JP4627323B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置に関し、特に有機材料を用いた基板を有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and particularly to a semiconductor device having a substrate using an organic material.
図8は、従来の半導体層の断面図を示す。図8において、符号17はセラミック材料を用いたセラミック基板、2はセラミック基板17上にバンプ3を介してフリップチップ接合された半導体チップ、4は半導体チップ2とセラミック基板17との間を充填するアンダーフィル樹脂、12はスイッチングノイズを低減させるためにセラミック基板17上に形成されたチップコンデンサ、9はセラミック基板17の下面に形成された半田ボールである。
FIG. 8 shows a cross-sectional view of a conventional semiconductor layer. In FIG. 8,
図8に示されるように、従来の半導体装置は、特に電気的に高性能を要求される用途に対して、例えばセラミック材料を採用したBGA(Ball Grid Array)基板(セラミック基板17)と半導体チップ2とをバンプ3を介してフリップチップ接合することにより、電気的接合距離を短くしていた。しかし、セラミック材料からなる半導体装置は、有機材料からなる実装基板と熱膨張係数が異なるため、実装信頼性を保つためには外形サイズの小さい領域、すなわち端子数の少ない領域でのみしかBGAパッケージとして採用することができないという問題があった。したがって、外形サイズの大きい領域、すなわち端子数の多い領域ではPGA(Pin Grid Array)パッケージを採用することになるため、半導体装置を接続するソケットを半導体装置と実装基板との間に設ける必要があり、コストが余計にかかるという問題があった。
As shown in FIG. 8, the conventional semiconductor device has a BGA (Ball Grid Array) substrate (ceramic substrate 17) and a semiconductor chip that employ, for example, a ceramic material, especially for applications that require high electrical performance. 2 is flip-chip bonded via
図9は、図8のチップコンデンサ12の電気的モデル図を示す。図9で図8と同じ符号を付した部分は同じ機能を有するため説明は省略する。図9において、符号13aは多層基板化された複数のセラミック基板17中にある電源プレーン、13bはセラミック基板17中にあるグランドプレーン、18は配線のインダクタンスである。
FIG. 9 shows an electrical model diagram of the
従来、電子機器等の信号処理速度の高速化に伴いスイッチングノイズの問題が生じていたが、図9に示されるように、従来の半導体装置は、10層以上の多層基板を採用し、電源プレーン13aとグランドプレーン13b(以下、まとめて呼ぶ場合は「電源/グランドプレーン13」という)を増強することにより、スイッチングノイズを低減させて高性能を実現していた。この電源/グランドプレーン13特性をさらに向上させるため、スイッチングノイズを吸収するためのノイズ吸収用コンデンサとして、セラミック基板17上に高い容量を有するチップコンデンサ12を配置していた。
Conventionally, there has been a problem of switching noise with an increase in signal processing speed of an electronic device or the like. However, as shown in FIG. 9, a conventional semiconductor device employs a multilayer substrate of 10 layers or more and a power plane. 13a and the
しかし、半導体チップ2の横にチップコンデンサ12を設けた場合、半導体チップ2とチップコンデンサ12とを接続する配線距離が長くなり、配線のインダクタンス18が大きくなるため、スイッチングノイズを低減させるという電気的な高性能を満足させるために低インダクタンスのチップコンデンサ12を採用したとしても、十分にその性能を発揮することができないという問題があった。さらにチップコンデンサ12自体のコストが高いという問題もあった。
However, when the
そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、端子数が多い場合であっても実装信頼性を高くしつつ、かつ安価に実現可能な多ピンの半導体記憶装置を提供することにある。さらに、本発明の目的は、端子数が多い場合であっても、電源/グランドプレーン特性を高くしつつ、かつ安価に実現可能な多ピンの半導体記憶装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problem, and is a multi-pin semiconductor memory device that can be realized at low cost while increasing mounting reliability even when the number of terminals is large. Is to provide. It is another object of the present invention to provide a multi-pin semiconductor memory device that can be realized at low cost while improving the power / ground plane characteristics even when the number of terminals is large.
この発明の半導体装置は、有機材料を用いて形成された、多層構造のBGA基板、複数のバンプを介して該BGA基板の主面に接合された半導体チップを備える。また、該主面と対向する該BGA基板の反対側の面であって、該半導体チップのエッジ部分に対応する位置に形成され、電源とグランドとを接続するチップコンデンサを備える。 A semiconductor device according to the present invention includes a BGA substrate having a multilayer structure formed using an organic material, and a semiconductor chip bonded to the main surface of the BGA substrate through a plurality of bumps. In addition, a chip capacitor is provided on the opposite surface of the BGA substrate that faces the main surface and corresponding to the edge portion of the semiconductor chip, and connects the power source and the ground.
