JP4822900B2

JP4822900B2 - 電子部品モジュール

Info

Publication number: JP4822900B2
Application number: JP2006089694A
Authority: JP
Inventors: 浩幸有川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: JP2007027684A

Description

本発明は、主として移動体通信機器に使用される電子部品モジュールに関するものである。

近年、配線基板上に半導体素子及び受動素子を含む複数の電子部品素子を搭載してなる電子部品モジュールが急速に普及してきている。

かかる電子部品モジュールとして、複数の電子部品素子を備え、これら複数の電子部品素子を配線基板の上面に並べて載置するとともに、電子部品素子を金属製のシールドケースで覆うようにした構造のものが知られている。

電子部品モジュールには、その使用時にジュール熱などを発生する発熱性を有した半導体素子（例えば、パワーアンプを内蔵した半導体素子）が使用されている。

かかる発熱性を有する半導体素子から発せられる熱が外部へ放散されずに半導体素子自体に蓄積されてしまうと、半導体素子が過度に高温となって半導体素子の電気的特性が大きく変動し、その結果、電子部品モジュールの動作が不安定になってしまう。また、半導体素子から発生する熱が、周囲の電子部品素子に影響を及ぼすことによりその特性を変動させることがあり、これも、電子部品モジュールの動作不安定を引き起こす要因となる。

そこで、半導体素子より発生した熱を電子部品モジュールの外部へ放出する手段として、半導体素子が実装される配線基板の内部で半導体素子の直下領域に、配線基板を厚み方向に貫く複数のサーマルビア導体を設けるとともに該サーマルビア導体を発熱性を有する半導体素子に接続させる方法が知られている。これによって、半導体素子で発生した熱を、サーマルビア導体を介して電子部品モジュールの外部へ放出させることが従来から行われている（例えば、特許文献１）。
特開２００３−２０４０１３号公報

しかしながら、上記のような構造を有する従来の電子部品モジュールは、複数の電子部品素子を同一平面上に並べて載置させているため、配線基板が大型化し、これによって電子部品モジュールの全体構造が大型化してしまうという欠点があった。

本発明は上記欠点に鑑み案出されたものであり、その主たる目的は、小型で且つ放熱性に優れた電子部品モジュールを提供することにある。

本発明の電子部品モジュールは、キャビティを設けた配線基板と、前記配線基板に搭載される第１の半導体素子及び発熱性を有する第２の半導体素子と、を具備する電子部品モジュールにおいて、前記第１の半導体素子を前記キャビティ内に収容するとともに、前記第２の半導体素子を放熱性基板に実装し、前記放熱性基板を前記キャビティの直上領域に位置するようにして前記配線基板の上面で且つ前記キャビティ開口部より外方に設けた接続パッドに導電性接合材を介して実装するとともに、前記接続パッドと前記配線基板の下面に設けた外部端子とを前記配線基板の厚み方向を貫く複数個の第１のサーマルビア導体により接続しており、前記キャビティは平面視したときに開口面が矩形状であり、前記第１のサーマルビア導体は前記第１の半導体素子を囲むようにして前記キャビティの四側面それぞれの外方位置に形成されていることを特徴とするものである。

本発明の電子部品モジュールによれば、第１の半導体素子を配線基板に設けたキャビティ内に収容するとともに、第２の半導体素子を放熱性基板に実装し、該放熱性基板を前記キャビティの直上領域に位置するようにして配線基板に実装するようにしたことから、第２の半導体素子から発せられる熱が放熱性基板に伝導し、第２の半導体素子に熱が蓄積されるのを有効に防止することができる。これによって、第２の半導体素子が過度に高温になることがなくなり、熱の影響による第２の半導体素子の電気的特性の変動を抑制することが可能となる。しかも、第１の半導体素子と第２の半導体素子とは積層方向に重なるようにして配置されることから、電子部品モジュールの全体構造を小型化することができる。

