CN1489201A - 半导体器件 - Google Patents

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CN1489201A
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cavity
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竹原秀树
彦
金泽邦彦
之
吉川则之
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

本发明的半导体器件，以两面形成电路图形的高导热性陶瓷基片为中心基片，高导热性陶瓷基片一个面上具备具有第1腔体结构的不少于1层的第1电路板，另一个面上具备具有第2腔体结构的不少于1层的第2电路板，第1腔体内的高导热性陶瓷基片上的电路图形上安装第1有源元件，第2腔体内的高导热性陶瓷基片上的电路图形上安装第2有源元件，第2电路板表面上整体形成外部电极，对第1电路板面进行外壳封装或树脂封装，其中，在第2电路板上形成散热性过孔，高导热性陶瓷基片和第2电路板表面的外部电极导热性连接，从第1和第2有源元件选择出的至少一个有源元件发生的热，从高导热性陶瓷基片和散热性过孔经由第2电路板表面的外部电极向外部散热。

Description

半导体器件
技术领域
本发明涉及在叠层基片上安装作为半导体元件和***电路的电子元件的半导体器件，尤其涉及模块的结构。
背景技术
近年来，作为用于移动电话等的发送用放大装置，提出了这样一种半导体器件的方案，即、在多层基片上具有放大用高频功率半导体元件和用于形成匹配电路的片状元件(例如日本特开平10(1998)-37054号公报、日本特开2000-216307A、日本特开2002-9225A)。以下用图11来说明过去的半导体器件的示例。在图11中，1是高频功率半导体元件，2是氧化铝基片或低温烧结陶瓷基片(LowTemperature Cofired Ceramics：以下简称为“LTCC”)等陶瓷多层基片，3是片状电容、片状电阻或片状电感等片状元件，4是外部连接用电极，5是金属线，6是腔体阶梯部的连接用焊盘(pad)，7是填充树脂，8是金属外壳(cap)。利用丝网印刷法在陶层多层基片表面上形成安装片状元件用的部件安装用安装区(1and)和电路图形。高频功率半导体元件1安装在陶瓷多层基片2背面的腔体12内，通过金属线5与腔体阶梯部的连接用焊盘6进行电连接，利用填充树脂7将半导体元件1和金属线5封装而进行保护。再者，片状元件3也通过焊料15而安装到规定位置上。金属外壳8安装到陶瓷多层基片2上。并且，陶瓷多层基片背面的外部连接用电极4，利用从陶瓷多层基片2中穿过的穿通孔27，与形成在基片层间的内层图形和连接用焊盘6以及部件安装用安装区和电路图形进行电连接。
但是，在过去的半导体器件中，在陶瓷多层基片上仅安装半导体元件、片状元件的结构，不能适应为实现更高功能的放大电路而使安装部件数量增多的情况下封装进一步小型化的要求，需要新结构的半导体器件。并且，由于作为发热元件的功率半导体元件安装在陶瓷多层基片上，所以，从半导体芯片产生的热通过所有的陶瓷多层基片而传输到下部，从下部电极进行散热，但陶瓷多层基片的热阻较大，而且也很难在高频功率半导体元件附近布置穿通孔27。因此，存在的问题是消耗大功率的半导体芯片不能充分散热，出现高温状态。
为了适应封装的进一步小型化，可以在低温烧结时，同时在陶瓷低温烧结基片(LTCC)内部形成印刷电阻、叠片电容器、利用电路图形的电感器等，所以也能减小基片表面的电子元件数量。但是，存在的问题是与高温烧结的氧化铝基片相比较，LTCC的热传导率大约只有十分之一，所以半导体芯片散热很差。并且，抗弯强度也比氧化铝基片低，所以很容易断裂。
另一方面，氧化铝基片具有热传导性良好、抗弯强度高的优点，但烧结温度高，所以，存在的问题是在基片内部不能***部件功能，当部件数量增多是，不能适应小型化。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而提出的，目的在于提供一种半导体器件，其在内置部件功能的叠层基片上安装功率半导体元件、控制***的半导体元件、滤波元件、开关元件以及作为其***电路的片状电子元件，能确保散热特性和抗弯特性并能小型化。
为了达到上述目的，本发明的半导体器件，其把两面形成了电路图形的高导热性陶瓷基片作为中心基片，在上述高导热性陶瓷基片的一个面上具备具有第1腔体结构的不少于1层的第1电路板，在另一个面上具备具有第2腔体结构的不少于1层的第2电路板，在位于上述第1腔体内的上述高导热性陶瓷基片上的电路图形上安装第1有源元件，在位于上述第2腔体内的上述高导热性陶瓷基片上的电路图形上安装第2有源元件，在上述第2电路板的表面上整体形成外部电极，对上述第1电路板面进行外壳封装或树脂封装，其中，在上述第2电路板上形成散热性过孔，上述高导热性陶瓷基片和上述第2电路板表面的外部电极进行导热性连接，从上述第1和第2有源元件中选择出的至少一个有源元件所发生的热，从上述高导热性陶瓷基片和上述散热性过孔经由上述第2电路板表面的外部电极向外部散热。
附图说明
图1A是表示本发明的第1实施例的半导体器件的剖面图，图1B是其背面图。
图2是表示本发明的第2实施例的半导体器件的剖面图。
