JP3140385B2 - 高周波用半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波帯から
ミリ波帯領域の高周波用として用いられる半導体装置に
関し、特に、高周波信号の特性劣化を低減して半導体素
子や回路部品等に信号を伝送することができ、かつ特定
周波数からなる信号を伝送することが出来る高周波用半
導体装置に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、マイクロ波やミリ波を取り扱う高周
波回路素子を搭載した半導体装置においては、高周波用
半導体素子が誘電体基板とその表面に高周波用伝送線路
が形成された半導体パッケージ内に収納されてなり、こ
の半導体装置は、所定の外部電気回路基板の表面に実装
され、半導体装置の高周波用伝送線路と外部電気回路基
板に形成された高周波用伝送線路と電気的に接続されて
高周波信号の入出力が行われる。

【０００３】このような高周波用半導体装置の実装にお
いては、高周波信号を劣化させることなく信号を入出力
することが可能なパッケージ構造および伝送線路の設計
及び製造と、外部電気回路基板に精度よく半導体装置を
実装する実装技術が要求される。

【０００４】そこで、この種の半導体装置としては、図
７（ａ）に示すように、誘電体からなる誘電体基板４０
と蓋４１により形成されたキャビティ４２内に高周波用
半導体素子４３が搭載され気密に封止され、高周波用半
導体素子４３と接続された、ストリップ線路等の高周波
伝送線路４４を壁体４５を通過してキャビティ４２外に
引き出し、これをさらに基板４０の側面を経由して底面
に配設し、底面に形成された線路を外部電気回路基板
（図示せず）の表面に形成された導体層にロウ付けし
て、高周波信号の入出力および外部電気回路基板へ実装
した半導体装置が昭６１−１６８９３９号等にて提案さ
れている。

【０００５】また、図７（ｂ）に示すように、誘電体基
板４０の底面に信号伝送線路４６を形成し、この伝送線
路４６と半導体素子４３とをスルーホール導体４７を通
じて接続した半導体装置も提案されている。この半導体
装置は、通常、伝送線路４６を外部電気回路基板（図示
せず）の導体層と半田等によって接続し、実装されるも
のである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７
（ａ）において、伝送線路４４が壁体４５を通過する場
合、壁体通過部で信号線路がマイクロストリップ線路か
らストリップ線路へと変換されるため、信号線路幅を狭
くする必要がある。その結果、この通過部で反射損、放
射損が発生しやすいため高周波信号の特性劣化が起こり
やすくなるという問題がある。また、伝送線路４４が基
板の側面で曲折することから、ミリ波帯で用いた場合、
伝送線路が曲折することにより反射が大きくなり信号を
送受することが困難となる。また、素子搭載面の側面に
伝送線路を形成する関係上、半導体装置自体も必然的に
大きくなるため回路基板の小型化が困難であった。しか
も、伝送線路４４をキャビティ４２の外側に引出すため
に、壁体４５の少なくとも線路通過部は誘電体によって
形成する必要があるため、構造が複雑になり、半導体装
置全体のコストを高める要因にもなっていた。

【０００７】さらに壁体４５を高誘電率の誘電体材料に
より形成した場合、壁体幅が通過周波数の１／４波長以
上になると壁体通過部で共振が生じ、高周波信号の特性
劣化が生じるという問題があった。

【０００８】これに対して、図７（ｂ）は、スルーホー
ル導体４７によって壁体４５を通過しないために、信号
の特性劣化は小さいが、伝送する信号の使用周波数が１
０ＧＨｚ以上になるとスルーホール導体４７での透過損
失が急激に大きくなるために、マイクロ波帯からミリ波
帯領域の信号を特性劣化なく伝送することが困難であっ
た。

