JP3176337B2 - Mounting structure of high frequency semiconductor package - Google Patents
- ️Mon Jun 18 2001
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は高周波用半導体パッ
ケージの実装構造に関するもので、特に、マイクロ波帯
からミリ波帯領域の高周波用の半導体素子を収納あるい
は搭載した高周波用半導体パッケージを、高周波信号の
伝送損失を低減して外部回路基板に接続するための実装
構造に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a mounting structure of a high-frequency semiconductor package, and more particularly, to a high-frequency semiconductor package containing or mounting a high-frequency semiconductor element in a microwave band to a millimeter-wave band. And a mounting structure for connecting to an external circuit board by reducing transmission loss.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、マイクロ波やミリ波の信号を取り
扱う高周波用半導体パッケージは、例えば、誘電体から
成る絶縁基板、枠体および蓋体により形成された空所
（キャビティ）に半導体素子を収納して気密に封止され
た構造が提案されている。かかる構造からなる高周波用
半導体パッケージ内の半導体素子に対する高周波信号の
入出力及び、パッケージの外部回路基板への実装は、誘
電体基板表面に形成され、高周波用の半導体素子と電気
的に接続されたストリップ線路等の信号伝送線路を枠体
を通して空所の内側から外側に引き出し、これを更に絶
縁基板の側面を経由して裏面に引き回して接続用高周波
端子と接続され、その接続端子と外部回路基板の配線層
とを半田等の接着剤を介して接続していた。2. Description of the Related Art Conventionally, a high-frequency semiconductor package for handling microwave or millimeter-wave signals has a semiconductor element housed in a cavity formed by an insulating substrate made of a dielectric, a frame and a lid, for example. A structure that is hermetically sealed is proposed. The input and output of high-frequency signals to and from the semiconductor element in the high-frequency semiconductor package having such a structure and the mounting of the package on an external circuit board were formed on the surface of the dielectric substrate and electrically connected to the high-frequency semiconductor element. A signal transmission line such as a strip line is drawn out from the inside of the space through the frame body to the outside, and the wire is further routed to the back surface via the side surface of the insulating substrate to be connected to the high-frequency terminal for connection. Is connected to the wiring layer via an adhesive such as solder.
【０００３】またその他に、高周波用半導体パッケージ
の絶縁基板の裏面に接続用高周波端子を形成し、この高
周波端子と半導体素子とを絶縁基板内を貫通して形成さ
れたスルーホール導体を介して接続した高周波用半導体
パッケージが提案されている。この高周波用半導体パッ
ケージも前記と同様、高周波端子と外部回路基板の配線
層を半田等の接着剤を介して接続していた。In addition, a high-frequency terminal for connection is formed on the back surface of the insulating substrate of the high-frequency semiconductor package, and the high-frequency terminal and the semiconductor element are connected via a through-hole conductor formed through the insulating substrate. A high-frequency semiconductor package has been proposed. In this semiconductor package for high frequency, similarly to the above, the high frequency terminal and the wiring layer of the external circuit board are connected via an adhesive such as solder.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
高周波用半導体パッケージをミリ波帯で用いた場合、ス
トリップ線路等の信号伝送線路を枠体を通して空所の内
側から外側に引き出した際、枠体通過部で信号線路がマ
イクロストリップ線路からストリップ線路へと変換され
るため、信号線路幅を狭くする必要がある。その結果、
この通過部で反射損、放射損が発生しやすいため高周波
信号の特性劣化が起こりやすくなるという問題があっ
た。また、信号伝送線路を絶縁基板の側面で曲折するこ
とから、反射が大きくなり特性の劣化が生じた。However, when the former high-frequency semiconductor package is used in the millimeter-wave band, when a signal transmission line such as a strip line is pulled out from the inside of the space through the frame to the outside, the frame is closed. Since the signal line is converted from the microstrip line to the strip line in the passing portion, it is necessary to reduce the width of the signal line. as a result,
There is a problem that the reflection loss and the radiation loss easily occur in the passing portion, so that the characteristics of the high-frequency signal are likely to deteriorate. In addition, since the signal transmission line is bent at the side surface of the insulating substrate, reflection is increased and characteristics are deteriorated.
