JP2015018987A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化しても、従来のワイヤーボンド品と比べて放熱性が劣らない半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】モジュール基板と、モジュール基板の第１の面上に配置された第１の半導体チップと、第１の半導体チップ上に配置された金属フレームとを備え、第１の半導体チップは、第１のチップ面上に設けられた第１のバンプを介してモジュール基板と電気的に接続されている一方、第１のチップ面と対向する第２のチップ面上に配置された金属フレームと電気的に接続されており、金属フレームは、モジュール基板に設けられた接地領域と電気的に接続される半導体装置。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、半導体を用いた電力増幅器モジュールを備えた半導体装置に関するものである。特に高周波帯を利用した無線通信向けに適した電力増幅器モジュールを備えた半導体装置に関する。

昨今のスマートフォンを中心とするモバイル端末のデータ通信量の増大と高機能化に伴って、無線部分の電力増幅器には、使用周波数を増やすマルチバンド化対応及び電池による駆動時間を増やすために低消費電力、つまり、電力効率の向上が望まれている。そして、マルチバンド化に伴い部品面積が増大するため、各バンドに対する電力増幅器の小型化も要求されている。

電力増幅器の小型化の方法として、特許文献１に示すように、半導体チップにバンプをつけて、モジュール基板に対してワイヤーボンドを用いずにフリップチップ実装する方法が提案されている。半導体チップのフリップチップ化とチップ受動部品の小型化により、モジュールサイズは小さくなる。

特開２００２−１１０８７１号公報

しかしながら、電力増幅用の半導体チップをフリップチップ実装することには問題がある。具体的には、フリップチップ実装する方法は、電力増幅用の半導体チップの裏面を銀ペーストでモジュール基板に接着させる方法よりも放熱性が悪くなる。そして、放熱性の劣化は、電力増幅器の電力効率の劣化と信頼性劣化を引き起こす。

本発明の目的は、小型化しても、従来のワイヤーボンド品と比べて放熱性が劣らない半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る半導体装置は、モジュール基板と、モジュール基板の第１の面上に配置された第１の半導体チップと、第１の半導体チップ上に配置された金属フレームとを備え、第１の半導体チップは、第１のチップ面上に設けられた第１のバンプを介してモジュール基板と電気的に接続されている一方、第１のチップ面と対向する第２のチップ面上に配置された金属フレームと電気的に接続されており、金属フレームは、モジュール基板に設けられた接地領域と電気的に接続される。

本発明は、ワイヤー領域が不要であり、金属フレームからの放熱効果もあるため、小型化しても、従来のワイヤーボンド品と比べて放熱性が劣らない半導体装置を提供できる。

第１の実施形態に係る半導体装置の平面図 第１の実施形態に係る半導体装置の断面図 第１の実施形態に係る半導体装置の詳細な断面図 第１の実施形態に係る半導体チップの平面図 第２の実施形態に係る半導体装置の平面図 第２の実施形態に係る半導体装置の断面図 第２の実施形態に係る半導体装置のバンプの配置を示した平面図 第３の実施形態に係る半導体装置の断面図 第３の実施形態に係る半導体装置の詳細な断面図 第４の実施形態に係る半導体装置の断面図

以下、本発明の実施形態に係る半導体装置について、図面を参照しながら説明する。本発明は以下の実施形態に限定されない。また、実質的に同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略することがある。また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、複数の実施形態の組み合わせも可能である。

（第１の実施形態）
まず第１の実施形態に係る半導体装置について、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。

本実施形態に係る半導体装置の平面図を図１Ａに示し、図１ＡにおけるＡ−Ａ´箇所の断面図を図１Ｂに示す。図１Ａは、接続関係の明確化のため、一部透視図としている。なお、本明細書において、「平面視」とは、モジュール基板の表面の垂線方向から見ることを意味する。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、第１の実施形態に係る半導体装置は、モジュール基板１００と、モジュール基板１００の第１の面Ｔ１上に配置された半導体チップ１０４と、半導体チップ１０４上に配置された金属フレーム１０８とを備える。半導体チップ１０４は、第１のチップ面Ｓ１上に設けられたバンプ１０６を介してモジュール基板１００と電気的に接続されている。一方、第１のチップ面Ｓ１と対向する第２のチップ面Ｓ２上に配置された金属フレーム１０８と電気的に接続されており、金属フレーム１０８は、モジュール基板１００に設けられた接地領域１３０と電気的に接続される。

