JP2004047866A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】良好な放熱特性を確保するとともに半導体装置の小型化を可能とする。
【解決手段】誘電体層11a〜11cと導体層12a〜12dとを有する多層基板の側面に、内部導体層である導体層12bと多層基板の裏面に形成された導体層12dとに熱的および電気的に接続される基板側面導電部20が形成される。半導体素子3の裏面が、キャビティ21から露出する導体層12bにダイボンディングされる。半導体素子3が放出する熱は、熱伝導経路30として導体層12bおよび基板側面導電部20を経て導体層12dの放熱部に伝導される。
【選択図】 図3
【解決手段】誘電体層11a〜11cと導体層12a〜12dとを有する多層基板の側面に、内部導体層である導体層12bと多層基板の裏面に形成された導体層12dとに熱的および電気的に接続される基板側面導電部20が形成される。半導体素子3の裏面が、キャビティ21から露出する導体層12bにダイボンディングされる。半導体素子3が放出する熱は、熱伝導経路30として導体層12bおよび基板側面導電部20を経て導体層12dの放熱部に伝導される。
【選択図】 図3
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特に、高周波電力増幅器モジュールに適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置の小型化に対する要求が強くなってきている。そのうち高周波用電力増幅器モジュールについては、小型化の要求があるものの、小型化により放熱特性が悪化する恐れがある。このため、小型化とともに大電力出力時の発熱に対応する良好な放熱特性が要求されている。
【0003】
そのような要求に応えるべく小型で放熱性に優れた高周波用電力増幅器モジュールの開発が行なわれている。その一例が、特開平9−283700号公報、特開2000−133765号公報および特開2000−31331号公報に開示されている。
【0004】
特開平9−283700号公報では、多層基板の上面に形成されたキャビティ内に電力用トランジスタが実装されて樹脂封止された高周波用電力増幅器モジュールにおいて、電力用トランジスタ下部の多層基板内に放熱用ビアホールを形成し、電力用トランジスタの発熱を電力用トランジスタ下部の放熱用ビアホールを通して多層基板の裏面に形成されたグランド層に伝導し、マザーボードに放熱する技術が開示されている。
【0005】
特開2000−133765号公報では、基板上面に半導体チップを実装し、基板下面に容量素子などのチップ部品を実装し、基板全体を覆いかつ半導体チップに接触するカバーを設け、半導体チップから放出される熱を基板全体を覆うカバーを介して空気中およびマザーボードに放熱する技術が開示されている。
【0006】
特開2000−31331号公報では、配線基板の上面に受動素子を実装し、配線基板の下面に形成されたキャビティ内にトランジスタを実装した高周波パワーアンプを、マザーボードに実装する際に、トランジスタを半田を介してマザーボードのランド部に接続し、トランジスタが発生した熱を半田およびランド部を介してマザーボードに直接的に放熱する技術が開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平9−283700号公報に開示された技術では、電力用トランジスタから放出される熱を、電力用トランジスタ下部の多層基板内に形成された放熱用ビアホールを介して、多層基板の裏面に形成されたグランド層に伝導するため、多数の放熱用ビアホールを必要とする。電力用トランジスタ下部の多層基板内には放熱用ビアホールを形成しなければならないので、電力用トランジスタ直下の導体層を伝送線路や回路素子の一部として使用できない。このため、放熱用ビアホールが占有する面積を考慮すると、多層基板の面積が大きくなってしまい、小型化の点で不利となってしまうという問題があった。
【0008】
また、上記特開2000−133765号公報に開示された技術では、半導体チップから放出される熱を基板全体を覆うカバーを介して空気中およびマザーボードに伝える構造を有する。このため、上記放熱用ビアホールを形成しなくともよい。しかしながら、上記特開2000−133765号公報では、半導体チップと容量素子などのチップ部品とを基板の異なる面に搭載するため、高周波電力増幅器モジュールの厚さが厚くなってしまうという問題があった。
【0009】
また、上記特開2000−31331号公報では、配線基板の上面に受動素子を実装し、配線基板の下面に形成されたキャビティ内にトランジスタをバンプを用いて実装する。このため、配線基板の厚さが厚くなるとという問題があった。さらに、配線基板下面にキャビティを形成するため、配線基板下面のグランド層の面積が縮小し、高周波電力増幅器モジュールの性能劣化を引き起こすという問題があった。
【0010】
本発明の目的は、良好な放熱特性を有する半導体装置を提供することである。
【0011】
本発明の他の目的は、小型化が可能な半導体装置を提供することにある。
【0012】
本発明の他の目的は、薄型化が可能な半導体装置を提供することにある。
【0013】
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。
【0014】
【課題を解決するための手段】
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。
【0015】
本発明の半導体装置は、半導体素子の裏面と多層基板の導体層とが熱的および電気的に接続されるように半導体素子を多層基板に実装し、多層基板の側面にはその導体層に熱的および電気的に接続される側面導体部が形成されており、半導体素子の熱が側面導体部に伝導するものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0017】
(実施の形態1)
本実施の形態の半導体装置を図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態の半導体装置の回路図であり、図2は本実施の形態の半導体装置の上面図である。図3は、図2の半導体装置をA−A線に沿って切断して分解した斜視断面図である。図4は、図2の半導体装置をA−A線に沿って切断した側面断面図である。図5は図2のB側から見た本実施の形態の半導体装置の側面図である。図6は図2のC側から見た本実施の形態の半導体装置の側面図である。図7は本実施の形態の半導体装置の下面図である。なお、理解を簡単にするために、図2および図3では、封止樹脂は図示を省略している。
【0018】
図1に示されるように、例えば小型高周波電力増幅器モジュールである本実施の形態の半導体装置1は、多層基板2と、多層基板2に実装されかつ多層基板2の伝送線路などに電気的に接続された半導体チップまたは半導体素子3とを有している。半導体素子3は、第1のトランジスタ4および第2のトランジスタ5を備えている。第1のトランジスタ4の制御電圧端子6a、第2のトランジスタ5の制御電圧端子6b、第1のトランジスタ4の電源電圧端子7aおよび第2のトランジスタ5の電源電圧端子7bは、それぞれ図示しない電源に電気的に接続されている。入力電力端子8から入力された信号が、第1のトランジスタ4および第2のトランジスタ5において増幅され、伝送線路9aおよび9bを経て出力電力端子10から取り出されるよう構成されている。
【0019】
第1のトランジスタ4および第2のトランジスタ5には、例えばGaAsまたはInPなどを主成分とするヘテロ接合バイポーラトランジスタを使用すれば、高周波特性がより良好となり好ましいが、SiGeあるいはSi−MOSなどの電界効果トランジスタやGaAsなどを主成分とするHEMT(High Electron Mobility Transistor:高電子移動度トランジスタ)などを用いてもよい。
【0020】
図2〜図7に示されるように、本実施の形態の半導体装置1は、誘電体層11a、誘電体層11b、誘電体層11c、誘電体層11aの上面に配置または形成された導体層12a、誘電体層11aの下面または誘電体層11bの上面に形成された導体層12b、誘電体層11bの下面または誘電体層11cの上面に形成された導体層12cおよび誘電体層11cの下面に形成された導体層12dを有する多層基板2と、多層基板2上に配置または実装された半導体素子(半導体チップ)3と、多層基板2上に配置または実装されたチップ容量(チップコンデンサ)などの受動素子13と、半導体素子3および受動素子13を含む多層基板2の上面を覆う封止樹脂14とを備えている。
