JP5387133B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置に関し、特に導波管接続を含む半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device including a waveguide connection.
近年の技術の発展に伴い、1Gbpsを超える高速信号伝送や自動車レーダ用途など、ミリ波帯の電磁波の活用が広がっている。ミリ波帯など周波数の高い電磁波をマイクロストリップ線路やコプレーナ線路などの平面線路で伝送する場合、その周波数が高いため、線路内の誘電体によって誘電体損失が生じ、伝送する電磁波の減衰、つまり伝送損失が大きくなってしまう。したがって、平面線路よりも伝送効率の良い導波管を主に伝送路として使用することが多い。 With the recent development of technology, the use of electromagnetic waves in the millimeter wave band is spreading, such as high-speed signal transmission exceeding 1 Gbps and automotive radar applications. When transmitting electromagnetic waves with a high frequency such as millimeter wave band through a planar line such as a microstrip line or a coplanar line, because the frequency is high, dielectric loss occurs in the dielectric in the line, and attenuation of the transmitted electromagnetic wave, that is, transmission Loss will increase. Therefore, a waveguide having better transmission efficiency than a planar line is often used mainly as a transmission line.
しかしながら通信デバイスなどに使用されるミリ波半導体の入出力部分には平面線路の一種であるコプレーナ線路を介している場合が多く、特許文献1や特許文献2に示されているとおり、平面線路と導波管との間で電磁波を伝送する場合、両者の間に接続構造(変換器)が必要である。特許文献1の図1、特許文献2の図1、図6に示されている接続構造は、半導体基板から、半導体基板とは別に設けられた基板上に配設されたコプレーナ線路やマイクロストリップ線路などの平面線路を介して伝送された電磁波を、平面線路に形成されたスロットやプローブを放射源として導波管内に放射し、導波管内へと電磁波を伝搬させている。 However, in many cases, the input / output portion of a millimeter-wave semiconductor used for a communication device or the like is via a coplanar line, which is a kind of a planar line, and as shown in Patent Document 1 and Patent Document 2, When an electromagnetic wave is transmitted between the waveguides, a connection structure (converter) is required between them. The connection structure shown in FIG. 1 of Patent Document 1 and FIGS. 1 and 6 of Patent Document 2 is a coplanar line or a microstrip line disposed on a substrate provided separately from the semiconductor substrate. The electromagnetic wave transmitted through the planar line is radiated into the waveguide using a slot or probe formed in the planar line as a radiation source, and the electromagnetic wave is propagated into the waveguide.
しかしながら、この特許文献1、特許文献2に開示された構成にはいくつかの問題がある。 However, the configurations disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 have several problems.
第1の問題点は、前記したように伝送効率の悪い平面線路を用いることである。すなわち、特許文献1の図1や特許文献2の図1に示されている接続構造は、コプレーナ線路やマイクロストリップ線路などの平面線路と導波管とを直接接触させて電磁波を伝播させる構成であり、伝送損失が大きな平面線路を使うことを前提としたものである。また、特許文献2の図6に示されている接続構造は平面線路と導波管とを直接接触させるものではないが、半導体基板からの電磁波を直接導波管へ伝送することはできず、やはり半導体基板と導波管との間に平面線路を使うことを前提としている。 The first problem is the use of a planar line with poor transmission efficiency as described above. That is, the connection structure shown in FIG. 1 of Patent Document 1 and FIG. 1 of Patent Document 2 is configured to propagate electromagnetic waves by directly contacting a planar line such as a coplanar line or a microstrip line with a waveguide. Yes, it is premised on using a plane line with a large transmission loss. Moreover, although the connection structure shown by FIG. 6 of patent document 2 does not make a plane line and a waveguide contact directly, the electromagnetic waves from a semiconductor substrate cannot be directly transmitted to a waveguide, It is also assumed that a planar line is used between the semiconductor substrate and the waveguide.
