JP5746808B2 - Package and electronic device using carbon nanotube - Google Patents
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Description
本発明はカーボンナノチューブを用いたパッケージ及び電子デバイスに関するものであり、特に、パッケージ基部と電子デバイスチップとの間の放熱性を高めるための構成に特徴のあるカーボンナノチューブを用いたパッケージ及び電子デバイスに関するものである。 The present invention relates to a package and an electronic device using carbon nanotubes, and more particularly to a package and an electronic device using carbon nanotubes characterized by a configuration for enhancing heat dissipation between a package base and an electronic device chip. Is.
無線通信の情報を送信する携帯電話基地局の高出力増幅器は、出力源である高出力トランジスタの発熱量も大きくなるため、放熱性が非常に重要となる。 In a high-power amplifier of a mobile phone base station that transmits wireless communication information, heat generation from a high-power transistor that is an output source is also large, and thus heat dissipation is very important.
従来は、高出力トランジスタチップをパッケージにメッキなどで直接接合し、チップを通して熱を逃がす、いわゆるフェイスアップ構造を用いることで放熱性を確保されていたので、ここで、図7を参照して従来のフェイスアップ構造を説明する。 Conventionally, heat dissipation is ensured by using a so-called face-up structure in which a high-power transistor chip is directly joined to a package by plating or the like, and heat is released through the chip. Here, with reference to FIG. The face-up structure will be described.
図7参照
図7は、従来のフェイスアップ構造の説明図であり、パッケージに設けた接地導体51にGaN−HEMT54をAuSnメッキ層55を用いてマウントしたのち、直径が数百μmの金ワイヤ56によって入力電極部52と出力電極部53とに接続した構造を採用している(例えば、非特許文献1参照)。
See FIG.
FIG. 7 is an explanatory view of a conventional face-up structure, in which a GaN-HEMT 54 is mounted on a
しかし、従来のフェイスアップ構造では、GaN−HEMT54の電極とパッケージの入力電極部52及び出力電極部53とを接続する金ワイヤ56のインダクタンスのために、高周波化に伴い増幅率が低下するという問題を有していた。
However, in the conventional face-up structure, the amplification factor decreases as the frequency increases because of the inductance of the
そこで、このような問題を解決するために、基板を裏返してチップ電極とパッケージ電極をカーボンナノチューブ束からなるバンプ(突起状の電極)構造により接続する手法が提案された( 例えば、同じく非特許文献1参照)ので、図8を参照して説明する。 In order to solve such problems, a method has been proposed in which the substrate is turned over and the chip electrode and the package electrode are connected by a bump (projection-like electrode) structure made up of a bundle of carbon nanotubes (for example, non-patent document) 1), and will be described with reference to FIG.
図8参照
図8は、従来のカーボンナノチューブ束を用いたフリップチップ構造の説明図であり、パッケージ60にカーボンナノチューブバンプ71を設けたAlN基板70を介してGaN−HEMT54をフリップチップボンディングしたものである。
See FIG.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a conventional flip chip structure using a bundle of carbon nanotubes, in which a GaN-HEMT 54 is flip chip bonded via an
この場合、パッケージ60は、パッケージ60とAlN基板70との間の熱膨張係数の違いを緩和するためにMo板62をCu板63,64で挟み込んだCu/Mo/Cu構造の母基材61の表面を金メッキ層65で被覆した構成になっている。
In this case, the
また、AlN基板70には、図7と同様に接地導体と、接地導体を挟んで入力電極部及び出力電極部(いずれも図示を省略)が設けられており、厚さが、5〜10μm程度のAuSnメッキ層66によってパッケージの底面に固着されている。
なお、図における符号67はメタルキャップである。
Further, the
In addition, the code |
このようなナノチューブは優れた放熱性を持つだけでなく、金属的な性質を有しているため、フェイスアップ構造と同等の放熱性を確保できるだけでなく、また、金ワイヤ等を使用していないので2GHzで増幅率も10デシベル(dB)向上可能であることが報告された。 Such nanotubes not only have excellent heat dissipation, but also have metallic properties, so they can not only ensure the same heat dissipation as the face-up structure, but also do not use gold wires. Therefore, it has been reported that the amplification factor can be improved by 10 decibels (dB) at 2 GHz.
一方、カーボンナノチューブの優れた熱伝導性を利用するために、電子チップ間を接続する接続配線をカーボンナノチューブ束で構成することも提案されており(例えば、特許文献1参照)、カーボンナノチューブ束で電気的接続を取るとともに、熱を周囲に急速に分散させている。 On the other hand, in order to utilize the excellent thermal conductivity of carbon nanotubes, it has also been proposed that the connection wiring for connecting the electronic chips is composed of carbon nanotube bundles (see, for example, Patent Document 1). As well as making electrical connections, heat is rapidly dispersed around.
また、整列したカーボンナノチューブ束を電子デバイスとヒートシンクとの間に配置するとともに、カーボンナノチューブ束の間をポリマーで埋めて、熱インターフェイスを構成することも提案されている(例えば、特許文献2参照)。
今後、第4世代以降の携帯電話基地局向けには更なる高周波(3GHz以上)での出力の保持(10dB)と放熱性が要求されるが、放熱性については更に改善すべき点が存在し、例えば、パッケージとナノチューブバンプ基板であるAlN基板との間の熱抵抗が挙げられる。 In the future, for 4th generation and later mobile phone base stations, it will be required to maintain output (10 dB) and heat dissipation at higher frequencies (3 GHz or higher). However, there is a point to further improve heat dissipation. For example, the thermal resistance between the package and the AlN substrate which is the nanotube bump substrate can be mentioned.
例えば、上述のAuSnメッキによる接合では、AuSnの非常に低い熱伝導率(57W/m・K)のためパッケージとAlN基板の間の熱伝導による放熱が不十分であり、熱抵抗をより低減する必要がある。 For example, in the above-described bonding by AuSn plating, heat dissipation between the package and the AlN substrate is insufficient due to the extremely low thermal conductivity (57 W / m · K) of AuSn, and the thermal resistance is further reduced. There is a need.
