JP7422360B2 - 半導体パッケージ - Google Patents

Description

本開示は、高周波信号を送受信するアンテナ素子を備える半導体パッケージに関する。

引用文献１に記載のセンサパッケージは、集積回路の表面に設けられたパッドがバンプを介して再配線層に接続し、再配線層が樹脂誘電体層を介してアンテナ素子に接続されている。

米国特許１０１５７８０７号明細書

上記センサパッケージでは、高周波チップから再配線層に供給された高周波信号が、樹脂誘電体層上のストリップラインを介してアンテナ素子に給電される際に、樹脂誘電体層から漏れることがある。そのため、高周波信号の給電線路間のアイソレーションの低下や高周波信号の伝送損失が生じる。

本開示は、高周波信号の伝送損失を抑制可能な半導体パッケージを提供する。

本開示の１つの局面は、半導体パッケージ（１０，１０Ａ，１０Ｂ）であって、半導体素子（１０５）と、接続端子（１０２）と、誘電体層（３０３，４０３，５０２）と、少なくとも１つのアンテナ素子（６０１）と、給電線路（３０５，ＬＬ，４０６，５０４，５０３）と、を備える。半導体素子は、高周波信号を出力及び入力し、且つ、高周波信号を処理するように構成される。接続端子は、半導体素子の集積回路面に設けられ、高周波信号が出力及び入力するように構成される。誘電体層は、集積回路面の上方に配置され、第１の誘電体層（３０３）と第２の誘電体層（４０３）とを含む。少なくとも１つのアンテナ素子は、誘電体層の上面に配置される。給電線路は、誘電体層内に配置され、少なくとも１つのアンテナ素子と接続端子との間を接続し、少なくとも１つのアンテナ素子へ高周波信号を供給するように構成される。また、給電線路は、垂直線路（３０５）と、方形同軸線路（ＬＬ）と、を含む。垂直線路は、接続端子に接続されて集積回路面から垂直方向に立ち上がる。方形同軸線路は、垂直線路に接続される。また、方形同軸線路は、第１のグランド層（３０２）と、第１の誘電体層と、平面線路（４０２）と、第２の誘電体層と、第２のグランド層（５０１）とが、順に、集積回路面に垂直な方向に積層された積層体と、平面線路を囲むように配置された複数のグランドビア（３０４，４０５）と、を備える。平面線路は、垂直線路に接続されている。複数のグランドビアの各々は、垂直な方向に延伸して、第１のグランド層と第２のグランド層とに接続されている。

本開示の１つの局面によれば、給電線路が垂直線路と方形同軸線路とを含むことにより、高周波信号の伝送に対するグランドの影響が抑制されるとともに、高周波信号の漏れが抑制される。これにより、高周波信号の伝送損失を低減することができる。

ここで「垂直」とは、厳密な意味での垂直に限るものではなく、目的とする効果を奏するのであれば厳密に垂直でなくてもよい。

第１実施形態に係る半導体パッケージの垂直断面図である。 第１実施形態にファンアウトウエハレベルパッケージの平面図である。 図２においてＩＩＩ－ＩＩＩ線で切断した垂直断面図である。 第１実施形態に係る第１高周波配線層の一部分を示す平面図である。 図４においてＶ－Ｖ線で切断した垂直断面図である。 第１実施形態に係る第１高周波配線層の全体を示す平面図である。 図６においてＶＩＩ－ＶＩＩ線で切断した垂直断面図である。 第１実施形態に係る第２高周波配線層の一部分を示す平面図である。 図８においてＩＸ－ＩＸ線で切断した垂直断面図である。 第１実施形態に係る第２高周波配線層の全体を示す平面図である。 図１０においてＸＩ－ＸＩ線で切断した垂直断面図である。 第１実施形態に係る第３高周波配線層を示す平面図である。 図１２においてＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線で切断した垂直断面図である。 図１２においてＸＩＶ－ＸＩＶ線で切断した垂直断面図である。 第１実施形態に係る誘電体の厚さに対する伝送損失を示すグラフである。 第１実施形態に係る接続線路を示す図である。 比較例に係る接続線路を示す図である。 第１実施形態に係る接続円板の直径に対する伝送損失を示すグラフである。 第２実施形態に係る半導体パッケージの平面図である。 図１９においてＸＸ－ＸＸ線で切断した垂直断面図である。 第３実施形態に係る半導体パッケージの平面図である。 図２１においてＸＸＩ－ＸＸＩ線で切断した垂直断面図である。 比較例の構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための形態を説明する。
（第１実施形態）
＜１．全体構成＞
まず、第１実施形態に係る半導体パッケージ１０の構成について、図１を参照して説明する。本実施形態に係る半導体パッケージ１０は、２４ＧＨｚ又は７６～８１ＧＨｚのミリ波レーダに適用されることを想定している。

半導体パッケージ１０において、ファンアウトウエハレベルパッケージ（以下、ＦＯ－ＷＬＰと称する）２００と、第１高周波配線層３００と、第２高周波配線層４００と、第３高周波配線層５００と、少なくとも１つのモノポールアンテナ６０１と、を備える。図１では、４つのモノポールアンテナ６０１が示されている。ＦＯ－ＷＬＰ２００、第１高周波配線層３００、第２高周波配線層４００、第３高周波配線層５００、モノポールアンテナ６０１は、この順に積層されている。以下では、配線層の積層方向を垂直方向と称し、積層方向に垂直な方向を水平方向と称する。

ＦＯ－ＷＬＰ２００は、半導体素子１０５を含む。半導体素子１０５は、高周波信号を出力及び入力するとともに、高周波信号を処理するように構成された集積回路である。ＦＯ－ＷＬＰ２００の詳細は後述する。

