JP2006527499A - 高周波電子装置用パッケージ - Google Patents

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frequency
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signals
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アンドレアス、ベー．エム．ヤンスマン
ロナルド、デッケル
ゴーデフリドゥス、アー．エム．フルクズ
ウィーボ、デー．ファン、ノールト
アントニウス、エル．アー．エム．ケンメレン
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Abstract

電子装置は能動装置（８）が存在するキャビティ（６）を有する基板（１）を備える。基板の第１の面（２）上にはキャビティ及び基板にわたって相互接続構造（１７）が延在する。キャビティがそれに向かって延在する基板の第２の面（３）上にはヒート・シンク（２３）が用意されている。この装置は例えば２ＧＨｚを超える高周波数及び高拡散の状況下での使用に特に適している。

Description

本発明は、第１及び第２の対向する面を有し、半導体材料から成り、第１の面から第２の面に延在する第１の貫通孔が設けられ、その第１の面に第１の電子要素が設けられた基板と、接続パッドが設けられた結合面を有し、基板の第１の貫通孔内に存在し、その結合面が基板の第１の面上にある能動装置と、基板の第１の面上に設けられ、第１の貫通孔全体に延在し、能動装置を電子要素に相互接続し、接続パッドに対応する接続面を含む薄膜相互接続構造と、基板の第２の面上に存在し、第１の貫通孔全体及び少なくとも基板の一部にわたって延在するヒート・シンクと、外部システムへの接続のためのボンディング・パッドとを備える電子装置に関する。
このような電子装置はＵＳ−Ａ５、５０６、３８３から知られている。ここに記載の能動装置は集積回路であり、この集積回路を別の集積回路に相互接続するように相互接続構造が設計されている。ここの記載のこの電子装置全体が適切な熱放散がある小型化されたマルチチップ・モジュールである。基板には内部に接地面及び任意選択で受動要素が存在する多層相互接続構造が設けられている。この記載では、貫通孔が基板を貫通し、相互接続構造を貫通して延在している。
能動装置は第１の層及び第２の層を持つように処理され、第１の層つまり底層の幅の方が広い。これにより能動装置が相互接続構造内でぶら下がる構造が可能になる。組立ての際、能動装置にはんだ層が設けられ、相互接続構造内にぶら下げられる。この記載では、相互接続構造と装置との間のあらゆるギャップを充填するために、はんだがリフローされる。次いで、能動装置の接続パッドに接続面が設けられるように、導電層が堆積される。最後に、基板の第２の面にヒート・シンクが積層される。
この既知の装置の欠点は、第１の集積回路と第２の集積回路とが積層された電子装置に比べ、結果得られるサイズの縮小は全体的に限界があることである。このような積層ダイ構造は、それ自体、例えばＵＳ−Ａ５、９７７、６４０から知られている。加えて、この構造は、第１及び第２の層を有する能動装置が標準規格外であることから、コストが高く付くことになるようである。
従って、本発明の目的は、積層ダイの解決に関するコスト及びサイズ論よりも、技術的利益が価値の高い、冒頭の段落において述べた種類の電子装置を提供することである。
この目的は、能動装置が第１の周波数の信号を処理するために作られ、第１の電子要素が、第１の周波数の信号を第２の周波数、即ち、より低い周波数に及び又はその逆に変換する変成器の一部であり、それにより動作の際、ボンディング・パッドが第２の周波数で信号を伝送するという点、並びにヒート・シンクが接地面として働くという点で、本発明において達成される。
本発明の装置は、信号処理及び信号伝送のうち高周波部分を電子装置に限定するので、約２ＧＨｚ、特に約１０ＧＨｚの高周波数に非常に適している。このことの利点は装置が関連高周波機能を全て含むということである。従って、プラグ・アンド・プレイ・モジュールとして装置を使用することができる。さらに、高周波部分を全体として高周波挙動の不要且つ制御不能な歪みを何も持たないように設計することができる。
外部システムへ及び又は外部システムから第１の周波数で信号を伝送する無線結合手段が存在することが最も好ましい。具体的には、このような無線結合手段は１つ又は複数のアンテナである。これと組み合わせて能動装置がアンテナによって伝送された信号の増幅器として働くことが適切である。１つの能動装置のみではなく、より多くの素子が電子装置内に存在していてよく、知られているように、携帯電話はフロントエンドに、一般にバンドパスフィルタ、低ノイズ増幅器、各種の段における電力増幅器、トランシーバ、インピーダンス整合回路、帯域スイッチ、電力制御機能、及び発振器などを備える。本発明の電子装置は、組立てプラットホーム（ａｓｓｅｍｂｌｙ ｐｌａｔｆｏｒｍ）であるばかりでなく、薄膜ネットワークであるので、所望の技術において様々な要素が規定され、適切に一体化されてもよい。いくつかの要素はフリップ・チップ技術により組み立てられることを本明細書では除外されない。各能動装置が個別のキャビティにある必要はない。単一のキャビティ内にあるこのような複数の能動装置は例えば互いに直接結合されるべき各種の増幅器段である。
