JP2005322934A - マルチチップ・パッケージ - Google Patents

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Abstract

【課題】 単一チップへのパッケージ化に伴う経路設定の過密化の問題を解消する。
【解決手段】 パッケージ基板104と、パッケージ基板104上に形成された第1および第2の半導体ダイ202A、202Bであって、高速シリアル通信プロトコル404A、404Bを介して互いに通信するように構成されたものである第1および第2の半導体ダイとを含んでなるマルチチップ・パッケージ100を提供する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、一般に半導体装置に関し、より詳細には、半導体ダイ間の高速シリアル通信機能付きマルチチップ・パッケージに関する。
システム・オン・チップ(system-on-chip:以下、「SOC」とよぶ)応用等のチップ集積化における現在の動向は、例えば、プロセッサやメモリや位相同期ループ(phase-lock loop:以下、「PLL」とよぶ)や入力ブロックまたは出力ブロックなどのブロックを、単一チップ内に全て含ませるというものである。しかしながら、集積するブロックの複雑さが増大することにより、全てのブロックを単一チップ内に集積させて試験および検証を実施するのはより困難になってきている。加えて、これらのチップ内のブロックがより大きくてより複雑になるにつれて、信号線路の数と(例えば、ボンディングワイヤなどの)相互接続構造とが増えてきていることから、経路設定の過密化問題を引き起こすことがある。また、相互接続構造は、より長くなってきており、より高速で動作することから、電力消費を増やしている。
SOC応用分野のプロセッサは、益々高速になってきている。しかしながら、SOCチップ内のブロックは、プロセッサのようにその全てが高性能ブロックではない。ブロック全てが同じ性能を必要とされている訳ではないので、プロセッサの速度を上げることにより、コストペナルティ(cost penalty)が集積チップ全体について通常生じる。一般に、チップ内の全てのブロックを、プロセッサの速度および性能要件に対応して最適化するため、コストが増えるからである。
単一パッケージ内に複数の半導体を含むマルチチップ(すなわち、マルチダイ)パッケージが開発されてきている。しかしなから、従来のマルチチップ・パッケージはチップ間に多数の信号線路を一般に含んでおり、これらのパッケージは、通常、単一チップパッケージに関して前述したのと同じ経路設定の過密化の問題や他の問題を受けている。
本発明の一つの形態では、マルチチップ・パッケージを提供する。マルチチップ・パッケージは、パッケージ基板を含む。第1および第2の半導体ダイをパッケージ基板上に形成する。第1および第2の半導体ダイは、高速連続通信プロトコルを介して互いに通信するように構成されている。
好適な実施形態の以下の詳細な説明では添付図面を参照するが、図面は本願明細書の一部を形成しており、その中に本発明を実施する具体的な実施形態が例示により図示してある。本発明範囲から逸脱することなく、他の実施形態を用いたり、構造的または論理的な変形をなすことができることは理解されたい。そのため、以下の詳細な説明を限定的な意味にとってはならず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲により規定される。
図1は、本発明の一実施形態になるマルチチップ・パッケージ100の斜視図を示す線図である。マルチチップ・パッケージ100は、半導体装置100とも呼ばれる。マルチチップ・パッケージ100は、カプセル層102と、基板104と、複数の外部相互接続構造106とを含む。カプセル層102は、基板104の上面に形成されており、パッケージ100内の半導体ダイを外部の汚染から保護する。一実施形態では、二つの半導体は、図1の隠れ線108A、108Bで示す位置にあるパッケージ100内に含まれる。複数の外部相互接続構造106が、基板104の底面上に形成されており、印刷回路基板(PCB)や他のデバイスにパッケージ100を機械的に電気的に接続する機構をもたらす。一実施形態では、相互接続構造106は、ボールグリッドアレイ(ball grid array:以下、「BGA」とよぶ)により構成された半田ボールである。本発明の一つの形態では、パッケージ100は、プラスチック製ボールグリッドアレイ(plastic ball grid array:以下、「PBGA」とよぶ)である。