前記したように、平面線路の伝送損失は導波管のそれより大きい。例えばWR−28導波管の伝送損失は40GHzで約0.005dB/cmであるのに対し、アルミナ基板上のマイクロストリップ線路の損失は1dB/cmである。さらに樹脂基板上のマイクロストリップ線路の損失はアルミナ基板上のマイクロストリップ線路と同等あるいはそれ以上の損失である。 As described above, the transmission loss of the planar line is larger than that of the waveguide. For example, the transmission loss of a WR-28 waveguide is about 0.005 dB / cm at 40 GHz, whereas the loss of a microstrip line on an alumina substrate is 1 dB / cm. Further, the loss of the microstrip line on the resin substrate is equal to or more than that of the microstrip line on the alumina substrate.
昨今では1チップの半導体にて、マイクロ波、ミリ波の送受信機を作成することが可能であり、この場合、半導体を組み合わせるための配線基板は不要である。伝送損失の大きな配線基板を減らすことが出来るのが1チップ化のメリットであるが、上述の理由から、半導体基板からの電磁波を導波管へ伝送するための平面線路を設けた基板を完全になくすことが出来ない。その結果、半導体を1チップ化しても、平面線路にて大きな伝送損失が生じてしまう。 Nowadays, it is possible to create a microwave / millimeter wave transceiver with a single-chip semiconductor, and in this case, a wiring board for combining the semiconductors is not necessary. The advantage of a single chip is that it can reduce the number of wiring boards with large transmission loss, but for the reasons described above, a board with a planar line for transmitting electromagnetic waves from a semiconductor substrate to a waveguide is completely used. I can't lose it. As a result, even if the semiconductor is made into one chip, a large transmission loss occurs in the planar line.
第2の問題点は、導波管では金属内壁面にて囲まれた空間内を電磁波が伝搬していくため、壁面が連続でないとその隙間の部分から電磁波が漏れだしてしまい、伝送損失が生じるので、平面線路と導波管を接合する場合は双方を隙間無く接合する必要があることである。それによって、コプレーナ線路やマイクロストリップ線路などの平面線路のグランドと導波管とを直接接続しなくてはならず、平面線路と導波管の接続構造が複雑化してしまう。 The second problem is that the electromagnetic wave propagates through the space surrounded by the metal inner wall surface in the waveguide. Therefore, if the wall surface is not continuous, the electromagnetic wave leaks out from the gap and transmission loss is reduced. As a result, when a planar line and a waveguide are joined, it is necessary to join both without gaps. As a result, the ground of a planar line such as a coplanar line or a microstrip line must be directly connected to the waveguide, and the connection structure between the planar line and the waveguide becomes complicated.
さらに、セラミックや樹脂で半導体基板をパッケージした場合、導波管と半導体基板とを電磁波が漏れることなく接合するためには、半導体基板と導波管の間に設けられる平面線路を、半導体基板からパッケージを貫通するようなグランド導体として形成し、そのグランド導体を介して導波管と半導体基板とを接続する必要があるため、半導体パッケージが複雑化してしまう。 Further, when a semiconductor substrate is packaged with ceramic or resin, in order to join the waveguide and the semiconductor substrate without leakage of electromagnetic waves, a planar line provided between the semiconductor substrate and the waveguide is connected from the semiconductor substrate. Since it is necessary to form a ground conductor that penetrates the package and to connect the waveguide and the semiconductor substrate through the ground conductor, the semiconductor package becomes complicated.
本発明の目的は、上述した課題である、半導体基板と導波管とを接続するときには、平面線路を用いた接続構造が必要であり、かつ、半導体のパッケージの構造が複雑になってしまう、という問題を解決する、半導体装置を提供することである。 The object of the present invention is the above-described problem. When connecting a semiconductor substrate and a waveguide, a connection structure using a planar line is required, and the structure of the semiconductor package becomes complicated. It is to provide a semiconductor device that solves the problem.
