(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に線路導体をそなえる高周波用半導体素子を搭載するための搭載部を有する基板と、
前記搭載部を取り囲むように前記基板上に接合された枠体と、
誘電体板と、該誘電体板の上面に設けられた上面接地導体と、該誘電体板の下面に設けられた下面接地導体と、前記誘電体板の内部に設けられ、前記上面接地導体および前記下面接地導体を導通させる貫通導体と、を有し、前記枠体の上面に接合された蓋体であって、前記搭載部に前記高周波用半導体素子が搭載されたとき、前記高周波用半導体素子上の線路導体の直上部には、前記誘電体板および前記上面接地導体のみが設けられた蓋体と、
を具備する高周波パッケージ。
【請求項２】
前記枠体を貫通して設けられた高出力入出力部をさらに具備する請求項１記載の高周波パッケージ。
【請求項３】
請求項１または２記載の高周波パッケージと、
前記搭載部に設けられた、上面に線路導体を有する高周波用半導体素子と、
を具備する高周波半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロ波もしくはミリ波を用いた通信機器もしくはセンサ等に使用される高周波半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロ波もしくはミリ波帯において動作する高周波半導体回路等の電子部品は、金属またはセラミック等の誘電体からなる筐体を有する高周波パッケージの筐体内部に回路を実装し、物理的もしくは電気的な保護の観点から筐体開口を金属製の蓋体をロウ付け等により封止することにより、実用に供しうる高周波半導体装置として構成されていた。
【０００３】
このような高周波半導体装置の形態としては、例えば図５に分解斜視図で示すように、金属製の筐体１を有する高周波パッケージの筐体１内部に、高周波用半導体素子として、例えば下面に接地導体を、上面に配線部を有する半導体回路基板２を半田等により接合することにより収容し、線路導体３から成る半導体回路の入出力端子およびバイアス用端子と高周波パッケージの入出力端子４とを金ワイヤ５等により接続し、鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属製蓋体６を筐体１の開口部にロウ付けすることにより封止するという構造が一般的であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような高周波半導体装置においては、封止後の状態として、半導体回路上面の配線部における線路導体３と金属製蓋体６との距離が筐体１の壁の高さ程度となるが、筐体１の壁は筐体１の内部空間における不要共振を抑制するために通常は極力低く設計されるために、線路導体３と上部接地導体としての金属製蓋体６との距離が近接することとなることから、上部空間が開放されている状態と、封止後の状態との間で線路導体３のインピーダンスが異なってしまい、所望の高周波特性を得ることができないという問題点があった。
【０００５】
本発明は上記従来技術における問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、封止状態における高周波用半導体素子の線路導体のインピーダンス特性を改善して、封止状態と上部空間が開放された状態との高周波特性の差異を低減することができる高周波半導体装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の高周波半導体装置は、上面に高周波用半導体素子の搭載部を有する基板と、この搭載部上に搭載された、線路導体を有する高周波用半導体素子と、前記基板上に前記搭載部を取り囲むように接合された枠体と、この枠体を貫通して設けられた高周波入出力部と、前記枠体の上面に接合された蓋体とを具備して成り、この蓋体は、誘電体板の上面に上面接地導体が、下面に前記高周波用半導体素子の前記線路導体と対向する部位を除いて下面接地導体が形成されるとともに、内部に前記上面接地導体と前記下面接地導体とを導通させる貫通導体が配設されていることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波半導体装置によれば、上面に高周波用半導体素子を搭載するための搭載部を有する基板と、この基板上に搭載部を取り囲むように接合された枠体と、この枠体を貫通して設けられた高周波入出力部と、これら基板と枠体からなる筐体を封止するために枠体の上面に接合される蓋体とを具備して成る高周波半導体装置において、蓋体を、全面に接地導体が形成された上面と、高周波用半導体素子の線路導体と対向する部位を除く範囲に下面接地導体が形成されるとともに、その内部の上下面とも接地導体が存在する範囲に形成されたビア導体などの貫通導体が配設されている誘電体板から成るものとしたことにより、筐体内部の体積増加を抑えつつ高周波用半導体素子の線路導体からその上部の接地導体（ここでは上面接地導体）までの距離を大きくとることができる。