專利名稱：高頻器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及其中在半導(dǎo)體芯片上集成有高頻電路的高頻器件，更具體地，涉及通過使用芯片尺寸封裝(chip sized package)減小其尺寸并改進其高頻特性的高頻器件。
背景技術(shù)：
便攜式通信設(shè)備的廣泛普及產(chǎn)生了對安裝于其上的低成本、緊湊且高功能的器件的需求。存在使用硅基板以降低成本的高頻器件。已提出在硅基板上而非在更昂貴的傳統(tǒng)型鎵砷基板上形成高頻電路。另外，使用芯片尺寸封裝或芯片級封裝(chip scale package)(CSP)以減小尺寸。芯片尺寸封裝具有以下結(jié)構(gòu)，其中通過模具模制法在半導(dǎo)體芯片基板上形成由諸如聚酰亞胺的樹脂構(gòu)成的密封電絕緣層，由此密封該半導(dǎo)體芯片。在這種結(jié)構(gòu)中，封裝尺寸與芯片尺寸相同并且可實現(xiàn)高密度安裝。通過在同一半導(dǎo)體芯片上形成接收電路和發(fā)送電路獲得高功能器件，并且可以在單個芯片內(nèi)執(zhí)行高頻信號的發(fā)送和接收、信號的調(diào)制和解調(diào)以及基帶信號的處理。因此，各種高頻信號將通過單個芯片的輸入和輸出端子，從而必須考慮輸入和輸出端子上的高頻特性。
已經(jīng)提出了倒裝芯片接合(flip chip bonding)(FCB)法作為用于使半導(dǎo)體器件小型化的方法。倒裝芯片接合法代表這樣一種技術(shù)，即，通過該技術(shù)，設(shè)置多個焊球作為半導(dǎo)體芯片表面上的輸入和輸出端子，并通過這些焊球?qū)雽?dǎo)體芯片接合到封裝基板，由此使得可以將芯片的大量輸入和輸出端子連接到封裝基板的端子，而無需使用引線接合，從而減小了封裝尺寸。
已經(jīng)提出了多種方法以增加使用這種倒裝芯片接合法的半導(dǎo)體器件中的輸入和輸出端子的高頻特性。在日本專利申請?zhí)亻_No.H09-306917、H10-64953和2002-313930中描述了這些方法的示例。日本專利申請?zhí)亻_No.H09-306917描述了這樣的結(jié)構(gòu)，其中在形成有焊接凸起(solder bump)的焊盤中，將用于輸入和輸出高頻信號的高頻輸入和輸出焊盤的表面面積加工得較小，而將不用于輸入和輸出高頻信號的其它焊盤的表面面積加工得較大。在該結(jié)構(gòu)中，減小用于輸入和輸出高頻信號的高頻輸入和輸出焊盤的表面面積使得可以減小半導(dǎo)體基板的寄生阻抗并減小信號損耗。
日本專利申請?zhí)亻_No.H10-64953描述了當在GaAs半導(dǎo)體基板上形成稱為導(dǎo)電柱(pillar)的導(dǎo)電連接端子時，采用鍍敷工藝中的連接端子的開口直徑與高度之間的關(guān)系，通過減小開口直徑形成短連接端子，通過增大開口直徑形成長連接端子，并調(diào)整這兩種類型的連接端子的高度。結(jié)果，可以形成具有低電阻的短連接端子，并且可以降低高頻半導(dǎo)體芯片的連接端子的阻抗和電容。
日本專利申請?zhí)亻_No.2002-313930描述了一種通過使用球柵陣列(ball grid array)的倒裝芯片接合而獲得的半導(dǎo)體器件，其中在金屬布線的上方和下方形成有連接到基準電位的屏蔽布線層，并形成有帶狀線結(jié)構(gòu)以獲得傳播高頻信號的金屬布線的恒定特性阻抗。
上述日本專利申請?zhí)亻_No.H09-306917、H10-64953和2002-313930涉及倒裝芯片接合，通過所述倒裝芯片接合將芯片接合到封裝內(nèi)部，并且封裝尺寸大于芯片尺寸。因此，從小型化的角度來看，上述公開的配置與芯片尺寸封裝的配置不同。
在日本專利申請?zhí)亻_No.2002-243570中描述了芯片尺寸封裝的示例。在該示例中，由聚酰胺構(gòu)成的密封樹脂層形成在半導(dǎo)體基板上，在密封樹脂層內(nèi)形成有輸入和輸出端子的接線柱(post)，并通過在半導(dǎo)體基板和密封樹脂層的界面上形成電感元件來形成輸入/輸出端子的阻抗匹配電路。由于封裝狀態(tài)是通過在半導(dǎo)體芯片的表面上形成密封樹脂層而獲得的，所以與倒裝芯片型的封裝相比可以減小尺寸，并且可以有效地獲得可安裝在便攜式通信設(shè)備內(nèi)的緊湊半導(dǎo)體器件。
因此，在小型化方面，芯片尺寸封裝比倒裝芯片封裝具有優(yōu)勢。但是，具有密封功能的密封電絕緣層或樹脂層比芯片表面上的多層布線層要厚得多，形成在樹脂層內(nèi)的導(dǎo)電接線柱的高度變得相當大，并且與高頻信號有關(guān)的特性嚴重下降。在高頻信號中，對于低功率的高頻信號，需要能夠避免其損耗特性下降的配置，而對于高功率的高頻信號，需要除了損耗特性以外還具有充分的電流供給能力的配置。另外，對于較高頻帶，應(yīng)該抑制安裝基板上的高頻電路與半導(dǎo)體芯片上的高頻電路的耦合。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種通過利用芯片尺寸封裝減小其尺寸并改進其高頻特性的高頻器件。