JP3816821B2

JP3816821B2 - 高周波用パワーモジュール基板及びその製造方法

Info

Publication number: JP3816821B2
Application number: JP2002077926A
Authority: JP
Inventors: 明義小阪田; 澄夫中野
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: JP2003282751A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、ヒートシンク板とリング状枠体、及び外部接続端子を有し、半導体素子を実装してなる高周波用パワーモジュール基板及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高周波用パッケージは、例えば、移動体通信の基地局等に用いるシリコンや、ガリウム砒素電界効果トランジスタ等の高周波、高出力用の半導体素子を実装するのに用いられる。この高周波用パッケージは、半導体素子を実装するためのキャビティ部が、半導体素子の高周波の領域での電気特性を悪化させないために、略長方形状をした高放熱特性を有する金属板上に形成された半導体素子実装領域をセラミック製のリング状枠体で囲繞するように接合して形成されている。そして、高周波用パッケージは、半導体素子が実装された後、リング状枠体上に接合される蓋体でキャビティ部を気密に封止するようになっている。また、高周波信号は、リング状枠体上と蓋体との間に接合された外部接続端子を介して入出力されるようになっている。
【０００３】
この高周波用パッケージは、セラミック製のリング状枠体と、半導体素子からの発熱を効率よく放熱するための放熱用の金属板からなるヒートシンク板との接合において、セラミックとヒートシンク板の熱膨張係数を近似させて応力の発生を少なくし、パッケージに発生する反りを回避することで、半導体素子の実装不良の発生を防止している。
【０００４】
図４（Ａ）、（Ｂ）に従来の高周波用パッケージ５０の一例を示す。セラミックと熱膨張係数が近似し、しかも放熱特性が比較的よいＣｕ−Ｗ（ポーラス状のタングステンに銅を含浸させたもの）からなるヒートシンク板５１には、セラミック製のリング状枠体５２が、その裏面側に形成されたメタライズパターンを介してヒートシンク板５１にＡｇろう５３でろう付け接合されている。更に、リング状枠体５２には、表面側に形成されたメタライズパターン（図示せず）を介して外部と接続するための金属部材からなる外部接続端子５４がＡｇろう５３でろう付け接合されている。ヒートシンク板５１、リング状枠体５２、及び外部接続端子５４には、ろう付け接合された後、金属表面にＮｉめっき、及びＡｕめっきが施されて高周波用パッケージ５０を形成している。略長方形状をしたヒートシンク板５１の長手方向の両端部には、固定部材に固定するための固定用切り欠き部５５が設けられている。
【０００５】
図５に示すように、この高周波用パッケージ５０には、半導体素子５６がリング状枠体５２の内側のヒートシンク板５１上にダイボンドされ、半導体素子５６と外部接続端子５４とをボンディングワイヤ５７で接続した後、樹脂や、セラミックや、金属等からなる蓋体５８を用いてリング状枠体５２の上部と外部接続端子５４を間に挟みながら樹脂接着剤５９で接着して気密に封止を行い、高周波用パワーモジュール基板６０を形成している。この高周波用パワーモジュール基板６０は、固定部材に固定用切り欠き部５５でねじ止め等を行って固定される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の高周波用パワーモジュール基板及びその製造方法は、次のような問題がある。
（１）半導体素子の高周波化が進む中において、高周波の領域で電気特性を悪化させないために更なる高放熱化の要求が強い。そこで、ヒートシンク板にＣｕ−Ｗ（熱伝導率が２２０Ｗ／ｍＫ程度）からなる金属板に代わって熱伝導率が高く、安価なＣｕ（熱伝導率が３９０Ｗ／ｍＫ）板やＣｕ合金板等のＣｕ系金属板を使用するすることが考えられる。しかしながら、ヒートシンク板とセラミック製のリング状枠体をＡｇろうからなる高温ろう材で接合するときの熱膨張係数のミスマッチングから接合面で応力が発生し、高周波用パッケージに大きな反りが発生する。この反りによって、半導体素子が実装できない場合が発生している。また、半導体素子が実装できたとしても、高周波用パワーモジュール基板を固定部材に固定するときに曲げが発生して、半導体素子を破壊する場合が発生している。
