JP2003086754A - 半導体集積回路モジュールとその製造方法及び使用方法 - Google Patents
半導体集積回路モジュールとその製造方法及び使用方法Info
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Abstract
めることができず、電源変動の影響を受けやすい等の課
題があった。 【解決手段】LSIパッケージ面に電源モジュールを搭
載する。LSIと電源モジュールとの給電距離を縮める
ことができる。その結果、電源ノイズを低減することが
でき、電源部の高効率・高速応答、さらに放射電磁界を
低減できる。また、各LSIパッケージが自己に必要な
電源モジュールを有することで、パッケージが搭載され
る基板に、必要な電源の種類(電圧種)wを減らすこと
ができる。この結果、実装効率の向上が図れ、かつ、基
板を安価に製造することができる。
Description
は半導体チップを収めたパッケージ及びこれに給電する
電源モジュールに関し、特に、そのパッケージの表面に
垂直な方向に近接して設けた電源モジュールを有する半
導体集積回路モジュールに関する。
はめざましく、LSIチップは小型化/高集積化が要求
されているため、LSI製造プロセスの微細化が進んで
いる。それに伴い、LSIチップへ供給する電源電圧は
従来の5Vから3.3V、2.5Vと低電圧化し、最近で
は1.5V以下といった電圧で動作するLSIやICが
登場してきた。
LSI等の消費電力が小さくできるといった利点がある
一方で、従来は問題にならなかった程度の電源変動がL
SIチップの動作に影響する問題も発生している。この
問題を解決するため、特開平11−177015公報や
特開2001−68583公報記載の技術は、半導体パ
ッケージ上面または近傍にバイパスコンデンサなどの電
子部品を搭載している。
進むにつれ、ひとつのLSIパッケージに対して、これ
に供給する複数の電源電圧が必要となったり、LSIや
ICによって必要な電源電圧が異なるため、複数のLS
Iパッケージが搭載された基板(プリント配線板、プリ
ント配線ボード)の上に、複数の電源を搭載する必要が
でてきた。
15公報や特開2001−68583公報記載の技術で
は、バイパスコンデンサとLSIチップの距離を縮める
ことにより電源変動の影響を少なくすることはできる
が、電源と、その負荷となるLSIチップとの間の給電
距離を縮めることができない。このため、電源の低電圧
化の傾向と相俟って、給電経路から電磁ノイズが発生し
やすく、また、外部からの電磁ノイズの影響を受けやす
い。
は、相互にノイズの影響を受けやすいばかりでなく、基
板の実装効率も悪くなってしまう。
LSI)を収納し、又は、封止するパッケージの上に、
パッケージの表面に垂直な方向に、電源モジュールを搭
載する。電源モジュールのピン配置を規格化する。パッ
ケージとこれに近接配置された電源モジュールとを半導
体集積回路モジュールとして取り扱う。LSI等のチッ
プの内部に設けられた電圧変動検出回路部に、電源モジ
ュールの入出力電圧等の信号を入力する。
るLSI等のチップとの給電距離を縮めることが可能な
ため、電源ノイズの放射を低減できる。また、給電距離
を縮めることで給電ラインの抵抗及びインダクタンスが
小さくなるので、電源モジュールの電源部の効率が高ま
り、電源電圧の変動が少なくなり、高速応答が可能とな
る。
において、それぞれのパッケージに必要な電源モジュー
ルを個々のパッケージが搭載できるので、これらを半導
体集積回路モジュールとして取り扱うことで、基板上に
必要な電源の種類(電圧種)を減らすことができ、基板
の実装効率が向上する。また、電源が1種類の場合で
も、電源モジュールをLSIパッケージ上面に実装でき
るので、基板の実装効率が向上する。
技術との差異を説明し、次に図1から図11を用いて本
発明を説明する。図12の右側に、本発明の実施の形態
である、LSIパッケージ13の表面に垂直な方向に電
源モジュール11を搭載し、更に、これらを基板16に
配置した構造を示す。LSIパッケージ13はLSIチ
ップ19を収納しており、モジュール11からチップ1
9を経てモジュール11に戻る給電経路は図示されるよ
うに短くなっている。また、パッケージ13のシールド