【０００５】また、後者のパッケージにおいては、スル
ーホール導体を絶縁基板の裏面に導出して信号線路とし
て用いると、４０ＧＨｚ以上で急激な特性の劣化が生じ
るため、高周波領域で使用することが困難であった。In the latter package, when the through-hole conductor is led out to the back surface of the insulating substrate and used as a signal line, the characteristics deteriorate sharply at 40 GHz or more, so that it is difficult to use the high-frequency region. there were.
【０００６】そこで本発明者等は、高周波用半導体パッ
ケージとして、電磁結合の機構を組み込み、低損失で信
号線路を伝送することができるパッケージを提案した。
（特開平０９−１８６２６８）。しかしながら、この高
周波用半導体パッケージも外部回路基板の配線層に実装
する場合、外部回路基板の誘電率が７以上になると伝送
特性は劣化し、高周波領域で使用することが困難とな
り、外部回路基板の材種が限定されるものであった。Accordingly, the present inventors have proposed a package capable of transmitting a signal line with low loss by incorporating an electromagnetic coupling mechanism as a high-frequency semiconductor package.
(JP-A-09-186268). However, when this high-frequency semiconductor package is also mounted on the wiring layer of the external circuit board, if the dielectric constant of the external circuit board becomes 7 or more, the transmission characteristics deteriorate, making it difficult to use in a high-frequency region. The grade was limited.
【０００７】従って、本発明は、高周波用半導体パッケ
ージを外部回路基板に実装する際、外部回路基板への表
面実装が可能で、かつ高周波信号の伝送特性の劣化を低
減し、あらゆる外部回路基板に実装できる高周波用半導
体パッケージの外部回路基板への実装構造を提供するこ
とを目的とするものである。Therefore, the present invention is capable of mounting a high-frequency semiconductor package on an external circuit board by surface mounting on the external circuit board, reducing the deterioration of the transmission characteristics of high-frequency signals, and applying to any external circuit board. It is an object of the present invention to provide a mounting structure of a high-frequency semiconductor package that can be mounted on an external circuit board.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明者等は、高周波用
半導体パッケージにおいて、高周波信号の特性劣化を発
生することなく外部回路基板に表面実装が可能となる構
成について検討を重ねた結果、半導体素子搭載面側と、
誘電体基板の裏面にそれぞれ信号伝送線路を形成し、そ
れらを結合してなる高周波用半導体パッケージを、外部
回路基板の配線層に実装する際に、高周波用半導体パッ
ケージの結合領域に隣接する外部回路基板に凹部の空洞
部を形成することにより、実装時における伝送損失の低
減を図ることができることを見いだしたものである。Means for Solving the Problems The present inventors have repeatedly studied a configuration of a high-frequency semiconductor package capable of being surface-mounted on an external circuit board without deteriorating characteristics of a high-frequency signal. Element mounting surface side,
When the signal transmission lines are formed on the back surface of the dielectric substrate, and the high-frequency semiconductor package formed by connecting them is mounted on the wiring layer of the external circuit board, the external circuit adjacent to the coupling region of the high-frequency semiconductor package is mounted. It has been found that by forming a hollow portion of a concave portion on a substrate, transmission loss during mounting can be reduced.
【０００９】即ち、本発明の高周波用半導体パッケージ
の実装構造は、誘電体基板と蓋体により形成されるキャ
ビティ内部に高周波用半導体素子が搭載され、前記キャ
ビティ内部の前記誘電体基板の表面に、前記半導体素子
と電気的に接続された第１の信号伝送線路と、前記誘電
体基板の裏面に第２の信号伝送線路とを形成し、前記第
１の信号伝送線路と第２の信号伝送線路とを結合させて
なる高周波用半導体パッケージを、前記第２の信号伝送
線路の終端部に形成された接続部を介して外部回路基板
の配線層に実装してなるものであって、前記第１の信号
伝送線路と前記第２の信号伝送線路を前記誘電体基板を
貫通するように形成されたスルーホール導体によって結
合するとともに、前記スルーホール導体の直下に位置す
る前記外部回路基板表面に空洞部を設けたことを特徴と
するものである。That is, according to the mounting structure of the high frequency semiconductor package of the present invention, a high frequency semiconductor element is mounted inside a cavity formed by a dielectric substrate and a lid, and the surface of the dielectric substrate inside the cavity is A first signal transmission line electrically connected to the semiconductor element; and a second signal transmission line formed on a back surface of the dielectric substrate, wherein the first signal transmission line and the second signal transmission line are formed. And a high-frequency semiconductor package formed by coupling the first and second signal transmission lines to a wiring layer of an external circuit board via a connection portion formed at a terminating end of the second signal transmission line. And the second signal transmission line are coupled by a through-hole conductor formed so as to penetrate the dielectric substrate, and the external circuit board positioned immediately below the through-hole conductor. In which it characterized in that a cavity in the surface.
