JPH10163375A - 高周波用半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】マイクロ波やミリ波の高周波伝送線路における
伝送損失が小さく、且つ簡略した構造からなる高信頼性
の高周波用半導体装置を提供する。 【解決手段】誘電体基板２の表面に高周波用半導体素子
５を搭載するとともに、高周波用半導体素子５と電気的
に接続された第１の高周波用伝送線路６を被着形成し、
誘電体基板２の底面には第２の高周波用伝送線路８を被
着形成し、半導体素子５および伝送線路６を取り囲むよ
うに誘電体基板２表面に第１の接地層７を被着形成し、
第１の伝送線路６と第２の伝送線路８とを電磁的に結合
するとともに、第１の接地層７に半導体素子５および伝
送線路６を気密に封止するように導電性蓋体３を取り付
ける。また、誘電体基板２内にはスロット孔１２を有す
る第２の接地層９を形成し、第１の高周波用伝送線路６
の終端部と第２の高周波用伝送線路８の終端部とをスロ
ット孔１２を介して対峙させて電磁的に結合させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波帯から
ミリ波帯領域の高周波回路素子を搭載した高周波用半導
体装置に関し、特に、高周波信号の特性を劣化させるこ
となく半導体素子や回路部品に信号を伝送することがで
きる半導体装置に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、マイクロ波やミリ波を取り扱う高周
波回路素子を搭載した半導体装置においては、高周波用
半導体素子を誘電体基板と高周波用伝送線路が形成され
た半導体パッケージ内に収納されてなり、この半導体装
置は、所定の外部電気回路基板の表面に実装され、半導
体装置の高周波用伝送線路と外部電気回路基板に形成さ
れた高周波用伝送線路とを電気的に接続して高周波信号
の入出力が行われる。

【０００３】このような高周波用半導体装置の実装構造
においては、高周波信号を劣化させることなく信号を入
出力することが可能なパッケージ構造および伝送線路の
設計及び製造と、外部電気回路基板に精度よく半導体装
置を実装する実装技術が要求される。

【０００４】そこで、従来から、この種の半導体装置で
は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、誘電体からなる誘
電体基板４０と蓋４１により形成されたキャビティ４２
内に高周波用半導体素子４３を搭載して気密に封止され
ている。そして高周波信号の入出力および外部電機回路
基板への実装は、図４（ａ）に示されるように、高周波
用半導体素子４３と接続された、ストリップ線路等の高
周波伝送線路４４を壁体４５を通過してキャビティ４２
外に引き出し、これをさらに基板の側面を経由して底面
に配設し、底面に形成された線路を外部電気回路基板４
６の表面に形成された導体層４７にロウ付け実装された
半導体装置が昭６１−１６８９３９号等にて提案されて
いる。

【０００５】また、図４（ｂ）に示すように、誘電体基
板４０の底面に信号伝送線路４８を形成し、この伝送線
路４８と半導体素子４３とをスル−ホ−ル導体４９を通
じて接続した半導体装置が提案されている。この半導体
装置は、通常、伝送線路４８を外部電気回路基板４６の
導体層４７と半田等によって接続し、実装される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４
（ａ）において、伝送線路４４が壁体４５を通過する場
合、壁体通過部で信号線路がマイクロストリップ線路か
らストリップ線路へと変換されるため、信号線路幅を狭
くする必要がある。その結果、この通過部で反射損、放
射損が発生しやすいため高周波信号の特性劣化が起こり
やすくなるという問題がある。また、伝送線路４４が基
板の側面で曲折することから、ミリ波帯で用いた場合、
伝送線路が曲折することにより反射が大きくなり信号を
送受することが困難となる。また、素子搭載面の側面に
伝送線路を形成する関係上、半導体装置自体も必然的に
大きくなるため回路基板の小型化が困難であった。しか
も、伝送線路４４をキャビティ４２の外側に引出すため
に、壁体の少なくとも線路通過部は誘電体によって形成
する必要があるため、構造が複雑になり、半導体装置全
体のコストを高める要因にもなっていた。

【０００７】これに対して、図４（ｂ）は、スルーホー
ル導体４９によって壁体を通過しないために、信号の特
性劣化は小さいが、伝送する信号の使用周波数が１０Ｇ
Ｈｚ以上になるとスルーホール導体４９での透過損失が
急激に大きくなるために、マイクロ波帯からミリ波帯領
域の信号を特性劣化なく伝送することが困難であった。

