(57)【要約】【課題】高周波電気信号を伝送させた際、反射等を起こして伝送特性が大きく劣化する。【解決手段】内部に４０ＧＨｚ乃至８０ＧＨｚの電気信号を送受信する半導体素子６を収容し、下面に前記半導体素子６に接続されている入出力用パッド３ａを有する半導体装置１１を外部電気回路基板１２上に、前記入出力用パッド３ａを外部電気回路基板１２の回路導体１３に導電性接続材１４を介し接続することによって実装して成る半導体装置の実装構造であって、前記入出力用パッド３ａの平面積が０．１９６ｍｍ２以下であり、かつ半導体装置１１と外部電気回路基板１２との間に樹脂充填材１５が充填されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に４０ＧＨｚ乃至８０ＧＨｚの電気信号を送受信する半導体素子を収容し、下面に前記半導体素子に接続されている入出力用パッドを有する半導体装置を外部電気回路基板上に、前記入出力用パッドを外部電気回路基板の回路導体に導電性接続材を介し接続することによって実装して成る半導体装置の実装構造であって、前記入出力用パッドの平面積が０．１９６ｍｍ２以下であり、かつ半導体装置と外部電気回路基板との間に樹脂充填材が充填されていることを特徴とする半導体装置の実装構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波の電気信号を送受信する半導体素子を半導体素子収納用パッケージ内に気密に収容して成る半導体装置の外部電気回路基板への実装構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信や無線通信等の機器には多数の半導体装置が使用されており、かかる半導体装置は一般に、高周波の電気信号を送受信する半導体素子を半導体素子収納用パッケージ内に気密に収容することによって形成されている。
【０００３】
前記半導体素子収納用パッケージは、通常、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、上面に半導体素子の搭載部が形成された基体と、タングステン、モリブデン、マンガン等の金属材料から成り、基体の半導体素子搭載部から下面にかけて被着導出された複数の電気信号の入出力用およびグランド用の配線導体と、この配線導体と電気的に接続するようにして基体の下面に形成された複数個のグランド用パッドおよび入出力用パッドと、基体の搭載部より上面もしくは側面にかけて導出されている出入力用の配線導体と、この出入力用配線導体に一端が接続されるとともに他端が外部に導出されているコネクターとにより構成されている。
【０００４】
そして、かかる半導体素子収納用パッケージには、その搭載部に電気信号を送受信する半導体素子がＡｕ−Ｓｎろう材あるいは半田等の接合材を介して接着固定されるとともに、半導体素子の各電極が入出力用配線導体（第１配線導体）、グランド配線導体および出入力用配線導体（第２配線導体）にボンディングワイヤを介して接続され、その後、必要に応じて蓋体等で半導体素子を封止することによって半導体装置となる。
【０００５】
また前記半導体装置は基体の下面に形成されているグランド用パッドおよび入出力用パッドを外部電気回路基板の回路導体に半田バンプ等を介し接続させることによって、半導体装置は外部電気回路基板上に実装されるとともに内部に収容する半導体素子が外部電気回路に接続され、同時にコネクターに同軸ケーブル等を介し外部の通信装置等の外部機器を接続させることによって半導体素子と外部機器とが接続するようになっている。
【０００６】
なお、前記半導体装置に使用されている半導体素子は複数の電気信号を合成して一つの電気信号に変換する、或いは一つの電気信号を分離して複数の電気信号に変換する機能を有しており、外部電気回路から入出力用パッド及び第１配線導体を介して入力される５〜１０ＧＨｚの複数の電気信号は半導体素子で合成されて４０〜８０ＧＨｚの一つの周波数帯域が高い電気信号となり、この４０〜８０ＧＨｚの電気信号は第２配線導体を介してコネクターに伝送されるとともにコネクターより外部の通信装置等の外部機器に伝送され、またコネクターを介して外部機器より伝送された４０〜８０ＧＨｚの電気信号は半導体素子で５〜１０ＧＨｚの複数の電気信号に変換され、各々の５〜１０ＧＨｚの電気信号は第１配線導体及び入出力用パッドを介して外部電気回路に伝送されることとなる。
【０００７】
