半导体装置
阅读说明：本技术 半导体装置 (Semiconductor device with a plurality of semiconductor chips ) 是由 儿玉晃忠 古川将人 于 2019-06-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种半导体装置,所述半导体装置包括金属基体、金属框架、半导体元件、馈通件和金属侧板。所述半导体元件在由所述金属基体和所述金属框架限定的空间中被安装在所述金属基体上。所述馈通件被插入到所述金属框架的切口中,并且包括布线、将所述布线安装在其上的下部块以及安装在所述下部块上的上部块。所述下部块和所述上部块的组合截面形状是突出形状。所述上部块的一部分位于所述空间的内部。所述金属侧板设置在所述馈通件的侧表面与所述金属框架的所述切口之间。所述金属侧板具有突出形状并且覆盖所述馈通件的整个侧表面。(A semiconductor device includes a metal base, a metal frame, a semiconductor element, a feedthrough, and a metal side plate. The semiconductor element is mounted on the metal base in a space defined by the metal base and the metal frame. The feedthrough is inserted into a cutout of the metal frame, and includes a wiring, a lower block on which the wiring is mounted, and an upper block mounted on the lower block. The combined cross-sectional shape of the lower block and the upper block is a protruding shape. A portion of the upper block is located inside the space. The metal side plate is disposed between a side surface of the feedthrough and the cutout of the metal frame. The metal side plate has a protruding shape and covers the entire side surface of the feedthrough.)
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求于2018年6月13日提交的日本专利申请No.2018-113200的优先权的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及一种半导体装置。
背景技术
在半导体装置的领域中，诸如半导体元件的电子组件可以被气密密封，以便受保护以免于湿气和异物的影响。相对于经密封的电子组件的信号输入和输出经由馈通件执行。在这种气密密封的封装中，由于温度变化，由氧化铝制成的突出形状馈通件被施加来自围绕馈通件的金属壁的应力而产生裂纹，使得可能丧失气密性。JP2012-038837A公开了一种构造，在所述构造中，馈通件的上部的厚度被形成为大于金属壁的厚度，以便防止气密性丧失。
发明内容
本公开提供一种半导体装置。所述半导体装置包括金属基体、金属框架、半导体元件、馈通件和金属侧板。所述金属框架被放置在所述金属基体上。所述金属框架设置有穿透所述金属框架的至少一个切口。所述半导体元件在由所述金属基体和所述金属框架限定的空间中被安装在所述金属基体上。所述馈通件被***到所述金属框架的所述切口中，并安装在所述金属基体上。所述馈通件包括布线、下部块和上部块。所述布线被构造成将位于所述空间的内部的所述半导体元件与位于所述半导体装置的外部的电气部件电连接。所述下部块由陶瓷制成，并将所述布线安装在其上。所述上部块由陶瓷制成，并被安装在所述下部块上。沿着将所述上部块安装在所述下部块上的安装方向，所述下部块和所述上部块的组合截面形状呈突出形。所述上部块的一部分位于所述框架的内部。所述金属侧板设置在所述馈通件的、沿着所述布线的延伸方向展开的侧表面与所述金属框架的所述切口之间。所述金属侧板具有突出形状，并且覆盖所述馈通件的整个侧表面。