【０００９】従って、本発明は、高周波伝送線路におけ
る伝送損失が小さく、しかも表面実装が可能であり且つ
特定周波数の信号のみを通過させることができる構造
と、製造時の加工工程で生じる寸法ずれに対して伝送特
性の変動の少ない構造を有する高信頼性の高周波用半導
体装置を提供することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、かかる目
的に対して検討を重ねた結果、誘電体基板の高周波用半
導体素子搭載面側と、誘電体基板の底面側にマイクロス
トリップ線路を、さらに誘電体基板内に形成されたスロ
ット孔を有するグランド層を形成し、各線路の端部をス
ロット孔を介在して対峙させて２つのマイクロストリッ
プ線路を電磁結合させることにより、半導体装置内にお
ける伝送損失を低減でき、上記目的が達成されることを
を見いだした。また、かかる構造において、伝送損失を
極力小さくするためには、伝送線路およびスロット孔を
精度よく位置合わせすることが必要であるが、スロット
孔から伝送線路端部までの長さとスロット孔の長さが特
定の条件の範囲においては、製造時の加工工程でおこる
寸法ずれに対しても伝送特性の劣化が小さいことを見い
だし、本発明に至った。

【００１１】即ち、本発明の高周波用半導体装置は、誘
電体基板と、該誘電体基板の表面に搭載された高周波用
半導体素子と、該誘電体基板の表面に被着形成され前記
高周波用半導体素子と電気的に接続された第１のマイク
ロストリップ線路と、前記誘電体基板の底面に被着形成
された第２のマイクロストリップ線路と、前記誘電体基
板内に形成されたスロット孔を有するグランド層を具備
するものであり、前記第１および第２のマイクロストリ
ップ線路および前記スロット孔を、前記第１および第２
のマイクロストリップ線路の前記スロット孔の中心直上
から前記各線路の端部までの長さをＭＬ（ｍｍ）、前記
スロット孔の長径をＳＬ（ｍｍ）、前記マイクロストリ
ップ線路における波長をλ ₁ （ｍｍ）、前記スロット孔
における波長をλ₂（ｍｍ）とした時、０．２５≦ＳＬ
／λ₂≦０．４、０．１≦ＭＬ／λ ₁ ≦０．２５の関係を
満足するように配置して、前記第１のマイクロストリッ
プ線路と前記第２のマイクロストリップ線路とを電磁的
に結合させたことを特徴とする

【００１２】かかる本発明によれば、高周波半導体素子
と電気的に接続された第１のマイクロストリップ線路
と、誘電体基板の底面に形成された第２のマイクロスト
リップ線路とを、誘電体基板内にて電磁結合させること
により、伝送線路が蓋体の側壁を通過することなく結合
できるために、側壁通過部において信号線路がマイクロ
ストリップ線路からストリップ線路へと変換されるため
の反射損、放射損の発生がなく、またスルーホール導体
やビアホール導体等による透過損失の影響を受けること
がないため、高周波信号を伝送損失を抑制し、かつ必要
な周波数の信号を通過伝送することができる。

【００１３】さらに、スロット孔の長径を特定の関係を
満足するように配置することによって、高周波用半導体
装置を製造する際、加工工程で生じるマイクロストリッ
プ線路の寸法ずれに対しても伝送特性の劣化が小さく、
製造時の歩留りを向上させることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明における高周波用半導体装
置の一例を図１に示した。図１によれば、高周波用半導
体装置１は、誘電体材料からなる誘電体基板２と蓋体３
によりキャビティ４が形成されており、そのキャビティ
４内には、ＭＭＩＣ、ＭＩＣ等の半導体素子５が搭載さ
れている。誘電体基板２を構成する誘電体材料としては
誘電率が２０以下のセラミックス、ガラスセラミック
ス、セラミック金属複合材料、ガラス有機樹脂系複合材
料等などが望ましく、このうち誘電率が８以上のセラミ
ックス、ガラスセラミックス、セラミック金属複合材
料、ガラス有機樹脂系複合材料等が、電磁界の空気層へ
の広がりが少なく、装置内での空洞共振を生じにくくで
きる点で特に望ましい。

