JP2008524836A - 小型マイクロ波パッケージ及び該パッケージの製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、アクティブ面(62)を備えたマイクロ波チップ(60)を有する小型マイクロ波パッケージに関する。チップは、そのアクティブ面に固定されチップを少なくとも部分的に覆っている保護蓋(72)を有する。この蓋は、チップのアクティブ面と一緒になってキャビティ(94、96、98)を形成する少なくとも1つの凹部を有する。
用途:小型マイクロ波パッケージ
【選択図】図5

Description

本発明は200GHzまでの周波数で動作するマイクロ波集積回路のカプセル化のための小型パッケージ、特にカプセル化された集積回路を保護するための小型パッケージに関する。
ますます高い周波数でのマイクロ波用途の開発によって、高いレベル集積化及び圧縮化を備えた集積回路への需要が高まっている。
従来技術のマイクロ波パッケージは、例えば有機(PCB)技術又はセラミック技術を使用する。これらのパッケージに共通の原理は、パッケージ内に電子チップを実装し、マイクロストリップ線路を有する回路の場合は主に導電ワイヤを介してパッケージを相互接続、又は頻度は低いが単平面回路の場合ははんだバンプによってパッケージを相互接続することにある。集積回路は、特に蓋でパッケージを封止することによって、物理的、化学的、又は外部環境からもたらされるその他の形態の攻撃から保護される。
図1に、1GHz〜100GHzの周波数帯で動作するMMIC(モノリシックマイクロ波集積回路)と一般に呼ばれる従来技術のマイクロ波パッケージの構成例を示す。
図1に示すマイクロ波パッケージは、アクティブマイクロ波部品14(特にトランジスタ)及び電気伝導体16を統合するアクティブ面12と、このアクティブ面の反対側に位置する背面18とを備えたマイクロ波チップ10を本質的に有する。チップ10は、その背面18を介して、マイクロ波パッケージの金属底部20に実装される。パッケージは相互接続回路(又は受信回路(receiving circuit))に実装するために金属リード22の形の電気接触を含むが、これについては図示しない。
図1に示すパッケージの金属リード22は、パッケージに機械的に固定されており、電気ワイヤ24によってチップのアクティブ面上の電気伝導体16と接続されていることから、金属リード22によってチップとパッケージの外部環境との電気的な接続が提供される。
図1に示すパッケージは蓋26によって封止され、外部環境からチップを保護する。このため、チップは、蓋で封止されたパッケージによって形成される空気(又はガス封入)キャビティ28内にある。
図1に示すマイクロ波パッケージは、例えば他の電子回路と相互接続させるために、電子カードに実装することを目的とする。
図2及び図3は、集積回路を保護するための従来技術の他の2つの手法を示す。
図2は、アクティブ面42と、このアクティブ面の反対側に位置する背面45とを有するマイクロ波チップ40を示し、該アクティブ面は電気伝導体43を含むとともにアクティブマイクロ波部品44を統合しており、該背面は電気伝導体46を含んでいる。
集積回路40を保護するために、厚さ数ミクロンの保護誘電体層48をチップのアクティブ面42に蒸着(BCB(ベンゾシクロブテン)技術)して、トランジスタやエアブリッジ等、集積回路における壊れやすい要素を保護している。
図3では、アクティブ面42に保護誘電体層48を含む集積回路40が、マイクロ波パッケージ52の基板50上に実装される。チップのアクティブ面12にある電気伝導体16は、ワイヤ54によって、パッケージ上の電気コネクタ56に電気的に接続される。
チップ40が基板50上に実装され、組み立てられると、集積回路40全体に誘電体の層(又はグロブ)58を蒸着(「グロブトップ(glob top)」技術)することでパッケージ52が封止され、外部環境から保護される。
マイクロ波パッケージの集積回路を保護するためのこのような従来技術の種々のソリューションには、特に以下のような欠点がある:
− 既存のパッケージのフットプリント(およそ20mm2)。
