JP7431351B2 - 半導体パッケージ及び半導体電子装置 - Google Patents

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Description

本開示は、半導体パッケージ及び半導体電子装置に関する。
半導体パッケージでは、信号端子とパッケージの内部空間に位置する電子部品との間で送受信される信号が当該パッケージの信号線路及び貫通導体（ビアホール導体）などの信号経路を介して伝えられる。特開２０２０－５３５３３号公報では、差動信号を伝える１対の信号線路に係る電極導体間の絶縁基板に切り欠きを有し、当該切り欠きの底面も接地面とする構造により、信号線路間において１－６０ＧＨｚ帯の高周波信号の干渉によるクロストークを低減させる技術が開示されている。
本開示の一の態様は、
第１面と、前記第１面とは反対側の第２面とを有する絶縁基板と、
前記第１面の１辺に沿って並ぶ１対の第１電極と、
前記１対の第１電極にそれぞれ電気的に接続して信号を伝える１対の差動線路と、
接地用導体と、
を備え、
前記絶縁基板は、前記第１面に位置し前記１対の第１電極の間を伸びる第１溝を有し、
前記１対の差動線路の各々は、
前記絶縁基板の内部に位置し前記第１面に沿って伸びる第１信号線路と、
前記第２面に位置する第２信号線路と、
前記絶縁基板の内部で前記第１電極と前記第１信号線路とを電気的に接続する第１接続導体と、
前記絶縁基板の内部で前記第１信号線路と前記第２信号線路との間に位置する第２接続導体と、
を含み、
前記接地用導体は、
前記第１面に位置する第１接地面と、
前記第１溝の底面に位置する第１溝内接地面と、
前記第１面との間に前記第１信号線路を挟んで前記絶縁基板の内部に位置する第２接地面と、
前記絶縁基板の内部で前記第２接続導体に沿って位置する接地用接続導体と、
を含み、
前記接地用接続導体の一部は、前記第２接続導体の周囲に位置して、前記第２接続導体とともに同軸構造をなし、
前記第１信号線路は、前記第１接地面及び前記第２接地面と対向する範囲でストリップライン構造をなし、
前記第１面の平面透視で、前記第２接続導体の前記第２信号線路との接点とは反対側の端部を含む前記第１面の位置は、前記第１接地面のない隙間領域である、
半導体パッケージである。
本実施形態の半導体電子装置を上蓋を外した状態で見た全体斜視図である。 半導体電子装置の第１面を示す底面図である。 第１面の一部を拡大して詳細に示す図である。 第１面の一部を拡大して詳細に示す底面図である。 配線基板の１つの信号電極を含む断面を示す図である。 配線基板のスライス断面図である。 配線基板のスライス断面図である。 本実施形態の配線基板による信号の挿入損失の周波数に対する依存性に係るシミュレーションの結果を示すグラフである。 変形例１の半導体パッケージについて説明する図である。 変形例１の半導体パッケージについて説明する図である。 変形例２の配線基板の１つの信号電極を含む断面を示す図である。 変形例２の配線基板における差動線路の位置を説明する図である。
以下、実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の半導体電子装置１を上蓋を外した状態で見た全体斜視図である。
半導体電子装置１は、半導体パッケージ６と、電子部品７と、蓋体８などを備える。
半導体パッケージ６は、配線基板１０と、枠体２０などを備える。また、半導体パッケージ６は、基板などへの固定に利用される固定具３を有していてもよい。
配線基板１０と枠体２０とは、上下（ｚ方向）に重なって接合している。配線基板１０は、ｚ方向から見た平面視で略矩形状（角が丸められていたり落とされていたりしてもよい）であるが、これに限られない。配線基板１０の下面（第１面１０ａ）は平面である。配線基板１０の上面は、中央に一段低い平面部分（第３面１０ｄ）と、第３面１０ｄの周囲に位置し、当該第３面１０ｄよりも高い平面部分（第２面１０ｃ）とを含む。
枠体２０は、平面視で配線基板１０の外縁を取り囲む環状の形状を有する。枠体２０は、第２面１０ｃに接合している。第２面１０ｃは、枠体２０の幅より広い部分を有しており、階段状となっている。枠体２０の上面は、ここでは、均一な高さである。半導体パッケージ６は、配線基板１０の第３面１０ｄを底面とし、周囲の第２面１０ｃに係る突出部分及び枠体２０により側面４方向が囲まれて、上方向に開放された凹部２０１を有する形状となっている。
配線基板１０又は枠体２０は、半導体パッケージ６の側面をなす一の面に開口１０１を有していてもよい。例えば、電子部品７がフォトダイオード又はレーザーダイオードなどの光学部品を含む場合に、この開口１０１を光が通過することができる。開口１０１は、半導体パッケージ６の内外がガラス又は透明樹脂などの光透過部材で仕切られていてもよい。
蓋体８は、枠体２０の上面と接合しており、凹部２０１の上面を覆う。枠体２０及び蓋体８は、いずれも導体であって、例えば、鉄、銅、ニッケル、クロム、コバルト、モリブデン若しくはタングステンを含む金属又はこれらの合金である。枠体２０及び蓋体８の材質は、同一であっても同一でなくてもよい。
配線基板１０は、絶縁基板１１（図４参照）と、接地用導体と、信号線路などを有する。信号線路は、絶縁基板１１の表面及び内部を通り、第２面１０ｃに位置する端子と、第１面１０ａの１辺である辺１０ｂの外側へ突出して位置するリード１２ａ（リード端子）との間を電気的に接続している。また、接地用導体は、リード１３ａに電気的につながっている。
電子部品７は、第３面１０ｄに位置し、凹部２０１の内部に収まっている。電子部品７の端子と、上記第２面１０ｃの端子とがボンディングワイヤなどにより接続されて（不図示）、信号の送受信が行われる。
図２は、半導体パッケージ６（配線基板１０）の第１面１０ａを示す底面図である。
