JP2007184415A - 半導体素子実装用基板および高周波半導体装置ならびにこれを用いた電子機器 - Google Patents

半導体素子実装用基板および高周波半導体装置ならびにこれを用いた電子機器 Download PDF

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恒樹 石井
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Toshiyuki Fukuda
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Abstract

【課題】はんだリフロー等の加熱処理を受けても断線等の不良が生じず、かつ良好な高周波特性を実現する半導体素子搭載用基板および高周波半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体素子実装用基板10は、素子搭載領域と、ダイパターン12と、複数の接続端子13と、グランド導体配線14と、貫通導体部15と、外部接続端子16とを備えている。グランド導体配線14は、接続端子13のうちのグランド用接続端子13aとダイパターン12とを接続し、ダイパターン12と貫通導体15との間に配置され、更に、半導体素子の信号端子と接続端子13とを接続する複数のワイヤリードの下部に位置する領域に設けられている。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体素子(以下、ICチップとよぶ)を実装するための半導体素子実装用基板とそれを用いた半導体装置に関し、特に高周波ノイズを防止して高周波用途に好適な半導体実装用基板およびそれを用いた半導体装置ならびに電子機器に関する。
近年、電子機器の小型、薄型化、かつ高機能化の進展とともに、半導体装置においてはICチップの微細加工技術と同時にパッケージングや実装技術の開発も活発に行われている。ICチップの実装技術としては、フリップチップ実装方式が小型、薄型化に適していることから開発も活発であり、多くの半導体装置に用いられているが、ワイヤボンディング実装技術についても薄型、小型化と同時に、より高信頼性および高周波特性に優れた半導体装置を実現するための開発が積極的に行われている。
樹脂基板を用いて高周波用の半導体装置を作製する場合には、ICチップを搭載するダイパターン、樹脂基材、ICチップや封止樹脂等の熱膨張係数が大きく異なり、かつ樹脂基材等は吸湿性を有していることから、封止樹脂形成後の加熱等によりワイヤボンディングのワイヤリードが断線する等の不良を生じる場合がある。また、ダイパターンや接続端子等の配置位置あるいはICチップの電極端子と樹脂基板の接続端子とを接続するためのワイヤリードにより高周波特性が大きく影響されることがある。このため、断線等の不良を防止するとともに高周波特性に優れた半導体装置が要望されている。
これに対して、ワイヤリードを用いて実装する場合、そのループの一部がGND(グランド)配線や電源配線を跨いで信号配線にボンディングされるために、ワイヤリードの配線パターン側のボンディングポイント近傍でループ垂れやトランスファモールドの際の注入樹脂による変形等により、GND配線や電源配線あるいは他の信号配線に接触して電気的なショートを起こす場合がある。
このような点に対して、半導体実装基板上に配設された配線パターンと、この半導体実装基板上に固定されたICチップとを、ワイヤリードにより電気的に接続し、配線パターンのグランド配線、電源配線および信号配線それぞれの間に、これらの配線より高さが高い絶縁体を設けた構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
このような構成とすることにより、ICチップと配線パターンの所望の配線とを電気的に接続したワイヤリードがループ垂れや変形を起こしても、このワイヤリードが他の配線に接触する前に絶縁体に接触し、他の配線に接触するのを防止することができる。したがって、ワイヤリードのループ垂れや変形に起因する電気的なショートを防止することができ、半導体装置の信頼性を向上させることができるとしている。なお、この例では、半導体実装基板上に、ICチップを取り囲む形状のGND配線が設けられている。
また、他の例として、ICチップと半導体実装基板と固着部材とスペーサーと金属細線と封止樹脂とで構成されるキャビティー型半導体装置も示されている(例えば、特許文献2参照)。この例では、半導体実装基板は、その中央部に、搭載されるICチップより広い面積で、かつICチップの厚みより深いキャビティーを備え、キャビティーに隣接する外周部表面にリング状のグランド配線が配置されている。そして、グランド配線の外周にリング状の電源配線が配置され、電源配線の周囲に放射状に複数の導体の信号配線が配置され、各信号配線の外側の端部はハンダボール電極端子と電気的に接続されている。そして、半導体実装基板のキャビティー中央部の底部にICチップが導電性の固着部材で固着され、ICチップの電極端子と、半導体実装基板のグランド配線、電源配線および信号配線とがワイヤリードで電気的に接続されている。さらに、これらを封止樹脂で一体的に覆った構成からなる。このような構成の半導体装置においても、ワイヤリードのループがたるんだりしても、他の配線に接触する不良を防止できる。さらに電源ノイズを改善できることが示されている。
また、樹脂基板を用いた半導体装置の断線等の不良発生に対しては、以下のような例も示されている。すなわち、この例では、樹脂基板からなる半導体実装基板上に形成したダイパターンと、このダイパターンの周囲に形成した配線パターンと、ダイパターン上に搭載したICチップとを有し、ICチップと配線パターンとをワイヤリードで接続した半導体装置において、ダイパターンは外形がICチップよりも小さい主パターンと、ICチップの搭載位置の外側に配設されたボンディングパターンと、主パターンとボンディングパターンとを接続する結合パターンとを有し、半導体実装基板は少なくともICチップのコーナー部と対応する部分に絶縁性被膜を有した構成が示されている(例えば、特許文献3参照)。
これによって、半導体装置を構成する半導体実装基板、封止樹脂及びICチップを搭載するダイパターンのそれぞれの線膨張係数の違いに起因してICチップのコーナー部へ熱歪みが集中しても、コーナー部は接着力が大きい絶縁性被膜と導電性接着剤による接着なので、ICチップのコーナー部が剥離したりすることがなく、半導体装置の信頼性を著しく向上できるとしている。
