JP5959497B2 - 半導体パッケージ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ミリ波帯の信号を扱う半導体装置等を収容する半導体パッケージに関する。

周知のように、ミリ波帯においては、信号伝送に導波管が用いられることが多い。半導体パッケージにおいても、ミリ波帯の信号を扱う半導体装置等を収容するものでは、信号の入出力インターフェイスに導波管を採用したものがある。一方、パッケージ内部では、収容された半導体装置等との信号接続にはマイクロストリップ線路等の伝送線路が用いられることから、パッケージへの信号の入出力端となる導波管とこれらマイクロストリップ線路との間を変換接続する構造として、例えばバックショート構造が採用される。

バックショート構造では、マイクロストリップ線路等の伝送線路と導波管とを結合するために、マイクロストリップ線路の信号側線路の先端部分が、伝送信号の線路波長の１／４に相当する長さ分、導波管内に挿入されるとともに、導波管の信号伝搬方向の対面側は、この挿入された信号側線路から伝送信号の管内波長の１／４の管路距離に短絡面（バックショート）が設けられている。

特開平１０−３０３６１３号公報 特開２００１−２８４４７６号公報 特開平１０−６５０３８号公報

ところで、導波管は、大きな信号電力を扱える上、特にミリ波帯では信号合成等にも用いられることから、導波管インターフェイスを採用した半導体パッケージは、例えばミリ波帯における電力増幅用の半導体装置等に適用される。そしてこの場合には、パッケージの後段側での信号の取り扱いを考慮して、パッケージの信号出力側インターフェイスを導波管とするのが好適である。

一方、パッケージの前段側では、その信号レベル等を考慮すると、必ずしも導波管を採用することはせず、信号分配や接続にマイクロストリップ線路等の伝送線路が多用される。従って、パッケージの信号入力側インターフェイスも、それらに合わせてマイクロストリップ線路等の伝送線路とするのが好適であり、例えば入力側も導波管とした場合には、マイクロストリップ線路と導波管との間の伝送モード変換が必要になって、この変換に起因する信号損失を発生させるおそれがある。このように、前段及び後段の機器や信号の取り扱い等に適合した入出力インターフェイスを備えた半導体パッケージが望まれていた。

また、発熱量の多い電力増幅用の半導体装置等が収納され、かつミリ波帯の信号を取り扱うことから、良好な放熱特性を備えており、ミリ波帯の信号に対する伝送損失の低減が図られた構造であること、さらには、実装を考慮した小型軽量化や、パッケージ製造時の容易性が考慮された構造の半導体パッケージが望まれていた。

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、取り扱う信号に適合した接続インターフェイスを備えて信号の伝送損失を抑えるとともに、十分な放熱特性を維持し、小型かつ軽量で製造も容易な半導体パッケージを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本実施形態の半導体パッケージは、接続される導波管の断面形状に対応した貫通孔が形成された第１の金属プレートと、上面に半導体装置の実装領域を備え、前記第１の金属プレートの上面に載置された第２の金属プレートと、平板状の誘電体基板を挟んで信号側導体と接地側導体とからなるマイクロストリップ線路で構成された伝送線路が形成され、前記半導体装置の実装領域に隣接した前記第１の金属プレート上に載置されるとともに、前記伝送線路の一端が前記半導体装置に接続される線路基板と、前記線路基板上に形成され、一端は前記半導体装置に接続されるとともに、他端は、信号側導体が前記貫通孔の開口面の上面に張り出し、伝送する信号の線路波長の１／４に相当する長さがこの開口面に重なるように延伸して形成された出力信号側導体と、前記貫通孔、前記第２の金属プレート、及び前記線路基板を一体に覆うとともに、前記線路基板に形成された前記伝送線路の他端を壁面から突出させて前記線路基板に上方から載置され、その下側で前記貫通孔の開口面に対応した部位には、前記線路基板を挟んで上方に向けて、この貫通孔の開口面の形状と同一の形状に仕切られた、前記導波管の端部となる空間が形成されるとともに、この空間の上壁面の高さは、前記出力信号側導体から、前記伝送する信号の導波管管内波長の１／４に相当する距離とした蓋体とを備え、前記蓋体は樹脂製とするとともに、この蓋体に形成された前記導波管の端部となる空間の内壁面を金属コートし、入力信号は前記伝送線路の他端に入力され、出力信号は前記貫通孔から出力されることを特徴とする。

