JP5178476B2 - 配線基板および半導体素子収納用パッケージならびに半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、終端抵抗により高周波信号を終端する機能を有する配線基板を用いた半導体素子収納用パッケージに関し、特に20ＧＨｚ以上の高周波帯域で使用される半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置に関するものである。

従来、高周波信号を用いる半導体素子を収納する半導体素子収納用パッケージには、高周波信号成分を含む終端用信号を電気エネルギーから熱エネルギーに変換し、終端用信号の反射によるノイズを抑制するために、終端抵抗を有する配線基板が搭載されたものがある。このような半導体素子収納用パッケージは、例えば、図10（ａ）に上面図で、図10（ｂ）に断面図で、図10（ｃ）に下面図で示すように、半導体素子111を搭載する搭載部108ａを有する金属製の基体108上に搭載部108ａを取り囲むような金属製の枠体109が接合されており、信号端子113がガラス等の封止材114により枠体109に設けられた固定孔109ａに固定されている。信号端子113は搭載部108ａに搭載された中継基板115に電気的に接続され、半導体素子111の搭載部108ａを間に設けて終端抵抗を有する配線基板107が搭載される。

そして、半導体素子111を搭載部108ａに搭載して、中継基板115と半導体素子111とをボンディングワイヤ116等により電気的に接続し、半導体素子111と配線基板107の信号線路導体102とを同様にボンディングワイヤ116により電気的に接続し、枠体109の上面に蓋体112を接合して封止することにより半導体装置となる。このときの配線基板107は、例えば、図11（ａ）に上面図で、図11（ｂ）に図11（ａ）のＡ−Ａ線における断面図で、また図11（ｃ）に下面図で示すように、誘電体基板101の上面に信号線路導体102とこれを取り囲むように同一面接地導体103が形成され、信号線路導体102の先端と同一面接地導体103との間に高抵抗部、すなわち終端抵抗104が設けられている。配線基板107の下面には接地導体103ａが形成されており、同一面接地導体103と接地導体103ａとは誘電体基板101の側面に形成された導体により接続されている（例えば、特許文献１を参照。）。

近年、このような半導体装置の配線基板にバイアス端子電極を設けて半導体素子に配線基板の信号線路導体を介してバイアス電圧を供給することにより、半導体素子にバイアス専用の端子や導体を設けないことで半導体素子を小型化したり、バイアス供給用の回路基板を搭載しないことで半導体装置を小型化したりすることが行なわれるようになっている。配線基板に形成されるバイアス端子電極は、バイアス端子に接続して外部からバイアス電圧の供給を受けるのが容易となるように、信号線路導体および接地導体が形成された上面に形成される。
特開2002−319645号公報

しかしながら、信号線路導体102とバイアス端子電極とを接続するバイアス導体をそれらと同じ誘電体基板101の上面に形成すると、同一面にある接地導体103をバイアス導体が分断することとなり、信号線路導体102のインピーダンス整合が乱れて特性が劣化してしまうこととなる。そのため、誘電体基板101の下面に接地導体103ａがある従来の配線基板では、誘電体基板101を多層化して誘電体基板101の内部にバイアス導体を設けることとなる。

誘電体基板101の内部にバイアス導体を設けると、信号線路導体102は同一面接地導体103だけでなく接地導体103ａとも電磁結合するものであるので、バイアス導体が信号線路導体102と上面視して重なる部分や、重ならなくても距離が近い部分においては、信号線路導体102とバイアス導体とが電磁結合してしまい、信号線路導体102に不要な反射等が発生して信号線路導体102のインピーダンスが変化することにより伝送特性が低下し、配線基板107の終端特性が不十分となり、半導体素子111を正常に動作させることができなくなるという問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、20ＧＨｚ以上の高周波帯においても良好な終端特性を有し、半導体素子を正常に動作させることができる配線基板、およびそれを用いた高周波用半導体素子収納用パッケージならびに半導体装置を提供することにある。

本発明の配線基板は、誘電体基板と、該誘電体基板の一方主面上に配置された信号線路導体と、該信号線路導体の両側に間隔を設けて配置された接地導体と、前記信号線路導体の一端と前記接地導体とを接続する第１の抵抗体と、前記誘電体基板の一方主面上に前記接地導体と絶縁されて配置されたバイアス端子電極と、前記誘電体基板の他方主面上に配置された、一端が前記信号線路導体の前記一端に、および他端が前記バイアス端子電極にそれぞれ貫通導体を介して接続されており、両端間の少なくとも一部が第２の抵抗体からなるバイアス導体とを具備しており、前記バイアス導体の前記一端は前記信号線路導体の前記一端に前記貫通導体のみを介して接続されていることを特徴とするものである。

また、本発明の配線基板は、上記構成において、前記バイアス導体の前記第２の抵抗体以外の導体部の長さが、前記信号線路導体により伝送する信号の波長の１／４未満であることを特徴とするものである。

本発明の半導体素子収納用パッケージは、上面に前記配線基板および半導体素子を搭載する搭載部を有する基体と、該基体の上面に接合された前記搭載部を取り囲む枠体と、前記搭載部に搭載された上記構成のいずれかの本発明の配線基板と、該配線基板の前記バイアス端子電極に電気的に接続されたバイアス端子とを具備することを特徴とするものである。

また、本発明の半導体素子収納用パッケージは、上記構成において、前記基体が金属から成るとともに前記搭載部に凹部を有し、上記構成のいずれかの本発明の配線基板が、前記バイアス導体が前記凹部内で前記基体と電気的に絶縁されるように前記凹部をまたいで搭載されていることを特徴とするものである。

また、本発明の半導体素子収納用パッケージは、上記構成において、前記基体が金属から成るとともに前記搭載部に上面から下面にかけて貫通する貫通孔を有し、上記構成のいずれかの本発明の配線基板が、前記バイアス導体が前記貫通孔内で前記基体と電気的に絶縁されて前記貫通孔を塞ぐように前記基体の上面に搭載されていることを特徴とするものである。

