JP5218230B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関するものである。
近年における電子機器の高機能化、高速信号処理対応のために半導体素子の高性能化が進展している。これにより、半導体素子の発熱量の上昇は著しいものとなっている。その一方で、機器の薄型化、小型化が進んでいるため、機器内部の空気温度上昇や局所的な部品の温度上昇が問題になっている。一般に部品温度が許容値を超過すると誤作動等の動作不良や素子破壊を引き起こし、製品としての機能上および信頼性に大きな影響を与えてしまう。
特許文献1では、金属板を放熱板として設けている。半導体チップを搭載した半導体パッケージが複数段積層されており、半導体チップから発生した熱を最上層に設けられた放熱板へ伝達させるために、水平伝熱部と垂直伝熱部を設けている。その結果、内層に位置する半導体チップの放熱効率を向上させている。
特開2003−188342号公報
しかしながら、特許文献1のように金属板を用いる場合には、次の課題がある。金属板が外来ノイズ(不所望の電磁波)の受信アンテナとして作用してしまい、これが内蔵LSIに悪影響を及ぼすことである。また逆に、内蔵LSIから生じるノイズが金属板を送信アンテナとして自身を自身を含む周囲に放射する場合もある。このように、金属板を用いることは、機器のノイズ耐性を低下させることがある。
そこで、本発明は、基板の反りを抑制する支持体を備えた状態で、ノイズ耐性が向上した半導体装置を提供するものである。
上記の課題を解決するために、本発明の半導体装置は、第1半導体チップが搭載された第1キャリア基板と、前記第1キャリア基板を支持すると共に前記第1半導体チップを覆う第1電極と、前記第1電極上に設けられた誘電体層と、前記誘電体層を挟んで前記第1電極と対向する第2電極と、前記第2電極上に配置され第2半導体チップが搭載された第2キャリア基板と、前記第2キャリア基板を支持すると共に前記第2半導体チップを覆う第3電極と、を備え、前記第1電極または前記第2電極は、前記第2半導体チップの電源端子と電気的に接続され、前記第1電極と前記第2電極との間に所定の電圧が印加されることを特徴とする。
本発明によれば、第1電極によって第1キャリア基板を支持することで第1キャリア基板の反りを防止することができる。また、第3電極によって第2キャリア基板を支持することで、第2キャリア基板の反りを防止することができる。さらに第1キャリア基板と第2キャリア基板とを、第1電極、誘電体層及び第2電極を介して積層するように配置することで、第1キャリア基板と第2キャリア基板とが相互に支持しあうことが可能になり、より反りの防止効果を向上させることができる。
また、第2電極との間に所定の電圧が印加された第1電極によって第1半導体チップを覆うことで、第1半導体チップのノイズ耐性が向上する。また、第2半導体チップを第3電極によって覆うことで、第2半導体チップのノイズ耐性が向上する。さらに、第2半導体チップの第1キャリア基板側には第1電極が設けられるので、第1電極によっても第2半導体チップのノイズ耐性を向上させることができる。
さらに、第2キャリア基板と第1キャリア基板との間には、第1電極、誘電体層及び第2電極によって、第2半導体チップの電源端子に接続された電源デカップリングコンデンサが構成されている。したがって、第2半導体チップの電源品質を向上させることができる。
本発明の第1の実施の形態における半導体装置の断面図である。 図1のA−A´線に沿う矢視平面図である。 図1のB−B´線に沿う矢視平面図である。 図1の矢印C方向から見た矢視平面図である。 本発明の第2の実施の形態における半導体装置の断面図である。 図5のD−D´線に沿う矢視平面図である。 図5のE−E´線に沿う矢視平面図である。 図5の矢印F方向から見た矢視平面図である。 本発明の第3の実施の形態における半導体装置の断面図である。 本発明の第4の実施の形態における半導体装置の断面図である。 図10のG−G´線に沿う矢視平面図である。 図10のH−H´線に沿う矢視平面図である。 本発明の第5の実施の形態における半導体装置の断面図である。 図13のI−I´線に沿う矢視平面図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図面では、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や部材毎に縮尺を適宜変更している。
