JP4498292B2 - 半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法に関し、特にマイクロ波周波数帯域やミリ波周波数帯域において使用され、マイクロ波回路及びマイクロストリップアンテナを内蔵する半導体モジュール及びその製造方法に関する。

近年、情報社会の進展に伴い、高速無線ＬＡＮ（local area network）、パーソナル衛星通信等の無線回線の需要が増大している。このような需要に応えるために、例えば下記非特許文献１に記載されているように、通信周波数帯域が広く、通信チャンネル数を多く取ることができるマイクロ波周波数帯域やミリ波周波数帯域を利用する通信技術の研究開発が盛んに行われている。

マイクロ波やミリ波のような高い周波数帯域を使用するに従い、配線の伝送損失が大きくなる。例えば、周波数が６０ＧＨｚに達すると、金（Ａｕ）配線は０．３μｍ程度の厚膜になる。このため、ミリ波無線用の送受信機においては、送受信回路とアンテナとの間を結ぶ給電線の伝送損失をいかに低く抑えるかということが重要な技術的課題になる。

下記特許文献１には、アンテナ一体化高周波半導体モジュールが開示されている。このアンテナ一体化高周波半導体モジュールは、外側にアンテナ電極、内側に結合用スロットが形成された蓋と、マイクロストリップ給電線を有するＩＣ（integrated circuit）と、内側の底面及び側面と蓋に接触する部分にメタライズを行ったパッケージとを備えている。マイクロストリップ給電線から結合用スロットを通して短経路においてアンテナ電極を励振させることができるので、アンテナ一体型高周波半導体モジュールの伝送損失を減少することができる。
特開平１０−２７０５８６号公報 電子情報通信学会マイクロ波研究会資料ＭＷ９４−１２８、「ミリ波応用システムの開発・実用化動向」

しかしながら、上記特許文献１に開示されたアンテナ一体化高周波半導体モジュールにおいては、蓋の外側にアンテナ電極が形成され、アンテナ電極が外部環境に対してオープン又はそれに近い状態になっているので、外部環境の影響を大きく受けてアンテナ特性が劣化し易い点について、配慮がなされていなかった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、励振経路の伝送損失を減少することができ、かつ外部環境に対するアンテナ特性を向上することができるアンテナ及びその製造方法を提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、半導体モジュールにおいて、第１の表面にマイクロ波回路を配設した第１の基板と、第１の表面に離間しかつ向かい合う第２の表面を有し、空気の誘電率に比べて高い誘電率を有する第２の基板と、第２の表面にマイクロ波回路に向かい合わせて配設され、マイクロ波回路によって励振されるアンテナ部とを備え、第２の基板の第２の表面に対向する第３の表面に凹部を備え、アンテナ部が第２の表面に接する。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、第１の表面にマイクロ波回路を形成し、この第１の表面のマイクロ波回路の周囲に第１の半田接合層を形成した第１の基板を作製する工程と、第２の表面に接してアンテナ部を形成し、第２の表面と対向する第３の表面に凹部を形成し、この第２の表面のアンテナ部の周囲に第２の半田接合層を形成した、空気の誘電率に比べて高い誘電率を有する第２の基板を作製する工程と、第１の基板の第１の表面に離間して第２の基板の第２の表面を向かい合わせて配置し、第１の半田接合層と第２の半田接合層との間に半田を形成する工程と、半田リフローを行い、半田を一旦溶融した後凝固させ、第１の半田接合層と第２の半田接合層との間を半田を介して接合する工程とを備える。

