JP2010010480A - 半導体モジュールおよびその製造方法、ならびに携帯機器 - Google Patents

Abstract

【課題】封止樹脂による電子部品や半導体素子の封止の信頼性を向上させる。
【解決手段】半導体モジュール１０は、素子搭載用基板１２と、素子搭載用基板１２上に搭載された水晶振動子１４と、上面の少なくとも一部が金属部材１６ａで構成されている収容部材１６であって、素子搭載用基板１２上において、水晶振動子１４との間に空間が形成されるように水晶振動子１４を収容する収容部材１６と、金属部材１６ａを覆うように収容部材１６の上に積層された半導体素子１８と、収容部材１６および半導体素子１８を封止する封止樹脂２０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールおよびその製造方法、ならびに携帯機器に関する。

近年、半導体素子を用いた電子機器が様々な分野で開発されており、その用途や機能も多岐にわたっている。そのため、高度な又は複数の機能を実現するために一つの基板上に複数のＬＳＩチップや電子部品を搭載することが行われている。また、水晶振動子やＳＡＷフィルタ等の電子部品の外表面には、外部への電磁波の漏洩を低減するために、金属製のカバーが設けられている。

このようなモジュールとして、配線基板と、配線基板に並設される半導体素子及び金属板で囲われた水晶振動子と、これらを封止する絶縁性樹脂材と、を備えた回路モジュールが知られている（特許文献１参照）。

また、電子機器の小型化の要請により、基板サイズの小型化も求められている。このような要請に対して、回路基板の上面にＩＣを搭載するとともに、回路基板の裏面に設けられた空間に水晶振動子チップを収容することで小型化を図った高周波モジュールが知られている（特許文献２参照）。
特開２００７−２９４８２８号公報 特開２００６−４１９３０号公報

ところで、前述の技術のように電磁シールドとして機能する金属板は、封止材である絶縁樹脂材との密着性が悪く、モジュールの信頼性を低下させる一因となっている。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、封止樹脂による電子部品や半導体素子の封止の信頼性を向上させる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の半導体モジュールは、基板と、基板上に搭載された電子部品と、上面の少なくとも一部が金属部材で構成されている収容部材であって、基板上において、電子部品との間に空間が形成されるように該電子部品を収容する収容部材と、金属部材を覆うように収容部材の上に積層された半導体素子と、収容部材および半導体素子を封止する封止樹脂と、を備える。

この態様によると、電子部品を収容する収容部材と半導体素子とが積層されているため、基板の面積を小さくすることができる。また、収容部材の上面にある金属部材が半導体素子で覆われているため、密着性の悪い金属部材と封止樹脂との界面が減少し、比較的密着性の良い半導体素子と封止樹脂との界面が増加している。その結果、封止樹脂による電子部品や半導体素子の封止の信頼性が向上する。

本発明の別の態様は、半導体モジュールの製造方法である。この方法は、電子部品と、上面の少なくとも一部が金属部材で構成されている収容部材であって、電子部品との間に空間が形成されるように該電子部品を収容する収容部材と、を基板の上に搭載する工程と、金属部材を覆うように収容部材の上に半導体素子を積層する工程と、収容部材と半導体素子を封止樹脂で封止する工程と、を備える。

この態様によると、収容部材の上面にある金属部材が半導体素子で覆われた半導体モジュールが製造される。このような半導体モジュールは、密着性の悪い金属部材と封止樹脂との界面が減少し、比較的密着性の良い半導体素子と封止樹脂との界面が増加している。これにより、封止樹脂による電子部品や半導体素子の封止の信頼性が向上した半導体モジュールを簡便に製造することができる。

本発明のさらに別の態様は、携帯機器である。この携帯機器は、上述したいずれかの態様の半導体モジュールを搭載している。

本発明によれば、封止樹脂による電子部品や半導体素子の封止の信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

（第１の実施の形態）
［半導体モジュールの構造］
図１は、第１の実施の形態に係る半導体モジュールの構成を示す概略断面図である。図２は、第１の実施の形態に係る半導体モジュールの構成を示す上面図である。図１に示すように、第１の実施の形態に係る半導体モジュール１０は、素子搭載用基板１２と、素子搭載用基板１２上に搭載された水晶振動子１４と、水晶振動子１４を収容する収容部材１６と、収容部材１６の上に積層された半導体素子１８と、収容部材１６および半導体素子１８を封止する封止樹脂２０と、を備える。

