特許 5658826 モノリシックマイクロ波集積回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5658826

(24)【登録日】2014年12月5日

(45)【発行日】2015年1月28日

(54)【発明の名称】モノリシックマイクロ波集積回路

(51)【国際特許分類】

   H01P 5/08 20060101AFI20150108BHJP

   H01P 3/08 20060101ALI20150108BHJP

【ＦＩ】

   H01P5/08 M

   H01P3/08

   H01P5/08 L

【請求項の数】9

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-528218(P2013-528218)

(86)(22)【出願日】2011年8月25日

(65)【公表番号】特表2013-538019(P2013-538019A)

(43)【公表日】2013年10月7日

(86)【国際出願番号】US2011049039

(87)【国際公開番号】WO2012033641

(87)【国際公開日】20120315

【審査請求日】2013年4月16日

(31)【優先権主張番号】12/879,044

(32)【優先日】2010年9月10日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】503455363

【氏名又は名称】レイセオン カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100075270

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100096013

【弁理士】

【氏名又は名称】富田 博行

(74)【代理人】

【識別番号】100092967

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 修

(74)【代理人】

【識別番号】100162846

【弁理士】

【氏名又は名称】大牧 綾子

(72)【発明者】

【氏名】レザ，シャヒード

(72)【発明者】

【氏名】スウィダースキ，エドワード

(72)【発明者】

【氏名】アルム，ロバート・ダブリュー

【審査官】 安藤 一道

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−２９９４２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０６４２５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１９７６７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１２９０７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第５６１４４４２（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｐ ５／０８

Ｈ０１Ｐ ３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

モノリシックマイクロ波集積回路構造であって、
半導体基板構造を含み、前記半導体基板構造は、
複数の能動素子と、入力セクション、出力セクション、及び前記能動素子を一方の表面上に電気的に相互接続する相互接続セクションとを有するマイクロ波伝送線と、であって、マイクロ波伝送線は共平面導波路伝送線であることを特徴とする、複数の能動素子と、マイクロ波伝送線と、
相互接続セクションをオーバーレイし、入力セクション及び出力セクションのうち少なくとも１つはオーバーレイしない、反対の表面上の金属層
とを含む、モノリシックマイクロ波集積回路構造。

【請求項2】

モノリシックマイクロ波集積回路構造であって、
半導体基板構造と、
前記基板構造の底部表面の一部に形成された複数の能動素子と、
前記基板構造の底部表面上に形成されたマイクロ波伝送線であって、入力セクションと、出力セクションと、入力セクションと出力セクションとの間に電気的に接続された相互接続セクションとを有し、該相互接続セクションは前記能動素子を電気的に相互接続するものであり、マイクロ波伝送線は共平面導波路伝送線であることを特徴とする、マイクロ波伝送線と、
前記基板構造の上部表面の上に配置されたヒートシンクと、
前記基板構造の上部表面上に前記ヒートシンクの下に配置された金属層と、
を含み、
前記半導体基板構造は、前記半導体基板構造の上部表面上に前記入力セクションの上に配置された第１の周囲領域と、前記半導体基板構造の上部表面上に前記相互接続セクションの上に配置された内部領域と、前記半導体基板構造の上部表面上に前記出力セクションの上に配置された第２の周囲領域とを有し、
前記金属層は、前記ヒートシンクの外周で終わる外周を有する、
モノリシックマイクロ波集積回路構造。

【請求項3】

請求項２記載のモノリシックマイクロ波集積回路構造であって、該構造はプリント回路板を含み、前記プリント回路板は、
前記プリント回路板の中にある導電体と、
前記プリント回路板の上側表面上の導電性のバンプであって、前記伝送線と電気的に接触しているバンプと、
前記プリント回路板の前記導電体と前記導電性バンプとの間を前記プリント回路板の中を通る導電性のビアと
を有する、モノリシックマイクロ波集積回路構造。