そのため、筐体の内部空間における不要共振を抑制するために通常は筐体壁が極力低く設計され、従来の高周波半導体装置では封止後の状態において線路導体と上部接地導体である金属製蓋体との距離が近接することとなり、上部空間が開放されている状態と封止後の状態とにおいてそれぞれ高周波用半導体素子の線路導体のインピーダンスが異なってしまう場合と比較して、封止状態における線路導体のインピーダンスの変動を抑制して高周波特性を改善することができる。その結果、封止状態と上部空間が開放された状態との特性の差異が低減できるので、封止後においても、高周波用半導体素子単体における特性を保証することができる高周波半導体装置となる。
【０００８】
以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更・改良を施すことは何ら差し支えない。
【０００９】
図１は本発明の高周波半導体装置の実施の形態の一例を示す、一部を透視した分解斜視図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ’断面図である。
【００１０】
これらの図において、11は金属から成る基板、11ａは基板11の上面に設けられた高周波用半導体素子13の搭載部、12は基板11上に搭載部11ａを取り囲むように接合された金属から成る枠体であり、これら基板11と枠体12により金属から成る筐体を構成している。13は線路導体14を有する高周波用半導体素子であり、ここでは半導体回路基板13ａの下面に接地導体（図示せず）が、上面に線路導体14が形成されたものを示している。
【００１１】
15は枠体12の側壁に形成した切り欠き12ａに嵌合され、枠体12を貫通して設けられた高周波入出力部であり、例えば誘電体基板16と誘電体基板16上面に形成された線路導体17および誘電体基板16の上面に線路導体17の一部を挟持して接合されている誘電体壁部材18から成る。そして、この高周波入出力部15の線路導体17と高周波用半導体素子13の線路導体14とが、金ワイヤ等のボンディングワイヤ19を介して電気的に接続される。
【００１２】
20は枠体12の上面に接合された蓋体であり、高周波用半導体素子13は基板11上の搭載部11ａに搭載されて基板11と枠体12と蓋体20とから成る容器内部に気密に収容されて、高周波半導体装置が構成されることとなる。
【００１３】
蓋体20において、21は蓋体20の母材となる誘電体板、22は誘電体板21の上面にそのほぼ全面を覆うように形成された上面接地導体、23は誘電体板21の下面に形成された下面接地導体である。この下面接地導体23は、高周波用半導体素子13の線路導体14と対向する部位24を除いて形成されている。そして、25は誘電体板21の内部にこれを貫通して形成され、上面接地導体22と下面接地導体23とを導通させるビア導体等の貫通導体である。この貫通導体25は通常は上面接地導体22と下面接地導体23とを高周波的に良好な接地状態とするために複数配設され、下面接地導体18が誘電体板21の下面に高周波用半導体素子13の線路導体14と対向する部位24を除いて形成されて分割されている場合には、各下面接地導体23が上面接地導体22と導通するように配設される。
【００１４】
