(57)【要約】【課題】金属ナノ粒子を用いた気密封止には加圧力の制御が重要となるが、金属ナノ粒子の接合面積が変化すると圧力が変化する。接合面積を一定に保つことにより気密が保たれた高信頼性の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、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の金属ナノ粒子層を含む第１の接合層と、高周波半導体素子と、を有する。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、  第２の接合層は、枠体の下面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の接合層の枠体の外縁に直交する方向の幅は枠体の上面側の第１領域と蓋部の下面側の第２領域とで異なり、第１および第２領域のうち幅が狭い方の領域は幅が広い方の領域内に位置する。【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の金属ナノ粒子層を含む第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、前記枠体の下面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表面に接合され、
前記第１の接合層の前記枠体の外縁に直交する方向の幅は前記枠体の前記上面側の第１領域と前記蓋部の前記下面側の第２領域とで異なり、前記第１および第２領域のうち幅が狭い方の領域は幅が広い方の領域内に位置する、高周波半導体装置。
【請求項２】
前記枠体はセラミック、前記蓋部はセラミック、前記金属板は銅または銅タングステン合金からなる請求項１記載の高周波半導体装置。
【請求項３】
前記第２の接合層は銀ロウを含む請求項１または２に記載の高周波半導体装置。
【請求項４】
前記第２の接合層は第２の金属ナノ粒子層を含む請求項１または２に記載の高周波半導体装置。
【請求項５】
前記第１の金属ナノ粒子層は銀を含む請求項１〜３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の金属ナノ粒子層は銀を含む請求項４に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であるＨＥＭＴ（High  Electron  Mobility  Transistor)などの半導体素子は、パッケージに搭載される。
【０００３】
フラットパッケージは、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。とくに金属ナノ粒子を用いた気密封止には加圧力の制御が重要となるが、金属ナノ粒子塗布の位置精度、接合する部材の位置精度により接合面積が変化すると圧力が変化してしまう。
【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、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の金属ナノ粒子層を含む第１の接合層と、
高周波半導体素子と、を有する。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、前記枠体の下面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表面に接合される。前記第１の接合層の前記枠体の外縁に直交する方向の幅は前記枠体の前記上面側の第１領域と前記蓋部の前記下面側の第２領域とで異なり、前記第１および第２領域のうち幅が狭い方の領域は幅が広い方の領域内に位置する。
【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半田材で接合された状態の模式斜視図、図３（ｂ）は蓋部３０が金属ナノ粒子層で接合された模式斜視図、である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、金属ナノ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）〜（ｅ）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するプロセス後、図５（ｄ）は蓋部に銀ナノペーストを塗布するプロセス後、図５（ｅ）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）〜（ｃ）は、第１の実施形態の金属ナノ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６（ａ）はパッケージ基部のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図６（ｂ）は蓋部のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図６（ｃ）は完成した高周波半導体装置のＢ−Ｂ線に沿った断面図、である。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、比較例にかかるに金属ナノ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７（ａ）はパッケージ基部のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図７（ｂ）は蓋部のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図７（ｃ）は完成した高周波半導体装置のＢ−Ｂ線に沿った断面図、である。
【図８】図８（ａ）〜（ｇ）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セスごとの断面形状を説明する模式図であり、図８（ａ）は金属板に金属ナノペーストを塗布するプロセス後、図８（ｂ）は金属ナノペーストを乾燥するプロセス後、図８（ｃ）は枠体２４を接合しパッケージ基部を形成するプロセス後、図８（ｄ）はパッケージ基部２０の枠体２４の上面に銀ナノペーストを塗布し乾燥させるプロセス後、図８（ｅ）は蓋部に銀ナノペーストを塗布するプロセス後、図８（ｆ）は銀ナノペーストを乾燥させるプロセス後、図８（ｇ）は高周波半導体素子が接合されワイヤ接続されたパッケージ基部２０と蓋部３０とを重ね合わせ接合するプロセス後、断面を説明する模式図、である。