本発明によれば、端子数が多い場合であっても実装信頼性を高くしつつ、かつ安価に実現可能な多ピンの半導体記憶装置を提供することができる。さらに、本発明の半導体記憶装置によれば、端子数が多い場合であっても、電源/グランドプレーン特性を高くしつつ、かつ安価に実現可能な多ピンの半導体記憶装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a multi-pin semiconductor memory device that can be implemented at low cost while increasing mounting reliability even when the number of terminals is large. Furthermore, according to the semiconductor memory device of the present invention, even when the number of terminals is large, it is possible to provide a multi-pin semiconductor memory device that can be realized at low cost while improving the power / ground plane characteristics. .
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
実施の形態1
図1は、本発明の実施の形態1における半導体装置の断面図を示す。図1において、符号1は有機材料を用いたBGA基板、2はBGA基板1上にバンプ3を介してフリップチップ接合された半導体チップ、4は半導体チップ2とBGA基板1との間を充填するアンダーフィル樹脂、7はBGA基板1の上面にリング接着剤5を介して取り付けられたリング、8は半導体チップ2とリング7との上面に、半導体チップ1側はヒートスプレッダ接着剤を介しリング7側はリング接着剤5と同じ接着剤を介して取り付けられたヒートスプレッダ、9はBGA基板1の下面(または裏面)に形成された半田ボール、10はスタックドヴィア(Stacked Via)である。
Embodiment 1
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 is a BGA substrate using an organic material, 2 is a semiconductor chip flip-bonded to the BGA substrate 1 via
BGA基板1は、一般的に用いられている有機材料、例えばFR4、BTレシン等のエポキシ樹脂からなる実装基板16(後述)と同等の熱膨張係数を有する有機材料からなっている。したがって、実装基板16のサイズが大きくても半田ボール9の実装信頼性を高めることができるため、500から1000ピンクラスを越える多ピン端子数のBGAタイプの半導体装置を実現することができる。この結果,従来の技術で説明されたようなPGAタイプの半導体装置を用いた場合に必要であった実装用のソケット等を不用とすることができるため、コストの低減をすることが可能となる。
The BGA substrate 1 is made of a generally used organic material, for example, an organic material having a thermal expansion coefficient equivalent to that of a mounting substrate 16 (described later) made of an epoxy resin such as FR4 or BT resin. Accordingly, since the mounting reliability of the
BGA基板1は多層の構造を有しており、図1では8層の場合が例示されている。以下、本明細書において、特に多層の構造全体を指すためにBGA基板1に代えてパッケージ部1という語を用いる場合がある。図1に示されるように、多層に積層されたBGA基板1中にある各接続孔は、BGA基板1が積層された方向(垂直方向)に垂直につなぎ合わされて、スタックドヴィアまたはスタックドバイア10を形成している。このスタックドヴィア10の水平方向のピッチは、半導体チップ1上に形成されたバンプ3の水平方向のピッチと同等のピッチを有している。
The BGA substrate 1 has a multi-layer structure, and FIG. 1 illustrates the case of eight layers. Hereinafter, in the present specification, the term “package part 1” may be used in place of the BGA substrate 1 in order to particularly indicate the entire multilayer structure. As shown in FIG. 1, each connection hole in a multilayered BGA substrate 1 is connected vertically to the direction (vertical direction) in which the BGA substrate 1 is stacked, so that stacked vias or stacked vias are formed. 10 is formed. The horizontal pitch of the stacked
上述のようにスタックドヴィア10を形成することにより、500から1000ピンクラスを越える多ピン端子数となった場合でも、信号用端子を自由度を高くフルマトリックス状に配置することができるため、半導体チップ2のサイズを小さくすることができ、半導体チップ2とBGA基板1との間のバンプ3の信頼性も高く、安価に多ピンの半導体を実現することができる。
By forming the stacked via 10 as described above, the signal terminals can be arranged in a full matrix with a high degree of freedom even when the number of multi-pin terminals exceeds 500 to 1000 pin classes. The size of the
以上より、実施の形態1によれば、実装基板16のサイズが大きくても半田ボール9の実装信頼性を高めることができるため、500から1000ピンクラスを越える多ピン端子数のBGAタイプの半導体装置を実現することができる。この結果,PGAタイプの半導体装置を用いた場合に必要であった実装用のソケット等を不用とすることができるため、コストの低減をすることが可能となる。さらに、多ピン端子数となった場合でも、信号用端子を自由度を高くフルマトリックス状に配置することができるため、半導体チップ2のサイズを小さくすることができ、半導体チップ2とBGA基板1との間のバンプ3の信頼性も高く、安価に多ピンの半導体装置を実現することができる。
As described above, according to the first embodiment, since the mounting reliability of the
実施の形態2
図2は、本発明の実施の形態2における半導体装置の断面図を示す。図2で図1と同じ符号を付した部分は同じ機能を有するものであるため説明は省略する。図2において、符号11は高誘電率の材料からなる高誘電率層(キャパシタ層)である。