特開平11−121500号公報 US6,194,786B1 特開2002−329807号公報
上記第1の例では、ICチップの電極端子と半導体実装基板の信号配線端子とを接続するワイヤリードは、半導体実装基板に設けられたGND配線領域と電源配線領域とをまたぐようにして形成し、かつGND配線領域と電源配線領域との間には、これらの配線より高さの高い絶縁体を設けている。これにより、ワイヤリードがループ垂れを生じても、他の配線とショートする等の不良が生じることを防止している。しかし、この構成においては、ICチップが1個のみの場合しか開示しておらず、さらに高周波特性の改善等に関してはまったく記載も示唆もない。
また、第2の例においても、ICチップの電極端子と半導体素子実装基板の信号配線端子との間にGND配線と電源配線とがリング状に設けられている。しかし、この第2の例は、ICチップの電極端子と基板の信号配線端子とを接続する信号配線用のワイヤリードを半導体実装基板に対してほぼ平行に形成することを主体としており、第1の例と同様に高周波特性の改善等に関してはまったく記載も示唆もない。
さらに、第3の例は、ICチップのコーナー部の接着力を大きくすることを主体としているが、このような構成とするとICチップとダイパターンとが導電性接着剤により直接接着されている面積が大きくなる。このため、全体として接着力を大きくすることが困難である。特に、大きな形状のICチップの場合には、全体としての接着力の低下がより顕著になる。したがって、繰り返しの熱サイクル等を受けると剥離が生じ、その結果ワイヤリードの断線等が発生する場合がある。また、この第3の例においても、高周波特性の改善等に関してはまったく記載も示唆もない。
本発明は、上記課題を解決するためのもので、樹脂基板を用い、かつ封止樹脂で封止する構造において、はんだリフロー等の加熱処理を受けても断線等の不良が生じず、かつ良好な高周波特性を実現する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に、本発明の半導体素子搭載用基板は、基板の一方の面上に設けられ、半導体素子を搭載する素子搭載領域と、素子搭載領域に設けられ、半導体素子の外形より小さな形状を有し、半導体素子と電気的に接続するダイパターンと、基板の外周領域に設けられた複数の接続端子と、接続端子のうちのグランド用接続端子とダイパターンとを接続するグランド導体配線と、接続端子と接続し、かつ接続端子より内周領域に設けた貫通導体と、貫通導体と接続し、基板の他方の面上に設けた外部接続端子とを備え、グランド導体配線はダイパターンと貫通導体との間に配置され、かつ、半導体素子の信号端子と接続端子とを接続する複数のワイヤリードの下部に位置する領域に設けられている構成からなる。
また、上記構成において、ダイパターンは複数配置されており、グランド導体配線は少なくとも1つのダイパターンの3辺を囲んで配置されていてもよい。さらに、グランド導体配線は複数のグランド用接続端子に接続されていてもよい。
このような構成とすることにより、ワイヤリード間の結合容量を小さくすることができ、高周波駆動におけるロスを低減することができる。また、ダイパターンの面積を小さくしているので、ダイパターンにより生じる応力を低減でき、ワイヤリードやグランド導体配線の断線等の不良発生を防止できる。
また、上記構成において、貫通導体よりも内周領域の前板上に絶縁性被膜が形成されていてもよい。この場合に、絶縁性被膜の少なくともダイパターン上には、開口部が設けられていてもよい。
このような構成とすることにより、ICチップとダイパターンとの間の接着力を充分確保することができ、はんだリフロープロセス等でワイヤリードやグランド導体配線の断線等の不良が生じ難くなり、信頼性に優れた半導体搭載用基板を実現できる。
また、上記構成において、絶縁性被膜は素子搭載領域より大きく、かつ貫通導体よりも内周領域の基板上に形成されていてもよい。あるいは、絶縁性被膜はグランド導体配線の形成領域より大きく、かつ貫通導体よりも内周領域の基板上に形成されていてもよい。または、絶縁性被膜は素子搭載領域にも形成されており、素子搭載領域に形成された絶縁性被膜は分離されてアレイ状に配置されていてもよい。
このような構成とすることにより、絶縁性被膜により発生する応力を低減できるので、ワイヤリードやグランド導体配線の断線等の不良発生を生じ難くなり、信頼性に優れた半導体搭載用基板を実現できる。
また、上記構成において、絶縁性被膜が感光性樹脂材料により形成されていてもよい。この場合に、絶縁性被膜はエポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂またはアクリル系樹脂のいずれかの材料で形成されていてもよい。このような構成とすることにより、絶縁性被膜のパターンを精度よく、かつ再現性よく形成することができる。
また、上記構成において、絶縁性被膜に覆われていないダイパターン、接続端子、グランド導体配線、貫通導体および外部接続端子のそれぞれの面上には、表面に金薄膜が形成されていてもよい。このような構成とすることにより、ワイヤボンディング方式により接続端子へのワイヤリードの接続を高速で、かつ安定に行うことができる。また、表面を金薄膜としていることから、酸化等を防止でき信頼性の高い半導体素子搭載用基板を実現できる。
また、本発明の半導体素子搭載用基板は、基板の一方の面上に設けられ、半導体素子を搭載する素子搭載領域と、基板の外周領域に設けられた複数の接続端子と、接続端子と接続し、かつ接続端子より内周領域に設けた貫通導体と、貫通導体と接続し、基板の他方の面上に設けた外部接続端子と、外部接続端子が形成された位置の内周領域に設けられた導体パターンとを備えた構成からなる。
このような構成とすることにより、非常に簡単なパターン構成としながら、高周波特性に優れた半導体搭載用基板を実現できる。
また、上記構成において、基板は樹脂基板からなるものであってもよい。なお、樹脂基板の材料としては、例えばガラスエポキシ系樹脂、アラミド系樹脂、ポリイミド系樹脂もしくはアクリル系樹脂を用いることができる。このような構成とすることにより、安価な半導体搭載用基板を実現できる。
