JP6318565B2 - 半導体装置および電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関する。
小型化や低価格化を目的としてアナログ信号処理回路部とデジタル信号処理回路部とを半導体基板上に集積して一体化した半導体装置が知られている。アナログ信号処理回路部には、受動素子が数多く用いられている。また、半導体装置には、表面に複数のバンプ(外部電極)が設けられる(例えば、特許文献1参照)。
特開2009−266964号公報
アナログ信号処理回路部の受動素子のうち、1素子当たりの平面視における面積が比較的大きいのがインダクターである。インダクターは近い位置に金属があると磁束が変化し、インダクターとしての特性が劣化し得る。また、平面視における面積という点では、半導体装置表面に配置されるバンプも1つ当たりの平面視面積が比較的大きい。従って、インダクターの上方にバンプが位置しないように回路配置やバンプの数を設計する必要がある。しかし、多機能化、多回路集積化を図る半導体装置において、バンプの数をできる限り多くしたい要求や、半導体装置全体の更なる小型化の要求がある。
本発明は上述した課題に鑑みて考案されたものであり、その目的とするところは、インダクターを備えた半導体装置において、インダクターの特性劣化を抑えた新たな半導体装置、およびその半導体装置を含む電子機器を実現することである。
上記課題を解決するための第1の形態は、半導体装置であって、基板と、前記基板に積層され、インダクターを含む第1層と、前記第1層の前記基板とは反対側に配置されたバンプ群と、を含み、前記バンプ群は、所定規則で配置された複数のバンプと、前記複数のバンプとは異なるバンプであって、前記半導体装置を平面視した場合に、前記複数のバンプとは異なるバンプの中心が前記インダクターと重ならない少なくとも1個のバンプと、を含む、半導体装置である。
この第1の形態によれば、バンプ群のうち一部のバンプが、平面視において、バンプの中心がインダクターと重ならない位置に配置される。また、バンプ群は、所定規則で配置された複数のバンプを含む。インダクターに影響を与える可能性のあるバンプの中心をインダクターの中央上方からずれた位置に配置することで、インダクターへの影響を低減することができ、インダクターの特性劣化を抑えることができる。
また、第2の形態は、前記基板は平面視において矩形であり、前記インダクターは、平面視において前記矩形の何れかの角部に位置しており、前記インダクターを含み、アナログ信号を処理してデジタル信号を出力するアナログ信号処理回路部と、平面視において前記デジタル信号処理回路部と離間して設けられ、前記デジタル信号を処理するデジタル信号処理回路部と、を含む半導体装置である。
この第2の形態によれば、アナログ信号処理回路部とデジタル信号処理回路部とを備えた半導体装置が実現される。また、基板は平面視において矩形であり、インダクターが平面視において矩形の何れかの角部に設けられる。インダクターを角部に設けたことにより、インダクターに影響を与える可能性のあるバンプの数を低減することができる。また、アナログ信号処理回路部はインダクターを含む。さらに、アナログ信号処理回路部とデジタル信号処理回路部とが平面視において離間して設けられる。このため、アナログ信号処理回路部へのデジタル信号処理回路部からの電磁波の干渉を低減することができる。
また、第3の形態は、平面視において前記アナログ信号処理回路部が、前記インダクターと前記デジタル信号処理回路部との間に電源回路部を有する、半導体装置である。
この第3の形態によれば、平面視において、インダクターとデジタル信号処理回路部との間に電源回路部が配置される。電源回路部は、デジタル信号処理回路部よりも電磁波の発生が少ない。電源回路部をインダクターとデジタル信号処理回路部との間に設けることで、インダクターがデジタル信号処理回路部から受ける電磁波の干渉を一層低減することができる。
また、第4の形態は、前記デジタル信号処理回路部が、第1の動作周波数で動作する第1のメモリーと、前記第1の動作周波数よりも低い第2の動作周波数で動作する第2のメモリーと、を含み、前記第1のメモリーと前記アナログ信号処理回路部との距離が、前記第2のメモリーと前記アナログ信号処理回路部との距離よりも長い、半導体装置である。
