JP5387133B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に導波管接続を含む半導体装置に関する。

近年の技術の発展に伴い、１Ｇｂｐｓを超える高速信号伝送や自動車レーダ用途など、ミリ波帯の電磁波の活用が広がっている。ミリ波帯など周波数の高い電磁波をマイクロストリップ線路やコプレーナ線路などの平面線路で伝送する場合、その周波数が高いため、線路内の誘電体によって誘電体損失が生じ、伝送する電磁波の減衰、つまり伝送損失が大きくなってしまう。したがって、平面線路よりも伝送効率の良い導波管を主に伝送路として使用することが多い。

しかしながら通信デバイスなどに使用されるミリ波半導体の入出力部分には平面線路の一種であるコプレーナ線路を介している場合が多く、特許文献１や特許文献２に示されているとおり、平面線路と導波管との間で電磁波を伝送する場合、両者の間に接続構造（変換器）が必要である。特許文献１の図１、特許文献２の図１、図６に示されている接続構造は、半導体基板から、半導体基板とは別に設けられた基板上に配設されたコプレーナ線路やマイクロストリップ線路などの平面線路を介して伝送された電磁波を、平面線路に形成されたスロットやプローブを放射源として導波管内に放射し、導波管内へと電磁波を伝搬させている。

特開２００６−３０３８５３号公報 特開２００４−０３２３２１号公報 特開２００８−２８３３８１号公報

しかしながら、この特許文献１、特許文献２に開示された構成にはいくつかの問題がある。

第１の問題点は、前記したように伝送効率の悪い平面線路を用いることである。すなわち、特許文献１の図１や特許文献２の図１に示されている接続構造は、コプレーナ線路やマイクロストリップ線路などの平面線路と導波管とを直接接触させて電磁波を伝播させる構成であり、伝送損失が大きな平面線路を使うことを前提としたものである。また、特許文献２の図６に示されている接続構造は平面線路と導波管とを直接接触させるものではないが、半導体基板からの電磁波を直接導波管へ伝送することはできず、やはり半導体基板と導波管との間に平面線路を使うことを前提としている。

前記したように、平面線路の伝送損失は導波管のそれより大きい。例えばＷＲ−２８導波管の伝送損失は４０ＧＨｚで約０．００５ｄＢ／ｃｍであるのに対し、アルミナ基板上のマイクロストリップ線路の損失は１ｄＢ／ｃｍである。さらに樹脂基板上のマイクロストリップ線路の損失はアルミナ基板上のマイクロストリップ線路と同等あるいはそれ以上の損失である。

昨今では１チップの半導体にて、マイクロ波、ミリ波の送受信機を作成することが可能であり、この場合、半導体を組み合わせるための配線基板は不要である。伝送損失の大きな配線基板を減らすことが出来るのが１チップ化のメリットであるが、上述の理由から、半導体基板からの電磁波を導波管へ伝送するための平面線路を設けた基板を完全になくすことが出来ない。その結果、半導体を１チップ化しても、平面線路にて大きな伝送損失が生じてしまう。

第２の問題点は、導波管では金属内壁面にて囲まれた空間内を電磁波が伝搬していくため、壁面が連続でないとその隙間の部分から電磁波が漏れだしてしまい、伝送損失が生じるので、平面線路と導波管を接合する場合は双方を隙間無く接合する必要があることである。それによって、コプレーナ線路やマイクロストリップ線路などの平面線路のグランドと導波管とを直接接続しなくてはならず、平面線路と導波管の接続構造が複雑化してしまう。

さらに、セラミックや樹脂で半導体基板をパッケージした場合、導波管と半導体基板とを電磁波が漏れることなく接合するためには、半導体基板と導波管の間に設けられる平面線路を、半導体基板からパッケージを貫通するようなグランド導体として形成し、そのグランド導体を介して導波管と半導体基板とを接続する必要があるため、半導体パッケージが複雑化してしまう。

本発明の目的は、上述した課題である、半導体基板と導波管とを接続するときには、平面線路を用いた接続構造が必要であり、かつ、半導体のパッケージの構造が複雑になってしまう、という問題を解決する、半導体装置を提供することである。

