JP5407307B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関するものである。

近年、携帯情報端末をはじめ、各種の携帯型電子機器の普及が著しい。このような電子機器においては、携帯性の向上や高機能化が強く求められる技術傾向にあることから、電子機器に実装される半導体チップ（半導体装置）においても、一層の小型、軽量、薄型化が要望されている。このような傾向、要望に対応するための半導体装置のパッケージ構造（封止構造）として、パッケージの外形寸法を集積回路が形成された半導体基板（半導体チップ）の寸法とほぼ等しくすることができるチップサイズパッケージ（Chip Size Package）が知られている。このように、電子機器の小型化が進む中で、半導体装置にアンテナを直接作り込む技術（オンチップアンテナ構造）がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２４６５７号公報

上述のようなアンテナを搭載した半導体チップでは、一般的に、インピーダンスマッチングを取るために整合回路部を利用し、アンテナの通信特性を最適化するようにしている。そこで、整合回路部として半導体チップにキャパシタを直接作り込むことも考えられる。しかしながら、特許文献１ではオンチップアンテナの構造については開示されるものの、キャパシタを作り込むことが想定されておらず、新たな技術の提供が望まれていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、オンチップアンテナ構造においてキャパシタをチップ上に作り込んだ際に最適な通信特性が得られる、半導体装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、基板上にループ形状からなるループ部分を有したアンテナを備える半導体装置であって、前記ループ部分の根元に、前記アンテナに対して並列に接続される第１のキャパシタが設けられることを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、基板と、前記基板に設けられた第１の絶縁樹脂と、前記第１の絶縁樹脂に設けられ、ループ形状からなるループ部分を有するアンテナと、前記アンテナに対して並列接続となるように前記ループ部分の両端部に接続された第１のキャパシタと、を備え、前記アンテナの前記ループ部分は、並行する２つの配線と、前記２つの配線の両端部において、それぞれ前記２つの配線間に設けられ、前記２つの配線を接続する第１の接続部と第２の接続部と、を有し、前記第１のキャパシタは、前記第１の絶縁樹脂の開口部に形成された第１の電極部と、前記第１の電極部に設けられ、前記第１の絶縁樹脂に比べて比誘電率が高い第２の絶縁樹脂と、前記第２の絶縁樹脂に設けられた第２の電極部と、を有し、前記第１の電極は前記第１の接続部を含み、前記第２の電極は前記第２の接続部と接続されていることを特徴とする。

本発明の半導体装置によれば、ループ部分の根元にアンテナに対して整合回路部の一部をなす第１のキャパシタが並列に接続されるので、アンテナの通信特性が最適化されて、通信特性を大幅に向上させることができる。

また、上記半導体装置においては、前記アンテナは、前記ループ部分に接続される直線部分を含み、該直線部分に対して直列に接続される第２のキャパシタを備えるのが好ましい。
この構成によれば、第１、第２のキャパシタが整合回路部として機能することで上述のようにアンテナの通信特性を最適化して通信特性を大幅に向上できる。

また、上記半導体装置においては、前記アンテナは、第１の絶縁樹脂を介して前記基板上に形成されており、前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタは、一対の電極部と、前記第１の絶縁樹脂に比べて比誘電率が高く前記一対の電極部間に挟持される第２の絶縁樹脂とを備えるのが好ましい。
この構成によれば、比誘電率の高い絶縁性樹脂を用いることで第１、第２のキャパシタを小型化することができる。

また、上記半導体装置においては、前記第２のキャパシタは、前記直線部における前記ループ部側に設けられているのが好ましい。
この構成によれば、第２のキャパシタが直線部におけるループ部側に設けられるので、後述する結果に示されるように通信特性を大幅に向上させることができる。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
ここでは、Ｗ−ＣＳＰ（Ｗａｆｅｒ ｌｅｖｅｌ Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）技術により半導体基板上にインダクタ素子が形成された半導体装置について説明する。