【０００８】従って、本発明は、高周波伝送線路におけ
る伝送損失が小さく、且つ簡略した構造からなる小型化
が可能な高信頼性の高周波用半導体装置を提供すること
を目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、高周波用
としての配線基板において、低損失化、小型化をもたら
す構造について検討を重ねた結果、誘電体基板と配線に
より形成される配線基板の表面に半導体素子が搭載され
た半導体装置において、誘電体基板の表面側に半導体素
子と電気的に接続された第１の高周波用伝送線路と、前
記誘電体基板の底面側に第２の高周波用伝送線路とを形
成し、第１の高周波用伝送線路と第２の高周波用伝送線
路を電磁的に結合させることにより、伝送特性を劣化さ
せることなく、高周波信号を基板の表面から底面に伝送
することができることを見いだした。さらに、誘電体基
板表面側に、半導体素子および第１の高周波伝送線路を
取り囲むように、接地層を形成し、その接地層に、金属
などの導電性材料からなる蓋体を取り付けて気密に封止
することにより、簡単な構造によって小型のパッケージ
化が可能であるとともに、回路全体の保護、ならびに外
部からの電磁波の影響や、半導体装置からの電磁波のも
れを防止することができるものである。

【００１０】即ち、本発明の高周波用半導体装置は、誘
電体基板と，該誘電体基板の表面に搭載された高周波用
半導体素子と、該誘電体基板の表面に被着形成され前記
高周波用半導体素子と電気的に接続された第１の高周波
用伝送線路と、前記誘電体基板の底面に被着形成された
第２の高周波用伝送線路と、前記高周波用半導体素子お
よび前記第１の高周波用伝送線路を取り囲むように誘電
体基板表面に被着形成された第１の接地層とを具備し、
前記第１の高周波用伝送線路と前記第２の高周波用伝送
線路とは電磁的に結合され、且つ前記接地層には前記高
周波用半導体素子および前記第１の高周波用伝送線路を
気密に封止するように導電性蓋体が取り付けられてなる
ことを特徴とするものであり、さらには、前記誘電体基
板内に、スロット孔を有する第２の接地層が形成され、
前記第１の高周波用伝送線路の終端部と前記第２の高周
波用伝送線路の終端部とを前記スロット孔を介して対峙
させて電磁的に結合させてなることを特徴とするもので
ある。

【００１１】本発明によれば、誘電体基板の表面側に
て、半導体素子を搭載し、この素子と電気的に接続され
た第１の高周波用伝送線路を形成し、誘電体基板の底面
に第２の高周波用伝送線路を形成し、これらを誘電体基
板内で電磁結合させることにより、伝送線路が誘電体か
らなる壁体内を通過したり、スルーホール導体等を経由
することがないために、高周波信号が線路内を通過する
際に生じる反射損や放射損の発生を極力抑制することが
でき、低伝送損失で且つ小型化が可能な半導体装置を提
供することができる。

【００１２】また、誘電体基板表面の半導体素子や第１
の高周波伝送線路は、その周囲に形成された第１の接地
層、その接地層と電気的に接続された導電性蓋体によっ
て囲まれた構造となるために、外部電磁波の影響や電磁
波のもれを防止することができる。

【００１３】さらに、高周波用伝送線路間の電磁結合構
造としては、前記誘電体基板内に第２の接地層を形成す
るとともに、該第２の接地層にスロット孔を形成し、前
記第１の高周波用伝送線路と、前記第２の高周波用伝送
線路とを前記スロット孔を介して対峙する位置に形成し
て電磁結合させることにより、伝送線路間での信号の損
失なく信号の伝達が可能となる。

【００１４】さらに、第１の高周波伝送線路および第２
の高周波伝送線路をマイクロストリップ線路により構成
する場合、誘電体基板内に第２の接地層を形成し、その
第２の接地層と第１の接地層とを電気的に接続すること
により、半導体素子は、３次元的にその周囲を完全に接
地層により取り囲まれた構造となるために、外部電磁波
の影響や電磁波のもれをさらに防止することが可能とな
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明における高周波用半導体装
置の一例を図１に示した。図１によれば、高周波用半導
体装置１は、誘電体材料からなる誘電体基板２と導電性
蓋体３によりキャビティ４が形成されており、そのキャ
ビティ４内には、ＭＭＩＣ、ＭＩＣ等の半導体素子５が
搭載されている。誘電体基板２を構成する誘電体材料と
しては誘電率が２０以下のセラミックス、ガラスセラミ
ックス、セラミック金属複合材料、ガラス有機樹脂系複
合材料等などが望ましい。