また本発明の電子部品モジュールは、前記放熱性基板を、前記配線基板の上面で且つ前記キャビティ開口部より外方に設けた接続パッドに導電性接合材を介して実装するとともに、前記接続パッドと前記配線基板の下面に設けた外部端子とを、前記配線基板の厚み方向を貫く複数個の第１のサーマルビア導体により接続している。これにより、前記放熱性基板に伝導した熱を、第１のサーマルビア導体、外部端子等を介して外部へ効率良く伝導することができ、放熱作用をより高めることが可能となる。さらに、キャビティは平面視したときに開口面が矩形状であり、第１のサーマルビア導体は第１の半導体素子を囲むようにしてキャビティの四側面それぞれの外方位置に形成されている。これにより、第１の半導体素子に対する外部からの電磁的なノイズの影響を低減することができる。

以下、本発明の電子部品モジュールを図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施形態においては第１の半導体素子としてベースバンドＩＣ（ＢＢＩＣ）、第２の半導体素子としてＲＦＩＣを用いた無線通信機器に使用される高周波モジュールとしての電子部品モジュールについて説明する。

図１（ａ）は本発明の一実施形態に係る電子部品モジュールの斜視図（ただし、樹脂材９は省略）、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す電子部品モジュールの分解斜視図、図２は図１（ａ）に示す電子部品モジュールに樹脂材９を設けた状態の断面図、図３は図１（ａ）に示す電子部品モジュールの上面図、図４は図１（ａ）に示す電子部品モジュールに使用される放熱性基板７の平面透視図、図５は図１に示す電子部品モジュールに組み込まれる回路のブロック図である。

同図に示す電子部品モジュールは、配線基板１、第１の半導体素子１０、放熱性基板７、及び第２の半導体素子１１から主に構成されており、図５において一点鎖線で囲んだフルモジュールの回路を備えている。

配線基板１は概略直方体形状をなし、上面側にキャビティ２が形成されている。また配線基板１には、第１の半導体素子１０、第２の半導体素子１１、ＳＡＷフィルタ１２、水晶発振器１３、チップ状電子部品１４が搭載されている。チップ状電子部品１４は、主にＲＦ用の電子部品素子であり、例えばコンデンサ、抵抗、インダクタ等である。また配線基板１の内部には、図２に示すように、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）やバラン等の受動素子１５が形成されるとともに、各素子同士を接続するために配線導体１６ａ及びビアホール導体１６ｂからなる内部配線１６が形成されている。さらに、配線基板１の内部には、後述する第１のサーマルビア導体８が形成されている。また、配線基板１の上面側には、配線基板上に搭載されている第２の半導体素子１１、ＳＡＷフィルタ１２、水晶発振器１３等を被覆する樹脂材９が形成されている。

このような配線基板１は、例えば、ガラス−セラミックス、アルミナ、ムライト等のセラミック材料を主成分とする絶縁体層を複数個積層することにより形成さている。特に、電子部品モジュールを高周波用の機器に使用する場合、配線基板１には、ガラス−セラミックス材料を用いることが好ましい。ガラス−セラミックス材料を用いることにより、配線として低抵抗導体であるＣｕやＡｇが使用しやすくなる。また、熱伝導性が比較的低いガラス−セラミックス材料を用いれば、後述するように第２の半導体素子１１から発生する熱が第１の半導体素子１０に伝わるのを有効に防止ことができる。

また配線基板１は、例えば、ガラス−セラミックス材料等のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面等に回路配線や接続パッドとなる導体ペーストを従来周知のスクリーン印刷法等で塗布するとともに、これを複数個積層してプレス成形した後、高温で焼成することによって製作される。

このような配線基板１の内部には内部配線１６ａやビアホール導体１６ｂ等が形成されるとともに下面には外部端子３が形成されている。また、上面には各種電子部品素子を実装するための電極パッド４や表面配線パターン（図示せず）が形成されている。

上述の内部配線１６や外部端子３、電極パッド５等は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｗ及びＭｏ等の金属を主成分とする材料からなり、例えばＡｇ系粉末、ホウ珪酸系低融点ガラスフリット、エチルセルロース等の有機バインダー、有機溶剤等を含有してなる導体ペーストを、配線基板１を構成する各絶縁体層となるセラミックグリーンシート上に、従来周知のスクリーン印刷等によって塗布し、焼成することによって形成される。

