JP3776598B2 - 高周波パッケージ - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速または高周波帯で動作する半導体装置を実装する高周波パッケージに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、情報伝達のパーソナル化、無線化が進んでおり、無線に使用される電波はすでに周波数帯が1〜30GHzであるマイクロ波の領域まで利用されている。さらに今後は周波数帯が30〜300GHzであるミリ波の領域の利用が検討され、30GHz以上で動作する半導体素子も数多く出現している。このため、高周波半導体素子を搭載する高周波用パッケージにおいても高周波用半導体素子が有する性能を最大限まで引き出すことが求められている。
【0003】
しかし、数10GHz以上の信号が伝搬する場合、これまでのパッケージでは考慮する必要がなかった高周波用配線パターンと比較的低周波の信号が伝搬する制御用配線パターンとが電磁界的な結合(カップリング)を発生することで高周波信号線の伝送特性が劣化したり、誤動作を引き起こしたりするという問題が発生している。従来の高周波パッケージはこのような影響を避けるために、高周波信号用配線パターンとバイアスまたは制御用信号を供給する制御用配線パターンとの間隔を大きくして配置したり、分離して配置することでカップリングの発生を防止していたが、カップリングの発生を完全に防止することは不可能であった。また近年においてはパッケージの小型化も求められ、高周波信号用配線パターンと制御用配線パターンとの間隔をこれまで以上に大きくすることは困難である。そこで特開平4−336702号公報に開示されているように、高周波用配線パターンをコプレナ線路で構成する高周波パッケージが提案されている。
【0004】
特開平4−336702号公報に開示される高周波パッケージによると、高周波信号用配線パターンをコプレナ線路で構成することにより、高周波信号用配線パターンと制御配線パターンとがカップリングを発生することを防止しようとしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高周波信号用配線パターンをコプレナ線路で形成すると、接続される高周波用半導体素子の高周波信号用パッドの両側にグランド端子が存在しない場合、コプレナ線路で形成した高周波信号線と高周波半導体素子における高周波信号用パッドとの接続部分におけるモード不整合のため、高周波用信号線の伝送特性が劣化するという問題があった。
【0006】
また、高周波用信号線の伝送特性が劣化を防止するための対策として高周波半導体素子の高周波信号用パッドの両側にグランドパッドを形成すると、半導体素子自体のサイズが大きくなってしまうという問題があった。
【0007】
そこで本発明の目的は、高周波伝送特性の劣化を抑制する高周波パッケージを提供することにある。
また本発明の別の目的は、高周波半導体素子およびパッケージを小型化し、実装面積を小さくすることが可能な高周波パッケージを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に記載の高周波パッケージによると、高周波信号伝送用配線パターンをマイクロストリップ線路で構成することにより高周波部品と高周波信号伝送用配線との接続部でのモード不整合の発生を防止している。さらに制御用配線パターンをコプレナ線路またはグランデッドコプレナ線路で構成することにより高周波信号伝送用配線と制御用配線とのカップリングを除去することで、高周波信号伝送用配線から不要な高周波成分の発生を防止するのではなく、不要な高周波成分が制御用配線に進入することを防止している。したがって、高周波部品と高周波信号伝送用配線との接続部分でモード不整合の発生を防止し、高周波信号伝送用配線と制御用配線との不要なカップリングを除去することができるので、良好な伝送特性を持つ高周波パッケージを得ることができる。
【0009】
本発明の請求項2に記載の高周波パッケージによると、内部高周波信号伝送線路と外部高周波信号伝送線路とを電気的にビアホールで接続し、内部制御信号伝送線路と外部制御信号伝送線路とを電気的にビアホールに接続することにより、高周波パッケージの高周波部品を搭載する側の面と反対側の面に外部高周波信号伝送線路と外部制御信号伝送線路を配置することができる。したがって、各信号伝送線路の実装側の端部と高周波部品とが同一平面上に配置される場合、実装基板側の加工なしに実装基板の表面と同一平面上に高周波パッケージを実装することが可能となり、高周波パッケージの実装を容易に行うことができる。また、高周波部品に封止用のキャップを取り付ける場合、キャップが高周波パッケージの配線に触れることがないので、キャップの取り付けを容易に行うことができる。