− 特に高速(特にマイクロ波)のロジック及びアナログ用途における電気的な性能の低下。この問題の原因は、相互接続(ボンディングワイヤやトランジション線路(transition line)等)の長さ、及び従来技術のパッケージの寸法と関連付けられた寄生要素にある。特に、これらのパッケージの、結果として発生する寄生インダクタンスは、カプセル化された回路のゲイン、安定性、及び動作周波数を制限する。
− 従来技術の特定のパッケージソリューションの表面実装手法との非互換性。
− パッケージ化された部品をテストするための生産設備(試験治具、ハンドラ等)の必要性。
更に、保護誘電体に基づくソリューションの主な欠点として以下のようなものが挙げられる。
− アクティブ部品(トランジスタ)及びパッシブ部品の寄生容量を増やす結果となる誘電体の使用に起因して、特にマイクロ波用途の場合に性能が大幅に低下する。
− 特に高速ロジック及びアナログ用途において電気性能が低下する。この性能低下はボンディングワイヤの長さに起因するものである。
従来技術のマイクロ波パッケージの欠点を軽減するために、本発明では、アクティブ面を備えるマイクロ波チップを有する小型マイクロ波パッケージであって、該チップが、アクティブ面に固定され少なくともチップを部分的に覆う保護蓋を含み、該蓋が、チップのアクティブ面と一緒になってキャビティを形成する少なくとも1つの凹部を含むことを特徴とする小型マイクロ波パッケージを提案する。
本発明によるパッケージの好ましい実施形態では、蓋がチップのアクティブ面全体を覆う。
本発明に係るパッケージの他の実施形態では、蓋は複数の凹部を含み、凹部の各々はチップのアクティブ面と一緒になってキャビティを形成する。
本発明の主な目的は、200GHzまでの周波数で動作する高性能で低コストの小型マイクロ波パッケージを提供することにある。
本発明の他の目的は、表面実装技術(SMD、つまり表面実装部品)と互換性のある小型マイクロ波パッケージを提供することにある。
本発明の他の目的は、パッケージ内にカプセル化された集積回路のアクティブ面を完全に保護し、集積回路を丈夫で扱いやすいものとすることにある。
本発明はまた、パッケージの一括製造のための方法に関し、その結果としてパッケージの製造コストが削減される。
本発明は、添付の図面を参照しながら小型マイクロ波パッケージの例示的な実施形態を用いてよく理解できるであろう。
図4は、本発明に係るマイクロ波パッケージを示したものである。マイクロ波パッケージは、アクティブ面62とこのアクティブ面の反対側に位置する背面66とを備えるマイクロ波チップ(又は集積回路)60を有している。該アクティブ面はその面上に電気伝導体64を含み、アクティブマイクロ波部品65を統合している。該背面は、集積回路を他の集積回路と相互接続したり集積回路をモールドパッケージにカプセル化したりする場合等に必要な収容基板(図示せず)に集積回路を実装するために、電気伝導体68を含んでいる。
集積回路60は、チップのアクティブ面62と平行な上部プレート74を有する保護蓋72を含む。上部プレート74は、該プレートと垂直な壁76によって延長され、チップと一緒になって、蓋の上部プレート74とアクティブ面との間に位置するキャビティ80を形成するようにチップのアクティブ面62と接触する端部78で終端している。
公知の方法によってチップに取り付けられる蓋72は、アクティブ面62全面を覆う。
面積が集積回路60の面積に近いがそれよりは小さく、厚さが非常に薄い蓋72は好ましくは、シリコン、プラスチック、ダイヤモンド、ガラス、有機又は高分子材料、金属から選択される材料で製造される。
図5は、図4のパッケージの第1の変形例を示す。この第1の変形例では、蓋72は、チップのアクティブ面62と一緒になって、他の複数のキャビティ94、96、98を形成するようにこの蓋の上部プレート74に対して垂直な他の壁90、92を有する。
チップのアクティブ面と一緒に複数のキャビティを形成する蓋の利点は、チップのアクティブ面の複数の区域を電磁的に分離、又はチップのアクティブ面の複数の区域と外部環境との間を電磁的に分離できることである。この電磁的な分離はパッケージを蓋で封止することで実現され、その他の製造作業は一切伴わないため、パッケージの製造が簡略化される。
