JP3145670B2 - 高周波用半導体パッケージの実装構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高周波用半導体パッ
ケージの実装構造に関するもので、特に、マイクロ波帯
からミリ波帯領域の高周波用の半導体素子を収納あるい
は搭載した高周波用半導体パッケージを、高周波信号の
伝送損失を低減して外部回路基板に接続するための実装
構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、マイクロ波やミリ波の信号を取り
扱う高周波用半導体パッケージは、例えば、誘電体から
成る絶縁基板、枠体および蓋体により形成された空所
（キャビティ）に半導体素子を収納して気密に封止され
た構造が提案されている。かかる構造からなる高周波用
半導体パッケージ内の半導体素子に対する高周波信号の
入出力及び、パッケージの外部回路基板への実装は、誘
電体基板表面に形成され、高周波用の半導体素子と電気
的に接続されたストリップ線路等の信号伝送線路を枠体
を通して空所の内側から外側に引き出し、これを更に絶
縁基板の側面を経由して底面に引き回して接続用高周波
端子と接続され、その接続端子と外部回路基板の配線層
とを半田等の接着剤を介して接続していた。

【０００３】またその他に、高周波用半導体パッケージ
の絶縁基板の底面に接続用高周波端子を形成し、この高
周波端子と半導体素子とを絶縁基板内を貫通して形成さ
れたスルーホール導体を介して接続した高周波用半導体
パッケージが提案されている。この高周波用半導体パッ
ケージも前記と同様、高周波端子と外部回路基板の配線
層を半田等の接着剤を介して接続していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
高周波用半導体パッケージをミリ波帯で用いた場合、ス
トリップ線路等の信号伝送線路を枠体を通して空所の内
側から外側に引き出した際、枠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っ
た。また、信号伝送線路を絶縁基板の側面で曲折するこ
とから、反射が大きくなり特性の劣化が生じた。

【０００５】また、後者のパッケージにおいては、スル
ーホール導体を絶縁基板の底面に導出して信号線路とし
て用いると、４０ＧＨｚ以上で急激な特性の劣化が生じ
るため、高周波領域で使用することが困難であった。

【０００６】そこで本発明者等は、高周波用半導体パッ
ケージとして、電磁結合の機構を組み込み、低損失で信
号線路を伝送することができるパッケージを提案した。
（特開平０９−１８６２６８）。しかしながら、この高
周波用半導体パッケージを外部回路基板の配線層に実装
する場合、外部回路基板の誘電率が７以上になると伝送
特性は劣化し、高周波領域で使用することが困難とな
り、外部回路基板の材種が限定されるものであった。

【０００７】従って、本発明は、高周波用半導体パッケ
ージを外部回路基板に実装する際、外部回路基板への表
面実装が可能で、かつ高周波信号の伝送特性の劣化を低
減し、あらゆる外部回路基板に実装できる高周波用半導
体パッケージの外部回路基板への実装構造を提供するこ
とを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、高周波用
半導体パッケージにおいて、高周波信号の特性劣化を発
生することなく外部回路基板に表面実装が可能となる構
造について検討を重ねた結果、半導体素子搭載面側と、
誘電体基板の底面にそれぞれ信号伝送線路を形成し、そ
れらを電磁結合する高周波用半導体パッケージを、外部
回路基板の配線層に実装する際に、高周波用半導体パッ
ケージの電磁結合領域の直下に位置する外部回路基板表
面に凹部の空洞部を設けることにより、実装時における
伝送損失の低減を図ることができることを見いだしたも
のである。

【０００９】即ち、本発明の高周波用半導体パッケージ
の実装構造は、誘電体基板と蓋体により形成されるキャ
ビティ内部に高周波用半導体素子が搭載され、前記キャ
ビティ内部の前記誘電体基板の表面に、前記半導体素子
と電気的に接続された第１の信号伝送線路と、前記誘電
体基板の底面に第２の信号伝送線路とを形成し、前記第
１の信号伝送線路と第２の信号伝送線路を電磁結合させ
てなる高周波用半導体パッケージを、前記第２の信号伝
送線路の終端部に形成された接続部を介して外部回路基
板の配線層に実装してなる実装構造であって、高周波用
半導体パッケージの前記第１の信号伝送線路と第２の信
号伝送線路から形成される電磁結合領域の直下に位置す
る前記外部回路基板表面に空洞部を設けたことを特徴と
するものである。

