(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が実装された回路基板と、
前記回路基板の所定箇所に接合され、前記回路基板の接地層を介して前記半導体素子と電気的に接続される、前記半導体素子の電磁波遮断用のシールドと、
複数の開口部が形成され、前記シールドの内部において前記半導体素子の上面と接触するように配設される放熱板と、
を備える半導体パッケージであって、
前記半導体素子の下面から前記シールドまでの距離が前記半導体素子の動作周波数から算出される波長よりも大きく、前記放熱板が前記放熱板と一体的に形成された弾性部材を介して前記シールドと接合され、かつ、前記放熱板に形成される前記複数の開口部の位置及び形状を前記半導体素子の下面の配線パターンの位置及び形状と対応するように配設することを特徴とする半導体パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波半導体素子を実装した場合に半導体素子間の電波干渉を防止するための電磁波遮蔽と、高周波半導体素子の動作時に発生する熱を逃がすための放熱とを両立させるための封止用シールドを有する半導体パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報通信分野において、高速化と大容量化は重要な課題である。情報伝送量が比較的大きいなマイクロ波帯の動作周波数や、３０ＧＨｚ以上のミリ波帯の動作周波数が情報通信分野に積極的に利用されつつある。
【０００３】
このような高周波での通信を行なう無線基地局や無線端末には、高周波半導体素子を実装したマイクロ波パッケージやミリ波パッケージが用いられ、また、情報通信以外の分野に於いても、車両の衝突防止等を目的とする車載用レーダ（ミリ波レーダ）や計測センサなどにはミリ波帯が利用されている。このような高周波半導体素子では、素子間の電波干渉を防止するためのシールド構造は必須である。
【０００４】
一方、高周波半導体素子の大出力化にともない増加する半導体素子の発熱に対し、半導体素子を効率良く冷却することが必要になっている。したがって、半導体素子間の電波干渉を防止するためのシールド構造と、半導体素子を冷却する構造を有しながら、高い量産性と低コスト性を提供する高周波半導体素子パッケージの実現が望まれている。
【０００５】
半導体素子間の電波干渉を防止するためのシールド構造と、半導体素子を冷却する構造の両立を実現する方法として、シールド構造を半導体素子の冷却用の放熱板として利用し、シールド構造と半導体素子の間に高熱伝導率の構造物を設置することで、半導体素子で発生した熱をシールド構造に伝達する半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１０−０１３０６６号公報
【特許文献２】特開平１１−０２６６２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
車載レーダー用モジュールなど、数１０ＧＨｚを超える周波数を扱うモジュール基板では、高周波半導体素子間の電波干渉を防止する構造として、高周波半導体素子毎にシールド構造を設ける必要があり、シールドには導電性を有する材料を用いる。
【０００７】
ところが、数１０ＧＨｚを超える周波数で動作する高周波半導体素子では、シールドと半導体素子の距離が波長よりも小さいと、シールドと半導体素子の間にキャパシタンスが発生してしまうために、シールドと半導体素子の間には、数ｍｍの距離が必要となる。
【０００８】
一方、半導体素子が動作することによって発生する数１０ｍＷ程度の熱をシールドの外に逃がすためには、導電性を有する冷却構造を設けることが困難となる。
【０００９】
特許文献１及び特許文献２の半導体装置においては、放熱構造が半導体素子と面接触することによって生じるキャパシタンスについて考慮されていない。また、過度にキャパシタンスを発生させないために必要なシールド構造と半導体素子間の距離についても考慮されていない。
【００１０】
したがって、３０ＧＨｚ以上のミリ波帯の動作周波数を有する高周波半導体素子を実装する場合に、過度にキャパシタンスを発生させることなく、冷却構造とシールド構造を両立できる半導体パッケージのシールド構造が要求される。
