(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波集積回路が設けられた半導体素子と、
前記半導体素子が接合された金属板と、前記半導体素子を囲みかつ前記金属板に接合された絶縁体枠部と、前記絶縁体枠部に設けられかつ５０Ωの特性インピーダンスを有する第１の伝送線路と、を有する実装部材と、
前記半導体素子と前記第１の伝送線路との間の前記金属板上に配置され、中央部に間隙が設けられかつ５０Ωの特性インピーダンスを有する第２の伝送線路を有する中継基板と、
前記第１の伝送線路の内部端と、前記第２の伝送線路の第１の端部と、を接続する第１のボンディングワイヤと、
前記半導体素子の第１の電極と、前記第２の伝送線路の前記第１の端部とは反対の側の第２の端部と、を接続する第２のボンディングワイヤと、  
前記第２の伝送線路の前記間隙を接続する第３のボンディングワイヤと、
を備えた高周波半導体装置。
【請求項２】
前記第１のボンディングワイヤのインダクタンスと、前記第２のボンディングワイヤのインダクタンスと、は同一である請求項１記載の高周波半導体装置。
【請求項３】
前記第２の伝送線路において、前記第１の端部と前記間隙との間の電気長は、前記間隙と前記第２の端部との間の電気長と同一である請求項１または２に記載の高周波半導体装置。
【請求項４】
前記第１の伝送線路の内部端と前記第２の伝送線路の前記第１の端部との距離と高低差は、前記半導体素子の前記第１の電極と前記第２の伝送線路の前記第２の端部との距離と高低差とにそれぞれ等しい請求項１〜３のいずれか１つに記載の高周波半導体装置。
【請求項５】
前記マイクロ波集積回路は、電界効果トランジスタ増幅器を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の高周波半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、高周波半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子チップのサイズが大きくなると、スクラブによりチップを確実にパッケージに接着するために、スクラブのストロークを長く確保する必要がある。このため、パッケージ信号端子の内部端とチップとの隙間が大きくなる。その結果として、ボンディングワイヤが長くなる。
【０００３】
高周波半導体装置に搭載されるマイクロ波集積回路の入出力インピーダンスは、たとえば、５０Ω近傍の負荷インピーダンスを前提に設計される。
【０００４】
マイクロ波集積回路を構成する半導体素子チップとパッケージ端子とをボンディングワイヤで接続すると、パッケージ端子におけるインピーダンスが５０Ωからずれる。５０Ωからのインピーダンスのずれは、周波数が高くなるほど大きくなる。パッケージ信号端子の内部端とチップとの隙間を中継基板で埋める技術がある（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５４３９４１５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パッケージとの接続ボンディングワイヤのインダクタンスが大きく影響するような周波数、たとえば３０ＧＨｚでは、パッケージ信号端子の内部端とチップとの隙間を埋める中継基板を介する場合、後述する第１、第２のボンディングワイヤ、および中継基板の線路長には設計値に対する精度が求められる。しかしボンディングワイヤを設計値通りに形成することは難しい。ボンディングワイヤのずれによる、マイクロ波集積回路と実装部材端子との間のインピーダンスのずれに対して微調整が可能な高周波半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の高周波半導体装置は、半導体素子と、実装部材と、中継基板と、第１のボンディングワイヤと、第２のボンディングワイヤと、第３のボンディングワイヤと、を有する。前記半導体素子は、マイクロ波集積回路を含む。前記実装部材は、前記半導体素子が接合された金属板と、前記半導体素子を囲みかつ前記金属板に接合された絶縁体枠部と、前記絶縁体枠部に設けられかつ５０Ωの特性インピーダンスを有する第１の伝送線路と、を有する。前記中継基板は、前記半導体素子と前記第１の伝送線路との間の前記金属板上に配置され、中央部に間隙が設けられかつ５０Ωの特性インピーダンスを有する第２の伝送線路を有する。前記第１のボンディングワイヤは、前記第１の伝送線路の内部端と、前記第２の伝送線路の第１の端部と、を接続する。前記第２のボンディングワイヤは、前記半導体素子の第１の電極と、前記第２の伝送線路の前記第１の端部とは反対の側の第２の端部と、を接続する。前記第３のボンディングワイヤは、前記第２の伝送線路の前記間隙を接続する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は第１の実施形態にかかる高周波半導体装置の模式斜視図、図１（ｂ）は模式平面図、図１（ｃ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
