JP2002026177A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
理する半導体装置では、高周波領域の配線部分は分布定
数回路として処理する必要が生じ、さらにアナログ回路
網の下に基材の配線が配置されることにより回路特性が
変化し、発振などの誤動作が発生する問題があった。 【解決手段】 所望の周波数帯域の高周波信号を入出力
する導体経路の長さを所望周波数の実効波長の4分の1
以下として、突起電極2との接続部、ビアホール20と
接続する電極を除く基材の表層または内層ビアホール1
1を除く内層に導体層を形成することにより、配線部分
の影響を無視することが可能となり、システムの誤動作
または動作不良を防止することができる。
Description
る高周波矩形波信号と無線通信等に使用される高周波信
号を同時に処理する半導体素子を基板に実装した半導体
装置に関するものである。
し、動作速度も高速化し、モバイル化も進展している。
こうした流れの中で高速にデジタル信号を処理するベー
スバンド系信号処理部と無線通信用信号を処理する高周
波アナログ回路部分とのモジュール化が進行すると同時
に、これらを1チップのシステムLSI化する動きも同
時に進行している。従来、これらの機能を有する半導体
素子を搭載した半導体装置として、特に電子機器の携帯
性を考慮したCSP(Chip Scale Pack
age)が開発され、広く使用されている。
置の一例について説明する。
置として、CSPの断面構成を示す断面図である。
(図示せず)に形成された突起電極2と基材3に形成さ
れた表層配線4とが位置合わせされて電気的に接続さ
れ、半導体素子1と基材3との間にはアンダーフィル樹
脂5が充填されてCSP6を構成している。
の誘電体層(アルミナ等)7が積層されるとともに、半
導体素子1が接続される側には表層配線4が形成されて
おり、内層には導電体よりなるGND(グランド)層8
および電源層9が形成され、また基材3の裏面には裏面
配線10が形成されている。これらGND層8、電源層
9の導体配線層は、内層ビアホール11によりそれぞれ
電気的に接続されており、特に表層配線4と裏面配線1
0とは基材3を通したビアホール(図示せず)によって
電気的に接続されている。
GND層8および電源層9に対してマイクロストリップ
線路として構成されており、それぞれの配線自体は所望
の特性インピーダンスZ0となるよう設計されている。
のパターン間の距離は、半導体素子1の電極のピッチよ
りも大きいため、高密度実装半導体装置であるCSPに
用いられる基材でも、QFP(Quad Flat P
ackage)やTCP(Tape Carrier
Package)と同様に、基材3の半導体素子接合側
のランドピッチに対して、外部接続側のランドピッチが
大きくなっている。
の導体層を経由した基材の外部接続部までの導体配線の
長さが、使用周波数帯域の経路長に対して十分短い場合
は、信号線路の特性インピーダンスは不問とすることが
できる。
される矩形波信号と無線系の高周波信号を同時に処理す
るシステムLSIなどの半導体素子を半導体装置に搭載
する場合、このようなシステムLSIのピン数は200
ピン〜300ピンが想定され、半導体装置も全体に大型
化が想定される。
[GHz]と仮定すると、空気中での波長は60[mm]で
ある。この場合、比誘電率約4のエポキシ樹脂中での実
効波長は約30[mm]となる。伝送線路上では電圧振幅
が常に零のところと最大になるところが存在し、その点
は負荷端から導体経路の4分の1波長の整数倍の距離に
あり、負荷端が短絡の場合と開放の場合では逆転する。
負荷を調整することによって、振幅が全て一定になる整
合状態にすることも可能であるが、負荷端に任意の負荷
を接続した場合には、同様に振幅は最大と零の部分が発
生する。
成分に対して導体経路の長さが4分の1波長以上の場合
は、分布定数回路として処理することが必要であるの
で、半導体装置内に信号線を形成する場合には、少なく
とも導体経路の長さを所望周波数の実効波長の4分の1
以下にする必要がある。したがって周波数6[GHz]の
場合、実効波長の4分の1は約8[mm]となりCSPな
どを想定しても導体経路の長さは無視できない場合があ
るといった問題点があった。
速信号という)を高速伝送する場合、例えばクロック周
波数が3[GHz]であるとすると、矩形波の高調波成分
として10倍程度、またはそれ以上が必要とされる場合
も少なくない。この場合、要求される周波数帯域は30
[GHz]以上となる。30 [GHz]の正弦波の波長は
空気中で10[mm]であり、例えば、多層配線の層間絶
縁膜に用いられる代表的材料であるBTレジン(比誘電
率:約4)上の導体経路上での実効波長は約5[mm]と
なる。
も、半導体素子上の電極数が増加すると、外部基板と接