【００１６】本発明によれば、上記の半導体装置のキャ
ビティ４内には、半導体素子５に信号を伝送するための
線路として、マイクロストリップ線路、ストリップ線
路、グランド付コプレーナ線路のうちから選ばれる１種
からなる第１の高周波伝送線路６が誘電体基板２の表面
に形成されている。また、誘電体基板２の表面には、図
２の誘電体基板２の平面図に示すように、半導体素子５
および第１の高周波伝送線路６を取り囲むように、第１
の接地層７が被着形成されており、この第１の接地層７
は、導電性蓋体３がロウ付け、半田付け等の手法により
電気的に接地層７と接続されている。一方、誘電体基板
２の底面には、マイクロストリップ線路、ストリップ線
路、グランド付コプレーナ線路のうちから選ばれる１種
からなる第２の高周波伝送線路８が被着形成されてい
る。

【００１７】導電性蓋体３は、キャビティ４からの電磁
波が外部に漏洩したり、電磁波が外部にもれるのを防止
できる導電性材料から構成され、金属、導電性セラミッ
クス、セラミック金属複合材料等が使用できるが、絶縁
基体の表面に導電性物質を塗布したものであってもよい
が、コストの点から考慮すれば金属であるのがよい。

【００１８】図１は、第１の高周波伝送線路６および第
２の高周波伝送線路８がマイクロストリップ線路の場合
の構造を示すものである。図１によれば、誘電体基板２
内には導体層からなる第２の接地層９がほぼ全面にわた
り形成され、キャビティ４内の誘電体基板２表面に形成
されたストリップ導体路１０により第１の信号伝送線路
６が形成されている。また、半導体装置１の底面にも、
ストリップ導体路１１が形成され、接地層９間において
第２の高周波伝送線路８が形成されている。

【００１９】そして、接地層９内には、スロット孔１２
が形成されており、第１の信号伝送線路６と第２の信号
伝送線路８とは、このスロット孔１２を介して、各伝送
線路６、８の終端部が図１に示すような配置で対峙する
ように形成することにより、第１の高周波伝送線路６と
第２の高周波伝送線路８とは電磁結合され、損失のない
信号の伝達が行われる。より具体的には、このスロット
孔１２を介したストリップ導体路１０、１１は、スロッ
ト孔１２を挟んで必要な周波数伝送信号の１／２波長で
平面的にみて重なる対峙位置に形成されることが望まし
く、スロット孔１２の形状は、長辺と短辺とからなる長
方形の孔であり、そのサイズは、使用周波数や周波数の
帯域幅により適宜設定される。特に、スロット孔の長辺
は信号周波数の１／２波長相当長さにするのが望まし
く、スロット孔の短辺は１／５波長相当長さから１／５
０波長相当長さに設定することが望ましい。

【００２０】また、第２の高周波伝送線路８のストリッ
プ線路１１は、外部電気回路基板（図示せず）に実装す
る際の接続端子としての機能も兼ね備え、外部電気回路
基板に形成された導体層と半田等によるロウ付けによっ
て電気的接続される。

【００２１】また、誘電体基板２の表面に形成された第
１の接地層７は、スルーホール導体１３を介して、第２
の接地層９と電気的に接続することにより、誘電体基板
２の表面に搭載および形成された半導体素子５および第
１の高周波伝送線路６は、導電性蓋体３、第１の接地層
７および第２の接地層９によって３次元的に囲まれるこ
とになり、外部からの電磁波による半導体素子の誤動作
等を防止し、また電磁波のもれを防止して半導体装置の
信頼性を高めることができる。

【００２２】なお、図１の半導体装置におけるキャビテ
ィ４内には、半導体素子５と、第１の信号伝送線路６を
形成するストリップ導体路１０の他に、半導体素子５に
電力を供給するための電源供給層１４が形成されてい
る。この電源供給層１４は、低周波であるために、格別
な高周波線路により形成する必要がないため、電源供給
層１４は、誘電体基板２内に形成されたスルーホール導
体１５を介して誘電体基板２の底面に引き出され、外部
電気回路基板（図示せず）の導体層と電気的に接続され
る。