本実施形態に係る半導体パッケージの一例を示す分解斜視図。 図１に例示した半導体パッケージの全体及び各部毎の斜視図。 図２中のＡ−Ａ’面の断面図。 図３における変換部の拡大断面図。 図２中のＢ−Ｂ’面の断面図。 本実施形態に係る半導体パッケージの実装状態の一例をモデル化して示す斜視図。 図６中のＣ−Ｃ’面の断面図。

以下に、本実施形態に係る半導体パッケージを実施するための最良の形態について、図１乃至図７を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る半導体パッケージの一例を示す分解斜視図であり、図２は、半導体パッケージ全体及び各部毎の斜視図を例示している。また、図３及び図４は、図２中のＡ−Ａ’面の断面図を例示しており、図５は図２中のＢ−Ｂ’面の断面図を例示している。なお、いずれの図においても、半導体パッケージ内には半導体装置１３が収容されている場合を例示している。

図１乃至図５に例示したように、この半導体パッケージ１は、第１の金属プレートとしての導波管インターフェイス金属プレート１１、第２の金属プレートとしてのチップマウント金属プレート１２、半導体装置１３、線路基板１４、及び蓋体としてのバックショート内蔵蓋体１６から構成されている。

導波管インターフェイス金属プレート１１は、例えば銅やアルミニウム、またはそれらを含む合金等からなる、平板状に形成された金属板である。この導波管インターフェイス金属プレート１１には、この半導体パッケージ１が実装される金属ブロックに内蔵される導波管（図示せず）の断面形状に対応した貫通孔１１ａが形成されている。この貫通孔１１ａの開口部分は、半導体パッケージ１の出力信号を外部に接続するための接続端であり、例えばミリ波帯用の導波管が接続される。そして、導波管が接続された場合には、この貫通孔１１ａは、接続された導波管の管路の一部となる。

導波管インターフェイス金属プレート１１の上面側には、チップマウント金属プレート１２が載置されている。このチップマウント金属プレート１２の下面側は、導波管インターフェイス金属プレート１１に密着・固定されており、また、上面側には、この半導体パッケージ１に収容する半導体装置等の実装領域１２ａを備えている。本実施例では、この実装領域１２ａに半導体装置１３が実装されている場合を例示している。このチップマウント金属プレート１２は、例えば銅等、良好な熱伝導性を有する金属からなる平板状の金属板であり、半導体装置１３からの発熱を導波管インターフェイス金属プレート１１の方向に伝導する、良好な放熱経路となる。

さらに、チップマウント金属プレート１２の上面で実装領域１２ａに隣接した領域には、線路基板１４が載置されている。本実施例では、１枚の線路基板で構成された場合を例示しているが、入力側と出力側など複数の線路基板に分け、これら線路基板は、互いに実装領域１２ａの対向する位置に配置されてもよい。線路基板１４の入力側には、半導体装置１３への入力信号用の伝送線路として、平板状の誘電体基板１４ａを挟んで信号側導体１４ｂと接地側導体１４ｃとからなるマイクロストリップ線路が形成されている。接地側導体１４ｃは、面状に形成することもでき、チップマウント金属プレート１２に直接接触・固定される。そして、線路の一端は半導体装置１３に接続されており、他端は後述するバックショート内蔵蓋体１６の側壁面を貫通するように突き出して、外部からの入力信号の接続端となる。

一方、線路基板１４の出力側にも同様に、平板状の誘電体基板１４ａを挟んで信号側導体１５ｂと接地側導体１４ｃとからなる、半導体装置１３からの出力信号用の伝送線路が形成されている。その平板外形は、この線路基板１４がチップマウント金属プレート１２の上面に載置・固定された状態で、貫通孔１１ａの開口面を覆うように、その上面に張り出した張り出し部１５ｄを備えた形状をなしている。そして、線路の一端は半導体装置１３に接続され、他端は、張り出し部１５ｄにおいて、信号線側導体１５ｂのみが、信号の線路波長の１／４に相当する長さ分だけ貫通孔１１ａの開口面に重なるように延伸されている。これら張り出し部１５ｄ及び貫通孔１１ａを含む部位の構造については、図３を参照して後段で詳述する。