图3是表示本发明的第3实施例的半导体器件的剖面图。
图4是表示本发明的第4实施例的半导体器件的剖面图。
图5是表示本发明的第4实施变化例的半导体器件的剖面图。
图6是表示本发明的第5实施例的半导体器件的剖面图。
图7是表示本发明的第6实施例的半导体器件的剖面图。
图8是表示本发明的第7实施例的半导体器件的剖面图。
图9是表示本发明的第8实施例的半导体器件的剖面图。
图10是表示本发明的第1实施例的散热特性的曲线图。
图11是表示过去的高频放大电路装置的剖面图。
图12是图4的俯视图。
具体实施方式
本发明所提供的高频放大电路装置，例如利用像氧化铝那样的高导热性陶瓷基片作为芯材，在其表面上形成具有腔体结构、内置部件功能的低温烧结陶瓷基片(LTCC)多层基片，在腔体内安装功率半导体元件，在基片表面上安装片状元件，再者，在氧化铝基片背面上也形成内置部件功能且具有腔体结构和外部连接用电极的LTCC多层基片，在腔体内安装控制系半导体元件，用金属外壳进行封装。
若采用本发明，则以高导热性陶瓷基片为中心材料，在其上面直接粘接半导体元件，半导体元件发出的热传递到高导热性陶瓷基片上，再从横向上扩散到高导热性陶瓷基片的整个面上，从高导热性陶瓷基片的整个面上通过第2陶瓷基片传递到下部，所以，与采用只有低温烧结的LTCC的多层基片的情况相比，能减小热阻。并且，由于在需要散热的部位上采用了高导热性陶瓷基片，所以，第1陶瓷基片、第2陶瓷基片，可以根据热以外的特性，即介电常数和内装部件功能必要性来进行基片选择。例如，第1、第2陶瓷基片若选择LTCC基片，则基片内能安装电阻、电容器、电感器等无源元件，能够同时实现以下效果：因布线长度减小而实现低阻抗化、因内装部件而使外装部件数量减少，并且因此而使基片小型化。再者，由于在高导热性陶瓷基片的正反两面上分别安装第1半导体元件和第2半导体元件，所以，对双方进行连接的布线长度减小，因此能实现低阻抗化和基片的薄型化。
若采用本发明，则半导体元件发生的热传递到第1高导热性陶瓷基片上，热量再从横向上扩散到第1高导热性陶瓷基片的整个面上，从第1高导热性陶瓷基片的整个面上通过第2陶瓷基片传递到下部，再从基片的整个面上传递到第2高导热性陶瓷基片上，所以，能进一步减小热阻。并且，在基片表面上所形成的电路图形上分别安装第1半导体元件和第2半导体元件，所以，对双方进行连接的布线长度减小，因而能实现低阻抗化。进一步通过采用2层的高导热性陶瓷基片，能够提高整个基片的抗弯强度。
在本发明中，优选上述第1有源元件和第2有源元件中的任一有源元件是高频功率半导体元件，另一有源元件是具有对上述功率半导体元件进行驱动和控制的功能的控制半导体元件，在第1陶瓷基片上安装表面安装元件。这样，以高导热性陶瓷基片为中心材料，其上面直接粘接功率半导体元件，使功率半导体元件产生的热直接分散到高导热性陶瓷基片上，所以，与采用低温烧结的LTCC多层基片的情况相比能减小热阻。由于在高导热性陶瓷基片的第2陶瓷基片侧安装对功率半导体元件进行驱动、控制的控制半导体元件，所以，对功率半导体元件和控制半导体元件进行连接的布线长度能够缩短，能实现低阻抗化。进一步，若采用氧化铝基片等材料作为基片芯材，则与LTCC基片相比，能使抗弯强度约提高到1.5倍。所以，能制成散热更好，抗弯强度更高的半导体放大电路装置。
优选上述第1有源元件和第2有源元件中的任一有源元件为滤波元件，另一有源元件为开关元件。这样一来，以高导热性陶瓷基片为中心材料，在其上面与滤波元件相反的面上安装开关元件，所以，对双方进行连接的布线长度能够缩短，能够获得低阻抗化的带有滤波器的天线开关装置。若进一步采用氧化铝等材料作为基片芯材，则与LTCC基片相比能把抗弯强度提高到约1.5倍。
优选在上述第1陶瓷基片上具有安装功率半导体元件的区域，在上述区域内形成穿通孔，穿通孔内充填金属或含有金属的树脂，与高导热性陶瓷基片进行传热性结合。这样一来，不一定要在第1陶瓷基片上安装功率半导体的部位上具有带阶梯的腔体，例如仅在安装功率半导体的区域内具有充填了金属或含有金属的树脂的热传导穿通孔，即可和上述功率半导体元件直接安装在上述高导热性陶瓷基片上时一样能使热阻降低。安装功率半导体的区域大，因此，若制成腔体结构则开口部增大，第1陶瓷基片的厚度相对减薄，在此情况下，在制作基片时未烧结的片容易破损，所以，不制作大的开口部在热传导过孔内放入充填物进行散热的方法效果良好。
在上述半导体器件中，也可以把第1陶瓷基片置换成树脂类基片。这样一来，用树脂基片通过铜布线能降低阻抗并形成精细图形。而且，也能通过采用厚的铜布线而制作出电阻小散热性好的电路图形。再者，由于是铜布线，所以，片状元件的焊料浸润性能良好，安装合格率提高。近几年因无铅化而使安装温度提高，在此情况下因为是铜布线所以仍能提高焊料的耐热性。
以上的树脂基片是指例如在芳族聚酰胺无纺布中浸渍环氧树脂的基片，以及在玻璃纺布或玻璃无纺布中浸渍环氧树脂的基片等。这种基片例如如日本特开平10-37054号公报所述。
若采用本发明，则在氧化铝等高导热性陶瓷基片的表面侧，形成对每个腔体间隙分别在表层或内层上形成与接地电位相连接的电路图形或穿通孔的第1陶瓷基片，在腔体内安装功率半导体元件和滤波元件，所以，能够减小功率半导体元件和滤波元件之间的信号互相干扰，最大限度地发挥滤波元件的透过特性。再者，在氧化铝等高导热性陶瓷基片背面侧，形成在腔体间隙内形成与接地电位相连接的电路图形或穿通孔的第2陶瓷基片，在腔体内安装控制半导体元件和开关元件，所以，能够减小控制半导体元件和开关元件之间的互相干扰。这样一来，能够提供一种发送用Tx模块，其中用高导热性陶瓷基片作为芯材使热阻减小，安装了功率半导体元件、滤波元件、控制半导体元件和开关元件，元件之间的互相干扰较小。