また前記酸化アルミニウム質焼結体やムライト質焼結体等から成る基体はその線膨張係数が４×１０−６／℃〜７．５×１０−６／℃であるのに対し、外部電気回路基板は一般にガラスエポキシ樹脂材で形成されており、その線膨張係数は約１５×１０−６／℃程度であり、大きく相違することから外部電気回路基板の回路導体に入出力用パッドを半田バンプ等を介して接続した後、基体と外部電気回路基板に熱が作用すると基体と外部電気回路基板の熱膨張量の相違に起因して大きな応力が発生しこの応力によって入出力用パッドが基体から剥離したり、半田バンプに破断が発生して半導体素子と外部電気回路との間の接続が破られてしまう。そのためこの従来の半導体素子収納用パッケージ等は入出力用パッドを直径が１ｍｍ以上の円形形状（平面積が０．７８５ｍｍ２以上の円形形状）とし基体と入出力用パッドとの接合強度を強くするとともに外部電気回路基板の回路導体と入出力用パッドとを接続する半田バンプ等の量を多くし破断が発生しないようにしている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−７７５２７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の半導体装置においては、第１配線導体と外部電気回路基板の回路導体とを接続する入出力用パッドが直径１ｍｍ以上の円形形状（平面積が０．７８５ｍｍ２以上の円形形状）をなし、第１配線導体の外形寸法（直径が約０．３ｍｍ以上、平面積で約０．０７ｍｍ２以上の円形形状等）に比し約１０倍大きく、入出力用パッドのインピーダンスが第１配線導体や外部電気回路基板の回路導体に比べ低いものとなっている。そのためこの入出力用パッドを介して第１配線導体と外部電気回路基板の回路導体とを接続するとともに５〜１０ＧＨｚの電気信号を伝送させた場合、５〜１０ＧＨｚの電気信号は高周波信号であるためインピーダンスが低い入出力用パッドで反射等を起こし、伝送特性が大きく劣化してしまうという欠点を有していた。
【００１０】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は半導体装置の入出力用パッドでの高周波の電気信号を反射等を有効に防止し、外部電気回路と半導体素子とを接続する入出力用パッドでの電気信号の伝送特性を大きく改善するとともに入出力用パッドと外部電気回路との接続信頼性を高めた半導体装置の実装構造を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内部に４０ＧＨｚ乃至８０ＧＨｚの電気信号を送受信する半導体素子を収容し、下面に前記半導体素子に接続されている入出力用パッドを有する半導体装置を外部電気回路基板上に、前記入出力用パッドを外部電気回路基板の回路導体に導電性接続材を介し接続することによって実装して成る半導体装置の実装構造であって、前記入出力用パッドの平面積が０．１９６ｍｍ２以下であり、かつ半導体装置と外部電気回路基板との間に樹脂充填材が充填されていることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の半導体装置の実装構造によれば半導体素子を外部電気回路基板の回路導体に接続する入出力用パッドの平面積を０．１９６ｍｍ２以下とし、入出力用パッドのインピーダンスを半導体素子と入出力用パッドとを接続する第１配線導体や外部電気回路基板の回路導体のインピーダンスに近似させたことから入出力用パッドを介して第１配線導体と外部電気回路基板の回路導体とを接続するとともに５〜１０ＧＨｚの高周波の電気信号を伝送させたとしても入出力用パッドで大きな反射等を起こすことはなく、伝送特性を優れたものとなすことができる。
【００１３】
また本発明の半導体装置の実装構造によれば、半導体装置と外部電気回路基板との間に樹脂充填材を充填し、該樹脂充填材により半導体装置を外部電気回路基板上に固定したことから、入出力用パッドが０．１９６ｍｍ２以下と小さく入出力用パッドの基体への接合の強度が弱いこと、基体と外部電気回路基板の線膨張係数が大きく相違すること等に起因して入出力用パッドが基体より剥離したり、入出力用パッドに接合する半田バンプに破断が発生しようとしたりするが、これらは前記樹脂充填材による半導体装置と外部電気回路基板との固定により有効に防止され、その結果、入出力用パッドを介して半導体素子と外部電気回路基板の回路導体とを確実強固に接続することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の半導体装置の実装構造の一実施例を示し、半導体素子収納用パッケージ７内に半導体素子６を収容した半導体装置１１が外部電気回路基板１２上に実装される。