本発明によれば、励振経路の伝送損失を減少することができ、かつ外部環境に対するアンテナ特性を向上することができる半導体モジュール及びその製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
［半導体モジュールの第１の構造］
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１は、第１の表面（図１中、上側表面）２０１にアンテナ給電用パターンを有するマイクロ波回路（ＭＭＩＣ）２１を配設した第１の基板２と、第１の表面２０１に離間しかつ向かい合う第２の表面（図１中、下側表面）４０１を有し、空気の誘電率に比べて高い誘電率を有する第２の基板４と、第２の表面４０１にマイクロ波回路２１に向かい合わせて配設され、マイクロ波回路２１によって励振されるパッチアンテナ（アンテナ部）４１とを備えている。更に、第１の基板２と第２の基板４との間において、マイクロ波回路２１及びパッチアンテナ４１の周囲にはスペーサ３が配設されている。この半導体モジュール１は、第１の基板２上に第２の基板４をスペーサ３を介して重ね合わせ、マイクロ波回路２１とパッチアンテナ４１とを一体的に製作したモノリシックアンテナである。第１の実施の形態に係る半導体モジュール１は、必ずしもこの周波数帯域に限定されるものではないが、６０ＧＨｚのミリ波周波数帯域用として製作されたものであり、例えば高速無線ＬＡＮに使用される。

第１の基板２にはＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板等の半導体基板を実用的に使用することができる。第１の基板２は、例えば縦４ｍｍ、横４ｍｍのサイズを有する平面正方形状のチップであり、例えば２００μｍ〜３００μｍの厚さを有する。

第２の基板４は、第１の実施の形態において、基板自体が誘電体である誘電体基板である。この第２の基板４にはテフロン（登録商標）基板、ポリイミド基板等の樹脂基板、又はアルミナ基板、石英基板等のセラミックス基板、又は高絶縁性を有するＳｉ基板等の半導体基板のいずれかを実用的に使用することができる。例えば、テフロン（登録商標）基板を使用する場合、テフロン（登録商標）基板の比誘電率は空気の比誘電率に対して高い２．５であり、テフロン（登録商標）基板の最大厚さはλ／４程度で比誘電率を考慮すると４００μｍ〜６００μｍに設定される。第１の実施の形態においては、１００μｍ〜３００μｍの範囲内の厚さを有するテフロン（登録商標）基板が使用されている。第２の基板４の平面サイズは、第１の基板２の平面サイズに比べて小さく、パッチアンテナ４１の平面サイズに比べて大きい。

パッチアンテナ４１の平面サイズは、マイクロ波回路２１の平面サイズに比べて大きく、λ／２程度において構成されている。第１の実施の形態において、パッチアンテナ４１は１．５ｍｍ程度の直径寸法を有する平面円形状により構成されている。なお、パッチアンテナ４１の平面形状は、必ずしも平面円形状に限定されるものではなく、方形形状を有していてもよい。パッチアンテナ４１は例えば３μｍ〜１８μｍの膜厚を有するＣｕ薄膜、Ａｕ薄膜等の導体、又はこの導体の表面にめっき被膜を有する導体により構成されている。

第１の基板２のマイクロ波回路２１と第２の基板４のパッチアンテナ４１との間には微小の空隙ｄが設定されており、マイクロ波回路２１とアンテナ４１との間は電磁的に結合されている。空隙ｄの最大値はλ／２０であり、第１の実施の形態において、空隙ｄは２５０μｍ以下に設定されている。

スペーサ３は、第１の基板２と第２の基板４との間を機械的に結合するとともに、マイクロ波回路２１とパッチアンテナ４１との間の空隙ｄを確保する。スペーサ３は、マイクロ波回路２１及びパッチアンテナ４１の周囲の全域又は周囲の一部に配設されている。第１の実施の形態において、スペーサ３には例えばポリイミド樹脂を使用することができる。このポリイミド樹脂により形成されたスペーサ３は、第１の基板２の第１の表面２０１、第２の基板４の第２の表面４０１のそれぞれにエポキシ樹脂等の接着材を介して接合することができる。

