JP4173507B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
また、特開2002−170710号公報には、線材を巻いてコイル本体を形成し、線材を切断した後、コイル本体の螺旋方向と直交する外形が楕円形状となるようにコイル本体に圧力を加えて変形させる技術が記載されている。
また、特開平5−166623号公報には、芯材であるボビンの線材巻回面に沿った断面形状を略楕円形とするとともに、ボビンに線材を巻回したコイル本体の幅、高さ、奥行きをそれぞれ異なる寸法に形成し、コイル本体をボビン形状に合わせた直方体に樹脂でモールドする技術が記載されている。
RFパワーモジュールのように配線基板上に種々の電子部品を搭載することによって形成した半導体装置の小型化や薄型化を実現するには、配線基板上に搭載する電子部品の小型化や薄型化が必要である。抵抗素子、容量素子およびインダクタ素子のような受動部品は、例えばチップ抵抗、チップコンデンサおよびチップインダクタのように素子をチップ化することで、小型化や薄型化が可能である。しかしながら、チップインダクタは許容電流が比較的小さいため、大電流が流れるような回路で用いられるインダクタ素子としては、空芯コイルを用いることが好ましい。このため、RFパワーモジュールには、半導体チップ、受動部品としてのチップ部品および空芯コイルのような様々な種類の電子部品が使用されることになる。RFパワーモジュール全体の薄型化を実現するためには、配線基板上に搭載する電子部品を個別に小型化するだけではなく、配線基板上に搭載する各電子部品の外形寸法を総合的に勘案した対策が必要となる。
本発明の目的は、薄型化が可能な半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
本発明の半導体装置は、配線基板と、配線基板上に搭載され能動素子からなる半導体チップと、配線基板上に搭載され受動素子からなるチップ部品と、配線基板上に搭載され導体線を複数回巻いた空芯コイルとを有する半導体装置であって、空芯コイルは幅に対する高さの比率が0.9より小さく、空芯コイルの幅がチップ部品の高さよりも大きいものである。
また、本発明の半導体装置は、配線基板と、配線基板上に搭載され能動素子からなる半導体チップと、配線基板上に搭載され受動素子からなるチップ部品と、配線基板上に搭載され導体線を複数回巻いた空芯コイルとを有する半導体装置であって、空芯コイルの断面形状は高さ方向が短軸となる楕円形状であり、楕円形状の長軸がチップ部品の高さよりも大きいものである。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、導体線を複数回巻いた空芯コイルを台座の窪みに配置する工程と、台座の窪みに配置された空芯コイルに圧力を加えることにより空芯コイル変形させ空芯コイルの幅に対する高さの比率を0.9より小さくする工程と、配線基板上に能動素子からなる半導体チップと、変形させた空芯コイルと、受動素子からなりかつその高さが空芯コイルの幅よりも小さいチップ部品とを搭載する工程とを有するものである。
図2は、高周波電力増幅回路の回路構成を示す説明図である。
図3は、本発明の一実施の形態である半導体装置のデバイス構造の一例を示す説明図である。
図4は、本発明の一実施の形態である半導体装置のデバイス構造の一例を示す説明図である。
図5は、本発明の一実施の形態である半導体装置で用いられる空芯コイルの上面図である。
図6は、図5の空芯コイルの正面図である。
図7は、図5の空芯コイルの断面図である。
図8は、本発明の一実施の形態である半導体装置で用いられるチップ部品の斜視図である。
図9は、空芯コイルの製造工程を示す説明図である。
図10は、図9に続く空芯コイルの製造工程を示す説明図である。
図11は、図10に続く空芯コイルの製造工程を示す説明図である。
図12は、本発明の一実施の形態である半導体装置で用いられる空芯コイルの製造工程を示す説明図である。
図13は、本発明の一実施の形態である半導体装置で用いられる空芯コイルの製造工程を示す説明図である。
図14は、本発明の一実施の形態である半導体装置で用いられる空芯コイルの製造工程を示す説明図である。
図15は、本発明の一実施の形態である半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
図16は、図15に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図17は、図16に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図18は、図17に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。
図19は、本発明の他の実施の形態である半導体装置の概念的な構造を示す断面図である。
また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図などであっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。
(実施の形態1)
本実施の形態の半導体装置(電子装置)を図面を参照して説明する。
