(57)【要約】【課題】放熱性が高いとともに、高周波信号の伝送損失が小さく、かつ、球状端子の接続信頼性を高めた、高消費電力の高周波用の半導体素子の搭載に好適な半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体素子収納用パッケージは、内側に半導体素子２が収容され配置される貫通孔が形成された絶縁基板１と、絶縁基板１の一方主面の貫通孔の周囲に配設された配線パッドと、絶縁基板１の他方主面に配設された電極パッドと、この電極パッドに取着された球状端子６と、絶縁基板１の他方主面に取着された、球状端子６と接触しないように球状端子６を内側に収容する切欠きまたは貫通穴が形成された金属製の放熱板５とを具備しており、放熱板５は、他方主面のほぼ全面を覆って取着されているとともに、厚みが半導体素子２に入出力される高周波信号の波長の１６分の１以下である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側に半導体素子が収容され配置される貫通孔が形成された絶縁基板と、該絶縁基板の一方主面の前記貫通孔の周囲に配設された、前記半導体素子の電極と電気的に接続される配線パッドと、前記絶縁基板の他方主面に配設された、前記配線パッドに内部配線を介して電気的に接続された電極パッドと、該電極パッドに取着された球状端子と、前記絶縁基板の前記他方主面に取着された、前記球状端子と接触しないように前記球状端子を内側に収容する切欠きまたは貫通穴が形成された金属製の放熱板とを具備しており、前記放熱板は、前記他方主面のほぼ全面を覆って取着されているとともに、厚みが前記半導体素子に入出力される高周波信号の波長の１６分の１以下であることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
【請求項２】
前記放熱板と前記電極パッドとの間隔をＡとし、前記球状端子の直径をＢとしたとき、Ａ／Ｂ≧１であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子収納用パッケージ。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の半導体素子収納用パッケージの前記貫通孔内に露出した前記放熱板上に搭載されるとともに前記電極が前記配線パッドに電気的に接続された半導体素子と、前記絶縁基板の前記一方主面の外周部に前記半導体素子を覆うように接合された蓋体とを具備していることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高消費電力の高周波用半導体素子が収容される、放熱板を具備した表面実装型の半導体素子収納用パッケージに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、表面実装型の半導体素子収納用パッケージとしていわゆるＢＧＡ型パッケージが開発されている。また、半導体素子の高耐圧化，大電流化，高速化，高周波化が著しく進み、ハイパワーアンプ用等の半導体素子の発熱量が年々増大してきている。
【０００３】
図３は、従来の放熱性を向上させたＢＧＡ型パッケージとしての半導体素子収納用パッケージの概略構成の例を示す断面図である。この例において、半導体素子収納用パッケージは、中央部に貫通孔を有するセラミックス等から成る絶縁基板１１と、この絶縁基板１１の上面に配設された、半導体素子１２の電極が電気的に接続される配線パッド（図示せず）と、絶縁基板１１の下面の外周部に格子状の配列で配設された、内部配線を介して配線パッドと電気的に接続された電極パッド（図示せず）と、電極パッドに取着された球状端子１６とを具備している。
【０００４】
また、絶縁基板１１の下面の中央部には、貫通孔を塞ぐように開口の周縁部に金属製の放熱板１５が取着されている。この放熱板１５は、平板または貫通孔に挿入される凸部を有する平板状の形状であり、半導体素子１２が作動時に発生する熱を効率よく放熱させる作用をなす。
【０００５】
このような半導体素子収納用パッケージは、絶縁基板１１の貫通孔の内側で放熱板１５の上面に半導体素子１２が載置され、ダイアタッチ材等の接着材１３によって固定されるとともにボンディングワイヤ１４を介して絶縁基板１１の貫通孔周辺の表面に形成された配線パッドと電気的に接続される。そして、絶縁基板１１の表面に金属製またはセラミック製等のキャップ１７がろう材やエポキシ樹脂等の封止材を用いて取着されることにより、半導体素子１２が半導体素子収納用パッケージの内部に封止された半導体装置となる。
【０００６】
この半導体装置は、絶縁基板１１の下面の電極パッドに取着された球状端子１６を介して実装ボード上の電極に接続することによって、半導体装置の表面実装が行なわれる（例えば、下記の特許文献１、特許文献２参照）。
【０００７】