また、本発明の半導体素子収納用パッケージは、上記構成において、前記基体が金属から成るとともに、上記構成のいずれかの本発明の配線基板が、前記バイアス導体がスペーサを介して前記基体と電気的に絶縁されて前記搭載部に搭載されていることを特徴とするものである。

本発明の半導体装置は、上記構成の本発明の半導体素子収納用パッケージと、前記搭載部に搭載されて前記信号線路導体および前記接地導体に電気的に接続された半導体素子と、前記枠体の上面に接合された蓋体とを具備することを特徴とするものである。

本発明の配線基板によれば、誘電体基板と、誘電体基板の一方主面上に配置された信号線路導体と、信号線路導体の両側に間隔を設けて配置された接地導体と、信号線路導体の一端と接地導体とを接続する第１の抵抗体と、誘電体基板の一方主面上に接地導体と絶縁されて配置されたバイアス端子電極と、誘電体基板の他方主面上に配置された、一端が信号線路導体の前記一端に、および他端がバイアス端子電極にそれぞれ貫通導体を介して接続されており、両端間の少なくとも一部が第２の抵抗体からなるバイアス導体とを具備しており、バイアス導体の一端は信号線路導体の一端に貫通導体のみを介して接続されていることから、バイアス導体は信号線路導体と信号線路導体が電磁結合する接地導体との間に位置していないので信号線路導体とバイアス導体との電磁結合が小さくなるとともに、電磁結合によりバイアス導体に共振が発生したとしても、バイアス導体の一部が抵抗体でできているため共振が熱エネルギーに変わって減衰するので、信号線路導体に反射して返ることを減少させることができる。それによって、20ＧＨｚ以上の高周波信号においても伝達特性が向上し良好な終端特性を得ることができる配線基板となる。

また、本発明の配線基板によれば、上記構成において、バイアス導体の第２の抵抗体以外の導体部の長さが、信号線路導体により伝送する信号の波長の１／４未満であるときには、バイアス導体の第２の抵抗体以外の導体部が信号線路導体と容量結合したとしてもバイアス導体が共振することなく減衰するため、信号線路導体に反射して返ってくることがない。それによって、より良好な終端特性を得ることができるようになる。

本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、上面に配線基板および半導体素子を搭載する搭載部を有する基体と、基体の上面に接合された搭載部を取り囲む枠体と、搭載部に搭載された上記構成のいずれかの本発明の配線基板と、配線基板の前記バイアス端子電極に電気的に接続されたバイアス端子とを具備することから、半導体素子に配線基板の信号線路導体を介してバイアス電圧を供給することができるとともに、本発明の配線基板により良好な終端特性が得られるので、高周波においても半導体素子が安定に動作する半導体装置を提供することができる。

また、本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、上記構成において、基体が金属から成るとともに前記搭載部に凹部を有し、上記構成のいずれかの本発明の配線基板が、バイアス導体が凹部内で基体と電気的に絶縁されるように凹部をまたいで搭載されているときには、半導体素子を金属から成る基体に搭載することで半導体素子に発生する熱を良好に放出することができ、また外部からのノイズを遮蔽することができるとともに、配線基板の信号線路導体と接地導体として機能する基体の上面（凹部の底面）との間に比誘電率の小さな空気層が形成されるので、信号線路導体は基体と電磁結合し難くなり、信号線路導体と同一面に形成された接地導体との電磁結合がほとんどとなる。それにより、信号線路導体と基体との間に位置するバイアス導体と信号線路導体との電磁結合も小さくなるので、信号線路導体に不要な反射が発生してインピーダンスが変化することが抑えられ、20ＧＨｚ以上の高周波信号においても伝達特性が向上し良好な終端特性を得ることができ、搭載する半導体素子を高周波でも正常に動作させることができるようになる。

また、本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、上記構成において、基体が金属から成るとともに搭載部に上面から下面にかけて貫通する貫通孔を有し、上記構成のいずれかの本発明の配線基板が、バイアス導体が貫通孔内で基体と電気的に絶縁されて貫通孔を塞ぐように基体の上面に搭載されているときには、半導体素子を金属から成る基体に搭載することで半導体素子に発生する熱を良好に放出することができ、また外部からのノイズを遮蔽することができるとともに、配線基板の信号線路導体と接地導体として機能する基体の上面とが対向しないので、信号線路導体と基体との電磁結合がほぼなくなり、信号線路導体と同一面に形成された接地導体との電磁結合だけとなる。それによって、信号線路導体と基体との間に位置するバイアス導体と信号線路導体との電磁結合も小さくなるので、信号線路導体に不要な反射が発生してインピーダンスが変化することが抑えられ、20ＧＨｚ以上の高周波信号においても伝達特性が向上し良好な終端特性を得ることができ、搭載する半導体素子をより高周波でも正常に動作させることができるようになる。

また、本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、上記構成において、基体が金属から成るとともに、上記構成のいずれかの本発明の配線基板が、バイアス導体がスペーサを介して基体と電気的に絶縁されて搭載部に搭載されているときには、半導体素子を金属から成る基体に搭載することで半導体素子に発生する熱を良好に放出することができ、また外部からのノイズを遮蔽することができるとともに、配線基板の信号線路導体と接地導体として機能する基体の上面との間に比誘電率の小さな空気層が形成されるので、信号線路導体は基体と電磁結合し難くなり、信号線路導体と同一面に形成された接地導体との電磁結合がほとんどとなる。それにより、信号線路導体と基体との間に位置するバイアス導体と信号線路導体との電磁結合も小さくなるので、信号線路導体に不要な反射が発生してインピーダンスが変化することが抑えられ、20ＧＨｚ以上の高周波信号においても伝達特性が向上し良好な終端特性を得ることができ、搭載する半導体素子を高周波でも正常に動作させることができるようになる。