附图说明
从参考附图对本公开实施例的以下详细描述中，将更好地理解前述及其它目的、方面和优点，在附图中：
图1是根据第一实施例的半导体装置的平面图；
图2是沿着图1中的II-II线截取的半导体装置的横截面图；
图3是图示根据第一实施例的半导体装置中的馈通件和一对侧板的视图；
图4是从内部观察的、根据第一实施例的半导体装置的馈通件的视图；
图5是示出在根据第二实施例的半导体装置中、被侧板结合的馈通件的立体图。以及
图6是示出在根据第三实施例的半导体装置中、被侧板结合的馈通件的立体图。
具体实施方式
[待由本公开解决的问题]
JP2012-038837A中公开的半导体装置可减小集中于馈通件的下部与馈通件的上部之间的连接点上的应力。然而，在用于卫星的半导体装置或安装有高功率半导体元件的半导体装置中，已要求更可靠地防止因严苛的温度条件和具有大温度变化的热循环所引起的裂纹发生。
[本公开的有益效果]
根据本公开，可以提供一种半导体装置，其中，防止了由于温度变化而导致的馈通件中产生裂纹。
[本公开的实施例的描述]
将描述本公开的实施例。根据本公开的一个实施例的半导体装置包括金属基体、金属框架、半导体元件、馈通件和金属侧板。金属框架被放置在金属基体上。金属框架设置有穿透金属框架的至少一个切口。半导体元件在由所述金属基体和所述金属框架限定的空间中被安装在所述金属基体上。馈通件被***到金属框架的切口中，并安装在金属基体上。馈通件包括布线、下部块和上部块。布线被构造成将位于空间的内部的半导体元件与位于半导体装置的外部的电气部件电连接。下部块由陶瓷制成，并将布线安装在其上。上部块由陶瓷制成，并且被安装在下部块上。沿着将所述上部块安装在所述下部块上的安装方向，所述下部块和所述上部块的组合截面形状呈突出形。上部块的一部分位于框架的内部。金属侧板设置在馈通件的、沿着布线的延伸方向展开的侧表面与金属框架的切口之间。金属侧板具有突出形状并且覆盖馈通件的整个侧表面。利用此构造，可以防止由于温度变化而在馈通件中产生裂纹。
作为一个实施例，金属侧板可以由铜制成。因为馈通件的、由陶瓷制成的上部块和由陶瓷制成的下部块通过由铜制成并具有小杨氏模量的侧板来与由金属制成的金属框架接触，所以此构造可以减轻馈通件从金属框架接收的应力。
作为一个实施例，金属侧表面板还可以包括填充侧板的第一台阶的三角形加强部。第一台阶可以位于空间的内部。利用此结构，可以进一步减轻施加于馈通件的、由陶瓷制成的上部块和由陶瓷制成的下部块之间的结合部上的应力。
作为一个实施例，馈通件还可以包括填充馈通件的第二台阶的三角棱柱状加强部。第二台阶可以位于空间的内部。利用此结构，馈通件的、由陶瓷制成的上部块和由陶瓷制成的下部块之间的结合部被三角形加强部加强，使得可以进一步减轻应力的影响。
作为一个实施例，金属侧板可以具有至少300μm的厚度。利用此构造，可以充分地减轻馈通件从金属框架接收的应力。
作为一个实施例，半导体装置可以包括位于金属框架的内部的至少一个电路。馈通件的布线可以被构造成经由该至少一个电路将半导体元件电连接到电气部件。
作为一个实施例，半导体装置还可以包括***到金属框架的另一切口中并安装在金属基体上的另一馈通件。在此实施例中，另一馈通件可以包括：另一布线，所述另一布线被构造成将半导体元件与位于半导体装置的外部的另一电气部件电连接；由陶瓷制成并将布线安装在其上的另一下部块；和由陶瓷制成并安装在另一下部块上的另一上部块。沿着将所述另一上部块安装在所述另一下部块上的安装方向，所述另一下部块和所述另一上部块的组合截面形状可以呈突出形，并且另一上部块的一部分可以位于金属框架的内部。在此实施例中，馈通件、半导体元件和另一馈通件可以沿着直线布置。
作为一个实施例，半导体装置还可以包括另一侧板，所述另一侧板覆盖馈通件的整个相反的侧表面。
[本公开的实施例的细节]
在下文中，将参考附图描述根据本公开的半导体装置的实施例的细节。在以下描述中，在不同的附图中通过相同的附图标记所表示的组件是相同的，并且在一些情况下，可以省略其描述。此外，本发明不限于这些实施例中的示例，而是包括权利要求中描述的主题的范围和等效范围内的所有修改。此外，本发明包括实施例的任何组合，只要多个实施例的组合是可能的即可。