また、上記の特許文献1の場合には、カーボンナノチューブ束は配線としての機能を有するため、チップサイズより小面積であるため、充分な放熱効果が得られないという問題があるとともに、図7或いは図8に記載した実装構造に対する解決手段にはならないという問題がある。
Further, in the case of the above-mentioned
また、上記の特許文献2の場合には、チップ背面からの放熱で且つメタルキャップからの放熱であり、放熱面積の大きなパッケージ本体部からの放熱ではないため、放熱が必ずしも十分ではないという問題がある。
Further, in the case of the above-mentioned
したがって、本発明は、パッケージ基部と電子デバイスチップとの間の放熱性を高めることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to improve heat dissipation between the package base and the electronic device chip.
図1は、本発明の原理的構成図であり、ここで図1を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明するが、実際には基材の表面は所定の窪みを有し且つ曲率を持つ凹面構造になっている。
なお、図における符号9は、基材側からTa拡散防止膜と触媒下地層を積層した下地層であり、触媒下地層上に設けた触媒がカーボンナノチューブの成長核となる。
図1参照
上記の課題を解決するために、本発明は、カーボンナノチューブを用いたパッケージにおいて、載置面全面が所定の窪み及び曲率を持つ凹面構造を有する電子デバイスチップ6の載置面に対して縦方向に配向した複数の林立したカーボンナノチューブ束4からなるカーボンナノチューブシート5を電子デバイスチップ6の載置面に設けたことを特徴とする。
FIG. 1 is a diagram showing the basic configuration of the present invention. Here, referring to FIG. 1, means for solving the problems in the present invention will be described. It has a concave structure with curvature.
Reference numeral 9 in the figure is an underlayer in which a Ta diffusion preventing film and a catalyst underlayer are laminated from the base material side, and the catalyst provided on the catalyst underlayer serves as a carbon nanotube growth nucleus.
See FIG. 1 In order to solve the above-mentioned problem, the present invention is directed to a mounting surface of an
このように、複数のカーボンナノチューブ束4からなるカーボンナノチューブシート5を電子デバイスチップ6の載置面に設けることによって、放熱面積の大きなパッケージ基部1と電子デバイスチップ6とを熱伝導性に優れたカーボンナノチューブシート5で熱的に接続しているので、充分な放熱効果を確保することができ、それによって、3GHz以上の高周波デバイスの性能を充分に発揮することが可能になる。
Thus, by providing the
特に、カーボンナノチューブシート5を配置する載置面全面が所定の窪み及び曲率を持つ凹面構造を有しているので、凹面上に成長したカーボンナノチューブ束4は電子デバイスチップ6或いはカーボンナノチューブバンプ基板7に向かって集中するようになるので、放熱効率をより高めることができる。
In particular, since the entire mounting surface on which the
この構成は、電子デバイスチップ6を載置面に直接搭載するフェイスアップ構造、或いは、電子デバイスチップ6をカーボンナノチューブバンプ基板7を介して搭載するフリップチップ構造のいずれにも適用される。
This configuration is applied to either a face-up structure in which the
この場合の凹面構造の曲率としては、凹面構造によるカーボンナノチューブ束4の中心へ集中による効果が充分に得られ曲率であることが望ましく、例えば、カーボンナノチューブシート5の先端部の面積が電子デバイスチップ6或いはカーボンナノチューブバンプ基板7の面積と同程度(±10%以内)となる曲率であることが望ましい。
As the curvature of the concave structure in this case, it is desirable that the curvature is sufficiently obtained by the effect of concentration at the center of the carbon nanotube bundle 4 due to the concave structure. For example, the area of the tip of the
また、カーボンナノチューブシート5は、カーボンナノチューブ束4のみからなるものでも良いし、或いは、カーボンナノチューブ束4とカーボンナノチューブ束4の先端に形成されたグラフェン8とから成るものでも良い。
なお、「グラフェン」とはグラファイト層の厚みが数層から数十層からなる薄いグラファイトのことを指す。
The
“Graphene” refers to thin graphite having a graphite layer thickness of several to several tens of layers.
また、カーボンナノチューブ束4を構成するカーボンナノチューブは、載置面を構成するグランド電極上に設けた導電性膜並びに触媒膜から直接成長したカーボンナノチューブであることが望ましいが、他で成長させたカーボンナノチューブシート5を接着剤で転写したものでも良い。
The carbon nanotubes constituting the carbon nanotube bundle 4 are desirably carbon nanotubes grown directly from the conductive film and the catalyst film provided on the ground electrode constituting the mounting surface. The
また、カーボンナノチューブシート5に導電性ないしは非導電性の媒質を埋め込んでも良く、それによって、カーボンナノチューブシート5の機械的強度を高めることができる。
この場合、導電性の媒質は金属、金属を含む導電性物質、或いは導電性樹脂のいずれかを用い、また、非導電性の媒質としては、カーボンナノチューブと親和性の高い樹脂などの有機材料、或いは無機材料を用いれば良い。
金属としては、金、銀、チタン、白金、パラジウム、モリブデン、タンタル、インジウム、錫などが挙げられ、金属を含む導電性物質には、銀ペースト、銅ペースト、半田、ニッケルメッキ、金メッキ、亜鉛メッキ、導電性樹脂には導電性ポリマーが挙げられる。
また、樹脂内にカーボンナノチューブなどの導電性物質を分散し導電性を向上させた樹脂として用いても良い。
さらに、カーボンナノチューブに酸素雰囲気下での加熱処理ないしは酸素プラズマ処理などで酸化により親水性を持たせ、樹脂との親和性を向上させることも可能である。
Further, a conductive or non-conductive medium may be embedded in the
In this case, the conductive medium uses any one of metal, a conductive substance containing metal, or a conductive resin, and the non-conductive medium includes an organic material such as a resin having a high affinity for carbon nanotubes, Alternatively, an inorganic material may be used.
Examples of the metal include gold, silver, titanium, platinum, palladium, molybdenum, tantalum, indium, and tin. Examples of the conductive material containing metal include silver paste, copper paste, solder, nickel plating, gold plating, and zinc plating. Examples of the conductive resin include conductive polymers.
Alternatively, a conductive material such as carbon nanotubes may be dispersed in the resin to improve conductivity.
