JP4045181B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、数GHz以上の超高周波の信号処理や、数Gbps以上の高速の光通信などに用いられる、半導体素子を内蔵した半導体装置に関する発明である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体装置の構造について簡単に説明する。
【０００３】
従来の半導体装置は、誘電体基板上に半導体素子が搭載され、その半導体素子を誘電体リングが取り囲み、さらにその誘電体リングの上には、半導体素子を覆うように金属蓋が搭載された構造を有する。そして、外部の他の機器と接続するための外部電極が複数、誘電体基板上に配置されている。さらに、半導体素子には金属細線が接続されており、その金属細線は、誘電体基板上に配置された配線を介して外部電極と電気的に接続されている。
【０００４】
また、半導体素子を搭載している誘電体基板は、裏側に放熱用の金属板が貼りつけられており、この金属板と半導体素子とを接続するように、誘電体基板には複数のスルーホールが形成されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１２９４６２号公報
【特許文献２】
特開平７−５０３６２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体装置は、特開平７−５０３６２号公報にあるように、半導体素子と外部電極とをつなぐ配線が、誘電体基板上に形成された導体層と単一のスルーホールで形成されている。このために、導体層とスルーホールとの間が直角に折れ曲がっている構造を有するので、配線に大きな寄生容量が発生する。ゆえに、半導体装置と外部機器との間で特に周波数の高い信号を入出力しにくいという問題点があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の問題を解決するために、本発明の半導体装置は、半導体素子と、半導体素子の周囲を取り囲む第1の誘電体基板と、半導体素子の周囲を取り囲み、第１の誘電体基板上に配置された第２の誘電体基板と、第２の誘電体基板上に配置され、半導体素子を覆うように配置された金属蓋と、前記第1の誘電体基板を貫通し、外部電極と電気的に接続される第１のスルーホール配線と、第２の誘電体基板を貫通し、半導体素子と電気的に接続される第２のスルーホール配線と、第１の誘電体基板と第２の誘電体基板に挟まれた内部配線とを有し、半導体素子は、第１のスルーホール配線、第２のスルーホール配線、内部配線を介して外部電極と接続されており、第１のスルーホール配線と、第２のスルーホール配線とが、互いに内部配線に対して離間して電気的に接続されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施例）図１は、本発明の第１、第２、第３の実施例である半導体装置を示す平面図である。本発明の各実施例は、平面図で表すとどの実施例も同じなので、平面図は各実施例の説明において共通使用する。なお、図１の平面図においては、半導体装置の内部構造を示すため、金属蓋１５を省略してある。一方、図２は、本発明の第１の実施例である半導体装置を示す断面図であり、図１を点線ＸＹに沿って切断した断面を示している。また、図３は、本発明の第１の実施例の変形例を示す断面図である。以下、図１、図２、図３を用いて、本発明の第１の実施例について説明する。
【０００９】
本発明の半導体装置は、半導体素子１２が搭載されている金属板１１と、請求項において外部電極に相当するリード端子１８とが同一仮想平面上に配置されている。リード端子１８は、この半導体装置を外部の他の機器と電気的に接続するためのものであり、金属板１１の周囲に複数配置されている。この金属板１１とリード端子１８は、ほぼ同一の厚さを有している。
【００１０】
そして、金属板１１とリード端子１８を共通の土台として、両者にまたがるように第１の誘電体基板１３ａが配置されており、さらにこの第１の誘電体基板１３ａの上に、第２の誘電体基板１３ｂが重ねてある。この第１及び第２の誘電体基板１３ａ及び１３ｂは、中央部が開口されており、そこでは金属板１１が露出している。金属板１１が露出している部分には、半導体素子１２が実装されている。別の言い方をすれば、半導体素子１２の周囲を第１の誘電体基板１３ａ及び第２の誘電体基板１３ｂが取り囲んでいる。
【００１１】
