JP3933601B2

JP3933601B2 - High frequency integrated circuit package and electronic device

Info

Publication number: JP3933601B2
Application number: JP2003114614A
Authority: JP
Inventors: 哲増田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2003-04-18
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2023-04-18
Also published as: JP2004319905A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波集積回路パッケージ及び電子装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超高速光通信用集積回路パッケージや、マイクロ及びミリ波集積回路パッケージは、マイクロ波集積回路素子（ＭＭＩＣ）をパッケージ基板にフリップチップ実装して構成されている。パッケージ基板としてはセラミック基板が使用されている。集積回路素子を保護するために、集積回路素子はキャップで気密封止されている（例えば、特許文献１参照）。そして、集積回路素子より出力する信号はパッケージ基板の表面の信号配線からスルーホールを介してパッケージ基板の裏面の信号配線へ取り出される（例えば、特許文献１参照）。しかし、この場合、セラミック基板やキャップは高価な部品であるため、低価格化が難しい。
【０００３】
低価格化を実現する方法として、パッケージ基板として安価な有機基板を用い、さらにキャップによる気密封止に代わって、モールド樹脂による封止へ変更することが有効である（例えば、特許文献２、３参照）。例えば、特許文献２では、集積回路素子をモールド樹脂によって封止した場合には、集積回路素子とパッケージ基板との間に入り込んだ樹脂の誘電率が空気よりも大きいために集積回路素子の特性が変化するのを防止するためには、集積回路素子とパッケージ基板との間の樹脂に空洞を設けるようになっている。また、特許文献３では、パッケージ基板として有機基板を用い、パッケージ基板をより薄くしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１９５９８８号公報
【特許文献２】
特開２００１−６０６４２号公報
【特許文献３】
特開２００１−１２７２３７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
高周波集積回路パッケージでは、パッケージ基板の表面に信号配線が形成され、この信号配線はスルーホールを介してパッケージ基板の裏面の信号配線に接続される。高周波集積回路パッケージでは、集積回路素子の性能を劣化させることなく信号を取り出すことや、信号のクロストークによる性能劣化を抑制するために信号配線間のアイソレーションを十分確保することが要求されている。このため、パッケージ基板の表面の信号配線は、マイクロストリップ線路、またはコプレーナ線路などの伝送線路で構成される。マイクロストリップ線路においては、パッケージ基板の表面に設けられた信号配線に対して、パッケージ基板の裏面に広い接地導体が設けられる。コプレーナ線路においては、パッケージ基板の表面に、信号配線と、この信号配線の両側にこの信号配線とは間隔をあけて接地導体とが設けられる。
【０００６】
高周波集積回路パッケージが周波数が数GHz の領域の信号を扱う場合には、マイクロストリップ線路やコプレーナ線路などの伝送線路によって要求を満足することができる。しかし、より高い周波数の領域の信号を扱う場合には、例えば、３０GHz 以上の高周波において使用される高周波集積回路パッケージの場合には、モールド樹脂に起因する以下の問題があった。（ａ）モールド樹脂は誘電損失が空気の誘電損失に比べて大きいため、パッケージ基板上の配線損失が高周波で大きくなり、集積回路素子の性能を劣化させてしまう。（ｂ）モールド樹脂は比誘電率が空気の比誘電率に比べて大きいため、信号配線間の容量結合が大きくなり、配線間のアイソレーションが劣化する。（ｃ）半導体集積回路素子にモールド樹脂が付着することから、樹脂の比誘電率が空気の比誘電率に比べて大きいため、寄生容量が増加し、集積回路素子の特性が増加する。
【０００７】
本発明の目的は、安価で且つ周波数特性に優れた高周波集積回路パッケージを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による高周波集積回路パッケージは、パッケージ基板の表面に集積回路素子がフリップチップ実装され、前記集積回路素子はパッケージ基板上で樹脂で封止され、パッケージ基板の表面には集積回路素子に接続される信号配線と、該信号配線の両側に該信号配線とは間隔をあけて設けられた接地導体とがコプレーナー線路として設けられ、パッケージ基板の裏面にはパッケージ基板の表面の信号配線に接続される信号配線及び接地導体が設けられ、パッケージ基板の裏面の信号配線にははんだボールが接続されており、パッケージ基板の表面の接地導体と裏面の接地導体とはスルーホールで接続され、パッケージ基板の表面のコプレーナ線路と裏面の接地導体とからなる線路が形成されることを特徴とするものである。
【０００９】
この構成によれば、コプレーナ線路と接地導体とからなる線路を採用することにより、マイクロストリップ線路やコプレーナ線路に比べ、パッケージ基板内に電界を集中させることができるために、モールド樹脂の影響を抑制でき、配線損失を低減することができる。また、同じ理由により、線路間のクロストークが低減され、線路間のアイソレーションを確保することができる。
【００１０】
好ましくは、パッケージ基板の表面の接地導体とパッケージ基板の裏面の接地導体は複数のスルーホールによって接続されており、該スルーホールは信号配線に沿って１／２実効波長以下の間隔で設けられている。
【００１１】
好ましくは、集積回路素子はマイクロ波集積回路素子からなり、該マイクロ波集積回路素子は基板と複数の配線層及び層間絶縁膜を含む多層配線構造とを備え、前記多層配線構造において、高周波信号を伝送する信号配線が前記信号配線よりも上層にある接地導体によって覆われている。