【００１０】本発明の実装構造によれば、高周波用半導
体パッケージの半導体素子と前記キャビティ内部の前記
誘電体基板の表面に形成された前記半導体素子と電気的
に接続された第１の信号伝送線路と、前記誘電体基板の
裏面に形成された第２の信号伝送線路とがスルーホール
導体によって結合された結合領域の直下にに位置する外
部回路基板に凹部の空洞部（比誘電率が１）を設けるこ
とにより、マイクロストリップ線路部の実効誘電率、特
性インピーダンス、接続用スルーホール導体周辺の寄生
インダクタンスが急激に変化することがないため、伝送
特性の劣化が少なく良好に高周波信号を伝送することが
できる。According to the mounting structure of the present invention, the first signal transmission line electrically connected to the semiconductor element of the high-frequency semiconductor package and the semiconductor element formed on the surface of the dielectric substrate inside the cavity. And a second signal transmission line formed on the back surface of the dielectric substrate and a cavity portion (relative permittivity of 1) of a concave portion in the external circuit substrate located immediately below a coupling region coupled by a through-hole conductor. , The effective dielectric constant of the microstrip line portion, characteristic impedance, and the parasitic inductance around the through-hole conductor for connection do not change abruptly. Can be.
【００１１】[0011]
【発明の実施の形態】図１は、本発明の高周波用半導体
パッケージの実装構造の断面図を示す。図１の高周波用
半導体パッケージ１９は、誘電体材料からなる誘電体基
板２と蓋体３によってキャビティ４が形成されており、
そのキャビティ４内には、ＩＣ等の半導体素子５が搭載
されている。誘電体基板２内には、グランド層６がほぼ
全面にわたり形成され、キャビティ４内の誘電体基板２
表面に第１の信号伝送線路７が形成され、誘電体基板２
の裏面には、第２の信号伝送線路８が形成されている。
この第１の信号伝送線路７および第２の信号伝送線路８
は、いずれも誘電体基板２内部に設けられたグランド層
６とともにマイクロストリップ線路を形成している。FIG. 1 is a sectional view showing a mounting structure of a high-frequency semiconductor package according to the present invention. In the high-frequency semiconductor package 19 shown in FIG. 1, a cavity 4 is formed by a dielectric substrate 2 and a lid 3 made of a dielectric material.
A semiconductor element 5 such as an IC is mounted in the cavity 4. A ground layer 6 is formed over substantially the entire surface of the dielectric substrate 2, and the dielectric substrate 2 in the cavity 4 is formed.
The first signal transmission line 7 is formed on the surface, and the dielectric substrate 2
The second signal transmission line 8 is formed on the back surface of the second signal transmission line.
The first signal transmission line 7 and the second signal transmission line 8
Form a microstrip line together with the ground layer 6 provided inside the dielectric substrate 2.
【００１２】そして、第１の信号伝送線路７と第２の信
号伝送線路８とは、互いの終端部同士を誘電体基板２を
貫通するように設けられたスルーホール導体２０によっ
て結合されている。なお、誘電体基板２内にグランド層
６が形成されている場合、スルーホール導体２０は、グ
ランド層６と接触しないようにグランド層６に設けられ
た空孔２１を貫通する位置に設けられている。The first signal transmission line 7 and the second signal transmission line 8 are connected to each other by a through-hole conductor 20 provided so as to penetrate through the dielectric substrate 2 at their terminal portions. . When the ground layer 6 is formed in the dielectric substrate 2, the through-hole conductor 20 is provided at a position penetrating the hole 21 provided in the ground layer 6 so as not to contact the ground layer 6. I have.