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種高頻器件，其包括半導(dǎo)體基板；高頻電路層，其形成在半導(dǎo)體基板的表面上，并包括電路元件和多層布線層；多個導(dǎo)電焊盤，其形成在高頻電路層上，并連接到高頻電路的輸入和輸出以及連接到電源；多個重新布線(rewiring)層，其隔過第一電絕緣層形成在高頻電路層上，并分別連接到所述多個導(dǎo)電焊盤；電絕緣密封層，其形成在第一電絕緣層和重新布線層上，并具有大于多層布線層的厚度；多個安裝連接端子，其設(shè)置在電絕緣密封層上，并與所述多個導(dǎo)電焊盤對應(yīng)；多個導(dǎo)電接線柱，其設(shè)置在電絕緣密封層內(nèi)，并且設(shè)置在重新布線層與安裝連接端子之間，其中高頻電路層的高頻電路包括輸入放大器和功率輸出放大器，所述輸入放大器用于對從對應(yīng)于輸入的導(dǎo)電接線柱輸入的高頻接收信號進行放大，所述功率輸出放大器用于放大高頻發(fā)送信號并將其從對應(yīng)于輸出的導(dǎo)電接線柱輸出，并且對應(yīng)于電源的第一導(dǎo)電接線柱具有第一直徑；與輸入放大器的輸入對應(yīng)的第二導(dǎo)電接線柱具有比第一直徑小的第二直徑；以及與功率輸出放大器的輸出對應(yīng)的第三導(dǎo)電接線柱具有比第二直徑大的第三直徑。
上述第一方面的優(yōu)選實施例的器件包括第一屏蔽層，其設(shè)置在高頻電路層上且在第二或第三導(dǎo)電接線柱的下方，并連接到固定電位。
上述第一方面的優(yōu)選實施例的器件包括第二屏蔽層，其是高頻電路層的上層部分，設(shè)置在連接到第二或第三導(dǎo)電接線柱的導(dǎo)電焊盤的下方，并連接到固定電位。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種高頻器件，其包括第二屏蔽層，其設(shè)置在多層布線層的內(nèi)部且在連接到第二或第三導(dǎo)電接線柱的導(dǎo)電焊盤的下方，并連接到固定電位，以及電感，其位于高頻電路層的上方，形成在多個重新布線層之間，并具有盤繞結(jié)構(gòu)，其中輸入放大器或功率輸出放大器的阻抗匹配電路由該電感和導(dǎo)電焊盤與第二屏蔽層之間的電容組成。
作為上述第二方面的變型例，阻抗匹配電路由設(shè)置在第二或第三導(dǎo)電接線柱下方的第一屏蔽層與所述導(dǎo)電接線柱之間的電容構(gòu)成。另選地，阻抗匹配電路由第三屏蔽層與所述導(dǎo)電焊盤之間的電容構(gòu)成，所述第三屏蔽層設(shè)置在第二或第三導(dǎo)電接線柱和與其相連的導(dǎo)電焊盤的下方。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種高頻器件模塊，其包括用于處理第一高頻帶信號的第一高頻器件和用于處理第二高頻帶信號的第二高頻器件，所述第二高頻帶高于所述第一高頻帶，并且第二高頻器件的導(dǎo)電接線柱的高度大于第一高頻器件的導(dǎo)電接線柱的高度。
根據(jù)上述第一方面，當在具有高度比LSI(大規(guī)模集成電路)的多層布線層的高度大的導(dǎo)電接線柱的芯片尺寸封裝中形成高頻電路時，通過增大電源接線柱的直徑來增大容許電流值，通過減小與高頻接收信號對應(yīng)的接收接線柱的直徑，來減小基板和長導(dǎo)電接線柱之間的寄生電容和寄生電阻并減小高頻信號損耗，相對于接收側(cè)的第二導(dǎo)電接線柱的直徑，增大與高頻發(fā)送信號對應(yīng)的發(fā)送側(cè)的第三導(dǎo)電接線柱的直徑，由此增大容許電流值，盡管該接線柱用于高頻信號。在芯片尺寸封裝中，高度大的導(dǎo)電接線柱由于電感的Q值降低而增大損耗或?qū)е赂哳l特性劣化。上述配置用于解決該問題。
在第一方面的優(yōu)選實施例中，采用以下配置其中，在發(fā)送高頻信號但直徑被增大以確保大電流的發(fā)送側(cè)的第三導(dǎo)電接線柱中，形成有第一屏蔽層，使得發(fā)送接線柱的寄生電容固定在預(yù)定值，并抑制半導(dǎo)體基板的寄生電阻，從而改進高頻特性。因此，抑制了發(fā)送側(cè)的導(dǎo)電接線柱的高頻特性的劣化。
根據(jù)第二方面，阻抗匹配電路可由具有盤繞結(jié)構(gòu)并形成在重新布線層之間的電感元件與由屏蔽層產(chǎn)生的寄生電容組成，并且該阻抗匹配電路可以高效地形成。
根據(jù)第三方面，優(yōu)選地，盡可能地降低導(dǎo)電接線柱的高度以減少導(dǎo)電接線柱上的損耗，但在較高頻帶中，高頻電路層的電路與安裝基板的電路之間的耦合效應(yīng)必須通過增大兩者之間的距離來進行抑制。因此，將用于較高頻帶的高頻器件的導(dǎo)電接線柱加工得較高，并且將用于較低頻帶的高頻器件的導(dǎo)電接線柱加工得較低。在低頻帶中，上述耦合效應(yīng)很弱。因此，通過進一步降低導(dǎo)電接線柱的高度來抑制損耗增加。


圖1是本實施例的高頻器件的剖視圖；圖2是對圖1中所示的部分X進行放大的剖視圖；圖3示出了在本實施例中高頻電路和導(dǎo)電接線柱之間的關(guān)系；圖4是本實施例的半導(dǎo)體器件的安裝表面?zhèn)鹊钠矫鎴D；