配線基板１０の下面の－ｘ方向の端部である辺１０ｂ（第１面１０ａの１辺）に沿って複数の信号電極１２（第１電極）及び接地電極１３（第２電極）などが若干の間隔を空けて並んで位置している。信号電極１２は、リード１２ａ（導体接続部）を有し、接地電極１３はリード１３ａを有する（ここでは、リード１２ａ、１３ａを一つずつのみ図示）。第１面１０ａの残りの部分は、特には限られないが、信号電極１２の周囲及び隙間領域１１ｆ以外の大部分が接地面１１ｇ（第１接地面）となっている。
図３Ａ及び図３Ｂは、第１面１０ａの一部を拡大して詳細に示す図である。図３Ａは斜視図であり、図３Ｂは底面図である。なお、説明上、図３Ａではリード１２ａ、１３ａを省略している。
信号電極１２は、ｙ方向に並んだ２つ（１対）の信号電極１２１、１２２を含み、これらが１対で差動信号を送信する。接地電極１３は、１対の信号電極１２１、１２２のｙ方向について両側に位置する。接地電極１３の周囲には、表面にコーティング膜１１ｓが位置している。コーティング膜１１ｓは、例えば、アルミナ薄膜である。接地電極１３と周囲の接地面１１ｇとは、コーティング膜１１ｓの下でつながっている。
信号電極１２及び接地電極１３は、例えば、それぞれ一端が辺１０ｂに接している。また、これら信号電極１２及び接地電極１３は、それぞれ辺１０ｂに対して垂直な方向（ｘ方向）に伸びている。リード１２ａは、信号電極１２の第１面１０ａ上の露出面の延在方向に沿って（ｘ方向に）伸びて、当該露出面に接合している。リード１３ａは、接地電極１３の第１面１０ａ上の露出面の延在方向に沿って（ｘ方向に）伸びて、この露出面に接合している。リード１２ａ、１３ａの露出面に接合されていない残り部分は、折れ曲がって平面視で配線基板１０の範囲の外側に引き出されている。信号電極１２は、例えば、ｙ方向についての幅が０．５－２ｍｍ、ｘ方向についての長さが１－２０ｍｍである。接地電極１３の大きさは、信号電極１２の大きさと異なっていても（ここでは若干大きくても）よいし、同一であってもよい。
差動信号を伝える１対の信号線路である差動線路１４は、詳しくは後述するが、それぞれ第１ビアホール導体１４１及び第２ビアホール導体１４３を含む。第１ビアホール導体１４１は、平面視でリード１２ａと少なくとも一部、ここでは半分程度が重なる位置で、第１面１０ａから直接絶縁基板１１の内部（＋ｚ方向）に伸びている。差動線路１４は、後述のように配線基板１０の内部で折れ曲がり、枠体２０と重ならないように位置する第２ビアホール導体１４３につながる。隙間領域１１ｆは、ｚ方向から絶縁基板１１の内部を透視して見た平面透視で１対の差動線路１４の第２ビアホール導体１４３と重なる（両方含む）範囲に位置し、例えば、長円状（２つの半円とこれらの半円の間を結ぶ長方形とを組み合わせた形状。角丸長方形ともいう）である。すなわち、１対の第２ビアホール導体１４３は、平面視で単一の隙間領域１１ｆに対して互いに共通に重なっている。
図３Ａでは、差動線路１４が３対示されており、隣り合う差動線路１４で接地電極１３が共用されてよい。差動線路１４の対の数は、伝送が必要な信号の数に応じて適宜定められてよい。なお、この図３Ａでは、いずれか１対の構成についてのみ符号を付しているが、符号が省略されている他の対についても同一の構成である。
１対の信号電極１２１、１２２の間には、配線基板１０（絶縁基板１１）の第１面１０ａに第１溝１１１が位置している。第１溝１１１は、信号電極１２に沿って、例えば、辺１０ｂからこの辺１０ｂに対して垂直（ｘ方向）に、一定の深さ（第１面１０ａからの距離。例えば、０．５－５ｍｍなど）で伸びている。
また、各信号電極１２と各信号電極１２に隣り合う接地電極１３との間には、第２溝１１２が位置している。第２溝１１２は、信号電極１２に沿って、例えば、辺１０ｂからこの辺１０ｂに対して垂直（ｘ方向）に伸びている。第２溝１１２の深さは、第１溝１１１の深さと同一（例えば、０．５－５ｍｍ）であってもよいし、異なっていても（例えば、より浅くても）よい。第２溝１１２が第１溝１１１よりも浅いことで、信号電極１２から伸びる差動線路１４の配線基板１０（絶縁基板１１）内での配置が相対的に容易になる。
第１溝１１１と第２溝１１２の形状は、ここでは例えば、平面視（底面視）で幅（ｙ方向の長さ）が０．２－２ｍｍ、長さ（ｘ方向の長さ）が信号電極１２の長さ（１－２０ｍｍ）よりも若干短い略長矩形状であり、辺１０ｂから最も遠い位置（先端）付近で丸められて（第２溝１１２については、例えば、曲率半径が０．１－１ｍｍ程度である。第１溝１１１の先端の形状については後述）、細くなっている。また、第１溝１１１は、第２溝１１２よりも長くてもよい。深さ方向についての形状は、ｘ方向から見た側面視で矩形状であり、底面は平面である。第１溝１１１と第２溝１１２の形状は、これらとは異なっていてもよい。例えば、第１溝１１１及び／又は第２溝１１２は、側面視でテーパー形状、逆テーパー形状、又は複数段の階段状であってもよい。
図３Ｂに示すように、第１溝１１１は、基部１１１ａと突起部１１１ｂとに分けられる。基部１１１ａは、長矩形状の先端（辺１０ｂから離れた端）に、第２溝１１２と同様の曲率半径０．１－１ｍｍ程度の半円状の丸まった部分を有する。突起部１１１ｂは、第１溝１１１の上記半円状の先端（基部１１１ａの辺１０ｂの側とは反対側の他端）につながって位置する。例えば、基部１１１ａの半円状の先端の中心位置と、突起部１１１ｂの半円状部分の中心位置とは、ｙ方向について等しい位置である。突起部１１１ｂは、基部１１１ａ（例えば、幅０．２ｍｍ）よりも辺１０ｂに沿ったＹ方向についての幅が狭い。また、突起部１１１ｂは、先端（ｘ成分が大きい）ほど幅が狭い形状である。突起部１１１ｂの形状は、例えば、半径０．０５ｍｍの半円柱状（平面視で半円状）であり、これにより矩形状よりも応力の分散を図ることができるが、これに限られない。