配線基板１に設けられたキャビティ２は、断面凹部形状で開口面が矩形状をなしており、第１の半導体素子１０を収容するようになっている。キャビティ２の開口面から底面までの深さは、収容される第１の半導体素子１０の上面が配線基板１の上面よりも突出しないように設定される。また、キャビティ２の平面寸法は、第１の半導体素子１０の平面寸法よりひと回り大きくなるように設定されている。すなわち、キャビティ２によって第１の半導体素子１０を少なくとも１個収容する分のスペースが確保される。

キャビティ２に収容される第１の半導体素子１０は、例えば、ＳｉやＧａＡｓ等の半導体素子基板の表面に、Ａｌ等の回路配線を形成した構造を有している。この第１の半導体素子１０は、フリップチップ型のＩＣであり、回路配線が形成された面を下面として、この下面に設けたパッドと、キャビティ２の底面に設けたパッドとを半田等の導電性接合材により、電気的・機械的に接続するようになっている。かかる第１の半導体素子１０は、図５に示すＢＢＩＣであり、例えば、音声信号やＲＦ信号を変復調する機能を有している。

第１の半導体素子１０の直上領域には、放熱性基板７が配置され、放熱性基板７の上面には発熱性を有する第２の半導体素子１１が実装されている。これにより、第１の半導体素子１０と第２の半導体素子１１とは積層方向に重なるようにして配置されることから、電子部品モジュールの全体構造を小型化することができる。また、全ての電子部品素子を配線基板１の上面側に配置させることにより、配線基板１の下面側にも電子部品素子を配置させる場合に比し、電子部品素子の実装作業が簡素化され、電子部品モジュールの生産効率がよい。

第２の半導体素子１１は、例えば、先に述べた第１の半導体素子１０と同様に、フリップチップ型のＩＣであり、ＳｉやＧａＡｓ等の半導体素子基板の表面に、Ａｌ等の回路配線を形成した構造を有している。また、第２の半導体素子１１は回路配線が形成された面を下面にして、この下面に設けたパッドと、放熱性基板７の上面に設けたパッドとを半田等の導電性接合材によって、電気的・機械的に接続するようになっている。かかる第２の半導体素子１１は、図５に示すＲＦＩＣであり、アンテナ（ＡＮＴ）で受信した信号を増幅、周波数変換してＢＢＩＣに復調信号を出力するＲＦ受信回路と、ＢＢＩＣからの信号を増幅、周波数変換してアンテナに出力するＲＦ送信回路を備えている。

第２の半導体素子１１は発熱性を有しており、内部に消費電力が比較的大きな素子、例えばパワーアンプ等を内蔵し、電子部品モジュールの使用時、ジュール熱を発生しやすいものである。ここで発熱性を有するとは、第１の半導体素子と比較して発熱しやすいことをいう。例えば、ＲＦＩＣとしての第２の半導体素子１１は内部にパワーアンプを内蔵し、その消費電力は、ベースバンドＩＣである第１の半導体素子１０の消費電力よりも大きい。

そして第２の半導体素子１１で発生した熱は、主に放熱性基板７へ伝導し、第２の半導体素１１から発生する熱が第２の半導体素子１１に蓄積されるのを有効に防止している。

また、第２の半導体素子１１から発生した熱が、第１の半導体素子１０や配線基板１の内部に形成されている受動素子１５等に伝わりにくくするために、放熱性基板７は、配線基板１の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料により形成されている。例えば、配線基板１がガラス−セラミックスを主成分とする絶縁体層により形成されている場合、放熱性基板７はアルミナを主成分とする絶縁体層により形成すればよい。放熱性基板７の主成分と配線基板１の主成分との熱伝導率λ[Ｗ／ｍＫ]の差は、１０以上であることが好ましく、より好ましくは１５以上である。