続する外部パッドのピッチの制約のため、半導体装置の
サイズが大きくなることから配線長が増大し、高周波領
域では基材上の配線部分を分布定数回路として処理する
必要が生じる。
では、基材上の配線部分の影響により、半導体素子と外
部配線のインピーダンスを整合するための整合回路を半
導体装置の外部に形成しても信号の入出力ができなくな
り、システムに誤動作、または動作不良を発生させると
いう問題点を有していた。
でも矩形波の高調波成分は波長が短くなるので、図5に
示した半導体装置の例のように、配線部分をマイクロス
トリップ線路構造のような特性インピーダンスを制御す
る構造として、信号の入出力をスムーズに行なう構造が
採用されているが、無線系の高周波に使用される半導体
素子の入出力パッドの入出力インピーダンスは、半導体
装置内の配線インピーダンスに必ずしも一致しない。こ
のため、従来の半導体装置上のベースバンド部分のみの
線路の特性インピーダンスを外部配線の特性インピーダ
ンスと一致させるだけの構造では、無線系高周波信号を
損失、反射なくスムーズに入出力できなくなりシステム
に誤動作、または動作不良を発生させるという問題点を
有していた。
網の下に基材上の配線が配置されることにより、本来L
SI上で設計された回路特性が、基材上の配線の影響を
受けることによって特性が変化し、発振などの誤動作を
おこすという問題も有していた。
高速信号と無線系高周波信号を同時に処理する半導体素
子を搭載する半導体装置として、無線系高周波信号の入
出力損失を小さくすることにより、所望の回路特性を保
つ構造とする。このような半導体装置の構成にすること
により、システム内の誤動作または動作不良を防止し、
ベースバンド高速信号の入出力損失および歪みを小さく
することができる。
防止することができる半導体装置の構造として、無線系
部分の高周波信号が通過する導体経路の長さを所望周波
数の実効波長の4分の1以下とする構造にして、突起電
極との接続部、ビアホールと接続する電極を除く基材の
表層または内層ビアホールを除く内層に導体層を形成す
ることにより、基材に半導体素子搭載した段階で、導体
層による特性を加えた状態で、対向する半導体素子上の
無線系部分の回路特性が決定される構造を有する半導体
装置の構造を提案する。
および歪みを小さくすることができ、システム内の誤動
作または動作不良を防止することができる半導体装置の
構造として、前記構造に加えて、半導体装置内の導体経
路におけるベースバンド高速信号入出力部分の特性イン
ピーダンスを、外部基板配線特性インピーダンスに一致
させる構造を合わせて有する半導体装置を提案する。
めに、本発明の半導体装置は、矩形波信号が通過する複
数の第1の電極パッドと、所望の周波数帯域の高周波信
号が通過する複数の第2の電極パッドとを有する半導体
素子と、前記第1の電極パッドまたは前記第2の電極パ
ッドにおいて入出力する電気信号または電力が通過する
導体配線および外部電極パッドを備えた基材とよりなる
半導体装置であって、前記第1の電極パッドまたは前記
第2の電極パッドと前記導体配線とが突起電極を介して
電気的に接続し、前記所望の周波数帯域の高周波信号が
通過する導体経路の長さが所望周波数の実効波長の4分
の1以下であり、前記導体経路に接続する突起電極との
接合部を除く前記基材の表層の所望部分に導体層が形成
される。
系高周波信号を同時に処理する半導体素子を搭載する半
導体装置に対して、無線系高周波信号を入出力する部分
の特性を考慮する必要のない構造とすることにより、L
SI単体で設計された本来の回路特性の設計値が、基材
に実装後も、基材に形成された配線の影響を受けること
なく特性が変化しない。
高周波信号を同時に処理する半導体素子を搭載する半導
体装置に対して、無線系高周波信号の入出力損失を小さ
くすることができ、またその半導体素子を半導体装置に
搭載することにより、所望の回路特性で動作させること
が可能となるので、この影響による無線系高周波信号の
入出力部分の歪みを小さくすることができ、システムの
誤動作または動作不良を防止することができる。
および歪みを小さくすることも必要な場合は、ベースバ
ンド信号が通過する導体配線をマイクロストリップ線路
構造とし、外部配線基板の信号のインピーダンスに一致
させる方法が有効である。
電極パッドと、所望の周波数帯域の高周波信号が通過す
る複数の第2の電極パッドとを有する半導体素子と、前
記第1の電極パッドまたは前記第2の電極パッドにおい
て入出力する電気信号または電力が通過する導体配線お
よび外部電極パッドを備えた基材とよりなる半導体装置
であって、前記第1の電極パッドまたは前記第2の電極
パッドと前記導体配線とが突起電極を介して電気的に接
続し、前記所望の周波数帯域の高周波信号が通過する導
体経路の長さが所望周波数の実効波長の4分の1以下で