このように、配線基板１０は、第１溝１１１の長さを可能な範囲で得つつ、第１溝１１１から第１ビアホール導体１４１の位置までの距離を大きく取ることのできる構造を有する。第１ビアホール導体１４１と第１溝１１１及び第２溝１１２とが近すぎると、これらの形成時にひび割れ（クラック）などが生じやすくなるので、これら第１溝１１１及び第２溝１１２は、第１ビアホール導体１４１から所定距離以上離れている（クリアランスを得る）必要がある。一方で、第１溝１１１及び第２溝１１２が短くなると、差動線路１４の特性インピーダンスを低下させるといった問題が生じやすくなる。
第１溝１１１と第２溝１１２の底面（第１面１０ａに対して＋ｚの側に位置する第１面１０ａと平行な平面）には、それぞれ接地用導体１１１ｇ（第１溝内接地面）及び接地用導体１１２ｇ（第２溝内接地面）が位置している。信号電極１２１に対し、接地面１１ｇだけではなく、より広い接地面を有することにより、信号電極１２間のクロストークを低減させて高周波数特性を向上させることができる。
突起部１１１ｂは、基部１１１ａの深さと同一の深さ（例えば、０．５－５ｍｍ）であってもよいし、基部１１１ａよりも浅くてもよい。第１溝１１１内の接地用導体１１１ｇは、突起部１１１ｂの底面まで広がっていてよい。これらの深さは、第１ビアホール導体１４１の長さ、すなわち、第１信号線路１４２の接地面１１ｇからの距離を考慮して定められてもよい。また、絶縁基板１１の材質（誘電率）が場所によって異なる場合などには、基部１１１ａと突起部１１１ｂとの間で深さを異ならせて特性インピーダンスの調整などを行ってもよい。
第１溝１１１（突起部１１１ｂ）内の接地用導体１１１ｇの先端は、平面視で信号電極１２の先端よりも辺１０ｂの近くに位置する。ここでは、接地用導体１１１ｇは、平面視で第１ビアホール導体１４１の位置よりも上記の辺１０ｂから離れた位置までは伸びていない。
また、突起部１１１ｂの内壁面（側面）にも接地面を有し、スルービアの代わりに接地面１１ｇと接地面１５ｇとの間などを電気的に接続していてもよい。
また、本実施形態のように、第１溝１１１及び接地用導体１１１ｇが２つの信号電極１２１、１２２のｙ方向についての中心線について対称の形状であることで、第１溝１１１及び接地用導体１１１ｇの信号電極１２１、１２２に対する影響の差を小さくすることができる。これにより、信号の伝送特性、例えば、伝送速度（伝搬遅延）のばらつき及び信号損失の大きさの差異などを小さくすることができる。
このように、１対の信号電極１２１、１２２の間に誘電率が絶縁基板１１よりも低い領域を有する構造により、信号電極１２間の誘電率を、単に絶縁基板１１の平面上に並べるよりも低下させることができる。これにより、信号電極１２１、１２２の間隔が狭くても特性インピーダンスの低下が抑えられる。また、第１溝１１１及び／又は第２溝１１２の深さ、すなわち、第１面１０ａからの距離は、第１面１０ａから絶縁基板１１の内部に位置する後述の接地面１５ｇ（図４参照）までの距離と同一であってもよい。この場合、接地面１５ｇがそのまま第１溝１１１、第２溝１１２の底面の接地用導体１１１ｇ、１１２ｇに延長されていてもよい。なお、第１溝１１１、第２溝１１２は、絶縁基板１１よりも誘電率の低い他の絶縁部材で満たされていてもよい。
接地面１１ｇ及び接地電極１３は、それぞれ多数の接地用ビアホール導体（図の黒丸）により配線基板１０の内部の他の接地面と電気的に接続している。
図４は、配線基板１０の１つの信号電極１２１及び差動線路１４を含むｘｚ面内での断面を示す図である。また、図５Ａは、図４の断面線ＡＡを含むスライス断面図であり、図５Ｂは、図４の断面線ＢＢを含むスライス断面図である。信号電極１２２を含む断面の構造は、信号電極１２１を含む断面の構造と基本的に同一であり、説明を省略する。
上記のように信号電極１２１には、配線基板１０内の差動線路１４が接続している。差動線路１４の各信号線路は、それぞれ、第１ビアホール導体１４１（第１接続導体）、第１信号線路１４２、第２ビアホール導体１４３（第２接続導体）、及び第２信号線路１４４を含む。第１信号線路１４２は、絶縁基板１１の内部に配線基板１０の下面（第１面１０ａ）に沿って第１面１０ａと平行に伸びている。第２信号線路１４４は、配線基板１０の上面（第２面１０ｃ）に位置している。第１ビアホール導体１４１は、第１面１０ａに対して垂直に伸びており、信号電極１２１と第１信号線路１４２とを電気的に接続している。差動線路１４において第１信号線路１４２と第２信号線路１４４との間に位置する第２ビアホール導体１４３は、第１面１０ａに対して垂直に伸びている。第２ビアホール導体１４３は、ここでは一方の端部（第２信号線路１４４との接点とは反対側の第２端部１４３ｃ）が第１信号線路１４２の一方の端部（第１ビアホール導体１４１との接点とは反対側の第１端部１４２ｃ）と直接接続して、第１信号線路１４２と第２信号線路１４４とを電気的に接続している。
絶縁基板１１は、その内部に、第１面１０ａの接地面１１ｇに平行な接地面１５ｇ（第２接地面）を有する。接地面１１ｇと接地面１５ｇとの間は、図２、図３Ａ、図３Ｂなどにおいて黒丸で示されていた複数の接地用ビアホール導体により電気的に接続されている。
信号電極１２、接地電極１３、接地面１１ｇ、１５ｇ及び差動線路１４などの配線は、例えば、金、銀、銅、ニッケル、タングステン、モリブデン若しくはマンガンなどの金属材料又はこれらの組合せを含む金属層である。また、この金属層の表面に更にニッケルめっき又は金めっきなどの層が重なっていてもよい。このようなめっきの層を有することで、耐腐食性及び耐候性を向上させ、また、金属層に接合されるろう材及びはんだなどの接合材の濡れ性を向上させることができる。
第１ビアホール導体１４１は、上述のように、平面視で枠体２０の位置と重なっている。したがって、第１ビアホール導体１４１がそのまま絶縁基板１１を貫通すると、枠体２０と近接して特性インピーダンスの調整が難しくなる。したがって、第１信号線路１４２を介して、平面視で枠体２０の位置と重ならない第２ビアホール導体１４３に接続されている。
