JP3435028B2 - 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】本発明は高周波用半導体素子
がいわゆるフリップチップ実装された高周波用半導体装
置に関し、特に基板と半導体素子との接続部の高周波特
性を向上させた高周波用半導体装置に関するものであ
る。 【０００２】 【従来の技術】マイクロ波帯やミリ波帯の高周波信号を
扱う半導体集積回路素子等の高周波用半導体素子は、基
板上に配設された電極パッドに電気的に接続して搭載実
装されるに際して、高周波特性に影響を与える接続部の
導体の長さを極力短くするために、半導体素子の下面に
形成された接続用電極とそれに対応して基板上に配設さ
れた電極パッドとをバンプ（突起電極）等の導電性接続
部材を介して物理的および電気的に接続する、いわゆる
フリップチップ実装により基板に実装されて高周波用半
導体装置とされている。 【０００３】このように高周波用半導体素子をフェース
ダウン方式で基板上にフリップチップ実装する場合、基
板上の電極パッドは、図４に高周波用半導体装置の概略
構成を分解斜視図で示したように、一般的に、配線導体
パターン２が形成された基板１上に絶縁膜３を形成した
後、高周波用半導体素子４の下面の接続用電極（図示せ
ず）に対応して導電性接続部材（図示せず）との接触位
置となる部位にあたる配線導体パターン２の先端部上に
位置する絶縁膜３にコンタクトホールを開けて、このコ
ンタクトホールを介した配線導体パターン２部分を電極
パッド５とする構造が採用されている。 【０００４】また、半導体素子４を基板１上にフリップ
チップ実装する場合の接続用電極と電極パッド５との接
続には大別して次の４種類の方法が採用されている。 【０００５】第１の方法では、基板１上にある配線導体
パターン２の先端部に設けられた電極パッド５上にバン
プを導電性接続部材として形成し、これを半導体素子４
の接続用電極と物理的および電気的に接続する。 【０００６】第２の方法では、半導体素子４の接続用電
極側に予めバンプを設けておき、そのバンプを基板１上
にある配線導体パターン２の先端部に設けられた電極パ
ッド５に接続する。 【０００７】第３の方法では、基板１上の配線導体パタ
ーン２の先端部に設けられた電極パッド５と半導体素子
４の接続用電極との両方にバンプを設け、そのバンプ同
士を接続する。 【０００８】第４の方法では、基板１と半導体素子４の
どちらにもバンプを用いず、異方性導電シートや異方性
導電ペーストを用いて接続する。 【０００９】また、これらのバンプの形成には、ボール
ボンディング装置を用いて形成する方法やメッキ・蒸着
等により形成する方法、転写等の印刷により形成する方
法などが行なわれている。 【００１０】 【発明が解決しようとする課題】このようなフリップチ
ップ実装によって高周波用半導体素子を実装することに
より、半導体素子の接続用電極と基板上の電極パッドと
をボンディングワイヤによって接続する実装形態より
も、高周波用半導体素子と基板間の高周波信号に対する
伝送特性は大幅に改善されるようになった。 【００１１】しかしながら、マイクロ波帯やミリ波帯、
特にミリ波帯のように周波数が極めて高い高周波信号を
伝送する場合は、このように接続部の導体の長さを極力
短くしても、基板上の配線導体パターンの特性インピー
ダンスと高周波用半導体素子の特性インピーダンスとの
不整合が生じ、その不整合が原因となって使用周波数帯
において高周波信号の伝送特性において伝送損失が大き
くなるため、高周波用半導体素子を実装した後に期待し
た特性が得られないという問題点があった。 【００１２】本発明は上記のような従来の問題点を解決
するものであり、マイクロ波帯やミリ波帯等の高周波信
号を扱う高周波用半導体装置において、基板上の配線と
高周波用半導体素子との接続部における特性インピーダ
ンスの整合をとることができ、高周波信号の伝送損失を
低減できて、高周波用半導体素子の特性を十分に活かす
ことのできる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。 【００１３】 【課題を解決するための手段】本発明の高周波用半導体
装置は、下面に接続用電極が形成された高周波用半導体
素子を、上面に高周波信号の伝送線路としての配線導体
パターンおよびこれに形成もしくは接続された、前記接
続用電極に対応した電極パッドが配設された基板に、前
記接続用電極と前記電極パッドとの間に導電性接続部材
を介して物理的および電気的に接続して成る高周波用半
導体装置において、前記電極パッドの前記配線導体パタ
ーンと反対側に、前記高周波信号に対する同調用導体パ
