JP5919398B2 - 半導体モジュール、及び、半導体モジュールを製造するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールであって、レーダ信号を発生させるための少なくとも１つの発振器を含む集積回路と、前記集積回路を外部に接続するための再配線層と、レーダ信号を送信および／または受信するための、半導体モジュール内に集積された少なくとも２つのアンテナ構造体とを有しており、この場合、少なくとも２つの前記アンテナ構造体のうちの少なくとも１つが、前記集積回路に接続されている形式のものに関する。特に本発明は、自動車レーダに使用するための、上記形式の半導体モジュールに関する。さらに本発明は、このような半導体モジュールを備えたレーダセンサ、並びに半導体モジュールを備えた自動車レーダシステムに関する。

レーダセンサは、対象物からの車間測定および／または対象物の速度測定のために用いられる。特に、複数の対象物の速度および車間が同時に検出されるレーダシステムは公知である。例えば、先行車両の位置を測定し、かつ先行車両に対する車間を測定するためのレーダシステムを備えた自動車用のクルーズコントロールは公知である。このような車間制御システムは、ＡＣＣシステム（Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｃｒｕｉｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ：アダプティブクルーズコントロール）とも呼ばれている。

レーダシステムに使用するためのＨＦ回路の構造を簡略化するために、送信回路および受信回路のために、ますます、ＭＭＩＣ（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：マイクロ波モノリシック集積回路）型の集積マイクロ波回路が使用される。

ウエハ面上にＩＣ素子のための再配線層を備えた構造群が製造される、ウエハ構造群が公知である。このようなウエハ構造群は、ウエハ面に埋め込まれたグリッドアレイ（ｅＷＬＢ，ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｗａｆｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ：組み込み型ウエハレベルボールグリッドアレイ）とも呼ばれる。

特許文献１には、ウエハ面にアンテナが集積された半導体モジュールについて記載されている。この半導体モジュールは、第１のハウジングモールド物質層と、第１のハウジングモールド物質層に埋め込まれた集積回路を備えたＩＣ素子とを有している。中間層は再配線層を有しており、この再配線層は、ＩＣ素子に接続されていて、ＩＣ素子を外部に接続するために用いられる。集積されたアンテナ構造体は、中間層内に配置されていて、ＩＣ素子に接続されている。このような形式の半導体モジュールは、例えば７７ＧＨｚの高周波範囲のために適した精度を有して大量生産される。このような、ハウジング内に集積されたアンテナを備えたｅＷＬＢ半導体モジュールは、アンテナインパッケージ（ＡｉＰ）とも呼ばれる。１例では、集積されたアンテナ構造体はパッチアンテナであり、また半導体モジュールの表面上に、寄生的なマイクロストリップパッチアンテナとして形成された追加的な第２のアンテナ構造体が配置されており、この第２のアンテナ構造体は、わずかに低い周波数において振動し、従って集積されたアンテナ構造体のインピーダンス幅を高めることができる。

ドイツ連邦共和国特許公開第１０２０１０００１４０７号明細書

集積された回路および集積されたアンテナ構造体を有するｅＷＬＢ半導体モジュールでは、一平面内に集積されたアンテナ構造体によって狭い帯域幅が得られる。しかし、自動車レーダシステムに使用するため、特にＦＭＣＷレーダシステム（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ：周波数変調連続波）のための広帯域のアンテナ構造体が望まれている。

そこで本発明の課題は、改善された帯域幅を有するアンテナを得ることができる、レーダに使用するための新規な半導体モジュールを提供することである。

この課題は、本発明によれば、少なくとも１つの第１のアンテナ構造体が、再配線層の高さ領域の外で、半導体モジュールのハウジング材料内に埋め込まれている、冒頭に述べた形式の半導体モジュールによって解決される。

ハウジング材料は好適には、ハウジングモールド物質、つまり集積回路のためのハウジングを形成する成形材料または鋳造材料である。

単数または複数の第１のアンテナ構造体が半導体モジュールのハウジング材料内に埋め込まれていることによって、複数のアンテナ構造体の位置、特に上下間隔を自由に設定することができる。しかも、アンテナ構造体を、２つ以上の異なる高さ位置に上下に積層して配置することができるので、アンテナ構造体によって形成されたアンテナの帯域幅、および場合によっては指向性を規定するための改善された可能性が得られる。ハウジング材料は、例えば半導体モジュールを製造する際に２つまたはそれ以上の部分層に分けられ、これらの部分層間でアンテナ構造体は例えば金属被覆層に取り付けられる。