面に近接してモジュール11が設けられており、モジュ
ール11からの電磁ノイズの不要輻射を有効に抑制する
構成となっている。
り図12の左側では、電源モジュール11とLSIパッ
ケージ13が、それぞれ、基板16に実装されている。
このように電源モジュール11をLSIパッケージ13
に近接して配置しても、基板16の内層321、322
を介して給電する距離が必要となる。
チップ19を経て、電源モジュール11に戻る給電経路
は図示されるように、図12の右側の構造に比べて長く
なる。この給電経路は、所定の周波数の電磁波に対して
はアンテナに等価であり、モジュール11やチップ19
を電磁ノイズ源とすれば、不要な電磁波を放射する経路
となる。逆に、所定の周波数の電磁波を受信し、LSI
チップの動作に影響を与えることにもなる。
電距離を従来の構成より格段に短縮することができ、電
源ノイズの低減、また、電源部の高効率・高速応答、放
射電磁界の低減が実現できる。
ップもあり、数cmの給電経路はGHzオーダのアンテ
ナに等価になる恐れもある。しかし、LSIチップが発
生するGHzオーダの電磁波は、電源モジュールの動作
に悪影響を及ぼさない。なぜなら1)電源モジュール自
体がGHzオーダの電磁波に対して応答できないこと、
かつ、2)電源モジュールの回路自体がコモンモードで
遮蔽されており、外部からの電磁波の影響を受けにくい
こと等の理由による。よって、図12の右側の構成によ
り、GHzオーダで動作するLSIチップの上に電源モ
ジュールを搭載しても、特に問題は生じない。
図11を用いて説明する。図1及び図2は、本発明を適
用したLSIモジュール23の第1の実施例である。図
2は図1の断面図となっている。
11を取り付ける穴を設け、モジュール11のリードが
LSIパッケージ29の上面にある電極12(図示せ
ず)に接続できるよう構成している。LSIパッケージ
29は、その製造の初期の段階からヒートスプレッダ2
8を設けた基板構成とし、上記の穴を開けても良い。
尚、ヒートスプレッダ28や、後述のヒートシンク17
は、パッケージ又はLSIチップの熱を放出する放熱板
の作用を有する。
ル181と電極121を接続している。これにより、電
源モジュール11へ入力電力を供給し、電源モジュール
11により規定された電圧Vmoが、電極122とスル
ーホール302、ボンディングワイヤ156を介してL
SIチップ19へ供給される。これにより、LSIチッ
プ19への給電距離は従来技術と比較して短くなるの
で、電源ノイズの低減、また、電源部の高効率・高速応
答、放射電磁界の低減が実現できる。
によりヒートスプレッダ28に固定され、ボンディング
ワイヤ153〜156により、LSIパッケージ13と
所定の電気的接続を行なった後、チップ封止樹脂22を
用いてパッケージ13に封止され、収納されている。
11の間にヒートスプレッダ28があり、これが電磁シ
ールドの役割も果たすため、チップ19は電源モジュー
ル11によるノイズの影響を受けにくくなっている。
3の第2の実施の態様である。図4は図3の断面図とな
っている。電源モジュール11には、その中央に開口が
設けられ、ヒートシンク17は、その開口を介して、電
源モジュール11の負荷であるLSIチップ19に取り
付けられている(図4)。チップ19はチップ封止樹脂
23によりLSIパッケージ13に固定されている。
3は、半田ボール182(図4)を介して接続される。
これにより、LSIチップ19の放熱を妨げることなく
電源モジュール11をLSIパッケージ13に搭載する
ことができる。尚、図5に、LSIチップ19の発熱が
ヒートシンク17を必要としない場合の、LSIモジュ
ール23の外観を示す。LSIチップの発熱が少ない場
合には、第1又は第3の実施例に示すLSIモジュール
構成とすれば、電磁ノイズの不要輻射をより効果的に抑
制することができる。
ジュール23の第3の実施例を示す。LSIパッケージ
13の上面にある電極12を介して電気的接続を行いつ
つ、電源モジュール11を搭載する。
SIリードピン14と電極12を接続している。これに
より、電源モジュール11への入力となる電力を供給
し、電源モジュール11により規定された出力電力が、
電極12とLSIチップ19間を接続するボンディング
ワイヤ152を介してLSIチップ19へ供給される。