電子装置は、その非常に制約された電気的ロスを考慮すると、高周波での応用に非常に適している。電気的ロスは、能動装置への接続部及び接地面として働くヒート・シンクを含め、相互接続部間の既存電界の結果生じる。能動装置と基板との間のワイヤ・ボンディングによって電界内に主なる歪みが生じ、約５００ｐＨの寄生インダクタンスとなる。寄生インダクタンスはボンディングされるワイヤの固有インダクタンスによっても生じる。積層ダイ構造において、この寄生インダクタンスは１０分の１に低減され約５０ｐＨとなる。しかし、はんだバンプ又は金属バンプにより接続面が接続パッドに接続される領域での不連続性が原因で依然として実質的な電界歪みがある。本明細書における解決法では、相互接続構造が能動装置全体に延在しているため、このような不連続性は存在しない。結果生じる寄生インダクタンスが１０ｐＨ未満に低減され、寄生容量が１０ｆＦ未満に制約される。
回路の受動部を能動部と一体化すること自体はＵＳ−Ａ４、２７３９、３８９から知られている。能動装置は半導体基板とは異なる半導体材料からなる本体を有する半導体装置である。能動装置と受動素子との電気的接続はワイヤ・ボンディングによって実現される。その結果、その装置は高周波要件の機能を全く果たさず、先に述べたように、重要な信号歪み及び減衰が生じる。
本発明の利点は広帯域への応用例に使用することができることである。寄生インダクタンスを取り除くための従来の解決法は、インピーダンスの少なくとも虚の部分が均一化されるように、インピーダンスが複素数の逆数であるコンデンサを加えることである。しかし、この均一化は特定の周波数に対してしか起こらない。本明細書の手法ではこのような均一化が必要とならないように全インピーダンスを低く保つ。
変成器はマルチプレクサ及びデマルチプレクサを備えることが非常に好ましい。この手段により変換を行うということは第２の周波数に変換された信号は低周波数信号であろうと推測させる。このような低周波数信号は、ビデオ・プレーヤー、コンピュータ、携帯電話など、オーディオ／ビデオ伝送装置内の装置以外の装置から供給される信号の周波数である。本明細書では、「低周波数信号」という言葉は、ボンディングされたワイヤ、屈曲フォイル接続部、又は従来のどんな結合手段によってでも伝送される信号と理解されるものである。従って、装置へのそれ以外の唯一の供給は電圧供給である。
無線結合手段はダイポール・アンテナを含むことが好ましい。その場合、信号を差分信号として処理され、差分フォーマットからシングル・エンド・フォーマットへの変換が行われないようにすることができる。これによりバランは不要となる。このような差分信号を伝送する場合、アンテナからと、そして、アンテナへの２重線路が必要となる。しかし、寄生インダクタンスが相当に低減されるため、これは問題とならない。この目的に適したアンテナはステップ・インピーダンス型ダイポールである。このステップ・インピーダンス型ダイポールは、例えば２本のダイポール棒につながる２本の線路を備え、接続線路とダイポール棒との線幅の差によって、ステップ・インピーダンス型ダイポールのステップを形成する。このようなアンテナは、波長に比べて小さく、接地に関して対称的である。
さらなる実施形態では、無線結合手段のインピーダンスと能動装置、特に増幅器のインピーダンスとを整合させる整合回路も存在する。ダイポール・アンテナと組み合わせて、第１及び第２の伝送線路が互いにほぼ平行に位置し、一方が接続線路によって、他方がコンデンサによって相互結合された並列共振インピーダンス整合回路として、このような整合回路が実施されてもよい。このコンデンサは薄膜コンデンサとして実施されることが好ましい。
本発明の装置が複数の周波数帯域が個々に処理される必要のあるハンド・ヘルド装置に適切に使用されてもよい。周波数帯域の例としては、ＧＳＭ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、無線ＬＡＮ、８０２．１１、ＵＭＴＳ及びＬＤＭＳなどがある。この装置は、乗物、特に車両を対象とした衝突防止レーダなどに必要な特定の高周波の応用例にさらに用いられてもよい。
本発明の装置は少なくとも２つの周波数帯域向けの信号伝送手段を備えることが好ましい。
本発明の装置は光信号が電気信号に変換される必要のある一般向け及びプロ向けの用途にさらに適している。このような応用例は通信用光ファイバの使用において予見される。光ダイオード、また通信が双方向性の場合はレーザ・ダイオードが、無線通信の場合に使用される（各）アンテナに取って代わるであろう。これを実現するシステムはＥＰ−Ａ７３３２８８から知られている。これは一列に配置された個々の光ダイオード及びレーザ・ダイオードを有するシステムである。しかし、ラテラル・ピン・ダイオードも光ダイオードとしての使用に非常に適している。相互接続構造における伝送線路の十分な広帯域特性を考慮して本発明の装置をこうしたピン・ダイオードともに有利に使用することができる。
本発明の装置は光結合手段及び無線結合手段の両方を含むのにさらに非常に適している。従って、光結合は外部ファイバ・ネットワークへの広帯域接続として使用されてもよく、無線結合は、例えば、増幅器や拡声器又は光スイッチなど内部の様々な機能部への通信に使用されてもよい。こうした応用例として、高性能テレビ、そしてやはりテレビ電話がある。あるいは、装置は、携帯電話又は携帯用コンピュータなどのハンド・ヘルド装置内に含まれる。無線通信が主要な通信媒体であっても、例えば、その装置にファイバが一時的に取り付けられ、光通信がそれに加えて使用されてもよい。
無線結合手段の存在は必要不可欠なものではないことが分かる。代案としてはＣＭＡコネクタ又は同軸ケーブル適合コネクタである。このようなコネクタは、能動装置の分解能があまりにも高いため、能動装置に直接に接続することはできない。本明細書では、いくつかの半導体装置が規定され、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族材料からなる基板が能動装置に設けられることが好ましい。こうした半導体装置はミキサとして働き、その設計は当業者には知られている。基板は好ましくは高抵抗シリコンを備え、必要に応じてフィルタ及びマルチプレクサが高抵抗シリコンに加えられてもよい。ミキサは多量の熱を発生するので、この応用例にはヒート・シンクが必要である。