第１高周波配線層３００、第２高周波配線層４００、及び第３高周波配線層５００は、半導体素子１０５とモノポールアンテナ６０１との間を接続し、半導体素子１０５から出力された高周波信号をモノポールアンテナ６０１へ供給する給電線路を備える。

給電線路は、半導体素子１０５の集積回路面に設けられた高周波用パッド１０２から垂直方向に立ち上がった第１高周波用ビア３０５と、第１高周波用ビア３０５に接続されて水平方向に延伸した方形同軸線路ＬＬと、方形同軸線路ＬＬから垂直方向に立ち上がりモノポールアンテナ６０１に接続された第２高周波用ビア４０６及び第３高周波用ビア５０３と、を含む。

第１高周波用ビア３０５は、第１高周波配線層３００に配置されている。方形同軸線路ＬＬは、第１高周波配線層３００、第２高周波配線層４００及び第３高周波配線層５００に亘って配置されている。第２高周波用ビア４０６及び第３高周波用ビア５０３は、第２高周波配線層４００及び第３高周波配線層５００に配置されている。第１高周波配線層３００、第２高周波配線層４００及び第３高周波配線層５００の詳細は後述する。

＜２．各配線層の構成＞
＜２－１．ＦＯ－ＷＬＰ＞
次に、ＦＯ－ＷＬＰ２００の構成について、図２及び図３を参照して説明する。ＦＯ－ＷＬＰ２００は、高周波ＩＣ１００と、モールド樹脂２０５と、複数のモールド樹脂貫通ビア２０６と、第１絶縁層２０８と、複数のはんだボール用パッド２０７と、複数のはんだボール２０９と、第２絶縁層２０２と、複数の再配線層２０１と、複数の外部接続用ビア２０３と、を備える。

ＦＯ－ＷＬＰ２００は、収容するはんだボール２０９の個数などでサイズが変わるが、例えば、８×８ｍｍから３０×３０ｍｍ程度のサイズを有する。なお、図２では、ＦＯ－ＷＬＰ２００の形状は正方形状であるが、その形状は正方形状に限定されるものではない。

高周波ＩＣ１００は、半導体素子１０５と、複数の高周波用パッド１０２と、複数のグランド用パッド１０３と、複数の信号用パッド１０４と、保護膜１０１と、を備える。

半導体素子１０５は、表面に半導体回路が形成され、５×５ｍｍから１０×１０ｍｍ程度のサイズを有する。半導体素子１０５の表面に形成された集積回路は、高周波信号を出力するとともに、入力した電波信号を処理する。なお、図２では、半導体素子１０５の形状は正方形状であるが、その形状は正方形状に限定されるものではない。

複数の高周波用パッド１０２の各々は、半導体素子１０５の表面に形成された集積回路の上に形成された接続端子であって、高周波信号が出力及び入力される接続端子である。高周波信号の周波数は、２４ＧＨｚ又は７６～８１ＧＨｚである。本実施形態では、図２に示すように、３個の高周波用パッド１０２が、集積回路上に形成されている。本実施形態では、図１２に示すように、高周波用パッド１０２の各々に対してアンテナアレーが設けられており、各アンテナアレーは、４個のモノポールアンテナ６０１を備える。以下では、水平面上において、高周波用パッド１０２の並び方向をＹ軸方向、Ｙ軸方向に垂直な方向をＸ軸方向と称する。

複数のグランド用パッド１０３の各々は、給電線と対となって電気回路を構成する電気回路の接地線である。複数のグランド用パッド１０３は、集積回路上に、高周波用パッド１０２の各々を取り囲むように配置されている。本実施形態では、１０個のグランド用パッド１０３が、１個の高周波用パッド１０２の周囲を取り囲んでいる。

複数の信号用パッド１０４の各々は、電力信号や機能制御信号が入力されるとともに、処理された受信信号が出力される。電力信号は半導体素子１０５の駆動用の電源を供給し、機能制御信号は、半導体素子１０５の動作状態を切り替えるためのものである。受信信号は、モノポールアンテナ６０１により受信された高周波信号を半導体素子１０５で処理した信号である。各信号用パッド１０４には、ミリ波信号のような数十ＧＨｚオーダーの高周波信号は流れない。本実施形態では、３個の信号用パッド１０４が、半導体回路上に配置されている。

保護膜１０１は、無機質膜であり、半導体素子１０５の集積回路面を覆い、集積路面を保護している。
高周波ＩＣ１００は、モールド樹脂２０５に埋め込まれている。モールド樹脂２０５の底面は、第１絶縁層２０８で覆われており、モールド樹脂２０５の上面は、第２絶縁層２０２で覆われている。第１絶縁層２０８及び第２絶縁層２０２は、例えば、ポリイミドで形成された薄い樹脂膜である。

複数のはんだボール用パッド２０７の各々は、第１絶縁層２０８に開けた穴に形成され、モールド樹脂２０５の底面に接続されている。複数のはんだボール２０９は、それぞれ、はんだボール用パッド２０７に接続されている。各はんだボール２０９を、図示しないプリント配線基板にはんだ付けすることにより、高周波ＩＣ１００と外部の電子機器とが電気的に接続される。

複数のモールド樹脂貫通ビア２０６の各々は、モールド樹脂２０５を垂直方向に貫通するように設けられている。

複数の接続用ビア２０４の各々は、第２絶縁層２０２に開けた穴に形成されている。各接続用ビア２０４は、高周波用パッド１０２、グランド用パッド１０３、及び信号用パッド１０４の上に接続されている。

複数の外部接続用ビア２０３の各々は、第２絶縁層２０２に開けた穴に形成されている。各外部接続用ビア２０３は、モールド樹脂貫通ビア２０６に接続するように、モールド樹脂貫通ビア２０６の上に設けられている。