さらに、バックショート内蔵蓋体１６が、貫通孔１１ａ、チップマウント金属プレート１２、線路基板１４を上方から一体に覆うとともに、線路基板１４の入力側については、上記したように、外部からの入力信号の接続端となるマイクロストリップ線路が形成された端部１４ｄを露出させて、導波管インターフェイス金属プレート１１に載置される。 このバックショート内蔵蓋体１６の下面側で、導波管インターフェイスプレート１１上に載置されたときに貫通孔１１ａの開口面に対応する位置には、出力信号側導体１５ｂの張り出し部１５ｄを挟んで貫通孔１１ａを上方に延長するように、このバックショート内蔵蓋体１６の外壁と内部の仕切り壁１６ｅとによって貫通孔１１ａの開口面と同一の形状に仕切られた空間１６ａが形成されている。この空間１６ａの上壁面１６ｄまでの高さは、挟み込まれた線路基板１４の出力信号側導体１５ｂの張り出し部１５ｄから、接続される信号の導波管管内波長の１／４に相当する距離とするとともに、内壁面１６ｂは、全面金属コートされていて、接続される導波管の端部をなす。

また、同じくこのバックショート内蔵蓋体１６の下面側で、仕切られた空間１６ａ以外は、本実施例では、半導体装置１３や線路基板１４上の線路等が収容される空間１６ｃとしている。その内壁面１６ｆは、信号線路周辺部分を除いて金属コートされていて、線路基板１４を介して接地され、シールド効果をもつ。そして、このバックショート内蔵蓋体１６の材料には、例えばプラスチック等の軽量な樹脂を用いており、バックショート内蔵蓋体１６本体を含め、この半導体パッケージ１全体を軽量化している。

上記した貫通孔１１ａから線路基板１４を挟み、バックショート内蔵蓋体１６の下側からその内部上方に向けて形成された空間１６ａからなる構造は、接続される導波管と線路基板１４に形成された伝送線路との間の信号伝送モードを相互に変換する変換部分を形成している。図４は、図３におけるこの変換部分の構造をモデル化して例示した断面図である。

この図４において、導波管（図示せず）は、貫通孔の１１ａの開口下側から接続される。上述したように、貫通孔１１ａの上方には、チップマウント金属プレート１２上に載置された線路基板１４の張り出し部１５ｄが、その開口面を塞ぐように張り出しており、この張り出し部１５ｄには、信号線路側導体１５ｂが、信号の線路波長の１／４に相当する長さＬだけ、貫通孔１１ａの開口面に重なるように延伸された延伸部１５ｅが形成されている。さらに、この張り出し部１５ｄを挟んでその上方には、上壁面１６ｄまでの高さＨを、接続される信号の管内波長の１／４に相当する距離とした空間１６ａが形成されている。

そして、この空間１６ａを形成するバックショート内蔵蓋体１６側の内壁面１６ｂには、全面に金属コートが施されている。その材料としては、例えば金、または銀を用いることができる。このように金属コートを施すことによって、接続される導波管の端部となるこの空間１６ａの内壁面を表面粗さの少ない平面に仕上げることができ、この変換部分における信号の損失を低下することができる。なお、この変換部分の構造は、バックショート構造と呼ばれることがあり、また、上壁面１６ｄは、短絡面、あるいはバックショートと称されることがある。

次に、上述のように構成された本実施例の半導体パッケージ１が、他の機器に実装された事例を図６及び図７に例示する。図６は、例えば、本実施例の半導体パッケージ１を用いて半導体電力増幅器等を構成する際に、取り付けベースとなる基体４０に取り付けられた状態をモデル化して例示した、外観斜視図であり、図７は、図６中のＣ−Ｃ’面の断面図である。この事例では、半導体パッケージ１内には、例えば、発熱量の多い電力増幅用の半導体装置等が収容されているものとしている。

基体４０は、例えば、銅やアルミニウム、またはそれらを含む合金等からなる。また、電力増幅器の入力側の信号レベルは低く、加えて入力側となる前段で用いられる種々の高周波機能回路等の相互接続には、マイクロストリップ線路が多用されることから、基体４０には、半導体パッケージ１への入力信号の伝送路として、マイクロストリップ線路４１が形成されている。一方、電力増幅器の出力側は、高レベルの信号を取り扱うため、半導体パッケージ１からの出力信号の伝送路として、導波管路４２が形成されている。

本実施例の半導体パッケージ１においては、信号の入力側はマイクロストリップ線路で構成されており、入力側線路基板の端部１４ｄと基体４０側のマイクロストリップ線路４１とは、例えばリード端子１７で接続される。また、信号の出力側は、導波管インターフェイスとしての開口部１１ａを備えており、基体４０側の導波管路４２と直接接続することができる。このように、この半導体パッケージ１は、入出力信号のそれぞれに適合した伝送線路を備えており、この種の基体４０に実装するにあたっては、基体４０に直接接続することができるので、伝送路の変換等による不要な伝送損失を抑えることができる。