また、本発明の高周波半導体装置は、半導体素子と、基板の一方の面上に設けられ、半導体素子を搭載する素子搭載領域と、素子搭載領域に設けられ、半導体素子の外形より小さな形状を有し、半導体素子と電気的に接続するダイパターンと、基板の外周領域に設けられた複数の接続端子と、接続端子のうちのグランド用接続端子とダイパターンとを接続するグランド導体配線と、接続端子と接続し、かつ接続端子より内周領域に設けた貫通導体と、貫通導体と接続し、基板の他方の面上に設けた外部接続端子とを備え、グランド導体配線はダイパターンと貫通導体との間に配置され、かつ半導体素子の信号端子と接続端子とを接続する複数のワイヤリードの下部に位置する領域に設けられている半導体素子搭載用基板と、半導体素子の電極端子と半導体素子搭載用基板の接続端子とを接続するワイヤリードと、半導体素子搭載用基板の半導体素子搭載側に、半導体素子およびワイヤリードを埋設するように設けた封止樹脂とを備え、半導体素子の電極端子のうちの信号端子と半導体実装用基板の接続端子とを接続する複数のワイヤリードがグランド用導体配線をまたいで形成されている構成からなる。
このような構成とすることにより、ワイヤリード間の結合容量を小さくすることができ、高周波駆動におけるロスを低減することができる高周波半導体装置が得られる。
また、上記構成において、ダイパターンは複数配置されており、グランド導体配線は少なくとも1つのダイパターンの3辺を囲んで配置されており、グランド導体配線が3辺を取り囲んでいる上記ダイパターンには、半導体素子としてガリウム砒素半導体素子が搭載されていてもよい。この場合に、グランド導体配線は複数のグランド用接続端子に接続されていてもよい。
このような構成とすることにより、高周波で駆動するガリウム砒素半導体素子の電極端子と半導体搭載用基板の接続端子間をワイヤリードで接続した場合に、ワイヤリードの下部にはグランド導体配線が設けられている。したがって、高周波信号がワイヤリードに流れたときでも、ワイヤリード間の電気的干渉を小さくでき、高周波損失を抑制できる。これにより、ワイヤリードやグランド導体配線の断線等の不良が生じ難く、高周波特性に優れた高周波半導体装置を実現できる。
また、上記構成において、貫通導体よりも内周領域の基板上に絶縁性被膜が形成されていてもよい。
また、この場合に絶縁性被膜の少なくともダイパターン上には、開口部が設けられており、半導体素子は絶縁性被膜および開口部のダイパターンと導電性接着剤により接着されていてもよい。このような構成とすることにより、高周波特性を改善しながら、ICチップの剥離等により生じるワイヤリードやグランド導体配線の断線等の不良を防止できる。
また、上記構成において、絶縁性被膜は素子搭載領域より大きく、かつ貫通導体よりも内周領域の基板上に形成されており、半導体素子はダイパターンおよび基板と導電性接着剤により接着されていてもよい。このような構成とすることにより、絶縁性皮膜の形成領域を小さくできるので、絶縁性被膜により発生する応力を低減でき、ワイヤリードやグランド導体配線の断線等の不良をさらに抑制することができる。
また、上記構成において、絶縁性被膜はグランド導体配線の形成領域より大きく、かつ貫通導体よりも内周領域の基板上に形成されており、半導体素子はダイパターンおよび基板と導電性接着剤により接着されていてもよい。このような構成とすることにより、絶縁性被膜の形成領域をさらに小さくできるので応力をより低減しながら、封止樹脂と基板との接着強度を改善することができる。また、絶縁性被膜をグランド導体配線の上に設けていないので、グランド導体配線部分のみが突出する形状とならず、ワイヤボンディング等を容易に行える。
また、上記構成において、絶縁性被膜は素子搭載領域にも形成されており、素子搭載領域に形成された絶縁性被膜は分離されてアレイ状に配置されており、半導体素子は絶縁性被膜およびダイパターンに導電性接着剤により接着されていてもよい。このような構成とすることにより、絶縁性被膜を素子搭載領域に形成しても応力を小さくでき、さらにICチップの接着力も大きくでき、高信頼性で、かつ高周波特性に優れた高周波半導体装置を実現できる。
また、上記構成において、絶縁性被膜が感光性樹脂材料により形成されていてもよい。この場合に、絶縁性被膜は、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂またはアクリル系樹脂のいずれかの材料で形成されていてもよい。このような構成とすることにより、精度よく絶縁性被膜のパターンを加工することができる。
また、上記構成において、絶縁性被膜に覆われていないダイパターン、接続端子、グランド導体配線、貫通導体および外部接続端子のそれぞれの面上には、表面に金薄膜が形成されていてもよい。このような構成とすることにより、ワイヤボンディングを容易に行えるとともに、腐食等を防止でき、信頼性の高い高周波半導体装置を実現できる。
また、本発明の高周波半導体装置は、半導体素子と、基板の一方の面上に設けられ、半導体素子を搭載する素子搭載領域と、基板の外周領域に設けられた複数の接続端子と、接続端子と接続し、かつ接続端子より内周領域に設けられた貫通導体と、貫通導体と接続し、基板の他方の面上に設けられた外部接続端子と、外部接続端子が形成された位置の内周領域に設けられた導体パターンとを備えた半導体素子搭載用基板と、半導体素子の電極端子と前記半導体素子搭載用基板の接続端子とを接続するワイヤリードと、半導体素子搭載用基板の半導体素子搭載側に、半導体素子およびワイヤリードを埋設するように設けた封止樹脂とを備えた構成からなる。
このような構成とすることにより、半導体素子搭載用基板を安価にしながら、信頼性よく、かつ高周波特性に優れた高周波半導体装置を実現できる。
また、上記構成において、基板は樹脂基板からなるものであってもよい。なお、樹脂基板の材料としては、例えばガラスエポキシ系樹脂、アラミド系樹脂、ポリイミド系樹脂もしくはアクリル系樹脂を用いることができる。このような構成とすることにより、高周波特性の良好で、信頼性の高い高周波半導体装置を実現できる。
また、上記構成において、半導体素子がシリコン半導体チップとガリウム砒素半導体チップの2個からなり、電力増幅回路モジュールを構成するものであってもよい。このような構成とすることにより、高信頼性の電力増幅回路モジュールを実現できる。
また、本発明の電子機器は、上記記載の高周波半導体装置を搭載した構成からなる。このような構成とすることにより、電子機器の信頼性をさらに改善することができる。なお、電子機器としては、携帯電話や通信機能を有するPDA等が好適である。