【００１５】本発明によれば、上記半導体装置のキャビ
ティ４内には、半導体素子５に信号を伝送するためマイ
クロストリップ線路Ａを形成するストリップ導体路６が
誘電体基板２の表面に形成されている。一方、誘電体基
板２の底面にも、第２のマイクロストリップ線路Ｂを形
成するストリップ導体路７が被着形成されている。

【００１６】蓋体３は、キャビティ４からの電磁波が外
部に漏洩するのを防止できる材料から構成され、金属、
セラミックス、セラミック金属複合材料、ガラスセラミ
ックス等が使用できるが、これらの材料中に電磁波を吸
収させることのできるカーボン等の電磁波吸収物質を分
散させたり、蓋体の表面にこれらの電磁波吸収物質を塗
布することもできる。

【００１７】また、誘電体基板２内には導体層からなる
グランド層８がほぼ全面にわたり形成され、キャビティ
４内の誘電体基板２表面に形成されたストリップ導体路
６により第１のマイクロストリップ線路Ａが形成されて
いる。また、半導体装置１の底面のストリップ導体路７
とグランド層８間において第２のマイクロストリップ線
路Ｂが形成されている。

【００１８】そして、グランド層８内には、導体層が形
成されない長方形のスロット孔９が形成されており、第
１のマイクロストリップ線路Ａと第２のマイクロストリ
ップ線路Ｂとは、各線路Ａ，Ｂにおけるストリップ導体
路６、７の端部がスロット孔９を介して対峙する位置に
配置形成することにより、両マイクロストリップ線路
Ａ，Ｂは電磁結合され、両線路間で損失のない信号の伝
達が行われる。

【００１９】本発明は、この時のストリップ導体路６、
７およびスロット孔９の配置について図２に平面図を示
した。図２において、前記第１および第２のマイクロス
トリップ線路の前記スロット孔の中心直上から前記各線
路の端部までの長さをＭＬ、前記スロット孔の長径をＳ
Ｌ、前記マイクロストリップ線路における波長をλ
₁（ｍｍ）、前記スロット孔における波長をλ₂（ｍｍ）
とした時、０．２５≦ＳＬ／λ₂≦０．４の関係を満足
し、さらには０．１≦ＭＬ／λ₁≦０．２５の関係を満
足するように配置する。０．２５≦ＳＬ／λ₂≦０．
４、０．１≦ＭＬ／λ₁≦０．２５で示される領域にお
いては、電磁結合において伝送損失の少ない信号の伝達
が可能となる。

【００２０】とりわけ、ＳＬ／λ ₂ ＜１／２の領域にお
いても、伝送損失の少ない信号の伝達が可能である点が
大きな特徴である。従って、ストリップ導体路６、７と
スロット孔９の位置が積層時の位置ずれ等が生じた場合
においても、その寸法が上記の範囲になるように制御す
ることにより、伝送損失が大幅に低下することがない。

【００２１】図３は、図１の半導体装置のキャビティ内
の配線構造の一例を示すものであり、キャビティ４内に
は、半導体素子５と、第１のマイクロストリップ線路Ａ
を形成するストリップ導体路６の他に、半導体素子５に
電力を供給するための電源層１０が形成されている。電
源層１０の一端は、半導体素子５とリボン、ワイヤ、Ｔ
ＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎ
ｇ）等によってそれぞれ電気的に接続されている。ま
た、電源層１０の他端は、スルーホール導体１１を通じ
て半導体装置の底面まで導出され、外部電気回路基板と
電気的に接続される。また、半導体素子５は、ストリッ
プ導体路６の上に半田や金バンプ等により直接載置され
ることにより、伝送損失なく接続することができるが、
導体路６と半導体素子５との接続方法としては、これに
限られるものではなく、例えば、金リボンや数本のワイ
ヤボンディングにより接続したり、ポリイミド等の基板
にＣｕ等の導体を形成した導体板等により接続すること
もできる。