本発明の半導体装置は、半導体基板上に、電磁波を放射または受信する放射素子が少なくとも設けられている。そして少なくとも半導体基板および放射素子が誘電体で覆われてパッケージが形成されている。さらに、パッケージの表面と、開口部を有する中空の導波管とが接続されており、導波管は、半導体基板の、放射素子が設けられた面上に位置しており、電磁波を反射する反射素子が、半導体基板上に、放射素子の少なくとも一部と間隔を有して前記放射素子の周囲に配置され、反射素子の少なくとも一部と導波管の開口部とが対向している。 In the semiconductor device of the present invention, at least a radiation element that radiates or receives electromagnetic waves is provided on a semiconductor substrate. At least the semiconductor substrate and the radiating element are covered with a dielectric to form a package. Furthermore, the surface of the package is connected to a hollow waveguide having an opening, and the waveguide is located on the surface of the semiconductor substrate on which the radiation element is provided , and reflects electromagnetic waves. A reflective element is disposed on the semiconductor substrate around the radiating element with a distance from at least a part of the radiating element, and at least a part of the reflective element is opposed to the opening of the waveguide .
本発明によると、半導体基板上に設けられた放射素子と導波管との間で電磁波を直接伝送できるため、電磁波を高効率に伝送できる。また、半導体基板を覆うパッケージの構造が複雑化することもない。 According to the present invention, electromagnetic waves can be directly transmitted between the radiating element provided on the semiconductor substrate and the waveguide, so that the electromagnetic waves can be transmitted with high efficiency. Further, the structure of the package covering the semiconductor substrate is not complicated.
以下に、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の機能を有する構成には添付図面中、同一の番号を付与し、その説明を省略することがある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In addition, the same number is attached | subjected to the structure which has the same function in an accompanying drawing, and the description may be abbreviate | omitted.
図1は、本発明に係る半導体装置の実施形態の一例における概略図であり、(a)は上面の概略図、(b)は(a)のAA’断面の概略図である。なお、図1(a)において、実際には導波管以外はパッケージに覆われているが、本実施形態の詳細がわかるようにパッケージを省略して図示している。 1A and 1B are schematic views of an example of an embodiment of a semiconductor device according to the present invention. FIG. 1A is a schematic view of a top surface, and FIG. 1B is a schematic view of an AA ′ cross section of FIG. In FIG. 1 (a), the package is actually covered except for the waveguide. However, the package is omitted in order to understand the details of this embodiment.
シリコン(Si)やガリウムヒ素(GaAs)などで形成された半導体基板10上には、マイクロ波やミリ波などの電磁波の送受信機能を有する活性素子部11が設けられている。また、半導体基板10上には、活性素子部11から引き出された信号配線21と、信号配線21と接続しており、電磁波を放射および/または電磁波を受信する放射素子22と、電磁波を反射する複数の反射素子23とが設けられている。
On a
信号配線21、放射素子22および、反射素子23は、半導体基板10上に形成された金属配線層の一部である。
The signal wiring 21, the
電磁波を反射する複数の反射素子23は、半導体基板10上であり、信号配線21および放射素子22に直接接続しない位置に、放射素子22を取り囲むように配置されている。そして、半導体基板10、活性素子部11、信号配線21、放射素子22、および反射素子23の全体が誘電体材料で構成されたパッケージ30によって覆われている。そして、パッケージ30の表面には、導波管開口部51の中心が放射素子22の直上に位置するように、導波管50が接続されている。このようにすることで、放射素子22と導波管開口部51の間を電磁波が高効率に伝送されるようにしている。なお、導波管50の位置は、電磁波を伝送できればよく、この位置に限定されるものではない。
The plurality of reflecting
次に本発明の半導体装置についてより詳細に説明する。 Next, the semiconductor device of the present invention will be described in more detail.