本実施の形態の半導体装置は、例えばGSM(Global System for Mobile Communication)方式のネットワークを利用して情報を伝送するデジタル携帯電話などに使用されるRF(Radio Frequency)パワーモジュール(高周波電力増幅装置)であり、図1は、そのRFパワーモジュールの要部回路図の一例を示している。このRFパワーモジュールは、図1に示されるように、高周波電力増幅回路1と、動作電圧制御回路2とを有している。高周波電力増幅回路1は、例えば3段の増幅回路部(パワーアンプ)AMP1,AMP2,AMP3と、これらの増幅回路部AMP1,AMP2,AMP3にバイアス電圧を印加するバイアス回路BIASとを有している。また、上記動作電圧制御回路2は、上記高周波電力増幅回路1への印加電圧を発生する回路であり、電源制御回路2Aと、バイアス電圧生成回路2Bとを有している。電源制御回路2Aは、上記増幅回路部AMP1,AMP2,AMP3の各々の出力用のパワーMOSのドレイン端子に印加される電源電圧Vdd1を生成する回路である(電源電圧(Vdd1)コントロール方式の回路)。また、上記バイアス電圧生成回路2Bは、上記バイアス回路BIASを制御するための制御電圧Vctlを生成する回路である。本実施の形態では、電源制御回路2Aがベースバンド回路から供給される出力レベル指定信号VPLに基づいて上記電源電圧Vdd1を生成すると、バイアス電圧生成回路2Bが電源制御回路2Aで生成された上記電源電圧Vdd1に基づいて上記制御電圧Vctlを生成するようになっている。上記ベースバンド回路は、上記出力レベル指定信号VPLを生成する回路である。この出力レベル指定信号VPLは、高周波電力増幅回路1の出力レベルを指定する信号で、携帯電話と、その基地局との間の距離、すなわち、電波の強弱に応じた出力レベルに基づいて生成されているようになっている。
また、本実施の形態の半導体装置では、GMSK(Gaussian filtered Minimum Shift Keying)変調方式およびEDGE変調方式の両方の通信方式が使用可能な構造となっている。GMSK変調方式は、音声信号の通信に用いる方式で搬送波の位相を送信データに応じて位相シフトする方式である。また、EDGE変調方式は、データ通信に用いる方式でGMSK変調の位相シフトにさらに振幅シフトを加えた方式である。本実施の形態では、GMSK変調方式と、EDGE変調方式との両方の通信を可能とするため、GMSK変調方式またはEDGE変調方式のいずれかを選択する切換スイッチSW1が設けられている。切換スイッチSW1は、変復調用回路に設けられている。この切換スイッチSW1による変調方式の切り換えは、変調方式を指示するモード信号MODEによって行われる。GMSK変調方式が使用される場合は、切換スイッチSW1により上記電源制御回路2Aに上記出力レベル指定信号VPLが入力される。一方、EDGE変調方式が使用される場合は、切換スイッチSW1により上記電源制御回路2Aに上記出力レベル指定信号VPLの代わりに信号LDOが入力される。上記信号LDOは、送信データの振幅情報に相当する信号であり、コンパレータ回路3から伝送される。このコンパレータ回路3は、上記高周波電力増幅回路1の入力側に設けられた位相振幅分離回路4からの振幅情報信号Vinと、上記高周波電力増幅回路1の出力側に設けられた出力レベル検出用のカプラ5からの検出信号Vdtとを比較して電位差に応じた信号を出力するように構成されている。上記位相振幅分離回路4は、送信信号INを位相情報信号Pinと振幅情報信号Vinとに分離する回路である。このような構成により、高周波電力増幅回路1の出力レベルを振幅情報信号Vinのレベルに一致させるようなフィードバック制御が行われる。なお、カプラ5の出力は、ミクサMIXにより周波数変換され、フィルタFLTと増幅回路部AMP4を介して上記検出信号Vdtとしてコンパレータ回路3に伝送される。
また、EDGE変調モードにおいては、電源制御回路2Aに対して出力レベル指定信号VPLが入力されないため、バイアス電圧生成回路2Bは電源制御回路2Aからの電源電圧Vdd1に基づいて必要な出力レベルに応じた制御電圧Vctlを生成することができない。そこで、バイアス電圧生成回路2Bからの電圧に代えて、ベースバンド回路または変復調用回路から供給される出力レベル制御電圧Vapcをバイアス回路BIASに供給する切換スイッチSW2が設けられている。この切換スイッチSW2による変調方式の切り換えは、上記モード信号MODEによって行われる。なお、符号Trは、電源制御回路2Aの入力端子、Vrampは電源制御回路2Aへの入力電圧、Tinは高周波電力増幅回路1の入力端子、Toutは高周波電力増幅回路1の出力端子、Voutは高周波電力増幅回路1の出力電圧、Tbiはバイアス回路BIASの入力端子を示している。
図2は、図1の高周波電力増幅回路1の一部(増幅回路部AMP2,AMP3近傍領域)の回路構成を示す説明図(回路図)である。
図2に示されるように、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)11,12がAMP2,AMP3にそれぞれ対応し、その周囲に複数のインダクタ素子13a,13b,13c,13dおよび容量素子14a,14b,14c,14d,14eが用いられている。AMP3を構成するMISFET12の出力側に接続されたインダクタ素子13aには、空芯コイルが用いられる。空芯コイルからなるインダクタ素子13aは、インピーダンス整合をとるため、また電源(電源部)へのRF成分(高周波成分)の漏れ防止のために設けられている。他のインダクタ素子13b,13c,13dは、チップインダクタのようなチップ部品または配線基板に形成したパターン(導体パターン、配線パターン)により形成される。また、容量素子14a〜14eは、チップコンデンサ(チップキャパシタ)のようなチップ部品または配線基板に形成したパターンにより形成される。インダクタ素子13aには比較的大きな電流が流れるので、チップインダクタのようなチップ部品や配線基板に形成したパターンからなるインダクタ素子に比較して許容電流値を大きくすることができる空芯コイルがインダクタ素子13aとして用いられる。なお、理解を簡単にするために、図1においては、図2に示されるインダクタ素子13a,13b,13c,13dおよび容量素子14a,14b,14c,14d,14eのうち、空芯コイルからなるインダクタ素子13aの位置だけが図示されている。
