JP2561036B2 - 半導体装置パッケージ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置パッケージに
関し、特に高出力の高周波トランジスタの半導体素子を
収容するパッケージの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】高周波数帯で使用される高出力トランジ
スタでは、信号の入出力線路としてマイクロストリップ
ラインが使用される。このマイクロストリップライン
は、信号ラインとこの信号ラインに平行して配置される
グランドラインとから成る不平衡線路として構成され
る。このような従来の半導体装置パッケージを示す特開
平２−３０３１４６号公報等を参照して以下に説明す
る。

【０００３】図５（ａ）、（ｂ）は、夫々従来の高周波
数帯で使用される高出力トランジスタを含む半導体チッ
プ及びその内部整合回路を含むパッケージ組立体の平面
図、Ｃ−Ｃ′線の断面図である。また、図５（ｃ）はこ
の（ｂ）の断面図の一部を拡大した断面図である。図５
（ａ）、（ｂ）においてパッケージ１２は、半導体素子
２１の周囲を囲むステム上部１３、半導体素子２１を搭
載するマウント面を有するステム基底部１４、これらを
相互に固定するステムリング１５を備える。ステム基底
部１４は、金属例えば銅材からなり、被搭載部品である
１個又は２個の高出力ＦＥＴが形成された半導体素子２
１を搭載すると共に、そのＦＥＴのソース電極として構
成される。このソース電極１４は、ＦＥＴが発生させる
熱の放熱部としても機能する。

【０００４】ステム上部１３は、全体としても銅材から
なり、その上端が開放する筒形状に成形されている。ス
テム上部１３には、ＦＥＴのドレイン電極およびゲート
電極が夫々接続される信号ライン１８、１９のための入
出力端子が、絶縁材として機能するセラミックからなる
絶縁部１７、１６にそれぞれ組み込まれている。かかる
構成により、各電極に接続される信号ライン１８、１９
及びステム基底部１４を成すソース電極は相互に電気的
に絶縁される。

【０００５】ステムリング１５は、銅の板材からなる矩
形枠状に形成され、ステム上部１３の全体幅寸法の約
０．８以下の幅寸法を有する。ステムリング１５は、ス
テム上部１３とステム基底部１４との間に介装され、ロ
ー材によりステム上部１３の接合面及びステム基底部１
４に夫々固定されて、双方の部材１３、１４を結合して
いる。

【０００６】パッケージ１２の内部には、機能素子を成
す半導体素子２１（ＧａＡｓ）、及び内部整合回路（イ
ンピーダンスマッチング回路３以下ＩＭＮとも称する）
２２、２４が格納されている。前記の如く、パッケージ
１２には、セラミック等の絶縁物１６、１７及び銅材か
ら成る導体が使用されており、これらは夫々熱膨張係数
が異なるため、半導体素子２１で発生する熱により、各
部に熱ストレスが伝搬する。しかし、図５（ｃ）に示す
ように、ステムリング１５において、接触面積が極めて
小さな接合面１５ａ、１５ｂを採用することにより、ス
テム基底部１４で発生する熱ストレスのステム上部１３
への伝播を小さく抑える。

【０００７】また、ステムリング１５と、ステム上部１
３及びステム基底部１４との各接合部で使用されるロー
材によっても、上記熱ストレスの伝搬は軽減される。こ
のため、ステム基底部１４で発生する熱ストレスは、ス
テムリング１５で実質的に阻止され、ステム上部１３の
絶縁部１６、１７に熱ストレスによる割れが発生するこ
とを防止している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のパッケージ１２
では、上述のごとく、ロー材を用いてステムリング１５
をステム上部１３に固定する。このように、ステムリン
グ１５をステム上部１３にロー付けするために、ステム
上部１３のステム基底部１４への対向面１３ａを金属と
し、また、絶縁部１６、１７のセラミックについては、
その表面に金メッキ１５ｃを施す構成が採用される。以
下、上記パッケージ１２の作用について、図５（ｃ）を
参照して説明する。なお、この図５（ｃ）及びその他の
図面において、図面上に示した矢印は電流経路を示して
いる。