【図２】図２（ａ）は第１の実施形態にかかる高周波半導体装置の等価回路図、図２（ｂ）は中継基板を説明する模式図、である。
【図３】図３（ａ）は接続ボンディングワイヤのインダクタンスが大きいときの作用を説明するスミス図、図３（ｂ）は接続ボンディングワイヤのインダクタンスが小さいときの作用を説明するスミス図、である。
【図４】図４（ａ）は比較例にかかる高周波半導体装置の模式断面図、図４（ｂ）はその中継基板の模式平面図、である。
【図５】図５（ａ）は比較例にかかる高周波半導体装置の入力側リターンロスを表すグラフ図、図５（ｂ）は比較例においてボンディングワイヤのインピーダンスが設計値通りのときの中継基板の作用を説明するスミス図、図５（ｃ）はボンディングワイヤのインピーダンスが設計値よりも小さいときの中継基板の作用を説明するスミス図、である。
【図６】第２の実施形態にかかる半導体装置の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる高周波半導体装置の模式斜視図、図１（ｂ）は模式平面図、図１（ｃ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
高周波半導体装置１０は、半導体素子２０と、実装部材３０と、中継基板４０と、第１のボンディングワイヤ６０と、第２のボンディングワイヤ７０と、を有する。
【００１０】
半導体素子２０のチップには、マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ:Microwave  Monolythic  Integrated  Circuit)が設けられる。マイクロ波集積回路は、ＨＥＭＴ(High  Electron Mobility  Transistor）などを含む電界効果トランジスタと、整合回路などを含む。整合回路は、伝送線路、インダクタ、キャパシタなどを含むことができる。
【００１１】
半導体素子２０は、基板および基板上に設けられた積層体を含む。たとえば、基板をＳｉＣ、積層体を窒化ガリウム系材料とすると、マイクロ波からミリ波帯のＭＭＩＣ化増幅器などが構成できる。
【００１２】
実装部材３０は、金属板３２と、半導体素子２０を囲むように金属板３２に接合された絶縁体枠部３４と、絶縁体枠部３４上に設けられた第１の伝送線路３７と、を含む。リード３６と第１の伝送線路３７とは、信号端子を構成する。
【００１３】
絶縁体枠部３４は、たとえば、アルミナ、窒化アルミニウムなどとすることができる。また金属板３２は、ＣｕＭｏ、ＣｕＷなどとすることができる。絶縁体枠部３４と金属板３２とは、銀ロウなどを用いて接合される。
【００１４】
リード３６の幅を０．２ｍｍ、第１の伝送線路３７の幅を０．４ｍｍなどとする。また、絶縁体枠部３４の厚さは、０．４〜０．６ｍｍなどとすることでリードの確実な接合が得られるとともに、５０Ω近傍のインピーダンスが広い周波数範囲において得られる。
【００１５】
半導体素子２０がＨＥＭＴ多段増幅器の場合、その平面サイズは、たとえば、３０ｍｍ×３０ｍｍなどと大きくなる。金属板３２に大面積の半導体素子２０をＡｕＳｂなど半田材を用いて接合する場合、絶縁体枠部３４との間の隙間を１ｍｍ程度に保ちスクラブを行いつつ接合するとボイドを抑制できるので好ましい。
【００１６】
また、半導体素子２０がＳｉＣ基板とその上の窒化ガリウム積層体とを含む場合、その厚さは５０〜１００μｍなどのように薄い。中継基板４０の厚さを、半導体素子２０の厚さ以上、絶縁体枠部３４の厚さ以下にすると、ボンディングが容易であるので好ましい。また、中継基板４０の厚さを、半導体素子２０の厚さと同じか、それよりもわずかに厚くすると、より好ましい。
【００１７】
中継基板４０は、誘電体４２と、誘電体４２に設けられた第２の伝送線路４４と、を含む。第２の伝送線路４４の中央部には間隙４４ｅが向けられる。間隙４４ｅを接続する第３のボンディングワイヤ８０を設けることにより、マイクロ波集積回路などの半導体素子２０の第１の電極２０ａと、第１の伝送線路３７と、の接続におけるインピーダンスのずれを微調整し５０Ωに近づけることができる。
【００１８】