この第4の形態によれば、デジタル信号処理回路部は、相対的に動作周波数の高い第1のメモリーと、相対的に動作周波数の低い第2のメモリーを有する。そして、第1のメモリーに比べて第2のメモリーの方が、アナログ信号処理回路部までの距離が近い位置に配置される。これによって、第1のメモリーとアナログ信号処理回路部との距離が第2のメモリーとアナログ信号処理回路部との距離以下である場合よりも、アナログ信号処理回路部がデジタル信号処理回路部から受ける電磁波の干渉を低減することができる。
また、第5の形態は、前記アナログ信号処理回路部は、アナログ信号を受信する受信回路部である、半導体装置である。
この第5の形態によれば、半導体装置によってアナログ信号を受信することができる。
また、第6の形態は、LNA(Low Noise Amplifier)を更に含み、前記LNAは前記インダクターを含む、半導体装置である。
この第6の形態によれば、アナログ信号処理回路部に含まれるLNAがインダクターを含む。インダクターの特性劣化を抑えることで、LNAの特性劣化を抑えた半導体装置を構成できる。
また、第7の形態は、前記アナログ信号は、測位用衛星信号であり、前記デジタル信号処理回路部は、前記測位用衛星信号を捕捉するための相関演算を行う相関演算回路部と、第1の動作周波数で動作する第1のメモリーと、を含み、前記第1のメモリーと前記アナログ信号処理回路部との距離が、前記相関演算回路部と前記アナログ信号処理回路部との距離よりも長い、半導体装置である。
この第7の形態によれば、半導体装置は測位用衛星信号を受信することができる。また、測位用衛星信号の受信装置であるから、デジタル信号処理回路部には相関演算回路部が含まれる。第1のメモリーとアナログ信号処理回路部との距離は、相関演算回路部とアナログ信号処理回路部よりも長い。相関演算回路部が生じる電磁波は、第1の動作周波数で動作する第1のメモリーが生じる電磁波よりも相対的に低い。そのため、相関演算回路部を第1のメモリーよりもアナログ信号処理回路部の近くに配置することで、アナログ信号処理回路部がデジタル信号処理回路部から受ける電磁波の干渉を一層低減することができる。
また、第8の形態は、前記アナログ信号処理回路部は、前記インダクターを3以上有し、平面視において各前記インダクターの中央を結ぶ平面視多角形の面積が、0.08mm以上0.116mm以下である、半導体装置である。
この第8の形態によれば、インダクターを3以上有し、平面視において各インダクターの中央を結ぶ平面視多角形の面積が、0.08mm以上0.116mm以下の半導体装置を構成することができる。
半導体装置の平面図。 集積回路を構成する回路ブロックの概略配置図。 インダクターの相対位置関係を示す図。
図1は、本実施形態のWCSP(ウェハレベルチップサイズパッケージ)と呼ばれる半導体装置1の平面図である。なお、封止樹脂を省略して示している。また、この半導体装置1は、例えば、チップサイズが「3.5mm×3.5mm×0.5mm」以上「3.65mm×3.65mm×0.75mm」以下である。
半導体装置1は、平面視において矩形の半導体基板(基板に相当する)の上(表面)に、トランジスタや抵抗、コンデンサ、インダクター等を含む複数の回路ブロックが形成・集積されて構成されている。回路ブロックが形成されている層を、以下では「第1層」という。また、第1層の上には、各回路ブロックに接続された複数の電極パッド10が半導体装置1の四辺に沿って形成されている。電極パッド10は、例えば銅で形成された配線(再配線)30と接続されている。電極パッド10と配線30とが形成された層を、以下では「第2層」という。また、第2層の上の、平面視において電極パッド10が形成された領域よりも内側の領域には、外部電極である複数のバンプ(ボール電極)20を含むバンプ群が形成されており、配線30によって電極パッド10と接続されている。つまり、バンプ群は、第1層に対して基板とは反対側に配置されている。バンプ20は、半導体装置1を外部(例えば、半導体装置1を制御するプロセッサー等)と接続するための端子である。バンプ20を除く半導体基板上には、ポリイミド等からなる絶縁層が形成されている。この構造により、バンプ20が絶縁層から露出している。なお、「矩形」は長方形または正方形であり、各辺は平面視において完全な直線でなくても良い。
