JP2005150467A

JP2005150467A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2005150467A
Application number: JP2003386957A
Authority: JP
Inventors: Koki Kawabata; 幸喜川畑; Yoshinobu Sawa; 義信澤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2005-06-09

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。また熱応力によって半導体素子と基体の接続部が破断する。
【解決手段】搭載部１ａを有する基体１と、搭載部１ａに設けられた第１パッド２、第２パッド３から成る半導体素子収納用パッケージ８と、高周波の電気信号を送受信する半導体素子９とで構成され、パッケージの搭載部１ａに半導体素子９を搭載するとともに第１パッド２、第２パッド３に半導体素子９下面の電極１０を接続部材を介し接続してなる半導体装置であって、第１パッド２、第２パッド３の平面積を０．０１８ｍｍ^２以下とし、かつ搭載部１ａに第１パッド２、第２パッド３よりも２倍以上大きな平面積を有するダミーパッドを設けるとともに半導体素子９下面にダミー電極を設け、このダミーパッドとダミー電極とを接続部材１１を介し接合した。
【選択図】図１

Description

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。

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。

前記半導体素子収納用パッケージは、通常、酸化アルミニウム質焼結体、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が形成された基体と、該基体の搭載部に形成されている第１パッドおよび第２パッドと、該第１パッドより基体に設けた貫通孔を介し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、前記第２パッドより基体に設けた貫通孔を介し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により構成されている。

なお、前記第１パッド、第２パッド、グランド配線導体、第１配線導体および第２配線導体は、タングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀等の金属材料で形成されている。

そして、かかる半導体素子収納用パッケージには、その搭載部に電気信号を送受信する半導体素子が搭載され、第１パッドおよび第２パッドに半導体素子の下面に形成されている電極を接続部材を介して電気的に接続するとともに必要に応じて蓋体等で半導体素子を封止することによって半導体装置となる。

また前記半導体装置は基体の下面に導出されているグランド配線導体および第１配線導体を外部電気回路基板の回路導体に半田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が外部電気回路に接続され、同時にコネクターに同軸ケーブル等を介し外部の通信装置等の外部機器を接続させることによって半導体素子と外部機器とが接続するようになっている。

更に、前記半導体装置に使用されている半導体素子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配線導体を介してコネクターに伝送されるとともにコネクター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配線導体を介して外部電気回路に伝送されることとなる。

また前記酸化アルミニウム質焼結体等から成る基体はその線膨張係数が約７．５×１０^−６／℃であるのに対し、半導体素子は一般にシリコンで形成されており、その線膨張係数は約４×１０^−６／℃程度であり、相違することから半導体素子の電極を第１パッドおよび第２パッドに半田等から成る接続部材を介して接続した後、基体と半導体素子に熱が作用すると基体と半導体素子の熱膨張量の相違に起因して大きな応力が発生しこの応力によって第１パッドおよび第２パッドが基体より剥離したり、半田等からなる接続部材に破断が発生して半導体素子と第１パッドおよび第２パッドとの間の接続が破られてしまう。そのためこの従来の半導体素子収納用パッケージ等は第１パッドおよび第２パッドを直径が０．２５ｍｍ以上の円形形状（平面積が０．０４９ｍｍ^２以上の円形形状）とし基体と第１パッドおよび第２パッドとの接合強度を強くするとともに半導体素子の電極と第１パッドおよび第２パッドとを接続する半田等からなる接続部材の量を多くし破断が発生しないようにしている。
特開２００２−１６４４６６号公報

しかしながら、この従来の半導体装置においては、基体の半導体素子が搭載される搭載部に形成されている円形形状の第１パッドおよび第２パッドの直径が０．２５ｍｍ以上（平面積で０．０４９ｍｍ^２以上）であるのに対し、該第１パッドおよび第２パッドに接続される第１配線導体および第２配線導体のうち基体に設けた貫通孔領域での断面積が通常約０．０１ｍｍ^２（直径が約０．１〜０．１１ｍｍの円形形状）であり大きく相違（第１パッドおよび第２パッドの平面積が第１配線導体および第２配線導体の断面積より約５倍大きい）することから、基体に設けた貫通孔領域での第１配線導体および第２配線導体のインピーダンスに比し、第１パッドおよび第２パッドのインピーダンスが非常に小さいものとなっている。そのため、第１パッドおよび第２パッドに半導体素子の電極を接続し、この第１パッドおよび第２パッドを介して半導体素子と第１配線導体および第２配線導体との間に５ＧＨｚ以上の高周波の電気信号を出し入れ（第１パッドと第１配線導体には５〜１０ＧＨｚ、第２パッドと第２配線導体には４０〜８０ＧＨｚの電気信号が伝送される）した場合、インピーダンスが低い第１パッドおよび第２パッドで反射等を起こし、ノイズを発生して伝送特性が大きく劣化してしまうという欠点を有していた。