本発明の半導体装置は、半導体基板上に、電磁波を放射または受信する放射素子が少なくとも設けられている。そして少なくとも半導体基板および放射素子が誘電体で覆われてパッケージが形成されている。さらに、パッケージの表面と、開口部を有する中空の導波管とが接続されており、導波管は、半導体基板の、放射素子が設けられた面上に位置しており、電磁波を反射する反射素子が、半導体基板上に、放射素子の少なくとも一部と間隔を有して前記放射素子の周囲に配置され、反射素子の少なくとも一部と導波管の開口部とが対向している。

本発明によると、半導体基板上に設けられた放射素子と導波管との間で電磁波を直接伝送できるため、電磁波を高効率に伝送できる。また、半導体基板を覆うパッケージの構造が複雑化することもない。

本発明に係る半導体装置の一実施形態の概略構成図であり、（ａ）は上面の概略図、（ｂ）は（ａ）のＡＡ’断面の概略図である。 本発明に係る半導体装置の他の実施形態を示す断面概略図である。 本発明に係る半導体装置のさらに他の実施形態を示す断面概略図である。 図１に示す半導体装置に導体層を設けた場合の断面概略図である。

以下に、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の機能を有する構成には添付図面中、同一の番号を付与し、その説明を省略することがある。

図１は、本発明に係る半導体装置の実施形態の一例における概略図であり、（ａ）は上面の概略図、（ｂ）は（ａ）のＡＡ’断面の概略図である。なお、図１（ａ）において、実際には導波管以外はパッケージに覆われているが、本実施形態の詳細がわかるようにパッケージを省略して図示している。

シリコン（Ｓｉ）やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などで形成された半導体基板１０上には、マイクロ波やミリ波などの電磁波の送受信機能を有する活性素子部１１が設けられている。また、半導体基板１０上には、活性素子部１１から引き出された信号配線２１と、信号配線２１と接続しており、電磁波を放射および／または電磁波を受信する放射素子２２と、電磁波を反射する複数の反射素子２３とが設けられている。

信号配線２１、放射素子２２および、反射素子２３は、半導体基板１０上に形成された金属配線層の一部である。

電磁波を反射する複数の反射素子２３は、半導体基板１０上であり、信号配線２１および放射素子２２に直接接続しない位置に、放射素子２２を取り囲むように配置されている。そして、半導体基板１０、活性素子部１１、信号配線２１、放射素子２２、および反射素子２３の全体が誘電体材料で構成されたパッケージ３０によって覆われている。そして、パッケージ３０の表面には、導波管開口部５１の中心が放射素子２２の直上に位置するように、導波管５０が接続されている。このようにすることで、放射素子２２と導波管開口部５１の間を電磁波が高効率に伝送されるようにしている。なお、導波管５０の位置は、電磁波を伝送できればよく、この位置に限定されるものではない。

次に本発明の半導体装置についてより詳細に説明する。

半導体基板１０の表面には活性素子部１１が形成されている。活性素子部１１の一例はマイクロ波やミリ波の電磁波を生成できるものであり、一般的にはシリコン（Ｓｉ）やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などが広く使われているが、電磁波を生成することが可能であればシリコンやガリウムヒ素に限る必要はない。ただし、活性素子部１１は、電磁波を生成する送信機に限られず、入射された電磁波を受信して処理する機能を有する受信機、電磁波の送信と受信を行う送受信機、または、トランジスタなどの単機能素子のみで構成してあってもよい。以降、活性素子部１１が送信機である例について説明を行う。

活性素子部１１にて生成された電磁波は信号配線２１を介して放射素子２２へと伝送される。信号配線２１および放射素子２２は半導体基板１０上に形成された金属配線層の一部である。信号配線２１および放射素子２２は、電磁波を伝送するために、金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）などの導体損失の小さな材料から形成されるのが最適であるが、他の金属材料から形成されていても本発明の効果を何ら妨げるものではない。放射素子２２は１層の金属配線層のみで電磁波を効率的に放射できるパッチアンテナ構造が最適である。放射効率の良いパッチアンテナの寸法は、たとえば式１を満たす様な方形形状であることが知られている。もちろん放射素子２２の構造はこの構造に限るものではなく、電磁波を放射できる構造であれば問題ない。
[式１]