[第一实施例]
图1是根据本公开的第一实施例的半导体装置的平面图，图2是沿着图1中的II-II线截取的半导体装置的横截面图。如图1和图2中所示，半导体装置100包括金属基体10、金属框架20、盖(盖子)40、输入侧分支电路31、输出侧复用电路35、输入匹配电路32、输出匹配电路34、半导体芯片33和两个馈通件50。图1是透过盖40观察所获得的视图。
金属基体10通过如下方式形成：在面积为大约5×10mm2的具有Cu(铜)/Mo(钼)/Cu(铜)的三层结构的金属的表面上，利用例如Ni(镍)/Au(金)进行电镀。作为金属基体10的材料，可以例如采用柯伐合金(Kovar)、CuW(铜钨)、CuMo(铜钼)等，并且表面可以镀有Au、Ni、Ag(银)、Ag-Pt(铂)、Ag-Pb(铅)等。凹口11形成在金属基体10的X轴方向的两侧上的四个地方处，并且***用于将金属基体10安装和固定在基板上的螺钉。
由例如柯伐合金制成的金属框架20设置在金属基体10的上侧(Z轴方向上的正侧)，并且金属框架20的上侧被盖40覆盖，所述盖40类似于金属框架20由柯伐合金制成。作为金属框架20和盖40的金属材料，可以使用CuW、CuMo等代替柯伐合金。切口21分别大体设置在金属框架20的朝向Y轴方向的两个壁的中心处，并且用于输入和输出的馈通件50分别被***到两个切口21中。在本实施例中，金属基体10、金属框架20、盖40和馈通件50构成封装。
在两个馈通件50中，例如，位于Y轴方向的负侧上的馈通件是用于输入的馈通件50，而位于Y轴方向上的正侧的馈通件是用于输出的馈通件50。布线图案53形成在每个馈通件50中。布线图案53中的每一个均沿着Y轴方向延伸。
作为容纳在所述封装中的电子组件，将半导体芯片33安装在内部空间的中央部分上，所述半导体芯片33包括通过使用例如氮化物半导体所构造的场效应晶体管(FET)，并且安装用于输入阻抗调节的输入匹配电路32和用于输出阻抗调节的输出匹配电路34，并且使得所述半导体芯片33被置于所述输入匹配电路32和输出匹配电路34之间。此外，输入侧分支电路31和输出侧复用电路35分别被布置在输入匹配电路32和输出匹配电路34的外侧。因为半导体芯片33的宽度大于成为输入端子或输出端子的布线图案53，所以提供输入侧分支电路31和输出侧复用电路35，以向相应的FET均等地分配输入信号，并且将来自FET的输出均等地收集到输出端子中。
输入侧分支电路31、输入匹配电路32、半导体芯片33、输出匹配电路34和输出侧复用电路35的电子组件被安装在金属基体10的上表面上，并且在XY平面中，金属框架20围绕这些电子组件。这些电子组件被金属基体10、金属框架20、盖40和馈通件50以气密方式密封。在半导体装置100中，馈通件50、输入侧分支电路31、输入匹配电路32、半导体芯片33、输出匹配电路34和输出侧复用电路35沿着Y轴方向布置，所述Y轴方向是直线。
用于输入的馈通件50的布线图案53和输入侧分支电路31、输入侧分支电路31和输入匹配电路32、输入匹配电路32和半导体芯片33、半导体芯片33和输出匹配电路34、输出匹配电路34和输出侧复用电路35以及输出侧复用电路35和用于输出的馈通件50的布线图案53分别通过结合线30电连接。结合线30由例如诸如Au的金属制成。布线图案53是用于经由输入侧分支电路31和输入匹配电路32或者经由输出匹配电路34和输出侧复用电路35将半导体芯片33与位于半导体装置100外侧的电气部件电连接的部件。此外，半导体芯片33上形成有背面电极，并且背面电极的电位通过金属基体10被下降到接地电位。
位于两个馈通件50上的金属框架20的外侧的布线图案53设置有引线(未示出)。例如，射频(RF)信号从两条引线中的一条引线(Y轴方向上的负侧上)输入到布线图案53，并且RF信号从两条引线中的另一条引线(Y轴方向上的正侧上)输出。此外，半导体芯片33的FET的偏置电压被输入到引线。馈通件50充当传输线，并且RF信号流过馈通件50。半导体装置100充当例如放大RF信号的放大器。