第１信号線路１４２は、接地面１１ｇと、接地面１５ｇとの間に位置している。これにより、第１信号線路１４２は、接地面１１ｇと接地面１５ｇとの間に挟まれて（接地面１１ｇ、１５ｇと対向して）いる部分でこれらとともにストリップライン構造をなしている。第１信号線路１４２の接地面１１ｇからの距離及び接地面１５ｇからの距離は、ストリップライン構造に係る特性インピーダンスに応じて定められている。
また、接地面１１ｇ、１５ｇと第２面１０ｃの接地面１６ｇとの間には、第２ビアホール導体１４３に平行に位置している複数の接地用ビアホール導体１４５（接地用接続導体）がある。この断面内の図では、両側にそれぞれ１本ずつの接地用ビアホール導体１４５が示されているが、図５Ａに示すように、接地用ビアホール導体１４５の一部は、第２ビアホール導体１４３の周囲を所定の距離で囲んで位置している。この位置関係にある第２ビアホール導体１４３と接地用ビアホール導体１４５とは、同軸構造をなしている。第２ビアホール導体１４３とその周囲の接地用ビアホール導体１４５との上記所定の距離は、同軸構造に係る特性インピーダンスに応じて定められている。なお、接地面１５ｇ、１６ｇの間など絶縁基板１１の内部に他の接地面があり、接地用ビアホール導体１４５は、これらと電気的につながっていてもよい。
図５Ｂに示すように、第２面１０ｃにおいて、第２信号線路１４４は凹部２０１に面した端部に伸びて、上述のように電子部品７とボンディングワイヤなどで電気的に接続されている。
このように１対の差動線路１４は、信号電極１２から直接配線基板１０（絶縁基板１１）の内部につながり、第１面１０ａに伸びる信号線路を有しない。これにより、この配線基板１０では、特に数十ＧＨｚ以上の高周波数帯の信号でより多く生じる信号線路からの損失を低減させることができる。
また、１対の差動線路１４は、配線基板１０の内部で、同軸構造とストリップライン構造との間でモード変化が生じる。モード変化に係る折れ曲がり部分での特性インピーダンスの変化を低減させるために、この配線基板１０は、第１面１０ａに垂直な方向（Ｚ方向）からの平面透視で上記折れ曲がり位置、すなわち、第１信号線路１４２及び第２ビアホール導体１４３の接点を含む位置には、第１面１０ａに接地面１１ｇがなく、絶縁基板１１が露出された（保護被膜などがなされていてもよい）隙間領域１１ｆとなっている。
隙間領域１１ｆは、図２などでも示したように、１対の差動線路１４の１対の第２ビアホール導体１４３に対して共通である。隙間領域１１ｆの外周は、特に限定するものではないが、同軸構造をなす複数の接地用ビアホール導体の内縁に沿うように定められるとよい。これにより、特性インピーダンスの変動を抑えながら、この隙間領域から高周波信号が放射されて生じる損失を低減させることができる。
また、図３Ａ及び図３Ｂにも示したように、第１ビアホール導体１４１は、平面視でリード１２ａと少なくとも一部が重なるように位置している。これにより、第１面１０ａに信号線路を配線することなく高周波信号がリード１２ａと直下の絶縁基板１１の内層とを結んで通ることになるので、第１面１０ａからの高周波信号の放射を抑制することができる。
リード１２ａ（リード１３ａ）は、外部の基板２、例えば、ＰＣＢ（プリント回路板）に接続されている。固定具３は、基板２上に半導体パッケージ６を固定支持している。
配線基板１０の製造において、絶縁基板１１は、例えば、材料物質の粉末（例えば、酸化アルミニウム及び酸化ケイ素など）に有機バインダ及び溶剤を混合して作製したスラリーをシート状に成形した複数の絶縁シート（セラミックグリーンシート）が積層され、圧着及び焼成（例えば、還元雰囲気中において約１６００℃で加熱）されて作製されてもよい。焼成された基板に対して、適宜切断、打ち抜きなどの加工処理が行われる。また、絶縁基板１１内部の接地面１５ｇ及び第１信号線路１４２などの作製では、例えば、まず、上記した導体金属、バインダ及び有機溶剤を混合して金属ペーストを作製する。次いで、上記絶縁シートの積層時に上下いずれかとなる絶縁シートに対し、この金属ペーストをスクリーン印刷などにより塗布する。そして、上記のように通常の絶縁シートと積層されて圧着、焼成される。
第１ビアホール導体１４１、第２ビアホール導体１４３及び接地用ビアホール導体１４５などは、例えば、上記積層の途中又は積層後などに貫通孔が形成されて孔内に上記金属ペーストが充填され、焼成されることにより得られてもよい。貫通孔の形成は、例えば、金属ピンによる打ち抜き加工又はレーザー加工などにより行われる。金属ペーストの充填には、例えば、真空吸引などが用いられ又は併用されてもよい。
第１溝１１１及び第２溝１１２は、形成された絶縁基板１１から該当部分を切り欠くことで形成されてもよい。
絶縁基板１１の露出面（表面）に位置する接地面１１ｇ、１６ｇ、信号電極１２、接地電極１３及び第２信号線路１４４などは、絶縁基板１１の表面などにメタライズ層として焼成されて得られてもよいし、めっきなどにより形成されてもよい。また、この金属層の表面に更にニッケルめっき又は金めっきなどの層が重なっていてもよい。
図６は、本実施形態の配線基板１０による周波数に対する信号の挿入損失（ｂ）を、従来の配線基板による信号の挿入損失（ａ）と比較して示したシミュレーションの結果を示すグラフである。なお、挿入損失の測定範囲は、リード１２ａの先端から第２信号線路１４４の端部までである。挿入損失は、値が大きい、すなわち０［ｄＢ］に近いほど小さい。
従来の配線基板では、第２ビアホール導体１４３が直接第１面１０ａと第２面１０ｃとの間を貫通しており、第１面１０ａの表面に第２ビアホール導体１４３と信号電極１２とを電気的に接続する信号線路が位置している。この従来の配線基板と比較して、高周波数帯の信号、特に６０～８０ＧＨｚの信号の挿入損失が小さく抑えられるという結果が得られた。
［変形例］
図７Ａ及び図７Ｂは、半導体パッケージ６の変形例１について説明する図である。
上述したように、信号電極１２１、１２２の周囲には、接地面１１ｇとの間に隙間が必要である。図７Ａの底面図では、第１ビアホール導体１４１の位置から幅ｗにわたって平面透視で第１信号線路１４２ａが接地面１１ｇと重なっていない。
