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JPWO2019216052A1 - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

半導体素子にクラックを生じさせず、かつ半導体素子の駆動時に定格温度を超えない構成を有する半導体装置は、放熱板（１１）と、半導体素子（１２）と、出力整合基板（１３）とを備える。放熱板（１１）は第１の金属材料からなる。半導体素子（１２）は放熱板（１１）の上にナノ粒子接合材（１４）により接合される。出力整合基板（１３）は放熱板（１１）の上に第２の金属材料により接合される。第１の金属材料と半導体素子（１２）との線膨張係数差は、半導体素子（１２）と銅との線膨張係数差よりも小さい。第１の金属材料は、ＣｕＷよりも熱伝導率が高い。A semiconductor device having a structure in which a semiconductor element is not cracked and a rated temperature is not exceeded when the semiconductor element is driven includes a heat dissipation plate (11), a semiconductor element (12), and an output matching substrate (13). .. The heat sink (11) is made of a first metal material. The semiconductor element (12) is bonded onto the heat sink (11) by the nanoparticle bonding material (14). The output matching substrate (13) is bonded onto the heat dissipation plate (11) by the second metal material. The difference in linear expansion coefficient between the first metal material and the semiconductor element (12) is smaller than the difference in linear expansion coefficient between the semiconductor element (12) and copper. The first metal material has a higher thermal conductivity than CuW.

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、繰り返し温度サイクルが加わる環境で使用される半導体装置に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device used in an environment where repeated temperature cycles are applied.

高周波用の半導体装置に含まれる半導体素子は、その駆動時の発熱が大きい。このため当該半導体装置において半導体素子を搭載する金属製のベースは、通常は熱伝導性の高い銅により形成される。しかし半導体素子と銅のベースとは線膨張係数の差が大きい。このため銅のベースの上に搭載された半導体素子は、その駆動時の熱によりクラックなどの損傷を発生する可能性がある。このような不具合を抑制する観点から、たとえば特開平１０−５６０９２号公報（特許文献１）には、ベースと半導体素子との間に台座が挟まれ実装された半導体装置が開示されている。この台座は銅タングステン（ＣｕＷ）により形成されている。銅タングステンは、銅よりも線膨張係数が半導体素子の線膨張係数に近い値を有している。   A semiconductor element included in a high frequency semiconductor device generates a large amount of heat when driven. Therefore, in the semiconductor device, the metal base on which the semiconductor element is mounted is usually formed of copper having high thermal conductivity. However, the difference in linear expansion coefficient between the semiconductor element and the copper base is large. Therefore, the semiconductor element mounted on the copper base may be damaged by cracks or the like due to heat generated when the semiconductor element is driven. From the viewpoint of suppressing such a problem, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-56092 (Patent Document 1) discloses a semiconductor device in which a pedestal is sandwiched between a base and a semiconductor element and mounted. This pedestal is formed of copper tungsten (CuW). Copper tungsten has a coefficient of linear expansion closer to that of copper than that of copper.

特開平１０−５６０９２号公報JP, 10-56092, A

しかしながら、半導体素子の高出力化に伴い発熱量が増加している。このため特開平１０−５６０９２号公報のように半導体素子を銅タングステンの台座上に実装することに問題が生じつつある。銅タングステンの熱伝導率が十分でないために、半導体素子の駆動時の温度が定格温度を超えるようになりつつあるためである。   However, the amount of heat generated is increasing with the increase in output of semiconductor devices. Therefore, there is a problem in mounting a semiconductor element on a copper-tungsten pedestal as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-56092. This is because the temperature at the time of driving the semiconductor element is becoming higher than the rated temperature because the thermal conductivity of copper tungsten is not sufficient.

本発明は以上の課題に鑑みてなされたものである。その目的は、半導体素子にクラックを生じさせず、かつ半導体素子の駆動時に定格温度を超えない構成を有する、高周波用の半導体装置を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device for high frequency, which does not cause cracks in the semiconductor element and has a configuration in which the rated temperature is not exceeded when the semiconductor element is driven.

本発明の半導体装置は、放熱板と、半導体素子と、出力整合基板とを備える。放熱板は第１の金属材料からなる。半導体素子は放熱板の上にナノ粒子接合材により接合される。出力整合基板は放熱板の上に第２の金属材料により接合される。第１の金属材料と半導体素子との線膨張係数差は、半導体素子と銅との線膨張係数差よりも小さい。第１の金属材料は、銅タングステン（ＣｕＷ）よりも熱伝導率が高い。   The semiconductor device of the present invention includes a heat sink, a semiconductor element, and an output matching substrate. The heat sink is made of a first metal material. The semiconductor element is bonded onto the heat sink with a nanoparticle bonding material. The output matching substrate is bonded onto the heat dissipation plate by the second metal material. The difference in linear expansion coefficient between the first metal material and the semiconductor element is smaller than the difference in linear expansion coefficient between the semiconductor element and copper. The first metal material has a higher thermal conductivity than copper tungsten (CuW).

本発明によれば、第１の金属材料上に半導体素子が接合されることにより、半導体素子にクラックを生じさせず、かつ半導体素子の駆動時に定格温度を超えない構成とすることができる。   According to the present invention, the semiconductor element is bonded onto the first metal material, so that the semiconductor element is not cracked and the rated temperature is not exceeded when the semiconductor element is driven.

実施の形態１に係る半導体装置が用いられる半導体マイクロ波電源装置の構成を示す概略斜視図である。FIG. 3 is a schematic perspective view showing a configuration of a semiconductor microwave power supply device in which the semiconductor device according to the first embodiment is used. 図１中の半導体出力増幅器内の回路を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit in the semiconductor output amplifier in FIG. 実施の形態１に係る半導体装置の第１例を示す概略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a first example of the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態１に係る半導体装置の第２例を示す概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a second example of the semiconductor device according to the first embodiment. 放熱板を構成するＣｕＭｏＣｕの積層構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the laminated structure of CuMoCu which comprises a heat sink. 実施の形態１の半導体装置における出力整合基板の第１例の構成を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a first example of the output matching substrate in the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態１の半導体装置における出力整合基板の第２例の構成を示す概略図である。FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration of a second example of the output matching substrate in the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態２に係る半導体装置の第１例を示す概略断面図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a first example of the semiconductor device according to the second embodiment. 実施の形態２に係る半導体装置の第２例を示す概略断面図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a second example of the semiconductor device according to the second embodiment. 実施の形態３に係る半導体装置の第１例を示す概略断面図である。FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a first example of the semiconductor device according to the third embodiment. 実施の形態３に係る半導体装置の第２例を示す概略断面図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a second example of the semiconductor device according to the third embodiment. 実施の形態４に係る半導体装置の第１例を示す概略断面図である。FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a first example of the semiconductor device according to the fourth embodiment. 実施の形態４に係る半導体装置の第２例を示す概略断面図である。FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a second example of the semiconductor device according to the fourth embodiment.

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

実施の形態１．
まず本実施の形態の半導体装置が用いられる半導体マイクロ波電源装置について、図１および図２を用いて説明する。Embodiment 1.
First, a semiconductor microwave power supply device using the semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

図１は実施の形態１に係る半導体装置が用いられる半導体マイクロ波電源装置の構成を示す概略斜視図である。図２は図１中の半導体出力増幅器内の回路を示すブロック図である。図１を参照して、本実施の形態に係る半導体装置が用いられる半導体マイクロ波電源装置１００は、プリアンプ１と、分配器２と、半導体出力増幅器３とを有している。当該半導体マイクロ波電源装置１００は、電源４により駆動する。   FIG. 1 is a schematic perspective view showing the configuration of a semiconductor microwave power supply device in which the semiconductor device according to the first embodiment is used. FIG. 2 is a block diagram showing a circuit in the semiconductor output amplifier shown in FIG. Referring to FIG. 1, semiconductor microwave power supply device 100 in which the semiconductor device according to the present embodiment is used includes preamplifier 1, distributor 2, and semiconductor output amplifier 3. The semiconductor microwave power supply device 100 is driven by the power supply 4.