離は従来と比較して短くなるので、電源ノイズの低減、
また、電源部の高効率・高速応答、放射電磁界の低減が
実現できる。
共通化しておけば、これらに接続されるべく規格化され
たピン配置を有する電源モジュール11を、他の種類の
ICやLSIパッケージ13に搭載でき、部品共通化に
よるコスト低減の効果がある。
ージ13を、半田接続、ソケットその他容易に取り付け
取り外し可能な接続としておけば、LSIモジュール2
3の製造中または製造後に、電源モジュール11に不具
合が発生しても、モジュール11のみの交換が可能とな
るので、モジュール23の製造コストを低減することが
できる。
ル23の第4の実施例を示す。電源モジュール構成要素
201〜204を、LSIパッケージ13の上に配置し
た。この構成によっても、第1の実施例と同様に、LS
Iチップ19の放熱を妨げることはない。但し、本発明
が適用される環境下では、LSIパッケージ13で必要
とされる電源の電圧Vpは、電源モジュール11の出力
電圧Vmoであり、電源モジュール11の入力電圧Vm
iより低いことが通常となる。
に通過したVmiなる電圧にパッケージ13が耐え得る
構造となっていること、2)Vmiなる入力電圧は、L
SIパッケージ13の電源モジュール構成要素201〜
204のみに印加され、パッケージ13の他の電子素子
に印加されないこと、3)電源モジュール11の出力電
圧Vmoのみが、LSIパッケージ13の他の電子素子
に印加されるようパッケージ13が構成されていること
等が条件となる。
3.3V、2.5Vと低電圧化しており、このようなLS
Iチップ19を製造するプロセス技術と、電源モジュー
ル11を製造するプロセス技術は通常異なり、LSIチ
ップ19は、電源モジュール11へ印加されるVmiな
る電圧に耐えられない。このため、LSIパッケージ1
3の配線構造により、チップ19とモジュール構成要素
201〜204を絶縁する必要があるためである。
ール23の第5の実施例である。LSIチップ19に対
する電源供給ラインの電源変動の許容範囲は、一般に、
基準値の5〜10%以内である。従来技術では、LSI
モジュールに電源モジュール11が搭載されていなかっ
たため、LSIモジュールに対する電源変動の許容範囲
は、LSIチップ19に対する電源変動の許容範囲と等
しくなる。本発明を適用すれば、LSIモジュール23
に対する電源供給は、電源モジュール11を経由してL
SIチップ19に送られるので、LSIチップ19に対
する電源変動の許容範囲は、電源モジュール11に対す
る電源変動の許容範囲と為し得る。
容範囲は、一般に、基準値の10〜20%以内で良いた
め、LSIチップ19に対する電源変動の許容範囲が広
がり、LSIモジュール23の動作範囲が向上する。ま
た、電源変動を検出するためにLSIチップ19の内部
に設けられた、電圧変動検出回路部27は、LSIチッ
プ19に対する電源供給ライン25だけでなく、LSI
モジュールに対する電源供給ライン24を監視するこ
と、つまり電圧変動検出用ライン26を設けて、チップ
19に印加される異常電圧を早期に検出する。
における、LSIチップ19と電源モジュール11間の
双方向制御の方法を説明するフローチャートである。
されると、LSIチップ19は、スタートアップシーケ
ンスを開始する。ここで、LSIチップ19が高速動作
を必要としているために通常より高めの電圧が必要であ
るときは、LSIチップ19から電源モジュール11へ
制御信号1を出力する。
し、要求された電源電圧2を出力する。また逆に、LS
Iチップ19が、低消費電力モードになり通常より低め
の電圧でよい場合には、LSIチップ19から電源モジ
ュール11へ制御信号2を出力する。電源モジュール1
1は、制御信号2を受信し、要求された電源電圧3を出
力する。
した場合には、電源モジュール11からLSIチップ1
9に対し制御信号3を出力する。LSIチップ19は、
制御信号3を受信し、シャットダウン処理を行う。
路モジュールの製造方法について簡単に説明する。 1)LSIパッケージと、電源モジュールを用意する。
LSIパッケージは、第1の実施例(図1)で示すよう
な、ヒートスプレッダ28を表面に有し、所定の個所
に、電気的接続を行なうための穴がもうけられている。
ールと接続可能とするため、接続パターンやピン配置を