また、上記したように、パッケージ内に収容された半導体装置１３からの発熱量が多い場合でも、半導体装置１３は、良好な熱伝導性を有する金属からなる、チップマウント金属プレート１２の上面の実装領域１２ａに実装されているので、このチップマウント金属プレート１２が、その下側の導波管インターフェイス金属プレート１１への良好な放熱経路となり、さらには実装状態では図７に例示した基体４０に伝熱され、半導体装置１３からの安定した放熱経路が確保される。従って、半導体装置にとって十分な放熱特性を持たせることができる。

さらに、バックショート内蔵蓋体１６は、貫通孔１１ａ、チップマウント金属プレート１２、半導体装置１３、及び線路基板１４を上方から覆うとともに、その下面内側には仕切り壁１６ｅが形成される。このような形状・構造の蓋体を、例えば金属材料を用いて鋳型により製造すると、比較的困難を伴わずに製造できるものの、軽量化は難しい上、内壁面１６ｂの表面粗さを抑えることも難しいため、図４を用いて詳述したバックショート構造による伝送路変換部分における信号の損失が増加してしまう。本実施例では、バックショート内蔵蓋体１６の材料にプラスチック等の樹脂を用いているので、大いに軽量化することができる上、鋳型による製作を容易にしている。加えて、内壁面１６ｂには金属コーティングを施すことによって、壁面を表面粗さの少ない滑らかな平面に仕上げ、この部分での低損失化を図っている。

以上説明したように、本実施例によれば、取り扱う信号に適合した接続インターフェイスを備えて信号の伝送損失を抑えるとともに、十分な放熱特性を維持し、小型かつ軽量で製造も容易な半導体パッケージを得ることができる。

なお、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 半導体パッケージ
１１ 導波管インターフェイス金属プレート
１２ チップマウント金属プレート
１３ 半導体装置
１４ 線路基板
１６ バックショート内蔵蓋体
１７ リード端子
４０ 基体
４１ マイクロストリップ線路
４２ 導波管路

Claims (5)

1. 接続される導波管の断面形状に対応した貫通孔が形成された第１の金属プレートと、
   上面に半導体装置の実装領域を備え、前記第１の金属プレートの上面に載置された第２の金属プレートと、
   平板状の誘電体基板を挟んで信号側導体と接地側導体とからなるマイクロストリップ線路で構成された伝送線路が形成され、前記半導体装置の実装領域に隣接した前記第１の金属プレート上に載置されるとともに、前記伝送線路の一端が前記半導体装置に接続される線路基板と、
   前記線路基板上に形成され、一端は前記半導体装置に接続されるとともに、他端は、信号側導体が前記貫通孔の開口面の上面に張り出し、伝送する信号の線路波長の１／４に相当する長さがこの開口面に重なるように延伸して形成された出力信号側導体と、
   前記貫通孔、前記第２の金属プレート、及び前記線路基板を一体に覆うとともに、前記線路基板に形成された前記伝送線路の他端を壁面から突出させて前記線路基板に上方から載置され、その下側で前記貫通孔の開口面に対応した部位には、前記線路基板を挟んで上方に向けて、この貫通孔の開口面の形状と同一の形状に仕切られた、前記導波管の端部となる空間が形成されるとともに、この空間の上壁面の高さは、前記出力信号側導体から、前記伝送する信号の導波管管内波長の１／４に相当する距離とした蓋体とを備え、
   前記蓋体は樹脂製とするとともに、この蓋体に形成された前記導波管の端部となる空間の内壁面を金属コートし、入力信号は前記伝送線路の他端に入力され、出力信号は前記貫通孔から出力されることを特徴とする半導体パッケージ。
2. 前記金属コートの材料に金または銀を用いたことを特徴とする請求項１記載の半導体パッケージ。
3. 前記入力信号は前記マイクロストリップ線路を伝送して前記半導体装置に入力されることを特徴とする請求項１記載の半導体パッケージ。
4. 前記入力信号は前記半導体パッケージの外部に設けられたマイクロストリップ線路を伝送した信号であり、前記出力信号は前記半導体パッケージの外部に設けられた前記導波管を伝送する信号であることを特徴とする請求項１記載の半導体パッケージ。
5. 前記貫通孔から前記線路基板を挟み、前記蓋体の下側からその内部上方に向けて形成された前記空間からなる構造は、接続される前記導波管と前記伝送線路との間の信号伝送モードを相互に変換する変換部分を形成することを特徴とする請求項１記載の半導体パッケージ。