このような本発明の高周波半導体装置によれば、蓋体20の下面においてはこれと対向する高周波用半導体素子13の線路導体14の直上部である上記部位24付近を除く範囲に下面接地導体23が形成されていることから、線路導体14の上部に蓋体20により配置される接地導体としては、蓋体20の上面に形成されている上面接地導体22における線路導体14の直上部が線路導体14と対向してその役割を果たすことになる。このとき線路導体14と上面接地導体22との間の電気的な距離は、その経路の途中に蓋体20の母材である誘電体板21を経由するために、従来のように金属製蓋体により封止した場合と比較して、同一の筐体壁（枠体12）高さの場合に、線路導体14とその接地導体（上面接地導体22）との間の電気的な距離が大きくなることに相当する。これにより高周波用半導体素子13の高周波信号に対する電磁界条件を線路導体14の上部を開放している状態に近づけるようにできることから、基板11と枠体12とから成る筐体内部に実装した高周波用半導体素子13における線路導体14の伝送特性も、実装前に線路導体14上部を開放している状態で評価した特性に近づけることが可能となる。
【００１５】
また、線路導体14に対する上部の接地導体までの電気的な距離を遠ざけることは、基板11と枠体12とから成る筐体内部における不要共振もしくは筐体内部に実装した高周波用半導体素子13の線路導体14における表面波を発生させやすくすることとなるが、本発明においては、蓋体20下面の線路導体14上部付近（上記部位24）以外には下面接地導体23が形成されており、かつこの下面接地導体23は蓋体20を貫通する貫通導体25によって上面接地導体22と導通している構造となっていることから、下面接地導体23によって筐体開口の大部分は遮蔽しつつ、上記部位24を経て上面接地導体22と線路導体14との電気的な距離を確保することが可能であるために、基板11と枠体12とから成る筐体内部における自由空間の体積の増加を抑制しつつ、線路導体14と上部接地導体22との接地のために必要な電気的な距離を確保できる構造となっている。
【００１６】
本発明の高周波半導体装置における基板11および枠体12は金属から成るものとすることが好ましく、その材料としては、例えば鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属材料が用いられる。なお、これら金属から成るものに代えて、誘電体材料の母材の表面にメタライズ金属層等の導体被膜を被着させたものを用いてもよい。
【００１７】
高周波用半導体素子13としては、上面に線路導体14を有するものであれば、上記のように半導体回路基板13ａの上面に線路導体14が形成されたものの他にも、種々の配線部を有するものを用いることができる。
【００１８】
蓋体20の母材となる誘電体板21の材料としては、例えばアルミナセラミックス・ムライトセラミックス等のセラミック材料やガラスセラミックス等の無機系誘電体材料、あるいはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）・ガラスエポキシ・ポリイミド等の有機樹脂系誘電体材料等が用いられる。
【００１９】
誘電体板21の厚みは、線路導体14により伝送される使用高周波信号の周波数や誘電体板21の誘電体材料の比誘電率に基づき必要とする特性に応じて適宜設定すればよい。
【００２０】
蓋体20に形成される上面接地導体22および下面接地導体23は、高周波線路導体用の金属材料、例えばＣｕやＭｏＭｎ＋Ｎｉ＋Ａｕ・Ｗ＋Ｎｉ＋Ａｕ・Ｃｒ＋Ｃｕ・Ｃｒ＋Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ａｕ・Ｔａ２Ｎ＋ＮｉＣｒ＋Ａｕ・Ｔｉ＋Ｐｄ＋Ａｕ・ＮｉＣｒ＋Ｐｄ＋Ａｕ等を用いて、厚膜印刷法やメタライズ法あるいは各種の薄膜形成方法やメッキ処理法等により形成される。また、金属箔等の導電性部材をメタライズ金属層等を介して接合することにより形成したものでもよい。これら上面接地導体22および下面接地導体23の厚みは、高周波用の接地導体として適当な厚みに設定すればよく、例えば薄膜であれば５μｍ程度、厚膜であれば20μｍ程度に設定される。
【００２１】
また、誘電体板21内部に配設されて上面接地導体22と下面接地導体23とを導通する貫通導体25は、ビア導体やスルーホール導体等を形成し、あるいは棒状の金属部材等を埋設することなどによって、所望の高周波的に良好な接地状態が得られるように必要な個所に必要な数を形成すればよい。例えば、貫通導体25の材料については、蓋体20の母材の誘電体板21に適用可能なプロセスによって形成できるものであれば、各種の導電材料を用いることができる。また、貫通導体25の断面形状は円形や矩形等の種々の形状のものを用いることができ、その大きさも、貫通導体25同士の間隔の条件を満たし得る大きさであれば特に限定されるものではない。また、貫通導体25同士の間隔は使用周波数帯における４分の１波長以下程度とすることが、良好な接地状態とすることができる点で望ましい。さらに、貫通導体25の数は、配設可能な範囲でなるべく多くする方がよい。