複数の再配線層２０１の各々は、Ｘ軸方向に配線を延伸するための層である。各再配線層２０１は、信号用パッド１０４と外部接続用ビア２０３の上に設けられ、信号用パッド１０４と外部接続用ビア２０３を接続している。

接続用ビア２０４、外部接続用ビア２０３及びモールド樹脂貫通ビア２０６、後述する第１グランドビア３０４、第２グランドビア４０５、第１高周波用ビア３０５、第２高周波用ビア４０６、第３高周波用ビア５０３は、できる限り高周波信号の伝送損失が低い銅めっきや金属導体、及び／又は密着層で形成されることが望ましい。金属導体は、例えば、金、銀などである。密着層は、低誘電率層と銅めっきや金属導体との密着性を上げるための薄い金属層であり、例えば、チタン、タングステン等で構成された１μｍ以下の層である。

＜２－２．第１高周波配線層＞
次に、第１高周波配線層３００の構成について、図４～図７を参照して説明する。ここでは、第１高周波配線層３００は、第３絶縁層３０１と、第１グランド層３０２と、第１低誘電率層３０３と、複数の第１グランドビア３０４と、複数の第１高周波用ビア３０５と、複数のグランド接続用ビア３０６と、を備える。

第３絶縁層３０１は、第２絶縁層２０２及び再配線層２０１の上に積層されている。第３絶縁層３０１は、例えば、ポリイミドで形成された薄い樹脂膜である。グランド接続用ビア３０６は、それぞれ、第３絶縁層３０１に穴を開けて、接続用ビア２０４を介してグランド用パッド１０３に接続するように形成されている。また、第３絶縁層３０１において、高周波用パッド１０２に接続された接続用ビア２０４の上側に、高周波接続用の穴が開けられている。図４に示すように、本実施形態では、Ｙ軸方向に３個の高周波接続用の穴が設けられる。

第１グランド層３０２は、銅めっきなどで形成されており、高周波接続用の穴の部分を除いて、第３絶縁層３０１及びグランド接続用ビア３０６を覆うように設けられている。第１グランド層３０２の厚さは、例えば２μｍ程度である。第１グランド層３０２は、グランド接続用ビア３０６及び接続用ビア２０４を介して、グランド用パッド１０３に電気的に接続され、接地される。第１グランド層３０２は、方形同軸線路ＬＬの下側の面として機能する。

第１低誘電率層３０３は、第１グランド層３０２の上に設けられ、第１グランド層３０２の高周波接続用の穴と垂直方向において一致する位置に、高周波接続用の穴が開けられる。第１低誘電率層３０３は、どのような比誘電率の誘電体で形成されていてもよい。第１低誘電率層３０３は、Ｔ１の厚さを有する。第１低誘電率層３０３は、方形同軸線路ＬＬにおいて芯線の下側の空間を埋める。

複数の第１高周波用ビア３０５の各々は、第１低誘電率層３０３の高周波接続用の穴に形成された、垂直方向に延伸するビアである。第１低誘電率層３０３の厚さＴ１は、第１グランド層３０２の厚さよりも十分に大きい。よって、第１高周波用ビア３０５の長さは、第１低誘電率層３０３の厚さＴ１とほぼ等しい。第１高周波用ビア３０５は、本開示の垂直線路に相当する。

複数の第１グランドビア３０４は、第１低誘電率層３０３において、後述する複数の高周波平面線路４０２の各々の周囲を囲むように等間隔で開けられた穴に形成された、垂直方向に延伸するビアである。複数の高周波平面線路４０２のそれぞれは、複数の第１高周波用ビア３０５のそれぞれに接続される。複数の第１グランドビア３０４は、方形同軸線路ＬＬの下側のポスト壁を形成する。図６に示すように、本実施形態では、１つの第１高周波用ビア３０５に対して多数（例えば、図６では６０個以上）の第１グランドビア３０４が設けられている。

＜２－３．第２高周波配線層＞
次に、第２高周波配線層４００について、図８～図１１を参照して説明する。第２高周波配線層４００は、第２グランド層４０１と、複数の高周波平面線路４０２と、第２低誘電率層４０３と、複数の第２グランドビア４０５と、複数の第２高周波用ビア４０６と、を備える。

複数の高周波平面線路４０２は、第１低誘電率層３０３の上に設けられる。複数の高周波平面線路４０２のそれぞれは、複数の第１高周波用ビア３０５のそれぞれの上端に接続されている。各高周波平面線路４０２は、４個のモノポールアンテナ６０１に高周波信号を並列に分配できる形状に形成されている。具体的には、図８に示すように、各高周波平面線路４０２は、第１高周波用ビア３０５に対して左右対称に形成されている。各高周波平面線路４０２の左側部分は、共通線路４０２ａと、第１分岐線路４０２ｂと、第２分岐線路４０２ｃと、を含む。共通線路４０２ａは、第１高周波用ビア３０５に接続され、第１高周波用ビア３０５からＸ軸方向に延伸し、且つ、Ｙ軸方向に延伸している。第１分岐線路４０２ｂは、共通線路４０２ａから左側に分岐した線路である。第２分岐線路４０２ｃは、共通線路４０２ａから右側に分岐した線路である。第１分岐線路４０２ｂの長さは、第２分岐線路の長さと等しい。同様に、各高周波平面線路４０２の右側部分は、共通線路４０２ａと、第１分岐線路４０２ｂと、第２分岐線路４０２ｃと、を含む。各高周波平面線路４０２は、方形同軸線路ＬＬの芯線を形成する。

第２グランド層４０１は、複数の高周波平面線路４０２の各々を取り囲むように、第１低誘電率層３０３の上に設けられる。第２グランド層４０１は、銅めっきなどで形成されており、その厚さは例えば２μｍ程度である。第２グランド層４０１と、各高周波平面線路４０２との間には、溝が設けられており、第２グランド層４０１は、各高周波平面線路４０２に接続していない。