【００２２】また、キャビティ４内のストリップ導体路
６、電源層１０および半導体素子５の周囲には電磁波の
漏洩防止のためのグランド層１２が設けられている。グ
ランド層１２には、場合によっては電位のばらつきを抑
えるのと電磁波漏洩防止のためのスルーホール導体（図
示せず）を多数内設し、誘電体基板２内部のグランド層
８と電気的に接続し、そのスルーホール導体を半導体装
置の底面まで導出して外部電気回路基板と電気的に接続
することもできる。

【００２３】このグランド層１２は、この導電性の蓋体
３とロウ付け、半田付け等の手法により電気的に接続し
てキャビティ４からの電磁波が外部に漏洩したり、電磁
波が外部にもれるのをさらに防止する構造となってい
る。また、半導体素子５の下面には、所望により、サー
マルビア（図示せず）を設け、半導体素子５からの発熱
を半導体装置の下面に放熱する構造を形成することもで
きる。

【００２４】また、本発明の図１の半導体装置１によれ
ば、誘電体基板２の底面に形成されたストリップ導体路
７の一部を接続端子として機能させて、外部電気回路基
板の伝送線路に対して直接実装することができる。な
お、実装方法としては、半田により実装する以外に、銀
ロウや金バンプを用いた実装方法や、半田ペ−ストを介
さずストリップ導体路７と回路基板上の伝送線路を重ね
合わせることにより伝送の損失を低減しながら接続する
方法がある。一方、半導体装置１の底面に導出されたス
ルーホール導体１１は、低周波であるために、格別な高
周波線路により形成する必要がなく、外部電気回路基板
の導体層（図示せず）と一般的な手法により電気的に接
続され、これにより、半導体装置１を外部電気回路基板
に対して強固に実装することができる。

【００２５】なお、マイクロストリップ線路における波
長λ₁およびスロット孔における波長λ₂はＦＥＭ解析に
よって、例えば図４（ａ）および（ｂ）に示すような線
路の断面を解析して共振周波数を計算し、これと波数を
および光速を用いて下記数１

【００２６】

【数１】

【００２７】をもとに算出したものである。図４の線路
によれば、（ａ）のマイクロストリップ線路は、誘電体
１３の表面側にストリップ導体路１４、底面側にグラン
ド層１５が配設されたもので、（ｂ）スロット線路は、
誘電体１６の内部にスロット線路１７を有するグランド
層１８が配設されたものからなる。

【００２８】本発明の高周波用半導体装置の性能を確認
すべく、具体的に誘電体基板として、誘電率８．８、誘
電損失２６．０×１０^-4（測定周波数６０ＧＨｚ）のア
ルミナ質焼結体を用い、基板表面および内部に形成され
る各導体路およびグランド層をタングステンにより形成
し、さらにその表面に金メッキを施して図５に示すよう
な評価用配線基板２１を作製した。

【００２９】図５は、作製した評価用配線基板２１の伝
送損失を測定するために金属ブロック２２に接合した状
態の断面図である。図５によれば、評価用配線基板２１
は、測定用変換基板２３とリボン２４によって電気的に
接続されている。従って、評価用配線基板２１は、測定
の都合上、電磁結合部を２個含み、測定用変換基板２３
との接続位置が同一平面となるように配置した。図５に
よって、測定される伝送特性は、電磁結合部２個、測定
用変換基板２個、リボン２個、リボンと電磁結合部を接
続するマイクロストリップ線路２個、電磁結合部間を接
続するマイクロストリップ線路１個の合計のものとな
る。

【００３０】図５の評価用配線基板において、周波数が
６０ＧＨｚ、マイクロストリップ線路Ａ，Ｂのストリッ
プ導体路６、７のスロット孔９中心直上から端部までの
長さＭＬ＝０．２８ｍｍ，スロット穴長径ＳＬ＝０．７
０ｍｍ、スロット穴幅＝０．２０ｍｍとした。このとき
の入力部における伝送特性をネットワークアナライザに
より測定した。図６にその結果を示す。

