JP2008205182A

JP2008205182A - 高周波回路装置

Info

Publication number: JP2008205182A
Application number: JP2007039511A
Authority: JP
Inventors: Nobuji Yonemoto; 宜司米本
Original assignee: Denso Ten Ltd
Current assignee: Denso Ten Ltd
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2008-09-04

Abstract

【課題】外部基板への実装後においても回路動作の信頼性を損なうことなく、外部基板やレーダ装置の一層の小型化を図ることができる高周波回路装置を提供すること。
【解決手段】半導体回路基板２と、半導体回路基板２の一方の面ａに、ポリイミド多層薄膜部３と、多層薄膜部３の層間を接続するバイア４とを含んで構成される多層配線部５とを備え、多層配線部５の外部との接続面ｂに、バイア４と接続されるバンプ部６、７が形成され、バイア４が、バンプ部６、７の外周部近傍領域を除く内側領域に位置するように形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は高周波回路装置に関し、より詳細には、マイクロ波やミリ波帯域にわたる電磁波を利用するレーダ装置等に搭載可能な高周波回路装置に関する。

近年、自動車の安全走行を支援するシステム、例えば、先行車両との車間距離を制御するＡＣＣ（Adaptive Cruise Control)システムや、衝突が避けられない場合にシートベルトを巻き上げ、ブレーキをかけるプリクラッシュブレーキシステムなどの開発が進められている。

このような安全走行支援システムが搭載された車両には、先行車両との車間距離等を検出するためにレーダ装置（例えば、ミリ波レーダ）が搭載されている。車載用のミリ波レーダは、アンテナ部、ミリ波送受信部、スキャナー部、アナログ回路部、ディジタル信号処理部、外部インターフェースなどから構成されており、ＦＭ−ＣＷ、２周波ＣＷ、パルス、スペクトラム拡散方式等、様々な変調方式のものが開発されている。

このようなミリ波レーダの構成部品の中でもミリ波送受信部は、特に重要な構成部品であり、このミリ波送受信部の構成部品として、近年、モノシリックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ：Monolithic Microwave Integrated Circuit ）が採用されるようになってきており、ミリ波送受信部の小型化や低コスト化を図る技術も開示されている（例えば、下記の特許文献１、２参照）。

これら特許文献には、配線が立体的に形成された多層基板（外部基板）上にＭＭＩＣチップ（高周波回路装置）が実装された装置が開示されているが、ＭＭＩＣチップ内の配線構造については、特に開示されていない。ＭＭＩＣチップ内の配線構造等を工夫することにより、ＭＭＩＣチップを実装する外部基板、さらにはレーダ装置の一層の小型化を図ることが可能になると考えられるが、ＭＭＩＣチップ内の配線構造の問題等について、具体的に記述された文献は特になく、十分な検討がなされていないのが現状であった。
特許第３１２９２８８号公報特開２００３−３３２５１７号公報

課題を解決するための手段及びその効果

本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、外部基板への実装後における回路動作の信頼性を損なうことなく、実装する外部基板の小型化やレーダ装置の一層の小型化を図ることができる高周波回路装置を提供することを目的としている。

本発明者は、上記ミリ波送受信部の一層の小型化を図るために、半導体回路基板上に、有機系材料からなる多層薄膜部と、該多層薄膜部の層間を接続するバイアとを含んで構成される多層配線部を形成し、該多層配線部の外部との接続面に、前記バイアと接続されるバンプ部を形成した高周波回路装置（ＭＭＩＣチップ）の開発を試みた。

該高周波回路装置は、前記多層薄膜部が有機系材料から構成されているため、前記バンプ部を介した外部基板への実装（接合）は、圧力（荷重）及び振動（超音波振動）を加えて行う必要があった。そのため、前記多層配線部に形成されたバイアの形状や該バイアと前記バンプ部との接続位置関係によっては、実装時に前記多層配線部に形成されたバイアが断線してしまい、実装後の信頼性が損なわれてしまう恐れがあった。

そこで、本発明者は、前記多層配線部に形成されたバイアが断線するメカニズムを考察するために、外部基板に接合された前記高周波回路装置に横方向（一側面側）から力を加えて、外部基板との接合部（バンプ）を破断し、該接合部における破断状態を観察したところ、前記高周波回路装置のバンプは、その破壊状態より外部基板の接続パッドの外周部近傍で強く接合していることが推測された。