この範囲での第１信号線路１４２ａの容量不足を補うために、変形例１の半導体パッケージ６では、第１信号線路１４２ａは、第１ビアホール導体１４１との接続部分と平面透視で接地面１１ｇと重ならない範囲（隙間領域１１ｆとは異なる）との間に幅広部１４２１を有する。幅広部１４２１は、平面透視で信号電極１２１、１２２と重なる部分も含む上記幅ｗ全体にわたっていてよい。第１信号線路１４２ａの幅を広げることで、この部分での電気容量を追加して、特性インピーダンスを低下させる。幅広部１４２１の幅は、特性インピーダンスに応じて定められればよい。
このとき、第１信号線路１４２ａは、１対の差動線路１４の間隔を狭めないように幅広部１４２１を有していてよい。すなわち、第１信号線路１４２ａは、平面透視でＹ方向について第１溝１１１とは反対側に拡張される。必要以上に第１信号線路１４２ａ間の距離を狭くしないことで、１対の第１信号線路１４２ａの間での信号への影響の増大を抑えることができる。
なお、上記実施の形態では、第１ビアホール導体１４１と第２ビアホール導体１４３とがＹ方向について同一の位置にあるものとしたが、リード１２ａの間隔（ピッチ）の設定に応じて、これらがＹ方向について異なる位置にあってもよい。この場合、差動線路１４（第１信号線路１４２ａ）の間の幅の調整がこの幅ｗの区間で併せてなされてもよい。
図７Ｂには、幅広部１４２１に応じたリード１２ａと第２ビアホール導体１４３との間の部分的な挿入損失を算出したシミュレーションの結果を示している。
上記実施形態のように幅広部１４２１を有さない場合（ｂ）と比較して、信号電極１２１、１２２と重なる部分には幅広部１４２１を有さない部分的な拡張の場合（ｃ）でも、挿入損失は６０ＧＨｚ以上の高周波数帯域で小さくなる。さらに、信号電極１２１、１２２と重なる部分まで含めた幅ｗの全体に幅広部１４２１を有する場合（ｄ）には、より顕著に挿入損失が高周波数帯域で小さくなることが分かる。
図８は、半導体パッケージ６の変形例２における配線基板１０の１つの信号電極１２１及び１本の差動線路１４を含むｘｚ面内での断面を示す図である。なお、後述のように、本変形例２では差動線路１４がｙ方向に折れ曲がっている部分を含むので、破線Ｃの左右で断面の位置（ｙ方向についての位置）が異なる。
ここでは、差動線路１４は、第１信号線路１４２ｂ及び第２ビアホール導体１４３の間で曲線、例えば双曲線に沿うように複数箇所で折れ曲がって、第３信号線路１４６と第３ビアホール導体１４７（第３接続導体）とが交互に並んでいる。すなわち、第１信号線路１４２ｂと第２ビアホール導体１４３の間では、一端同士がつながっている第３ビアホール導体１４７と第３信号線路１４６の組が複数組直列でつながっている。
差動線路１４を曲線状とすることができれば、反射損失を顕著に低減させることができるが、絶縁基板１１内に曲線形状の複数の配線を適切な位置関係で設けるのは難しいので、配線基板１０では、近似的に曲線形状となるように信号長に比して短いスケールで細かい折れ曲がりにより反射損失を低減させる。したがって、差動線路１４は、各組における第３信号線路１４６の長さに対する第３ビアホール導体１４７の長さの比は、第１信号線路１４２ｂに対する第１ビアホール導体１４１の長さの比よりも大きく、かつ第２端部１４３ｃに近い組ほどこの比が大きくなる。
接地面１５ｇの位置も、絶縁基板１１内で第１信号線路１４２ｂ及び複数の第３信号線路１４６の位置にそれぞれ応じて異なるｚ方向についての位置に分かれており、複数の接地面１５ｇの間は、それぞれ接地用ビアホール導体１４５で接続されている。
変形例２の隙間領域１１ｆは、各差動線路１４に各々応じて独立している。隙間領域１１ｆは、平面透視でそれぞれの差動線路１４の少なくとも第２ビアホール導体１４３を内包し、また、第３ビアホール導体１４７の一部又は全てを内包していてもよい。
図９は、図８に示した変形例２の配線基板１０の底面側から見た差動線路１４の位置を説明する図である。
絶縁基板１１内で接地面１５ｇに平行に伸びる第１信号線路１４２ｂは、第１ビアホール導体１４１と第２ビアホール導体１４３との間に折れ曲がり１４２ｅを有する。差動線路１４の間の距離を近づけることで信号間の結合力を強めることができるが、一方で、第２ビアホール導体１４３間の最短距離には制限がある。折れ曲がり１４２ｅは、平面透視で隙間領域１１ｆの境界付近にあり、隙間領域１１ｆの外側で部分的に差動線路１４の間の距離を近づける形状となっている。具体的な距離は、適切な特性インピーダンスが得られるように定められる。信号は、上述のように第２ビアホール導体１４３に係る同軸線路及び第１信号線路１４２ｂに係るストリップライン線路に加え、隙間領域１１ｆにおいて、第３信号線路１４６などでは、ｘｙ方向について周囲に位置する接地面に応じてグランデッドコプレーナ線路となる。同軸線路の差動線路間に係る適切な線路間距離は、他の線路の差動線路間に係る適切な線路間距離よりも広いので、上記の折れ曲がり１４２ｅにより前後で適切な距離に調整される。差動信号間の結合力が向上することで、高周波数帯域での信号特性が向上する。
以上のように、本実施形態の半導体パッケージ６は、第１面１０ａと、第１面１０ａとは反対側の第２面１０ｃとを有する絶縁基板１１と、第１面１０ａの１辺に沿って並ぶ１対の信号電極１２と、１対の信号電極１２にそれぞれ電気的に接続して信号を伝える１対の差動線路１４と、接地用導体と、を備える。絶縁基板１１は、第１面１０ａに位置し１対の信号電極１２の間を伸びる第１溝１１１を有し、１対の差動線路１４の各々は、絶縁基板１１の内部に位置し第１面１０ａに沿って伸びる第１信号線路１４２と、第２面１０ｃに位置する第２信号線路１４４と、絶縁基板１１の内部で信号電極１２と第１信号線路１４２とを電気的に接続する第１ビアホール導体１４１と、絶縁基板１１の内部で第１信号線路１４２と第２信号線路１４４との間に位置する第２ビアホール導体１４３と、を含む。接地用導体は、第１面１０ａに位置する接地面１１ｇと、第１溝１１１の底面に位置する接地用導体１１１ｇと、第１面１０ａとの間に第１信号線路１４２を挟んで絶縁基板１１の内部に位置する接地面１５ｇと、絶縁基板１１の内部で第２ビアホール導体に沿って位置する接地用ビアホール導体１４５と、を含む。接地用ビアホール導体１４５の一部は、第２ビアホール導体１４３の周囲に位置して、第２ビアホール導体とともに同軸構造をなし、第１信号線路１４２は、接地面１１ｇ及び接地面１５ｇと対向する範囲でこれらとともにストリップライン構造をなす。第１面１０ａの平面透視で、第２ビアホール導体１４３の第２端部１４３ｃの位置は、接地面１１ｇのない隙間領域１１ｆである。