【００１５】
前記半導体素子収納用パッケージ７は、基体１、第１配線導体２ａ、グランド配線導体２ｂ、入出力用パッド３ａ、グランド用パッド３ｂ、第２配線導体４およびコネクター５により形成されている。
【００１６】
前記基体１は酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミックス、窒化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒、可塑剤、分散剤を添加混合して泥漿物を作り、この泥漿物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のシート形成法を採用しシート状に形成してセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得、しかる後、それらセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを必要に応じて複数枚積層し、約１６００℃の高温で焼成することによって製作される。
【００１７】
また前記基体１は、半導体素子の搭載部１ａから下面にかけて複数個の第１配線導体２ａおよびグランド配線導体２ｂが形成されており、該各配線導体２ａ、２ｂは半導体素子の電気信号入出力用、接地用の各電極を、入出力用パッド３ａやグランド用パッド３ｂに接続するための導電路として作用し、搭載部１ａ側の一端には半導体素子６の電気信号入出力用、接地用の各電極が導電性接続材を介して電気的に接続される。
【００１８】
前記第１配線導体２ａおよびグランド配線導体２ｂ、入出力用パッド３ａおよびグランド用パッド３ｂは、銅、銀、金、パラジウム、タングステン、モリブデン、マンガン等の金属材料から成り、例えば銅から成る場合であれば、銅粉末に有機溶剤を添加して成る金属ペーストを基体１となるセラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷等により所定パターンに印刷しておくことによって形成される。
【００１９】
この第１配線導体２ａおよびグランド配線導体２ｂの基体１下面側の一端は、それぞれ対応する入出力用パッド３ａおよびグランド用パッド３ｂと電気的に接続しており、これらの入出力用パッド３ａ、グランド用パッド３ｂを外部電気回路基板１２の所定の信号用や接地用等の回路導体１３に半田バンプ等により接続することによって、半導体素子６の電気信号入出力用、接地用の各電極が外部電気回路と電気的に接続される。
【００２０】
また前記基体１は、半導体素子の搭載部１ａから上面や側面等にかけて第２配線導体４が形成されており、該第２配線導体４は半導体素子６の電極をコネクター５の線材５ａに接続するための導電路として作用し、搭載部１ａ側の一端には半導体素子６の電極がボンディングワイヤ８を介して電気的に接続される。
【００２１】
前記第２配線導体４は、上述の第１配線導体２ａ等と同様に、銅、銀、金、パラジウム、タングステン、モリブデン、マンガン等の金属材料から成り、例えば銅から成る場合であれば、銅粉末に有機溶剤等を添加して成る金属ペーストを基体１となるセラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷等により所定パターンに印刷しておくことによって形成される。
【００２２】
この第２配線導体４の基体１外表面側の一端はコネクター５の線材５ａと電気的に接続しており、このコネクター５を同軸ケーブル等を介して通信装置等の外部機器に接続することにより半導体素子６と外部機器との間で高周波信号の送受信が行われる。
【００２３】
前記コネクター５は、半導体素子収納用パッケージ７の第２配線導体４を同軸ケーブル等を介して外部機器に接続するための接続体として作用し、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属の線材５ａの周囲を、ホウ珪酸系ガラス等の絶縁性の外囲体５ｂで取り囲んだ構造である。
【００２４】
前記線材５ａと外囲体５ｂとから成るコネクター５は、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金から成る線材５ａを、鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属から成る円筒状の容器の中央にセットし、容器内にホウ珪酸ガラス等のガラス粉末を充填した後、ガラス粉末を加熱溶融させて線材５ａの周囲に被着させることによって製作される。