【００１３】図２は、図１の高周波用半導体パッケージ
１９のキャビティ４内の誘電体基板２表面の配線を説明
するための図である。第１の信号伝送線路７は、誘電体
基板２に形成されたスルーホール導体２０を介して誘電
体基板２の裏面に形成された第２の信号伝送線路８と接
続されている。そして、スルーホール導体２０の周辺に
は、インピーダンス整合用スルーホール導体２２が形成
されている。このスルーホール導体２２は結合用のスル
ーホール導体２０の周囲に一本以上形成することが望ま
しい。FIG. 2 is a diagram for explaining wiring on the surface of the dielectric substrate 2 in the cavity 4 of the high-frequency semiconductor package 19 of FIG. The first signal transmission line 7 is connected to a second signal transmission line 8 formed on the back surface of the dielectric substrate 2 via a through-hole conductor 20 formed on the dielectric substrate 2. Around the through-hole conductor 20, an impedance matching through-hole conductor 22 is formed. It is preferable that one or more through-hole conductors 22 are formed around the through-hole conductor 20 for coupling.
【００１４】図３は、図１の高周波用半導体パッケージ
１９の誘電体裏面の配線を説明するための図である。図
３によれば、第２の信号伝送線路８は、その終端部（外
部回路基板との接続部）において、マイクロストリップ
線路の中心導体の両脇にグランド層１５をもったグラン
ド付きコプレーナ線路に変換されている。尚、このグラ
ンド層１５は誘電体基板２内部に形成されたグランド層
６とビアホール導体１６によって接続されている。な
お、グランド層１５とグランド層６との接続は、ビアホ
ール導体１６以外に、誘電体基板２の側面に形成したキ
ャスタレーションによっても接続することができる。FIG. 3 is a diagram for explaining wiring on the dielectric back surface of the high-frequency semiconductor package 19 of FIG. According to FIG. 3, the second signal transmission line 8 is a coplanar line with a ground having a ground layer 15 on both sides of the center conductor of the microstrip line at the end portion (connection portion with the external circuit board). Has been converted. The ground layer 15 is connected to the ground layer 6 formed inside the dielectric substrate 2 by a via-hole conductor 16. The ground layer 15 and the ground layer 6 can be connected by castellation formed on the side surface of the dielectric substrate 2 in addition to the via hole conductor 16.
【００１５】一方、外部回路基板１０には、図４の外部
回路基板１０の配線を説明するための平面図に示すよう
に、パッケージ１９に形成されたスルーホール導体２０
の直下に位置する領域において、空洞部１１が形成され
ている。かかる空洞部１１の形状及び寸法は、高周波用
半導体パッケージ１９の使用周波数によって異なるが、
６０ＧＨｚの場合、概ね縦横１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ
以下、高さ０．３ｍｍ以上にて空洞部１１を形成するこ
とが望ましい。On the other hand, as shown in a plan view for explaining the wiring of the external circuit board 10 in FIG.
The cavity 11 is formed in a region located immediately below the cavity 11. The shape and dimensions of the hollow portion 11 vary depending on the operating frequency of the high-frequency semiconductor package 19,
In the case of 60 GHz, the height and width are generally 1.0 mm or more and 3.0 mm
Hereinafter, it is desirable to form the cavity 11 with a height of 0.3 mm or more.
【００１６】そして、図３に示したパッケージ裏面の第
２の信号伝送線路の終端部に形成されたグランド付きコ
プレーナ線路と、図４に示したコプレーナ線路またはグ
ランド付きコプレーナ線路とを半田バンプにより、配線
層１２における中心導体６，１７同士およびグランド層
１５、１８同士を接続することにより、パッケージ１９
を外部回路基板１０に対して実装することができる。な
お、電源用配線層１４ｃは、外部回路基板１０の表面に
形成された電源用配線層１２’と半田等により電気的に
接続される。The grounded coplanar line formed at the end of the second signal transmission line on the back surface of the package shown in FIG. 3 and the coplanar line or the grounded coplanar line shown in FIG. By connecting the center conductors 6 and 17 in the wiring layer 12 and the ground layers 15 and 18 to each other,
Can be mounted on the external circuit board 10. The power supply wiring layer 14c is electrically connected to the power supply wiring layer 12 'formed on the surface of the external circuit board 10 by soldering or the like.
【００１７】なお、上記実施態様において、高周波用半
導体パッケージ１９の誘電体基板２や外部回路基板１０
は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ガラスセラミックス、窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）等のセ
ラミックスや、有機樹脂、あるいは有機樹脂と無機質フ
ィラーとの複合材料からなる有機質絶縁材料によって形
成されるが、高周波信号の伝送損失を小さくするために
は、信号伝送線路の導体としてＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ等の低
抵抗導体を用いることが望ましく、この点からは前記誘
電体基板２は焼成温度が８００〜１０００℃程度のガラ
スセラミックスが最適であり、この組み合わせにより誘
電体基板と第１および第２の信号伝送線路７、８やグラ
ンド層６、１５との同時焼成も可能となる。In the above embodiment, the dielectric substrate 2 and the external circuit board 10 of the semiconductor package 19 for high frequency are used.
