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JPWO2018216219A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

ヒートシンク（１）の上に半導体チップ（２，３）が実装されている。複数のリード端子（５，６）が半導体チップ（２，３）に接続されている。複数のリード端子（５，６）は高周波信号を通す第１のリード端子を有する。互いに分離された複数の誘電体（１０，１１）が、複数のリード端子（５，６）とヒートシンク（１）との間にそれぞれ個別に設けられている。封止樹脂（１２）が半導体チップ（２，３）、複数のリード端子（５，６）及び複数の誘電体（１０，１１）を封止する。

Description

本発明は、半導体装置に関する。
携帯電話用基地局に代表される無線通信のデバイス市場では高出力化が指向される。この分野において、通信容量の増大による広帯域化と小型化の要求から、ＧａＮデバイスが主流となりつつある。一方で、デバイスの低コスト化の要求は厳しく、ＧａＮデバイスにおいてもより低コストなモールドパッケージ構造の検討が進んでいる。モールドパッケージでは、ＳＯＰ又はＱＦＮ等に代表されるように一般的に厚みが０．１〜０．３ｍｍｔ程度の１枚の金属尺、即ちリードフレームにデバイスを実装し、樹脂封止した構造がよく用いられる。
しかし、ＧａＮデバイスのように高出力が要求されるモールドパッケージでは、この様な薄いリードフレームでは熱容量が不足する。このため、ＧａＮデバイス等を実装するエリアに１．０ｍｍｔ前後の厚い銅等のヒートシンクを用い、そのヒートシンクを、例えば０．２ｍｍｔ程度の従来の厚みのリードフレームにかしめ工法等で固定したヒートシンク付きリードフレームが検討されている。
ヒートシンク付きリードフレームでは、リード端子はヒートシンクの上面に配置され、両者の間が封止樹脂で充填される。このため、特に、高周波を通すリード端子は、ＧＮＤとなるヒートシンクとリード端子と封止樹脂でマイクロストリップラインが構成される。このマイクロストリップラインにおいて高周波特性の損失を最小限に抑えるためには、ＧａＮデバイスの特性と高周波回路を考慮した最適な特性インピーダンス値に設定する必要がある。この設計においては、ヒートシンク上におけるリード端子の幅、リード端子とヒートシンクの間の距離、リード端子とヒートシンクの間に挟まれた誘電体の誘電率を調整する。
リード端子の幅は自由に変えることができる。しかし、ヒートシンク付きリードフレームでは封止樹脂でパッケージ全体を充填させる。封止樹脂は一般的にはエポキシ樹脂である。このため、リード端子とヒートシンクの間はエポキシ樹脂の誘電率３〜４前後で固定されてしまい、誘電率を選択する自由度がない。また、リードフレームの一部を曲げてヒートシンクを固定するため、この曲げ量によりリード端子とヒートシンク間の距離が決まる。しかし、曲げ加工の限界や加工精度の限界から、この距離を極端に狭く又は広く設定することができない。これらのパッケージ構造の制約から、リード端子の特性インピーダンスを目標とする値に設定できず、高周波特性の損失が大きいパッケージ構造になっている。
また、ＧａＮデバイスからワイヤを介してリード端子及び２次実装の外部回路までの特性インピーダンス変化が小さいほど、高周波特性の損失が小さい。しかし、ＧａＮデバイスとリード端子の間のワイヤは長いため、高周波特性の損失が大きくなる。そこで、ワイヤ長さを短くするために、リード端子をＧａＮデバイスに近づけるようにヒートシンクの内側に寄せる方法がある。しかし、リード端子はヒートシンク上に中空で固定されているだけなので、リード端子を内側に寄せていくと、超音波又は荷重を安定的に伝えることができず、ワイヤボンド未接合が発生する。また、ヒートシンクをパッケージ外側まで配置することができないため、パッケージの外周部ではリード端子の下にヒートシンクが存在しない。従って、特性インピーダンスの変化が大きいため、高周波の伝送損失が発生していた。
また、ヒートシンクとリードフレームを固定するために、ヒートシンクに形成した凸形状のダボを、リードフレームに形成した穴に差し込んで凸形状を潰すことで固定するかしめ工法を採用していた。従って、リードフレームを作製するために必要な金型が複雑となり、かしめを行なうための金型も準備する必要があった。そして、リード端子とヒートシンクの距離を狭めることができない。また、両者の隙間はエポキシ樹脂で埋め込まれるため、誘電率が３〜５で固定されてしまう。従って、ＧａＮデバイスの特性からリード部の特性インピーダンスを低くしたい場合、調整できるパラメータが少なく、制約も多いため、特性インピーダンスを最適な値にすることができなかった。