【0021】
導体層12aには配線または伝送線路9aが形成されている。導体層12bには内層接地金属面(または内部接地導体層)15が形成されている。導体層12cには伝送線路9bが形成されている。導体層12dには放熱部16と制御電圧端子、電源電圧端子、入力電力端子または出力電力端子(電極端子)17とが形成されている。誘電体層11aには導体層12aおよび導体層12bを電気的に接続するための貫通孔18aが形成されている。誘電体層11aおよび誘電体層11bには導体層12a〜12cを電気的に接続するための貫通孔18bが形成されている。誘電体層11aの側面には基板側面導電部20aが形成され、誘電体層11bの側面には基板側面導電部20bが形成され、誘電体層11cの側面には基板側面導電部20cが形成されている。基板側面導電部20a〜20cが電気的および熱的に接続されるように導体層12a〜12dおよび誘電体層11a〜11cが上下に嵌合され、多層基板2を構成している。従って、基板側面導電部20a〜20cは電気的および熱的に接続されて多層基板2の基板側面導電部(側面導体部)20を形成する。
【0022】
半導体素子3は、誘電体層11aに設けられたキャビティ(または中空部あるいは開口部)21の底面に露出した内層接地金属面15に銀ペーストなどの導電性の良い接着剤によりフェイスアップでダイボンディングされている。半導体素子3の下面または裏面に形成された図示しない電極は、内層接地金属面15に電気的および熱的に接続されている。半導体素子3の上面または表面に形成された電極は、ボンディングワイヤ22により導体層12aに形成された伝送線路9aに電気的に接続されている。受動素子13は、導体層12aにハンダなどの導電性の良い接着剤により実装されている。半導体素子3および受動素子13が多層基板2に実装された後、封止樹脂14により多層基板2の上面が気密封止され、小型高周波電力増幅器モジュールのような本実施の形態の半導体装置1が形成されている。
【0023】
内層接地金属面15は、伝送線路9aの少なくとも一部をマイクロストリップ線路として使用するための基準電極として機能する。すなわち、伝送線路9aと内層接地金属面15とによってマイクロストリップ線路が形成される。このため、内層接地金属面15は、導体層12bのうち、多層基板2の端部や非接地貫通孔周辺などの金属面形成禁止領域以外の全領域に形成されることが好ましい。また、内層接地金属面15は、多層基板2の少なくとも1つの辺または側端において、ここでは多層基板2の一対の相対する辺において、基板側面導電部20に電気的および熱的に接続されている。また、基板側面導電部20は、多層基板2の少なくとも1つの辺において、ここでは上記一対の相対する辺において、放熱部16に電気的および熱的に接続されている。
【0024】
このような構成を有する本実施の形態の半導体装置1では、半導体素子3から放出された熱は、図3で熱伝導経路30として示されるように、内層接地金属面15から基板側面導電部20を介して放熱部16に伝導される。
【0025】
また、本実施の形態の半導体装置1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。この場合、放熱部16は、例えばマザーボードのグランド電位などに接続される。これにより、半導体素子3から放出された熱は、内層接地金属面15および基板側面導電部20を介して放熱部16に伝導され、最終的にはマザーボードなどに熱を逃がすことができる。
【0026】
本実施の形態の半導体装置1は、種々の手法で製造することができるが、例えば次のようなビルドアップ法によって製造することができる。
【0027】
まず、コア材(樹脂とガラス織布の複合材料を例とする厚さ数百ミクロンのシート両面に銅箔などの導電性金属材料が貼り付けられている)の両面に配置されている導体層をエッチング等によりパターニングし、必要に応じてスルーホールを形成する。スルーホールは、ドリルまたはレーザーを用いコア材に貫通孔を開けた後、金や銅などの導電性のよい金属材料でメッキされ形成される。さらにビルドアップ材(樹脂とガラス織布や無機フィラー等の複合材料を例とする厚さ数十〜数百ミクロン程度のシート片面に銅箔などの導電性金属材料が貼り付けられている)をコア材の両面に配置し、圧着することにより積層する。圧着後、ビルドアップ材に片面に配置されている導体層を各々エッチング等によりパターニングし、必要に応じてスルーホールを形成する。スルーホールの形成方法は基本的にコア材と同様である。これにより、内部と表面および裏面とに導体層が形成された多層基板、ここでは導体層12a〜12dと誘電体層11a〜11cとを有する多層基板2が形成される。その後、必要に応じて、多層基板2の表面(上面)および裏面(下面)の所定の領域に、めっき層を形成する。
【0028】
基板側面導電部20を形成するための切り欠き部は、例えばコア材あるいは各ビルドアップ材にスルーホールを形成する際に形成することができる。あるいは、基板側面導電部20を形成するための切り欠き部は、コア材あるいは各ビルドアップ材を積層した後に形成してもよい。また、コア材あるいは各ビルドアップ材の積層前または積層後に、上記切り欠き部に導体層を印刷法などによって形成し、それによって基板側面導電部20を形成することができる。また、多層基板2の両面にめっき層を形成する際に、多層基板2の側面に形成された切り欠き部にめっき層を形成し、それによって基板側面導電部20を形成することもできる。また、多層基板2の側面に銅箔などを接着することによって、基板側面導電部20を形成することもできる。
【0029】
多層基板2は、ビルドアップ法以外にも、印刷法やシート積層法など、種々の手法を用いて製造することができ、上記製造方法には限定されない。また、基板側面導電部20の形成方法も、上記形成方法には限定されない。
【0030】
それから、多層基板2に半導体素子3をフェイスアップでダイボンディングした後、半導体素子3の表面に形成された電極と多層基板2の導体層12aの伝送線路9aとをワイヤボンディングによって電気的に接続する。また、受動素子13も多層基板2に実装する。その後、封止樹脂14などにより多層基板2の上面を気密封止する。このようにして、高周波電力増幅器モジュールのような本実施の形態の半導体装置1が製造される。
【0031】
また、本実施の形態のように基板側面導電部20を介して放熱した場合でも、半導体素子3の直下に放熱部16に接続する放熱を主目的とした貫通孔(サーマルビア)を多数設けた場合と同様の放熱効果を得ることができる。
【0032】
図8は、内層接地金属面15の面積の多層基板2の面積(ここでは多層基板2の一主面の面積)に対する割合と熱抵抗の関係の実測結果を示すグラフである。グラフの横軸が内層接地金属面15の面積の多層基板2の面積に対する割合に対応し、グラフの縦軸が熱抵抗に対応する。誘電体層11a〜11cを形成する材料は、樹脂とガラス織布を主成分とする樹脂材料を用いた。
【0033】
本実施の形態では、高周波電力増幅器モジュールのような半導体装置に適用可能な熱抵抗として45℃/Wを用いた。この値は、半導体装置の置かれる環境温度を100℃、半導体素子内温度を150℃とし、半導体素子としてGaAsへテロ接合バイポーラトランジスタを用い、その寿命を実用的な106時間として概算した。従って、熱抵抗が45℃/W以下であれば、高周波電力増幅器モジュールのような半導体装置として使用可能である。
【0034】
図8より、内層接地金属面15の面積の多層基板2の面積に対する割合が20%のとき熱抵抗値は59℃/Wとなり、40%のとき熱抵抗値は36℃/Wとなり、95%のとき熱抵抗値は29℃/Wとなった。近似曲線を用いると、内層接地金属面15の面積の多層基板2の面積に対する割合が約30%のとき熱抵抗値が45℃/Wとなる。
【0035】
従って、樹脂基板の場合は、内層接地金属面15の面積の多層基板2の面積に対する割合が30%以上であることが好ましい。これにより、熱抵抗値が45℃/W以下となり、高周波電力増幅器モジュールとして実用可能な充分な放熱性を実現することができる。
【0036】
