JP2000236032A - マイクロ波およびミリメートル波周波数のワイヤレスmmicチップ・パッケージング - Google Patents

マイクロ波およびミリメートル波周波数のワイヤレスmmicチップ・パッケージング

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JP2000236032A JP2000036313A JP2000036313A JP2000236032A JP 2000236032 A JP2000236032 A JP 2000236032A JP 2000036313 A JP2000036313 A JP 2000036313A JP 2000036313 A JP2000036313 A JP 2000036313A JP 2000236032 A JP2000236032 A JP 2000236032A
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substrate
metal layer
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Tomaseviku Peter
ピーター・トマセヴィク
Kintis Mark
マーク・キンティス
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 MMICチップ(38)の上面を上にした状
態を維持するワイヤレスMMICチップパッケージング
機構を提供する。 【解決手段】 MMICチップ(38)は固定具(4
2)のキャビティ(40)内に位置し、チップ(38)
の裏面金属層(44)は導電性エポキシ層(48)によ
って固定具(42)に取り付けられる。RFおよびDC
バイア・フィードスルー(62、64)は効果的にチッ
プ(38)を通過し、裏面金属層(44)の分離アイラ
ンド(70)に電気的に接続される。マイクロストリッ
プ(54)および電気トレース(54)、チップ(3
8)の下に延びる基板(52、56)を設け、マイクロ
ストリップ(54)およびトレース(56)の端部を分
離アイランド(70)と電気的に接続させる。他の設計
では、基板(80)はチップ(38)の裏面を完全に横
切るように延び、グラウンド・バイア(84)は基板
(80)を通って延び裏面金属層(44)を固定具(4
2)に接続させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は一般に集積回路チッ
プのワイヤレス・パッケージング(wireless
packaging)に関し、特に上部回路層からチッ
プ内に延びチップの裏面に至るRFおよびDCバイアフ
ィードスルー(via feedthrough)を設
け、RFおよびDC入力および出力をチップ裏面に相対
的に配置された基板上に形成されるマイクロストリップ
およびトレースに直接接続することを含むMMICチッ
プのワイヤレス・パッケージングに関する。
【0002】
【従来技術】ミリメートル波および/またはマイクロ波
集積回路(MMIC)チップは、ミリメートル波および
マイクロ波周波数で信号を伝送する様々な種類の電気シ
ステムに使用されている。一般にミリメートル波または
マイクロ波電気システムは、適切なハウジング内にパッ
ケージされている単一または複数のMMICチップを含
む。基板はハウジング内に配置されてマイクロストリッ
プなどを支持し、MMICチップ間でRF接続を行い、
またチップに対してDC電力(パワー)入力接続を行
う。これらの波長での高周波数信号には、最新のMMI
C組立技術に適したチップへの特殊化したRFおよびD
C入出力接続が必要であり、また費用効率を高めるよう
損失を最小にすることも求められている。
【0003】あるMMICチップ・パッケージング設計
においては、MMICチップに対するRF入力及び出力
並びにDC電源入力にリボンボンド(ribbonbo
nd)およびワイヤーボンド(wirebond)接続
を使用して、チップを基板上のマイクロストリップに接
続している。図1は、このような電気接続を使用してい
る従来のMMICチップ10の平面図である。MMIC
チップ10は、適切な導電性エポキシ、ハンダなどによ
ってパッケージング固定具14のキャビティ12内にそ
の裏面が取り付けられ、チップ10を位置決めし、これ
を保護する。固定具14は、アルミニウムや真鍮(黄