プリアンプ１は、半導体マイクロ波電源装置１００全体に入力された微小な信号を、通常の増幅器の入力信号として使用できる程度に大きな信号に増幅する目的で配置される。このためプリアンプ１は半導体マイクロ波電源装置１００全体の入力部分に配置される。分配器２はプリアンプ１で増幅された信号を、これより出力側の半導体出力増幅器３に備えられる複数のパレットアンプに割り当てることを可能とするための部材である。すなわち分配器２はプリアンプ１で増幅された信号を複数の信号経路に分配する。   The preamplifier 1 is arranged for the purpose of amplifying a minute signal input to the entire semiconductor microwave power supply device 100 into a large signal that can be used as an input signal of a normal amplifier. Therefore, the preamplifier 1 is arranged at the input portion of the entire semiconductor microwave power supply device 100. The distributor 2 is a member for allowing the signal amplified by the preamplifier 1 to be assigned to a plurality of palette amplifiers provided in the semiconductor output amplifier 3 on the output side. That is, the distributor 2 distributes the signal amplified by the preamplifier 1 to a plurality of signal paths.

半導体出力増幅器３は、分配器２で分配された信号をさらに増幅するための、ＳＳＰＡ（Solid State Power Amplifiler）と呼ばれる部材である。図２を参照して、半導体出力増幅器３の内部には、複数のパレットアンプ５と呼ばれる増幅器が並列されている。また図２に示すように、半導体出力増幅器３の内部には、各パレットアンプ５の出力側に、合成器６が接続されている。この合成器６により、パレットアンプ５で増幅された電気信号が合成される。そして図１中に矢印ＯＰで示すように、増幅された電気信号が出力される。   The semiconductor output amplifier 3 is a member called SSPA (Solid State Power Amplifiler) for further amplifying the signal distributed by the distributor 2. Referring to FIG. 2, inside the semiconductor output amplifier 3, a plurality of amplifiers called palette amplifiers 5 are arranged in parallel. Further, as shown in FIG. 2, inside the semiconductor output amplifier 3, a combiner 6 is connected to the output side of each palette amplifier 5. The combiner 6 combines the electric signals amplified by the palette amplifier 5. Then, as indicated by an arrow OP in FIG. 1, the amplified electric signal is output.

次に、図３〜図７を用いて、本実施の形態のパレットアンプ５の構造上の特徴等について説明する。   Next, the structural features of the palette amplifier 5 of the present embodiment will be described with reference to FIGS.

図３は本実施の形態１に係る半導体装置の第１例を示す概略断面図である。図４は本実施の形態１に係る半導体装置の第２例を示す概略断面図である。なお以下の各図においては説明の便宜のため、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向が導入されている。Ｘ方向は図の左右方向であり、放熱板１１の長辺側の配置される方向に相当する。Ｙ方向は図の紙面に垂直な方向であり、Ｘ方向と併せて放熱板１１の主表面に沿う方向である。Ｚ方向は図の上下方向であり、放熱板１１に半導体素子１２などが接合される方向である。   FIG. 3 is a schematic sectional view showing a first example of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 4 is a schematic sectional view showing a second example of the semiconductor device according to the first embodiment. In addition, in each of the following drawings, for convenience of description, the X direction, the Y direction, and the Z direction are introduced. The X direction is the left-right direction in the drawing, and corresponds to the direction in which the long side of the heat dissipation plate 11 is arranged. The Y direction is a direction perpendicular to the paper surface of the drawing, and is a direction along the main surface of the heat dissipation plate 11 together with the X direction. The Z direction is the vertical direction in the figure, and is the direction in which the semiconductor element 12 and the like are joined to the heat dissipation plate 11.

図３を参照して、本実施の形態の半導体装置１０の第１例は、図１中の半導体出力増幅器３に含まれるパレットアンプ５に相当する部分である。当該半導体装置１０の第１例は、放熱板１１と、半導体素子１２と、出力整合基板１３とを主に有している。半導体素子１２は放熱板１１の上にナノ粒子接合材１４により接合されている。出力整合基板１３も放熱板１１の上にナノ粒子接合材１４により接合されている。放熱板１１上の一部には樹脂基板１５が接合されている。   Referring to FIG. 3, a first example of semiconductor device 10 of the present embodiment is a portion corresponding to palette amplifier 5 included in semiconductor output amplifier 3 in FIG. The first example of the semiconductor device 10 mainly includes a heat dissipation plate 11, a semiconductor element 12, and an output matching substrate 13. The semiconductor element 12 is bonded onto the heat dissipation plate 11 with a nanoparticle bonding material 14. The output matching substrate 13 is also bonded to the heat dissipation plate 11 by the nanoparticle bonding material 14. A resin substrate 15 is joined to a part of the heat dissipation plate 11.

図４を参照して、本実施の形態の半導体装置１０の第２例は、第１例と基本的に同様の構成を有している。このため図４について、図３と同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし図４においては、放熱板１１と出力整合基板１３とがＡｕ系はんだ材１６により接合されている。この点において図４の半導体装置１０は図３の半導体装置１０と構成上異なっている。このように、本実施の形態においては出力整合基板１３は、放熱板１１の上に、第２の金属材料により接合されている。第２の金属材料は、ナノ粒子接合材１４またはＡｕ系はんだ材１６である。以下、図３および図４の半導体装置１０の各部材について説明する。   Referring to FIG. 4, the second example of semiconductor device 10 of the present exemplary embodiment basically has the same configuration as the first example. Therefore, in FIG. 4, the same components as those in FIG. 3 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated. However, in FIG. 4, the heat dissipation plate 11 and the output matching substrate 13 are joined by the Au-based solder material 16. In this respect, the semiconductor device 10 of FIG. 4 differs from the semiconductor device 10 of FIG. 3 in structure. As described above, in this embodiment, the output matching substrate 13 is bonded onto the heat dissipation plate 11 by the second metal material. The second metal material is the nanoparticle bonding material 14 or the Au-based solder material 16. Hereinafter, each member of the semiconductor device 10 of FIGS. 3 and 4 will be described.

図３および図４の半導体装置１０においては、放熱板１１は全体的に平板形状を有し、平面視において概ね矩形状を有している。ただし半導体装置１０においては放熱板１１のＺ方向に関する厚みが部分的に他と異なる領域を有している。具体的には、放熱板１１は図３および図４のＸ方向に関する中央部において、それ以外の領域よりも厚く形成されている。このため断面図において放熱板１１は概ね凸形状を有している。   In the semiconductor device 10 of FIGS. 3 and 4, the heat dissipation plate 11 has a flat plate shape as a whole, and has a substantially rectangular shape in a plan view. However, in the semiconductor device 10, the thickness of the heat sink 11 in the Z direction partially has a region different from other regions. Specifically, the heat dissipation plate 11 is formed thicker in the central portion in the X direction of FIGS. 3 and 4 than in other regions. Therefore, the heat dissipation plate 11 has a generally convex shape in the cross-sectional view.