半導体基板10の表面には活性素子部11が形成されている。活性素子部11の一例はマイクロ波やミリ波の電磁波を生成できるものであり、一般的にはシリコン(Si)やガリウムヒ素(GaAs)などが広く使われているが、電磁波を生成することが可能であればシリコンやガリウムヒ素に限る必要はない。ただし、活性素子部11は、電磁波を生成する送信機に限られず、入射された電磁波を受信して処理する機能を有する受信機、電磁波の送信と受信を行う送受信機、または、トランジスタなどの単機能素子のみで構成してあってもよい。以降、活性素子部11が送信機である例について説明を行う。
An
活性素子部11にて生成された電磁波は信号配線21を介して放射素子22へと伝送される。信号配線21および放射素子22は半導体基板10上に形成された金属配線層の一部である。信号配線21および放射素子22は、電磁波を伝送するために、金(Au)や銅(Cu)などの導体損失の小さな材料から形成されるのが最適であるが、他の金属材料から形成されていても本発明の効果を何ら妨げるものではない。放射素子22は1層の金属配線層のみで電磁波を効率的に放射できるパッチアンテナ構造が最適である。放射効率の良いパッチアンテナの寸法は、たとえば式1を満たす様な方形形状であることが知られている。もちろん放射素子22の構造はこの構造に限るものではなく、電磁波を放射できる構造であれば問題ない。
[式1]
ただし、f:共振周波数、c:光速、L:正方形パッチの一辺の長さ、ε:比誘電率
The electromagnetic wave generated in the
[Formula 1]
Where f: resonance frequency, c: speed of light, L: length of one side of square patch, ε: relative dielectric constant
本発明は活性素子部11にて生成された電磁波を導波管50へと伝送することが目的であり、放射素子22から空間へ放射された電磁波はすべて導波管50へと伝送されることが望ましい。そこで、放射素子22の周囲に複数の反射素子23を配置することで放射素子からの側方への放射を抑制する。
The object of the present invention is to transmit the electromagnetic wave generated in the
反射素子23は金属配線層をパターニングして形成することの出来る電磁バンドギャップ構造(EBG構造)が最適である。EBG構造は例えば特許文献3に例示されるとおり、金属配線層を方形などの形状に形成した金属パッチ23aを周期的に設ける周期構造と、金属パッチ23aをグランドに接続させる短絡ピン23bなどを設けるための、半導体基板10と金属パッチの間を連通するスルーホールとで形成することができ、半導体基板10上に容易に形成することが出来る(特許文献3参照)。加えて通常の半導体形成プロセスにてEBG構造は形成できるので、新たな製造装置など導入する必要がなく、設備投資などに起因する特別な追加製造コストを必要としない。一方、EBG構造は電磁波を良好に反射することが出来るため、放射素子22側方に電磁波が漏れ出すことを防ぐことが出来る。なお反射素子23はEBG構造に限るものではなく、放射素子22から放射された電磁波を反射することが出来れば他の構造でも問題ないことは言うまでもない。
The
半導体基板10は入出力電極を形成する図1および図2に図示しない金属にて形成されたリードフレーム上に配設され、接続されることが多い。このため放射素子22から下方に放射された電磁波は、リードフレームにより反射されるため、放射素子22からの電磁波は半導体基板10の上方および側方に放射される。したがって、放射素子22から放射された電磁波を、効率よく導波管50へと伝送することが出来る。
The
なお活性素子部11が電磁波を受信機の機能を持つ際には、電磁波の流れが上記動作の逆となるだけであり、その効果は同等である。
In addition, when the
以上により、放射素子22から放射された電磁波が効率的に導波管50へのみ放射され、伝送される。すなわち、本実施形態では、関連技術のように半導体基板10または半導体基板10に接続された平面線路と導波管50との直接接触によって電磁波を伝送させるのではなく、半導体基板10に接続された放射素子22が放射する電磁波を、放射素子22と導波管50との間の空間を伝送させる。したがって、関連技術のように、導波管50と平面線路のグランドとを直接接合する必要がなく、また半導体基板10に、平面線路が設けられた追加の配線基板などを付加する必要もない。そのため接続構造(変換器)も不要である。したがって、半導体基板10から導波管50へ電磁波を高効率で伝送できる。また、半導体基板10を覆うパッケージの構造が複雑化することもない。
As described above, the electromagnetic wave radiated from the radiating
なおパッケージ30はエポキシ樹脂にて形成するトランスファーモールド法が一般的であるが、他の樹脂材料あるいは樹脂以外の材料であっても、他のパッケージ構造であっても何ら問題ないことは言うまでもない。
The
また、図1および図2では反射素子23を1つの方向に対して1列に配置したが、1つの方向に対して2列に配置しても良く、あるいはそれ以上の列をなすように配置しても何ら問題はない。
1 and 2, the
以上の説明は活性素子部11が送信機である場合を例示したものであるが、活性素子部11が受信機である場合には、導波管50内を伝送する電磁波を、放射素子22を介して受信機(活性素子部11)に導いて、受信機にて処理することができる。活性素子部11が送受信機である場合には、放射素子22にて電磁波の放射と受信の両方を行えばよい。そして、本発明の放射素子22は、前記した例のように電磁波を放射する機能のみを有するもののみならず、電磁波を受信する機能も有する場合もある。
The above description exemplifies the case where the
本発明の半導体装置の他の実施形態について説明する。 Another embodiment of the semiconductor device of the present invention will be described.