図2は、本発明の一実施形態になる図1に示したマルチチップ・パッケージ100の2−2線に沿って見た断面を示す線図である。マルチチップ・パッケージ100は、カプセル層102と、半導体ダイ202A、202Bと、内部相互接続構造204A、204B、206A、206Bと、ダイ取り付けエポキシ層210A、210Bと、基板104と、外部相互接続構造106とを含む。半導体ダイ202Aおよび202Bは、集積回路または半導体チップもしくはチップとも呼ばれる。半導体ダイ202Aは取り付けエポキシ層210Aを介して基板104の上面に取り付けてあり、半導体ダイ202Bは取り付けエポキシ層210Bを介して基板104の上面に取り付けてある。本発明の一実施形態になるパッケージ100内の半導体ダイ202A、202Bの位置は、図1に隠れ線108A、108Bでそれぞれ特定されている。内部相互接続構造204A、206Aが基板104に電気的にダイ202Aを接続し、内部相互接続構造204B、206Bが基板104に電気的にダイ202Bを接続している。一実施形態では、相互接続構造204A、204B、206A、206Bはボンディングワイヤであり、本願明細書ではボンディングワイヤ204A、204B、206A、206Bとも呼ぶ。別の実施形態では、マルチチップ・パッケージ100は、フリップチップ構成(flip-chip configuration)により実施される。
金属パッド208が、ダイ202A、202Bの上面に形成されており、基板104の上面にも形成されている。ダイ202A、202B上の金属パッド208は、ボンディングワイヤ204A、204B、206A、206Bを介して、基板104上の金属パッド208にボンディングされている。
図3は、本発明の一実施形態に従って例に従って取り除いたカプセル層102を有する図1に示したマルチチップ・パッケージ100の上面図を示す線図である。図3に示すように、ダイ202A、202Bのほぼエッジ近傍のダイ202A、202Bの上面に複数の金属パッド208が形成されている。金属パッド208は、基板104の上面にも形成されている。一実施形態では、ダイ202A、202B上の金属パッド208は、給電ダイパッドと接地ダイパッドと信号ダイパッドとを含む。給電ダイパッドはダイ202A、202B内の給電結線に接続されており、接地ダイパッドはダイ202A、202B内の接地結線に接続されており、信号ダイパッドはダイ202A、202B内の様々な回路に接続されている。一実施形態では、チップ間通信(すなわち、ダイ202Aと202Bの間の通信)に信号ダイの小集合を用いており、この小集合をここではチップ間通信ダイパッドと呼ぶこととする。
本発明の一形態では、ダイ202Aについては、チップ間通信に用いていない給電ダイパッドと接地ダイパッドと信号ダイパッドとを、一組の相互通信構造204Aを介して基板104上のパッド208に接続している。図示の実施形態では、一組の相互通信構造204Aは、(例えば、ボンディングワイヤなどの)10個の相互通信構造を含む。一実施形態では、ダイ202Bについてのチップ間通信に用いていない給電ダイパッドと接地ダイパッドと信号ダイパッドとを、一組の相互通信構造204Bを介して基板104上のパッド208に接続している。図示の実施形態では、一組の相互接続構造204Bは、(例えば、ボンディングワイヤなどの)相互接続構造を含む。
図示を簡単化するため、10個の相互接続構造204Aと18個の接続構造204Bのみが図3に図示されている。一実施形態に従う実際の実施においては、給電接続や接地接続や非チップ間通信信号用に、より多くのダイパッドと相互接続構造204A、204Bとを用いる。
一実施形態では、ダイ202A用のチップ間通信に用いる信号ダイパッドを、一組の相互通信構造206Aを介して基板104上のパッド208に接続している。図示の実施形態では、一組の相互接続構造206Aは、(例えば、ボンディングワイヤなどの)二つの相互接続構造を含む。一実施形態では、ダイ202B用のチップ間通信に用いる信号ダイパッドを、一組の相互接続構造206Bを介して基板104上のパッド208に接続している。図示の実施形態では、一組の相互接続構造206Bは、(例えば、ボンディングワイヤなどの)二つの相互接続構造を含む。
本発明の一つの形態では、基板104は、基板104上のパッド208に結合した導電配線路を含み、複数層の基板104間で外部相互接続構造106(図1および図2)へ信号を振り分けるビア孔(図示せず)を含む多層基板である。図3に示すように、基板104内の一組の二つの配線路302(隠れ線で図示)が、半導体ダイ202Aの一組の二つの相互接続構造206Aを、半導体ダイ202Bの一組の二つの相互接続構造に接続している。図示を簡単化するため、図3では相互通信構造204A,204Bのための配線路は省略されている。
