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公開番号2024048434
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-04-09
出願番号2022154329
出願日2022-09-28
発明の名称半導体装置
出願人三菱電機株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類H01L 23/36 20060101AFI20240402BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】パッケージ内部構造の工夫によって温度補償を行うことで、ゲート電源を複数使用することなく、線形性の高い高周波電力増幅器用の半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本開示に係る半導体装置100は、基本FET構造が並列に繰り返し接続されたマルチフィンガー型FETが表面に形成され、高周波電力増幅用の多段増幅器を構成する複数の半導体素子21、22及び23とを備える。ここで、多段増幅器の最終段を除く段に用いられる半導体素子21、22の裏面21b,22bの周縁から、放熱板12の下面12bまでの周囲へ45度の範囲内において、該裏面から該放熱板12の下面12bまでの熱抵抗を増大させる構造を有している。ゲート幅当たりに換算した構造による熱抵抗の増大割合は、多段増幅器の前段側に用いられる半導体素子ほど大きいことを特徴とする。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
上面と前記上面に対向する下面を有する放熱板と、
接合材と、
表面と前記表面に対向する裏面を有し、平行に配置されたソース、ゲート及びドレイン電極を有する基本FET構造が並列に繰り返し接続されたマルチフィンガー型FETが前記表面に形成され、前記接合材により前記裏面が前記放熱板の上面に接合され、直列接続された高周波電力増幅用の多段増幅器を構成する複数の半導体素子と、
を備えた半導体装置であって、
前記マルチフィンガー型FETは、前記多段増幅器の後段に用いられるものほど、前記繰り返しの数が大きく、
前記多段増幅器の最終段を除く段に用いられる前記半導体素子の裏面の周縁から、前記放熱板の下面までの周囲へ45度の範囲内において、当該裏面から当該下面までの熱抵抗を増大させる構造を有し、
前記多段増幅器の前段側に用いられる前記半導体素子ほど、ゲート幅当たりに換算した前記構造による熱抵抗の増大割合が大きい
ことを特徴とする半導体装置。
続きを表示(約 790 文字)【請求項2】
前記構造は、前記多段増幅器の前段側に用いられる前記半導体素子ほど、熱伝導率の低い前記接合材により前記放熱板に接合された構造であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記接合材は、銀ナノ粒子の注入量を調整することで前記熱伝導率が調整された導電性接着剤であることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記接合材は、金属組成を調整することで前記熱伝導率が調整されたはんだであることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記構造は、前記半導体素子の裏面の面積に対する、前記接合材による前記半導体素子の裏面と前記放熱板の接合面積の比率が、前記多段増幅器の前段側に用いられる前記半導体素子ほど小さい構造であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記構造は、前記多段増幅器の前段側に用いられる前記半導体素子ほど前記接合材の厚みが大きい構造である、ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記接合材ははんだであり、前記はんだの濡れ広がりを阻害して前記半導体素子の裏面と前記放熱板との接合面積を制限する濡れ広がり阻害部が前記上面の前記接合材の周囲に設けられたことを特徴とする、請求項5または6のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記濡れ広がり阻害部はニッケルメッキ被膜であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
【請求項9】
前記濡れ広がり阻害部はソルダーレジストであることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
【請求項10】
前記構造は、前記放熱板に設けられた空隙であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、高周波において電力増幅に用いられる半導体装置に関するものである。
続きを表示(約 1,700 文字)【背景技術】
【0002】
近年、GaN高周波増幅デバイスの小型化・高出力化に伴い、自己発熱によるRF特性の劣化や寿命の低下が課題となっている。1つのパッケージに複数の半導体素子を収容した多段増幅器では、発熱量の異なる半導体素子が熱の相互作用を受ける範囲に存在している。
【0003】
小型化に伴い2つの半導体素子を1つのパッケージに収容した構造において、パッケージに溝を掘ることによって、近接して配置された一方の発熱体の発熱の影響を他方に伝えない構造が開示されている。本構造によって、発熱量が大きい後段素子から発熱量が小さい前段素子への影響が軽減され、自己発熱以外の熱の影響による特性変動を軽減できる(例えば特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2019-176282号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1に示されるように、半導体素子間に熱の相互作用を抑制する溝を設ける事で、他方の自己発熱の影響は受けにくくなる。しかしながら、トランジスタを複数搭載した高周波電力増幅器において、同じ基本特性を持つトランジスタを採用している場合でも、半導体素子のゲート幅あたりの熱抵抗の違いから動作温度に差異が生まれ、温度依存性のアンバランスを引き起こす。一般に多段の電力増幅器では、後段ほど出力の大きい半導体素子が用いられ発熱量が多い。なお、ここでいうアンバランスとは、例えば、半導体素子間の動作温度の差異によって生じるゲート幅あたりのドレイン電流の変動を意味する。
【0006】
図7は、GaNトランジスタのID-VG特性の温度特性を示すグラフである。図7は、ドレイン電圧(VD)を30Vで固定し、ゲート電圧(VG)を-4Vから0Vまで掃引した場合の、-30℃、0℃、30℃、60℃におけるGaNトランジスタのドレイン電流(ID)の測定結果である。
【0007】
GaNトランジスタのIDは温度依存性を有する。図7に示すように、IDが流れるVG≧-2.7Vの条件では、温度が上がるほどIDは低下する傾向がある。1つのパッケージに複数の半導体素子を収容した多段増幅器において、部品点数削減のため各段のゲート電源を共通化する要求がある。一方で、半導体素子の動作温度が異なるままゲート電源を共通化した場合、単一のVGでは各半導体素子におけるゲート幅あたりのIDが異なるため、高周波電力増幅器の性能に悪影響を及ぼす。
【0008】
図8は、高周波電力増幅器の利得の入力電力依存性(AM-AM特性)を示すグラフである。図8は、図7に示した温度特性を有するGaNトランジスタを用いて構成した高周波電力増幅用の多段増幅器において、ゲート電源を共通化し、各半導体素子のVGを一律にして、温度補償を行わずに取得したAM-AM特性と、各半導体素子に対してゲート電源を個々に用意し、各半導体素子におけるゲート幅あたりのIDが一定になるよう個々にVGを調整することで温度補償を行ったAM-AM特性を比較したグラフである。
【0009】
温度補償を行っていない場合には、入力電力(Pin)が-10dBm前後で、AM-AM特性が急に変化し、高周波電力増幅器の線形性が悪化している。これは、各半導体素子におけるゲート幅あたりのIDの違いから、AM-AM特性の傾きに差異が発生していることが原因である。一方で、各半導体素子のゲート幅あたりのIDが一定になるよう温度補償を行うことで、高周波電力増幅器の線形性は改善する。
【0010】
高周波電力増幅器の主要性能である利得、出力等がIDに依存することを考慮すると、例えば、半導体素子毎に動作温度が異なる場合、温度に応じてIDを半導体素子毎に調整することが望ましい。しかしながら、そのためには半導体素子毎にゲート電源を用意し、個々にVGを調整する必要があった。
(【0011】以降は省略されています)

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