図3および図4は、本実施の形態の半導体装置、ここではRFパワーモジュール(高周波電力増幅装置)のデバイス構造の一例を示す説明図である。図3は斜視図に対応するが、理解を簡単にするために、封止部材(封止樹脂)については図示を省略している。また、図4は断面図(側面断面図)に対応するが、各構成部品の高さ位置関係などを明確にするための概念的な構造が示されており、図3の構造を所定の位置で切断した断面とは完全には一致していない。
図3および図4に示される本実施の形態の半導体装置(ここではRFパワーモジュールまたは高周波電力増幅装置)20は、配線基板(多層基板、多層配線基板)21と、配線基板21に搭載(実装)された能動素子からなる半導体チップ22と、配線基板21に搭載(実装)された受動素子からなるチップ部品23と、配線基板21に搭載(実装)された空芯コイル24と、半導体チップ22、チップ部品23および空芯コイル24を含む配線基板21の上面を覆う封止樹脂25とを有している。また、半導体装置20は、例えば図示しない外部回路基板またはマザーボードなどに実装することもできる。
配線基板21は、複数の絶縁層(誘電体層)21aを積層して一体化した多層配線構造を有している。図3および図4では、5つの絶縁層21aが積層されて配線基板21が形成されているが、積層される絶縁層21aの数はこれに限定されるものではなく種々変更可能である。また、絶縁層21aは、例えばアルミナ(酸化アルミニウム、Al2O3)などのようなセラミックからなるが、これに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばガラスエポキシ樹脂などを用いても良い。
各絶縁体層21aの表面または裏面には配線形成用の配線パターン21bが形成されている。配線基板21の主面および裏面の配線パターン21bは、例えば銅(Cu)とタングステン(W)との合金の表面にニッケル(Ni)メッキおよび金(Au)メッキを順に施した構成となっている。この金メッキは、配線パターンの酸化や侵食を防ぐ機能を有している。配線基板21の内層の配線パターン21bは、例えば銅(Cu)とタングステン(W)との合金からなる。また、配線パターン21bのうち、基準電位供給の配線パターン(例えば配線基板21の裏面の配線パターンなど)は、絶縁体層21aの配線形成面の大半の領域を覆うようなベタパターンで形成され、伝送線路用の配線パターンは帯状のパターンで形成されている。異なる配線層の配線パターン21b同士は、ビアホール26内の導体または導体膜を通じて電気的に接続されている。ビアホール26内の導体膜は、例えば銅(Cu)とタングステン(W)との合金からなる。なお、ビアホール26のうち、半導体素子22の下方に設けられたビアホールは、半導体素子22で生じた熱を配線基板21の裏面側に伝導させるためのサーマルビアとして機能することができる。
配線基板21の半導体チップ22搭載領域には、キャビティと称する平面矩形状の窪み(凹部)27が設けられており、窪み27の底面にはその底面全体が覆われるように配線パターン21bがパターン形成されている。各半導体チップ22は、窪み27の底面に、半導体チップ22の裏面を配線基板21側に向けた状態で(すなわちフェイスアップで)、例えば半田(はんだ)などの接合材28を介してダイボンディングされている。各半導体チップ22の表面の電極(ボンディングパッド)は、ボンディングワイヤ29を介して配線基板21の主面(表面)の配線パターン21bと電気的に接続されている。ボンディングワイヤ29は、例えば金(Au)線などからなる。
半導体チップ22は能動素子からなり、例えば半導体装置20において電力増幅回路を構成するMISFETなどの半導体増幅素子である。例えば、半導体チップ22は、図1の増幅回路部AMP1,AMP2(図2のMISFET11),AMP3(図2のMISFET12)や電源制御回路2A内のMISFET(図1では図示せず)などに対応する。
チップ部品23および空芯コイル24は、半田などの接合材28により配線基板21の主面の配線パターン21bに接合され電気的に接続されている。チップ部品23は、抵抗素子(チップ抵抗)、容量素子(チップコンデンサ)またはインダクタ素子(チップインダクタ)などの受動素子からなり、例えば半導体装置20において段間整合回路に用いられている受動素子である。例えば、チップ部品23は、図2に示される容量素子14a〜14eまたはインダクタ素子13b,13c,13d、あるいはそれ以外の抵抗素子、容量素子またはインダクタ素子などに対応する。空芯コイル24は、例えば、図2の空芯コイルからなるインダクタ素子13aに対応する。インダクタ素子13aは、上記のようにインピーダンス整合をとるため、また電源(電源部)へのRF成分(高周波成分)の漏れ防止のために設けられている。なお、図4は概念的な断面図に対応するが、理解を簡単にするために、図4において空芯コイル24は断面ではなく側面図で示されている。
