JP2006351826A - 高周波パッケージ及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 専用の組み立て治具を用意することなく金属ベースと誘電体基板を位置合わせして組み立てることができると共に、より広い高周波帯域で安定して使用できる高周波パッケージを提供する。
【解決手段】 上側に突出する凸状電極１０ａ〜１０ｄを備えた金属ベース１０の該凸状電極１０ａ〜１０ｄが、誘電体基板１２の開口部１２ａの側面近傍に差し込まれた状態で、金属ベース１０の上に誘電体基板１２が固着され、誘電体基板１２の開口部１２ａによってキャビティＣが設けられている。
【選択図】 図６

Description

本発明は高周波パッケージ及び半導体装置に係り、さらに詳しくは、マイクロ波帯域及びミリ波帯域などの高周波信号を利用する半導体素子が実装される高周波パッケージ及び半導体装置に関する。

従来、高周波信号を利用する半導体素子が実装される高周波パッケージがある。そのような高周波パッケージの一例では、図１及び図２に示すように、金属ベース１００の上に中央部に開口部１１０ａが設けられたセラミックなどからなる誘電体基板１１０が固着され、これによって金属ベース１００の上にキャビティＣが設けられた構成となっている。金属ベース１００に誘電体基板１１０を固着する際には、図１に示すような凹部２００ａを備えたカーボンなどからなる組み立て治具２００を用意し、その凹部２００ａ内に金属ベース１００と誘電体基板１１０を配置し、組み立て治具２００の凹部２００ａの側面で金属ベース１００及び誘電体基板１１０の外周部をガイドして位置合わせした状態で両者を固着する。

そして、図３に示すように、高周波パッケージのキャビティＣの底部の金属ベース１００の部分に高周波用途の半導体素子３００が実装される。誘電体基板１１０上の両縁側には信号配線２０２が半導体素子３００を挟んで対称的に形成されている。また、各信号配線２０２の両側にはグランド配線２０４がそれぞれ設けられている。半導体素子３００は、ワイヤ３０２によってその両外側の信号配線２０２及びグランド配線２０４にそれぞれ電気接続されている。また、グランド配線２０４は誘電体基板１１０に設けられたビアホール１１０ｘを介して金属ベース１００に電気的に接続されている。

このようにして、図３の例では、信号配線２０２の下側に誘電体基板１１０を介して金属ベース１００（グランドプレーン）を配置した構造の伝送線路（マイクロストリップ型）が採用され、これによってパッケージ内での特性インピーダンスの整合を行っている。高周波パッケージの伝送線路構造としては、マイクロストリップ線路の他に、ストリップ線路又はコプレナ線路などがある。

なお、特許文献１には、高周波パッケージにおいて、高周波回路を収納するキャビティを複数の導体隔室からなる異型構造とすることで、アイソレーション性を確保することが記載されている。
特開２００２−１５１９０１号公報

しかしながら、従来技術では、金属ベース１００の上に誘電体基板１１０を固着する際に、組み立て治具２００の凹部２００ｘに金属ベース１００及び誘電体基板１１０の外周部をガイドして位置合わせする必要があるので、高周波パッケージの外形が変わるたびに、異なる組み立て治具を用意する必要があり、製造効率が悪く、コスト高を招くといった問題がある。

また、従来技術のような誘電体基板１１０上に延在するグランド配線２０４を誘電体基板１１０に設けられたビアホール１１０ｘを介して下側の金属ベース１００（グランドプレーン）に電気接続する伝送線路構造では、特定の周波数で反射が大きくなるなどの不具合が発生しやすく、所望の広い高周波帯域で安定して使用できない場合がある。

本発明は以上の課題を鑑みて創作されたものであり、専用の組み立て治具を用意することなく金属ベースと誘電体基板を位置合わせして組み立てることができると共に、より広い高周波帯域で安定して使用できる高周波パッケージ及び半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、高周波パッケージに係り、上側に突出する凸状電極を備えた金属ベースと、前記金属ベース上にキャビティを構成するための開口部を備えた誘電体基板であって、前記開口部の側面近傍に前記金属ベースの前記凸状電極が差し込まれた状態で前記金属ベースの上に固着された前記誘電体基板とを有することを特徴とする。

本発明の好適な態様では、前記誘電体基板の開口部の側面には、内側に突出する突出部が設けられており、前記金属ベースの前記凸状電極は、前記突出部の側面と前記開口部の側面とで画定される差込用開口部に差し込まれている。

