-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Strukturen für Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtungen,
auf welchen Hochfrequenz-Halbleiterelemente,
integrierte Steuerschaltungselemente und umgebende Schaltungen montiert
sind, und insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die baugruppenmäßige Anordnung
dieser Strukturen.
-
Es
gibt eine wachsende Nachfrage nach Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtungen, welche primär in Geräten für mobile
Kommunikation verwendet werden, wie zum Beispiel tragbare Telefone, "Alles-in-Einem"-RF-Module mit Empfangs- und Übertragungs-Systemen,
welche in einer einzigen Einheit angeordnet sind. Entsprechend einer
solchen Situation entstand das Bedürfnis nach Reduktion in der Baugruppengröße, unter
der Bedingung, daß die
Anzahl an montierten Halbleiterelementen und Chipkomponenten aufgrund
der Bereitstellung von Hochfrequenz-Halbleiterelementen, integrierten
Steuerschaltungselementen und umgebenden Schaltungen zur Unterbringung
von Empfangs- und Übertragungssystemen
in einer einzigen Einheit anwächst.
-
Ein
herkömmliches
Beispiel einer Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung wird mit Bezug auf 10 beschrieben.
In 10 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Halbleiterelement
in Chipform, wie zum Beispiel einen Transistor, und Bezugszeichen 2 bezeichnet
ein Keramik-Vielschichtsubstrat. Bezugszeichen 3 bezeichnet
Chipkomponenten, wie zum Beispiel Chip-Widerstände, Chip-Kondensatoren, und Chip- Induktivitäten. Bezugszeichen 4 bezeichnet
Boden-Elektroden,
Bezugszeichen 5 bezeichnet Metalldrähte, Bezugszeichen 6 bezeichnet
Gießharz,
und Bezugszeichen 7 bezeichnet einen Metalldeckel.
-
Komponenten-Befestigungsflächen zum
Befestigen des Halbleiterelementes 1 und der Chip-Komponenten 3 und
eine Elektroden-Verdrahtung (nicht dargestellt) sind auf der Oberfläche des Keramik-Vielschichtsubstrats 2 zum
Beispiel mittels Siebdruck oder Metall-Dünnfilm-Ätzen ausgebildet. Das Halbleiterelement 1 ist
mit dem Komponenten-Befestigungsflächenabschnitt
auf dem Keramik-Vielschichtsubstrat 2 mittels
Die-Bonder befestigt, und mit der Elektroden-Verdrahtung verbunden, welche
auf der Oberfläche
des Keramik-Vielschichtsubstrats 2 mittels der Metalldrähte 5 angeordnet
ist. Das Halbleiterelement 1 und die Metalldrähte 5 sind von
Gießharz 6 bedeckt.
Die Chip-Komponenten 3 sind
an vorbestimmten Stellen durch Löten
befestigt. Der Metalldeckel 7, welcher die Verpackung formt,
ist an dem Keramik-Vielschichtsubstrat 2 angebracht. Die
Elektrodenverdrahtung an der Oberfläche des Keramik-Vielschichtsubstrats 2 ist
elektrisch mit den Bodenelektroden 4 mittels nicht dargestellter
Durchgangslöcher
verbunden, welche durch das Keramik-Vielschichtsubstrat 2 hindurchgehen.
-
Jedoch
kann mit Strukturen, wo Halbleiterelemente und Chip-Komponenten einfach
auf dem Keramik-Vielschichtsubstrat 2 befestigt sind, wie
es der Fall bei der oben beschriebenen herkömmlichen Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung
ist, die erwünschte
Reduktion in der Packungsgröße nicht
in ausreichendem Maße
erzielt werden, wenn die Anzahl installierter Komponenten anwächst.
-
Außerdem ist
der auf dem Keramik-Vielschichtsubstrat angeordnete Halbleiterchip
ein wärmeerzeugendes
Element, wie zum Beispiel ein Leistungsverstärker, wobei daher die von dem
Halbleiterchip erzeugte Wärme
auf den Bodenabschnitt durch das Keramik-Vielschichtsubstrat übertragen
und von den Elektroden am Bodenabschnitt abgegeben wird. Jedoch
weist das Keramik-Vielschichtsubstrat einen hohen thermischen Widerstand
auf. Dies führte
zu dem Problem, daß nicht
genug Wärme
von dem Halbleiterchip abgegeben wurde, was eine große Menge
an Leistung verbraucht, wobei der Halbleiterchip heiß wurde.
-
US-A-5831833
beschreibt eine Vorrichtung einschließlich einer Halbleiterkomponente,
welche auf dem Substrat montiert ist, und eine auf dem Substrat
gebildete Harzschicht, um so die Komponente abzudecken.
-
Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung
bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung
nach unabhängigen Ansprüchen 1 und
4 gelöst.
Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details sind aus den
abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
-
Es
ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung
bereitzustellen, in welcher Empfangs- und Übertragungssysteme einschließlich aktiver
Elemente, wie zum Beispiel Halbleiterelemente, zum Beispiel Leistungsverstärker und
Schalter oder Halbleiterelemente zur Steuerung, und passive Komponenten,
wie zum Beispiel Widerstände,
Kapazitäten,
Induktivitäten,
und Filter, als eine einzige Einheit in einem geschichteten Substrat
montiert sind, um so die elektrischen Eigenschaften durch Reduzieren
der Impedanz aufgrund der Reduktion der Verdrah tungslänge, durch
Reduzieren der potentialfreien Kapazität, und durch Verbessern der
Rauschunterdrückungs-Eigenschaften zu
verbessern, und um eine Vorrichtung von kleinerer Größe mit verbesserten
Wärmeabgabe-Eigenschaften
bereitzustellen.