在上述半导体器件中，最好用倒装片方式将安装在第1陶瓷基片上的SAW(表面声波：Surface Acoustic Wave)滤波器、介质滤波器和高频谐振(LC)滤波元件等滤波元件或控制半导体元件、或开关元件安装在基片上。这样一来，由于滤波元件或控制半导体元件或开关元件是利用倒装片方式安装在高导热性陶瓷基片上的，所以形成腔体的第1陶瓷基片、第2陶瓷基片的厚度能够减小到为安装所必须的最低限度，能够实现安装基片的薄型化。并且，相对用金属线的连接，能降低阻抗、减小寄生电容。再者，不需要在用金属线连接时需要的基片侧引线接合(wire bonding)焊盘，所以能减小腔体。
并且，在上述高频放大电路装置中，在第1陶瓷基片上形成多个腔体，在上述腔体之间安装与滤波元件接地电位相连接的电路图形，再者，在第2陶瓷基片上形成多个有阶梯的腔体，在其中的滤波元件用的腔体内，在氧化铝、氮化铝、石墨、碳化硅等高导热性陶瓷基片的接近腔体的区域与腔体的阶梯部以及接近阶梯部的区域、以及高导热性陶瓷基片的滤波元件用腔体的位于背面侧的区域、以及第2陶瓷基片的上述多个腔体之间，形成与接地电位相连接的电路图形，第1陶瓷基片的腔体内的高导热性陶瓷基片上的电路图形上，控制用半导体元件和开关元件用倒装片方式进行安装，在第2陶瓷基片的腔体内的高导热性陶瓷基片上的电路图形上，安装功率半导体元件和滤波元件，滤波元件用倒装片方式进行安装，第2陶瓷基片的腔体阶梯部的电路图形和金属板由金属或导电性粘接剂进行固定和封装。这种结构效果良好。因此，在第1陶瓷基片的腔体内用倒装片方式来安装控制半导体元件和开关元件，所以，不需要在腔体的阶梯上所形成的线连接用焊盘，能减小腔体的直径，因此，能增加外装电路部件的图形和能够安装片状元件的面积。再者，在第2陶瓷基片的滤波元件用腔体内，利用布置成围绕滤波元件的接地电位的电路图形，形成与其他元件之间的高度隔离，减少信号的互相干扰。并且，只要用金属板堵塞第2陶瓷基片的腔体，即可很容易地形成滤波元件所需的气密封结构。
在本发明中，高导热性陶瓷基片，中心基片采用氧化铝、氮化铝、石墨、碳化硅、氮化硅中的某一种基片，因此与LTCC相比能大大提高基片整体的抗弯强度。
在本发明中，高导热性陶瓷基片的热传导率最好不小于10W/m.k。
上述第2电路基片表面的散热外部电极也可以是与接地电位相连接的电极。在此情况下，散热性过孔也具有导电性过孔的功能。
并且，上述散热性过孔，优选在穿通孔内充填金属填料质量不小于65质量％、不大于95质量％，热固性树脂质量不小于5质量％、不大于35质量％的导电性膏状料，经过固化而形成。若能在上述范围内，则可获得充分的散热性。并且，也可以在固化时进行加热加压。加热、加压的条件，例如优选为80°～200℃的温度，1.47×106Pa(15kg/cm2)～9.8×106Pa(100kg/cm2)的加压力。散热体的最佳直径为100μm～300μm。上述散热体之间的最佳距离(节距)，在直径100μm时不小于150μm，在直径300μm时不小于450μm。
上述散热体，优选布置在上述第1半导体元件和第2半导体元件的背面侧或附近。这里所谓“附近”是指从半导体的端部到散热体端部的距离为1mm以内。
若采用本发明的半导体器件，则能提供这样的小型化半导体器件，即在内装元件功能的叠层基片上安装功率半导体元件、控制类半导体元件、滤波元件、开关元件以及作为其***电路的片状电子元件时能确保其散热特性和抗弯强度。
以下参照附图，详细说明本发明的高频放大电路装置的实施例。
[第1实施例]
用图1A-B来说明本发明的第1实施例。图1A是半导体器件的概要剖面图。该半导体器件是以氧化铝陶瓷基片9作为芯材，在基片的表面和背面上分别叠层了LTCC基片10、LTCC基片11的不同材料的基片。LTCC基片10、LTCC基片11是分别具有带阶梯的腔体的多层基片。基片的结构是：外形为10mm□，(□表示纵向和横向的尺寸，下面相同)，厚度为1.3mm，从上侧起依次由LTCC基片10、氧化铝基片9、LTCC基片11这3层构成。28是形成在LTCC基片10表面上的第1电路板层，29是形成在LTCC基片11的表面上的第3电路板层。在LTCC基片10的背面上形成第2电路板层，但其图示从略。
LTCC基片10是由2层构成的多层基片，其介电常数ε＝7.8，热传导率为3W/m.k，厚度为0.5mm。在基片上形成了带有2.5×2mm的阶梯的腔体12；在表面上形成了安装外加电路图形和外加片状元件的焊盘。腔体部使形成在氧化铝基片上的电路图形露出来。芯材的氧化铝基片9的介电常数ε＝10，热传导率24W/m.k，厚度0.3mm。氧化铝基片背面侧的LTCC基片11是由2层构成的多层基片，介电常数ε＝7.8，热传导率3W/m.k，厚度为0.5mm。在基片上形成了3.5mm□的带阶梯的腔体12和外部连接(例如接地)用的电极4，腔体部使形成在氧化铝基片上的电路图形露出来。
在LTCC基片10、11上分别安装了电阻、电容器、电感器(图中未示出)，因此产生的效果是，外部安装部件数量减少，于是，基片尺寸减小，布线阻抗减小。内部能够安装的元件的容量分别为：电阻100Ω～1MΩ，电容器1pF～10nF，电感器不大于10nH。
