混合模块及其制造方法与其安装方法 本发明涉及一种在形成电路图的电路板上搭载层叠电容之类的无源元件和半导体元件之类的有源元件从而构成电路的混合模块。
我们知道，作为现有的、在电路板上搭载了场效应型晶体管和功率半导体等具有发热性的电路元件的混合模块，有一种如下所示的结构。
该混合模块，在电路板的上面安装了层叠容器等的片状电子元件和FET等具有发热性的半导体元件之类的电路元件。该电路板是传热性较好的氮化铝系的陶瓷基板。片状电子元件钎焊在形成于电路板上的焊接区上。另外，电路元件通过焊接凸起而接合在电路板上的焊接区。在电路板的侧面形成有混合模块的端子电极。
该混合模块，使未安装电路元件的下面相对于主电路板并安装在主电路板上。在安装时，焊接混合模块的端子电极和形成于主电路板上的电路图。并在电路板与主电路板之间夹装有形成于主电路板上的导体膜。为使混合模块产生的热量有效地传导到主电路板上，该导体膜由传热性良好的材料形成。在该混合模块中，由安装于电路板上的电路元件产生的热量，通过电路板及导体膜而被传导到主电路板，进行散热。
然而，在该混合模块中，由于电路元件所产生的热量通过电路元件的焊接凸起被传导到电路板，该热量再通过电路板及导体膜被传导到主电路板，因此，热传导不是有效地。另外，氮化铝系陶瓷与一般性的氧化铝系的基板材料相比是高价的，是缺乏经济性的。
本发明的目的在于，提供一种散热性优异且适合小型化的混合模块及其制造方法与其安装方法。
为达到上述目的，本发明包括电路板和安装在该电路板上的具有发热性的电路元件，在使电路板的第1面相对于主电路板安装的混合模块中，其特点是，在所述电路板的所述第1面上形成有凹部，所述电路元件面朝下接合在该凹部内。
采用本发明，由于电路元件用面朝下接合法安装在形成于电路板的第1面上的凹部内，故电路元件所产生的热量不通过电路板而传导到主电路板，从而，热传导率提高，成为散热性优异的混合模块。另外，因将电路元件安装在凹部内，故可获得混合模块的小型化。
本发明的除上述外的目的、结构及效果，可从如下的详细说明得知。
图1是混合模块的侧面剖视图。
图2是从第1面侧看到的混合模块的外观立体图。
图3是图1中一部分的放大图。
图4是说明电路板制造方法的图。
图5是说明电路板制造方法的图。
图6是安装在主电路板上的混合模块的侧面剖视图。
图7是从第1面侧看到的其它例子的混合模块的外观立体图。
图8是其它例子的混合模块的侧面剖视图。
图9是其它例子的混合模块的侧面剖视图。
图10是其它例子的混合模块的侧面剖视图。
现就本发明的第1实施形态结合图1～图3进行说明。图1是混合模块的侧面剖视图，图2是从第1面侧看到的混合模块的外观立体图，图3是图1中一部分的放大图。
该混合模块10的主要结构要素包括：电路板11；安装在电路板11上的多个片状电子元件12；具有发热性的半导体元件等的电路元件13；使电路元件13所产生的热量传导到主电路板的散热板14。作为该混合模块10的外观尺寸，例如是大约7×7×2mm3。
电路板11由以长方体状的氧化铝为主的陶瓷制的多层基板组成。具体地说，是将PbO-B2O3-SiO2(硼硅酸铅)与Al2O3(氧化铝)混合后的陶瓷制的多层基板。另外，该电路板11的线膨胀系数α1是5ppm/℃。该电路板11的吸水率是0.1％以下。
该电路板11，在表面及内层形成有电路图15及通路孔(ビァホ-ル)16。另外，在电路板11的侧面形成有与所述电路图15连接的端子电极17。该端子电极17是在安装时与主电路板连接用的。此外，电路板11的底面，即在安装于主电路板时与主电路板相对的第1面18形成有凹部19。该凹部19是容纳电路元件13及散热板14用的。该凹部19具有2层结构。即，凹部19包括形成于第1面18的第1凹部20和在第1凹部20的底面形成稍比其小的第2凹部21。在第2凹部21的底面形成有与电路元件13连接的电路图15。