-
Eine
Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung einer Ausführungsform ist mit einem Keramik-Substrat,
einer Element-Gruppe einschließlich
Halbleiterelementen und passiven Komponenten, welche auf einem Bodenabschnitt
des Keramik-Substrats montiert sind, und einer Verbundharzmaterialschicht,
welche auf dem Bodenabschnitt des Keramik-Substrats gebildet ist,
um so die Element-Gruppe abdecken zu können, ausgebildet. Die Verbundharzmaterialschicht
ist vorzugsweise aus einem Verbundharzmaterial einschließlich eines
Epoxidharzes und eines inorganischen Füllmaterials gebildet. Es weist
vorzugsweise eine flache Bodenfläche
auf, auf welcher Elektroden zum Verbinden mit dem Äußeren gebildet sind.
-
Mit
dieser Konfiguration sind die Halbleiterelemente und passiven Komponenten
auf dem Bodenabschnitt des Keramik-Substrats montierbar, so daß die Bodenfläche des
Substrats als Bestückungsfläche benutzt
werden kann und die Bestückungsdichte erhöht werden
kann. Außerdem
kann durch Einbetten der Element-Gruppe in die Verbundharzmaterialschicht
eine Erhöhung
der Zuverlässigkeit,
wie zum Beispiel mechanischer Widerstand und Widerstand gegenüber Feuchtigkeit,
erzielt werden. Überdies kann
durch flaches Ausbilden der Bodenfläche der Verbundharzmaterialschicht
und Bereitstellen der Elektroden zum Verbinden mit dem Äußeren, das Produkt
einfach transportiert und gehandhabt werden, wobei die Fähigkeit,
die Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung als ein Modul zu montieren,
verbessert ist.
-
Es
wird bevorzugt, daß die
Halbleiterelemente durch Flip-Chip-Verbindung
montiert sind. Daher kann kann ein Abfall in der Impedanz aufgrund
der Reduktion der Verdrahtungslänge,
eine Reduktion in der unabhängigen
Kapazität,
ein Erhöhen
der Bestückungsdichte
und eine Reduktion der Baugruppenhöhe erzielt werden.
-
Der
oben erwähnten
Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung kann eine Struktur gegeben werden, wo
Zwischenschicht-Verbinderstrukturen
in der Verbundharz-Materialschicht gebildet sind, wobei die Zwischenschicht-Verbinderstrukturen
vorzugsweise mit einem Harzmaterial von hoher thermischer Leitfähigkeit
mit einer thermischen Leitfähigkeit
höher als die
des Epoxidharzes gefüllt
sind. Die Elektroden zum Verbinden mit dem Äußeren umfassen vorzugsweise
eine Masse-Elektrode,
welche als eine Wärme-Abgabe-Elektrode
dient. Es wird bevorzugt, daß die
Oberfläche
des Halbleiterelementes mit der Masse-Elektrode durch die Zwischenschicht-Verbinderstrukturen
verbunden ist. Daher kann Wärme,
welche durch die Halbleiterelemente erzeugt wird, welche Wärmeerzeugende
Elemente, wie zum Beispiel Leistungsverstärker, sind und durch Flip-Chip-Verbindung
montiert sind, in adäquater
Weise von den Elektroden zum Verbinden mit dem Äußeren über die Zwischenschicht-Verbinderstrukturen
abgegeben werden, welche an einer einzigen oder einer Vielzahl von Stellen
bereitgestellt sind.
-
Eine
weitere Ausführungsform
einer Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung
der vorliegenden Erfindung ist mit einem ersten Keramiksubstrat
mit einem Schaltungsmuster, einem zweiten Keramiksubstrat, auf welchem
Halbleiterelemente montiert sind, und einer Verbundharz-Materialschicht,
welche die Halbleiterelemente bedeckt und zwischen dem ersten Keramiksubstrat
und dem zweiten Keramiksubstrat angeordnet ist, ausgebildet. Die
Verbundharz-Materialschicht ist vorzugsweise aus einem Verbundharzmaterial
einschließlich
eines Epoxidharzes und vorzugsweise eines inorgani schen Füllmaterials
gebildet, wobei Zwischenschicht-Verbinderstrukturen, in
welche ein leitfähiges
Harzmaterial gefüllt
ist, vorzugsweise in der Verbundharz-Materialschicht angeordnet sind. Das
Schaltungsmuster des ersten Keramiksubstrats und ein Schaltungsmuster
des zweiten Keramiksubstrats sind in geeigneter Weise elektrisch durch
die Zwischenschicht-Verbinder-Strukturen verbindbar.