モジュール基板１００の第１の面Ｔ１上には、マイクロストリップライン１１０で互いに電気的に接続されたチップ受動部品１１２が配置されていてもよい。

半導体チップ１０４は、例えば、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成される電力増幅用の半導体チップであればよい。

半導体チップ１０４は、金属フレーム１０８と、例えば銀（Ａｇ）を含む金属又は、金（Ａｕ）及びスズ（Ｓｎ）を含む金属で構成されるペースト１１４によって接合され、ビアホール１０２内に配置された導電膜を介して電気的に接続されている。

金属フレーム１０８は、図１Ｂに示すように、第１の折り曲げ部１２０及び第２の折り曲げ部１２２を有しているように、少なくとも１つの折り曲げ部を有する構造となっていてもよい。なお、本明細書において、「折り曲げ部」とは、角張っていても丸まっていてもよい。

金属フレーム１０８は、第１の端部１２４において、導電性の接着材料、例えば、半田１２８によってモジュール基板に接着され、モジュール基板１００の第２の面Ｔ２上に配置された接地領域１３０と電気的に接続されていればよい。導電性の接着材料として、ペースト１１４と同様の材料を用いても良い。

半導体チップ１０４の厚みが約１００μｍの場合、ペースト１１４の厚みは約５０μｍ、金属フレーム１０８の厚みは約１５０μｍ、バンプ１０６の厚みは約８０μｍであれば良い。半導体チップ１０４の厚みを変える場合は、同じ比率で他の構成要素の厚みも変えればよい。なお、本実施形態においては、モジュール基板１００の平面視における一辺は約５ｍｍとしている。

また、金属フレーム１０８の平面視における寸法は、Ａ−Ａ´方向と平行な辺の長さＬ１は約２．５ｍｍであり、Ａ−Ａ´方向と垂直な方向の辺の長さＬ２は約２．３ｍｍである。なお、「厚み」とは、図１Ｂにおいて、モジュール基板１００の表面に垂直な方向の長さである。「約」とは、製造上の誤差を含む意味であり、より具体的には長さの±１０％の誤差を含む意味である。

図２Ａは、半導体チップ１０４の詳細な断面の一例を示す図である。

半導体チップ１０４は、例えばＧａＡｓで構成される半導体基板２００と、半導体基板２００に設けられたトランジスタ部２０２とを備える。半導体基板２００上には、例えばＳｉＯ_２で構成される第１の絶縁膜２０６が配置されている。第１の絶縁膜２０６及びトランジスタ部２０２を覆うように、例えばＳｉＮで構成される第２の絶縁膜２０８が配置されている。また、第１の絶縁膜２０６及び第２の絶縁膜２０８を覆うように、例えば、ＳｉＮで構成される第３の絶縁膜２１０が配置されている。そして、第３の絶縁膜２１０を覆うように、ポリマー保護膜２１６が配置されている。

半導体チップ１０４は、例えばＡｕで構成される配線２１２と、例えばニッケル（Ｎｉ）で構成されるバリアメタル２１４と、バンプ１０６とを介して、モジュール基板１００と電気的に接続されている。

半導体基板２００のトランジスタ部が形成された面と対向する面上には、例えばクロム（Ｃｒ）及び金（Ａｕ）から構成される導電膜２０４が配置され、ペースト１１４を介して金属フレーム１０８と電気的に接続される。導電膜２０４は、ビアホール１０２の側面上にも配置されている。なお、ビアホール１０２において、導電膜２０４及びポリマー保護膜２１６で囲まれた部分は真空状態となっている。

半導体チップ１０４は、金属フレーム１０８に電気的に接続されているため、半導体チップ１０４で発生する熱は、金属フレーム１０８に伝播され、金属フレーム１０８からモジュール基板１００の接地領域１３０に伝播される。この構造によれば、接地領域１３０だけでなく、金属フレーム１０８からも外気に放熱される効果がある。

本実施形態に係る半導体装置の放熱構造は、半導体チップ１０４に形成されたトランジスタ部２０２がビアホール１０２の側面に形成された導電膜２０４を介して接地され、半導体チップ１０４がペースト１１４によって接地領域１３０に電気的に接続されているため、従来のワイヤーボンド品と同じような放熱構造となっている。そのため、従来のバンプ構造品と比べて放熱性の劣化課題はない。