片状电子元件12是构成混合模块的电子元件。例如，是层叠电容器或层叠电感。该片状电子元件12安装在与所述第1面18相反侧的面的第2面22所形成的电路图15上。
电路元件13是具有发热性的半导体元件。例如，是GaAsMES型FET。另外，电路元件13使用线膨胀系数α2与电路板11的线膨胀系数α1大致相等的电路元件(α1≈α2)。例如，线膨胀系数α2是.6ppm/℃的电路元件。
该电路元件13通过面朝下接合法安装在第2凹部21的底面。在本实施形态中，用倒装片方式。即，电路元件13是在与第2凹部21的底面相对的一侧设有多个端子电极的倒装片。电路元件13的各端子电极与在第2凹部21所形成的电路图15连接。在电路元件13与第2凹部21的底面之间，即在未形成电路元件13端子电极的部分充填有密封树脂23。
密封树脂23的主要目的是，防止水分侵入电路元件13并将电路元件13固定在电路板11上。作为密封树脂23，线膨胀系数α3最好与电路板11及电路元件13的线膨胀系数α1、α2大致相等(α1≈α2≈α3)。在本实施形态中，用环氧类的树脂。这样，当使用线膨胀系数与电路板11及电路元件13大致相等的密封树脂23时，可缓和因热循环试验等的温度变化而在它们间所产生的应力，防止密封树脂23剥离，从而，可防止电路元件13与电路板11之间产生电气接触不良及耐湿性的下降。另外，可大幅度降低因所述剥离而造成电路元件13的损伤。因此，提高了混合模块10的可靠性。
这里，作为电路元件13的端子电极与电路图15的连接。可列举如下。例如：利用钎焊的连接，或使用导电性树脂的连接，或使用各向异性导电性树脂(ACF)的连接，或在电路图15上形成用了金(Au)的球形凸起、再作超声波并用热压接而进行的连接。
用上述导电性树脂的连接，从可以低廉的成本来进行这点看是有利的。另外，由于可由导电性树脂吸收应力，故有可获得高可靠性的效果。再有，在用了各向异性导电性树脂的连接中，不需要密封树脂，可降低成本。
另外，在所述电路图15上形成球形凸起再作超声波并用热压接的连接中，由于该连接是用干式法进行的，故可获得电镀液对电路元件13的损伤较小的效果。另外，可降低设备成本，并可缩短在电路板11上的安装作业时间。也就是说，可降低安装成本。此外，因是Au-Au接合，故接触电阻小，可获得高可靠性。
另外，在上述钎焊的连接中，由于通过自调节进行位置修正，故不要安装精度。另外，在安装时，因可按低负荷安装，故对电路元件13的损伤较小。此外，因可由焊接凸起吸收应力，故可获得高可靠性。
散热板14由热传导性树脂24而粘接在电路元件13及第1凹部20底面。该散热板14是盖住第2凹部21的开口部、并具有容纳于第1凹部20的宽度与长度的板状构件。散热板14的表面配置在与第1面18大致相同的面上。
散热板14由热传导性高的材料做成。更具体地说，使用线膨胀系数α4与电路元件13的线膨胀系数α2大致相等的材料(α2≈α4)。例如，是线膨胀系数α4为7ppm/℃的42合金(镍42，铁58的合金)。另外，散热板14的表面通过研磨而具有一定的表面光洁度。例如，平均算术光洁度约是1.0μm。此外，该散热板14的表面，为提高焊接润湿性而进行电镀处理。作为该电镀处理，例如是镀Au。
热传导性树脂24，是使散热板14固定在电路元件13上、并使电路元件13所产生的热量有效地传导到散热板14用的。该热传导性树脂24如前所述，是将电路元件13与散热板14粘接，并充填在散热板14侧方与第1凹部20侧壁之间、电路元件13侧方与第2凹部21之间。
