JP2004259769A

JP2004259769A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2004259769A
Application number: JP2003046302A
Authority: JP
Inventors: Manabu Yonekura; 学米倉
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】高周波電気信号に反射等を起こして伝送特性が大きく劣化する。
【解決手段】基体１と、グランド配線導体２ｂおよび第１配線導体２ａと、前記グランド配線導体２ｂおよび第１配線導体２ａに電気的に接続しているグランド用パッド３ｂおよび入出力用パッド３ａと、第２配線導体４と、前記第２配線導体４に電気的に接続されているコネクター５とから成る半導体素子収納用パッケージ７、および４０ＧＨｚ乃至８０ＧＨｚの電気信号を送受信する半導体素子６とで構成され、半導体素子収納用パッケージ７に半導体素子６を固定するとともに半導体素子６の各電極をグランド配線導体２ｂ、第１配線導体２ａ、第２配線導体４にボンディングワイヤ８ａ、８ｂを介し電気的に接続して成る半導体装置であって、前記第２配線導体４と半導体素子６の電極とを接続するワイヤ８ｂの周囲が、基体１と略同一の比誘電率を有する樹脂９で被覆されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波の電気信号を送受信する半導体素子を半導体素子収納用パッケージ内に気密に収容して成る半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信や無線通信等の機器には多数の半導体装置が使用されており、かかる半導体装置は一般に、高周波の電気信号を送受信する半導体素子を半導体素子収納用パッケージ内に気密に収容することによって形成されている。
【０００３】
前記半導体素子収納用パッケージは、通常、図５および図６に示すように、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ガラスセラミックス等の電気絶縁材料から成り、上面に半導体素子の搭載部２１ａが形成された基体２１と、タングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀等の金属材料から成り、基体２１の半導体素子搭載部２１ａから下面にかけて被着導出された複数の電気信号の入出力用およびグランド用の配線導体２２ａ、２２ｂと、この配線導体２２ａ、２２ｂと電気的に接続するようにして基体２１の下面に形成された複数個のグランド用パッド２３ｂおよび入出力用パッド２３ａと、基体２１の搭載部２１ａより上面もしくは側面にかけて導出されている出入力用の配線導体２４と、この出入力用配線導体２４に一端が接続されるとともに他端が外部に導出されているコネクター２５とにより構成されている。
【０００４】
そして、かかる半導体素子収納用パッケージ２７には、その搭載部２１ａに電気信号を送受信する半導体素子２６がＡｕ−Ｓｎろう材あるいは半田等の接合材を介して接着固定されるとともに、半導体素子２６の各電極が入出力配線導体（第１配線導体）２２ａ、グランド配線導体２２ｂおよび出入力配線導体（第２配線導体）２４にボンディングワイヤ２８を介して接続され、その後、必要に応じて蓋体３０等で半導体素子２６を封止することによって半導体装置となる。
【０００５】
また前記半導体装置は基体２１の下面に形成されているグランド用パッド２３ｂおよび入出力用パッド２３ａを外部電気回路基板の回路導体（図示せず）に半田バンプ等を介し接続させることによって内部に収容する半導体素子２６が外部電気回路に接続され、同時にコネクター２５に同軸ケーブル等を介し外部の通信装置等の外部機器（図示せず）を接続させることによって半導体素子２６と外部機器とが接続するようになっている。
【０００６】
なお、前記半導体装置に使用されている半導体素子２６は複数の電気信号を合成して一つの電気信号に変換する、或いは一つの電気信号を分離して複数の電気信号に変換する機能を有しており、外部電気回路から第１配線導体２２ａを介して入力される複数の周波数帯域が低い電気信号は半導体素子２６で合成されて一つの周波数帯域が高い電気信号となり、この周波数帯域の高い電気信号は第２配線導体２４を介してコネクター２５に伝送されるとともにコネクター２５より外部の通信装置等の外部機器に伝送され、またコネクター２５を介して外部機器より伝送された周波数帯域の高い電気信号は半導体素子２６で複数の周波数帯域が低い電気信号に変換され、各々の周波数帯域の低い電気信号は第１配線導体２２ａを介して外部電気回路に伝送されることとなる。
【０００７】