図１はＩＣチップ１の平面図である。図２はＩＣチップ１の断面構成を示す概略図である。
図１、２に示されるように、ＩＣチップ（半導体装置）１は、シリコンからなる基板１０を備えている。その基板１０の能動面１０ａには、能動素子領域が設けられている。この能動素子領域には電子回路が形成されている。電子回路は、少なくとも配線パターンが形成されたものであり、複数の薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＴＦＴ）等の半導体素子や、複数のパッシブコンポーネント、それらを相互に接続する配線等によって構成されている。

基板１０の能動面１０ａには、電子回路を外部に電気的接続するための電極２１と、外部から電力供給を受けるための複数の電極６２とが整列配置されている。電極２１から、基板１０の表面にかけてアンテナ４０が形成されている。アンテナ４０は、ループ状のインダクタ素子から構成されている。

電極６２には、電極６２間のピッチを広げことを主たる目的として、再配置配線６４が接続されている。具体的には、ＩＣチップ１の表面に、接続端子６３を構成する複数のパッドが形成されている。その接続端子６３に対して、電極６２から引き出された再配置配線６４が連結されている。これにより、狭ピッチの電極６２が中央部に引き出されて広ピッチ化されている。

接続端子６３の表面にはバンプ７８が形成されている。このバンプ７８は、例えばハンダバンプであり、印刷法等によって形成されている。このバンプ７８がリフロー等により溶解されて、相手側部材の接続端子に連結されるようになっている。なお、基板１０と接続端子６３との間に、樹脂材料等からなる応力緩和層等を形成してもよい。

基板１０の能動面１０ａには、電子回路を保護するため、ＳｉＮ等の電気絶縁性材料からなるパッシベーション膜８が形成されている。パッシベーション膜８には電極２１を臨ませる開口部８ａが形成されている。開口部８ａから引き出し配線３１が形成されている。引き出し配線３１には、アンテナ４０を構成するインダクタ素子が接続されている。すなわち、アンテナ４０は、引き出し配線３１によって能動面１０ａの上記能動素子領域と重ならない位置に離間した状態で配置されている。これにより、アンテナ４０の通信時に発せられる電波によって能動素子領域内の電子回路が誤作動するのを防止している。

パッシベーション膜８及び引き出し配線３１を覆って第１の絶縁樹脂３２が形成されている。この第１の絶縁樹脂３２は、ポリイミド樹脂によって形成される。また、第１の絶縁樹脂３２の比誘電率は、例えば３〜４である。

第１の絶縁樹脂３２には、引き出し配線３１を臨ませる貫通孔３２ａが形成されており、この貫通孔３２ａを介してアンテナ４０と引き出し配線３１とが接続されている。また、第１の絶縁樹脂３２上には、上記接続端子６３及び上記バンプ７８が形成されている。また、ＩＣチップ１は、バンプ７８の一部を露出させるように第１の絶縁樹脂３２上に設けられる保護層３４を備えている。保護層３４はポリイミド樹脂によって構成されている。

アンテナ４０は、図１に示したようにループ形状からなるループ部分４０ａと、ループ部分４０ａと引き出し配線３１とを接続する直線部分４０ｂと、を含んでいる。本実施形態におけるアンテナ４０は、１ループアンテナであり、ループ部分４０ａは並行する２線路４１，４２によって構成されている。２つの線路４１，４２の両端部が、接続部４３によって接続されている。すなわち、本実施形態のアンテナ４０は、１ループ２線路並行型のアンテナとなっている。

アンテナ４０の構成材料は、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、チタンタングステン（ＴｉＷ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケルバナジウム（ＮｉＶ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）等の導電性材料の単体または複合材料により、単層もしくは複数層に形成されている。なお電解メッキ法によりアンテナ４０を形成する場合には、アンテナ４０は下地層の表面に形成されることが多いが、図２では下地層の記載を省略している。これらの構成材料は、アンテナ４０として必要な抵抗レンジや耐許容電流値等の特性に応じて適宜選択することができる。