第２低誘電率層４０３は、複数の高周波平面線路４０２及び第２グランド層４０１の上に設けられる。第２低誘電率層４０３は、どのような比誘電率の誘電体で形成されていてもよい。第２低誘電率層４０３は、第１低誘電率層３０３と異なる比誘電率であってもよいし、異なる材質で形成されていてもよい。第２低誘電率層４０３は、厚さＴ２を有する。厚さＴ２は、厚さＴ１と同じでもよいし異なっていてもよい。第２低誘電率層４０３は、方形同軸線路ＬＬにおいて芯線の上側の空間を埋める。

複数の第２グランドビア４０５は、第２低誘電率層４０３において、複数の高周波平面線路４０２の各々の周囲を囲むように等間隔で開けられた穴に形成され、垂直方向に延伸するビアである。複数の第２グランドビア４０５は、それぞれ、第２グランド層４０１を介して、複数の第１グランドビア３０４の上に配置される。複数の第２グランドビア４０５は、方形同軸線路ＬＬの上側のポスト壁を形成する。

各第２グランドビア４０５と、各第１グランドビア３０４の間には、第２グランド層４０１が挟まれている。そのため、各第２グランドビア４０５の水平面上の位置が、各第１グランドビア３０４の水平面上の位置とずれた場合でも、各第２グランドビア４０５のそれぞれは、第２グランド層４０１を介して各第１グランドビア３０４と電気的に接続される。そのため、２段のグランドビアを形成する際における製造上のばらつきがある程度許容される。これにより、半導体パッケージ１０の製造が容易になる。なお、本実施形態では、第２グランド層４０１が、複数の高周波平面線路４０２の各々を取り囲むように、第１低誘電率層３０３の全面に設けられているが、複数の第１グランドビア３０４と、複数の第２グランドビア４０５との接続部分だけに設けられていてもよい。

複数の第２高周波用ビア４０６の各々は、第２低誘電率層４０３に開けられた穴に形成され、垂直方向に延伸したビアである。複数の第２高周波用ビア４０６は、複数の高周波平面線路４０２に接続されている。具体的には、１つの高周波平面線路４０２に対して４個の第２高周波用ビア４０６が接続されている。すなわち、４個の第２高周波用ビア４０６は、高周波平面線路４０２の左側部分の第１分岐線路４０２ｂの先端及び第２分岐線路４０２ｃの先端と、高周波平面線路４０２の右側部分の第１分岐線路４０２ｂの先端及び第２分岐線路４０２ｃの先端に接続されている。したがって、第１高周波用ビア３０５から４個の第２高周波用ビア４０６のそれぞれまでの距離は互いに等しい。

＜２－４．第３高周波配線層＞
次に、第３高周波配線層５００について、図１２～図１６を参照して説明する。第３高周波配線層５００は、第３グランド層５０１と、第３低誘電率層５０２と、複数の接続円板５０４と、複数の第３高周波用ビア５０３と、を備える。

第３グランド層５０１及び複数の接続円板５０４は、第２低誘電率層４０３の上に設けられている。第３グランド層５０１及び複数の接続円板５０４は、同時に銅めっきなどで形成され、その厚さは例えば２μｍ程度である。複数の接続円板５０４のそれぞれは、円形状を有し、複数の第２高周波用ビア４０６の上端に接続するように形成されている。第３グランド層５０１は、複数の接続円板５０４のそれぞれを囲むように、第２低誘電率層４０３の全面に形成されている。各接続円板５０４と、第３グランド層５０１との間には、溝が設けられており、各接続円板５０４は、第３グランド層５０１と接続していない。

第３グランド層５０１は、複数の第２グランドビア４０５の上端に接続されており、方形同軸線路ＬＬの上側の面として機能する。そして、複数の第１グランドビア３０４、複数の第２グランドビア４０５、及び複数の第１グランドビア３０４と複数の第２グランドビア４０５とを接続する第２グランド層４０１の一部が、方形同軸線路ＬＬのポスト壁を形成している。すなわち、垂直方向に平行な断面では、高周波平面線路４０２が、第１グランド層３０２、第３グランド層５０１、第１グランドビア３０４、第２グランドビア４０５、及び第２グランド層４０１の一部からなる方形グランドにより囲まれている。

第３低誘電率層５０２は、第３グランド層５０１の上に設けられる。
複数の第３高周波用ビア５０３の各々は、第３低誘電率層５０２に開けられた穴に形成され、垂直方向に延伸したビアである。複数の第３高周波用ビア５０３のそれぞれは、複数の接続円板５０４のそれぞれを介して、複数の第２高周波用ビア４０６のそれぞれに接続されている。本実施形態では、第２高周波用ビア４０６、接続円板５０４及び第３高周波用ビア５０３が接続線路に相当する。

そして、各第３高周波用ビア５０３の上端にはモノポールアンテナ６０１が接続される。これにより、第３低誘電率層５０２の上面に、Ｙ軸方向に沿って３個のアンテナアレーが形成される。各アンテナアレーは、Ｘ軸方向に並列に接続された４個のモノポールアンテナ６０１を備える。そして、各アンテナアレーにおいて、高周波用パッド１０２から４個のモノポールアンテナ６０１のそれぞれまでの距離は等しい。

高周波用パッド１０２を介して半導体素子１０５から出力された高周波信号は、第１高周波用ビア３０５、高周波平面線路４０２、第２高周波用ビア４０６、第３高周波用ビア５０３に沿って伝送し、モノポールアンテナ６０１に供給され、モノポールアンテナ６０１から放射される。各アンテナアレーにおいて、４個のモノポールアンテナ６０１には同位相の高周波信号が供給される。