-
Gemäß dieser
Konfiguration kann das erste Keramiksubstrat und das zweite Keramiksubstrat entsprechend
der elektrischen, thermischen, und/oder mechanischen Eigenschaften,
welche erforderlich sind, verwendet werden, wobei sie in vorteilhafter
Weise mit der zwischen ihnen angeordneten Verbundharzschicht aufgebracht
werden, so daß eine
Unterbringung auf einem kleinen Substrat erfolgen kann. Selbst wenn
die linearen Expansionskoeffizienten des ersten Keramiksubstrats
und des zweiten Keramiksubstrats verschieden sind, kann eine sehr
zuverlässige
Unterbringung bereitgestellt werden, welche diesen Unterschied absorbiert,
da die Verbundharzschicht zwischen diesen Substraten angeordnet
ist. Zusätzlich
zu der Tatsache, daß Halbleiterelemente
und passive Komponenten zwischen dem ersten Keramiksubstrat und
dem zweiten Keramiksubstrat montiert werden können, ist es auch möglich, Komponenten
auf der oberen Fläche
des ersten Substrats zu montieren, wobei daher die Gesamt-Bestückungsdichte
des Produkts erhöht
werden kann. Überdies
kann durch Einbetten der Halbleiterelemente, zum Beispiel, mit dem
Verbundharz, eine Zuverlässigkeit,
wie zum Beispiel mechanischer Widerstand und Widerstand gegen Feuchtigkeit
erhöht
werden.
-
In
dieser Konfiguration wird bevorzugt, daß die Halbleiterelemente, welche
auf dem zweiten Keramik-Substrat angeordnet sind, mittels einer Flip-Chip-Verbindung
montiert sind. Daher kann die Dicke der Verbundharzmaterialschicht
zwi schen dem ersten Keramik-Substrat und dem zweiten Keramik-Substrat reduziert
werden. Außerdem
kann ein Abfall in der Impedanz aufgrund der Reduktion der Verdrahtungslänge, eine
Reduktion in der unabhängigen
Kapazität,
ein Anwachsen in der Befestigungsdichte und eine Reduktion in der
Anordnungshöhe
erzielt werden.
-
Es
ist zusätzlich
eine Konfiguration möglich, in
welcher wenigstens eines der Halbleiterelemente, welche auf dem
zweiten Keramik-Substrat angeordnet sind, mittels Metalldrähten verbunden
ist. Daher können
die Elemente von den Halbleiterelementen, welche auf dem zweiten
Keramik-Substrat
befestigt sind, für
welche die Abgabe von Wärme
erforderlich ist, mittels eines Klebemittels mit hoher Leitfähigkeit festgeklebt
werden und mit dem Substrat durch den Metalldraht verbunden werden,
so daß Wärme von diesen
Elementen direkt zu dem zweiten Keramik-Substrat abgeleitet werden
kann. Diese Konfiguration ist besonders wirksam, wenn eine hohe
Wärmemenge
durch die Halbleiterelemente erzeugt wird.
-
In
dieser Konfiguration können
die Umgebungen der Halbleiterelemente, welche auf dem zweiten Keramik-Substrat
angeordnet sind, und mittels des Metalldrahts verbunden sind, mittels
eines flüssigen
Epoxidharzes versiegelt werden. Daher kann mechanische Belastung,
welche auf die Halbleiterelemente und den Metalldraht ausgeübt wird, wenn
das erste Keramik-Substrat und das zweite Keramik-Substrat durch
das Verbundharzmaterial verklebt werden, verringert werden, so daß Defekte,
wie zum Beispiel wenn der Draht abfällt oder sich ablöst, eliminiert
werden können
und die Zusammenbau-Rate
erhöht
werden kann. Überdies
kann das Epoxidharz, welches die Halbleiterelemente abdeckt, als
ein Abstandsmittel für
das erste Keramik-Substrat und das zweite Keramik- Substrat verwendet
werden; so daß die
Lücke zwischen
den beiden Substraten eingestellt werden kann.
-
Eine
Ausführung
einer Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung gemäß eines Vergleichsbeispieles ist
mit einem Keramik-Substrat
mit einem Hohlbereich in seinem Bodenabschnitt ausgebildet. Eine Element-Gruppe
einschließlich
Halbleiterelementen und/oder passiven Komponenten ist vorzugsweise am
Bodenabschnitt des Hohlbereichs montiert. Es ist vorteilhaft, wenn
eine Verbundharzmaterialschicht gebildet ist, um so die Element-Gruppe
in dem Hohlbereich abzudecken. Es wird bevorzugt, daß die Elektroden
zum Verbinden mit dem Äußeren auf
einem von dem Hohlbereich verschiedenen Bodenabschnitt des Keramik-Substrats
gebildet sind. Die Verbundharzmaterialschicht ist vorzugsweise mittels
eines Verbundharzmaterials einschließlich eines Epoxidharzes und
vorteilhafterweise mittels eines inorganischen Füllmaterials gebildet. Weiterhin
kann ein Bodenabschnitt der Verbundharzmaterialschicht in der Gestalt
flach sein.
-
Wie
in der oben erwähnten
Konfiguration, erzielt diese Konfiguration ein Erhöhen der
Packungsdichte, ein Erhöhen
der Zuverlässigkeit
der Vorrichtung, wie zum Beispiel hinsichtlich des mechanischen
Widerstands und des Widerstands gegen Feuchtigkeit, und ein Erhöhen der
Montierbarkeit. Zusätzlich
kann die Verbundharzmaterialschicht leicht durch Füllen eines
Verbundharzmaterials in den Hohlbereich gebildet werden.
-
Im
folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsformen
mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
-
1 ist
eine Querschnittsansicht, welche eine Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
1 der Erfindung darstellt.
-
2 ist
eine perspektivische Ansicht der Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung der 1,
gesehen von der Rückseite.
-
3 ist
eine Querschnittsansicht, welche eine Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
2 der Erfindung darstellt.
