(57)【要約】      （修正有）【課題】  ミリ波においても共振を起こさず安定して信号の伝達が可能な高周波半導体装置を提供する。【解決手段】  誘電体基板4の表面には半導体素子３を搭載している。半導体素子３を覆うように凹型蓋体１を誘電体基板４上に配置している。凹型蓋体１は導電性セラミックスからなっている。【選択図】  図１
2005051112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、
この誘電体基板の表面に搭載された半導体素子と、
上記半導体素子を覆うように上記誘電体基板上に配置され、導電性セラミックスからなる凹型蓋体とを備えたことを特徴とする高周波半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高周波半導体装置において、
上記誘電体基板の表面に形成され、上記半導体素子と電気的に接続される第１の信号線路と、
上記誘電体基板の内部に形成され、スロット孔を有するグランド層と、
上記誘電体基板の裏面に形成された第２の信号線路とを備え、
上記第１の信号線路と上記第２の信号線路との間で電磁結合により信号を伝達することを特徴とする高周波半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の高周波半導体装置において、
上記誘電体基板の表面に形成され、上記半導体素子と電気的に接続する第１の信号線路と、
上記誘電体基板の内部に形成され、スロット孔を有するグランド層とを備え、
上記高周波半導体装置を実装するための外部回路基板に形成された第３の信号線路と上記第１の信号線路との間で直接電磁結合により信号を伝達することを特徴とする高周波半導体装置。
【請求項４】
請求項１に記載の高周波半導体装置において、
上記誘電体基板の表面に形成された第１の信号線路と、
上記誘電体基板の裏面に形成された第２の信号線路とを備え、
上記第１の信号線路と上記第２の信号線路とをビアホールにより接続することを特徴とする高周波半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の高周波半導体装置において、
上記誘電体基板の裏面に平面アンテナが形成されていることを特徴とする高周波半導体装置。
【請求項６】
請求項１に記載の高周波半導体装置において、
上記導電性セラミックスの体積抵抗率が１００Ω・ｃｍ〜１ＭΩ・ｃｍの範囲内であることを特徴とする高周波半導体装置。
【請求項７】
請求項１に記載の高周波半導体装置において、
上記導電性セラミックスの原料がアルミナ系セラミックスであることを特徴とする高周波半導体装置。
【請求項８】
請求項７に記載の高周波半導体装置において、
上記誘電体基板がセラミックスからなることを特徴とする高周波半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波やミリ波の信号を取り扱う高周波半導体素子を搭載するための高周波半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロ波やミリ波の高周波信号を取り扱う高周波半導体素子を搭載する高周波半導体装置としては、図９に示すような表面実装型の半導体素子搭載用パッケージを用いるものがある。図９の高周波半導体装置では、半導体素子１０３を搭載する誘電体基板１０４の表面に第１の信号線路１０５を形成すると共に、その誘電体基板１０４の裏面に第２の信号線路１０８を形成している。上記第１の信号線路１０５は、誘電体基板１０４の内部のグランド層１０６に設けたスロット孔１０７を介して第２の信号線路１０８と電磁結合している。また、上記半導体素子１０３は蓋体１０１により高周波半導体装置の内部に封止されている。さらに、特開２００１−７７２４４（特許文献１）によれば、蓋体１０１は内部からの電磁波が外部に漏洩するのを防止できる材料で構成されている。
【０００３】