ただし、ｆ：共振周波数、ｃ：光速、Ｌ：正方形パッチの一辺の長さ、ε：比誘電率

本発明は活性素子部１１にて生成された電磁波を導波管５０へと伝送することが目的であり、放射素子２２から空間へ放射された電磁波はすべて導波管５０へと伝送されることが望ましい。そこで、放射素子２２の周囲に複数の反射素子２３を配置することで放射素子からの側方への放射を抑制する。

反射素子２３は金属配線層をパターニングして形成することの出来る電磁バンドギャップ構造（ＥＢＧ構造）が最適である。ＥＢＧ構造は例えば特許文献３に例示されるとおり、金属配線層を方形などの形状に形成した金属パッチ２３ａを周期的に設ける周期構造と、金属パッチ２３ａをグランドに接続させる短絡ピン２３ｂなどを設けるための、半導体基板１０と金属パッチの間を連通するスルーホールとで形成することができ、半導体基板１０上に容易に形成することが出来る（特許文献３参照）。加えて通常の半導体形成プロセスにてＥＢＧ構造は形成できるので、新たな製造装置など導入する必要がなく、設備投資などに起因する特別な追加製造コストを必要としない。一方、ＥＢＧ構造は電磁波を良好に反射することが出来るため、放射素子２２側方に電磁波が漏れ出すことを防ぐことが出来る。なお反射素子２３はＥＢＧ構造に限るものではなく、放射素子２２から放射された電磁波を反射することが出来れば他の構造でも問題ないことは言うまでもない。

半導体基板１０は入出力電極を形成する図１および図２に図示しない金属にて形成されたリードフレーム上に配設され、接続されることが多い。このため放射素子２２から下方に放射された電磁波は、リードフレームにより反射されるため、放射素子２２からの電磁波は半導体基板１０の上方および側方に放射される。したがって、放射素子２２から放射された電磁波を、効率よく導波管５０へと伝送することが出来る。

なお活性素子部１１が電磁波を受信機の機能を持つ際には、電磁波の流れが上記動作の逆となるだけであり、その効果は同等である。

以上により、放射素子２２から放射された電磁波が効率的に導波管５０へのみ放射され、伝送される。すなわち、本実施形態では、関連技術のように半導体基板１０または半導体基板１０に接続された平面線路と導波管５０との直接接触によって電磁波を伝送させるのではなく、半導体基板１０に接続された放射素子２２が放射する電磁波を、放射素子２２と導波管５０との間の空間を伝送させる。したがって、関連技術のように、導波管５０と平面線路のグランドとを直接接合する必要がなく、また半導体基板１０に、平面線路が設けられた追加の配線基板などを付加する必要もない。そのため接続構造（変換器）も不要である。したがって、半導体基板１０から導波管５０へ電磁波を高効率で伝送できる。また、半導体基板１０を覆うパッケージの構造が複雑化することもない。

なおパッケージ３０はエポキシ樹脂にて形成するトランスファーモールド法が一般的であるが、他の樹脂材料あるいは樹脂以外の材料であっても、他のパッケージ構造であっても何ら問題ないことは言うまでもない。

また、図１および図２では反射素子２３を１つの方向に対して１列に配置したが、１つの方向に対して２列に配置しても良く、あるいはそれ以上の列をなすように配置しても何ら問題はない。

以上の説明は活性素子部１１が送信機である場合を例示したものであるが、活性素子部１１が受信機である場合には、導波管５０内を伝送する電磁波を、放射素子２２を介して受信機（活性素子部１１）に導いて、受信機にて処理することができる。活性素子部１１が送受信機である場合には、放射素子２２にて電磁波の放射と受信の両方を行えばよい。そして、本発明の放射素子２２は、前記した例のように電磁波を放射する機能のみを有するもののみならず、電磁波を受信する機能も有する場合もある。

本発明の半導体装置の他の実施形態について説明する。

図２に、本発明の半導体装置の他の実施の形態を表す概略断面図を示す。なお、上記の実施形態と同一のものについては説明を省略する。

本実施形態では、パッケージ３０の一部を導波管５０に内接させることによって位置決めするような構造にすることで、放射素子２２と導波管５０の位置あわせを容易にし、放射素子２２から放射される電磁波をさらに効率よく導波管５０へと放射することが出来る。