在LTCC基片10的腔体12内的氧化铝基片9的图形上，利用金属或导电性粘接剂来固定频率不小于500NHz、输出不小于20dbBm的放大用的高频功率半导体元件1，用金属线5将其连接到基片10的腔体阶梯部的连接用图形6上。高频功率半导体元件1为1.6×0.5mm，厚度100μm。在LTCC基片11的腔体12内的氧化铝基片9的图形上，用粘接胶带和导电性粘接剂来固定对高频功率半导体元件1进行驱动、控制用的控制半导体元件13，用金属线5将其连接到基片11的腔体阶梯部的连接用焊盘6上。控制半导体元件13为2.0mm□，厚度150μm。
并且，在LTCC基片10的表面上，焊接安装电阻、电容器、电感器等片状元件3，利用片状元件3和安装在LTCC基片10、11上的电阻、电容器、电感器来形成匹配电路。
为了保护元件而用环氧树脂7对安装了高频功率半导体元件1和控制半导体元件13用的腔体12进行封装。
半导体器件是在LTCC基片10侧安装外壳8或者用环氧树脂对LTCC基片侧整体进行封装而制成产品。图1A表示安装金属外壳的例子。图1B表示图1A的背面图。
由于以厚度0.3mm氧化铝基片为芯材，其上面直接粘接高频功率半导体元件，所以，高频功率半导体元件发生的热能直接分散到氧化铝基片上。通常，氧化铝基片的热传导率约为LTCC基片的热传导率的10倍。若采用这种基片结构，则虽然在作为芯材的氧化铝基片的上下面上叠层LTCC基片，但其热阻与氧化铝基片相比仍能很低，并不亚于氧化铝基片。在LTCC基片11上制作穿通孔，其中充填导电性膏料形成散热用过孔(via)26，它与电极4进行电气和导热性结合。散热用过孔26布置在高频功率半导体元件1的对面一侧或附近。所以，从高频功率半导体元件1发出的热量，经由氧化铝基片9、散热用过孔26和电极4，通过热传导散热至安装了该半导体器件的印制电路板的铜体图形。
图10表示本实施例所使用的基片的散热特性与氧化铝基片和LTCC基片的比较。由于芯材采用了散热性良好的氧化铝基片，所以，LTCC基片部能够采用高频特性优先的基片材料，也能够采用介电常数和各层的厚度不同的材料。尤其，能充分利用LTCC基片的优点，在内部安装电阻、电容器、电感器等，能通过减少外装元件来缩小基片尺寸；通过减小布线长度来降低阻抗。再者，在氧化铝基片的正反两面上安装高频功率半导体元件和控制半导体元件，所以，在氧化铝基片上形成穿通孔(via hole)，能够使连结双方的布线长度达到最短，能够减小阻抗。并且，芯材采用氧化铝，能大幅度提高抗弯强度，使其达到LTCC基片的约1.5倍。
而且，虽然芯材采用了氧化铝基片(热传导率：24W/m.k)，但采用氮化铝(热传导率：135W/m.k)、石墨(热传导率：300W/m.k)、碳化硅(热传导率：46W/m.k)、氮化硼(热传导率：100W/m.k)，也能使热传导率不小于10W/m.k，能使抗弯强度大幅度提高，达到不小于LTCC基片的1.5倍。
并且，在第1实施例中，在第1 LTCC基片10的腔体12内安装高频功率半导体元件1，在第2 LTCC基片11的腔体12内安装控制半导体元件13。但是，也可以在第1 LTCC基片10的腔体12内安装控制半导体元件13，在第2 LTCC基片11的腔体12内安装高频功率半导体元件1。
[第2实施例]
以下根据图2来说明本发明的第2实施例。图2是半导体器件的概要剖面图。该半导体器件是第1实施例的变化例，在图1所示的基片结构内，在第2陶瓷基片的表面上，形成第2氧化铝基片24。
基片外形尺寸为10mm□、厚度1.5mm，以第1氧化铝基片9为中心材料，在上侧形成第1陶瓷基片10，在下侧形成第2缺陶瓷基片11和第2氧化铝基片24，由4层不同的材料叠层而成。因此，第2陶瓷基片具有被第1氧化铝基片和第2氧化铝基片夹持的结构。
第1陶瓷基片、第2陶瓷基片均形成了带有阶梯的腔体，在腔体阶梯部形成了线连接用的焊盘。
第2氧化铝基片24的介电常数为10、厚度为02.mm，在与外部连接用电极4和第2陶瓷基片11的腔体12相同的位置上，形成腔体12。第2氧化铝基片的腔体尺寸也可以与第2陶瓷基片的腔体尺寸相同，或者大一圈。例如，在第2陶瓷基片的腔体开口部为3.5mm□的情况下，第2氧化铝基片的腔体开口部，考虑到叠层误差也可以是3.7mm□。其他结构与第1实施例相同。
在LTCC基片11上制作通孔，充填导电性膏料来形成散热用过孔26，它与电极4进行导电性和导热性结合。散热过孔26布置在高频功率半导体元件1的对面侧或者附近。所以，从高频功率半导体元件1发出的热量，经由氧化铝基片9、散热用过孔26和电极4，通过热传导向安装了该半导体器件的印制电路板的铜体图形上散热。
在第1陶瓷基片的第1氧化铝基片的电路图形上安装高频功率半导体元件，用金属线与腔体内的阶梯部的连接用焊盘进行连接，在第2陶瓷基片的腔体、即第2氧化铝基片的腔体内的第1氧化铝基片的电路图形上安装第2半导体元件，用金属线与腔体的阶梯部的连接用焊盘进行连接。为了保护元件而用环氧树脂对安装了第1半导体元件和第2半导体元件的腔体进行封装。
在第1陶瓷基片侧安装外壳，或者用树脂封装，制成产品而形成半导体器件。图2表示安装了金属外壳的例子。