このような高周波半導体装置は半導体素子１０３を搭載するため、数ｍｍ〜数ｃｍといったサイズである。上記高周波半導体装置のサイズに比べ波長の大きい信号を半導体素子１０３が取り扱う場合は問題ないが、高周波半導体装置のサイズと同等の信号を半導体素子１０３が取り扱う場合は問題が生じてしまう。つまり、上記高周波半導体装置のサイズと同等（例えば３０ＧＨｚでは空気中での波長は１ｃｍである）の波長を有するミリ波を半導体素子１０３が取り扱う場合、高周波半導体装置内部の空洞１０２のある１辺がミリ波の１／２波長又はその整数倍となると、蓋体１０１の内壁での電磁波の反射により空洞共振現象が起こり、半導体素子１０３の正常な特性を得られなくなるという問題があった。
【０００４】
また、上記蓋体１０１が電磁波を通さない材料で形成されている場合、空洞１０２の側壁部が誘電体（表面波）線路として働くため、信号線路と側壁部が結合し、所望の信号が表面波として側壁部へ伝搬して減衰してしまうという問題があった。
【特許文献１】特開２００１−７７２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の課題は、ミリ波においても共振を起こさず安定して信号の伝達が可能な高周波半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の高周波半導体装置は、誘電体基板と、この誘電体基板の表面に搭載された半導体素子と、上記半導体素子を覆うように上記誘電体基板上に配置され、導電性セラミックスからなる凹型蓋体とを備えたことを特徴としている。
【０００７】
上記構成の高周波半導体装置によれば、上記凹型蓋体は導電性セラミックスからなるので、抵抗体として働いて、封止及び電磁波漏洩防止用の蓋体としての効果を奏するだけでなく、電磁波の反射を抑える吸収体としての効果も奏する。したがって、上記誘電体基板と蓋体とにより形成される空洞内において、例えば金属蓋体を用いたときのような共振現象や、例えば非導電性セラミックス蓋体を用いたときのような所望信号の減衰が起こらない。その結果、ミリ波においても安定した信号の伝達を行うことができる。
【０００８】
特に、上記高周波半導体装置を外部回路基板に搭載する場合、外部回路基板からの信号を高周波半導体装置の裏面側から高周波半導体装置の表面側の信号線路に伝達させると、垂直方向から水平方向に伝搬モードが変換されるので、空洞内部で電磁波の放射が起こりやすく、空洞共振が起こってしまうが、本発明の構成を用いていれば、その電磁波の放射および空洞共振が起こるのを阻止できる。
【０００９】
一実施形態の高周波半導体装置は、上記誘電体基板の表面に形成され、上記半導体素子と電気的に接続される第１の信号線路と、上記誘電体基板の内部に形成され、スロット孔を有するグランド層と、上記誘電体基板の裏面に形成された第２の信号線路とを備え、上記第１の信号線路と上記第２の信号線路との間で電磁結合により信号を伝達する。
【００１０】
上記実施形態の高周波半導体装置によれば、上記第１の信号線路と第２の信号線路との間で電磁結合により信号を伝達するので、第１の信号線路と第２の信号線路とを物理的に接続しなくても、第１の信号線路と第２の信号線路との間で信号の伝達を行える。したがって、上記第１の信号線路と第２の信号線路とを接続する部材を無くして、製造コストの上昇を抑えることができる。
【００１１】
一実施形態の高周波半導体装置は、上記誘電体基板の表面に形成され、上記半導体素子と電気的に接続する第１の信号線路と、上記誘電体基板の内部に形成され、スロット孔を有するグランド層とを備え、上記高周波半導体装置を実装するための外部回路基板に形成された第３の信号線路と上記第１の信号線路との間で直接電磁結合により信号を伝達する。
【００１２】
上記実施形態の高周波半導体装置によれば、上記第３の信号線路と上記第１の信号線路との間で直接電磁結合により信号を伝達するので、誘電体基板の裏面に信号線路を設けなくても、第１の信号線路と第３の信号線路との間で信号の伝達を行うことができる。したがって、上記誘電体基板の裏面の信号線路を無くして、製造コストの上昇をより抑えることができる。
【００１３】
一実施形態の高周波半導体装置は、上記誘電体基板の表面に形成された第１の信号線路と、上記誘電体基板の裏面に形成された第２の信号線路とを備え、上記第１の信号線路と上記第２の信号線路とをビアホールにより接続する。
【００１４】
上記実施形態の高周波半導体装置によれば、上記ビアホールを導電体で埋めた場合、第１の信号線路と第２の信号線路との間でその導電体を介した信号の伝達を行うことができる。