代替の応用例では能動装置は発光ダイオードのアレイである。このようなアレイは所望の回路によりアドレッシングされなければならない。さらに、動作中かなりの熱放散がある。本発明の装置は、必要なアドレッシング用回路及びヒート・シンクをコスト効果の高いやり方で提供するのに非常によく適している。アドレッシングに必要などんな能動部も、基板内でも実現できるし、基板内又は基板上に組み立てられるさらなる能動装置内でも実現することができる。
本発明のこうしたアスペクト及び他のアスペクトを図面を参照にしてさらに説明する。
同一の参照番号は、同様の構造の構成要素を示す。
図１〜図８は本発明による方法の様々な段階を示す概略横図断面である。
図１は第１の面２及び対向する第２の面３を有する厚さ７００μｍのシリコン基板１を示す。基板１には、その第１の面２上に、例えば厚さ１μｍの熱酸化物層４が設けられている。受動基板を得ようとする場合（図８参照）、基板１は、高抵抗率（好ましくは５００Ωｃｍ超、より好ましくは２０００Ωｃｍ超）の基板を備えることが好ましい。シリコンは好ましい半導体材料であるが、他の材料が排除されるものではない。高抵抗シリコンは、高抵抗フロート・ゾーン・シリコン、高抵抗多結晶シリコンなどでよい。好ましい一実施形態は、単結晶シリコン基板に非晶質シリコンなどの高抵抗層である表面層が設けられ、その上部に酸化層が存在する。
しかし、最終的に能動基板を得ようとする場合（図２３参照）、基板１の抵抗率は最終的に得られるはずの能動半導体に応じてきまるが、通常、基板の抵抗率はバイポーラ半導体の２０ΩｃｍからＣＭＯＳ半導体の２０ｍΩｃｍの範囲である。後者の場合、基板１は充分に処理されたＩＣウェハを備えることができる。通常、熱酸化物層（例えば、厚さ１μｍ）は短絡を防ぐために基板の第１の面上に設けられる。基板材料は、シリコンである必要はなく、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ又はＩＩＩ−Ｖ族材料でもよい。基板は抵抗率が互いに異なるゾーンをさらに含むことができる。能動装置の場合、接合部を設ける必要のあるゾーンに、Ｓｉ又はＳｉＧｅなどの半導体材料がドープされてもよい。
図１に示す基板１の第１の面２上に厚さ１０μｍのレジスト・マスクなどパターニング可能な材料５を施す。次いでパターニング可能な材料５をパターニングして、基板の第１の面２上にパターニング可能な材料からなるパターンを残す。次いで、例えばエッチングによって（図２参照）パターニング可能な材料５からなる層が設けられていない基板１の一部を除去することによって、１つ又は複数の第１のキャビティ６を、基板１の第１の面２内に形成する。当業者であれば、必要に応じて、第１のキャビティ６を、ビア（図１０及び図１６の第２のキャビティ１３参照）の形を成すこともできることを容易に理解するであろう。さらに、キャビティ６は、（通常、それぞれの工程において得られる）同じ又は異なる深さを持つことができる。好ましくは、第１のキャビティ６は、ボッシュ（Ｂｏｓｃｈ）プロセスを使用して形成する。そうすれば、第１のキャビティ６は、側壁にごく充分な傾斜を持つからである。
図３では、例えば熱的又は化学的方法によって、基板１の第１の面２からパターニング可能な材料５が除去されている。
図４に示すように、基板３の第１の面２をベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）の層７でコーティングして、能動装置８（図５に示す）を基板１の第１の面２に付着させる。能動装置８は標準の「ｐｉｃｋ ａｎｄ ｐｌａｃｅ」技術を使用することによって第１のキャビティ６内に配置することのできるＩＣやダイなどでよい。基板１内の第１のキャビティ６及び電子要素８が一緒にギャップ９を画定し、ギャップ９は能動装置８を取り囲む。能動装置８に接続パッド（図示せず）を設ける。一般に、こうした接続パッドは能動装置結合面の縁端における格子アレイ・パターン内に画定される。本発明ではこれを行う必要がない。その代わりに、接続パッドを表面全体にわたって画定することができる。これにより、能動装置の複雑性が低減される。
図６に示すように、ギャップ９は、材料１０、好ましくはＢＣＢで充填される。図示する実施形態では、材料１０の小さい液滴をギャップ９のすぐ上に位置させ、次いでそれを毛管作用によりギャップ９全体に広げることで充填を行うことができる。キャビティの充填に使用される充填剤は誘電定数が半導体基板のそれに匹敵する材料であることが好ましい。これには、信号線路と接地との間の分布静電容量が伝送線路の長さに沿って均一であるという利点がある。この点で、能動装置と基板の側壁との間の距離は、できる限り最短であることが好ましい。一般に、このような充填材には、スピンコーティング、吹付け、ウェブ・コーティングなどの湿式化学プロセスが提供される。適切な材料として、例えば付着性に優れているため、ベンゾシクロブテン類及びポリイミド類などがある。しかし、充填材料は、基板と能動装置との間隔がめっき浴の及ぶものである限り、金属でもよい。
次いで、例えばＢＣＢ又はポリイミドの層１１を基板１の第１の面２上に施すことによって、基板の第１の面２が平坦化される。電子要素８間のギャップの充填及び第１のキャビティ６の壁の被覆のどちらにもＢＣＢを使用するならば、電子要素８は、そのすぐ後にＢＣＢ内に閉じ込められる（図７参照）。通常、層１１は厚さが５〜１０μｍである。図９のＳＥＭ顕微鏡写真に示すように、本発明による方法によって見事に平坦な第１の面２を得ることができる。
最後に、基板１の第１の面２上の選択された位置で層１１の一部を除去することによって、接続パッド１２が画定され開口される（図８参照）。接続パッドのサイズは、垂直相互接続領域のサイズから、金属ボール又ははんだボールの使用に適したボンディング・パッドのサイズまで様々であってよい。サイズは、好ましくは５０×５０μｍ未満であり、より好ましくは、２０×２０μｍ未満である。層１１をパターニングすることによる接続パッドの開口は、エッチングで行うことができる。