しかしながら、従来の半導体素子収納用パッケージは、環境温度の変化等によって生じるストレスのために反りが発生し易く、その反りによって特に半導体素子収納用パッケージの外周部や四隅部の球状端子１６が剥離したりクラックを生じたりし、その結果、接続信頼性が劣化するという問題点を有していた。
【０００８】
これに対して、半導体素子収納用パッケージの外周部や四隅部の球状端子の接続信頼性を向上させるために、図４に示すような、応力が集中し易い半導体素子収納用パッケージの外周部あるいは四隅部において、接地用の球状端子１６の断面積を大きくした補強パッド２０を配設するという方法が提案されている（例えば、下記の特許文献３参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−２３２１８６号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開平９−１９９６２９号公報
【００１１】
【特許文献３】
特開平１１−２１４５７６号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１や特許文献２の放熱板１５を有する半導体素子収納用パッケージに特許文献３のような補強パッド２０を設けると、補強パッド２０はクリームハンダを印刷することにより形成しているが、放熱板１５と同じ厚さの補強パッド２０とするには何度も印刷を繰り返す必要があり、製造工程が長くなるとともに、補強パッド２０の厚みがばらつき、絶縁基板１１の下面と実装ボードの上面との間隔が一定しないため、インピーダンスを整合できなくなって半導体素子１２に入出力される高周波信号の伝送特性が劣化するという問題点があった。
【００１３】
また、補強パッド２０として金属部材を接合するという方法もあるが、複数の金属部材を接合するのは製造工程が複雑であるとともに、放熱板１５や他の金属部材と厚さを揃えるのが困難であるという問題点を有していた。
【００１４】
さらに、従来の半導体素子１２の動作周波数は１０ＧＨｚ未満が主流であったが、近年、半導体素子１２の動作速度の高速化，高周波化に伴い、１０ＧＨｚ以上の高周波信号を効率よく伝送する配線構造を備えた半導体素子収納用パッケージが求められている。
【００１５】
このような要求に対して従来の半導体素子収納用パッケージでは、高周波信号を伝送する球状端子１６や電極パッドと放熱板１５との間での浮遊容量によって高周波信号配線のインピーダンスが急激に変化し、その結果周波数が高くなるに従って伝送特性が著しく劣化するという問題点があった。信号周波数がある程度低い場合は、信号減衰量が小さいため無視できるが、１０ＧＨｚ以上の周波数で使用する場合には信号減衰量が大きく、半導体素子収納用パッケージの伝送特性に大きな影響を与えてしまう。
【００１６】
さらに、周波数が高くなるにつれて半導体素子１２から発生する熱量が大きくなり、従来のような絶縁基板１１の中央部に設けただけの放熱板１５では十分熱を放熱させることができず、その結果、半導体素子１２が正常に作動しなくなるという問題点を有していた。
【００１７】
従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、放熱性が高いとともに、高周波信号の伝送損失が小さく、かつ、球状端子の接続信頼性を高めた、高消費電力の高周波用の半導体素子の搭載に好適な半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、内側に半導体素子が収容され配置される貫通孔が形成された絶縁基板と、該絶縁基板の一方主面の前記貫通孔の周囲に配設された、前記半導体素子の電極と電気的に接続される配線パッドと、前記絶縁基板の他方主面に配設された、前記配線パッドに内部配線を介して電気的に接続された電極パッドと、該電極パッドに取着された球状端子と、前記絶縁基板の前記他方主面に取着された、前記球状端子と接触しないように前記球状端子を内側に収容する切欠きまたは貫通穴が形成された金属製の放熱板とを具備しており、前記放熱板は、前記他方主面のほぼ全面を覆って取着されているとともに、厚みが前記半導体素子に入出力される高周波信号の波長の１６分の１以下であることを特徴とするものである。
【００１９】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、内側に半導体素子が収容され配置される貫通孔が形成された絶縁基板と、この絶縁基板の一方主面の貫通孔の周囲に配設された、半導体素子の電極と電気的に接続される配線パッドと、絶縁基板の他方主面に配設された、配線パッドに内部配線を介して電気的に接続された電極パッドと、この電極パッドに取着された球状端子と、絶縁基板の他方主面に取着された、球状端子と接触しないように球状端子を内側に収容する切欠きまたは貫通穴が形成された金属製の放熱板とを具備しており、放熱板は、他方主面のほぼ全面を覆って取着されているとともに、厚みが半導体素子に入出力される高周波信号の波長の１６分の１以下であることから、高周波信号を伝送する球状端子と放熱板との間に生じる浮遊容量を低減させることができ、高周波伝送特性を向上させることができる。