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の電極が接続される第１パッドおよび第２パッドでの高周波の電気信号の反射等を有効に防止し、高周波の電気信号の伝送特性を大きく改善した半導体装置を提供することにある。

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、該基体の搭載部に形成されている第１パッドおよび第２パッドと、該第１パッドより基体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、前記第２パッドより基体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、下面に電極を有し、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するとともに第１パッドおよび第２パッドに半導体素子の下面に形成されている電極を接続部材を介して電気的に接続してなる半導体装置であって、前記第１パッドおよび第２パッドの平面積が０．０１８ｍｍ^２以下であり、
かつ前記基体の搭載部に、前記第１パッドおよび第２パッドよりも２倍以上大きな平面積を有するダミーパッドが形成されているとともに半導体素子の下面にダミー電極が形成されており、ダミーパッドとダミー電極とが接続部材を介し接合されていることを特徴とするものである。

本発明の半導体装置によれば、基体の半導体素子が搭載される搭載部に形成され、半導体素子の電極が接続される第１パッドおよび第２パッドの平面積を０．０１８ｍｍ^２以下とし、基体の貫通孔に形成され、前記第１パッドおよび第２パッドに接続されている第１配線導体および第２配線導体の断面積（約０．０１ｍｍ^２：直径約０．１〜０．１１ｍｍ）に近づけたことから高い周波数において第１パッドおよび第２パッドのインピーダンスと第１配線導体および第２配線導体のインピーダンスとを近似させることができ、その結果、第１パッドおよび第２パッドに半導体素子の電極を接続し、この第１パッドおよび第２パッドを介して半導体素子と第１配線導体および第２配線導体との間に５ＧＨｚ以上の高周波の電気信号を出し入れ（第１パッドと第１配線導体には５〜１０ＧＨｚ、第２パッドと第２配線導体には４０〜８０ＧＨｚの電気信号が伝送される）した場合、第１パッドおよび第２パッドで大きな反射等を起こすことはなく、伝送特性を優れたものとなすことができる。

また本発明の半導体装置によれば、基体の搭載部に第１パッドおよび第２パッドよりも２倍以上大きな平面積を有するダミーパッドを形成するとともに半導体素子の下面にダミー電極を設け、ダミーパッドとダミー電極とを接続部材を介し接合するようにしたことから半導体素子の電極を第１パッドおよび第２パッドに接続部材を介して接続した後、基体と半導体素子に熱が作用し、基体と半導体素子との間に両者の線熱膨張係数の相違に起因する熱応力が発生したとしても、基体と半導体素子とはダミーパッドとダミー電極との接合によって強固に固定されているため接続部材に破断等が発生することはほとんどなく、その結果、基体に設けた第１パッドおよび第２パッドに半導体素子の電極を確実、強固に電気的接続させることが可能となる。

次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。

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８内に半導体素子９を収容して構成されている。

前記半導体素子収納用パッケージ８は、基体１、第１パッド２、第２パッド３、第１配線導体４ａ、グランド配線導体４ｂ、入出力用パッド５ａ、グランド用パッド５ｂ、第２配線導体６およびコネクター７により基本的に形成されている。

前記基体１は酸化アルミニウム質焼結体、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。

また前記基体１はその上面に半導体素子９が搭載収容される搭載部１ａを有しており、該搭載部１ａには半導体素子９の電極１０が半田等から成る接続部材１１を介して電気的に接続される第１パッド２および第２パッド３が形成されている。

前記第１パッド２および第２パッド３はタングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀等の金属材料から成り、例えば、タングステンから成る場合であれば、タングステン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所定パターンに印刷しておくことによって基体１の搭載部１ａに形成される。

更に前記基体１には搭載部１ａに形成した第１パッド２から基体１に設けた貫通孔を介し基体１下面に導出する第１配線導体４ａおよびグランド配線導体４ｂが形成されており、該各配線導体４ａ、４ｂは半導体素子９の電極１０が接続される第１パッド２を後述する基体１下面に被着形成されている入出力用パッド５ａやグランド用パッド５ｂに接続するための導電路として作用する。

前記基体１にはまたその下面に入出力用パッド５ａやグランド用パッド５ｂが被着形成されており、該入出力用パッド５ａおよびグランド用パッド５ｂは、半導体素子の各電極を外部電気回路基板の回路導体の所定の信号用や接地用等の回路導体に接続する作用をなす。
なお、前記第１配線導体４ａおよびグランド配線導体４ｂ、入出力用パッド５ａおよびグランド用パッド５ｂは、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、例えばタングステンから成る場合であれば、タングステン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等に所定パターンに印刷しておくことにより形成される。