Furthermore, it is possible to improve the affinity with the resin by imparting hydrophilicity to the carbon nanotubes by oxidation by heat treatment or oxygen plasma treatment in an oxygen atmosphere.
また、電子デバイスチップ6或いはカーボンナノチューブバンプ基板7をカーボンナノチューブシート5に単に圧接するようにして良いし、或いは、カーボンナノチューブシート5の先端部分に金属、導電性を有する無機材料、或いは導電性を有する有機材料を用いて電子デバイスチップ6或いはカーボンナノチューブバンプ基板7を接着するようにしても良い。
Alternatively, the
また、カーボンナノチューブシート5を電子デバイスチップ6の裏面に対向するメタルキャップ側にも設けても良く、それによって、電子デバイスチップ6の表裏からの放熱が可能になる。
Further, the
また、カーボンナノチューブシート5は可撓性に優れているので、載置面を有するパッケージ基部1の母基材2を銅で構成しても熱膨張係数の差は問題にならず、従来に比べてのパッケージ基材2の構成を簡素化することができる。
また、金、銀、銅、モリブデン、アルミニウム、チタン、タンタル、クロム、コバルト、ニッケル、タングステン、或いは、鉄のうち少なくとも1種を含む材料を用いても良く、2種以上含む場合には、合金となり、コバールやステンレスも含まれる。
なお、パッケージ基部1を含むパッケージ全体の表面が、金メッキ3、亜鉛メッキ、或いは、ニッケルメッキにより被覆されていることが望ましいが、導電性を有する他の金属被膜でも良い。
In addition, since the
In addition, a material containing at least one of gold, silver, copper, molybdenum, aluminum, titanium, tantalum, chromium, cobalt, nickel, tungsten, or iron may be used. And Kovar and stainless steel are also included.
Note that the entire surface of the package including the
上述の構成のパッケージに電子デバイスチップ6として、無線・携帯電話基地局用ハイパワーアンプ、サーバー・パーソナルコンピューター用半導体素子、車載半導体集積回路装置、或いは、電気自動車モーター駆動用トランジスタのいずれかを載置することによって、優れた特性を有する高周波電子デバイスを実現することができる。
As the
本発明によれば、電子デバイスチップ或いはカーボンナノチューブバンプ基板とパッケージ基部と間の熱伝導性を高めることができるとともに、カーボンナノチューブ束はパッケージ基部においては広がっているので、面積の大きなパッケージからの熱拡散をより有効に行うことができるため、放熱効率をより高めることができ、また、カーボンナノチューブシートは可撓性を有しているのでパッケージの基材構成を簡素にすることができる。 According to the present invention, the thermal conductivity between the electronic device chip or the carbon nanotube bump substrate and the package base can be enhanced , and the carbon nanotube bundle spreads in the package base, so that heat from a package having a large area can be obtained. Since diffusion can be performed more effectively, the heat dissipation efficiency can be further increased, and since the carbon nanotube sheet has flexibility, the substrate structure of the package can be simplified.
本発明は、カーボンナノチューブ束のみから、或いは、カーボンナノチューブ束とその先端部に形成されたグラフェンとからなるカーボンナノチューブシートを、高周波半導体装置等の電子デバイスチップを載置するパッケージ基部、特に、母基材が銅からなるとともに、その表面を金メッキ或いはニッケルメッキなどで被覆したパッケージ基部の全面が所定の窪み及び曲率を持つ凹面構造を有する載置面に設けたものである。 The present invention relates to a package base portion on which an electronic device chip such as a high-frequency semiconductor device is mounted, in particular, a mother substrate made of a carbon nanotube sheet consisting of a carbon nanotube bundle alone or a carbon nanotube bundle and graphene formed at the tip thereof. The substrate is made of copper, and the entire surface of the package base whose surface is covered with gold plating or nickel plating is provided on a mounting surface having a concave structure with a predetermined depression and curvature .
ここで、本発明の実施例1を説明する前に、図2乃至図5を参照して本発明の前提となる各参考例を説明するが、まず、図2及び図3を参照して、本発明の前提となる参考例1の高周波半導体装置実装構造を説明する。
図2参照
図2は、本発明の参考例1の高周波半導体装置実装構造を示す分解斜視図であり、ヒートシンクを兼ねるパッケージ10上にカーボンナノチューブ束21を例えば、8μm成長させてカーボンナノチューブシート20を形成し、カーボンナノチューブバンプ24を成長させたAlN基板23をカーボンナノチューブシート20の上に設置したものである。
Here, before explaining the first embodiment of the present invention, each reference example as a premise of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 5. First, referring to FIGS. 2 and 3, The high-frequency semiconductor device mounting structure of Reference Example 1, which is a premise of the present invention, will be described.
See Figure 2
FIG. 2 is an exploded perspective view showing the high-frequency semiconductor device mounting structure of Reference Example 1 of the present invention. A
また、カーボンナノチューブバンプ24を設けたAlN基板23には、HPA(High Power Amplifier)チップ25がフリップチップで接続されるとともに、HPAチップ25の裏面は、メタルキャップ26に形成したカーボンナノチューブ束からなるカーボンナノチューブシート27が当接する。
Further, an HPA (High Power Amplifier)
なお、AlN基板23は銀ペーストなどの金属ペースト、半田、メッキ、金属膜、有機材料などの導電性材料によりカーボンナノチューブシート20の先端部と接触させても良いし、或いは、単に圧接する構成でも良く、グランドはAlN基板23内の貫通ビアを介して直下のグランド電極上に成長したカーボンナノチューブ束21に直接接続される。
The
図3参照
図3は、カーボンナノチューブシートの構成説明図であり、Cu母材12の表面を金メッキ層13で被覆し、HPAチップ25が実装される土台となる厚さが1〜1.5mm程度のパッケージ基部11の素子載置面の表面に厚さが、例えば、15nmのTa拡散防止膜14、厚さが、例えば、5nmのTiN下地膜15、及び、厚さが、例えば、2.6nmのCo触媒層16を順次堆積させる。
なお、この場合、全面にTa/TiN/Coを堆積させたのち、フォトリソグラフィーを用い不要箇所をエッチングにより除去することで素子載置面のみに残存させてもよいし、或いは、フォトリソグラフィーによってパターニングしたのち、Ta/TiN/Coを全面に堆積させリフトオフによりレジストを除去することで選択的に堆積させても良い。
See Figure 3
FIG. 3 is an explanatory view of the structure of the carbon nanotube sheet. The base of the
In this case, after Ta / TiN / Co is deposited on the entire surface, unnecessary portions may be left only on the element mounting surface by etching using photolithography, or may be patterned by photolithography. After that, Ta / TiN / Co may be selectively deposited by depositing Ta / TiN / Co on the entire surface and removing the resist by lift-off.