配線基板21上の半導体チップ22、チップ部品23、空芯コイル24およびボンディングワイヤ29は封止樹脂25で覆われている。封止樹脂25は、例えばエポキシ樹脂などの樹脂材料からなり、フィラーなどを含有することもできる。
図5は本実施の形態の半導体装置20で用いられる空芯コイル24の上面図(平面図)、図6は空芯コイル24の正面図(平面図)、図7は空芯コイル24の断面図である。図5は、配線基板21の空芯コイル24搭載側の主面(表面)の上方から空芯コイル24を見たときの平面図に対応する。図6は、図5の方向35からみた平面図に対応する。図7は図5のA−A線の断面図に対応する。
図5〜図7からも分かるように、本実施の形態では、空芯コイル24は導体線24aを複数回巻くことにより形成されており、その断面形状(図7の断面図に対応)は真円ではない。空芯コイル24を構成する導体線24aは、例えば銅(Cu)などの導体からなる芯線36の表層にポリスチレンなどの薄い絶縁膜37の皮膜を形成したものを用いることができ、必要とされるインダクタンス値を得ることができる巻数で螺旋(らせん)状に巻かれている。なお、図5の方向35は、空芯コイル24を構成する導体線24aの螺旋の進行方向に対応し、図7は方向35に垂直な断面である。また、空芯コイル24の両端部近傍では、導体線24aは皮膜(絶縁膜37)が除去されて、導体からなる芯線36が露出されており、空芯コイル24と配線基板21の主面(表面)の配線パターン21bとの間の電気的接続を可能としている。
空芯コイル24(の断面形状)は、幅W1が高さH1よりも大きく(H1<W1)、より好ましくは幅W1に対する高さH1の比率(比)が0.9よりも小さい(H1/W1<0.9)。なお、本実施の形態では、図5〜図7からも分かるように、空芯コイル24(の断面形状)の幅W1は、空芯コイル24における配線基板21の主面(空芯コイル24搭載側の主面)に平行で、かつ空芯コイル24を構成する導体線24aの螺旋の進行方向(図5の方向35に対応)に垂直な方向の幅(最長部の長さ)に対応する。また、図6および図7からも分かるように、空芯コイル24(の断面形状)の高さH1は、空芯コイル24における配線基板21の主面(空芯コイル24搭載側の主面)に垂直な方向の高さ(最長部の長さ)H1に対応する。また、空芯コイル24の断面形状(図7の断面図に対応)は、空芯コイル24を構成する導体線24aの螺旋の進行方向(図5の方向35に対応)に垂直な断面の外形(外周形状)に対応する。
空芯コイル24の断面形状は、例えば略楕円形状とすることができ、その場合、楕円形状の長軸が幅W1に対応し、短軸が高さH1に対応する。従って、空芯コイル24の断面形状が楕円形状の場合は、長軸に対する短軸の比率(比)が0.9よりも小さい(短軸/長軸<0.9)ことが好ましい。また、楕円形状の短軸が、配線基板21の主面に垂直な方向、すなわち空芯コイル24の高さ方向になり、楕円形状の長軸が配線基板21の主面に平行な方向になる。
図8は、本実施の形態の半導体装置20で用いられるチップ部品23の斜視図である。チップ部品23は、例えば0.6mm×0.3mmの規格のものを用いることができ、この場合チップ部品の高さH0および幅W0はそれぞれ0.3mm(H0=0.3mm,W0=0.3mm)であり、奥行き(長さ)L0は0.6mm(L0=0.6mm)となる。なお、本実施の形態では、チップ部品23の高さH0は、チップ部品23における配線基板21の主面(チップ部品23搭載側の主面)に垂直な方向の高さH0に対応する。
本実施の形態では、空芯コイル24の幅W1は、チップ部品23の高さH0よりも大きい。複数の規格(外形寸法規格)のチップ部品23が配線基板21の主面に搭載されている場合は、そのうち最も高さH0が高いチップ部品23の高さH0よりも空芯コイル24の幅W1の方が大きい。
近年、RFパワーモジュール(高周波電力増幅装置)のような半導体装置は、小型化、薄型化の要求が高く、配線基板上に搭載された各種部品の小型化が要求される。チップ部品(チップ抵抗、チップコンデンサ、チップインダクタ)の小型化は比較的容易であるのに対して、空芯コイルの小型化(小径化)は容易ではない。例えば、チップ部品の形状は上記のような0.6mm×0.3mm(H0=0.3mm,W0=0.3mm,L0=0.6mm)の規格のものが開発されているのに対して、空芯コイルの外形寸法は0.5mm(幅および高さが0.5mm)が最小である。
図9〜図11は、空芯コイルの製造工程を示す説明図である。まず、図9に示されるように、炭素鋼などからなる巻き付け芯41に皮膜付の銅線などからなる導体線42を所定の回数巻きつける。理解を簡単にするために図示は省略したけれども、巻き付け芯41の一方の端部41aは、図示しない製造装置に接続されている。それから、図10に示されるように、導体線42を所定の位置で切断し、図11に示されるように、導体線42から巻き付け芯41を抜き取る。これにより、断面形状が円形の空芯コイル43が得られる。
空芯コイル43を小型化(小径化)するためには、巻き付け芯41を細くしなければならない。しかしながら、巻き付け芯41を細くすると、巻き付け芯41の強度(機械的強度)が弱まり、空芯コイル43の安定した製造が困難になってしまう。これは、空芯コイルおよびそれを用いた半導体装置の製造コストを著しく増大させる。導体線42を細くすることによって空芯コイル43を小型化(小径化)することも考えられるが、導体線42を細線化すると空芯コイル43の許容電流値が低下してしまう。このため、回路的に比較的大きな電流が流れる位置では使用することができなくなってしまう。従って、導体線42の直径はある程度の大きさ(例えば直径0.08mm以上)を確保することが好ましい。