圖5示出了本實施例的接收接線柱和發(fā)送接線柱的結(jié)構(gòu)示例；圖6示出了本實施例的電源接線柱和接地接線柱的結(jié)構(gòu)示例；圖7A-7D示出了接收接線柱和發(fā)送接線柱的結(jié)構(gòu)示例；圖8A-8C示出了接收接線柱和發(fā)送接線柱的另一個結(jié)構(gòu)示例；圖9示出了接收低噪放大器和發(fā)送功率放大器的電路示例；圖10是示出導(dǎo)電接線柱的直徑與損耗之間的關(guān)系的曲線圖；圖11是示出對于多個導(dǎo)電接線柱直徑，在頻率與損耗之間的關(guān)系的曲線圖；圖12是示出對于多個導(dǎo)電接線柱直徑，在具有和不具有導(dǎo)電屏蔽層的情況下獲得的頻率與損耗之間的關(guān)系的曲線圖；圖13是示出對于多個導(dǎo)電接線柱直徑，在頻率與電感的Q值之間的關(guān)系的曲線圖；圖14是第二實施例的高頻器件模塊的結(jié)構(gòu)圖；以及圖15A-15B是兩種類型的高頻器件的剖視圖。
具體實施例方式
下面參照附圖對本發(fā)明的實施例進行說明。但是，本發(fā)明的范圍并不限于這些實施例，而是覆蓋在專利權(quán)利要求及其等同物中所描述的發(fā)明。
圖1是本實施例的高頻器件的剖視圖。在硅半導(dǎo)體基板10的表面處，形成有諸如晶體管的多個電路元件，所述電路元件和連接這些電路元件的多層布線層12一起構(gòu)成高頻電路層。如以下所述，該高頻電路由諸如晶體管的電路元件、輸入、輸出、電源、地等組成。導(dǎo)電焊盤14被形成為多層布線層12的最上導(dǎo)電層并與位于多層布線層12內(nèi)部的布線(在該圖中未示出)相連接。在多層布線層12上形成有由聚酰亞胺制成并通過涂覆方法形成的第一電絕緣層16，并在其上形成有連接到導(dǎo)電焊盤14的重新布線電路22。重新布線層22和導(dǎo)電焊盤14與設(shè)置在第一電絕緣層16內(nèi)的通孔18相連接。
此外，在重新布線層22上形成有導(dǎo)電接線柱24A-24E，在導(dǎo)電接線柱24的上端上隔過阻擋金屬層(barrier metal layer)26形成有焊接凸起28。另外，在第一電絕緣層16和重新布線層22上形成有由諸如聚酰亞胺的樹脂構(gòu)成的密封電絕緣層20，以填充多個導(dǎo)電接線柱24之間的空間。密封電絕緣層20具有比多層布線層12大的厚度，由此完全密封半導(dǎo)體芯片表面并提供封裝的高強度。因此，圖1中所示的配置提供了其中密封有半導(dǎo)體芯片的封裝結(jié)構(gòu)，封裝尺寸與半導(dǎo)體芯片的尺寸相同。換句話說，其為芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)。
圖2是圖1中所示的部分X的放大剖視圖。在硅半導(dǎo)體基板10的表面11處形成的電路元件(例如晶體管)通過位于其上的多層布線層12的布線相連接，并構(gòu)成高頻電路13。由聚酰亞胺等構(gòu)成的第一電絕緣層16形成在由鋁等組成的導(dǎo)電焊盤14上，該導(dǎo)電焊盤14形成在多層布線層12的表面上。在第一電絕緣層16中與導(dǎo)電焊盤14對應(yīng)的位置處形成有接觸孔，通過濺射法等形成有籽晶金屬(seed metal)層22B，并通過鍍敷工藝在該籽晶金屬層22B上形成有比較厚的鍍銅層22A。該籽晶金屬層22B和鍍銅層22A構(gòu)成重新布線層22。
另外，形成有保護層(resist layer)(在該圖中未示出)，在形成導(dǎo)電接線柱的位置處形成一開口，并通過銅鍍敷工藝在該開口內(nèi)形成具有指定高度的導(dǎo)電接線柱24A。在導(dǎo)電接線柱24A的位置處，重新布線層22具有直徑比導(dǎo)電接線柱24A的直徑大的圓柱焊盤形狀。之后，通過模制工藝在第一電絕緣層16上形成聚酰亞胺等的密封電絕緣層20，從而將高頻電路層13對外部密封。之后在導(dǎo)電接線柱24A的上端形成阻擋金屬層26和焊接凸起28。
為了實現(xiàn)對外部的完全密封并確保一定的封裝強度，將密封電絕緣層20形成為具有例如70μm的厚度。因此，密封電絕緣層20被形成為厚度大于多層布線層13或第一電絕緣層16的厚度。結(jié)果，通過嵌入密封電絕緣層20而形成的導(dǎo)電接線柱24A-24E的高度大于多層布線層13的高度。根據(jù)具有這種大高度的導(dǎo)電接線柱，當發(fā)送高頻信號時，接線柱本身的阻抗以及導(dǎo)電接線柱與硅半導(dǎo)體基板10或周圍導(dǎo)電物質(zhì)之間的寄生電容或者這些物質(zhì)的寄生電阻影響高頻特性。特別地，寄生電容或寄生電阻增加了從導(dǎo)電接線柱24發(fā)送的高頻信號的損耗。因此，希望用于發(fā)送高頻信號的導(dǎo)電接線柱的直徑盡可能小，并且希望減小與其相連接的寄生電容或寄生電阻。
此外，由于導(dǎo)電接線柱的直徑比多層布線層12中的布線或通孔的直徑大，所以它們與位于半導(dǎo)體基板內(nèi)的高頻電路的高頻信號的耦合變得較大。特別地，如果希望降低硅半導(dǎo)體基板10的成本，則必須使用具有低電阻(例如，0.001-10Ω)的硅基板替代高電阻的GaAs基板。如果半導(dǎo)體基板10具有低電阻，則位于基板內(nèi)的高頻電路的信號將通過基板影響導(dǎo)電接線柱。因此，優(yōu)選地，為用于發(fā)送高頻信號的導(dǎo)電接線柱提供屏蔽結(jié)構(gòu)，從而抑制與其它高頻電路的耦合。
另一方面，當將導(dǎo)電接線柱用于地電源的供應(yīng)端子時，希望減小其阻抗同時增大容許電流。另外，即使發(fā)送高頻信號，當導(dǎo)電接線柱對應(yīng)于功率放大器等的輸出端子時，優(yōu)選的是除了改進高頻特性之外還提供高電流供給能力。為了滿足該需求，希望導(dǎo)電接線柱的直徑較大。但是，由于存在與信號損耗和耦合相關(guān)聯(lián)的問題，所以必須附加地或單獨地提供解決這些問題的結(jié)構(gòu)。