本発明の半導体装置によれば、上記構成の本発明の半導体素子収納用パッケージと、搭載部に搭載されて信号線路導体および接地導体に電気的に接続された半導体素子と、枠体の上面に接合された蓋体とを具備することから、本発明の配線基板により良好な終端特性が得られるので高周波においても半導体素子が安定に動作する半導体装置となる。

本発明の配線基板および半導体素子収納用パッケージならびに半導体装置について添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、図１（ｃ）は下面図である。図２（ａ）は本発明の配線基板の実施の形態の他の例を示す上面図であり、図２（ｂ）は下面図である。図３および図４は、図２と同様に、それぞれ（ａ）は本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す上面図であり、（ｂ）は下面図である。図５は本発明の配線基板の等価回路図である。図１〜図４において、１は誘電体基板、２は信号線路導体、３は接地導体、４は第１の抵抗体、５はバイアス端子電極、６はバイアス導体、６ａは第２の抵抗体、６ｂは導体部、６ｃは貫通導体、７は配線基板である。

本発明の配線基板７は、図１〜図４に示す例のように、誘電体基板１と、誘電体基板１の一方主面上に配置された信号線路導体２と、信号線路導体２の両側に間隔を設けて配置された接地導体３と、信号線路導体２の一端と接地導体３とを接続する第１の抵抗体４と、誘電体基板１の一方主面上に接地導体３と絶縁されて配置されたバイアス端子電極５と、誘電体基板１の他方主面上に配置された、一端が信号線路導体２の一端に、および他端がバイアス端子電極５にそれぞれ貫通導体６ｃを介して接続されており、両端間の少なくとも一部が第２の抵抗体６ａからなるバイアス導体６とを具備する。本発明の配線基板７によれば、このような構成としたことから、バイアス導体６は信号線路導体２と信号線路導体２が電磁結合する接地導体３との間に位置していないので信号線路導体２とバイアス導体６との電磁結合が小さくなるとともに、電磁結合によりバイアス導体６に共振が発生したとしても、バイアス導体６の一部が第２の抵抗体６ａでできているため共振が熱エネルギーに変わって減衰するので、信号線路導体２に反射して返ることを減少させることができる。それによって、20ＧＨｚ以上の高周波信号においても伝達特性が向上し良好な終端特性を得ることができる配線基板７となる。

本発明の配線基板７を回路図で示すと図５のようになり、信号線路導体２はその端部で終端抵抗である第１の抵抗体４を介して接地導体３に接続されている。また、バイアス端子電極５とはバイアス導体６を介して接続されており、バイアス導体６は第２の抵抗体６ａとなっている。

また、本発明の配線基板７は、上記構成において、バイアス導体６の第２の抵抗体６ａ以外の導体部６ｂの長さ（図１にＬで示す。）が、信号線路導体２により伝送する信号の波長の１／４未満であるときには、バイアス導体６の第２の抵抗体６ａ以外の導体部６ｂが信号線路導体２と容量結合したとしても共振することなく減衰するため、信号線路導体２に反射して返ってくることがない。それによって、より良好な終端特性を得ることができるようになる。

配線基板７は、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体等のセラミックスから成る誘電体基板１上に信号線路導体２，接地導体３，バイアス導体６等が形成されたものである。

誘電体基板１は、例えば、誘電体基板１がアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質セラミックスから成る場合、以下のようにして作製される。まず、Ａｌ_２Ｏ_３，酸化珪素（ＳｉＯ_２），酸化カルシウム（ＣａＯ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダや可塑剤，分散剤，溶剤等を添加混合して泥漿状となす。これを従来周知のドクターブレード法等でシート状となすことによってセラミックグリーンシートを得る。しかる後、このセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すことによって所定の形状に成形するとともに必要に応じて複数枚積層して生成形体を作製し、これを還元雰囲気中で約1600℃の温度で焼成することにより製作される。なお、生成形体は、Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＣａＯ，ＭｇＯ等の原料粉末（必要に応じて有機バインダを加えて顆粒状とする。）を金型に充填しプレス成型することによって所定の形状のものを作製してもよい。

図１〜図４では配線基板７の信号線路導体２が平行に２本配置された例を示しているが、信号線路導体２の数は、使用される素子やモジュールに合わせることによって決まるものであるので、信号線路導体２の数が１本である場合や、２本より多い場合もある。

図１（ａ）に示す例では、配線基板７を上面から透視すると、バイアス導体６と信号線路導体２とが平行に重なっている。信号線路導体２とバイアス導体６との電磁結合をより小さくするためには、図２（ａ）に示す例のようにバイアス導体６の形状を変えて信号線路導体２からずらし、信号線路導体２との重なりを小さくするのが好ましい。また、図３（ａ）に示す例では、信号線路導体２を端部付近で屈曲させることで、信号線路導体２とバイアス導体６との重なりを小さくして電磁結合がより小さくなるようにしている。さらに、配線基板７の大きさ等による制限はあるが、図４（ａ）に示す例のように、信号線路導体２とバイアス導体６とが各々の接続部以外では重ならないようにすると電磁結合が最も小さくなるので最も好ましい。

なお、バイアス導体６は両端間の少なくとも一部が第２の抵抗体６ａからなるものであれば上記のような効果が得られるが、バイアス導体６の全てを第２の抵抗体６ａで形成してもかまわない。また、貫通導体６ｃも第２の抵抗体６ａで形成してもよい。

また、図１〜図４においては、バイアス導体６の導体部６ｂは、バイアス導体６の両端部であるバイアス導体６と貫通導体６ｃとの接続部に配置しているが、それ以外の部分に配置してもかまわない。特に配線基板７を上面から透視して信号線路導体２と重なる位置または信号線路導体２と近い位置に導体部６ｂを配置する場合は、導体部６ｂの長さを信号線路導体２により伝送する信号の波長の１／４未満とするのが好ましい。