図８において得られる受動半導体装置又は中間生成物は、さらに処理され又は別の半導体装置に相互接続されてもよい。
図９は、層１１により第１の面２を平坦化した後の、キャビティを設けたＩＣのＳＥＭ顕微鏡写真である（図７参照）。第１の面２の見事な平坦化に留意されたい。
図１０〜図２３は、本発明による方法の様々な段階を示す概略横断面図である。
本発明の方法を図８において得られた半導体装置又は既成（中間）半導体装置をベースにして継続することができる。
図８において得られた半導体装置は、さらに処理される。基板１を肉薄にした後にビアを形成する（図１６参照）ために、必要に応じて、基板１内に第２のキャビティ１３が形成される。しかし、これら第２のキャビティ１３を、図２における第１のキャビティ６と同時に既に形成されていてもよい。
第２キャビティは例えば図８において得られた基板１の第１の面２上にパターニング可能な材料から成る層１４を施すことによって形成されてもよく、次いで、層１４をパターニングして、基板１の第１の面２上にパターニング可能な材料から成るパターンを残す。層１４が設けられていない基板１の一部を除去することによって基板の第１の面２上に第２のキャビティ１３を形成する。その結果が図１０に示されている。
続いて、パターニングされた層１４が基板１の第１の面２から除去される。次いで、導電性材料（例えば、銅、Ｃｒ／Ｃｕ、Ｔｉ／Ｃｕなど）からなるシード層１５が基板１の第１の面２上に施され（図１１参照）、それにより図８において得られた接続部１２を少なくとも覆う。
能動装置８と相互接続構造との間に接続部を設けるために、適切ないかなる手段をも使用されてもよい。こうした手段は、標準ＩＣ相互接続技術（つまり、例えばＡｌ、ＡｌＣｕ又はＣｕから成る金属層の成長）や、金属バンプ又ははんだバンプ、あるいは異方性導電性接着剤の使用など標準アセンブリ相互接続技術を含む。図１２に示すように、この実施例では、次いでシード層１５の第１の面に、めっきマスク１６が施される。その後、シード層１５の上面の上に導電性材料（例えば、銅）の層１７が施され、それによりめっきマスク１６を少なくとも部分的に充填する（図１３参照）。次いで、基板１の第１の面２からめっきマスク１６が除去される（図１４）。
この例では、相互接続構造が単一の層として示されるが、これは多層構造でもよい。ダイオードやトランジスタなどの場合のように、装置の第１の要素を基板内に画定することができるが、代替に相互接続構造内に画定することもできる。特に、電気めっき層は、インダクタに使用されるように充分な厚さを提供する。要素のさらなる例は、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）のスイッチ及びコンデンサ、共振器、結合器、アンテナ、バラン、帯域フィルタ、並びに整合回路などを含む。
さらなる工程として、基板１を肉薄にし、それにより電子要素８の底面を露出させ、基板１の第２の面３に第２のキャビティ１３を開口して（図１６参照）、貫通孔を設ける。
しかし、図１５に示されるように、基板１の機械的安定性を改善するために、基板の第１の面２に取り外し可能な支持体１８が先に設けられていてもよい。接着剤１９の層を使用して、支持体１８を基板１に接続されてもよい。することができる。当業者であれば、例えば金属、ガラス、プラスチックなどを含むことができる基板１８が、他のどんな適切な手段を使用しても、やはり設けられることを容易に理解するであろう。例えば、基板１８は、取り外し可能なＵＶフォイルでよい。基板１の第１の面２に接続された支持体１８の底面は、できる限り平坦であることが好ましい。
図１６に基板１の肉薄化の結果が示されている。肉薄化は、能動装置からヒート・シンクまでの経路の長さを短くする。肉薄化は、研削及び又はエッチングなど従来の技術で行うことができる。例えば、基板は、厚さ１００μｍ未満、好ましくは５０μｍ未満、より好ましくは２０μｍ未満、最も好ましくは１０μｍ未満まで肉薄化される。
図１７に示されるように、図１６において開口された第２のキャビティ１３が導電性材料２０（例えば、銅）で充填される。この材料２０が電気めっきによって第２のキャビティ１３に充填され、層１７がめっきベースとして用いられてもよい。結果得られたビアが用いられ、相互接続構造内のさらなる接地面をヒート・シンクに付属の主接地面に接続する。相互接続構造内のさらなる接地面は、相互接続構造を、マイクロストリップ、ストリップ線路、共平面導波路、又は結合伝送線路として設計することによって、相互接続部の抵抗を低減するために必要である。達成可能なパターン密度を考慮すると、共平面導波路が好ましい。特に好ましいのは、共面導波路とマイクロストリップとの組合せである。これは、１つの平面内の２本の接地線路間に１本又は２本の信号線路を有し、隣接する平面に接地を有する構造である。このようにして、相互接続部（例えば、信号線路）は外部の影響から最適に遮断される。代替に又は加えて、このような垂直相互接続部は装置の第２の面にボンディング・パッドを画定するために使用されてもよい。
次いで、図１７で得られた基板への第２の面３上に導電性材料（例えば、銅）から成るシード層２１が施される。続いて、（例えば、レジストＳＵ８からの）鋸レーン・パターン２２がシード層２１上に施される（図１８参照）。
次いで、図１９に示されるように、好ましくは電気めっきによって、シード層２１の第２の面上に導電性材料２３（例えば、銅）の層が施され、それにより鋸レーン・パターン２２を少なくとも部分的に充填する。導電性材料の層はヒート・シンク及び接地面として働く。加えて、導電性材料の層は、機械的支持機能も有する。機械的支持機能が半導体基板からヒート・シンクへこのように移行した結果、基板厚さの低減が可能となる。これにより、より充分な熱放散が得られ、接地面への経路がより短縮される。接地面及び低減された基板の厚さに鑑みて、相互接続構造内のマイクロメータのオーダの相当な長さにわたって延在する横方向の相互接続に伝送線路の特性が与えられる。