在由圖1中的剖視圖所示的示例中，減小了作為多個導(dǎo)電接線柱之一的導(dǎo)電接線柱24E的直徑，并將該導(dǎo)電接線柱24E用作發(fā)送高頻信號但不需要這種高電流供給能力的接線柱。其它導(dǎo)電接線柱24A-24D的直徑大于上述接線柱24E的直徑，并將它們用作需要高電流供給能力的接線柱。如上所述，因為導(dǎo)電接線柱非常高，所以必須依據(jù)高頻電路的哪個輸入或輸出端子連接到該接線柱來對所述導(dǎo)電接線柱的直徑的尺寸進行優(yōu)化。
圖3示出了本實施例中的導(dǎo)電接線柱與高頻電路之間的關(guān)系。無線通信電路30由半導(dǎo)體基板表面處以及多層布線層處的電路元件組成，并具有作為高頻電路的高頻前端單元32、基帶單元34、以及連接到基帶單元34以執(zhí)行指定數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)處理單元(在該圖中未示出)。高頻前端單元32例如包括接收高頻電路，其包括作為接收側(cè)的前置放大器的低噪聲放大器36(LNA)，正交解調(diào)器38、40、50，低通濾波器42、44，放大器46、48，以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D；以及發(fā)送高頻電路，其包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A，放大器60、68，低通濾波器62、64，正交調(diào)制器58、60、52，以及作為輸出放大器的功率放大器56(PA)。將由本機振蕩器52產(chǎn)生的振蕩信號直接或通過90°相移電路50、52提供給正交解調(diào)器38、30和正交調(diào)制器58、60。
將高頻接收信號通過設(shè)置在芯片尺寸封裝外部的天線74、帶通濾波器72以及輸入/輸出切換器70發(fā)送到接收接線柱24E和輸入匹配電感77，并輸入到低噪聲放大器36。因此，將接收接線柱24E形成為具有較小直徑以使得在小功率高頻信號中不引起損耗。減小直徑使得可以降低例如與接線柱24E相連接的密封樹脂層20的寄生電容或者與該寄生電容相連接的半導(dǎo)體基板中的寄生電阻，并且使得可以最小化由這些寄生電容和寄生電阻引起的高頻信號損耗。此外，在接收接線柱24E與半導(dǎo)體基板之間、或者在連接到接收接線柱24E的導(dǎo)電焊盤與半導(dǎo)體基板之間設(shè)置有連接到固定電位(例如地電位)的導(dǎo)電屏蔽層76。導(dǎo)電屏蔽層76使得可以將寄生電容減小到可預(yù)測的水平并可以抑制由半導(dǎo)體基板產(chǎn)生的寄生電阻效應(yīng)。另外，也可以抑制與半導(dǎo)體基板的其它高頻電路的耦合效應(yīng)。
另一方面，作為功率放大器56的輸出的高頻發(fā)送信號通過輸出匹配電感79和輸出接線柱24A傳播，并被通過輸入/輸出切換器70、帶通濾波器72和高頻天線74發(fā)送。為了利用功率放大器56發(fā)送高功率高頻發(fā)送信號，將發(fā)送接線柱24A形成為使其直徑大于輸入接線柱24E的直徑。增大直徑擴大了發(fā)送接線柱的橫截面面積，減小了其阻抗，并允許提供大電流。另外，增大發(fā)送接線柱24A的直徑也增大了寄生電容或寄生電阻并增大了損耗。為了對此進行控制，在發(fā)送接線柱24A與半導(dǎo)體基板之間、或者在連接到發(fā)送接線柱24A的導(dǎo)電焊盤與半導(dǎo)體基板之間設(shè)置有連接到固定電位(例如地電位)的導(dǎo)電屏蔽層78。導(dǎo)電屏蔽層78使得可以將寄生電容減小到可預(yù)測的水平并可以抑制由半導(dǎo)體基板產(chǎn)生的寄生電阻效應(yīng)。此外，還可以抑制與半導(dǎo)體基板的其它高頻電路的耦合效應(yīng)。
將低噪聲放大器36和功率放大器56連接到電源Vdd或地GND。由此，將這些放大器連接到電源接線柱24F和接地接線柱24G。將這些電源接線柱和接地接線柱形成為具有大直徑，從而使得它們可以提供大電流并可以防止低噪聲放大器或功率放大器的地電位浮動。換句話說，這些接線柱24F、24G的直徑至少大于接收接線柱24E的直徑，并且如果有必要，還大于發(fā)送接線柱24A的直徑。例如，在圖1中可由例如直徑比接線柱24E的直徑大的接線柱24B、24C、24D來實現(xiàn)這些接線柱24F、24G。
圖4是本實施例中的半導(dǎo)體器件的安裝表面?zhèn)鹊钠矫鎴D。在該平面圖中沒有顯示焊接凸起。在安裝表面?zhèn)?，形成有密封樹脂?0，并且多個導(dǎo)電接線柱嵌入在密封樹脂層20中。分別在低噪聲放大器(LNA)和功率放大器(PA)的一側(cè)形成有上述直徑的輸入接線柱(接收接線柱)24E和輸出接線柱(發(fā)送接線柱)24A。此外，將電源接線柱24F和接地接線柱24G形成為具有各自的大直徑。另外，通過使用圖1和2中所示的第一電絕緣層16上的重新布線層22形成連接到輸入接線柱24E和輸出接線柱24A的螺旋電感77、79。