さらに、第２の誘電体基板１３ｂの上には、誘電体リング１４を介して金属蓋１５が載せられている。つまり、金属蓋は、半導体素子１２の上方に配置されている。
【００１２】
したがって、この半導体装置は、金属板１１、第１の誘電体基板１３ａ、第２の誘電体基板１３ｂ、誘電体リング１４、金属蓋１５によって、半導体素子１２が内部に封入されている構造を有することになる。
【００１３】
なお、図１においてリード端子１８は、その一部が第１の誘電体基板１３ａ及び第２の誘電体基板１３ｂからはみ出しているが、図３に示すように、リード端子１８の全体が、第１の誘電体基板１３ａまたは第２の誘電体基板１３ｂの外縁よりも内側に収まるように配置すると、半導体装置自体を小型化することができる。図示しないが、リード端子１８を、球形または半球形のバンプ電極にしても同様の効果が得られる。
【００１４】
一方、第２の誘電体基板１３ｂ上には、上部配線１７ａが形成されている。そして、第１の誘電体基板１３ａと第２の誘電体基板１３ｂに挟まれるように、内部配線１７ｂが形成されている。さらに、第１の誘電体基板１３ａ及び第２の誘電体基板１３ｂの中には、それぞれ下側スルーホール配線１７ｃ及び上側スルーホール配線１７ｄが形成されている。下側スルーホール配線１７ｃ及び上側スルーホール配線１７ｄは、それぞれ請求項１における第１のスルーホール配線と第２のスルーホール配線に相当する。この下側スルーホール配線１７ｃと上側スルーホール配線１７ｄとは、図１のような平面図で表示した場合、またはその平面図を下側スルーホール配線１７ｃと上側スルーホール配線１７ｄとに重なる平面で切ったときの図２のような断面図において表示した場合、離間しているように配置される。
【００１５】
次に、装置内部の半導体素子１２と、リード端子１８との電気的な接続について説明する。半導体素子１２と上部配線１７ａとは、金属細線１６を介して接続されている。そして、上部配線１７ａと内部配線１７ｂとは、上側スルーホール配線１７ｄによって接続されている。さらに、内部配線１７ｂとリード端子１８とは、下側スルーホール配線１７ｃによって接続されている。この結果、半導体素子１２とリード端子１８とが以下の順に電気的に接続されている構造を得ることができる。その順番は、半導体素子１２、金属細線１６、上部配線１７ａ、上側スルーホール配線１７ｄ、内部配線１７ｂ、下側スルーホール配線１７ｃ、リード端子１８である。なお、上側スルーホール配線１７ｄは、下側スルーホール配線１７ｃよりも、半導体素子１２寄りに配置させる。また、上記のそれぞれ金属細線１６、上部配線１７ａ、上側スルーホール配線１７ｄ、内部配線１７ｂ、下側スルーホール配線１７ｃ、リード端子１８は、それぞれのインピーダンスを一定の値にしておく。また、それによって、リード端子から半導体素子を見た場合のインピーダンスの合計が特定の値（例えば５０Ω）にしておく。
【００１６】
以上のように、本発明の第１の実施例においては、外部電極と電気的に接続される第１のスルーホール配線と、第２の誘電体基板を貫通し、半導体素子と電気的に接続される第２のスルーホール配線と、第１の誘電体基板と第２の誘電体基板に挟まれた内部配線とを有し、半導体素子は、第１のスルーホール配線、第２のスルーホール配線、内部配線を介して外部電極と接続されており、第１のスルーホール配線と、第２のスルーホール配線とが、互いに内部配線に対して離間して電気的に接続されている。特に、第２のスルーホール配線は、第１のスルーホール配線よりも半導体素子に近い位置に配置されており、半導体素子と外部電極とが電気的に接続されている。本発明の第１の実施例は、このような構造を有するので、半導体素子と外部電極とが、ジグザク型の配線で接続されていることになる。なお、ここで述べるジグザグ型とは、直線が左右に何回も折れ曲がっているような形の意味である。半導体素子と外部電極とをジグザグ型に接続した場合の効果を、以下に説明する。
【００１７】
図６は、半導体素子と外部電極とを、スルーホールを１つ使って接続した場合と、２つ使ってジグザグ型に接続した場合の、周波数に対する電気信号の通過量を示す図である。また、図７は、半導体素子と外部電極とを、スルーホールを１つ使って接続した場合と、２つ使ってジグザグ型に接続した場合の、周波数に対する電気信号の反射量を示す図である。図６、図７ともに、スルーホールを１つ使った接続は実線、スルーホールを２つ使った接続は点線で示してある。
【００１８】