図２０では、基板１が標準規格の分離フォイル２４上に実装される。その後、図２１に示されるように、取り外し可能な支持体１８及び接着剤１９が除去される。
次いで、図１４においてめっきマスク１６を基板１の第１の面２から除去後露出させたシード層１５の一部が除去される（図２２参照）。
最後に、例えばソーイングによって、ソーレーン２２のところで分離させることによって半導体装置を分離させる。次いで、図２３に示す能動半導体装置が得られる。
次に、（例えば、ワイヤ・ボンディング法、フリップ・チップ法及び他の従来のパッケージング技術などを使用して）例えばパッケージ内又はその上にはんだ付けされ、その後接続されるなど、それぞれの素子がさらに処理されてもよい。任意選択もいくつか可能である。
第１の適切な実施形態ではリード・フレームが不要である。ヒート・シンクとして働き、且つ電気的に層から絶縁されている層部分はボンディング・パッドとして機能する。このようなボンディング・パッドは垂直相互接続部によって相互接続構造に適切に接続される。このようにして、ボンディング・パッド及びヒート・シンクの実際のレイアウトはＨＶＱＦＮタイプなど標準規格のリード・フレームのレイアウトと等しくなることができる。
第２の実施形態では、ボンディング・パッドは相互接続構造の基板の第１の面に画定され、リード・フレーム内で装置を導電平面に組み立てられ、ヒート・シンクがその第２の面に設けられる。低周波信号のみを伝送する動作ではボンディング・パッドはワイヤ・ボンディングによってリード・フレームに接続される。
さらなる実施形態では、ヒート・シンクに加え、基板の第２の面上に能動的熱除去手段が存在する。このような手段の一例は熱パイプである。電気めっきなどにより成長させたヒート・シンクをフォトレジストを用いて領域内で制約することができるため、このような熱パイプはヒート・シンクの上部に配置することができるが、それに隣接して配置することもできる。
本発明による半導体は１０ＧＨｚさらには２０ＧＨｚを超える周波数での使用に極めて適している。
図２４〜図３１は第２の方法が本発明の装置内にもたらす様々な段階を示す概略図である。この第２の方法は、能動装置８が第１の面２から延在するキャビティ６内ではなく、第２の面３から延在するキャビティ内に設けられるという点で、第１の方法と異なる。
図２４は本方法における第１の段階の概略横断面図である。基本的に、この図は、上部に相互接続構造４０が設けられた半導体材料（この場合はシリコン）から成る完全に処理されたウェハを示す。相互接続構造４０は、伝送線路１７と半導体基板１の第１の面に熱酸化物層４を貫通して延在する垂直相互接続部２７とを含む。従来の処理とは反対に、下層の半導体装置に接続されていない垂直相互接続部２７がある。相互接続構造は、さらに外部接続用ボンディング・パッド２９を含む。こうしたボンディング・パッドはワイヤ・ボンディングに使用することができる。しかし、充分な高周波挙動のためには、はんだボールの使用が好ましい。高周波機能が全て基板１上及び基板１内に組み込まれることがより好ましくさえある。その場合、接続部は電力及び比較的低周波数の入出力信号のためにのみ必要である。従って、このときに屈曲フォイルを使用することができる。分かりやすくするために、単一層の相互接続構造４０が図示される。しかし、実際には、多層相互接続構造が好ましい。
図２５は、処理の第２の段階における基板１を示す。まず、図２４に示される基板１の第１の面１に機械的支持体１８が設けられる。この場合、ガラス支持ウェハ１８が用いられ、それが除去可能なＵＶ接着剤１９を使用して基板１に付着される。その後、基板１がその第２の面側から肉薄化される。これらの工程は図１５及び図１６に示す工程と同一である。最後に、適切な基板エッチング・マスク３１が堆積され、パターニングされる。この場合では、化学気相成長法によって提供され、フォトリソグラフィ法でパターニングされているアルミニウムのエッチング・マスクが使用される。このようなエッチング・マスク３１は、別の方法、例えばあらゆる種類のプリンティングやマスクを介したスパッタリングなどによっても提供されてもよい。
図２６は、エッチング・マスク３１を介して基板がエッチングされた後の、第３段階における基板１を示す。エッチング・マスク３１は、ドライ・エッチングに適しているが、例えば水酸化カリウム又は水酸化テトラメチルアンモニウムによるウェット・エッチングにも適している。このウェット・エッチングの結果は、基板１の平面に対し４５〜５０°の角度を取り囲む側壁を有するキャビティ６となる。こうしたテーパ側壁には、キャビティへのはめ込みがあまり固くないので、能動装置の配置がより簡単になるという利点がある。
本発明のこの第２の方法は、図２５よび図２６に示す、第２又は第３の段階の基板１が組立て工場に輸送されてさらに処理されることができるという利点を有する。このさらなる処理は、より大きな規模で行われ、ダイの配置、電気めっき及び分離など標準の工程を含む。
図２７は、能動装置８を配置後の第４の段階における基板１を示す。充分な接触を得るようにするため、キャビティ６内の表面上に現れている垂直相互接続部２７に、Ｎｉ／Ａｕの無電解めっきにより、特にＡｕから成る金属コンタクトが設けられることが好ましい。能動装置８に、はんだバンプ又は金属バンプ３２が設けられる。配置後、バンプ３２と垂直相互接続部２７との間に金属コンタクトを設けるためにアンダーフィルが設けられ、熱処理が行われる。アンダーフィルの代わりに能動装置８を配置する前にキャビティ６内に設けられる融解層（ｌｉｑｕｉｆｙｉｎｇ ｌａｙｅｒ）を活用することもできる。このような融解層のよい例として約６０〜１００°まで加熱すると融解するアクリル層がある。別の例としては、約１７０°で水状の流体になるベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）がある。温度が２００℃を超えると、ＢＣＢは固い接着剤層に硬化する。アンダーフィルのさらなる代替案は能動装置の表面に接着剤層を設けることである。接着剤層は、バンプ３２を設けることが可能となるように、パターニングされることが好ましい。好ましい接着剤層はＢＣＢである。