＜３．低誘電率層の厚さ＞
次に、第１低誘電率層３０３の厚さＴ１及び第２低誘電率層４０３の厚さＴ２について、図１５を参照して説明する。図１５は、Ｔ１＝Ｔ２、高周波信号の周波数を７９ＧＨｚとして、第１低誘電率層３０３及び第２低誘電率層４０３の比誘電率を３．０とした場合における、厚さＴ１，Ｔ２に対する高周波信号の伝送損失のシミュレーション結果を示す。

上述したように、高周波信号は、方形同軸線路ＬＬにおいて、高周波平面線路４０２に沿って流れる。高周波信号は、高周波平面線路４０２の中だけを流れるわけではなく、高周波信号の電気力線は、第１低誘電率層３０３及び第２低誘電率層４０３を介して、周囲のグランドとの間にも広がっている。そのため、高周波信号の伝送損失は、方形同軸線路ＬＬのサイズや、方形同軸線路ＬＬの内部に充填されている第１低誘電率層３０３及び第２低誘電率層４０３の誘電率、高周波平面線路４０２と第１グランド層３０２と第３グランド層５０１と第２グランド層４０１の一部と第１グランドビア３０４と第２グランドビア４０５の導電率の影響を受ける。

図１５に示すように、厚さＴ１，Ｔ２が大きくなるほど、伝送損失は急激に低減していくため、厚さＴ１，Ｔ２を大きくすることが望ましい。しかしながら、厚さＴ１，Ｔ２を大きくすると、第１グランドビア３０４，第２グランドビア４０５及び第２高周波用ビア４０６を長くする必要がある。一般に、ビアは、感光性レジストで誘電体層に穴を開け、穴の内部を導体で充填する、またはYAGレーザーなどで材料を開口し、内部を導体で充填することで形成される。ビアが長くなると、アスペクト比が大きくなり、直径に対して深い穴になる。感光性レジストを使用する場合は、使用する感光性レジストの種類によって、許容される穴のアスペクト比には限界がある。また、YAGレーザーなどを使用した開口では、深い穴を加工する場合は、開口径が拡大し、所望のビアピッチを確保できない。アスペクト比の限界を超えて、穴を深くするには、ビアの形成工程を２回に分けて積層などする必要があり、製造コストの上昇を招く。又、アスペクト比が大きくなると導体を充填するプロセス（Cuめっきなど）で、十分な充填性を確保できず、充填不足やボイドなどが発生し、製品の信頼性低下を招く恐れがある。

さらに、周波数を７９ＧＨｚ、比誘電率を３．０とした場合、厚さＴ１,Ｔ２が５００μｍを超えると、高周波信号の伝搬モードに高次モードが発生することがシミュレーションにより明らかになった。

高次モードが発生すると、所望な基本モードの高周波信号と不要な高次モードの高周波信号とが同時に伝搬するため、高周波信号の伝搬速度に差が生じ、異なる伝搬速度の高周波信号がノイズ成分となる。ひいては、レーダ性能の低下を招く可能性がある。

したがって、厚さＴ１，Ｔ２の上限値は、高次モードが生じない範囲で設定する必要がある。なお、厚さＴ１，Ｔ２の上限値は、第１低誘電率層３０３及び第２低誘電率層４０３の比誘電率と高周波信号の周波数とにより決まる。厚さＴ１，Ｔ２を、高次モードが生じない範囲の上限値以下にすることで、厚さＴ１，Ｔ２を大きくするほど、伝送損失を低減できる。しかしながら、実際には、厚さＴ１，Ｔ２の最大値は、製造上の容易さから制約を受ける。

＜４．接続円板のサイズ＞
次に、接続円板５０４のサイズについて、図１６～図１８を参照して説明する。
本実施形態では、第２高周波用ビア４０６及び第３高周波用ビア５０３により、高周波平面線路４０２からモノポールアンテナ６０１へ垂直に給電することができる。高周波平面線路４０２からモノポールアンテナ６０１への接続線路を、方形同軸構造と同時に積層しながら形成していくことで製造を容易にできる。したがって、接続線路は、２個以上のビアを垂直方向に接続して形成する必要がある。

本実施形態では、第２高周波用ビア４０６と第３高周波用ビア５０３の２個のビアを垂直方向に接続する。この際、図１７に示すように、製造上のばらつきにより、１段目の第２高周波用ビア４０６の水平面上の位置と、２段目の第３高周波用ビア５０３の水平面上の位置とにずれが生じる。このため、第２高周波用ビア４０６と第３高周波用ビア５０３との接続面積が小さくなり、高周波信号の伝送損失が発生する。

そこで、図１６に示すように、本実施形態では、第２高周波用ビア４０６と第３高周波用ビア５０３との間に、上下のビアのビア径よりも径が大きな接続円板５０４を形成した。接続円板５０４を設けたことにより、製造上のばらつきが生じても、第２高周波用ビア４０６と第３高周波用ビア５０３との接続面積を減少させることがない。

ただし、接続円板５０４の径は、上下のビアのビア径よりも大きくする必要があるため、上下のビアの側面から水平方向に突出する。すなわち、第２高周波用ビア４０６と第３高周波用ビア５０３との側面から突出する鍔が形成される。この鍔による高周波信号の伝送損失が問題となる。

本発明者は、接続円板５０４の直径に対する接続円板５０４での伝送損失のシミュレーションを行った。図１８は、高周波信号の周波数を７９ＧＨｚとし、第２高周波用ビア４０６及び第３高周波用ビア５０３のビア径を５０μｍとした場合のシミュレーション結果である。

図１８に示すように、概ね接続円板５０４の直径が１５０μｍ以下では、伝送損失は略ゼロに抑制される。このシミュレーションは、第２高周波用ビア４０６及び第３高周波用ビア５０３の中心と、接続円板５０４の中心とが一致したモデルを用いて解析している。そのため、接続円板５０４の直径が１５０μｍの場合、接続円板５０４がビアの側面から突出する長さ、すなわち、鍔の長さは、５０μｍである。