本発明の半導体素子搭載用基板および高周波半導体装置によれば、はんだリフロー等の加熱を受けてもワイヤリードや導体配線の断線等の不良を防止するとともに高周波特性を改善することができ、信頼性に優れ、かつ良好な高周波特性を有する高周波半導体装置を実現できるという大きな効果を奏する。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の図においては、半導体実装用基板を構成する接続端子や樹脂基板等の厚みや長さ等は、図面の作成上から実際の形状とは異なる。また、半導体素子および半導体実装用基板の電極端子の個数も実際とは異なる。また、同じ要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合がある。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態にかかる半導体素子搭載用基板10の構造を示す図で、(a)は上面から見た平面図、(b)はA−A線に沿って切断した断面図、(c)は下面から見た平面図である。
本実施の形態の半導体素子搭載用基板10は、以下の構成からなる。すなわち、基板11の一方の面上に設けられ、ICチップ(図示せず)を搭載する素子搭載領域と、素子搭載領域に設けられ、ICチップの外形より小さな形状を有し、ICチップと電気的に接続するダイパターン12と、基板11の外周領域に設けられた複数の接続端子13と、接続端子13のうちのグランド用接続端子13aとダイパターン12とを接続するグランド導体配線14と、接続端子13と接続し、かつ接続端子13より内周領域に設けた貫通導体15と、貫通導体15と接続し、基板11の他方の面上に設けた外部接続端子16とを備えている。
そして、グランド導体配線14は、ダイパターン12と貫通導体15との間に配置されている。さらに、後述するようにICチップの信号端子と接続端子13とを接続する複数のワイヤリード(図示せず)の下部に位置する領域に設けられている。
また、本実施の形態では、ダイパターン12は2個配置されており、グランド導体配線14は少なくとも1つのダイパターン12の3辺を囲んで配置されている。そして、このグランド導体配線14は、複数のグランド用接続端子13aに接続されている。
さらに、本実施の形態では、貫通導体15よりも内周領域の基板11上に絶縁性被膜17が形成されているが、この絶縁性被膜17はグランド導体配線14の形成領域より大きく、かつ貫通導体15よりも内周領域の基板11上に形成されている。すなわち、図1(a)からわかるように、絶縁性被膜17はグランド導体配線14より外周側に枠形状に形成されている。
また、外部接続端子16は、図1(c)に示すように、本実施の形態では貫通導体15の形成位置と同じ領域に矩形上に設けられている。
基板11は樹脂基板を用いており、例えばガラスエポキシ系樹脂、アラミド系樹脂、ポリイミド系樹脂もしくはアクリル系樹脂からなる基板を用いることができる。基板11の厚みは、例えば60μm〜200μm程度が好ましい。また、ダイパターン12、接続端子13、グランド導体配線14、外部接続端子16等については、例えば10μm〜50μm、好ましくは20μmの厚みの銅箔をエッチングして形成し、さらにパターン形成後にメッキを行うことで作製することができる。例えば、銅箔上に、10μmの厚みの銅メッキを行い、その上に5μm〜10μmの厚みのニッケルメッキ層と0.2μm〜1.0μmの厚みの金メッキ層を形成する。
さらに、この後、例えばメッキレジストフィルムをラミネートし、フォトリソグラフィプロセスとエッチングプロセスを行うことで、図示するような絶縁性被膜17を形成する。なお、絶縁性被膜17は、このようなメッキレジストフィルムを用いるだけでなく、例えば現像型液状ソルダーレジスト等の液状タイプを用いてもよい。あるいは、非感光性の熱硬化型ソルダーレジスト(ポリイミド樹脂系またはエポキシ樹脂系のいずれでもよい)、紫外線硬化型アクリレート系樹脂あるいは接着剤付ポリイミドテープ等を用いてもよい。
これにより、貫通導体15で接続端子13と外部接続端子16とが接続され、表面に金薄膜(図示せず)が形成され、さらに枠形状に絶縁性被膜17が形成された半導体素子搭載用基板10が得られる。
図2は、本実施の形態の半導体搭載用基板10を用いて高周波半導体装置20を構成した場合の図で、(a)は上面から見た平面図、(b)はB−B線に沿って切断した断面図である。なお、図1(b)に示す平面図では、理解しやすくするために封止樹脂26を除去して示している。
本実施の形態の高周波半導体装置20は、ICチップ21、22と、上記の半導体素子搭載用基板10と、ICチップ21、22の電極端子23と半導体素子搭載用基板10の接続端子13とを接続するワイヤリード25と、半導体素子搭載用基板10のICチップ搭載側にICチップ21、22およびワイヤリード25を埋設するように設けた封止樹脂26とを備えている。
そして、ICチップ21、22はダイパターン12と導電性接着剤24によりそれぞれ接着されている。なお、本実施の形態では、ICチップ21はシリコン半導体チップであり、主として制御回路が構成されている。また、ICチップ22はガリウム砒素半導体チップであり、主としてスイッチング回路が構成されている。以下では、ICチップ21、22を区別するために、シリコンチップ21とGaAsチップ22とよぶ。
以下、本実施の形態の高周波半導体装置20の作製方法を簡単に説明する。
図1に示す半導体素子搭載用基板10のダイパターン12を覆うようにシリコンチップ21とGaAsチップ22とをそれぞれ位置合せして、例えば銀フィラーを添加したエポキシ系の導電性接着剤24により接着する。次に、シリコンチップ21とGaAsチップ22のそれぞれの電極端子23と接続端子13とをワイヤリード25を用いてワイヤーボンディングして接続する。なお、ワイヤリード25としては、金線を用いることが好ましい。これにより、半導体素子搭載用基板10とシリコンチップ21とGaAsチップ22との電気的接続が完了するので、外部接続端子16を用いて電気的検査を行うことができる。
次に、熱硬化性樹脂、例えばフィラーにシリカを使用したエポキシ系樹脂等の封止樹脂材料を用いて、シリコンチップ21とGaASチップ22およびワイヤリード25を埋設するように樹脂封止する。この時、貫通導体15の開口部にも封止樹脂26が入り込むので、半導体素子搭載用基板10と封止樹脂26との接着性を改善できる。これにより、半導体装置20を作製できる。