あり、前記基材の内層の所望部分に導体層が形成され
る。
く内層に形成することによっても、LSI単体で設計さ
れた本来の回路特性の設計値が、基材に実装後も、基材
に形成された配線の影響を受けることなく特性が変化し
ない。
極との接合部を除く前記基材の表層の所望部分および基
材の内層の所望部分に形成される。
続する突起電極との接合部を除く前記基材の表層の所望
部分および基材の内層の所望部分に形成することによっ
て、LSI単体で設計された本来の回路特性の設計値
が、基材に実装後も、基材に形成された配線の影響を受
けることなく特性が変化しない。
極との接合部を除く部分または基材の内層の内層ビアホ
ールを除く部分である。
材の表層または内層ビアホールを除く部分に導体層を形
成することで、LSI単体で設計された本来の回路特性
の設計値が、基材に実装後も、基材に形成された配線の
影響を受けることなく特性が変化しない。
過する導体経路は、少なくとも基材の両面に形成された
導体配線を電気的に接続するビアホールまたは基材の内
層に形成された導体層を電気的に接続する内層ビアホー
ルからなる。
て、互いの導体配線をビアホールまたは内層ビアホール
により電気的に接続することにより、半導体素子の電極
ピッチと基材の外部パッドのピッチとの格差を小さくす
ることができ、さらに無線系高周波信号の入出力部分の
歪みを抑制するシステムを達成する小型の半導体装置の
実現が可能になる。
施形態について図面を参照しながら説明する。
明する。
信号を同時に処理する半導体素子の電極パッド配置を示
した平面状態の模式図である。
バンド信号用パッド13、ベースバンド信号処理回路エ
リア14、無線系高周波信号用パッド15および無線系
高周波信号回路エリア16を回路上に有している。
は、基材の表層端子(図示せず)との接続距離が最短に
なるような位置に配置され、本実施形態では無線系高周
波信号回路エリア16内に配置されている。
の各構成は、記号化して無線回路図構成として示してい
る。
のCSPの断面図である。
電極(図示せず)に形成された突起電極2は、絶縁基板
等の基材3上のベースバンド信号用パッド13および無
線系高周波信号用パッド15に位置合わせされて電気的
に接続され、半導体素子1と基材3との間にアンダーフ
ィル樹脂5が充填されることにより、接合部が確実に固
定されている。
7が交互に密着して層状に形成されている。この基材3
は、半導体素子1と接合する側の表面に表層導体層18
が形成されている。なお本実施形態では、内層には2層
の内層配線層を有しているが、3層以上の内層配線層を
有する基材であってもよい。
信号用の内層ビアホール19により電気的に接続され、
基材3の表層導体層18と裏面に形成されている外部パ
ッド12とは、基材3の表面と裏面を通したビアホール
20(または2以上の内層ビアホールが連続したもの)
により電気的に接続されている。さらに本実施形態の半
導体装置は、基材3の裏面の外部パッド12に形成され
た半田ボール21を介して、外部基板(図示せず)と電
気的に接合するものである。
て、無線系高周波信号は半導体素子1の無線系高周波信
号用パッド15、突起電極2に接続されたビアホール2
0(または内層ビアホールを連続して接続したもの)、
外部パッド12、半田ボール21を介して外部基板回路
と入出力されるが、このときの信号経路の全長が所望周
波数の実効波長の4分の1以下となるような構造として
いる。
決定され、次式で定義される。
波長、εe:実効比誘電率である。
理エリア14および無線系高周波信号回路エリア16
は、基材3の表層導体層18と対向した状態で実装され
ており、それらのベースバンド信号処理エリア14およ
び無線系高周波信号回路エリア16の各回路では、表層
導体層18との間で所望回路定数となるように、オープ
ンスタブ、ショートスタブ、インダクタンスおよび容量
等の回路素子を構成し、基材3の内層配線層17の影響
を受けて回路定数が変化しないような構造をなしてい
る。
4の部分は、アナログ回路であるので、無線系高周波信
号回路エリア16に比較して、回路定数に対する影響を
それほど考慮する必要がない場合もあるため、必ずしも
表層導体層18と対向させる必要はない。
要に応じて、突起電極2との接続部、ビアホール20と
接続する電極を除く基材の表層または内層ビアホール1
1を除く内層を導体層とした導体プレーン層に対して、
所望の特性インピーダンスとなるストリップ線路等を形
成することにより、ベースバンド信号部分のインピーダ
ンスをベースバンド部分の外部信号インピーダンスと一
致させた構造をなしている。
は、半導体素子1の電極に突起電極2を形成する工程
と、突起電極2が形成された半導体素子1を基材3にフ
ェイスツーフェイスで対向させ、突起電極2と基材3上
のベースバンド信号用パッド13および無線系高周波信
号用パッド15とを位置合わせして接続し、アンダーフ