盡管在圖4中不太清楚，但是在離周圍接線柱的指定距離處設(shè)置了輸入接線柱24E和輸出接線柱24A，以防止與周圍接線柱發(fā)生短路。因此，以低密度排列輸入接線柱或輸出接線柱。與之對照，設(shè)置多個接地接線柱24G以改進高頻特性(接地增強)、減小熱阻并增大容許電流，并且因為容許其相互短路，所以高密度地排列這些接地接線柱。與接地接線柱類似地排列電源接線柱24F。當設(shè)置多個輸入接線柱或輸出接線柱時，可以高密度地排列這些接線柱。
圖5示出了本實施例的接收接線柱和發(fā)送接線柱的結(jié)構(gòu)示例。在此，上面的圖為剖視圖，下面的圖為俯視圖。發(fā)送接線柱顯示在右側(cè)，接收接線柱顯示在左側(cè)。如上所述，導(dǎo)電接線柱24被形成為使得接收接線柱的直徑小于發(fā)送接線柱的直徑。另外，在接線柱24與半導(dǎo)體基板之間形成有連接到諸如地電位的固定電位的導(dǎo)電屏蔽層76、78。更具體地，與位于多層布線層12上的導(dǎo)電焊盤14相類似，由鋁層形成這些導(dǎo)電屏蔽層76、78，并且優(yōu)選地，這些屏蔽層具有長度大于導(dǎo)電接線柱24的直徑或接線柱焊盤22的直徑的矩形形狀，或者具有直徑大于導(dǎo)電接線柱24的直徑或接線柱焊盤22的直徑的圓形形狀。可通過嵌入到多層布線層12中來形成導(dǎo)電屏蔽層76、78。
形成這種導(dǎo)電屏蔽層76、78使得可以形成與發(fā)送高頻信號的導(dǎo)電接線柱24的固定寄生電容，并可以獲得連接到導(dǎo)電接線柱24的寄生電容的可預(yù)測值。此外，由于導(dǎo)電屏蔽層76、78形成在導(dǎo)電接線柱24與半導(dǎo)體基板(在該圖中未示出)之間，所以半導(dǎo)體基板中存在的寄生電阻不會連接到導(dǎo)電接線柱24。因此，在導(dǎo)電接線柱與半導(dǎo)體基板之間設(shè)置導(dǎo)電屏蔽層76、78使得可以抑制信號損耗，并且對接收接線柱和發(fā)送高頻信號的發(fā)送接線柱都有利。該屏蔽層對于抑制其中增大了接線柱直徑以確保提供高電流的發(fā)送接線柱中的信號損耗尤其有效。
然而，盡管導(dǎo)電屏蔽層的存在使得可以抑制半導(dǎo)體基板的寄生電阻，但其為導(dǎo)電接線柱提供了固定的寄生電容。在較低頻帶，由于寄生電阻比寄生電容對信號損耗產(chǎn)生的影響大，所以寄生電阻的減小有助于損耗降低。另一方面，在高頻帶，因為寄生電容比寄生電阻對信號損耗產(chǎn)生的影響大，所以設(shè)置導(dǎo)電屏蔽層有時變得沒有必要。
在導(dǎo)電焊盤14與半導(dǎo)體基板之間的多層布線層12中形成導(dǎo)電屏蔽層也是有效的。這是因為這種構(gòu)造使得可以獲得寄生電容的可預(yù)測值并且可以抑制基板的寄生電阻。在下文中將對該情況進行更詳細的說明。
圖6示出了本實施例中的電源接線柱和接地接線柱的結(jié)構(gòu)示例。在這些接線柱24中，增大直徑，增大容許電流，并抑制其本身的阻抗。因為這些接線柱不發(fā)送高頻信號，所以不形成屏蔽層。
圖7A-7D示出了接收接線柱或發(fā)送接線柱的結(jié)構(gòu)示例。在圖中，圖7A是俯視圖，圖7B是剖視圖，圖7C、圖7D是立體圖。在該結(jié)構(gòu)示例中，如俯視圖7A和剖視圖7B所示，導(dǎo)電接線柱24和導(dǎo)電焊盤(通孔焊盤(via pad))14彼此相距指定距離。導(dǎo)電焊盤14具有直徑大于通孔18的直徑的圓形形狀，并且由多層布線層12的最上層的金屬層形成。
當兩個接線柱彼此相距指定距離時，在與位于導(dǎo)電接線柱24下方的導(dǎo)電焊盤14相同的層中形成有第一導(dǎo)電屏蔽層80，并且在位于導(dǎo)電焊盤(通孔焊盤)14下方的多層布線層12中形成有第二導(dǎo)電屏蔽層82。由多層布線層12的最上金屬層形成第一導(dǎo)電屏蔽層80。形成這兩個屏蔽層80、82可使與半導(dǎo)體基板10的寄生電容接近可預(yù)測的固定值，以抑制由半導(dǎo)體基板引起的寄生電阻，并抑制與其它高頻電路的耦合。如下所述，固定寄生電容使得可將其用作阻抗匹配電路的電容元件。此外，抑制寄生電阻使得可以抑制高頻信號損耗。
圖8A-8C示出了接收接線柱和發(fā)送接線柱的另一結(jié)構(gòu)示例。在圖中，圖8A是俯視圖，圖8B是剖視圖，圖8C是立體圖。如俯視圖8A和剖視圖8B中所示，該示例是示出如下情況的結(jié)構(gòu)示例其中，導(dǎo)電接線柱24和導(dǎo)電焊盤(通孔焊盤)14作為平面相交疊或彼此靠近。當導(dǎo)電接線柱24和導(dǎo)電焊盤(通孔焊盤)14交疊或彼此靠近時，不能在導(dǎo)電接線柱24的下方形成由多層布線層16上的最上層的金屬層構(gòu)成的屏蔽層。因此，在該配置中，在多層布線層12的內(nèi)部形成有屏蔽層82。如俯視圖8A或立體圖8C中所示，形成該屏蔽層82以屏蔽所有的導(dǎo)電接線柱24、其接線柱焊盤22以及導(dǎo)電焊盤(通孔焊盤)14不受半導(dǎo)體基板10的影響。換句話說，從頂面看，屏蔽層具有包括所有導(dǎo)電接線柱24、其接線柱焊盤22以及導(dǎo)電焊盤(通孔焊盤)14的橢圓形狀。在該配置中，顯示橢圓形狀作為示例，但只要能夠進行屏蔽，就可以采用任何形狀。該屏蔽層82被連接到諸如地電位的固定電位，在多個導(dǎo)電接線柱或多個導(dǎo)電焊盤之間形成預(yù)定的寄生電容，并抑制由半導(dǎo)體基板10所產(chǎn)生的寄生電阻。