【００１１】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、封止用シールドを有する半導体パッケージにおいて、高周波半導体素子と放熱構造が面接触することによって生じる容量（キャパシタンス）を低減できると共に、冷却と電磁波遮蔽を両立させることを可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明の半導体パッケージは、半導体素子が実装された回路基板と、前記回路基板の所定箇所に接合され、前記回路基板の接地層を介して前記半導体素子と電気的に接続される、前記半導体素子の電磁波遮断用のシールドと、複数の開口部が形成され、前記シールドの内部において前記半導体素子の上面と接触するように配設される放熱板と、を備える半導体パッケージであって、前記半導体素子の下面から前記シールドまでの距離が前記半導体素子の動作周波数から算出される波長よりも大きく、前記放熱板が前記放熱板と一体的に形成された弾性部材を介して前記シールドと接合され、かつ、前記放熱板に形成される前記複数の開口部の位置及び形状を前記半導体素子の下面の配線パターンの位置及び形状と対応するように配設することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の半導体パッケージによれば、高周波半導体素子から発生する電磁波遮断のためのシールド構造と、高周波半導体素子から発生する熱の放熱構造を両立させるための封止用シールドが、回路基板の接地層と電気的に接続される半導体パッケージ構造において、封止用シールドと半導体素子面の距離が半導体素子動作周波数における波長よりも大きく、かつ、開口部を有する放熱板を半導体素子表面と封止用シールド内部に接続することによって、半導体素子を電磁波遮断すると同時に、半導体素子と放熱板の間でキャパシタンスを発生させることなく、半導体素子で発生する熱を封止用シールドに伝達することが可能となる。また、網目構造を有した放熱板を予めシールド構造の内部に弾性部材を介して接続しておくことにより、シールド構造を取り付けると同時に、網目構造を有した放熱板を半導体素子の表面に、弾性部材を介して押し付けて接触させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明を実施するための形態について図面と共に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体パッケージの構成例を示す平面図である。
【００２０】
図１においては、半導体パッケージ１０の内部構造を明確に示す目的で、便宜上、封止用シールド５が透明な材料で形成されているものとする。但し、本発明に係る封止用シールド５の材質は透明な材料に限定されるものではなく、不透明な導電性材料を使用することも可能である。
【００２１】
図２は、図１の半導体パッケージを点線Ａ−Ａ’に沿って切断した際の断面構造を示す側断面図である。
【００２２】
図１及び図２に示す高周波半導体素子１は、例えば、３０〜７０ＧＨｚの動作周波数にて動作するＬＳＩ等の半導体チップである。動作時において、高周波半導体素子１から発生する熱を効率よく冷却するための放熱構造と、電磁波遮断のためのシールド構造とが必要であり、高周波半導体素子１とその放熱構造が面接触することによって生じるキャパシタンスを低減すると共に、冷却構造とシールド構造とを両立させることが要求される。
【００２３】
図２に示すように、この実施形態の半導体パッケージ１０において、高周波半導体素子１はグランド層２ａを有する回路基板２上に実装される。高周波半導体素子１の回路面（下面）がこの回路基板２の表面に半田ボール４を介して接合され、半導体素子１と回路基板２とが電気的に接続されている。
【００２４】
また、この半導体パッケージ１０において、高周波半導体素子１の電磁波遮断のための構造として、回路基板２上の高周波半導体素子１を内部に封止するように封止用シールド５が配設されており、かつ、高周波半導体素子１から発生する熱を効率よく冷却するための放熱構造として、放熱板３が高周波半導体素子１の表面（上面）に接触するように配設されている。
【００２５】
封止用シールド５は、金属等の導電性材料から構成される。この封止用シールド５が、半田等の溶融により回路基板２上の所定箇所に形成されたパッド２ｂと接合されることにより、シールド５と回路基板２のグランド層２ａとは電気的に接続されている。
【００２６】
このグランド層２ａは、接地電極（図示なし）と接続されており、封止用シールド５が回路基板２のグランド層２と電気的に接続されることにより、封止用シールド５が接地されることになる。この構成は、封止用シールド５を半導体素子１の電磁波遮断のためのシールド構造とするために必要となる。
【００２７】