この実施の形態における半導体装置は、複数のLSIチップを混載させたSiP(System in a Package)と呼ばれるプリント配線基板を複数積層させたPoP(Package on Package)を用いるものである。
図1は本発明の第1の実施の形態における半導体装置100の断面図である。図2は、図1のA−A´線に沿う矢視平面図である。図3は、図1のB−B´線に沿う矢視平面図である。図4は、図1の矢印C方向から見た矢視平面図である。
図1に示すように、半導体装置100は2つのプリント配線基板5a,5bを備え、第1のプリント配線基板(第1キャリア基板)5aが図示下段、第2のプリント配線基板(第2キャリア基板)5bが図示上段となるように積層されている。第1のプリント配線基板5a及び第2のプリント配線基板5bは、図2に示すように、平面視で例えば約30mm角程度の大きさに形成されている。
図1及び図2に示すように、第1のプリント配線基板5aの第2のプリント配線基板5bと反対側の面には、導電性材料からなる複数の配線(図示せず)を備えた配線層10aが形成されている。配線層10aの第2プリント配線基板5bと反対側の面には、配線層10aの複数の配線を外部に接続するための複数の半田ボール8が設けられている。
第1のプリント配線基板5aの第2のプリント配線基板5b側の面の略中央には、LSIチップ(第1半導体チップ)1が埋設されている。LSIチップ1の端子は配線層10aの配線に接続されている。また、当該面の中央部には、図2に示すように、第1のプリント配線基板5aを支持する第1の支持体(第1電極)3aが配置されている。また、当該面の周辺部には、図1に示すように、電極パッド12aが形成されている。電極パッド12aは、第1のプリント配線基板5aが備える配線(図示せず)に接続されている。電極パッド12a上には、金属等の導電性材料により形成された電気的接続部(接続部)6が設けられている。
第1の支持体3aは、例えば金属等、導電性を有し、第1のプリント配線基板5aと比較して剛性の高い材料により形成されている。この実施の形態では、第1の支持体3aとして、例えば厚み約0.25mm程度の銅板を用いている。第1の支持体3aは、図2に示すように平面視で矩形の形状に形成され、プリント配線基板5aの外周部を除く大部分を覆い、かつLSIチップ1を覆うように設けられている。
第1の支持体3aは、第1のプリント配線基板5aよりも外形寸法が一回り小さく、プリント配線基板5aの面積よりも小さくなるように形成されている。第1の支持体3aは、図1に示すように、接着層7aを介してLSIチップ1に接合されると共に、プリント配線基板5aに固定されている。これにより、第1のプリント配線基板5aが高剛性の第1の支持体3aにより補強されている。
第1の支持体3aは、図1に示すように、第1の支持体3aを貫通する導電性材料からなる複数個の層間接続部9a、及び、配線層10aの配線を介して電源と接続される。したがって、第1の支持体3aは電源プレーンとみなせる。この電源は、例えば、後述する第2のプリント配線基板5bに内蔵されるLSIチップ(第2半導体チップ)2(DDR2メモリ)で使用される1.8Vの電源である。第1の支持体3aのLSIチップ1に接合された面と反対側の面には、誘電体層4が設けられている。
誘電体層4は、誘電体材料により形成され、図1及び図2に示すように、第1の支持体3aと略同一の形状及び同一の面積に形成され、第1の支持体3aに密着して第1の支持体3aと一体的に設けられている。誘電体層4の周囲には、複数の電気的接続部6が配置されている。
電気的接続部6は、図2に示すように、第1のプリント配線基板5aの第2のプリント配線基板5b側の面に設けられた誘電体層4を2重に取り囲むように、誘電体層4の各辺に沿って誘電体層4の周囲に2列設けられている。また、図1に示す電極パッド12aは各々の電気的接続部6に対応して設けられている。最外周の列の電気的接続部6は、主にグランド接続用又は電源接続用に用いられる。また、その内側の列の電気的接続部6は、主に信号接続用に用いられる。