【００１５】
一実施形態の高周波半導体装置は、上記誘電体基板の裏面に平面アンテナが形成されている。
【００１６】
上記実施形態の高周波半導体装置によれば、上記誘電体基板の裏面に平面アンテナを形成するので、装置とアンテナとが一体になり、小型化が可能となる。
【００１７】
一実施形態の高周波半導体装置は、上記導電性セラミックスの体積抵抗率が１００Ω・ｃｍ〜１ＭΩ・ｃｍの範囲内である。
【００１８】
上記実施形態の高周波半導体装置によれば、上記導電性セラミックスの体積抵抗率を１００Ω・ｃｍ〜１ＭΩ・ｃｍの範囲内にすることにより、蓋体を設けないときの理想特性に近づけることができる。
【００１９】
一実施形態の高周波半導体装置は、上記導電性セラミックスの原料がアルミナ系セラミックスである。
【００２０】
上記実施形態の高周波半導体装置によれば、上記凹型蓋体の材料としてアルミナ系セラミックスを用いることにより、凹型蓋体の導電性（抵抗値）を常温且つ広い温度範囲で安定させることができる。その結果、より安定した信号の伝達を行うことができる。
【００２１】
また、上記導電性セラミックスの原料としては、アルミナ系セラミックス、シリカ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、酸化セリウム系セラミックス、マグネシア系セラミックスおよびチタニア系セラミックス等を用いることができる。これらの中でも、上記導電性セラミックスの原料としてアルミナ系セラミックスを用いるのが望ましい。
【００２２】
また、上記導電性セラミックスは前述のセラミックス材料に、導電性の炭素やＷ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ等の金属を混合させることによって導電性を持たせたものであり、混合させる炭素や金属の種類やおよび割合を変えることによって導電性セラミックスの抵抗値を任意に変えることが可能である。
【００２３】
一実施形態の高周波半導体装置は、上記誘電体基板がセラミックスからなる。
【００２４】
上記実施形態の高周波半導体装置によれば、上記誘電体基板がセラミックスからなるので、誘電体基板及び蓋体が共にセラミックス材料で構成されることになって、誘電体基板及び蓋体の両者の熱膨張係数をほぼ同値にすることができ、誘電体基板と蓋体との接続部において高い信頼性を確保できる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の高周波半導体装置は、誘電体基板と蓋体により形成される空洞が導電性セラミックスで覆われるため、金属や非導電性セラミックスの蓋体を用いたときのような共振現象や所望信号の減衰が起こらず、安定した信号の伝達が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、発明の高周波半導体装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２７】
図１に、本発明の実施の一形態の高周波半導体装置の概略断面図を示す。
【００２８】
上記高周波半導体装置は、誘電体基板１と、この誘電体基板１の表面に搭載された半導体素子３と、半導体素子３を覆うように誘電体基板４上に配置された凹型蓋体１とを備えて、外部回路基板９に実装されている。
【００２９】
上記蓋体１はアルミナに炭素を混合した導電性セラミックスからなり、また、上記誘電体基板４はアルミナセラミックスからなっている。この蓋体１と誘電体基板４とによって形成された空洞２の中に半導体素子３が配置されている。上記半導体素子３は、誘電体基板４の表面に形成された第１の信号線路５とフリップチップボンディングにより接続されている。また、上記誘電体基板４の裏面に形成された第２の信号線路８が、外部回路基板９の表面に形成された第３の信号線路１０に接続している。また、上記誘電体基板４の内部には導体層からなるグランド層６が形成されている。つまり、上記誘電体基板４はグランド層６を含んでいる。このグランド層６にはスロット孔７が形成されており、第１の信号線路５と第２の信号線路８とはスロット孔７を介して電磁結合して信号の伝達を行う。
【００３０】