また、放熱板３は、半導体素子１から発生する熱を効率よく冷却するため、図１に示すように、複数の開口部１３からなる網目構造を有する。図２に示すように、この網目状放熱板３は、弾性部材３ａを介して封止用シールド５に接合されることにより、高周波半導体素子１の表面（上面）に接触するように配設される。
【００２８】
図３は、図１の半導体パッケージの構成を示す分解斜視図である。
【００２９】
図３に示すように、本実施形態における放熱板３は、この放熱板３と半導体素子１表面との接触を安定的に保持させるために、弾性部材３ａが放熱板３と一体となるように形成されている。上述の如く、放熱板３は弾性部材３ａを介して封止用シールド５に接合される。本実施形態によれば、弾性部材３ａを用いることにより、鉛直下向きの弾性力が放熱板３から半導体素子１表面に常にかかる状態にしておくことが可能である。
【００３０】
また、図２に示すように、高周波半導体素子１の回路面（下面）から封止用シールド５までの距離ｈは、半導体素子１と封止用シールド５間の接触によるキャパシタンスの発生を抑えるために、半導体素子１の動作周波数から求められる波長λよりも大きくすることが望ましい。
【００３１】
さらに、図２に示す半導体パッケージ１０において、放熱板３が、図１に示すように、複数の開口部１３からなる網目状の穴明き構造を有する。高周波半導体素子１と放熱板３の間の接触により発生するキャパシタンスは、この網目状放熱板３が有する穴の面積が大きいほど小さい。一方、高周波半導体素子１で発生した熱の放熱効率は、網目状放熱板３が有する穴の面積が小さいほど高い。
【００３２】
しかし、高周波半導体素子１と網目状放熱板３の間で発生するキャパシタンスは、半導体素子１内配線の直上において発生するのに対して、半導体素子１内で発生する熱は、半導体素子１の全面に拡散されるため、網目状放熱板３の複数の開口部１３を半導体素子１内の配線部直上に集中させることで、放熱効率を損なうことなく、半導体素子１と網目状放熱板３の間で発生するキャパシタンスを抑えることができる。
【００３３】
また、図１における網目状放熱板３が有する複数の開口部１３は、一例として円形形状のものを示しているが、円形以外の穴形状であってもよく、開口部１３の形状は問わない。
【００３４】
図４は、図１の半導体パッケージ１０において要求される、封止用シールドと高周波半導体素子間の距離を説明するための図である。
【００３５】
半導体パッケージ１０において、半導体素子１と封止用シールド５間の接触により、過度にキャパシタンス（容量）を発生させないようにするため、図４に示すように、高周波半導体素子１の回路面（下面）から封止用シールド５までの距離ｈは、高周波半導体素子１の動作周波数から求められる波長λよりも大きくすることが要求される。例えば、高周波半導体素子１の動作周波数が３０ＧＨｚである場合、その動作周波数から求められる波長λは１０ｍｍ程度であり、高周波半導体素子１の回路面から封止用シールド５までの距離ｈは１０ｍｍ以上とする必要がある。
【００３６】
したがって、過度にキャパシタンス（容量）を発生させないためには、本実施形態の半導体パッケージ１０において封止用シールド５の構造を決める際に、高周波半導体素子１の動作周波数に応じて、このような最小限の距離ｈを確保しておく必要がある。
【００３７】
図５は、本発明の他の実施形態に係る半導体パッケージにおける半導体素子の配線パターンと放熱板の開口部間の位置関係を説明するための図である。
【００３８】
図５に示すように、本実施形態における高周波半導体素子１は、その回路面（下面）に配線パターン１ａを有する。動作時に半導体素子１に発生する熱が配線パターン１ａの直上の位置に集中することから、半導体素子１の発熱を効率よく冷却するために、本実施形態の放熱板３に形成する開口部１３の位置及び形状は、半導体素子１の配線パターン１ａの位置及び形状と対応するように配設されている。
【００３９】
図５に示すように、本発明に係る半導体パッケージにおいて、放熱板３は、少なくとも１個の開口部１３を、半導体素子１の配線パターン１ａの直上の位置に対応した位置に有する構造とすればよい。
【００４０】
図６は、本発明の半導体パッケージを車載レーダー用高周波モジュールとして適用した場合の構成例を示す。
【００４１】
図６に示すように、車載レーダー装置３０は、高周波モジュール２０と、導波管２２と、送受信アンテナ２４とから構成される。高周波モジュール２０と導波管２２は信号路２５を介して接続され、導波管２２と送受信アンテナ２４は信号路２７を介して接続される。
【００４２】