銅)などの適切な導電性材料で作ることができ、そして
一般的にはグラウンドなどの基準電位に接続される。チ
ップ10は、チップの裏側表面全体を覆うグラウンド平
面として機能する背面金属層16を含んでいる。金属層
16と固定具14との間のエポキシまたはハンダ接続に
より、チップ10に対して共通基準電位接続が行われ
る。別の設計においては、背面金属層16はバイアス電
位やフリー・フローティング(free floati
ng)などにあってもよい。電気的レイアウト部18は
GaAs基板上に形成され、特定の用途によって決定さ
れるMMICチップ10に関連する電気部品を含んでい
る。この平面図においては、以下に説明するチップ10
に対する入出力接続を分かりやすく図示するために、層
16のサイズをレイアウト部18に対して誇張して示し
ている。
【0004】チップ10はチップ10を通って延び、層
16に接続される複数のグラウンド・バイア20を含ん
でおり、それによってチップ10のレイアウト部18内
の電気部品を共通基準電位に接続させている。複数のD
Cパッド22は、チップ10の上部に取り付けられ、固
定具14に延びる導電性トレース24にワイヤーボンド
26によって電気的に接続されている。DCパッド22
はレイアウト部18の部品に適切に接続され、チップ1
0内の部品に印加されるDC電圧電位を供給する。マイ
クロストリップ28は固定具14内に配置された非導電
性基板30上でパターン化され、高周波RFマイクロ波
またはミリメートル波信号の授受をチップ10との間で
行う。図示するように、基板30は固定具14を通って
キャビティ12に延びている。リボンボンド32は、マ
イクロストリップ28と、チップ10の上部にある導電
性パッド34とに電気的に接続されている。パッド34
はチップ10上のマイクロストリップ線路(ライン)3
6に電気的に接続されて、高周波RF信号をレイアウト
部18の電気部品に送る。従来技術から分かるように、
パッド34に隣接して設けられているグラウンド・バイ
ア20により、ウエハー上での測定機能あるいは共面接
続(co−planar connection)の適
用が可能となる。一般に、リボンバンド32は弓形構造
となっており、熱および機械的応力に遊びを与えてい
る。この設計では、基板30はチップ10と同じ水平面
にあり、マイクロストリップ28はチップ10の上面と
実質的に平行になっているため、ワイヤーボンド26お
よびリボンボンド32によりチップ10の上面への電気
的接続が効率よく確立される。
【0005】前記の設計におけるワイヤーボンド26と
リボンボンド32を使用する接続技術には、多数の欠点
がある。特にこの技術は、作業者がワイヤーボンド及び
リボンボンド接続を注意して行う必要があるという点に
おいて、幾分作業集約的である。また、リボンボンド3
2はMMICチップ10と直列の限定されたインダクタ
ンスを与えるので、MMICチップ10へのリボンボン
ドの接続により、チップの性能が低下してしまう。この
リボンボンドのインダクタンスは性能を劣化させるもの
であり、これはマイクロ波およびミリメートル波周波数
では非常に顕著となる。従来、各リボンボンド32によ
って生成されたインダクタンスについては、リボンボン
ド32のインダクタンスを打ち消し、また誘導リアクタ
ンスによる回路性能の劣化を防ぐオープン回路スタブ整
合ネットワークを含むオフチップ(外部)整合ネットワ
ーク(図示せず)を使用可能であることが知られてい
る。しかし、このインダクタンス補償方法は、時間がか
かるために実施が難しく、また接続リボンの長さと厚さ
によって個別に基板を設計する必要がある。
【0006】MMICチップにRF入力および出力を供
給する他の方法としては、リボンボンドを使用しないも
のが従来知られている。1つの方法は一般にフリップチ
ップ(flip−chip)回路技術と呼ばれており、
MMICチップにワイヤレス接続を行うものである。フ
リップチップ回路技術においては、処理を施したMMI
Cチップ10の面(上面)を、裏面の金属層ではなく接
続基板にハンダ付けまたはエポキシ樹脂接着する。図1
を参照すると、フリップチップ設計においては、チップ
10を反転させ、電気的レイアウト部18の種々の接続
点を取付基板上のトレースの上に形成されたハンダ・バ
ンプ(突起)部分などに電気的に接続させてチップ10
と適切に接続させることができる。
【0007】しかし、フリップチップ回路技術にも幾つ