【０００９】信号周波数が高いと、一般に、電流は表皮
効果により導体の表面のみを流れるようになる。この場
合、信号ライン１８からＩＭＮ２４に流れる信号電流の
経路長と、図示しないグランド線からステム基底部１４
を経由して半導体チップ２１に向かって流れるグランド
電流の経路長とが異なる。即ち、図示のごとく、グラン
ド電流は、その経路がステム基板部１４→ステムリング
１５→金メッキ１５Ｃ→ステムリング１５→ステム基底
部１４を経由するために、信号電流の経路長部分ｌ１に
対応するグランド電流の経路長部分は約３×ｌ１＋２×
ｈとなる。ここで、図示したように、ｌ１はステム上部
１３の接合面の幅をｈはステムリング１５の高さを示
す。

【００１０】信号電流とグランド電流の経路長との差２
×（ｌ１＋ｈ）は、信号電流とグランド電流との間の位
相差となって現れる。例えば、ｌ１＝２ｍｍ、ｈ＝１ｍ
ｍとすれば、信号電流とグランド電流の経路長の差は約
６ｍｍであり、信号周波数を例えば４ＧＨｚとすれば、
かかる経路長の差による位相差は約２９°となる。これ
は、信号回路に誘導性リアクタンス素子が存在すること
と等価であり、この例の場合では、約１．１ｎＨのイン
ダクランスが存在することと等価できる。

【００１１】高周波数になるほど、このような経路長の
差に起因する位相差は大きくなり、例えば２５ＧＨｚで
は信号電流とグランド電流の位相が完全に逆転して、信
号の伝送が行われずこのパッケージ組立体は使用不能と
なる。以上は、信号波が自由空間内に在るものとして計
算したが、実際には、自由空間内でないため、さらに波
長の短縮が起こることから、上記周波数より更に低い周
波数で使用不能となる。

【００１２】上述した如く、信号ラインに等価的に誘電
性リアクタンスが生じるため、トランジスタの内部整合
回路２２、２４で整合を行ったものが不整合を生じ、ま
た、内部で整合をとらずに外部のみで整合をとる場合に
は、パッケージ１２の種類が変わると整合回路を変えな
くてはならないという問題があった。更に、このリアク
タンス素子が回路内にあると、広帯域増幅器などを設計
する場合に、周波数依存性が強く、広帯域特性が得られ
るという問題もあった。

【００１３】本発明は、上記に鑑み、高周波数帯域で使
用される高出力トランジスタ等の機能素子を収容するパ
ッケージの構造について、信号電流とグランド電流との
位相差に起因して生ずる高周波特性の低下を除き、もっ
て良好な高周波特性を有するパッケージの構造を提供す
ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】主表面に少なくとも半導
体素子が固着される金属性基板と、少なくとも前記半導
体素子を覆うように、前記主表面に固着する接合面を有
するキャップと、前記半導体素子から前記キャップの外
へ引き出された入出力ラインとを備えた半導体装置パッ
ケージにおいて、前記入出力ラインのうち前記キャップ
が固着する部分は、絶縁性基板とこの基板の内部を通過
する内部導体と前記絶縁性基板を固着した前記金属性基
板の外部導体とからなる伝送ラインとなっていることを
特徴とし、特に前記伝送ラインの外部導体は、前記金属
性基板の三つの側面と一つの底面とからなることを特徴
とし、又は前記伝送ラインの外部導体は、前記金属性基
板の三つの側面からなることを特徴とし、あるいは特に
前記絶縁性基板の主表面に部分的に金属層が形成され、
この金属層が前記キャップの接合面と固着していること
を特徴とし、さらに前記半導体素子が特に高周波帯の増
幅トランジスタであることを特徴とする。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例の半導体層値パ
ッケージを示す斜視図であり、図２は図１で示された多
層基板の一つを示す断面図である。