一般的に、ウエハレベルパッケージ工程において、ビアの穴は感光性レジスト又はYAGレーザーなどを用いて開けるため、その位置精度は悪くても±２５μｍ以下である。したがって、第２高周波用ビア４０６及び第３高周波用ビア５０３のビア径５０μｍに対して、接続円板５０４の直径を１００μｍとすれば、第２高周波用ビア４０６及び第３高周波用ビア５０３が接続円板５０４をはみ出して形成されることはなく、接続面積の減少は生じない。また、接続円板５０４の直径を１００μｍよりも小さくすると、製造上のばらつきにより接続面積の減少が生じる。接続円板５０４の直径の最小値は、使用する製造方法のばらつきにから決まる。

またこの時、接続円板５０４の位置に対してビアの位置が最もずれた場合に、鍔の長さは５０μｍとなる。すなわち、図１８に示すように、鍔の長さは、伝送損失を略ゼロに抑制することが可能な５０μｍ以内となる。接続円板５０４の直径をこれ以上大きくすると、接続円板５０４の位置に対してビアの位置が最もずれた場合に、鍔の長さが５０μｍを超えて、伝送損失が増大する。接続円板５０４の直径の最大値は、伝送損失を略ゼロに抑制可能な直径の範囲から決まる。

このように、垂直方向に重ねた複数のビアに高周波信号を流す構造では、接続円板５０４を上下のビアの間に配置し、且つ、接続円板５０４の鍔部分の長さを所定の範囲に設定する。所定の範囲は、製造上のばらつきによる位置ずれを考慮した値を最小値とし、伝送損失を抑制可能な値を最大値とする範囲である。これにより、製造が容易で且つ低伝送損失な接続線路を形成することができる。なお、接続円板は真円である必要はなく、例えば製造工程上、位置づれ方向が決まっている場合などは、それにあわせて楕円にするなどしてもよい。

＜５．並列接続配線＞
本実施形態では、方形同軸線路ＬＬを用いてモノポールアンテナ６０１を並列接続している。図２３に、アンテナ素子を直列接続してアンテナアレーを構成した比較例を示す。比較例では、半導体素子１０５が、パッケージモールド材７０２で封止されている。ＳｉＩＣチップ１０５の高周波用パッド１０２及び信号用パッド１０４は、銅めっきで形成された再配線層７０１を介してはんだボール７０４に接続されている。はんだボール７０４は、プリント基板７０３にはんだ付けされ、プリント基板７０３に設けられたアンテナアレー７０６に接続されている。

はんだボール７０４とはんだボール７０４との間隔は、はんだ付け工程においてはんだブリッジを起こさないように、半導体素子１０５のパッド間隔よりも広げて形成される。この間隔を広げることにより、半導体素子１０５とプリント基板７０３との接続部でのインピーダンス整合が取れず、高周波信号の伝送損失を招く。さらに、はんだボール７０４は錫合金が使われるため、錫合金の導電性の低さから高周波信号の損失が大きくなる。

アンテナアレー７０６は、送信用、受信用で複数形成される。ミリ波レーダでは、複数の受信アンテナで受信された電波の位相差などから反射電波の到来方向を検出する。受信用のアンテナアレー７０６のアレー間隔Ｌは、正確な位相差が検出できるよう必要な走査角範囲内において不要な受信がされないように設定する必要がある。各アンテナアレー７０６は複数のアンテナ素子７０５を直列に接続して形成される。各アンテナアレー７０６が複数のアンテナ素子７０５を備えることにより、電波の強度、分布特性を改良するのに有効である。しかしながら、複数のアンテナ素子７０５を直列に接続する場合、電波の位相差を合わせるため、アンテナ素子７０５のピッチＰは、波長に合わせて広げなければならならず、大型化する。

一方、本実施形態のように、高周波ＩＣ１０５から並列接続で各モノポールアンテナ６０１へ接続する場合は、各モノポールアンテナ６０１へ同時に給電されるため、各モノポールアンテナ６０１の位相がずれることがなく、ピッチＰを詰めることが可能となる。

ただし、比較例のように、プリント基板７０３上の同じ面に、高周波ＩＣ１０５とアンテナアレー７０６とが配置される場合、アンテナアレー７０６とアンテナアレー７０６とのすき間に、並列接続するための給電線路を形成する必要がある。高周波信号が流れる給電線路では、その周辺部に電気力線が拡散しているため、アンテナ素子７０５間のノイズを防止する（すなわち、アイソレーションを確立する）ためには、アンテナ素子７０５同士を一定の距離以上離す必要がある。加えて特性インピーダンスを整合させるため、給電線は一定の線路幅が必要となる。結果、アレー間隔Ｌの制約のため、アンテナアレー間のすき間には並列接続のための給電線路を形成することができない。そのため、各アンテナアレー７０６では、アンテナ素子７０５が直列に接続されている。

一方、本実施形態では、方形同軸線路ＬＬにより並列接続配線を構成しているため、各モノポールアンテナ６０１に接続される給電線路間のアイソレーションが確立されている。また、モノポールアンテナ６０１よりも下層で、並列接続するための給電線路が形成されているため、アンテナアレー間に並列接続するための給電線路を形成する必要がない。そのため、アンテナアレーを必要とされるアレー間隔で並べることができる。

＜６．効果＞
以上説明した第１実施形態によれば、以下の（１）～（５）の効果が得られる。
（１）半導体素子１０５からモノポールアンテナ６０１までの給電経路が、垂直方向に延伸した第１高周波用ビア３０５と方形同軸線路ＬＬとを含むことにより、高周波信号の伝送に対するグランドの影響が抑制されるとともに、高周波信号の漏れが抑制される。これにより、高周波信号の伝送損失を低減することができる。