このように、差動線路１４が信号電極１２１から直接絶縁基板１１に進むことで、第１面１０ａの表面から放射される高周波信号を抑制することで、信号の損失が低減される。また、このために、差動線路１４は、絶縁基板１１内部では、ストリップライン構造と同軸構造との間でモード変化を生じるが、この切り替わりの部分に対応して第１面１０ａの接地面１１ｇに隙間領域１１ｆを有する構造とすることで、特性インピーダンスへの悪影響を抑えることができる。したがって、従来よりも高周波数帯の信号であっても、適切な特性インピーダンスを維持しつつ信号の損失をより効果的に低減させることができる。よって、この半導体パッケージ６では、より周波数の高い信号を伝えることができる。
また、第１面１０ａの平面視で、接地用導体１１１ｇの辺１０ｂから最も遠い位置は、信号電極１２の辺１０ｂから最も遠い位置よりも辺１０ｂの近くに位置する。これにより、接地用導体１１１ｇが信号伝送に対する影響を与えない範囲で定めることができる。
また、第１溝１１１は、基部１１１ａと、基部１１１ａの辺１０ｂの側とは反対の先端につながって位置し基部１１１ａよりも第１溝１１１の伸びるｘ方向に垂直なｙ方向についての幅の狭い突起部１１１ｂと、を有する。これにより、第１溝１１１と第１ビアホール導体１４１との間の所定の距離を確保しながら第１溝１１１の表面積（体積）を広げることができるので、第１溝１１１及び第１ビアホール導体１４１の形成時におけるクラックなどの欠陥の発生を抑え、一方で、第１溝１１１に応じた誘電率の低下により信号電極１２１、１２２の間の距離を狭めて、半導体パッケージ６の小型化を図ることができる。
また、第１信号線路１４２の第１ビアホール導体１４１との接点とは反対側の第１端部１４２ｃと、第２ビアホール導体１４３の第２信号線路１４４との接点とは反対側の第２端部１４３ｃとは、直接つながっていてもよい。このような構造であれば、手間が大きく増大せずに容易に形成されて、信号の損失を低減させることができる。
また、変形例１のように、第１信号線路１４２ａは、第１面１０ａの平面透視で隙間領域１１ｆとは異なる接地面１１ｇと重ならない幅ｗの範囲に、当該第１信号線路１４２ａの延在方向（Ｘ方向）に垂直なＹ方向についての線幅が部分的に広い幅広部１４２１を有していてもよい。信号電極１２と接地面１１ｇの間には隙間が必要なので、第１ビアホール導体１４１と第１信号線路１４２ａの接続側では、第１信号線路１４２ａに対応する接地面が不足する。これに対し、半導体パッケージ６では、この部分で第１信号線路１４２ａの線幅を部分的に幅広とすることで、部分的に信号線路の容量を増加させ、特性インピーダンスを適切に定めて、従来よりも損失の少ない信号を安定して伝えることが可能になる。
また、幅広部１４２１は、第１信号線路１４２ａが第１ビアホール導体１４１と接続する位置と、第１面の平面透視で第１信号線路１４２ａが接地面１１ｇと重なる範囲の境界との間の全体にわたって伸びていてもよい。
また、幅広部１４２１は、第１面１０ａの平面透視で第１溝１１１とは反対側に幅が広がっていてもよい。すなわち、隣り合って位置する２本の第１信号線路１４２ａの間の距離を縮めないので、第１信号線路１４２ａの間で互いに影響を及ぼして信号を劣化させるのを抑えることができる。
また、変形例２のように、第１信号線路１４２ｂの第１端部１４２ｃは、第２ビアホール導体１４３の第２端部１４３ｃよりも、第１面１０ａに近くかつ第１面１０ａの平面透視で第１ビアホール導体１４１に近い位置にあり、第１端部１４２ｃと第２端部１４３ｃとの間は、第１ビアホール導体１４１に平行な第３ビアホール導体１４７と、第１信号線路１４２に平行な第３信号線路１４６とを介して接続されている。
このように差動線路１４を一度で曲げるのではなく、細かく階段状に方向を変化させていくことで、信号の急な方向変化による損失を低減させることができる。
また、特に、第１端部１４２ｃと第２端部１４３ｃとの間では、一端同士がつながっている第３ビアホール導体１４７と第３信号線路１４６の組が複数組直列につながっており、第３信号線路１４６の長さに対する第３ビアホール導体１４７の長さの比は、第１信号線路１４２ｂの長さに対する第１ビアホール導体１４１の長さの比よりも大きく、かつ第２端部１４３ｃに近い組ほど大きい。
このように、第１信号線路１４２ｂから第２ビアホール導体１４３へ向けて徐々に上下方向（ｚ方向）に向くように差動線路の平均的な傾きを変化させることで、信号の損失をより低減することができる。
また、差動線路１４における第１信号線路１４２ｂの間隔は、第２ビアホール導体１４３の間隔よりも広い。すなわち、ストリップライン線路構造と同軸線路構造とに応じて各々差動線路１４の間隔を適切に定めるように差動線路１４の途中で変更されてよい。また、ビアホールの構造上間隔を狭くできない場合でも、ストリップライン線路の部分で部分的に差動線路１４の間隔を狭めることで信号間の結合力を高めて、高周波領域の特性を向上させることができる。
また、平面透視で第３ビアホール導体１４７の位置は、隙間領域１１ｆに含まれていてもよい。この場合、第３信号線路１４６はグランデッドコプレーナ線路のような構造になり、第１信号線路１４２ｂと第２ビアホール導体１４３との間で特性を適切に調整しやすくすることができる。