放熱板１１は、第１の金属材料からなっている。ここでは第１の金属材料は銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）とからなる、いわゆるＣｕＭｏＣｕである。図５は、放熱板１１を構成するＣｕＭｏＣｕの積層構成を示す概略図である。図５を参照して、放熱板１１を構成するＣｕＭｏＣｕは、たとえば銅層１１ａとモリブデン層１１ｂとが１層以上ずつ積層された構成であってもよいが、これに限られない。   The heat sink 11 is made of a first metal material. Here, the first metal material is so-called CuMoCu, which is made of copper (Cu) and molybdenum (Mo). FIG. 5 is a schematic diagram showing a laminated structure of CuMoCu forming the heat dissipation plate 11. Referring to FIG. 5, CuMoCu forming heat dissipation plate 11 may have a structure in which one or more layers of copper layer 11a and molybdenum layer 11b are stacked, but the structure is not limited thereto.

なお図５においては、下側から順に、銅層１１ａ、モリブデン層１１ｂ、銅層１１ａ、モリブデン層１１ｂ、銅層１１ａの順に積層されている。すなわち図５においては、放熱板１１として、３層の銅層１１ａと２層のモリブデン層１１ｂとの合計５層が交互に積層されている。図５における最下層の銅層１１ａはＺ方向の厚みが０．８ｍｍであり、そのすぐ上に接合されるモリブデン層１１ｂは厚みが０．２ｍｍである。またそのすぐ上に接合される銅層１１ａは厚み１．０ｍｍ、そのすぐ上のモリブデン層１１ｂは厚み０．２ｍｍである。また最上層の銅層１１ａはＺ方向の厚みが０．３ｍｍである。図５においては放熱板１１全体に対するモリブデンの比率は１６％である。この比率とは放熱板１１全体に対するモリブデン層１１ｂの厚みの比率である。放熱板１１を構成するＣｕＭｏＣｕ全体に対するモリブデン層１１ｂの（厚みの）比率は、５％以上５０％以下であることが好ましい。   In FIG. 5, the copper layer 11a, the molybdenum layer 11b, the copper layer 11a, the molybdenum layer 11b, and the copper layer 11a are sequentially stacked from the bottom. That is, in FIG. 5, as the heat dissipation plate 11, a total of five layers of three copper layers 11a and two molybdenum layers 11b are alternately laminated. The thickness of the lowermost copper layer 11a in FIG. 5 is 0.8 mm in the Z direction, and the thickness of the molybdenum layer 11b bonded directly thereabove is 0.2 mm. Further, the copper layer 11a joined directly thereabove has a thickness of 1.0 mm, and the molybdenum layer 11b immediately thereabove has a thickness of 0.2 mm. The uppermost copper layer 11a has a thickness in the Z direction of 0.3 mm. In FIG. 5, the ratio of molybdenum to the entire heat dissipation plate 11 is 16%. This ratio is the ratio of the thickness of the molybdenum layer 11b to the entire heat dissipation plate 11. The ratio (of the thickness) of the molybdenum layer 11b to the entire CuMoCu forming the heat dissipation plate 11 is preferably 5% or more and 50% or less.

放熱板１１は、銅とモリブデンとを拡散接合することにより形成される。これにより図５に示すような銅層１１ａとモリブデン層１１ｂとが複数積層された構造となる。   The heat dissipation plate 11 is formed by diffusion bonding copper and molybdenum. This results in a structure in which a plurality of copper layers 11a and molybdenum layers 11b are stacked as shown in FIG.

半導体素子１２は、たとえばＧａＮ（窒化ガリウム：Gallium Nitride）またはＧａＡｓ（ガリウム砒素：Gallium Arsenide）などの半導体材料がチップ状に加工されたものである。ただし半導体素子１２はシリコン（Ｓｉ）がチップ状に加工されたものであってもよい。半導体素子１２には高周波用のＦＥＴ（Field Effect Transistor）などが搭載されている。   The semiconductor element 12 is formed by processing a semiconductor material such as GaN (Gallium Nitride) or GaAs (Gallium Arsenide) into a chip shape. However, the semiconductor element 12 may be formed by processing silicon (Si) into a chip shape. The semiconductor element 12 is equipped with a high frequency FET (Field Effect Transistor) and the like.

本実施の形態においては、放熱板１１の第１の金属材料として上記のＣｕＭｏＣｕを用いるにせよそれ以外の材質を用いるにせよ、以下が成り立つ。当該第１の金属材料と半導体素子１２（のチップの構成材質）との線膨張係数差は、半導体素子１２（のチップの構成材質）と銅との線膨張係数差よりも小さい。第１の金属材料は、ＣｕＷ（銅タングステン）よりも熱伝導率が高い。   In the present embodiment, the following is established regardless of whether CuMoCu described above is used as the first metal material of heat dissipation plate 11 or a material other than that. The linear expansion coefficient difference between the first metal material and the semiconductor element 12 (the constituent material of the chip thereof) is smaller than the linear expansion coefficient difference between the semiconductor element 12 (the constituent material of the chip thereof) and copper. The first metal material has a higher thermal conductivity than CuW (copper tungsten).

具体的には、たとえば第１の金属材料が上記の図５の組成を有するＣｕＭｏＣｕである場合、その線膨張係数は１１×１０-6／Ｋである。たとえば半導体素子１２が上記のようにシリコン、ＧａＮ、ＧａＡｓのいずれかの材質からなる場合には、半導体素子１２（のチップの構成材質）の線膨張係数はおよそ３．６×１０-6／Ｋ以上５．６×１０-6／Ｋ以下である。また銅の線膨張係数は１７×１０-6／Ｋである。また図５の組成を有するＣｕＭｏＣｕの熱伝導率は３０７Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。ＣｕＷの熱伝導率は１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。Specifically, for example, when the first metal material is CuMoCu having the composition shown in FIG. 5, the linear expansion coefficient is 11×10 −6 /K. For example, when the semiconductor element 12 is made of any one of silicon, GaN, and GaAs as described above, the coefficient of linear expansion of the semiconductor element 12 (the constituent material of the chip thereof) is about 3.6×10 −6 /K. The above is 5.6×10 −6 /K or less. The linear expansion coefficient of copper is 17×10 −6 /K. The thermal conductivity of CuMoCu having the composition of FIG. 5 is 307 W/(m·K). The thermal conductivity of CuW is 190 W/(m·K).

図３において放熱板１１と半導体素子１２と、および放熱板１１と出力整合基板１３とを接合するナノ粒子接合材１４は、銀もしくは銅、または銀および銅が混合された金属材料による、概ね３００℃以下の低温で接合可能な接合材である。ナノ粒子接合材１４は、焼結工程により２つの部材間を接合する。ナノ粒子接合材１４が焼結された銀すなわち焼結銀である場合、その焼結温度すなわち硬化温度はおよそ２１０℃である。またナノ粒子接合材１４が焼結された銅すなわち焼結銅である場合、その焼結温度すなわち硬化温度はおよそ２８０℃である。一方、ナノ粒子接合材１４の比較例としての、一般的にダイアタッチペーストとして用いられるエポキシ系導電性接着剤の硬化温度は１２５℃以上１５０℃以下である。このため焼結銀または焼結銅としてのナノ粒子接合材１４は、エポキシ系導電性接着剤と同等の硬化温度である。このため焼結銀または焼結銅としてのナノ粒子接合材１４は、比較例としてのエポキシ系導電性接着剤の加熱に使用しているクリーンオーブンを用いて焼結することができる。   In FIG. 3, the nanoparticle bonding material 14 for bonding the heat dissipation plate 11 and the semiconductor element 12 and the heat dissipation plate 11 and the output matching substrate 13 is made of silver or copper or a metal material in which silver and copper are mixed, and is approximately 300. It is a joining material that can be joined at a low temperature of ℃ or less. The nanoparticle bonding material 14 bonds the two members by a sintering process. When the nanoparticle bonding material 14 is sintered silver, that is, sintered silver, the sintering temperature or curing temperature is approximately 210°C. When the nanoparticle bonding material 14 is sintered copper, that is, sintered copper, the sintering temperature, that is, the curing temperature is about 280°C. On the other hand, the curing temperature of an epoxy-based conductive adhesive that is generally used as a die attach paste as a comparative example of the nanoparticle bonding material 14 is 125° C. or higher and 150° C. or lower. Therefore, the nanoparticle bonding material 14 as sintered silver or sintered copper has a curing temperature equivalent to that of the epoxy-based conductive adhesive. Therefore, the nanoparticle bonding material 14 made of sintered silver or sintered copper can be sintered using the clean oven used for heating the epoxy-based conductive adhesive as a comparative example.