収容部材１６は、上面および側面が金属部材１６ａで構成されている。そして、収容部材１６は、水晶振動子１４との間に空間が形成されるように水晶振動子１４を収容し、金属部材１６ａが電磁シールドとして機能する。また、半導体素子１８は、収容部材１６の上面の金属部材１６ａを覆うように収容部材１６の上に積層されている。なお、金属部材１６ａとしては、鉄を主成分とするコバールを母体とし、表面に酸化防止のためにニッケル、あるいはニッケル・金等のメッキ処理がされた部材が挙げられる。

素子搭載用基板１２の上面には配線層の一部を構成する複数のパッド電極１２ａ，１２ｂが形成されている。また、半導体素子１８の上面にもパッド電極１８ａが形成されている。そして、半導体素子１８のパッド電極１８ａは、金線などからなるボンディングワイヤ２２により素子搭載用基板１２に形成されたパッド電極１２ａと電気的に接続されている。また、水晶振動子１４は、半導体素子１８が積層されている上面側とは反対側の下面に、複数のバンプ（突起電極端子）２４が形成されており、このバンプ２４を介して素子搭載用基板１２のパッド電極１２ｂと電気的に接続されている。このように、半導体素子１８は、パッド電極１２ａとボンディングワイヤ２２を介して接続されることで、半導体素子１８と素子搭載用基板１２との間に電子部品としての水晶振動子１４を配置することが可能となる。

本実施の形態に係る半導体モジュール１０は、水晶振動子１４を収容する収容部材１６と半導体素子１８とが積層されているため、素子搭載用基板１２の面積を小さくすることができる。また、水晶振動子１４は、半導体素子１８と積み重なる状態で搭載されるため、従来のように半導体素子１８のレイアウトを優先して水晶振動子１４を半導体モジュール１０の周縁部（半導体素子１８の周囲）に配置していた場合に比べて、半導体モジュール１０の中央部に配置されることが可能となる。そのため、水晶振動子１４と封止樹脂２０の外壁側面との間隔（最も短い間隔部分）が長くなるので、水晶振動子１４から半導体モジュール１０の外部への信号の漏洩（電磁ノイズ）が低減される。

また、金属部材１６ａは、金属表面に生じる酸化皮膜などの影響によって封止樹脂との密着性が悪い傾向にあるが、半導体モジュール１０は、収容部材１６の上面にある金属部材１６ａが半導体素子１８で覆われているため、密着性の悪い金属部材１６ａと封止樹脂２０との界面が減少し、比較的密着性の良い半導体素子１８と封止樹脂２０との界面が増加している。その結果、封止樹脂２０による電子部品（本実施の形態では収容部材１６で覆われた水晶振動子１４）やその上に積層された半導体素子１８の封止の信頼性が向上する。

特に、金型を用いたトランスファーモールド法による半導体素子の樹脂封止においては、樹脂硬化後の封止樹脂材と金型との脱離を容易にするために、封止樹脂材に微量の離型剤が添加されている。こうした離型剤は、金属板（金属部材）に対しても作用するので、金属部材と封止樹脂との密着性をさらに悪化させる傾向にある。しかしながら、上述の構成とすることにより、金属部材と封止樹脂との界面が減少するため、電子部品やその上に積層された半導体素子の封止信頼性を向上することができる。

なお、本実施の形態に係る半導体素子１８は、収容部材１６の上面の面積よりも大きいため、収容部材１６の上面を全て覆うように、換言すれば、金属部材１６ａの上面を全て覆うように積層されている。そのため、金属部材１６ａの上面が封止樹脂２０と接することがなく、金属部材１６ａと封止樹脂２０との密着性の影響が低減される。

また、半導体素子１８は、封止樹脂２０と金属部材１６ａとの密着性よりも、封止樹脂２０との密着性の高い材質、例えばポリイミド樹脂からなる誘電体保護膜が半導体素子１８のパッド電極１８ａを除いたほぼ全面に形成されている。これにより、収容部材１６の上面にある金属部材１６ａが封止樹脂２０により直接封止されている場合よりも、封止樹脂２０による封止性能が向上し、半導体モジュール１０の信頼性が向上する。ここで、密着性とは、例えば接着強度の大きさや、所定の方法により封止樹脂を半導体素子や収容部材品から剥離するために必要な力として把握することができる。

本実施の形態に係る電子部品としては、収容部材１６の内部に空間が形成されているため、水晶振動子１４を始めとする可動部品（可動部を有する部品）を採用することができる。例えば、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）フィルタを用いることもできる。このように、高周波で動作し振動する水晶振動子１４やＳＡＷフィルタ等を始めとする電子部品を備えた半導体モジュール１０であっても、外部からあるいは外部への電磁ノイズを十分抑制することができる。