この現象から、前記多層配線部における前記パンプ部の外周部近傍領域にも接合時に強い応力が作用していると推定し、前記パンプ部の外周部近傍領域に前記バイアを形成しないようにしたところ、数μｍ程度の微細な径のバイアであっても、接合時における断線が防止できることを見い出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明に係る高周波回路装置（１）は、上記知見に基づきなされた発明であり、半導体回路基板と、該半導体回路基板の一方の面に、有機系材料からなる多層薄膜部と、該多層薄膜部の層間を接続するバイアとを含んで構成される多層配線部とを備え、該多層配線部の外部との接続面に、前記バイアと接続されるバンプ部が形成され、前記バイアが、前記バンプ部の外周部近傍領域を除く内側領域又は外側領域に位置するように形成されていることを特徴としている。

上記高周波回路装置（１）によれば、前記多層配線部に形成されるバイアが、前記バンプ部の外周部近傍領域を除く内側領域又は外側領域に位置するように形成されているので、圧力及び振動（超音波振動等）を加えて外部基板と接合した場合であっても、前記バイアに加わる接合時の応力を抑制することができ、前記バイアの断線を防止することができ、実装後の信頼性を損うことのない装置とすることができるとともに、実装する外部基板の小型化、さらにはレーダ装置の一層の小型化を図ることが可能となる。

以下、本発明に係る高周波回路装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。以下の実施の形態では、本発明に係る高周波回路装置が車載用のレーダ装置の構成部品に適用された場合について説明する。

図１（ａ）に示しているように車載用のレーダ装置Ｒは、車両Ｍの前方部分に搭載され、前方方向に対してミリ波信号を放射して、対象物からの反射波を測定し、該対象物との距離や相対速度などを検知する装置である。

図１（ｂ）は、レーダ装置Ｒの要部を概略的に示したブロック図であり、レーダ装置Ｒは、送受信モジュール部５０と本体部６０とを含んで構成されている。送受信モジュール部５０は、誘電体基板などからなる外部基板２０上に配置された複数の高周波回路装置１と、これら高周波回路装置１に対応して形成されたアンテナ部５１とを含んで構成されている。高周波回路装置１は、例えば、ミリ波信号発生回路、増幅器、及びミキサー等を含んで構成される送受信チャネルの送受信部（図示せず）が１つ又は２つ以上形成されたモノシリックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）から構成されている。

また、本体部６０は、送受信チャネルの制御を行うためのチャネル制御回路６１、各高周波回路装置１から出力されるビート信号を選択してＡ／Ｄ変換器６２に出力するためのセレクタ６３、Ａ／Ｄ変換器６２で変換されたディジタル・ビート信号の高速フーリエ変換を行うＦＦＴ回路６４、メモリ６５、及びこれら各部を制御するＣＰＵ６６を含んで構成されている。ＣＰＵ６６では、ＦＦＴ回路６４から取り込んだ受信反射信号の周波数スペクトルを解析することにより、各受信チャネルごとに反射波を発生させた物体までの距離を算出することが可能となっている。

次に高周波回路装置１の構成について説明する。図２は、実施の形態（１）に係る高周波回路装置１の部分断面図である。
高周波回路装置１は、基板平面の縦横が数ミリ（例えば５〜９ミリ）程度の略直方体形状をした半導体回路基板２と、半導体回路基板２の一方の面（回路素子形成面）ａに、ポリイミド薄膜層３ａ〜３ｄが積層された多層薄膜部３と、多層薄膜部３の層間を接続するバイア４とを含んで構成される多層配線部５とを含んで構成されている。

また、多層配線部５の外部接続面ｂには、バイア４と直に接続されたバンプ下地金属層６が形成され、バンプ下地金属層６に略円筒形状をした金バンプ７が形成されている。バイア４は、バンプ下地金属層６の外周部近傍領域を除く内側領域に配設されており、本実施の形態（１）では、バイア４の中心軸と、バンプ下地金属層６及び金バンプ７の中心軸とが略重なるように、バイア４とバンプ下地金属層６とが多層配線部５に形成されている。

なお、バンプ下地金属層６や金バンプ７の直径φＡは、４０〜５０μｍ程度に設定されており、バイア４の直径φＢは、数μｍ〜２０μｍ程度の範囲で設定可能であり、多層配線部５の外部接続面ｂに１００〜２００個程度の金バンプ７が形成された構造となっている。また、ポリイミド薄膜層３ａ〜３ｄには、バイア４と接続された導体パターンや接地導体層など（いずれも図示せず）が形成されている。