ナノ粒子接合材１４は熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。ナノ粒子接合材１４が焼結銀である場合、その熱伝導率はおよそ２７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。またナノ粒子接合材１４が焼結銅である場合、その熱伝導率はおよそ２３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。   The nanoparticle bonding material 14 has a thermal conductivity of 200 W/(m·K) or more. When the nanoparticle bonding material 14 is sintered silver, its thermal conductivity is approximately 270 W/(m·K). When the nanoparticle bonding material 14 is sintered copper, its thermal conductivity is approximately 230 W/(m·K).

図４において放熱板１１と出力整合基板１３とを接合するＡｕ系はんだ材１６は、たとえば金およびスズを含む共晶はんだ材である。Ａｕ系はんだ材１６は熱伝導率が５７Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。一方、ナノ粒子接合材１４およびＡｕ系はんだ材１６の比較例としてのエポキシ系導電性接着剤の熱伝導率は２．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。つまりナノ粒子接合材１４およびＡｕ系はんだ材１６の熱伝導率は、エポキシ系導電性接着剤の熱伝導率よりも大幅に高い。またナノ粒子接合材１４の熱伝導率は、Ａｕ系はんだ材１６の熱伝導率よりも大幅に高い。   In FIG. 4, the Au-based solder material 16 that joins the heat dissipation plate 11 and the output matching substrate 13 is a eutectic solder material containing gold and tin, for example. The Au-based solder material 16 has a thermal conductivity of 57 W/(m·K). On the other hand, the thermal conductivity of the epoxy conductive adhesive as a comparative example of the nanoparticle bonding material 14 and the Au solder material 16 is 2.1 W/(m·K). That is, the thermal conductivity of the nanoparticle bonding material 14 and the Au-based solder material 16 is significantly higher than the thermal conductivity of the epoxy-based conductive adhesive. Further, the thermal conductivity of the nanoparticle bonding material 14 is significantly higher than that of the Au-based solder material 16.

出力整合基板１３には、たとえばインピーダンスの整合回路が形成されている。通常は半導体素子１２単体では、所望のインピーダンス値であるたとえば５０Ωを示さない。このため半導体素子１２とともに出力整合基板１３が設けられる。これにより、半導体素子１２と出力整合基板１３とを含む半導体装置１０の特に出力側の伝送線路全体のインピーダンスが所望のたとえば５０Ωとなるように制御されている。   On the output matching substrate 13, for example, an impedance matching circuit is formed. Normally, the semiconductor element 12 alone does not exhibit a desired impedance value, for example, 50Ω. Therefore, the output matching substrate 13 is provided together with the semiconductor element 12. As a result, the impedance of the entire transmission line of the semiconductor device 10 including the semiconductor element 12 and the output matching substrate 13 is controlled to be a desired impedance, for example, 50Ω.

図６は、本実施の形態１の半導体装置１０における出力整合基板１３の第１例の構成を示す概略図である。図７は、本実施の形態１の半導体装置１０における出力整合基板１３の第２例の構成を示す概略図である。図６を参照して、出力整合基板１３を構成する回路は、いわゆるマイクロストリップラインにより構成される。この場合、出力整合基板１３は、基材１３ａと、その一方すなわちＺ方向の下側の主表面上に形成された接地導体膜１３ｂと、その他方すなわちＺ方向の上側の主表面上に形成されたメインライン１３ｃとを有している。接地導体膜１３ｂは基材１３ａの下側の主表面上の全体を覆うように形成されている。メインライン１３ｃは基材１３ａの上側の主表面上のたとえばＸ方向に関する中央部をＹ方向に延びる線状の導体膜である。   FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of a first example of the output matching substrate 13 in the semiconductor device 10 according to the first embodiment. FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of the second example of the output matching substrate 13 in the semiconductor device 10 of the first embodiment. Referring to FIG. 6, the circuit forming output matching substrate 13 is formed of a so-called microstrip line. In this case, the output matching substrate 13 is formed on the base material 13a, one of them, that is, the ground conductor film 13b formed on the lower main surface in the Z direction, and the other, that is, on the upper main surface in the Z direction. It has a main line 13c. The ground conductor film 13b is formed so as to entirely cover the lower main surface of the base material 13a. The main line 13c is a linear conductor film that extends in the Y direction at the central portion in the X direction, for example, on the upper main surface of the base material 13a.

図７を参照して、出力整合基板１３を構成する回路は、いわゆるコプレーナラインにより構成されてもよい。この場合、出力整合基板１３は、基材１３ａと、その一方すなわちＺ方向の上側の主表面上に形成された接地導体膜１３ｂおよびメインライン１３ｃとを有している。図７は図６と比較して、接地導体膜１３ｂがメインライン１３ｃの延びるＹ方向に交差するＸ方向の両側からこれを挟むように配置されている点において異なっている。   Referring to FIG. 7, the circuit forming output matching substrate 13 may be formed by a so-called coplanar line. In this case, the output matching substrate 13 has a base material 13a, and a ground conductor film 13b and a main line 13c formed on one of the base material 13a, that is, on the upper main surface in the Z direction. 7 is different from FIG. 6 in that the ground conductor film 13b is arranged so as to sandwich the main line 13c from both sides in the X direction intersecting the Y direction in which the main line 13c extends.

基材１３ａには、樹脂材料に比べて高誘電率である、アルミナなどのセラミック材料が用いられることが好ましい。基材１３ａ上の回路のパターン幅および大きさは基材１３ａの誘電率に起因する。誘電率の小さい樹脂基板では回路が大きくなる。そのため上記のように、基材１３ａには樹脂材料よりも誘電率が高いアルミナなどのセラミック材料を用いることが好ましい。このようにすれば、出力整合基板１３の平面視におけるサイズを小さくすることができ、半導体装置１０全体を小型化することができる。   A ceramic material such as alumina, which has a higher dielectric constant than a resin material, is preferably used for the base material 13a. The circuit pattern width and size on the base material 13a are due to the dielectric constant of the base material 13a. The circuit becomes large with a resin substrate having a small dielectric constant. Therefore, as described above, it is preferable to use a ceramic material such as alumina having a higher dielectric constant than the resin material for the base material 13a. By doing so, the size of the output matching substrate 13 in plan view can be reduced, and the semiconductor device 10 as a whole can be downsized.

しかし基材１３ａに高誘電率材料を用いれば、以下の問題が生じ得る。たとえばメインライン１３ｃに小さな金リボンなどの金属片を熱圧着して取り付けることにより出力整合基板１３の回路の電気特性を調整する場合に、わずかな調整により電気特性が過剰に変化する。   However, if a high dielectric constant material is used for the base material 13a, the following problems may occur. For example, when the electrical characteristics of the circuit of the output matching substrate 13 are adjusted by attaching a metal piece such as a small gold ribbon to the main line 13c by thermocompression bonding, the electrical characteristics are excessively changed by a slight adjustment.