好適な形式で、少なくとも１つの前記第１のアンテナ構造体が、少なくとも１つの第２のアンテナ構造体とは異なる高さ位置に配置されている。

発振器は、特にマイクロ波、つまりデシメートル波、センチメートル波および／またはミリメートル波の範囲の周波数を有するレーダ信号を発生させるための発振器である。

好適には、半導体モジュールは、ウエハユニットおよびインターフェース層を有しており、この場合、ウエハユニットは、集積回路を形成する半導体チップと、ハウジング層とを有しており、このハウジング層が、半導体モジュールのハウジング材料によって形成され、ハウジング層内に半導体チップと少なくとも１つの第１のアンテナ構造体とが埋め込まれており、また、インターフェース層が再配線層を有していて、該再配線層が、集積回路をインターフェース層の外部の接続部に接続する。特に、半導体モジュールは好適にはｅＷＬＢパッケージである。

好適な形式で、少なくとも１つの第２のアンテナ構造体が再配線層の高さ領域内に配置されている。特に好適には、少なくとも１つの第２のアンテナ構造体が前記インターフェース層内に配置されている。例えば第２のアンテナ構造体は、再配線層と一緒に１つの方法ステップで製造される。少なくとも第２のアンテナ構造体は、例えば再配線層内に配置されている。例えば少なくとも１つの第２のアンテナ構造体は、再配線層を介して集積回路に接続されていてよい。

好適な形式で、複数のアンテナ構造体は積層されたアンテナ構造体である。つまり複数のアンテナ構造体は、高さをずらして互いに上下に配置されている。これによって、特に好適な形式で、アンテナ特性の調節が可能である。

好適な形式で、複数のアンテナ構造体は上記半導体チップに対して側方にずらされている。特に好適には、少なくとも１つの第１のアンテナ構造体が、半導体チップに対して側方にずらして、半導体チップの側方に隣接する領域内で、ハウジング層内に埋め込まれている。例えば複数のアンテナ構造体が半導体チップに対して側方にずらして、半導体チップに隣接する領域内において異なる高さで、ハウジング層内に配置されていてよい。例えば少なくとも１つの第２のアンテナ構造体が、半導体チップに対して側方にずらして、半導体チップの外側の領域内でインターフェース層内に配置されていてよい。ウエハユニットとインターフェース層とは、例えば平行に延在しており、この場合、インターフェースは半導体チップの領域に亘って、およびこの領域の外側の領域に亘って延在している。

また、前記課題は、レーダ信号のための集積されたアンテナ構造体を備えた半導体モジュールを製造するための、次のような方法、つまり、
少なくとも１つのＨＦ発振器を含む集積回路として形成された半導体チップを提供するステップと、半導体チップの少なくとも側方に隣接する、半導体モジュールのハウジングのハウジング層を製造するステップとを有しており、このハウジング層を製造するステップが、ハウジング層の部分層を製造するステップと、該部分層上に少なくとも１つの第１のアンテナ構造体を製造するステップと、第１のアンテナ構造体を被覆する、ハウジング層の別の部分層を製造するステップとを有しており、
さらに、
半導体モジュール内に集積された少なくとも１つの第２の前記アンテナ構造体を製造するステップと、
ハウジング層の少なくとも１つの表面上に再配線層を製造するステップと、
を有している方法によって、解決される。

好適な形式で、少なくとも１つの第２のアンテナ構造体が、第１のアンテナ構造体とは別の高さ平面に形成される。

２つの集積されたアンテナ構造体を有する半導体モジュールの概略的な横断面図である。 ３つの集積されたアンテナ構造体を有する半導体モジュールの概略的な横断面図である。 ４つの集積されたアンテナ構造体を有する半導体モジュールの概略的な横断面図である。 半導体モジュールを製造するための方法を示すフローチャートである。

以下に図面を用いて本発明の好適な実施例を詳しく説明する。

図１は、プリント配線板１２上に取り付けられた半導体モジュール１０の概略的な横断面図を示す。

半導体モジュール１０は、第１の集積されたアンテナ構造体１４と、第２の集積されたアンテナ構造体１６と、半導体チップとして形成された集積回路１８とを有している。集積回路１８は、レーダ信号のための送信および受信回路のＨＦ部分を有していて、第２のアンテナ構造体１６に接続されている。特に、集積回路１８は、アンテナ要素１４，１６を通じて放射するレーダ信号を発生させるためのＨＦ発振器２０を有している。さらに、集積回路１８は公知の形式で、アンテナ構造体１４，１６を介して受信したレーダ信号と発信した信号と混合するための混合器を有している。集積回路１８はいわゆるＭＭＩＣチップ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：モノリシックマイクロ波集積回路）である。