【００１２】
本発明による電子装置は、前記した高周波集積回路パッケージと、該高周波集積回路パッケージにはんだボールを用いて実装されている有機材料製のマザーボードとからなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施例による高周波集積回路パッケージを示す断面図である。図２は樹脂モールド前の図１の高周波集積回路パッケージを示す平面図である。図１及び図２において、高周波集積回路パッケージ１０は、パッケージ基板１２と、パッケージ基板１２の表面にフリップチップ実装された集積回路素子１４とを備える。集積回路素子１４はモールド樹脂１６で封止されている。樹脂１６ａが集積回路素子１４とパッケージ基板１２との間に充填されている。
【００１５】
パッケージ基板１２はポリイミド等の有機系絶縁基板からなる。集積回路素子１４はマイクロ波集積回路素子（ＭＭＩＣ）からなり、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の基板（半導体チップ）１８の表面にトランジスタ、キャパシタ、および抵抗等のコンポーネントが形成されている。半導体チップ１８の表面には配線構造２０が設けられる。実施例においては、配線構造２０はコプレーナ線路を形成する信号配線２２及び接地導体２４を含む。２２ａは信号配線２２の端子部である。
【００１６】
パッケージ基板１２の表面には信号配線２６、電源配線２８、及び接地導体３０が設けられる。集積回路素子１４の信号配線２２及び電源配線はピラー３２によりパッケージ基板１２の表面の信号配線２６及び電源配線２８に接続される。ピラー３２ははんだバンプとすることができる。パッケージ基板１２の表面の信号配線２６及び電源配線２８はパッケージ基板１２の集積回路素子１４に相当する中央部分から外部へほぼ放射状に線状に延びる。接地導体３０は少なくとも信号配線２６の両側に信号配線２６とは間隔をあけて設けられ、パッケージ基板１２の表面の信号配線２６と接地導体３０とはコプレーナ線路を形成する。
【００１７】
パッケージ基板１２の裏面にはパッケージ基板１２の表面の信号配線２６、電源配線２８、及び接地導体３０に接続される信号配線３４、電源配線、及び接地導体３６が設けられる。パッケージ基板１２の表面の信号配線２６、電源配線２８はそれぞれスルーホール３８によりパッケージ基板１２の裏面の信号配線３４、電源配線に接続される。また、パッケージ基板１２の表面の接地導体３０はスルーホール４０によりパッケージ基板１２の裏面の接地導体３６に接続される。従って、パッケージ基板１２の表面のコプレーナ線路とパッケージ基板１２の裏面の接地導体３６は特別の線路（グランデドコプレーナ線路という）を形成する。
【００１８】
パッケージ基板１２の裏面の信号配線３４及び電源配線にははんだボール４２が接続されている。パッケージ基板１２の裏面の信号配線３４及び電源配線ははんだボール４２を設ける端子としての比較的に小さな面積のものでよく、パッケージ基板１２の裏面の接地導体３６はほぼ裏面全体を覆う大きな面積をもつように形成されることができる。はんだボール４２の材料はＳｎＺｎＡｌやＳｎＡｇＣｕである。また、はんだ搭載のために、はんだ搭載部にレジストの開口部が形成され、はんだは流れないようにすることができる。
【００１９】
この構成によれば、グランデドコプレーナ線路を採用することにより、マイクロストリップ線路やコプレーナ線路に比べ、パッケージ基板１２内に電界を集中させることができ、よってモールド樹脂１６、１６ａの影響を抑制でき、配線損失を低減することができる。また、同じ理由により、線路間のクロストークが低減され、線路間のアイソレーションを確保することができる。
【００２０】
パッケージ基板１２の表面の接地導体３０は線状の信号配線２６の両側に信号配線２６とは間隔をあけて設けられる。高周波集積回路パッケージでは信号配線２６の本数はそれほど多くなく、接地導体３０は比較的に大きな面積を占める。パッケージ基板１２の表面の接地導体３０とパッケージ基板１２の裏面の接地導体３６とは、信号配線２６の両側に、信号配線２６に沿ってほぼ一定のピッチで密に配置されている多数のスルーホール４０によって接続されている。従って、各信号配線２６は密に配置されているスルーホール４０によって隣の信号配線２６と分離される。好ましくは、スルーホール４０は信号配線２６に沿って１／２実効波長以下の間隔ａで設けられている。
【００２１】
このようにすることで、パッケージ基板１２の表面のコプレーナ線路を構成する接地導体３０と、パッケージ基板１２の裏面の接地導体３６との間を伝播する不要モードを抑制することができ、ミリ波以上の周波数においても配線損失の小さいパッケージ基板の配線特性を得ることができる。
【００２２】
また、集積回路素子１４の基板（半導体チップ）１８を化合物半導体（ＧａＡｓ、ＩｎＰ）で構成すると、Ｓｉに比べ電子移動度の大きな能動素子を作製できるため、高性能な高周波集積回路を実現できる。
【００２３】
また、パッケージ基板１２がポリイミドを用いた基板であるのが好ましい。ポリイミドは５０μｍ程度の薄い基板に形成できるため、放熱性に優れていると同時に、高周波信号をパッケージ基板１２の裏面に取り出す際のスルーホール部による反射特性劣化の影響を低減することができる。そのため、高出力でかつ高周波向け半導体集積回路モジュールを実現することができる。
【００２４】
図３は本発明の他の実施例による高周波集積回路パッケージを示す断面図である。この実施例は、図１の実施例とほぼ同様であるが、相違点は、マイクロ波集積回路素子（ＭＭＩＣ）からなる集積回路素子１４の半導体チップ１８の表面の配線構造２０にある。
【００２５】
図３においては、配線構造２０は、複数の配線層２０ａ及び有機系層間絶縁膜２０ｂを含む多層配線構造として構成される。多層配線構造において、高周波信号を伝送する信号配線２２が同信号配線２２よりも上層（半導体チップ１８から遠い層）にある接地導体２４によって覆われている。図３においては、広い面積を占める接地導体２４が配線構造２０の表面にあり、パッケージ基板１２の表面のコプレーナ線路を構成する接地導体３０と対向している。接地導体２４と接地導体３０とはスルーホールによって接続される。従って、樹脂１６ａがパッケージ基板１２と集積回路素子１４との間に充填されていても、接地導体２４と接地導体３０との間に形成される寄生容量を防止することができる。
【００２６】