この場合、周波数帯域の高い電気信号が伝送される第２配線導体２４や、第２配線導体２４と接続したボンディングワイヤ２８等は、基体２１内部から搭載部２１ａ表面にかけて形成され前記グランド配線導体２２ｂと接続する広面積のグランド層２９や、グランド配線導体２２ｂと接続したボンディングワイヤ２８との間で一定の静電容量成分が生じるため、この静電容量成分の大きさに応じてインピーダンスが減少している。
【０００８】
また前記半導体装置において、半導体素子２６の各電極と入出力用配線導体（第１配線導体）２２ａや出入力用配線導体（第２配線導体）２４等とを接続するボンディングワイヤ２８は一般に直径が１８μｍ〜５０μｍ、純度が９９．９％以上、破断強度が０．０５〜０．７８（Ｎ）程度の金線（Ａｕワイヤ）が使用されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１６４４６６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の半導体装置においては、半導体素子の電極と第２配線導体とを接続しているボンディングワイヤの破断強度が０．０５〜０．７８（Ｎ）程度であり、弱いことから外力印加によって接続領域近傍で切れるのを防止するため長さを１ｍｍ以上として余裕をもたせていること、第２配線導体が比誘電率約２〜１０の基板上に形成されているのに対し、ボンディングワイヤはその周囲が比誘電率１の空気で囲まれており、この比誘電率の差に起因する静電容量の差により、ボンディングワイヤに対するインピーダンスの低減効果が、第２配線導体に対するインピーダンスの低減効果に比べて小さくなり、ボンディングワイヤのインピーダンスが第２配線導体のインピーダンスよりも高くなっていること等から、半導体素子とコネクターを結ぶ線路中にインピーダンスが他よりも高い領域が１ｍｍ以上の長さにわたって形成されていることとなる。そのため、この第２配線導体とボンディングワイヤとを介してコネクターと半導体素子との間に４０ＧＨｚ〜８０ＧＨｚの高周波の電気信号を伝送させた場合、インピーダンスが高いボンディングワイヤで信号に反射等を起こし、伝送特性が大きく劣化するという欠点を有していた。
【００１１】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は半導体素子とコネクターとの間に４０ＧＨｚ〜８０ＧＨｚの高周波の電気信号を反射等を起こすことなく良好に伝送させることができる半導体装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体素子が搭載される搭載部を有する基体と、該基体の前記搭載部近傍より下面にかけて導出されている複数個のグランド配線導体および第１配線導体と、前記基体の下面に形成され、前記グランド配線導体および第１配線導体に電気的に接続している複数個のグランド用パッドおよび入出力用パッドと、前記基体の搭載部より上面もしくは側面にかけて導出されている第２配線導体と、前記第２配線導体に電気的に接続されているコネクターとから成る半導体素子収納用パッケージと、４０ＧＨｚ乃至８０ＧＨｚの電気信号を送受信する半導体素子とで構成され、前記半導体素子収納用パッケージの搭載部に半導体素子を搭載固定するとともに該半導体素子の各電極をグランド配線導体、第１配線導体、第２配線導体にボンディングワイヤを介し電気的に接続して成る半導体装置であって、前記第２配線導体と半導体素子の電極とを接続するボンディングワイヤの周囲が、前記基体の比誘電率と略同一の比誘電率を有する樹脂で被覆されていることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の半導体装置によれば、第２配線導体と半導体素子の電極とを接続するボンディングワイヤの周囲を、基体と略同一の比誘電率を有する樹脂で被覆したことから、ボンディングワイヤとグランド層等との間に生じる静電容量成分と、第２配線導体とグランド層等との間に生じる静電容量成分とをほぼ同じとすることができるため、ボンディングワイヤのインピーダンスを第２配線導体のインピーダンスと効果的に整合させることができ、その結果、第２配線導体とボンディングワイヤとを介してコネクターと半導体素子との間に４０ＧＨｚ〜８０ＧＨｚの高周波の電気信号を伝送させた場合、第２配線導体と半導体素子とを接続するボンディングワイヤの長さが１ｍｍ以上であったとしても、信号に大きな反射等を起こすことはほとんどなく、伝送特性を優れたものとなすことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の半導体装置の一実施例を示し、半導体素子収納用パッケージ７内に半導体素子６を収容して構成されている。
【００１６】
前記半導体素子収納用パッケージ７は、基体１、第１配線導体２ａ、グランド配線導体２ｂ、入出力用パッド３ａ、グランド用パッド３ｂ、第２配線導体４およびコネクター５により形成されている。
【００１７】