バンプ20は、バンプ群の一部のバンプであるバンプ20aを除き、所定規則で配置されている。本実施形態では、バンプ20の配置規則は、縦横に行列状に配置した構成とするが、中央部以外を取り囲むように2重或いは3重などの環状配置した構成としてもよい。バンプ20aは、平面視した際に、インダクター52a,52bと一部が重なるような位置に配置されており、他のバンプの配置規則とは異なっている。
詳細には、平面視においてバンプ20aの中心がインダクターと重ならない位置に、バンプ20aが配置されている。バンプ20aと重なるインダクター52a,52bの面積が、当該インダクター52a,52bの面積の半分未満となるように、バンプ20aが配置されている。なお、「バンプ20aの中心」とは、平面視におけるバンプ20aの輪郭の形状(本実施形態では円形)の、外心(外接円の中心)又は内心(内接円の中心)である。本明細書において、「インダクター」は、特に断りがない限り、インダクターのコイル部分と、その周囲の領域とを含む。また、配線30は、平面視した際に、インダクター52a〜52cに重ならない位置に配置される。
図1において、半導体装置1には、4つの角部のうちの左上角部に、3つのインダクター52a〜52cが配置されている。インダクター52a〜52cの大きさは、必要な性能に基づいて定められるが、インダクター52a〜52cのうちの少なくとも1つは、平面視における幅が、バンプ20を所定規則で配置した場合に隣り合う2つのバンプ20の間隔(中心間の距離)よりも長い。ここで、インダクターの幅は、2つのバンプ20の中心間を結ぶ方向と平行な方向における幅である。
仮に、所定規則(行列状)でバンプ20を配置した場合の仮の位置22a,22bを、図1に点線で示す。左上の仮の位置22aとインダクター52aとが、インダクター52aの面積の半分以上の面積で重なり、その右隣の仮の位置22bとインダクター52bとが、インダクター52bの面積の半分以上の面積で重なる。このため、仮の位置22a,22bにはバンプ20は配置されず、インダクター52a,52bの間にバンプ20aが配置される。このようにバンプ20aを配置すると、仮の位置22a,22bにバンプを配置する場合よりもバンプを1つ減らすことになる。しかし、仮の位置22a、22bの位置にバンプを配置する場合よりも、インダクターの特性劣化を抑えることができる。また、仮の位置22a,22bにバンプを配置しない場合よりも多くのバンプを配置することができる。
また、インダクター52cについては、その周囲の4つのバンプ20b〜20eそれぞれと重なっているが、それぞれと重なっている部分が、当該インダクター52cの面積の半分未満であり、一部が重なっている。そのため、図1の通り、4つのバンプ20b〜20eは所定規則通りの配置となっている。なお、図1においては、バンプ20a以外のバンプ20は全て所定規則で配置されているが、他に、所定規則とは異なる配置のばんぷ20が存在しても良い。
図2は、半導体装置の内層に設けられた集積回路40を構成する回路ブロックの概略配置図(レイアウト図)である。以下の説明において、各回路ブロックの位置関係の説明は、特に断りが無い限り平面視における位置関係である。本実施形態の集積回路40(第1層)には、GPS(Global Positioning System)衛星信号を受信して測位演算を行うGPS受信回路が形成される。集積回路40がGPS受信回路である場合、半導体装置1は、外部のGPSアンテナと接続され、GPSアンテナを介してGPS衛星信号を受信する。半導体装置1は、アナログ信号処理装置、或いは衛星信号処理装置ともいえる。
GPS受信回路は、大きく分けて、アナログ信号処理回路部であるRF(Radio Frequency)受信回路部50と、デジタル信号処理回路部であるベースバンド処理回路部60とを備える。RF受信回路部50は、アナログ信号であるGPS衛星信号を受信し、アナログ信号処理を行ってデジタル信号に変換する。ベースバンド処理回路部60は、RF受信回路部50から出力されるデジタル信号に対するデジタル信号処理を行って、位置等を算出する測位演算を行う。
図2に示すように、集積回路40は、RF受信回路部(アナログ信号処理回路部)50と、ベースバンド処理回路部(デジタル信号処理回路部)60とが、ノイズを低減する緩衝帯部70を介在させて配置されて構成されている。すなわち、RF受信回路部50は、平面視した半導体基板の左上側(一方側)にL字形状に配置され、RF受信回路部50と離間して右下側(他方側)にベースバンド処理回路部60が配置されている。