このように、放熱性基板７を配線基板１の主成分よりも高い熱伝導率を有する絶縁材料を用いて形成することにより、第２の半導体素子１１から放熱性基板７へ伝導した熱が、配線基板１へ伝わりにくくなる。これによって、配線基板１のキャビティ内に収容されている第１の半導体素子１０や配線基板１の内部に設けられている受動素子１５に対する熱の影響が低減され、電子部品モジュールの動作を安定化させることが可能となる。

かかる放熱性基板７は、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム等のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面等に回路配線や接続パッドとなる導体ペーストを従来周知のスクリーン印刷法等で塗布するとともに、これらを複数積層してプレス成形した後、高温で焼成することによって製作される。

また放熱性基板７は、概略直方体形状をなし、キャビティ２の開口部の一対の対向辺を跨ぐようにして配線基板１上に配置されている。そして、下面に設けた実装パッド４と配線基板１の上面でキャビティ２の開口部周囲に設けた接続パッド２１とを導電性接合材６により電気的・機械的に接続することにより、配線基板１の上面に実装されている。

そして、キャビティ２の開口部周囲に設けた接続パッド２１と配線基板１の下面に設けた外部端子３とは、配線基板１の厚み方向を貫く複数個の第１のサーマルビア導体８により接続されている。これによって、第２の半導体素子１１から放熱性基板７へ伝導した熱を、第１のサーマルビア導体８、外部端子３等を介して、電子部品モジュールの外部へ伝導させ、第２の半導体素子１１に熱が蓄積するのをより有効に防止することができる。また、第１の半導体素子１０や受動素子１５への熱の影響を低減させることもできる。また、第１のサーマルビア導体８を、第１の半導体素子１０を囲むようにしてキャビティ２の四側面それぞれの外方位置に形成するようにすれば、第１の半導体素子１０に対する外部からの電磁的なノイズの影響を低減させることができる。

放熱性基板７と第２の半導体素子１１の実装面との間には、伝熱用接合材１６が介在さされている。また、放熱性基板７の第２の半導体素子１１が実装されている主面７ａと反対側の主面７ｂには金属製のヒートシンク層１７が設けられている。そして、伝熱用接合材１６とヒートシンク層１７とは放熱性基板７を貫く複数個の第２のサーマルビア導体１８により接続されている。これによって、第２の半導体素子１１から発生する熱を伝熱用接合材１６により効率よく放熱性基板７へ伝導させることができ、さらには第２のサーマルビア導体１８及びヒートシンク層１７を介して外部へ熱を放散させやすくなる。

前記伝熱用接合材１６は、半田等からなり、第２の半導体素子１１の下面中央領域に形成されている。伝熱用接合材１６により、第２の半導体素子１１の放熱性基板７への接合強度を高めることができるという利点もある。

また、第２のサーマルビア導体１８は、伝熱用接合材１６の塗布領域と対応する箇所に放熱性基板２を貫くようにして複数個に設けられており、これら複数個の第２のサーマルビア導体１８が均一に分布するように、例えばマトリクス状に配置されている。

ヒートシンク層１７は、Ｗ、Ｍｏ等の金属材料から成り、放熱性基板７の下面７ｂの少なくとも伝熱用接合材１６と対向する領域に矩形状をなすようにして形成されている。

さらに、放熱性基板７の内部には、図４の放熱性基板７の平面透視図に示すように、第２のサーマルビア導体１８に接続されるとともに放熱性基板７の側面７ｃまで延在される放熱用導体パターン１９が形成されている。図４では、放熱性基板７の内部に形成されている放熱用導体パターン１９及び導体２０を点線で示している。この放熱用導体パターン１９により、第２の半導体素子１１から放熱性基板２へ伝導した熱をより効率的に外部へ放出することができるようになる。かかる放熱用導体パターン１９は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｗ等の金属を主成分とする材料からなり、放熱性基板７の中央領域に略矩形状をなすようにして形成された中央部１９ａと中央部１９ａから放熱性基板７の側面まで延在する延在部１９ｂとからなる。放熱用導体パターン１９の延在部１９ｂは、放熱性基板７の下面７ｂに設けられた実装パッド４と、ビアホール導体などの導体２０を介して接続されている。これによって、第１のサーマルビア導体８と第２のサーマルビア導体１８とが、放熱用導体パターン１９、導体２０等を介して熱的に接続されることになり、第２の半導体素子１１から発生する熱をより効果的に外部へ放散させることができ、電子部品モジュールの動作を安定化することが可能となる。