かの欠点がある。その欠点として、MMICチップ表面
が空気循環による熱対流を利用できないためにMMIC
チップと取付基板との間に熱が閉じこめられてしまうと
いう問題が含まれている。また、MMICチップの表面
は取付基板で覆われるため、MMICチップを基板に取
り付けた後に、MMICチップの機構に異常がないか目
視点検を行うことができず、さらにMMICチップと基
板との電気接続部分は露出していないため、接続部分を
チェックすることができない。また、回路は共面技術で
設計しなければならない。共面技術は、マイクロ波周波
数、放熱、チップサイズの点において顕著な欠点があ
り、また低レベルの回路複雑性のみで可能である。また
チップを反転させて基板に取り付ける場合、回路性能は
上面を上にした状態でチップを試験したときの性能とは
異なってしまう。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】そのため、放熱および
取り付けたMMICチップのトラブルシュート(故障修
理)を可能にするワイヤレスMMICチップ相互接続方
法が必要となる。従って、本発明の目的は、MMICマ
イクロストリップ回路のワイヤレスMMICチップ・パ
ッケージング機構を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の教示によれば、
MMICチップが表面を上にした状態で取り付けられる
ワイヤレスMMICチップ・パッケージング技術が開示
される。チップは固定具のキャビティ内に位置し、チッ
プの裏面金属層が導電性エポキシ接着などで固定具に取
り付けられる。RFおよびDCバイア・フィードスルー
は効果的にチップを通るように設置され、裏面の金属層
に設計された隔離導電性アイランドに電気的に接続され
る。基板は、マイクロストリップおよび電気トレースを
支持し、またチップの下のキャビティに達するように設
けられているので、マイクロストリップおよびトレース
の端部は隔離アイランドに電気的に接続される。導電性
パッドはチップの上面に設けられており、RFおよびD
Cバイア・フィードスルーに接続されて、利用可能な試
験位置を形成している。他の設計では、基板はチップの
背面を完全に横切って延びており、またグラウンド・バ
イアは基板を通って裏面の金属層を固定具に接続させ
る。
【0010】本発明の他の目的、効果、特徴は、添付図
面を参照して以下の説明および請求項より明らかになる
であろう。
【0011】
【発明の実施の形態】MMICチップのワイヤレス・パ
ッケージング技術の好適な実施例についての以下の説明
は本質的に例示にすぎず、本発明またはその適用例ある
いは使用例を限定するものではない。
【0012】図2は、本発明の実施例による導電性パッ
ケージング固定具42のキャビティ(空洞)内に位置す
るMMICチップ38を示す平面図である。この平面図
は図3にも示されており、そこではチップ38を取り除
き、チップ38の位置を点線状の長方形ボックスで示し
ている。更に、図4は図2の線4−4からのチップ38
および固定具42の側面図を示している。前述のチップ
10と同様に、チップ38はグラウンド面(接地面)と
して機能する裏面金属層44を含んでいる。チップ38
は金属層44に取り付けられた導電性エポキシ層48に
よって固定具42に取り付けられ、チップ38に対して
グラウンド基準電位接続を行い、またキャビティ40内
の所望の位置でチップ38を保持する。複数のグラウン
ド・バイア50はGaAs基板を通して裏面金属44を
チップの上面に接続し、これによって電気的レイアウト
部46に基準電位を与える。
【0013】本実施例において、基板52はRFマイク
ロストリップ54を支持し、また基板56はDCトレー
ス58を支持するよう設けられている。基板52および
56は、アルミニウムなどの適切な高誘電非伝導性材料
から形成することができる。基板52および56のそれ
ぞれはチップ38の下のキャビティ40内部に達し、マ
イクロストリップ54およびトレース58をチップ38
の下の適切な場所に配置するので、基板52および56
は図1に示す実施例のようにチップ38と同一平面には
ない。これを、基板52および56周辺の黒色領域で示
す。固定具42の突起部60はチップ38の下で基板5
2と56との間に位置しているので、本発明の設計内で
チップ38をエポキシ層48によって固定具42に簡単
に取り付けることができる。