【０００７】
（２）移動体通信の基地局等に用いられる高周波用パワーモジュール基板は、低コストの要求が高い。しかしながら、ヒートシンク板に比較的高価なＣｕ−Ｗからなる金属板を用いる場合においては、低コスト化に限界が生じている。
【０００８】
（３）蓋体を樹脂で接合する高周波用パワーモジュール基板は、樹脂から発生する水分及びキャビティ部内の空気中の水分がキャビティ部に含まれた状態で気密封止される。この状態で環境試験等を行った時に、キャビティ部内で露結し、そこに電圧が掛けられると、ヒートシンク板とリング状枠体、及びリング状枠体と外部接続端子の接合に使用したＡｇろうのＡｇがイオン化し、Ａｇが析出して樹枝状に成長し、セラミック製のリング状枠体の内部側壁に樹枝状晶（デントライト）が発生することが考えられる。これにより、外部接続端子とヒートシンク板が短絡を起こす場合がある。
【０００９】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、安価で高放熱特性を有するヒートシンク板が使用でき、反りやデントライトの発生を防止する高周波用パワーモジュール基板及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】

【００１１】
前記目的に沿う本発明に係る高周波用パワーモジュール基板は、ヒートシンク板とリング状枠体、及び外部接続端子を有し、半導体素子を実装して気密に封止する蓋体を有する高周波用パワーモジュール基板において、ヒートシンク板が高放熱特性を有するＣｕ又はＣｕ系金属板からなり、リング状枠体が電気絶縁性を有する樹脂又はセラミックの絶縁体からなり、ヒートシンク板とリング状枠体で形成するキャビティ部には半導体素子がダイアタッチ材を用いて実装され、しかも、上面側に外部接続端子が樹脂、ろう材、ガラス、又は半田からなる接合部材を介して接合されているリング状枠体の下面側とヒートシンク板が樹脂、半田、又はガラスからなる半導体素子を実装する時の接合温度未満、及び接合部材の接合温度未満の３２０℃を下まわる接合温度を有する低融点接合材で接合されており、蓋体でキャビティ部が気密に封止されている。これにより、ヒートシンク板が安価なＣｕ又はＣｕ系金属板からなり、高周波用パワーモジュール基板を安価にすることができる。また、ヒートシンク板とリング状枠体との接合に低温度で接合できる低融点接合材を用いているので、熱膨張係数の差により発生する応力の影響を受けることが少なく、反りの発生を防止することができる。更に、ヒートシンク板とリング状枠体との接合にＡｇろうを用いないので、デントライトの発生を防止することができる。
【００１２】
前記目的に沿う本発明に係る高周波用パワーモジュール基板の製造方法は、高放熱特性を有するＣｕ又はＣｕ系金属板からなるヒートシンク板と絶縁体からなるリング状枠体で形成するキャビティ部に半導体素子を接合し、金属板からなる外部接続端子で電気的に接続する高周波用パワーモジュール基板の製造方法において、リング状枠体が樹脂又はセラミックからなり、リング状枠体の上面に外部接続端子を樹脂、ろう材、ガラス、又は半田からなる接合部材で接合する第１工程と、ヒートシンク板のキャビティ部を形成する部分に、ダイアタッチ材を用いて半導体素子をダイボンドする第２工程と、ヒートシンク板にダイボンドされた半導体素子を囲繞するように、ヒートシンク板にリング状枠体の下面を樹脂、半田、又はガラスからなる３２０℃未満の接合温度を有する低融点接合材を介して当接して接合する第３工程と、半導体素子と外部接続端子をボンディングワイヤで接続する第４工程と、キャビティ部を蓋体で接合して半導体素子を気密に封止する第５工程を有する。これにより、ヒートシンク板に安価なＣｕ又はＣｕ系金属板を用いて、高周波用パワーモジュール基板を安価に製造することができる。また、ヒートシンク板とリング状枠体との接合に低温度で接合できる低融点接合材を用いて接合するので、熱膨張係数の差から発生する応力の影響を受けることが少なく、反りの発生を防止することができる高周波用パワーモジュール基板を製造することができる。更に、ヒートシンク板とリング状枠体との接合にＡｇろうを用いることなく製造しているので、デントライトの発生を防止することができる高周波用パワーモジュール基板を製造することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る高周波用パワーモジュール基板を構成する高周波用パッケージの平面図、正面図、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同高周波用パワーモジュール基板の平面図、Ａ−Ａ’線拡大縦断面図、図３（Ａ）〜（Ｅ）はそれぞれ同高周波用パワーモジュール基板の製造方法の説明図である。