FIG. 2 is a sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 2 that have the same reference numerals as those in FIG. 1 have the same functions, and therefore description thereof is omitted. In FIG. 2,
図2に示されるように、本発明の実施の形態2においては実施の形態1の構造を有するパッケージ部1に加えて、有機材料を用いたBGA基板1の内部にある電源プレーン13aとグランドプレーン13bとの間にのみ高誘電率層11を設けている。
As shown in FIG. 2, in the second embodiment of the present invention, in addition to the package portion 1 having the structure of the first embodiment, a
図3は、図2の高誘電率層の機能を説明するための半導体装置の断面図を示す。図3で図1または図2と同じ符号を付した部分は同じ機能を有するものであるため説明は省略する。図3に示されるように、電源/グランドプレーン13間に形成された高誘電率層11によるキャパシタ11aにより、バンプ3と電源/グランドプレーンとの間のインダクタンス19を極限まで低減させることができ、有効にスイッチングノイズを低減させることができる。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor device for explaining the function of the high dielectric constant layer of FIG. 3 that have the same reference numerals as those in FIG. 1 or FIG. 2 have the same functions, and therefore description thereof is omitted. As shown in FIG. 3, the
以上より、実施の形態2によれば、実施の形態1の構造を有するパッケージ部1に加えて、有機材料を用いたBGA基板1の内部にある電源プレーン13aとグランドプレーン13bとの間にのみ高誘電率層11を設けることにより、バンプ3と電源/グランドプレーンとの間のインダクタンス19を極限まで低減させることができ、有効にスイッチングノイズを低減させることができる。
As described above, according to the second embodiment, in addition to the package unit 1 having the structure of the first embodiment, only between the
実施の形態3
図4は、本発明の実施の形態3における半導体装置の断面図を示す。図4で図1ないし図3と同じ符号を付した部分は同じ機能を有するものであるため説明は省略する。図4において、符号12はBGA基板1の下面に取り付けられたチップコンデンサである。
FIG. 4 is a sectional view of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 4, the portions denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 3 have the same functions, and thus the description thereof is omitted. In FIG. 4,
図4に示されるように、本発明の実施の形態3においては実施の形態1の構造を有するパッケージ部1において、実装信頼性が一般的には最も低いとされている半導体チップ2のエッジ下方の半田ボール9の位置にチップコンデンサ12を取り付けることにより、電源/グランドプレーン13の電気的特性を高めることができる。500または700から1000ピンクラスを越える多ピン端子数の要求に対しても、上述のように信号用端子として用いられない半導体チップ2のエッジ下方のみに限定してチップコンデンサ12を取り付けるため、実質的に実装信頼性上、多ピンの要求を一切妨げることがない。さらに、従来の半導体チップ12の横にチップコンデンサ12を設ける場合と比較して、バンプ3からの距離を短くすることができるため、配線によるインダクタンス19を低減させることができ、同等の性能を有するチップコンデンサ12を用いたとしても、さらに有効にスイッチングノイズを低減させることができる。
As shown in FIG. 4, in the third embodiment of the present invention, in the package portion 1 having the structure of the first embodiment, the lower part of the edge of the
以上より、実施の形態3によれば、実施の形態1の構造を有するパッケージ部1において、実装信頼性が一般的には最も低いとされている半導体チップ2のエッジ下方の半田ボール9の位置にチップコンデンサ12を取り付けることにより、電源/グランドプレーン13の電気的特性を高めることができる。
As described above, according to the third embodiment, in the package unit 1 having the structure of the first embodiment, the position of the
実施の形態4
図5は、本発明の実施の形態4における半導体装置の断面図を示す。図5で図1ないし図4と同じ符号を付した部分は同じ機能を有するものであるため説明は省略する。図5において、符号14はBGA基板1とリング7との間に用いられる高誘電材接着剤である。
FIG. 5 shows a sectional view of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 5, the portions denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 4 have the same functions, and thus description thereof is omitted. In FIG. 5,
図5に示されるように、本発明の実施の形態4においては実施の形態1のBGA基板1とリング7との接着剤として、高誘電材の接着剤14を用いることにより、チップコンデンサ12を取り付けることなく、電源/グランドプレーン13間の電気的特性を高めることができ、有効にスイッチングノイズを低減させることができる。
As shown in FIG. 5, in the fourth embodiment of the present invention, a
以上より、実施の形態4によれば、実施の形態1の構造を有するパッケージ部上面のBGA基板1とリング7との接着剤として、高誘電材の接着剤14を用いることにより、チップコンデンサ12を取り付けることなく、電源/グランドプレーン13間の電気的特性を高めることができ、有効にスイッチングノイズを低減させることができる。
As described above, according to the fourth embodiment, the
実施の形態5