信号配線２２と接地導体２４とはマイクロストリップ線路を形成する。信号配線２２がマイクロストリップ線路により電磁界的に外界から遮蔽されるため、モールド樹脂１６による半導体チップ１８の特性の変化を抑制することができる。そのため、モールド樹脂１６で封止した状態で３０GHz を越える周波数で動作するＭＭＩＣモジュールを作製することができる。有機系層間絶縁膜２０ｂはポリイミド（ＰＩ）やベンゾサイクロブテン（ＢＣＢ）を用いることができる。これらの誘導体は誘電率が小さく、低誘電体損失の材料であるため、高周波特性に優れた半導体集積回路を実現できる。
【００２７】
この例でも、パッケージ基板１２の表面の信号配線２６と接地導体３０とはコプレーナ線路を形成する。パッケージ基板１２の表面の接地導体３０はスルーホール４０によりパッケージ基板１２の裏面の接地導体３６に接続される。従って、パッケージ基板１２の表面のコプレーナ線路とパッケージ基板１２の裏面の接地導体３６はグランデドコプレーナ線路を形成する。
【００２８】
集積回路素子１４とパッケージ基板１２を接続するピラー３２はメッキ法で形成した金ピラーを用いる。しかし、これはワイヤボンディング法で形成したスタッドバンプでもよい。このピラーやバンプは量産性と精度の観点から集積回路素子１２側に形成される。
【００２９】
有機パッケージ基板１２へのフリップチップ実装は、例えば、無機質のフィラーの入った非導電性樹脂を有機パッケージ基板１２に塗布し、次に、集積回路素子１４と有機パッケージ基板１２とを温度２５０℃、５秒の条件で圧接することで集積回路素子１４と有機パッケージ基板１２とを接続することができる。非導電性樹脂の代わりに導電性粒子を含む導電性樹脂でもよく、また３００℃以上で接続するＡｕ−Ａｕ熱圧着法でもよい。
【００３０】
また、集積回路素子１４の配線に金を用いたが、銅やアルミであってもよい。また、半導体基板１８にＧａＡｓを用いたが、ＩｎＰでもＳｉでもよく、ウエハ上に導体層をエピタキシャル成長で形成した基板でも、イオン注入で形成した基板でもよい。有機基板上の配線材料は、チップ搭載面はバンプ材料が金である場合、少なくとも表面は金となっている。裏面は、Ｃｕでも、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕでもよい。金は電界メッキ法や無電界メッキ法で作製することができる。
【００３１】
図４は本発明による高周波集積回路パッケージ１０とマザーボード５０とからなる電子装置を示す断面図である。図４の高周波集積回路パッケージ１０は図３の高周波集積回路パッケージ１０と同じである。ただし、この場合、図１及び図２の高周波集積回路パッケージ１０をマザーボード５０に搭載することもできる。
【００３２】
マザーボード５０の表面には信号配線、電源配線および接地導体を形成する導体層５２がある。高周波集積回路パッケージ１０ははんだボール４２を用いてマザーボード５０に実装される。すなわち、はんだボール４２が導体層５２の信号配線、電源配線および接地導体の端子に接続される。
【００３３】
マザーボード５０には例えばガラスエポキシ基板を用い、同基板上にフラックスを塗布し、次に、高周波集積回路パッケージ１０のはんだボール４２をマザーボード５０上の端子に位置を合わせて搭載し、例えば２４０℃の条件でリフローを行い、次にフラックス洗浄を行って高周波パッケージ集積回路モジュール（電子装置）を作製することができる。
【００３４】
はんだボール４２を用いた実装によれば、ワイヤボンディングやリボンボンディングに比べ短い接続長で高周波集積回路パッケージ１０をマザーボード５０と接続することができるため、高周波においてもこの接続部の反射特性劣化が少なく、より高周波のシステムに向けた高周波集積回路モジュールを実現することができる。
【００３５】
図５は電磁界シミュレータにより計算した樹脂封止したときの本発明の高周波集積回路パッケージ１０の等電位分布を示している。本発明の高周波集積回路パッケージ１０はグランデドコプレーナ線路（ＧＣＰＷ）を形成したものである。図６は電磁界シミュレータにより計算した樹脂封止したときの従来の高周波集積回路パッケージの等電位分布を示している。従来の高周波集積回路パッケージはマイクロストリップ線や（ＭＳＬ）を形成したものである。
【００３６】
パッケージ基板として有機基板１２を用い、その表面と裏面に配線が形成されている。モールド樹脂１６の影響を低減する場合、モールド樹脂１６中に等電位分布の広がりが少ない方が好ましい。また、信号配線間のクロストークを低減する場合、やはり等電位分布の広がりが少ない方が望ましい。
【００３７】
図６に示すＭＳＬの場合、信号配線２６からモールド樹脂１６へ等電位分布が広がっている。これは、モールド樹脂１６の誘電損失の影響を大きく受けていることを示しており、配線損失が大きく、高周波では使用することが難しい。また、線路間アイソレーションも良好ではない。
【００３８】
図５に示すＧＣＰＷの場合、等電位分布は有機基板１２中に閉じ込められており、モールド樹脂１６の影響を低減できる構造であることが分かる。また、線路間アイソレーションもＭＳＬと比べ良好であると推測できる。
【００３９】
図７は電磁界シミュレータにより計算した線路間アイソレーションを示す図である。計算のモデルにおいては、長さＬの２つの信号配線２６を間隔ｄで対向させ、ＭＳＬの場合とＧＣＰＷの場合を計算した。間隔ｄは０．８mm、長さＬは１mmである。図７の結果より、ＧＣＰＷの方がＭＳＬに比べ１０dB以上アイソレーション特性に優れていることが分かる。実際にこのＧＣＰＷ配線特性を評価するため、配線ＴＥＧを試作した。
【００４０】
図８は樹脂封止したときの本発明の高周波集積回路パッケージ１０の伝送特性を示す図である。ＧＣＰＷ線路を形成したポリイミドのパッケージ基板１２の厚さは５０μｍであり、モールド樹脂１６の厚さは１mmである。図８は長さ５mmのＧＣＰＷ配線特性の測定結果を示す。
【００４１】
反射特性は１１０GHz まで−１０dB以下と良好で、配線損失は８０GHz において０．３４dB／mmと低損失であることが分かった。このことから、本発明に従って、ＧＣＰＷ線路とすることにより、高性能なモールド樹脂封止高周波集積回路パッケージを作製できることができた。
【００４２】
以上に説明した本発明の例は以下の特徴を含む。
【００４３】