共通化、規格化しておく。また、第2の実施例(図3)
に示すように、ヒートシンク17を取り付け可能であっ
てもよい。LSIパッケージの発熱が少なければ、第3
の実施例(図6)のように、ヒートシンクやヒートスプ
レッダを設けなくとも良い。
ージ13における、電源モジュールの配線とLSIチッ
プの配線とは、十分な絶縁がなされる。また、LSIチ
ップ内部に、電圧変動検出回路部27を設けておく。
に、ピンによりLSIパッケージ29に接続されてもよ
いし、第2の実施例のように、半田ボールにより182
により接続されてもよい。パッケージの発熱量に応じ
て、適宜、ヒートシンク17をパッケージに取り付ける
ための開口を設ける。第4の実施例を製造するために
は、パッケージ13において、電源モジュールのための
配線が、必要な電源入出力を除き、LSIチップの配線
と絶縁されている必要がある。
とを、これらが搭載される基板の実装効率を落とさぬた
め、これらを重ねて基板に搭載する。本発明を適用した
実施例では、電源モジュールがLSIパッケージの鉛直
上面に積み重ねられているが、電源モジュール上にLS
Iパッケージを積んでも良い。この場合、電源モジュー
ルの配線と、LSIチップの配線とを絶縁し、電源モジ
ュールを経由して基板に電気的接続がなされるような、
バイパス線路を設ける必要がある。
・高速応答、さらに電磁波の不要輻射を低減できる。
のチップとの給電距離を縮めることが可能なため、電源
ノイズの放射を低減できる。給電距離を縮めることで給
電ラインの抵抗及びインダクタンスが小さくなるので、
電源モジュールの電源部の効率が高まり、電源電圧の変
動が少なくなり、高速応答が可能となる。
において、それぞれのパッケージに必要な電源モジュー
ルを個々のパッケージが搭載できるので、これらを半導
体集積回路モジュールとして取り扱うことで、基板上に
必要な電源の種類(電圧種)を減らすことができ、電源
モジュール以外の電子回路を搭載する、基板の実装効率
が向上する。電源が1種類の場合でも、電源モジュール
をLSIパッケージ上面に実装できるので、基板の実装
効率が向上する。これにより基板の表面及び内部の電源
プレーンを1面とでき、基板を安価に製造できる。
することで、電源モジュールとLSIパッケージの規格
化ができるため、LSIパッケージごとに電源モジュー
ルを設計する必要がなくなり、設計工数を削減し、製造
原価を低減することができる。
ジュールを示す概念図である。
る。
ジュールを示す概念図である。
る。
である。
ジュールを示す概念図である。
る。
示す概念図である。
ジュールを示す概念図である。
モジュールを示す概念図である。
チップと電源モジュールとの間の制御方法を説明するフ
ローチャートである。
技術との差異を説明するための図である。
ン 151〜156…ボンディングワイヤ 16…基板 17…ヒートシンク 181〜182…半田ボール 19…LSIチップ 201〜204…電源モジュール構成要素 22…チップ封止樹脂 23…LSIモジュー
ル 24…LSIモジュールに対する電源供給ライン 25…LSIチップに対する電源供給ライン 26…電圧変動検出用ライン 27…電圧変動検出回路部 28…ヒートスプレッダ 29…LSIパッケージ(基板構成) 301、302…スルーホール 31…銀ペースト 321〜322…基板の内層
Claims (16)
- 【請求項1】半導体集積回路を封止したパッケージと、
当該パッケージに搭載され当該パッケージに給電する電
源モジュールを有する半導体集積回路モジュール。 - 【請求項2】請求項1記載の半導体集積回路モジュール
において、 前記電源モジュールは、電源チップ単体、又は、電源チ
ップ単体及びその周辺部品と、複数の電極を有し、 前記パッケージは、その表面に電極を設け、該電極と前
記電源モジュールの電極とを電気的に接続することで、
該パッケージに前記電源モジュールを搭載し、かつ、前
記電源モジュールから該パッケージへ給電する半導体集
積回路モジュール。 - 【請求項3】半導体集積回路を封止したパッケージであ
って、当該パッケージに給電する電源モジュールの構成
要素を、当該パッケージに設けた半導体集積回路モジュ
ール。 - 【請求項4】請求項2記載の半導体集積回路モジュール
において、 前記パッケージに封止された半導体集積回路と、前記電