本実施の形態によれば、誘電体層11a〜11cを形成する材料は、樹脂とガラス織布を主成分とする樹脂材料を用いたが、他の熱硬化性樹脂とガラス織布を主成分とする樹脂材料や、さらにガラス織布に代えて、ガラス不織布や他のセラミック材料を用いた織布や不織布、アラミド等の有機材料を用いた織布や不織布を主成分とした樹脂材料を用いても良い。また、フッ素樹脂に代表される熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂材料を用いることも可能である。さらに、ガラスセラミックス、アルミナセラミックスなどのセラミックス材料を誘電体層11a〜11cの材料として用いることもでき、その場合でも十分に高周波電力増幅器モジュールとして使用または適用可能である。
【0037】
また、導体層12a〜12dを形成する材料としては例えば銅箔などの導電性および熱伝導性の良い材料が好ましい。
【0038】
また、基板側面導電部20は例えば金メッキ膜あるいは銅メッキ膜などの導電性および熱伝導性の良い材料からなる導電膜、あるいは銅箔などの導電性および熱伝導性の良い金属材料であることが好ましい。半導体装置の低コスト化および製造方法の簡便化を考慮すると、基板側面導電部20は金メッキによって形成することがより好ましい。
【0039】
本実施の形態によれば、半導体素子3から放出される熱を内層接地金属面15から基板側面導電部20を介して放熱部16に伝導することにより充分な放熱性を得ることができる。また、半導体装置1をマザーボードに実装した際には、半導体素子3から放出された熱を、マザーボードに逃がすことが可能となる。これにより、良好な放熱特性を有する半導体装置1を実現できる。
【0040】
また、本実施の形態では、基板側面導電部20を介して放熱するので、半導体素子3直下に放熱部16に接続する放熱を主目的とした貫通孔(サーマルビア)を設けなくともよい。また、半導体素子3の直下に放熱を主目的とした貫通孔を設けたとしても、基板側面導電部20が形成されていない場合に比較して、半導体素子3の直下の貫通孔の数や面積を大幅に低減することが可能である。このため、図3に示されるように、導体層12cにおける半導体素子3の直下の領域31が伝送線路9bの一部の形成領域などとして活用できる。これにより、多層基板2の面積の低減または小型化が可能となる。従って、半導体装置の小型化が可能になる。
【0041】
また、本実施の形態では、半導体素子3および受動素子13を多層基板2の上面に配置する。このため、多層基板2の厚みを薄くすることにより、半導体装置1の厚みを薄くすることが容易に可能となる。
【0042】
また、本実施の形態では、内層接地金属面15は、導体層12aに形成される伝送線路9aの一部をマイクロストリップ線路として使用するための基準電極として機能するため、一般的に多層基板面積の約30%以上となるように形成される。従って、内層接地金属面15の形成により多層基板2の面積の低減または小型化が妨害されるという問題は発生せず、内層接地金属面15を基準電極用に加えて放熱用にも使用できるという効果を得られる。
【0043】
また、内層接地金属面15と放熱部16を熱的および電気的に接続する貫通孔(サーマルビア)を誘電体層11bおよび誘電体層11cに形成し、内層接地金属面15から放熱部16への放熱経路を増やし、半導体装置1の放熱特性をより向上させることもできる。この場合、伝送線路や回路素子の形成領域を避けた領域で貫通孔を形成すれば、多層基板2の面積が増大するのを抑制することができる。
【0044】
なお、本実施の形態では、導体層12cの半導体素子直下の領域31を伝送線路9bの一部として活用した。しかしながら、導体層12cの半導体素子直下の領域31を、直流線路あるいは多層基板内蔵受動部品などの小型高周波電力増幅器モジュールの具備する回路素子の形成領域などとして活用することもできる。
【0045】
また、本実施の形態では、基板側面導電部20は、図2、図3および図7に示されるように、擬似半円形の形状をした切り欠き部分を多層基板2の側面に形成し、その切り欠き部分に銅メッキさらに金メッキを施す方法により形成した。しかしながら、切り欠き部分の形状は、半円形、長円形または矩形など種々の任意の形状とすることもできる。
【0046】
また、本実施の形態では、多層基板2を4層の導体層と3層の誘電体層とによって形成したが、多層基板2を構成する導体層が5層以上であっても、あるいは多層基板2を構成する誘電体層が4層以上であってもよい。
【0047】
また、本実施の形態では、内層接地金属面15を誘電体層11aの下面に配置される導体層12bに形成した。しかしながら、5層以上の導体層と4層以上の誘電体層とを有する多層基板などにおいては、必ずしも導体層12bに内層接地金属面15を形成する必要はない。例えば、誘電体層を挟んで導体層12aの下側に最初に配置される任意の導体層に形成してもよい。
【0048】
また、本実施の形態では、小型高周波電力増幅器モジュールを2段増幅構成としたが、1段増幅構成あるいは3段増幅構成以上とすることもできる。
【0049】
また、本実施の形態では、多層基板2の上面を気密封止する方法として樹脂封止を使用したが、樹脂キャップによる封止方法を用いることもできる。
【0050】
また、本実施の形態では、基板側面導電部7は、図2、図3および図7に示されるように、多層基板2の一対の相対する側面にのみ形成した。しかしながら、図9の下面図(図7に対応)に示されるように、基板側面導電部20を多層基板2の全ての側面に形成することもできる。あるいは、基板側面導電部20を多層基板2の1つまたは3つの側面に形成することもできる。
【0051】
(実施の形態2)
図10は、本発明の他の実施の形態である半導体装置の側面断面図であり、上記実施の形態1の図4に対応する。
【0052】
本実施の形態では、上記実施の形態1とは異なり、多層基板2の上面を気密封止する方法として、封止樹脂14の代わりに熱伝導性の良い金属カバー40を使用する。本実施の形態では、基板側面導電部20と金属カバー40とが圧着あるいはハンダなどの導電性の良い接着剤により接続されている。他の構造は、上記実施の形態1とほぼ同様であるので、ここではその説明を省略する。
【0053】
本実施の形態によれば、上記実施の形態1と同様に、半導体素子3から放出された熱が内層接地金属面15から基板側面導電部20を介して、多層基板2の裏面に形成された放熱部16に伝導される。本実施の形態では、それに加えて、半導体素子3から放出された熱は内層接地金属面15から基板側面導電部20を介して金属カバー40に伝導され、金属カバー40から空気中にも放熱される。これにより、小型高周波電力増幅器モジュールのような半導体装置の放熱性をより高めることができる。
【0054】
また、本実施の形態によれば、金属カバー40により多層基板2の上面に形成された導体層12aが半導体装置の外部の電磁場から遮蔽される。このため、半導体装置の性能をより向上させることができる。
【0055】
(実施の形態3)
図11は、本発明の他の実施の形態である半導体装置の側面断面図であり、上記実施の形態1の図4に対応する。
【0056】
本実施の形態では、上記実施の形態1とは異なり、誘電体層11aにキャビティ21を形成せず、代わりに半導体素子3を多層基板2の上面上(すなわち誘電体層11a上の導体層12a上)に配置または実装し、半導体素子3の下面(裏面)の電極と内層接地金属面15とを接続する貫通孔(スルーホールまたはビアホール)41を誘電体層11aに形成する。貫通孔41を介して、半導体素子3の下面の電極と内層接地金属面15とが熱的および電気的に接続されている。他の構造は、上記実施の形態1とほぼ同様であるので、ここではその説明を省略する。
【0057】
本実施の形態によれば、キャビティ21を形成する必要がないので、半導体装置の製造コストを低減できる。また、半導体装置の製造工程を簡便化できる。特に、キャビティ21を形成するコストおよび時間がセラミックス基板(誘電体材料にセラミックス材料を用いた多層基板)より多く必要とされる樹脂基板(誘電体材料に樹脂材料を用いた多層基板)において、本実施の形態はより有効である。
【0058】
(実施の形態4)
図12は、本発明の他の実施の形態である半導体装置の下面図であり、上記実施の形態1の図7に対応する。
【0059】
本実施の形態では、上記実施の形態1とは異なり、電極端子17が多層基板2の下面の4辺に並べられ、基板側面導電部20が多層基板2の4つの角部に形成されている。他の構造は、上記実施の形態1とほぼ同様であるので、ここではその説明を省略する。