【００１４】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る高周波用パワーモジュール基板を構成する高周波用パッケージ１０は、略長方形状からなり、高放熱特性を有するＣｕ又はＣｕ合金等のＣｕ系金属板で形成されるヒートシンク板１１と、絶縁体からなり、電気絶縁性を有する樹脂又はセラミックのリング状枠体１２を有している。ヒートシンク板１１の長手方向中央部表面とリング状枠体１２は、エポキシ等の樹脂、Ｐｂ−Ｓｎ系等の半田、又は低融点のガラスからなる低融点接合材１３で接合されている。低融点接合材１３が半田からなる場合には、リング状枠体１２のヒートシンク板１１との接合面にメタライズパターンが形成されて、このメタライズパターンを介してリング状枠体１２とヒートシンク板１１が接合されている。
【００１５】
なお、リング状枠体１２の上面には、鉄系や、銅系等の薄い金属板からなるリードフレーム形状の外部接続端子１４が、樹脂、ろう材、ガラス、又は半田等の接合部材１５を介して接合されていてもよい。また、ヒートシンク板１１には、略長方形状の長手方向の両端部に、この高周波用パッケージ１０を固定するための固定用切り欠き部１６が設けられており、外部の固定部材にねじ止め等を行うために使用される。そして、この高周波用パッケージ１０の金属表面には、Ｎｉめっき及びＡｕめっきが施されている。この高周波用パッケージ１０には、ヒートシンク板１１とリング状枠体１２の接合に用いた低融点接合材１３の接合時の温度より低い温度の接合材、例えば、Ａｇペースト（接合温度は約１５０℃）等を用いることで半導体素子を接合することができる。
【００１６】
次いで、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る高周波用パワーモジュール基板２０は、ヒートシンク板１１と、リング状枠体１２、及び外部接続端子１４を有し、キャビティ部２１に半導体素子２２を実装して有し、キャビティ部２１内を気密に封止する蓋体２４を有している。
【００１７】
このヒートシンク板１１は、略長方形状からなり、高放熱特性を有するＣｕ又はＣｕ合金等のＣｕ系金属板で形成されている。また、リング状枠体１２は、電気絶縁性を有する樹脂又はセラミックからなる絶縁体で形成されている。そして、ヒートシンク板１１とリング状枠体１２を接合して形成するキャビティ部２１のヒートシンク板１１の上に、半導体素子２２が、例えば、Ａｕ−Ｓｎろうからなるダイアタッチ材２３を介してダイボンドされている。リング状枠体１２の上面側には、Ｆｅ系や、Ｃｕ系等の薄い金属板からなるリードフレーム形状の外部接続端子１４が、例えば、エポキシ等の樹脂、Ａｇろう材等のろう材、低融点や高融点のガラス、又はＰｂ−Ｓｎ半田等の半田からなる低融点や高融点の接合部材１５を介して接合されている。また、リング状枠体１２の下面側には、ヒートシンク板１１がエポキシ等の樹脂、Ｐｂ−Ｓｎ半田等の半田、又は低融点のガラスからなる低融点接合材１３を介して接合されている。蓋体２４は、樹脂や、セラミックや、金属部材等を用いて外形寸法がリング状枠体１２と実質的に同じ大きさからなり、例えば、箱型に形成されている。そして、蓋体２４は、キャビティ部２１に実装されている半導体素子２２を気密に保つために、リング状枠体１２や、外部接続端子１４の上面側にエポキシ等の樹脂接着剤２５を介して被せられて接合され、キャビティ部２１内の半導体素子２２を気密に封止している。
【００１８】
なお、半導体素子２２と外部接続端子１４との接続はボンディングワイヤ２６で接続されている。また、ヒートシンク板１１には、略長方形状の長手方向の両端部に、高周波用パワーモジュール基板２０を固定部材に固定するための固定用切り欠き部１６が設けられており、固定部材にねじ止め等で固定するのに使用される。
【００１９】