再度図３および図４を参照して、本実施の形態の半導体装置１０は、以下の特徴を有する。断面図において凸形状を有する放熱板１１が、半導体素子１２および出力整合基板１３が接合される第１の領域において、第１の領域以外の第２の領域よりも、放熱板１１の主表面に交差するＺ方向の厚みが大きい。ここで第１の領域とはＸ方向の中央部であり、第２の領域とは第１の領域の左側および右側である。放熱板１１の第２の領域には、樹脂基板１５が接合されている。   Referring again to FIGS. 3 and 4, semiconductor device 10 of the present embodiment has the following features. In the first region where the semiconductor element 12 and the output matching substrate 13 are joined, the heat sink 11 having a convex shape in the cross-sectional view is closer to the main surface of the heat sink 11 than the second region other than the first region. The thickness of the intersecting Z direction is large. Here, the first region is the central portion in the X direction, and the second regions are the left side and the right side of the first region. The resin substrate 15 is bonded to the second region of the heat dissipation plate 11.

樹脂基板１５は、出力整合基板１３の構成回路の電気特性の過剰な変化を抑制する観点から、基材１３ａを構成するアルミナなどよりも低誘電率の基板として配置されたものである。樹脂基板１５はたとえば、エポキシ樹脂が含浸されたプリント基板である。樹脂基板１５を出力整合基板１３の外側に設けることにより、出力整合基板１３の構成回路の電気特性を微調整することができる。また高誘電率の基材１３ａを用いた場合、外部からの電力供給用配線のパッドが非常に小さくなる。そこで当該パッドを大きくする観点から、セラミック材料よりも低誘電率である樹脂基板１５が接合される。   The resin substrate 15 is arranged as a substrate having a dielectric constant lower than that of alumina or the like forming the base material 13a from the viewpoint of suppressing an excessive change in the electrical characteristics of the constituent circuit of the output matching substrate 13. The resin substrate 15 is, for example, a printed circuit board impregnated with an epoxy resin. By providing the resin substrate 15 outside the output matching substrate 13, it is possible to finely adjust the electric characteristics of the constituent circuits of the output matching substrate 13. Further, when the base material 13a having a high dielectric constant is used, the pad of the wiring for supplying power from the outside becomes very small. Therefore, from the viewpoint of enlarging the pad, the resin substrate 15 having a lower dielectric constant than the ceramic material is bonded.

放熱板１１は、樹脂基板１５が接合される第２の領域をそれ以外の第１の領域よりも薄くする。これにより、厚みの大きい樹脂基板１５を接合しても、半導体装置１０およびこれを含む半導体出力増幅器３全体の大型化を抑制できる。   The heat dissipation plate 11 makes the second region to which the resin substrate 15 is bonded thinner than the other first regions. As a result, even if the resin substrate 15 having a large thickness is bonded, it is possible to prevent the semiconductor device 10 and the semiconductor output amplifier 3 including the semiconductor device 10 from becoming large in size.

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。   Next, the function and effect of this embodiment will be described.

本実施の形態においては、放熱板１１の第１の金属材料と、その上に接合される半導体素子１２との線膨張係数差は、半導体素子１２と銅との線膨張係数差よりも小さい。このため放熱板１１が銅で形成される場合に比べて、放熱板１１上の半導体素子１２に繰り返し加わる熱衝撃によるクラックまたは剥離を抑制することができる。   In the present embodiment, the difference in linear expansion coefficient between the first metal material of heat dissipation plate 11 and semiconductor element 12 bonded thereon is smaller than the difference in linear expansion coefficient between semiconductor element 12 and copper. Therefore, as compared with the case where the heat dissipation plate 11 is made of copper, cracks or peeling due to thermal shock repeatedly applied to the semiconductor element 12 on the heat dissipation plate 11 can be suppressed.

なお半導体素子１２と隣接するアルミナ製の出力整合基板１３は線膨張係数が７．２×１０-6／Ｋである。このためアルミナ製の出力整合基板１３は、ＣｕＭｏＣｕ製の放熱板１１よりもさらに、半導体素子１２との線膨張係数の差が小さくなる。このためアルミナ製の出力整合基板１３の設置による半導体素子１２へのクラックまたは剥離の発生も抑制可能である。また放熱板１１と出力整合基板１３との線膨張係数差は、放熱板１１と半導体素子１２との線膨張係数差よりも小さくなる。このため出力整合基板１３自身へのクラックまたは剥離の発生も抑制可能である。The alumina output matching substrate 13 adjacent to the semiconductor element 12 has a linear expansion coefficient of 7.2×10 −6 /K. Therefore, the output matching substrate 13 made of alumina has a smaller difference in linear expansion coefficient from the semiconductor element 12 than the heat dissipation plate 11 made of CuMoCu. Therefore, the occurrence of cracks or peeling on the semiconductor element 12 due to the installation of the output matching substrate 13 made of alumina can be suppressed. Further, the difference in linear expansion coefficient between the heat dissipation plate 11 and the output matching substrate 13 is smaller than the difference in linear expansion coefficient between the heat dissipation plate 11 and the semiconductor element 12. Therefore, the occurrence of cracks or peeling on the output matching substrate 13 itself can be suppressed.

次に、放熱板１１を構成する第１の金属材料は、ＣｕＷよりも熱伝導率が高いたとえばＣｕＭｏＣｕである。このため放熱板１１がＣｕＷよりも速やかに、半導体素子１２の熱を放熱することができる。したがって、ＣｕＷで形成される場合に比べて、半導体素子１２の駆動時の温度が定格温度（Ｔｊ）を超えるという問題を回避することができる。なお半導体素子１２の定格温度は、ＧａＮのチップはおよそ２２５℃であり、ＧａＡｓのチップはほぼ１７５℃であり、Ｓｉのチップはほぼ２２５℃である。   Next, the first metal material forming the heat dissipation plate 11 is, for example, CuMoCu having a higher thermal conductivity than CuW. Therefore, the heat radiating plate 11 can radiate the heat of the semiconductor element 12 more quickly than CuW. Therefore, it is possible to avoid the problem that the temperature at the time of driving the semiconductor element 12 exceeds the rated temperature (Tj) as compared with the case of being formed of CuW. The rated temperature of the semiconductor element 12 is about 225° C. for a GaN chip, about 175° C. for a GaAs chip, and about 225° C. for a Si chip.

また半導体素子１２は放熱板１１の上に、エポキシ系導電性接着剤よりも格段に熱伝導率の高いナノ粒子接合材により接合されている。このため両者がエポキシ系導電性接着剤で接合される場合に比べて、半導体素子１２の駆動時の温度が定格温度（Ｔｊ）を超えるという問題を回避することができる。   The semiconductor element 12 is bonded onto the heat dissipation plate 11 with a nanoparticle bonding material having a remarkably higher thermal conductivity than the epoxy-based conductive adhesive. Therefore, as compared with the case where both are bonded with an epoxy-based conductive adhesive, the problem that the temperature when the semiconductor element 12 is driven exceeds the rated temperature (Tj) can be avoided.

また出力整合基板１３は放熱板１１の上に、第２の金属材料としてのナノ粒子接合材１４またはＡｕ系はんだ材１６により接合される。このため両者がエポキシ系導電性接着剤で接合される場合に比べて、出力整合基板１３に含まれる整合回路の駆動時の温度が半導体素子の構成材料の定格温度（Ｔｊ）を超えるという問題を回避することができる。   The output matching substrate 13 is bonded onto the heat dissipation plate 11 with the nanoparticle bonding material 14 or the Au-based solder material 16 as the second metal material. Therefore, as compared with the case where both are bonded with an epoxy-based conductive adhesive, the problem that the temperature at the time of driving the matching circuit included in the output matching substrate 13 exceeds the rated temperature (Tj) of the constituent material of the semiconductor element. It can be avoided.