これに対して、ＧＮＤとなるダイパットの上に絶縁性接着用樹脂を貼り付け、その上にリード端子を接着させることで特性インピーダンスを低くしてノイズを減少させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、かしめ工法が不要となり、金型費用及び加工費を低減することができる。また、ダイパットとリード端子の間に絶縁性接着用樹脂が介在してリード端子が十分固定されるため、リード端子に安定にワイヤボンドを行なうことができる。
日本実開昭６３−１２４７５９号公報
従来技術では、複数のリード端子に共通に１枚の絶縁性接着用樹脂が用いられて、複数のリード端子がダイパッドに接着されていた。このため、高周波信号を通すリード端子の特性インピーダンスを、ＧａＮデバイスの特性に最適な値に設定することができなかった。これにより、高周波特性の損失を抑えることができなかった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は高周波特性の損失を抑えることができる半導体装置を得るものである。
本発明に係る半導体装置は、ヒートシンクと、前記ヒートシンクの上に実装された半導体チップと、前記半導体チップに接続され、高周波信号を通す第１のリード端子を有する複数のリード端子と、前記複数のリード端子と前記ヒートシンクとの間にそれぞれ個別に設けられ、互いに分離された複数の誘電体と、前記半導体チップ、前記複数のリード端子及び前記複数の誘電体を封止する封止樹脂とを備えることを特徴とする。
本発明では、複数の誘電体が、複数のリード端子とヒートシンクとの間にそれぞれ個別に設けられ、互いに分離されている。このため、高周波信号を通すリード端子とヒートシンクの重なる面積、リード端子とヒートシンクとの間の誘電体の誘電率及び厚さを個別に調整することができる。従って、高周波信号を通すリード端子の特性インピーダンスを、ＧａＮデバイスの特性に最適な値に設定することができる。これにより、高周波特性の損失を抑えることができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の内部を示す平面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の内部を示す平面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の内部を示す平面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。 図５のＩ−ＩＩに沿った断面図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係るリード端子を拡大した上面図である。 本発明の実施の形態５に係るリード端子を拡大した下面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の内部を示す平面図である。この半導体装置は、周波数１ＧＨｚ以上、１Ｗ以上の電力を出力する。
ヒートシンク１は２００Ｗ／ｃｍ以上の熱伝導率を持ち、ＧＮＤとなる。ヒートシンク１の上に、ＧａＮデバイス又はＧａＡｓデバイス等の半導体チップ２，３がダイボンド材４により実装されている。高周波の信号を通す金属のリード端子５，６が半導体チップ２，３にそれぞれワイヤ７，８により接続されている。半導体チップ２，３同士はワイヤ９により接続されている。
リード端子５，６の裏面にそれぞれ接着機能を有する誘電体１０，１１が貼り付けられ、この誘電体１０，１１を介してリード端子５，６がヒートシンク１に接着されている。誘電体１０，１１は、互いに分離され、リード端子５，６とヒートシンク１との間にそれぞれ個別に設けられている。なお、誘電体１０，１１自体が接着機能を有していてもよいし、誘電体１０，１１の上下両面に接着剤を設けてもよい。半導体チップ２，３を異物又は外力等から保護するために、エポキシ樹脂からなる封止樹脂１２が半導体チップ２，３、リード端子５，６及び誘電体１０，１１をモールド封止している。封止後にリード端子５，６の一部がカットされ、パッケージが個片に分離される。
ここで、誘電体１０，１１が無い従来技術では、リード端子とヒートシンクとの間の材料の誘電率はエポキシ樹脂の約４．０に固定される。また、リード端子とヒートシンクとの距離は、フレームの加工精度又はその後の組立性・ワイヤボンド性を考慮すると０．２５程度までしか近づけられない。高周波信号を通すリード端子の幅が０．５ｍｍの場合、従来技術では特性インピーダンスが約４６．５Ω程度となる。一方、本実施の形態では、誘電体１０，１１として例えば厚さ０．１ｍｍｔで誘電率が約３．２のポリイミド材を採用すると、特性インピーダンスは約２９．５Ω程度となり、特性インピーダンスを大きく変更することができる。