前記基体１は酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミックス、窒化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒、可塑剤、分散剤を添加混合して泥漿物を作り、この泥漿物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のシート形成法を採用しシート状に形成してセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得、しかる後、それらセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを必要に応じて複数枚積層し、約１６００℃の高温で焼成することによって製作される。
【００１８】
また前記基体１は、半導体素子の搭載部１ａから下面にかけて複数個の第１配線導体２ａおよびグランド配線導体２ｂが形成されており、該各配線導体２ａ、２ｂは半導体素子の電気信号入出力用、接地用の各電極を、入出力用パッド３ａやグランド用パッド３ｂに接続するための導電路として作用し、搭載部１ａ側の一端には半導体素子６の電気信号入出力用、接地用の各電極がボンディングワイヤ８ａを介して電気的に接続される。
【００１９】
なお、前記グランド配線導体２ｂの一部は、基体１の内部から搭載部１ａ表面にかけて形成された広面積のグランド層Ｇと接続しており、これにより半導体素子６が搭載される搭載部１ａ表面が接地されている。
【００２０】
前記第１配線導体２ａおよびグランド配線導体２ｂ、入出力用パッド３ａ、グランド用パッド３ｂおよびグランド層Ｇは、銅、銀、金、パラジウム、タングステン、モリブデン、マンガン等の金属材料から成り、例えば銅から成る場合であれば、銅粉末に有機溶剤を添加して成る金属ペーストを基体１となるセラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷等により所定パターンに印刷しておくことによって形成される。
【００２１】
この第１配線導体２ａおよびグランド配線導体２ｂの基体１下面側の一端は、それぞれ対応する入出力用パッド３ａおよびグランド用パッド３ｂと電気的に接続しており、これらの入出力用パッド３ａ、グランド用パッド３ｂを外部電気回路の所定の信号用や接地用等の回路導体に接続することにより、半導体素子６の電気信号入出力用、接地用の各電極が外部電気回路と電気的に接続される。
【００２２】
また前記基体１は、半導体素子の搭載部１ａから上面や側面等にかけて第２配線導体４が形成されており、該第２配線導体４は半導体素子６の電極をコネクター５の線材５ａに接続するための導電路として作用し、搭載部１ａ側の一端には半導体素子６の電極がボンディングワイヤ８ｂを介して電気的に接続される。
【００２３】
前記第２配線導体４は、上述の第１配線導体２ａ等と同様に、銅、銀、金、パラジウム、タングステン、モリブデン、マンガン等の金属材料から成り、例えば銅から成る場合であれば、銅粉末に有機溶剤等を添加して成る金属ペーストを基体１となるセラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷等により所定パターンに印刷しておくことによって形成される。
【００２４】
この第２配線導体４の基体１外表面側の一端はコネクター５の線材５ａと電気的に接続しており、このコネクター５を同軸ケーブル等を介して通信装置等の外部機器に接続することにより半導体素子６と外部機器との間で高周波信号の送受信が行われる。
【００２５】
前記コネクター５は、半導体素子収納用パッケージ７の第２配線導体４を同軸ケーブル等を介して外部機器に接続するための接続体として作用し、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属の線材５ａの周囲を、ホウ珪酸系ガラス等の絶縁性の外囲体５ｂで取り囲んだ構造である。
【００２６】
前記線材５ａと外囲体５ｂとから成るコネクター５は、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金から成る線材５ａを、鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属から成る円筒状の容器の中央にセットし、容器内にホウ珪酸ガラス等のガラス粉末を充填した後、ガラス粉末を加熱溶融させて線材５ａの周囲に被着させることによって製作される。
【００２７】
かくして上述の半導体素子収納用パッケージによれば、基体１の搭載部１ａに半導体素子６を搭載するとともにガラス、樹脂、ロウ材等の接着材を介して固定し、しかる後、半導体素子６の各電極を第１配線導体２ａ、グランド配線導体２ｂおよび第２配線導体４に、ボンディングワイヤ８ａ、８ｂを介して接続し、最後に蓋体１０を基体１の上面に封止材を介して接合させ、半導体素子６を気密に封入することによって半導体装置１１となる。