さらに、半導体チップ１０４とモジュール基板１００とはバンプ１０６を介して接続され、ワイヤー領域が不要であるため、小型化できる。つまり、本実施形態に係る半導体装置は、小型化、高効率及び高信頼性を兼ね備えている。

図１Ａ、図１Ｂ及び図２Ａに示した半導体チップ１０４及び金属フレーム１０８を第１のチップ面Ｓ１側から見た場合の平面視における構造の一例を図２Ｂに示す。

半導体チップ１０４には、例えば、バンプ１０６が配置されるパッド２２４と、ビアホール１０２とが、図２Ｂに示すようにレイアウトされる。また、半導体チップ１０４には、信号が入力される入力回路２２８と、電力増幅のためのバイアス回路２２６と、前段アンプトランジスタ２３０及び後段アンプトランジスタ２３２とが配置されている。

バンプ１０６は、モジュール基板１００に実装されるため、バンプピッチのルールは、モジュール基板１００の実装ルールに従う必要がある。しかしながら、通常、モジュール基板の実装ルールは、半導体の設計ルールと大きな乖離がある。つまり、半導体の設計ルールでは、パッドのピッチはより狭くできる。それに対して、バンプはモジュール基板の実装ルールに従うため、半導体のバンプピッチが広くなり、半導体チップが大きくなってしまう。そして、従来の技術では、外部端子用のバンプだけでなく、接地用のバンプも有しているため、さらに半導体チップは大きくなってしまう。このように、従来のバンプ構造では、半導体チップが大きくなることによってチップコストが上がるという課題があった。

他方、第１の実施形態に係る半導体装置では、図２Ｂに示すように、ビアホール１０２を介して接地できるため、外部端子にのみバンプ１０６を用いる。そして、ビアホール１０２の設計ルールは、半導体チップのルールに従うことができる。その結果、半導体チップは小さくできるため、コスト的に有利である。

また、半導体チップ１０４が浮き上がってしまうことを防ぐため、バンプ１０６とモジュール基板１００との接着面の総面積が、半田１２８とモジュール基板１００との接着面の面積以上であることが好ましい。

また、後段アンプトランジスタ２３２は最も発熱量が多いため、金属フレーム１０８の第１の折り曲げ部１２０に最も近い、つまり、放熱効果の高い箇所に配置することが好ましい。モジュール基板１００の接地領域１３０によって放熱されやすくするためである。

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態に係る半導体装置を図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。図３Ａは本実施形態に係る半導体装置の平面図である。図３Ｂは、図３Ａに示すＢ−Ｂ´箇所の断面を矢印の方向に見たときの断面図を示している。図３Ａは、接続関係の明確化のため、一部透視図としている。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、第２の実施形態に係る半導体装置は、モジュール基板３００と、モジュール基板３００の第１の面Ｔ１上に配置された半導体チップ１０４と、半導体チップ１０４上に配置された金属フレーム１０８とを備える。半導体チップ１０４は、第１のチップ面Ｓ１上に設けられたバンプ１０６を介してモジュール基板３００と電気的に接続されている。一方、第１のチップ面Ｓ１と対向する第２のチップ面Ｓ２上に配置された金属フレーム１０８と電気的に接続されており、金属フレーム１０８は、モジュール基板３００に設けられた接地領域３３０と電気的に接続される。

そして、モジュール基板３００に設けられたキャビティ３０２内に、半導体チップ３０４が配置されているため、マルチチップの半導体装置に適用できる。半導体チップ３０４は、バンプ３０６を介してモジュール基板３００と電気的に接続されている。また、キャビティ３０２は、平面視において半導体チップ１０４と一部の領域又は全領域で重なるように形成されている。

従来の半導体装置は、バンプによる接地を行うために、半導体チップ下のモジュール基板に、ビアホールを設けて接地するため、半導体チップ直下のモジュール基板には、接地及び放熱用のビアホール以外は実質的に何も配置出来なかった。

しかし、本実施形態に係る半導体装置では、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、平面視において、接地部分を半導体チップ１０４の外部に設けているため、半導体チップ１０４下部を有効利用できる。

半導体チップ３０４は、ＭＩＰＩ（Ｍｏｂｉｌｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）制御用のシリコンで構成される半導体チップであっても良いし、ＷＬＡＮ用途のモジュールにおけるローノイズアンプの機能とスイッチの機能をもったシリコンで構成される半導体チップでも良い。