信号線路導体２，接地導体３，バイアス端子電極５，バイアス導体６の導体部６ｂは、誘電体基板１となるセラミックグリーンシートまたは焼成後の誘電体基板１に金属ペーストをスクリーン印刷法等の塗布手段により印刷塗布して焼成することによって形成することができる。貫通導体６ｃは、グリーンシートに貫通孔を形成して貫通孔に金属ペーストを充填しておくことにより、あるいは誘電体基板１に形成した貫通孔に金属ペーストを充填して焼成することにより形成することができる。特に、貫通導体６ｃの上に薄膜形成法で信号線路導体２等の配線を形成する場合は、貫通導体６ｃの誘電体基板１の表面から露出する表面には、ニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）等の表面保護層を形成することが好ましい。金属ペーストは、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）等の高融点金属粉末に適当な有機バインダや溶剤を添加混合して作製する。

なお、配線基板７の信号線路導体２，接地導体３，バイアス端子電極５，バイアス導体６の導体部６ｂは、真空蒸着法等の薄膜形成法を用いて誘電体基板１の表面に形成してもよい。この場合、窒化タンタル（Ｔａ_２Ｎ），ニッケル−クロム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金，チタン（Ｔｉ）等から成る密着金属層の上に、ニッケル（Ｎｉ），ニッケル−クロム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金，パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ）等から成る拡散防止層を介して、銅（Ｃｕ），金（Ａｕ），ニッケル（Ｎｉ）等の電気抵抗の小さい金属から成る主導体層を形成する。

第１の抵抗体４の終端抵抗値およびバイアス導体６の第２の抵抗体６ａの抵抗値は、伝送される高周波信号の周波数や信号線路導体２の特性インピーダンスに応じて、適当な材質を選択し、その厚みや幅および形状を適宜設定して所望の値に設定される。また、例えば、レーザ加工によって第１の抵抗体４や第２の抵抗体６ａの一部を除去し、精度よく抵抗値を調整してもよい。

第１の抵抗体４およびバイアス導体６の第２の抵抗体６ａは、所定の抵抗値が得られるものであれば特に制限はなく、薄膜形成法により第１の抵抗体４および第２の抵抗体６ａを形成する場合は、例えば窒化タンタル（Ｔａ_２Ｎ），ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ合金）等の薄膜を用いて形成する。また、誘電体基板１に厚膜抵抗体ペーストを印刷塗布して焼成することにより形成する場合は、ＲｕＯ_２等を主成分とする厚膜を用いて形成する。厚膜抵抗体ペーストは、主にガラス組成物、導電性材料、抵抗値および温度特性の調整等を目的とした金属酸化物等の添加物からなり、これらが有機ビヒクルと混合されてなるものである。ガラス組成物は、例えばＣａＯ，Ｂ_２Ｏ３，ＳｉＯ_２およびＭｎＯを含むＣａ−Ｂ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｏ系の鉛を含まないガラス組成が挙げられる。導電性材料としては、ＲｕＯ_２等のルテニウム酸化物や、Ａｇ−Ｐｄ合金，Ａｇ−Ｐｔ合金，ＴａＮ，ＷＣ，ＬａＢ_６，ＭｏＳｉＯ_２，ＴａＳｉＯ_２および金属（Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｗ，Ｍｏ等）が挙げられる。金属酸化物等の添加物としては、例えばＶ_２Ｏ_５，ＣｕＯ，ＺｎＯ，ＣｏＯ，ＭｎＯ_２，Ｍｎ_３Ｏ_４が挙げられる。

配線基板７は、例えば、比誘電率が9.5の酸化アルミニウム質焼結体から成り、厚みが0.2ｍｍである誘電体基板１を用いた場合であれば、信号線路導体２の幅を0.1ｍｍ、厚みを0.002ｍｍとし、その両側に0.05ｍｍの間隔を設けて同じ厚みで誘電体基板１の外周縁まで接地線路３を形成することにより、信号線路導体２を50Ωにインピーダンス整合させたコプレーナ線路とすることができる。終端抵抗である第１の抵抗体４は抵抗値が50Ωになるように形成する。例えば第１の抵抗体４を薄膜で形成する場合であれば、窒化タンタル（Ｔａ２Ｎ）薄膜の幅を0.1ｍｍ、長さを0.1ｍｍ、厚みを約0.1μｍとすることで第１の抵抗体４の抵抗値が約50Ωとなる。必要に応じて形成した第１の抵抗体４の一部をレーザ加工によって除去して抵抗値を精度よく調整すればよい。

バイアス導体６の一部が第２の抵抗体６ａである場合に、第２の抵抗体６ａの単位長さ当たりの電気抵抗が導体部６ｂの100倍以上であると、電磁結合による共振を第２の抵抗体６ａでほとんど熱エネルギーに変換して減衰し、その共振によるノイズが信号線路導体２に反射して返ることを減少させることができるので好ましい。ここで第２の抵抗体６ａが窒化タンタル（Ｔａ_２Ｎ）の場合は、窒化タンタルの比抵抗は125μΩｃｍであり、導体部６ｂが銅（Ｃｕ）の場合は、銅の比抵抗は1.55μΩｃｍであるので、バイアス導体６において第２の抵抗体６ａと導体部６ｂが同じ幅であれば、導体部６ｂの銅の厚みを第２の抵抗体６ａの窒化タンタルよりも約25％厚く形成することで、第２の抵抗体６ａの単位長さ当たりの電気抵抗を導体部６ｂの単位長さ当たりの電気抵抗の100倍以上にすることができる。

また、バイアス導体６に信号線路導体２の高周波信号が漏れないように、コンデンサを第１の抵抗体４と信号線路導体２との間に配置してもよい。このコンデンサは、バイアス導体６に流れる電流は直流であるので、その電流をカットして終端抵抗（第１の抵抗体４）に流れ込むことを防ぐ働きをする。