具体的には、パッケージ３０の導波管５０が設置される位置に、凸状の突起である凸型ガイド３０ａが設けられている。凸型ガイド３０ａは導波管５０に内接するような形状であり、放射素子２２の直上にある。また、凸型ガイド３０ａと放射素子２２の中心が一致するように配置する。これにより、導波管５０をパッケージ３０へと接続する際、導波管５０を最適位置、つまり、導波管開口部５１の中心と放射素子２２の中心を容易に位置合わせすることができる。

凸型ガイド３０ａの高さは導波管５０を位置あわせ出来る高さであれば構わないが、パッケージ３０は誘電体材料にて構成されるため、凸型ガイド３０ａの高さが高いと導波管内が誘電体で満たされることとなり、誘電体損失が生じたり、伝搬モードが所望のモードとならなかったりする場合がある。そのため凸型ガイド３０ａの高さは伝搬する電磁波の波長の１／４波長以下であることが望ましい。

本発明の半導体装置のさらに他の実施形態について説明する。

図３に、本発明の半導体装置のさらに他の実施の形態を表す概略断面図を示す。なお、上記の実施形態と同一のものについては説明を省略する。

第２の実施の形態のパッケージ３０の表面にパターニングした金属などの導体層を配置することで、さらに効率よく電磁波を放射素子２２から導波管５０へと放射することが出来る。

凸型ガイド３０ａの表面かつ放射素子２２の直上に真空蒸着やスパッタリングなどで金属パターン４０を設ける。このようにすることで、金属パターン４０は導波器のような働きをすることになり、放射素子２２と金属パターン４０との間を電磁気的に強結合させることができるため、放射素子２２から放射される電磁波が金属パターン４０へと伝送される。そして金属パターン４０から導波管５０内へとあらためて電磁波が放射される。金属パターン４０は凸型ガイド３０ａ表面にあるため、導波管５０内部に存在し、導波管内部の金属パターン４０から電磁波が導波管５０へと放射されるため、非常に効率よく導波管５０へと電磁波を伝送することが出来る。

金属パターン４０の形状は、放射素子２２の形状と同一であることが最適であるが、同一の形状に限らず、放射素子２２とインピーダンス整合し、電磁気的に強結合出来る形状であれば問題ないことは言うまでもない。また金属パターン４０の厚みは導波管５０を伝送する電磁波の表皮深さ以上あることが望ましいが、表皮深さ以下の厚さでも本発明の効果を妨げるものではない。さらに金属パターン４０の材質も金や銅などの導体損失の小さな金属が最適であるが、他の金属で問題ないことも言うまでもない。

また、図４に示すように、第１の実施形態のようにパッケージ３０上に凸型ガイド３０ａが設けられていない場合でも、導体層である金属パターン４０をパッケージ３０の平坦な表面上、かつ導波管５０の開口部５１の内部に設けることで、上記の実施形態と同様な効果が得られる。

本発明の半導体装置の使用例としては、ミリ波を使用した大容量デジタル信号伝送装置やレーダ装置、および通信装置などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

１０ 半導体基板
１１ 活性素子部
２１ 信号配線
２２ 放射素子
２３ 反射素子
２３ａ金属パッチ
２３ｂ短絡ピン
３０ パッケージ
３０ａ凸型ガイド
４０ 金属パターン
５０ 導波管
５１ 導波管開口部

Claims (22)