次いで、パッケージ10をCVD炉に導入し、熱CVD法により、アセチレンとアルゴンの混合ガス(1:9)を原料とし、基板温度510℃、雰囲気圧1kPaの条件にてカーボンナノチューブの成長を行う。
Next, the
この成長条件により、成長時間60分程度で林立するカーボンナノチューブ束21の先端部分がグラファイトシート(グラフェン)22により連続的に構成された長さ20μm程度のカーボンナノチューブシート20が得られる。
なお、カーボンナノチューブ束21の長さは成長時間により制御可能であるので、実際にパッケージ10上に成長する際には最適な長さを得ることができるよう調整する。
Under this growth condition, a
Since the length of the
このように、本発明の参考例1においては、AlN基板とパッケージの載置面との間にカーボンナノチューブシート20を介挿しているので、図7に示したAuSnメッキと比較し、カーボンナノチューブの高い放熱性のために、パッケージとAlN基板間の熱抵抗を低減することが可能となる。
Thus, in the reference example 1 of the present invention, since the interposed mosquitoes over
また、本発明の参考例1においては、カーボンナノチューブシートとしてカーボンナノチューブ束の先端部にグラフェンが形成されたカーボンナノチューブシートを用いているので、AlN基板からの熱は横方向に広がりやすく、発熱が局所的であっても効率的な放熱が可能になる。
また、グラフェンの面積はその上部に設置するAlN基板と比較して面積が大きいため、グラフェンにより横方向への熱拡散を行うことにより放熱効果が向上する。
In Reference Example 1 of the present invention, since the carbon nanotube sheet in which the graphene is formed at the tip of the carbon nanotube bundle is used as the carbon nanotube sheet, the heat from the AlN substrate easily spreads in the lateral direction, and the heat is generated. Even if it is local, efficient heat dissipation becomes possible.
In addition, since the area of graphene is larger than that of the AlN substrate installed on the top, the heat dissipation effect is improved by performing thermal diffusion in the lateral direction with graphene.
また、カーボンナノチューブは可撓性に優れるので、パッケージとAlN基板との熱膨張係数の差を考慮する必要はなく、したがって、パッケージの母基材として単層のCuからなる基材を用いることができるので、パッケージの構成の簡素化及び低コスト化が可能になる。 In addition, since carbon nanotubes are excellent in flexibility, it is not necessary to consider the difference in thermal expansion coefficient between the package and the AlN substrate. Therefore, it is necessary to use a substrate made of a single layer of Cu as the base substrate of the package. Therefore, the package configuration can be simplified and the cost can be reduced.
また、本発明の参考例1においては、従来は、パッケージの上部に空間が存在するだけであったのに対し、パッケージ上部への放熱パスを設けることにより、放熱性がさらに向上する。
なお、この場合、パッケージ底部に対するのと同様にメタルキャップに直接カーボンナノチューブ束を成長させても良いし、別途成長したカーボンナノチューブ束をメタルキャップ上に接着剤等を用いた転写により設置しても良い。
In Reference Example 1 of the present invention, conventionally, there is only a space above the package, but by providing a heat dissipation path to the top of the package, heat dissipation is further improved.
In this case, the carbon nanotube bundle may be grown directly on the metal cap in the same manner as for the bottom of the package, or the separately grown carbon nanotube bundle may be installed on the metal cap by transfer using an adhesive or the like. good.
次に、図4を参照して、本発明の前提となる参考例2の高周波半導体装置実装構造を説明するがカーボンナノチューブシートの構成が異なるだけで、他の構成は上記の参考例1と全く同様であるので、カーボンナノチューブシートの構成のみを説明する。 Next, the high-frequency semiconductor device mounting structure of Reference Example 2 , which is a premise of the present invention, will be described with reference to FIG. 4 except that the configuration of the carbon nanotube sheet is different, and the other configuration is completely different from Reference Example 1 described above. Since this is the same, only the configuration of the carbon nanotube sheet will be described.
図4参照
図4は、本発明の参考例2のカーボンナノチューブシートの構成説明図であり、Cu母材12の表面を金メッキ層13で被覆したパッケージ基部11の全面に厚さが、例えば、15nmのTa拡散防止膜14、厚さが、例えば、5nmのAl下地膜17、及び、厚さが、例えば、2.5nmのFe触媒層18を順次堆積させる。
See Figure 4
FIG. 4 is a configuration explanatory view of the carbon nanotube sheet of Reference Example 2 of the present invention. Ta diffusion having a thickness of, for example, 15 nm is formed on the entire surface of the
次いで、パッケージ10をCVD炉に導入し、熱フィラメントCVD法により、アセチレンとアルゴンの混合ガス(1:9)を原料とし、基板温度620℃、雰囲気圧1kPaの条件にてカーボンナノチューブの成長を行う。
なお、この場合、成長前に例えば、1kPaの水素中で10分間の加熱処理を行うとともに、成長中は原料となる混合ガスを水素ガスにより、原料ガス:水素ガス=3:7の分圧比になるように希釈する。
Next, the
In this case, for example, heat treatment is performed for 10 minutes in 1 kPa of hydrogen before growth, and a mixed gas as a raw material is grown with hydrogen gas during the growth to a partial pressure ratio of raw material gas: hydrogen gas = 3: 7. Dilute to
この成長条件により、成長時間20分程度で林立するカーボンナノチューブ束31が20μmの長さに成長したカーボンナノチューブシート30が得られる。
なお、この成長条件では、グラフェンは形成されない。
この場合はパッケージ10上全面にカーボンナノチューブ束31を成長し、成長後に不要な箇所のカーボンナノチューブ束31を除去している。
Under this growth condition, the
Note that graphene is not formed under this growth condition.