図6は、本発明の実施の形態5における半導体装置の断面図を示す。図6で図1ないし図5と同じ符号を付した部分は同じ機能を有するものであるため説明は省略する。図6において、符号15はBGA基板1とリング7との間に用いられる高誘電材接着剤である。
FIG. 6 is a sectional view of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. In FIG. 6, the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 5 have the same functions, and thus description thereof is omitted. In FIG. 6,
図6に示されるように、本発明の実施の形態5においては実施の形態1のパッケージ部1の下面(裏面)であって、かつ半導体チップ2の搭載位置の下方に、高誘電率の材料からなる接着シート(高誘電材テープ)15を貼り付けることにより、電源/グランドプレーン13間の電気的特性を高めることができ、有効にスイッチングノイズを低減させることができる。
As shown in FIG. 6, in the fifth embodiment of the present invention, a high dielectric constant material is provided on the lower surface (back surface) of the package portion 1 of the first embodiment and below the mounting position of the
以上より、実施の形態5によれば、実施の形態1の構造を有するパッケージ部1の下面(裏面)であって、かつ半導体チップ2の搭載位置の下方に、高誘電率の材料からなる接着シート(高誘電材テープ)15を貼り付けることにより、電源/グランドプレーン13間の電気的特性を高めることができ、有効にスイッチングノイズを低減させることができる。
As described above, according to the fifth embodiment, an adhesive made of a material having a high dielectric constant is provided on the lower surface (back surface) of the package unit 1 having the structure of the first embodiment and below the mounting position of the
実施の形態6
図7は、本発明の実施の形態6における半導体装置の断面図を示す。図7で図1ないし図6と同じ符号を付した部分は同じ機能を有するものであるため説明は省略する。図7において、符号16はパッケージ部1を実装する実装基板である。
FIG. 7 is a sectional view of the semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention. In FIG. 7, the portions denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 6 have the same functions, and thus description thereof is omitted. In FIG. 7,
図7に示されるように、本発明の実施の形態6においては実施の形態1のパッケージ部1を実装する実装基板16上であって、かつ半導体チップ2の搭載位置の下方に、高誘電率の材料からなる接着シート(高誘電材テープ)15を貼り付けることにより、電源/グランドプレーン13間の電気的特性を高めることができ、有効にスイッチングノイズを低減させることができる。
As shown in FIG. 7, in the sixth embodiment of the present invention, a high dielectric constant is provided on the mounting
以上より、実施の形態6によれば、実施の形態1のパッケージ部1を実装する実装基板16上であって、かつ半導体チップ2の搭載位置の下方に、高誘電率の材料からなる接着シート(高誘電材テープ)15を貼り付けることにより、電源/グランドプレーン13間の電気的特性を高めることができ、有効にスイッチングノイズを低減させることができる。
As described above, according to the sixth embodiment, the adhesive sheet made of a high dielectric constant material is mounted on the mounting
1 BGA基板、 2 半導体チップ、 3 バンプ、 4 アンダーフィル樹脂、 5 リング接着剤、 6 ヒートスプレッダ接着剤、 7 リング、8 ヒートスプレッダ、 9 半導体ボール、 10 スタックドヴィア、 11 高誘電率層、 11a 高誘電率層11によるキャパシタ、 12 チップコンデンサ、 13 電源/グランドプレーン、 13a 電源プレーン、 13b グランドプレーン、 14 高誘電材接着剤、 15 高誘電材テープ、16 実装基板、 17セラミック基板、 18、19 インダクタンス。
1 BGA substrate, 2 semiconductor chip, 3 bump, 4 underfill resin, 5 ring adhesive, 6 heat spreader adhesive, 7 ring, 8 heat spreader, 9 semiconductor ball, 10 stacked via, 11 high dielectric constant layer, 11a high dielectric constant Capacitor by
Claims (2)
前記BGA基板は、前記多層構造の積層方向に重なるように複数の接続孔が繋ぎ合わされてなるスタックドビアを有し、
前記スタックドビアが形成されるピッチは、前記複数のバンプが形成されるピッチと一致している、半導体装置。 A BGA substrate having a multilayer structure formed using an organic material, a semiconductor chip bonded to the main surface of the BGA substrate through a plurality of bumps, and a surface opposite to the BGA substrate facing the main surface A chip capacitor formed at a position corresponding to the edge portion of the semiconductor chip and connecting a power source and a ground;
The BGA substrate has a stacked via formed by connecting a plurality of connection holes so as to overlap in the stacking direction of the multilayer structure,
The pitch at which the stacked vias are formed coincides with the pitch at which the plurality of bumps are formed.
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