上記のように、相互接続構造はチップ間通信に用いる信号ダイパッド202Aに結合されており、相互接続構造206Bはチップ間通信に用いる信号ダイパッド202Bに結合されている。本発明の一形態では、ダイ202Aと202Bとの間の全ての通信またはほぼ全ての通信は、相互接続構造206Aと配線路302と相互接続構造206Bとを介してなされており、この通信は高速シリアル通信である。一実施形態では、ダイ202Aとダイ202Bは、相互接続構造206A、206Bにそれぞれ結合された高速シリアル入出力インタフェース回路を含み、図4A〜図4Cを参照して以下にさらに詳細に説明するように高速シリアル通信を送受信する。
図4A〜図4Cは、本発明の一実施形態になる図1〜図3に示したマルチチップ・パッケージ100の半導体ダイ202A、202Bの部品を示すブロック線図である。図4A〜図4Cは、参照符号100−1、100−2、100−3でそれぞれ特定されたマルチチップ・パッケージ100の三つの実施形態を示す。同様に、図4A〜図4Cの半導体ダイ202A、202Bの実施形態は、参照符号202A−1、202B−1、202A−2、202B−2、202A−3、202B−3でそれぞれ特定されている。
図4Aに示すように、マルチチップ・パッケージ100−1は、半導体ダイ202A−1、202B−1を含む。半導体ダイ202A−1は、プロセッサ回路402Aと高速シリアル入出力(I/O)インタフェース回路404Aを含む。プロセッサ回路402Aとインタフェース回路404Aとは、通信リンク408Aを介して互いに通信可能に接続されている。半導体ダイ202B−1は、メモリと、PLLと、入出力回路と、種々雑多な回路402Bと、高速シリアル入出力インタフェース回路404Bを含む。回路402Bとインタフェース回路404Bとは、通信リンク408Bを介して互いに通信可能に結合されている。ダイ202A−1内のインタフェース回路404Aとダイ202B−1内のインタフェース回路404Bとは、通信リンク406を介して互いに通信可能に結合されている。一実施形態では、通信リンク406は、図3に示すように、相互通信構造206A、206Bと、対応金属パッド208と、配線路302とにより実施されている。一実施形態では、ダイ202A−1と202B−1との間の全ての通信またはほぼ全ての通信(すなわち、チップ間通信)を通信リンク406上で行なう。
一実施形態では、ダイ202A−1、202B−1は、高速シリアル通信プロトコルを用いてインタフェース404A、404Bを介して互いに通信するように構成されている。一実施形態では、インタフェース404A、404Bは、毎秒1ギガビット(Gb/s)以上のレートで通信するようにそれぞれ構成されている。別の形態の本発明では、インタフェース404A、404Bは、10Gb/s以上のレートで通信するようにそれぞれ構成されている。本発明の一形態では、インタフェース404A、404Bは、SerDes(シリアライザ・デシリアライザ)やHyper TransportやRapidIOやPCI ExpressやInfinibandやSPI4.2や別のより高速なシリアルプロトコルなどの高速シリアル通信プロトコルに基づいて通信するようにそれぞれ構成されている。
一実施形態では、マルチチップ・パッケージ100−1は、プロセッサやメモリや位相同期ループや入出力回路や論理回路などの従来のSOC集積回路内に見出される部品を一般に含むが、一つではなく二つの半導体ダイ202A−1、202B−1がシステムには実装されている。二つの半導体ダイ202A−1、202B−1は、高速シリアル通信を用いてパッケージ内部で互いに通信している。図4Aに示した実施形態では、プロセッサ回路402Aはシステム回路402Bの残りの部分とは切り離されており、二組の回路402A、402Bは個別に半導体ダイ内にそれぞれ実装されている。
発明の背景の箇所で述べたように、ブロックの一部にプロセッサと同じ性能を持たせる必要がないにも拘わらず、チップ内のブロックの全てがプロセッサの速度および性能要件について一般に最適化されるために、既存のSOCチップに関連してコストペナルティが一般に存在する。二つの半導体ダイ202A−1、202B−1へとSOC機能を分離することにより、プロセッサ402Aをその速度と性能要件とについて最適化でき、本システムの他の回路402Bをその速度と性能要件について最適化することができる。一実施形態では、二つの半導体ダイ202A−1、202B−1は、二つの異なるシリコン処理技術を用いて製造する。本発明の一つの形態では、プロセッサ回路402Aを含む半導体ダイ202A−1を現行の最高水準のシリコン処理技術を用いて製造し、半導体ダイ202B−1をより旧式でより廉価なシリコン処理技術を用いて製造する。
