(57)【要約】      （修正有）【課題】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容易な高周波半導体装置を提供する。【解決手段】高周波半導体装置１０は、マイクロ波集積回路を含む半導体素子２０と、金属板３２と、絶縁体枠部３４と、５０Ωの特性インピーダンスを有する第１の伝送線路３７とを含む実装部材３０と、半導体素子と前記第１の伝送線路との間に配置され、５０Ωの特性インピーダンスを有する第２の伝送線路４４と、第２の伝送線路から離間して配置され第２の伝送線路の中央部に接続可能な容量性スタブ４５とを含む中継基板４０とを有する。第１のボンディングワイヤ６０は、第１の伝送線路の内部端３７ｃと、第２の伝送線路の第１の端部４４ｂとを接続する。第２のボンディングワイヤ７０は、半導体素子の第１の電極２０ａと、第２の伝送線路の第２の端部４４ａとを接続する。【選択図】図１
2017055224.tif 000002
【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、
前記半導体素子と前記第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の伝送線路の中央部に接続可能な容量性スタブと、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と、  
を備えた高周波半導体装置。
【請求項２】
前記第１のボンディングワイヤのインダクタンスと、前記第２のボンディングワイヤのインダクタンスと、は同一である請求項１記載の高周波半導体装置。
【請求項３】
前記容量性スタブは、複数の導電部を含む請求項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１〜３のいずれか１つに記載の高周波半導体装置。
【請求項５】
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である請求項１〜４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にずれは、周波数が高くなるほど大きくなる。
【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容易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有する。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、前記半導体素子と前記第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の伝送線路の中央部に接続可能な容量性スタブと、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、を接続する。
【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）は容量性スタブが伝送線路に接続されていないときのインピーダンスを表すスミス図、図３（ｂ）は容量性スタブが伝送線路の接続されたときの中継基板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）は比較例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の表面に設けられかつ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。また、実装部材３０は、リード３６をさらに有することができる。リード３６と第１の伝送線路３７とは、信号端子として機能する。
【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の実施形態では、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の中央部に設けられた容量性スタブ４５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４５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、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の中央部に接続可能な容量性スタブ４５と、を含む。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
第１のボンディングワイヤ６０は、第２の伝送線路４４の端部４４ｂと、内部端３７ｃと、を接続する。その接続位置である第２の伝送線路４４の端部４４ｂは、基準面Ｑ１となる。第２のボンディングワイヤ７０は、半導体素子２０の第１の電極２０ａと、第２の伝送線路４４の端部４４ａと、を接続する。第２の伝送線路４４の端部４４ａは、基準面Ｑ３となる。第２のボンディングワイヤ７０と第１の電極２０ａとの接続位置は、基準面Ｑ４となる。
【００２１】
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３７ｃからみた負荷インピーダンスは５０Ωとなる。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。
【００２２】
図２（ｂ）に表すように、中継基板４０は、たとえば、誘電体４２と、第２の伝送線路４４と、第２の伝送線路４４の中央部（基準面Ｑ２に一致する）と接続可能な複数の容量性スタブ４５と、を有する。複数の領域から適正な数を接続することにより、実効的にスタブの電気長を調整できる。
【００２３】
図３（ａ）は容量性スタブが第２の伝送線路４４に接続されていないときのインピーダンスを表すスミス図、図３（ｂ）は容量性スタブが第２の伝送線路４４に接続されたときのインピーダンスを表すスミス図、である。
スミス図は、特性インピーダンスＺｃｃが５０Ωとして正規化されている。図３（ａ）および図３（ｂ）が示すように、電気長（ＥＬ１＋ＥＬ２）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。
【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（ＥＬ１）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（ＥＬ２）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Ｑ４からみた負荷インピーダンスｚ５＠Ｑ４は５０Ω近傍となる。
【００２５】
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Ｑ４からみた負荷インピーダンスｚ５＠Ｑ４は５０Ω近傍となる。
【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の両端から等しい位置に、容量性スタブ４５を配置することで、基準面Ｑ３からみた負荷インピーダンスｚ４＠Ｑ３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４５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Ｑ４からみた負荷インピーダンスｚ５＠Ｑ４は５０Ω近傍となる。  
【００２７】
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３７の内部端３７ｃ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。  
【００２８】
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）は比較例の中継基板の模式平面図、である。
図４（ａ）に表すように、高周波半導体装置は、半導体素子１２０と、実装部材１３０と、中継基板１４０と、第１のボンディングワイヤ１６０と、第２のボンディングワイヤ１７０と、を有する。
【００２９】
また、図４（ｂ）に表すように、中継基板１４０は、誘電体１４２と、誘電体１４２に設けられた第２の伝送線路１４４と、を有する。比較例では、中継基板１４０は、容量を微調整可能なスタブを有していない。
【００３０】
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。
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。
【００３１】
図５（ａ）において、縦軸はリターンロス（ｄＢ）、横軸は周波数（ＧＨｚ）、である。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。もし、ボンディングワイヤの長さが変化したとすると、半導体素子１２０と、実装部材１３０の信号端子１３６と、の間のインピーダンスがずれてリターンロスが極小となる周波数が３０ＧＨｚからずれる。インピーダンスのずれを微調整する手段がないため、比較例において、製品の歩留りを高めることは困難である。
【００３２】
これに対して第１の実施形態では、中継基板４０のパターン公差などにより、ボンディングワイヤ長が変化したとしても、第２の伝送線路４４の中央部に設けられた容量性スタブ４５の容量を微調整して、半導体素子２０と実装部材端子との間で、インピーダンスを整合させることができる。
【００３３】
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。
【００３４】
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に接合された絶縁体枠部３４と、絶縁体枠部３４上に設けられた第１の伝送線路３７と、第４の伝送線路５７と、を含む。信号端子が出力信号端子であるとき、負荷９２（図２（ａ））は、たとえば、５０Ω負荷などとなる。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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の内部端３７ｃ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の内部端５７ｃとの間、におけるインピーダンス整合のすれを微調整し５０Ωに近づける。
【００３８】
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。
【００３９】
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】
【００４０】
１０  高周波半導体装置、２０  半導体素子（ＭＭＩＣ）、２０ａ  第１の電極、２０ｂ  第２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、４０  中継基板、４４  第２の伝送線路、４４ａ、４４ｂ  端部、４５  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
【図１】
2017055224.tif 000003
【図２】
2017055224.tif 000004
【図３】
2017055224.tif 000005
【図４】
2017055224.tif 000006
【図５】
2017055224.tif 000007
【図６】
2017055224.tif 000008