ィル樹脂5を半導体素子1と基材3との間に注入して加
圧、加熱することにより、基材3に対して半導体素子1
を固定する工程とを有する。
の配線幅および表層配線層18の配線幅は、特定のイン
ピーダンスが得られる値であれば特に限定されることは
ない。また内層配線層17の厚みおよび表層配線層18
の厚みは、所望の周波数範囲でほぼ導体損失が無損失と
みなせる値であれば、特に限定されることはない。
処理部分の導体経路の長さを所望周波数の実効波長の4
分の1以下とすることにより配線部分の影響を無視する
ことが可能となる。
と対向する位置に、基材上の配線が配置されることによ
り、本来LSI単体で設計された回路特性が基材上の配
線の影響を受けて特性が変化してしまい、発振などの誤
動作が発生するという問題も有していたが、突起電極と
の接続部、ビアホールと接続する電極を除く基材の表層
の全面または内層ビアホールを除く内層の全面に導体層
を設けることにより、半導体素子が実装後に受ける影響
を含んだ状態の回路設計を、あらかじめ実装前に行うこ
とができるので前記のような問題は解決される。
の導体経路の長さを所望周波数の実効波長の4分の1以
下とし、さらに突起電極との接続部、ビアホールと接続
する電極を除く基材の表層の全面または内層ビアホール
を除く内層の全面に導体層を設けて、半導体素子が実装
後に受ける影響を含んだ状態の回路設計を、あらかじめ
実装前に行うことでアナログ回路定数をCSPの表層導
体層に対して固定するという2つの構成を併用すること
により、システムの誤動作または動作不良を防止するこ
とができる。
半導体素子をフリップチップ実装した構成のBGA(B
all Grid Array)においても、CSPと
同様に誤動作または動作不良を防止することができる。
必要に応じ、ベースバンド信号部分の信号配線は、突起
電極2との接続部、ビアホール20と接続する電極を除
く基材3の表層または内層ビアホール19を除く内層を
導体層とした導体プレーン層に対して、所望の特性イン
ピーダンスを形成するストリップ線路等を構成すること
により、半導体素子上のベースバンド部分のインピーダ
ンスとベースバンド部分の外部信号インピーダンスとを
一致させ、ベースバンド高速信号の入出力損失および歪
みを小さくすることで、システムの誤動作または動作不
良を防止することができる。
BGAでも無線系高周波信号用信号部分の導体経路の長
さを所望周波数の実効波長の4分の1以下とし、さらに
突起電極との接続部、ビアホールと接続する電極を除く
基材の表層または内層ビアホールを除く内層に導体層を
設けて、アナログ回路定数をCSPの表層導体層に対し
て固定するという2つの構成を併用することにより、シ
ステムの誤動作または動作不良を防止することができ
る。
したCSPの断面図であり、図4は基板の両面に表層導
体プレーン層を形成したCSPの断面図である。
内層ビアホールを除く内層に形成することも可能であ
る。また、内層の導体プレーン層22に対して、半導体
素子1の無線系高周波信号回路エリア16上の回路定数
は、固定されている。
ビアホールと接続する電極を除く基材の表層に導体プレ
ーン層22を形成した基材3に対して、半導体素子1上
の無線系高周波信号回路エリア16上の回路定数が、導
体プレーン層22に対して固定されている。
して、無線系高周波信号用信号部分の導体経路の長さを
所望周波数の実効波長の4分の1以下とすることによ
り、配線部分の影響を無視することが可能となる。
に対向して、基材上の配線が配置されることにより、本
来LSI単体上で設計された回路特性が基材上の配線の
影響を受けて特性が変化してしまい、発振などの誤動作
が発生するという問題も有していたが、回路に影響を与
える部分に表層配線を形成することなく、突起電極との
接続部、ビアホールと接続する電極を除く基材の表層ま
たは内層ビアホールを除く内層に導体層を設けることに
より、半導体素子が実装後に受ける影響を含んだ状態の
回路設計を、あらかじめ実装前に行うことができるので
前記のような問題は解決される。
の導体経路の長さを所望周波数の実効波長の4分の1以
下とし、さらに突起電極との接続部、ビアホールと接続
する電極を除く基材の表層または内層ビアホールを除く
内層に導体層を設けて、アナログ回路定数をCSPの表
層導体層に対して固定するという2つの構成を併用する
ことにより、システムの誤動作または動作不良を防止す
ることができる。
両構造において、基材に形成された配線のベースバンド
信号部分のインピーダンスは、基材表面の導体配線層を
マイクロストリップ線路構造とすることで、外部配線基
板信号のインピーダンスに一致させることが可能であ
り、ベースバンド系信号が高速の場合でもベースバンド
高速信号の入出力損失および歪みを小さくすることがで
き、システムに誤動作または動作不良を防止することが
可能である。