源モジュールとの間にインタフェースを有し、双方向に
制御する機能を有する半導体集積回路モジュール。 - 【請求項5】請求項4記載の半導体集積回路モジュール
において、前記電源モジュールが前記パッケージから取
り外し可能である半導体集積回路モジュール。 - 【請求項6】請求項2記載の半導体集積回路モジュール
において、 前記電源モジュールを搭載した状態であっても、前記パ
ッケージに封止された半導体集積回路へ、放熱器を取り
付け可能である半導体集積回路モジュール。 - 【請求項7】請求項6記載の半導体集積回路モジュール
において、 前記電源モジュールは開口を有し、当該開口を介して、
前記放熱器を取り付け可能である半導体集積回路モジュ
ール。 - 【請求項8】請求項2記載の半導体集積回路モジュール
において、 前記パッケージの入力電圧より、前記電源モジュールの
出力電圧の方が小さい半導体集積回路モジュール。 - 【請求項9】次の2つの手順を順序不同で行なうステッ
プと、 1)半導体集積回路をパッケージに固定し、封止するこ
と 2)パッケージに放熱板を設けること 前記パッケージに給電する電源モジュールを、前記パッ
ケージの表面にほぼ垂直な方向から、前記放熱板を介し
て、搭載するステップとを有する半導体集積回路モジュ
ールの製造方法。 - 【請求項10】半導体集積回路をパッケージに固定し、
封止するステップと、 前記パッケージに給電する電源モジュールを、前記パッ
ケージの表面にほぼ垂直な方向から、搭載するステップ
とを有する半導体集積回路モジュールの製造方法。 - 【請求項11】請求項10記載の半導体集積回路モジュ
ールの製造方法において、 更に、前記パッケージに、前記電源モジュールに設けら
れた開口を介して、放熱板を設けるステップとを有する
半導体集積回路モジュールの製造方法。 - 【請求項12】次の3つの手順を順序不同で行なうステ
ップを有する半導体集積回路モジュールの製造方法。 1)パッケージに少なくとも2系統の配線を設けること 2)半導体集積回路をパッケージの1つの系統の配線に
固定し、封止すること 3)パッケージに給電する電源モジュールの構成要素
を、前記パッケージのもう1つの系統の配線に接続する
こと - 【請求項13】請求項12記載の半導体集積回路モジュ
ールの製造方法において、更に、前記パッケージに放熱
板を設けるステップを有する半導体集積回路モジュール
の製造方法。 - 【請求項14】請求項9、10、又は12記載のいづれ
か1つの半導体集積回路モジュールの製造方法におい
て、 半導体集積回路をパッケージに固定する前に、 当該半導体集積回路の内部に、半導体集積回路モジュー
ルへ供給される電源と、前記半導体集積回路へ供給され
る電源との双方を監視する電圧変動検出回路部を設ける
ステップ有する半導体集積回路モジュールの製造方法。 - 【請求項15】半導体集積回路を封止したパッケージ
と、当該パッケージに搭載され当該パッケージに給電す
る電源モジュールを有する半導体集積回路モジュールの
使用方法であって、 電源モジュールから半導体集積回路に対し第1の電圧が
供給されるステップと、 半導体集積回路が、スタートアップシーケンスを開始す
るステップと、 半導体集積回路が、電源モジュールへ第1の制御信号を
出力するステップと、 電源モジュールが、第1の制御信号に応答して、半導体
集積回路に対し、第2の電圧を出力するステップとを含
む半導体集積回路モジュールの使用方法。 - 【請求項16】半導体集積回路を封止したパッケージ
と、当該パッケージに搭載され当該パッケージに給電す
る電源モジュールを有する半導体集積回路モジュールの
使用方法であって、 電源モジュールから半導体集積回路に対し第1の電圧が
供給されるステップと、 半導体集積回路が、スタートアップシーケンスを開始す
るステップと、 電源モジュールが、半導体集積回路に対し、第3の制御
信号を出力するステップと、 半導体集積回路が、第3の制御信号を受信し、シャット
ダウン処理を行うステップとを含む半導体集積回路モジ
ュールの使用方法。
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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