また、ＩＣチップ１は、ループ部分４０ａの根元にアンテナ４０に対して並列に接続される第１のキャパシタＣ１を備えている。ここでループ部分４０ａの根元とは、対向配置されるループ部分４０ａの両端部間における隙間を意味している。すなわち、詳細については後述するものの、第１のキャパシタＣ１はループ部分４０ａの接続部４３を利用することで構成されている。

さらに、ＩＣチップ１は、上記直線部分４０ｂに直列に接続される第２のキャパシタＣ２を備えている。なお、第２のキャパシタＣ２はループ部分４０ａの近傍に配置するのが望ましい。
なお、第１、第２のキャパシタＣ１，Ｃ２は、後述するように絶縁性樹脂と該絶縁性樹脂を挟持する一対の電極部により構成されている。

図３はアンテナ４０の平面寸法を示す図である。
図３に示されるように、アンテナ４０のループ部分４０ａは１辺が１．８ｍｍの略正方形形状からなる。そして、上記線路４１，４２の幅は０．０２ｍｍに設定され、これら線路４１，４２間の間隔は０．０２ｍｍに設定されている。第１のキャパシタＣ１の平面寸法は、０．１ｍｍ×０．０２ｍｍに設定されている。第２のキャパシタＣ２の平面寸法は、０．０５ｍｍ×０．０５ｍｍに設定されている。また、上記接続部４３の平面寸法は、０．１ｍｍ×０．０２ｍｍに設定されている。

また、上記第１、第２のキャパシタＣ１，Ｃ２は、一対の電極間に第２の絶縁樹脂３３を挟持することで構成されている（詳細な構造について後述する）。第２の絶縁樹脂３３は、例えばポリイミド樹脂にチタン酸バリウムを所定量分散したものから構成される。第２の絶縁樹脂３３の比誘電率は、例えば５０〜６０である。なお、第２の絶縁樹脂３３の比誘電率は、例えばポリイミド樹脂に分散するチタン酸バリウムの量を調整することによって適宜調整可能である。このように比誘電率の高い絶縁性樹脂を使うことで第１、第２のキャパシタＣ１，Ｃ２の小型化が可能となる。

図４は、ＩＣチップ１の要部を示す図である。具体的に、図４（ａ）は第１のキャパシタＣ１の周辺構成を示す斜視図であり、図４（ｂ）は第１のキャパシタＣ１の断面構成を示す図である。なお、第２のキャパシタＣ２は直線部分４０ｂに対して直列に接続される以外の構成は第１のキャパシタＣ１と略同一の構成であることからその説明については簡略化する。また、図４においては保護層３４の図示を省略している。

図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、第１のキャパシタＣ１を構成する上層側の（第２の絶縁樹脂３３上に形成される）電極部４５は、アンテナ４０のループ部分４０ａを構成する一方の接続部４３が延出することで構成される。

一方、第１のキャパシタＣ１を構成する下層側（能動面１０ａ側；図２参照）の電極部４６は、第１の絶縁樹脂３２に形成された開口部３２ｂ内に形成されており、一端側が開口部３２ｂの上方に向かって延出することでアンテナ４０のループ部分４０ａを構成する他方の接続部４３に接続されている。そして、一対の電極部４５、４６間には上記第２の絶縁樹脂３３が挟持されている。

また、第２のキャパシタＣ２を構成する上層側の（第２の絶縁樹脂３３上に形成される）電極は、アンテナ４０の直線部分４０ｂによって構成される。さらに、第２のキャパシタＣ２を構成する下層側（能動面１０ａ側）の電極は、第１の絶縁樹脂３２に形成された開口部（不図示）内に形成されており、一端側が開口部の上方に向かって延出することでアンテナ４０の直線部分４０ｂの一方側に接続されている。そして、一対の電極間には、第１のキャパシタＣ１と同様、上記第２の絶縁樹脂３３が挟持されている。