一般的に、電気信号の周波数が上がるほど通過量が減り反射量が増えるので、半導体装置と外部機器との電気信号の入出力が阻害される傾向にある。しかしながら、図６及び図７を見て分かる通り、スルーホールを２つ使って接続した方が、電気信号の周波数が上がっても電気信号の通過量があまり減少せず、反射量があまり増加しない。このような特性を示す理由は、スルーホールを１つしか使わずに半導体素子と外部電極とを接続すると、配線全体の形状が、途中で直角に折れ曲がった形状を呈するからである。このような形状の配線は、配線自体が大きな容量を持つので、周波数に対するインピーダンスの変化が大きくなる。すると、高い周波数の電気信号が配線を通過するとき、通過量が減少して反射量が増加するので、半導体装置と外部機器との間で、効率よく電気信号の入出力を行うことができなくなる。したがって、半導体素子と外部電極とは、なるべく直線に近い形状の配線で接続することが望ましい。
【００１９】
本発明の第１の実施例では、半導体素子と外部電極とがジグザグ型、つまり、途中で一回のみ直角に折れ曲がる形状の配線に比べて、直線に近い形状の配線で接続されていることになる。そのため、本発明では高い周波数における通過量の減少と反射量の増加を低減できるので、装置と外部機器との間で、効率よく電気信号の入出力を行うことができる。
【００２０】
（第２の実施例）図１は、本発明の第１、第２、第３の実施例である半導体装置を示す平面図である。また、図４は、本発明の第２の実施例である半導体装置を示す断面図であり、図１を点線ＸＹに沿って切断した断面を示している。以下、図１及び図４を用いて、本発明の第２の実施例について説明する。
【００２１】
本発明の第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、第２の誘電体基板２３ｂの上、誘電体リング２４の下に、上側金属層２９ａが形成されていることである。上側金属層２９ａは、上部配線２７ａとともに第２の誘電体基板２３ｂ上に形成されているが、互いに電気的に接続されてはいない。また、第２の実施例では、リード端子２８の一部が接地用になっている。上側金属層２９ａは、接地用のリード端子２８に電気的に接続されており、接地電位を供給されることが可能である。これにより、内部配線２７ｂと金属蓋２５との間に、接地電位を供給させることが可能な上側金属層２９ａが挟まれた構造を得ることができる。上記の説明以外、本発明の第２の実施例は、第１の実施例とほぼ同じ構造なので、詳細は省略する。
【００２２】
以上のように、本発明の第２の実施例は、第１の実施例とほぼ同様の効果を奏する。加えて、内部配線と金属蓋との間に接地用の外部電極と接続してある金属層を配置してあるので、表面実装したときに、配線と金属蓋と間に発生する寄生容量を減少させる効果がある。
【００２３】
（第３の実施例）図１は、本発明の第１、第２、第３の実施例である半導体装置を示す平面図である。また、図４は、本発明の第３の実施例である半導体装置を示す断面図であり、図１を点線ＸＹに沿って切断した断面を示している。以下、図１及び図５を用いて、本発明の第３の実施例について説明する。
【００２４】
本発明の第３の実施例が第２の実施例と異なる点は、第１の誘電体基板３３ａの下に下側金属層３９ｂが配置されていることである。また、第３の実施例でも第２の実施例と同様に、リード端子２８の一部が接地用になっている。そして、下側金属層３９ｂは、上側金属層３９ａと同様、接地用のリード端子２８に電気的に接続されており、接地電位を供給されることが可能である。これにより、内部配線３７ｂが、それぞれ接地電位を供給させることが可能な上側金属層３９ａと下側金属層３９ｂとに挟まれた構造を得ることができる。上記の説明以外、本発明の第３の実施例は、第２の実施例とほぼ同じ構造なので、詳細は省略する。
【００２５】
以上のように、本発明の第３の実施例は、第２の実施例とほぼ同様の効果を奏する。また、内部配線の上下両方に接地された金属層が、接地用の外部電極と接続してあるので、第２の実施例よりも、内部配線に発生する寄生容量をさらに減少させる効果がある。
【００２６】