図1に示すように、第1のプリント配線基板5aの配線層10aは、例えば4層の樹脂層(図示せず)から構成され、ぞれぞれ内部に導電性材料からなる複数の配線が形成されている。すなわち、第2のプリント配線基板5b側から半田ボール8側へ、第1〜第4の樹脂層が積層され、各々の樹脂層がそれぞれ複数の配線を備えている。第2のプリント配線基板5b側の第1及び第2の樹脂層の厚みは例えば約90μm程度に形成され、半田ボール8側の第3及び第4の樹脂層の厚みは例えば約35μm程度に形成されている。また、第2〜第4の樹脂層の配線の厚みは例えば約15μm程度である。
配線層10aの第1の樹脂層に形成された配線は、主に第2のプリント配線基板5bが備えるLSIチップ2の電源に割り当てられる。第2の樹脂層に形成された配線は、主にLSIチップ1の端子と電気的に接続される。第3の樹脂層に形成された配線は、主にグランド接続に割り当てられる。第4の樹脂層に形成された配線は、主に半田ボール8との接続及び残りの電源との接続に割り当てられる。
図1に示すように、第1のプリント配線基板5aの配線層10aの反対側には、第2のプリント配線基板5bが配置されている。第2のプリント配線基板5bの第1のプリント配線基板5a側の面には、第1のプリント配線基板5aの配線層10aと同様に複数の配線を備えた複数の樹脂層からなる配線層10bが設けられている。
配線層10bは、第1のプリント配線基板5aに遠い側から近い側へ、第1〜第4の4層の樹脂層が積層されている。第2の樹脂層の配線は、LSIチップ2の端子に接続される。第3の樹脂層には、主に信号用の配線が形成される。また、最も第1のプリント配線基板5aに近い側に配置された第4の樹脂層の配線はグランド用に割り当てられ、配線層10bのプリント配線基板5a側の面に形成されたグランドプレーン(第2電極)11に接続される。
グランドプレーン11は、金属等の導電性材料により形成され、図1及び図3に示すように、誘電体層4を挟んで第1の支持体3aと対向するように形成されている。グランドプレーン11は、第2のプリント配線基板5bよりも外形寸法が一回り小さく、プリント配線基板5bの面積よりも小さくなるように形成されている。また、グランドプレーン11は、第1のプリント配線基板5aを支持する第1の支持体3a及びその上に設けられた誘電体層4(図1及び図2参照)と略同一の形状及び面積に形成され、略全面が誘電体層4に密着している。グランドプレーン11は、配線層10bの配線を介してグランドに接続(接地)されている。
図1に示すように、第1の支持体3aとグランドプレーン11とは、誘電体層4を挟んで対向した状態となっている。また、第1の支持体3aは電源に接続され、グランドプレーン11はグランドに接続されている。そのため、第1の支持体3aとグランドプレーン11との間には、所定の電圧が印加される。すなわち、第1の支持体3a、誘電体層4、及びグランドプレーン11によって第2のLSIチップ2の電源端子に接続された電源デカップリングコンデンサが構成されている。
図1に示すように、電極パッド12bは、グランドプレーン11と同様、配線層10bのプリント配線基板5a側の面に形成されている。電極パッド12bは、第2のプリント配線基板5bが備える配線に接続されている。電極パッド12bは、各々の電気的接続部6に対応して設けられ、電気的接続部6に接続されている。これにより、第1のプリント配線基板5aの電極パッド12aと第2のプリント配線基板5bの電極パッド12bとが、電気的接続部6を介して接続されている。
第2のプリント配線基板5bの配線層10bと反対側の面の略中央には、第1のプリント配線基板5aと同様に、LSIチップ2が埋設されている。LSIチップ2の端子は配線層10bの配線に接続されている。また、第2のプリント配線基板5bの当該面には第2のプリント配線基板5bを支持する第2の支持体(第3電極)3bが配置されている。
第2の支持体3bは、例えば金属等、導電性を有し、第2のプリント配線基板5bと比較して剛性が高い材料により形成されている。この実施の形態では、第2の支持体3bとして、例えば厚み約0.5mm程度の銅板を用いている。第2の支持体3bは、第2のプリント配線基板5bの略全面を覆い、かつLSIチップ2を覆うように設けられている。第2の支持体3bは、接着層7bを介してLSIチップ1に接合されると共に、プリント配線基板5aに固定されている。これにより、第1のプリント配線基板5aが高剛性の第1の支持体3aにより補強されている。
第2の支持体3bは、第1の支持体3bを貫通する導電性材料からなる複数個の層間接続部9b、及び、配線層10bの配線を介してグランドと接続される。したがって、第2の支持体3bはグランドプレーンとみなせる。