-
4 ist
eine Querschnittsansicht, welche eine Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
3 der Erfindung darstellt.
-
5 ist
eine perspektivische Ansicht der Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung der 4,
gesehen von der Rückseite.
-
6 ist
eine Querschnittsansicht, welche eine Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
4 der Erfindung darstellt.
-
7 ist
eine Querschnittsansicht, welche eine Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
5 der Erfindung darstellt.
-
8 ist
eine Querschnittsansicht, welche eine Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
6 der Erfindung darstellt.
-
9 ist
eine Querschnittsansicht, welche eine Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung
gemäß eines
Vergleichsbeispiels darstellt.
-
10 ist
eine Querschnittsansicht, welche ein herkömmliches Beispiel einer Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung darstellt.
-
Erste Ausführungsform
-
1 ist
eine Querschnittsansicht einer Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine
perspektivische Ansicht der Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung
der 1, gesehen von ihrer Rückseite.
-
In 1 bezeichnet
Bezugszeichen 1a ein Gallium-Arsenid-Leistungs-Halbleiterelement, welches
als ein Leistungsverstärker
dient, Bezugszeichen 1b bezeichnet ein Gallium-Arsenid-Halbleiterelement,
welches als ein Schaltelement und dient, und Bezugszeichen 1c bezeichnet
ein Silizium-Halbleiterelement
für Schaltungssteuerung.
Bezugszeichen 2 bezeichnet ein nicht-schrumpfbares Keramik-Vielschichtsubstrat,
welches in seinen inneren Schichten gedruckte Widerstände 8 und
gedruckte Kondensatoren 9 umfasst, welche durch Drucken
eines pastösen
Materials gebildet sind, welches Metall beinhaltet, und welches
bei Backen bei einer niedrigen Temperatur gebildet werden kann.
Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Chip-Komponente, wie zum
Beispiel einen Chip-Kondensator zum Feinabstimmen der Hochfrequenz-Schaltungskonstanten.
Bezugszeichen 5 bezeichnet Metalldrähte, und Bezugszeichen 10 bezeichnet
eine Verbundharzmaterialschicht einschließlich eines Epoxidharzes und
eines inorganischen Füllstoffes,
wie zum Beispiel Silica. Bezugszeichen 4 bezeichnet Elektroden
zum Verbinden mit dem Äußeren, wobei
die Elektroden aus einem Leiter gebildet sein können, welche auf der Bodenfläche der
Verbundharzmaterialschicht 10 gebildet sind. Bezugszeichen 11 bezeichnet
eine Vielzahl von Zwischenschichtverbinder- Durchgangslöchern, welche in der Verbundharzmaterialschicht 10 gebildet
sind, und welche als eine Zwischenschicht-Verbinderstruktur dienen, wobei Bezugzeichen 12 ein
leitfähiges Harz
bezeichnet, welches in jedem Zwischenschichtverbinder-Durchgangsloch 11 eingebettet
ist.
-
Obwohl
in den Zeichnungen nicht dargestellt, sind ein Elektroden-Verdrahtungsmuster
und ein Komponenten-Montagebereich
zum Montieren der Chips der Halbleiterelemente 1a, 1b und 1c,
und der Chip-Komponente auf der Bodenfläche des Keramik-Vielschichtsubstrats 2 durch
Siebdruck oder Metall-Dünnfilm-Ätzen gebildet.
Das Gallium-Arsenid-Leistungs-Halbleiterelement 1a,
das Gallium-Arsenid-Leistungs-Halbleiterelement 1b,
und das Silizium-Halbleiterelement 1c können an
den Komponenten-Montagebereichsabschnitt
auf der Bodenfläche des
Keramikvielschichtsubstrats 2 zum Beispiel durch Löten mittels
Die-Bonder befestigt und mittels der Metalldrähte 5 mit dem Elektrodenverdrahtungsmuster
verbunden werden, welches auf der Bodenfläche des Keramikvielschichsubstrats 2 ausgebildet ist.
Zusätzlich
können,
obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, eine Vielzahl von passiven
Komponenten, wie zum Beispiel Chip-Widerstände, Chip-Kapazitäten und
Chip-Induktivitäten, montiert werden
und durch Löten
oder dergleichen mit dem Schaltungsmuster verbunden werden, welches
auf der Bodenfläche
des Keramik-Vielschichtsubstrats 2 gebildet ist.
-
Die
Chip-Abmessungen der Halbleiterelemente 1a, 1b und 1c betragen
gewöhnlicherweise 1,6
mm * 0,6mm und 100 μm
Dicke für
das Leistungsverstärker-Element;
0,8 mm * 0,6 mm und 150 μm
für das
Schaltelement; und 1, 0 mm * 0, 7 mm und 300 μm Dicke für das Steuerelement.
-
Die
Halbleiter-Elemente 1a, 1b und 1c und die
passiven Elemente sind durch die Verbundharzmaterialschicht 10 abgedeckt.
Wie in 2 dargestellt ist, ist der Bodenabschnitt der
Verbundharzmaterialschicht 10 flach und dient als eine
flache Elektrodenoberfläche. Überdies
ist, wie in 1 dargestellt ist, die Vielzahl
an Zwischenschicht-Verbinderlöchern 11 in
der Verbundharzmaterialschicht 10 gebildet, wobei leitfähiges Harz 12 in
die Zwischenschichtverbinderlöcher 11 gefüllt ist.