また、図中２０は、高周波回路装置１が実装される外部基板を示しており、外部基板２０の所定位置には、高周波回路装置１の金バンプ７が接合されるパッド２１が形成されている。

次に高周波回路装置１の製造方法について説明する。ＭＭＩＣが形成された半導体回路基板２の一方の面ａに、ポリイミド薄膜層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを順に積層形成する。各ポリイミド薄膜層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを形成する際、バイア４を形成する位置にバイア４になる開口部を形成し、該開口部を金で充填する。そして、最表層のポリイミド薄膜層３ｄを形成した後、ポリイミド薄膜層３ｄ上にバイア４と接続されるバンプ下地金属層６を形成し、バンプ下地金属層６に金バンプ７を形成して、高周波回路装置１を完成させる。

上記実施の形態（１）に係る高周波回路装置１によれば、多層配線部５に形成される極細のバイア４が、バンプ部（バンプ下地金属層６）の外周部近傍領域を除く内側領域に位置するように配設されているので、圧力及び振動を加えて（例えば、１０〜５０Ｎ、６０Ｈｚという条件で）外部基板２０と接合した場合であっても、バイア４に加わる接合時の応力を抑制することが可能となり、バイヤホール４の断線を防止することができ、実装後の信頼性を損うことのない装置とすることができるとともに、外部基板２０、さらにはレーダ装置等の一層の小型化を図ることができる。

なお、上記実施の形態（１）に係る高周波回路装置１では、バイア４の中心軸とバンプ部（バンプ下地金属層６）の中心軸とが、略重なるように、バンプ部の略中心位置にバイア４が形成されている場合について説明したが、バイア４の中心軸とバンプ部の中心軸とを必ずしも一致させる必要はなく、別の実施の形態では、バンプ部の直径をφＡとした場合、バンプ部の中心から半径φＡ／ｎ（但し、ｎは３以上）の円内にバイア４が納まるように、バイア４を形成するようにしてもよい。係る構成によっても、上記高周波回路装置１と同様な効果を得ることができ、さらに多層配線部５における配線自由度を向上させることができるといった効果を得ることができる。

また、別の実施の形態に係る高周波回路装置１Ａでは、図３（ａ）〜（ｅ）に示したように、多層薄膜部３の各ポリイミド薄膜層３ａ〜３ｄにおけるバイア４の周囲にギャップＧを介して導体パターン８ａ〜８ｄを形成する構成としてもよく、係る構成によれば、導体パターン８ａ〜８ｄにより、圧力及び振動による接合時にバイア４に加わる応力をさらに抑制する効果を高めることができ、バイア４の小径化を図ることができる。

また、上記実施の形態（１）に係る高周波回路装置１では、各ポリイミド薄膜層３ａ〜３ｄに形成されたバイア４を形成する各開口部の中心軸が略重なるようにバイア４が形成されているが、別の実施の形態に係る高周波回路装置１Ｂでは、図４に示したように、各ポリイミド薄膜層３ａ〜３ｄに形成されたバイア４ａを形成する各開口部の中心軸を、バイア４ａの直径φＢの範囲内で意図的にずらし、側面が凹凸形状をしたバイア４ａを形成するようにしてもよく、係る構成によっても、上記高周波回路装置１と同様な効果を得ることができ、さらに多層配線部５における配線自由度を向上させることができるといった効果を得ることができる。

また、上記実施の形態（１）に係る高周波回路装置１では、多層配線部５に形成されているバイア４の径φＢが一定の円柱形状となっている場合について説明したが、さらに別の実施の形態に係る高周波回路装置１Ｃでは、図５に示したように、バイア４ｂの直径φＢ’が半導体回路基板２側からバンプ下地金属層６に向けて小さくなるように略逆円錐形状をしたバイア４ｂを形成するようにしてもよく、係る構成によっても、上記高周波回路装置１と同様な効果を得ることができる。

次に実施の形態（２）に係る高周波回路装置について説明する。図６は、実施の形態（２）に係る高周波回路装置の部分断面図である。但し、図２に示した高周波回路装置１と同一機能を有する構成部品には同一符号を付し、その説明を省略する。

実施の形態（１）に係る高周波回路装置１では、多層配線部５に形成されたバイア４が、バンプ部（バンプ下地金属層６）の外周部近傍領域を除く内側領域に位置するように形成されているが、実施の形態（２）に係る高周波回路装置１Ｄでは、多層配線部５に形成されたバイア４ｃが、バンプ部（バンプ下地金属層６）の外周部近傍領域を除く外側領域に位置するように形成されている点が大きく相違している。