シリコンで構成される半導体チップ３０４に、半導体チップ１０４の電力増幅機能の一部を分担させても良い。例えば、半導体チップ１０４が２段の電力増幅器であれば、１段目の増幅機能を半導体チップ３０４に分担する場合である。２段目が例えばＧａＡｓで構成される半導体チップ１０４の場合は、１段目をシリコンで構成される半導体チップ３０４に分担させることで、半導体チップ１０４のチップ面積を小さくでき、その分コストを削減することができる。

半導体チップ３０４は、半導体チップ１０４と同じ種類の材料でも良い。例えば、半導体チップ１０４がＧＳＭ（登録商標）通信方式用途のＧａＡｓを材料とした電力増幅用であって、半導体チップ３０４がＷ−ＣＤＭＡ通信方式のＧａＡｓを材料とした電力増幅用である。ＧＳＭ（登録商標）出力が３６ｄＢｍ、Ｗ−ＣＤＭＡ出力が２８ｄＢｍであるため、出力の大きなＧＳＭ（登録商標）通信方式用途を半導体チップ１０４とする。近年、マルチモード携帯端末が主流となっているので、ＧＳＭ（登録商標）とＷ−ＣＤＭＡの両方のモードに対応する携帯端末用の電力増幅器として応用できる。この応用の場合、ＧＳＭ（登録商標）通信方式用途としては、シリコンを材料とした電力増幅器も想定されるので、半導体チップ１０４がシリコンであって、半導体チップ３０４がＧａＡｓを材料とした電力増幅器である場合も考えられる。その場合、既に述べたように、半導体チップ３０４の面積を低減するために、１段目の増幅機能をシリコンで構成される半導体チップ１０４に分担させてもよい。

図４は、バンプ１０６及びキャビティ３０２の配置の一例を示した平面図である。バンプ１０６が、平面視において、キャビティ３０２の周囲の少なくとも一部を囲むように配置されている。

（第３の実施形態）
次に第３の実施形態に係る半導体装置について、図５Ａ及び図５Ｂを用いて説明する。

図５Ａに示すように、半導体チップ５０４を、半導体チップ１０４とモジュール基板５００との間に配置してもよい。例えば、ＴＳＶ技術を用いて、半導体チップ５０４にもビアホール５０２を形成する。

図５Ｂに半導体チップ５０４は、半導体基板５４０上に形成されたトランジスタ部５４２と、トランジスタ部５４２を覆うように形成された保護膜５４４とを備え、ビアホール５０２が形成されている。ビアホール５０２の側面は絶縁膜５４６で覆われ、絶縁膜５４６内に貫通電極５４８が配置されている。貫通電極５４８は、パッド５５０を介して、バンプ１０６又はバンプ５０６と電気的に接続されている。

例えば、半導体基板５４０はＳｉ基板であり、保護膜５４４はＳｉＮで構成され、絶縁膜５４６はＳｉＯ_２で構成され、貫通電極５４８はＣｕで構成され、パッド５５０はＡｌで構成されていれば良い。

半導体チップ１０４は、バンプ１０６を介して半導体チップ５０４と電気的に接続されている。半導体チップ５０４は、ビアホール５０２に設けられた貫通電極５４８及びバンプ５０６を介して、モジュール基板５００と電気的に接続されている。そして、金属フレーム１０８は、モジュール基板５００の接地領域５３０と電気的に接続されている。

このような構成とすることで、モジュール基板５００にキャビティを設ける必要がないため、キャビティを形成するためのコストを下げられる。

（第４の実施形態）
次に第４の実施形態に係る半導体装置について、図６を用いて説明する。

本実施形態では、図６に示すように、接地部分が２箇所になるように金属フレーム６０４を形成する。つまり、金属フレーム６０４は、第１の端部６２２だけでなく、第２の端部６２４においても、モジュール基板６００と半田等の接着材料により接着され、接地領域６３０と電気的に接続されている。

このような構造にすることで、接地効果及び放熱性が向上する。また、半導体チップ１０４から出る電磁放射についてもシールド効果が出るため、ノイズも少なくなるという利点がある。

なお、本発明の「第１の半導体チップ」とは、上記実施形態における半導体チップ１０４に相当する。本発明の「第１のバンプ」とは、上記実施形態におけるバンプ１０６に相当する。本発明の「第１のビアホール」とは、上記実施形態におけるビアホール１０２に相当する。本発明の「第２の半導体チップ」とは、第２の実施形態における半導体チップ３０４、又は、第３の実施形態における半導体チップ５０４に相当する。本発明の「第２のバンプ」とは、第２の実施形態におけるバンプ３０６、又は、第３の実施形態におけるバンプ５０６に相当する。本発明の「第２のビアホール」とは、第３の実施形態におけるビアホール５０２に相当する。