【0060】
本実施の形態によれば、電極端子17を多層基板2の下面の4辺に並べることができ、電極端子17の数を容易に増やすことができる。このため、多機能の小型高周波電力増幅器モジュールの実現が容易になる。
【0061】
また、本実施の形態によれば、基板側面導電部20の面積と多層基板側面の面積との割合を考慮した場合、上記実施の形態1に比べて、基板側面導電部20の面積の割合を容易に大きくすることができ、熱抵抗を低減できる。従って、放熱特性をより向上することができる。
【0062】
(実施の形態5)
図13は、本発明の他の実施の形態である半導体装置の下面図であり、上記実施の形態1の図7に対応する。
【0063】
本実施の形態では、上記実施の形態1とは異なり、多層基板2の側面に切り欠き部分を形成せずに、多層基板2の側面に直接銅メッキさらに金メッキを施す方法により基板側面導電部20が形成されている。他の構造は、上記実施の形態1とほぼ同様であるので、ここではその説明を省略する。
【0064】
本実施の形態によれば、基板側面導電部20を形成するための多層基板側面の切り欠き部分を必要としないので、全ての導体層において切り欠き部分の面積分だけ有効利用面積または利用可能面積が増加する。また、多層基板の面積を低減でき、半導体装置の小型化が可能となる。
【0065】
なお、本実施の形態では、基板側面導電部20の形成手法として銅メッキさらに金メッキを施すというメッキ法を用いたが、銅箔等の導電性および熱伝導性の良い金属材料を接着することにより形成しても構わない。
【0066】
(実施の形態6)
図14および図15は、本発明の他の実施の形態である半導体装置の端部近傍を示す説明図である。理解を簡単にするために、図14および図15では、多層基板2を誘電体層11a〜11cに分解し、導体層12a〜12dなどは図示を省略している。
【0067】
本実施の形態では、上記実施の形態1とは異なり、基板側面導電部20が誘電体層11bおよび誘電体層11cに形成されるが、誘電体層11aには形成されていない。すなわち、上記実施の形態1における基板側面導電部20aが形成されず、基板側面導電部20bおよび基板側面導電部20cによって基板側面導電部20が形成される。
【0068】
なお、図14に示されるように、誘電体層11bおよび誘電体層11cに切り欠き部分を設け、その切り欠き部分に基板側面導電部20を設けてもよいし、あるいは図15に示されるように、切り欠き部分を形成せずに誘電体層11bおよび誘電体層11cの側面に基板側面導電部20を設けることもできる。他の構造は、上記実施の形態1とほぼ同様であるので、ここではその説明を省略する。
【0069】
本実施の形態によれば、基板側面導電部20を形成するために、誘電体層11aの側面に基板側面導電部20aを設ける必要がない。また、誘電体層11aの側面に切り欠き部分を設ける必要もない。このため、誘電体層11aの上面に形成される導体層12aの有効利用面積が増加する。また、多層基板の面積を低減でき、半導体装置の小型化が可能となる。
【0070】
以上、本発明者によってなされた発明をその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。
【0071】
前記実施の形態では、高周波電力増幅器モジュール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、多層基板上に実装した半導体素子の良好な放熱特性が要求される種々の半導体装置に適用することができる。
【0072】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち、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。
【0073】
半導体素子の裏面と多層基板の導体層とが熱的および電気的に接続されるように半導体素子を多層基板に実装し、多層基板の側面にその導体層に熱的および電気的に接続される側面導体部を形成したので、半導体素子の熱を側面導体部に伝導することができる。このため、良好な放熱特性を有する半導体装置を提供することができる。また、半導体装置の小型化が可能になる。さらに、半導体装置の薄型化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態である半導体装置の回路図である。
【図2】本発明の一実施の形態である半導体装置の上面図である。
【図3】図2の半導体装置をA−A線に沿って切断した斜視断面図である。
【図4】図2の半導体装置をA−A線に沿って切断した側面断面図である。
【図5】図2の半導体装置の側面図である。
【図6】図2の半導体装置の側面図である。
【図7】図2の半導体装置の下面図である。
【図8】内層接地金属面の面積の多層基板面積に対する割合と熱抵抗の関係を示すグラフである。
【図9】本発明の他の実施の形態である半導体装置の下面図である。
【図10】本発明の他の実施の形態である半導体装置の側面断面図である。
【図11】本発明の他の実施の形態である半導体装置の側面断面図である。
【図12】本発明の他の実施の形態である半導体装置の下面図である。
【図13】本発明の他の実施の形態である半導体装置の下面図である。
【図14】本発明の他の実施の形態である半導体装置の説明図である。
【図15】本発明の他の実施の形態である半導体装置の説明図である。
【符号の説明】
1 半導体装置
2 多層基板
3 半導体素子
4 第1のトランジスタ
5 第2のトランジスタ
6a 制御電圧端子
6b 制御電圧端子
7a 電源電圧端子
7b 電源電圧端子
8 入力電力端子
9a 伝送線路
9b 伝送線路
10 出力電力端子
11a 誘電体層
11b 誘電体層
11c 誘電体層
12a 導体層
12b 導体層
12c 導体層
12d 導体層
13 受動素子
14 封止樹脂
15 内層接地金属面
16 放熱部
17 電極端子
18a 貫通孔
18b 貫通孔
20 基板側面導電部
20a 基板側面導電部
20b 基板側面導電部
20c 基板側面導電部
21 キャビティ
22 ボンディングワイヤ
30 熱伝導経路
31 半導体素子の直下の領域
40 金属カバー
41 貫通孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特に、高周波電力増幅器モジュールに適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置の小型化に対する要求が強くなってきている。そのうち高周波用電力増幅器モジュールについては、小型化の要求があるものの、小型化により放熱特性が悪化する恐れがある。このため、小型化とともに大電力出力時の発熱に対応する良好な放熱特性が要求されている。
【0003】
そのような要求に応えるべく小型で放熱性に優れた高周波用電力増幅器モジュールの開発が行なわれている。その一例が、特開平9−283700号公報、特開2000−133765号公報および特開2000−31331号公報に開示されている。
【0004】
特開平9−283700号公報では、多層基板の上面に形成されたキャビティ内に電力用トランジスタが実装されて樹脂封止された高周波用電力増幅器モジュールにおいて、電力用トランジスタ下部の多層基板内に放熱用ビアホールを形成し、電力用トランジスタの発熱を電力用トランジスタ下部の放熱用ビアホールを通して多層基板の裏面に形成されたグランド層に伝導し、マザーボードに放熱する技術が開示されている。
【0005】
特開2000−133765号公報では、基板上面に半導体チップを実装し、基板下面に容量素子などのチップ部品を実装し、基板全体を覆いかつ半導体チップに接触するカバーを設け、半導体チップから放出される熱を基板全体を覆うカバーを介して空気中およびマザーボードに放熱する技術が開示されている。
【0006】