その他、そもそもＣｕＷは材料加工費用が高価である。このため本実施の形態において放熱板１１をＣｕＷ以外の第１の金属材料で形成することにより、加工費用を削減することができる。   In addition, CuW has a high material processing cost in the first place. Therefore, in the present embodiment, the heat dissipation plate 11 is made of the first metal material other than CuW, so that the processing cost can be reduced.

実施の形態２．
図８は本実施の形態２に係る半導体装置の第１例を示す概略断面図である。図９は本実施の形態２に係る半導体装置の第２例を示す概略断面図である。図８を参照して、本実施の形態の半導体装置２０の第１例は、図３の半導体装置１０と同様の構成を有している。このため図８について、図３と同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし図８においては、放熱板として、放熱板２１Ａと、他の放熱板２１Ｂとを有している。図８における放熱板２１Ａは、図３における放熱板１１に相当する。このため放熱板２１Ａは第１の金属材料すなわちＣｕＭｏＣｕにより形成される。また放熱板２１Ａの上にナノ粒子接合材１４により半導体素子１２および出力整合基板１３が接合されている。Embodiment 2.
FIG. 8 is a schematic sectional view showing a first example of the semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 9 is a schematic sectional view showing a second example of the semiconductor device according to the second embodiment. Referring to FIG. 8, the first example of semiconductor device 20 of the present embodiment has the same configuration as semiconductor device 10 of FIG. Therefore, in FIG. 8, the same components as those in FIG. 3 are designated by the same reference numerals and the description thereof will not be repeated. However, in FIG. 8, a heat radiating plate 21A and another heat radiating plate 21B are provided as heat radiating plates. The heat sink 21A in FIG. 8 corresponds to the heat sink 11 in FIG. Therefore, the heat dissipation plate 21A is formed of the first metal material, that is, CuMoCu. Further, the semiconductor element 12 and the output matching substrate 13 are bonded onto the heat dissipation plate 21A by the nanoparticle bonding material 14.

ただし放熱板２１Ａは主表面がＸＹ平面に沿って拡がるたとえば矩形の平板形状である。放熱板２１Ａの半導体素子１２が接合される側（上側）と反対側（下側）には他の放熱板２１Ｂがさらに接合されている。他の放熱板２１Ｂは第１の金属材料すなわちＣｕＭｏＣｕにより形成されることが好ましい。ただし他の放熱板２１Ｂは銅により形成されてもよい。銅の熱伝導率は３９８Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。他の放熱板２１Ｂは主表面がＸＹ平面に沿って拡がるたとえば矩形の平板形状である。他の放熱板２１Ｂは放熱板２１Ａよりも主表面の面積が大きい。つまり放熱板２１Ａは他の放熱板２１Ｂの上側の主表面の一部の領域（たとえばＸ方向中央部）の上にナノ粒子接合材１４により接合されている。また他の放熱板２１Ｂの上側の主表面の、放熱板２１Ａが接合される領域以外の領域の少なくとも一部（たとえば放熱板２１ＡのＸ方向左側および右側）には樹脂基板１５が接合されている。   However, the heat radiating plate 21A has, for example, a rectangular flat plate shape whose main surface extends along the XY plane. Another heat dissipation plate 21B is further bonded to the side (upper side) of the heat dissipation plate 21A opposite to the side (upper side) to which the semiconductor element 12 is bonded. The other heat dissipation plate 21B is preferably formed of the first metal material, that is, CuMoCu. However, the other heat dissipation plate 21B may be formed of copper. The thermal conductivity of copper is 398 W/(m·K). The other heat radiating plate 21B has, for example, a rectangular flat plate shape whose main surface extends along the XY plane. The area of the main surface of the other heat dissipation plate 21B is larger than that of the heat dissipation plate 21A. That is, the heat dissipation plate 21A is bonded by the nanoparticle bonding material 14 onto a part of the upper main surface of the other heat dissipation plate 21B (for example, the central portion in the X direction). Further, the resin substrate 15 is bonded to at least a part of the main surface on the upper side of the other heat dissipation plate 21B other than the region to which the heat dissipation plate 21A is bonded (for example, the left and right sides in the X direction of the heat dissipation plate 21A). .

以上より、図８の半導体装置２０は、放熱板２１Ａと、他の放熱板２１Ｂと、これら両者を接合するナノ粒子接合材１４とにより、図３の半導体装置１０の凸形状を有する放熱板１１と同様の断面形状を有し、当該放熱板１１と同様に放熱機能を有する。このように放熱板の構成において、図８の半導体装置２０は図３の半導体装置１０と異なる。   As described above, the semiconductor device 20 of FIG. 8 includes the heat dissipation plate 21A, the other heat dissipation plate 21B, and the nanoparticle bonding material 14 that joins the heat dissipation plate 21A and the heat dissipation plate 21B, and the heat dissipation plate 11 having the convex shape of the semiconductor device 10 of FIG. It has a cross-sectional shape similar to and has a heat dissipation function similar to the heat dissipation plate 11. As described above, the semiconductor device 20 of FIG. 8 is different from the semiconductor device 10 of FIG. 3 in the structure of the heat dissipation plate.

図９を参照して、本実施の形態の半導体装置２０の第２例は、図８の第１例と基本的に同様の構成を有している。このため図９について、図８と同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし図９においては、放熱板２１Ａと出力整合基板１３とがＡｕ系はんだ材１６により接合されている。この点において図９の半導体装置２０は図８の半導体装置２０と構成上異なっている。言い換えれば図９は、図４の半導体装置１０に対して図８と同様の放熱板の構成を適用したものである。   Referring to FIG. 9, the second example of the semiconductor device 20 of the present embodiment basically has the same configuration as the first example of FIG. 8. Therefore, in FIG. 9, the same components as those in FIG. 8 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated. However, in FIG. 9, the heat dissipation plate 21A and the output matching substrate 13 are joined by the Au-based solder material 16. In this respect, the semiconductor device 20 of FIG. 9 differs from the semiconductor device 20 of FIG. 8 in structure. In other words, FIG. 9 applies the structure of the heat sink similar to that of FIG. 8 to the semiconductor device 10 of FIG.

次に、本実施の形態の作用効果を説明する。   Next, the function and effect of this embodiment will be described.

実施の形態１の半導体装置１０に含まれる凸形の断面形状の放熱板１１は、凸形状とするための切削加工の材料加工費が高く、多くの加工時間を要する。そこで本実施の形態では、当該放熱板１１を、２つの平板形状の放熱板２１Ａおよび他の放熱板２１Ｂがナノ粒子接合材１４で接合された構成としている。このように平板形状の放熱板２１Ａ，２１Ｂを接合させることにより形成されれば、放熱板の加工費を実施の形態１よりも削減することができる。   The heat dissipation plate 11 having the convex cross-sectional shape included in the semiconductor device 10 of the first embodiment has a high material processing cost for cutting for forming the convex shape, and requires a long processing time. Therefore, in the present embodiment, the heat dissipation plate 11 has a configuration in which two flat plate-shaped heat dissipation plates 21A and another heat dissipation plate 21B are joined by the nanoparticle bonding material 14. If the flat plate-shaped heat dissipation plates 21A and 21B are joined together as described above, the processing cost of the heat dissipation plate can be reduced as compared with the first embodiment.