［半導体モジュールの特徴］
第１の実施の形態に係る半導体モジュール１においては、マイクロ波回路２１（アンテナ給電用パターン）とパッチアンテナ４１との間を微小な空隙ｄを介して電磁的に結合するようにしたので、伝送損失を減少することができ、アンテナ特性を向上することができる。更に、半導体モジュール１においては、マイクロ波回路２１に向かい合う第２の基板４の第２の表面４０１にパッチアンテナ４１を配設し、パッチアンテナ４１を第２の基板４により覆い外部環境に対して保護するようにしたので、外部環境の変化に誘発されるアンテナ特性の劣化を減少することができる。そして更に、空気の誘電率よりも誘電率が高い第２の基板４によりパッチアンテナ４１を覆うようにしたので、パッチアンテナ４１から第２の基板４を通して電磁波が放射し易くなり、アンテナ特性を向上することができる。特に、第１の実施の形態に係る半導体モジュール１は第２の基板４を通して電波の指向性を広げることができるので、広い電波の指向性が要求される高速無線ＬＡＮへの応用が有効である。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、前述の第１の実施の形態に係る半導体モジュール１において、電波の指向性を更に広げた例を説明するものである。なお、第２の実施の形態並びにこれ以降の実施の形態において、前述の第１の実施の形態において説明した構成要素と同一の構成要素には同一符号を付け、その同一の構成要素の説明は重複するので省略する。

［半導体モジュールの第２の構造］
第２の実施の形態に係る半導体モジュール１は、図２に示すように、第２の基板４の第２の表面４０１に対向する第３の表面（図２中、上側表面）４０２に、パッチアンテナ４１から第２の基板４を通過して放射される電波の指向性を広げる凹部４２を更に備えている。第２の実施の形態において、第２の基板４は前述の第１の実施の形態の第２の基板４と同様に誘電体基板であり、凹部４２はこの誘電体基板の表面部分すなわち第３の表面４０２からその厚さ方向に向かって掘り下げて形成されている。例えば、凹部４２は半導体製造プロセスのエッチング技術を利用して形成する。

凹部４２の側壁はパッチアンテナ４１側から見て末広がりになるようにテーパ面になっており、凹部４２の底面の平面サイズｗはパッチアンテナ４１の平面サイズに比べて大きく設定されている。底面の平面サイズｗは、例えばパッチアンテナ４１の平面サイズに、凹部４２の底面からパッチアンテナ４１までの間の、第２の基板４の厚さｔの２倍の寸法を加えた寸法以上（ｗ≧パッチアンテナ４１の平面寸法＋２ｔ）に設定されている。

図３及び図４は、それぞれ第１、第２の実施の形態に係るアンテナの電波の指向性を示す図である。図４に示す前述の第１の実施の形態に係る半導体モジュール１つまり第２の基板４に凹部４２を配設しない半導体モジュール１の電波の指向性に対して、図３に示す第２の実施の形態に係る半導体モジュール１つまり第２の基板４に凹部４２を配設した半導体モジュール１の電波の指向性は広くなる。凹部４２が配設された部分は第２の基板４の厚さが薄く、パッチアンテナ４１から放射された電波の通過速度が速くなり、これに対して凹部４２が配設されていない部分は第２の基板４の厚さが厚く、電波の通過速度が遅くなり、パッチアンテナ４１から第２の基板４を通過した電波が扇状に広がるので、電波の指向性が広がる。

［半導体モジュールの特徴］
第２の実施の形態に係る半導体モジュール１においては、前述の第１の実施の形態に係る半導体モジュール１により得られる効果に加えて、第２の基板４に凹部４２を備えたので、電波の指向性をより一層広げることができる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態は、前述の第２の実施の形態に係る半導体モジュール１において、第２の基板４の構造を代えた例を説明するものである。

［半導体モジュールの第３の構造］
第３の実施の形態に係る半導体モジュール１は、図５に示すように、樹脂基板４５及びその表面上に積層した誘電体膜４６により第２の基板４を構成し、誘電体膜４６の表面部分すなわち第３の表面４０３からその膜厚方向に掘り下げて形成された凹部４２を備えている。樹脂基板４５には前述の第１の実施の形態において第２の基板４として例示したテフロン(登録商標）基板、ポリイミド基板等を使用することができる。誘電体膜４６には、空気の誘電率に比べて高い誘電率を有するポリイミド樹脂膜、エポキシ樹脂膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の薄膜を使用することができる。樹脂基板４５の誘電率と誘電体膜４６との誘電率の差があまり無い方が、第２の実施の形態に係る半導体モジュール１においては好ましい。