In this case, the carbon nanotube bundles 31 are grown on the entire surface of the
このように、本発明の参考例2においても、AlN基板とパッケージの載置面との間にカーボンナノチューブシート30を介挿しているので、図7に示したAuSnメッキと比較し、カーボンナノチューブの高い放熱性のために、パッケージとAlN基板間の熱抵抗を低減することが可能となる。
また、その他の効果もグラフェンによる横方向熱拡散以外は、上記の参考例1と同様である。
Thus, in Example 2 of the present invention, since the interposed mosquitoes over
Other effects are the same as in Reference Example 1 except for the lateral thermal diffusion by graphene.
次に、図5を参照して、本発明の前提となる参考例3の高周波半導体装置実装構造を説明する。
図5参照
図5は、本発明の参考例3の高周波半導体装置実装構造を示す分解斜視図であり、ヒートシンクを兼ねるパッケージ10上にカーボンナノチューブ束を例えば、10μm成長させてカーボンナノチューブシート20を形成し、カーボンナノチューブシート20の上にHPAチップ25をフェイスアップに設置したものである。
また、HPAチップ25の裏面は、空隙を介してメタルキャップ26と対向している。
Next, with reference to FIG. 5, a high-frequency semiconductor device mounting structure of Reference Example 3 which is a premise of the present invention will be described.
See Figure 5
FIG. 5 is an exploded perspective view showing a high-frequency semiconductor device mounting structure according to Reference Example 3 of the present invention. A
Further, the back surface of the
また、カーボンナノチューブシート30の上に設置されたHPAチップ25に設けた電極は、図7と同様に、金ワイヤ35によって、パッケージ10に設けた入力電極部33及び出力電極部34と接続する。
なお、この参考例3のパッケージ基部の構造及びカーボンナノチューブシート20の製造条件は上記の参考例1と全く同様であり、接地導体32の表面に選択的に成長させる。
In addition, the electrodes provided on the
The structure and manufacturing conditions of the
このように、本発明の参考例3においては、フェイスアップ構造の場合にも熱伝導性に優れるカーボンナノチューブシートを用いているので、従来のAuSnメッキよりも低い熱抵抗を得ることが可能となる。 Thus, in Reference Example 3 of the present invention, since the carbon nanotube sheet having excellent thermal conductivity is used even in the face-up structure, it is possible to obtain a thermal resistance lower than that of the conventional AuSn plating. .
以上を前提として、図6を参照して、本発明の実施例1の高周波半導体装置実装構造を説明するが、基本的構成は上記の参考例1と同様であるので、カーボンナノチューブシート近傍のみを説明する。
図6参照
図6は、本発明の実施例1のカーボンナノチューブシートの構成説明図であり、Cu母材43の表面を金メッキ層44で被覆したパッケージ基部41の全面に厚さが、例えば、15nmのTa拡散防止膜45、厚さが、例えば、5nmのAl下地膜46、及び、厚さが、例えば、2.5nmのFe触媒層47を順次堆積させる。
Based on the above, the high-frequency semiconductor device mounting structure of Example 1 of the present invention will be described with reference to FIG. 6. However, since the basic configuration is the same as that of Reference Example 1 , only the vicinity of the carbon nanotube sheet is used. explain.
See FIG.
FIG. 6 is an explanatory diagram of the structure of the carbon nanotube sheet of Example 1 of the present invention. Ta diffusion having a thickness of, for example, 15 nm is formed on the entire surface of the
次いで、パッケージ40をCVD炉に導入し、熱フィラメントCVD法により、アセチレンとアルゴンの混合ガス(1:9)を原料とし、基板温度620℃、雰囲気圧1kPaの条件にてカーボンナノチューブの成長を行う。
なお、この場合、成長前に例えば、1kPaの水素中で10分間の加熱処理を行うとともに、成長中は原料となる混合ガスを水素ガスにより、原料ガス:水素ガス=3:7の分圧比になるように希釈する。
Next, the package 40 is introduced into a CVD furnace, and carbon nanotubes are grown by a hot filament CVD method using a mixed gas of acetylene and argon (1: 9) as a raw material at a substrate temperature of 620 ° C. and an atmospheric pressure of 1 kPa. .
In this case, for example, heat treatment is performed for 10 minutes in 1 kPa of hydrogen before growth, and a mixed gas as a raw material is grown with hydrogen gas during the growth to a partial pressure ratio of raw material gas: hydrogen gas = 3: 7. Dilute to
この本発明の実施例1においては、パッケージ基部41に凹面部分42が設けられており、凹面部分42の窪みの深さや曲率はカーボンナノチューブシート48の長さや面積によって変化する。
基本的には、HPAチップ25を平行に設置するために、窪みの中央部分と端の部分から成長したカーボンナノチューブ束のパッケージ底面からの高さがほぼ同一になることが望ましい。
In the first embodiment of the present invention, the
Basically, in order to install the HPA chips 25 in parallel, it is desirable that the height from the bottom surface of the package of the carbon nanotube bundles grown from the central portion and the end portion of the recess is substantially the same.
この場合、カーボンナノチューブ束49は直下の基板面から垂直方向に成長する特徴を有しているため、この凹面部分42の上に成長したカーボンナノチューブ束49はその上に搭載するAlN基板或いはHPAチップ25に集中するように成長する。
In this case, since the
カーボンナノチューブシート48の長さを10μmとした場合には、窪みは10μm未満、窪み部分の弧を成す角度は90度未満である。
例えば、窪み中央部分の深さを2μmとした場合、弧を成す角度はおよそ37度で長さ10μmカーボンナノチューブシートの底面からの高さが揃うことになる。
When the length of the
For example, when the depth of the central portion of the recess is 2 μm, the angle forming the arc is approximately 37 degrees and the height from the bottom surface of the carbon nanotube sheet having a length of 10 μm is aligned.