【請求項4】

モノリシックマイクロ波集積回路構造であって、
半導体基板構造と、
前記基板構造の底部表面の一部に形成された複数の能動素子と、
前記基板構造の底部表面上に形成されたマイクロ波伝送線であって、入力セクションと、出力セクションと、入力セクションと出力セクションとの間に電気的に接続された相互接続セクションとを有し、該相互接続セクションは前記能動素子を電気的に相互接続するものであり、マイクロ波伝送線は共平面導波路伝送線であることを特徴とする、マイクロ波伝送線と、
前記基板構造の上部表面の一部の上に配置された熱伝導性ヒートシンクであって、前記相互接続セクションの上に配置され、前記基板構造の上部表面の前記第１の周囲領域及び前記第２の周囲領域で終わる外周を有する、熱伝導性ヒートシンクと、
を含み、
前記半導体基板構造は、前記半導体基板構造の上部表面上に前記入力セクションの上に配置された第１の周囲領域と、前記半導体基板構造の上部表面上に前記相互接続セクションの上に配置された内部領域と、前記半導体基板構造の上部表面上に前記出力セクションの上に配置された第２の周囲領域とを有する、
モノリシックマイクロ波集積回路構造。

【請求項5】

請求項４記載のモノリシックマイクロ波集積回路構造であって、該構造は、前記基板構造の上部表面上に前記ヒートシンクの下に配置された金属層を含み、前記金属層は、前記ヒートシンクの前記外周で終わる外周を有する、モノリシックマイクロ波集積回路構造。

【請求項6】

請求項５記載のモノリシックマイクロ波集積回路構造であって、該構造は、前記基板構造の上部表面上に前記ヒートシンクの下に配置された金属層を含み、前記金属層は、前記ヒートシンクの前記外周で終わる外周を有する、モノリシックマイクロ波集積回路構造。

【請求項7】

請求項４記載のモノリシックマイクロ波集積回路構造であって、該構造はプリント回路板を含み、前記プリント回路板は、
前記プリント回路板の中にある導電体と、
前記プリント回路板の上側表面上の導電性のバンプであって、前記伝送線と電気的に接触しているバンプと、
前記プリント回路板の前記導電体と前記導電性バンプとの間を前記プリント回路板の中を通る導電性のビアと
を有する、モノリシックマイクロ波集積回路構造。

【請求項8】

請求項７記載のモノリシックマイクロ波集積回路構造であって、該構造は、前記基板構造の上部表面上に前記ヒートシンクの下に配置された金属層を含み、前記金属層は、前記ヒートシンクの前記外周で終わる外周を有する、モノリシックマイクロ波集積回路構造。

【請求項9】

請求項８記載のモノリシックマイクロ波集積回路構造であって、該構造は、前記基板構造の上部表面上に前記ヒートシンクの下に配置された金属層を含み、前記金属層は、前記ヒートシンクの前記外周で終わる外周を有する、モノリシックマイクロ波集積回路構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は一般にモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）に関し、より詳細にはヒートシンクを有するＭＭＩＣに関する。

【背景技術】

【0002】

当該技術分野で既知であるように、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）は広範囲にわたる応用がある。典型的には、複数の能動素子（例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ））が半導体基板構造の中に形成され、これら素子は、同じく基板構造上に形成されるマイクロ波伝送線路と相互接続されて、たとえば複数の相互接続された増幅器を形成する。マイクロ波伝送線路の１つのタイプは、共平面導波路（ＣＰＷ： coplanar waveguide）伝送線である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

また、当該技術分野で既知であるように、いくつかの高出力のアプリケーションでは、ＣＰＷ ＭＭＩＣの底部側を金属化して、図１に示すようにヒートシンクを取り付けることができるようにする。この追加の金属化された表面は、ＣＰＷの接地平面に用いられる上側の金属と一緒に２導体平行平板システムを形成し、２導体平行平板システムは導波路モードを維持することができ、導波路モードがＣＰＷ伝送線により相互接続された増幅器のまわりにフィードバックを生成し、その結果不要な増幅器の振幅を生成することになる。このモードに関連する共振周波数が、増幅回路の動作周波数の範囲内にある場合、回路の正しい動作を妨げることがある。このタイプのモーディングと関連する不要な振幅が、９．１８７ＧＨｚ（すなわち入力信号なしの固有の共振）で不要な振幅をもつことが、図２に示すように実験的に証明されて、回路の正しい動作を制限するものであることが分かった。ＭＭＩＣの上部金属表面および底部金属表面の間の導波路モードに加えて、ＭＭＩＣがプリント回路板（ＰＣＢ）にフリップチップ構成（図１）で置かれている場合は、別のタイプのモーディング(moding)も発生する可能性があることが分かった。この場合、２導体システムは、ＭＭＩＣの上部金属表面およびＰＣＢ上の接地平面によって形成される。このモードも、上で述べたものと同じ様にして正しい回路動作を中断させる可能性がある。