なお、第３の実施例において、上側金属層３９ａを省いても、第２の実施例ほどでないにせよ、寄生容量を減少させる効果を得ることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明では、外部電極と電気的に接続される第１のスルーホール配線と、第２の誘電体基板を貫通し、半導体素子と電気的に接続される第２のスルーホール配線と、第１の誘電体基板と第２の誘電体基板に挟まれた内部配線とを有し、半導体素子は、第１のスルーホール配線、第２のスルーホール配線、内部配線を介して外部電極と接続されており、第１のスルーホール配線と、第２のスルーホール配線とが、互いに内部配線に対して離間して電気的に接続されている。したがって、半導体素子と外部電極とがジグザク型、つまり、途中で直角に折れ曲がる形状の配線に比べて、直線に近い形状の配線で接続されていることになる。そのため、本発明では高い周波数における通過量の減少と反射量の増加を低減できるので、装置と外部機器との間で、効率よく電気信号の入出力を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１、第２、第３の実施例における半導体装置を示す平面図である。
【図２】第１の実施例における半導体装置を示す断面図である。
【図３】第１の実施例の変形例の半導体装置を示す断面図である。
【図４】第２の実施例における半導体装置を示す断面図である。
【図５】第３の実施例における半導体装置を示す断面図である。
【図６】半導体素子と外部電極とを、スルーホールを１つ使って接続した場合と、２つ使って接続した場合の、周波数に対する電気信号の通過量を示す図である。
【図７】半導体素子と外部電極とを、スルーホールを１つ使って接続した場合と、２つ使って接続した場合の、周波数に対する電気信号の反射量を示す図である
【符号の説明】
１１ 金属板
１２ 半導体素子
１３ａ 第１の誘電体基板
１３ｂ 第２の誘電体基板
１４ 誘電体リング
１５ 金属蓋
１６ 金属細線
１７ａ 上部配線
１７ｂ 内部配線
１７ｃ 下側スルーホール配線
１７ｄ 上側スルーホール配線
１８ リード配線

Claims (5)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子の周囲を取り囲む第１の誘電体基板と、
    前記半導体素子の周囲を取り囲み、前記第１の誘電体基板上に配置された第２の誘電体基板と、
    前記第２の誘電体基板上に形成された誘電体リングと、
    前記半導体素子の上方に配置された金属蓋と、
    複数の外部電極と、
    前記第１の誘電体基板を貫通し、前記外部電極と電気的に接続される第１のスルーホール配線と、
    前記第２の誘電体基板を貫通し、前記半導体素子と電気的に接続される第２のスルーホール配線と、
    前記第１の誘電体基板と前記第２の誘電体基板に挟まれた内部配線とを有し、前記半導体素子は、前記第１のスルーホール配線、前記第２のスルーホール配線、前記内部配線を介して前記外部電極と接続されており、
    前記第１のスルーホール配線と、前記第２のスルーホール配線とが、互いに前記内部配線に対して離間して電気的に接続されており、
    前記外部電極の一部が接地用外部電極であり、前記第２の誘電体基板の上面かつ前記誘電体リングの下に、前記接地用外部電極を介して接地電位が供給される上側金属層を、前記金属蓋と離間して有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体素子に接続された金属細線を有し、
    前記第２の誘電体基板上に配置され、前記第２のスルーホール配線と接続されている上部配線を有し、
    前記半導体素子は、前記金属細線を介して前記上部配線に接続されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記半導体素子を搭載する金属板を有し、
    前記外部電極及び前記金属板は、同一仮想平面上に配置されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  4. 前記外部電極は、全体が前記第１の誘電体基板または前記第２の誘電体基板の外縁よりも内側に配置してあることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  5. 前記外部電極の一部が接地用外部電極であり、前記第１の誘電体基板の下面に、前記接地用外部電極を介して接地電位が供給される下側金属層を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
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