なお、素子搭載用基板１２におけるパッド電極１２ｂの一つは、固定電位が入力されるように不図示のグランド端子と導通しており、パッド電極１２ｂの一つと金属部材１６ａとが不図示の配線により接続されている。これにより、電磁ノイズがより抑制される。

［製造方法］
次に、第１の実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法について説明する。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、第１の実施の形態に係る半導体モジュール１０の製造方法における工程を説明するための概略断面図である。

はじめに、図３（ａ）に示すように、パッド電極１２ａ，１２ｂが形成された素子搭載用基板１２の上に、水晶振動子１４と収容部材１６とを搭載する。この際、収容部材１６は、水晶振動子１４との間に空間が形成されるように水晶振動子１４を収容した状態で、はんだを介してパッド電極１２ｂの上に搭載される。この状態でリフロー処理を行うことではんだがバンプ２４になり、素子搭載用基板１２に対して水晶振動子１４および収容部材１６が固定される。

なお、電子部品の一つである水晶振動子１４は、気密封止されて収容部材１６に収容されており、収容部材１６の内部の空間は真空状態あるいは不活性ガスが充填された状態で維持されている。このように収容部材１６内を気密封止することで電子部品の信頼性が向上する。

次に、図３（ｂ）に示すように、金属部材１６ａの上面を全面覆うように収容部材１６の上に図示しない接着剤を介して半導体素子１８を積層する。接着剤としては、エポキシ等の樹脂中に銀、銅等の導電性粒子を固定したフィルム状の半導体搭載用接着部材が挙げられる。この状態で加熱処理を行うことで接着剤が硬化し、収容部材１６の上に半導体素子１８が固定される。

そして、図３（ｃ）に示すように、半導体素子１８のパッド電極１８ａと素子搭載用基板１２のパッド電極１２ａとをボンディングワイヤ２２で接続し、封止樹脂２０により収容部材１６と半導体素子１８とを封止する。

このような製造方法により、収容部材１６の上面にある金属部材１６ａが半導体素子１８で覆われた半導体モジュール１０が製造される。半導体モジュール１０は、密着性の悪い金属部材１６ａと封止樹脂２０との界面が減少し、比較的密着性の良い半導体素子１８と封止樹脂２０との界面が増加している。これにより、封止樹脂２０による水晶振動子１４や半導体素子１８の封止の信頼性が向上した半導体モジュール１０を簡便に製造することができる。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、一つの半導体素子と一つの電子部品が積層された半導体モジュール１０について説明した。第２の実施の形態では、複数の半導体素子が搭載された半導体モジュールについて説明する。

図４は、第２の実施の形態に係る半導体モジュールの構成を示す上面図である。図５は、図４に示す半導体モジュールの構成を示す概略断面図であり、図４中のＸ−Ｘ線に沿った断面に相当する。第２の実施の形態に係る半導体モジュール１１０は、素子搭載用基板１１２の上に第１の半導体素子１２６、第２の半導体素子１１８および電子部品としての水晶振動子１１４を収容した収容部材１１６が搭載されている。収容部材１１６は、上面および側面が金属部材１１６ａで構成されている。そして、収容部材１１６は、水晶振動子１１４との間に空間が形成されるように水晶振動子１１４を収容し、金属部材１１６ａが電磁シールドとして機能する。第２の半導体素子１１８および収容部材１１６は、第１の実施の形態と同じように積層されている。半導体モジュール１１０は、封止樹脂１２０により封止されている。また、半導体モジュール１１０は、水晶振動子以外に複数の電子部品１２８が搭載されている。電子部品１２８としては、例えば、コンデンサ、抵抗、インダクタ等がある。

素子搭載用基板１１２の上面には配線層の一部を構成する複数のパッド電極１１２ａ，１１２ｂが形成されている。また、第２の半導体素子１１８の上面にもパッド電極１１８ａが形成されている。そして、第２の半導体素子１１８のパッド電極１１８ａは、金線などからなるボンディングワイヤ１２２により素子搭載用基板１１２に形成されたパッド電極１１２ａと電気的に接続されている。また、水晶振動子１１４は、第２の半導体素子１１８が積層されている上面側とは反対側の下面に、複数のバンプ１２４が形成されており、このバンプ１２４を介して素子搭載用基板１１２のパッド電極１１２ｂと電気的に接続されている。このように、第２の半導体素子１１８は、パッド電極１１２ａとボンディングワイヤ１２２を介して接続されることで、第２の半導体素子１１８と素子搭載用基板１１２との間に電子部品としての水晶振動子１１４を配置することが可能となる。