一方、チップインダクタは、小型化が比較的容易であるため、外形寸法の規格を上記のような0.6mm×0.3mm(H0=0.3mm,W0=0.3mm,L0=0.6mm)とすることが可能であるが、電極層の膜厚が薄いため許容電流値が低くなってしまう。このため、回路的に比較的大きな電流が流れる位置では使用することができない。
このため、配線基板上に半導体チップ、チップ部品および空芯コイルを搭載したRFパワーモジュール(高周波電力増幅装置)などにおいては、空芯コイルが配線基板上の高さが最も高くなり、配線基板上に封止樹脂を形成すると、空芯コイルの高さに依存して封止樹脂の厚みを調整しなければならず、封止樹脂の厚みが厚くなってしまう。
本実施の形態の半導体装置20では、上記のように、高さH1が幅W1よりも小さい(H1<W1、より好ましくはH1/W1<0.9)空芯コイル24、例えば断面形状が略楕円形状の空芯コイル24が、配線基板21上に搭載されている。このため、空芯コイル24を構成する導体線の太さ(直径)をある程度確保しながら、その高さH1を比較的低く(小さく)することができる。
このような空芯コイル24は、例えば次のようにして製造することができる。
図12〜図14は、本実施の形態の半導体装置で用いられる空芯コイル24の製造工程を示す説明図である。図12は上面図、図13は図12のB−B線の断面図に対応する。図14は、図13に続く製造工程中の断面図であり、図13と同様の領域の断面に対応する。
上記のように、図9〜図11に示される工程により、円形の断面形状を有する空芯コイル43を製造した後、図12および図13に示されるように、台座(下金型)51の窪み52内に空芯コイル43を配置する。図12では、台座51に4つの窪み52が設けられているが、これに限定されるものではなく、台座51に設ける窪み52の数は、任意の数を選択することができる。
この段階では、空芯コイル43の断面形状はほぼ円形であり、空芯コイル43の高さH3と幅W3とはほぼ等しい(H3=W3)。また、例えば、高さH3および幅W3が0.5mm(H3=0.5mm,W3=0.5mm)の空芯コイル43を用いることができる。
台座51に設けられた窪み52の平面形状は、空芯コイル43を収容可能な形状または寸法を有している。台座51に設けられた窪み52の深さH2は、そこに収容する空芯コイル43の高さH3より浅い(H2<H3)。このため、台座51の窪み52内に空芯コイル43を配置したとき、台座51の上面51aから、空芯コイル43の一部(上部)が突出した状態となっている。
次に、図14に示されるように、台座51の上方から上金型53を下降させて、台座51に上金型53を押し付ける。上金型53の下面(台座51に接触する側の面)は、例えば平坦面とすることができる。上記のように台座51の上面51aから一部が突出している状態の空芯コイル43は、上金型53の下面によって圧力を加えられることによって変形し(押しつぶされ)、変形された空芯コイル43aとなる。空芯コイル43は上下方向(高さ方向)に押しつぶされ(変形し)、変形した空芯コイル43aの高さH4は、窪み52の深さH2とほぼ同じになる(H4=H2)。また、空芯コイル43は幅方向に広がり、変形した空芯コイル43aの幅W4は、変形する前の空芯コイル43の幅W3よりも大きくなる(W4>W3)。例えば、略円形の断面形状を有する空芯コイル43が略楕円形状の断面形状を有する空芯コイル43aに変形する。
その後、台座51から上金型53を離れさせ、窪み52から空芯コイル43aを取り出す。取り出された空芯コイル43aが上記空芯コイル24に対応する。このようにして空芯コイル24を製造することができる。なお、台座51から上金型53を離れさせた際に、窪み52に収容されている空芯コイル43aは押しつぶされた状態から弾性によって若干戻り、最終的に製造された空芯コイル24の高さH1は台座51の窪み52の深さH2よりも若干大きくなる場合もある。
このようにして、高さH1が幅W1よりも小さな(H1<W1、より好ましくはH1/W1<0.9)空芯コイル24を容易かつ安定して製造することができる。
台座51の窪み52の深さH2を調整することで、所望の高さH1を有する空芯コイル24を製造することが可能である。例えば、高さH1が0.3mmである空芯コイル24を得たい場合は、窪み52の深さH2を0.3mm、あるいは台座51から上金型53を離れさせた後に弾性により戻る現象を考慮して0.3mmよりも若干浅くしておけばよい。
また、台座51の窪み52の深さH2を調整することで、台座51の窪み52に収容した空芯コイル43を上金型53で押しつぶした際に、変形した空芯コイル43aの内部の空隙55がなくなるのを防止することができる。すなわち、空芯コイル43aの内部の空隙55がなくなると、インダクタ素子としての機能を得られなくなる恐れがあるが、窪み52の深さH2を空芯コイル43(空芯コイル43a)を構成する導体線42の直径D3の2倍よりも大きくすることで(H2>2D3)、空芯コイル43aの内部に空隙55を確保し、その大きさを所望のインダクタ素子としての機能を得るのに必要な大きさにすることができる。
