JP2008005176A - 半導体パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】高周波半導体の搭載された半導体パッケージにおいて、パッケージ内に発生する電磁波の伝搬を抑止すること、およびその半導体パッケージの製造方法。
【解決手段】高周波半導体を搭載した半導体パッケージの蓋の内側に、周期的な板状の突起をプレス加工により形成した。パッケージ内を伝搬する電磁波の管内波長をλとして、板と板の間隔はλ／２、板の高さはλ／４である。この周期構造により、パッケージ内の共振を防止でき、ポート間のアイソレーションの劣化を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波半導体装置、特にミリ波半導体装置が搭載された半導体パッケージに関するものである。

ミリ波レーダ用半導体装置などの高周波半導体装置は、耐環境性、動作の安定、低コスト化、小型化、などの観点から、パッケージ化されている。

しかし、このパッケージ内のキャビティの大きさが、キャビティを伝搬する電磁波の管内波長の１／２の整数倍である時、共振が発生し、内部に定在波を形成する。高周波半導体装置が搭載された半導体パッケージでは、キャビティの大きさをキャビティ内の管内波長の１／２以下とすることは困難であり、共振が発生する可能性が高い。定在波は、パッケージ内のデバイスやワイヤボンドなどを励振し、動作が不安定になったり、不要な伝搬の原因となる。したがって、送受信ポート間のアイソレーションを劣化させたり、受信ポート間のアイソレーションを劣化させてしまう。

この問題の解決のため、特許文献１には、角柱状の突起を格子状または市松模様に周期的に並べた構造を有する半導体パッケージが示されている。特許文献２には、角柱状または円柱状の突起を格子状に並べた構造が示され、それらの構造はプレス加工によって作製される旨が記されている。特許文献３には、円錐状、楕円柱状の突起を周期的に並べた構造が示されている。特許文献４には、スリットを周期的に並べた構造を有する半導体パッケージが示されている。

ほかにも、周期構造を利用したものとして、非特許文献１がある。この文献には、周期構造を利用した遅延線の技術が示されており、さらに周期構造がバンドギャップを形成できることが示唆されている。
特許第３７３９２３０号 特許第３５８９１３７号 特開平１１−４０６８９ 特開２００６−７３９３５ 川村光男、マイクロ波基礎工学、昭晃堂、ｐｐ．１１３−１２６

先に述べたように、パッケージは小型で低コストなものが良いため、周期構造は容易に作製でき、かつその周期が短いもの、もしくは周期構造の繰り返し数が少ないもの、であることが望ましい。

しかしながら、特許文献１、２、３に記された周期構造では、１周期あたりの電磁波の伝搬阻止効果がそれほど高くなく、繰り返し数が多くなってしまうためパッケージが大きくなってしまう。また、特許文献４に記された周期構造では、周期が管内波長と同じであり、特許文献１、２に記された周期構造の周期である管内波長の１／２と比べて大きく、必然的にパッケージを大きくせざるを得ない。また、特許文献４のスリットは、レーザー加工機などを用いて作製する旨が記載されていて、作製の容易さの観点からも望ましいものではない。

そこで、本発明では、従来の周期構造よりも電磁波の遮蔽効果が高く、しかも容易に作製できる周期構造を有した半導体パッケージを提供する。

第１の発明は、高周波半導体装置が設置された基板と、基板を覆い密閉する導電性の蓋とから成る半導体パッケージにおいて、蓋の内側の上面は基板側に向けて立設された複数の導電性の板を有し、板は半導体パッケージ内を伝搬する電磁波の進行方向に沿って周期的に配列され、板の間隔は、伝搬する電磁波の管内波長の１／２×０．８〜１／２×１．２であり、板の高さは、伝搬する電磁波の管内波長の１／４×０．８〜１／４×１．２であることを特徴とする半導体パッケージである。

電磁波の進行方向に沿って、というのは、板の配列方向に対して電磁波の進行方向が沿っていることを意味し、板の配列方向と電磁波の進行方向が直交していないこと、つまり各板に対して電磁波の進行方向が平行でないことをいう。この場合、板と電磁波の進行方向のなす角は、直角に近いほど望ましく、直角であることが最も望ましい。また、板の間隔は、管内波長の１／２×０．９〜１／２×１．１であればより望ましく、管内波長の１／２であるとさらに望ましい。板の高さも、管内波長の１／４×０．９〜１／４×１．１であればより望ましく、管内波長の１／４であるとさらに望ましい。
導電性の蓋および板は、金属であってもよく、金属以外で形成したものにメッキを施したものであってもよい。たとえば、金属としては、アルミニウムなどが使用でき、金属以外には、樹脂などに金属メッキを施したものなどが使用できる。メッキに使用する金属は、金などが使用できる。また、蓋は全体が導電性である必要はなく、蓋の内面または蓋の肉厚の内部が導電性であればよい。また、蓋と板は一体となっていてもよい。