【課題を解決するための手段】

【0004】

一実施形態では、モノリシックマイクロ波集積回路構造が提供され、このモノリシックマイクロ波集積回路構造は、半導体基板構造と；基板構造の底部表面の一部に形成された複数の能動素子と；基板構造の底部表面上に形成されたマイクロ波伝送線とを含み、このマイクロ波伝送線は、入力セクションと、出力セクションと、入力セクションと出力セクションとの間に電気的に接続された相互接続セクションとを有し、この相互接続セクションは能動素子を電気的に相互接続する。半導体基板構造は、その上部表面上に入力セクションの上に配置された第１の周囲領域と；その上部表面上に相互接続セクションの上に配置された内部領域と；その上部表面上に出力セクションの上に配置された第２の周囲領域とを有する。ヒートシンクが基板構造の上部表面の上に配置される。金属層が、基板構造の上部表面上にヒートシンクの下に配置される。金属層は、ヒートシンクの外周で終わる外周を有する。

【0005】

一実施形態では、マイクロ波伝送線は共平面導波路伝送線である。
一実施形態では、モノリシックマイクロ波集積回路構造はプリント回路板を含み、プリント回路板は、その中にある導電体と；プリント回路板の上側表面上の導電性のバンプであって、伝送線と電気的に接触しているバンプと；プリント回路板の導電体と導電性バンプとの間をプリント回路板の中を通る導電性のビアとを有する。

【0006】

一実施形態では、モノリシックマイクロ波集積回路構造が提供され、このモノリシックマイクロ波集積回路構造は、半導体基板構造と；基板構造の底部表面の一部に形成された複数の能動素子と；基板構造の底部表面上に形成されたマイクロ波伝送線とを含み、このマイクロ波伝送線は、入力セクションと、出力セクションと、入力セクションと出力セクションとの間に電気的に接続された相互接続セクションとを有し、この相互接続セクションは能動素子を電気的に相互接続する。半導体基板構造は、その上部表面上に入力セクションの上に配置された第１の周囲領域と；その上部表面上に相互接続セクションの上に配置された内部領域と；その上部表面上に出力セクションの上に配置された第２の周囲領域とを有する。熱伝導性ヒートシンクが基板構造の上部表面の一部の上に配置され、このヒートシンクは相互接続セクションの上に配置され、基板構造の上部表面の第１の周囲領域及び第２の周囲領域で終わる外周を有する。

【0007】

一実施形態では、金属層は基板構造の上部表面上にヒートシンクの下に配置され、この金属層は、ヒートシンクの外周で終わる外周を有する。
本開示の１又は複数の実施例の詳細を、添付の図面および下記の発明の詳細な説明に記載する。本開示の他の特徴、目的、及び利点は発明の詳細な説明、図面、及び請求項から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】従来技術によるモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）構造の断面略図である。

【図2】従来技術によるパワー増幅器ＭＭＩＣの、入力信号がない場合の出力パワー対周波数を示す曲線である。

【図3】本開示によるモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）構造の分解略図である。

【図4】図３のモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）構造の断面略図である。

【図5】図４の線５−５に沿って見た、図４のＭＭＩＣの表面の平面図である。

【図6】図４の構造のＭＭＩＣ上のさまざまな寸法の金属層及びヒートシンクについて、図４の構造内の共振モードを示す曲線であり、曲線の１つは、図１の従来技術に示す金属層のものである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

さまざまな図面において類似の記号は類似の要素を示す。
ここで図３、図４および図５を参照すると、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）構造１０が示されている。構造１０は、プリント回路板（ＰＣＢ）１４にフリップチップ構成で取り付けられたＭＭＩＣチップ１２を含む。ＭＭＩＣ構造１０は、半導体基板構造１２を含み、半導体基板構造１２はここでは例えば基板構造１２の底部表面の一部に形成された複数の能動素子（例えばトランジスタ）を有するＧａＮであり、複数の能動素子は、複数の、ここでは例えば３つの、マイクロ波増幅器１６（図５）として構成され、ＭＭＩＣ構造はさらにマイクロ波伝送線路１８を含み、マイクロ波伝送線路１８は、基板構造１２の底部表面上に形成された、ここでは例えば共平面導波路（ＣＰＷ）である。既知であるように、ＣＰＷは、半導体基板１２の一部によって共平面接地平面導体２２から分離されたストリップ導体２０を有する。ＣＰＷは、入力セクション２４、出力セクション２６、および、入力セクション及び出力セクションの間に電気的に接続された相互接続セクション２８を有する。相互接続セクションは電気的に能動素子を相互接続し、ここでは図５に示すように、３つのマイクロ波増幅器１６を相互接続する。