また、１対の差動線路１４の各々に係る隙間領域１１ｆは、互いにつながった単一の領域である。これにより、差動信号の特性インピーダンスの変動を低減させて、より良好な高周波数の信号の伝送を可能とすることができる。
あるいは、隙間領域１１ｆは、差動線路１４の第２ビアホール導体１４３ごとに各々離隔していてもよい。この場合でも各々適切に経路を設計することで、従来よりも良好な高周波数の信号の伝送を行うことができる。
また、隙間領域１１ｆの外縁は、第１面１０ａの平面透視で、１対の第２ビアホール導体１４３についてそれぞれ同軸構造をなす接地用ビアホール導体１４５の内縁と各々半円状に重なっている。これにより、同軸構造での信号伝送に係る特性インピーダンスが変動する影響を抑えつつ、隙間領域１１ｆからの高周波信号の放射を小さくして、従来よりも良好な高周波数の信号を伝えることを可能とすることができる。
また、半導体パッケージ６は、辺１０ｂに沿ったｙ方向について１対の信号電極１２のそれぞれ第１溝１１１の側とは反対側に位置し、接地面１１ｇに電気的に接続している１対の接地電極１３を備える。絶縁基板１１は、信号電極１２と接地電極１３との間にそれぞれ位置する第２溝１１２を有する。第２溝１１２の底面には、接地用導体１１２ｇが位置している。
これにより、信号電極１２と接地電極１３との間の誘電率を低減し、高周波信号線路の特性インピーダンスが低下するおそれを抑制することができる。
また、１対の信号電極１２の各々は、リード１２ａを有する。第１面１０ａの平面視で、リード１２ａは、第１ビアホール導体１４１の少なくとも一部と重なっている。このように、リード１２ａと第１ビアホール導体１４１との間でできるだけ第１面１０ａに沿って信号が伝わるのを抑えることで、特に高周波数帯の信号の損失を更に低減させることができる。
また、本実施形態の半導体電子装置１は、上記の半導体パッケージ６と、１対の差動線路１４に電気的に接続されている電子部品７と、蓋体８と、を備える。
この半導体電子装置１によれば、電子部品７から出力される信号及び／又は電子部品７へ入力させる信号が、従来よりも高周波数のものであっても伝えることができる。
なお、上記実施の形態は例示であって、様々な変更が可能である。
例えば、上記実施の形態では、絶縁基板１１は、セラミックグリーンシートを積層し、圧着、焼成して作製するものとして説明したが、これに限られない。内部に差動線路１４が適切に位置するものであれば、他の方法で作製されてもよい。
また、第１溝１１１の先端位置は、上記実施形態で示したように信号電極１２の先端位置よりも辺１０ｂに近い位置でなくてもよい。サイズ上の問題がない場合などには、第１溝１１１の先端位置が信号電極１２の先端位置よりも辺１０ｂから多少遠い位置であってもよい。
また、第１溝１１１は、辺１０ｂに接していなくてもよい。すなわち、第１溝１１１は、第１面１０ａの内部に位置する孔状のものであってもよい。孔の形状は、特には限られないが、例えば、長円状などであってもよい。
また、第１溝１１１は、上記のような基部１１１ａと突起部１１１ｂとを組み合わせた形状でなくてもよい。例えば、突起部１１１ｂの形状が三角形などであってもよい。あるいは、基部１１１ａと突起部１１１ｂとに分けられずに一体的なテーパー形状などであってもよい。
また、隙間領域１１ｆは、１対の差動線路１４の各々について分かれて位置していてもよいし、複数の対の差動線路１４について共通であってもよい。
また、隙間領域１１ｆの形状は、上記のような長円状に限られない。例えば、１対の接地用ビアホール導体１４５の内縁同士を接続する長方形部分が同軸構造の直径よりも狭い幅に絞られたダンベル形状などを有していてもよい。また、同軸構造をなす接地用ビアホール導体１４５の内縁と多少ずれていてもよく、例えば、長方形状などの多角形状であってもよい。
また、上記実施の形態では、平面視で第１ビアホール導体１４１がリード１２ａと半分程度重なるものとして説明したが、これとは異なる範囲、例えば、全体がリード１２ａと重なっていてもよい。
また、上記実施の形態では、信号電極１２の両外側の接地電極１３が並ぶ構造（ＧＳＳＧ構造）を有し、信号電極１２と接地電極１３との間に第２溝１１２を有するものとして説明したが、これに限られない。第２溝１１２を有していなくてもよいし、接地電極１３の位置が異なっていてもよい。
また、上記実施の形態で示した半導体パッケージ６の形状に限られるものではない。例えば、第３面１０ｄよりも高い位置にある第２面１０ｃは平面でなくてもよく、複数の高さの部分を有していてもよい。また、第１面１０ａ全体が配線基板１０ではなく、一部は、別個の底板などであってもよい。
また、上記実施の形態では、差動線路１４が、変形例１、２で示したような間隔の調整がなされる部分以外ではｘ方向及びｚ面方向に伸びているものとして説明しているが、ｙ方向に伸びる成分を有していてもよい。
また、上記変形例１では、幅広部１４２１が平面透視で接地面１１ｇの境界位置から第１信号線路１４２ａの第１ビアホール導体１４１との接続位置までの全体にわたっているものとして説明したが、これに限られない。図７Ｂにも示したように、部分的であっても特性インピーダンスの改善がなされる。また、幅広部１４２１が平面透視で接地面１１ｇと重なる位置まで伸びている必要はないが、重なる部分がない場合に限定されるものではない。
また、幅広部１４２１は、平面透視で第１溝１１１と反対側にのみ広がっている場合に限られない。第１溝１１１の側に、例えば平面透視で接地用導体１１１ｇと重ならない範囲で広がっていてもよい。
また、上記の半導体パッケージ６は、電子部品７とは別個に製造販売されてよい。この場合、蓋体８は、枠体２０と接合されない状態で販売されてよい。また、半導体パッケージ６は、枠体２０を有しなくてもよい。また、半導体電子装置１は、蓋体８を有していなくてもよい。
その他、上記実施の形態で示した具体的な構成、位置関係及び材質などは、本開示の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載した発明の範囲とその均等の範囲を含む。