【００２０】
また、高周波信号を伝送する球状端子と放熱板との間に生じる浮遊容量を低減させることができるので、放熱板を球状端子に接近して絶縁基板の下面全面に設けても高周波信号の伝送性を低下させることはなく、放熱板の面積を大きくできるとともに、絶縁基板の下面の外周部の接地用の球状端子を大きな面積の放熱板で形成することができる。その結果、放熱性および接続信頼性をともに著しく向上させることができる。
【００２１】
さらに、一枚の放熱板を絶縁基板の下面に設けるだけでよく、補強パッドを印刷したり接合したりする手間がなくなり、製造工程をより簡素化することができる。
【００２２】
本発明の半導体素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、前記放熱板と前記電極パッドとの間隔をＡとし、前記球状端子の直径をＢとしたとき、Ａ／Ｂ≧１であることを特徴とする。
【００２３】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、放熱板と電極パッドとの間隔をＡとし、球状端子の直径をＢとしたとき、Ａ／Ｂ≧１であることから、放熱板と電極パッドとの間の浮遊容量をより低減させることができるため、インピーダンス変化が少なくなり、高周波信号の伝送特性をさらに向上させることができる。
【００２４】
本発明の半導体装置は、上記構成の半導体素子収納用パッケージの前記貫通孔内に露出した前記放熱板上に搭載されるとともに前記電極が前記配線パッドに電気的に接続された半導体素子と、前記絶縁基板の前記一方主面の外周部に前記半導体素子を覆うように接合された蓋体とを具備していることを特徴とする。
【００２５】
本発明の半導体装置は、上記構成により、本発明の半導体素子収納用パッケージを用いた、放熱性、高周波伝送特性および接続信頼性に優れたものとなる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置について図面を参照して説明する。図１は、本発明の半導体素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図である。半導体素子収納用パッケージは、内側に半導体素子２が収容され配置される貫通孔が形成された絶縁基板１と、この絶縁基板１の一方主面（上面）の貫通孔の周囲に配設された、半導体素子２の電極と電気的に接続される配線パッドと、絶縁基板１の他方主面（下面）に配設された、配線パッドに内部配線を介して電気的に接続された電極パッドと、この電極パッドに取着された球状端子６と、絶縁基板１の他方主面に取着された、球状端子６と接触しないように球状端子６を内側に収容する切欠きまたは貫通穴が形成された金属製の放熱板５とを具備している。
【００２７】
そして、放熱板５は、絶縁基板１の下面のほぼ全面を覆って取着されているとともに、厚みが半導体素子２に入出力される高周波信号の波長の１６分の１以下である。
【００２８】
これにより、高周波信号（特に３０ＧＨｚ以上のミリ波帯の高周波信号）を伝送する球状端子６と放熱板５との間に生じる浮遊容量を低減させることができ、高周波伝送特性を向上させることができる。
【００２９】
また、高周波信号を伝送する球状端子６と放熱板５との間に生じる浮遊容量を低減させることができるので、放熱板５を球状端子６に接近して絶縁基板１の下面全面に設けても高周波信号の伝送性を低下させることはなく、放熱板５の面積を大きくできるとともに、絶縁基板１の下面の外周部の接地用の球状端子６を大きな面積の放熱板５で形成することができる。その結果、放熱性および接続信頼性をともに著しく向上させることができる。
【００３０】
さらに、一枚の放熱板５を絶縁基板１の下面に設けるだけでよく、補強パッドを印刷したり接合したりする手間がなくなり、製造工程がより簡素化することができる。
【００３１】
絶縁基板１は、アルミナセラミックスやムライトセラミックス等のセラミックス材料からなり、形状，寸法（厚み，幅，長さ）は使用される高周波信号の周波数や特性インピーダンスなどに応じて設定される。
【００３２】
絶縁基板１は、上面に半導体素子２が電気的に接続される配線パッド、下面に外部電気回路基板である実装ボード８に球状端子６を介して接続される電極パッドを有している。そして、これらの配線パッドと電極パッドとが、絶縁基板１１の内部に形成した貫通導体や配線導体（多層構造でもよい）等の内部配線を介して電気的に接続されている。
【００３３】
このような配線パッド、電極パッドおよび内部配線は、一部が高周波信号を伝送する導体としての機能を有し、別のものは、電源用あるいは接地用の導体としての機能を有している。
【００３４】