半導体モジュール１０は、いわゆるｅＷＬＢパッケージであって、このｅＷＬＢパッケージにおいては、ウエハユニット２２が、集積回路１８を形成する半導体チップと、ハウジング層２４として形成されたハウジングモールド物質層とを有しており、このハウジングモールド物質層内に半導体チップが埋め込まれている。製造中に組み立てられたウエハユニット２２は、再構成されたウエハとも称呼される。ウエハユニット２２は、インターフェース層２５を備えており、このインターフェース層２５は、再配線層２６と、３Ｄ接続構造部として形成された接続部２８、特にはんだボールとを有している。再配線層２６は、第１の側で接点個所を有しており、これらの接点個所は、ウエハユニット２２の接点個所を接触接続する。再配線層２６は第２の側で、外部と接触接続するための接続部２８に接続されている。このような形式で、集積回路１８は、インターフェース層２５の接続部２８に接続されている。図１には、例として４つの接続部２８が示されており、これら４つの接続部は、３つのプリント配線板１２の回路に接続されている。半導体モジュール１０は、標準的なプロセス特に表面実装プロセスによって、プリント配線板１２に取り付けられる。

再配線層２６の高さ領域においてインターフェース層２５に第２のアンテナ構造体１６が集積されていて、インターフェース層において集積回路１８に接続されている。特に、第２のアンテナ構造体１６および、再配線層２６の一部としての、集積回路１８との接続部が、インターフェース層２５内に集積されている。

第２のアンテナ構造体１６は、半導体チップに対して側方にずらされていて、それによってハウジング層２４の隣の領域で、半導体チップに隣接する、インターフェース層２４の領域の外側に位置している。

第１のアンテナ構造体１４は、上下方向で第２のアンテナ構造体１６から間隔を保って、半導体チップの側方に隣接してハウジング層２４内に埋め込まれている。これによって、第１および第２のアンテナ構造体１４，１６は、積層されたアンテナ装置を形成する。以下に図４を用いて、半導体モジュールを製造するための方法について１例を挙げて説明する。

図示の例では、第１のアンテナ構造体１４は電気的に接続されているのではなく、電磁カップリングを介して励起される。しかしながら第１のアンテナ構造体１４は、例えばハウジング層２４の部分層における少なくとも１つの貫通接続（Ｖｉａ）を介して集積回路１８にも接続されていてよい。

例えば第１および第２のアンテナ構造体１４，１６は、わずかに異なる共振特性、特に異なる共振周波数範囲を有している。これは例えば、第１および第２のアンテナ構造体１４，１６の異なる寸法によって得ることができる。これによって、複数のアンテナ構造体１４，１６により構成されたアンテナの共振範囲の広帯域性は、個別のアンテナ構造体１６に対して拡大される。

複数のアンテナ構造体１４，１６より構成されたアンテナの、ウエハユニット２２に対して垂直な主放射方向は、図１に破線で示されている。

アンテナ構造体１４，１６は、例えばパッチアンテナエレメントを有していてよい。しかしながらアンテナ構造体１４，１６は、別のアンテナエレメント、例えばプリントされた双極アンテナエレメント、特に電気式または電磁式の双極子を有していてもよい。アンテナ構造体１４，１６は、例えばそれぞれ唯一の平面内に延在している。

図示の実施例では、プリント配線板１２は、主放射方向とは反対側で、オプション的に導電領域として形成された反射器３０を備えている。

アンテナ構造体１４，１６を、ウエハ面上に形成された、ハウジング内にアンテナを備えた半導体モジュール内に集積することによって（アンテナインパッケージ、ＡｉＰ）、集積回路１８に接続されたアンテナ構造体１６の精確な接続および、アンテナ構造体１４，１６の相互の精確な整列が可能である。特に効果的な製造が可能である。図示の実施例では、寄生的なアンテナ構造体として駆動される第１のアンテナ構造体１４によって、精確に規定された形式で、共振帯域幅の特性の調節が行われる。

図示の実施例では、第１および第２のアンテナ構造体１４，１６が、レーダ信号の送信および受信のために用いられる。しかしながら例えば、複数の第２のアンテナ構造体１６および／または複数の第１のアンテナ構造体１４を設けることも考えられる。特に、複数の第２のアンテナ構造体１６は同一平面上に相並んで設けることができ、複数の第１のアンテナ構造体１４は同一平面上に相並んで設けることができ、この場合、送信のためおよび受信のために、それぞれ別個のアンテナ構造体が設けられる。