特開2000−31331号公報では、配線基板の上面に受動素子を実装し、配線基板の下面に形成されたキャビティ内にトランジスタを実装した高周波パワーアンプを、マザーボードに実装する際に、トランジスタを半田を介してマザーボードのランド部に接続し、トランジスタが発生した熱を半田およびランド部を介してマザーボードに直接的に放熱する技術が開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平9−283700号公報に開示された技術では、電力用トランジスタから放出される熱を、電力用トランジスタ下部の多層基板内に形成された放熱用ビアホールを介して、多層基板の裏面に形成されたグランド層に伝導するため、多数の放熱用ビアホールを必要とする。電力用トランジスタ下部の多層基板内には放熱用ビアホールを形成しなければならないので、電力用トランジスタ直下の導体層を伝送線路や回路素子の一部として使用できない。このため、放熱用ビアホールが占有する面積を考慮すると、多層基板の面積が大きくなってしまい、小型化の点で不利となってしまうという問題があった。
【0008】
また、上記特開2000−133765号公報に開示された技術では、半導体チップから放出される熱を基板全体を覆うカバーを介して空気中およびマザーボードに伝える構造を有する。このため、上記放熱用ビアホールを形成しなくともよい。しかしながら、上記特開2000−133765号公報では、半導体チップと容量素子などのチップ部品とを基板の異なる面に搭載するため、高周波電力増幅器モジュールの厚さが厚くなってしまうという問題があった。
【0009】
また、上記特開2000−31331号公報では、配線基板の上面に受動素子を実装し、配線基板の下面に形成されたキャビティ内にトランジスタをバンプを用いて実装する。このため、配線基板の厚さが厚くなるとという問題があった。さらに、配線基板下面にキャビティを形成するため、配線基板下面のグランド層の面積が縮小し、高周波電力増幅器モジュールの性能劣化を引き起こすという問題があった。
【0010】
本発明の目的は、良好な放熱特性を有する半導体装置を提供することである。
【0011】
本発明の他の目的は、小型化が可能な半導体装置を提供することにある。
【0012】
本発明の他の目的は、薄型化が可能な半導体装置を提供することにある。
【0013】
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。
【0014】
【課題を解決するための手段】
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。
【0015】
本発明の半導体装置は、半導体素子の裏面と多層基板の導体層とが熱的および電気的に接続されるように半導体素子を多層基板に実装し、多層基板の側面にはその導体層に熱的および電気的に接続される側面導体部が形成されており、半導体素子の熱が側面導体部に伝導するものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0017】
(実施の形態1)
本実施の形態の半導体装置を図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態の半導体装置の回路図であり、図2は本実施の形態の半導体装置の上面図である。図3は、図2の半導体装置をA−A線に沿って切断して分解した斜視断面図である。図4は、図2の半導体装置をA−A線に沿って切断した側面断面図である。図5は図2のB側から見た本実施の形態の半導体装置の側面図である。図6は図2のC側から見た本実施の形態の半導体装置の側面図である。図7は本実施の形態の半導体装置の下面図である。なお、理解を簡単にするために、図2および図3では、封止樹脂は図示を省略している。
【0018】
図1に示されるように、例えば小型高周波電力増幅器モジュールである本実施の形態の半導体装置1は、多層基板2と、多層基板2に実装されかつ多層基板2の伝送線路などに電気的に接続された半導体チップまたは半導体素子3とを有している。半導体素子3は、第1のトランジスタ4および第2のトランジスタ5を備えている。第1のトランジスタ4の制御電圧端子6a、第2のトランジスタ5の制御電圧端子6b、第1のトランジスタ4の電源電圧端子7aおよび第2のトランジスタ5の電源電圧端子7bは、それぞれ図示しない電源に電気的に接続されている。入力電力端子8から入力された信号が、第1のトランジスタ4および第2のトランジスタ5において増幅され、伝送線路9aおよび9bを経て出力電力端子10から取り出されるよう構成されている。
【0019】
第1のトランジスタ4および第2のトランジスタ5には、例えばGaAsまたはInPなどを主成分とするヘテロ接合バイポーラトランジスタを使用すれば、高周波特性がより良好となり好ましいが、SiGeあるいはSi−MOSなどの電界効果トランジスタやGaAsなどを主成分とするHEMT(High Electron Mobility Transistor:高電子移動度トランジスタ)などを用いてもよい。
【0020】
図2〜図7に示されるように、本実施の形態の半導体装置1は、誘電体層11a、誘電体層11b、誘電体層11c、誘電体層11aの上面に配置または形成された導体層12a、誘電体層11aの下面または誘電体層11bの上面に形成された導体層12b、誘電体層11bの下面または誘電体層11cの上面に形成された導体層12cおよび誘電体層11cの下面に形成された導体層12dを有する多層基板2と、多層基板2上に配置または実装された半導体素子(半導体チップ)3と、多層基板2上に配置または実装されたチップ容量(チップコンデンサ)などの受動素子13と、半導体素子3および受動素子13を含む多層基板2の上面を覆う封止樹脂14とを備えている。
【0021】
導体層12aには配線または伝送線路9aが形成されている。導体層12bには内層接地金属面(または内部接地導体層)15が形成されている。導体層12cには伝送線路9bが形成されている。導体層12dには放熱部16と制御電圧端子、電源電圧端子、入力電力端子または出力電力端子(電極端子)17とが形成されている。誘電体層11aには導体層12aおよび導体層12bを電気的に接続するための貫通孔18aが形成されている。誘電体層11aおよび誘電体層11bには導体層12a〜12cを電気的に接続するための貫通孔18bが形成されている。誘電体層11aの側面には基板側面導電部20aが形成され、誘電体層11bの側面には基板側面導電部20bが形成され、誘電体層11cの側面には基板側面導電部20cが形成されている。基板側面導電部20a〜20cが電気的および熱的に接続されるように導体層12a〜12dおよび誘電体層11a〜11cが上下に嵌合され、多層基板2を構成している。従って、基板側面導電部20a〜20cは電気的および熱的に接続されて多層基板2の基板側面導電部(側面導体部)20を形成する。
【0022】
半導体素子3は、誘電体層11aに設けられたキャビティ(または中空部あるいは開口部)21の底面に露出した内層接地金属面15に銀ペーストなどの導電性の良い接着剤によりフェイスアップでダイボンディングされている。半導体素子3の下面または裏面に形成された図示しない電極は、内層接地金属面15に電気的および熱的に接続されている。半導体素子3の上面または表面に形成された電極は、ボンディングワイヤ22により導体層12aに形成された伝送線路9aに電気的に接続されている。受動素子13は、導体層12aにハンダなどの導電性の良い接着剤により実装されている。半導体素子3および受動素子13が多層基板2に実装された後、封止樹脂14により多層基板2の上面が気密封止され、小型高周波電力増幅器モジュールのような本実施の形態の半導体装置1が形成されている。
【0023】
内層接地金属面15は、伝送線路9aの少なくとも一部をマイクロストリップ線路として使用するための基準電極として機能する。すなわち、伝送線路9aと内層接地金属面15とによってマイクロストリップ線路が形成される。このため、内層接地金属面15は、導体層12bのうち、多層基板2の端部や非接地貫通孔周辺などの金属面形成禁止領域以外の全領域に形成されることが好ましい。また、内層接地金属面15は、多層基板2の少なくとも1つの辺または側端において、ここでは多層基板2の一対の相対する辺において、基板側面導電部20に電気的および熱的に接続されている。また、基板側面導電部20は、多層基板2の少なくとも1つの辺において、ここでは上記一対の相対する辺において、放熱部16に電気的および熱的に接続されている。
【0024】
このような構成を有する本実施の形態の半導体装置1では、半導体素子3から放出された熱は、図3で熱伝導経路30として示されるように、内層接地金属面15から基板側面導電部20を介して放熱部16に伝導される。
【0025】