（付記１）パッケージ基板の表面に集積回路素子がフリップチップ実装され、前記集積回路素子はパッケージ基板上で樹脂で封止され、パッケージ基板の表面には集積回路素子に接続される信号配線及び接地導体がコプレーナ線路として設けられ、パッケージ基板の裏面にはパッケージ基板の表面の信号配線に接続される信号配線及び接地導体が設けられ、パッケージ基板の裏面の信号配線にははんだボールが接続されており、パッケージ基板の表面の接地導体と裏面の接地導体とはスルーホールで接続され、パッケージ基板の表面のコプレーナ線路と裏面の接地導体とからなる線路が形成されることを特徴とする高周波集積回路パッケージ。（１）
（付記２）集積回路素子とパッケージ基板の表面との間に樹脂が充填されていることを特徴とする付記１に記載の高周波集積回路パッケージ。
【００４４】
（付記３）パッケージ基板の表面の信号配線は線状に延び、パッケージ基板の表面の接地導体は該線状の信号配線の両側に該信号配線とは間隔をあけて設けられることを特徴とする付記１に記載の高周波集積回路パッケージ。
【００４５】
（付記４）パッケージ基板の表面の接地導体とパッケージ基板の裏面の接地導体は複数のスルーホールによって接続されており、該スルーホールは信号配線に沿って１／２実効波長以下の間隔で設けられていることを特徴とする付記３に記載の高周波集積回路パッケージ。（２）
（付記５）集積回路素子はマイクロ波集積回路素子からなり、該マイクロ波集積回路素子はコプレーナ線路を形成する信号配線及び接地導体を含む配線構造を備えることを特徴とする付記１に記載の高周波集積回路パッケージ。
【００４６】
（付記６）集積回路素子はマイクロ波集積回路素子からなり、該マイクロ波集積回路素子は基板と複数の配線層及び層間絶縁膜を含む多層配線構造とを備え、前記多層配線構造において、高周波信号を伝送する信号配線が前記信号配線よりも上層にある接地導体によって覆われていることを特徴とする付記１に記載の高周波集積回路パッケージ。（３）
（付記７）集積回路素子の層間絶縁膜はポリイミド又はＢＣＢを含む有機系層間絶縁膜からなることを特徴とする付記６に記載の高周波集積回路パッケージ。
【００４７】
（付記８）集積回路素子の基板が化合物半導体（ＧａＡｓ、ＩｎＰ）からなることを特徴とする付記５又は６に記載の高周波集積回路パッケージ。
【００４８】
（付記９）パッケージ基板がポリイミドからなる基板であることを特徴とする付記１に記載の高周波パッケージ集積回路。
【００４９】
（付記１０）付記１から９の１項に記載の高周波集積回路パッケージと、該高周波集積回路パッケージにはんだボールを用いて実装されている有機材料製のマザーボードとからなることを特徴とする電子装置。（４）
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、安価で、高性能な高周波集積回路パッケージ及び電子装置及び電子装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施例による高周波集積回路パッケージを示す断面図である。
【図２】図２は樹脂モールド前の図１の高周波集積回路パッケージを示す平面図である。
【図３】図３は本発明の他の実施例による高周波集積回路パッケージを示す断面図である。
【図４】図４は本発明による高周波集積回路パッケージとマザーボードとからなる電子装置を示す断面図である。
【図５】図５は電磁界シミュレータにより計算した樹脂封止したときの本発明の高周波集積請回路パッケージの等電位分布を示す図である。
【図６】図６は電磁界シミュレータにより計算した樹脂封止したときの従来の高周波集積回路パッケージの等電位分布を示す図である。
【図７】図７は電磁界シミュレータにより計算した線路間アイソレーションを示す図である。
【図８】図８は樹脂封止したときの本発明の高周波集積回路パッケージの伝送特性を示す図である。
【符号の説明】
１０…高周波集積回路パッケージ
１２…パッケージ基板
１４…集積回路素子
１６…モールド樹脂
１８…半導体チップ
２０…配線構造
２２…信号配線
２４…接地導体
２６…信号配線
２８…電源配線
３０…接地導体
３２…ピラー
３４…信号配線
３６…接地導体
３８…スルーホール
４０…スルーホール
４２…はんだホール
５０…マザーボード
５２…導体層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high frequency integrated circuit package and an electronic device.
[0002]
[Prior art]
Conventional ultra-high speed optical communication integrated circuit packages and micro and millimeter wave integrated circuit packages are configured by flip-chip mounting a microwave integrated circuit element (MMIC) on a package substrate. A ceramic substrate is used as the package substrate. In order to protect the integrated circuit element, the integrated circuit element is hermetically sealed with a cap (see, for example, Patent Document 1). Then, a signal output from the integrated circuit element is taken out from the signal wiring on the front surface of the package substrate to the signal wiring on the back surface of the package substrate through a through hole (for example, see Patent Document 1). However, in this case, since the ceramic substrate and the cap are expensive parts, it is difficult to reduce the price.