Die Zwischenschichtverbinderlöcher 11 stimmen
mit der Position der Elektroden 4 zum Verbinden mit dem Äußeren überein.
-
Die
Zwischenschichtverbinderlöcher 11 agieren
sowohl, um das Schaltungsmuster, welches auf der Bodenfläche des
Keramik-Viehschichtsubstrats gebildet ist, mit den Elektroden 4 zum
Verbinden mit dem Äußeren zu
verbinden, als auch, um Wärme
abzuführen,
welche durch die Halbleiterelemente 1a, 1b und 1c erzeugt
worden ist, und zwar durch das Keramik-Vielschichtsubstrat 2. Die
Durchgangslöcher
können
einen Durchmesser von 200 μm
aufweisen und sind mit einer Paste auf Kupferbasis gefüllt, welche
als leitfähiges
Harz dient. Ein Elektroden-Verdrahtungsmuster kann auf der Oberfläche des
Keramik-Vielschichtsubstrats 2 gebildet sein, und eine Vielzahl
von Chip-Komponenten 3, wie zum Beispiel Chip-Widerstände, Chip-Kapazitäten und
Chip-Induktivitäten,
können
montiert und mit dem Elektrodenmuster auf der oberen Fläche mittels
Löten oder dergleichen
verbunden werden.
-
Die
Hochfrequenz-Schaltungskonstante wird durch die passiven Elemente,
welche in das Verbundharzmaterial 10 eingebettet ist, und
die gedruckten Widerstände
und die gedruckten Kondensatoren 9 bestimmt, welche zwischen
den Schichten des Keramik-Vielschichtsubstrats 2 gebildet
sind, wobei die Hochfrequenz-Schaltungskonstante bei jeder Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung
mit den Chip-Komponenten 3, welche mit der oberen Fläche des
Keramik-Vielschichtsubstrats 2 verbunden sind, fein-abgestimmt
wird. Außerdem
sind, obwohl nicht in den Zeichnungen dargestellt ist, das auf der
oberen Fläche
des Keramik-Vielschichtsubstrats 2 gebildete Elektrodenmuster,
die gedruckten Widerstände 8,
die gedruckten Kondensatoren 9, das Elektrodenmuster, welches
zwischen den Schichten des Keramik-Vielschichtsubstrats 2 gebildet
ist, und das auf der Bodenfläche
des Keramik-Vielschichtsubstrats 2 gebildete
Elektrodenmuster elektrisch miteinander mittels Durchgangslöcher verbunden,
welche durch das Keramik-Vielschichtsubstrat 2 hindurch
in geeigneter Weise verlaufen.
-
Die
Dicke der Verbundharzmaterialschicht 10 wird durch die
Höhe der
montierten Halbleiter-Elemente und der passiven Komponente bestimmt.
Hier kann der Wert leicht oberhalb oder unterhalb des Standards
für die
Dicke bei den Halbleiterelementen 1a, 1b und 1c sein,
welches die Drahtschleifenhöhe des
Metalldrahts 5 plus 300μm
ist, oder des Standards für
die Dicke bei den passiven Komponenten, welches die Komponentenhöhe plus
300 μm ist.
-
Das
Keramik-Vielschichtsubstrat 2 kann durch Verwenden eines
Aluminiumoxid-Substrats (HTCC – hoch
sinternde Keramiken), eines niedrig sinternden Keramik-Substrats
(LTCC – niedrig
sinternde Keramiken) und so weiter gebildet werden. Im Allgemeinen
bedeutet das "Aluminiumoxid-Substrat" das HTCC-Substrat.
Beide enthalten Aluminiumoxid als eine Hauptkomponente, wobei der
Gehalt davon in HTCC höher
ist als in LTCC. Die Brenntemperatur beträgt 1300°C bis 1500°C für HTCC, und 800°C bis 900°C für LTCC.
-
Die
Verbundharzmaterialschicht 10 kann zum Beispiel durch Verwendung
einer Lage gebildet werden, welche durch Mischen von Epoxidharz
mit 70 bis 80 Gewichtsprozent eines inorga nischen Füllmaterials
(hauptsächlich
Silica), ein Verbindungsmittel, ein Pigment, ein Lösungsmittel
und so weiter erzielt wird, dann durch Kneten dieser Stoffe, und
dann Formen in eine Lage von gleichförmiger Dicke. Das Verbindungsmittel
haftet an dem inorganischen Füllmaterial
und erhöht
die Befeuchtbarkeit des inorganischen Füllmaterials in Bezug auf das
Epoxidharz. Um die Verbundharzmaterialsschicht 10 mit dem
Keramik-Vielschichtsubstrat 2 wie in 1 und 2 dargestellt
zu verbinden, wird die Verbundharzmaterialschicht 10 über dem
mit dem Chip angeordneten Keramik-Vielschichtsubstrat 2 angeordnet,
wobei sie dann Heiß-Pressen ausgesetzt
werden, um so geformt zu werden.
-
Die
Verbundharzmaterialschicht 10 kann auch durch Verwenden
einer lösungsmittelfreien Lage
gebildet werden, in welcher ein Lösungsmittel nicht hinzugefügt ist.
In solch einem Fall ist die Lage aus einem flüssigen Epoxidharz mit einem
hinzugefügten
inorganischen Füllmaterial
(hauptsächlich
Silica) hergestellt.