このような構成からなる半導体装置20では、半田リフロー等の熱衝撃や温度サイクル等を受けても、ダイパターン12の形状がシリコンチップ21およびGaAsチップ22より小さいのでダイパターン12による応力も小さくなる。また、絶縁性被膜17がグランド導体配線14の外周領域に形成されているので、封止樹脂26とグランド導体配線14との間で剥離等の現象が一部に生じても、絶縁性被膜17と封止樹脂26との接着性は良好であることから、接続端子13の領域が剥離することがなくなる。この結果、ワイヤリード25の断線や接続端子13の剥離等の不良を防止できる。
さらに、本実施の形態では、高周波の信号を送受するGaAsチップ22の3辺にグランド導体配線14が設けられており、GaAsチップ22の電極端子23のうちの信号端子と半導体搭載用基板10の接続端子13とを接続する複数のワイヤリード25がグランド用導体配線14をまたぐように設けられている。したがって、ワイヤリード25に高周波信号が流れたとき、隣接もしくは近傍のワイヤリード25間の結合容量がワイヤリード25間およびワイヤリード25とグランド導体配線14間との結合容量に分割される。これにより、ワイヤリード25間の結合容量が小さくなる。その結果、ワイヤリード25間の電気的干渉が弱められるので高周波損失が改善される。
以上のように、本実施の形態の高周波半導体装置20では、樹脂基板を用いた場合に特に生じやすいICチップの剥離等に伴うワイヤリードや導体配線等の断線等の不良を防止するとともに、高周波特性の改善も行うことができる。この結果、高信頼性で、かつ良好な高周波特性を有する高周波半導体装置20を実現できる。
図3は、本実施の形態の高周波半導体装置20の特性を評価した結果を示す図である。実施例1は上記記載の高周波半導体装置20である。比較例1は、図1に示す半導体素子搭載用基板10においてグランド導体配線14のみを形成しない半導体素子搭載用基板を作製し、この基板を用いて作製した高周波半導体装置である。図3からわかるように、実施例1は比較例1に比べて、特に1GHz以上の高周波領域において損失を低減できることが確認できた。また、半田リフロープロセスによるパッケージの検査においても不良発生が生じないことも確認できた。
なお、損失の測定は、HFSSシミュレーションによるパッケージのSパラメータを求め、ADSシミュレーションにより求めた。
図4は、本実施の形態の第1の変形例の半導体素子搭載用基板30とそれを用いて作製した高周波半導体装置35の構成を示す図で、(a)は半導体素子搭載用基板30の上面から見た平面図、(b)は高周波半導体装置35の上面から見た平面図、(c)はC−C線に沿って切断した断面図である。なお、図4(b)に示す平面図では、理解しやすくするために封止樹脂26を除去して示している。
この第1の変形例の半導体素子搭載用基板30は、ダイパターン31の形状が異なることが特徴である。すなわち、ダイパターン32はグランド導体配線14が延在されており、このダイパターン32の3辺を囲んで配置されている。そして、このグランド導体配線14は、複数のグランド用接続端子13aに接続されている。これに対して、もう一方のダイパターン31はダイパターン31からT字状に延在された延在パターン31aが設けられている。その他については、本実施の形態と同じであるので説明を省略する。
このような構成とすることにより、ダイパターン32のみでなく、ダイパターン31についても、その3辺を実質的にグランド導体配線により囲むことができる。したがって、ダイパターン31上に搭載するICチップ21についても高周波特性を改善できる。さらに、ダイパターン31、32が少なくともICチップ21、22より小さな形状であることから、ダイパターン31、32により発生する応力も小さくできる。また、絶縁性被膜17により、基板11と封止樹脂26との接着強度も大きくできる。これらの結果、信頼性に優れ、かつ高周波特性の良好な半導体装置を実現できる。なお、延在パターン31aを直接グランド導体配線13aに接続してもよい。
図5は、本実施の形態の第2の変形例の半導体素子搭載用基板40とそれを用いて作製した高周波半導体装置45の構成を示す図で、(a)は半導体素子搭載用基板40の上面から見た平面図、(b)は高周波半導体装置45の上面から見た平面図である。なお、図5(b)に示す平面図では、理解しやすくするために封止樹脂を除去して示している。
この第2の変形例の半導体素子搭載用基板40は、ダイパターン42から延在されたグランド導体配線43がダイパターン42の4辺を囲んで形成された形状であることが特徴である。このために、ダイパターン41、42は幅方向の形状を狭めている。その他については、本実施の形態と同じであるので説明を省略する。
このような構成とすることにより、グランド導体配線43がダイパターン42の4辺を取り囲む形成されているので、GaAsチップ22の信号用の電極端子23とシリコンチップ21の信号用の電極端子23とを接続するワイヤリード25についても結合容量を小さくすることができる。しかも、ダイパターン41、42がシリコンチップ21およびGaAsチップ22より小さな形状であることから、ダイパターン41、42により発生する応力も小さくできる。また、絶縁性被膜17により、基板11と封止樹脂26との接着強度も大きくできる。これらの結果、信頼性に優れ、かつ高周波特性の良好な半導体装置を実現できる。
図6は、本実施の形態の第3の変形例の半導体素子搭載用基板50の構成を示す図で、(a)は半導体素子搭載用基板50の上面から見た平面図、(b)はD−D線に沿った断面図である。
この第3の変形例の半導体素子搭載用基板50は、本実施の形態の半導体素子搭載用基板10の素子搭載領域にも絶縁性被膜51を形成していることが異なる。そして、この素子搭載領域に形成された絶縁性被膜51は分離されてアレイ状に配置されていることが特徴である。なお、枠形状の絶縁性被膜17とこの素子搭載領域の絶縁性被膜51は同じ材料で同じプロセスにより形成する。このために、絶縁性被膜17、51は感光性樹脂材料を用いて形成されている。
このような構成とすることにより、グランド導体配線14により高周波特性を改善しながら、絶縁性被膜17,51によりICチップの接着性も改善される。したがって、信頼性に優れ、かつ高周波特性の良好な半導体装置を実現できる。
(第2の実施の形態)
図7は、本発明の第2の実施形態にかかる半導体素子搭載用基板55の構造を示す図で、(a)は上面から見た平面図、(b)はE−E線に沿って切断した断面図、(c)は下面から見た平面図である。