１００ モジュール基板
１０２ ビアホール
１０４ 半導体チップ
１０６ バンプ
１０８ 金属フレーム
１１０ マイクロストリップライン
１１２ チップ受動部品
１１４ ペースト
１２０ 第１の折り曲げ部
１２２ 第２の折り曲げ部
１２４ 第１の端部
１２６ 第２の端部
１２８ 半田
１３０ 接地領域
２００ 半導体基板
２０２ トランジスタ部
２０４ 導電膜
２０６ 第１の絶縁膜
２０８ 第２の絶縁膜
２１０ 第３の絶縁膜
２１２ 配線
２１４ バリアメタル
２１６ ポリマー保護膜
２２４ パッド
２２６ バイアス回路
２２８ 入力回路
２３０ 前段アンプトランジスタ
２３２ 後段アンプトランジスタ
３００ モジュール基板
３０２ キャビティ
３０４ 半導体チップ
３０６ バンプ
３３０ 接地領域
５００ モジュール基板
５０２ ビアホール
５０４ 半導体チップ
５０６ バンプ
５３０ 接地領域
５４０ 半導体基板
５４２ トランジスタ部
５４４ 保護膜
５４６ 絶縁膜
５４８ 貫通電極
５５０ パッド
６００ モジュール基板
６０４ 金属フレーム
６２２ 第１の端部
６２４ 第２の端部
６３０ 接地領域
Ｓ１ 第１のチップ面
Ｓ２ 第２のチップ面
Ｔ１ 第１の面
Ｔ２ 第２の面

Claims (12)

1. モジュール基板と、
   前記モジュール基板の第１の面上に配置された第１の半導体チップと、
   前記第１の半導体チップ上に配置された金属フレームとを備え、
   前記第１の半導体チップは、第１のチップ面上に設けられた第１のバンプを介して前記モジュール基板と電気的に接続されている一方、前記第１のチップ面と対向する第２のチップ面上に配置された前記金属フレームと電気的に接続されており、
   前記金属フレームは、前記モジュール基板に設けられた接地領域と電気的に接続される
   半導体装置。
2. 前記第１の半導体チップには、第１のビアホールが設けられ、
   前記第１の半導体チップは、前記第１のビアホールの側面に配置された導電膜を介して、前記金属フレームと電気的に接続されている
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記金属フレームは第１の端部と第２の端部とを有し、
   前記第１の端部において、前記金属フレームは導電性の接着材料により前記モジュール基板と接着されている
   請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記モジュール基板は、前記第１の面と対向する第２の面を有し、
   前記第２の面上に前記接地領域が配置されている
   請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 前記モジュール基板は、キャビティを有し、
   前記キャビティ内に配置された第２の半導体チップを備え、
   前記第２の半導体チップは、前記キャビティの底面において、前記モジュール基板と第２のバンプを介して電気的に接続されている
   請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 前記モジュール基板の前記第１の面上に、前記キャビティを囲むように前記第１のバンプが配置されている
   請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記キャビティは、平面視において前記第１の半導体チップと重なるように形成されている
   請求項５又は６に記載の半導体装置。
8. 前記第１のバンプと前記モジュール基板との接着面の総面積は、前記接着材料と前記モジュール基板との接着面の面積以上である
   請求項１から７のいずれかに記載の半導体装置。
9. 前記半導体装置は、さらに、
   前記第１の半導体チップと前記モジュール基板との間に配置され、第２のビアホールが設けられた第２の半導体チップを備え、
   前記第２のビアホール内には貫通電極が配置され、
   前記第１の半導体チップは、前記第１のバンプによって、前記第２の半導体チップと電気的に接続され、
   前記第２の半導体チップは、前記貫通電極及び第２のバンプを介して、前記モジュール基板と電気的に接続されている
   請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置。
10. 前記金属フレームは少なくとも１つの折り曲げ部を有する
    請求項１から９のいずれかに記載の半導体装置。
11. 前記金属フレームは、前記第２の端部においても、前記モジュール基板と前記接着材料により接着されている
    請求項３に記載の半導体装置。
12. 前記金属フレームは、少なくとも２つの折り曲げ部を有する
    請求項１１に記載の半導体装置。

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