【００２２】
【実施例】
次に、本発明の高周波半導体装置について具体例を説明する。
【００２３】
まず、鉄−ニッケル−コバルト合金から成る基板および枠体により、筐体の内部の長さ×幅×厚みが3.0 ｍｍ×2.2 ｍｍ×0.45ｍｍで厚みが0.5 ｍｍの金属製の筐体を作製し、この筐体内部の基板上の搭載部に高周波用半導体素子として長さ×幅×厚みが2.0 ｍｍ×1.2 ｍｍ×0.2 ｍｍのアルミナセラミックス（比誘電率9.6 ）基板の上面に長さ×幅×厚みが2.0 ｍｍ×0.22ｍｍ×５μｍのマイクロストリップ線路の線路導体を形成して成る特性比較評価用マイクロストリップ線路基板をハンダ付けにより搭載実装した。次いで、枠体開口部の上面に、長さ×幅×厚みが4.0 ｍｍ×2.2 ｍｍ×0.2 ｍｍのアルミナセラミックス（比誘電率8.8 ）から成る誘電体板の上面の全面および下面の長手方向の中心線を中心とした幅0.4 ｍｍの範囲の部位を除く領域に、それぞれ厚み約10μｍのタングステンメタライズ層に厚み２〜６μｍのＮｉ＋Ａｕメッキ層を被着させて成る上面接地導体および下面接地導体を形成するとともに、誘電体板を貫通して上面接地導体および下面接地導体を導通させるタングステンから成り直径が100 μｍのビア導体を、中心間の間隔を400 μｍとし、下面接地導体23の端部から50μｍの位置に並ぶようにして形成した構造を有する蓋体を、ＡｇＣｕロウにより接合して、本発明の高周波半導体装置Ａを作製した。
【００２４】
また、比較例として、上記と同じ金属製の筐体および高周波用半導体素子としての特性比較評価用マイクロストリップ線路基板を用い、この筐体の枠体開口部の上面に長さ×幅×厚みが4.0 ｍｍ×2.2 ｍｍ×0.2 ｍｍの鉄−ニッケル−コバルト合金からなる金属製の蓋体を同様に接合することにより、従来の高周波半導体装置Ｂを作製した。さらに、上記と同じ金属製の筐体および高周波用半導体素子としての特性比較評価用マイクロストリップ線路基板を用い、蓋体を接合することなく筐体の枠体開口部の上面を開放状態とした高周波半導体装置Ｃを作製した。
【００２５】
そして、これら高周波半導体装置Ａ・ＢおよびＣについて、それぞれ金属製の筐体内部に実装した特性比較評価用マイクロストリップ線路基板のマイクロストリップ線路の伝送特性をネットワークアナライザ計測により評価し、マイクロストリップ線路のインピーダンスおよび伝搬定数を求めた。これらの結果を図３および図４に示す。
【００２６】
図３は各高周波半導体装置Ａ〜Ｃにおいて金属製の筐体内部におけるマイクロストリップ線路の周波数に対する特性インピーダンスＺ0 の特性を示す線図であり、横軸は周波数（単位：ＧＨｚ）を、縦軸は特性インピーダンスＺ0 値（単位：Ω）を表わし、特性曲線Ａ〜Ｃはそれぞれ高周波半導体装置Ａ〜Ｃにおける周波数特性を示している。これらより分かるように、本発明の高周波半導体装置Ａにおける特性インピーダンスは、従来の封止構造を採用した高周波半導体装置Ｂにおける特性インピーダンスと比較して、金属製の筐体上部を蓋体によって接合せず開放状態とした高周波半導体装置Ｃにおける特性インピーダンスにより近い値となっており、蓋体を接合した封止後の状態においても開放時のインピーダンス特性により近い値の線路導体のインピーダンス特性を保証できる高周波半導体装置となっている。
【００２７】
また、図４は各高周波半導体装置Ａ〜Ｃにおいて金属製の筐体内部におけるマイクロストリップ線路の周波数に対する伝搬定数βの特性を示す線図であり、横軸は周波数（単位：ＧＨｚ）を、縦軸は伝搬定数β（単位：ｒａｄ／ｍ）を表わし，特性曲線Ａ〜Ｃはそれぞれ高周波半導体装置Ａ〜Ｃにおける周波数特性を示している。これらより分かるように、伝搬定数は高周波半導体装置ＡとＣにおいて差はなく、本発明の高周波半導体装置Ａによれば高周波用半導体素子の線路導体の電気長は蓋体を封止した後も保証されていることが確認できた。
【００２８】