[0003]
As a method for reducing the price, it is effective to use an inexpensive organic substrate as a package substrate and to change to sealing with a mold resin instead of hermetic sealing with a cap (for example, Patent Documents 2 and 3). reference). For example, in Patent Document 2, when an integrated circuit element is sealed with a mold resin, the dielectric constant of the resin that has entered between the integrated circuit element and the package substrate is larger than that of air. In order to prevent the change, a cavity is provided in the resin between the integrated circuit element and the package substrate. In Patent Document 3, an organic substrate is used as the package substrate, and the package substrate is made thinner.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2000-195988 A [Patent Document 2]
JP 2001-60642 A [Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-127237
[Problems to be solved by the invention]
In the high frequency integrated circuit package, signal wiring is formed on the surface of the package substrate, and this signal wiring is connected to the signal wiring on the back surface of the package substrate through a through hole. In a high-frequency integrated circuit package, it is required to ensure sufficient isolation between signal wires in order to extract signals without degrading the performance of integrated circuit elements and to suppress performance degradation due to signal crosstalk. . For this reason, the signal wiring on the surface of the package substrate is constituted by a transmission line such as a microstrip line or a coplanar line. In the microstrip line, a wide ground conductor is provided on the back surface of the package substrate with respect to the signal wiring provided on the front surface of the package substrate. In the coplanar line, a signal wiring is provided on the surface of the package substrate, and a ground conductor is provided on both sides of the signal wiring so as to be spaced from the signal wiring.
[0006]
When a high-frequency integrated circuit package handles signals in the frequency range of several GHz, the requirements can be satisfied by a transmission line such as a microstrip line or a coplanar line. However, when a signal in a higher frequency region is handled, for example, in the case of a high-frequency integrated circuit package used at a high frequency of 30 GHz or more, there are the following problems caused by the mold resin. (A) Since the dielectric loss of the mold resin is larger than the dielectric loss of air, the wiring loss on the package substrate is increased at a high frequency, and the performance of the integrated circuit element is deteriorated. (B) Since the relative permittivity of the mold resin is larger than the relative permittivity of air, the capacitive coupling between the signal wirings is increased, and the isolation between the wirings is deteriorated. (C) Since the mold resin adheres to the semiconductor integrated circuit element, since the relative dielectric constant of the resin is larger than the relative dielectric constant of air, the parasitic capacitance increases and the characteristics of the integrated circuit element increase.
[0007]
An object of the present invention is to provide a high-frequency integrated circuit package that is inexpensive and excellent in frequency characteristics.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the high-frequency integrated circuit package according to the present invention, the integrated circuit element is flip-chip mounted on the surface of the package substrate, the integrated circuit element is sealed with resin on the package substrate, and the surface of the package substrate is connected to the integrated circuit element. Signal wiring and ground conductors spaced apart from the signal wiring on both sides of the signal wiring are provided as coplanar lines, and the back surface of the package substrate is connected to the signal wiring on the front surface of the package substrate. A signal wiring and a ground conductor are provided, and solder balls are connected to the signal wiring on the back surface of the package substrate, and the ground conductor on the front surface of the package substrate and the ground conductor on the back surface are connected through a through-hole. A line composed of the coplanar line and the ground conductor on the back surface is formed.
[0009]
According to this configuration, by adopting a line composed of a coplanar line and a ground conductor, an electric field can be concentrated in the package substrate compared to a microstrip line or a coplanar line, thereby suppressing the influence of the mold resin. Wiring loss can be reduced. For the same reason, crosstalk between lines is reduced, and isolation between lines can be ensured.
[0010]
Preferably, the ground conductor on the front surface of the package substrate and the ground conductor on the back surface of the package substrate are connected by a plurality of through holes, and the through holes are provided at intervals of ½ effective wavelength or less along the signal wiring. Yes.
[0011]
Preferably, the integrated circuit element includes a microwave integrated circuit element, and the microwave integrated circuit element includes a substrate, a multilayer wiring structure including a plurality of wiring layers and an interlayer insulating film, and the high-frequency signal is transmitted in the multilayer wiring structure. The signal wiring to be transmitted is covered with a ground conductor in an upper layer than the signal wiring.
[0012]
The electronic device according to the present invention includes the above-described high-frequency integrated circuit package and a mother board made of an organic material mounted on the high-frequency integrated circuit package using solder balls.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 is a sectional view showing a high-frequency integrated circuit package according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view showing the high-frequency integrated circuit package of FIG. 1 before resin molding. 1 and 2, the high-frequency integrated circuit package 10 includes a package substrate 12 and an integrated circuit element 14 flip-chip mounted on the surface of the package substrate 12. The integrated circuit element 14 is sealed with a mold resin 16. Resin 16 a is filled between the integrated circuit element 14 and the package substrate 12.
[0015]
The package substrate 12 is made of an organic insulating substrate such as polyimide. The integrated circuit element 14 is formed of a microwave integrated circuit element (MMIC), and components such as transistors, capacitors, and resistors are formed on the surface of a substrate (semiconductor chip) 18 such as GaAs or InP. A wiring structure 20 is provided on the surface of the semiconductor chip 18. In the embodiment, the wiring structure 20 includes a signal wiring 22 and a ground conductor 24 that form a coplanar line. Reference numeral 22 a denotes a terminal portion of the signal wiring 22.