この車載レーダー装置３０は、例えば、乗用車等の車両に搭載され、車両の衝突防止等を目的とする車両の走行制御を行う。高周波モジュール２０にて生成される所定の検出信号が導波管２２を介して送受信アンテナ２４に送られると、送受信アンテナ２４から外部（例えば、車両前方）へ向け送信される。例えば、前方の車両から反射された電波を送受信アンテナ２４で受信すると、受信信号が導波管２２を介して高周波モジュール２０に入力される。高周波モジュール２０は、この受信信号に応じて衝突防止用走行制御処理を実行し、走行制御処理の結果を反映された信号を当該車両の制御部に対し出力する。
【００４３】
この高周波モジュール２０には、例えば、３０〜７０ＧＨｚの動作周波数にて動作するＬＳＩ等の半導体チップが実装される。
【００４４】
従って、図６に示す高周波モジュール２０として、上述の実施形態の半導体パッケージ１０を適用することにより、封止用シールド５と高周波半導体素子１の回路面の距離が半導体素子１の動作周波数における波長よりも大きく、かつ、少なくとも１個の開口部１３を有する放熱板３を半導体素子１の表面と封止用シールド５内部に接続することによって、半導体素子１を電磁波遮断すると同時に、半導体素子１と放熱板３の間でキャパシタンスを発生させることなく、半導体素子１で発生する熱を封止用シールド５に伝達することが可能となる。
【００４５】
以上の如く、本明細書は以下の発明を開示する。
（付記１）
半導体素子が表面に実装された回路基板と、封止用シールドとを有する半導体パッケージであって、前記半導体素子の一方の主面から前記封止用シールドまでの距離が前記半導体素子の動作周波数における波長よりも大きく、かつ、少なくとも１つの開口部を有する放熱板が前記封止シールドの内部において前記半導体素子の他方の主面と接合することを特徴とする半導体パッケージ。
（付記２）
前記封止用シールドが前記回路基板の接地層と電気的に接続されることを特徴とする付記１記載の半導体パッケージ。
（付記３）
前記放熱板が弾性部材を介して前記封止用シールドと接合されることを特徴とする付記１記載の半導体パッケージ。
（付記４）
前記放熱板が弾性部材を介して前記封止用シールドと接合され、かつ、前記封止用シールドと前記回路基板間の電気的接続が前記封止用シールドと前記放熱板間の接合と独立していることを特徴とする付記２記載の半導体パッケージ。
（付記５）
前記放熱板が複数の開口部からなる網目構造を有することを特徴とする付記１記載の半導体パッケージ。
（付記６）
動作周波数が３０ＧＨｚ以上の半導体素子を実装した電子装置であって、付記１記載の半導体パッケージを備えることを特徴とする電子装置。
（付記７）
前記封止用シールドが前記回路基板の接地層と電気的に接続されることを特徴とする付記６記載の電子装置。
（付記８）
前記放熱板が弾性部材を介して前記封止用シールドと接合されることを特徴とする付記６記載の電子装置。
（付記９）
前記放熱板が弾性部材を介して前記封止用シールドと接合され、かつ、前記封止用シールドと前記回路基板間の電気的接続が前記封止用シールドと前記放熱板間の接合と独立していることを特徴とする付記７記載の電子装置。
（付記１０）
前記放熱板が複数の開口部からなる網目構造を有することを特徴とする付記６記載の電子装置。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体パッケージの構成例を示す平面図である。
【図２】図１の半導体パッケージを点線Ａ−Ａ’に沿って切断した場合の断面を示す側断面図である。
【図３】図１の半導体パッケージの構成を示す分解斜視図である。
【図４】図１の半導体パッケージにおいて要求されるシールドと高周波半導体素子間の距離を説明するための図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る半導体パッケージにおける半導体素子の配線パターンと放熱板の開口部間の位置関係を説明するための斜視図である。
【図６】本発明の半導体パッケージを車載レーダー用高周波モジュールとして適用した場合の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  高周波半導体素子
１ａ  配線パターン
２  回路基板
２ａ  グランド層
２ｂ  パッド
３  放熱板
３ａ  弾性部材
４  半田ボール
５  封止用シールド
１０  半導体パッケージ
１３  開口部
２０  高周波モジュール
２２  導波管
２４  送受信アンテナ
２５、２７  信号路
３０  車載レーダー装置
【図１】
0004630746.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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