凹部４２は基本的には前述の第２の実施の形態に係る凹部４２と同様の形状、寸法、製造方法に形成することができる。また、誘電体膜４６は、第２の実施の形態において単層膜であるが、凹部４２の底面を表面により形成する下層の誘電体膜と凹部４２の側壁を形成する上層の誘電体膜の少なくとも２層により構成してもよい。

［半導体モジュールの特徴］
第３の実施の形態に係る半導体モジュール１においては、前述の第２の実施の形態に係る半導体モジュール１により得られる効果と同様の効果を得ることができる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態は、前述の第３の実施の形態に係る半導体モジュール１において、第２の基板４の構造を代えた例を説明するものである。

［半導体モジュールの第４の構造］
第４の実施の形態に係る半導体モジュール１は、図６に示すように、前述の第３の実施の形態に係る半導体モジュール１の第２の基板４の誘電体膜４６に配設された凹部４２に、誘電体膜４６の誘電率に比べて低い誘電率を有する誘電体４３を埋設している。この誘電体４３は、パッチアンテナ４１から放射される電波の指向性をより一層広げることができる。

誘電体４３は、例えばポッティング法によりエポキシ樹脂を凹部に埋め込み、樹脂硬化後にメカニカルポリッシング技術により平坦化することにより形成することができる。

［半導体モジュールの特徴］
第３の実施の形態に係る半導体モジュール１においては、前述の第２の実施の形態に係る半導体モジュール１により得られる効果と同様の効果を得ることができ、更に第２の基板４の凹部４２に誘電率が低い誘電体４３を埋設したので、より一層電波の指向性を広げることができる。

（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態は、前述の第１の実施の形態に係る半導体モジュール１において、第１の基板２と第２の基板４との間の接合構造を代えた例、並びにその接合方法を説明するものである。

［半導体モジュールの第５の構造］
第５の実施の形態に係る半導体モジュール１は、図７に示すように、前述の第１の実施の形態に係る半導体モジュール１のスペーサ３に代えて、第１の基板２と第２の基板４との間の機械的な接合を半田５で行っている。半田５は、第１の基板２の第１の表面２０１に配設された第１の半田接合層２１０に接合されるとともに、第２の基板４の第２の表面４０１に配設された第２の半田接合層４１０に接合されている。

半田５には例えば錫鉛共晶半田を実用的に使用することができるが、半田材料はこれに限定されるものではなく鉛フリー半田を使用してもよい。第１の半田接合層２１０、第２の半田接合層４１０には、半田との濡れ性が高い、アンダーバンプメタル層を実用的に使用することができる。

［半導体モジュールの製造方法］
次に、前述の半導体モジュール１の製造方法を図８乃至図１０を用いて説明する。まず最初に、図８に示すように、第１の表面２０１にマイクロ波回路２１を形成し、この第１の表面２０１のマイクロ波回路２１の周囲に第１の半田接合層２１０を形成した第１の基板２を形成する。

次に、図９に示すように、第２の表面４０１にパッチアンテナ４１を形成し、この第２の表面４０１のパッチアンテナ４１の周囲に第２の半田接合層４１０を形成した第２の基板４を形成する。第２の基板４は、第１の基板２を形成した後、若しくは形成の前、若しくは同時に形成することができる。

第１の半田接合層２１０の表面上又は第２の半田接合層４１０の表面上にめっき技術により半田５１形成する。半田５は、例えば直径２００μｍ、高さ５０μｍの寸法において形成する。引き続き、図１０に示すように、第１の半田接合層２１０と第２の半田接合層４１０との間に半田５１を介在し、第１の基板２の第１の表面２０１に第２の基板４の第２の表面４０１を離間して向かい合わせる。

フリップチップマウンタを用いて第１の基板２と第２の基板４とを仮止めした後、図示しないリフロー炉に通し、半田リフローを行い、半田５１を一旦溶融した後凝固させ、第１の半田接合層２１０と第２の半田接合層４１０との間を半田５を介して接合する。半田リフロー前、第１の基板２と第２の基板４との間の位置合わせずれは約５０μｍであったが、半田リフロー時の半田５１の溶融に伴う表面張力により位置合わせずれが自己整合的に修復され、半田リフロー後の位置合わせずれは２μｍ〜３μｍにまで減少することができた。