該實施例中的高頻器件可以具有圖7和圖8所示配置中的任一種，或者可以具有上述兩種配置。利用任何一種配置，可以抑制連接到經(jīng)其發(fā)送高頻信號的導(dǎo)電接線柱的信號發(fā)送路徑的寄生電容或寄生電阻引起的特性劣化(損耗增大)。
圖9示出了接收低噪聲放大器和發(fā)送功率放大器的電路的示例。如圖3中所示，低噪聲放大器38通過天線74、帶通濾波器72、切換器70、接收接線柱24E以及阻抗匹配電路36M輸入高頻接收信號。阻抗匹配電路36M例如由電感77、與導(dǎo)電屏蔽層的寄生電容、以及在其它位置形成的電容C3和C4組成。
低噪聲放大器38例如由縱向級聯(lián)連接的N溝道MOS晶體管Q30、Q31組成。分別向這些晶體管Q30、Q31施加偏置電壓Vbias1、Vbias2。晶體管Q30的源極連接地GND，晶體管Q31的漏極通過電感L連接到電源Vdd并通過耦合電容器Cout產(chǎn)生輸出信號Fout。如圖3中所示，將該輸出信號Fout提供給正交解調(diào)器。
晶體管Q30在漏極端子上產(chǎn)生對施加到柵極的高頻接收信號進行放大后的高頻信號，并且晶體管Q31在漏極端子上產(chǎn)生對這個放大的高頻信號進一步放大的高頻信號。因此，級聯(lián)連接的兩個晶體管提供大放大率。
發(fā)送側(cè)的功率放大器56具有與低噪聲放大器38基本上相同的電路配置。由晶體管Q30、Q31對從圖3中所示的正交調(diào)制器提供的高頻信號Fin進行放大，并且通過耦合電容器Cout輸出經(jīng)功率放大的高頻信號。通過阻抗匹配電路56M將該信號Fout輸出到天線。與低噪聲放大器類似地，阻抗匹配電路56M由電感79以及形成在信號發(fā)送路徑中的電容C1和C2組成。
圖10是示出導(dǎo)電接線柱的直徑與損耗之間的關(guān)系的曲線圖。在橫坐標中繪制接線柱直徑(μm)，在縱坐標中繪制損耗。導(dǎo)電接線柱的高度為大約70μm，并且該圖示出了關(guān)于頻率為5GHz的高頻信號的損耗。該曲線圖清楚地顯示出接線柱直徑為200μm時的信號損耗大于接線柱直徑為100μm時的信號損耗。因此，如果提高頻帶(這個“如果”缺乏依據(jù))，則電接線柱直徑的增大會導(dǎo)致大信號損耗。因此，由于信號損耗的增大導(dǎo)致噪聲指數(shù)NF的劣化，所以希望尤其是接收接線柱的直徑要盡可能的小。
圖11是示出對于多個導(dǎo)電接線柱直徑的頻率與損耗之間的關(guān)系的曲線圖。在橫坐標中繪制頻率，在縱坐標中繪制損耗，該圖表示對于五個不同導(dǎo)電接線柱直徑(圓圈直徑200μm；正方形175μm；三角形150μm；X125μm；菱形100μm)的頻率與損耗之間的關(guān)系。樣品的導(dǎo)電接線柱高度為70μm。該曲線圖清楚地顯示出隨著頻率增大，損耗隨著接線柱直徑而下降。因此，隨著信號頻帶進一步提高，希望進一步減小經(jīng)其發(fā)送高頻信號的導(dǎo)電接線柱的直徑。
圖12是示出對于多個導(dǎo)電接線柱直徑、設(shè)置導(dǎo)電屏蔽層和沒有此層時所獲得的頻率與損耗之間的關(guān)系的曲線圖。在橫坐標中繪制頻率，在縱坐標中繪制損耗，該圖示出了對于四個不同導(dǎo)電接線柱的直徑(圓圈直徑200μm、無屏蔽層；菱形100μm、無屏蔽層；三角形200μm、有屏蔽層；X100μm、有屏蔽層)的頻率與損耗之間的關(guān)系。和上述情況中一樣，樣品的導(dǎo)電接線柱高度為70μm。
從該圖中可知，即使接線柱直徑相同，當形成有地屏蔽層時較低頻帶中的損耗變得更小。但是，如關(guān)于接線柱直徑為200μm的示例所示，在較高頻帶中，當設(shè)置有地屏蔽層時，損耗反而增大。這是因為形成地屏蔽層導(dǎo)致形成固定的寄生電容，但抑制了半導(dǎo)體基板的寄生電阻。因此，與在低頻帶中由寄生電容產(chǎn)生的損耗相比，在高頻帶中由寄生電容產(chǎn)生的損耗變得占主導(dǎo)，并且損耗出現(xiàn)反轉(zhuǎn)(reversal)。因此，在工作在較低頻帶下的高頻器件中，優(yōu)選地，向發(fā)送高頻信號的導(dǎo)電接線柱設(shè)置地屏蔽層，而在工作在較高頻帶下的高頻器件中，優(yōu)選地，不設(shè)置地屏蔽層。
圖13示出了對于多個導(dǎo)電接線柱直徑的頻率與電感的Q值之間的關(guān)系。在樣品中，將由重新布線層形成的電感連接到導(dǎo)電接線柱。使用四類導(dǎo)電接線柱結(jié)構(gòu)，它們代表兩種接線柱直徑與存在或不存在屏蔽層的組合(圓圈直徑200μm、無屏蔽層；三角形直徑200μm、有屏蔽層；菱形直徑100μm、無屏蔽層；X直徑100μm、有屏蔽層)。沒有符號則表示單純電感的Q值。如果將導(dǎo)電接線柱連接到電感，則Q值下降(劣化)，并且導(dǎo)電接線柱的直徑越大，則此下降就越大。另外，當接線柱直徑相同時，在較低頻帶內(nèi)，當設(shè)置有屏蔽層時Q值的下降較小，但在較高頻帶內(nèi)，當不設(shè)置屏蔽層時Q值的下降較小。換句話說，觀測到與圖12中所示的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象相同的下降。