-
Als
das leitfähige
Harz 12 kann im allgemeinen Silberpaste (haftfähiges Harz
mit Silber hinzugefügt
als ein Füllstoff)
benutzt werden. Die Verbundharzmaterialschicht 10 wird
gelocht, um Löcher
zu bilden und dann wird Silberpaste in die Löcher mittels eines Druckverfahrens
gefüllt.
Wenn die Verbundharzmaterialschicht 10 und das Keramik-Vielschichtsubstrat 2,
auf welchem Chips montiert sind, übereinander angeordnet werden
und zwecks Formung heißgepreßt werden,
wird die Silberpaste zusammen mit der Verbundharzmaterialschicht 10 ausgeheilt. Außerdem kann
Kupferpaste als das leitfähige
Harz 12 benutzt werden. Jedoch oxidiert Kupferpaste im Vergleich
zu Silberpaste leicht.
-
In
der vorangehenden Beschreibung wurde Silica als ein Beispiel für den inorganischen
Füllstoff für die Verbundharz materialschicht 10 verwendet,
jedoch kann das Füllmaterial
gemäß erforderlicher
Eigenschaften ausgewählt
werden. Falls zum Beispiel hohe Wärmeabgabeeigenschaften erforderlich
sind, dann kann Aluminiumoxid als das Filmmaterial benutzt werden,
was eine adäquate
Wärmeabgabe
zulassen würde.
-
Die
auf der Rückseite
der Verbundharzmaterialschicht 10 gebildeten Elektroden 4 zum
Verbinden mit dem Äußeren weisen
eine flache Rückseite
auf, wobei somit die Hoch-Frequenz-Halbleiter-Vorrichtung leicht während der
Herstellung als ein Modul transportiert und gehandhabt und durch
den Nutzer installiert werden kann.
-
Ausführungsform 2
-
Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Querschnittsansicht
der in 3 dargestellten Hochfrequenzhalbleiter-Vorrichtung
beschrieben.
-
Die
Vorrichtung der 3 unterscheidet sich von der
in 1 dargestellten Vorrichtung gemäß Ausführungsform
1 darin, daß das
Galliumarsenid-Leistungs-Halbleiterelement 1a, das Galliumarsenid-Halbleiterelement 1b und
das Silizium-Halbleiterelement 1c auf dem Schaltungsmuster
auf der Bodenfläche
des Keramik-Vielschichtsubstrats 2 durch Erhöhungen 13 mit
einem Metallkern Flip-Chip-verbunden sind.
-
Die
Erhöhungen 13 sind
durch SBB (stud ball bonding) unter Verwendung vom Golddraht gebildet, und
halten einen Abstand von etwa 40 μm
zwischen den Halbleiterelementen 1a, 1b, und 1c und
dem Keramik-Vielschichtsubstrat 2 aufrecht. Andere Techniken,
welche verwendet werden können,
um die Erhöhungen 13 bereitzustellen,
umfassen eine Technik, welche Plattieren um ein Kupferkernmaterial
herum, welches als der Kern dient, und Verkleben mit einem leitfähigen Harz
ver wendet, eine Technik, welche einen ACF (anisotroper leitfähiger Film)
verwendet, und eine Technik, welche ein Lötmaterial verwendet. Jede dieser
Techniken kann verwendet werden, um den selben Effekt zu erzielen.
Verglichen mit dem Fall, in welchem die Halbleiterelemente 1a, 1b und 1c an
dem Substrat montiert sind und sie durch Metalldraht verbunden werden,
kann die Höhe
nach Installation um etwa eine Hälfte
reduziert werden. In dieser Ausführungsform
beträgt
der Standard für
die Dicke der Verbundharzmaterialschicht 10 nach Versiegelung
die Chiphöhe
plus 300 μm.
-
Wenn
die Halbleiterelemente auf der Bodenfläche des Keramik-Substrats auf
diese Weise Flip-Chip-montiert sind, können sie in engerem Abstand
zueinander angeordnet werden, als wenn sie auf dem Substrat mittels
Metallverdrahtung verbunden werden, wobei Komponenten auch auf der
oberen Fläche
des Substrats installiert werden können, so daß die Packungsdichte des gesamten
Produkts erhöht
ist.
-
Überdies
können
auch Effekte elektrischer Eigenschaften, wie zum Beispiel eine geringere
Impedanz aufgrund der reduzierten Verdrahtungslänge und eine Reduktion in der
potentialfreien Kapazität, erzielt
werden.
-
Ausführungsform 3
-
Ausführungsform
3 der Erfindung wird mit Bezug auf die Querschnittsansicht der in 4 dargestellten
Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung und mit Bezug auf die perspektivische
Ansicht der Vorrichtung der 4, gesehen
von der in 5 dargestellten Rückseite,
beschrieben.
-
Die
Vorrichtung der 4 unterscheidet sich von der
in 3 dargestellten Vorrichtung gemäß Ausführungsform
2 darin, daß Zwischenschichtverbinderlöcher 21 direkt
unter halb des Galliumarsenid-Leistungs-Halbleiterelements 1a gebildet
sind, welches ein Leistungsverstärker
ist, und darin, daß eine
Wärme-Abgabe-Elektrode 14 auf
der Bodenfläche
der Verbundharzmaterialschicht 10 in Ausrichtung mit den
Positionen der Zwischenschicht-Verbinderlöcher 21 gebildet sind.