また、本実施の形態の半導体装置1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。この場合、放熱部16は、例えばマザーボードのグランド電位などに接続される。これにより、半導体素子3から放出された熱は、内層接地金属面15および基板側面導電部20を介して放熱部16に伝導され、最終的にはマザーボードなどに熱を逃がすことができる。
【0026】
本実施の形態の半導体装置1は、種々の手法で製造することができるが、例えば次のようなビルドアップ法によって製造することができる。
【0027】
まず、コア材(樹脂とガラス織布の複合材料を例とする厚さ数百ミクロンのシート両面に銅箔などの導電性金属材料が貼り付けられている)の両面に配置されている導体層をエッチング等によりパターニングし、必要に応じてスルーホールを形成する。スルーホールは、ドリルまたはレーザーを用いコア材に貫通孔を開けた後、金や銅などの導電性のよい金属材料でメッキされ形成される。さらにビルドアップ材(樹脂とガラス織布や無機フィラー等の複合材料を例とする厚さ数十〜数百ミクロン程度のシート片面に銅箔などの導電性金属材料が貼り付けられている)をコア材の両面に配置し、圧着することにより積層する。圧着後、ビルドアップ材に片面に配置されている導体層を各々エッチング等によりパターニングし、必要に応じてスルーホールを形成する。スルーホールの形成方法は基本的にコア材と同様である。これにより、内部と表面および裏面とに導体層が形成された多層基板、ここでは導体層12a〜12dと誘電体層11a〜11cとを有する多層基板2が形成される。その後、必要に応じて、多層基板2の表面(上面)および裏面(下面)の所定の領域に、めっき層を形成する。
【0028】
基板側面導電部20を形成するための切り欠き部は、例えばコア材あるいは各ビルドアップ材にスルーホールを形成する際に形成することができる。あるいは、基板側面導電部20を形成するための切り欠き部は、コア材あるいは各ビルドアップ材を積層した後に形成してもよい。また、コア材あるいは各ビルドアップ材の積層前または積層後に、上記切り欠き部に導体層を印刷法などによって形成し、それによって基板側面導電部20を形成することができる。また、多層基板2の両面にめっき層を形成する際に、多層基板2の側面に形成された切り欠き部にめっき層を形成し、それによって基板側面導電部20を形成することもできる。また、多層基板2の側面に銅箔などを接着することによって、基板側面導電部20を形成することもできる。
【0029】
多層基板2は、ビルドアップ法以外にも、印刷法やシート積層法など、種々の手法を用いて製造することができ、上記製造方法には限定されない。また、基板側面導電部20の形成方法も、上記形成方法には限定されない。
【0030】
それから、多層基板2に半導体素子3をフェイスアップでダイボンディングした後、半導体素子3の表面に形成された電極と多層基板2の導体層12aの伝送線路9aとをワイヤボンディングによって電気的に接続する。また、受動素子13も多層基板2に実装する。その後、封止樹脂14などにより多層基板2の上面を気密封止する。このようにして、高周波電力増幅器モジュールのような本実施の形態の半導体装置1が製造される。
【0031】
また、本実施の形態のように基板側面導電部20を介して放熱した場合でも、半導体素子3の直下に放熱部16に接続する放熱を主目的とした貫通孔(サーマルビア)を多数設けた場合と同様の放熱効果を得ることができる。
【0032】
図8は、内層接地金属面15の面積の多層基板2の面積(ここでは多層基板2の一主面の面積)に対する割合と熱抵抗の関係の実測結果を示すグラフである。グラフの横軸が内層接地金属面15の面積の多層基板2の面積に対する割合に対応し、グラフの縦軸が熱抵抗に対応する。誘電体層11a〜11cを形成する材料は、樹脂とガラス織布を主成分とする樹脂材料を用いた。
【0033】
本実施の形態では、高周波電力増幅器モジュールのような半導体装置に適用可能な熱抵抗として45℃/Wを用いた。この値は、半導体装置の置かれる環境温度を100℃、半導体素子内温度を150℃とし、半導体素子としてGaAsへテロ接合バイポーラトランジスタを用い、その寿命を実用的な106時間として概算した。従って、熱抵抗が45℃/W以下であれば、高周波電力増幅器モジュールのような半導体装置として使用可能である。
【0034】
図8より、内層接地金属面15の面積の多層基板2の面積に対する割合が20%のとき熱抵抗値は59℃/Wとなり、40%のとき熱抵抗値は36℃/Wとなり、95%のとき熱抵抗値は29℃/Wとなった。近似曲線を用いると、内層接地金属面15の面積の多層基板2の面積に対する割合が約30%のとき熱抵抗値が45℃/Wとなる。
【0035】
従って、樹脂基板の場合は、内層接地金属面15の面積の多層基板2の面積に対する割合が30%以上であることが好ましい。これにより、熱抵抗値が45℃/W以下となり、高周波電力増幅器モジュールとして実用可能な充分な放熱性を実現することができる。
【0036】
本実施の形態によれば、誘電体層11a〜11cを形成する材料は、樹脂とガラス織布を主成分とする樹脂材料を用いたが、他の熱硬化性樹脂とガラス織布を主成分とする樹脂材料や、さらにガラス織布に代えて、ガラス不織布や他のセラミック材料を用いた織布や不織布、アラミド等の有機材料を用いた織布や不織布を主成分とした樹脂材料を用いても良い。また、フッ素樹脂に代表される熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂材料を用いることも可能である。さらに、ガラスセラミックス、アルミナセラミックスなどのセラミックス材料を誘電体層11a〜11cの材料として用いることもでき、その場合でも十分に高周波電力増幅器モジュールとして使用または適用可能である。
【0037】
また、導体層12a〜12dを形成する材料としては例えば銅箔などの導電性および熱伝導性の良い材料が好ましい。
【0038】
また、基板側面導電部20は例えば金メッキ膜あるいは銅メッキ膜などの導電性および熱伝導性の良い材料からなる導電膜、あるいは銅箔などの導電性および熱伝導性の良い金属材料であることが好ましい。半導体装置の低コスト化および製造方法の簡便化を考慮すると、基板側面導電部20は金メッキによって形成することがより好ましい。
【0039】
本実施の形態によれば、半導体素子3から放出される熱を内層接地金属面15から基板側面導電部20を介して放熱部16に伝導することにより充分な放熱性を得ることができる。また、半導体装置1をマザーボードに実装した際には、半導体素子3から放出された熱を、マザーボードに逃がすことが可能となる。これにより、良好な放熱特性を有する半導体装置1を実現できる。
【0040】
また、本実施の形態では、基板側面導電部20を介して放熱するので、半導体素子3直下に放熱部16に接続する放熱を主目的とした貫通孔(サーマルビア)を設けなくともよい。また、半導体素子3の直下に放熱を主目的とした貫通孔を設けたとしても、基板側面導電部20が形成されていない場合に比較して、半導体素子3の直下の貫通孔の数や面積を大幅に低減することが可能である。このため、図3に示されるように、導体層12cにおける半導体素子3の直下の領域31が伝送線路9bの一部の形成領域などとして活用できる。これにより、多層基板2の面積の低減または小型化が可能となる。従って、半導体装置の小型化が可能になる。
【0041】
また、本実施の形態では、半導体素子3および受動素子13を多層基板2の上面に配置する。このため、多層基板2の厚みを薄くすることにより、半導体装置1の厚みを薄くすることが容易に可能となる。
【0042】
また、本実施の形態では、内層接地金属面15は、導体層12aに形成される伝送線路9aの一部をマイクロストリップ線路として使用するための基準電極として機能するため、一般的に多層基板面積の約30%以上となるように形成される。従って、内層接地金属面15の形成により多層基板2の面積の低減または小型化が妨害されるという問題は発生せず、内層接地金属面15を基準電極用に加えて放熱用にも使用できるという効果を得られる。
【0043】
また、内層接地金属面15と放熱部16を熱的および電気的に接続する貫通孔(サーマルビア)を誘電体層11bおよび誘電体層11cに形成し、内層接地金属面15から放熱部16への放熱経路を増やし、半導体装置1の放熱特性をより向上させることもできる。この場合、伝送線路や回路素子の形成領域を避けた領域で貫通孔を形成すれば、多層基板2の面積が増大するのを抑制することができる。
【0044】