上述測試結(jié)果表示如下含義。(1)對于發(fā)送高頻信號并且不需要提供高電流的導(dǎo)電接線柱，可通過減小接線柱的直徑來抑制損耗。(2)在工作在較低頻帶下的高頻器件中，優(yōu)選地，通過對接收接線柱或發(fā)送接線柱形成導(dǎo)電屏蔽層來抑制信號損耗，而在工作在較高頻帶下的高頻器件中，優(yōu)選地，通過不形成導(dǎo)電屏蔽層來抑制信號損耗。(3)另外，對于連接到電感的導(dǎo)電接線柱，在工作在較低頻帶下的高頻器件中，優(yōu)選地，通過形成導(dǎo)電屏蔽層來抑制Q值的劣化，而在工作在較高頻帶下的高頻器件中，優(yōu)選地，通過不形成導(dǎo)電屏蔽層來抑制Q值的劣化。
圖14示出了第二實施例的高頻器件模塊的配置。在該高頻器件模塊100中，在公共模塊基板上安裝有高頻器件102，用于處理較高頻帶內(nèi)的信號；以及高頻器件104，與器件102相比用于處理較低頻帶內(nèi)的信號。相應(yīng)的高頻器件104是圖1至9中所示的芯片尺寸封裝的高頻器件。該模塊100例如是既能處理低頻帶又能處理高頻帶的無線LAN卡，或者是能夠在多個頻帶下工作的多模無線裝置。
圖15A-15B是這兩種高頻器件的剖視圖。圖15A是工作在高頻帶下的器件102的剖視圖，圖15B是工作在低頻帶下的器件104的剖視圖。如圖中所示，在這些器件102、104中，導(dǎo)電接線柱24形成在密封樹脂層20內(nèi)，但為了抑制半導(dǎo)體基板10的高頻電路與安裝基板的高頻電路的耦合，進一步增大工作在高頻帶下的器件中的導(dǎo)電接線柱24的高度H1，而進一步減小工作在低頻帶下的器件中的導(dǎo)電接線柱24的高度H2。因為導(dǎo)電接線柱的小高度使得可以抑制信號損耗的劣化，所以優(yōu)選地該高度盡可能小。但是，由于在較高頻率區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出強耦合，所以優(yōu)選地為該區(qū)域形成較高的導(dǎo)電接線柱。
另外，在工作在高頻帶下的器件102中，即使在發(fā)送高頻信號的導(dǎo)電接線柱24的下方也不設(shè)置地屏蔽層。另一方面，在工作在低頻帶下的器件104中，在發(fā)送高頻信號的導(dǎo)電接線柱24下設(shè)置有地屏蔽層76、78。
權(quán)利要求
1.一種高頻器件，包括半導(dǎo)體基板；高頻電路層，其形成在所述半導(dǎo)體基板的表面處，并且包括電路元件和多層布線層；多個導(dǎo)電焊盤，其形成在所述高頻電路層上，并連接到高頻電路的輸入和輸出以及連接到電源；多個重新布線層，其隔過第一電絕緣層形成在所述高頻電路層上，并分別連接到所述多個導(dǎo)電焊盤；電絕緣密封層，其形成在所述第一電絕緣層和所述重新布線層上，并且具有比所述多層布線層的厚度大的厚度；多個安裝連接端子，其設(shè)置在所述電絕緣密封層上，并與所述多個導(dǎo)電焊盤相對應(yīng)；以及多個導(dǎo)電接線柱，其設(shè)置在所述電絕緣密封層內(nèi)，并設(shè)置在所述重新布線層與所述多個安裝連接端子之間，其中，所述高頻電路層的高頻電路包括輸入放大器，用于對從對應(yīng)于所述輸入的導(dǎo)電接線柱輸入的高頻接收信號進行放大；以及功率輸出放大器，用于對高頻發(fā)送信號進行放大并將其從對應(yīng)于所述輸出的導(dǎo)電接線柱輸出；并且其中與所述電源對應(yīng)的第一導(dǎo)電接線柱具有第一直徑；與所述輸入放大器的輸入對應(yīng)的第二導(dǎo)電接線柱具有小于所述第一直徑的第二直徑；以及與所述功率輸出放大器的輸出對應(yīng)的第三導(dǎo)電接線柱具有大于所述第二直徑的第三直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻器件，進一步包括第一屏蔽層，該第一屏蔽層設(shè)置在所述高頻電路層的上方、在所述第二或第三導(dǎo)電接線柱的下方，并連接到固定電位。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高頻器件，進一步包括第二屏蔽層，該第二屏蔽層設(shè)置在所述多層布線層的內(nèi)部、在連接到所述第二或第三導(dǎo)電接線柱的導(dǎo)電焊盤的下方，并連接到固定電位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻器件，其中所述第二或第三導(dǎo)電接線柱和與其對應(yīng)的導(dǎo)電焊盤被形成為彼此靠近或交疊，所述高頻器件進一步包括第三屏蔽層，該第三屏蔽層設(shè)置在所述多層布線層的內(nèi)部、在所述第二或第三導(dǎo)電接線柱和與其相連接的導(dǎo)電焊盤的下方，并連接到固定電位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻器件，包括第一接線柱結(jié)構(gòu)，其中所述第二或第三導(dǎo)電接線柱和與其對應(yīng)的導(dǎo)電焊盤彼此分開指定的距離；以及第二接線柱結(jié)構(gòu)，其中所述第二或第三導(dǎo)電接線柱和與其對應(yīng)的導(dǎo)電焊盤被形成為彼此靠近或交疊，其中，所述第一接線柱結(jié)構(gòu)包括第一屏蔽層，其設(shè)置在所述高頻電路層的上方、在所述第二或第三導(dǎo)電接線柱的下方，并連接到固定電位；以及第二屏蔽層，其設(shè)置在所述多層布線層的內(nèi)部、在連接到所述第二或第三導(dǎo)電接線柱的導(dǎo)電焊盤的下方，并連接到固定電位，并且所述第二接線柱結(jié)構(gòu)包括第三屏蔽層，其設(shè)置在所述多層布線層的內(nèi)部、在所述第二或第三導(dǎo)電接線柱和與其相連的導(dǎo)電焊盤的下方，并連接到固定電位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻器件，其中與同一電源對應(yīng)的多個所述第一導(dǎo)電接線柱按高密度排列，并且所述第二或第三導(dǎo)電接線柱按比所述第一導(dǎo)電接線柱的密度低的密度排列。
