(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、
前記半導体素子と第１の伝送線路との間の前記金属板上に配置され、５０Ωの特性インピーダンスを有する第２の伝送線路と、前記第２の伝送線路から離間して配置され前記第２の伝送線路の中心から等距離の位置に接続される２つの容量性スタブと、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の伝送線路の前記第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であって、前記第１のボンディングワイヤのインダクタンスと同一のインダクタンスを有する、第２のボンディングワイヤと、
を備え、
前記第１のボンディングワイヤと前記第２の伝送線路との接続位置から前記第１の伝送線路の側をみた負荷インピーダンスに対して、前記第２のボンディングワイヤと前記第２の伝送線路との接続位置から前記中継基板の側をみた負荷インピーダンスが複素共役となるように前記２つの容量性スタブの容量をそれぞれ決定可能である、高周波半導体装置。
【請求項２】
前記２つの容量性スタブは、複数の導電部をそれぞれ有する請求項１記載の高周波半導体装置。
【請求項３】
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の端部との距離と高低差と等しい請求項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１〜３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する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、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、前記半導体素子と第１の伝送線路との間の前記金属板上に配置され、５０Ωの特性インピーダンスを有する第２の伝送線路と、前記第２の伝送線路から離間して配置され前記第２の伝送線路の中心から等距離の位置に接続される２つの容量性スタブと、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の伝送線路の前記第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、を接続し、かつ前記第１のボンディングワイヤのインダクタンスと同一のインダクタンスを有する。前記第１のボンディングワイヤと前記第２の伝送線路との接続位置から前記第１の伝送線路の側をみた負荷インピーダンスに対して、前記第２のボンディングワイヤと前記第２の伝送線路との接続位置から前記中継基板の側をみた負荷インピーダンスが複素共役となるように前記２つの容量性スタブの容量をそれぞれ決定可能である。 
【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ＭＭＩＣ化増幅器などが構成できる。
【００１２】
実装部材３０は、半導体素子２０が接合された金属板３２と、半導体素子２０を囲みかつ金属板３２に接合された絶縁体枠部３４と、絶縁体枠部３４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３７と、を有する。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】
第１の実施形態は、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、第２の伝送線路４４の両端部近傍に設けられた容量性スタブ４６、４７と、を含む。実装部材３０のパターン公差、中継基板４０のパターン公差、ボンディングワイヤの長さのばらつきなどがあると、実装部材３０と半導体素子２０との間にインピーダンスのずれを生じる。３０ＧＨｚのように周波数が高くなるほどインピーダンスのずれがより大きくなる。中継基板４０は、絶縁体枠部３４内において、半導体素子２０と第１の伝送線路３７との間になるように、金属板３２上に配置される。また、第１の実施形態では、複数の領域を有する容量性スタブ４６、４７の容量を微調整することにより、第１の伝送線路３７の内部端（フィード端）３７ｃと、半導体素子２０の第１の電極２０ａと、の間でインピーダンスのずれを微調整できる。
【００１６】
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上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。
【００１７】
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。
【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）は中継基板の模式平面図、である。
第１のボンディングワイヤ（wire１）６０は、第１の伝送線路３７の内部端３７ｃと、第２の伝送線路４４の端部４４ｂと、を接続する。第２のボンディングワイヤ（wire２）７０は、半導体素子２０の第１の電極２０ａと、第２の伝送線路（５０Ωライン）４４の端部４４ａと、を接続する。
【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。
【００２１】
図２（ｂ）に表すように、中継基板４０は、たとえば、第２の伝送線路４４と、第２の伝送線路４４の端部４４ａ、４４ｂと接続可能な複数の容量性スタブ（stub１）４６、容量性スタブ（stub２）４７と、を有する。容量性スタブ４６、４７は、第２の伝送線路４４の中心位置Ｏから等しい距離の位置において、ボンディングワイヤなどで接続される。なお、容量性スタブを構成する複数の領域から適正な数の領域を接続することにより、実効的にスタブの電気長を変化させインピーダンスの微調整ができる。  
【００２２】
図３（ａ）は容量性スタブが接続されないときの作用を説明するスミス図、図３（ｂ）は容量性スタブが接続されたときの作用を説明するスミス図、である。
スミス図は、５０Ωで正規化されているものとする。図３（ａ）および図３（ｂ）が示すように電気長ＥＬ３をもつ第２の伝送線路４４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】
第１のボンディングワイヤ６０による位相の回転量と第２の伝送線路４４による位相の回転量の半分の和が１８０度、かつ第２のボンディングワイヤ７０による位相の回転量と第２の伝送線路４４による位相の回転量の半分の和が１８０度になるときには、容量性スタブを接続しないことで、基準面Ｑ３からみた負荷インピーダンスｚ５＠Ｑ３は５０Ω近傍となる。
【００２４】
第１のボンディングワイヤ６０による位相の回転量と第２の伝送線路４４による位相の回転量の半分の和が１８０度より小さく、かつ第２のボンディングワイヤ７０による位相の回転量と第２の伝送線路４４による位相の回転量の半分の和が１８０度よりも小さくなるときには、容量性スタブを接続して１８０度に足りない分を補償することで、基準面Ｑ３からみた負荷インピーダンスｚ５＠Ｑ３は５０Ω近傍となる。    
【００２５】
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の伝送線路の内部端と第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。
【００２６】
第１の実施形態では、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、かつ第２の伝送線路４４の中心位置Ｏから等しい位置に、容量性スタブ４６、４７を配置することで、基準面Ｑ２からみた負荷インピーダンスｚ４（stub２）＠Ｑ２が負荷インピーダンスｚ１＠Ｑ１と複素共役となるように決定できる。
すなわち、容量性スタブ４６、４７によるインピーダンス変化分を付加する微調整により、基準面Ｑ３からみた負荷インピーダンスｚ５＠Ｑ３は５０Ω近傍となる。
【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は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は半導体素子１２０に第２のボンディングワイヤ（wire２）１７０で接続され、端部１４４ｂは実装部材１３０の内部端１３７ｃに第１のボンディングワイヤ（wire１）１６０に接続される。  
【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】
第１のボンディングワイヤ１６０により基準面Ｑ１からみた負荷インピーダンスは、ｚ１＠Ｑ１となる。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１７０のインピーダンスが付加されると、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。しかし、ＭＭＩＣと実装部材との間のギャップのばらつきやパターン公差が生じても、インピーダンスのずれ、ボンディングワイヤの設計値からのずれを微調整する手段がなく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の両端部に設けられた容量性スタブ４６、４７の容量を微調整することにより５０Ωに整合できる。この結果、製品歩留まりを高めることができる。
【００３２】
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。
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、８０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６２と、第４のボンディングワイヤ７２と、を有する。
【００３３】
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、絶縁体枠部３４上に設けられたリード３６、５６と、を含む。リード５６が出力信号端子であるとき、負荷９２は、たとえば、５０Ω負荷などとなる。
【００３４】
第３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８４ａと、を接続する。
【００３５】
第４のボンディングワイヤ７２は、第３の伝送線路８４の端部８４ｂと、第４の伝送線路５７の内部端５７ｃと、を接続する。
【００３６】
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、でインピーダンスのずれを微調整できる。
【００３７】
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。
【００３８】
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】
【００３９】
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、３７ｃ  内部端（フィード端）、４０  中継基板、４４  第２の伝送線路、４４ａ、４４ｂ  端部、４６、４７  容量性スタブ、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、Ｏ  第２の伝送線路の中心位置
【図１】
0006557561.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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