なお、本実施の形態では、導体層12cの半導体素子直下の領域31を伝送線路9bの一部として活用した。しかしながら、導体層12cの半導体素子直下の領域31を、直流線路あるいは多層基板内蔵受動部品などの小型高周波電力増幅器モジュールの具備する回路素子の形成領域などとして活用することもできる。
【0045】
また、本実施の形態では、基板側面導電部20は、図2、図3および図7に示されるように、擬似半円形の形状をした切り欠き部分を多層基板2の側面に形成し、その切り欠き部分に銅メッキさらに金メッキを施す方法により形成した。しかしながら、切り欠き部分の形状は、半円形、長円形または矩形など種々の任意の形状とすることもできる。
【0046】
また、本実施の形態では、多層基板2を4層の導体層と3層の誘電体層とによって形成したが、多層基板2を構成する導体層が5層以上であっても、あるいは多層基板2を構成する誘電体層が4層以上であってもよい。
【0047】
また、本実施の形態では、内層接地金属面15を誘電体層11aの下面に配置される導体層12bに形成した。しかしながら、5層以上の導体層と4層以上の誘電体層とを有する多層基板などにおいては、必ずしも導体層12bに内層接地金属面15を形成する必要はない。例えば、誘電体層を挟んで導体層12aの下側に最初に配置される任意の導体層に形成してもよい。
【0048】
また、本実施の形態では、小型高周波電力増幅器モジュールを2段増幅構成としたが、1段増幅構成あるいは3段増幅構成以上とすることもできる。
【0049】
また、本実施の形態では、多層基板2の上面を気密封止する方法として樹脂封止を使用したが、樹脂キャップによる封止方法を用いることもできる。
【0050】
また、本実施の形態では、基板側面導電部7は、図2、図3および図7に示されるように、多層基板2の一対の相対する側面にのみ形成した。しかしながら、図9の下面図(図7に対応)に示されるように、基板側面導電部20を多層基板2の全ての側面に形成することもできる。あるいは、基板側面導電部20を多層基板2の1つまたは3つの側面に形成することもできる。
【0051】
(実施の形態2)
図10は、本発明の他の実施の形態である半導体装置の側面断面図であり、上記実施の形態1の図4に対応する。
【0052】
本実施の形態では、上記実施の形態1とは異なり、多層基板2の上面を気密封止する方法として、封止樹脂14の代わりに熱伝導性の良い金属カバー40を使用する。本実施の形態では、基板側面導電部20と金属カバー40とが圧着あるいはハンダなどの導電性の良い接着剤により接続されている。他の構造は、上記実施の形態1とほぼ同様であるので、ここではその説明を省略する。
【0053】
本実施の形態によれば、上記実施の形態1と同様に、半導体素子3から放出された熱が内層接地金属面15から基板側面導電部20を介して、多層基板2の裏面に形成された放熱部16に伝導される。本実施の形態では、それに加えて、半導体素子3から放出された熱は内層接地金属面15から基板側面導電部20を介して金属カバー40に伝導され、金属カバー40から空気中にも放熱される。これにより、小型高周波電力増幅器モジュールのような半導体装置の放熱性をより高めることができる。
【0054】
また、本実施の形態によれば、金属カバー40により多層基板2の上面に形成された導体層12aが半導体装置の外部の電磁場から遮蔽される。このため、半導体装置の性能をより向上させることができる。
【0055】
(実施の形態3)
図11は、本発明の他の実施の形態である半導体装置の側面断面図であり、上記実施の形態1の図4に対応する。
【0056】
本実施の形態では、上記実施の形態1とは異なり、誘電体層11aにキャビティ21を形成せず、代わりに半導体素子3を多層基板2の上面上(すなわち誘電体層11a上の導体層12a上)に配置または実装し、半導体素子3の下面(裏面)の電極と内層接地金属面15とを接続する貫通孔(スルーホールまたはビアホール)41を誘電体層11aに形成する。貫通孔41を介して、半導体素子3の下面の電極と内層接地金属面15とが熱的および電気的に接続されている。他の構造は、上記実施の形態1とほぼ同様であるので、ここではその説明を省略する。
【0057】
本実施の形態によれば、キャビティ21を形成する必要がないので、半導体装置の製造コストを低減できる。また、半導体装置の製造工程を簡便化できる。特に、キャビティ21を形成するコストおよび時間がセラミックス基板(誘電体材料にセラミックス材料を用いた多層基板)より多く必要とされる樹脂基板(誘電体材料に樹脂材料を用いた多層基板)において、本実施の形態はより有効である。
【0058】
(実施の形態4)
図12は、本発明の他の実施の形態である半導体装置の下面図であり、上記実施の形態1の図7に対応する。
【0059】
本実施の形態では、上記実施の形態1とは異なり、電極端子17が多層基板2の下面の4辺に並べられ、基板側面導電部20が多層基板2の4つの角部に形成されている。他の構造は、上記実施の形態1とほぼ同様であるので、ここではその説明を省略する。
【0060】
本実施の形態によれば、電極端子17を多層基板2の下面の4辺に並べることができ、電極端子17の数を容易に増やすことができる。このため、多機能の小型高周波電力増幅器モジュールの実現が容易になる。
【0061】
また、本実施の形態によれば、基板側面導電部20の面積と多層基板側面の面積との割合を考慮した場合、上記実施の形態1に比べて、基板側面導電部20の面積の割合を容易に大きくすることができ、熱抵抗を低減できる。従って、放熱特性をより向上することができる。
【0062】
(実施の形態5)
図13は、本発明の他の実施の形態である半導体装置の下面図であり、上記実施の形態1の図7に対応する。
【0063】
本実施の形態では、上記実施の形態1とは異なり、多層基板2の側面に切り欠き部分を形成せずに、多層基板2の側面に直接銅メッキさらに金メッキを施す方法により基板側面導電部20が形成されている。他の構造は、上記実施の形態1とほぼ同様であるので、ここではその説明を省略する。
【0064】
本実施の形態によれば、基板側面導電部20を形成するための多層基板側面の切り欠き部分を必要としないので、全ての導体層において切り欠き部分の面積分だけ有効利用面積または利用可能面積が増加する。また、多層基板の面積を低減でき、半導体装置の小型化が可能となる。
【0065】
なお、本実施の形態では、基板側面導電部20の形成手法として銅メッキさらに金メッキを施すというメッキ法を用いたが、銅箔等の導電性および熱伝導性の良い金属材料を接着することにより形成しても構わない。
【0066】
(実施の形態6)
図14および図15は、本発明の他の実施の形態である半導体装置の端部近傍を示す説明図である。理解を簡単にするために、図14および図15では、多層基板2を誘電体層11a〜11cに分解し、導体層12a〜12dなどは図示を省略している。
【0067】
本実施の形態では、上記実施の形態1とは異なり、基板側面導電部20が誘電体層11bおよび誘電体層11cに形成されるが、誘電体層11aには形成されていない。すなわち、上記実施の形態1における基板側面導電部20aが形成されず、基板側面導電部20bおよび基板側面導電部20cによって基板側面導電部20が形成される。
【0068】
なお、図14に示されるように、誘電体層11bおよび誘電体層11cに切り欠き部分を設け、その切り欠き部分に基板側面導電部20を設けてもよいし、あるいは図15に示されるように、切り欠き部分を形成せずに誘電体層11bおよび誘電体層11cの側面に基板側面導電部20を設けることもできる。他の構造は、上記実施の形態1とほぼ同様であるので、ここではその説明を省略する。
【0069】
本実施の形態によれば、基板側面導電部20を形成するために、誘電体層11aの側面に基板側面導電部20aを設ける必要がない。また、誘電体層11aの側面に切り欠き部分を設ける必要もない。このため、誘電体層11aの上面に形成される導体層12aの有効利用面積が増加する。また、多層基板の面積を低減でき、半導体装置の小型化が可能となる。
【0070】
以上、本発明者によってなされた発明をその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。
【0071】
前記実施の形態では、高周波電力増幅器モジュール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、多層基板上に実装した半導体素子の良好な放熱特性が要求される種々の半導体装置に適用することができる。