もし、高さH0(例えばH0=0.3mm)のチップ部品23と、それよりも高さH3(例えばH3=0.5mm)が高く(H3>H0)断面形状が円形状の空芯コイル43とを配線基板21上に搭載(実装)した場合、空芯コイル43の最上部が配線基板21上の高さが最も高くなり、空芯コイル43の高さに依存して封止樹脂25の厚みを調整しなければならず、封止樹脂25の厚みが厚くなってしまう。
本実施の形態では、チップ部品23の高さH0(例えばH0=0.3mm)よりも高さH3(例えばH3=0.5mm)が高い(H3>H0)空芯コイル43を変形させて、変形前の高さH3よりも変形後の高さH1を低く(H3>H1)し、その変形された(高さを低減させた)空芯コイル43aすなわち空芯コイル24を、配線基板21上に搭載している。このため、配線基板21上の空芯コイル24の最上部の高さ位置を、断面形状が円形の空芯コイル43を用いる場合に比較して低くすることができ、封止樹脂25の厚みT1を薄くすることができる。従って、半導体装置20の薄型化が可能となる。なお、本実施の形態では、封止樹脂25の厚みT1は、配線基板21の主面(チップ部品23および空芯コイル24の搭載面)から封止樹脂25の上面25aまでの距離に対応する。
また、空芯コイル24を構成する導体線24aの太さ(直径)をある程度確保しながら、空芯コイル24の高さH1を比較的低くすることができる。空芯コイル24を構成する導体線24aの直径は、0.08mm以上であればより好ましい。導体線24aの太さをある程度確保し、より好ましくは導体線24aの直径を0.08mm以上とすることで、空芯コイル24の許容電流値を確保し(大きくし)、回路的に大電流が流れる位置での空芯コイル24の使用も可能になる。
また、比較的高さH0が高く製造が容易な空芯コイル43を変形して、比較的高さH1が低い空芯コイル24を形成できるので、空芯コイル24の安定した製造が可能である。
また、空芯コイル43を変形して空芯コイル43aとしたとき、空芯コイルのインダクタンス値は変化するが、本発明者の実験によれば、そのような空芯コイル43a(空芯コイル24)を用いても、RFパワーモジュールのような半導体装置に対する回路上の影響は少ないことが確認されている。空芯コイル24は、空芯コイル24を構成する導体線24aの巻数を調整することなどにより(すなわち変形前の空芯コイル43の導体線42の巻数を調整することなどにより)、インダクタンス値を所望の値に調整し、回路上必要なインダクタンス値を確保することができる。
また、空芯コイル24の幅W1に対する高さH1の比率は、0.9よりも小さい(H1/W1<0.9)ことが好ましい。これにより、空芯コイル24の高さの低減効果をより有効とすることができ、封止樹脂25の厚みを薄くすることができる。従って、半導体装置20の薄型化を実現できる。
また、本実施の形態では、上記のように、チップ部品23の高さH0よりも高さH3が高い(H3>H0)空芯コイル43を変形させて、変形前の高さH3よりも変形後の高さH1を低く(H3>H1)し、その変形された空芯コイル43aすなわち空芯コイル24を、配線基板21上に搭載している。このため、空芯コイル24の幅W1は、チップ部品23の高さH0よりも大きく(W1>H0)なる。複数の規格(外形寸法規格)のチップ部品23が配線基板21の主面に搭載されている場合は、そのうち最も高さH0が高いチップ部品23の高さH0よりも空芯コイル24の幅W1の方が大きい。
また、本実施の形態では、図4に示されるように、配線基板21上に搭載された空芯コイル24の最上部の高さ位置P1が、チップ部品23の最上部の高さ位置P0よりも低いかあるいは同じであることが、より好ましい。なお、本実施の形態では、空芯コイル24の最上部の高さ位置P1は、配線基板21の主面に垂直な方向の高さ位置に対応する。また、チップ部品23の最上部の高さ位置P0は、配線基板21の主面に垂直な方向の高さ位置に対応し、複数の規格(外形寸法規格)のチップ部品23が配線基板21の主面に搭載されている場合は、そのうち最上部が最も高い位置にあるチップ部品23の最上部の高さ位置P0に対応する。空芯コイル24の最上部の高さ位置P1を、チップ部品23の最上部の高さ位置P0よりも低いかあるいは同じにすることは、空芯コイル24の高さH1をチップ部品23の高さH0以下(H1≦H0)にすることにより実現することができる。これにより、配線基板21上の高さ位置が最も高いものが空芯コイル24ではなくなるので、空芯コイルに依存して封止樹脂25の厚みを厚くする必要がなくなり、封止樹脂25の厚みT1をより薄くすることができる。従って、半導体装置20全体の厚みT2をより薄くすることができる。
また、封止樹脂25の厚みT1は、より好ましくは0.8mm以下(T1≦0.8mm)である。封止樹脂25の厚みT1を薄くし、好ましくは0.8mm以下(T1≦0.8mm)にすることで、半導体装置20全体の厚みT2を薄くすることができる。例えば、半導体装置20全体の厚みT2を1.5mm以下(T2≦1.5mm)にすることが可能となる。このため、使用する半導体装置の薄型化が特に要求される電子機器、例えば携帯電話などへの半導体装置20の使用がより容易になる。
また、封止樹脂25の上面25aと空芯コイル24の上部との間の距離L1は0.1mm以上(L1≧0.1mm)であればより好ましい。配線基板21上に空芯コイル24を半田(はんだ)などの接合材28を介して搭載(実装)した際に、半田の吸い上がり現象などにより、空芯コイル24を構成する導体線24aを伝わって半田が空芯コイル24の上部に付着する恐れがある。このような現象は、鉛フリーの半田を接合材28として用いた場合に特に顕著である。本実施の形態では、上記のように、封止樹脂25の上面25aと空芯コイル24の上部との間の距離L1を0.1mm以上(L1≧0.1mm)にすることで、空芯コイル24の上部に半田などが付着したとしても、封止樹脂25からその半田が露出するのを的確に防止することができる。このため、半導体装置20の信頼性をより向上することができる。