緩衝帯部70は、幅が約50μm程度であり、少なくとも、RF受信回路部50とベースバンド処理回路部60とが形成された回路層において、素子や配線、拡散層を置かない領域である。但し、緩衝帯部70に、ダミーパターンとしての素子や配線、電気的にダイナミックに変動しない直流素子を配置しても良い。
RF受信回路部50は、GPSアンテナによる受信信号を増幅するLNA(Low Noise Amplifier:低雑音増幅器)52を含む各種増幅器と、VCO(Voltage Controlled Oscillator:電圧制御発振器)やPLL(Phase Locked Loop)54、ループフィルターを有してローカル信号(局所周波数信号)を生成する発振回路部と、増幅後の受信信号をローカル信号と合成して中間周波数の信号(IF(Intermediate Frequency)信号)にダウンコンバートするミキサー56と、PPF(Poly Phase Filter:多相フィルター)やLPF(Low Pass Filter)等の各種フィルターと、アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D(Analog to Digital)変換回路とを備えている。
LNA52はインダクター52a〜52cを有する。LNA52、ひいてはインダクター52a〜52cは、ベースバンド処理回路部60から最も離れた位置である左上角部に配置されている。これは、ベースバンド処理回路部60の回路動作がインダクター52a〜52cに与える影響を抑えるためである。
LNA52は、3つのインダクター52a〜52cを有している。インダクター52aは、入力整合用であり、インダクター52b,52cは、負荷用である。また、インダクター52a〜52cの相対位置関係を図3に示す。インダクター52a〜52cそれぞれの中心53a〜53cを頂点とする多角形(この場合は三角形)を考えた場合、この多角形の面積は「0.115681mm」である。3以上のインダクターを形成する場合、平面視において各インダクターの中央を結ぶ多角形の面積は、「0.08〜0.116mm」の範囲内であると半導体装置1の小型化及び製造に好適であり、本実施形態はこれに該当する。なお、「インダクターの中央」は、インダクターのコイル部分の平面視における中心(外接円または内接円の中心)である。
PLL54は、緩衝帯部70を介してベースバンド処理回路部60と隣り合う位置に配置されている。また、ローカル信号を生成するため、ミキサー56がPLL54に隣り合う位置に配置されているが、ミキサー56は、PLL54を挟んで緩衝帯部70と反対側に配置されている。そして、RF受信回路部50を構成する他の各回路要素は、RF受信回路部50における信号の流れを考慮し、各回路要素間の配線が短くなるように配置されている。
また、RF受信回路部50は、緩衝帯部70を介してベースバンド処理回路部60に隣り合う位置、すなわち、LNA52とベースバンド処理回路部60との間に、RF受信回路部50及びベースバンド処理回路部60に直流電源を供給する電源回路部58を有する。電源回路部58は、低損失レギュレータ(LDO:Low Drop-Out regulator)である。電源回路部58は、集積回路40を駆動するための安定した直流電圧を供給する。低損失レギュレータは、電磁波を発生しにくい。電源回路部58をインダクター52a〜52cとベースバンド処理回路部60との間に設けることで、インダクター52a〜52cがベースバンド処理回路部60から受ける電磁波干渉を一層低減することができる。
なお、本実施形態では、RF受信回路部50が1つの電源回路部58を有することとしたが、RF受信回路部50及びベースバンド処理回路部60それぞれが個別の電源回路を有する構成としても良い。また、ベースバンド処理回路部60が電源回路部58を有することとしてもよい。また、RF受信回路部50またはベースバンド処理回路部60の電源供給を、半導体装置1の外部に接続した電源によって行ってもよく、外部の電源と電源回路部58のいずれを用いるかを選択できる構成であってもよい。