【0014】チップ38の適切な接続箇所でDCトレー
ス58およびRFマイクロストリップ54をワイヤレス
接続するために、本発明の教示により、複数のRFバイ
ア・フィードスルー62およびDCバイア・フィードス
ルー64は図示するようにチップ38を通して延びてい
る。導電性パッドはチップ38の上面に設けられ、そこ
でバイア・フィードスルー62および64の各々が延び
て、チップ38の上面に試験位置などを形成する。同様
に、導電性パッドを層44を使ってチップ38の底面に
設け、バイア・フィードスルー62および64に対し裏
面電気接続を行う。チップ38の上面にはマイクロスト
リップ・トレース66が設けられ、RFフィードスルー
62をレイアウト部46内の構成要素に電気的に接続し
ている。
【0015】バイア・フィードスルー62および64を
金属層44から電気的に分離するために、金属層44に
適切なエッチングを施し、層44に開放領域68を生成
する。金属層44の一部はアイランド70として残存す
る。そのため、チップ38の裏面全体は金属化されな
い。
【0016】マイクロストリップ66に近接するチップ
38の端部のグラウンド・バイア50をマイクロストリ
ップ66から離れるように移動させ、開放領域68から
取り除いて電気接続する。バイアフィードスルー62は
チップ38を通って延び、マイクロストリップ54と電
気的にコンタクトしているハンダまたはエポキシ接続部
74と電気的にコンタクトする。同様に、DCバイア・
フィードスルー64はチップ38を通って延び、トレー
ス58と電気的にコンタクトしているハンダまたは導電
性エポキシ・コンタクトと接触(コンタクト)する。そ
のため、チップ38はその上面を上にした状態を維持
し、チップ38内の所望の試験接続箇所に電気的アクセ
スをするためのパッドを含み、また電気アセンブリ内で
接続するための適切なマイクロストリップ52およびD
Cトレース56とワイヤレス・コンタクトを行う。
【0017】図5は本発明の他の実施例によるMMIC
チップ・レイアウト構成を示す平面図、図6はその断面
図である。これらの図において、図2〜図4と同一の参
照番号は同一の構成部分を示す。本実施例では、基板5
2および56の代わりに、チップ38の底部を横切って
キャビティ40に全面的に延びる単一基板80を使用す
る。基板80は導電性ではないので、チップ38は基準
電位接続のために固定具42に電気的に接続されること
はなく、適切な変更を行って裏面金属層44を固定具4
2に接続しなければならない。この点に関して、導電性
エポキシ層48に電気的にコンタクトしている基板80
に高架(elevated)グラウンド面82が設けら
れている。グランド面82を固定具42に電気的に接続
するために、複数のグラウンド・バイア84を基板80
を介してグラウンド面82にコンタクトさせるので、裏
面金属層44に対する基準電位接続が確立される。
【0018】本発明のパッケージング機構により、MM
ICチップ38を基板に取り付けた後でも、故障や欠陥
がないかMMICチップ38の前面を目視で点検でき、
またチップ38は大気に熱を伝導させることが可能にな
る。更に、バイア・ホール技術は既にGaAsウエハー
で利用されており、現在ウエハー裏面の処理を行って3
インチGaAsウエハー上にウエハー・スクライブレー
ン(waferscribe lane)を生成してい
るので、本発明はマスキング工程(ステップ)を付加せ
ずに現在知られているGaAs処理工程を用いることに
よって実施可能である。
【0019】RFバイア・フィードスルー62を使用す
ると、マイクロストリップ54とチップ38の電気部品
との間のインピーダンス整合が変化する。従って、調整
(同調)素子を設けて、マイクロストリップとバイア接
続の誘導および容量効果を調整しなければならない。図
7は、このために誘導性同調(調整)を行うためチップ
38の底面およびマイクロストリップ基板の上面でのシ
ミュレーションを示す。このシミュレーションにおい
て、部分(セクション)90は裏面金属44を、開放領
域92は開放領域68を、ストリップ部94はマイクロ
ストリップ54を、パッド部96はチップ38の底面の
バイア・フィードスルー62への接続点をそれぞれ示
す。ストリップ部94とパッド部96との間の狭い誘導
性変化(遷移)部98をマイクロストリップ54および
バイア・フィードスルー62の間に設けて、同調を行
う。