以上の結果により、本発明の高周波半導体装置は、蓋体として誘電体板の上面に上面接地導体が、下面に高周波用半導体素子の線路導体と対向する部位を除いて下面接地導体が形成されるとともに、内部に上面接地導体と下面接地導体とを導通させる貫通導体が配設されているものを用いて高周波用半導体素子を封止したことにより、不要共振もしくは表面波の発生を抑制しつつ、かつ筐体内部の体積増加を抑えつつ線路導体上部の接地導体までの距離を大きくとることができるために、封止後の状態として従来のように高周波用半導体素子上面の配線部における線路導体と蓋体との距離が筐体の内部空間における不要共振を抑制するために極力低く設計される筐体壁（枠体）の高さ程度となるが、従来の金属製蓋体のように線路導体と上部接地導体の距離が近接することにより上部空間が開放されている状態と封止後の状態において線路導体のインピーダンスが異なってしまう場合と比較して、線路導体とこれに対向する上面接地導体との電気的な距離を大きくして封止状態における線路導体のインピーダンス特性を改善することが可能となり、封止後においても良好な線路導体のインピーダンス特性を有する高周波半導体装置となることが確認できた。
【００２９】
なお、以上はあくまで本発明の実施の形態の例示であって、本発明はこれら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種々の変更や改良を加えることは何ら差し支えない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の高周波半導体装置によれば、上面に高周波用半導体素子の搭載部を有する基板と、この搭載部上に搭載された、線路導体を有する高周波用半導体素子と、前記基板上に前記搭載部を取り囲むように接合された枠体と、この枠体を貫通して設けられた高周波入出力部と、前記枠体の上面に接合された蓋体とを具備して成り、この蓋体は、誘電体板の上面に上面接地導体が、下面に前記高周波用半導体素子の前記線路導体と対向する部位を除いて下面接地導体が形成されるとともに、内部に前記上面接地導体と前記下面接地導体とを導通させる貫通導体が配設されているものとしたことから、封止後の状態として、高周波用半導体素子の配線部における線路導体と蓋体との距離が筐体の内部空間における不要共振を抑制するために極力低く設計される筐体壁（枠体）の高さ程度となるが、従来の金属製蓋体を用いたときのように線路導体と上部の接地導体の距離が近接することとなって上部空間が開放されている状態と封止後の状態において線路導体のインピーダンスが異なってしまうことがなくなって、筐体内部の体積増加を抑えつつ線路導体上部のこれに対向する上面接地導体までの電気的な距離を大きくとることができるために、封止状態における高周波用半導体素子の線路導体のインピーダンス特性を改善することができ、封止状態における線路導体のインピーダンス特性の良好な高周波半導体装置となる。
【００３１】
以上により、本発明によれば、封止状態における高周波用半導体素子の線路導体のインピーダンス特性を改善して、封止状態と上部空間が開放された状態との高周波特性の差異を低減することができる高周波半導体装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波半導体装置の実施の形態の一例を示す、一部を透視した分解斜視図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ’線断面図である。
【図３】高周波半導体装置において金属製の筐体内部におけるマイクロストリップ線路の周波数に対する特性インピーダンスＺ0 の特性を示す線図である。
【図４】高周波半導体装置において金属製の筐体内部におけるマイクロストリップ線路の周波数に対する伝搬定数βの特性を示す線図である。
【図５】従来の高周波半導体装置の例を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
11・・・・・基板
11ａ・・・・搭載部
12・・・・・枠体
13・・・・・高周波用半導体素子
14・・・・・線路導体
15・・・・・高周波入出力部
20・・・・・蓋体
21・・・・・誘電体板
22・・・・・上面接地導体
23・・・・・下面接地導体
24・・・・・高周波用半導体素子13の線路導体14と対向する部位
25・・・・・貫通導体
【図１】
0004363717.tif 000002
【図２】
0004363717.tif 000003
【図３】
0004363717.tif 000004
【図４】
0004363717.tif 000005
【図５】
0004363717.tif 000006