（２）半導体素子１０５からモノポールアンテナ６０１までの給電線路を導電性が比較的高い銅及び／又はチタン、タングステン等の密着層のみで構成し、はんだのような導電性が比較的低い導体を用いて構成していない。そのため、高周波信号の伝送損失を低減することができる。

（３）第２高周波用ビア４０６及び第３高周波用ビア５０３を用いて、モノポールアンテナ６０１を高周波平面線路４０２に対して垂直方向に配置することができる。これにより、半導体パッケージ１０のＹ軸方向の長さを抑制し、半導体パッケージ１０を小型化することができる。

（４）接続円板５０４を挟んで第２高周波用ビア４０６と第３高周波用ビア５０３とを積層することにより、製造時に第２高周波用ビア４０６の水平方向の位置に対して第３高周波用ビア５０３の水平方向の位置が大きくずれても、高周波信号が接続円板５０４を介して第２高周波用ビア４０６及び第３高周波用ビア５０３の一方から他方へ伝搬するため、高周波信号の伝送損失を抑制することができる。

（５）方形同軸線路ＬＬによって高周波信号が分岐されるため、分岐された高周波信号間のアイソレーションを確立することができる。ひいては、モノポールアンテナ６０１のピッチを狭くすることができる。また、第１分岐線路４０２ｂの長さと、第２分岐線路４０２ｃの長さが等しいことにより、第１分岐線路４０２ｂに接続されたモノポールアンテナ６０１と第２分岐線路４０２ｃに接続されたモノポールアンテナ６０１に同位相の高周波信号を給電することができる。すなわち、複数のモノポールアンテナ６０１に並列に給電することができる。また、第１分岐線路４０２ｂと第２分岐線路４０２ｃを、モノポールアンテナ６０１の下層に配置したことにより、３個のアンテナアレーを、必要とされるアレー間隔で配置することができる。ひいては、各アンテナアレーの位相差を適切に制御することができる。

（第２実施形態）
＜１．第１実施形態との相違点＞
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

＜２．全体構造＞
第２実施形態に係る半導体パッケージ１０Ａの構成について、図１９及び図２０を参照して説明する。

第２実施形態に係る半導体パッケージ１０Ａは、第１実施形態に係る半導体パッケージ１０の構成の上に、さらに、第４グランド層６０５、第４低誘電率層６０４、第５グランド層６０６、複数の第４グランドビア６０３、及び複数の共振アンテナ６０２を備える。

第４グランド層６０５は、モノポールアンテナ６０１と同時に、第３低誘電率層５０２の上に形成される。第４低誘電率層６０４は、モノポールアンテナ６０１及び第４低誘電率層６０４の上に設けられる。

複数の共振アンテナ６０２のそれぞれは、第４低誘電率層６０４の上において、複数のモノポールアンテナ６０１のそれぞれ合わせた位置に設けられる。すなわち、本実施形態では、１２個の共振アンテナ６０２のそれぞれが、１２個のモノポールアンテナ６０１のそれぞれの上方に設けられる。

複数の第４グランドビア６０３は、複数の共振アンテナ６０２のアンテナ間でのリーク（すなわち、クロストーク）を押さえるために設けられる、アイソレーション用グランドビアである。複数の第４グランドビア６０３は、各共振アンテナ６０２の周囲を囲うように、第４低誘電率層６０４に開けられた穴に形成される。本実施形態では、１６個の第４グランドビア６０３が１個の共振アンテナ６０２を囲っている。

第５グランド層６０６は、複数の共振アンテナ６０２と同時に、第４低誘電率層６０４の上に形成される。第５グランド層６０６は、各共振アンテナ６０２の周囲を囲むように、第４低誘電率層６０４の全面に形成される。第５グランド層６０６と各共振アンテナ６０２との間には溝が設けられ、第５グランド層６０６は各共振アンテナ６０２と接続していない。第５グランド層６０６により、さらに、複数の共振アンテナ６０２のアンテナ間でのリークを抑制することができる。

上述した第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、複数の共振アンテナ６０２を設けたことにより、広帯域化を実現できる。また、各共振アンテナ６０２を、第４グランドビア６０３及び第５グランド層６０６で囲ったことにより、アンテナのノイズを低減することができる。

（第３実施形態）
＜１．第１実施形態との相違点＞
第３実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

＜２．全体構造＞
第３実施形態に係る半導体パッケージ１０Ｂの構成について、図２１及び図２２を参照して説明する。

第３実施形態に係る半導体パッケージ１０Ｂは、複数のモノポールアンテナ６０１の代わりに、複数のパッチアンテナ６０７を備える点で、第１実施形態に係る半導体パッケージ１０と異なる。

すなわち、本実施形態では、第３高周波用ビア５０３のそれぞれは、パッチアンテナ６０７のそれぞれに接続されている。本実施形態では、方形同軸線路ＬＬにより構成された給電線路を分岐させた後、各分岐線路から垂直方向に給電線路を延伸している。そのため、第３低誘電率層５０２の上面に並列接続用の給電線路を設ける必要がない。すなわち、第３低誘電率層５０２の上面には、アンテナ素子だけを配置すればよいため、用いるアンテナ方式に特に制限がない。よって、モノポールアンテナ６０１の代わりにパッチアンテナ６０７を用いることができる。

上述した第３実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、各パッチアンテナ６０７へ垂直方向から給電できるため、各パッチアンテナ６０７の全面積をアンテナとして有効利用できる。

（他の実施形態）
（ａ）上記各実施形態では、高周波平面線路４０２とアンテナ素子とを接続する接続線路を、２個のビアを垂直に接続して構成していたが、３個以上のビアを垂直に接続して構成してもよい。この場合、上下のビア間のそれぞれに、接続円板５０４を形成すればよい。