[0016]
A signal wiring 26, a power supply wiring 28, and a ground conductor 30 are provided on the surface of the package substrate 12. The signal wiring 22 and the power wiring of the integrated circuit element 14 are connected to the signal wiring 26 and the power wiring 28 on the surface of the package substrate 12 by the pillar 32. The pillar 32 can be a solder bump. The signal wirings 26 and the power supply wirings 28 on the surface of the package substrate 12 extend linearly from the central portion corresponding to the integrated circuit elements 14 of the package substrate 12 to the outside in a substantially radial manner. The ground conductor 30 is provided at least on both sides of the signal wiring 26 at a distance from the signal wiring 26, and the signal wiring 26 on the surface of the package substrate 12 and the ground conductor 30 form a coplanar line.
[0017]
On the back surface of the package substrate 12, signal wiring 26, power wiring 28, and signal wiring 34 connected to the ground conductor 30, power wiring, and ground conductor 36 are provided on the front surface of the package substrate 12. The signal wiring 26 and the power wiring 28 on the front surface of the package substrate 12 are connected to the signal wiring 34 and the power wiring on the back surface of the package substrate 12 through the through holes 38, respectively. The ground conductor 30 on the front surface of the package substrate 12 is connected to the ground conductor 36 on the back surface of the package substrate 12 through a through hole 40. Therefore, the coplanar line on the front surface of the package substrate 12 and the ground conductor 36 on the back surface of the package substrate 12 form a special line (referred to as a grand coplanar line).
[0018]
Solder balls 42 are connected to the signal wiring 34 and the power supply wiring on the back surface of the package substrate 12. The signal wiring 34 and the power supply wiring on the back surface of the package substrate 12 may have a relatively small area as a terminal on which the solder ball 42 is provided, and the ground conductor 36 on the back surface of the package substrate 12 has a large area covering almost the entire back surface. Can be formed as follows. The material of the solder ball 42 is SnZnAl or SnAgCu. Further, for solder mounting, a resist opening is formed in the solder mounting portion, so that the solder can be prevented from flowing.
[0019]
According to this configuration, by adopting the grand coplanar line, the electric field can be concentrated in the package substrate 12 as compared with the microstrip line and the coplanar line, and thus the influence of the mold resins 16 and 16a can be suppressed. Wiring loss can be reduced. For the same reason, crosstalk between lines is reduced, and isolation between lines can be ensured.
[0020]
The ground conductor 30 on the surface of the package substrate 12 is provided on both sides of the linear signal wiring 26 with a space from the signal wiring 26. In the high-frequency integrated circuit package, the number of signal wires 26 is not so large, and the ground conductor 30 occupies a relatively large area. The ground conductor 30 on the front surface of the package substrate 12 and the ground conductor 36 on the back surface of the package substrate 12 are a large number of through holes that are densely arranged on the both sides of the signal wiring 26 along the signal wiring 26 at a substantially constant pitch. 40 is connected. Therefore, each signal wiring 26 is separated from the adjacent signal wiring 26 by the densely arranged through holes 40. Preferably, the through-holes 40 are provided along the signal wiring 26 with an interval a of ½ effective wavelength or less.
[0021]
By doing in this way, the unnecessary mode which propagates between the ground conductor 30 which comprises the coplanar track | line of the surface of the package board | substrate 12, and the ground conductor 36 of the back surface of the package board | substrate 12 can be suppressed, and more than a millimeter wave The wiring characteristics of the package substrate with a small wiring loss can be obtained even at the above frequency.
[0022]
Further, if the substrate (semiconductor chip) 18 of the integrated circuit element 14 is made of a compound semiconductor (GaAs, InP), an active element having a higher electron mobility than Si can be manufactured, so that a high-performance high-frequency integrated circuit can be realized.
[0023]
The package substrate 12 is preferably a substrate using polyimide. Since polyimide can be formed on a thin substrate of about 50 μm, it is excellent in heat dissipation, and at the same time, it is possible to reduce the influence of reflection characteristic deterioration due to the through-hole portion when a high frequency signal is taken out to the back surface of the package substrate 12. Therefore, a semiconductor integrated circuit module with high output and high frequency can be realized.
[0024]
FIG. 3 is a sectional view showing a high frequency integrated circuit package according to another embodiment of the present invention. This embodiment is substantially the same as the embodiment of FIG. 1, except for the wiring structure 20 on the surface of the semiconductor chip 18 of the integrated circuit element 14 made of a microwave integrated circuit element (MMIC).
[0025]
In FIG. 3, the wiring structure 20 is configured as a multilayer wiring structure including a plurality of wiring layers 20a and an organic interlayer insulating film 20b. In the multilayer wiring structure, a signal wiring 22 for transmitting a high-frequency signal is covered with a ground conductor 24 in an upper layer (a layer far from the semiconductor chip 18) than the signal wiring 22. In FIG. 3, the ground conductor 24 occupying a large area is on the surface of the wiring structure 20 and faces the ground conductor 30 constituting the coplanar line on the surface of the package substrate 12. The ground conductor 24 and the ground conductor 30 are connected by a through hole. Therefore, even if the resin 16 a is filled between the package substrate 12 and the integrated circuit element 14, the parasitic capacitance formed between the ground conductor 24 and the ground conductor 30 can be prevented.
[0026]
The signal wiring 22 and the ground conductor 24 form a microstrip line. Since the signal wiring 22 is shielded from the outside by an electromagnetic field by the microstrip line, a change in the characteristics of the semiconductor chip 18 due to the molding resin 16 can be suppressed. Therefore, an MMIC module that operates at a frequency exceeding 30 GHz while being sealed with the mold resin 16 can be manufactured. For the organic interlayer insulating film 20b, polyimide (PI) or benzocyclobutene (BCB) can be used. Since these derivatives are materials having a low dielectric constant and low dielectric loss, a semiconductor integrated circuit having excellent high frequency characteristics can be realized.