以上説明したように、本実施の形態では、誘電体１０，１１は、リード端子５，６とヒートシンク１との間にそれぞれ個別に設けられ、互いに分離されている。このため、高周波信号を通すリード端子５，６とヒートシンク１の２次元平面で重なる面積、リード端子５，６とヒートシンク１との間の誘電体１０，１１の誘電率及び厚さを個別に調整することができる。従って、高周波信号を通すリード端子５，６の特性インピーダンスを、ＧａＮデバイスの特性に最適な値に設定することができる。これにより、高周波特性の損失を抑えることができる。
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の内部を示す平面図である。本実施の形態では、ＤＣバイアスを通すリード端子１３とヒートシンク１との間に誘電体１４が個別に設けられている。接着機能を持つ誘電体１４をリード端子１３の裏面に接着し、この誘電体１４を介してリード端子１３をヒートシンク１に接着させる。リード端子１３は誘電体１４によりヒートシンク１に固定され、ワイヤ１５により半導体チップ２に接続されている。これにより、高周波信号を通すリード端子５，６以外の端子についても、ワイヤボンド性が改善し、リードフレームとヒートシンク１をより強固に固定することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の内部を示す平面図である。電極部１６，１７が、高周波信号を通すリード端子５，６の側面からそれぞれ突出している。電極部１６，１７の形状は特に問わない。電極部１６とヒートシンク１との間の誘電体１０、電極部１６、及びヒートシンク１によりコンデンサが構成されている。電極部１７についても同様である。
ヒートシンク１と電極部１６の２次元的に重なる面積Ｓ、誘電体１０の誘電率εｒ及び厚さｔに対して、コンデンサの容量値ＣはＣ＝εｒ×Ｓ／ｔで求められる。これらのパラメータを調整することで、ＧａＮデバイスの特性に最適になるようにコンデンサの容量値を設定することができる。
また、高周波信号線路上にオープンスタブ等のコンデンサが必要な場合に、本構造によりリード端子にその機能を付加することができる。この結果、ＧａＮデバイスの特性を最大限引き出すことができる。また、リードフレームの一部をコンデンサとするため、追加の部材コストが不要であり、デバイスのコスト低減に繋がる。
実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。図６は図５のＩ−ＩＩに沿った断面図である。封止樹脂１２の上面が凹型形状に成型されている。なお、封止樹脂１２の上面を凸型形状に成型してもよい。この凹部を含む封止樹脂１２の表面全面に金属膜１８が形成されている。金属膜１８は、ＧＮＤとなるヒートシンク１又はリード端子に接続されている。これにより、高周波信号を通すリード端子５，６は、上下がＧＮＤシールドで囲われたストリップラインのような構造となる。従って、リード端子５，６から漏洩する電磁波が少なくなり、かつ外部からの電磁波の影響を受けにくくなるため、ＧａＮデバイスの特性を安定化することができる。また、リード端子５，６の上に配置される封止樹脂１２の厚みを調整してリード端子５，６と金属膜１８との距離を最適化することで、特性インピーダンスの設計自由度を増やすことができる。
実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置を示す断面図である。図８は、本発明の実施の形態５に係るリード端子を拡大した上面図である。図９は、本発明の実施の形態５に係るリード端子を拡大した下面図である。リード端子１９，２０は、１枚の金属体ではなく、上面金属２１、誘電体２２、及び下面金属２３，２４の３層構造である。
上面金属２１は誘電体２２の上面に形成されている。下面金属２３は、封止樹脂１２の内部において誘電体２２の下面に形成され、ヒートシンク１に導電性接着剤等で直接接着されている。下面金属２４は、封止樹脂１２の外部において誘電体２２の下面に形成されている。ビアホール２５は、封止樹脂１２の外部のリード端子１９，２０の端部近傍において、誘電体２２を貫通して上面金属２１と下面金属２４を接続する。下面金属２３と下面金属２４は、封止樹脂１２の内部と外部の境目において、互いに電気的に絶縁されるように切り離されている。