（ｂ）上記各実施形態では、各第１高周波用ビア３０５を１つのビアで構成しているが、本開示はこれに限定されるものではない。図１６に示すように、接続線路と同様に、第１高周波用ビア３０５を、下側高周波用ビア３０５ａと、上側高周波用ビア３０５ｂと、垂直ビア用接続円板３０５ｃと、から構成されていてもよい。また、第１高周波用ビア３０５を、３個以上のビアを垂直に接続して構成してもよい。この場合、上下のビア間のそれぞれに、垂直ビア用接続円板３０５ｃを形成すればよい。

１０，１０Ａ，１０Ｂ…半導体パッケージ、１０２…高周波用パッド、１０５…半導体素子、３０３…第１低誘電率層、３０４…第１グランドビア、３０５…第１高周波用ビア、４０２…高周波平面線路、４０３…第２低誘電率層、４０５…第２グランドビア、４０６…第２高周波用ビア、５０３…第３高周波用ビア、５０４…接続円板、６０１…モノポールアンテナ、ＬＬ…方形同軸線路。

Claims (9)

1. 高周波信号を出力及び入力し、且つ、前記高周波信号を処理するように構成された半導体素子（１０５）と、
   前記半導体素子の集積回路面に設けられ、前記高周波信号が出力及び入力するように構成された接続端子（１０２）と、
   前記集積回路面の上方に配置され、第１の誘電体層（３０３）と第２の誘電体層（４０３）とを含む誘電体層（３０３，４０３，５０２）と、
   前記誘電体層の上面に配置された少なくとも１つのアンテナ素子（６０１）と、
   前記誘電体層内に配置され、前記少なくとも１つのアンテナ素子と前記接続端子との間を接続し、前記少なくとも１つのアンテナ素子へ前記高周波信号を供給するように構成された給電線路（３０５，ＬＬ，４０６，５０４，５０３）と、を備え、
   前記給電線路は、前記接続端子に接続されて前記集積回路面から垂直な方向に立ち上がった垂直線路（３０５）と、前記垂直線路に接続され、前記誘電体層の面に沿って延伸した方形同軸線路（ＬＬ）と、を含み、
   前記方形同軸線路（ＬＬ）は、第１のグランド層（３０２）と、前記第１の誘電体層と、平面線路（４０２）と、前記第２の誘電体層と、第２のグランド層（５０１）とが、順に、前記集積回路面に前記垂直な方向に積層された積層体と、前記平面線路の全周囲を囲むように配置された複数のグランドビア（３０４，４０５）と、を備え、
   前記複数のグランドビアの各々は、前記垂直な方向に延伸して、前記第１のグランド層と前記第２のグランド層とに接続されており、
   前記垂直線路は、前記第１の誘電体層のうち前記複数のグランドビアに囲まれている領域を貫通して、前記平面線路に接続されている、
   半導体パッケージ。
2. 前記第１の誘電体層の上面に、前記平面線路を取り囲むように配置された中間グランド層（４０１）を更に備え、
   前記複数のグランドビアの各々は、前記第１のグランド層と前記中間グランド層とに接続された第１のグランドビア（３０４）と、前記中間グランド層と前記第２のグランド層とに接続された第２のグランドビア（４０５）と、を備える、
   請求項１に記載の半導体パッケージ。
3. 前記給電線路は、線路の全てが銅で構成されている、
   請求項１又は２に記載の半導体パッケージ。
4. 前記給電線路は、線路の全てが銅と銅との密着性を上げるための密着層とで構成されている、
   請求項１又は２に記載の半導体パッケージ。
5. 前記給電線路は、線路の全てが、錫又はその合金を含まない導電体で構成されている、
   請求項１又は２に記載の半導体パッケージ。
6. 前記少なくとも１つのアンテナ素子は、前記方形同軸線路の上方に配置されており、
   前記給電線路は、前記平面線路から前記垂直な方向に立ち上がり、前記平面線路と前記少なくとも１つのアンテナ素子との間に接続された少なくとも１つの接続線路（４０６，５０４，５０３）を含む、
   請求項１～５のいずれか１項に記載の半導体パッケージ。
7. 前記少なくとも１つの接続線路の各々は、第１ビア（４０６）と、第２ビア（５０３）と、接続円板（５０４）と、を含み、
   前記第１ビアと前記第２ビアは、前記接続円板を挟んで積層されている、
   請求項６に記載の半導体パッケージ。
8. 前記少なくとも１つのアンテナ素子は、第１のアンテナ素子（６０１）と、第２のアンテナ素子（６０１）と、を含み、
   前記少なくとも１つの接続線路は、前記第１のアンテナ素子に接続される第１の接続線路（４０６，５０４，５０３）と、前記第２のアンテナ素子に接続される第２の接続線路（４０６，５０４，５０３）と、を含み、
   前記平面線路は、前記垂直線路に接続された共通線路（４０２ａ）と、前記共通線路から分岐した第１の分岐線路（４０２ｂ）と第２の分岐線路（４０２ｃ）とを含み、前記第１の分岐線路は、前記第１の接続線路に接続され、前記第２の分岐線路は、前記第２の接続線路に接続されており、前記第１の分岐線路の長さは、前記第２の分岐線路の長さと等しい、
   請求項６又は７に記載の半導体パッケージ。
9. 前記垂直線路（３０５）は、第１垂直ビア（３０５ａ）と、第２垂直ビア（３０５ｂ）と、垂直ビア用接続円板（３０５ｃ）と、を含み、
   前記第１垂直ビアと前記第２垂直ビアは、前記垂直ビア用接続円板を挟んで積層されている、
   請求項１～８のいずれか１項に記載の半導体パッケージ。

Images