【００３１】図６の結果によれば、マイクロストリップ
線路の前記長さＭＬが１／４波長相当長さ、スロット孔
長径ＳＬが１／２波長相当長さとなる寸法値と異なる条
件で、６０ＧＨｚでＳ１１が−２２．１ｄＢ、Ｓ２１が
−２．９５ｄＢの優れた伝送特性が得られた。

【００３２】さらに、マイクロストリップ線路のスロッ
ト孔中心直上からの長さＭＬと、スロット孔長径ＳＬと
を変えて伝送特性を測定した。使用周波数が６０ＧＨｚ
の結果を表１に示した。また使用周波数が２０ＧＨｚの
結果を表２に示した。表１、表２に示した挿入損失は、
図５に基づく測定結果から得られた挿入損失値から、電
磁結合部以外の損失（測定用変換基板の損失、リボン接
続部の損失）を差し引いたものを２で割った値（すなわ
ち、電磁結合１個あたりの挿入損失）である。なお、マ
イクロストリップ線路における波長λ₁、スロット孔λ₂
における波長について図４に基づくモデル線路から、Ｆ
ＥＭ解析により共振周波数を計算し、これと波数を用い
て算出した結果、周波数６０ＧＨｚの場合、λ₁＝１．
９２（ｍｍ）、λ₂＝２．０４（ｍｍ）、周波数２０Ｇ
Ｈｚの場合、λ₁＝５．８０（ｍｍ）、λ₂＝６．８０
（ｍｍ）であった。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】表１，表２の結果によれば、ＭＬ、ＳＬの
値が、本発明により前述した特定条件を満足する場合に
おいて、挿入損失−５ｄＢ以下の結合が実現しているこ
とがわかる。しかも、伝送する信号の周波数が２０ＧＨ
ｚから６０ＧＨｚに変化してもこの関係は変化しないこ
とがわかる。

【００３６】特に、挿入損失が−１ｄＢ以下となる領域
について、周波数６０ＧＨｚの場合の表１によれば、Ｓ
Ｌ／λ₂が０．５，０．２，０．１，０．０５の条件下
では、ＭＬ／λ₁は０．１以下の許容幅であるのに対し
て、ＳＬ／λ₂が０．４および０．３ではＭＬ／λ₁の許
容幅は０．１５，０．２と大きくなることがわかる。

【００３７】また、周波数２０ＧＨｚの場合の表２によ
っても、ＳＬ／λ₂が０．５，０．２，０．１，０．０
５の条件下ではＭＬ／λ₁の許容幅は０．１以下である
のに対して、ＳＬ／λ₂＝０．４ではＭＬ／λ₁の許容幅
は０．１５と大きくなることがわかる。

【００３８】これらの結果に基づけば、本発明によれ
ば、０．２５≦ＳＬ／λ₂≦０．４の領域において、線
路のスロット孔中心直上から端部までの長さの変化に対
して挿入損失−１ｄＢ以下が達成し得る許容幅が大き
く、高周波半導体装置を作製する場合の製造歩留りを向
上させるに好適な領域であることがわかる。

【００３９】また、比較例として、図７（ｂ）に示した
構造の半導体装置において、誘電率９．６、誘電損失４
５．０×１０^-4（測定周波数６０ＧＨｚ）の誘電体材料
との表面と底面に形成されたマイクロストリップ線路間
を径２００μｍの銅導体からなるビアホ−ル導体で接続
した半導体装置をネットワークアナライザーで同様に測
定し、図８にその結果を示した。図８の結果から、ビア
ホール導体にて接続した場合、周波数が２０ＧＨｚ以上
でＳ１１：−１０ｄＢ以上、Ｓ２１：−３０ｄＢ以下と
なることから高周波信号を半導体素子に伝送することは
不可能であることがわかった。