ベースバンド処理回路部60は、CPU(Central Processing Unit)や第1のメモリー64および第2のメモリー66、GPS衛星信号を捕捉するための、受信信号(デジタル信号)とレプリカコードとの相関演算を行う相関演算回路部68等を備えている。
相関演算回路部68は、緩衝帯部70を介してRF受信回路部50と隣り合う位置に配置されている。また、CPUは、相関演算回路部68の周辺に配置されている(図2では、相関演算回路部68と表示された領域にCPUが含まれている)。また、第1のメモリー64は、RF受信回路部50から離れた右下角部に配置され、第1のメモリー64に比較して動作周波数が低い第2のメモリー66は、左下角部に配置されている。すなわち、RF受信回路部50までの距離が、第1のメモリー64よりも第2のメモリー66の方が近い位置に配置されている。また、RF受信回路部50までの距離が、第1のメモリー64よりも相関演算回路部68の方が近い位置に配置されている。ベースバンド処理回路部60においては、メモリーが最も電磁波を生じやすく、また、動作周波数が高いほど、電磁波が生じやすい。そこで、このように配置することで、第1のメモリー64のRF受信回路部50、ひいてはインダクター52a〜52cへの電磁波干渉を低減できる。
[作用効果]
このように、本実施形態の半導体装置1によれば、集積回路40が有するインダクター52a〜52cの特性劣化を抑えることができる。すなわち、半導体装置1において、インダクター52a〜52cは、平面視した半導体基板上の角部(図1では、左上角部)に配置され、バンプ20は、インダクター52a〜52cの近傍となる一部のバンプ20aを除き、縦横に行列状に規則的に配置されている。バンプ20aは、平面視において、インダクター52a〜52cと一部が重なるように配置されている。これにより、バンプ20aの影響によるインダクター52a〜52cの特性劣化が低減される。
また、アナログ信号処理回路部であるRF受信回路部50と、デジタル信号処理回路部であるベースバンド処理回路部60とが、緩衝帯部70を介して配置されている。インダクター52a〜52cを有するLNA52は、ベースバンド処理回路部60から離れた半導体基板上の角部に配置されている。また、LNA52とベースバンド処理回路部60との間に、電源回路部58が配置されている。これにより、ベースバンド処理回路部60が発生する高周波によるインダクター52a〜52cの特性劣化が低減される。
[変形例]
なお、本発明の適用可能な実施形態は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。以下に変形例について説明するが、変形例の説明にあたっては実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
(A)バンプ
上述の実施形態では、バンプ20a(インダクターと中心が重ならないバンプ)が1つである場合を例に挙げて説明したが、バンプ20aは複数であっても良い。配置するインダクターの数や配置に応じて、必要な数のバンプを、平面視においてインダクターとバンプの中心が重ならないように配置すればよい。
(B)インダクター
上述の実施形態では、3つのインダクター52a〜52cがLNA52に含まれる例を説明したが、インダクターの数や、インダクターを含む回路ブロックはこれに限定されない。例えば、1つまたは2つ、あるいは4つ以上のインダクターがLNA52に含まれても良いし、PLL55がインダクターを含んでいても良い。PLL55がインダクターを含む場合は、当該インダクターとバンプの中心が平面視において重ならないように配置する。
(C)アナログ信号
上述の実施形態では、GPS衛星信号を例に挙げて説明したが、本発明は他のアナログ信号を処理する半導体装置1にも適用可能である。すなわち、各種変調方式や通信方式のアナログ信号、例えば、GPS衛星信号と同様のCDMA(Code Division Multiple Access)方式で拡散変調された信号や、FDMA(Frequency Division Multiple Access)方式、Bluetooth(登録商標)、AM(Amplitude Modulation)方式、FM(Frequency Modulation)方式等の信号に適用可能である。なお、高周波のアナログ信号を使用する場合に好適である。