また、本実施の形態では、各半導体チップ22は、配線基板21の窪み27の底面に搭載されている。このため、配線基板21に窪み27を設けずに半導体チップ22を搭載した場合に比較して、窪み27の深さの分だけボンディングワイヤ29の最上部の高さ位置P2を低くすることができる。従って、空芯コイル24の高さH1を低くしたときに、ボンディングワイヤ29の最上部の高さ位置P2が高いことに起因して封止樹脂25の薄型化が制限されるのを防止できる。これにより、半導体装置20の薄型化をより効果的に実現することができる。
本実施の形態の半導体装置20は、例えば次のような手法で製造することができる。
図15〜図18は、本発明の一実施の形態である半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
まず、図15に示されるように、配線基板21を準備する。配線基板21は、例えばビルドアップ法、印刷法またはシート積層法などを用いて製造することができる。
次に、図16に示されるように、配線基板21の半導体チップ22、チップ部品23および空芯コイル24を搭載予定の領域に半田などの接合材28を印刷または塗布する。そして、配線基板21上に半導体チップ22、チップ部品23および空芯コイル24を搭載する。
配線基板21に搭載する空芯コイル24は、上記のように高さH1が幅W1よりも小さく(H1<W1、より好ましくはH1/W1<0.9)、例えば断面形状が略楕円形状を有しており、図9〜図14に関連して説明したようにして準備(製造)される。また、半導体チップ22は、裏面側が下方(配線基板21側)を向き、表面側が上方を向くように(フェイスアップボンディング)、配線基板21に設けられた窪み(キャビティ)27の底面に搭載される。
それから、半田リフロー処理などを行って、半導体チップ22、チップ部品23および空芯コイル24を配線基板21に半田などの接合材28を介して固着する。
次に、図17に示されるように、ワイヤボンディング工程を行って、半導体チップ22の表面の電極(ボンディングパッド)と配線基板21の主面(表面)の配線パターン21bとをボンディングワイヤ29を介して電気的に接続する。
次に、図18に示されるように、配線基板21上に、半導体チップ22、チップ部品23、空芯コイル24およびボンディングワイヤ29を覆うように、封止樹脂25を形成する。封止樹脂25は、例えば印刷法またはモールド用金型(例えばトランスファモールド)などを用いて形成することができる。1枚の配線基板21から複数の半導体装置20を製造する場合は、封止樹脂25の形成後、配線基板21および封止樹脂25を所定の位置で分割し、各個片としての半導体装置20を得ることができる。
(実施の形態2)
図19は、本発明の他の実施の形態である半導体装置の概念的な構造を示す断面図である。図19は、上記実施の形態1の図4に対応する。
図19に示される本実施の形態の半導体装置(例えばRFパワーモジュールまたは高周波電力増幅装置)60は、封止部材が異なること以外は、上記実施の形態1の半導体装置20とほぼ同様の構成を有するので、封止部材以外の構成についてはここではその説明を省略する。
上記実施の形態1の半導体装置20では、配線基板21の上面(主面)を封止(気密封止)する封止部材として封止樹脂25を用いていたが、本実施の形態の半導体装置60では、配線基板21の上面(主面)を封止(気密封止)する封止部材として金属キャップ61を用いている。本実施の形態では、配線基板21上に搭載された半導体チップ22およびボンディングワイヤ29は封止樹脂62によって封止されて(覆われて)いるが、チップ部品23および空芯コイル24は封止樹脂62によって完全には封止されて(覆われて)いない。封止部材としての金属キャップ61は配線基板21に接合され、封止樹脂62によって封止された半導体チップ22およびボンディングワイヤ29とともに、配線基板21上に搭載されて露出した状態にあるチップ部品23および空芯コイル24を封止する。
本実施の形態でも、上記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。更に、金属キャップ61により、配線基板21に搭載された半導体チップ22、チップ部品23、空芯コイル24および配線基板21の上面に形成された配線パターン21bなどが、半導体装置60の外部の電磁場から遮蔽される。このため、半導体装置60の性能をより向上させることができる。
また、本実施の形態においても、上記実施の形態1と同様に、空芯コイル24の高さを幅よりも小さくし、より好ましくは配線基板21上に搭載された空芯コイル24の最上部の高さ位置が、チップ部品23の最上部の高さ位置よりも低くなるようにする。これにより、配線基板21上の空芯コイル24の最上部の高さ位置が低くなり、更に配線基板21上の高さ位置が最も高いものが空芯コイル24ではなくなるので、空芯コイルに依存して金属キャップ61の高さ(厚み)T3を高くする必要がなくなり、金属キャップ61の高さT3を低く(小さく)することが可能になる。例えば、金属キャップ61の高さT3を0.8mm以下(T3≦0.8mm)にすることもできる。なお、本実施の形態では、金属キャップ61の高さT3は、配線基板21の主面(空芯コイル24などの搭載面)から金属キャップ61の上面61aまでの距離に対応する。金属キャップ61の高さT3を低くし、好ましくは0.8mm以下(T3≦0.8mm)にすることで、半導体装置60全体の厚みT4を薄くすることができる。例えば、半導体装置60全体の厚みT4を1.5mm以下(T4≦1.5mm)にすることが可能となる。このため、使用する半導体装置の薄型化が特に要求される電子機器、例えば携帯電話などへの半導体装置60の使用がより容易になる。