次に、この実施の形態の半導体装置100の作用について説明する。
図1及び図4に示すように、半導体装置100の一方の面を覆う第2の支持体3bが導電性材料により形成され、層間接続部9b及び配線層10bの配線を介してグランドと接続されている。これにより、第1のプリント配線基板5a及び第2のプリント配線基板が支持体3によって電気的にシールドされる。
したがって、この実施の形態によれば、半導体装置100のノイズ耐性を向上させることができる。
また、第1のプリント配線基板5aの第1の支持体3aが層間接続部9a及び配線層10aの配線を介して電源と接続されている。これにより、支持体3aが電源プレーンとして機能する。また、支持体3aは、第1のプリント配線基板5aの周辺部に設けられた電気的接続部6の形成領域を除く領域に形成され、第1のプリント配線基板5aの大部分を覆う大きな面積を有している。
したがって、この実施の形態によれば、半導体装置100の電源品質を向上させることができる。
さらに、グランドに接続されたグランドプレーン11と、第2のLSIチップ2の電源端子に接続された第1の支持体とが、誘電体層4を挟んで対向している。これにより、第1のプリント配線基板5aと第2のプリント配線基板5bとの間に、第2のLSIチップ2に接続された電源デカップリングコンデンサーが構成されている。
したがって、この実施の形態によれば、半導体装置100の電源品質をさらに向上させることができる。
また、第1の支持体3a及び第2の支持体3bは金属等の比較的剛性の高い材料により形成されている。また、第1の支持体3aは第1のプリント配線基板5aの周辺部の電気的接続部6の形成領域を除く広い範囲を覆い、第2の支持体3bは第2のプリント配線基板5bの略全面を覆うように設けられている。これにより、比較的剛性の低い第1のプリント配線基板5a及び第2のプリント配線基板5bを支持し補強することができる。
したがって、この実施の形態の半導体装置100によれば、1のプリント配線基板5a及び第2のプリント配線基板5bの反りを抑制することができる。また、第1の支持体3aを備えた第1のプリント配線基板5aと第2の支持体3bを備えた第2のプリント配線基板5bとを積層させることで、これらが相互に支持しあい、よりそりを抑制する効果を向上させることができる。
また、第1の支持体3aによって第1のプリント配線基板5aの反りを防止した状態で、第2のプリント配線基板5bを第1のプリント配線基板5a上に積層させることができる。
したがって、複数のプリント配線基板5a,5bが積層された高密度な半導体装置100を容易に製造することが可能になる。また、複数のプリント配線基板5a,5bを積層させることができるので、半導体装置100の層数を増加させ、電気配線設計を容易にすることができる。
また、第1のプリント配線基板5aと第2のプリント配線基板5bとの間に誘電体材料からなる誘電体層4が配置されている。また、誘電体層4は、第1の支持体3aと同様、第1のプリント配線基板5aの周辺部の電気的接続部6の形成領域を除く広い範囲に設けられている。したがって、誘電体層4を比較的弾性率の低い低弾性材料で形成することでアンダーフィルとして機能させ、第1のプリント配線基板5aと第2のプリント配線基板5bとの間に発生する応力を緩和することができる。
また、第1のLSIチップ1は、接着層7aを介して第1の支持体3aに接合されている。また、第2のLSIチップ2は、接着層7bを介して第2の支持体3bに接合されている。また、第1の支持体3a及び第2の支持体3bは、例えば金属等の比較的熱伝導率の高い材料により形成されている。したがって、例えば接着層7a,7bとして熱伝導率の高いものを用いることで、LSIチップ1,2において発生した熱を支持体3a,3bに伝熱させ放熱させることができる。また、支持体3a,3bはそれぞれプリント配線基板5a,5b上の広い範囲に形成されているので、LSIチップ1,2の放熱性をより向上させることができる。
以上説明したように、この実施の形態によれば、プリント配線基板5a,5bの反りを抑制する支持体3a,3bを備えた状態で、ノイズ耐性が向上した半導体装置100を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態の変形例について説明する。