上記第２の信号線路８から第１の信号線路５へ伝達される信号は、マイクロストリップモード、電磁結合そしてマイクロストリップモードと順次、伝搬モードの変換が行われる。伝搬モードが変換される部分では、電磁波の放射が起こりやすい。そのため、上記空洞２内では電磁波の放射が起こり空洞共振を生じやすい。しかし、本実施の形態においては蓋体１を導電性セラミックス製の抵抗体としているので、電磁波の反射を抑える吸収体として蓋体１が作用し、空洞共振を抑えることができる。
【００３１】
上記誘電体基板４の材料としてアルミナセラミックスを用いた理由は、アルミナセラミックスが８〜９程度の高い比誘電率を持つため小型化ができるというだけでなく、蓋体１もアルミナ系であることから、蓋体１および誘電体基板４の熱膨張係数を同等とすることができ、蓋体１と誘電体基板４との接続部において高い信頼性を確保することができる。上記誘電体基板４の材料としては、アルミナセラミックス等のアルミナ系セラミックスだけでなく、窒化アルミセラミックスやガラスセラミックス等のセラミックス材料を用いることも可能である。
【００３２】
また、上記誘電体基板４の代わりに、図２に示すような誘電体基板２４を用いてもよい。この誘電体基板２４には、半導体素子３を収容する凹部１２が形成されている。この場合、上記凹部１２の形成によりグランド層９の一部を露出させ、その一部上に半導体素子３を配置して、グランド層９と半導体素子３とを接触させる。また、上記半導体素子３と第１の信号線路５とはワイヤ１３で接続する。なお、上記半導体素子３と第１の信号線路５とは、ワイヤボンディング以外にリボンボンディング等の接続手段によっても接続することができる。
【００３３】
また、図示しないが、上記空洞２内に複数の半導体素子３を配置してもよい。
【００３４】
また、上記第２の信号線路８は、図３に示すように形成しなくてもよい。この場合、外部回路基板９の表面に形成した第３の信号線路３０と、第１の信号線路５との間で直接電磁結合により信号を伝達する。
【００３５】
図３においては、高周波半導体装置と外部回路基板９との接続の際に、信号線路同士を接続させる必要が無い。つまり、上記第２の信号線路８と第３の信号線路３０とを接続させる必要が無い。したがって、高周波半導体装置と外部回路基板９との接続の際に、高度の位置精度を必要としないほか、半田接続した場合に生じる半田の形状や量のバラツキによる特性のバラツキを抑えることが可能である。
【００３６】
また、上記誘電体基板４の代わりに、図４に示すような誘電体基板４４を用いてもよい。この誘電体基板４４には表面から裏面まで達するビアホール１１が形成されていて、ビアホール導電体１４がそのビアホール１１を埋めている。そして、外部回路基板９の表面に形成された第３の信号線路４０は、ビアホール導電体１４を介して第１の信号線路５に接続される。これにより、上記第１の信号線路５と第３の信号線路４０との間ではビアホール導電体１４を介して信号を伝達する。このようにビアホール１１を介して信号を伝達させる場合においても、ビアホール１１内ではマイクロストリップとは異なる伝搬モードになる。つまり、上記ビアホール導電体１１における信号の伝搬モードは、第１，第３の信号線路５，４０における信号の伝搬モードと異なる。このため、空洞２内に電磁波の放射が起こりやすいので、導電性セラミックからなる凹型蓋体１を用いることは有効である。
【００３７】
図４においては、誘電体基板４の裏面に第２の信号線路を形成していなかったが、誘電体基板４の裏面に第２の信号線路を形成してもよい。この場合、上記第１の信号線路５と第３の信号線路４０との間ではビアホール導電体１４および第２の信号線路を介して信号の伝達を行う。
【００３８】
図４においては、誘電体基板４４の内部にグランド層を設けていないが、誘電体基板４４の内部にグランド層を設けても構わない。
【００３９】
また、図５に示すように、誘電体基板５４の裏面に平面アンテナ１５を設けてもよい。上記誘電体基板５４は、第１の誘電体層５４ａ、第２の誘電体層５４ｂおよび第３の誘電体層５４ｃから成っている。上記第１の誘電体層５４ａの裏面には、複数の導体パッチをアレイ状に配置してなる平面アンテナ１５を形成している。また、上記第１の誘電体層５４ａと第２の誘電体層５４ｂとの間にはアンテナ給電用線路１６を形成している。また、上記第２の誘電体層５４ｂと第３の誘電体層５４ｃとの間にはグランド層５６を形成し、そのグランド層５６にはスロット孔５７を形成している。このような誘電体基板５４の表面には半導体素子５３を２個搭載している。上記半導体素子５３を覆うように凹型蓋体５１を誘電体基板５４上に配置している。この凹型蓋体５１は、導電性セラミックからなり、誘電体基板５４とで空洞５２を形成している。