次いで、図３（Ａ）〜（Ｅ）を参照しながら本発明の一実施の形態に係る高周波用パワーモジュール基板２０の製造方法を説明する。
図３（Ａ）に示すように、樹脂又はセラミックからなるリング状枠体１２の上面には、エポキシ等の樹脂、Ａｕ−Ｓｎろう材等のろう材、低融点や、高融点からなるガラス、又はＰｂ−Ｓｎ系等の半田からなる接合部材１５で外部接続端子１４が接合されている。なお、このリング状枠体１２は、絶縁性の樹脂を額縁状に成形して形成したり、又はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミック粉末を額縁状にプレスして成形したり、あるいはシート状のセラミックグリーンシートを成形して複数枚を重ね合わせて積層して額縁状に成形したりして形成している。また、外部接続端子１４は、Ｆｅ系や、Ｃｕ系等の薄い金属板を打ち抜き金型等を用いてリードフレーム形状に打ち抜いて形成している。
【００２０】
次いで、図３（Ｂ）に示すように、Ｃｕ又はＣｕ系金属板からなる高放熱特性を有するヒートシンク板１１とリング状枠体１２を接合させたらキャビティ部２１（図３（Ｃ）参照）を形成する部分に、半導体素子２２をＡｕ−Ｓｎろう（接合温度は約３２０℃）や、Ａｕ−Ｓｉろう（接合温度は約４００℃）等のダイアタッチ材２３を用いてダイボンドしている。
【００２１】
次いで、図３（Ｃ）に示すように、ヒートシンク板１１上にダイアタッチ材２３を介してダイボンドされた半導体素子２２を、外部接続端子１４が接合部材１５で接合されているリング状枠体１２の貫通孔の内側壁２７で囲繞するようにして、ヒートシンク板１１にリング状枠体１２の下面を、エポキシ等の樹脂、低融点のガラス、又はＰｂ−Ｓｎ系等の半田からなる低融点接合材１３を介して当接して接合している。これにより、ヒートシンク板１１とリング状枠体１２で囲まれた内部には、キャビティ部２１が形成される。低融点接合材１３を用いてキャビティ部２１を形成することができるのは、キャビティ部２１を形成する前に低融点接合材１３の接合温度より高い接合温度のダイアタッチ材２３を用いて半導体素子２２を接合しているからである。従って、キャビティ部２１を形成するのにＡｇろうを用いなくてもよいので、デントライトの発生を防止することができる。
【００２２】
次いで、図３（Ｄ）に示すように、ヒートシンク板１１上に接合された半導体素子２２のボンディングパッド（図示せず）と外部接続端子１４の端部とをボンディングワイヤ２６で接続している。これにより、高周波信号は、リング状枠体１２上と蓋体２４（図３（Ｅ）参照）との間に接合された外部接続端子１４を介して半導体素子２２との間で入出力させることができる。
【００２３】
次いで、図３（Ｅ）に示すように、半導体素子２２が実装されているキャビティ部２１には、半導体素子２２を気密に保つために、蓋体２４がリング状枠体１２と外部接続端子１４の上面側にエポキシ等の樹脂接着剤２５を介して被せられて接合され、キャビティ部２１内の半導体素子２２が気密に封止されている。蓋体２４は、樹脂や、セラミックや、金属部材等からなり、外形寸法がリング状枠体１２と実質的に同じ大きさで、例えば、箱型に形成されている。
【００２４】
【発明の効果】

【００２５】
請求項１記載の高周波用パワーモジュール基板は、ヒートシンク板が高放熱特性を有するＣｕ又はＣｕ系金属板からなり、リング状枠体が電気絶縁性を有する樹脂又はセラミックの絶縁体からなり、ヒートシンク板とリング状枠体で形成するキャビティ部には半導体素子がダイアタッチ材を用いて実装され、しかも、上面側に外部接続端子が樹脂、ろう材、ガラス、又は半田からなる接合部材を介して接合されているリング状枠体の下面側とヒートシンク板が樹脂、半田、又はガラスからなる半導体素子を実装する時の接合温度未満、及び接合部材の接合温度未満の３２０℃を下まわる接合温度を有する低融点接合材で接合されており、蓋体でキャビティ部が気密に封止されているので、ヒートシンク板が安価であり、高周波用パワーモジュール基板を安価にすることができる。また、ヒートシンク板とリング状枠体との接合温度が低く、熱膨張係数の差の影響を受けることが少なくて反りの発生を防止することができる。更に、ヒートシンク板とリング状枠体との接合にＡｇろうを用いないので、デントライトの発生を防止することができる。
【００２６】