更に、前記基体１には搭載部１ａに形成した第２パッド３から基体１に設けた貫通孔を介し基体１の上面もしくは側面に導出する第２配線導体６が形成されており、該第２配線導体６は半導体素子９の電極１０をコネクター７の線材７ａに接続するための導電路として作用する。

前記第２配線導体６は、上述の第１配線導体４ａ等と同様に、タングステン、モリブデン等の金属材料から成り、例えばタングステンから成る場合であれば、タングステン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等にスクリーン印刷法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。

この第２配線導体６の基体１外表面側の一端はコネクター７の線材７ａと電気的に接続しており、このコネクター７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９と外部機器との間で高周波信号の送受信が行われる。

前記コネクター７は、半導体素子収納用パッケージ８の第２配線導体６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７ａの周囲を、ホウ珪酸系ガラス等の絶縁性の外囲体７ｂで取り囲んだ構造である。

前記線材７ａと外囲体７ｂとから成るコネクター７は、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金から成る線材７ａ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７ａの周囲に被着させることによって製作される。

かくして上述の半導体素子収納用パッケージ８によれば、基体１の搭載部１ａに半導体素子９を搭載するとともに、半導体素子９の下面に形成されている電極１０を第１パッド２および第２パッド３に半田等から成る接続部材１１を介して接続し、最後に蓋体１２を基体１の上面に封止材を介して接合させ、半導体素子９を気密に封止することによって半導体装置１３となる。

この半導体装置１３は基体１下面の入出力用パッド５ａおよびグランド用パッド５ｂが外部電気回路基板１４の所定の信号用や接地用等の回路導体１５に半田１６等を介して接続され、これによって半導体素子９の電極１０は外部電気回路基板１４と電気的に接続される。

なお、入出力用パッド５ａおよびグランド用パッド５ｂの、外部電気回路基板１４の所定の信号用や接地用等の回路導体１５への半田１６等を介しての接続は、あらかじめ半田等を入出力用パッド５ａおよびグランド用パッド５ｂに接合しておくとともに、この半田を再溶融させることによって入出力用パッド５ａ等は外部電気回路基板１４の所定の回路導体１５に接続されることとなる。

また、この半導体装置１３に取着されているコネクター７の線材７ａ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９の電極１０が通信装置等の外部機器に接続される。

そしてかかる半導体装置１３は、外部電気回路基板１４から供給される５〜１０ＧＨｚの複数の電気信号を入出力用パッド５ａ、第１配線導体４ａおよび第１パッド２を介して半導体素子９に入力させ、半導体素子９でこれら入力された電気信号を合成して、４０〜８０ＧＨｚの電気信号とするとともにこれを第２パッド３および第２配線導体６を介してコネクター７に出力し、該コネクター７の線材７ａ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４０〜８０ＧＨｚの一つの電気信号をコネクター７の線材７ａ、第２配線導体６および第２パッド３を介して半導体素子９に入力し、半導体素子９で入力された４０〜８０ＧＨｚの電気信号を５〜１０ＧＨｚの複数の電気信号に変換するとともにこれらの個々の電気信号を第１パッド２、第１配線導体４ａおよび入出力用パッド５ａを介して外部電気回路基板１４に供給することとなる。

本発明の半導体装置においては、半導体素子９の電極１０が接続部材１１を介して接続される第１パッド２および第２パッド３の平面積を０．０１８ｍｍ^２以下としておくことが重要である。

前記第１パッド２および第２パッド３の平面積を０．０１８ｍｍ^２以下としておくと、第１パッド２および第２パッド３の平面積が、基体１の貫通孔に形成され前記第１パッド２および第２パッド３に接続されている第１配線導体４ａおよび第２配線導体６の断面積（約０．０１ｍｍ^２：直径約０．１〜０．１１ｍｍ）に近づき、高い周波数において第１パッド２および第２パッド３のインピーダンスと第１配線導体４ａおよび第２配線導体６のインピーダンスとが近似し、その結果、第１パッド２および第２パッド３に半導体素子９の電極１０を接続し、この第１パッド２および第２パッド３を介して半導体素子９と第１配線導体４ａおよび第２配線導体６との間に５ＧＨｚ以上の高周波の電気信号を出し入れ（第１パッド２と第１配線導体４ａには５〜１０ＧＨｚ、第２パッド３と第２配線導体６には４０〜８０ＧＨｚの電気信号が伝送される）した場合、第１パッド２および第２パッド３で大きな反射等を起こすことはなく、伝送特性を優れたものとなすことができる。

なお、前記第１パッド２および第２パッド３はその平面積が０．１９６ｍｍ^２を超えると半導体素子９の電極１０を第１パッド２および第２パッド３に接続した後、第１パッド２および第２パッド３を介して半導体素子９と第１配線導体４ａおよび第２配線導体６間に高周波の電気信号を伝送させた場合、第１パッド２および第２パッド３で電気信号に反射が発生し、伝送特性が大きく劣化してしまう。従って、前記第１パッド２および第２パッド３はその平面積が０．０１８ｍｍ^２以下のものに特定される。