【００２３】また、ストリップ導体路１０および電源供
給層１３の端部は、半導体素子５とリボン、ワイヤ、Ｔ
ＡＢ（Tape Automated Bonding) 等によってそれぞれ電
気的に接続され、特に、半導体素子５は、ストリップ導
体路１０の上に半田や金バンプ等により直接載置される
ことにより、伝送損失なく接続することができる。導体
路１０と半導体素子５との接続方法としては、これに限
られるものではなく、例えば、金リボンや数本のワイヤ
ボンディングにより接続したり、ポリイミド等の基板に
Ｃｕ等の導体を形成した導体板等により接続することも
できる。

【００２４】次に、図１、図２に示された高周波用半導
体装置の伝送特性を求めた。誘電体としては、誘電率
５．６、誘電損失３１．０×１０^-4（測定周波数６０Ｇ
Ｈｚ）の誘電体材料と、導体に銅を用いて配線基板を作
製し、配線基板の入力部における伝送特性をネットワ−
クアナライザ−により測定した。図３にその結果を示
す。この図３から、電磁結合部分を２ヶ所と全長８ｍｍ
のマイクロストリップ線路を含んで、６０ＧＨｚにおい
て、Ｓ１１：−２５ｄＢ、Ｓ２１：−１．７ｄＢ以上の
伝送特性が得られ、きわめて低損失であることが示され
た。

【００２５】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の高周波用半
導体装置は、誘電体基板表面の高周波伝送線路と誘電体
基板の底面に形成された高周波伝送線路とを電磁的に結
合させたことをにより、伝送線路がキャビティ形成のた
めの壁体等を通過することがないために、伝送線路間を
低伝送損失で信号を伝達することが可能となる。しか
も、半導体素子が収納されるキャビティが、誘電体基板
表面の接地層に導電性蓋体を取り付けることにより形成
されるために、非常に簡単な構造で、且つ外部からの電
磁波による影響を防止することができ、特に、誘電体基
板内に形成した接地層と電気的に接続することによりさ
らにその効果を高められ、高信頼性の小型化が可能な高
周波用半導体装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高周波用半導体装置の一例を示す概略
図である。

【図２】図１の半導体装置の誘電体基板表面の平面図で
ある。

【図３】図１の半導体装置の伝送特性を示す図である。

【図４】従来の高周波用半導体装置の概略図である。

【符号の説明】

１ 高周波用半導体装置 ２ 誘電体基板 ３ 導電性蓋体 ４ キャビティ ５ 半導体素子 ６ 第１の高周波伝送線路 ７ 第１の接地層 ８ 第２の高周波伝送線路 ９ 第２の接地層 １０ストリップ導体路 １１ストリップ導体路 １２スロット孔 １３スルーホール導体 １４電源供給層 １５スルーホール導体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】誘電体基板と、該誘電体基板の表面に搭載
   された高周波用半導体素子と、該誘電体基板の表面に被
   着形成され前記高周波用半導体素子と電気的に接続され
   た第１の高周波用伝送線路と、前記誘電体基板の底面に
   被着形成された第２の高周波用伝送線路と、前記高周波
   用半導体素子および前記第１の高周波用伝送線路を取り
   囲むように前記誘電体基板表面に被着形成された第１の
   接地層とを具備し、前記第１の高周波用伝送線路と前記
   第２の高周波用伝送線路とを電磁的に結合するととも
   に、前記接地層に前記高周波用半導体素子および前記第
   １の高周波用伝送線路を気密に封止するように導電性蓋
   体を取り付けたことを特徴とする高周波用半導体装置。
2. 【請求項２】前記誘電体基板内に、スロット孔を有する
   第２の接地層を形成し、前記第１の高周波用伝送線路の
   終端部と前記第２の高周波用伝送線路の終端部とを前記
   スロット孔を介して対峙させて電磁的に結合させてなる
   請求項１記載の高周波用半導体装置。
3. 【請求項３】前記第１の接地層と、前記第２の接地層と
   を電気的に接続してなる請求項２記載の高周波用半導体
   装置。