本実施形態に係るＩＣチップ１は、ループ部分４０ａの根元にアンテナ４０に対して整合回路部の一部をなす第１のキャパシタＣ１が並列に接続されるので、後述するシミュレーション結果に示されるように、アンテナ４０の通信特性が最適化されて、通信特性を大幅に向上させることができる。

図５は、本実施形態に係るＩＣチップ１の効果を示すシミュレーション結果のグラフである。図５はＩＣチップ１に搭載されているアンテナ４０とのインピーダンスマッチングの度合いを示している。図５における縦軸は、Ｓパラメータのレベル（ｄＢ）を示し、横軸が周波数（ＧＨｚ）を示している。
また、図５において実線で示されるのは本実施形態に係るＩＣチップ１に対応する結果である。図５において破線で示されるのは比較例に係るＩＣチップに対応する結果である。なお、比較例に係るＩＣチップは、図６に示されるように、第１のキャパシタＣ１を直線部分４０ｂに配置している。

図５に示されるように、第１のキャパシタＣ１を配置する位置はアンテナの通信特性に大きく影響する。図５に示されるように、本実施形態に係るＩＣチップ１は−３．９ｄＢ（９００ＭＨｚ）であり、比較例に係るＩＣチップは−１２ｄＢ（９００ＭＨｚ）となる。本実施形態に係るＩＣチップ１は、上述のように第１のキャパシタＣ１をループ部分４０ａの根元に配置することで通信特性が最適化されている。これにより、損失が低い良好な通信を行うことができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、電極６２から引き出された再配置配線６４が基板１０の能動面１０ａ側に形成した場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、貫通電極を用いて再配置配線６４を裏面側に引き出し、接続端子６３及びこれに接続されるバンプ７８を裏面側に形成するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、アンテナ４０を基板１０の能動面１０ａ側に形成した場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、貫通電極を用いて引き出し配線３１を介してアンテナ４０を基板１０の裏面側に形成するようにしてもよい。
この構成によれば、アンテナ４０が少なくとも基板１０の厚み分だけＩＣチップ１の能動素子領域から離間した状態で配置されるので、アンテナ４０の通信時に発せられる電波によって能動素子領域内の電子回路が誤作動するのを防止することができる。

ＩＣチップの平面図である。 ＩＣチップの断面構成を示す概略図である。 アンテナの平面寸法を示す図である。 ＩＣチップの要部を示す図である。 ＩＣチップの効果を示す図である。 比較例に係るＩＣチップの構造を示す図である。

符号の説明

１…ＩＣチップ（半導体装置）、１０…基板、３２…第１の絶縁樹脂、３３…第２の絶縁樹脂、４０…アンテナ、４０ａ…ループ部分、４０ｂ…直線部分、Ｃ１…第１のキャパシタ、Ｃ２…第２のキャパシタ

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板に設けられた第１の絶縁樹脂と、
   前記第１の絶縁樹脂に設けられ、ループ形状からなるループ部分を有するアンテナと、
   前記アンテナに対して並列接続となるように前記ループ部分の両端部に接続された第１のキャパシタと、を備え、
   前記アンテナの前記ループ部分は、
   並行する２つの配線と、
   前記２つの配線の両端部において、それぞれ前記２つの配線間に設けられ、前記２つの配線を接続する第１の接続部と第２の接続部と、を有し、
   前記第１のキャパシタは、
   前記第１の絶縁樹脂の開口部に形成された第１の電極部と、
   前記第１の電極部に設けられ、前記第１の絶縁樹脂に比べて比誘電率が高い第２の絶縁樹脂と、
   前記第２の絶縁樹脂に設けられた第２の電極部と、を有し、
   前記第１の電極は前記第１の接続部を含み、前記第２の電極は前記第２の接続部と接続されている
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記アンテナは、前記ループ部分に接続される直線部分を含み、該直線部分に対して直列に接続される第２のキャパシタを備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第２のキャパシタは、一対の電極部と、前記第２の絶縁樹脂とを備え、前記第１のキャパシタと同一工程で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記第２のキャパシタは、前記直線部における前記ループ部側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。

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