Is an organic insulating material made of ceramics such as alumina (Al 2 O 3 ), glass ceramics, aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), an organic resin, or a composite material of an organic resin and an inorganic filler. In order to reduce the transmission loss of a high-frequency signal, it is desirable to use a low-resistance conductor such as Ag, Cu, or Au as the conductor of the signal transmission line. A glass ceramic having a firing temperature of about 800 to 1000 ° C. is optimal, and this combination enables simultaneous firing of the dielectric substrate and the first and second signal transmission lines 7 and 8 and the ground layers 6 and 15.
【００１８】なお、蓋体３は、キャビティ４からの電磁
波が外部に漏洩するのを防止できる材料から構成され、
金属、セラミックス、セラミックス金属複合材料、ガラ
スセラミックス、ガラス有機樹脂系複合材料等により形
成される。The cover 3 is made of a material capable of preventing the electromagnetic wave from the cavity 4 from leaking outside.
It is formed of metal, ceramics, ceramic-metal composite material, glass ceramics, glass organic resin-based composite material, and the like.
【００１９】[0019]
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明は半導体素子
搭載面側と誘電体基板の裏面に信号伝送線路を形成し、
それらを結合した高周波用半導体パッケージを、外部回
路基板の配線層に実装する構造において、高周波用半導
体パッケージの前記結合領域に隣接する外部回路基板に
凹部の空洞部を形成することにより、あらゆる外部回路
基板に対して実装時における伝送損失を低減できること
できる。As described above in detail, according to the present invention, a signal transmission line is formed on a semiconductor element mounting surface side and a back surface of a dielectric substrate.
In a structure in which the high-frequency semiconductor package obtained by coupling them is mounted on a wiring layer of an external circuit board, all external circuits can be formed by forming a concave cavity in the external circuit board adjacent to the coupling region of the high-frequency semiconductor package. Transmission loss during mounting on a substrate can be reduced.
【図１】本発明の高周波用半導体パッケージを外部回路
基板に表面実装した実装構造の一例を説明するための概
略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a mounting structure in which a high-frequency semiconductor package of the present invention is surface-mounted on an external circuit board.
【図２】図１における高周波用半導体パッケージのキャ
ビティ内の配線を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining wiring in a cavity of the high-frequency semiconductor package in FIG. 1;
【図３】図１における高周波用半導体パッケージの裏面
に形成した配線を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining wiring formed on the back surface of the high-frequency semiconductor package in FIG. 1;
【図４】図１における外部回路基板表面の配線を説明す
るための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining wiring on the surface of the external circuit board in FIG. 1;
１９ 高周波用半導体パッケージ ２ 誘電体基板 ３ 蓋体 ４ キャビティ ５ 半導体素子 ６ グランド層 ７ 第１の信号伝送線路 ８ 第２の信号伝送線路 １０ 外部回路基板 １１ 空洞部 １２ 配線層 １２’ 電源用配線層 １３ バンプ １４ａ 電源層 １４ｂ スルーホール導体 １４ｃ 電源用配線層 １５ グランド層 １６ ビアホール導体 １７ 中心導体 １８ グランド層 ２０ スルーホール導体 ２２ インピーダンス整合用スルーホール導体 ２１ 空孔 Reference Signs List 19 High frequency semiconductor package 2 Dielectric substrate 3 Lid 4 Cavity 5 Semiconductor element 6 Ground layer 7 First signal transmission line 8 Second signal transmission line 10 External circuit board 11 Cavity 12 Wiring layer 12 'Power wiring layer DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 Bump 14a Power supply layer 14b Through-hole conductor 14c Power supply wiring layer 15 Ground layer 16 Via-hole conductor 17 Center conductor 18 Ground layer 20 Through-hole conductor 22 Through-hole conductor for impedance matching 21 Void
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 23/02 H05K 1/02 H05K 1/18 H01P 3/08 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 23/02 H05K 1/02 H05K 1/18 H01P 3/08