把厚度0.3mm的氧化铝基片作为芯材，使第1半导体元件直接向第1氧化铝基片(厚度0.5mm)上散热，再通过第2陶瓷基片(厚度0.5mm)向第2氧化铝基片(厚度0.2mm)散热，所以，与第1实施例所述的半导体器件相比，进一步减小热阻15％。再者，氧化铝基片采用2层结构的基片，能使基片整体的抗弯强度基本提高到LTCC基片的2倍，能确保其强度达到氧化铝基片的强度。
并且，在第2实施例中，在第1 LTCC基片10的腔体12内安装高频功率半导体元件1，在第2 LTCC基片11的腔体12内安装控制半导体元件13。但也可以在第1 LTCC基片10的腔体12内安装控制半导体元件13，在第2 LTCC基片11的腔体12内安装高频功率半导体元件1。
[第3实施例]
现利用图3来说明本发明的第3实施例。图3是半导体器件的概要剖面图。
该半导体器件是第1实施例的变化例，具有如下结构，即，用氧化铝基片等高导热性陶瓷基片作为中心材料，在上侧和下侧形成带有阶梯的腔体的LTCC多层基片而形成的LTCC基片/氧化铝基片/LTCC基片的3层结构。基片的外形尺寸为10mm□，厚度1.4mm。形成在氧化铝基片9表面上的LTCC基片10是由2层构成的多层基片，其介电常数ε＝7.8、厚度为0.6mm，在基片上形成了2.5mm□的带有阶梯的腔体12，在表面上形成了安装外加电路图形和外加片状元件的安装区。
氧化铝基片的介电常数为ε＝10、厚度为0.3mm。再者，形成在氧化铝基片9背面上的LTCC基片11是由2层构成的多层基片，其介电常数为ε＝7.8、厚度为0.5mm。在基片上形成了5mm□的带有阶梯的腔体12，在表面上形成了外部连接用电极4。
在LTCC基片11上制作通孔，充填导电性膏料来形成散热用过孔26，使其与电极4进行导电性和散热性结合。散热用过孔26布置在开关元件18(发热元件)附近。
该半导体器件是移动电话的带有天线用滤波器的天线开关。利用金属和导电性粘接剂把表面波滤波元件17固定到LTCC基片10的腔体12内，用金属线5与腔体阶梯部的连接用焊盘6相连接。并且，利用金属和导电性粘接剂把开关元件18固定在LTCC基片11的腔体12内，用金属线5与腔体阶梯部的连接用焊盘6相连接。
表面波滤波元件17是1mm□、厚度为250μm，开关元件18是1mm□、厚度为150μm。为了保护元件用环氧树脂对安装了开关元件18的腔体12进行密封。另一方面，把金属板23粘接到LTCC基片10上来封入表面波滤波器17。滤波元件也可以采用介质滤波元件和LC滤波元件。
在图3中，表面波滤波元件17设置在LTCC基片10上，开关元件18设置在LTCC基片11的腔体内，但也可以使两者的设置位置相反。
在LTCC基片10的表面上安装了天线开关输出入的常数调整用的外加片状元件。
这样，可以与第1实施例一样获得散热性良好、抗弯强度高、带有滤波器的天线开关半导体器件。
而且，在第3实施例中，采用图中未示出的方法，利用焊接法把表面波滤波器的树脂封装产品安装到LTCC基片10的腔体12内，或者焊接安装到基片表面的图形安装区上，也能得到同样的效果。
[第4实施例]
以下利用图4来说明本发明的第4实施例。图4是半导体器件的概要剖面图。该半导体器件是第1实施例的变化例，在图1所示的基片结构中，在第1陶瓷基片面内制作用于安装功率半导体元件的区域，在上述区域内形成用于散热的穿通孔(散热过孔)，在内部充填金属或金属膏。
在图4的例子中，第1陶瓷基片10是单层LTCC基片，在安装功率半导体元件1的区域内，按照0.45的节距形成23个直径0.2mm的穿通孔25，并将其布置成之字形(锯齿形：zigzag)，且在内部充填银膏。图12所示是之字形配置的例子，图12是从图4的基片10的表面看的俯视图，是用金属图形印刷高频功率半导体元件1的安装区部、电极焊盘31、布线32的图。高频功率半导体元件1的安装区部由LTCC基片表面金属箔图形形成，用于安装芯片。在该安装区部基片上通过冲压制造之字形布置的孔(过孔)25，在其中填充散热性良好的金属膏，与图4所示的该热传导基片9相接。为了在安装区部上尽量多地制造孔(过孔)而增强散热性，将过孔布置成之字形状。
返回图4，银膏在穿通孔25下部与氧化铝基片9相接触，功率半导体元件1发生的热通过LTCC基片穿通孔25的银膏传导到氧化铝基片9上。LTCC基片10的厚度为0.3mm、氧化铝基片9的厚度也为0.3mm。在LTCC基片10上除了有高频功率半导体元件1区域外，还有用于形成匹配电路的片状元件3的图形、安装区的区域，在高频功率半导体元件1的周围安装电阻、电容器、电感器等表面安装元件。高频功率半导体元件1用银膏固定到LTCC基片的安装区上，用金属线5与LTCC基片表面的连接用焊盘6进行连接，用环氧树脂等填充树脂7来进行封装。
在LTCC基片的安装功率半导体的部位上不一定需要带阶梯的腔体，只要在安装功率半导体的区域内具有充填了金属或含有金属的树脂的导热过孔，即可使热阻接近把高频功率半导体元件直接粘接到氧化铝基片上时的热阻。例如，若把热阻与第1实施例的高频功率半导体元件进行比较，则本实施例的热阻只不过约增加10％。再者，在功率半导体较大，为数mm□的情况下，若用第1实施例所述的方法制成腔体结构，则开口部进一步增大。在LTCC基片的厚度为0.2mm以下，与开口部的大小相比较相对较薄的情况下，在制作基片时未烧结的薄片容易破损，所以，更有效的方法是在不制作大的开口部的导热过孔内注入充填物来散热。