また、放熱用導体パターン１９の中央部１９ａの平面寸法を、第１の半導体素子１０もしくは第２の半導体素子１１の平面寸法より大きくなるように設定すれば、放熱用導体パターン１９の中央部１９ａが第１の半導体素子１０と第２の半導体素子１１との間に介在することになる。これにより、第１の半導体素子１０と第２の半導体素子１１との間で信号の干渉が起こるのを有効に防止することができる。また、電子部品モジュールの使用時、放熱用導体パターン１９がグランド電位に保持されるようにしておけば、第１の半導体素子１０と第２の半導体素子１１との間で信号の干渉が起こるのをより有効に防止することができる。従って、放熱用導体パターン１９はグランド用の外部端子３と接続させておくことが好ましい。

上述した第２の半導体素子１１、ＳＡＷフィルタ１２、水晶発振器１３、チップ状電子部品１４を被覆するようにして配線基板１の上面側に樹脂材９が形成されている。樹脂材９は、例えば、エポキシ等の樹脂材料が用いられ、第２の半導体素子１１、ＳＡＷフィルタ１２、水晶発振器１３、チップ状電子部品１４の接合強度を補強している。

また樹脂材９はキャビティ２内にも充填されている。これによって、第１の半導体素子１０の配線基板１に対する接合強度を補強することができる。

また樹脂材９の上面には図８に示すように、電磁波シールド機能を有するシールド層２１を形成してもよい。電子部品モジュールを例えば８００ＭＨｚ以上の無線周波数を扱う携帯電話等の高周波回路に組み込むときは、シールド層２１を、焼結金属粒子のみからなる金属焼結層で形成することが好ましい。ここで金属焼結層とは、バインダー等の樹脂成分を殆ど含有せず、金属の微粒子が焼結したものである。この金属焼結層は、平均粒径１ｎｍ〜１００ｎｍ、より好適には、平均粒径１０ｎｍ〜５０ｎｍの金属ナノ粒子を有機系の分散溶媒、例えばトルエン、テルピネオール、キシレン、テトラデカン等で分散させ、ペースト状にした後、樹脂材９の上面に塗布し、これを１３０〜３００℃で加熱処理することにより形成される。このようにナノオーダーの金属粒子からなるペーストを用いることにより、緻密な金属層が形成され、外部からの電磁的なノイズを有効に遮蔽することができる。なお、金属焼結層の金属材料としてはＡｇ、Ｃｕ、Ｎｉ等が例示できる。また、金属焼結層の厚みは、例えば５〜１０μｍに設定される。

なお、シールド層２１としては、上記金属焼結層の他に、例えば、エポキシ等の樹脂材料中にＡｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属粉末を分散させた導電性樹脂材が例示できる。

図６は、本発明に係る電子部品モジュールの他の実施例を示す断面図である。同図に示す電子部品モジュールは、第２の半導体素子１１が放熱性基板７の下面７ｂに実装されている点で図１に示す電子部品モジュールと異なっている。また、ヒートシンク層１７は放熱性基板７の上面７ａ側に設けられている。図６に示す電子部品モジュールの場合、ヒートシンク層１７が放熱性基板の上面７ａ側に設けられているので、第２の半導体素子１１からヒートシンク層１７に伝導してきた熱が外部へ放出されやすい構造となっている。また、樹脂材９をヒートシンク層１７が露出するようにして形成すれば、ヒートシンク層１７の放熱効果をより高めることができる。

図７は、本発明に係る電子部品モジュールのさらに他の実施例を示す断面図である。同図に示す電子部品モジュールは、キャビティ２が配線基板１の下面側に設けられている点で図１に示す電子部品モジュールと異なっている。

尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良が可能である。

例えば、上述した実施形態においては、配線基板上の第２の半導体素子１１、ＳＡＷフィルタ１２、水晶発振器１３等を被覆するように樹脂材９を設けたが、樹脂材９に代えて、配線基板１の上面に第２の半導体素子１１、ＳＡＷフィルタ１２、水晶発振器１３等を覆う金属製のシールドケースを装着するようにしてもよい。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る電子部品モジュールの樹脂材を省略した状態の外観斜視図、（ｂ）は(ａ)に示す電子部品モジュールの分解斜視図である。図１（ａ）に示す電子部品モジュールに樹脂材を形成した状態の断面図である。図１（ａ）に示す電子部品モジュールの平面図である。図１（ａ）に示す電子部品モジュールに使用される放熱性基板の平面透視図である。図１（ａ）に示す電子部品モジュールに組み込まれる回路のブロック図である。本発明の他の実施形態に係る電子部品モジュールの断面図である。本発明の他の実施形態に係る電子部品モジュールの断面図である。図１に示す電子部品モジュールの変形例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・配線基板
２・・・キャビティ
３・・・外部端子
４・・・実装パッド
５・・・電極パッド
６・・・導電性接合材
７・・・放熱性基板
８・・・第１のサーマルビア導体
９・・・樹脂材
１０・・・第１の半導体素子（ＲＦＩＣ）
１１・・・第２の半導体素子（ベースバンドＩＣ）
１２・・・ＳＡＷフィルタ
１３・・・水晶発振器
１４・・・チップ状電子部品
１５・・・受動素子
１６・・・伝熱用接合材
１７・・・ヒートシンク層
１８・・・第２のサーマルビア導体
１９・・・放熱用導体パターン

Claims

キャビティを設けた配線基板と、前記配線基板に搭載される第１の半導体素子及び発熱性を有する第２の半導体素子と、を具備する電子部品モジュールにおいて、
前記第１の半導体素子を前記キャビティ内に収容するとともに、前記第２の半導体素子を放熱性基板に実装し、前記放熱性基板を前記キャビティの直上領域に位置するようにして前記配線基板の上面で且つ前記キャビティ開口部より外方に設けた接続パッドに導電性接合材を介して実装するとともに、前記接続パッドと前記配線基板の下面に設けた外部端子とを前記配線基板の厚み方向を貫く複数個の第１のサーマルビア導体により接続しており、
前記キャビティは平面視したときに開口面が矩形状であり、前記第１のサーマルビア導体は前記第１の半導体素子を囲むようにして前記キャビティの四側面それぞれの外方位置に形成されていることを特徴とする電子部品モジュール。
前記第２の半導体素子が前記放熱性基板の下面に実装されていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品モジュール。
前記放熱性基板の上面にヒートシンク層が形成されるとともに、該ヒートシンク層の少なくとも一部が外部に露出するように前記配線基板の上面に樹脂材が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電子部品モジュール。
前記放熱性基板と前記第２の半導体素子の実装面との間に伝熱用接合材を介在させるとともに、前記放熱性基板の前記第２の半導体素子が実装されている面と反対側の面に金属製のヒートシンク層を設け、前記伝熱用接合材と前記ヒートシンク層とを前記放熱性基板を貫く複数個のマトリクス状に配置された第２のサーマルビア導体により接続したことを特徴とする請求項１に記載の電子部品モジュール。
前記放熱性基板及び前記第２の半導体素子を被覆する樹脂材が設けられており、前記樹脂材の外表面を被覆するシールド層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品モジュール。
前記放熱性基板の内部に、前記第２のサーマルビア導体に接続されるとともに前記放熱性基板の側面まで延在される放熱用導体パターンを設けたことを特徴とする請求項４に記載の電子部品モジュール。
前記放熱性基板の前記配線基板への実装面には前記接続パッドに前記導電性接合材を介して接続される実装パッドが設けられており、該実装パッドと前記放熱用導体パターンとを導体を介して接続することにより、前記第１のサーマルビア導体と前記第２のサーマルビア導体とを熱的に接続したことを特徴とする請求項６に記載の電子部品モジュール。