このような配線パッドや電極パッド、内部配線は、Ｃｕ、Ｍｏ−Ｍｎ、Ｗ等のメタライズからなり、配線パッドや電極パッドは、表面にＮｉメッキ層およびＡｕメッキ層等が被着されているのがよい。
【００３５】
放熱板５は、熱伝導性の良い材料、たとえば、銅とタングステンとの合金等を用いて形成され、実装時に実装ボード８の配線導体と直接接触される。放熱板５の厚みＬは半導体素子２に入出力される高周波信号の波長の１６分の１以下になるようにされており、絶縁基板１の下面と実装ボード８の上面との間隔を全面にわたって一定にすることにより、インピーダンスを良好に整合している。
【００３６】
また、放熱板５は、接地用の配線パッドや電極パッド、内部配線と電気的に接続されており、接地電位を強化するための接地導体としての機能をも有している。
【００３７】
さらに、放熱板５は、絶縁基板１の下面の電極パッドに設けられた球状端子６と接触しないように切欠きまたは貫通穴が形成され、基体１の下面のほぼ全面を覆うような平面形状である。
【００３８】
なお、放熱板５と接触しないように切欠きまたは貫通穴の内側に収容された球状端子６は、高周波信号伝送用や電源用の端子であり、これらの周囲を除く基板１の下面全面が放熱板５によって覆われている。
【００３９】
好ましくは、放熱板５と高周波信号伝送用の電極パッドとの間隔Ａは、球状端子６の直径、具体的には球状端子６の絶縁基板１に平行な断面における直径をＢとしたとき、Ａ／Ｂ≧１であるのがよい。
【００４０】
これにより、放熱板５と電極パッドとの間の浮遊容量をより低減させることができるため、インピーダンス変化が少なくなり、高周波信号の伝送特性をさらに向上させることができる。
【００４１】
また、高周波信号の伝送特性と放熱性とをともに良好にするという観点からは、１≦Ａ／Ｂ≦２であるのがより好ましい。Ａ／Ｂ＜１であると、放熱板５と電極パッドとの間および放熱板５と球状端子６との間の浮遊容量が大きくなり、高周波信号の伝送特性が低下し易くなる。一方、Ａ／Ｂ＞２であると放熱板５の面積を大きくして放熱性を高める効果が小さくなる。
【００４２】
球状端子６は、Ｓｎ−Ｐｂ共晶ハンダ、ＰｂフリーハンダなどのハンダボールやＣｕなどの金属ボールが用いられ、その直径が放熱板６の厚さＬと同じように半導体素子２に入出力される高周波信号の波長の１６分の１以下となっている。
【００４３】
このような半導体素子収納用パッケージは、絶縁基板１の貫通孔の内側で放熱板５の上面に半導体素子２が載置され、ダイアタッチ材等の接着材３によって固定されるとともにボンディングワイヤ４を介して絶縁基板１の貫通孔周辺の表面に形成された配線パッドと電気的に接続される。そして、絶縁基板１の表面に金属製またはセラミック製等のキャップ７がろう材やエポキシ樹脂等の封止材を用いて取着されることにより、半導体素子２が半導体素子収納用パッケージの内部に封止された半導体装置となる。
【００４４】
この半導体装置は、絶縁基板１の下面の電極パッドに取着された球状端子６を介して実装ボード８上の電極に接続することによって、半導体装置の表面実装が行なわれる。
【００４５】
このような実装ボード８は、ガラスクロスにフッ素樹脂などを含浸させて形成した絶縁層の上面にＣｕの配線導体を形成し、それらの絶縁層を積層した後プレスして積層一体形成することにより作製される。
【００４６】
また、半導体素子収納用パッケージの球状端子６を実装ボード８に搭載するための方法としては、実装ボード８の配線導体上にスクリーン印刷等によりクリームハンダを印刷し、半導体素子収納用パッケージを、球状端子６がこのクリームハンダを塗布した配線導体上に位置するように実装ボード８に搭載し、リフロー炉などで加熱してハンダを溶融することで半導体素子収納用パッケージと実装ボード８とを接続することができる。
【００４７】
【実施例】
以下、本発明の半導体素子収納用パッケージの実施例を以下に説明する。
【００４８】
絶縁基板１は、比誘電率が６のセラミックスからなり、外寸法が１１ｍｍ×１１ｍｍ、厚みが０．４ｍｍのものを用いた。この絶縁基板１の上下面および内部にはＣｕメタライズにより配線パッド、電極パッドおよび内部配線を形成し、配線パッドおよび電極パッドには表面にＮｉメッキ層およびＡｕメッキ層を順次被着した。
【００４９】
放熱板５は銅とモリブデンの合金からなるものを用いた。そして、図１のように、電極パッドに対応する部位に切欠きを形成した後、絶縁基板１の下面に電極パッドの周辺部を除く全面を覆うように取着した。
【００５０】
なお、放熱板５としては、放熱板５の切欠き部における放熱板５と電極パッドに接続される球状端子６との間隔Ａ、球状端子６の直径Ｂ、放熱板５の厚さがそれぞれ表１に示す種々の値であるものを用いた。
【００５１】
そして、実装ボード８としてガラスクロスにフッ素樹脂を含浸させて形成した絶縁層の上面にＣｕの配線導体を形成し、それらの絶縁層を積層した後プレスして積層一体化したものを用意した。
【００５２】
なお、この実装ボード８の上面の配線導体は、絶縁基板１に形成された電極パッドに対向するように配置するとともに、対向する電極パッドと同形状とした。