热传导性树脂24最好是热传导率良好的材料。另外，作为热传导性树脂24，线膨胀系数α5最好是与电路元件13及散热板14的线膨胀系数α2、α4大致相等(α2≈α4≈α5)。当如此使用线膨胀系数与电路元件13及散热板14大致相等的热传导性树脂24时，可缓和因热循环试验之类的温度变化所产生的应力，可防止热传导性树脂24从电路板11、电路元件13及散热板14上剥离，从而可防止电路元件13与散热板14之间的热阻上升及耐湿性下降。另外，可大幅度降低因所述剥离而造成电路元件13的损伤。因此，可提高混合模块10的可靠性。
在混合模块10上，为遮住上面而附设有箱状的金属罩壳30。该金属罩壳30是用来保护各元件和电路板11及防止各种噪音侵入与放射。
该混合模块10，对第1凹部20、第2凹部21及散热板14的尺寸规定如下。
首先，就第2凹部21进行说明。如图3所示，第2凹部21被规定成第2凹部21的侧壁与电路元件13有一定间隔Δ1的宽度与长度。这里，一定间隔Δ1设定成：当在第2凹部21上搭载电路元件13时，容纳于该凹部是容易的，且容易进行搭载定位。更具体地说，所述一定间隔Δ1最好为0.1mm～1.0mm。另外，第2凹部21的深度规定成：当将电路元件13安装在该凹部底面时，一定距离Δ2尽量比从该凹部底面到电路元件13的背面的高度小。这里，一定距离Δ2被设定成散热板14与电路元件13之间的热传导性树脂24的厚度为一定的厚度。更具体地说，所述一定距离Δ2最好为0mm～0.2mm。这也与在第2凹部21上安装多个电路元件13的情况是相同的。另外，在本实施形态中，因Δ2＝0，故图示省略。
其次，就第1凹部20进行说明。第1凹部20被规定成其侧壁与第2凹部21的边缘具有一定距离Δ3的宽度与长度。即，开口部的宽度与长度规定得一定距离Δ3尽量比第2凹部21大。更具体地说，所述一定距离Δ3最好为0.1mm～0.5mm。另外，第1凹部20被规定成相对散热板14的厚度为一定范围的深度。该一定范围被规定成散热板14的表面与第1面18大致成为同一平面。更具体地说，所述一定范围最好为-0.1mm～+0.1mm。
下面就该混合模块的制造方法进行说明。
首先，如图4所示，将以氧化铝为主体的陶瓷印刷电路基板101～104层叠，并对该层叠体进行压接。再通过将其烧制来制造电路板11。
这里，在各印刷电路基板101～104上，在规定位置根据需要预先形成通路孔及电路图。这里，作为电路图，当使用铜(Cu)和银(Ag)时，可提高散热性与高频特性。
另外，在最下层的印刷电路基板104上，形成有形状与第1凹部20对应的开口部104a。再在层叠于印刷电路基板104上的印刷电路基板103上，形成有形状与第2凹部21对应的开口部103a。该开口部的形成，是用冲头冲入印刷电路基板而形成的。
此外，在压接印刷电路基板101～104时，如图5所示，使用形状嵌入于凹部的冲床40。由此，可在电路板11的整个区域使密度做成均匀。此外，因可将电路板11的凹部内面的表面光洁度提高到小于10μm，故容易在凹部的内侧形成凸起。
其次，在形成于电路板11的第2凹部21底面的电路图上形成球形凸起。接着，利用超声波并用热压接等方法将电路元件13连接，以便与该球形凸起连接。然后，在第2凹部21，通过从电路元件13的旁边注入密封树脂23，则在电路元件13与第2凹部21底面之间就充填了密封树脂23。
第3步，在电路元件13的表面注入热传导性树脂24。然后，在第1凹部20上载放散热板14并向电路元件13方向进行按压、粘接，由此，在散热板14侧方和电路元件13的侧方也充填热传导性树脂24。另外，在粘接时，由于散热板14的端部由第1凹部20的底面端部、即凹部19的阶梯部分来限制，故可将散热板14与电路元件13间的热传导性树脂24形成稳定的厚度。
第4步，在电路板11的第2面22上焊接片状电子元件12。最后，通过附设金属罩壳30以遮住电路板11，就可获得混合模块10。