図２は、半導体モジュール２１０の別の実施例を示し、この場合、ウエハユニット２２の表面上に第３のアンテナ構造体３２が取り付けられている点で、図１に示した半導体モジュール１０とは異なっている。半導体モジュール１０および２１０の互いに一致する構成要素には同じ符号が付けられている。

図示の実施例では、第３のアンテナ構造体３２は電気的に接続されていない。むしろ第３のアンテナ構造体３２は、第１のアンテナ構造体１４と同じように、電磁カップリングを介して第１および第２のアンテナ構造体１４，１６によって励起される。例えば、アンテナ構造体１４，１６，３２の共振特性はそれぞれ互いに異なっているので、第１および第３のアンテナ構造体１４，３２は、アンテナ構造体によって形成されたアンテナの広帯域性を高める。

図３は、半導体モジュール３１０の別の実施例を示す。この半導体モジュール３１０は、複数の第１のアンテナ構造体１４が再配線層の高さ領域の外で様々な高さ位置において、半導体モジュールのハウジングモールド物質内に埋め込まれている点で、図１に示した半導体モジュール１０とは異なっている。その他の特徴および構成要素は、図１に示した実施例と同じであり、同じ符号が付けられている。

図３の実施例では、ハウジング層２４が、集積回路１８の再配線層２６の側とは反対側に延在している。これによって、集積回路１８は全ての側がインターフェース層２５およびハウジング層２４によって包囲されている。

以下に図４を用いて、上記半導体モジュールのための製造法を、半導体モジュール１０を製造するための例として説明する。

第１のステップ４１０において、集積されたＨＦ発振器２０を有する半導体チップとして形成された集積回路１８が提供される。

ステップ４１２において、半導体チップの少なくとも側方に隣接する、半導体モジュール１０のハウジングのハウジング層２４が製造される。ハウジング層２４を製造するステップは、ハウジング層２４の少なくとも第１の部分層２４ａ（図１）を製造するステップ４１４と、部分層２４ａ上の金属被覆層において少なくとも１つの第１のアンテナ構造体１４を製造するステップ４１６と、第１のアンテナ構造体１４を被覆する、ハウジング層２４の別の部分層２４ｂを製造するステップ４１８とを有している。ハウジング層２４内で異なる高さ位置において複数の第１のアンテナ構造体１４を製造するために、例えば図３の半導体モジュール３１０を製造するために、ステップ４１６および４１８が繰り返し行われる。

この方法はさらに、再配線層２６を製造するためのステップ４２２を備えたインターフェース層２５を製造するステップ４２０と、インターフェース層２５の部分としての第２のアンテナ構造体１６を製造するステップ４２４と、外部の接続部２８を備えた接続構造体を製造するオプション的なステップ４２６とを有しており、前記外部の接続部２８は、例えば再配線層２６を介して集積回路１８に接続される。

第２のアンテナ構造体１６を製造するステップ４２４は、上記の例とは異なり、ハウジング層を製造するステップ４１２内でも行うことができる。つまり、第２のアンテナ構造体１６はオプション的に、やはりインターフェース層２５の高さ領域の外に配置されている。第２のアンテナ構造体１６は常に、第１のアンテナ構造体１４とは異なる高さ平面上に配置されている。第２のアンテナ構造体１６は例えば、ハウジング層１４の表面に配置されてもよく、これは図２の実施例のアンテナ構造体３２に相当する。

１０，２１０，３１０ 半導体モジュール
１２ プリント配線板
１４ 第１のアンテナ構造体
１６ 第２のアンテナ構造体
１８ 集積回路
２０ ＨＦ発振器
２２ ウエハユニット
２４ ハウジング層
２４ａ 部分層
２５ インターフェース層
２６ 再配線層
２８ 接続部
３０ 反射器
３２ 第３のアンテナ構造体
４１０ 第１のステップ
４１２，４１４，４１６，４１８，４２０，４２２，４２４，４２６ ステップ

Claims (9)