高周波回路装置１Ｄは、基板平面の縦横が数ミリ（例えば５〜９ミリ）程度の略直方体形状をしており、モノシリックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）としての機能を有する半導体回路基板２と、半導体回路基板２の一方の面（回路素子形成面）ａに、ポリイミド薄膜層３ａ〜３ｄが積層された多層薄膜部３と、多層薄膜部３の層間を接続するバイア４ｃとが形成された多層配線部５とを含んで構成されている。

また、多層配線部５の外部接続面ｂには、導体パターン９を介してバイア４ｃと接続されたバンプ下地金属層６が形成され、バンプ下地金属層６に略円筒形状をした金バンプ７が形成されている。バイア４ｃは、バンプ下地金属層６の外周部近傍領域を除く外側領域に配設されており、多層薄膜部３におけるバンプ部と向かい合う位置には、内側導体層（ベタ層）１０が形成されている。

なお、バンプ下地金属層６や金バンプ７の直径φＡは、４０〜５０μｍ程度に設定されており、バイア４ｃの直径φＢは、数μｍ〜２０μｍ程度の範囲で設定可能であり、多層配線部５の外部接続面ｂに１００〜２００個程度の金バンプ７が形成された構造となっている。

上記実施の形態（２）に係る高周波回路装置１Ｄによれば、多層配線部５に形成される微細なバイア４ｃが、バンプ部（バンプ下地金属層６）の外周部近傍領域を除く外側領域に位置するように形成され、多層薄膜部３におけるバンプ部と向かい合う位置に内側導体層１０が形成されているので、圧力及び振動を加えて（例えば、１０〜５０Ｎ、６０Ｈｚという条件で）外部基板と接合した場合であっても、バイア４ｃに加わる接合時の応力を抑制することができ、バイア４ｃの断線を防止することができ、実装後の信頼性を損うことのない装置とすることができるとともに、実装する外部基板２０、さらにはレーダ装置等の一層の小型化を図ることができる。また、内側導体層１０が形成されている構成からチップ上に形成されるバンプ７の高さのばらつきを小さくすることができる。

なお上記実施の形態（１）、（２）では、多層薄膜部３が４層のポリイミド薄膜層３ａ〜３ｄから構成されている場合について説明したが、多層薄膜部３の構成は、３層以下、又は５層以上であってもよく、また、ポリイミド以外の他の有機系材料により多層薄膜部が形成されたものにも適用することができる。

（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態（１）に係る高周波回路装置が採用された車載用のレーダ装置を説明するための概略構成図である。実施の形態（１）に係る高周波回路装置の部分断面図である。（ａ）は、別の実施の形態に係る高周波回路装置の部分断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ線断面図、（ｃ）は（ａ）におけるｃ−ｃ線断面図、（ｄ）は（ａ）におけるｄ−ｄ線断面図、（ｅ）は（ａ）におけるｅ−ｅ線断面図である。さらに別の実施の形態に係る高周波回路装置の部分断面図である。さらに別の実施の形態に係る高周波回路装置の部分断面図である。実施の形態（２）に係る高周波回路装置の部分断面図である。

符号の説明

１高周波回路装置（ＭＭＩＣチップ）
２半導体回路基板
３多層薄膜部
３ａ〜３ｄポリイミド薄膜層
４、４ａ、４ｂ、４ｃバイア
５多層配線部
６バンプ下地金属層
７金バンプ

Claims

半導体回路基板と、
該半導体回路基板の一方の面に、有機系材料からなる多層薄膜部と、該多層薄膜部の層間を接続するバイアとを含んで構成される多層配線部とを備え、
該多層配線部の外部との接続面に、前記バイアと接続されるバンプ部が形成され、
前記バイアが、前記バンプ部の外周部近傍領域を除く内側領域又は外側領域に位置するように形成されていることを特徴とする高周波回路装置。
前記バイアの径が、前記半導体回路基板側よりも前記バンプ部側の方が小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の高周波回路装置。
前記多層薄膜部における前記バイアの周囲にギャップを介して導体パターンが形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の高周波回路装置。
前記バイアが、前記バンプ部の外周部近傍領域を除く外側領域に位置するように形成されている場合、前記多層薄膜部における前記バンプ部と向かい合う位置に導体層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の高周波回路装置。