また、第１の半導体素子１２６は、下面にアレイ状に並んだ複数のバンプ１２４が形成されており、このバンプ１２４を介して素子搭載用基板１１２に形成されているパッド電極１１２ｂと電気的に接続されている。このような半導体モジュール１１０においても第１の実施の形態と同様の効果が得られる。さらに、第１の半導体素子１２６や電子部品１２８への電磁ノイズが抑制されるので、半導体モジュール１１０の信頼性を向上することができる。

（第３の実施の形態）
第１の実施の形態に係る半導体モジュール１０においては、収容部材の上面を構成する金属部材の全面を半導体素子が覆っていたが、第３の実施の形態では、金属部材の一部が半導体素子で覆われている場合について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成については説明を適宜省略する。

図６は、第３の実施の形態に係る半導体モジュールの構成を示す概略断面図である。図６に示すように、第３の実施の形態に係る半導体モジュール２１０は、素子搭載用基板２１２と、素子搭載用基板２１２上に搭載された水晶振動子２１４と、水晶振動子２１４を収容する収容部材２１６と、収容部材２１６の上に積層された半導体素子２１８と、収容部材２１６および半導体素子２１８を封止する封止樹脂２２０と、を備える。

収容部材２１６は、上面の一部が金属部材２１６ａで構成されている。そして、収容部材２１６は、水晶振動子２１４との間に空間が形成されるように水晶振動子２１４を収容し、金属部材２１６ａが電磁シールドとして機能する。また、半導体素子２１８は、収容部材２１６の金属部材２１６ａの一部を覆うように収容部材２１６の上に積層されている。

本実施の形態に係る半導体モジュール２１０は、水晶振動子２１４を収容する収容部材２１６と半導体素子２１８とが積層されているため、素子搭載用基板２１２の面積を小さくすることができる。また、水晶振動子２１４は、半導体素子２１８と積み重なる状態で搭載されるため、半導体モジュール２１０の中央部に配置されることが可能となる。そのため、水晶振動子２１４から半導体モジュール２１０の外部への信号の漏洩（電磁ノイズ）が低減される。

また、半導体モジュール２１０は、収容部材２１６の上面にある金属部材２１６ａの一部が半導体素子２１８で覆われているため、密着性の悪い金属部材２１６ａと封止樹脂２２０との界面が減少し、比較的密着性の良い半導体素子２１８と封止樹脂２２０との界面が増加している。その結果、封止樹脂２２０による水晶振動子２１４やその上に積層された半導体素子２１８の封止の信頼性が向上する。

（第４の実施の形態）
本実施の形態に係る半導体モジュールは、電子部品を収容する収容部材の金属部材を覆うために半導体素子の代わりにダミー部材を用いることで、封止樹脂との密着性を改善する点が特徴の一つである。なお、前述の各実施の形態と同様の構成については説明を適宜省略する。

図７は、第４の実施の形態に係る半導体モジュールの構成を示す概略断面図である。図７に示すように、第４の実施の形態に係る半導体モジュール３１０は、素子搭載用基板３１２と、素子搭載用基板３１２上に搭載された水晶振動子３１４と、水晶振動子３１４を収容する収容部材３１６と、収容部材３１６の上に積層されたダミー部材３１７と、収容部材３１６と並んで搭載された半導体素子３１８と、収容部材３１６、ダミー部材３１７および半導体素子３１８を封止する封止樹脂３２０と、を備える。

収容部材３１６は、上面および側面が金属部材３１６ａで構成されている。そして、収容部材３１６は、水晶振動子３１４との間に空間が形成されるように水晶振動子３１４を収容し、金属部材３１６ａが電磁シールドとして機能する。また、ダミー部材３１７は、収容部材３１６の金属部材３１６ａを覆うように収容部材３１６の上に積層されている。ダミー部材３１７は、封止樹脂３２０と密着性の高い材質、例えば、ポリイミド樹脂からなる誘電体シートで構成されている。

半導体素子３１８は、下面にアレイ状に並んだ複数のバンプ（突起電極端子）３２２が形成されており、このバンプ３２２を介して素子搭載用基板３１２に形成されているパッド電極３１２ａと電気的に接続されている。このような半導体モジュール３１０においても第１の実施の形態と同様の効果が得られる。