【図９】図９（ａ）〜（ｆ）は、第３の実施形態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９（ａ）は金属板と銀ロウ材と枠体とを重ねた状態、図９（ｂ）は銀ロウ付けプロセス後、図９（ｃ）はパッケージ基部２０の枠体２４の上面に銀ナノペーストを塗布し乾燥させるプロセス後、図９（ｄ）は蓋部に金属ナノペーストを塗布するプロセス後、図９（ｅ）は乾燥プロセス後、図９（ｆ）は高周波半導体素子が接合されワイヤ接続されたパッケージ基部と蓋部とを重ね合わせ接合したプロセス後、の断面を説明する模式図、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と、第２の接合層２６、を含む。枠体２４の下面２４ａと金属板２２の上面の外周部２２ａ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、セラミックなどの絶縁体からなる枠体２４や蓋部３０の線膨張率よりも通常大きい。このため、Ａ−Ａ線に沿った枠体２４の断面（図１（ｂ））において、パッケージ基部２０は、枠体２４の側が凸形断面となるように反る。
【００１２】
金属ナノ粒子層３２は、枠部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。枠部２４の外縁に直交する方向の金属ナノ粒子層３２の幅はパッケージ基部２０の側と蓋部３０の側で異なる。また、枠体２４の上面２４ｂの側の第１の金属ナノ粒子層の第１領域３２ａの幅Ｗ１と、蓋部３０の下面側の第１の金属ナノ粒子層３２の第２領域３２ｂの幅Ｗ２と、が異なる。
【００１３】
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。
【００１４】
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）は銀ロウ付けプロセスを説明する模式図、である。
【００１５】
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を設ける領域には、たとえば厚膜からなる導電部２５を設ける。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。
【００１６】
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。また、枠体２４の上面２４ｂから下面２４ａに貫通するスルーホールＴＨを形成することができる。スルーホールＴＨの側面または内部に導電層を設け、枠体２４の上面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の影響の低減や不要な共振の抑制ができる。なお、蓋部３０をセラミック積層体とすると、電磁シールドや、多層配線が容易になる。
【００１７】
たとえば、枠体２４の幅Ｗ５は０．２〜１．５ｍｍ、枠体２４の高さＴ２は０．５〜１ｍｍ、金属板２２の厚さＴ１は０．５〜１．５ｍｍなどとすることができる。
【００１８】
次に、図２（ｄ）に表すように、枠体２４の下面２４ａと金属板２２の上面の外周部２２ａとは、閉曲線状に設けられた接合層２６により接合される。接合層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％）とを含む場合、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や接着剤などで接合できる。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。
【００１９】
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を半田材や接着剤などで接着した状態の模式斜視図、図３（ｂ）は蓋部を金属ナノ粒子層で接合した模式斜視図、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  Transistor)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は、マイクロストリップ回路に搭載することが容易である。
【００２０】
図４（ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態においてパッケージ部材に金属ナノペーストを塗布するプロセスを説明する模式図である。すなわち、図４（ａ）はＣ−Ｃ線に沿った断面図、図４（ｂ）は平面図、である。
【００２１】
金属ナノペースト３２ｃは、ディスペンサ９０から、蓋部３０の表面などに供給される。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を滴下する。なお、金属ナノペーストは、図２（ｄ）に表す枠体２４の上面２４ｂにも同様に塗布することができる。
【００２２】
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。
【００２３】
金属板２２は銅、枠体２４はセラミック、第２の接合層２６は銀ロウ、第１の接合層３２は、銀ナノ粒子層とする。
図５（ａ）〜（ｅ）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る。すなわち、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後、図５（ｄ）は蓋部に金属ナノペーストを塗布するプロセス後、図５（ｅ）は完成した高周波半導体装置、を説明する断面図である。
【００２４】
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、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。
【００２５】
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を平坦になるようにすきじなどを用いて塗布する。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。
【００２６】
図５（ｄ）に表すように、蓋部３０の下面に銀ナノペースト３２ｃを平坦になるようにすきじなどを用いて塗布する。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。
【００２７】