図６（ａ）は本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。図７〜図９は、図６と同様にそれぞれ、（ａ）は本発明の半導体装置の実施の形態の他の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。これらの図において、７ａはスペーサ、８は基体、８ａは搭載部、８ｂは凹部、８ｃは貫通孔、９は枠体、９ａは固定孔、10はバイアス端子、11は半導体素子、12は蓋体、13は信号端子、14は封止材、15は中継基板、16はボンディングワイヤである。なお、これらの図の平面図は、蓋体12を外した状態を示している。

本発明の半導体素子収納用パッケージは主として基体８と、基体８の上面に接合された枠体９と、枠体９内の基体８の上面に搭載された配線基板７と、配線基板７のバイアス端子電極５に電気的に接続されたバイアス端子10とで構成され、この半導体素子収納用パッケージに半導体素子11を搭載して配線基板７の信号線路導体２および接地導体３に電気的に接続し、蓋体12を枠体９の上面に接合することにより封止して、本発明の半導体装置が構成される。

本発明の半導体素子収納用パッケージは、上面に配線基板７および半導体素子11を搭載する搭載部８ａを有する基体８と、基体８の上面に接合された搭載部８ａを取り囲む枠体９と、搭載部８ａに搭載された上記構成のいずれかの本発明の配線基板７と、配線基板７のバイアス端子電極５に電気的に接続されたバイアス端子10とを具備するものである。本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、このような構成としたことから、半導体素子11に配線基板７の信号線路導体２を介してバイアス電圧を供給することができるとともに、本発明の配線基板７により良好な終端特性が得られるので、高周波においても半導体素子11が安定に動作する半導体装置を提供することができる。

また、本発明の半導体素子収納用パッケージは、図６に示す例のように、上記構成において、基体８が金属から成るとともに搭載部８ａに凹部８ｂを有し、上記構成のいずれかの本発明の配線基板７が、バイアス導体６が凹部８ｂ内で基体８と電気的に絶縁されるように凹部８ｂをまたいで搭載されているものである。本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、このような構成としたときには、半導体素子11を金属から成る基体８に搭載することで半導体素子11に発生する熱を良好に放出することができ、また外部からのノイズを遮蔽することができるとともに、配線基板７の信号線路導体２と接地導体として機能する基体８の上面（凹部８ｂの底面）との間に比誘電率の小さな空気層が形成されるので、信号線路導体２は基体８と電磁結合し難くなり、電磁結合は信号線路導体２と同一面に形成された接地導体３とのものがほとんどとなる。それにより信号線路導体２と基体８との間に位置するバイアス導体６と信号線路導体２との電磁結合も小さくなるので、信号線路導体２に不要な反射等が発生してインピーダンスが変化することが抑えられ、20ＧＨｚ以上の高周波信号においても伝達特性が向上して良好な終端特性を得ることができ、搭載する半導体素子12を高周波でも正常に動作させることができるようになる。

また、本発明の半導体素子収納用パッケージは、図７に示す例のように、上記構成において、基体８が金属から成るとともに搭載部８ａに上面から下面にかけて貫通する貫通孔８ｃを有し、上記構成のいずれかの本発明の配線基板７が、バイアス導体６が貫通孔８ｃ内で基体８と電気的に絶縁されて貫通孔８ｃを塞ぐように基体８の上面に搭載されているものである。本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、このような構成としたときには、半導体素子11を金属から成る基体８に搭載することで半導体素子11に発生する熱を良好に放出することができ、また外部からのノイズを遮蔽することができるとともに、配線基板７の信号線路導体２と接地導体として機能する基体８の上面とが対向しないので、信号線路導体２と基体８との表面の電磁結合がほぼなくなり、電磁結合は信号線路導体２と同一面に形成された接地導体３とのものだけとなる。それによって、信号線路導体２と基体８との間に位置するバイアス導体６と信号線路導体２との電磁結合も小さくなるので、信号線路導体２に不要な反射等が発生してインピーダンスが変化することが抑えられ、20ＧＨｚ以上の高周波信号においても、より伝達特性が向上して良好な終端特性を得ることができ、搭載する半導体素子11を高周波でも正常に動作させることができるようになる。

また、本発明の半導体素子収納用パッケージは、図８および図９に示す例のように、上記構成において、基体８が金属から成るとともに、上記構成のいずれかの本発明の配線基板７が、バイアス導体６がスペーサ７ａを介して基体８と電気的に絶縁されて搭載部８ａに搭載されているものである。本発明の半導体素子収納用パッケージによれば、このような構成としたときには、半導体素子11を金属から成る基体８に搭載することで半導体素子11に発生する熱を良好に放出することができ、また外部からのノイズを遮蔽することができるとともに、配線基板７の信号線路導体２と接地導体として機能する基体８の上面との間に比誘電率の小さな空気層が形成されるので、信号線路導体２は基体８と電磁結合し難くなり、電磁結合は信号線路導体２と同一面に形成された接地導体３とのものがほとんどとなる。それにより信号線路導体２と基体８との間に位置するバイアス導体６と信号線路導体２との電磁結合も小さくなるので、信号線路導体２に不要な反射等が発生してインピーダンスが変化することが抑えられ、20ＧＨｚ以上の高周波信号においても伝達特性が向上して良好な終端特性を得ることができ、搭載する半導体素子12を高周波でも正常に動作させることができるようになる。

本発明の半導体装置は、図６〜図９に示す例のように、上記構成の本発明の半導体素子収納用パッケージと、搭載部８ａに搭載されて信号線路導体２および接地導体３に電気的に接続された半導体素子11と、枠体９の上面に接合された蓋体12とを具備するものである。このような構成としたことから、本発明の配線基板７により良好な終端特性が得られるので、高周波においても半導体素子11が安定に動作する半導体装置を提供することができる。