図２８は、アンダーフィルを設け、能動装置８の裏面及び基板１の第２の面３を平坦化した後の第５の段階における基板１を示す。
装置１００はキャビティ６の充填及びヒート・シンク２３の取り付けを除いてできている。この実施形態では、ヒート・シンク２３がキャビティ６を充填し、基板１の第２の面３のほぼ全体を覆う。しかし、キャビティをヒート・シンクで充填する必要はない。キャビティが能動装置８の熱膨張率に合致する熱膨張率を有する材料で充填されてもよい。あるいは、能動装置８と基板１との間の機械的応力が吸収されるように弾性材料が選択されてもよい。
図２９は、基板１の第２の面３にめっきベース２１が施され、ヒート・シンクの不要な領域にレジスト２２が設けられパターニングされた後の基板１を示す。適切なめっきベースは、Ｃｒ／Ｃｕである。適切なレジストはＳＵ８である。
図３０は、電気めっき法によって銅から成るヒート・シンク２３が成長された後の基板１を示す。電気めっきされた銅の利点は応力が低いことである。キャビティ６を銅で充填することの利点は、能動装置８が金属で囲まれることである。こうした金属は、ファラデー・ケージとして働き、それによって周囲への電磁結合を抑制する。ヒート・シンク２３は厚さが１００μｍ超でよい。それによって、機械的安定性が最適化される。しかし、こうした金属は、特に装置がリード・フレームに取り付けられ保護モールド内に封入されている場合は、不要である。
図３１は、支持用ウェハ１８除去及び分離後の装置１００を示す。図１９などに示されるように、垂直相互接続部が相互接続構造とヒート・シンクとの間に設けられてもよいことが分かるであろう。図では、基板１が大きく除去されることを示しているが、必ずしもそうでなくてよいし、一般にそうではない。
図３２は、本発明の装置１００の別の実施形態を示す概略横断面図である。この実施形態では、ヒート・シンクは基板１の第２の面３全体に完全には延在してはいない。その代わりに、ヒート・シンク２３に加えコンタクト４３が設けられ、それによりリード・フレームを必要とすることなく、キャリア上への装置１００の配置を可能にしている。それでも、コンタクト４３及びヒート・シンク２３のパターンは、例えばＨＶＱＦＮ（ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｑｕａｄ ｆｌａｔ ｎｏｎ−ｌｅａｄｅｄ）リード・フレームのような従来のリード・フレームのパターンに少なくとも大部分一致している。これを実現するために、ヒート・シンク２３は、図に示されるように、能動装置８を部分的にのみ覆うことができる。さらなる実施形態（図示されず）では、ヒート・シンクを２つの工程において施すことができ、ヒート・シンクの第１の層は、第２のヒート・シンクとは異なるパターンを持つことができる。これはヒート・シンクの「リルーチング（ｒｅｒｏｕｔｉｎｇ）」と呼ばれてもよい。
この実施形態では基板１の第１の面２に封入層４１が設けられる。この材料は、当業者には知られているように、例えば、充填エポキシ又はポリイミドなどである。封入層４１は、例えば装置を分離する前に、ウェハのレベル上に設けられてもよい。封入層４１は、例えば約０．１〜１００μｍなど、所望の厚さを有することができ、従来のソーイング装置によって容易に切断されることができるように選択される。封入層は支持ウェハを取り付ける前又は支持ウェハを除去した後に設けられてもよい。原理上、封入層は、支持ウェハの代わりに使用されてもよい。しかし、封入層は十分な厚さを有することが好ましい。好ましくは、多層スタックとして封入層が設けられる。このスタックは、例えば、下層回路のリバース・エンジニアリングを防ぐように、透明ではなく、除去できない又はほとんど除去できないセキュリティ・コーティングを含むことができる。
図３３は、本発明の装置１００のさらなる実施形態を示す。この実施形態では、基板１は能動装置を備え、この場合では、ソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極を有する電界効果トランジスタ８１、８２及び８３である。この実施形態における相互接続構造４０は、能動装置８と他の要素との間の相互接続部ばかりでなく、集積回路自体の中の個々のトランジスタ８１、８２及び８３同士の相互接続部も含む。この場合では、相互接続構造４０は、基板１の第２の面３上にあるコンタクト４３に延在する垂直相互接続部２７をさらに含む。
ここでは図示されないがコンタクト４３と相互接続構造との接続は相互接続構造の第３のレベル又はそれより高いレベルでのみ成されることが好ましい。これを実現するために、相互接続構造は集積回路用領域と能動装置８用領域とに仕切られる。これらの領域は、非相互接続の、より低レベルにおいて絶縁材料によって互いに絶縁されており、従って能動装置８への信号は、個々のトランジスタ８１、８２及び８３の信号に影響を及ぼさない。
図３４は、図３３の詳細であり、トランジスタ８１と同レベルにあるコンタクト４３への接続をより明確に示している。能動装置８への接続は基本的にコンタクト４３への接続と同じである。この図に示されるように、半導体ウェハは、いくつかのドーピング・ゾーン５１、５２、５３、５４及び５５を有する。部分的に除去されている基板１の主要部分５１はｐ＋ゾーンである。トランジスタ８１はｐ型エピ層５２の内部及びその上に形成される。ソース電極５３及びドレイン電極５４は、このエピ層５２の表面の高濃度ドープ・ゾーンである。最後に、相互接続部として働く高濃度にドープされたｎ＋＋ゾーン５５がある。トランジスタには図示されない薄いゲート酸化物を介してエピ層５２から分離されたゲート電極５９がさらに設けられる。基板１の第１の面２上に熱酸化物４が設けられる。この熱酸化物４をパターニングし、垂直相互接続部２７、ならびにソース電極、ドレイン電極及びゲート電極へのコンタクト６３及び６４が設けられる（ゲートへのコンタクトは図示されない）。