第２の発明は、第１の発明において、板が基板に設置された入出力ポート間を結ぶ線に対し垂直に配列されていることを特徴とする半導体パッケージである。この場合、入出力ポート間を伝搬する電磁波に対して板が直交することになる。

第３の発明は、第１の発明において、半導体パッケージ内を伝搬する電磁波の進行方向は複数あって、蓋の上面には、各進行方向に沿って板が配列され、各進行方向ごとの複数の配列部分で構成されていることを特徴とする半導体パッケージである。

入出力ポートが複数ある場合、電磁波の進行方向も複数あり、特定の方向の板の配列だけでは、ある入出力ポート間は電磁波の進行方向に沿って板が配列されていても、他の入出力ポート間は電磁波の進行方向が板の配列方向に沿っていない場合があり、特に平行となっている場合は伝搬抑止効果が著しく低くなってしまう。

そこで第３の発明では、電磁波の進行方向ごとにいくつか領域を分け、その領域においては、電磁波の進行方向に沿って板が配列されているようにした。つまり、蓋の内側の上面は、いくつかの配列方向の異なる板の周期構造により構成されることとなる。また、領域の境界では板の配列方向の違いにより板と板はＴ字型に交わることになる。このような構造により、電磁波の進行方向と沿わない部分を減らしている。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、高周波半導体装置がミリ波半導体装置である半導体パッケージである。パッケージを小型化できるため、本発明のパッケージは、ミリ波半導体が搭載されたパッケージに特に有効である。

第５の発明から第７の発明はいずれも周期構造の形成に特徴を有した構造である。
本発明による周期構造は、プレス加工、樹脂成型、アルミダイキャストによる一体成型で容易に成型できる。樹脂成型の場合は、成型後表面を金属メッキ加工する。

板の厚さは、薄いほど伝搬抑止効果が高いが、薄すぎると上記のような加工方法では容易に作製できなくなる。そのため加工するためには、少なくとも３００μｍ以上は必要であり、できるだけ薄い方がよい。また、板と基板の間の距離を調整することによって、同等の伝搬抑止効果を保ったまま、ある程度板の厚さを大きくできる。

金属板をプレス加工する場合、または樹脂成型後表面を金属メッキする場合に用いる金属としては、金などを用いることができる。

第１の発明のように、蓋の内側の上面に板をもって周期構造を作製したことにより、パッケージ内には、パッケージ内を伝搬する電磁波の管内波長帯にバンドギャップが形成され、その管内波長帯の電磁波の伝搬を抑止できる。したがって、パッケージ内の共振を防止でき、入出力ポート間のアイソレーションの劣化を防止できる。また、構造が簡単であるため製造が容易で低コスト化が可能である。また、板と電磁波の進行方向が直交する場合は、電磁波の伝搬抑止効果が最も高く、そのため周期構造をなす板の枚数を減らすことができ、さらなるパッケージの小型化をはかることができる。また、第３の発明による構造では、電磁波の伝搬を完全には抑止できず、パッケージ内に定在波が発生し、電界の強い部分が発生してしまう。しかし、領域を調整することにより、その電界の強い部分が、電界の影響を受けやすい半導体装置や線路の上にこないようにすることが可能である。したがって、ポート間のアイソレーションの劣化を防止できる。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。

実施例１では、本発明による周期構造を有したパッケージを作製し、パッケージ内で特定波長の電磁波の伝搬が効果的に抑止できているかを確かめた。なお、ミリ波半導体に本発明のパッケージを適用することを考え、抑止したい管内波長を４．６ｍｍとした。以下にその実施例１のパッケージの構造を詳しく記述する。

図１は、実施例１のパッケージの斜視図である。パッケージ内の構造がわかるように、透視して示している。なお、説明をしやすくするために、便宜的にｘ、ｙ、ｚ軸を図１中に示している。図２は、パッケージのｘ軸での断面図である。パッケージは直方体であり、ｘ軸は、ｘ軸に対してパッケージが左右対称になるように選んでいる。パッケージは、入力ポート１２と出力ポート１３を有する基板１０と、基板１０を覆いパッケージを密閉する導電性の蓋１１とからなる。蓋１１の内側には、蓋１１の側面１５ａ、ｂ（ｙ軸方向）に対して導電性の板１４ａ〜１４ｆが平行に並んで設置されている。板１４ａ〜１４ｆの間隔Ｄ１はパッケージ内を伝搬する電磁波の管内波長の１／２の２．３ｍｍで、板１４ａと側面１５ａおよび板１４ｆと側面１５ｂの間隔Ｄ２は管内波長のほぼ１／４の１．１ｍｍ、板１４ａ〜１４ｆの高さＤ３は管内波長の１／４より少し大きい１．３ｍｍ、板１４ａ〜１４ｆの厚さＤ４は０．３ｍｍ、基板１０と板１４ａ〜１４ｆとの間隔Ｄ５は０．６ｍｍである。また、入力ポート１２と出力ポート１３はｘ軸上であって、基板１０上にはチップ１６が設置され、チップ１７と入力ポート１２を接続する線路１７およびチップ１７と出力ポート１３を接続する線路１８が形成されていて、入力ポート１２は板１４ａと１４ｂの間に、出力ポート１３は板１４ｅと１４ｆの間に設置されている。このように入力ポート１２と出力ポート１３を設置したことにより、入力ポート１２と出力ポート１３間は、板１４ａ〜１４ｆと直交している。