【００１０】本発明によれば、少なくとも誘電体基板、
蓋体により形成されるキャビティ内部において半導体素
子と電気的に接続された第１の信号伝送線路と、前記誘
電体基板の底面に形成された第２の信号伝送線路とを、
前記誘電体基板を介して対峙する位置に形成して電磁結
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
ーホールやビアホール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伝送することができる。

【００１１】また、本発明の実装構造によれば、高周波
用半導体パッケージの電磁結合領域に隣接する外部回路
基板に凹部の空洞部（比誘電率が１）を設けることによ
り、電磁結合部、マイクロストリップ線路部の実効誘電
率、特性インピーダンスを急激に変化することがないた
め、伝送特性の劣化が少なく良好に高周波信号を伝送す
ることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の高周波用半導体パッケー
ジの実装構造を図面に基づき詳述する。図１は本発明の
高周波用半導体パッケージを外部回路基板に表面実装し
た実装構造を示す断面図である。

【００１３】図１によれば、高周波用半導体パッケージ
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、ＩＣ等の高周波用半導体素子５が搭載されている。

【００１４】また、誘電体基板２内部には導体層からな
るグランド層６がほぼ全面にわたり形成され、また、キ
ャビティ４内の誘電体基板２表面には、その一旦が半導
体素子５と接続された第１の信号伝送線路７が形成され
ている。また、高周波用半導体パッケージ１の底面に
も、第２の信号伝送線路８が形成されている。

【００１５】そして、グランド層６内には、導体層が形
成されないスロット孔９が形成されており、第１の信号
伝送線路７と第２の信号伝送線路８とは、このスロット
孔９を介して、各線路の端部が対峙する位置に形成する
ことにより電磁結合され、損失のない信号の伝達が行な
われる。本発明において、「電磁結合領域」とは、第１
の信号伝送線路の端部と、第２の信号伝送線路の端部と
の対峙によって、平面的にみて各線路が互いに重なりあ
っている領域を指す。

【００１６】なお、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、セラミックス金属複合材料、ガラ
スセラミックス、ガラス有機樹脂系複合材料等により形
成される。

【００１７】一方、外部回路基板１０上にはコプレーナ
線路またはグランド付きコプレーナ線路からなる配線層
１２が形成されている。この外部回路基板１０は、誘電
損失がミリ波帯においても小さい材料を用いることが望
ましく、セラミックス、ガラスセラミックス、ガラス有
機樹脂系複合材料等が使用できる。

【００１８】そして、外部回路基板１０は高周波用半導
体パッケージ１に形成されたスロット孔９の直下に位置
する領域において、空洞部１１が形成されている。空洞
部１１の形状及び寸法は、高周波用半導体パッケージ１
の使用周波数によって異なるが、６０ＧＨｚの場合、概
ね縦横１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下、高さ０．３ｍｍ
以上にて空洞部１１を形成することが望ましい。

【００１９】さらに高周波用半導体パッケージ１は外部
回路基板１０上に実装されており、高周波用半導体パッ
ケージ１の底面に形成した第２の信号伝送線路８と外部
回路基板１０上に形成した配線層１２は半田、金などの
バンプ１３を介して互いに接続されている。

【００２０】図２は、図１の高周波用半導体パッケージ
１のキャビティ４内の配線を説明するための図であり、
キャビティ４内には半導体素子５と第１の信号伝送線路
７を形成するマイクロストリップ線路の他に、半導体素
子５に電力を供給するための電源層１４が形成されてお
り、電源層１４の一端は、半導体素子５とリボンやワイ
ヤ、ＴＡＢ等によってそれぞれ電気的に接続されてい
る。