図5〜図8は、上記の実施の形態の図1〜図4に相当する第1の変形例に係る半導体装置200を示す図である。半導体装置200は、第2のプリント配線基板5bに複数のLSIチップ2を備える点で、上記の実施の形態において説明した半導体装置100と異なっている。その他の点は同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
図5〜図8に示すように、半導体装置200は第2のプリント配線基板5bの配線層10bと反対側の面に4つのLSIチップ2が埋設されている。4つのLSIチップ2は図7及び図8に示すように、それぞれがグランドプレーン11及び第2の支持体3bと平面的に重なるように、グランドプレーン11と第2の支持体3bとの間に互いに離間して配置されている。
本変形例に係る半導体装置200によれば、上記の半導体装置100と同様の効果が得られるだけでなく、第2のプリント配線基板5bが複数のLSIチップ2を搭載することができる。
図9は、上記の実施の形態の図1に相当する第2の変形例に係る半導体装置300の断面図である。半導体装置300は、第2のプリント配線基板5bを備えていない点で、上記の実施の形態において説明した半導体装置100と異なっている。その他の点は同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
本変形例に係る半導体装置300によれば、プリント配線基板5aが単層であった場合であっても、支持体3aによりプリント配線基板5aの反りを抑制すると共に、支持体3aを電源またはグランドに接続し、ノイズ耐性を向上させることができる。
また、本変形例における半導体装置300において、支持体3aをLSIチップ1の電源端子に接続し、支持体3a上に上記の実施の形態と同様に誘電体層4を設け、その上にグランドプレーン11又は支持体3bを配置してグランドと接続してもよい。これにより、電源デカップリングコンデンサーが構成され、半導体装置300のノイズ耐性をさらに向上させることができる。
図10〜図12は、上記の実施の形態の図1〜図3に相当する第3の変形例に係る半導体装置400を示す図である。半導体装置400は、電気的接続部6が、誘電体層4の周囲を1重に取り囲むように、誘電体層4の各辺に沿って1列設けられている点で上記の実施の形態において説明した半導体装置100と異なっている。その他の点は同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
半導体装置400では、図10〜図12に示すように、電気的接続部6を1列として、電源、グランド、信号を混在させている。この場合、電気的接続部6の数が減少するものの、第1の支持体3aの面積を大きくできる。これにより、第1のプリント配線基板5a及び第2のプリント配線基板5bに対する反りの抑制効果が大きくなる。逆に、電気的接続部6の数が多く必要な場合は、列の数を増やすことができる。
図13及び図14は、上記の実施の形態の図1及び図2に相当する第4の変形例に係る半導体装置500を示す図である。半導体装置500は、上記の実施の形態における誘電体層4の形成領域に、誘電体層4aと導電部4bとが離間して設けられている点で上記の実施形態で説明した半導体装置100と異なっている。その他の点は同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
半導体装置500では、第1の支持体3aの面積の半分程度の領域に上記の実施の形態の誘電体層4と同様の誘電体層4aが形成され、半分程度の領域に導電性材料により導電部4bが形成されている。これにより、第1の支持体3aの誘電体層4aの形成領域に電源デカップリングコンデンサを構成し、第1の支持体3aの誘電体層4aの形成領域をLSIチップ2で使用される電源のプレーンに割り当てることができる。また、第1の支持体3aの導電部4bの形成領域をグランドのプレーンに割り当てることができる。したがって、電源デカップリングコンデンサによる効果に加え、第1のプリント配線基板5aの電源配線を第2のプリント配線基板5bに面で接続することが可能となる。
尚、この発明は上述した実施の形態及びその変形例に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上記の実施の形態においてはプリント配線基板を2段積層としているが、説明を容易にするためであり、これに限定されるものではない。