中継基板４０は、アルミナや窒化アルミニウムなどのセラミック、石英・サファイヤ・高抵抗半導体、などの絶縁体材料を含むものとすることができる。中継基板４０の裏面に導電部を設けると、金属板３２の表面にＡｕＳｎなどの半田材で接合できる。信号伝搬方向に沿った中継基板４０の長さは、隙間である１ｍｍ以下とする。中継基板４０の幅はたとえば、０．５ｍｍ〜１ｍｍなどとすることができる。中継基板４０は、発熱を生じないので、金属板３２との接合界面に多少のボイドがあってもよいのでスクラブのための大きな隙間は必要とならない。
【００１９】
図２（ａ）は第１の実施形態にかかる高周波半導体装置の等価回路図、図２（ｂ）は中継基板を説明する模式図、である。
第１のボンディングワイヤ６０は、第２の伝送線路４４の端部４４ｂと、第１の伝送線路３７の内部端（フィード端）３７ｃと、を接続する。第２のボンディングワイヤ７０は、半導体素子２０の第１の電極２０ａと、第２の伝送線路４４の端部４４ａと、を接続する。第３のボンディングワイヤ８０は、第２の伝送線路４４に設けられた間隙４４ｅを接続する。リード３６と接地との間に負荷９０が接続されたとき、第１の伝送線路３７の内部端３７ｃからみた負荷インピーダンスを５０Ωとすることができる。
【００２０】
リード３６と接地との間に５０Ωのインピーダンスをもつ負荷９０が接続されたとき、第１の伝送線路３７の内部端（フィード端）３７ｃからみた負荷インピーダンスを５０Ωとできる。リード３６が入力端子であるとき、負荷９０は，インピーダンスが５０Ωの高周波信号源などである。第３のボンディングワイヤ８０は、第２の伝送線路４４の間隙４４ｅを接続する。
【００２１】
第２の伝送線路４４において、端部４４ｂと間隙４４ｅとの間の電気長ＥＬ１は、間隙４４ｅと端部４４ａとの間の電気長ＥＬ２と同一である。
【００２２】
図３（ａ）は接続ボンディングワイヤのインダクタンスが大きいときの作用を説明するスミス図、図３（ｂ）は接続ボンディングワイヤのインダクタンスが小さいときの作用を説明するスミス図、である。
図３（ａ）および図３（ｂ）に表すように、電気長ＥＬ１、ＥＬ２をもつ第２の伝送線路４４ｃ、４４ｄによる位相の回転量はボンディングワイヤの長さによらず固定となる。
【００２３】
基準面Ｑ２からみた負荷インピーダンスｚ２＠Ｑ２は、基準面Ｑ１からみた負荷インピーダンスｚ１＠Ｑ１に領域４４ｃ固定電気長（ＥＬ１）によるインピーダンスが付加されたものである。さらに、第３のボンディングワイヤ８０のインダクタンスによりリアクタンスが付加されたとき、基準面Ｑ３からみた負荷インピーダンスは、ｚ３＠Ｑ３となる。
【００２４】
さらに、負荷インピーダンスｚ３＠Ｑ３に領域４４ｄの固定電気長（ＥＬ２）によるインピーダンスが付加され、負荷インピーダンスが、ｚ４＠Ｑ４となる。さらに、第２のボンディングワイヤ７０のインピーダンスが付加されて、基準面Ｑ５からみた負荷インピーダンスは、ｚ５＠Ｑ５となる。
【００２５】
接続ボンディングワイヤのインダクタンスが大きいときには、第３のボンディングワイヤ８０のインダクタンスを大きくすることで、基準面Ｑ５からみた負荷インピーダンスｚ５＠Ｑ５は５０Ω近傍となる。また、接続ボンディングワイヤのインダクタンスが小さいときには、第３のボンディングワイヤ８０のインダクタンスを小さくすることで、基準面Ｑ５からみた負荷インピーダンスｚ５＠Ｑ５は５０Ω近傍となる。第１のボンディングワイヤ６０と第２のボンディングワイヤ７０のインダクタンスを等しくし、かつ伝送線路４４の間隙４４ｅの中心に関して、伝送線路４４ｃ、４４ｄと、第１〜第３のボンディングワイヤと、を対称配置することにより、基準面Ｑ1からみた負荷インピーダンスｚ１＠Ｑ１と基準面Ｑ２からみた負荷インピーダンスｚ２＠Ｑ２を複素共役にし、結果として５０Ωに整合させることが容易となる。
【００２６】
第１のボンディングワイヤ６０と第２のボンディングワイヤ７０のインダクタンスを等しくすることは、第１のボンディングワイヤ６０が接続される第１の伝送線路３７の内部端３７ｃと第２の伝送線路４４の第１の端部の距離と高低差を、第２のボンディングワイヤ７０が接続される半導体素子の第１の電極２０ａと第２の伝送線路４４の前記第１の端部とは反対の側の第２の端部の距離と高低差と、を等しくし、かつ自動ボンディング装置のボンディングシーケンスプログラムのパラメータを等しくすることで容易に実現される。
【００２７】
図４（ａ）は比較例にかかる高周波半導体装置の模式断面図、図４（ｂ）はその中継基板の模式平面図、である。
実装部材１３０の第１の伝送線路１３７の内部端１３７ｃからみた負荷インピーダンスを５０Ωとする。中継基板１４０には、伝送線路（５０Ωライン）１４４が設けられる。伝送線路１４４の端部１４４ａと、半導体素子１２０の第１の電極２０ａと、は、第２のボンディングワイヤ（wire２）１７０で接続される。また、端部１４４ｂと、実装部材１３０の内部端１３７ｃと、は、第１のボンディングワイヤ（wire１）１６０により接続される。  