【0010】
本発明の請求項3に記載の高周波パッケージによると、金属製のリードを取り付けることで、高周波パッケージを容易に実装基板へ取り付けることができる。
本発明の請求項4に記載の高周波パッケージによると、半田ボール設置することで、高周波パッケージの実装面積を減少させることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す複数の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
(第1実施例)
本発明の第1実施例による高周波パッケージを図1および図2に示す。
図1に示すように、パッケージ基板としての誘電体基板1の中央に凹部が設けられ、半導体素子6などの高周波部品の装架部7を形成し、この装架部7に半導体素子6が配置される。誘電体基板1の表面上にグランド用パターン5と、所定の線路幅を有する高周波用信号線2と、所定の線路幅およびグランド用パターン5と所定の間隔を有する制御用信号線3が形成されている。誘電体基板1の裏面には図2に示すようにグランド用パターン5が形成されている。さらに、表面と裏面のグランド用パターン5を電気的に接続するためにビアホール8が形成されている。裏面のグランド用パターン5と高周波用信号線2により高周波信号伝送線路としてマイクロストリップ線路を形成している。さらに、表面および裏面のグランド用パターン5と制御用信号線3により制御信号伝送線路としてコプレナ線路を形成している。高周波用信号線2の半導体素子6側の端は、半導体素子6の高周波信号用パッド9とワイヤ4などで接続され、制御用信号線3の半導体素子6側の端は、半導体素子6の制御信号用パッドとワイヤ4などで接続される。半導体素子6は、図示しない樹脂あるいは金属製のキャップなどで封止される。
【0012】
第1実施例の高周波パッケージの高周波用信号線2を形成しているマイクロストリップ線路においては、ワイヤ4などの接続部における高周波的なモード不整合の発生を防止するため、線路幅を100〜200μm、線路高を10〜15μm、誘電体基板1の基板の厚さを250μmとすることで、高周波伝送特性の劣化を抑制している。
【0013】
また、上述のように線路幅を小さくすると、高周波信号線2としてのマイクロストリップ線路を構成している接地導体を中心導体に近接させる必要がある。このため、第1実施例においては、誘電体基板1と接地導体とを積層し、誘電体基板1の中間に接地導体を挟みこむように配置することで、接地導体と中心導体とを近接させ、インピーダンス特性を維持している。
さらに、誘電体基板1の中間に接地導体を配置することで、高周波パッケージ自体の強度を向上させることができる。
【0014】
図1に示す第1実施例の高周波パッケージの比較例として従来の高周波パッケージを図11に示す。図11では図1に示す第1実施例と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。従来の高周波パッケージは高周波用信号線2をコプレナ線路で構成することにより、高周波信号線2と制御用信号線とがカップリングを発生することを防止している。
【0015】
次に、従来の高周波パッケージにおける高周波信号線の伝送特性と、第1実施例の高周波パッケージにおける高周波用信号線の伝送特性を図10に示す。両高周波パッケージともに誘電体基板2はアルミナとし、高周波用信号線2、制御用信号線3、グランド用パターン5およびビアホール8はタングステンで形成し、表裏面の配線およびグランド用パターンには金メッキを施した。図10から明らかなように、従来の高周波パッケージは43GHz付近でモード不整合による伝送特性の劣化が見られるが、本発明による第1実施例ではこの伝送特性の劣化が43GHz以上でも見られず、図示していないが50GHzまで良好な伝送特性を得ることができた。
【0016】
(第2実施例)
本発明の第2の実施例による高周波パッケージを図3、図4および図5に示す。第1実施例と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