【００１６】図１において、この実施例は、ステム基底
部４４と、一対の多層基板３１と、キャップ３０とを備
える。ステム基底部４４は、金属製例えば銅素材に金メ
ッキした基板であり、対向した辺にはそれぞれ取付部５
２が、対称的に形成され、半円形と方形とを合わせた平
面形で切り取られた形をしており、図示されていないフ
レームにボルト・ナットでこの取付部５２がそれぞれ固
定される。また、他方の対向辺には、長方形の平面形で
かつ貫通しない深さの溝を有する基板取付部５０、５１
が形成されている。このステム基底部４４の主表面に
は、キャップ３０の接合端３５が口一材等で固着される
接合面３６があり、この接合面３６内の主表面には、１
個又は複数の高周波帯の高出力のトランジスタの半導体
素子４５や、２個の入出力インピーダンス整合回路素子
（図示せず）等が、固着される。基板取付部５０には、
この取付部５０と４面で接する多層基板３１が固着され
る。他の基板取付部５１にも、多層基板３１と対称的な
形状をした同様の基板（図示せず）が固定される。

【００１７】このような多層基板３１は、誘電体損失の
小さい接着剤で、取付部５０に接着されてもよいが、こ
の多層基板３１の４面をあらかじめメタライズにおき、
このメタライズ層と取付部５０とを口一材で固着しても
よい。取り付けられた多層基板３１の主表面には、信号
ライン、信号線をそれぞれ固着する金属層とキャップ３
０の接合端３５を固着する金属層とが、互いに離間して
形成されている。これら金属層は、メタライズの銅素材
に金メッキしたものでもよい。気密封止するためのキャ
ップ３０の接合端３５は、ステム基底部４４の主表面の
接合面３６、及び多層基板３１の主表面の接合面と共に
口一材等で固着するため、これら接合面３３、３６は同
一平面にすることが好ましい。

【００１８】キャップ３０は、熱膨張等を吸収しえるよ
うな厚さの薄い金属板が得らばれる。ステム基底部４４
は、放熱効果を高めるために直接裏面等に表面積を広く
したヒートシング等が形成されていてもよい。

【００１９】図２において、図１で示した多層基板３１
は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などの誘電体損失の小さい
絶縁体からなり、内部に内部導体が貫通する。信号ライ
ン４８を固着した金属層は、スルーホール３２と接続さ
れて中央部まで入り、さらに主表面と平行な導体層に続
き、再びスルーホール３２を介して主表面の金属層に達
する。このような多層基板３１は、２板の基板を別々に
製作し、双方を重ねて焼結することによっても形成され
る。この２板のうちの一枚の基板には、スルーホール３
２と主表面の金属層とを形成しておき、他の一枚の基板
の主表面にはスルーホール３２同士を接続する導体層を
形成しておく。

【００２０】この多層基板３１は、ステム基底部４４の
外部導体との間で、伝送ラインを形成し、内部の半導体
素子４５に信号を伝送し、又は信号を出力するために必
要である。

【００２１】次に、この多層基板３１を中心に、信号の
流れを図３を用いて説明する。図３は、図１における、
信号ライン４８の近傍を拡大した断面図である。図３に
おいて、多層基板３１はステム基底部４４に口一付され
ているので、グランド電流は図３の矢印で示した様に、
流れる。このとき、信号電流の経路長部分ｌ１に対応す
るグランド電流の経路長部分は、約（ｌ１＋ｈ）であ
る。ここで、信号ライン側のスルーホール長は短いと仮
定する。

【００２２】従来と同じ条件、即ちｌ１＝２ｍｍ、ｈ＝
１ｍｍで、各電流の経路長と計算すると、信号電流の経
路長とグランド電流の経路長との差は約１ｍｍとなる。
高周波数の信号周波数を４ＧＨｚとすれば、経路長の差
による位相差は約５°である。これは、従来の同条件で
の位相差の約１／６であり、インピーダンス整合の問題
が大きく改善される。これにより、整合のとれた状態で
外部と接続可能となり、また広帯域増幅器に適したパッ
ケージが得られ、高周波数帯域で使用される、高出力の
トランジスタの使用がこのパッケージで容易となる。

【００２３】多層基板３１の上面は、薄い金属製のキャ
ップ３０なので、熱ストレスの吸収が可能であり、さら
に多層基板３１を一回りする３つの側面と一つの底面と
の計４面だけが銅などの厚い金属で囲まれているので、
比較的自由度が大きいこと、口一材による熱ストレスの
吸収もあることとにより、多層基板３１は熱ストレスに
よる割れが発生することも少ない。