[0027]
Also in this example, the signal wiring 26 on the surface of the package substrate 12 and the ground conductor 30 form a coplanar line. The ground conductor 30 on the front surface of the package substrate 12 is connected to the ground conductor 36 on the back surface of the package substrate 12 through a through hole 40. Accordingly, the coplanar line on the front surface of the package substrate 12 and the ground conductor 36 on the back surface of the package substrate 12 form a grounded coplanar line.
[0028]
As the pillar 32 connecting the integrated circuit element 14 and the package substrate 12, a gold pillar formed by a plating method is used. However, this may be a stud bump formed by a wire bonding method. The pillars and bumps are formed on the integrated circuit element 12 side from the viewpoint of mass productivity and accuracy.
[0029]
For flip chip mounting on the organic package substrate 12, for example, a non-conductive resin containing an inorganic filler is applied to the organic package substrate 12, and then the integrated circuit element 14 and the organic package substrate 12 are heated at a temperature of 250 ° C. The integrated circuit element 14 and the organic package substrate 12 can be connected by press-contacting under the condition of 5 seconds. Instead of the non-conductive resin, a conductive resin containing conductive particles may be used, or an Au—Au thermocompression bonding method that connects at 300 ° C. or higher may be used.
[0030]
Further, although gold is used for the wiring of the integrated circuit element 14, copper or aluminum may be used. Further, although GaAs is used for the semiconductor substrate 18, it may be InP or Si, and may be a substrate in which a conductor layer is formed on the wafer by epitaxial growth or a substrate formed by ion implantation. As for the wiring material on the organic substrate, at least the surface of the chip mounting surface is gold when the bump material is gold. The back surface may be Cu or Cu / Ni / Au. Gold can be produced by electroplating or electroless plating.
[0031]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an electronic device comprising the high-frequency integrated circuit package 10 and the mother board 50 according to the present invention. The high frequency integrated circuit package 10 of FIG. 4 is the same as the high frequency integrated circuit package 10 of FIG. In this case, however, the high-frequency integrated circuit package 10 shown in FIGS. 1 and 2 can be mounted on the mother board 50.
[0032]
On the surface of the mother board 50, there is a conductor layer 52 that forms signal wiring, power supply wiring, and a ground conductor. The high frequency integrated circuit package 10 is mounted on the mother board 50 using solder balls 42. That is, the solder balls 42 are connected to the signal wiring, power wiring, and ground conductor terminals of the conductor layer 52.
[0033]
For example, a glass epoxy substrate is used for the mother board 50, a flux is applied on the board, and then the solder balls 42 of the high frequency integrated circuit package 10 are mounted in alignment with the terminals on the mother board 50. A high frequency package integrated circuit module (electronic device) can be manufactured by performing reflow under conditions and then performing flux cleaning.
[0034]
According to the mounting using the solder balls 42, the high-frequency integrated circuit package 10 can be connected to the mother board 50 with a shorter connection length than wire bonding or ribbon bonding, so that the reflection characteristics of the connection portion are hardly deteriorated even at high frequencies. Therefore, it is possible to realize a high frequency integrated circuit module for a higher frequency system.
[0035]
FIG. 5 shows an equipotential distribution of the high-frequency integrated circuit package 10 of the present invention when resin sealing is performed, which is calculated by an electromagnetic field simulator. The high-frequency integrated circuit package 10 of the present invention is one in which a grand coplanar line (GCPW) is formed. FIG. 6 shows an equipotential distribution of a conventional high-frequency integrated circuit package when resin sealing is performed, which is calculated by an electromagnetic field simulator. A conventional high-frequency integrated circuit package is one in which a microstrip line or (MSL) is formed.
[0036]
An organic substrate 12 is used as a package substrate, and wiring is formed on the front and back surfaces. When reducing the influence of the mold resin 16, it is preferable that the equipotential distribution is less spread in the mold resin 16. Further, when reducing crosstalk between signal wirings, it is desirable that the equipotential distribution is less spread.
[0037]
In the case of the MSL shown in FIG. 6, the equipotential distribution extends from the signal wiring 26 to the mold resin 16. This indicates that it is greatly affected by the dielectric loss of the mold resin 16, and the wiring loss is large, making it difficult to use at high frequencies. Also, the isolation between lines is not good.
[0038]
In the case of GCPW shown in FIG. 5, it can be seen that the equipotential distribution is confined in the organic substrate 12, and the structure can reduce the influence of the mold resin 16. Moreover, it can be estimated that the isolation between lines is better than that of MSL.
[0039]
FIG. 7 is a diagram showing the isolation between lines calculated by the electromagnetic field simulator. In the calculation model, two signal wires 26 having a length L are opposed to each other with a distance d, and the case of MSL and the case of GCPW are calculated. The distance d is 0.8 mm and the length L is 1 mm. From the results of FIG. 7, it can be seen that GCPW is superior in isolation characteristics by 10 dB or more compared to MSL. In order to actually evaluate the GCPW wiring characteristics, a wiring TEG was prototyped.
[0040]
FIG. 8 is a diagram showing transmission characteristics of the high-frequency integrated circuit package 10 of the present invention when resin-sealed. The thickness of the polyimide package substrate 12 on which the GCPW line is formed is 50 μm, and the thickness of the mold resin 16 is 1 mm. FIG. 8 shows the measurement results of the GCPW wiring characteristics having a length of 5 mm.
[0041]
It was found that the reflection characteristic was as good as −10 dB or less up to 110 GHz, and the wiring loss was as low as 0.34 dB / mm at 80 GHz. From this, it was possible to produce a high-performance molded resin-encapsulated high-frequency integrated circuit package by using a GCPW line according to the present invention.
[0042]
The example of the present invention described above includes the following features.