また前記第１パッド２および第２パッド３の平面積を０．０１８ｍｍ^２以下にする方法としては、金属ペーストを基体１となるグリーンシートに印刷しておくことによって第１パッド２および第２パッド３を形成する際、スクリーン印刷におけるスクリーンマスクの開口を０．０１８ｍｍ^２以下としておくことによって行われる。

また本発明の半導体装置においては、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、基体１の半導体素子９が搭載される搭載部１ａに第１パッド２および第２パッド３よりも２倍以上大きな平面積を有するダミーパッド１ｂを形成しておくとともに半導体素子９の下面にダミー電極１０ａを設けておき、これらダミーパッド１ｂとダミー電極１０ａとを半田等から成る接続部材１１を介し接合させておくことが重要である。

前記基体１の搭載部１ａに第１パッド２および第２パッド３よりも２倍以上大きな平面積を有するダミーパッド１ｂを形成するとともに半導体素子９の下面ダミー電極１０ａを設け、ダミーパッド１ｂとダミー電極１０ａとを接続部材１１を介し接合させると、半導体素子９の電極１０を第１パッド２および第２パッド３に接続部材１１を介して接続した後、基体１と半導体素子９に熱が作用し、基体１と半導体素子９との間に両者の線膨張係数の相違に起因する熱応力が発生したとしても、基体１と半導体素子９とはダミーパッド１ｂとダミー電極１０ａとの接合によって強固に固定されているため、接続部材１１に破断等が発生することはほとんどなく、その結果、基体１に設けた第１パッド２および第２パッド３に半導体素子９の電極１０を確実、強固に電気的接続させることが可能となる。

なお、前記ダミーパッド１ｂは、その平面積が第１パッド２や第２パッド３の平面積に対し２倍未満であるとこのダミーパッド１ｂと半導体素子９の下面に形成したダミー電極１０ａとの接続部材１１を介しての接合が弱いものとなり、基体１と半導体素子９との間に発生する両者の線熱膨張係数の相違に起因した応力によって接続部材１１に破断等が発生し、その結果、第１パッド２および第２パッド３と半導体素子９の電極１０との電気的接続の信頼性が大きく低下してしまう。そのため前記ダミーパッド１ｂはその平面積が第１パッド２および第２パッド３の平面積よりも２倍以上大きなものに特定される。

また前記ダミーパッド１ｂはタングステンやモリブデン、マンガン、銅、銀等の金属材料から成り、基体１の半導体素子９が搭載される搭載部１ａの第１パッド２や第２パッド３を形成する際に同時に、同様の方法によって形成される。

更に前記ダミーパッド１ｂは、基体１の搭載部１ａに金属ペーストをスクリー印刷により所定パターンに印刷することによって形成する際、スクリーン印刷におけるスクリーンマスクの開口を大きくしておくことによって第１パッド２や第２パッド３よりも２倍以上の平面積に形成される。

なお、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。

本発明の半導体装置の一実施例を示す断面図である。（ａ）は図１に示す半導体装置の搭載部の上面図であり、（ｂ）は半導体素子の下面図である。

符号の説明

１・・・・・基体
１ａ・・・・搭載部
１ｂ・・・・ダミーパッド
２・・・・・第１パッド
３・・・・・第２パッド
４ａ・・・・第１配線導体
４ｂ・・・・グランド配線導体
５ａ・・・・入出力用パッド
５ｂ・・・・グランド用パッド
６・・・・・第２配線導体
７・・・・・コネクター
７ａ・・・・線材
７ｂ・・・・外囲体
８・・・・・半導体素子収納用パッケージ
９・・・・・半導体素子
１０・・・・電極
１０ａ・・・ダミー電極
１１・・・・接続部材
１２・・・・蓋体
１３・・・・半導体装置
１４・・・・外部電気回路基板
１５・・・・回路導体
１６・・・・半田

Claims

半導体素子が搭載される搭載部を有する基体と、該基体の搭載部に形成されている第１パッドおよび第２パッドと、該第１パッドより基体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、前記第２パッドより基体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、下面に電極を有し、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するとともに第１パッドおよび第２パッドに半導体素子の下面に形成されている電極を接続部材を介して電気的に接続してなる半導体装置であって、前記第１パッドおよび第２パッドの平面積が０．０１８ｍｍ^２以下であり、かつ前記基体の搭載部に、前記第１パッドおよび第２パッドよりも２倍以上大きな平面積を有するダミーパッドが形成されているとともに半導体素子の下面にダミー電極が形成されており、ダミーパッドとダミー電極とが接続部材を介し接合されていることを特徴とする半導体装置。