如此，若把电路板11做成将层叠多个印刷电路基板101～104而形成的多层基板、并通过层叠具有开口部103a、104a的印刷电路基板103～104来形成凹部19，则可在电路板11的整个区域使密度做得均匀。另一方面，当层叠未形成有开口部的印刷电路基板、并用冲压加工等方法形成凹部时，则在电路板的内部局部密度就不同。由此，由于因周围的温度和湿度变化而使电路板产生翘曲，故产生了切断电路图的情况，电路元件的安装性能就极其低下。但是，如前所述制成的电路板11在整个区域密度是均匀的，因此，可防止这种不良情况的产生。
下面，就该混合模块10安装在主电路板50上的方法进行说明。如图6所示，在主电路板50的规定部位，形成有用来与混合模块10的端子电极17连接的电路图51。另外，在搭载混合模块10时，在与散热板14相对的部位，形成有热传导膜52。这里，热传导膜52就是在主电路板50上与电路图15同样形成的导体膜，例如，是以铜为主要成分的膜。将混合模块10安装在主电路板50上，只要将端子电极17与电路图51、散热板14与热传导膜52分别进行焊接即可。
如此，在主电路板50上不仅焊接混合模块10的端子电极，而且还通过焊接散热板14，可将电路元件13所产生的热量有效地传导到主电路板50。另外，由于散热板14焊接在热传导膜52上故可提高混合模块10与主电路板50间的连接强度。另外，当热传导膜52在主电路板50中与地面连接时，尤其在高频区域，电气特性稳定，散热性也提高。此外，即使不焊接散热板14与热传导膜52，仅使其抵接，或通过热传导性树脂来使其抵接也可以。还有，也可不通过热传导膜52而将散热板14直接与主电路板50的表面抵接。
如上详细陈述，在该混合模块10中，电路元件13所产生的热量，从其表面通过热传导性树脂24、散热板14而向主电路板50散热。因此，不必通过电路板11就可散热，故散热性能优异。这里，由于散热板14通过热传导性树脂24而与电路元件13的表面接合，故电路元件13所产生的热量可有效地传导到主电路板50。尤其，因散热板14的表面具有一定的表面光洁度，故其热传导是高效率的。另外，在散热板14上因进行了电镀处理，故与主电路板50的热传导膜52的接合性能也优异。因此，热传导更高效，并且接合强度优异。此外，热传导性树脂24由于还充填在0第2凹部21中与电路元件13的间隙，故散热性能更优异。
如此，混合模块10，由于不必通过电路板11而可有效地将电路元件13所产生的热量予以散热，故作为电路板11不必受到热传导率限制而使用各种材料。因此，可以低成本来制造混合模块10。
另外，由于散热板14及电路元件13被容纳于在第1面18所设置的第1凹部20及第2凹部21，故混合模块10可获得小型化。
这里，第1凹部20及第2凹部21，分别如前述那样设定得较大。即，第2凹部21的大小是以电路元件13为基准设定，不必超过必要地将该凹部做大，可有效利用电路板11，从而可将混合模块10小型化。此外，由于在将电路元件13搭载在第2凹部21上时，定位等变得容易，故安装性能也优异。
另外，由于第2凹部21的深度也是以电路元件13为基准设定的，故可将夹装在电路元件13与散热板14之间的热传导性树脂24的厚度稳定化，从而可稳定热阻。
此外，由于第1凹部20的大小是以电路元件13为基准设定的，故不必超过必要地将该凹部做大，从而可有效利用电路板11。因此，可将混合模块10小型化。
此外，由于第1凹部20的深度是以散热板14的厚度为基准设定的，故可将电路板11的第1面18与散热板14做成大致同一平面。即，混合模块10的底面是平滑的，由此，在主电路板50上的安装性能是优异的。尤其，散热板14与主电路板50的热传导膜52的接合性能是优异的。另外，散热板14由于埋入电路板11中，故散热板14与电路板11的连接强度得到提高。
此外，由于电路板11由具有与电路元件13同等的线膨胀系数的陶瓷构成，故可缓和因周围温度和湿度的变化而在电路板11与电路元件13之间所产生的应力，由此，可防止电路板11与电路元件13间的剥离，获得高可靠性。