Wie in 5 dargestellt ist, ist eine Vielzahl von Elektroden 4 zum
Verbinden mit dem Äußeren und
der Wärme-Abgabe-Elektrode 14,
welche eine größere Fläche als
die Elektroden 4 zum Verbinden mit dem Äußeren aufweist, auf der Bodenfläche der
Verbundharzmaterialschicht 10 gebildet. Dementsprechend
kann Wärme
wirksam von der Elektrode des Galliumarsenid-Leistungs-Halbleiterelements 1a über die
Zwischenschicht-Verbinderlöcher 21 abgeleitet
werden. Die Wärme-Abgabe-Elektrode 14 dient
auch als eine Masse-Elektrode,
und erdet in geeigneter Weise das Hochfrequenzhalbleiterelement
auf Massepotential.
-
Der
Durchmesser der Zwischenschichtverbinderlöcher 21 kann in geeigneter
Weise innerhalb eines Bereiches von 150 μm bis 500 μm ausgewählt werden. Ein einziges oder
eine Vielzahl von Durchgangslöcher 21 kann
in Entsprechung mit der Chip-Größe des Galliumarsenid-Leistungs-Halbleiterelements 1a gebildet
werden. In einem Beispiel ist ein Harz 22 mit hoher thermischer
Leitfähigkeit
in die Durchgangslöcher 21 gefüllt. Das
Harz 22 mit hoher thermischer Leitfähigkeit weist eine thermische
Leitfähigkeit
auf, welche höher
ist als die des Epoxidharzes. Ähnliche
Effekte können
auch durch Befüllen
der Durchgangslöcher 21 mit
dem leitfähigen
Harz 12 erzielt werden, welcher in den Zwischenschicht-Verbinderlöchern 11 benutzt
wird.
-
Ein
Beispiel des Harzes 22 mit hoher thermischer Leitfähigkeit
ist zusammengesetzt aus Epoxidharz mit 80 bis 90 Gewichtsprozent
Aluminiumoxid, welches als ein Füllstoff
beigefügt
ist. Die thermische Leitfähigkeit
davon beträgt
mehr als 3 W/mK. Es kann in die Durchgangslöcher 21, welche in
der Verbundharzmaterialschicht 10 gebildet sind, mittels
eines Druckverfahrens gefüllt
werden.
-
Gemäß dieser
Ausführungsform
kann, wenn das Halbleiterelement eine Flip-Chip-montierte Leistungsvorrichtung
ist, welche eine große
Wärmemenge
erzeugt, die Wärme
von dem Halbleiter in geeigneter Weise abgeleitet werden.
-
Ausführungsform 4
-
Ausführungsform
4 der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Querschnittsansicht
der in 6 dargestellten Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung
beschrieben. Die Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung gemäß dieser
Ausführungsform
weist eine Struktur auf, in welcher das Keramik-Vielschichtsubstrat 2 (erstes
Substrat) und ein Aluminiumoxid-Substrat 32 (zweites Substrat)
die Verbundharzmaterialschicht 10 in der Art eines Sandwichs
umgeben, wobei sie in diesem Zustand miteinander verklebt sind,
um eine einzige Einheit zu bilden.
-
Das
Keramik-Vielschichtsubstrat 2 kann ein durch Brennen bei
niedrigen Temperaturen gebildetes nicht-schrumpfbares Substrat sein,
wobei es in seinen inneren Schichten einen gedruckten Widerstand 8 und
gedruckte Kondensatoren 9 umfasst, welche durch Drucken
eines pastösen
Materials, welches Metall umfaßt,
gebildet ist. Das Aluminiumoxid-Substrat 32 ist
ein Substrat, auf welchem Galliumarsenid-Leistungs-Halbleiterelemente 1a und 1b, wie
zum Beispiel Leistungsverstärker
und Schalter, und ein Silizium-Halbleiterelement 1c für Schaltungssteuerung
in Flip-Chip-Montage
angeordnet sind.
-
Durchgangslöcher 11 zum
elektrischen Verbinden des Keramik-Vielschichtsubstrats 2 und
des Aluminiumoxid-Substrats 32 sind in der Verbundharzmaterialschicht 10 gebildet,
wobei das leitfähige Harz 12 in
die Durchgangslöcher 11 gefüllt ist.
Die Durchgangslöcher 11 können einen
Durchmesser von 200 μm
aufweisen und sind mit einer Paste auf Kupferbasis gefüllt. Obgleich
nicht dargestellt, sind Durchgangslöcher in dem Aluminiumoxid-Substrat 32 angeordnet,
um so die Elektroden 4 elektrisch mit dem Äußeren und
die Wärme-Abgabe-Elektrode 14 mit
dem Elektrodenmuster auf der Oberfläche des Aluminiumoxid-Substrats 32 zu
verbinden.
-
Daher
wird durch Verwenden der Verbundharzmaterialschicht 10 zum
Verkleben der Vielzahl von Substraten 2 und 32 das
Problem des Ablösens, zum
Beispiel aufgrund von Unterschieden in den linearen Expansionskoeffizienten,
eliminiert, und da die Halbleiterelemente 1a, 1b und 1c in
der Adhäsionsschicht
eingeschlossen sind, sind die Komponenten-Packungsdichte, der mechanische Widerstand, und
der Widerstand gegenüber
Feuchtigkeit verbessert.
-
Ausführungsform 5
-
Ausführungsform
5 der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Querschnittsansicht
der in 7 dargestellten Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung
beschrieben.