また、上述の実施形態では、GPS衛星信号を例に挙げて説明したが、WAAS(Wide Area Augmentation System)、QZSS(Quasi Zenith Satellite System)、GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System)、GALILEO、BeiDou(BeiDou Navigation Satellite System)などの他の衛星測位システムの信号であってもよい。
(D)電子機器
また、本発明の半導体装置1は、各種電子機器に適用可能である。例えば、ランナーズウォッチ、カーナビゲーション装置、携帯型ナビゲーション装置、パソコン、PDA(Personal Digital Assistant)、携帯電話、腕時計といった種々の電子機器について適用することが可能である。
1 半導体装置、10 電極パッド、20 バンプ、30 配線、40 集積回路、50 RF受信回路部、52 LNA、52a〜52c インダクター、54 PLL、56 ミキサー、58 電源回路部、60 ベースバンド処理回路部、64 第1のメモリー、66 第2のメモリー、68 相関演算回路部、70 緩衝帯部

Claims (9)

  1. 基板と、
    前記基板に積層され、インダクターを含む第1層と、
    平面視において所定規則で配置されている複数のバンプを含む前記第1層の前記基板側とは反対側に配置されているバンプ群と、
    を含み、
    前記バンプ群は、
    前記平面視において前記所定規則から外れて配置されているバンプであって、前記平面視において前記インダクターと一部重なり、且つ中心が前記インダクターと重ならないバンプ、
    を含む、半導体装置。
  2. 請求項1において、
    前記基板は、前記平面視において矩形であり、
    前記インダクターは、前記平面視において、前記矩形の何れかの角部に位置し、
    前記インダクターを含み、アナログ信号を処理してデジタル信号を出力するアナログ信号処理回路部と、
    前記平面視において前記アナログ信号処理回路部と離間して設けられ、前記デジタル信号を処理するデジタル信号処理回路部と、
    を含む、半導体装置。
  3. 請求項2において、
    前記アナログ信号処理回路部は、前記平面視において、前記インダクターと前記デジタル信号処理回路部との間に配置されている電源回路部を含む、
    半導体装置。
  4. 請求項2または3において、
    前記デジタル信号処理回路部は、
    第1の動作周波数で動作する第1のメモリーと、
    前記第1の動作周波数よりも低い第2の動作周波数で動作する第2のメモリーと、
    を含み、
    前記第1のメモリーと前記アナログ信号処理回路部との間の距離が、前記第2のメモリーと前記アナログ信号処理回路部との間の距離よりも長い、
    半導体装置。
  5. 請求項4において、
    前記アナログ信号処理回路部は、アナログ信号を受信する受信回路部である、
    半導体装置。
  6. 請求項5において、
    LNA(Low Noise Amplifier)を含み、
    前記LNAは前記インダクターを含む、
    半導体装置。
  7. 請求項4乃至6の何れか一項において、
    前記アナログ信号は、測位用衛星信号であり、
    前記デジタル信号処理回路部は、
    前記測位用衛星信号を捕捉するための相関演算を行う相関演算回路部を含み、
    前記第1のメモリーと前記アナログ信号処理回路部との間の距離が、前記相関演算回路部と前記アナログ信号処理回路部との間の距離よりも長い、
    半導体装置。
  8. 請求項2乃至7の何れか一項において、
    前記アナログ信号処理回路部は、
    前記インダクターを3以上有し、
    且つ、前記平面視において、前記3以上のインダクターそれぞれの中央を結んでなる多角形の面積が、0.08mm2以上、0.116mm2以下である、
    半導体装置。
  9. 請求項1乃至8の何れか一項に記載の半導体装置を含む、電子機器。
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