图5是第4实施例的变化例，第1陶瓷基片10是2层结构，是把下层留下的带有阶梯腔体的LTCC基片。腔体底部设置了用于安装高频功率半导体元件1的安装区图形，其下面设置了穿通孔25，且其中充填银膏。并且，在腔体底部的安装区图形周围形成了引线接合焊盘。银膏在穿通孔25下部与氧化铝基片9相接触。LTCC基片10的厚度为0.5mm、上层为0.3mm、下层为0.2mm。穿通孔的直径、节距、个数与图3的例子相同。在腔体内用银膏来固定高频功率半导体元件1，用金属线5来与连接用焊盘6进行连接。再者，利用环氧树脂等填充树脂7将其封装到腔体内。
在图4～5中，也在LTCC基片11上制作通孔，充填导电性膏来形成散热用过孔26，它与电极4进行导电性和散热性结合。散热用过孔26布置在高频功率半导体元件1的对面侧或附近。所以，从高频功率半导体元件1发出的热经由氧化铝基片9、散热用过孔26和电极4，通过热传导而发散到安装了该半导体器件的印制电路板的铜体图形上。
并且，在图5的情况下，腔体的阶梯部具有阻止填充树脂7的流动的作用，同时，能减小填充树脂的厚度。
[第5实施例]
以下利用图6来说明本发明的第5实施例。图6是半导体器件的概要剖面图。该半导体器件具有和上述第1实施例相同的结构，形成在芯材氧化铝基片表面上的LTCC基片，其材料更改为树脂基片。也就是说，以氧化铝陶瓷基片9为芯材，从上侧起依次由树脂基片、氧化铝基片、LTCC基片这3种薄层构成。树脂基片14、LTCC基片11是分别具有带阶梯的腔体的多层基片。基片外形为10m□、厚度为1.3mm。树脂基片14是2层构成的多层基片，介电常数ε＝4.5，厚度为0.5mm，形成了2.5×2mm的带阶梯的腔体12。在表面上形成了安装外加电路图形和外加片状元件的安装区。腔体部使形成在氧化铝基片上的导体图形露出来。
作为芯材的氧化铝基片和氧化铝基片下面的LTCC基片与第1实施例相同。
在LTCC基片11上制作通孔，充填导电性膏料来形成散热用过孔26，它与电极4进行导电性和导热性结合。散热过孔26布置在高频功率半导体元件1的对面侧或者附近。所以，从高频功率半导体元件1发出的热，经由氧化铝基片9、散热用过孔26和电极4，通过热传导向安装了该半导体器件的印制电路板的铜体图形散热。
在树脂基片14的腔体12内的氧化铝基片9的图形上，利用金属和导电性粘接剂来固定高频功率半导体元件1，用金属线5来与基片14的腔体阶梯部的连接用焊盘6进行连接。高频功率半导体元件1是1.6×0.5mm，厚度为100μm。并且，在基片14表面上用焊接方式来安装电阻、电容器、电感器等片状元件3。在LTCC基片11的腔体12内的氧化铝基片9的图形上，用粘接胶带和导电性粘接剂来固定控制半导体元件13，用金属线5来与基片11的腔体阶梯部的连接用焊盘6进行连接。控制半导体元件13为2.0mm□、厚度为150μm。
为了保护元件，用环氧树脂对安装了高频功率半导体元件1和控制半导体元件13的腔体进行封装。
由于使用了树脂基片14，所以，能用铜箔图形来形成树脂基片表面的电路，因此，能进一步降低阻抗。并且，容易使图形宽度/图形间隙达到40μm/30μm的精细节距，能提高树脂基片14表面的元件安装区位置精度，通过减少安装部件间隙能提高安装密度。再者，也还能使用厚的铜箔来形成低阻抗的散热性良好的电路图形。此外，使用铜布线的优点是焊料浸润性好而使安装合格率提高，并且布线和基片的粘接强度较高，对焊料的耐热性良好。尤其对焊料的耐热性，陶瓷基片的布线多为印刷金属膏进行烧结而形成的，所以，粘接强度较低，在反复进行焊料浸渍的情况下，大都出现焊料侵蚀导体的现象。但是，铜箔不会出现上述问题。
再者，采用精细图形形成线圈、以及半导体元件的倒装片安装等，对于LTCC基片，在图形节距和精度误差方面受到限制，但在本实施例中，能够消除这些限制。
其他效果与第1实施例相同。
[第6实施例]
以下根据图7说明本发明的第6实施例。图7是半导体器件的概要剖面图。该半导体器件具有如下结构，即，利用氧化铝基片等高导热性陶瓷基片作为中心材料，在上侧和下侧分别形成具有多个带阶梯的腔体的LTCC多层基片的这种LTCC基片/氧化铝基片/LTCC基片的3层结构。基片外形为16mm□，厚度为1.4mm。形成在氧化铝基片9表面上的LTCC基片10是由2层构成的多层基片，介电常数ε＝7.8，厚度为0.6mm。在基片上形成了2.5×2mm的带阶梯的腔体12a、以及2.5mm□的带阶梯的腔体12b，在表面上形成了用于外加电路图形和外加片状元件的安装区。
在LTCC基片10的2个腔体12a、12b之间，安装了与接地电位相连接的电路图形。并且，2个腔体部使形成在氧化铝基片上的导电图形露出来。
芯材氧化铝基片9的介电常数ε＝10，厚度为0.3mm。
氧化铝基片背面的LTCC基片11是由2层构成的多层基片，其介电常数ε＝7.8，厚度为0.5mm。基片上形成了3.5mm□的带有阶梯的腔体12c和2.5mm□的带有阶梯的腔体12d，在表面上形成了外部连接用电极4。在LTCC基片11的2个腔体12c、12d之间，安装了与接地电位相连接的电路图形。2个腔体部使形成在氧化铝基片上的电路图形露出来。
在LTCC基片10、LTCC基片11上分别安装了图中未示出的电阻、电容器、电感器，其效果是，因外加元件数量减少而使基片尺寸减小，而且使布线的阻抗降低。