チップのアクティブ面と面する側にある、蓋の凹部は、エッチング又はモールディングのいずれかによって製造できる。このように製造される凹部は、該アクティブ面と一緒になって、キャビティ80、94、96、98を形成する。蓋は、プレートの凹部の縁を介してチップのアクティブ面と接触することで、蓋とアクティブ面との間にキャビティを形成する。
図6は、図4のパッケージの第2の変形例を示す。この第2の変形例では、蓋72は支柱100を備える。この支柱は、蓋の上部プレート74の下に配置され、支柱の端部102を介してチップのアクティブ面62と接触する。このような支柱は、集積回路で該蓋72を支えることを目的とする。このようにするため、支柱は蓋の壁76と同じ高さHを有し、壁76と支柱100はそれぞれの端部78、102を介してチップのアクティブ面と接触する。
図7は、図4のパッケージの第3の変形例の部分投影図を示す。この第3の変形例では、蓋は、チップのアクティブ面62に面するプレート72の面84に電気伝導体及び熱伝導体110を含み、この蓋上の電気及び熱伝導体はアクティブ面にある電気伝導体112と接触している。
図7に示す実施形態では、アクティブ面にある電気伝導体112は、チップのアクティブ面の電界効果トランジスタのソースSである。ソースSは蓋72のグラウンドに接続され、トランジスタによって生成された熱を排熱する。
一般に、蓋の電気伝導体及び熱伝導体110は、一方でチップ上の電気伝導体(例えばグランド導体)との電気接続を提供し、もう一方でチップによって生じる熱の蓋への排熱を提供する。
蓋の実際の実施形態では、蓋の凹部の深さH、つまり、保護された集積回路のキャビティの深さは、10〜500ミクロンの範囲にある。
所定のマイクロ波チップ用途では、蓋と集積回路によって形成されるキャビティを使用してマイクロ波フィルタ又は導波管が製造される。
図8に示す本発明に係るマイクロ波パッケージの他の実施形態では、保護蓋72を含む集積回路60は、電気コンタクト118(例えばはんだバンプ)を介してパッケージの底部120に実装される。このパッケージ底部には、集積回路60と比べて電気伝導体の分解能(electrical conductor resolution)が低い受信回路にパッケージを実装するための一連の電気コネクタ122(又はリードフレーム)が含まれる。
図8のパッケージは、モールディング114によって封止されており、チップ60が保護蓋72によってカプセル化され、パッケージを受信回路と相互接続するために電気コンタクト112が露出されている。
図9は、本発明に係るマイクロ波パッケージのもう1つの実施形態を示し、これはチップのアクティブ面よりも面積が小さい蓋を含む。
図9のパッケージは、アクティブ面130を備えた集積回路60を有する。このアクティブ面は、その面上に電気伝導体132を有し、これらの電気伝導体の中でも、チップを外部回路に電気的に接続するための電気接続部134を有する。
チップは、アクティブ面130に固定された蓋136によって保護されている。この蓋は、図4のパッケージの蓋と構造は同じであるが、チップのアクティブ面よりも面積が小さくくなっており、チップの電気接続部134を露出させておくためにチップを部分的に覆っている。チップは、電気コンタクトを含む収容基板(図示せず)に実装してもよい。その後、基板の電気コンタクトが相互接続ワイヤ138(点線で示す)によってチップ上の電気接続部134に接続される。
本発明はまた、本発明に係る小型マイクロ波パッケージの一括製造のための方法にも関する。
図10a、10b、10c、10d、及び10eは、本発明に係る蓋で保護された集積回路を有する小型マイクロ波パッケージの一括製造のための第1の方法の主要ステップを示す。
本発明に係るパッケージの一括製造のための第1の方法は、少なくとも以下のステップを含む。
− 一組の集積回路139であって、該集積回路の各々は、アクティブ素子144と電気伝導体146とを含むアクティブ面140と、電気伝導体148を含む、該アクティブ面の反対側に位置する背面142と、チップ内に、アクティブ面の電気伝導体146と背面の電気伝導体148とを接続するメッキスルーホール150とを有する集積回路を、ガリウム砒素、窒化ガリウム、又はリン化インジウムでできた単結晶又はウェーハ上に、例えば公知の技術を使用して、製造するステップ(図10aを参照)、
− エッチングされたシリコンウェーハから、
a)保護すべき前記チップの前記アクティブ面と一緒にしてキャビティを形成するための凹部154と、