【００２４】尚、図３において、多層基板３１の主表面
の一方の金属層は、金属線４６を介して、インピーダン
ス整合器４７に接続される。このインピーダンス整合器
４７は、マイクロストリップライン等により、構成さ
れ、さらに半導体素子４５に接続される。

【００２５】また、多層基板３１は、二つに限らず、必
要に応じていくつでも取り付けることができる。内部の
半導体素子４５に共絡する電源電圧ラインは、このよう
な多層基板３１を用い、さらに分布定数からなるフィル
ターを介して半導体素子４５に接続してもよいが、この
他にステム基底部４４を貫通する同軸ケーブルを用い同
様にフィルターを介して半導体素子４５に接続してもよ
い。上記フィルターは、マイクロストリップ線路によ
り、ステム基底部４４上に容易に形成できる。

【００２６】図４は本発明の第２の実施例の多層基板の
部分を示す断面図であり、この多層基板３１′以外は、
上記第１の実施例と略共通するため、共通する部分の説
明は省略する。

【００２７】図４において、この実施例の多層基板３
１′は、ステム基底部４４が下部に存在せず、このため
このステム基底部４４とは３面で伝送ラインを形成す
る。この実施例の電流経路差も、第１の実施例と共通す
る。また、多層基板３１は、３面のみでステム基底部４
４に接着されるので、熱ストレスの自由度は、図１の実
施例よりも高くなり、パッケージの信頼度はさらに向上
する。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
上記課題が解決され、グラウンド電流と信号電流との経
路差が非常に小さく抑えられ、インピーダンス不整合を
小さくすることができるので機能素子の広帯域での使用
が可能になるという顕著な効果を奏する。

【００２９】さらに、本発明によれば、構造が簡単であ
り、製造し易く、また機械的にも強い構造のパッケージ
が得られ、高周波伝送損失の低く、高能率な機能素子を
備えたパッケージが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す斜視図である。

【図２】図１で使用される多層基板を示す断面図であ
る。

【図３】本発明の第１の実施例の多層基板の効果を示す
断面図である。

【図４】本発明の第２の実施例の多層基板を示す断面図
である。

【図５】（ｄ）、（ｂ）、（ｃ）は夫々従来の半導体装
置パッケージの平面図、断面図、信号ライン部分の断面
図である。

【符号の説明】

１３ ステム上部 １４ ステム基底部 １５ ステムリング １５ｃ、１５ｄ 金メッキ １６、１７ 絶縁部 １８、１９、４８ 信号ライン ３０ キャップ ３１、３１′ 多層基板 ３２ スルーホール ３３、３６ 接合面 ３５ 接合端 ４５ 半導体素子 ４６ 金属線 ４７ インピーダンス整合器 ４８ 信号ライン ５０、５１ 基板取付部 ５２、５３ 取付部

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主表面に少なくとも半導体素子が固着さ
   れる金属性基板と、少なくとも前記半導体素子を覆うよ
   うに、前記主表面に固着する接合面を有するキャップ
   と、前記半導体素子から前記キャップの外へ引き出され
   た入出力ラインとを備えた半導体装置パッケージにおい
   て、前記入出力ラインのうち前記キャップが固着する部
   分は、絶縁性基板とこの基板の内部を通過する内部導体
   と前記絶縁性基板を固着した前記金属性基板の外部導体
   とからなる伝送ラインとなっていることを特徴とする半
   導体装置パッケージ。
2. 【請求項２】 前記伝送ラインの外部導体は、前記金属
   性基板の三つの側面と一つの底面とからなる請求項１記
   載の半導体装置パッケージ。
3. 【請求項３】 前記伝送ラインの外部導体は、前記金属
   性基板の三つの側面からなる請求項１記載の半導体装置
   パッケージ。
4. 【請求項４】 前記絶縁性基板の主表面に部分的に金属
   層が形成され、この金属層が前記キャップの接合面と固
   着している請求項１記載の半導体装置パッケージ。
5. 【請求項５】 前記半導体素子は、高周波数帯増幅トラ
   ンジスタである請求項１記載の半導体装置。