導通可能とする。蓋部３０に設けられたメタライズ部をスルーホールＴＨの導電部を介してパッケージ基部２０の金属板２２などに電気的に接続することにより、ＥＭＩ（Electro-Magnetic  Interference)の影響の低減や不要な共振の抑制ができる。
【００１６】
また、金属板２２の厚さＴ１は０．５〜１．５ｍｍ、枠体３０の幅Ｗ５は０．２〜１．５ｍｍ、枠体３０の高さＴ２は０．５〜２ｍｍなどとすることができる。
【００１７】
次に、図２（ｄ）に表すように、枠体２４の第１の面２４ａと金属板２２の外周部２２ａとは、閉曲線状に設けられた接合材２６により接合される。接合材２６を銀ロウなどとすることができる。銀ロウが銀（７２重量％）と銅（２８重量％）を含む場合、ロウ付け温度を、７８０〜９００℃とすることができる。このように高いロウ付け温度であると、線膨張率が大きいＣｕなどからなる金属板２２は、冷却時に線膨張率の小さいセラミックに対して上に凸となるように反る。このようにして、パッケージ基部２０が完成する。なお、高周波半導体素子４０は、金属板２２の表面に金錫半田材などで接合できる。このように高い銀ロウ付け温度であると、線膨張率が大きいＣｕなどからなる金属板２２は、冷却時に線膨張率の小さいセラミックに対して上に凸となるように反る。
【００１８】
図３（ａ）はパッケージ基部に高周波半導体素子と入出力回路基板とが半田材や接着剤などで接合された状態の模式斜視図、図３（ｂ）は蓋部３０とパッケージ基部とが接合された模式斜視図、である。
第１の実施形態において、高周波半導体素子４０がＨＥＭＴ（High  Electron  Mobility  Transitor)である場合、チップ形状を細長くしマルチセル構造とすることにより高出力化することができる。図１（ｃ）に表す高周波半導体装置１０は、マイクロストリップ線路への接続が容易である。
【００１９】
図４（ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態においてパッケージ基部の枠体２４の上面に金属ナノ粒子ペーストを塗布するプロセスを説明する模式図であり、図４（ａ）はＣ−Ｃ線に沿った断面図、図４（ｂ）は平面図、である。
金属板２２は銅、枠体２０はセラミック、接合材２６は銀ロウ、金属ナノ粒子層３２は銀ナノ粒子層とする。
【００２０】
金属ナノペースト３２ｃは、ディスペンサ９０から蓋部３０の表面に供給される。ディスペンサ９０は、蓋部３０の外周部３０ａに沿って走査され液状の金属ナノペースト３２ｃを滴下し、閉曲線を形成する。なお、金属ナノペースト３２ｃは、図２（ｄ）に表す枠体２４の上面２４ｂにも同様に閉曲線状に塗布される。
【００２１】
金属ナノペースト３２ｃは、銀、金、白金、パラジウムなどの金属粒子と、エステルアルコールなどの有機溶剤とを所望の比率で混合して調整される。金属粒子の粒径は、数十〜数百ｎｍなどとされる。金属粒子の割合は、たとえば、８５〜９３重量％などとされる。また、有機溶媒の割合は、５〜１５重量％などとされる。加熱温度を８０〜３００℃などとすると、金属ナノペースト中の金属粒子が焼結された金属ナノ粒子層となる。
【００２２】
金属板２２は銅、枠体２４はセラミック、接合材２６は銀ロウ、金属ナノ粒子層３２は銀ナノ粒子層とする。
図５（ａ）〜（ｆ）は、第１の実施形態の製造方法を説明する模式図である。すなわち、
図５（ａ）は金属板とロウ材と枠体とを重ねた状態、図５（ｂ）は銀ロウ付けプロセス、図５（ｃ）はパッケージ基部の枠体に金属ナノペーストを塗布するプロセス、図５（ｄ）は加熱プロセス、図５（ｅ）は蓋部を接合する加圧・加熱プロセス、図５（ｆ）は完成した高周波半導体装置、を説明する断面図である。
【００２３】
図５（ａ）において、金属板２２は銅、ロウ材２６は銀ロウ、枠体２４は酸化アルミニウムなどのセラミックとし、これらを重ね合わせる。次に、図５（ｂ）に表すように、約８５０℃に加熱し金属板２２と枠体２４とを接合する。銅の線膨張率（約１６×１０−６／Ｋ）は、酸化アルミニウムの線膨張率（６．４×１０−６）よりも大きいので、図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿ったパッケージ基部２０の垂直断面において、冷却後、パッケージ基部２０は、上面（セラミックの側）が凸状断面となるように反る。この反り量をＳ３とする。反り量Ｓ３は、３０〜１００μｍなどである。