b)蓋で覆われた集積回路を分離するために、蓋の間に形成されたダイシングパス156と
を有する蓋ウェーハ152を製造するステップ(図10bを参照)、
− 凹部154の縁158に接着要素を局部的に堆積させるステップ、
− 蓋ウェーハ152を、その凹部154の縁158を介して、集積回路ウェーハ(図10a)上の集積回路のアクティブ面140にウェーハボンディングによって実装し、カプセル化された集積回路ウェーハ160を形成するステップ(図10cを参照)、
− ダイシングパス156が集積回路ウェーハの集積回路を保護するための蓋を分離するまで、蓋ウェーハ152側から、カプセル化された集積回路ウェーハ160を薄くしていくステップ(図10dを参照)、
− それぞれ蓋176、178、180によって保護された集積回路を有するパッケージ170、172、174を分離するために、カプセル化された集積回路ウェーハ160をダイシングするステップ(図10eを参照)。
蓋の凹部154は、各々のアクティブ面と一緒になって、キャビティ182、184、186を形成する。
図10a〜図10eに対応する上記の一括製造方法に従って得られた蓋によって保護される集積回路を有する、本発明に係るパッケージをカプセル化するための方法を図11a、図11b、図11c、図11d、及び図11eに示す。
図11a〜11eに示すカプセル化方法は、少なくとも以下のステップを含む。
− 仮基板190上に一連の電気コンタクト192(又はリードフレーム)を成長させるとともに、該電気コンタクト192上にはんだバンプ194を成長させるステップ(図11aを参照)、
− 蓋176によって保護された集積回路を有するパッケージ170を集積回路の背面142を介して、一連の電気コンタクト192にはんだバンプ194によって実装するステップ(図11bを参照)、
− 蓋によって保護された集積回路と仮基板190上の一連の電気コンタクト192とをモールディング196にて封止するステップ(図11cを参照)、
− 仮基板190を、リードフレームの電気コンタクト192まで薄くするステップ(図11dを参照)、
− 蓋によって保護された集積回路を有するモールド済パッケージ200をダイシング及び分離するステップ(図11eを参照)。
本発明の一般概念は、使用される基板及び集積回路に適用される変形例に応じて、複数のソリューションで例示することができる。
シールドを得るためには:従来技術のパッケージ(リードピンが出ているパッケージ又はQFNタイプのパッケージ)を使用して部品全体をカプセル化する。
コンパクト性を高めるには:保護された集積回路で「グロブトップ」タイプの保護を使用する。
気密性を向上させるには:基板とセラミック製の蓋を使用する。
能力を向上させるためには:ダイヤモンド、AlN、BeO等の中から選択した、熱伝導率が高い基板を使用、又はサーマルビアを有する標準的な低コスト(PCB、LTCC、HTCC等)基板を使用する。MMIC集積回路の厚さを薄くすることにより、MMICのトランジスタの下にサーマルビアを使用して熱的に最適化されたMMIC集積回路と、カプセル化ソリューションを組み合わせることができる。
蓋によって保護された集積回路を有する本発明に係るパッケージはまた、上記した利点に加えて、以下のことが可能である。
− サーマルパスを短くすることによる、熱問題の著しい改善。
− 製造方法に必要な一括処理を従来技術に比べて大幅に簡素化。
− 相互接続を非常に短くしたことによる、高速ロジック及びアナログ用途での電気性能の大幅向上。
− 部品の表面実装を必要し、さらにボンディングワイヤの使用を回避する生産技術との互換性。
− 蓋とチップのアクティブ面との間の空気キャビティの縮小化による、寄生容量の増大防止、及び後続のカプセル化又はパッケージ化作業から回路が受ける影響の緩和。さらに、このキャビティの高次モードの遮断周波数は、使用可能な周波数の完全に外にある(他の実施形態では、矩形の導波管又はフィルタを製作するためにキャビティの高さを選択できる)。
− 寸法の非常に小さな空気キャビティを製造することにより、MEMS(マイクロマシン:microelectromechanical system)部品の機械要素を移動及び機能させること。
− 光窓、ダイシングパス、集積アンテナ用のバックショートを製造するためにキャビティの高さを適合させることが可能。