【0010】

半導体基板構造１２は、その上部表面上に、（ＰＣＢにフリップチップ取り付けされる前に）入力セクション２４の上に配置された第１の周辺領域３０と、その上部表面上に相互接続セクション２６の上に配置された内部領域３２と、その上部表面上に出力セクション２８の上に配置された第２の周辺領域３４とを含む。

【0011】

ＭＭＩＣ構造１０は、基板構造１０の上部表面の一部の上に配置された熱伝導性のヒートシンク４０を含み、ヒートシンクは相互接続セクション２６の上に配置され、基板構造１２の上部表面の、第１の周辺領域３０と第２の周辺領域３４で終わる外周を有する。ＭＭＩＣ構造１０は、基板構造１２の上部表面上にヒートシンク４０の下に配置された熱伝導性の層、ここでは金属層４２、を含む。金属層４２は、ヒートシンク４０の外周で終わる外周を有する。

【0012】

ヒートシンク４０及び金属層４２のいずれも伝送線１８の入力セクション２４または出力セクション２８を覆っていない（すなわち、その上に配置されない）。
ＭＭＩＣ構造１０は、任意の適宜の誘電体材料のアンダーフィル層５０を含み、アンダーフィル層５０は導電性のハンダバンプ５２を有し、ハンダバンプ５２は示すような位置におかれてＣＰＷ伝送線１８のストリップ導体２０を電気的に接続し、ＣＰＷ伝送線１８のストリップ導体２０は、ＣＰＷ伝送線の入力セクション２４及び出力セクション２８を相互接続する。

【0013】

ＰＣＢ１４は、ＰＣＢ１４の上部表面からＰＣＢの誘電体５５を通ってＰＣＢ１４内の導電体５８に至るビア５４（図４）を有し、ビア５４は、示すようにハンダバンプ５２と一直線に並んでいる。ＰＣＢは、接地平面導体６０を有する。

【0014】

アンダーフィル材料５０にわたりモーディングを解消するために、接地−信号−接地バンプ５２に加えて接地バンプ５９が追加された。これらバンプは、ＭＭＩＣの上部金属をＰＣＢ板の上部金属層に接続する。追加のバンプ５９は、ＭＭＩＣ１２の接地平面導体２２（図５）をＰＣＢ板の上部金属層５７に接続する。バンプ５９は、ａ）ハンダバンプ５２が回路動作とインターフェースしないようにするために、ｂ）モードに関連するフィールドが強いところに、及びｃ）対称性を避けるようにするために、戦略的に置かれる。結果は、アンダーフィル内のモードが１６．８ＧＨｚで抑制されたことを明らかに示す。予想されるように、基板内のモードは変化しない。

【0015】

図３、４、及び５に関連して上述した構造１０については、ヒートシンク４０及び金属層４２のいずれも伝送線１８の入力セクション２４又は出力セクション２８をオーバーレイしていない（すなわち上に配置されていない）ので、基板内のモードが抑制された。このモードのフィールドは、ＭＭＩＣの構造１０の入力セクション２４及び出力セクション２８で強いことが観測された。これは、ＨＦＳＳ（登録商標）３Ｄ全波シミュレータを使用したシミュレーション実験により確認された。図６は、入力セクション２４及び出力セクション２８の上から、異なる分量の背面接地金属層４２を除去した状態の、モードプロファイルを示す。その結果は、接地平面金属２４が入力セクション２４及び出力セクション２８から取り除かれるにつれて、絶縁が向上することを示し、より詳細には、「完全に金属化したもの」と表示された曲線は、図１の従来技術構造のものであり、図４の長さ「Ａ」及び長さ「Ｂ」は両方ともゼロ（完全に金属化したケースでは）である。「２００μｍ／１２００μｍ」と表示された曲線は、図４の長さ「Ａ」及び長さ「Ｂ」がそれぞれ２００μｍ及び１２００μｍの場合であり、「２００μｍ／１４００μｍ」と表示された曲線は、図４の長さ「Ａ」及び長さ「Ｂ」がそれぞれ２００μｍ及び１４００μｍの場合であり、「６７０μｍ／１４００μｍ」は図４の長さ「Ａ」及び長さ「Ｂ」がそれぞれ６７０μｍ及び１４００μｍの場合である。結果は、２重の利益を示しており、１つ目は金属層４２及びヒートシンク接地平面４０が入力セクション２４及び出力セクション２８から取り除かれるにつれて結合が低減すること、２つ目は導波路の実効電気長が低減する（その結果そのモードの共振周波数が高くなる）ことである。その複合的な効果は、関心対象の周波数帯範囲内において絶縁が劇的に向上することである。へこみの量は、設計に固有のものであり、絶縁及びヒートシンクの要求の間でバランスをとる必要がある。