在LTCC基片10的腔体12a内的氧化铝基片9的图形上，利用金属和导电性粘接剂来固定高频功率半导体元件1，利用金属线5来与基片10的腔体阶梯部的连接用焊盘6相连接。在基片10的另一个腔体12b内，利用金属和导电性粘接剂来固定表面波等滤波元件17，利用金属线5来与基片10的腔体阶梯部的连接用焊盘6进行连接。高频功率半导体元件为1.6×0.5mm、厚度为100μm，表面波滤波元件为1mm□、厚度为250μm。
另一方面，在氧化铝基片背面的LTCC基片11的腔体12c内的氧化铝基片9的图形上，利用粘接胶带和导电性粘接剂来固定用于驱动、控制高频功率半导体元件1的控制半导体元件13，利用金属线5来与基片11的腔体阶梯部的连接用焊盘6进行连接。在基片11的另一腔体12d内利用金属和导电性粘接剂来固定开关元件18，利用金属线5来与基片11的腔体阶梯部的连接用焊盘6进行连接。
控制半导体元件为0.2mm□、厚度为150μm，开关元件为1mm□、厚度为150μm。
为了保护元件，利用环氧树脂7对安装高频功率半导体元件、控制半导体元件和开关元件的腔体进行封装，利用金属板23对表面波滤波器进行封装。
在LTCC基片10侧安装外壳8，或用环氧树脂对LTCC基片侧整体进行封装，制成产品而形成半导体器件。图7表示安装了金属外壳的例子。
在形成在氧化铝基片表面上的LTCC基片的高频功率半导体元件和表面波滤波器之间夹着与接地电位相连接的电路图形，这样，能减少高频功率半导体元件和表面波滤波器之间的信号的互相干扰，最大限度地发挥滤波器的透过特性。再者，在形成在氧化铝基片背面上的LTCC基片上，也在控制半导体元件和开关元件之间夹着与接地电位相连接的电路图形，这样，能减少控制半导体元件和开关元件之间的互相干扰。
因此，能提供这样一种元件间的互相干扰较小发送用Tx模块，其在氧化铝基片上的图形上直接安装高频功率半导体元件而降低了热阻，且安装了高频功率半导体元件、表面波等滤波元件、控制半导体元件和开关元件。
而且，也可以是双工器、隔离器、不平衡变压器等安装高频元件的产品。
其他效果与第3实施例相同。
[第7实施例]
以下根据图8说明本发明的第7实施例。第7实施例是第6实施例所示的半导体器件、即发送用Tx模块的变化例。图8是半导体器件、即发送用Tx模块的剖面概要图。在第7实施例的发送用Tx模块中，氧化铝基片9的电路图形上所安装的表面波等滤波元件17或控制半导体元件13、或开关元件18与基片的连接，利用焊料19来代替金属线，以倒装片方式进行安装。若使用LTCC基片，则应当在芯片结合部上形成散热用过孔，以改善散热性。所以，形成10～20μm的凹凸，由于芯材使用了氧化铝基片，使热传导性良好，所以不需要散热用过孔，装片部的平坦性改进到不大于5μm，元件和基片图形能用倒装片方式来接合。
表面波等滤波元件17或控制半导体元件13、或开关元件18，利用焊料19以倒装片方式安装在氧化铝基片9上，能使LTCC基片10、LTCC基片11的厚度减小到安装所必须的最低程度，能使基片达到薄型化。例如，在控制半导体元件的安装中采用金属线的情况下，对芯片厚度加上引线弯曲部分的高度，再加上树脂封装厚度，所以，最低需要500μm的腔体深度，但在倒装片安装时最低350μm的深度即可，能使厚度减少150μm。
并且，与利用金属线进行接合时相比，能降低阻抗，减小寄生电容。
例如，与金属线相比，阻抗能降低15％。另外，不再需要在用金属线连接时必须有的基片侧的连接用焊盘，所以，能使腔体壁面狭窄，能减小腔体直径。具体来说，使带有阶梯的腔体变成狭窄的腔体，这样，能使腔体开口部在X方向、Y方向分别约减小1mm。
其他效果与第3实施例相同。
[第8实施例]
以下根据图9说明本发明的第8实施例。第8实施例是第6实施例中所示的半导体器件、即发送用Tx模块的另一变化例。图9是半导体器件的剖面概要图。在第6实施例的半导体器件、即发送用Tx模块中，形成在氧化铝基片9表面上的LTCC基片10有2个腔体12，控制半导体元件13和开关元件18利用倒装片19安装到氧化铝基片9的图形布线上。由于各元件用倒片进行安装，所以腔体12不需要引线接合焊盘，其形状没有阶梯。控制半导体元件用腔体为2.5mm口，开关元件用腔体为1.5mm□，与用金属线5进行连接的第3实施例相比，腔体的大小约减小1mm。由于能减小腔体，所以，LTCC基片10上的外加部件3的图形电路的引出长度和元件安装面积均增大。
并且，形成在氧化铝基片9背面上的LTCC基片11有2个带阶梯的腔体12，安装了高频功率半导体元件1和表面波等滤波元件17。高频功率半导体元件1利用金属和导电性粘接剂来固定到氧化铝基片9的电路图形上，利用金属线5来与腔体阶梯部的连接用焊盘6进行连接。安装滤波元件17的带有阶梯的腔体12，在腔体的阶梯部20和接近腔体底部的区域21以及位于腔体里侧的区域22内，形成了与接地电位相连接的电路图形。
在带有阶梯的腔体12内，滤波元件17通过倒装片19而安装在氧化铝基片9的电路图形上。这时，使用腔体12的阶梯部20的金属图形，借助于金属和导电性粘接剂来固定金属板23，对元件进行封装。
这样，在滤波元件用的腔体内，利用围绕滤波元件进行布置的接地电位的电路图形，能使其与其他元件之间实现良好的隔离，减小信号的互相干扰，最大限度地发挥滤波器的透过特性。

Claims (20)