実施の形態３．
図１０は本実施の形態３に係る半導体装置の第１例を示す概略断面図である。図１１は本実施の形態３に係る半導体装置の第２例を示す概略断面図である。図１０を参照して、本実施の形態の半導体装置３０の第１例は、図３の半導体装置１０と同様の構成を有している。このため図１０について、図３と同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし図１０においては、放熱板１１の上に、半導体素子１２と、出力整合基板１３とに加えて、入力整合基板３３をさらに備えている。入力整合基板３３は、出力整合基板１３と同様に、ナノ粒子接合材１４により、放熱板１１の上に接合されている。また図１０の半導体装置３０は図３の半導体装置１０と同様に、放熱板１１が断面図において凸形状を有している。入力整合基板３３は半導体素子１２および出力整合基板１３と同様に、放熱板１１の第２の領域よりもＺ方向の厚みが大きい第１の領域に接合されている。Embodiment 3.
FIG. 10 is a schematic sectional view showing a first example of the semiconductor device according to the third embodiment. FIG. 11 is a schematic sectional view showing a second example of the semiconductor device according to the third embodiment. Referring to FIG. 10, a first example of semiconductor device 30 of the present exemplary embodiment has the same configuration as semiconductor device 10 of FIG. Therefore, in FIG. 10, the same components as those in FIG. 3 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated. However, in FIG. 10, in addition to the semiconductor element 12 and the output matching substrate 13, an input matching substrate 33 is further provided on the heat dissipation plate 11. Like the output matching substrate 13, the input matching substrate 33 is bonded onto the heat dissipation plate 11 by the nanoparticle bonding material 14. Further, in the semiconductor device 30 of FIG. 10, as in the semiconductor device 10 of FIG. 3, the heat dissipation plate 11 has a convex shape in a sectional view. Like the semiconductor element 12 and the output matching substrate 13, the input matching substrate 33 is bonded to the first region of the heat dissipation plate 11 having a larger thickness in the Z direction than the second region.

なお入力整合基板３３の構成は、図６および図７に示す出力整合基板１３と同様であってもよい。すなわち入力整合基板３３は出力整合基板１３と併せてインピーダンスの整合回路を構成する。当該整合回路は、図６のようないわゆるマイクロストリップライン、または図７のようないわゆるコプレーナラインにより構成される。以上のように入力整合基板３３をさらに備える点において、図１０の半導体装置３０は図３の半導体装置１０と異なる。   The configuration of the input matching board 33 may be the same as that of the output matching board 13 shown in FIGS. 6 and 7. That is, the input matching board 33 constitutes an impedance matching circuit together with the output matching board 13. The matching circuit is composed of so-called microstrip lines as shown in FIG. 6 or so-called coplanar lines as shown in FIG. The semiconductor device 30 of FIG. 10 is different from the semiconductor device 10 of FIG. 3 in that the input matching substrate 33 is further provided as described above.

図１１を参照して、本実施の形態の半導体装置３０の第２例は、図１０の第１例と基本的に同様の構成を有している。このため図１１について、図１０と同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし図１１においては、放熱板１１と出力整合基板１３とがＡｕ系はんだ材１６により接合されている。また放熱板１１と入力整合基板３３とがＡｕ系はんだ材１６により接合されている。この点において図１１の半導体装置３０は図１０の半導体装置３０と構成上異なっている。言い換えれば図１１は、図４の半導体装置１０に対して図１０と同様に入力整合基板３３を有する構成を適用したものである。   Referring to FIG. 11, the second example of semiconductor device 30 of the present embodiment basically has the same configuration as the first example of FIG. 10. Therefore, in FIG. 11, the same components as those in FIG. 10 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated. However, in FIG. 11, the heat dissipation plate 11 and the output matching substrate 13 are joined by the Au-based solder material 16. Further, the heat dissipation plate 11 and the input matching substrate 33 are joined by the Au-based solder material 16. In this respect, the semiconductor device 30 of FIG. 11 differs from the semiconductor device 30 of FIG. 10 in structure. In other words, FIG. 11 applies the configuration having the input matching substrate 33 to the semiconductor device 10 of FIG. 4 similarly to FIG.

次に、本実施の形態の作用効果を説明する。   Next, the function and effect of this embodiment will be described.

本実施の形態のように、出力整合基板１３に加え入力整合基板３３を放熱板１１に接合することにより、半導体装置３０すなわちパレットアンプ５からの出力側の伝送線路のみならず、パレットアンプ５への入力側についても、その伝送線路のインピーダンスを所望のたとえば５０Ωとなるように整合させることができる。このため半導体装置３０からの出力信号のみならず、入力信号の伝送損失を減少させることができる。したがって半導体装置３０の信頼性をより高めることができる。   By bonding the input matching substrate 33 in addition to the output matching substrate 13 to the heat dissipation plate 11 as in the present embodiment, not only the transmission line on the output side from the semiconductor device 30, that is, the palette amplifier 5, but also the palette amplifier 5 is connected. Also on the input side of, the impedance of the transmission line can be matched to a desired impedance of, for example, 50Ω. Therefore, not only the output signal from the semiconductor device 30 but also the transmission loss of the input signal can be reduced. Therefore, the reliability of the semiconductor device 30 can be further improved.

実施の形態４．
図１２は本実施の形態４に係る半導体装置の第１例を示す概略断面図である。図１３は本実施の形態４に係る半導体装置の第２例を示す概略断面図である。図１２を参照して、本実施の形態の半導体装置４０の第１例は、図８の半導体装置２０および図１０の半導体装置３０と同様の構成を有している。このため図１２について、図８および図１０と同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし図１２においては放熱板として、図８と同様に、放熱板２１Ａと、他の放熱板２１Ｂとを有しており、これらはナノ粒子接合材１４により接合されている。また図１２においては図１０と同様に、放熱板２１の上に半導体素子１２、出力整合基板１３および入力整合基板３３が、ナノ粒子接合材１４により接合されている。つまり図１２の半導体装置４０は、図８の半導体装置２０の特徴と図１０の半導体装置３０の特徴とを組み合わせた構成を有している。Fourth Embodiment
FIG. 12 is a schematic sectional view showing a first example of the semiconductor device according to the fourth embodiment. FIG. 13 is a schematic sectional view showing a second example of the semiconductor device according to the fourth embodiment. Referring to FIG. 12, the first example of semiconductor device 40 of the present embodiment has the same configuration as semiconductor device 20 of FIG. 8 and semiconductor device 30 of FIG. 10. Therefore, in FIG. 12, the same components as those in FIGS. 8 and 10 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated. However, in FIG. 12, as in the case of FIG. 8, the radiator plate 21A and the other radiator plate 21B are provided as the radiator plates, and these are joined by the nanoparticle bonding material 14. Further, in FIG. 12, as in FIG. 10, the semiconductor element 12, the output matching substrate 13, and the input matching substrate 33 are bonded on the heat dissipation plate 21 by the nanoparticle bonding material 14. That is, the semiconductor device 40 of FIG. 12 has a configuration in which the features of the semiconductor device 20 of FIG. 8 and the features of the semiconductor device 30 of FIG. 10 are combined.

図１３を参照して、本実施の形態の半導体装置４０の第２例は、図１２の第１例と基本的に同様の構成を有している。このため図１３について、図１２と同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし図１３においては、放熱板１１と出力整合基板１３とがＡｕ系はんだ材１６により接合されている。また放熱板１１と入力整合基板３３とがＡｕ系はんだ材１６により接合されている。この点において図１３の半導体装置４０は図１２の半導体装置４０と構成上異なっている。言い換えれば図１３は、図１１の半導体装置１０に対して図１２と同様の放熱板の構成を適用したものである。   Referring to FIG. 13, the second example of semiconductor device 40 of the present embodiment basically has the same configuration as the first example of FIG. Therefore, in FIG. 13, the same components as those in FIG. 12 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated. However, in FIG. 13, the heat dissipation plate 11 and the output matching substrate 13 are joined by the Au-based solder material 16. Further, the heat dissipation plate 11 and the input matching substrate 33 are joined by the Au-based solder material 16. In this respect, the semiconductor device 40 of FIG. 13 differs from the semiconductor device 40 of FIG. 12 in structure. In other words, FIG. 13 applies the same configuration of the heat dissipation plate as that of FIG. 12 to the semiconductor device 10 of FIG.