請求項２記載の高周波用パワーモジュール基板の製造方法は、リング状枠体が樹脂又はセラミックからなり、リング状枠体の上面に外部接続端子を樹脂、ろう材、ガラス、又は半田からなる接合部材で接合する第１工程と、ヒートシンク板のキャビティ部を形成する部分に、ダイアタッチ材を用いて半導体素子をダイボンドする第２工程と、ヒートシンク板にダイボンドされた半導体素子を囲繞するように、ヒートシンク板にリング状枠体の下面を樹脂、半田、又はガラスからなる３２０℃未満の接合温度を有する低融点接合材を介して当接して接合する第３工程と、半導体素子と外部接続端子をボンディングワイヤで接続する第４工程と、キャビティ部を蓋体で接合して半導体素子を気密に封止する第５工程を有するので、ヒートシンク板に安価なＣｕ又はＣｕ系金属板を用いて、高周波用パワーモジュール基板を安価に製造することができる。また、ヒートシンク板とリング状枠体との接合に低温度で接合できる低融点接合材を用いて接合し、熱膨張係数の差から発生する応力の影響を受けることが少なく、反りの発生を防止することができる高周波用パワーモジュール基板を製造することができる。更に、ヒートシンク板とリング状枠体との接合にＡｇろうを用いることなく製造して、デントライトの発生を防止することができる高周波用パワーモジュール基板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る高周波用パワーモジュール基板を構成する高周波用パッケージの平面図、正面図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同高周波用パワーモジュール基板の平面図、Ａ−Ａ’線拡大縦断面図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｅ）はそれぞれ同高周波用パワーモジュール基板の製造方法の説明図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来の高周波用パッケージの平面図、正面図である。
【図５】従来の高周波用パワーモジュール基板の説明図である。
【符号の説明】
１０：高周波用パッケージ、１１：ヒートシンク板、１２：リング状枠体、１３：低融点接合材、１４：外部接続端子、１５：接合部材、１６：固定用切り欠き部、２０：高周波用パワーモジュール基板、２１：キャビティ部、２２：半導体素子、２３：ダイアタッチ材、２４：蓋体、２５：樹脂接着剤、２６：ボンディングワイヤ、２７：内側壁

Claims

ヒートシンク板とリング状枠体、及び外部接続端子を有し、半導体素子を実装して気密に封止する蓋体を有する高周波用パワーモジュール基板において、
前記ヒートシンク板が高放熱特性を有するＣｕ又はＣｕ系金属板からなり、前記リング状枠体が電気絶縁性を有する樹脂又はセラミックの絶縁体からなり、前記ヒートシンク板と前記リング状枠体で形成するキャビティ部には前記半導体素子がダイアタッチ材を用いて実装され、しかも、上面側に前記外部接続端子が樹脂、ろう材、ガラス、又は半田からなる接合部材を介して接合されている前記リング状枠体の下面側と前記ヒートシンク板が樹脂、半田、又はガラスからなる前記半導体素子を実装する時の接合温度未満、及び前記接合部材の接合温度未満の３２０℃を下まわる接合温度を有する低融点接合材で接合されており、前記蓋体で前記キャビティ部が気密に封止されていることを特徴とする高周波用パワーモジュール基板。
高放熱特性を有するＣｕ又はＣｕ系金属板からなるヒートシンク板と絶縁体からなるリング状枠体で形成するキャビティ部に半導体素子を接合し、金属板からなる外部接続端子で電気的に接続する高周波用パワーモジュール基板の製造方法において、
前記リング状枠体が樹脂又はセラミックからなり、該リング状枠体の上面に前記外部接続端子を樹脂、ろう材、ガラス、又は半田からなる接合部材で接合する第１工程と、
前記ヒートシンク板の前記キャビティ部を形成する部分に、ダイアタッチ材を用いて前記半導体素子をダイボンドする第２工程と、
前記ヒートシンク板にダイボンドされた前記半導体素子を囲繞するように、前記ヒートシンク板に前記リング状枠体の下面を樹脂、半田、又はガラスからなる３２０℃未満の接合温度を有する低融点接合材を介して当接して接合する第３工程と、
前記半導体素子と前記外部接続端子をボンディングワイヤで接続する第４工程と、
前記キャビティ部を蓋体で接合して前記半導体素子を気密に封止する第５工程を有することを特徴とする高周波用パワーモジュール基板の製造方法。