1、一种半导体器件，其把两面形成了电路图形的高导热性陶瓷基片作为中心基片，在上述高导热性陶瓷基片的一个面上具备具有第1腔体结构的不少于1层的第1电路板，在另一个面上具备具有第2腔体结构的不少于1层的第2电路板，在位于上述第1腔体内的上述高导热性陶瓷基片上的电路图形上安装第1有源元件，在位于上述第2腔体内的上述高导热性陶瓷基片上的电路图形上安装第2有源元件，在上述第2电路板的表面上整体形成外部电极，是对上述第1电路板面进行外壳封装或树脂封装的半导体器件，其特征在于：
在上述第2电路板上形成散热性过孔，上述高导热性陶瓷基片和上述第2电路板表面的外部电极进行导热性连接，从上述第1和第2有源元件中选择出的至少一个有源元件所发生的热，从上述高导热性陶瓷基片和上述散热性过孔经由上述第2电路板表面的外部电极向外部散热。
2、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：在上述第2电路板的下表面，以与上述第2腔体与上述第3腔体相重叠的方式，形成了具有第3腔体结构且材料与上述第1高导热性陶瓷基片相同的第2高导热性陶瓷基片。
3、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：上述第1有源元件和第2半导体元件中的任一有源元件是高频功率半导体元件，另一有源元件是具有对上述功率半导体元件进行驱动和控制的功能的控制半导体元件。
4、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：在上述第1电路板的表面上，还安装了从电感器、电容器和电阻中选择出的至少一种无源元件。
5、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：上述第1有源元件和第2有源元件中的任一有源元件为滤波元件，另一有源元件为开关元件。
6、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：在上述第1电路板上具有安装功率半导体元件的区域，在上述区域内形成穿通孔，穿通孔内充填金属或含有金属的树脂，与高导热性陶瓷基片进行传热性结合。
7、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：上述第1和第2电路板是从陶瓷基片、及强化纤维中浸渍树脂的基片中选择出的至少一种电路板。
8、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：上述高导热性陶瓷基片的一个面的腔体和另一个面的腔体均为多个腔体。
9、如权利要求8所述的半导体器件，其特征在于：在上述第1电路板的多个腔体间隙的表层或内层，形成与接地电位相连接的电路图形或导电性过孔。
10、如权利要求8所述的半导体器件，其特征在于：在上述第2电路板的多个腔体间隙的表层或内层，形成与接地电位相连接的电路图形或导电性过孔。
11、如权利要求8所述的半导体器件，其特征在于：在上述第1电路板的腔体内的上述高导热性陶瓷基片上的电路图形上，分别安装功率半导体元件和滤波元件。
12、如权利要求11所述的半导体器件，其特征在于：安装在上述第1电路板上的滤波元件，利用倒装片方式安装在基片上。
13、如权利要求8所述的半导体器件，其特征在于：在上述第2电路板的腔体内的上述高导热性陶瓷基片上的电路图形上，安装了控制元件和开关元件。
14、如权利要求13所述的半导体器件，其特征在于：上述控制元件或开关元件利用倒装片方式进行安装。
15、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：上述第2电路板表面的散热外部电极是连接在接地电位上的电极。
16、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：上述高导热性陶瓷基片由第1陶瓷基片和第2陶瓷基片构成，在第2陶瓷基片上形成多个带有阶梯的腔体。
17、如权利要求16所述的半导体器件，其特征在于：
在上述第1和第2陶瓷基片的接近腔体的区域与腔体的阶梯部以及接近阶梯部的区域、以及高导热性陶瓷基片的滤波元件用腔体的位于背面侧的区域、以及第2陶瓷基片的上述多个腔体之间，形成与接地电位相连接的电路图形，
在第1陶瓷基片的腔体内的高导热性陶瓷基片上的电路图形上，用倒装片方式安装控制用半导体元件和开关元件，在第2陶瓷基片的腔体内的高导热性陶瓷基片上电路图形上，安装功率半导体元件和从表面波滤波元件、介质滤波元件和LC滤波元件中选择出的至少一个滤波元件，表面波滤波元件用倒装片方式进行安装，
第2陶瓷基片的腔体阶梯部的电路图形和金属板由导电性粘接剂进行固定和封装。
18、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：上述高导热性陶瓷基片是从氧化铝、氮化铝、石墨、碳化硅和氮化硼中选择出的任一种基片。
19、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：上述散热性过孔是在穿通孔中充填金属填料不小于65质量％、不大于95质量％、以及热固化性树脂不小于5质量％、不大于35质量％的导电性膏，经过固化而形成。
20、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：上述散热性过孔布置在上述第1有源元件和第2有源元件的背面侧或附近。
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