図3に示すように、誘導体基板1の表面上にグランド用パターン5と、所定の線路幅を有する内側高周波用信号線11と、所定の線路幅およびグランド用パターン5と所定の間隔を有する内側制御用信号線12が形成されている。また、図4に示すように、誘電体基板の裏面上にはグランド用パターン5と、所定の間隔を有する内側制御用信号線12が形成されている。
【0017】
さらに図5に示すように、内側高周波用信号線11と外側高周波用信号線13、内側制御用信号線12と外側制御用信号線14、表面と裏面のグランド用パターン5は、それぞれビアホール8により電気的に接続されている。半導体素子6は封止用キャップ15により封止されている。表面の内側高周波用信号線11と裏面のグランド用パターン5および裏面の外側高周波用信号線13と表面のグランド用パターン5がそれぞれ高周波信号伝送線路としてマイクロストリップ線路を形成し、表面および裏面のグランド用パターン5と内側制御用信号線12および表面および裏面のグランド用パターン5と外側制御用信号線14により制御信号伝送線路としてコプレナ線路を形成している。
【0018】
第2実施例の高周波パッケージの高周波用信号線を形成しているマイクロストリップ線路においても、第1実施例と同様にワイヤ4などの接続部における高周波的なモード不整合の発生を防止するため、線路幅を100〜200μm、線路高を10〜15μm、誘電体基板1の基板の厚さを250μmとすることで、高周波伝送特性の劣化を抑制している。
【0019】
また、第2実施例においても第1実施例と同様に、誘電体基板1と接地導体とを積層し、誘電体基板1の中間に接地導体を挟みこむように配置することで、接地導体と中心導体とを近接させ、インピーダンス特性を維持している。
さらに、誘電体基板1の中間に接地導体を配置することで、高周波パッケージ自体の強度を向上させている。
【0020】
次に、上記の構成の高周波パッケージにおける動作について図3〜図5を用いて説明する。
外側高周波用信号線13に入力された高周波信号はビアホール8を通して内側高周波用信号線11にマイクロストリップ伝搬モードとして伝送される。さらにこの高周波信号はワイヤ4を介して例えばGaAsやSiなどの半導体素子6の高周波信号用パッド9に伝送され、半導体素子6が外部からの高周波信号を受ける。このとき、マイクロストリップ伝搬モードで伝送された高周波信号は半導体素子6と内側高周波用信号線11の接続部においてモード不整合を起こすことなく伝搬される。
【0021】
(第3実施例)
本発明の第3の実施例による高周波パッケージを図6および図7に示す。第2実施例と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
第3実施例においては、外側高周波用信号線13と外側制御用信号線14の端部に、実装用の金属リードとしての外部リード16を設けており、実装基板への搭載が容易になる。
【0022】
(第4実施例)
本発明の第4の実施例による高周波パッケージを図8および図9に示す。第2実施例と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
第4実施例においては、外側高周波用信号線13と外側制御用信号線14の端部に実装用の金属ボールとしての半田ボールを設けており、高周波パッケージの実装面積を減少させることができる。
【0023】
なお、上記の複数の実施例では誘電体基板の一辺につき1本の高周波用信号線を有する場合について述べたが、多端子半導体素子に対応させて2対以上の高周波用信号線を配置する構造としても同様の効果を得ることができる。
【0024】
また、上記の複数の実施例では制御用信号線を一辺につき3対としたが、本発明はこれに限定したものではない。また、上記の複数の実施例では誘電体基板の表面および裏面のグランド用パターンを電気的に接続するためにビアホールを用いているが、スルーホールを用いて接続しても同様の効果を得ることができる。また、上記の複数の実施例では誘電体基板にアルミナを使用したが、誘電体基板として他のセラミック材料あるいは樹脂系材料を用いても同様の効果を得ることができ、配線やビアホール、スルーホール、グランド用パターンはタングステンに限らずCu、Au、Ag、Alなどの金属およびその他の導電性物質でも同様の効果を得ることができる。さらに、上記の複数の実施例では半導体素子と高周波パッケージをワイヤによって接続しているが、これを半田バンプによって接続してもよく、ワイヤによる接続に限ったものではない。
【0025】