従来の半導体装置の配線基板がグラウンド付きコプレーナ線路構造を有していたのに対して、本発明の半導体装置における配線基板７は、信号線路導体２と接地導体３との結合を強めて純コプレーナ線路構造として、凹部８ｂや貫通孔８ｃにより信号線路導体２と基体８との結合を弱くすることにより、信号線路導体２とバイアス線路６との間で不要な電磁結合が発生せず、信号線路導体２への反射損失の発生を低減できる。

基体８は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属やＣｕ−Ｗ焼結材等の金属や酸化アルミニウム質焼結体，窒化アルミニウム質焼結体，窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）質焼結体等のセラミックスから成る板状体である。基体８の搭載部８ａに搭載される半導体素子11に発生する熱を良好に放出するためには、熱伝導率の大きい、金属や窒化アルミニウム等の高熱伝導率のものを用いるのが好ましく、さらにコストを考慮すると金属から成るものが好ましい。また、基体８が金属から成る場合は、外部のノイズを遮蔽するシールド材としても機能するので搭載される半導体素子11を正常に動作させることができ、また、基体８を半導体素子11や金属製の枠体９に固定された信号端子13の共通の接地導体として用いることができる。

基体８が金属から成る場合であれば、例えば金属インゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法により、または射出成形したものに切削加工等を施すことによって、所定の形状に製作される。凹部８ｂや貫通孔８ｃは、このとき同時に形成してもよいし、板状の基体８を切削加工することにより形成してもよい。また、基体８がセラミックスから成る場合であれば、配線基板７の誘電体基板と同様にして作製することができる。この場合は、セラミックスは通常絶縁性であり、基体８を介して複数のバイアス導体６同士が短絡することはないので、凹部８ｂや貫通孔８ｃは特に設ける必要はないが、配線基板７を搭載部８ａに搭載する際にバイアス導体６が基体８と接触して傷付くことを防止するために凹部８ｂを設けてもよい。なお、基体８は図６〜図９に示す例のような四角形の板状体に限定されるものではなく、円形または多角形状の板状体であってもよい。また、図６および図７に示す例のように、例えば、基体８を外部基板にねじ止めして固定するために用いる基体固定孔８ｄを基体８のコーナー部に設けてもよい。

凹部８ｂは、配線基板７が、バイアス導体６が凹部８ｂ内で基体８と電気的に絶縁されるように、凹部８ｂをまたいで搭載されるような形状および大きさの開口を有する凹部８ｂであればよい。図６に示す例のように、凹部８ｂの開口寸法を配線基板７より一回り小さく形成すると、凹部８ｂの周囲の基体８上に配線基板７の周縁部を接着して強固に固定することができる。例えば、図６に示す例の凹部８ｂを半導体素子11側に延ばして、配線基板７の周縁部のうちの３辺のみで配線基板７を基体８の上に固定するようにすると、信号線路導体２と基体８とが対向せず、基体８が金属であっても電磁結合しなくなるのでより好ましい。

なお、誘電体基板１が、厚みが0.2ｍｍの比誘電率が9.6のアルミナから成る場合であれば、凹部８ｂの深さが0.20ｍｍ以上であると、基体８に凹部８ｂがない場合の信号線路導体２と基体８との間の容量の１／５以下となり、信号線路導体２と基体８との間の容量結合が無視できるようになるので好ましい。

貫通孔８ｃは、貫通孔８ｃを気密に塞ぐように基体８の上面に配線基板７を搭載するために、配線基板７の周縁部を貫通孔８ｃの周囲の基体８上に接着するので、貫通孔８ｃの開口寸法は配線基板７より一回り小さく形成すればよい。具体的には、貫通孔８ｃの外周から配線基板７の外周までの幅が、全周にわたって0.3ｍｍ〜1.0ｍｍ程度あるようにするのが好ましい。0.3ｍｍ未満であると、接合材により気密に封止することが困難となり、他方、1.0ｍｍを超えると、信号線路導体２と基体８とが対向する面積が増えるので基体８が金属である場合は電磁結合しやすくなり、またバイアス導体６を基体８と電気的に絶縁することが困難となる。

スペーサ７ａは、バイアス導体６が基体８と電気的に絶縁されるように配線基板７を支持して基体８の搭載部８ａに搭載するために、配線基板７の一方主面のバイアス導体６が形成されていない周縁部と基体８との間に配置する。その形状は、図８に示す例のような、配線基板７の外形に沿った枠状であってもよいし、配線基板７の対向する２辺に沿った２つの棒状の直方体状であってもよいし、あるいは、配線基板７の１個以上の柱状のものであってもよく、特に制限はない。柱状の場合は、配線基板７を固定する前にスペーサ７ａの上に載置しやすいように、例えば配線基板７の四隅に１個ずつ配置するなど、３個以上であるのがよい。スペーサ７ａは、誘電体基板１を挟んで信号線路導体２と対向しない位置に配置すると、基体８が金属であっても電磁結合しやすくならないので好ましい。

また、スペーサ７ａは図９に示す例のように、枠体９から内側に突出するように配置してもよい。図９に示す例では、スペーサ７ａは配線基板７の３箇所を支持するように枠体９の３箇所から突出したものであるが、配線基板７の対向する２辺を支持するように枠体９の対向する内壁から突出したものであってもよいし、図９に示す３つのスペーサ７ａが一体となったＣ字型に突出したものであってもよい。

スペーサ７ａは、配線基板７や基体８または枠体９とは別々に作製されたものであってもよいし、配線基板７または基体８または枠体９と一体的に作製されたものであってもよい。配線基板７または基体８または枠体９と一体となったものであると、配線基板７を基体８の上に搭載する際に、スペーサ７ａを搭載する工程を省くことができ、例えば、配線基板７やスペーサ７ａを固定するためにろう材を用いる場合は、複数のろう材の融点を考慮する必要がなく、自由度が高まるので好ましい。例えば、スペーサ７ａが金属から成る基体８または枠体９と一体となっている場合であれば、基体８または枠体９の作製の際の金属インゴットの打ち抜き加工や切削加工の際にスペーサ７ａも同時に作製すればよい。あるいは、例えば、スペーサ７ａが配線基板７と一体となっている場合であれば、例えば枠状のセラミックグリーンシートを積層して生成形体を作製したり、プレス成型の際の金型によりスペーサ７ａと成る部分を有する生成形体を作製したりすればよい。スペーサ７ａが枠体９から突出したものである場合は、突出した部分だけを別に作製して枠体９に接合してもよい。