本発明の高周波パッケージでは、誘電体基板の上に信号配線が設けられ、凸状電極を備えた金属ベースがグランドプレーンとして機能し、マイクロストリップ伝送線路を構成して特性インピーダンスの整合がとられる。そして、キャビティの底面に高周波用途の半導体素子が実装され、半導体素子がその近傍の信号配線及び金属ベースの凸状電極に電気的に接続される。

上述したように、誘電体基板の上にグランド配線を形成する構造では、特定の周波数で反射が発生してカットオフ周波数が生じやすい。しかしながら、本発明の高周波パッケージでは、半導体素子のグランド電極は、キャビティの側面近傍に立設する、金属ベース（グランドプレーン）の凸状電極に接続されるようにしたので、誘電体基板の上にグランド配線を設ける必要がなく、広い高周波帯域で安定して使用することができるようになる。

しかも、金属ベースの凸状電極を誘電体基板の開口部の側面近傍に差し込むことによって自己整合的に両者を位置合わせして組み立てることができるので、従来技術と違って特別な組み立て装置を複数用意する必要もない。これにより、従来技術よりも製造効率を格段に向上させることができ、低コスト化を図ることができる。

以上説明したように、本発明の高周波パッケージでは、低コストで製造できると共に、より広い高周波帯域で安定して使用できるようになる。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。

図４は本発明の実施形態の高周波パッケージの組み立て方法を示す斜視図、図５は本発明の実施形態の高周波パッケージを示す斜視図、図６は同じく高周波パッケージに半導体素子が実装されて構成される半導体装置を示す斜視図、図７は図６の模式的な断面図である。

図４（上図）に示すように、まず、中央部に開口部１２ａが設けられた誘電体基板１２を用意する。誘電体基板１２の開口部１２ａでは、対向する一対の第１、第２側面Ｓ１，Ｓ２の各中央部に、内側に突出する第１、第２突出部１２ｘ、１２ｙがそれぞれ設けられている。そして、誘電体基板１２の第１突出部１２ｘの側面と開口部１２ａの側面によって開口部１２ａの第１側面Ｓ１の両側近傍に第１、第２差込用開口部１４ａ、１４ｂが画定されている。また同様に、誘電体基板１２の第２突出部１２ｙの側面と開口部１２ａの側面によって開口部１２ａの第２側面Ｓ２の両側近傍に第３、第４差込用開口部１４ｃ、１４ｄが画定されている。このような誘電体基板１２は、例えは、セラミックグリーンシートをプレスやレーザによって加工して開口部を形成した後に、グリーンシートを焼結することにより得られる。

さらに、同じく図４（下図）に示すように、一方の面に上側に突出する第１〜第４凸状電極１０ａ〜１０ｄが設けられた金属ベース１０を用意する。金属ベース１０の第１〜第４凸状電極１０ａ〜１０ａは、上記した誘電体基板１２の第１〜第４差込用開口部１４ａ〜１４ｄに対応する位置に配置されている。金属ベース１０は銅（Ｃｕ）又は銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金からなり、そのような材料の金属板がプレス加工や切削（エンドミル加工）によって加工されて凸状電極１０ａ〜１０ｄが金属ベース１０の本体に繋がって一体となって形成される。

次いで、図５に示すように、金属ベース１０の上に誘電体基板１２を配置し、金属ベース１０の第１〜第４凸状電極１０ａ〜１０ｄを誘電体基板１２の第１〜第４差込用開口部１４ａ〜１４ｄに差し込む。このとき、高度な位置合わせ技術は必要とせず、金属ベース１０の第１〜第４凸状電極１０ａ〜１０ｄを誘電体基板１２の第１〜第４差込用開口部１４ａ〜１４ｄに自己整合的に差し込むことができる。誘電体基板１２は銀ろうなどのろう材（不図示）を介して金属ベース１０の上に配置され、熱処理することによって金属ベース１０と誘電体基板１２がろう材によって固着される。このようにして、誘電体基板１２の開口部１２ａによって金属ベース１０の上にキャビティＣが設けられる。これにより、本実施形態の高周波パッケージ１が完成する。