【００２５】
かくして上述の半導体素子収納用パッケージ７によれば、基体１の搭載部１ａに半導体素子６を搭載するとともにガラス、樹脂、ロウ材等の接着材を介して固定し、しかる後、半導体素子６の各電極を第１配線導体２ａおよびグランド配線導体２ｂに、例えば、ボンディングワイヤ８を介して接続し、最後に蓋体１０を基体１の上面に封止材を介して接合させ、半導体素子６を気密に封入することによって半導体装置１１となる。
【００２６】
この半導体装置１１は基体１下面の入出力用パッド３ａおよびグランド用パッド３ｂが外部電気回路基板１２の所定の信号用や接地用等の回路導体１３に半田バンプ１４等の外部端子を介し接続させることによって半導体装置１１は外部電気回路基板１２上に実装されるとともに半導体素子６の信号用、接地用の各電極は外部電気回路と電気的に接続される。
【００２７】
また、この半導体装置１１に取着されているコネクター５の線材５ａに同軸ケーブル等の外部接続用の導線を接続することにより、半導体素子６の電極が通信装置等の外部機器に接続される。
【００２８】
そしてかかる半導体装置１１は、外部電気回路から供給される複数の周波数帯域が低い（５〜１０ＧＨｚ）電気信号を第１配線導体２ａを介して半導体素子６に入力させ、半導体素子６でこれら入力された電気信号を合成して、一つの周波数帯域が高い（４０〜８０ＧＨｚ）電気信号とするとともにこれを第２配線導体４を介してコネクター５に出力し、該コネクター５の線材５ａを介して外部の通信装置等の外部機器に伝送する、或いは、外部の通信装置等の外部機器から伝送された一つの周波数帯域が高い（４０〜８０ＧＨｚ）電気信号をコネクター５の線材５ａ及び第２配線導体４を介して半導体素子６に入力し、半導体素子６で入力された周波数帯域が高い（４０〜８０ＧＨｚ）電気信号を複数の周波数帯域が低い（５〜１０ＧＨｚ）電気信号に変換するとともにこれらの個々の周波数帯域が低い電気信号を第１配線導体２ａを介して外部電気回路に供給することとなる。
【００２９】
本発明の半導体装置の実装構造においては、半導体素子６を外部電気回路基板１２の回路導体１３に接続する入出力用パッド３ａの平面積を０．１９６ｍｍ２以下としておくことが重要である。
【００３０】
前記入出力用パッド３ａの平面積を０．１９６ｍｍ２以下としておくと入出力用パッド３ａのインピーダンスが半導体素子６と入出力用パッド３ａとを接続する第１配線導体２ａと外部電気回路基板１２の回路導体１３等のインピーダンスに近似し、その結果、入出力用パッド３ａを介して第１配線導体２ａと外部電気回路基板１２の回路導体１３とを接続するとともに５〜１０ＧＨｚの高周波の電気信号を伝送させたとしても入出力用パッド３ａで大きな反射等を起こすことはなく、伝送特性が極めて優れたものとなすことができる。
【００３１】
なお、前記入出力用パッド３ａはその平面積が０．１９６ｍｍ２を超えると第１配線導体２ａと外部電気回路基板１２の回路導体１３とを入出力用パッド３ａを介して接続した後、５〜１０ＧＨｚの高周波の電気信号が伝送された場合、入出力用パッド３ａで電気信号に反射が発生し伝送特性が大きく劣化してしまう。従って、前記入出力用パッド３ａはその平面積が０．１９６ｍｍ２以下のものに特定される。
【００３２】
また前記入出力用パッド３ａの平面積を０．１９６ｍｍ２以下にする方法としては、金属ペーストを基体１となるグリーンシートに印刷しておくことによって入出力用パッド３ａを形成する際、スクリーン印刷におけるスクリーンマスクの開口を０．１９６ｍｍ２以下としておくことによって行われる。
【００３３】
また本発明の半導体装置の実装構造においては、半導体装置１１と外部電気回路基板１２との間に樹脂充填材１５を充填しておくことが重要である。
【００３４】
前記半導体装置１１と外部電気回路基板１２との間に樹脂充填材１５を充填すると、該樹脂充填材１５が半導体装置１１を外部電気回路基板１２上に強固に固定し、これによって入出力用パッド３ａが０．１９６ｍｍ２以下と小さく入出力用パッド３ａの基体１への接合強度が弱いこと、基体１と外部電気回路基板１２の線膨張係数が大きく相違すること等に起因して入出力用パッド３ａが基体１より剥離したり、入出力用パッド３ａに接合する半田バンプ１４に破断が発生しようとしてもこれらは前記樹脂充填材１５による半導体装置１１と外部電気回路基板１２との固定により有効に防止され、その結果、入出力用パッド３ａを介して半導体素子６と外部電気回路基板１２の回路導体１３とを確実強固に接続することが可能となる。