また、金属キャップ61の内部面(内面)61bと空芯コイル24の上部との間の距離(間隔)L5は0.1mm以上(L5≧0.1mm)であればより好ましい。配線基板21上に空芯コイル24を半田などの接合材28を介して搭載(実装)した際に、半田の吸い上がり現象などにより、空芯コイル24を構成する導体線24aを伝わって半田が空芯コイル24の上部に付着する恐れがある。このような現象は、鉛フリーの半田を接合材28として用いた場合に特に顕著である。本実施の形態では、上記のように、金属キャップ61の内部面61bと空芯コイル24の上部との間の距離L5を0.1mm以上(L5≧0.1mm)にすることで、空芯コイル24の上部に半田などが付着したとしても、金属キャップ61にその半田が接触するのを的確に防止することができる。このため、半導体装置60の信頼性をより向上することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前記実施の形態では、RFパワーモジュール(高周波電力増幅装置)について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、配線基板上に能動素子からなる半導体チップと、受動素子からなるチップ部品と、空芯コイルとを搭載した種々の半導体装置に適用することができる。
本願において開示される発明の実施形態のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
半導体チップ、受動素子からなるチップ部品および空芯コイルを配線基板上に搭載した半導体装置において、空芯コイルの幅に対する高さの比率を0.9より小さくし、空芯コイルの幅をチップ部品の高さよりも大きくしたことにより、半導体装置の薄型化が可能になる。
また、半導体チップ、受動素子からなるチップ部品および空芯コイルを配線基板上に搭載した半導体装置において、空芯コイルの断面形状を高さ方向が短軸となる楕円形状とし、楕円形状の長軸をチップ部品の高さよりも大きくしたことにより、半導体装置の薄型化が可能になる。
また、空芯コイルを台座の窪みに配置し、その空芯コイルに圧力を加えることにより変形させて空芯コイルの幅に対する高さの比率を0.9より小さくしてから、配線基板上に半導体チップと、変形させた空芯コイルと、受動素子からなりかつその高さが空芯コイルの幅よりも小さいチップ部品とを搭載することにより、半導体装置の薄型化が可能になる。
Claims (5)
- (a)導体線を複数回巻いた空芯コイルを、台座の窪みに配置する工程、
(b)前記台座の前記窪みに配置された前記空芯コイルに圧力を加えることにより前記空芯コイル変形させ、前記空芯コイルの幅に対する高さの比率を0.9より小さくする工程、
(c)配線基板上に、能動素子からなる半導体チップと、前記(b)工程で変形させた前記空芯コイルと、受動素子からなりかつその高さが前記空芯コイルの前記幅よりも小さいチップ部品とを搭載する工程、
を有し、
前記(a)工程では、断面形状が円形状の前記空芯コイルが、前記台座の前記窪みに配置されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - (a)導体線を複数回巻いた空芯コイルを、台座の窪みに配置する工程、
(b)前記台座の前記窪みに配置された前記空芯コイルに圧力を加えることにより前記空芯コイル変形させ、前記空芯コイルの幅に対する高さの比率を0.9より小さくする工程、
(c)配線基板上に、能動素子からなる半導体チップと、前記(b)工程で変形させた前記空芯コイルと、受動素子からなりかつその高さが前記空芯コイルの前記幅よりも小さいチップ部品とを搭載する工程、
を有し、
前記(c)工程で前記配線基板上に搭載される前記チップ部品の高さは、前記(b)工程で変形される前の前記空芯コイルの高さよりも低いことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法において、
前記(a)工程では、前記台座の前記窪みに配置された前記空芯コイルの高さは、前記窪みの深さよりも大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法において、
前記窪みの深さが、前記空芯コイルを構成する前記導体線の直径の2倍よりも大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法において、
前記(a)工程の前に、
(a1)前記導体線を巻き付け芯に巻きつけてコイル形状にする工程、
(a2)前記導体線を所定の位置で切断する工程、
(a3)前記導体線から前記巻き付け芯を抜き取って、前記導体線からなる前記空芯コイルを形成する工程、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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