次に、図５（ｅ）に表すように、蓋部３０側の銀ナノ粒子層と枠体側の銀ナノ粒子層とを重ね合せて加圧・加熱（約２００℃）を行い、第１の接合層３２とする。
【００２８】
図６（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態にかかる高周波半導体装置のパッケージ基部および蓋部に金属ナノ粒子層を形成するプロセスを説明する模式図であり、図６（ａ）はパッケージ基部のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図６（ｂ）は蓋部のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図６（ｃ）は完成した高周波半導体装置のＢ−Ｂ線に沿った断面図、である。
図６（ｃ）において、パッケージ基部２０に対して蓋部３０の位置ずれを生じても、蓋部３０の側の銀ナノ粒子層３２ｂと、パッケージ基部２０の側の銀ナノ粒子層３２ａと、の接合面積は、蓋部３０の側の銀ナノ粒子層３２ａの幅Ｗ２により決定されるのでほぼ一定に保つことができる。このため、位置ずれが生じても接合圧力はほぼ一定に保てる。なお、図６において、Ｗ１＞Ｗ２であるが、Ｗ１＜Ｗ２でもよい。
【００２９】
図７（ａ）〜（ｃ）は、比較例にかかる高周波半導体装置のパッケージ基部および蓋部に金属ナノ粒子層を形成するプロセスを説明する模式図であり、図７（ａ）はパッケージ基部のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図７（ｂ）は蓋部のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図７（ｃ）は完成した高周波半導体装置のＢ−Ｂ線に沿った断面図、である。
【００３０】
図７（ｃ）において、パッケージ基部１２０に対して蓋部１３０の位置ずれＤが生じると、蓋部１３０の側の銀ナノ粒子層１３２ｂと、パッケージ基部１２０の側の銀ナノ粒子層１３２ａと、の接合面積は、ズレＤの分だけ狭くなる。このため、位置ずれが生じると接合圧力は変化する。
【００３１】
図８（ａ）〜（ｇ）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８（ａ）は銅からなる金属板２２に銀ナノペーストを塗布するプロセス、図８（ｂ）は銀ナノペーストを乾燥させるプロセス後、図８（ｃ）は枠体２４を接合しパッケージ基部を形成するプロセス後、図８（ｄ）はパッケージ基部２０の枠体２４の上面に銀ナノペーストを塗布し乾燥させるプロセス後、図８（ｅ）は蓋部に銀ナノペーストを塗布するプロセス後、図８（ｆ）は銀ナノペーストを乾燥させるプロセス後、図８（ｇ）は高周波半導体素子が接合されワイヤ接続されたパッケージ基部２０と蓋部３０とを重ね合わせ接合するプロセス後、断面を説明する模式図、である。
【００３２】
図８（ａ）に表すように金属板２２に銀ナノペーストを塗布したのち、図８（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するが銀ナノ粒子合間の反応は始まらない。図８（ｃ）に表すように、セラミック（たとえば、Ａｌ２Ｏ３）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℃と銀ロウ材の加熱温度（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）は十分に小さい。
【００３３】
すなわち、第１の実施形態のパッケージ基部２０の反りに比べて、第２の実施形態のパッケージ基部２０の反りは十分に小さい。図８（ｅ）に表すように、蓋部３０の下面に銀ナノペースト３２ｃを平坦になるようにすきじなどを用いて塗布する。次に、図８（ｆ）に表すように約１２０℃に加熱し、銀ナノペースト３２ｃの有機溶媒を揮発させる。次に、図８（ｇ）に表すように、蓋部３０の銀ナノ粒子層３２ｂを枠体２４の上面の銀ナノペースト３２ｃの上に載置し加圧・加熱（約２００℃）を行う。
【００３４】
図９（ａ）〜（ｆ）は、第３の実施形態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る。すなわち、図９（ａ）は金属板、銀ロウ、枠体とを重ねた状態、図９（ｂ）は銀ロウ付けプロセス後、図９（ｃ）はパッケージ基部２０の枠体２４の上面に銀ナノペーストを塗布し乾燥させるプロセス後、図９（ｄ）は蓋部に銀ナノペーストを塗布するプロセス後、図９（ｅ）は乾燥プロセス後、図９（ｆ）は高周波半導体素子が接合されワイヤ接続されたパッケージ基部２０と蓋部３０とを重ね合わせ接合するプロセス後、の断面を説明する模式図、である。
【００３５】
金属板２３は、銅タングステン（ＣｕＷ）からなるものとする。銅タングステンの線膨張率は約６．４×１０−６／Ｋであり、酸化アルミニウムの線膨張率近い。すなわち、第１の実施形態のパッケージ基部２０の反りに比べて、図９（ｂ）に表すように、第２の実施形態のパッケージ基部２０の反りは十分に小さい。このため、図９（ｆ）に表すように、銀ナノ粒子層３２ａ、３２ｂを重ね合せて、加圧・加熱（約２００℃）を行うと、より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に保たれる。
【００３６】
第１〜第３の実施形態によれば、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た高周波半導体装置が提供される。これらの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。
【００３７】
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】
【００３８】
１０  高周波半導体装置、２０  パッケージ基部、２２、２３  金属板、２２ａ  外周部、２４  枠体、２４ａ  枠体の下面、２４ｂ  枠体の上面、２４ｋ  外縁、２４ｍ  内縁、２６  接合層、２８  リード部、３０  蓋部、３２  第１の接合層（金属ナノ粒子層）、３３  銀ナノ粒子層、３２ａ  第１領域、３２ｂ  第２領域、３２ｃ、３３ｃ  金属ナノペースト、４０高周波半導体素子、Ｗ１、Ｗ２  金属ナノ粒子層の幅
【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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【図９】
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