-
Die
Vorrichtung in 7 unterscheidet sich von der
in 6 dargestellten Vorrichtung gemäß Ausführungsform
4 darin, daß von
den Halbleiterelementen, welche auf dem Aluminiumoxid-Substrat 32 angeordnet
sind, das Galliumarsenid-Leistungs-Halbleiterelement 1a,
welches zum Beispiel ein Leistungsverstärker ist und die Ableitung
von Wärme
benötigt,
mittels eines Haftmittels (auch nicht dargestellt) mit hoher thermischer
Leitfähigkeit
festgeklebt und mit dem Aluminiumoxid-Substrat 32 mittels
des Metalldrahts 5 verbunden ist. Daher kann Wärme von
dem Galliumarsenid-Leistungs-Halbleiterelement 1a direkt
zu dem Aluminiumoxid-Substrat 32 abgeleitet
werden. Das Festkleben des Elements direkt auf das Aluminiumoxid-Substrat 32 resultiert
in einem großen
Wärmeübergangs-Effekt,
wobei der weitere Effekt des Wärmeableitens über den
Metalldraht 5 beobachtet werden kann. Diese Ausführungsform
ist besonders wirksam, wenn eine große Wärmemenge durch ein Element
erzeugt ist.
-
Ausführungsform 6
-
Ausführungsform
6 der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Querschnittsansicht
einer in 8 dargestellten Hochfrequenz-Halbleiter-Vorrichtung
beschrieben. Die Vorrichtung der 8 unterscheidet
sich von der in 7 dargestellten Vorrichtung
gemäß Ausführungsform
5 darin, daß,
bevor das Keramik-Vielschichtsubstrat 2 und das Aluminiumoxid-Substrat 32 mittels
der Verbundharzmaterialschicht 10 verklebt werden, der
Umfang des Galliumarsenid-Leistungs-Halbleiterelements 1a und
des Metalldrahtes 5 zum Verbinden, welche auf dem Aluminiumoxid-Substrat 32 angeordnet
sind, durch einen flüssigen
Epoxidharz 6 versiegelt sind.
-
Die
Menge an Epoxidharz 6 kann ausreichend sein, um das Leistungs-Halbleiterelement 1a und
den Metalldraht 5 vollständig abzudecken, wobei, in
Anbetracht der Ausbreitung des Harzes, wenn das Epoxidharz 6 ausgeheilt
ist, ein hochthixotropes Harz als das Epoxidharz 6 ausgewählt werden
kann. Wenn daher das Keramik-Vielschichtsubstrat 2 und das
Aluminiumoxid-Substrat 32 über die Verbundharzmaterialschicht 10 verklebt
werden, kann die mechanische Beanspruchung des Halbleiterelements 1a und
des Metalldrahts 5 verringert werden, so daß Defekte,
wie zum Beispiel ein abfal lender oder abgetrennter Draht, vermieden
werden und die Zusammenbaurate erhöht werden kann. Außerdem kann
das Epoxidharz 6 zum Versiegeln des Halbleiterelements 1a als
ein Abstandsglied zwischen den Keramik-Vielschichtsubstrat 2 und
dem Aluminiumoxid-Substrat 32 verwendet werden, so daß der Abstand
zwischen diesen Substraten eingestellt werden kann.
-
Vergleichsbeispiel
-
Ein
Vergleichsbeispiel der vorliegenden Ausführungsform wird mit Bezug auf
die Querschnittsansicht des in 9 dargestellten
Hochfrequenz-Halbleiterelements beschrieben. Die Vorrichtung der 9 unterscheidet
sich von der in 3 dargestellten Vorrichtung
gemäß Ausführungsform
2 darin, daß das
Keramik-Vielschichtsubstrat 2 einen Hohlraumbereich 2a in
der Bodenfläche
aufweist, in welchem die Halbleiterelemente 1a, 1b und 1c und
die passiven Komponenten angeordnet sind, und die Elektroden 4 zum
Verbinden mit dem Äußeren auf
dem Keramik-Vielschichtsubstrat 2 an Abschnitten in der
Peripherie des Hohlraumbereichs 2a gebildet sind. Die Verbundharzmaterialschicht 10 wird
in dem Hohlraumbereich 2a gebildet, wobei das Halbleiterelement 1a, 1b und 1c und
die passiven Komponenten in der Verbundharzmaterialschicht 10 eingebettet sind.
-
Es
sollte festgestellt werden, daß ein
Metalldraht verwendet werden kann, um die Halbleiterelemente mit
dem Elektrodenmuster des Keramik-Vielschichtsubstrats 2 zu
verbinden. Außerdem
kann die Vorrichtung dieses Vergleichsbeispiels ohne die Wärme-Abgabe-Elektrode 14 und
die Zwischenschicht-Verbinder-Durchgangslöcher 21 strukturiert werden.
Durch Verwenden des Hohlraumbereichs 2a als den Abschnitt,
in welchem die Halbleiterelemente und die passiven Komponenten angeordnet
sind, wird die Verbundharzmaterialschicht 10 auf leichte Weise
gebildet.
-
Die
Erfindung kann in anderen Formen ausgeführt werden. Die in dieser Anmeldung
offenbarten Ausführungsformen
sollen in jeder Hinsicht als illustrativ und nicht begrenzend betrachtet
werden. Der Umfang der Erfindung wird mehr durch die beigefügten Ansprüche definiert
als durch die vorangegangene Beschreibung, wobei alle Änderungen,
welche im Bereich der Ansprüche
liegen, als mit eingeschlossen gelten sollen.