本発明は、半導体パッケージ及び半導体電子装置に利用することができる。

Claims (17)

  1. 第１面と、前記第１面とは反対側の第２面とを有する絶縁基板と、
    前記第１面の１辺に沿って並ぶ１対の第１電極と、
    前記１対の第１電極にそれぞれ電気的に接続して信号を伝える１対の差動線路と、
    接地用導体と、
    を備え、
    前記絶縁基板は、前記第１面に位置し前記１対の第１電極の間を伸びる第１溝を有し、
    前記１対の差動線路の各々は、
    前記絶縁基板の内部に位置し前記第１面に沿って伸びる第１信号線路と、
    前記第２面に位置する第２信号線路と、
    前記絶縁基板の内部で前記第１電極と前記第１信号線路とを電気的に接続する第１接続導体と、
    前記絶縁基板の内部で前記第１信号線路と前記第２信号線路との間に位置する第２接続導体と、
    を含み、
    前記接地用導体は、
    前記第１面に位置する第１接地面と、
    前記第１溝の底面に位置する第１溝内接地面と、
    前記第１面との間に前記第１信号線路を挟んで前記絶縁基板の内部に位置する第２接地面と、
    前記絶縁基板の内部で前記第２接続導体に沿って位置する接地用接続導体と、
    を含み、
    前記接地用接続導体の一部は、前記第２接続導体の周囲に位置して、前記第２接続導体とともに同軸構造をなし、
    前記第１信号線路は、前記第１接地面及び前記第２接地面と対向する範囲でストリップライン構造をなし、
    前記第１面の平面透視で、前記第２接続導体の前記第２信号線路との接点とは反対側の端部を含む前記第１面の位置は、前記第１接地面のない隙間領域である、
    半導体パッケージ。
  2. 前記第１面の平面視で、前記第１溝内接地面の前記１辺から最も遠い位置は、前記第１電極の前記１辺から最も遠い位置よりも前記１辺の近くに位置する、
    請求項１記載の半導体パッケージ。
  3. 前記第１溝は、基部と、当該第１溝の前記１辺の側とは反対の他端の側に位置し前記基部よりも前記第１溝の伸びる方向に垂直な幅の狭い突起部と、を有する、請求項２記載の半導体パッケージ。
  4. 前記第１信号線路の前記第１接続導体との接点とは反対側の第１端部と、前記第２接続導体の前記第２信号線路との接点とは反対側の第２端部とは、直接つながっている請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体パッケージ。
  5. 前記第１信号線路は、前記第１面の平面透視で前記隙間領域とは異なる前記第１接地面と重ならない範囲に、当該第１信号線路の延在方向に垂直な線幅が部分的に広い幅広部を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の半導体パッケージ。
  6. 前記幅広部は、前記第１信号線路が前記第１接続導体と接続する位置と、前記第１面の平面透視で前記第１信号線路が前記第１接地面と重なる範囲の境界との間の全体にわたって伸びている、請求項５記載の半導体パッケージ。
  7. 前記幅広部は、前記第１面の平面透視で前記第１溝とは反対側に幅が広がっている、請求項５又は６記載の半導体パッケージ。
  8. 前記第１信号線路の前記第１接続導体との接点とは反対側の第１端部は、前記第２接続導体の前記第２信号線路との接点とは反対側の第２端部よりも、前記第１面に近くかつ前記第１面の平面透視で前記第１接続導体に近い位置にあり、前記第１端部と前記第２端部との間は、前記第１接続導体に平行な第３接続導体と、前記第１信号線路に平行な第３信号線路とを介して接続されている請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体パッケージ。
  9. 一端同士がつながっている前記第３接続導体と前記第３信号線路の組が複数組直列につながっており、
    前記第３信号線路の長さに対する前記第３接続導体の長さの比は、前記第１信号線路の長さに対する前記第１接続導体の長さの比よりも大きく、かつ前記第２端部に近い組ほど大きい
    請求項８記載の半導体パッケージ。
  10. 前記差動線路における前記第１信号線路の間隔は、前記第２信号線路の間隔よりも狭い請求項８又は９記載の半導体パッケージ。
  11. 平面透視で前記第３接続導体の位置は、前記隙間領域に含まれる請求項８～１０のいずれか一項に記載の半導体パッケージ。
  12. 前記１対の差動線路の各々に係る前記隙間領域は、互いにつながった単一の領域である、請求項１～７のいずれか一項に記載の半導体パッケージ。
  13. 前記隙間領域は、前記第２接続導体ごとに各々離隔している請求項８～１１のいずれか一項に記載の半導体パッケージ。
  14. 前記隙間領域の外縁は、前記第１面の平面透視で、前記同軸構造をなす前記接地用接続導体の内縁と重なっている、請求項１～１３のいずれか一項に記載の半導体パッケージ。
  15. 前記１辺に沿った方向について前記１対の第１電極のそれぞれ前記第１溝の側とは反対側に位置し、前記第１接地面に電気的に接続している１対の第２電極を備え、
    前記絶縁基板は、前記第１電極と前記第２電極との間にそれぞれ位置する第２溝を有し、
    前記接地用導体には、前記第２溝の底面に位置する第２溝内接地面を含む、
    請求項１～１４のいずれか一項に記載の半導体パッケージ。
  16. 前記１対の第１電極の各々は、導体接続部を有し、
    前記第１面の平面視で、前記導体接続部は、前記第１接続導体の少なくとも一部と重なっている、
    請求項１～１５のいずれか一項に記載の半導体パッケージ。
  17. 請求項１～１６のいずれか一項に記載の半導体パッケージと、
    前記１対の差動線路に電気的に接続されている電子部品と、
    を備える、半導体電子装置。
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