− プローブ生産試験方法との互換性。
− 現在の集積回路の製造方法との互換性。
− 好適な放射硬化を提供する保護。
前述したように、従来技術のマイクロ波パッケージの例示的実施形態を表す。 前述したように、従来技術の集積回路を保護するための他の手法を示す。 前述したように、従来技術の集積回路を保護するための他の手法を示す。 本発明に係るマイクロ波パッケージを示す。 図4のパッケージの第1の変形例を示す。 図4のパッケージの第2の変形例を示す。 図4のパッケージの第3の変形例の部分投影図を示す。 本発明に係るマイクロ波パッケージの他の実施形態を示す。 本発明に係るマイクロ波パッケージの他の実施形態を示し、これはチップのアクティブ面よりも面積が小さい蓋を含む。 本発明に係るパッケージの一括製造のための第1の方法の主要ステップを示す。 本発明に係るパッケージの一括製造のための第1の方法の主要ステップを示す。 本発明に係るパッケージの一括製造のための第1の方法の主要ステップを示す。 本発明に係るパッケージの一括製造のための第1の方法の主要ステップを示す。 本発明に係るパッケージの一括製造のための第1の方法の主要ステップを示す。 本発明に係る蓋によって保護される集積回路をカプセル化するための方法を示す。 本発明に係る蓋によって保護される集積回路をカプセル化するための方法を示す。 本発明に係る蓋によって保護される集積回路をカプセル化するための方法を示す。 本発明に係る蓋によって保護される集積回路をカプセル化するための方法を示す。 本発明に係る蓋によって保護される集積回路をカプセル化するための方法を示す。

Claims (11)

  1. アクティブ面(12、42、62、140)を備えたマイクロ波チップ(10、40、60)を有する小型マイクロ波パッケージであって、
    前記チップが前記アクティブ面に固定され前記チップを少なくとも部分的に覆う保護蓋(72、176、178、180)を含み、前記蓋が前記チップの前記アクティブ面と一緒になってキャビティ(80、94、96、98)を形成する少なくとも1つの凹部(154)を含むことを特徴とする、小型マイクロ波パッケージ。
  2. 前記蓋が前記チップの前記アクティブ面全面を覆うことを特徴とする、請求項1に記載の小型マイクロ波パッケージ。
  3. 前記蓋が複数の凹部を含み、前記凹部の各々が前記チップの前記アクティブ面と一緒になってキャビティ(80、94、96、98)を形成することを特徴とする、請求項1又は2に記載の小型マイクロ波パッケージ。
  4. 前記チップ(60)の前記アクティブ面(62)が電気伝導体(64)とアクティブマイクロ波部品(65)とを前記アクティブ面に含み、
    前記チップが電気伝導体(68)を含む背面(66)を前記アクティブ面の反対側に有し、
    集積回路のための前記保護蓋(72)が前記チップの前記アクティブ面(62)と平行な上部プレート(74)を有し、
    前記上部プレート(74)が該上部プレートに対して垂直な壁(76)によって延長され、前記チップと一緒になって、前記蓋の前記上部プレート(74)と前記アクティブ面との間に位置するキャビティ(80)を形成するように前記チップの前記アクティブ面(62)と接触した端部(78)で終端していることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の小型マイクロ波パッケージ。
  5. 前記蓋(72)が該蓋の前記上部プレート(74)に対して垂直な他の壁(90、92)を有し、前記チップの前記アクティブ面(62)と一緒になって、他の複数のキャビティ(94、96、98)を形成することを特徴とする、請求項4に記載の小型マイクロ波パッケージ。
  6. 前記チップの前記アクティブ面に面する側にある、前記蓋の凹部はエッチング又はモールディングによって製造することができ、この凹部が前記アクティブ面と一緒になって前記キャビティ(80、94、96、98)を形成することを特徴とする、請求項3〜5のいずれか一項に記載の小型マイクロ波パッケージ。
  7. 前記蓋が、前記チップの前記アクティブ面(62)に面している、前記プレート(72)の面(84)側に電気伝導体及び熱伝導体(110)を含み、該電気伝導体及び熱伝導体が前記アクティブ面の電気伝導体(112)と接触していることを特徴とする、請求項5又は6に記載の小型マイクロ波パッケージ。