【００２４】
図５（ｃ）に表すように、枠体２４の上面２４ｂに銀ナノペースト３２ｃをディスペンサなどを用いて制御しつつ塗布する。約１２０℃に加熱し、銀ナノペースト３２ｃの有機溶媒を揮発させる。こうすると、銀ナノペースト３２ｃの厚さは１０％程度減少する。
【００２５】
図５（ｄ）に表すように、１２０℃の乾燥後に銀ナノ粒子層３２の表面が略平坦になるように、銀ナノペースト３２ｃの厚さ、ディスペンサの駆動スピードおよび吐出量などを制御するプログラムを予め設定することが好ましい。なお、図５（ｂ）では、銀ナノペースト３２ｃの中央部が凹形断面となるように、ディスペンサによりノズルからの吐出量を制御する。
【００２６】
次に、図５（ｅ）に表すように、蓋部３０を銀ナノ粒子層３２上に載置し加圧・加熱（約２００℃）を行う。金属ナノ粒子層３２に接する枠体２４の上面２４ｂの反り量Ｓ４は、金属ナノ粒子層３２に接する蓋部３０の下面３０ｄの反り量Ｓ５よりも大きい。
なお、蓋部３０の下面３０ｄは略平坦であるので、銀ナノ粒子の反応とともに、銀ナノ粒子層３２は平坦さを保ちつつ、全体が均一に接合され気密性が高められる。  
【００２７】
図６（ａ）〜（ｆ）は、比較例にかかる高周波半導体装置の製造プロセスを説明する模式図である。すなわち、図６（ａ）は金属板とロウ材と枠体とを重ねた状態、図６（ｂ）は銀ロウ付けプロセス、図６（ｃ）は蓋部に銀ナノペーストを塗布するプロセス、図６（ｄ）は加熱プロセス、図６（ｅ）は加圧・加熱プロセス、図６（ｆ）は完成した高周波半導体装置、を説明する断面図である。
【００２８】
図６（ａ）において、金属板１２２は銅、接合材１２６は銀ロウ、枠体１２４はセラミックからなるものとし、これらの部材を重ね合わせる。次に、図６（ｂ）に表すように、たとえば、８５０℃に加熱する。銅の線膨張係数はセラミックの線膨張係数よりも大きいので、冷却後にはパッケージ基部１２０は、上部（セラミックの側）に対して凸形断面となるように反りを生じる。
【００２９】
他方、図６（ｃ）に表すように、セラミックからなる蓋部１３０に銀ナノペースト１３２ｃが塗布される。さらに、図６（ｄ）に表すように、約１２０℃に加熱し有機溶剤を揮発させると、銀ナノペースト１３２ｃの厚さは１０％減少する。
【００３０】
続いて、図６（ｅ）に表すように、蓋部１３０に塗布された銀ナノペースト１３２ｃとパッケージ基部１２０の枠体１２４とを接触させ、加圧・加熱（約２００℃）する。加熱開始直後はパッケージ基部１２０の中央凸部近傍に圧力が集中する。さらに、銀ナノ粒子の反応が進むとともに加圧された領域の銀ナノ粒子が潰れて加圧面積が増加するが、反りが大きい領域は、加圧がされず接合されない領域を生じる（図６（ｅ））。このため、パッケージ内部を気密に保つことが困難となり、外部から湿気などが入り込み高周波半導体素子に劣化を生じ易くなる。
【００３１】
これに対して、本実施形態に用いるパッケージ基部２０には反りが生じても、ディスペンサが予め定められたプログラムにより制御可能であるので銀ナノ粒子層３２の表面を略平坦とできる。このため、蓋部３０と銀ナノ粒子層３２とが密着しパッケージ内部を気密に保つことができる。
【００３２】
図７（ａ）〜（ｅ）は、第２の実施形態にかかる高周波半導体装置の製造方法を説明する模式図である。すなわち、図７（ａ）は銅からなる金属板に銀ナノペーストを塗布するプロセス、図７（ｂ）は銀ナノペーストを加熱するプロセス、図７（ｃ）はパッケージ基部を形成するプロセス、図７（ｄ）は銀ナノペーストを加熱するプロセス、図７（ｅ）はパッケージ基部と蓋部とを接合するプロセス、を説明する断面図である。
【００３３】