板１４ａ〜１４ｆによる周期構造は、金属板をプレス加工することによって作製した。単純な構造であるため、容易に作製ができる。また、板状の周期構造は、樹脂成型したものに金属メッキを施すことによって成型してもよいし、アルミダイキャストにより成型してもよい。同様の効果が得られる。

この実施例１のパッケージの入力ポート１２から７７ＧＨｚの電磁波を入射し、パッケージ内の電界分布を調べると、図３、４の結果をえた。図３は、ｚ＝Ｄ５の平面での電界分布を示し、色が白いほど電界が強いことを示す。また、図４は、図２と同じ断面における電界分布を示す。図３と同じく色が白いほど電界が強いことを示す。入力付近では電界は強いが、次第に弱まり、出力ポート１３にはほとんど伝搬していないことがわかる。また、ｘ軸方向、つまり板１４ａ〜１４ｆと直交する方向に対して最も効果的に伝搬を抑止できていて、ｙ軸方向、つまり板１４ａ〜１４ｆと平行な方向にはほとんど抑止効果がないことがわかる。

また、図３、４を見ると、板の枚数は４、５枚で十分な伝搬阻止効果があり、４、５周期ほどの周期構造でも高い効果があることが読み取れる。したがって、実施例１のパッケージにおいては、さらなるパッケージの小型化が可能と思われる。

ここで、周期構造により特定波長においてバンドギャップが形成されることの定性的な説明を、図５を参考にしながら述べておく。
図５のように、上下に導体で挟まれた領域に電磁波が右に進行する場合、電界は下向き、磁界は図面に対して垂直下向きである。しかし、障壁があるため電界は図５のように曲がり、電磁波の進行方向と平行な成分が発生する。そのため、障壁に沿って伝搬する電磁波が発生し、障壁の高さが電磁波の管内波長の１／４であるため定在波を形成する。すなわち、電磁波のエネルギーの一部は進行方向に垂直な電磁波のエネルギーに変換され、進行方向のエネルギーは減少する。さらに電磁波の管内波長の１／２離れたところに障壁があると、ここでも同様に定在波が形成されるが、電界の向きはさきほどの定在波とは逆向きであるため打ち消しあう。したがって、障壁が管内波長の１／２で並んでいる場合、この管内波長の電磁波は、上下に導体で挟まれた領域内では存在できなくなる。つまり、バンドギャップが形成されることになる。

実施例２では、実施例１と同じ周期構造のパッケージにおいて、Ｄ３の値を変化させたときに、Ｄ５の値がどの範囲であれば７７ＧＨｚ付近にバンドギャップが形成されるかを検討した。

まず、実施例１と全く同一の条件でＤ５の値だけを変化させたところ、Ｄ５の値が０．９ｍｍ以下であれば、７７ＧＨｚ付近にバンドギャップが形成されることが確認できた。また、Ｄ３の値を１．０ｍｍとし、Ｄ５の値を変化させたところ、Ｄ５の値が１．０ｍｍ以下で、７７ＧＨｚ付近にバンドギャップが形成されることが確認できた。

実施例３では、ローカルポート１００と受信ポート１０１〜１０３が３つある場合に、ポート間のアイソレーションを高めるのに効果的な構造を示す。ポートが複数あるために、実施例１のような周期構造では、ある特定のポート間を結ぶ線に対して板が直交しないこととなる。そこで、図６のように、２つの板による周期構造を互いに配列方向が直交し、かつＴ字型に板と板が交わる構造を有するパッケージを作製した。図６では、図１と同様に、パッケージ内部の構造がわかるよう透視して示している。なお、基板１１０に搭載されているチップ１０５はダミーである。また、基板１１０上には、チップ１０５とローカルポート１００を結ぶ線路１０６、チップ１０５と受信ポート１０１を結ぶ線路１０７、チップ１０５とローカルポート１０２を結ぶ線路１０８、チップ１０５とローカルポート１０３を結ぶ線路１０９が形成されている。Ｄ１〜Ｄ５の数値はすべて実施例１と同じである。