图3是示出根据第一实施例的半导体装置中的馈通件和一对侧板的视图。图4是从内部观察的根据第一实施例的半导体装置中的馈通件的视图。馈通件50包括例如由诸如氧化铝(Al2O3)的陶瓷制成的下部块51、形成在下部块51的上表面上的布线图案53以及由陶瓷制成的上部块52。上部块52在Y轴方向上的宽度W2被形成为大于金属框架20的壁的宽度W1，并且下部块51在Y轴方向上的宽度被形成为大于上部块52的宽度W2。上部块52被布置在下部块51的Y轴方向的中央部分处，并且两者被整体地形成。因此，下部块51和上部块52沿着YZ平面、即沿着与馈通件50的布线图案53的延伸方向(Y轴方向)相垂直的方向(Z轴方向))的截面形状呈突出形。一对侧板60分别设置在馈通件50的X轴方向的两个侧表面的整个表面上，以作为缓冲材料。侧板60中的每一个均具有突出形状，并且由例如Cu制成的金属板构成。
侧板60优选地具有300μm或更大的厚度，并且通过由银(Ag)、铜(Cu)、镍(Ni)等制成的钎焊材料被结合到由氧化铝制成的馈通件50的侧表面。结合有侧板60的馈通件50被***通过金属基体10和金属框架20的切口21所形成的开口中。例如，预先在结合有侧表面板60的馈通件50与开口之间设置Ag钎焊材料，并且通过加热将馈通件50固定在通过金属基体10和金属框架20的切口21所形成的开口中。此时，如图4中所示，至少上部块52被布置为突出到金属框架20的内侧上的空间中。也就是说，上部块52的内部部分位于金属框架20的内部。此外，当馈通件50被固定时，还在金属框架20与金属基体10之间设置钎焊材料或粘合剂，并且金属基体10、金属框架20和馈通件50这三个组件被固定。
在本文中，当通过使用热膨胀来执行应力分析时，例如，在侧板60未被设置到图4所示的馈通件50并且上部块52的宽度W2和金属框架20的壁的宽度W1被设定为相同的情况下，在图4中的A所示的下部块51与上部块52之间的边界部分(台阶)处，应力集中于金属框架20的空间的内部的X轴方向的两端处。还可以通过实际发生的裂纹来对此进行确认。下部块51与上部块52之间的边界部分是不同构件被结合之处(但所述部件的材料基本相同)，并且中央部分对应于布线图案53被置于其间的两个构件被结合之处。因此认为，由于应力集中在机械性较弱的地方，所以在边界部分处容易产生裂纹。
此外，作为应力集中的原因，虽然作为馈通件50的主要材料的氧化铝的热膨胀系数是大约7.2×10-6/℃，但是围绕馈通件50的金属框架20的柯伐合金的热膨胀系数是大约4.8×10-6/℃，并且金属基体的Cu的热膨胀系数是大约16.7×10-6/℃。馈通件50的上部块52被仅固定到金属框架20，但是下部块51除了被固定到金属框架20之外还被固定到金属基体10。因此认为，由于热膨胀和收缩导致的、施加于下部块51和上部块52上的应力的差异，在下部块51与上部块52之间的边界部分中，应力集中于靠近金属框架20的部分上。
另一方面，在本实施例中，馈通件50的上部块52被构造成从金属框架20至少突出到金属框架20的内侧上的空间中，使得允许下部块51与上部块52之间的边界部分的位置远离金属框架20，并且在金属框架20与金属框架20的切口21之间设置由金属制成并覆盖馈通件50的整个侧表面的侧板，从而降低了施加于下部块51与上部块52上的应力的差异。因此，可以防止在边界部分处产生裂纹。
[第二实施例]
图5是示出在根据第二实施例的半导体装置中、被侧板结合的馈通件的立体图。与第一实施例相比，在第二实施例中，侧板60'中的每一个侧板整体地具有以虚线所示的加强部61。加强部61的不同之处在于，该加强部具有三角形形状，其填充第一实施例的侧板60的台阶。然后，尽管加强部61至少设置在馈通件50的金属框架20的内部空间侧，但是还可以将加强部设置在金属框架20的外侧。因为侧板60'具有加强部61，所以通过加强部61进一步减小了施加在馈通件50的、由陶瓷制成的上部块52和由陶瓷制成的下部块51上的应力的差异，使得可以进一步抑制因应力导致在结合部分处产生裂纹。
[第三实施例]
图6是示出在根据第三实施例的半导体装置中、被侧板结合的馈通件的立体图。第三实施例与第二实施例的不同之处在于，馈通件50具有三角棱柱状加强部54，其填充金属框架20的内部空间侧上的台阶。三角棱柱状加强部54像下部块51和上部块52一样由陶瓷制成，并且下部块51、上部块52和加强部54被整体地形成。因此，由于馈通件50的、由陶瓷制成的上部块和由陶瓷制成的下部块之间的边界部分被三角形加强部54整体地覆盖和加强，所以与第二实施例相比较，可以进一步减轻施加于两者上的应力的影响。