【００２１】マイクロストリップ線路からなる第１の信
号伝送線路７と半導体素子５とは、半導体素子５を第１
の信号伝送線路７上に直接搭載することにより、小さな
伝送損失で接続することができるが、前記第１の信号伝
送線路７と半導体素子５の接続方法はこれに限定される
ものではなく、例えば、金リボンや複数のワイヤボンデ
ィングで接続したり、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】第１の高周波伝送線路の他端は、高周波用
半導体パッケージ１の誘電体基板２内部に形成されたグ
ランド層６に設けたスロット孔９を介して第２の信号伝
送線路８と電磁結合されている。具体的には、第１の信
号伝送線路７と第２の信号伝送線路８とは、グランド層
６に形成されたスロット孔９を介して、それぞれの線路
の端部がスロット孔９の中心から平均的に伝送信号の波
長λの１／４相当の長さＬで突出する位置に形成される
ことが望ましい。

【００２３】また、スロット孔９の形状は、長辺と短辺
とから成る長方形や楕円形状の細長い孔であり、該形状
は使用周波数と周波数の帯域幅を特定することができ
る。そのため、スロット孔９の長辺は伝送信号の波長λ
の１／２相当の長さにするのが望ましく、スロット孔９
の短辺は伝送信号の波長λの１／５相当の長さから１／
５０相当の長さに設定するのが望ましい。

【００２４】図３は、図１の高周波用半導体パッケージ
１の裏面に形成した第２の信号伝送線路８を説明するた
めの図である。第２の信号伝送線路８は第１の信号伝送
線路７と同様に、マイクロストリップ線路により形成さ
れており、その終端部（外部回路基板との接続部）にお
いては、マイクロストリップ線路の中心導体の両脇にグ
ランド層１５をもったグランド付きコプレーナ線路に変
換されている。尚、このグランド層１５は誘電体基板２
内部に形成されたグランド層６とビアホール導体１６ま
たは誘電体基板２の側面に形成したキャスタレーション
（図示せず）によって接続されている。

【００２５】図４は、外部回路基板１０表面の配線層１
２を説明するための平面図であり、この配線層１２は、
中心導体１７とのその両側に設けられたグランド層１８
により構成されたコプレーナ線路により構成され、場合
によっては、外部回路基板１０内にグランド層を形成す
ることによりグランド付きコプレーナ線路により構成さ
れていてもよい。

【００２６】そして、図３に示したパッケージ底面の第
２の信号伝送線路の終端部に形成されたグランド付きコ
プレーナ線路と、図４に示したコプレーナ線路またはグ
ランド付きコプレーナ線路とを半田バンプにより、中心
導体同士およびグランド層同士を接続することにより、
パッケージ１を外部回路基板１０に対して実装すること
ができる。

【００２７】なお、本発明によれば、高周波用半導体パ
ッケージ１の誘電体基板２や外部回路基板１０は、アル
ミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、ガラスセラミックス、窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）等のセラミ
ックスや、有機樹脂を構成要素とする有機質絶縁材によ
って形成されるが、高周波信号の伝送損失を小さくする
ためには、信号伝送線路の導体としてＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ
等の低抵抗導体を用いることが望ましく、この点からは
前記絶縁基体は焼成温度が８００〜１０００℃程度のガ
ラスセラミックスが最適であり、この組み合わせにより
誘電体基板と第１および第２の信号伝送線路７、８やグ
ランド層６、１５との同時焼成も可能となる。

【００２８】

【実施例】図１の高周波用半導体パッケージにおいて、
誘電率５．６、誘電損失２９．０×１０^-4（測定周波数
６０ＧＨｚ）のガラスセラミックスからなる誘電体基板
に導体として銅を用いて第１、第２の信号伝送線路、グ
ランド層を形成し、第１、第２の信号伝送線路の表面に
は、金めっきを施して高周波用半導体パッケージを作製
した。

【００２９】次に外部回路基板として誘電率９．８、誘
電損失３．０×１０^-4（測定周波数６０ＧＨｚ）のアル
ミナセラミックスからなる誘電体基板を用い、導体に
銅、金を用いて薄膜法によってコプレーナ線路からなる
配線層を形成した。なお、この外部回路基板のパッケー
ジ実装時にスロット孔による電磁結合部に対向する位置
に、縦１．８ｍｍ、横２．０ｍｍ、高さ０．８ｍｍの空
洞部を形成した。