1. 半導体基板上に、電磁波を放射または受信する放射素子が少なくとも設けられ、少なくとも前記半導体基板および前記放射素子が誘電体で覆われてパッケージが形成されており、前記パッケージの表面と、開口部を有する中空の導波管とが接続されている半導体装置であり、
   前記導波管は、前記半導体基板の、前記放射素子が設けられた面上に位置しており、
   前記電磁波を反射する反射素子が、前記半導体基板上に、前記放射素子の少なくとも一部と間隔を有して前記放射素子の周囲に配置され、
   前記反射素子の少なくとも一部と前記導波管の前記開口部とが対向している、半導体装置。
2. 前記反射素子は、前記開口部の外周と対向する位置に配置されている、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記反射素子は、前記放射素子の周囲を囲むように配置されている、請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記放射素子の少なくとも一部と前記導波管の前記開口部とが対向している、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記導波管の前記開口部の中心と前記放射素子の位置とが水平方向で同じ位置である、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記反射素子は電磁バンドギャップ構造である、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記パッケージの表面上、かつ前記導波管の前記開口部の内部に導体層が設けられている、請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記パッケージは、前記導波管の端部が接続される位置に前記導波管の開口部と内接する凸形状の突起部を有している、請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記突起部の外周と対向する位置に前記反射素子が位置している、請求項８に記載の半導体装置。
10. 前記凸形状の突起部の高さは、前記電磁波の波長をλとすると、λ／４以下である、請求項８または９に記載の半導体装置。
11. 前記凸形状の前記突起部の先端表面上に導体層が設けられている、請求項８から１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
12. 前記導体層は、前記放射素子とインピーダンス整合し、強結合出来る形状である、請求項７または１１に記載の半導体装置。
13. 半導体基板上に、電磁波を放射する放射素子を少なくとも設け、少なくとも前記半導体と前記放射素子とを誘電体で覆いパッケージを形成し、前記パッケージの表面に、前記放射素子が放射した前記電磁波を伝送する開口部を有する中空の導波管が接続された半導体装置の電磁波の伝送方法であり、
    前記導波管を、前記パッケージの、前記半導体基板の前記放射素子が設けられた面上に配置し、
    前記電磁波を反射する反射素子を、前記半導体基板上に、前記放射素子の少なくとも一部と間隔をあけて前記放射素子の周囲に配置し、
    前記放射素子からの電磁波を前記導波管に伝送させ、前記反射素子に向かってくる前記電磁波を前記反射素子により反射させる、電磁波の伝送方法。
14. 半導体基板上に、電磁波を受信する放射素子を少なくとも設け、少なくとも前記半導体基板と前記放射素子とを誘電体で覆いパッケージを形成し、前記パッケージの表面に、前記放射素子へ前記電磁波を伝送する開口部を有する中空の導波管が接続された半導体装置の電磁波の伝送方法であり、
    前記導波管を、前記パッケージの、前記半導体基板の前記放射素子が設けられた面上に配置し、
    前記電磁波を反射する反射素子を、前記半導体基板上に、前記放射素子の少なくとも一部と間隔をあけて前記放射素子の周囲に配置し、
    前記導波管の前記開口部からの電磁波を前記放射素子に伝送させ、前記反射素子に向かってくる前記電磁波を前記反射素子により反射させる、電磁波の伝送方法。
15. 前記反射素子を、前記開口部の外周と対向する位置に配置する、請求項１３または１４に記載の電磁波の伝送方法。
16. 前記反射素子を前記放射素子の周囲を囲むように配置する、請求項１５に記載の電磁波の伝送方法。
17. 前記放射素子の少なくとも一部と前記導波管の前記開口部とを対向させる、請求項１３から１６のいずれか１項に記載の電磁波の伝送方法。
18. 前記導波管の前記開口部の中心と前記放射素子の位置とを水平方向で同じ位置に配置する、請求項１３から１７のいずれか１項に記載の電磁波の伝送方法。
19. 前記パッケージの表面上、かつ前記導波管の前記開口部の内側にあたる位置に導体層を設け、前記放射素子と前記導体層をインピーダンス整合し、強結合させる、請求項１３から１８のいずれか１項に記載の電磁波の伝送方法。
20. 前記パッケージの前記導波管の接続される位置に凸形状の突起部を設け、前記突起部で前記導波管の開口部に内接させる、請求項１３から１９のいずれか１項に記載の電磁波の伝送方法。
21. 前記凸形状の前記突起部の高さを、前記電磁波の波長をλとすると、λ／４以下になるようにする、請求項２０に記載の電磁波の伝送方法。
22. 前記凸形状の前記突起部の先端表面上に導体層を設け、前記放射素子と前記導体層をインピーダンス整合し、強結合させる、請求項２０または２１に記載の電磁波の伝送方法。

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