ターンが付加されていることを特徴とするものである。 【００１４】本発明の高周波用半導体装置によれば、基
板上に高周波信号の伝送線路としての配線導体パターン
に形成もしくは接続されて配設された電極パッドに対し
て、高周波用半導体素子の使用周波数に応じた長さ・形
状を有する高周波信号に対する同調用導体パターンが配
線導体パターンと反対側に付加されていることにより、
この同調用導体パターンが高周波信号の伝送線路におけ
るいわゆるスタブの役目を果たし、高周波信号に対する
同調をとることによって基板の配線の特性インピーダン
スと高周波用半導体素子の特性インピーダンスとの整合
をとることができ、その結果、高周波信号の伝送損失を
最も少ない状態にまで低減できて、実装された高周波用
半導体素子の特性を十分に活かすことのできる高周波用
半導体装置となる。 【００１５】 【発明の実施の形態】以下、本発明の高周波用半導体装
置について、図面を参照しながら詳細に説明する。 【００１６】図１は本発明の高周波用半導体装置の実施
の形態の一例における概略構成を示す分解斜視図であ
る。図１において、11は基板、12は基板11上に形成され
た配線導体パターン、13は基板11および配線導体パター
ン12を覆って形成された絶縁層、14は高周波用半導体素
子、15は電極パッドであり、ここでは電極パッド15とし
ては、配線導体パターン12上の高周波用半導体素子14の
下面に形成された接続用電極（図示せず）に対応した部
位の絶縁層13にコンタクトホールを開けることによって
形成された例を示している。そして、16は電極パッド15
に対して付加された高周波信号に対する同調用導体パタ
ーンであり、高周波用半導体素子14の使用周波数に応じ
た長さ・形状を有するものである。 【００１７】なお、図１において、白抜き矢印は高周波
用半導体素子14の実装方向を示しており、基板11上に点
線で囲んだ領域は高周波用半導体素子14が搭載され実装
される半導体素子搭載部を示している。また、高周波用
半導体素子14は、その接続用電極と基板11上の電極パッ
ド15との間に導電性接続部材（図示せず）を介して物理
的および電気的に接続することにより実装される。 【００１８】基板11は、表面の平坦度が良く誘電率が一
定の絶縁基板が好適に用いられ、例えばガラスセラミッ
クス・ムライト・アルミナ等のセラミック基板や石英基
板・ガラス基板・樹脂基板などが用いられる。 【００１９】配線導体パターン12は、基板11上に主に高
周波信号の伝送線路として形成されて高周波回路を構成
するものであり、低抵抗でありかつ耐腐食性に優れる等
の信頼性のある導電材料により構成され、例えばチタン
−白金−金・クロム−銅−ニッケル−金・チタン−金・
クロム−金・ニクロム−金・チタン−パラジウム−金等
の複数層で構成された導体層などが用いられる。中で
も、クロム−銅−ニッケル−金から成る導体層は、低抵
抗でありかつ信頼性が高いことから、本発明の高周波用
半導体装置にとって好適なものである。 【００２０】また、配線導体パターン12は、例えばスパ
ッタリング法や真空蒸着法等の薄膜形成手法により基板
11上に導体層を被着形成した後、フォトリソグラフィ法
とエッチングによって所望の配線導体パターン12を形成
したり、あるいは精度良く厚膜形成技術を用いることに
よって形成される。 【００２１】絶縁層13は、導電性接続部材と電極パッド
15以外の配線導体パターン12とのショートを防止する目
的で形成されるものであり、例えばセラミック基板11で
あればポリイミド樹脂やその他半導体装置作製時の熱処
理プロセスに耐え得る材料等の絶縁性樹脂を用いて基板
11上に従来周知のスピンコート法やカレンダーロール法
等により塗布し、熱処理を行なうことによって形成され
る。 【００２２】なお、この絶縁層13は本発明の高周波用半
導体装置にとって必ずしも必要なものではなく、接続用
電極や電極パッド15の配設ピッチが狭く実装時にショー
トする可能性がある場合や、基板11上の半導体素子搭載
部に配線導体パターン12が形成されている場合等に用い
ればよい。また、この絶縁層13を設けない場合は、導電
性接続部材としてバンプを用いずに、異方性導電シート
や異方性導電ペーストを用いる構成とすればよい。 【００２３】高周波用半導体素子14は、例えばシリコン
やガリウム砒素等から成るベアチップ状態のものであ
り、いわゆるフリップチップ実装用の素子として、その
下面には外部回路基板との接続用電極が形成されてい
る。 【００２４】電極パッド15は、フリップチップ実装にお
いて基板11上に形成された配線導体パターン12と高周波
用半導体素子14の接続用電極とをバンプ等の導電性接続