このように、本発明の実施例1においては、パッケージ基部に凹面部分を設けているので、AlN基板或いはHPAチップに集中して接しているカーボンナノチューブ束はパッケージ基部においては広がっているので、面積の大きなパッケージからの熱拡散をより有効に行うことができるとともに、凹面により増加した面積分についてナノチューブ本数が増加するため放熱性の向上を図ることが可能となる。 Thus, in Example 1 of the present invention, since the concave portion is provided in the package base, the carbon nanotube bundle that is in contact with the AlN substrate or the HPA chip in a concentrated manner spreads in the package base. Heat diffusion from a large package can be performed more effectively, and since the number of nanotubes increases for the area increased by the concave surface, it is possible to improve heat dissipation.
以上、本発明の前提となる参考例及び実施例を説明してきたが、本発明は前提となる参考例及び実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、上記の参考例1においては、カーボンナノチューブ束の先端部にグラフェンを成長させるために、触媒として、Co(2.6nm)/TiN(5nm)を用いているが、CoとTiNの膜厚は上記に限定されるわけではなく、典型的にはCo:2〜5nm、TiN:2〜25nmの範囲にあれば良い。 As mentioned above, the reference examples and examples which are the premise of the present invention have been described, but the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the preferential reference examples and examples, and various modifications are possible. Yes, for example, in Reference Example 1 described above, Co (2.6 nm) / TiN (5 nm) is used as a catalyst to grow graphene on the tip of the carbon nanotube bundle. The film thickness is not limited to the above, but typically only needs to be in the range of Co: 2 to 5 nm and TiN: 2 to 25 nm.
また、下地となるTa膜はカーボンナノチューブ束の成長そのものには関与せず、5nm前後あれば良いが、成長温度が低く金属拡散が発生しないような場合にはTa薄膜は必しも設ける必要はない。 Further, the underlying Ta film does not contribute to the growth of the carbon nanotube bundle itself, and may be around 5 nm. However, if the growth temperature is low and metal diffusion does not occur, the Ta thin film must be provided. Absent.
また、上記の参考例2においては、カーボンナノチューブ束のみを成長させるために、触媒として、Fe(2.5nm)/Al(5nm)を用いているが、FeとAlの膜厚は上記に限定されるわけではなく、典型的にはFe:0.1〜5nm、Al:1〜100nmの範囲にあれば良い。 In Reference Example 2 described above, Fe (2.5 nm) / Al (5 nm) is used as a catalyst to grow only the carbon nanotube bundle, but the film thickness of Fe and Al is limited to the above. However, typically, it may be in the range of Fe: 0.1 to 5 nm and Al: 1 to 100 nm.
また、Fe以外の触媒でもカーボンナノチューブ束のみの成長は可能であり、参考例1で示した触媒構造(Co/TiN)を用い、参考例2と同様の成長条件においてグラフェンなしのカーボンナノチューブ束のみを得ることができる。
但し、触媒により活性度が異なるためFeよりも成長時間が長く60分で19μmの長さとなる。
Further, it is possible to grow only a carbon nanotube bundle even with a catalyst other than Fe, and using the catalyst structure (Co / TiN) shown in Reference Example 1 , only the carbon nanotube bundle without graphene under the same growth conditions as in Reference Example 2 Can be obtained.
However, since the activity varies depending on the catalyst, the growth time is longer than that of Fe, and the length becomes 19 μm in 60 minutes.
また、触媒種や触媒の下地膜も上記の前提となる参考例及び実施例に示した構成に限られるものではなく、触媒種としてはコバルト、ニッケル、鉄、金、銀、白金等のカーボンナノチューブの触媒と成り得る金属ないしはその合金であれば良い。
また、下地膜としてはモリブデン、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、バナジウム、タンタルナイトライド、チタンシリサイド、チタンナイトライド、アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、タンタル、タングステン、銅、金、白金などのうち少なくとも一種含む金属ないしは合金からなる膜構造であれば良い。
In addition, the catalyst species and the catalyst base film are not limited to the configurations shown in the above-mentioned reference examples and examples, and the catalyst species are carbon nanotubes such as cobalt, nickel, iron, gold, silver, platinum, etc. Any metal or alloy thereof that can be used as a catalyst is acceptable.
In addition, the base film includes at least one of molybdenum, titanium, hafnium, zirconium, niobium, vanadium, tantalum nitride, titanium silicide, titanium nitride, aluminum, aluminum oxide, titanium oxide, tantalum, tungsten, copper, gold, platinum, and the like. Any film structure made of one kind of metal or alloy may be used.
また、上記の前提となる参考例及び実施例においてはカーボンナノチューブの成長方法として、熱CVD法或いは熱フィラメントCVD法を用いているが、このような成長方法に限られるものではなく、プラズマCVD、リモートプラズマCVD法等を用いても良いものである。 Further, in the reference examples and examples which are the above-mentioned premise , a thermal CVD method or a hot filament CVD method is used as a carbon nanotube growth method. However, the method is not limited to such a growth method. A remote plasma CVD method or the like may be used.
また、上記の前提となる参考例及び実施例においては、原料ガスとしてアセチレンを用いているが、アセチレンに限られるものではなく、メタン、エチレン等の炭化水素類や、或いは、エタノール、メタノール等のアルコール類を用いても良い。 Further, in the reference examples and examples which are the above-mentioned premise, acetylene is used as a raw material gas, but is not limited to acetylene, hydrocarbons such as methane and ethylene, or ethanol, methanol, etc. Alcohols may be used.
また、上記の前提となる参考例及び実施例においては、カーボンナノチューブシートをパッケージ基部に直接成長させているが、このような構成に限られるものではなく、別途成長したカーボンナノチューブ束を導電性接着剤等を用いて転写により貼り付けても良い。 In the reference examples and examples that are the above assumptions , the carbon nanotube sheet is directly grown on the package base. However, the present invention is not limited to such a configuration, and the separately grown carbon nanotube bundle is electrically bonded. You may stick by transcription | transfer using an agent.
また、上記の前提となる参考例及び実施例においては、カーボンナノチューブシートはそのままの状態であるが、樹脂材料によりカーボンナノチューブ束や接合部位を覆うないしは埋め込むことによりカーボンナノチューブシート構造を強化することも可能である。
この場合の樹脂材料としては、カーボンナノチューブと親和性の高い材料を用いることが望ましい。
Further, in the reference examples and examples that are the above premise , the carbon nanotube sheet remains as it is, but the carbon nanotube sheet structure may be strengthened by covering or embedding the carbon nanotube bundle and the bonding portion with a resin material. Is possible.