此外，由于热传导性树脂24的线膨胀系数与电路元件13和散热板14及电路板11的线膨胀系数大致相等，故可缓和电路元件13与散热板14及第1凹部20内面之间所产生的应力。因此，在受到热循环试验等那样的温度变化的场合，也可防止散热板14与电路元件13及电路板11之间的剥离，由此，可防止因该剥离导致热阻上升及连接强度下降，获得稳定的散热性能。
此外，由于密封树脂23的线膨胀系数与电路元件13及电路板11的线膨胀系数大致相等，故在受到热循环试验等那样的温度变化的场合，可缓和作用于电路元件13上的应力，由此，可防止因密封树脂23的剥离导致电路板11与电路元件13之间产生不良的接合及电路元件13的破坏。
另外，在本实施形态中，作为密封树脂23，使用了线膨胀系数α3与电路板11及电路元件13的线膨胀系数α1、α2大致相等的密封树脂，但即使使用线膨胀系数α3小于20ppm/℃的密封树脂，也可获得大致同样的效果。
此外，作为密封树脂23，也可使用小于2000cps的低粘度、且含有直径小于10μm的填充物的树脂。在该场合，在通过将模块小型化而使得第2凹部21的底面与电路元件13之间的间隙变小的情况下，也可在制造时容易地将密封树脂23充填在该间隙中。
此外，若将耐湿性高的硅类树脂用作为密封树脂23，则可加强防止水分渗透第2凹部21底面与电路元件13之间，由此，能可靠地防止因水分渗透导致电路元件13端子电极间的短路。即，可进一步提高耐湿性及可靠性。
另外，在本实施形态中，作为热传导性树脂24，使用了线膨胀系数α5与电路元件13及散热板14的线膨胀系数α2、α4大致相等的热传导性树脂，但也可使用线膨胀系数α5小于30ppm/℃的热传导性树脂。此外，还可使用纵弹性模量(弹性率)低的树脂，较合适的是具有小于1000kgf/mm2的纵弹性模量的树脂。热传导性树脂24的纵弹性模量(弹性率)，例如可通过将Al2O3、AlN、BN等的绝缘填充物或Ag、Cu等导电填充物混入树脂中而使其下降。另外，通过将填充物混入热传导性树脂24，可进一步提高热传导率，可使热阻下降。
此外，作为热传导性树脂24，也可使用小于5000cps的低粘度、且含有直径小于10μm的填充物的树脂，由此，因可将热传导性树脂24的厚度做薄，故可获得混合模块10的小型化，由此，还可进一步降低热阻，可使散热效率提高。
另外，在本实施形态中，作为高频功率放大用的电路元件13，使用了GaAsMES型FET。在用了该FET的情况下，因在元件内部的电子移动快速，故元件的发热就少。另外，由于GaAs的线膨胀系数比硅(Si)大，为6ppm/℃，接近于电路板11、散热板14及热传导性树脂24的线膨胀系数，故因温度变化所产生的应力就小。因此，作为构成混合模块10的电路元件13的元件是合适的。
另一方面，也可用其它元件来代替这种GaAsMES型FET。例如，GaAsPHEMT型FET或InP类FET等。在使用GaAsPHEMT型FET的情况下，由于在元件内部的电子移动速度比MES型FET快，故可进一步减少元件的发热。另外，在使用InP类FET的情况下，由于在元件内部的电子移动速度比GaAs快，故可进一步减少元件的发热。此外，由于线膨胀系数比硅(Si)大，为5ppm/℃，故因温度变化所产生的应力就小。因此，作为构成混合模块10的电路元件13的元件是合适的。
另外，对于电路元件13的端子电极间的绝缘(钝化)，最好使用SiN或SiO2或它们的复合膜。若用这些，即使密封树脂的防湿性不充分，也不会使元件的特性恶化。另外，即使密封树脂23产生空隙而进入水分，也不使元件的可靠性下降。此外，即使密封树脂23的残留离子较多，然而由于元件的可靠性未下降，故可使用价廉的密封树脂23。