部材を介して電気的および物理的に接続するためのもの
であり、例えば前述のように、配線導体パターン12上の
接続用電極に対応した部位の絶縁層13にコンタクトホー
ルを開けることによって形成されることによって、接続
用電極に対応して配設されている。なお、電極パッド15
としては、この例のように配線導体パターン12の一部を
利用する形態の他、配線導体パターン12端部に電極パッ
ド15を接続して形成し、両者の材料を変えて、配線導体
パターン12にはコストダウン可能な安価な材料を、電極
パッド15には導電性接続部材との接着性・信頼性の高い
材料を用いるといった構成としてもよいことは勿論であ
る。 【００２５】電極パッド15の寸法は、例えばその表面に
導電性接続部材であるバンプを構成でき、実装上の機械
的精度を満たす大きさとなるように設定すればよい。 【００２６】そして、電極パッド15に付加して形成され
た高周波信号の同調用導体パターン16は、高周波用半導
体素子14の使用周波数に応じた長さ・形状を有すること
により、高周波用伝送線路におけるいわゆる整合回路の
役目を行なう。このように高周波用半導体素子14の接続
用電極および導電性接続部材であるバンプという負荷を
配線導体パターン12という伝送路に直接には接続せず、
伝送路と負荷との間に無損失の付加回路を設けて伝送路
上には反射波が立たないようにすることから、基板11上
の配線導体パターン12の特性インピーダンスと高周波用
半導体素子14の特性インピーダンスとの整合をとること
ができ、配線導体パターン12と高周波用半導体素子14と
の接続部において、高周波用半導体素子14の使用周波数
の高周波信号に対する伝送特性として最も伝送損失が小
さい状態を実現できるものである。 【００２７】この同調用導体パターン16の使用周波数に
応じた長さ・寸法・形状としては、上記の付加回路であ
る整合回路についてはある周波数では整合がとれても異
なる周波数では整合がとれないというのが一般的である
が、その高周波用半導体素子14の使用周波数が整合周波
数となるように整合回路を設計するように設定すればよ
い。これには、例えばウエハープローブを用いて実際に
高周波用半導体素子14を測定する方法や従来の方法でフ
リップチップ実装して測定する方法などにより高周波用
半導体素子14の接続用電極およびバンプのインピーダン
スを測定し、その値を用いてスタブ整合回路である同調
用導体パターン16の右側と左側とでインピーダンスが等
しくなるように設計すればよい。これにより高周波信号
に対する特性インピーダンスの整合を容易にかつ良好に
とることができるものとなる。 【００２８】このような同調用導体パターン16の形状の
例を図２に平面図で示す。図２（ａ）は図１に示した同
調用導体パターン16と同様の形状のものであり、電極パ
ッド15に対して配線導体パターン12と反対側に配線導体
パターン12を延長するように直線的に形成して付加した
例である。図２（ｂ）は電極パッド15に対して配線導体
パターン12と直交するように直線的な形状の同調用導体
パターン16’を形成して付加した例である。図２（ｃ）
は電極パッド15に対して配線導体パターン12と反対側に
扇形の配線導体パターン16”を形成して付加した例であ
り、いわゆるラジアルスタブと同様の役目を行なうもの
となる。これらの同調用導体パターン16・16’・16”の
寸法は、例えば一般的なスタブ整合回路を付加する場合
と同様に、その同調用導体パターン16・16’・16”を付
加する位置すなわち高周波用半導体素子14の接続用電極
およびバンブからスタブまでの距離とスタブの長さを調
整し、同調用導体パターン16・16’・16”と負荷インピ
ーダンスである高周波用半導体素子14とを見込んだイン
ピーダンスを伝送路である配線導体パターン12側の特性
インピーダンスに等しくなるように設定すればよい。 【００２９】また、前述のように配線導体パターン12に
対して電極パッド15を別途形成するような構成とした場
合も同様に設定すればよい。 【００３０】同調用導体パターンとしては他にも種々の
形状、例えば２重スタブや多重スタブとすることがで
き、伝送線路におけるスタブの役目を果して使用周波数
において接続部の伝送損失を抑制できる状態が実現でき
るものであればどのような形状としてもよい。 【００３１】 【実施例】まず、厚さ0.2 ｍｍ・誘電率9.6 のアルミナ
製セラミック基板の下面に厚さ５μｍのクロム−銅−ニ
ッケル−金から成るグランド導体層を被着形成し、基板
の上面に厚さ５μｍ・線幅190 μｍのクロム−銅−ニッ
ケル−金から成るマイクロストリップ線路構造の配線導
体パターンを形成した。 【００３２】次に、この基板および配線導体パターン上