また、上記の実施の形態において、LSIチップの接続方法は銅ポストによる接続でなくてもよく、例えば半田ボールによるフリップチップ接続でも構わない。
また、第1の支持体とその上段のプリント配線基板のグランドプレーンは同一の面積である必要はない。電源デカップリングコンデンサとして機能するには、少なくとも両者の一部が対向していればよい。したがって、上段の最下層のグランドプレーンの面積を小さくして、上段のプリント配線基板の最下層をその他の電源や信号配線のために用いてもよい。
また、プリント配線基板とメインボードへの接続方法についても、半田ボールによるBGA(Ball Grid Array)接続としているが、これに限定されない。あるいは、電源デカップリングコンデンサの機能が不要ならば、上段のプリント配線基板の最下層のグランドプレーンを省略してもよい。
また、下段のプリント配線基板の支持体と上段のプリント配線基板の最下層のグランドプレーンの間を誘電体層ではなく、導電性の材料で接続してもよい。このときは、グランドプレーンは支持体と同電位になる。
また、上記の実施の形態では、第1の支持体(第1電極)が第2のLSIチップの電源端子に接続されている構成としたが、第1の支持体をグランドに接続し、グランドプレーン(第2電極)を第2のLSIチップの電源端子に接続する構成としてもよい。
また、第1のプリント配線基板と第1の支持体を含む層を複数積層させてもよい。
1 LSIチップ(第1半導体チップ)、2 LSIチップ(第2半導体チップ)、3a 支持体(第1電極)、3b 支持体(第3電極)、4,4a 誘電体層、5a プリント配線基板(第1キャリア基板)、5b プリント配線基板(第2キャリア基板)、6 電気的接続部(接続部)、7a,7b 接着層、11 グランドプレーン(第2電極)、100,200,300,400,500 半導体装置

Claims (9)

  1. 第1半導体チップが搭載された第1キャリア基板と、
    前記第1キャリア基板を支持すると共に前記第1半導体チップを覆う第1電極と、
    前記第1電極上に設けられた誘電体層と、
    前記誘電体層を挟んで前記第1電極と対向する第2電極と、
    前記第2電極上に配置され第2半導体チップが搭載された第2キャリア基板と、
    前記第2キャリア基板を支持すると共に前記第2半導体チップを覆う第3電極と、
    を備え、
    前記第1電極または前記第2電極は、前記第2半導体チップの電源端子と電気的に接続され、前記第1電極と前記第2電極との間に所定の電圧が印加されること
    を特徴とする半導体装置。
  2. 前記誘電体層の周囲に前記第1キャリア基板が備える配線と前記第2キャリア基板が備える配線とを電気的に接続する接続部が設けられていること
    を特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記接続部により接続された前記配線は接地されたグランド配線であること
    を特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記第1電極は前記電源端子と電気的に接続されていること
    を特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記第3電極は接地されていること
    を特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記第2電極は接地されていること
    を特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記第1キャリア基板と前記第1電極とを有する層が複数積層されていること
    を特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記第1半導体チップと前記第1電極との間に接着層が設けられていること
    を特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記第2半導体チップと前記第3電極との間に接着層が設けられていること
    を特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載の半導体装置。
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