本実施の形態の半導体素子搭載用基板55は、以下の構成からなる。すなわち、基板56の一方の面上に設けられ、ICチップを搭載する素子搭載領域と、基板56の外周領域に設けられた複数の接続端子57と、接続端子57と接続し、かつ接続端子57より内周領域に設けた貫通導体58と、貫通導体58と接続し、基板56の他方の面上に設けた外部接続端子59と、外部接続端子59が形成された位置の内周領域に設けられた導体パターン60とを備えた構成からなる。そして、基板56は樹脂基板からなる。
このような構成の半導体素子搭載用基板55を用いた高周波半導体装置65の構成を図8に示す。図8は、上記の半導体素子搭載用基板55を用いて高周波半導体装置65を構成した図で、(a)は上面から見た平面図、(b)はE−E線に沿った断面図である。なお、図8(a)に示す平面図では、理解しやすくするために封止樹脂26を除去して示している。本実施の形態の高周波半導体装置65は、ICチップ21、22と、上記の半導体素子搭載用基板55と、ICチップ21、22の電極端子23と半導体素子搭載用基板55の接続端子57とを接続するワイヤリード25と、半導体素子搭載用基板55のICチップ搭載側にICチップ21、22およびワイヤリード25を埋設するように設けた封止樹脂26とを備えている。
そして、本実施の形態の場合には、ICチップ21、22は基板56に直接接着されている。なお、本実施の形態においても、ICチップ21は主として制御回路が構成されたシリコン半導体チップを用い、またICチップ22は主としてスイッチング回路が構成されたガリウム砒素半導体チップを用いている。以下では、ICチップ21、22を区別するために、シリコンチップ21とGaAsチップ22とよぶ。
以下、本実施の形態の高周波半導体装置65の作製方法を簡単に説明する。
図7に示す半導体素子搭載用基板55の基板56の表面にシリコンチップ21とGaAsチップ22とをそれぞれ位置合せして、例えば銀フィラーを添加したエポキシ系の導電性接着剤24により接着する。次に、シリコンチップ21とGaAsチップ22のそれぞれの電極端子23と接続端子56とをワイヤリード25を用いてワイヤーボンディングして接続する。なお、ワイヤリード25としては、金線を用いることが好ましい。これにより、半導体素子搭載用基板55とシリコンチップ21とGaAsチップ22との電気的接続が完了するので、外部接続端子59を用いて電気的検査を行うことができる。
次に、熱硬化性樹脂、例えばフィラーにシリカを使用したエポキシ系樹脂等の封止樹脂材料を用いて、シリコンチップ21とGaASチップ22およびワイヤリード25を埋設するように樹脂封止する。この時、貫通導体58の開口部にも封止樹脂26が入り込むので、半導体素子搭載用基板55と封止樹脂26との接着性を改善できる。
このような構成からなる高周波半導体装置65では、半田リフロー等の熱衝撃や温度サイクル等を受けても、シリコンチップ21およびGaAsチップ22が基板56に直接接着されているので接着力が大きく、かつダイパターンや絶縁性被膜等が設けられていないので、これらによる応力がまったく加わらない。したがって、半田リフロー等の熱衝撃を受けても、封止樹脂26と基板56との間の剥離等の現象が生じない。この結果、ワイヤリード25の断線や接続端子13の剥離等の不良を防止できる。
さらに、本実施の形態では、基板56の外部接続端子59が形成されている面上に導体パターン60が形成されているので、この導体パター60により高周波特性が改善される。
以上のように、本実施の形態の高周波半導体装置65では、樹脂基板を用いた場合に特に生じやすいICチップの剥離等に伴うワイヤリードや導体配線等の断線等の不良を防止するとともに、高周波特性の改善も行うことができる。この結果、高信頼性で、かつ良好な高周波特性を有する高周波半導体装置を実現できる。
図9は、本実施の形態の高周波半導体装置65の特性を評価した結果を示す図である。実施例2は上記記載の高周波半導体装置65であり、比較例1は図3に示したものと同じ試料であり、比較例2は図7に示す半導体素子搭載用基板55において導体パターン60を設けない場合の基板を用いて作製した試料である。図9からわかるように、実施例2は比較例1および比較例2に比べて、特に1GHz以上の高周波領域において損失を低減できることが確認できた。また、半田リフロープロセスによるパッケージの検査においても不良発生が生じないことも確認できた。なお、損失の測定は、第1の実施の形態と同様にHFSSシミュレーションによるパッケージのSパラメータを求め、ADSシミュレーションにより求めた。
以下、第1の実施の形態の高周波半導体装置と第2の実施の形態の高周波半導体装置について、それぞれ電力増幅回路モジュールを作製した例について説明する。
図10は、ICチップとしてシリコンチップとGaAsチップとを用いて、高周波半導体装置として電力増幅回路モジュールを作製した例を示す外形図で、(a)は上面図、(b)は右側面図、(c)は正面側面図、(d)は下面図である。この具体例の高周波半導体装置70は、第1の実施の形態の半導体素子搭載用基板10と内部構成はほぼ同じであるが、図10(d)に示す下面図からわかるように外部接続端子72の端子数が異なり、貫通導体(図示せず)、接続端子(図示せず)等の個数も同様に異なる半導体素子搭載用基板71を用いている。
半導体素子搭載用基板71に用いる樹脂基板はBTレジンからなり、封止樹脂73はエポキシ樹脂を用いている。また、接続端子(図示せず)、ダイパターン(図示せず)、外部接続端子72等は、表面に無電解金メッキを形成している。この高周波半導体装置70の外形寸法は、2mm×2mm×0.6mmである。このような高周波半導体装置70を作製して半田リフロー耐熱性を測定した結果、不良発生が0個であった。また、熱サイクル試験を行った結果、良好な信頼性を有することを確認できた。さらに、高周波特性においても、図3で示すような良好な特性を再現性よく得られることを確認した。この高周波半導体装置70は携帯電話の電力増幅回路に用いられる。
図11は、さらに別の具体例について示す図で、ICチップとしてシリコンチップとGaAsチップとを用いて、高周波半導体装置として電力増幅回路モジュールを作製した外形図で、(a)は上面図、(b)は右側面図、(c)は正面側面図、(d)は下面図である。この高周波半導体装置80は、第2の実施の形態の半導体素子搭載用基板55と内部構成はほぼ同じであるが、図11(d)に示す下面図からわかるように外部接続端子82が2辺にのみ設けられている。樹脂基板はBTレジンからなり、封止樹脂84はエポキシ樹脂を用いており、接続端子(図示せず)、外部接続端子82や導体パターン83等は、表面に無電解金メッキを形成している。この高周波半導体装置80の外形寸法は、4mm×4mm×1.2mmである。このような高周波半導体装置80を作製して半田リフロー耐熱性を測定した結果、不良発生が0個であった。また、熱サイクル試験を行った結果、良好な信頼性を有することを確認できた。さらに、高周波特性においても、図9で示すような良好な特性を再現性よく得られることを確認した。この半導体装置80は携帯電話の電力増幅回路に用いられる。