【００４０】
次に、実際に高周波半導体装置に金属及び抵抗値の異なる導電性セラミックスの蓋体をかぶせてＳパラメータを測定した結果について述べる。
【００４１】
図６は測定に用いた高周波半導体装置の概略断面図である。図６の高周波半導体装置は、誘電体基板２４の裏面に第２の信号線を設けずに、第１の信号線路５はグランド層６のスロット孔７を介して外部回路基板９の表面上の第３の信号線路７０と電磁結合する点が、図２の高周波半導体装置と異なっている。なお、上記第３の信号線路７０のうち、一方は入力側の信号線路であり、他方は出力側の信号線路である。
【００４２】
上記Ｓパラメータの測定は、半導体素子３のかわりにスルーのラインチップを誘電体基板２４に載せ、入力側の第３の信号線路７０と出力側の第３の信号線路７０との間で行う。そして、図６の高周波半導体装置のサイズは６．０ｍｍ×３．８ｍｍ×高さ１．３ｍｍであり、空洞２のサイズは５．０ｍｍ×２．８ｍｍ×高さ０．５ｍｍである。
【００４３】
図７，図８に、上記Ｓパラメータの測定結果を示す。
【００４４】
図７，図８において、蓋体無しのときの結果が所望の高周波半導体装置の特性であり、６０ＧＨｚを中心周波数として３ｄＢ帯域幅６ＧＨｚ程度である。封止のために蓋体をかぶせた後も同じ特性を示しているのが望ましい。しかし、金属蓋体では６１ＧＨｚ、６４ＧＨｚ付近に共振点があり、特性が劣化しているのが分る。つまり、伝送特性（Ｓ２１）の落ち込こみや、反射特性（Ｓ１１）の盛り上がりが見られ、周波数に対し敏感で不安定となっているのが分る。図７，図８中の▲■◆▼で示す導電性セラミックスの蓋体では、目立った共振点は見られず安定した周波数特性が得られているのが分る。特に、抵抗値１００ｋΩ・ｃｍの場合が最も良く、蓋体無しのときの特性、つまり所望の特性とほぼ同等の特性が得られている。本測定結果から、低ロスであり安定した周波数特性を得るためには１００Ω・ｃｍ〜１ＭΩ・ｃｍ程度の体積抵抗率をもつ導電性セラミックスで蓋体を形成するのが好ましい。
【００４５】
本発明の高周波半導体装置は、アルミナ系セラミックスからなる誘電体基板を備えてもよい。
【００４６】
また、本発明の高周波半導体装置が備える半導体素子は、３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲内の電磁波を取り扱うためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は本発明の実施の一形態の高周波半導体装置の概略断面図である。
【図２】図２は上記高周波半導体装置の変形例の概略断面図である。
【図３】図３は上記高周波半導体装置の変形例の概略断面図である。
【図４】図４は上記高周波半導体装置の変形例の概略断面図である。
【図５】図５は上記高周波半導体装置の変形例の概略断面図である。
【図６】図６は上記高周波半導体装置の変形例の概略断面図である。
【図７】図７は本発明の他の実施の形態の高周波半導体装置のＳパラメータの測定結果を示す図である。
【図８】図８は本発明の他の実施の形態の高周波半導体装置のＳパラメータの測定結果を示す図である。
【図９】図９は従来の高周波半導体装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１，５１  蓋体
３，５３  半導体素子
４，２４，４４，５４  誘電体基板
【図１】
2005051112.tif 000003
【図２】
2005051112.tif 000004
【図３】
2005051112.tif 000005
【図４】
2005051112.tif 000006
【図５】
2005051112.tif 000007
【図６】
2005051112.tif 000008
【図７】
2005051112.tif 000009
【図８】
2005051112.tif 000010
【図９】
2005051112.tif 000011