本実施の形態では、リード端子１９，２０の構成設計で特性インピーダンスを最適化することができる。ただし、高周波信号がリード端子１９，２０の上面を伝送すると、パッケージを２次実装基板に実装しても容易に信号を接続させることができない。そこで上面金属２１と下面金属２４をビアホール２５で接続し、信号をリード端１９，２０の下面に伝送させる。下面金属２４は２次実装の基板と接合される電極パットである。
また、実施の形態１〜４ではヒートシンク１とリード端子１９，２０が重なっている部分は最適なインピーダンスに設定することができる。しかし、ヒートシンク１の端部から２次実装基板端までの間は、リード端子１９，２０の下にヒートシンク１が存在しないため、短い距離ではあるが特性インピーダンスがずれてしまう。これに対して、本実施の形態では、下面金属２３はヒートシンク１の端部よりも外側まで延在する。従って、ヒートシンク１の端部から２次実装基板の端部までの間にも、リード端子１９，２０の下面にＧＮＤとなる下面金属２３が存在するため、特性品ピーダンスのずれがなく、高周波特性の損失を抑えることができる。
１ ヒートシンク、２，３ 半導体チップ、５，６，１３，１９，２０ リード端子、１０，１１，１４ 誘電体、１２ 封止樹脂、１６，１７ 電極部、１８ 金属膜、２１ 上面金属、２３，２４ 下面金属、２５ ビアホール
本発明に係る半導体装置は、ヒートシンクと、前記ヒートシンクの上に実装された半導体チップと、前記半導体チップに接続され、高周波信号を通す第１のリード端子を有する複数のリード端子と、前記複数のリード端子と前記ヒートシンクとの間にそれぞれ個別に設けられ、互いに分離された複数の誘電体と、前記半導体チップ、前記複数のリード端子及び前記複数の誘電体を封止する封止樹脂とを備え、前記複数のリード端子は、１つのリード端子の側面から突出した電極部を有し、前記電極部と前記ヒートシンクとの間の前記誘電体、前記電極部、及び前記ヒートシンクによりコンデンサが構成されていることを特徴とする。

Claims (6)

  1. ヒートシンクと、
    前記ヒートシンクの上に実装された半導体チップと、
    前記半導体チップに接続され、高周波信号を通す第１のリード端子を有する複数のリード端子と、
    前記複数のリード端子と前記ヒートシンクとの間にそれぞれ個別に設けられ、互いに分離された複数の誘電体と、
    前記半導体チップ、前記複数のリード端子及び前記複数の誘電体を封止する封止樹脂とを備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第１のリード端子と前記ヒートシンクの重なる面積、前記第１のリード端子と前記ヒートシンクとの間の前記誘電体の誘電率及び厚さを調整することで、前記第１のリード端子の特性インピーダンスが設計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。
  3. 前記複数のリード端子は、ＤＣバイアスを通す第２のリード端子を有し、
    前記第２のリード端子は前記誘電体により前記ヒートシンクに固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記複数のリード端子は、１つのリード端子の側面から突出した電極部を有し、
    前記電極部と前記ヒートシンクとの間の前記誘電体、前記電極部、及び前記ヒートシンクによりコンデンサが構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記封止樹脂の表面に形成され、前記ヒートシンクに接続された金属膜を更に備え、
    前記封止樹脂の上面は凹型形状又は凸型形状に成型されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体装置。
  6. ヒートシンクと、
    前記ヒートシンクの上に実装された半導体チップと、
    前記半導体チップに接続され、高周波信号を通すリード端子と、
    前記半導体チップ及び前記リード端子を封止する封止樹脂とを備え、
    前記リード端子は、誘電体と、前記誘電体の上面に形成された上面金属と、前記封止樹脂の内部において前記誘電体の下面に形成され前記ヒートシンクに接着された第１の下面金属と、前記封止樹脂の外部において前記誘電体の下面に形成された第２の下面金属と、前記誘電体を貫通して前記上面金属と前記第２の下面金属を接続するビアホールとを有し、
    前記第２の下面金属は前記ヒートシンクの端部よりも外側まで延在し、
    前記第１の下面金属と前記第２の下面金属は互いに電気的に絶縁されるように切り離されていることを特徴とする半導体装置。
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