図2に、本発明の半導体装置の他の実施の形態を表す概略断面図を示す。なお、上記の実施形態と同一のものについては説明を省略する。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another embodiment of the semiconductor device of the present invention. In addition, description is abbreviate | omitted about the same thing as said embodiment.
本実施形態では、パッケージ30の一部を導波管50に内接させることによって位置決めするような構造にすることで、放射素子22と導波管50の位置あわせを容易にし、放射素子22から放射される電磁波をさらに効率よく導波管50へと放射することが出来る。
In the present embodiment, a structure in which a part of the
具体的には、パッケージ30の導波管50が設置される位置に、凸状の突起である凸型ガイド30aが設けられている。凸型ガイド30aは導波管50に内接するような形状であり、放射素子22の直上にある。また、凸型ガイド30aと放射素子22の中心が一致するように配置する。これにより、導波管50をパッケージ30へと接続する際、導波管50を最適位置、つまり、導波管開口部51の中心と放射素子22の中心を容易に位置合わせすることができる。
Specifically, a
凸型ガイド30aの高さは導波管50を位置あわせ出来る高さであれば構わないが、パッケージ30は誘電体材料にて構成されるため、凸型ガイド30aの高さが高いと導波管内が誘電体で満たされることとなり、誘電体損失が生じたり、伝搬モードが所望のモードとならなかったりする場合がある。そのため凸型ガイド30aの高さは伝搬する電磁波の波長の1/4波長以下であることが望ましい。
The height of the
本発明の半導体装置のさらに他の実施形態について説明する。 Still another embodiment of the semiconductor device of the present invention will be described.
図3に、本発明の半導体装置のさらに他の実施の形態を表す概略断面図を示す。なお、上記の実施形態と同一のものについては説明を省略する。 FIG. 3 is a schematic sectional view showing still another embodiment of the semiconductor device of the present invention. In addition, description is abbreviate | omitted about the same thing as said embodiment.
第2の実施の形態のパッケージ30の表面にパターニングした金属などの導体層を配置することで、さらに効率よく電磁波を放射素子22から導波管50へと放射することが出来る。
By disposing a patterned metal layer or the like on the surface of the
凸型ガイド30aの表面かつ放射素子22の直上に真空蒸着やスパッタリングなどで金属パターン40を設ける。このようにすることで、金属パターン40は導波器のような働きをすることになり、放射素子22と金属パターン40との間を電磁気的に強結合させることができるため、放射素子22から放射される電磁波が金属パターン40へと伝送される。そして金属パターン40から導波管50内へとあらためて電磁波が放射される。金属パターン40は凸型ガイド30a表面にあるため、導波管50内部に存在し、導波管内部の金属パターン40から電磁波が導波管50へと放射されるため、非常に効率よく導波管50へと電磁波を伝送することが出来る。
A
金属パターン40の形状は、放射素子22の形状と同一であることが最適であるが、同一の形状に限らず、放射素子22とインピーダンス整合し、電磁気的に強結合出来る形状であれば問題ないことは言うまでもない。また金属パターン40の厚みは導波管50を伝送する電磁波の表皮深さ以上あることが望ましいが、表皮深さ以下の厚さでも本発明の効果を妨げるものではない。さらに金属パターン40の材質も金や銅などの導体損失の小さな金属が最適であるが、他の金属で問題ないことも言うまでもない。
The shape of the
また、図4に示すように、第1の実施形態のようにパッケージ30上に凸型ガイド30aが設けられていない場合でも、導体層である金属パターン40をパッケージ30の平坦な表面上、かつ導波管50の開口部51の内部に設けることで、上記の実施形態と同様な効果が得られる。
Further, as shown in FIG. 4, even when the
本発明の半導体装置の使用例としては、ミリ波を使用した大容量デジタル信号伝送装置やレーダ装置、および通信装置などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Examples of the use of the semiconductor device of the present invention include, but are not limited to, a large-capacity digital signal transmission device, a radar device, and a communication device using millimeter waves.