【0072】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち、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。
【0073】
半導体素子の裏面と多層基板の導体層とが熱的および電気的に接続されるように半導体素子を多層基板に実装し、多層基板の側面にその導体層に熱的および電気的に接続される側面導体部を形成したので、半導体素子の熱を側面導体部に伝導することができる。このため、良好な放熱特性を有する半導体装置を提供することができる。また、半導体装置の小型化が可能になる。さらに、半導体装置の薄型化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態である半導体装置の回路図である。
【図2】本発明の一実施の形態である半導体装置の上面図である。
【図3】図2の半導体装置をA−A線に沿って切断した斜視断面図である。
【図4】図2の半導体装置をA−A線に沿って切断した側面断面図である。
【図5】図2の半導体装置の側面図である。
【図6】図2の半導体装置の側面図である。
【図7】図2の半導体装置の下面図である。
【図8】内層接地金属面の面積の多層基板面積に対する割合と熱抵抗の関係を示すグラフである。
【図9】本発明の他の実施の形態である半導体装置の下面図である。
【図10】本発明の他の実施の形態である半導体装置の側面断面図である。
【図11】本発明の他の実施の形態である半導体装置の側面断面図である。
【図12】本発明の他の実施の形態である半導体装置の下面図である。
【図13】本発明の他の実施の形態である半導体装置の下面図である。
【図14】本発明の他の実施の形態である半導体装置の説明図である。
【図15】本発明の他の実施の形態である半導体装置の説明図である。
【符号の説明】
1 半導体装置
2 多層基板
3 半導体素子
4 第1のトランジスタ
5 第2のトランジスタ
6a 制御電圧端子
6b 制御電圧端子
7a 電源電圧端子
7b 電源電圧端子
8 入力電力端子
9a 伝送線路
9b 伝送線路
10 出力電力端子
11a 誘電体層
11b 誘電体層
11c 誘電体層
12a 導体層
12b 導体層
12c 導体層
12d 導体層
13 受動素子
14 封止樹脂
15 内層接地金属面
16 放熱部
17 電極端子
18a 貫通孔
18b 貫通孔
20 基板側面導電部
20a 基板側面導電部
20b 基板側面導電部
20c 基板側面導電部
21 キャビティ
22 ボンディングワイヤ
30 熱伝導経路
31 半導体素子の直下の領域
40 金属カバー
41 貫通孔
Claims (20)
- 複数の誘電体層および複数の導体層を有する多層基板、および、
前記多層基板に実装された半導体素子、
を具備し、
前記半導体素子の裏面と前記多層基板の前記複数の導体層のうちの第1の導体層とが熱的および電気的に接続され、前記多層基板の側面には前記第1の導体層と熱的および電気的に接続される側面導体部が形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記半導体素子の熱が、前記第1の導体層を介して前記側面導体部に伝導されることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第1の導体層が前記多層基板の内部導体層であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項3記載の半導体装置において、
前記多層基板にはキャビティが形成され、前記キャビティから露出する前記第1の導体層に前記半導体素子の裏面がダイボンディングされていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項3記載の半導体装置において、
前記複数の誘電体層のうちの前記半導体素子と前記第1の導体層との間に位置する誘電体層には貫通孔が形成され、前記貫通孔を介して前記半導体素子の裏面が前記第1の導体層に熱的および電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記側面導体部と前記多層基板の前記複数の導体層のうちの第2の導体層とが熱的および電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項6記載の半導体装置において、
前記第2の導体層は、前記多層基板の前記半導体素子が実装された側と反対側の主面に形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項7記載の半導体装置において、
前記複数の誘電体層のうちの前記第1の導体層と前記第2の導体層との間に位置する誘電体層に、前記第1の導体層と前記第2の導体層とを熱的および電気的に接続する貫通孔が形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記多層基板の前記半導体素子が実装された側の主面を封止する樹脂材料部分を更に具備することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記多層基板の前記半導体素子が実装された側の主面を封止する金属カバーを更に具備し、前記金属カバーが前記側面導体部と熱的および電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記複数の誘電体層の材料は、セラミックス材料または樹脂材料を含むことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記複数の導体層の材料は、銅を含むことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記半導体装置が、電力増幅器モジュールであることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記多層基板の前記半導体素子が実装された側の主面に形成された伝送線路と前記第1の導体層とによってマイクロストリップ線路が形成されることを特徴とする半導体装置。 - 第1の誘電体層、第2の誘電体層、第3の誘電体層、前記第1の誘電体層の上面上の第1の導体層、前記第1の誘電体層と前記第2の誘電体層との間の第2の導体層、前記第2の誘電体層と前記第3の誘電体層との間の第3の導体層および前記第3の誘電体層の下面上の第4の導体層を有する多層基板、および、
前記多層基板に実装された半導体素子、
を具備し、
前記半導体素子の裏面と前記第2の導体層とが熱的および電気的に接続され、前記多層基板の側面には前記第2の導体層および前記第4の導体層と熱的および電気的に接続される側面導体部が形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項15記載の半導体装置において、
前記半導体素子の熱が、前記第2の導体層および前記側面導体部を介して前記第4の導体層に伝導されることを特徴とする半導体装置。 - 請求項15記載の半導体装置において、
前記第1の誘電体層にはキャビティが形成され、前記キャビティから露出する前記第2の導体層上に前記半導体素子の裏面がダイボンディングされていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項15記載の半導体装置において、
前記第1の導体層上に前記半導体素子の裏面がダイボンディングされ、前記第1の誘電体層に形成された貫通孔を介して前記半導体素子の裏面が前記第2の導体層に熱的および電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項15記載の半導体装置において、
前記第3の導体層では、前記半導体素子の下方に対応する領域で伝送線路または回路素子の少なくとも一部が形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項15記載の半導体装置において、
前記第1の導体層に形成された伝送線路と前記第2の導体層とによってマイクロストリップ線路が形成されることを特徴とする半導体装置。
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