図５に示すように、本実施形態の高周波パッケージ１では、金属ベース１０上に、中央部に開口部１２ａが設けられた誘電体基板１２が固着されており、誘電体基板１２の開口部１２ａによって金属ベース１０上にキャビティＣが設けられた構成となっている。金属ベース１０の上面側には第１〜第４凸状電極１０ａ〜１０ｄが立設している。また、誘電体基板１２の開口部１２ａの対向する一対の第１、第２側面Ｓ１，Ｓ２の中央部には内側に突出する第１、第２突出部１２ｘ，１２ｙがそれぞれ設けられている。これにより、第１側面Ｓ１には第１突出部１２ｘの側面と開口部１２ａの側面によって第１、第２差込用開口部１４ａ，１４ｂが画定され、第２側面Ｓ２には第２突出部１２ｙによって同様に第３、第４差込用開口部１４ｃ，１４ｄが画定されている。

そして、金属ベース１０の第１〜第４凸状電極１０ａ〜１０ｄが誘電体基板１２の開口部１の対向する第１、第２側面Ｓ１，Ｓ２の両側近傍に画定された第１〜第４差込用開口部１４ａ〜１４ｄにそれぞれ差し込まれて固着されている。

本実施形態の高周波パッケージ１では、従来技術と違って、専用の組み立て治具を使用することなく、金属ベース１０上に誘電体基板１２を自己整合的に位置合わせして配置することで組み立てが完了するので、製造効率を向上させることができ、低コスト化を図ることができる。

次に、本実施形態の高周波パッケージに高周波用途の半導体素子が実装されて構成される半導体装置について説明する。

図６に示すように、本実施形態の半導体装置２では、図５の高周波パッケージ１の誘電体基板１２の上面において、誘電体基板１２の第１、第２突出部１２ｘ，１２ｙの上から外側に向けて延在する第１及び第２信号配線１６ａ，１６ｂがそれぞれ形成されている。そして、高周波パッケージ１のキャビティＣの底面に高周波用途の半導体素子２０が実装されている。半導体素子２０の上面の一端側及び他端側には一つの信号電極２０ａと２つのグランド電極２０ｂとが露出した状態でそれぞれ設けられている。半導体素子２０の一端側の信号電極２０ａはワイヤ１８ａを介して誘電体基板１２の第１突出部１２ｘ上の第１信号配線１６ａの部分に電気接続され、同じく一端側の２つのグランド電極２０ｂは金属ベース１０から上側に突出する第１、第２凸状電極１０ａ、１０ｂの上面にワイヤ１８ｂを介してそれぞれ電気接続されている。

また同様に、半導体素子２０の他端側の信号電極２０ａはワイヤ１８ｃを介して誘電体基板１２の第２突出部１２ｙの上の第２信号配線１６ｂの部分に電気接続され、同じく他端側の２つのグランド電極２０ｂは金属ベース１０から上側に突出する第３、第４凸状電極１０ｃ、１０ｄの上面にワイヤ１８ｄを介してそれぞれ電気接続されている。

このように、本実施形態の半導体装置２では、誘電体基板１２の上に第１、第２信号配線１６ａ，１６ｂが形成され、誘電体基板１２の下側に金属ベース１０（グランドプレーン）が形成された構造のマイクロストリップ伝送線路を備えている。

さらに、図７の断面図に示すように、高周波パッケージ１の上にセラミックなどからなるキャップ２２が取り付けられ、半導体素子２０がキャップ２２の中に収容されて気密封止される。また、高周波パッケージ１の第１信号配線１６ａの端部に第１外部接続端子２４ａが設けられ、第２信号配線１６ｂの端部に第２外部接続端子２４ｂが設けられる。

そして、高周波信号は、第１外部接続端子２４ａから第１信号配線１６ａを介して半導体素子２０に入力され、半導体素子２０から第２信号配線１６ｂを介して外部接続端子２４ｂより出力されるようになっている。

本実施形態の半導体装置２では、従来技術と違って、誘電体基板１２の上に特別にグランド配線を設け、さらに誘電体基板１２に設けられたビアホールを介してグランド配線と金属べース１０とを電気的に接続する必要がない。すなわち、本実施形態の半導体装置２では、金属ベース１０に第１〜第４凸状電極１０ａ〜１０ｄを形成しておき、それらの凸状電極１０ａ〜１０ｄを誘電体基板１２の開口部１２ａの第１、第２突出部１２ｘ，１２ｙの両側の第１〜第４差込用開口部１４ａ〜１４ｄにそれぞれ差し込んで配置されるようにしている。このようにすることにより、誘電体基板１２の上に特別にグランド配線を設けることなく、半導体素子２０のグランド電極２０ｂを金属ベース１０に繋がる第１〜第４凸状電極１０ａ〜１０ｄに接続することによって、半導体素子２０を誘電体基板１２の下側に配置される金属ベース１０（グランドプレーン）に容易に電気接続することができる。