以上説明したように本発明の高周波パッケージによると、高周波用信号線をマイクロストリップ線路で構成することにより、高周波パッケージと半導体素子との接続部でのモード不整合を起こすことなく良好な伝送特性を得ることができる。さらに、制御用信号線をコプレナ線路で構成することにより、高周波信号線との不要な電磁界的な結合を防止することができる。したがって、全体として良好な高周波装置を得ることができる。
【0026】
また、本発明の形態を取ることにより、半導体素子側の信号用パッドの両側にグランド用パッドを形成する必要がなくなるため、半導体素子自体が小型化することが可能であり、さらに小型化した半導体素子を含めた高周波パッケージ全体を小型化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例による高周波パッケージの構成を模式的に示した平面図である。
【図2】本発明の第1実施例による高周波パッケージの構成を模式的に示した底面図である。
【図3】本発明の第2実施例による高周波パッケージの構成を模式的に示した平面図である。
【図4】本発明の第2実施例による高周波パッケージの構成を模式的に示した底面図である。
【図5】本発明の第2実施例による高周波パッケージを図3のV−V線で切断した断面図である。
【図6】本発明の第3実施例による高周波パッケージの構成を模式的に示した底面図である。
【図7】本発明の第3実施例による高周波パッケージを図6のVII−VII線で切断した断面図である。
【図8】本発明の第4実施例による高周波パッケージの構成を模式的に示した底面図である。
【図9】本発明の第4実施例による高周波パッケージを図8のIX−IX線で切断した断面図である。
【図10】従来の高周波パッケージと本発明の実施例による高周波パッケージによる高周波用信号線の伝送特性を示すグラフである。
【図11】従来の高周波パッケージの構成を模式的に示した平面図である。
【符号の説明】
1 誘電体基板(パッケージ基板)
2 高周波用信号線(高周波信号伝送用配線パターン)
3 制御用信号線(制御用配線パターン)
4 ワイヤ
5 グランド用パターン
6 半導体素子(高周波部品)
7 装架部
8 ビアホール
9 高周波信号用パッド
10 制御信号用パッド
11 内側高周波用信号線(内部高周波用信号線)
12 内側制御用信号線(内部制御用信号線)
13 外側高周波用信号線(外部高周波用信号線)
14 外側制御用信号線(外部制御用信号線)
15 封止用キャップ
16 外部リード(金属リード)
17 半田ボール(金属ボール)

Claims (4)

  1. 高周波部品が配置されるパッケージ基板と、
    前記高周波部品に入力あるいは前記高周波部品から出力される高周波信号を伝送する高周波信号伝送用配線パターンと、
    前記高周波部品にバイアスまたは制御信号を供給するための低周波信号を伝送する制御用配線パターンとを備え、
    前記高周波信号伝送用配線パターンはマイクロストリップ線路で構成され、前記制御用配線パターンはコプレナ線路またはグランデッドコプレナ線路で構成されていることを特徴とする高周波パッケージ。
  2. 高周波部品が配置されるパッケージ基板と、
    前記パッケージ基板の前記高周波部品を配置するキャビティ側に形成される内部高周波信号伝送線路、および外部実装側に形成される外部高周波信号伝送線路を有し、前記高周波部品に入力あるいは前記高周波部品から出力される高周波信号を伝送する高周波信号伝送用配線パターンと、
    前記キャビティ側に形成される内部制御信号伝送線路、および前記外部実装側に形成される外部制御信号伝送線路を有し、前記高周波部品にバイアスまたは制御信号を供給するための低周波信号を伝送する制御用配線パターンとを備え、
    前記高周波信号伝送用配線パターンはマイクロストリップ線路で構成され、前記制御用配線パターンはコプレナ線路またはグランデッドコプレナ線路で構成され、前記内部高周波信号伝送線路と前記外部高周波信号伝送線路とはビアホールで電気的に接続され、前記内部制御信号伝送線路と前記外部制御信号伝送線路とはビアホールで電気的に接続されていることを特徴とする高周波パッケージ。
  3. 前記外部高周波信号伝送線路の端部と、前記外部制御信号伝送線路の端部との両方に金属リードを備えることを特徴とする請求項2に記載の高周波パッケージ。
  4. 前記外部高周波信号伝送線路の端部と、前記外部制御信号伝送線路の端部との両方に金属ボールを備えることを特徴とする請求項2に記載の高周波パッケージ。
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