【００３５】
前記樹脂充填材１５はエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の有機樹脂から成り、半導体装置１１の入出力用パッド３ａを外部電気回路基板１２の回路導体１３に半田バンプ１４等を介して接続した後、半導体装置１１と外部電気回路基板１２との間に形成される間隙内に液状の未硬化のエポキシ樹脂を注入し、これを熱硬化させることによって形成される。
【００３６】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００３７】
例えば、前記樹脂充填材１５は、半田バンプ１４の周囲で高弾性として半田バンプ１４による半導体装置１１と外部電気回路基板１２との機械的接続を補強するとともに、その外側で低弾性として半導体装置１１と外部電気回路基板１２との間に発生する熱応力を吸収緩和させるようにし、接続の信頼性をより一層高めるようにしてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の実装構造によれば半導体素子を外部電気回路基板の回路導体に接続する入出力用パッドの平面積を０．１９６ｍｍ２以下とし、入出力用パッドのインピーダンスを半導体素子と入出力用パッドとを接続する第１配線導体や外部電気回路基板の回路導体のインピーダンスに近似させたことから入出力用パッドを介して第１配線導体と外部電気回路基板の回路導体とを接続するとともに５〜１０ＧＨｚの高周波の電気信号を伝送させたとしても入出力用パッドで大きな反射等を起こすことはなく、伝送特性を優れたものとなすことができる。
【００３９】
また本発明の半導体装置の実装構造によれば、半導体装置と外部電気回路基板との間に樹脂充填材を充填し、該樹脂充填材により半導体装置を外部電気回路基板上に固定したことから、入出力用パッドが０．１９６ｍｍ２以下と小さく入出力用パッドの基体への接合の強度が弱いこと、基体と外部電気回路基板の線膨張係数が大きく相違すること等に起因して入出力用パッドが基体より剥離したり、入出力用パッドに接合する半田バンプに破断が発生しようとしたりするが、これらは前記樹脂充填材による半導体装置と外部電気回路基板との固定により有効に防止され、その結果、入出力用パッドを介して半導体素子と外部電気回路基板の回路導体とを確実強固に接続することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の実装構造の一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・基体
１ａ・・・・・搭載部
２ａ・・・・・第１配線導体
２ｂ・・・・・グランド配線導体
３ａ・・・・・入出力用パッド
３ｂ・・・・・グランド用パッド
４・・・・・・第２配線導体
５・・・・・・コネクター
５ａ・・・・・線材
５ｂ・・・・・外囲体
６・・・・・・半導体素子
７・・・・・・半導体素子収納用パッケージ
８・・・・・・ボンディングワイヤ
１０・・・・・蓋体
１１・・・・・半導体装置
１２・・・・・外部電気回路基板
１３・・・・・回路導体
１４・・・・・半田バンプ
１５・・・・・樹脂充填材
【図１】
2004179178.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成15年6月19日(2003.6.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
前記半導体素子収納用パッケージは、通常、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、上面に半導体素子の搭載部が形成された基体と、タングステン、モリブデン、マンガン等の金属材料から成り、基体の半導体素子搭載部から下面にかけて被着導出された複数の入出力用配線導体（第１配線導体）およびグランド用配線導体と、この配線導体と電気的に接続するようにして基体の下面に形成された複数個のグランド用パッドおよび入出力用パッドと、基体の搭載部より上面もしくは側面にかけて導出されている出入力用配線導体（第２配線導体）と、この出入力用配線導体（第２配線導体）に一端が接続されるとともに他端が外部に導出されているコネクターとにより構成されている。