シリコン自体の内部の高濃度にドープされたゾーンの代わりに、半導体基板から適切に絶縁された金属接続部を使用されてもよいことが分かる。垂直相互接続部とトランジスタとの間の好ましくない相互作用は、例えば５〜１０μｍという最短距離など、適切な設計規則を採用して防ぐことができる。結果生じる影響は、エピ層５２は一般に非常に制約された厚みしかないという事実に鑑み、無視できるものである。
図３５は、いくつかの結合技術に関し、周波数により変わる伝送を比較するグラフである。実線は、下から上へ、ボンディング・ワイヤ、金属ボール又ははんだボール、及び薄膜相互接続での伝送を示す。点線は、３０ＧＨｚで静電容量が補償されたボンディング・ワイヤを示す。このグラフは５０Ωのソースから別の５０Ωのソースへの伝送に対して行われたシミュレーションの結果である。補償されていないボンディング・ワイヤを使用した場合３０ＧＨｚで−３ｄＢの伝送低下であった。これは５０％の信号強度低下に相当する。補償されたボンディング・ワイヤは、これらの周波数では、よりよい結果をもたらすが、ちょうど３０ＧＨｚにおいてのみ伝送が影響を受けないという欠点がある。約２５ＧＨで伝送はほんの−１ｄＢの低下である。処理される多数の信号、及び特に、熱放散を低減するためにこれらの周波数で信号を小さく保つのが好ましいという事実から鑑み、これは既に問題である。
図３６は、低周波数の入力信号のみを含む、本発明による電子装置のブロックダイヤグラムである。この装置１００は６個の入力が設けられた送受信機１１１を備える。これらの入力信号及び対応する出力信号はマルチプレクサ／デマルチプレクサ１１９を介して変換される。送受信機には、ＶＣＯタンク１１６と、ＰＬＬループ・フィルタ１１７と、供給デカップリング部１１８とが結合されている。送受信機１１１は、アンテナ１３１に信号を送り、アンテナ１３１から信号を受け取ることが可能である。受信器機能から送信器機能又はその逆の切換えを行うＴＸ／ＲＸスイッチ１１４がある。送受信機１１１とスイッチ１１４との間の伝送経路は、電力増幅器１２１及びインピーダンス整合機能部１２２、ならびにフィルタ１２３を備える。一般に、電力増幅器１２１は２つ以上の段を有し、そのうちの１つはバイパスされてもよい。スイッチ１１４と送受信機１１１との間の受信経路はフィルタ１２４と、低ノイズ増幅器１２５とを備える。この低ノイズ増幅器は送受信機１１１内に組み込まれてもよい。アンテナ１３１とスイッチ１１４との間にバンドパスフィルタ１２６がある。
分かりやすくするためにここでは示されないが、一般にＴＸ／ＲＸスイッチ１１４は、ＤＳＣ帯域、ＧＳＭ帯域、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ帯域及び他のあらゆる帯域間など、互いに異なる周波数帯域間を切り換える機能を備える。ＴＸ／ＲＸスイッチは、増幅器の機能を停止させる増幅信号が受信経路に届くのを防ぐために必要な受動素子及びスイッチをさらに備える。しかし、特に高周波が存在する場合、互いに異なる周波数範囲用の別のアンテナを使用することが有利である。２０ＧＨｚの高周波数用アンテナは非常に小さくてよいので、帯域分離はより容易になる。
本発明では、ＴＸ／ＲＸスイッチ１１４及びインピーダンス整合機能部を、相互接続構造の一部として設けられるＭＥＭＳコンデンサ及びＭＥＭＳスイッチによって実現される。電力増幅器１２１がＧａＡｓ又はＧａＮのなどＩＩＩ−Ｖ族材料から成る基板を持つ能動装置として実現される。能動装置がＨＢＴタイプのトランジスタを備えるという点でよい結果が得られている。送受信機１１１は、１０〜４０ＧＨｚの周波数に適したＩＩＩ−Ｖ族材料、具体的にはＩｎＰから成る基板を持つ能動装置として実施される。電圧制御共振器１１６の場合、ＳｉＧｅ基板から成る能動装置が用いられる。こうした能動装置は全てキャビティ内に設けられるが、代替にＶＣＯ１１６が基板自体の中に組み入れられてもよい。ＰＬＬループ・フィルタ１１５は相互接続構造及び基板全体に渡って広げられる。あるいは、ＶＣＯ１１６がこの別のユニットに組み立てられてもよい。バンドパスフィルタ及び他のフィルタは相互接続構造内に組み込まれるバラン及びＬＣフィルタでよい。これらのフィルタのうち、少なくともいくつかは代替にＢＡＷフィルタでもよい。これらのフィルタは、基板内のキャビティ内に、又はバンプとともに相互接続構造上に、分離ブロックとして適切に設けられてもよい。このような受動機能部は、ヒート・シンクに全く接続する必要がないので、バンプとともに基板の上部に設けられてもよい。
当業者であれば、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変更を加えることができることを理解するであろう。