スペーサ７ａは、基体８または枠体９と同様のセラミックスや金属、あるいはエポキシ樹脂等の樹脂から成る。配線基板７等を基体８または枠体９へ搭載して固定する際の加熱等により変形することのないものを用いればよい。

なお、誘電体基板１が、厚みが0.2ｍｍの比誘電率が9.6のアルミナから成る場合であれば、スペーサ７ａによって、配線基板７と基体８の間の空間が0.20ｍｍ以上あればスペーサ７ａがない場合の信号線路導体２と基体８との間の容量の１／５以下となり、信号線路導体２と基体８との間の容量結合が無視できるようになるので好ましい。

配線基板７の基体８への搭載は、エポキシ樹脂等の接着剤あるいはガラスやはんだ等の接合材で固定して行なわれる。

配線基板７を基体８に凹部８ａまたは貫通孔８ｃを気密に封止して接着する場合には、配線基板７の周縁部に厚膜法や薄膜法で金属接合層を形成しておき、Ａｕ−ＳｎやＰｂ−Ｓｎ等のはんだで凹部８ａまたは貫通孔８ｃの周囲に接合して封着を行なえばよい。基体８がセラミックスから成る場合は、搭載部８ａにも同様の金属接合層を形成しておくとよい。

また、配線基板７と基体８との接合により十分な気密封止ができない場合は、基体８の下面に金属やセラミックスからなる蓋材をはんだにより接合して貫通孔８ｃを塞ぐことにより気密封止してもよい。この場合、蓋材が嵌まるような段差を設けて、基体８の下面から蓋材が突出しないようにすると、半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置の厚みが厚くなることがなく、半導体装置を他の基板や装置に搭載するのも容易になる。あるいは、基体８の下面の貫通孔８ｃの周囲を半導体装置が搭載される基板や装置に気密にはんだ付けすることによって、パッケージ内部を気密に封着することができる。

配線基板７を、スペーサ７ａを介して基体８へ搭載する場合は、基体８の上にスペーサ７ａを載置して接着剤や接合材により固定した後に、配線基板７をスペーサ７ａの上に固定してもよいし、配線基板７の一方主面にスペーサを固定した後に基体８の上に載置して固定してもよいし、間に接着剤や接合材を介在させて、基体８の上にスペーサ７ａ、配線基板７の順に載置して固定してもよい。

基体８と、基体８の搭載部８ａおよび凹部８ｂまたは貫通孔８ｃを取り囲む枠体９とにより、内側に半導体素子11を収容する空所を有する容器体となる。

枠体９は、基体８と同様のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗの焼結材等の金属や酸化アルミニウム質焼結体，窒化アルミニウム質焼結体，窒化珪素質焼結体等のセラミックスから成るものである。なお、枠体９がセラミックスから成る場合は、その表面にメタライズ層等の導体層が形成されているのが好ましい。枠体９は、金属から成るか、または表面に導体層が形成されたセラミックスから成ることにより、内部の半導体素子11によって発生する放射ノイズまたは枠体９の外側から侵入して来る放射ノイズを遮蔽することができる。

基体８および枠体９が金属から成る場合であれば、基体８と枠体９とを同時に一体成形するか、打ち抜き加工等の金属加工法により作製した枠体９を、基体８にＡｇろう等のろう材によりろう付けする、またはシーム溶接法等の溶接法により接合することで作製することができる。基体８および枠体９の一方がセラミックスから成り、他方が金属から成る場合であれば、セラミックスから成る方の接合面にメタライズ等で金属層を形成しておけば、同様にろう付けやシーム溶接法等の溶接法により接合するか、活性金属を含むろう材により直接接合することによって作製することができる。基体９および枠体10がセラミックスから成る場合であれば、基体９と枠体10とを同時に一体成形するか、それぞれの枠体10の基体９との接合面に金属層を形成しておいてろう材で接合するか、あるいは活性金属を含むろう材により直接接合することによって作製することができる。

図６および図７に示す例では、外部より半導体素子11に駆動信号等を入力させる入出力用の信号端子13が枠体９に設置されている。Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る信号端子13は枠体９の側面に形成された固定孔９ａにガラスから成る封止材14の中心を貫通して固定されている。あるいは、信号端子13を金属環内に封止材14で固定した後に、固定孔９ａ内に金属環を嵌め込むとともにＡｕ−ＳｎはんだやＰｂ−Ｓｎはんだ等の封着材により固定孔９ａに接合してもよい。

基体８および枠体９が金属から成る場合は、その表面には、耐食性に優れ、ろう材との濡れ性に優れた厚さが0.5〜９μｍのＮｉ層と厚さが0.5〜５μｍのＡｕ層とをめっき法により順次被着させておくのがよい。これにより、基体１が酸化腐食するのを有効に防止することができるとともに、配線基板７や半導体素子11をはんだにより良好に接合することができる。また、基体８および枠体９がセラミックスから成る場合に、表面に形成される金属層の表面にも同様のめっき皮膜を被着させておくのがよい。

バイアス端子10は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属を打ち抜き加工等の金属加工法により加工することで作製され、ガラス等により枠体９の側面に形成された貫通孔内に固定される。

枠体９内の基体８の上面に搭載された配線基板７のバイアス端子電極５とバイアス端子電極とを電気的に接続することで、本発明の半導体素子収納用パッケージとなる。バイアス端子電極５とバイアス端子６との電気的接続は、ボンディングワイヤ16により行なう。