なお、半導体素子搭載用基板は両面配線構成について説明したが、本発明はこれに限定されず、多層配線構成であってもよい。また、ICチップを搭載する面あるいは外部接続端子形成面に、さらに配線パターンが形成されていてもよい。
本発明の半導体素子搭載用基板とそれを用いた高周波半導体装置は、熱衝撃を受けても信頼性が高く、かつ高周波特性に優れ、樹脂基板を用いることで安価に作製することができ、携帯電話をはじめとする小型電子機器分野に有用である。
(a)は本発明の第1の実施形態にかかる半導体素子搭載用基板の構造を示す上面から見た平面図、(b)はA−A線に沿って切断した断面図、(c)は下面から見た平面図 (a)は同実施の形態の半導体搭載用基板を用いて高周波半導体装置を構成した場合の上面から見た平面図、(b)はB−B線に沿って切断した断面図 同実施の形態の高周波半導体装置の特性を評価した結果を示す図 (a)は同実施の形態の第1の変形例の半導体素子搭載用基板の上面から見た平面図、(b)はそれを用いて作製した高周波半導体装置の構成を示す上面から見た平面図、(c)はC−C線に沿って切断した断面図 (a)は同実施の形態の第2の変形例の半導体素子搭載用基板の構成を示す図で、上面から見た平面図、(b)はそれを用いて作製した高周波半導体装置の構成を示す図で、上面から見た平面図 (a)は同実施の形態の第3の変形例の半導体素子搭載用基板の構成を示す図で、上面から見た平面図、(b)D−D線に沿った断面図 (a)は本発明の第2の実施形態にかかる半導体素子搭載用基板の構造を示す図で、上面から見た平面図、(b)はE−E線に沿って切断した断面図、(c)は下面から見た平面図 (a)は同実施の形態における半導体素子搭載用基板を用いて高周波半導体装置を構成した図で、上面から見た平面図、(b)はE−E線に沿った断面図 同実施の形態の高周波半導体装置の特性を評価した結果を示す図 (a)はICチップとしてシリコンチップとGaAsチップとを用いて、半導体装置として電力増幅回路モジュールを作製した例を示す上面図、(b)は右側面図、(c)は正面側面図、(d)は下面図 (a)は、さらに別の具体例について示す図で、ICチップとしてシリコンチップとGaAsチップとを用いて、高周波半導体装置として電力増幅回路モジュールを作製した上面図、(b)は右側面図、(c)は正面側面図、(d)は下面図
符号の説明
10,30,40,50,55,71 半導体素子搭載用基板
11,56 基板
12,31,32,41,42 ダイパターン
13,23,57 接続端子
13a グランド用接続端子
14,43 グランド導体配線
15,58 貫通導体
16,59,72,82 外部接続端子
17,51 絶縁性被膜
20,35,45,65,70,80 高周波半導体装置
21 ICチップ(シリコンチップ;半導体素子)
22 ICチップ(GaAsチップ;半導体素子)
23 電極端子
24 導電性接着剤
25 ワイヤリード
26,73,84 封止樹脂
31a 延在パターン
60,83 導体パターン

Claims (28)

  1. 基板の一方の面上に設けられ、半導体素子を搭載する素子搭載領域と、
    前記素子搭載領域に設けられ、前記半導体素子の外形より小さな形状を有し、前記半導体素子と電気的に接続するダイパターンと、
    前記基板の外周領域に設けられた複数の接続端子と、
    前記接続端子のうちのグランド用接続端子と前記ダイパターンとを接続するグランド導体配線と、
    前記接続端子と接続し、かつ前記接続端子より内周領域に設けた貫通導体と、
    前記貫通導体と接続し、前記基板の他方の面上に設けた外部接続端子とを備え、
    前記グランド導体配線は、前記ダイパターンと前記貫通導体との間に配置され、かつ、前記半導体素子の信号端子と前記接続端子とを接続する複数のワイヤリードの下部に位置する領域に設けられていることを特徴とする半導体素子搭載用基板。
  2. 前記ダイパターンは、複数配置されており、
    前記グランド導体配線は、少なくとも1つの前記ダイパターンの3辺を囲んで配置されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子搭載用基板。
  3. 前記グランド導体配線は、複数の前記グランド用接続端子に接続されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体素子搭載用基板。
  4. 前記貫通導体よりも内周領域の前記基板上に絶縁性被膜が形成されていることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の半導体素子搭載用基板。
  5. 前記絶縁性被膜の少なくとも前記ダイパターン上には、開口部が設けられていることを特徴とする請求項4に記載の半導体素子搭載用基板。
  6. 前記絶縁性被膜は、前記素子搭載領域より大きく、かつ前記貫通導体よりも内周領域の前記基板上に形成されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体素子搭載用基板。
  7. 前記絶縁性被膜は、前記グランド導体配線の形成領域より大きく、かつ前記貫通導体よりも内周領域の前記基板上に形成されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体素子搭載用基板。
  8. 前記絶縁性被膜は、前記素子搭載領域にも形成されており、前記素子搭載領域に形成された前記絶縁性被膜は分離されてアレイ状に配置されていることを特徴とする請求項6または請求項7に記載の半導体素子搭載用基板。
  9. 前記絶縁性被膜が、感光性樹脂材料により形成されていることを特徴とする請求項4から請求項8までのいずれか1項に記載の半導体素子搭載用基板。
  10. 前記絶縁性被膜は、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂またはアクリル系樹脂のいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項9に記載の半導体素子搭載用基板。