7.一種高頻器件模塊，包括第一高頻器件，用于處理第一高頻帶的信號；以及第二高頻器件，用于處理高于所述第一高頻帶的第二高頻帶的信號，這兩個器件為根據(jù)權(quán)利要求1的高頻器件，其中所述第二高頻器件的導(dǎo)電焊盤的高度大于所述第一高頻器件的導(dǎo)電焊盤的高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻器件，進一步包括第二屏蔽層，其設(shè)置在所述多層布線層的內(nèi)部、在連接到所述第二或第三導(dǎo)電接線柱的導(dǎo)電焊盤的下方，并連接到固定電位；以及電感，其設(shè)置在所述高頻電路層上、在所述多個重新布線層之間，并具有盤繞結(jié)構(gòu)，其中所述輸入放大器或功率輸出放大器的阻抗匹配電路由所述電感以及所述導(dǎo)電焊盤與所述第二屏蔽層之間的電容構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻器件，進一步包括第一屏蔽層，其設(shè)置在所述高頻電路層上、在所述第二或第三導(dǎo)電接線柱的下方，并連接到固定電位；以及電感，其設(shè)置在所述高頻電路層上、在所述多個重新布線層之間，并具有盤繞結(jié)構(gòu)，其中所述輸入放大器或功率輸出放大器的阻抗匹配電路由所述電感以及所述導(dǎo)電焊盤與所述第一屏蔽層之間的電容構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻器件，進一步包括第三屏蔽層，其設(shè)置在所述多層布線層內(nèi)、在所述第二或第三導(dǎo)電接線柱及與其相連接的導(dǎo)電焊盤的下方，并連接到固定電位；以及電感，其設(shè)置在所述高頻電路層上、在所述多個重新布線層之間，并具有盤繞結(jié)構(gòu)，其中所述輸入放大器或功率輸出放大器的阻抗匹配電路由所述電感以及所述導(dǎo)電焊盤與所述第三屏蔽層之間的電容構(gòu)成。
11.一種包括第一高頻器件和第二高頻器件的高頻器件模塊，所述第一高頻器件和第二高頻器件每個都包括半導(dǎo)體基板；高頻電路層，其形成在所述半導(dǎo)體基板的表面處，并包括電路元件和多層布線層；多個導(dǎo)電焊盤，其形成在所述高頻電路層上，并連接到高頻電路的輸入和輸出以及連接到電源；多個重新布線層，其隔過第一電絕緣層形成在所述高頻電路層上，并分別連接到所述多個導(dǎo)電焊盤；電絕緣密封層，其形成在所述第一電絕緣層和所述重新布線層上，并具有比所述多層布線層的厚度大的厚度；多個安裝連接端子，其設(shè)置在所述電絕緣密封層上，并與所述多個導(dǎo)電焊盤相對應(yīng)；以及多個導(dǎo)電接線柱，其設(shè)置在所述電絕緣密封層內(nèi)，并設(shè)置在所述重新布線層與所述多個安裝連接端子之間，其中，所述第一高頻器件包括用于處理第一高頻帶的信號的第一高頻電路，并且所述第二高頻器件包括用于處理高于所述第一高頻帶的第二高頻帶的信號的第二高頻電路；并且所述第二高頻器件的導(dǎo)電接線柱的高度大于所述第一高頻器件的導(dǎo)電接線柱的高度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高頻器件模塊，其中，所述第一高頻電路和第二高頻電路各包括輸入放大器，用于對從對應(yīng)于所述輸入的導(dǎo)電接線柱輸入的高頻接收信號進行放大；以及功率輸出放大器，用于對高頻發(fā)送信號進行放大并從對應(yīng)于所述輸出的導(dǎo)電接線柱輸出該高頻發(fā)送信號；并且其中與所述電源對應(yīng)的第一導(dǎo)電接線柱具有第一直徑；與所述輸入放大器的輸入對應(yīng)的第二導(dǎo)電接線柱具有小于所述第一直徑的第二直徑；以及與所述功率輸出放大器的輸出對應(yīng)的第三導(dǎo)電接線柱具有大于所述第二直徑的第三直徑。
全文摘要
高頻器件，具有半導(dǎo)體基板；高頻電路層，形成在所述基板上，并包括電路元件和多層布線層；多個導(dǎo)電焊盤；連接到所述多個導(dǎo)電焊盤的重新布線層；電絕緣密封層，形成在所述第一電絕緣層和所述重新布線層上，并且厚度大于所述多層布線層的厚度；多個安裝連接端子；導(dǎo)電接線柱，設(shè)置在所述電絕緣密封層內(nèi)并在所述重新布線層與所述多個安裝連接端子之間。與電源對應(yīng)的第一導(dǎo)電接線柱具有第一直徑；與輸入放大器的輸入對應(yīng)的第二導(dǎo)電接線柱具有比第一直徑小的第二直徑；與功率輸出放大器的輸出對應(yīng)的第三導(dǎo)電接線柱具有比第二直徑大的第三直徑。
文檔編號H01L23/52GK1638102SQ200410081680
公開日2005年7月13日 申請日期2004年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月24日
發(fā)明者小林一彥, 近藤史隆 申請人:富士通株式會社