また、誘電体基板１２の第１、第２突起部１２ｘ，１２ｙの横方向の各差込用開口部１４ａ〜１４ｄに金属ベース１０の各凸状電極１０ａ〜１０ｄがそれぞれ配置されるので、誘電体基板１２の第１、第２突起部１２ｘ、１２ｙの先端面と金属ベース１０の凸状電極１０ａ〜１０ｄの外面とをそれらが同一面になる位置（半導体素子２０の側面と平行な面）に配置することができる。これに加えて、金属ベース１０の凸状電極１０ａ〜１０ｄの高さを誘電体基板１２や半導体素子２０の厚みと略同一に設定することができる。

従って、半導体素子２０の信号電極２０ａ及びグランド電極２０ｂの近傍に信号配線１６ａ、１６ｂ及び凸状電極１０ａ〜１０ｄ（グランドライン）を配置することが可能になるので、ワイヤボンディング方によってワイヤで結線する際に不具合が生じるおそれはなく、信頼性よく結線して実装することができる。

なお、図６の半導体装置２を構成するために図５の高周波パッケージ１を例示したが、各種の変形例を採用することができる。半導体素子２０と信号配線１６ａ、１６ｂとが多少離れても差し支えない場合は、誘電体基板１２の開口部１２ａの側面に突起部１２ｘ，１２ｙを形成しなくてもよい。また、誘電体基板１２の開口部１２ａの形状や金属ベース１０の凸状電極１０ａ〜１０ｄの高さや数は、半導体素子の種類や電気設計によって適宜調整される。つまり、誘電体基板の開口部の側面近傍に金属ベースの凸状電極が差込まれた構成であればよく、各種の形態を採用できる。

次に、本実施形態の高周波パッケージにおけるＳパラメータ特性のシミュレーション結果について説明する。本願発明者は、誘電体基板の上に信号配線とグランド配線が形成され、誘電体基板の下に金属ベース（グランドプレーン）が形成され、誘電体基板に設けられた複数のビアホールを介してグランド配線と金属ベース（グランドプレーン）とが電気的に接続された伝送線路（グランド付コプレナ構造）において、高周波パッケージのキャビティの縁部からビアホールが配置された位置までのグランド配線の長さによって高周波特性がどのように変化するかシミュレーションによって調査した。

図８及び図９にはその伝送線路の平面図が示されており、誘電体基板１２の上に信号配線３０とそれを挟むように配置された２本のグランド配線３２ａ，３２ｂとが形成されており、各グランド配線３２ａ、３２ｂは誘電体基板１２に設けられた複数のビアホールＶ１を介して下側の金属ベース（不図示）に電気接続されている。

モデル１の伝送線路は、図８に示すように、高周波パッケージのキャビティの縁部Ｅから最初のビアホールＶ１が配置された位置までのグランド配線３２ａ、３２ｂの長さＷが１．２５ｍｍの場合である。

また、モデル２の伝送線路は、図９に示すように、高周波パッケージの縁部ＥにビアホールＶが形成されており、高周波パッケージの縁部Ｅから最初のビアホールＶ１が配置された位置までにグランド配線３２ａ，３２ｂが存在しない場合である。つまり、本実施形態の半導体装置２では、前述したように金属ベース１０の凸状電極１０ａ〜１０ｄが図９のキャビティの縁部Ｅに設けられたビアホールＶ１に相当するので、モデル２は、実質的に本実施形態の半導体装置の構成と同じであると想定している。モデル１及び２において、ビアホールＶのピッチは０．６２５ｍｍとした。

図１０及び図１１にはモデル１及び２でのＳパラメータ特性がそれぞれ示されている。図１０に示すように、モデル１の伝送線路の場合（キャビティの縁部ＥとビアホールＶ１との間にグランド配線３２ａ，３２ｂが存在する場合）は、Ｓ１１（反射特性）で示されているように２０ＧＨｚ付近で反射が顕著になってカットオフ周波数を生じ、Ｓ２１（透過特性）も十分とはいえず、広い高周波帯域に対応するのは困難である。