【００３０】その後、図１の高周波用半導体パッケージ
の第２の信号伝送線路における終端部のグランド付きコ
プレーナ線路の中心導体及びグランド層にペースト状の
共晶半田をスクリーン印刷で塗布した後、外部回路基板
のコプレーナ線路からなる配線層上に設置した。その
後、高周波用半導体パッケージと外部回路基板とを２０
０℃程度の温度でリフローしパッケージを外部回路基板
へ表面実装した。

【００３１】次に高周波用半導体パッケージと外部回路
基板との実装部について伝送特性をネットワークアナラ
イザーにより測定した。尚、測定箇所は高周波用半導体
パッケージの半導体素子載置部から外部回路基板上の配
線層までとし、測定のため第１の信号伝送線路は半導体
素子載置部でマイクロストリップ線路からグランド付き
コプレーナ線路に変換した構造とした。その結果を図５
に示した。

【００３２】図５の結果によれば、周波数４５ＧＨｚか
ら６５ＧＨｚにてＳ１１が−１０ｄＢ以下，Ｓ２１が−
１．２ｄＢ以上で伝送することがわかる。

【００３３】比較例 次に図１に示される高周波用半導体パッケージにおい
て、外部回路基板において空洞部を設けない以外は、上
記実施例とまったく同様にしてパッケージを外部回路基
板に表面実装を行い、同様にして、伝送特性を測定し
た。図６にその結果を示した。図６の結果から、外部回
路基板に空隙を設けない場合、周波数が６０ＧＨｚ以上
から６５ＧＨｚにてＳ２１が極端に劣化することから、
高周波信号を半導体素子に伝送することは困難であるこ
とがわかった。

【００３４】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明は半導体素子
搭載面側と誘電体基板の底面に信号伝送線路を形成し、
それらを電磁結合する高周波用半導体パッケージを、外
部回路基板の配線層に実装する構造において、高周波用
半導体パッケージの電磁結合領域に隣接する外部回路基
板に凹部の空洞部を形成することにより、あらゆる外部
回路基板に対して実装時における伝送損失を低減できる
ことできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高周波用半導体パッケージを外部電気
回路基板に表面実装した実装構造を説明するための概略
断面図である。

【図２】図１における高周波用半導体パッケージのキャ
ビティ内の配線を説明するための図である。

【図３】図１における高周波用半導体パッケージの裏面
に形成した配線を説明するための図である。

【図４】図１における外部回路基板表面に配線を説明す
るための図である。

【図５】高周波用半導体パッケージを空洞部を設けた外
部回路基板に表面実装した時の伝送特性結果を示す図で
ある。

【図６】高周波用半導体パッケージを空洞部を設けない
外部回路基板に表面実装した時の伝送特性結果を示す図
である。

【符号の説明】

１ 高周波用半導体パッケージ ２ 誘電体基板 ３ 蓋体 ４ キャビティ ５ 半導体素子 ６ グランド層 ７ 第１の信号伝送線路 ８ 第２の信号伝送線路 ９ スロット孔 １０ 外部回路基板 １１ 空洞部 １２ 配線層 １３ バンプ １４ 電源層 １５ グランド層 １６ ビアホール導体 １７ 中心導体 １８ グランド層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01P 5/08 H01L 23/12 301

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】誘電体基板と蓋体により形成されるキャビ
   ティ内部に高周波用半導体素子が搭載され、前記キャビ
   ティ内部の前記誘電体基板の表面に、前記半導体素子と
   電気的に接続された第１の信号伝送線路と、前記誘電体
   基板の底面に第２の信号伝送線路とを形成し、前記第１
   の信号伝送線路と第２の信号伝送線路を電磁結合させて
   なる高周波用半導体パッケージを、前記第２の信号伝送
   線路の終端部に形成された接続部を介して外部回路基板
   の配線層に実装してなる実装構造であって、高周波用半
   導体パッケージの前記第１の信号伝送線路と第２の信号
   伝送線路から形成される電磁結合領域の直下に位置する
   前記外部回路基板表面に空洞部を設けたことを特徴とす
   る高周波用半導体パッケージの実装構造。