另外，在本实施形态中，作为电路元件13的安装方法，应用了倒装片方式，但本发明不限于此，例如，也可用梁式引线方式等来安装电路元件。
另外，在本实施形态中，例示了安装1个发热性电路元件13的混合模块10，但也可是安装了多个电路元件13的混合模块。在该场合，也可获得与本实施形态相同的效果。这里，在使用多个发热性FET的情况下，最好使用将这些多个FET形成在1个GaAS上的电路元件，从而，可比个别安装多个FET缩小安装面积，同时，因以一次性的安装作业来完成，故可降低安装成本。此外，与个别安装多个FET的情况相比，可容易使其与散热板14或主电路板50接触，可使散热性能稳定化。
另外，也可用图7所示的散热板61来代替在本实施形态中所用的散热板14。这里，图7是从第1面侧看到的其它例子的混合模块的外观立体图。该散热板61，在中央部具有调整孔62。该调整孔62是对夹装在散热板61与电路元件13间的热传导性树脂24的厚度进行调整用的。在该调整孔62中充填有热传导性树脂24。在制造该混合模块60时，在注入热传导性树脂24的工序中，其注入量设定得稍多，由此，当将散热板61嵌入第1凹部20、向电路元件13方向按压时，多余的热传导性树脂24就被充填在该调整孔62中。尤其在热传导性树脂24的量较多的场合，可从调整孔62排出多余的热传导性树脂24。也就是说，可将夹装在散热板61与电路元件13之间的热传导性树脂24的厚度稳定化。此外，被排出的热传导性树脂24仅用适当的方法来去除即可。
又，在本实施形态中，是通过散热板14将电路元件13的发热传导到主电路板50的，但象图8所示的混合模块70那样不设置散热板14，也可将电路元件13的背面直接抵接或焊接等与导体膜52连接。
下面，就本发明的第2实施形态结合图9进行说明。图9是混合模块的侧面剖视图。图中，与第1实施形态相同的构件标上相同的符号。
本实施形态的混合模块80与第1实施形态的混合模块10的不同点是形成在电路板上的电路图。下面说明其不同点。
混合模块80的电路板81是与所述电路板11相同的多层基板，且在表层及内层上形成电路图82。该电路板81具有三片型带状线83作为电路图82。该三片型带状线83包括信号线83a、夹持该信号线83a的2个接地线83b、83c。一个接地线83c形成在电路板81的内层。而信号线83a成为信号输送到电路元件13的信号供给线路以及信号从电路元件13输出的信号输出线路。
在如此的混合模块80中，带状线83，由于夹持信号线83a的2个接地线83b、83c中的至少一个由形成在电路板81内层的三片型构成，故可有效利用电路板11的体积，并可获得模块的小型化。其它作用及效果与第1实施形态相同。
下面，就本发明第3实施形态结合图10进行说明。图10是混合模块的侧面剖视图。图中，与第1实施形态相同的构件标上相同的符号。
本实施形态的混合模块90与第1实施形态的混合模块10的不同点是形成在电路板上的电路图。下面说明其不同点。
混合模块90的电路板91是与所述电路板11相同的多层基板，且在表层及内层上形成电路图92。该电路图92也在第2凹部21的底面上形成，电路元件13被安装在该电路图92上。另外，在电路板91的安装有电路元件13的层上，在所述电路图92以外的部分形成有与该电路图绝缘的接地导体图93。该接地导体图93与用作接地的端子电极94连接。
在如此的混合模块90中，提高了安装在电路板90上的片状电子元件12或电路图92与主电路板50之间的绝缘。因此，可获得具有良好特性的无偏差的混合模块。此外，在安装该混合模块时，若对与散热板14接合的主电路板的热传导膜进行接地连接，则可进一步提高对于电路元件13的保护效果。其它作用及效果与第1实施形态相同。
另外，本发明所述的实施例不限于所举的示例。本发明的范围表示在所附的权利要求中，那些包括在权利要求意思中的所有变形例也包括在本发明中。