As the resin material in this case, it is desirable to use a material having high affinity with the carbon nanotube.
また、上記の実施例1においては、パッケージ基部に凹面部分を設けているが、窪みは凹面に限られるものではなく、直線的な傾斜でも良く、また、その平面形状としても円形に限られるものではなく、多角形などを始め特に制限はない。 In the first embodiment , the concave portion is provided on the package base. However, the depression is not limited to the concave surface, and may be linearly inclined, and the planar shape is limited to a circle. However, there are no particular restrictions such as polygons.
ここで、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
(付記1) 上面全面が所定の窪み及び曲率を持つ凹面構造を有するパッケージ基部と、前記パッケージ基部の上面に載置された複数のカーボンナノチューブ束からなるカーボンナノチューブシートと、前記カーボンナノチューブシートの上面の載置面に載置された電子デバイスチップとを有し、前記パッケージ基部の上面の面積は前記電子デバイスを載置する前記カーボンナノチューブシートの上面の載置面の面積より大きく、前記カーボンナノチューブ束は前記パッケージ基部の上面から前記載置面に集中するように配向していることを特徴とするカーボンナノチューブを用いたパッケージ。
(付記2) 前記電子デバイスチップをカーボンナノチューブバンプ基板を介して前記カーボンナノチューブシートに載置することを特徴とする付記1記載のカーボンナノチューブを用いたパッケージ。
(付記3) 前記カーボンナノチューブシートがカーボンナノチューブ束のみからなることを特徴とする付記1記載のカーボンナノチューブを用いたパッケージ。
(付記4) 前記カーボンナノチューブシートがカーボンナノチューブ束と前記カーボンナノチューブ束の先端に形成されたグラフェンとからなることを特徴とする付記1記載のカーボンナノチューブを用いたパッケージ。
(付記5) 前記カーボンナノチューブ束を構成するカーボンナノチューブが、前記載置面を構成するグランド電極上に設けた導電性膜並びに触媒膜から直接成長したカーボンナノチューブであることを特徴とする付記1記載のカーボンナノチューブを用いたパッケージ。
(付記6) 前記カーボンナノチューブ束間及びカーボンナノチューブ間の間隙を媒質により埋め込んだことを特徴とする付記1記載のカーボンナノチューブを用いたパッケージ。
(付記7) 前記媒質が、金属、金属を含む導電性物質、或いは、導電性樹脂のいずれかからなる導電性媒質であることを特徴とする付記6記載のカーボンナノチューブを用いたパッケージ。
(付記8) 前記金属が、金、銀、チタン、白金、パラジウム、モリブデン、インジウム、錫、或いは、タンタルのいずれかからなることを特徴とする付記7記載のカーボンナノチューブを用いたパッケージ。
(付記9) 前記金属を含む導電性物質には、金属ペースト、半田、或いは、メッキのいずれかからなることを特徴とする付記7記載のカーボンナノチューブを用いたパッケージ。
(付記10) 前記媒質が、カーボンナノチューブと親和性の高い有機材料或いは無機材料からなる非導電性媒質であることを特徴とする付記6記載のカーボンナノチューブを用いたパッケージ。
(付記11) 前記カーボンナノチューブシートの先端部分に導電性の金属、導電性を有する無機材料、或いは導電性を有する有機材料が配置されて前記電子デバイスチップとの接合面を構成することを特徴とする付記1記載のカーボンナノチューブを用いたパッケージ。
(付記12) 前記カーボンナノチューブシートが、前記電子デバイスチップの裏面に対向するメタルキャップ側にも設けられたことを特徴とする付記1記載のカーボンナノチューブを用いたパッケージ。
(付記13) 前記載置面を有するパッケージ基部1の母基材が、金、銀、銅、モリブデン、アルミニウム、チタン、タンタル、クロム、コバルト、ニッケル、タングステン、或いは、鉄のうちの少なくとも1種含む構造からなることを特徴とする付記1記載のカーボンナノチューブを用いたパッケージ。
(付記14) 前記パッケージ基部を含むパッケージ全体の表面が、金メッキ、或いはニッケルメッキにより被覆されていることを特徴とする付記13記載のカーボンナノチューブを用いたパッケージ。
(付記15) 上面全面が所定の窪み及び曲率を持つ凹面構造を有するパッケージ基部と、前記パッケージ基部の上面に載置された複数のカーボンナノチューブ束からなるカーボンナノチューブシートと、前記カーボンナノチューブシートの上面の載置面に載置された電子デバイスチップとを有し、前記パッケージ基部の上面の面積は前記電子デバイスを載置する前記カーボンナノチューブシートの上面の載置面の面積より大きく、前記カーボンナノチューブ束は前記パッケージ基部の上面から前記載置面に集中するように配向し、前記電子デバイスチップとして、無線・携帯電話基地局用ハイパワーアンプ、サーバー・パーソナルコンピューター用半導体素子、車載半導体集積回路装置、或いは、電気自動車モーター駆動用トランジスタのいずれかを載置していることを特徴とする電子デバイス。
Here, the detailed features of the present invention will be described again.
(Additional remark 1) The package base which has a concave structure where the whole upper surface has a predetermined depression and curvature, a carbon nanotube sheet comprising a plurality of carbon nanotube bundles placed on the upper surface of the package base, and the upper surface of the carbon nanotube sheet The surface of the package base is larger than the area of the mounting surface of the carbon nanotube sheet on which the electronic device is mounted, and the carbon nanotubes. A package using carbon nanotubes, characterized in that the bundle is oriented so as to concentrate on the mounting surface from the upper surface of the package base.