10 半導体基板
11 活性素子部
21 信号配線
22 放射素子
23 反射素子
23a金属パッチ
23b短絡ピン
30 パッケージ
30a凸型ガイド
40 金属パターン
50 導波管
51 導波管開口部
DESCRIPTION OF
Claims (22)
前記導波管は、前記半導体基板の、前記放射素子が設けられた面上に位置しており、
前記電磁波を反射する反射素子が、前記半導体基板上に、前記放射素子の少なくとも一部と間隔を有して前記放射素子の周囲に配置され、
前記反射素子の少なくとも一部と前記導波管の前記開口部とが対向している、半導体装置。 At least a radiation element that emits or receives electromagnetic waves is provided on a semiconductor substrate, and a package is formed by covering at least the semiconductor substrate and the radiation element with a dielectric, and has a surface of the package and an opening. A semiconductor device connected to a hollow waveguide;
The waveguide is located on a surface of the semiconductor substrate on which the radiation element is provided;
A reflective element that reflects the electromagnetic wave is disposed on the semiconductor substrate around the radiating element with an interval from at least a portion of the radiating element,
A semiconductor device, wherein at least a part of the reflective element and the opening of the waveguide face each other.
前記導波管を、前記パッケージの、前記半導体基板の前記放射素子が設けられた面上に配置し、
前記電磁波を反射する反射素子を、前記半導体基板上に、前記放射素子の少なくとも一部と間隔をあけて前記放射素子の周囲に配置し、
前記放射素子からの電磁波を前記導波管に伝送させ、前記反射素子に向かってくる前記電磁波を前記反射素子により反射させる、電磁波の伝送方法。 At least a radiating element that radiates electromagnetic waves is provided on a semiconductor substrate, and at least the semiconductor and the radiating element are covered with a dielectric to form a package, and the electromagnetic wave radiated by the radiating element is transmitted to the surface of the package. An electromagnetic wave transmission method for a semiconductor device to which a hollow waveguide having an opening is connected,
The waveguide is disposed on a surface of the package on which the radiation element of the semiconductor substrate is provided;
A reflective element that reflects the electromagnetic wave is disposed on the semiconductor substrate around the radiating element at a distance from at least a portion of the radiating element,
An electromagnetic wave transmission method, wherein an electromagnetic wave from the radiating element is transmitted to the waveguide, and the electromagnetic wave traveling toward the reflective element is reflected by the reflective element.
前記導波管を、前記パッケージの、前記半導体基板の前記放射素子が設けられた面上に配置し、
前記電磁波を反射する反射素子を、前記半導体基板上に、前記放射素子の少なくとも一部と間隔をあけて前記放射素子の周囲に配置し、
前記導波管の前記開口部からの電磁波を前記放射素子に伝送させ、前記反射素子に向かってくる前記電磁波を前記反射素子により反射させる、電磁波の伝送方法。 On the semiconductor substrate, at least a radiating element that receives electromagnetic waves is provided, and at least the semiconductor substrate and the radiating element are covered with a dielectric to form a package, and an opening that transmits the electromagnetic waves to the radiating element on the surface of the package An electromagnetic wave transmission method of a semiconductor device to which a hollow waveguide having a portion is connected,
The waveguide is disposed on a surface of the package on which the radiation element of the semiconductor substrate is provided;
A reflective element that reflects the electromagnetic wave is disposed on the semiconductor substrate around the radiating element at a distance from at least a portion of the radiating element,
An electromagnetic wave transmission method, wherein an electromagnetic wave from the opening of the waveguide is transmitted to the radiating element, and the electromagnetic wave traveling toward the reflective element is reflected by the reflective element.
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