【0016】

構造１０の詳細な分析は３Ｄ全波ＥＭソルバを用いて行われた。周波数及び導波路モードを介した結合は、以下のものに強力に依存することがわかった。
１．ＭＭＩＣの物理的寸法（長さ、幅）。半導体基板１２及びアンダーフィル５０の厚さがそれぞれに関連するモードに影響を与える。
２．ＭＭＩＣ基板１２及びアンダーフィル５０の、関連材料特性（εｒ，σ）。
３．ＭＭＩＣ上のＣＰＷの入力セクション２４及び出力セクション２８の寸法（長さ、幅、及び溝）。

【0017】

本開示に従うモノリシックマイクロ波集積回路構造は半導体基板構造を含み、半導体基板構造は、一方の表面上に複数の能動素子とマイクロ波伝送線とを含み、マイクロ波伝送線は、入力セクションと出力セクションと能動素子を電気的に相互接続する相互接続セクションとを有し、半導体基板構造は反対の表面上に金属層を含み、金属層は、相互接続セクションをオーバーレイし、入力セクション及び出力セクションのうち少なくとも１つはオーバーレイしない。この構造はさらに、次の特徴、すなわち：半導体基板構造；基板構造の底部表面の一部に形成された複数の能動素子；基板構造の底部表面上に形成されたマイクロ波伝送線であって、入力セクションと、出力セクションと、入力セクション及び出力セクションの間に電気的に接続された相互接続セクションとを含み、この相互接続セクションが能動素子を電気的に相互接続する、マイクロ波伝送線；基板構造の上部表面の上に配置されたヒートシンク；基板構造の上部表面上にヒートシンクの下に配置された金属層；プリント回路板であって、その中にある導電体と、プリント回路板の上側表面上にあり伝送線と電気的に接触している導電性バンプと、プリント回路板の導電体と導電性バンプとの間をプリント回路板の中を通る導電性のビア、とを有するプリント回路板、の特徴のうち１又は複数を含み、ここで、半導体基板構造は、その上部表面上に入力セクションの上に配置された第１の周囲領域と、その上部表面上に相互接続セクションの上に配置された内部領域と、その上部表面上に出力セクションの上に配置された第２の周囲領域を有し、金属層はヒートシンクの外周で終わる外周を有し、マイクロ波伝送線は共平面導波路伝送線である。

【0018】

あるいは、本開示に従うモノリシックマイクロ波集積回路構造は、半導体基板構造と；基板構造の底部表面の一部に形成された複数の能動素子と；基板構造の底部表面上に形成されたマイクロ波伝送線であって、入力セクションと、出力セクションと、入力セクションと出力セクションとの間に電気的に接続された相互接続セクションとを有し、この相互接続セクションは能動素子を電気的に相互接続する、マイクロ波伝送線と；基板構造の上部表面の上に配置された熱伝導性ヒートシンクであって、相互接続セクションの上に配置され、基板構造の上部表面の第１の周囲領域及び第２の周囲領域で終わる外周を有するヒートシンク、とを有し、ここで半導体基板構造は、その上部表面上に入力セクションの上に配置された第１の周囲領域と；その上部表面上に相互接続セクションの上に配置された内部領域と；その上部表面上に出力セクションの上に配置された第２の周囲領域とを有する。この構造はさらに、次の特徴すなわち、基板構造の上部表面上にヒートシンクの下に配置された金属層であって、ヒートシンクの外周で終わる外周を有する金属層；プリント回路板であって、その中にある導電体と、プリント回路板の上側表面上の導電性のバンプであって、伝送線と電気的に接触しているバンプと、プリント回路板の導電体と導電性バンプとの間をプリント回路板の中を通る導電性のビア、とを有するプリント回路板、の特徴のうち１又は複数を含み、ここでマイクロ波伝送線は共平面導波路伝送線である。

【0019】

本開示のいくつかの実施形態を記載した。しかし、本開示の精神及び範囲を逸脱しなければ、さまざまな修正を行うことができる。したがって、他の実施形態も以下の請求項の範囲内にある。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】