との接続部、ビアホールと接続する電極を除く基材の表
層または内層ビアホールを除く内層に導体層を形成した
半導体装置であって、比較的低周波のベースバンド信号
と無線系高周波信号を同時に処理する半導体素子を搭載
する半導体装置の無線系高周波信号を伝送する配線の長
さを所望周波数の実効波長の4分の1以下として、信号
入出力経路の構成は、基材に形成されたビアホールおよ
び内層ビアホールより構成された構造とすることによ
り、入出力信号が線路部分で反射または減衰するといっ
た信号歪みによるシステムの誤動作を防止することがで
きる。
網の下にCSP上の配線が配置されることにより本来L
SI上で設計された回路特性が基材上の配線の影響を受
けて特性が変化してしまい、発振などの誤動作が発生す
るという問題も有していたが、突起電極との接続部、ビ
アホールと接続する電極を除く基材の表層または内層ビ
アホールを除く内層に導体層を設けることにより、半導
体素子が実装後に受ける影響を含んだ状態の回路設計を
あらかじめ実装前に行い、アナログ回路定数を基材の表
層導体層または内層導体層に対して固定することで、シ
ステムの誤動作または動作不良を防止することができ
る。
バンド信号部分は、ストリップ線路、マイクロストリッ
プ線路構造等を成して外部配線基板信号のインピーダン
スに一致させることが可能であり、ベースバンド系信号
が高速の場合でもベースバンド高速信号の入出力損失、
歪みを小さくすることができ、システムに誤動作または
動作不良を防止することができる。
模式図
Claims (5)
- 【請求項1】 矩形波信号が通過する複数の第1の電極
パッドと、所望の周波数帯域の高周波信号が通過する複
数の第2の電極パッドとを有する半導体素子と、前記第
1の電極パッドまたは前記第2の電極パッドにおいて入
出力する電気信号または電力が通過する導体配線および
外部電極パッドを備えた基材とよりなる半導体装置であ
って、前記第1の電極パッドまたは前記第2の電極パッ
ドと前記導体配線とが突起電極を介して電気的に接続
し、前記所望の周波数帯域の高周波信号が通過する導体
経路の長さが所望周波数の実効波長の4分の1以下であ
り、前記導体経路に接続する突起電極との接合部を除く
前記基材の表層の所望部分に導体層が形成されたことを
特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 矩形波信号が通過する複数の第1の電極
パッドと、所望の周波数帯域の高周波信号が通過する複
数の第2の電極パッドとを有する半導体素子と、前記第
1の電極パッドまたは前記第2の電極パッドにおいて入
出力する電気信号または電力が通過する導体配線および
外部電極パッドを備えた基材とよりなる半導体装置であ
って、前記第1の電極パッドまたは前記第2の電極パッ
ドと前記導体配線とが突起電極を介して電気的に接続
し、前記所望の周波数帯域の高周波信号が通過する導体
経路の長さが所望周波数の実効波長の4分の1以下であ
り、前記基材の内層の所望部分に導体層が形成されたこ
とを特徴とする半導体装置。 - 【請求項3】 導体層は基材の内層の所望部分にも形成
されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 【請求項4】 所望部分は、基材の表層の突起電極との
接合部を除く部分または基材の内層の内層ビアホールを
除く部分であることを特徴とする請求項1〜請求項3の
いずれかに記載の半導体装置。 - 【請求項5】 所望の周波数帯域の高周波信号が通過す
る導体経路は、少なくとも基材の両面に形成された導体
配線を電気的に接続するビアホールまたは基材の内層に
形成された導体層を電気的に接続する内層ビアホールか
らなることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
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JP2000206488A JP2002026177A (ja) | 2000-07-07 | 2000-07-07 | 半導体装置 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005026650A (ja) * | 2003-07-01 | 2005-01-27 | Northrop Grumman Corp | 電子デバイスパッケージ組立体 |
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2000
- 2000-07-07 JP JP2000206488A patent/JP2002026177A/ja active Pending
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