【００２８】
図５（ａ）は比較例にかかる高周波半導体装置の入力側リターンロスを表すグラフ図、図５（ｂ）はボンディングワイヤのインピーダンスが設計値通りのときの中継基板の作用を説明するスミス図、図５（ｃ）はボンディングワイヤのインピーダンスが設計値よりも小さいときの中継基板の作用を説明するスミス図、である。
図５（ａ）において、縦軸は入力側リターンロス（ｄＢ）、横軸は周波数（ＧＨｚ）である。
【００２９】
基準面Ｑ１からみた負荷インピーダンスは、第１のボンディングワイヤ（wire１）１６０によりｚ１＠Ｑ１となる。第２の伝送線路１４４が付加されると、負荷インピーダンスは、ｚ２＠Ｑ２となる。さらに、第２のボンディングワイヤ（wire２）１７０のインピーダンスが加算されると、負荷インピーダンスは、ｚ３＠Ｑ３となる。
【００３０】
中継基板１４０や実装部材１３０において、パターン公差が存在する。パターン公差に、ボンディングワイヤの長さのばらつきなどが加わると、３０ＧＨｚのようなミリ波帯において帯域の中心周波数が変化する。たとえば、ボンディングワイヤのインダクタンスに対してリターンロスは図５（ａ）に表すように鋭敏に変化する。もし、ＭＭＩＣと実装部材１３０との間のギャップのばらつきやパターン公差、ボンディングワイヤの設計値からのずれが生じ不整合が生じても、インピーダンスのずれを微調整する手段がないので製品の歩留りを高めることが困難である。
【００３１】
これに対して第１の実施形態では、中継基板４０のパターン公差やボンディングワイヤ長のばらつきが生じても、第２の伝送線路４４の間隙４４ｅに設けられた第３のボンディングワイヤ８０の長さを微調整することにより５０Ωに整合することができる。
【００３２】
すなわち、第１および第２のボンディングワイヤ６０、７０のインダクタンスがともに大きいとき、第３のボンディングワイヤ８０を長くすればよい。また、第１および第２のボンディングワイヤ６０、７０のインダクタンスがともに小さいとき、第３のボンディングワイヤ８０を短かくすればよい。この結果、インピーダンス不整合を微調整し５０Ωに整合させ、製品歩留まりを高めることができる。
【００３３】
図６は、第２の実施形態にかかる半導体装置の模式断面図である。
高周波半導体装置１０は、半導体素子２０と、実装部材３０と、２つの中継基板と、第１のボンディングワイヤ６０と、第２のボンディングワイヤ７０と、第３のボンディングワイヤ８０と、第４のボンディングワイヤ６２と、第５のボンディングワイヤ７２と、第６のボンディングワイヤ８２と、を有する。
【００３４】
実装部材３０は、金属板３２と、半導体素子２０を囲むように金属板３２上に配置された絶縁体枠部３４と、第１の伝送線路３７と、第４の伝送線路５７と、を含む。リード５６が出力信号端子であるとき、負荷は、たとえば、５０Ω負荷などとなる。第６のボンディングワイヤ８２は、第３の伝送線路８４ｃ、８４ｄの間隙を接続する。
【００３５】
第４のボンディングワイヤ６２は、半導体素子２０の第２の電極２０ｂと、第３の伝送線路８４の端部８４ｃと、を接続する。
【００３６】
第５のボンディングワイヤ７２は、第３の伝送線路８４の端部８４ｄと、内部端５７ｃと、を接続する。第６のボンディングワイヤ８２は、第３の伝送線路８４の間隙を接続する。
【００３７】
第２の実施形態では、半導体素子２０の第１の電極２０ａと第１の伝送線路３７との間、および半導体素子２０の第２の電極２０ｂと第４の伝送線路５７との間、で生じるインピーダンスのずれに対して微調整が可能となる。
【００３８】
第１および第２の実施形態によれば、マイクロ波集積回路を構成する半導体素子と、実装部材の信号端子と、が整合する帯域の中心周波数を微調整可能な高周波半導体装置が提供される。この高周波半導体装置は、たとえば、３０ＧＨｚ帯の衛星通信地上局などに用いることができる。
【００３９】
本発明の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。
【符号の説明】
【００４０】
１０  高周波半導体装置、２０  半導体素子（ＭＭＩＣ）、２０ａ  第１の電極、３０  実装部材、３２  金属板、３４  絶縁体枠部、３７  第１の伝送線路、４０  中継基板、４４  第２の伝送線路、４４ａ、４４ｂ  端部、４４ｅ  間隙、６０  第１のボンディングワイヤ、７０  第２のボンディングワイヤ、８０  第３のボンディングワイヤ
【図１】
0006527429.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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