【0020】図8はチップ38の上面でのシミュレーシ
ョンを示す。部分102は上部パッドおよびRFバイア
・フィードスルー62を示し、部分104と裏面金属層
44との間にキャパシタンスを与えるために拡幅部10
6を含むストリップ部104をチップ38の上面に設け
て、容量性同調(調整)を行う。この設計では、容量性
および誘導性同調の両方が行われる。
【0021】図9(a)および9(b)はこの同調を行
った結果を示す図であり、同図においては周波数を横軸
に、またの電力損失をdBで表して縦軸に示す。図9
(a)は、図7および図8の同調素子無しでのRFバイ
ア構造による反射減衰量をグラフ線110で、また挿入
損失をグラフ線112で示している。50GHzにおい
ては、反射減衰量は−10.0dBである。図9(b)
は、図7および8の同調素子ありでのRFバイア構造に
よる反射減衰量をグラフ線114で、また挿入損失をグ
ラフ線116で示している。明らかなように、同調素子
を使用すると、RFバイア構造による挿入損失および反
射減衰量が向上する。この例では、特定の同調素子を使
用することにより、50GHzでは反射減衰量を19d
B以上にし、また挿入損失を0.18dB未満にするこ
とができる。
【0022】以上の記載は、本発明の単なる例示的な実
施例を開示および説明したものである。この説明、添付
図面および請求の範囲により、請求の範囲に規定される
本発明の精神およびその範囲から逸脱することなく数多
くの変更、修正、変形を行うことが可能であることは当
業者には容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】ワイヤーボンドおよびリボンボンド接続を使用
した従来のMMICチップ・パッケージング・レイアウ
トの平面図である。
【図2】本発明の実施例によるMMICチップのワイヤ
レス・パッケージング機構を示す平面図である。
【図3】図2に示すMMICチップのワイヤレス・パッ
ケージング機構の別の平面図である。
【図4】図2および3に示すパッケージング機構の側面
図である。
【図5】本発明の他の実施例によるMMICチップのワ
イヤレス・パッケージング機構を示す平面図である。
【図6】図5に示すパッケージング機構の側面図であ
る。
【図7】本発明のパッケージング設計に関連して使用さ
れる誘導性同調素子を示すシミュレーションである。
【図8】本発明のパッケージング設計に関連して使用さ
れる容量性同調素子を示すシミュレーションである。
【図9】図9(a)および図9(b)は、図7および図
8に示す同調素子を備える場合と備えない場合のMMI
Cチップの性能を示す電磁シミュレーションである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーク・キンティス アメリカ合衆国カリフォルニア州90266, マンハッタン・ビーチ,ヴーアヒーズ・ア ベニュー 1636

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 キャビティを含むパッケージング・ハウ
    ジングと、 基板上に形成された少なくとも1つのマイクロストリッ
    プを含む、前記キャビティ内に延びる少なくとも1つの
    基板と、 前記基板に対し相対的に前記キャビティ内に位置する集
    積回路チップと、を備え、前記集積回路チップは前記少
    なくとも1つの基板に近接して位置する裏面金属層を含
    み、前記集積回路チップは更に前記集積回路チップに延
    びて前記裏面金属層に近接する前記少なくとも1つのマ
    イクロストリップに電気的に接続される少なくとも1つ
    のバイア・フィードスルーを含み、前記バイア・フィー
    ドスルーはチップへの電気的接続を行う、電気回路用パ
    ッケージング・アセンブリ。
  2. 【請求項2】 導電性エポキシ層を更に含み、前記エポ
    キシ層は前記集積回路を前記ハウジングに取り付け、前
    記エポキシ層は前記裏面金属層に接続されて前記チップ
    に基準電位接続を行う、請求項1記載のアセンブリ。
  3. 【請求項3】 高架グラウンド面を更に含み、前記少な
    くとも1つの基板は前記金属層に対向するように前記チ
    ップの底面を全体的に横切って延び、前記グラウンド面
    は前記基板と前記チップとの間の基板上に位置する、請
    求項1記載のアセンブリ。