【００４０】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の高周波用半
導体装置においては、高周波半導体素子と電気的に接続
された第１のマイクロストリップ線路と、誘電体基板の
底面に形成された第２のマイクロストリップ線路とを、
誘電体基板内にて電磁結合させることにより、反射損、
放射損の発生がなく、またスルーホール導体やビアホー
ル導体等による透過損失の影響を受けることがないた
め、高周波信号を伝送損失を抑制し、かつ必要な周波数
の信号を通過伝送することができる。

【００４１】また、伝送線路の開放側長さとスロット孔
の長さを所定条件を満足する領域で構成することによ
り、製造時の加工工程で生じる寸法ずれに対しても伝送
特性劣化の少なく製造歩留りを高めることができる。

【００４２】さらに、外部回路基板に半導体装置を表面
実装することができるため、回路基板及び回路装置の小
型化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置を説明するための概略配置
図である。

【図２】本発明におけるマイクロストリップ線路のスト
リップ導体路およびスロット孔の配置を説明するための
平面図である。

【図３】本発明における半導体装置のキャビティ内の配
線を説明するための図である。

【図４】本発明における（ａ）マイクロストリップ線路
における波長λ₁、（ｂ）スロット孔における波長λ₂を
ＦＥＭ解析によって求める際のそれぞれのモデルを説明
するための図である。

【図５】本発明における半導体装置における伝送特性の
測定方法を説明するための図である。

【図６】本発明における高周波用半導体装置の伝送特性
の一例を示す図である。

【図７】従来の高周波用半導体装置の実装構造を説明す
るための図である。

【図８】図７（ｂ）の半導体装置における伝送特性を示
す図である。

【符号の説明】

１ 高周波用半導体装置 ２ 誘電体基板 ３ 蓋体 ４ キャビティ ５ 半導体素子 ６ 、７ ストリップ導体路 Ａ 第１のマイクロストリップ線路 Ｂ 第２のマイクロストリップ線路 ８，１２ グランド層 ９ スロット孔 １０ 電源層 １１ スルーホール導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−298409（ＪＰ，Ａ) 米国特許3771075（ＵＳ，Ａ) ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ＭＴＴ，Ｖｏ ｌ．43，Ｎｏ．７，1995，ｐｐ．1516− 1523 古川、「マイクロ波ストリップ線路 （１）」，雑誌エレクトロニクス昭和50 年２月号、ｐｐ．185−191 Ｈ．Ｊａｓｉｋ，”ＡＮＴＥＮＮＡ ＥＮＧＩＮＮＥＲＩＮＧ ＨＡＮＤＢＯ ＯＫ”（ＭＣＧＲＡＷ−ＨＩＬＬ ＢＯ ＯＫ，1961），ｐｐ．36−12 36−13 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01P 5/02 603 H01L 23/12 301 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】誘電体基板と、該誘電体基板の表面に搭載
   された高周波用半導体素子と、該誘電体基板の表面に被
   着形成され前記高周波用半導体素子と電気的に接続され
   た第１のマイクロストリップ線路と、前記誘電体基板の
   底面に被着形成された第２のマイクロストリップ線路
   と、前記誘電体基板内に形成されたスロット孔を有する
   グランド層を具備し、前記第１および第２のマイクロス
   トリップ線路および前記スロット孔を、前記第１および
   第２のマイクロストリップ線路の前記スロット孔の中心
   直上から前記各線路の端部までの長さをＭＬ（ｍｍ）、
   前記スロット孔の長径をＳＬ（ｍｍ）、前記マイクロス
   トリップ線路における波長をλ ₁ （ｍｍ）、前記スロッ
   ト孔における波長をλ₂（ｍｍ）とした時、０．２５≦
   ＳＬ／λ₂≦０．４、０．１≦ＭＬ／λ ₁ ≦０．２５の関
   係を満足するように配置して、前記第１のマイクロスト
   リップ線路と前記第２のマイクロストリップ線路とを電
   磁的に結合させたことを特徴とする高周波用半導体装
   置。