[0043]
(Supplementary Note 1) An integrated circuit element is flip-chip mounted on the surface of the package substrate, the integrated circuit element is sealed with resin on the package substrate, and a signal wiring connected to the integrated circuit element and ground are formed on the surface of the package substrate The conductor is provided as a coplanar line, the signal wiring connected to the signal wiring on the front surface of the package substrate and the ground conductor are provided on the back surface of the package substrate, and the solder balls are connected to the signal wiring on the back surface of the package substrate. A high frequency integrated circuit package characterized in that a ground conductor on the front surface of the package substrate and a ground conductor on the back surface are connected by a through hole to form a line composed of a coplanar line on the front surface of the package substrate and a ground conductor on the back surface. . (1)
(Supplementary note 2) The high-frequency integrated circuit package according to supplementary note 1, wherein a resin is filled between the integrated circuit element and the surface of the package substrate.
[0044]
(Supplementary Note 3) The signal wiring on the surface of the package substrate extends linearly, and the ground conductor on the surface of the package substrate is provided on both sides of the linear signal wiring with a space from the signal wiring. The high-frequency integrated circuit package according to Appendix 1.
[0045]
(Supplementary Note 4) The ground conductor on the front surface of the package substrate and the ground conductor on the back surface of the package substrate are connected by a plurality of through holes, and the through holes are provided at intervals of ½ effective wavelength or less along the signal wiring. The high-frequency integrated circuit package according to appendix 3, wherein: (2)
(Supplementary note 5) The high frequency circuit according to supplementary note 1, wherein the integrated circuit element comprises a microwave integrated circuit element, and the microwave integrated circuit element has a wiring structure including a signal wiring and a ground conductor forming a coplanar line. Integrated circuit package.
[0046]
(Supplementary Note 6) The integrated circuit element includes a microwave integrated circuit element, and the microwave integrated circuit element includes a substrate, a multilayer wiring structure including a plurality of wiring layers and an interlayer insulating film, and in the multilayer wiring structure, 2. The high-frequency integrated circuit package according to appendix 1, wherein a signal wiring for transmitting a signal is covered with a ground conductor in an upper layer than the signal wiring. (3)
(Additional remark 7) The high frequency integrated circuit package of Additional remark 6 characterized by the interlayer insulation film of an integrated circuit element consisting of the organic type | system | group interlayer insulation film containing a polyimide or BCB.
[0047]
(Appendix 8) The high-frequency integrated circuit package according to appendix 5 or 6, wherein the substrate of the integrated circuit element is made of a compound semiconductor (GaAs, InP).
[0048]
(Supplementary note 9) The high-frequency package integrated circuit according to Supplementary note 1, wherein the package substrate is a substrate made of polyimide.
[0049]
(Appendix 10) An electronic device comprising: the high frequency integrated circuit package according to item 1 of appendices 1 to 9; and a mother board made of an organic material mounted on the high frequency integrated circuit package using solder balls. . (4)
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an inexpensive and high-performance high-frequency integrated circuit package, electronic device, and electronic device can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a high-frequency integrated circuit package according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing the high-frequency integrated circuit package of FIG. 1 before resin molding.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a high frequency integrated circuit package according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an electronic device comprising a high frequency integrated circuit package and a motherboard according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an equipotential distribution of the high frequency integrated circuit package of the present invention when resin sealing is performed, calculated by an electromagnetic simulator.
FIG. 6 is a diagram showing an equipotential distribution of a conventional high-frequency integrated circuit package when resin sealing is performed, which is calculated by an electromagnetic field simulator.
FIG. 7 is a diagram showing line isolation calculated by an electromagnetic simulator.
FIG. 8 is a diagram showing transmission characteristics of the high-frequency integrated circuit package of the present invention when resin-sealed.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... High frequency integrated circuit package 12 ... Package board 14 ... Integrated circuit element 16 ... Mold resin 18 ... Semiconductor chip 20 ... Wiring structure 22 ... Signal wiring 24 ... Grounding conductor 26 ... Signal wiring 28 ... Power supply wiring 30 ... Grounding conductor 32 ... Pillar 34 ... Signal wiring 36 ... Ground conductor 38 ... Through hole 40 ... Through hole 42 ... Solder hole 50 ... Mother board 52 ... Conductor layer

Claims

An integrated circuit element is flip-chip mounted on the surface of the package substrate, the integrated circuit element is sealed with a resin on the package substrate, and a signal wiring connected to the integrated circuit element is formed on the surface of the package substrate . A ground conductor provided at a distance from the signal wiring on both sides is provided as a coplanar line, and a signal wiring and a ground conductor connected to the signal wiring on the front surface of the package board are provided on the back surface of the package board, Solder balls are connected to the signal wiring on the back surface of the package substrate, and the ground conductor on the front surface of the package substrate and the ground conductor on the back surface are connected through a through hole. The coplanar line on the front surface of the package substrate and the ground conductor on the back surface are connected to each other. A high-frequency integrated circuit package characterized in that a line comprising:

The ground conductor on the front surface of the package substrate and the ground conductor on the back surface of the package substrate constituting the grounded coplanar line are connected by a plurality of through holes, and the through holes are spaced by 1/2 effective wavelength or less along the signal wiring. The high frequency integrated circuit package according to claim 1, wherein the high frequency integrated circuit package is provided.

The integrated circuit element includes a microwave integrated circuit element, and the microwave integrated circuit element includes a substrate, a multilayer wiring structure including a plurality of wiring layers and an interlayer insulating film, and a signal for transmitting a high-frequency signal in the multilayer wiring structure. 2. The high-frequency integrated circuit package according to claim 1, wherein the wiring is covered with a grounding conductor in an upper layer than the signal wiring.

A high frequency integrated circuit package according to any one of claims 1 to 3, an electronic device characterized by comprising a said high frequency integrated circuit organic material made of the motherboard, which is implemented using a solder ball in the package.