本発明による第１の方法の一段階の概略横断面図である。 本発明による第１の方法の一段階の概略横断面図である。 本発明による第１の方法の一段階の概略横断面図である。 本発明による第１の方法の一段階の概略横断面図である。 本発明による第１の方法の一段階の概略横断面図である。 本発明による第１の方法の一段階の概略横断面図である。 本発明による第１の方法の一段階の概略横断面図である。 本発明による第１の方法の一段階の概略横断面図である。 図７において取得可能な半導体装置のＳＥＭ顕微鏡写真である。 本発明による第１の方法のさらなる一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第１の方法のさらなる一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第１の方法のさらなる一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第１の方法のさらなる一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第１の方法のさらなる一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第１の方法のさらなる一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第１の方法のさらなる一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第１の方法のさらなる一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第１の方法のさらなる一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第１の方法のさらなる一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第１の方法のさらなる一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第１の方法のさらなる一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第１の方法のさらなる一段階を示す概略横断面図である。 結果得られた装置の概略横断面図である。 本発明による第２の方法の一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第２の方法の一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第２の方法の一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第２の方法の一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第２の方法の一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第２の方法の一段階を示す概略横断面図である。 本発明による第２の方法の一段階を示す概略横断面図である。 結果得られた装置の概略横断面図である。 装置のさらなる一実施形態を示す概略横断面図である。 装置のさらなる一実施形態を示す概略横断面図である。 図３３の一部分を詳細に示す断面図である。 ボンディング・ワイヤ、金属ボール及び薄膜相互接続部によって成された結合における伝送を示すグラフである。 本発明による電子装置のブロックダイヤグラムである。

Claims (13)

  1. 第１及び第２の対向する面を有し、前記第１の面から前記第２の面に延在する第１の貫通孔が設けられ、前記第１の面上に第１の電子要素が設けられた半導体材料から成る基板と、
    複数接続パッドが設けられた結合面を有し、前記基板の前記第１の貫通孔内にあり、結合面が前記基板の前記第１の面上にある能動装置と、
    前記基板の前記第１の面上に設けられ、前記第１の貫通孔全体に延在し、前記能動装置を前記電子要素に相互接続し、前記接続パッドに対応する接続面を備える薄膜相互接続構造と、
    前記基板の前記第２の面上に設けられ、前記第１の貫通孔と、少なくとも前記基板の一部とにわたって延在するヒート・シンクと、
    外部システムに接続するためのボンディング・パッドと
    を備える電子装置であって、
    前記能動装置が第１の周波数の複数信号を処理するように作られ、前記第１の電子要素が、前記第１の周波数の複数信号を第２の低周波数及び又はその逆に変換する変成器の一部であり、それにより動作の際、前記ボンディング・パッドが前記第２の周波数で複数信号を伝送し、前記ヒート・シンクが接地面として動作することを特徴とする電子装置。
  2. 複数信号を前記第１の周波数で外部システムへ及び又は前記外部システムから伝送するために無線結合手段が存在することを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
  3. 前記変成器が複数マルチプレクサ及び複数デマルチプレクサを含み、前記第２の周波数の信号が低周波数信号である請求項２に記載の電子装置。
  4. 前記無線結合手段がダイポール・アンテナを含み、複数信号がシングル・エンド・フォーマットに変換されない複数差分信号として前記ダイポール・アンテナから１つ又は複数の能動装置へ伝送される請求項２に記載の電子装置。
  5. 少なくとも部分的に第２の能動装置として組み入れられたインピーダンス整合回路をさらに備え、前記第２の能動装置が前記基板内の第２の貫通孔内に存在する請求項２に記載の電子装置。
  6. 前記第２の能動装置が微小電子機器システム（ＭＥＭＳ）要素を備える請求項５に記載の電子装置。
  7. 半導体材料から成る前記基板が高抵抗シリコン基板である請求項１に記載の電子装置。
  8. 垂直相互接続部が前記相互接続構造から前記基板を介して前記接地面に延在する請求項１に記載の電子装置。
  9. 少なくとも２つの周波数帯域において信号伝送及び信号増幅のための手段を備える請求項１に記載の装置。
  10. 前記無線結合手段が光信号を電子信号に変換することが可能な光電子半導体要素を備える請求項２に記載の装置。
  11. アンテナをさらに備える請求項１０に記載の装置。
  12. 請求項１乃至１１いずれかに記載の前記装置を備えるオーディオ及びビデオ伝送システム。
  13. 少なくとも２ＧＨｚの周波数で信号を伝送し、且つ、増幅するための請求項１乃至１１いずれかに記載の前記電子装置の使用。
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