  8. アクティブ面(130)を備えた集積回路(60)を有する小型マイクロ波パッケージであって、前記アクティブ面が電気伝導体(132)を有し、前記アクティブ面上のこれらの伝導体の中でも、前記チップを外部回路に電気的に接続するための電気接続部(134)を有し、
    前記チップを保護するための蓋(136)が、前記チップの前記アクティブ面の面積より狭く、前記チップを部分的にしか覆わないことにより、前記チップの前記電気的接続部(134)を露出させていることを特徴とする、請求項4〜7のいずれか一項に記載の小型マイクロ波パッケージ。
  9. 前記蓋が好ましくは、シリコン、プラスチック、ダイヤモンド、ガラス、有機又は高分子材料、金属の中から選択した材料で製造されることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の小型マイクロ波パッケージ。
  10. 請求項1〜9のいずれか一項に記載の蓋によって保護されたマイクロ波チップを有する小型マイクロ波パッケージを一括製造するための方法であって、該方法が少なくとも、
    − 一組の集積回路(139)であって、該集積回路の各々が、アクティブ要素(144)と電気伝導体(146)とを含むアクティブ面(140)と、電気伝導体(148)を含む、前記アクティブ面の反対側に位置する背面(142)と、前記チップ内に前記アクティブ面の前記電気伝導体(146)と前記背面の前記電気伝導体(148)とを接続するメッキスルーホール(150)とを有する集積回路を、ガリウム砒素、窒化ガリウム、又はリン化インジウムでできた単結晶又はウェーハに、例えば公知の技術を使用して製造するステップと、
    − エッチングされたシリコンウェーハから
    a)保護すべき前記チップの前記アクティブ面と一緒にキャビティを形成するための凹部(154)と、
    b)前記蓋で覆われた集積回路を分離するために、前記蓋の間にダイシングパス(156)と
    を有する蓋ウェーハ(152)を製造するステップと、
    − 前記凹部(154)の縁(158)に接着要素を局部的に堆積させるステップと、
    − 前記蓋ウェーハ(152)を、前記凹部(154)の前記縁(158)を介して、前記集積回路ウェーハ上の前記集積回路の前記アクティブ面(140)にウェーハボンディングによって実装し、カプセル化された集積回路ウェーハ(160)を構成するステップと、
    − 前記ダイシングパス(156)が前記集積回路ウェーハの前記集積回路を保護するための前記蓋を分離するまで、前記蓋ウェーハ(152)側から、前記カプセル化された集積回路ウェーハ(160)を薄くしていくステップと、
    − それぞれ蓋(176、178、180)によって保護された前記集積回路を有する前記パッケージ(170、172、174)を分離するために、前記カプセル化された集積回路ウェーハ(160)をダイシングするステップと、を含むことを特徴とする方法。
  11. 請求項1〜9のいずれか一項に記載の蓋によって保護された集積回路をカプセル化するための方法であって、該方法が少なくとも、
    − 仮基板(190)上に一連の電気コンタクト(192)(又はリードフレーム)を成長させるとともに前記電気コンタクト(192)上にはんだバンプ(194)を成長させるステップと、
    − 前記蓋(176)によって保護された集積回路を有する前記パッケージ(170)を、前記集積回路の背面(142)を介して前記一連の電気コンタクト(192)に前記はんだバンプ(194)によって実装するステップと、
    − 前記蓋によって保護された前記集積回路と前記仮基板(190)上の前記一連の電気コンタクト(192)とをモールディング(196)するステップと、
    − 前記仮基板(190)を、前記リードフレームの前記電気コンタクト(192)まで薄くするステップと、
    − 前記蓋によって保護された前記集積回路を有するモールド済パッケージ(200)をダイシング及び分離するステップと、を含むことを特徴とする方法。
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