  4. 【請求項4】 導電性取付層を更に含み、前記導電性層
    は前記裏面金属層および前記高架グラウンド面に接続さ
    れて前記金属層への基準電位接続を行う、請求項3記載
    のアセンブリ。
  5. 【請求項5】 前記ハウジングに接続されて、前記基板
    を通って延び前記グラウンド面にコンタクトする複数の
    グラウンド・バイアを更に含む請求項3記載の方法。
  6. 【請求項6】 前記裏面金属層に形成されて、前記金属
    層から前記少なくとも1つのバイア・フィードスルーを
    電気的に分離する電気分離領域を更に含む請求項1記載
    のアセンブリ。
  7. 【請求項7】 前記チップの上面に取り付けられ、前記
    少なくとも1つのバイア・フィードスルーに電気的に接
    続されるDCパッドを更に含む請求項1記載のアセンブ
    リ。
  8. 【請求項8】 前記少なくとも1つの基板は前記金属層
    に対して相対的に前記キャビティ内および前記集積回路
    チップの下に延びる請求項1記載のアセンブリ。
  9. 【請求項9】 前記少なくとも1つのバイア・フィード
    スルーは前記集積回路チップへのRF電気接続を行う請
    求項1記載の方法。
  10. 【請求項10】 前記少なくとも1つのバイア・フィー
    ドスルーは前記集積回路チップへのDC電気接続を行う
    請求項1記載の方法。
  11. 【請求項11】 前記少なくとも1つのバイア・フィー
    ドスルーに電気的に接続された誘導性および容量性調整
    素子を更に含む請求項1記載の方法。
  12. 【請求項12】 前記少なくとも1つのバイア・フィー
    ドスルーは、前記集積回路チップへの全てのRF接続お
    よびDC接続を行う複数のバイア・フィードスルーであ
    る請求項1記載の方法。
  13. 【請求項13】 電気回路用ワイヤレス・パッケージン
    グ・アセンブリであって、 キャビティを含むパッケージング固定具と、 基板上に形成された複数のマイクロストリップを含み、
    前記キャビティ内に延びる少なくとも1つの基板と、 裏面金属層を含むMMICチップとを備え、前記チップ
    は前記少なくとも1つの基板が前記裏面金属層の下にあ
    って該層と対向するように前記キャビティ内に取り付け
    られ、導電性取付層が前記チップを固定具に取り付けて
    前記チップに基準電位接続を行い、前記MMICチップ
    は更に前記集積回路チップに延びて前記裏面金属層に近
    接する複数のマイクロストリップに電気的に接続される
    複数のRFバイア・フィードスルーおよびDCバイア・
    フィードスルーを含み、前記裏面金属層はパターン化さ
    れて前記バイア・フィードスルーが前記マイクロストリ
    ップに接触する電気的分離領域を供給する、アセンブ
    リ。
  14. 【請求項14】 高架グラウンド面を更に含み、前記基
    板は前記金属層と対向するように前記チップの底面を全
    体的に横切るように延び、前記グラウンド面は前記基板
    と前記チップとの間の前記基板上に位置している、請求
    項13記載のアセンブリ。
  15. 【請求項15】 前記固定具に接続されて、前記基板を
    通って延び前記グラウンド面にコンタクトする複数のグ
    ラウンド・バイアを更に含む請求項13記載のアセンブ
    リ。
  16. 【請求項16】 前記バイア・フィードスルーに電気的
    に接続された誘導性および容量性調整素子を更に含む請
    求項13記載のアセンブリ。
  17. 【請求項17】 集積回路にワイヤレス電気的接続を行
    う方法であって、 集積回路を製造して裏面金属層および集積回路を通って
    延びる複数のバイア・フィードスルーを設けるステップ
    と、 キャビティを含むパッケージング固定具を設けるステッ
    プと、 その上に複数のマイクロストリップを含む少なくとも1
    つの基板を前記キャビティに延びる固定具内に配置する
    ステップと、 前記複数のバイア・フィードスルーが前記裏面金属層に
    近接する前記複数のマイクロストリップとコンタクトす
    るように前記キャビティ内に前記集積回路を取り付ける
    ステップと、含む方法。
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