以上に述べた各実施の形態（に含まれる各例）に記載した特徴を、技術的に矛盾のない範囲で適宜組み合わせるように適用してもよい。   The features described in (each example included in) each of the above-described embodiments may be appropriately combined within a technically consistent range.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiments disclosed this time are to be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description but by the scope of the claims, and is intended to include meanings equivalent to the scope of the claims and all modifications within the scope.

１ プリアンプ、２ 分配器、３ 半導体出力増幅器、４ 電源、５ パレットアンプ、１０，２０，３０，４０ 半導体装置、１１，２１Ａ 放熱板、１１ａ 銅層、１１ｂ モリブデン層、１２ 半導体素子、１３ 出力整合基板、１３ａ 基材、１３ｂ 接地導体膜、１３ｃ メインライン、１４ ナノ粒子接合材、１５ 樹脂基板、１６ Ａｕ系はんだ材、２１Ｂ 他の放熱板、３３ 入力整合基板、１００ 半導体マイクロ波電源装置。   1 Preamplifier, 2 Distributor, 3 Semiconductor output amplifier, 4 Power supply, 5 Palette amplifier, 10, 20, 30, 40 Semiconductor device, 11 and 21A Heat sink, 11a Copper layer, 11b Molybdenum layer, 12 Semiconductor element, 13 Output matching Substrate, 13a base material, 13b ground conductor film, 13c main line, 14 nanoparticle bonding material, 15 resin substrate, 16 Au solder material, 21B other heat dissipation plate, 33 input matching substrate, 100 semiconductor microwave power supply device.

本発明の半導体装置は、放熱板と、半導体素子と、出力整合基板と、樹脂基板とを備える。放熱板は第１の金属材料からなる。半導体素子は放熱板の上にナノ粒子接合材により接合される。出力整合基板は放熱板の上に第２の金属材料により接合される。樹脂基板は出力整合基板の構成回路の電気特性を調整する。第１の金属材料と半導体素子との線膨張係数差は、半導体素子と銅との線膨張係数差よりも小さい。第１の金属材料は、銅タングステン（ＣｕＷ）よりも熱伝導率が高い。放熱板は、半導体素子および出力整合基板が接合される第１の領域において、第１の領域以外の樹脂基板が接合された第２の領域よりも、放熱板の主表面に交差する方向の厚みが大きい。樹脂基板は、前記出力整合基板よりも誘電率が低い基材である。
本発明の半導体装置は、放熱板と、半導体素子と、出力整合基板とを備える。放熱板は第１の金属材料からなる。半導体素子は放熱板の上にナノ粒子接合材により接合される。出力整合基板は放熱板の上に第２の金属材料により接合される。放熱板は、半導体素子および出力整合基板が接合される第１の領域において、第１の領域以外の第２の領域よりも、放熱板の主表面に交差する方向の厚みが大きい。放熱板は、半導体素子が接合された第１の放熱板と、第２の領域が形成され、第１の領域と反対側で第１の放熱板と接合された第２の放熱板とを有する。
本発明の半導体装置は、放熱板と、半導体素子と、出力整合基板とを備える。放熱板は第１の金属材料からなる。半導体素子は放熱板の上にナノ粒子接合材により接合される。出力整合基板は放熱板の上に第２の金属材料により接合される。第１の金属材料と半導体素子との線膨張係数差は、半導体素子と銅との線膨張係数差よりも小さい。第１の金属材料は、銅タングステン（ＣｕＷ）よりも熱伝導率が高い。 The semiconductor device of the present invention includes a heat sink, a semiconductor element, an output matching substrate, and a resin substrate. The heat sink is made of a first metal material. The semiconductor element is bonded onto the heat sink with a nanoparticle bonding material. The output matching substrate is bonded onto the heat dissipation plate by the second metal material. The resin substrate adjusts the electrical characteristics of the constituent circuit of the output matching substrate. The difference in linear expansion coefficient between the first metal material and the semiconductor element is smaller than the difference in linear expansion coefficient between the semiconductor element and copper. The first metal material has a higher thermal conductivity than copper tungsten (CuW). The heat dissipation plate has a thickness in a direction intersecting the main surface of the heat dissipation plate in the first region where the semiconductor element and the output matching substrate are joined, more than in the second region where the resin substrate other than the first region is joined. Is big. The resin substrate is a base material having a lower dielectric constant than the output matching substrate.
The semiconductor device of the present invention includes a heat sink, a semiconductor element, and an output matching substrate. The heat sink is made of a first metal material. The semiconductor element is bonded onto the heat sink with a nanoparticle bonding material. The output matching substrate is bonded onto the heat dissipation plate by the second metal material. The heat sink has a larger thickness in the first region where the semiconductor element and the output matching substrate are joined than in the second region other than the first region in the direction intersecting the main surface of the heat sink. The heat dissipation plate has a first heat dissipation plate to which a semiconductor element is joined, and a second heat dissipation plate in which a second region is formed and which is opposite to the first region and is joined to the first heat dissipation plate. .
The semiconductor device of the present invention includes a heat sink, a semiconductor element, and an output matching substrate. The heat sink is made of a first metal material. The semiconductor element is bonded onto the heat sink with a nanoparticle bonding material. The output matching substrate is bonded onto the heat dissipation plate by the second metal material. The difference in linear expansion coefficient between the first metal material and the semiconductor element is smaller than the difference in linear expansion coefficient between the semiconductor element and copper. The first metal material has higher thermal conductivity than copper tungsten (CuW).

Claims (6)

第１の金属材料からなる放熱板と、
前記放熱板の上にナノ粒子接合材により接合された半導体素子と、
前記放熱板の上に第２の金属材料により接合された出力整合基板とを備え、
前記第１の金属材料と前記半導体素子との線膨張係数差は、前記半導体素子と銅との線膨張係数差よりも小さく、
前記第１の金属材料は、ＣｕＷよりも熱伝導率が高い、半導体装置。A heat dissipation plate made of a first metal material,
A semiconductor element bonded by a nanoparticle bonding material on the heat dissipation plate,
An output matching substrate joined by a second metal material on the heat dissipation plate,
The linear expansion coefficient difference between the first metal material and the semiconductor element is smaller than the linear expansion coefficient difference between the semiconductor element and copper,
The semiconductor device in which the first metal material has a higher thermal conductivity than CuW. 前記第１の金属材料はＣｕＭｏＣｕである、請求項１に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the first metal material is CuMoCu. 前記第２の金属材料は、ナノ粒子接合材またはＡｕ系はんだ材である、請求項１または２に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the second metal material is a nanoparticle bonding material or an Au-based solder material. 前記放熱板は、前記半導体素子および前記出力整合基板が接合される第１の領域において、前記第１の領域以外の第２の領域よりも、前記放熱板の主表面に交差する方向の厚みが大きい、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。   In the first region where the semiconductor element and the output matching substrate are joined, the heat sink has a thickness in a direction intersecting the main surface of the heat sink more than that in a second region other than the first region. The semiconductor device according to claim 1, which is large. 前記放熱板の前記半導体素子が接合される側と反対側に他の放熱板がさらに接合されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein another heat dissipation plate is further bonded to a side of the heat dissipation plate opposite to a side to which the semiconductor element is bonded. 前記放熱板の上に接合された入力整合基板をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, further comprising an input matching substrate bonded on the heat dissipation plate.
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