【００５３】
そして、半導体素子収納用パッケージを、球状端子６として錫３７重量％／鉛６３重量％であるハンダボールを介して、実装ボード８の配線導体に接続することにより評価用のサンプルを得た。
【００５４】
これら試料についてウェハプローブを用いてネットワークアナライザに接続し、高周波信号に対する反射損失の測定を行った。反射特性の結果を表１に示す。
なお、表中の◎は周波数３０ＧＨｚから４０ＧＨｚでの反射損失が−１０ｄＢ未満、○は周波数３０ＧＨｚから４０ＧＨｚでの反射損失が−１０ｄＢ以上−１５ｄＢ未満、×は周波数３０ＧＨｚから４０ＧＨｚでの反射損失が−１５ｄＢ以上を示す。
【００５５】
【表１】
2004356342.tif 000003
【００５６】
表１の結果より、放熱板５の厚さＬが４０ＧＨｚの周波数の高周波信号の波長の１６分の１である０．４７ｍｍよりも大きいサンプル３は、反射損失が大きく高周波伝送特性が劣ることがわかった。
【００５７】
一方、放熱板５の厚さＬが高周波信号の波長の１６分の１以下である本発明サンプル１，２，４，５は良好な伝送特性が得られることがわかった。特に、Ａ／Ｂが１以上であるサンプル１，２，４は反射損失がより小さく、伝送特性がより優れていることがわかった。
【００５８】
なお、本発明は以上の実施の形態の例および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内で種々の変更を施すことは何等支障ない。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、内側に半導体素子が収容され配置される貫通孔が形成された絶縁基板と、この絶縁基板の一方主面の貫通孔の周囲に配設された、半導体素子の電極と電気的に接続される配線パッドと、絶縁基板の他方主面に配設された、配線パッドに内部配線を介して電気的に接続された電極パッドと、この電極パッドに取着された球状端子と、絶縁基板の他方主面に取着された、球状端子と接触しないように球状端子を内側に収容する切欠きまたは貫通穴が形成された金属製の放熱板とを具備しており、放熱板は、他方主面のほぼ全面を覆って取着されているとともに、厚みが半導体素子に入出力される高周波信号の波長の１６分の１以下であることから、高周波信号を伝送する球状端子と放熱板との間に生じる浮遊容量を低減させることができ、高周波伝送特性を向上させることができる。
【００６０】
また、高周波信号を伝送する球状端子と放熱板との間に生じる浮遊容量を低減させることができるので、放熱板を球状端子に接近して絶縁基板の下面全面に設けても高周波信号の伝送性を低下させることはなく、放熱板の面積を大きくできるとともに、絶縁基板の下面の外周部の接地用の球状端子を大きな面積の放熱板で形成することができる。その結果、放熱性および接続信頼性をともに著しく向上させることができる。
【００６１】
さらに、一枚の放熱板を絶縁基板の下面に設けるだけでよく、補強パッドを印刷したり接合したりする手間がなくなり、製造工程をより簡素化することができる。
【００６２】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、放熱板と電極パッドとの間隔をＡとし、球状端子の直径をＢとしたとき、Ａ／Ｂ≧１であることから、放熱板と電極パッドとの間の浮遊容量をより低減させることができるため、インピーダンス変化が少なくなり、高周波信号の伝送特性をさらに向上させることができる。
【００６３】
本発明の半導体装置は、上記構成の半導体素子収納用パッケージの貫通孔内に露出した放熱板上に搭載されるとともに電極が配線パッドに電気的に接続された半導体素子と、絶縁基板の一方主面の外周部に半導体素子を覆うように接合された蓋体とを具備していることにより、本発明の半導体素子収納用パッケージを用いた、放熱性、高周波伝送特性および接続信頼性に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子収納用パッケージについて実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】図１の半導体素子収納用パッケージの下面図である。
【図３】従来の半導体素子収納用パッケージの断面図である。
【図４】従来の半導体素子収納用パッケージの下面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・・絶縁基板
２・・・・・・・・・半導体素子
５・・・・・・・・・放熱板
６・・・・・・・・・球状端子
【図１】
2004356342.tif 000004
【図２】
2004356342.tif 000005
【図３】
2004356342.tif 000006
【図４】
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