【００２８】
この半導体装置１１は基体１下面の入出力用パッド３ａおよびグランド用パッド３ｂが外部電気回路基板の所定の信号用や接地用等の回路導体に半田バンプ等の外部端子を介して接続され、これによって半導体素子６の信号用、接地用の各電極は外部電気回路と電気的に接続される。
【００２９】
また、この半導体装置１１に取着されているコネクター５の線材５ａに同軸ケーブル等の外部接続用の導線を接続することにより、半導体素子６の電極が通信装置等の外部機器に接続される。
【００３０】
そしてかかる半導体装置１１は、外部電気回路から供給される複数の周波数帯域が低い（５〜１０ＧＨｚ）電気信号を第１配線導体２ａを介して半導体素子６に入力させ、半導体素子６でこれら入力された電気信号を合成して、一つの周波数帯域が高い（４０〜８０ＧＨｚ）電気信号とするとともにこれを第２配線導体４を介してコネクター５に出力し、該コネクター５の線材５ａを介して外部の通信装置等の外部機器に伝送する、或いは、外部の通信装置等の外部機器から伝送された一つの周波数帯域が高い（４０〜８０ＧＨｚ）電気信号をコネクター５の線材５ａ及び第２配線導体４を介して半導体素子６に入力し、半導体素子６で入力された周波数帯域が高い（４０〜８０ＧＨｚ）電気信号を複数の周波数帯域が低い（５〜１０ＧＨｚ）電気信号に変換するとともにこれらの個々の周波数帯域が低い電気信号を第１配線導体２ａを介して外部電気回路に供給することとなる。
【００３１】
本発明の半導体装置１１においては、図２および図３に示すように、第２配線導体４と半導体素子６とを接続するボンディングワイヤ８ｂの周囲を、前記基体１と略同一の比誘電率を有する樹脂９で被覆しておくことが重要である。
【００３２】
前記ボンディングワイヤ８ｂの周囲を、前記基体１と略同一の比誘電率を有する樹脂９で被覆すると、このボンディングワイヤ８ｂとグランド層Ｇ等との間に生じる静電容量成分を、第２配線導体４とグランド層Ｇとの間に生じる静電容量成分と同程度として、それぞれに対するインピーダンス低減効果をほぼ同じとすることができ、ボンディングワイヤ８ｂのインピーダンスを、基体１上に形成されている第２配線導体４のインピーダンスと効果的に整合させることができる。その結果、ボンディングワイヤ８ｂで信号に反射等を起こし、伝送特性が大きく劣化することを防止でき、周波数帯域の高い（４０〜８０ＧＨｚ）電気信号の伝送特性を優れたものとなすことができる。
【００３３】
前記樹脂９は、その比誘電率が基体１と略同一であれば基体１および半導体素子６の材質や、半導体素子収納用パッケージ７の用途等に応じて任意の材質を選択することができ、例えば、基体１が比誘電率５〜６のガラスセラミックスから成る場合には、比誘電率が３〜４のシリコーン樹脂、ゴム変性エポキシ樹脂等が好適に使用され、第２配線導体４および半導体素子６の電極にボンディングワイヤ８ｂを接続させた後、ボンディングワイヤ８ｂの表面に液状のシリコーン樹脂やゴム変性エポキシ樹脂を滴下・被着させて覆い、しかる後、これを熱硬化させることによって形成される。
【００３４】
この場合、ボンディングワイヤ８ｂの周囲を被覆する樹脂９は、ボンディングワイヤ８ｂを１本ずつ被覆するような形態に限らず、図４に示すように、ボンディングワイヤ８ｂが第２配線導体４と半導体素子６とを接続している領域全体を樹脂９で埋めるようにして、ボンディングワイヤ８ｂの第２配線導体４等に対する接合を補強するとともに、このボンディングワイヤ８ｂと、グランド配線導体２ｂに接続しているボンディングワイヤ８ａとの間でのインピーダンスの低減をより効果的なものとするようにしてもよい。
【００３５】
なお、樹脂９と基体１との比誘電率が略同一とは、基体１の比誘電率に対して樹脂９の比誘電率が５０％〜１５０％である状態を意味し、例えば、前述の比誘電率が５〜６のガラスセラミックスへ適用する場合、適用が可能な樹脂９は比誘電率が２．５〜９である。ただし、ボンディングワイヤ８ｂの表面に液状の樹脂９を滴下・被着させて覆い、しかる後、これを熱硬化させることによって樹脂９を形成する場合には、滴下性や被覆性が良好で熱硬化後の硬さが最適な観点からはシリコーン樹脂、ゴム変性エポキシ樹脂等を用いる方が好ましく、これらの比誘電率は３〜４である。
【００３６】
また、前記第２配線導体４と半導体素子６の電極とを接続するボンディングワイヤ８ｂは、その長さを０．３ｍｍ以下としておくことが好ましい。
【００３７】
前記第２配線導体４と半導体素子６の電極とを接続するボンディングワイヤ８ｂの長さを０．３ｍｍ以下と短くすると、半導体素子６とコネクター５とを結ぶ線路中に形成され、基体１と略同一の比誘電率を有する樹脂９で被覆する必要のある高インピーダンスの領域（ボンディングワイヤ８ｂの領域）が極めて短いものとなり、この樹脂９による被覆をより一層確実かつ容易なものとすることができ、その結果、第２配線導体４とボンディングワイヤ８ｂとを介してコネクター５と半導体素子６との間に４０ＧＨｚ〜８０ＧＨｚの高周波の電気信号を伝送させた場合、ボンディングワイヤ８ｂが短いことから、信号に大きな反射等を起こすことをより一層確実に防止し、伝送特性を極めて優れたものとなすことができる。