図７（ａ）に表すように、銅からなる金属板２２に銀ナノペースト３３ｃを塗布する。次に、図７（ｂ）に表すように、約１２０℃に加熱すると、銀ナノペースト３３ｃから有機溶媒が揮発し厚さが約１０％減少して銀ナノ粒子層３３となる。図７（ｃ）に表すように、セラミック（たとえば，酸化アルミニウム）からなる枠体２４を重ねて加圧・加熱（約２００℃）すると銀ナノ粒子層３３により金属板２２と枠体２４とが接合されパッケージ基部２０となる。銅の線膨張率は、酸化アルミニウムの線膨張率よりも大きい。しかしながら、加熱温度が約２００℃と銀ロウの加熱温度（約８５０℃）に比べて低いので、冷却後の反り（枠体２４の側がわずかに凸となる）は十分に小さくできる。
【００３４】
すなわち、第１の実施形態のパッケージ基部２０の反り量に比べて、第２の実施形態のパッケージ基部２０の反り量は十分に小さい。図７（ｄ）に表すように、パッケージ基部２０の枠体２４の上面に銀ナノペースト３２ｃを塗布し約１２０℃に加熱する。加熱により銀ペースト層３２の厚さは約１０％程度減少する。１２０℃の乾燥後に銀ナノ粒子層３２の表面が略平坦になるように、銀ナノペースト３２ｃの厚さ、ディスペンサの駆動スピードおよび吐出量などを制御するプログラムを予め設定する。さらに、図７（ｅ）に表すように、銀ナノ粒子層３２を間に挟んで、加圧・加熱（約２００℃）を行うと。加圧開始から全体に均一に圧力が加わる。このため、高周波半導体素子は、パッケージ内で気密封止される。
【００３５】
図８（ａ）〜（ｅ）は第３の実施形態にかかる高周波半導体装置の製造方法を説明する模式図である。すなわち、図８（ａ）は金属板、接合材、枠体をこの順序に重ねた状態、図８（ｂ）はロウ付けプロセス後、図８（ｃ）はリード部を接合するプロセス後、図８（ｄ）は枠体に銀ナノペーストを塗布し加熱処理するプロセス後、図８（ｅ）はパッケ−ジ基部と蓋部とを接合するプロセス後、を説明する断面図である。
【００３６】
図８（ａ）に表すように、金属板２３は、銅タングステン（ＣｕＷ）からなるものとし、接合材２６は、銀ロウからなるものとし、枠体２４はセラミックからなるものとし、この順序に重ねる。図８（ｂ）に表すように、約８５０℃に加熱することにより、枠体２４と金属板２３とが接合される。さらに、枠体２４にリード部（図示せず）を銀ロウにより接合することができる（図８（ｃ））。このようにして、パッケージ基部２０が形成される。銅タングステンの線膨張率（約６．４×１０−６／Ｋ）は、酸化アルミニウムの線膨張率とほぼ同じなので反りは金属板が銅からなる場合に比べて十分に小さくできる。反りは銅タングステンの組成や銀ロウ付け温度により枠体２４の側がわずかに凸や凹みとなる。次に、高周波半導体素子を金属板２３の上に金錫半田などを用いて接合する。
【００３７】
図８（ｄ）に表すように、パッケージ基部２０の枠体２４の上面に、銀ナノペーストが塗布され、約１２０℃に加熱される。乾燥後に銀ナノペースト中の有機溶媒が揮発し厚さが約１０％減少し、擬ナノ粒子層３２が形成される。１２０℃の乾燥後に銀ナノ粒子層３２の表面が略平坦になるように、銀ナノペースト３２ｃの厚さ、ディスペンサの駆動スピードおよび吐出量などを制御するプログラムを予め設定する。次に、図８（ｅ）に表すように、蓋部３０を銀ナノ粒子層３２に重ね合わせ、加圧・加熱（約２００℃）すると、パッケージ基部２０と蓋部３０とが気密封止される。
【００３８】
第１〜第３の実施形態によれば、パッケージ基部と蓋部との間が金属ナノ粒子層により気密封止された高周波半導体装置が提供される。この結果、高周波半導体素子が湿気などで劣化することが抑制される。このような高周波半導体装置が搭載されたレーダー装置や衛星通信機器などは、厳しい使用環境においても高い信頼性を保つことができる。
【００３９】
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】
【００４０】
１０  高周波半導体装置、２０  パッケージ基部、２２、２３  金属板、２２ａ，２３ａ  外周部、２４  枠体、２４ａ  枠体の下面、２４ｂ  枠体の上面、２６  接合材、２８  リード部、３０  蓋部、３２、３３  金属ナノ粒子層、３２ｃ、３３ｃ  金属ナノペースト、４０  高周波半導体素子、Ｓ４、Ｓ５  反り量    
【図１】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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