1. 半導体モジュールであって、
   レーダ信号を発生させるための少なくとも１つの発振器（２０）を含む集積回路（１８）と、
   前記集積回路（１８）が埋め込まれているハウジング材料と、
   前記集積回路（１８）を外部に接続するための再配線層（２６）と、
   レーダ信号を送信および／または受信するための、少なくとも２つのアンテナ構造体（１４；１６）と、を有しており、
   少なくとも２つの前記アンテナ構造体（１４；１６）が、前記集積回路（１８）に対して側方にずらして配置されており、
   少なくとも１つの第１のアンテナ構造体（１４）が、少なくとも１つの第２のアンテナ構造体（１６）の主照射方向に間隔を保って積層されており、
   少なくとも１つの前記第２のアンテナ構造体（１６）は、前記集積回路（１８）に接続され、少なくとも１つの前記第１のアンテナ構造体（１４）は、前記第２のアンテナ構造体（１６）に寄生的に駆動され、
   少なくとも１つの前記第１のアンテナ構造体（１４）が、前記再配線層（２６）の高さ領域の外で、前記ハウジング材料内に埋め込まれている、
   半導体モジュール。
2. 少なくとも１つの前記第２のアンテナ構造体（１６）が、前記再配線層（２６）の高さ領域内に配置されている、
   請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記半導体モジュール（１０）がウエハユニット（２２）とインターフェース層（２５）とを有しており、前記ウエハユニット（２２）が、前記集積回路（１８）を形成する半導体チップと、ハウジング層（２４）とを有しており、前記ハウジング層（２４）が、前記半導体モジュール（１０）の前記ハウジング材料によって形成され、前記ハウジング層（２４）内に前記半導体チップと少なくとも１つの前記第１のアンテナ構造体（１４）とが埋め込まれており、前記インターフェース層（２５）が再配線層（２６）を有していて、該再配線層（２６）が、前記集積回路（１８）を前記インターフェース層（２５）の前記外部の接続部（２８）に接続する、
   請求項１または２に記載の半導体モジュール。
4. 少なくとも１つの前記第２のアンテナ構造体（１６）が前記インターフェース層（２５）内に配置されている、
   請求項３に記載の半導体モジュール。
5. 少なくとも前記第１のアンテナ構造体（１４）が、前記集積回路（１８）の側方に隣接する領域内で、前記ハウジング材料内に埋め込まれている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
6. 前記ハウジング材料内に、複数の前記第１のアンテナ構造体（１４）が積層されている、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
7. レーダセンサであって、請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体モジュールを有する、レーダセンサ。
8. 自動車レーダシステムであって、請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体モジュールを有する、自動車レーダシステム。
9. レーダ信号を発生させるための少なくとも１つの発振器（２０）を含む集積回路（１８）と、
   前記集積回路（１８）が埋め込まれているハウジング材料と、
   前記集積回路（１８）を外部に接続するための再配線層（２６）と、
   レーダ信号を送信および／または受信するための、少なくとも２つのアンテナ構造体（１４；１６）と、を有しており、
   少なくとも２つの前記アンテナ構造体（１４；１６）が、前記集積回路（１８）に対して側方にずらして配置されており、
   少なくとも１つの第１のアンテナ構造体（１４）が、少なくとも１つの第２のアンテナ構造体（１６）の主照射方向に間隔を保って積層されており、
   少なくとも１つの前記第２のアンテナ構造体（１６）は、前記集積回路（１８）に接続され、少なくとも１つの前記第１のアンテナ構造体（１４）は、前記第２のアンテナ構造体（１６）に寄生的に駆動され、
   少なくとも１つの前記第１のアンテナ構造体（１４）が、前記再配線層（２６）の高さ領域の外で、前記ハウジング材料内に埋め込まれている、
   半導体モジュール（１０）を、製造するための方法であって、
   前記集積回路（１８）として形成された半導体チップを提供するステップ（４１０）を有しており、
   前記ハウジング材料によって形成されるハウジング層（２４）を製造するステップ（４１２）を有しており、前記ハウジング層（２４）を製造するステップ（４１２）が、前記ハウジング層（２４）の部分層（２４ａ）を製造するステップ（４１４）と、前記部分層（２４ａ）上に少なくとも１つの前記第１のアンテナ構造体（１４）を製造するステップ（４１６）と、前記第１のアンテナ構造体（１４）を被覆する、前記ハウジング層（２４）の別の部分層（２４ｂ）を製造するステップ（４１８）と、を有しており、
   前記方法がさらに、
   少なくとも１つの前記第２のアンテナ構造体（１６）を製造するステップ（４２４）と、
   前記ハウジング層（２４）の少なくとも１つの表面上に前記再配線層（２６）を製造するステップ（４２２）と、を有している、
   半導体モジュール（１０）を製造するための方法。

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