【００３８】
また、ボンディングワイヤ８ｂおよび第２配線導体４は、断面積を同一としておくことが好ましい。両者の断面積を同一としておくことにより、より一層確実に両者のインピーダンスを整合させることができ、４０〜８０ＧＨｚの高周波の電気信号の伝送特性をより一層優れたものとすることができる。
【００３９】
また、前記第２配線導体４は、そのループ高さを極力低くし、第２配線導体４との高低差を少なくしておくことが好ましい。この高低差を小さくしておくと、両者からグランド層Ｇまでの間の距離がほぼ同じとなるため、それぞれの間に生じる静電容量成分をより一層確実に同一とすることができるため、両者のインピーダンスをより一層確実に整合させることができる。
【００４０】
なお、前記第２配線導体４と半導体素子６の電極とのボンディングワイヤ８ｂを介しての接続は、例えば、ウエッジボンド法、具体的には、ボンディングワイヤ８ｂをボンディング装置のワイヤ用キャピラリを通して第２配線導体４や半導体素子６の電極に当接させるとともに、キャピラリ先端の楔状の部分でボンディングワイヤ８ｂを接続部位に押し付け、超音波振動、接合することによって、例えばボンディングワイヤ８ｂの長さを０．３ｍｍ以下として、第２配線導体４と半導体素子６の電極に接続される。この場合、ボンディングワイヤは、例えばボールボンド法によるように第２配線導体４等に接合させるために先端部分を溶融させて金属ボールを形成させるような必要がなく、キャピラリの移動角度によりループ高さを低く調整することができるため、ボンディングワイヤ８ｂの長さが必要以上に長くなることを効果的に防止することができる。
【００４１】
また、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の半導体装置によれば、第２配線導体と半導体素子の電極とを接続するボンディングワイヤの周囲を、基体と略同一の比誘電率を有する樹脂で被覆したことから、ボンディングワイヤとグランド層等との間に生じる静電容量成分と、第２配線導体とグランド層等との間に生じる静電容量成分とをほぼ同じとすることができるため、ボンディングワイヤのインピーダンスを第２配線導体のインピーダンスと効果的に整合させることができ、その結果、第２配線導体とボンディングワイヤとを介してコネクターと半導体素子との間に４０ＧＨｚ〜８０ＧＨｚの高周波の電気信号を伝送させた場合、第２配線導体と半導体素子とを接続するボンディングワイヤの長さが１ｍｍ以上であったとしても、信号に大きな反射等を起こすことはほとんどなく、伝送特性を優れたものとなすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示す半導体装置の要部拡大平面図である。
【図３】図１に示す半導体装置の要部拡大断面図である。
【図４】本発明の半導体装置の他の実施例を示す要部拡大平面図である。
【図５】従来の半導体装置の断面図である。
【図６】図５に示す半導体装置の要部拡大平面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・基体
１ａ・・・・・搭載部
２ａ・・・・・第１配線導体
２ｂ・・・・・グランド配線導体
３ａ・・・・・入出力用パッド
３ｂ・・・・・グランド用パッド
４・・・・・・第２配線導体
５・・・・・・コネクター
５ａ・・・・・線材
５ｂ・・・・・外囲体
６・・・・・・半導体素子
７・・・・・・半導体素子収納用パッケージ
８ａ、８ｂ・・ボンディングワイヤ
９・・・・・・樹脂
１０・・・・・蓋体
１１・・・・・半導体装置
Ｇ・・・・・・グランド層

Claims

半導体素子が搭載される搭載部を有する基体と、該基体の前記搭載部近傍より下面にかけて導出されている複数個のグランド配線導体および第１配線導体と、前記基体の下面に形成され、前記グランド配線導体および第１配線導体に電気的に接続している複数個のグランド用パッドおよび入出力用パッドと、前記基体の搭載部より上面もしくは側面にかけて導出されている第２配線導体と、前記第２配線導体に電気的に接続されているコネクターとから成る半導体素子収納用パッケージと、４０ＧＨｚ乃至８０ＧＨｚの電気信号を送受信する半導体素子とで構成され、前記半導体素子収納用パッケージの搭載部に半導体素子を搭載固定するとともに該半導体素子の各電極をグランド配線導体、第１配線導体、第２配線導体にボンディングワイヤを介し電気的に接続して成る半導体装置であって、前記第２配線導体と半導体素子の電極とを接続するボンディングワイヤの周囲が、前記基体の比誘電率と略同一の比誘電率を有する樹脂で被覆されていることを特徴とする半導体装置。