これに対して、図１１に示すように、モデル２の伝送線路の場合（キャビティの縁部ＥとビアホールＶ１との間にグランド配線３２ａ，３２ｂが存在しない場合（本実施形態に相当））では、Ｓ１１（反射特性）で示されているように広い高周波帯域において反射がほとんどなく、またＳ２１（透過特性）も十分であり、広い高周波帯域に対応できるようになる。

本実施形態の半導体装置２では、キャビティＣの側面近傍に金属ベース１０の凸状電極１０ａ〜１０ｄを突出させて配置し、その凸状電極１０ａ〜１０ｄを金属ベース１０（グランドプレーン）に繋がる電極として利用している。このため、誘電体基板１２の上にグランド配線が配置されない構成となるので、上記したシミュレーション結果のように、広い高周波帯域で反射ノイズを低減させることができ、広い高周波帯域で使用することが可能となる。このように、本実施形態の半導体装置では、グランドラインを要する高周波用途の半導体素子と高周波パッケージとにおけるマイクロストリップ伝送線路の接続を特性よく行うことができる。

図１は従来技術の高周波パッケージの製造方法を示す模式的な断面図である。 図２は従来技術の高周波パッケージを示す平面図である。 図３は従来技術の高周波パッケージに半導体素子が実装された様子を示す平面図及び断面図である。 図４は本発明の実施形態の高周波パッケージの製造方法を示す斜視図である。 図５は本発明の実施形態の高周波パッケージを示す斜視図である。 図６は本発明の実施形態の高周波パッケージに半導体素子が実装されて構成される半導体装置を示す斜視図である。 図７は図６の半導体装置の模式的な断面図である。 図８はＳパラメータの算出におけるモデル１の伝送線路を示す平面図である。 図９はＳパラメータの算出におけるモデル２の伝送線路を示す平面図である。 図１０はモデル１でのＳパラメータ特性を示すものである。 図１１はモデル２でのＳパラメータ特性を示すものである。

符号の説明

１…高周波パッケージ、２…半導体装置、１０…金属ベース、１０ａ〜１０ｄ…凸状電極、１２…誘電体基板、１２ａ…開口部、１２ｘ，１２ｙ…突起部、１４ａ〜１４ｄ…差込用開口部、１６ａ，１６ｂ…信号配線、１８ａ〜１８ｄ…ワイヤ、２０…半導体素子、２０ａ…信号電極、２０ｂ…グランド電極、２２…キャップ、２４ａ、２４ｂ…外部接続端子、Ｓ１，Ｓ２…側面、Ｃ…キャビティ。

Claims (8)

1. 上側に突出する凸状電極を備えた金属ベースと、
   前記金属ベース上にキャビティを構成するための開口部を備えた誘電体基板であって、前記開口部の側面近傍に前記金属ベースの前記凸状電極が差し込まれた状態で前記金属ベースの上に固着された前記誘電体基板とを有することを特徴とする高周波パッケージ。
2. 前記誘電体基板の開口部の側面には、内側に突出する突出部が設けられており、前記金属ベースの前記凸状電極は、前記突出部の側面と前記開口部の側面とで画定される差込用開口部に差し込まれていることを特徴とする請求項１に記載の高周波パッケージ。
3. 前記誘電体基板の開口部は四角状であって、前記開口部の対向する一対の側面の各中央部に前記突出部がそれぞれ設けられることで前記開口部の一対の側面の近傍に４つの前記差込用開口部が画定されており、前記金属ベースの４つの前記凸状電極が前記誘電体基板の前記４つの差込用開口部にそれぞれ差し込まれていることを特徴とする請求項２に記載の高周波パッケージ。
4. 前記金属ベースの凸状電極の高さは、前記誘電体基板の厚みと略同一であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の高周波パッケージ。
5. 前記誘電体基板の前記開口部の側面から突出する前記突起部の先端面は、前記金属ベースの前記凸状電極の側面と同一面を形成する位置に配置されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の高周波パッケージ。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の高周波パッケージと、
   前記誘電体基板の上に形成された信号配線と、
   前記キャビティの底部に実装された半導体素子とを有し、
   前記半導体素子は、前記信号配線と、グランドプレーンとして機能する前記金属ベースの前記凸状電極とに電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
7. 前記高周波パッケージは請求項３に記載のものであり、
   前記信号配線は、前記誘電体基板の前記開口部の対向する一対の各側面に設けられた各突起部の上からそれぞれ外側に延在して形成されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記半導体素子は、ワイヤによって前記信号配線及び前記金属ベースの前記凸状電極に接続されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体装置。

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