図７は、ローカルポート１００から７６．５ＧＨｚの電磁波を入力した場合の、板の先端面を結ぶ基板１１０に平行な平面での電界分布を等電位線として示し、図８は、受信ポート１０２から７６．５ＧＨｚの電磁波を入力した場合の、板の端面での電界分布を等電位線として示している。図７のように、ローカルポート１００からの入力は、周期構造を有する板に対し直交しているため、電磁波の伝搬を効果的に抑止できていることがわかる。一方、図８のように、受信ポート１０２からの入力では、周期構造を有する板に対し直交していて、ローカルポート１００から並んでいる板に対しては平行であるが、基板１１０との間に隙間があり、完全な壁とはなっていない。このため、受信ポート１０２からの信号は効果的に抑止できておらず、定在波がいたるところで形成されていることがわかる。しかし、アイソレーションが必要となる、チップ１０５上や、線路１０６、１０７、１０９上では、電界が強くない。つまり、実施例３の構造では、周期構造による電磁波のフィルタ機能は弱く、定在波の形成を抑止することはできないが、線路上やチップ上のように、電磁波による影響を与えたくない領域は電界の強い部分とならないように、調整することができる。このようにして、実施例３では、ポート間のアイソレーションを高めている。

図９は、ローカルポート１００と受信ポート１０１間のアイソレーションを測定したグラフである。蓋をしない場合、周期構造がない蓋をした場合、周期蓋１（実施例１の構造の蓋）をした場合、周期蓋２（実施例３の構造の蓋）をした場合、の４通りに対しアイソレーションを測定した。抑止したい周波数は、７７ＧＨｚ付近である。その結果、図９のように、周期構造のない蓋をした場合は、蓋をしない場合と比べて、１５ｄＢほど劣化している。他方、周期蓋２をした場合は、蓋をしない場合と比べて、２０ｄＢほどよくなっている。

図１０は、受信ポート１０１と受信ポート１０２間のアイソレーションを測定したグラフである。蓋をしない場合、周期構造がない蓋をした場合、周期蓋２をした場合、の３通りに対しアイソレーションを測定した。同じように、抑止したい周波数は、７７ＧＨｚ付近である。周期構造のない蓋をした場合は、蓋をしない場合と比べて、１０ｄＢほど劣化している。他方、周期蓋２をした場合は、蓋をしない場合と比べて、８ｄＢほどよくなっている。

このように、実施例３の構造を用いることにより、ポート間のアイソレーションを向上することができた。

本発明の半導体パッケージは、パッケージ内の共振、ポート間のアイソレーションの劣化を防止でき、かつ小型化、低コスト化が可能であることに利点がある。

実施例１の半導体パッケージの斜視図。 実施例１の半導体パッケージの断面図。 半導体パッケージ内の電界分布図。 半導体パッケージ内の電界分布図。 バンドギャップ形成の説明図。 実施例３の半導体パッケージの斜視図。 ローカルポート１００から入力した場合の電界分布図。 受信ポート１０２から入力した場合の電界分布図。 ローカルポート１００と受信ポート１０１間のアイソレーションの測定図。 受信ポート１０１と受信ポート１０２間のアイソレーションの測定図。

符号の説明

１０、１１０：基板
１１：蓋
１２：入力ポート
１３：出力ポート
１４ａ〜１４ｆ：板
１６、１０５：チップ
１７、１８、１０６〜１０９：線路
１００：ローカルポート
１０１〜１０３：受信ポート

Claims (7)

1. 高周波半導体装置が設置された基板と、前記基板を覆い密閉する導電性の蓋とから成る半導体パッケージにおいて、
   前記蓋の内側の上面は、前記基板側に向けて立設された複数の導電性の板を有し、
   前記板は、前記半導体パッケージ内を伝搬する電磁波の進行方向に沿って周期的に配列され、
   前記板の間隔は、伝搬する前記電磁波の管内波長の１／２×０．８〜１／２×１．２であり、
   前記板の高さは、前記電磁波の管内波長の１／４×０．８〜１／４×１．２であること、
   を特徴とする半導体パッケージ。
2. 前記板は、前記基板に設置された入出力ポート間を結ぶ線に対し垂直に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
3. 前記半導体パッケージ内を伝搬する電磁波の進行方向は複数あって、
   前記蓋の上面には、各進行方向に沿って前記板が配列され、各進行方向ごとの複数の配列部分で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
4. 前記高周波半導体装置が、ミリ波半導体装置であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体パッケージ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、
   前記蓋および前記板は、金属板のプレス加工により形成されたものであることを特徴とする半導体パッケージ。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、
   前記蓋および前記板は、樹脂成型による一体成型であり、
   前記蓋および前記板の表面に、金属メッキが施されていることを特徴とする半導体パッケージ。
7. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、
   前記蓋および前記板は、アルミダイキャストによる一体成型で構成されていることを特徴とする半導体パッケージ。