半導体素子11は、ＩＣ（Integrated circuit），ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit），ＬＤ（Laser Diode），ＰＤ（Photo Diode）であり、基体８の搭載部８ａへの搭載は、Ａｇろう，Ａｇ−Ｃｕろう等のろう材により、またはＡｕ−ＳｎはんだやＰｂ−Ｓｎはんだ等のはんだにより、またはエポキシ樹脂等の接着剤により、基体８の上面に強固に接着固定することによって行なう。

半導体素子11は、その電極が配線基板７の信号線路導体２および接地導体３にそれぞれボンディングワイヤ16を介して電気的に接続される。また、図６および図７に示す例では、半導体素子11と信号端子13とが、それらの間の基体８の上面に搭載された中継基板15を介して電気的に接続されている。具体的には、半導体素子11の電極と中継基板15の上面に形成された信号線路導体とがボンディングワイヤ16により電気的に接続され、中継基板15の信号線路導体と信号端子13とがろう材等から成る導電性接着材を介して電気的に接続される。

中継基板15は、セラミックスから成る誘電体基板上に信号線路導体が形成されたものであり、配線基板７と同様にして作製することができ、配線基板７と同様の方法で基体８の上に搭載される。

そして、本発明の半導体素子収納用パッケージに半導体素子11を搭載して、半導体素子11と配線基板７の信号線路導体２および接地導体３とを電気的に接続した後に、ろう付け法やシームウエルド法等の溶接法により枠体９の上面に蓋体12を接合し、パッケージ内部を気密に封止することによって、本発明の半導体装置となる。

蓋体12は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗの焼結材等の金属や酸化アルミニウム質焼結体，窒化アルミニウム質焼結体，窒化珪素質焼結体等のセラミックスから成る、板状のものである。図６および図７に示す例のように、蓋体12の下面に段差を設けると、枠体９との位置合わせが容易となるのでよい。また、蓋体12がセラミックスから成る場合は、下面の周縁部に厚膜法や薄膜法で金属接合層を形成しておくことにより、ろう材による接合が可能となる。

なお、本発明は、上述の実施の形態の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であれば種々の変更は可能である。例えば、半導体素子11は、これに代えてＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム：ＬＮ）の単結晶基板を用いた光変調素子を搭載したＬＮ光変調器であってもかまわない。

（ａ）は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、（ｃ）は下面図である。 （ａ）は本発明の配線基板の実施の形態の他の例を示す上面図であり、（ｂ）は下面図である。 （ａ）は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す上面図であり、（ｂ）は下面図である。 （ａ）は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す上面図であり、（ｂ）は下面図である。 本発明の配線基板の等価回路図である。 （ａ）は本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 （ａ）は本発明の半導体装置の実施の形態の他の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 （ａ）は本発明の半導体装置の実施の形態の他の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 （ａ）は本発明の半導体装置の実施の形態の他の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 （ａ）は従来の半導体装置の実施の形態の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 （ａ）は従来の半導体装置に搭載されている配線基板の上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線の断面図であり、（ｃ）は下面図である。

符号の説明

１：誘電体基板
２：信号線路導体
３：接地導体
４：第１の抵抗体
５：バイアス端子電極
６：バイアス導体
６ａ：第２の抵抗体
６ｂ：導体部
６ｃ：貫通導体
７：配線基板
７ａ：スペーサ
８：基体
８ａ：搭載部
８ｂ：凹部
８ｃ：貫通孔
８ｄ：基体固定孔
９：枠体
９ａ：固定孔
10：バイアス端子
11：半導体素子
12：蓋体
13：信号端子
14：封止材
15：中継基板
16：ボンディングワイヤ

Claims (7)

1. 誘電体基板と、該誘電体基板の一方主面上に配置された信号線路導体と、該信号線路導体の両側に間隔を設けて配置された接地導体と、前記信号線路導体の一端と前記接地導体とを接続する第１の抵抗体と、前記誘電体基板の一方主面上に前記接地導体と絶縁されて配置されたバイアス端子電極と、前記誘電体基板の他方主面上に配置された、一端が前記信号線路導体の前記一端に、および他端が前記バイアス端子電極にそれぞれ貫通導体を介して接続されており、両端間の少なくとも一部が第２の抵抗体からなるバイアス導体とを具備しており、
   前記バイアス導体の前記一端は前記信号線路導体の前記一端に前記貫通導体のみを介して接続されていることを特徴とする配線基板。
2. 前記バイアス導体の前記第２の抵抗体以外の導体部の長さが、前記信号線路導体により伝送する信号の波長の１／４未満であることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
3. 上面に前記配線基板および半導体素子を搭載する搭載部を有する基体と、該基体の上面に接合された前記搭載部を取り囲む枠体と、前記搭載部に搭載された請求項１または請求項２に記載の配線基板と、該配線基板の前記バイアス端子電極に電気的に接続されたバイアス端子とを具備することを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
4. 前記基体が金属から成るとともに前記搭載部に凹部を有し、請求項１または請求項２に記載の配線基板が、前記バイアス導体が前記凹部内で前記基体と電気的に絶縁されるように前記凹部をまたいで搭載されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体素子収納用パッケージ。
5. 前記基体が金属から成るとともに前記搭載部に上面から下面にかけて貫通する貫通孔を有し、請求項１または請求項２に記載の配線基板が、前記バイアス導体が前記貫通孔内で前記基体と電気的に絶縁されて前記貫通孔を塞ぐように前記基体の上面に搭載されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体素子収納用パッケージ。
6. 前記基体が金属から成るとともに、請求項１または請求項２に記載の配線基板が、前記バイアス導体がスペーサを介して前記基体と電気的に絶縁されて前記搭載部に搭載されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体素子収納用パッケージ。
7. 請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の半導体素子収納用パッケージと、前記搭載部
   に搭載されて前記信号線路導体および前記接地導体に電気的に接続された半導体素子と、前記枠体の上面に接合された蓋体とを具備することを特徴とする半導体装置。

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