上述の各半導体モジュールの主な効果をまとめると以下のようになる。（１）電子部品を収容する収容部材と封止樹脂との密着性の悪い界面領域が減少することで、半導体モジュールの信頼性が向上する。（２）水晶振動子等のサイズが大きい電子部品は、単独で基板上に搭載しようとすると半導体モジュール上のレイアウトにおいて外周部近傍に配置せざるを得ないことが多いが、上述の実施の形態によれば、半導体素子を電子部品の上に積層することで水晶振動子を半導体モジュールの中央部近傍に配置することが可能となり、水晶振動子から半導体モジュール外への信号の漏洩、換言すれば電磁ノイズが低減される。

（第５の実施の形態）
次に、上述の各実施の形態に係る半導体モジュールを備えた携帯機器について説明する。なお、携帯機器として携帯電話に搭載する例を示すが、例えば、個人用携帯情報端末（ＰＤＡ）、デジタルビデオカメラ（ＤＶＣ）、及びデジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）といった電子機器であってもよい。

図８は、上述の各実施の形態に係る半導体モジュールを備えた携帯電話の構成を示す図である。携帯電話６００は、第１の筐体６０２と第２の筐体６０４が可動部６０６によって連結される構造になっている。第１の筐体６０２と第２の筐体６０４は可動部６０６を軸として回動可能である。第１の筐体６０２には文字や画像等の情報を表示する表示部６０８やスピーカ部６１０が設けられている。第２の筐体６０４には操作用ボタンなどの操作部６１２やマイク部６１４が設けられている。なお、前述の各実施の形態に係る半導体モジュールはこうした携帯電話６００の内部に搭載されている。

図９は、図８に示した携帯電話の部分断面図（第１の筐体６０２の断面図）である。上述の各実施の形態に係る、例えば、半導体モジュール１０は、その裏面側に設けられたはんだバンプ６１６を介してプリント基板６１８に搭載され、こうしたプリント基板６１８を介して表示部６０８などと電気的に接続されている。また、半導体モジュール１０の裏面側（はんだバンプ６１６とは反対側の面）には金属基板などの放熱基板６２０が設けられ、例えば、半導体モジュールから発生する熱を第１の筐体６０２内部にこもらせることなく、効率的に第１の筐体６０２の外部に放熱することができるようになっている。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における半導体モジュールの製造方法の順番を適宜組み替えることや、素子搭載用基板や半導体モジュールにおいて各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

第１の実施の形態に係る半導体モジュールの構成を示す概略断面図である。 第１の実施の形態に係る半導体モジュールの構成を示す上面図である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は、第１の実施の形態に係る半導体モジュール１０の製造方法における工程を説明するための概略断面図である。 第２の実施の形態に係る半導体モジュールの構成を示す上面図である。 第２の実施の形態に係る半導体モジュールの構成を示す概略断面図である。 第３の実施の形態に係る半導体モジュールの構成を示す概略断面図である。 第４の実施の形態に係る半導体モジュールの構成を示す概略断面図である。 各実施の形態に係る半導体モジュールを備えた携帯電話の構成を示す図である。 図８に示した携帯電話の部分断面図である。

符号の説明

１０ 半導体モジュール、 １２ 素子搭載用基板、 １２ａ パッド電極、 １２ｂ パッド電極、 １４ 水晶振動子、 １６ 収容部材、 １６ａ 金属部材、 １８ 半導体素子、 １８ａ パッド電極、 ２０ 封止樹脂、 ２２ ボンディングワイヤ、 ２４ バンプ、 ６００ 携帯電話。

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板上に搭載された電子部品と、
   上面の少なくとも一部が金属部材で構成されている収容部材であって、前記基板上において、前記電子部品との間に空間が形成されるように該電子部品を収容する収容部材と、
   前記金属部材を覆うように前記収容部材の上に積層された半導体素子と、
   前記収容部材および前記半導体素子を封止する封止樹脂と、
   を備えることを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記半導体素子は、前記封止樹脂と前記金属部材との密着性よりも、前記封止樹脂との密着性が高い材料で表面が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記電子部品は、水晶振動子であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
4. 前記基板に形成された配線層を更に備え、
   前記金属部材は、前記配線層のうち固定電位が入力される部分と導通していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
5. 前記半導体素子は、前記収容部材の上面を全て覆うように積層されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
6. 電子部品と、上面の少なくとも一部が金属部材で構成されている収容部材であって、前記電子部品との間に空間が形成されるように該電子部品を収容する収容部材と、を基板の上に搭載する工程と、
   前記金属部材を覆うように前記収容部材の上に半導体素子を積層する工程と、
   前記収容部材と前記半導体素子を封止樹脂で封止する工程と、
   を備えることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体モジュールを搭載したことを特徴とする携帯機器。

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