(Additional remark 2) The package using the carbon nanotube of
(Additional remark 3) The said carbon nanotube sheet | seat consists only of a carbon nanotube bundle , The package using the carbon nanotube of
(Additional remark 4) The package using the carbon nanotube of
(Additional remark 5) The carbon nanotube which comprises the said carbon nanotube bundle | flux is the carbon nanotube which grew directly from the electroconductive film and catalyst film which were provided on the ground electrode which comprises the said mounting surface, The
(Additional remark 6) The package using the carbon nanotube of
(Additional remark 7) The package using the carbon nanotube of
(Additional remark 8) The package using the carbon nanotube of
(Supplementary note 9) The package using the carbon nanotube according to
(Additional remark 10) The package using the carbon nanotube of
(Appendix 11) A conductive metal, a conductive inorganic material, or a conductive organic material is disposed at a tip portion of the carbon nanotube sheet to form a bonding surface with the electronic device chip. A package using the carbon nanotube according to
(Additional remark 12) The said carbon nanotube sheet | seat was provided also in the metal cap side facing the back surface of the said electronic device chip | tip, The package using the carbon nanotube of
(Additional remark 13) The base material of the
(Additional remark 14) The package using the carbon nanotube of
(Additional remark 15) The package base which has a concave structure where the entire upper surface has a predetermined depression and curvature, a carbon nanotube sheet comprising a plurality of carbon nanotube bundles placed on the upper surface of the package base, and the upper surface of the carbon nanotube sheet The surface of the package base is larger than the area of the mounting surface of the carbon nanotube sheet on which the electronic device is mounted, and the carbon nanotubes. bundle oriented to focus on the placement surface from the upper surface of the package base, the electronic device chip and to a wireless, mobile phone base station for high-power amplifier, a semiconductor device for server personal computers, in-vehicle semiconductor integrated Circuit device or electric vehicle motor drive transistor An electronic device characterized in that it placed or Re.
本発明の活用例としては、次世代以降の携帯電話基地局向けの高周波(3GHz以上)高出力増幅器のパッケージ構造が典型的なものであるが、3GHz以下の周波数の半導体装置用パッケージ構造や低出力半導体装置用のパッケージ構造としても適用されるものである。 As a practical example of the present invention, a package structure of a high-frequency (3 GHz or higher) high-power amplifier for mobile phone base stations of the next generation or later is typical, but a package structure for a semiconductor device having a frequency of 3 GHz or lower or a low The present invention is also applied as a package structure for an output semiconductor device.
1 パッケージ基部
2 母基材
3 Auメッキ
4 カーボンナノチューブ束
5 カーボンナノチューブシート
6 電子デバイスチップ
7 カーボンナノチューブバンプ基板
8 グラフェン
9 下地層
10 パッケージ
11 パッケージ基部
12 Cu母材
13 金メッキ層
14 Ta拡散防止膜
15 TiN下地膜
16 Co触媒層
17 Al下地膜
18 Fe触媒層
20 カーボンナノチューブシート
21 カーボンナノチューブ束
22 グラフェン
23 AlN基板
24 カーボンナノチューブバンプ
25 HPAチップ
26 メタルキャップ
27 カーボンナノチューブシート
30 カーボンナノチューブシート
31 カーボンナノチューブ束
32 接地導体
33 入力電極部
34 出力電極部
35 金ワイヤ
41 パッケージ基部
42 凹面部分
43 Cu母材
44 金メッキ層
45 Ta拡散防止膜
46 Al下地膜
47 Fe触媒層
48 カーボンナノチューブシート
49 カーボンナノチューブ束
51 接地導体
52 入力電極部
53 出力電極部
54 GaN−HEMT
55 AuSnメッキ層
56 金ワイヤ
60 パッケージ
61 母基材
62 Mo板
63,64 Cu板
65 金メッキ層
66 AuSnメッキ層
67 メタルキャップ
70 AlN基板
71 カーボンナノチューブバンプ
DESCRIPTION OF
55
Claims (7)
前記パッケージ基部の上面に載置された複数のカーボンナノチューブ束からなるカーボンナノチューブシートと、
前記カーボンナノチューブシートの上面の載置面に載置された電子デバイスチップとを有し、
前記パッケージ基部の上面の面積は前記電子デバイスを載置する前記カーボンナノチューブシートの上面の載置面の面積より大きく、
前記カーボンナノチューブ束は前記パッケージ基部の上面から前記載置面に集中するように配向していることを特徴とするカーボンナノチューブを用いたパッケージ。 A package base having a concave structure having a predetermined depression and curvature on the entire upper surface ;
A carbon nanotube sheet comprising a plurality of carbon nanotube bundles placed on the upper surface of the package base;
An electronic device chip mounted on the mounting surface of the upper surface of the carbon nanotube sheet,
The area of the upper surface of the package base is larger than the area of the mounting surface of the upper surface of the carbon nanotube sheet on which the electronic device is mounted,
A package using carbon nanotubes, characterized in that the carbon nanotube bundles are oriented so as to concentrate on the mounting surface from the upper surface of the package base.
前記パッケージ基部の上面に載置された複数のカーボンナノチューブ束からなるカーボンナノチューブシートと、
前記カーボンナノチューブシートの上面の載置面に載置された電子デバイスチップとを有し、
前記パッケージ基部の上面の面積は前記電子デバイスを載置する前記カーボンナノチューブシートの上面の載置面の面積より大きく、
前記カーボンナノチューブ束は前記パッケージ基部の上面から前記載置面に集中するように配向し、
前記電子デバイスチップとして、無線・携帯電話基地局用ハイパワーアンプ、サーバー・パーソナルコンピューター用半導体素子、車載半導体集積回路装置、或いは、電気自動車モーター駆動用トランジスタのいずれかを載置していることを特徴とする電子デバイス。 A package base having a concave structure having a predetermined depression and curvature on the entire upper surface ;
A carbon nanotube sheet comprising a plurality of carbon nanotube bundles placed on the upper surface of the package base;
An electronic device chip mounted on the mounting surface of the upper surface of the carbon nanotube sheet,
The area of the upper surface of the package base is larger than the area of the mounting surface of the upper surface of the carbon nanotube sheet on which the electronic device is mounted,
The carbon nanotube bundle is oriented so as to concentrate on the mounting surface from the upper surface of the package base,
As the electronic device chip, a wireless, mobile phone base station for high-power amplifier, a server personal computer for semiconductor devices, in-vehicle semiconductor integrated circuit device, or that it is placed on one of the electric vehicle motor driving transistor A featured electronic device.
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