に厚さ10μｍのポリイミド樹脂をスピンコート法により
塗布し、熱処理して絶縁層を形成した後、フォトリソグ
ラフィ法とエッチングにより、この基板上に実装される
高周波用半導体素子の接続用電極に対応した部位の配線
導体パターン上の絶縁層に100 μｍ角のコンタクトホー
ルを開口して電極パッドを形成した。このとき配線導体
パターンを利用して、この電極パッドに対して配線導体
パターンと反対側に幅190 μｍ・長さ250 μｍの図１お
よび図２（ａ）に示した形状の同調用導体パターンが付
加されるようにした。 【００３３】そして、電極パッド上に導電性接続部材と
して直径90μｍ・高さ50μｍの金から成るバンプを形成
し、このバンプを介して電極パッドと高周波用半導体素
子の接続用電極とを物理的および電気的に接続すること
により、フリップチップ実装を行なって、図１に示した
構成の本発明の高周波用半導体装置Ａを作製した。 【００３４】また、これと同様にして、電極パッドに同
調用導体パターンが付加されていない従来の高周波用半
導体装置Ｂも比較例として作製した。 【００３５】これらの高周波用半導体装置ＡおよびＢに
対して、３次元の電磁界解析により抽出した特性から入
力した高周波信号のうちの伝送された量の評価指標とし
て挿入損失量（Ｓ21）を周波数に対する伝送特性として
求めた。この結果を図３に線図で示す。なお、図３にお
いて横軸は周波数（ＧＨｚ）、縦軸は伝送特性である挿
入損失量Ｓ21（ｄＢ）を表わし、ＡおよびＢはそれぞれ
高周波用半導体装置Ａおよび高周波用半導体装置Ｂの特
性曲線を示している。 【００３６】図３の結果より、伝送特性（Ｓ21）が−0.
1 ｄＢになる周波数が従来の高周波用半導体装置Ｂにお
いては約29ＧＨｚであるのに対して、本発明の高周波用
半導体装置Ａにおいては約37ＧＨｚとなっていることが
分かる。 【００３７】これにより、本発明の高周波用半導体装置
によれば、基板側の電極パッドと高周波用半導体素子の
接続用電極との接続部における高周波信号の伝送損失が
効果的に抑制できることが確認できた。 【００３８】なお、本発明は以上の実施の形態に限定さ
れるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種
々の変更や改良を行なうことは何ら差し支えない。 【００３９】 【発明の効果】以上のように、本発明の高周波用半導体
装置によれば、マイクロ波帯やミリ波帯等の高周波信号
を扱う高周波用半導体装置において、基板上に高周波信
号の伝送線路としての配線導体パターンに形成もしくは
接続されて配設された電極パッドに対して高周波用半導
体素子の使用周波数に応じた長さ・形状を有する高周波
信号に対する同調用導体パターンが配線導体パターンと
反対側に付加されていることにより、基板の配線の特性
インピーダンスと高周波用半導体素子の特性インピーダ
ンスとの整合をとることができ、その結果、高周波信号
の伝送損失を最も少ない状態にまで低減できて、実装さ
れた高周波用半導体素子の特性を十分に活かすことので
きる高周波用半導体装置を提供することができた。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の高周波用半導体装置の実施の形態の例
を示す分解斜視図である。 【図２】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の高周波用
半導体装置における同調用導体パターンの例を示す平面
図である。 【図３】高周波用半導体装置における基板と高周波用半
導体素子との間の伝送特性の例を示す線図である。 【図４】従来の高周波用半導体装置の概略構成を示す分
解斜視図である。 【符号の説明】 １、11・・・・・・・基板 ２、12・・・・・・・配線導体パターン ４、14・・・・・・・高周波用半導体素子 ５、15・・・・・・・電極パッド 16、16’、16”・・・同調用導体パターン

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 下面に接続用電極が形成された高周波用
   半導体素子を、上面に高周波信号の伝送線路としての配
   線導体パターンおよびこれに形成もしくは接続された、
   前記接続用電極に対応した電極パッドが配設された基板
   に、前記接続用電極と前記電極パッドとの間に導電性接
   続部材を介して物理的および電気的に接続して成る高周
   波用半導体装置において、前記電極パッドの前記配線導
   体パターンと反対側に、前記高周波信号に対する同調用
   導体パターンが付加されていることを特徴とする高周波
   用半導体装置。