［半導体モジュールの特徴］
第５の実施の形態に係る半導体モジュール１及びその製造方法においては、前述の第１の実施の形態に係る半導体モジュール１により得られる効果と同様の効果を得ることができるとともに、第１の基板２と第２の基板４との位置合わせずれを半田リフローにより修復することができる。この結果、マイクロ波回路２１とパッチアンテナ４１との位置合わせずれに起因する入力インピーダンスの変化を防止することができ、給電経路における不整合を減少し、反射特性を向上することができるので、アンテナ特性を向上することができる。

（その他の実施の形態）
なお、本発明は前述の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において、変更可能である。例えば、前述の実施の形態に係る半導体モジュール１は第２の基板４にパッチアンテナ４１を配設したが、本発明は、使用周波数帯域に合わせたスロットサイズを有するスロットアンテナ（アンテナ部）を第２の基板４の第２の表面４０１上に配設することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体モジュールの断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体モジュールの断面図である。 第２の実施の形態に係る半導体モジュールの電波の指向性を示す図である。 第１の実施の形態に係る半導体モジュールの電波の指向性（比較例）を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る半導体モジュールの断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る半導体モジュールの断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る半導体モジュールの断面図である。 第５の実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法を説明する第１の工程断面図である。 第２の工程断面図である。 第３の工程断面図である。

符号の説明

１ 半導体モジュール
２ 第１の基板
２１ マイクロ波回路
２０１ 第１の表面
２１０ 第１の半田接合層
３ スペーサ
４ 第２の基板
４１ パッチアンテナ
４２ 凹部
４３ 誘電体
４５ 樹脂基板
４６ 誘電体膜
４０１ 第２の表面
４０２ 第３の表面
４１０ 第２の半田接合層
５ 半田
ｄ 空隙

Claims (7)

1. 第１の表面にマイクロ波回路を配設した第１の基板と、
   前記第１の表面に離間しかつ向かい合う第２の表面を有し、空気の誘電率に比べて高い誘電率を有する第２の基板と、
   前記第２の表面に前記マイクロ波回路に向かい合わせて配設され、前記マイクロ波回路によって励振されるアンテナ部と、
   を備え、
   前記第２の基板の前記第２の表面に対向する第３の表面に凹部を備え、前記アンテナ部が前記第２の表面に接することを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記マイクロ波回路と前記アンテナ部との間は電磁的に結合され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. 前記凹部の側壁が、前記アンテナ部側から見て末広がりになるようにテーパ面を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記凹部は前記アンテナ部に対応する位置に配設され、前記凹部の底面サイズは前記アンテナ部の平面サイズに対して大きいことを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。
5. 前記第２の基板は誘電体基板又は表面に誘電体膜を有する樹脂基板であり、前記凹部は前記誘電体基板の表面部分又は前記誘電体膜の表面部分に配設されたことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体モジュール。
6. 前記凹部に前記誘電体基板又は前記誘電体膜の誘電率に比べて低い誘電率を有する誘電体を埋設したことを特徴とする請求項５に記載の半導体モジュール。
7. 第１の表面にマイクロ波回路を形成し、前記第１の表面の前記マイクロ波回路の周囲に第１の半田接合層を形成した第１の基板を作製する工程と、
   第２の表面に接してアンテナ部を形成し、前記第２の表面と対向する第３の表面に凹部を形成し、前記第２の表面の前記アンテナ部の周囲に第２の半田接合層を形成した、空気の誘電率に比べて高い誘電率を有する第２の基板を作製する工程と、
   前記第１の基板の前記第１の表面に離間して前記第２の基板の前記第２の表面を向かい合わせて配置し、前記第１の半田接合層と前記第２の半田接合層との間に半田を形成する工程と、
   半田リフローを行い、前記半田を一旦溶融した後凝固させ、前記第１の半田接合層と前記第２の半田接合層との間を前記半田を介して接合する工程と、
   を備えたことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。

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