  11. 前記絶縁性被膜に覆われていない前記ダイパターン、前記接続端子、前記グランド導体配線、前記貫通導体および前記外部接続端子のそれぞれの面上には、表面に金薄膜が形成されていることを特徴とする請求項4から請求項10までのいずれか1項に記載の半導体素子搭載用基板。
  12. 基板の一方の面上に設けられ、半導体素子を搭載する素子搭載領域と、
    前記基板の外周領域に設けられた複数の接続端子と、
    前記接続端子と接続し、かつ前記接続端子より内周領域に設けた貫通導体と、
    前記貫通導体と接続し、前記基板の他方の面上に設けた外部接続端子と、
    前記外部接続端子が形成された位置の内周領域に設けられた導体パターンとを備えたことを特徴とする半導体素子搭載用基板。
  13. 前記基板は、樹脂基板からなることを特徴とする請求項1から請求項12までのいずれか1項に記載の半導体素子搭載用基板。
  14. 半導体素子と、
    基板の一方の面上に設けられ、前記半導体素子を搭載する素子搭載領域と、前記素子搭載領域に設けられ、前記半導体素子の外形より小さな形状を有し、前記半導体素子と電気的に接続するダイパターンと、前記基板の外周領域に設けられた複数の接続端子と、前記接続端子のうちのグランド用接続端子と前記ダイパターンとを接続するグランド導体配線と、前記接続端子と接続し、かつ前記接続端子より内周領域に設けた貫通導体と、前記貫通導体と接続し、前記基板の他方の面上に設けた外部接続端子とを備え、前記グランド導体配線は前記ダイパターンと前記貫通導体との間に配置され、かつ前記半導体素子の信号端子と前記接続端子とを接続する複数のワイヤリードの下部に位置する領域に設けられている半導体素子搭載用基板と、
    前記半導体素子の電極端子と前記半導体素子搭載用基板の前記接続端子とを接続するワイヤリードと、
    前記半導体素子搭載用基板の前記半導体素子搭載側に、前記半導体素子および前記ワイヤリードを埋設するように設けた封止樹脂とを備え、
    前記半導体素子の前記電極端子のうちの前記信号端子と前記半導体搭載用基板の前記接続端子とを接続する複数の前記ワイヤリードが前記グランド用導体配線をまたいで形成されていることを特徴とする高周波半導体装置。
  15. 前記ダイパターンは、複数配置されており、
    前記グランド導体配線は、少なくとも1つの前記ダイパターンの3辺を囲んで配置されており、
    前記グランド導体配線が3辺を取り囲んでいる前記ダイパターンには、前記半導体素子としてガリウム砒素半導体素子が搭載されていることを特徴とする請求項14に記載の高周波半導体装置。
  16. 前記グランド導体配線は、複数の前記グランド用接続端子に接続されていることを特徴とする請求項15に記載の高周波半導体装置。
  17. 前記貫通導体よりも内周領域の前記基板上に絶縁性被膜が形成されていることを特徴とする請求項14から請求項16までのいずれか1項に記載の高周波半導体装置。
  18. 前記絶縁性被膜の少なくとも前記ダイパターン上には、開口部が設けられており、
    前記半導体素子は、前記絶縁性被膜および前記開口部の前記ダイパターンと導電性接着剤により接着されていることを特徴とする請求項17に記載の高周波半導体装置。
  19. 前記絶縁性被膜は、前記素子搭載領域より大きく、かつ前記貫通導体よりも内周領域の前記基板上に形成されており、
    前記半導体素子は、前記ダイパターンおよび前記基板と導電性接着剤により接着されていることを特徴とする請求項17に記載の高周波半導体装置。
  20. 前記絶縁性被膜は、前記グランド導体配線の形成領域より大きく、かつ前記貫通導体よりも内周領域の前記基板上に形成されており、
    前記半導体素子は、前記ダイパターンおよび前記基板と導電性接着剤により接着されていることを特徴とする請求項17に記載の高周波半導体装置。
  21. 前記絶縁性被膜は、前記素子搭載領域にも形成されており、前記素子搭載領域に形成された前記絶縁性被膜は分離されてアレイ状に配置されており、
    前記半導体素子は、前記絶縁性被膜および前記ダイパターンに導電性接着剤により接着されていることを特徴とする請求項19または請求項20に記載の高周波半導体装置。
  22. 前記絶縁性被膜が、感光性樹脂材料により形成されていることを特徴とする請求項17から請求項21までのいずれか1項に記載の高周波半導体装置。
  23. 前記絶縁性被膜は、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂またはアクリル系樹脂のいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項22に記載の高周波半導体装置。
  24. 前記絶縁性被膜に覆われていない前記ダイパターン、前記接続端子、前記グランド導体配線、前記貫通導体および前記外部接続端子のそれぞれの面上には、表面に金薄膜が形成されていることを特徴とする請求項17から請求項23までのいずれか1項に記載の高周波半導体装置。
  25. 半導体素子と、
    基板の一方の面上に設けられ、前記半導体素子を搭載する素子搭載領域と、前記基板の外周領域に設けられた複数の接続端子と、前記接続端子と接続し、かつ前記接続端子より内周領域に設けられた貫通導体と、前記貫通導体と接続し、前記基板の他方の面上に設けられた外部接続端子と、前記外部接続端子が形成された位置の内周領域に設けられた導体パターンとを備えた半導体素子搭載用基板と、
    前記半導体素子の電極端子と前記半導体素子搭載用基板の前記接続端子とを接続するワイヤリードと、
    前記半導体素子搭載用基板の前記半導体素子搭載側に、前記半導体素子および前記ワイヤリードを埋設するように設けた封止樹脂とを備えたことを特徴とする高周波半導体装置。
  26. 前記基板は、樹脂基板からなることを特徴とする請求項14から請求項25までのいずれか1項に記載の高周波半導体装置。
  27. 前記半導体素子がシリコン半導体チップとガリウム砒素半導体チップの2個からなり、電力増幅回路モジュールを構成することを特徴とする請求項14から請求項26までのいずれか1項に記載の高周波半導体装置。
  28. 請求項27に記載の高周波半導体装置を搭載したことを特徴とする電子機器。
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