図4Bは、半導体ダイ202A−2、202B−2を含むマルチチップ・パッケージ100−2を示す。半導体ダイ202A−2は、プロセッサとメモリとPLLと種々雑多な回路410Aと高速シリアル入出力インタフェース回路404Aを含む。回路410Aとインタフェース回路404Aとは、通信リンク408Aを介して互いに通信可能に結合されている。半導体ダイ202B−2は、入出力回路410Bと高速シリアル入出力インタフェース回路404Bとを含む。入出力回路410Bとインタフェース回路404Bとは、通信リンク408Bを介して互いに通信可能に結合されている。ダイ202A−2内のインタフェース回路404Aとダイ202B−2内のインタフェース回路404Bとは、通信リンク406を介して互いに通信可能に結合されている。一実施形態では、通信リンク406は、図3に示すように、相互接続構造206A、206Bと対応金属パッド208,302とを用いて実装されている。
一実施形態では、入出力回路410Bは、入出力インタフェースのUSB、Firewire、SPI4.2、PCI−X、および/または、他種のものなどの少なくとも一つの従来の入出力インタフェースを含む。別の実施形態では、入出力回路410Bは、従来の複数の異種の入出力インタフェースを含む。本発明の一つの形態では、パッケージ100−2と(例えば、オフチップまたは外部通信機関などの)パッケージ100−2の外部のデバイスとの間の全ての通信またはほぼ全ての通信は、入出力回路410Bが取り扱う。一実施形態では、入出力回路410Bは、相互接続構造204B(図3)の小集合に接続し、相互接続構造106(図1および図2)を介して外部デバイスと通信させる。
既存のチップを用いることにより、チップの入出力回路内の変形を望む場合には、通常は新規マスクセット全体を作製しなければならず、それは複雑で費用がかかるものとなる。対照的に、入出力回路410Bをその固有の接続ダイ202B−2内に置いたままSOC機能を二つの半導体ダイ202A−2、202B−2へと分離することにより、パッケージ100−2内の異なる接続ダイ202B−2を用いてシステムの入出力機能を比較的簡単に変形させることができる。本発明の一つの形態では、接続ダイ202B−2を分離(spin)することなく追加のデジタル機能性を付加するプログラム可能なゲート技術を用いてダイ202A−2が実施される。そして、系統の異なる接続ダイ202B−2を標準的な入出力特徴の異なる組み合わせをもって時間とともに生成することができ、そのことが新規のマスクセット全体を生成することなくより多くの製品世代を通じて長続きしうる製品を生み出す。加えて、SOC機能を分離したため、接続ダイ202B−2の新たな実装を必要とすることなく、半導体ダイ202A−2に対する修正を行なうことができる。
一実施形態では、二つの異なるシリコン処理技術を用いて、二つの半導体ダイ202A−2、202B−2を製造する。本発明の一形態では、半導体ダイ202A−2は現行の最高水準シリコン処理技術を用いて製造し、半導体ダイ202B−2はより旧式でより安価なシリコン処理技術を用いて製造する。二つの異なる処理技術を用いることの利点は、より旧式のチップ技術が、第2チップの新規の機能性を備えつつ、再使用することができる立証済みの設計を有する点にある。
図4Cは、半導体ダイ202A−3、202B−3を含むマルチチップ・パッケージ100−3を示す。半導体ダイ202A−3は、アナログ回路412Aと高速シリアル入出力インタフェース回路404Aとを含む。アナログ回路412Aとインタフェース回路404Aとは、通信リンク408Aを介して互いに通信可能に結合されている。半導体ダイ202B−3は、デジタル回路412Bと高速シリアル入出力インタフェース回路404Bとを含む。デジタル回路412Bとインタフェース回路404Bとは、通信リンク408Bを介して互いに通信可能に結合されている。ダイ202A−3内のインタフェース回路404Aとダイ202B−3内のインタフェース回路404Bとは、通信リンク406を介して互いに通信可能に結合されている。一実施形態では、図3に示すように、相互接続構造206A、206Bと、対応金属パッド208と、配線路302とを用いて、通信リンク406を実装している。システムのアナログとデジタルの回路を図4Cに示すように、二つのダイ202A−3と202B−3とに分離することにより、二組の回路をそれらの速度と性能要件について個別に最適化することができる。一実施形態では、マルチチップ・パッケージ100−3は、システムの全てのまたはほぼ全てのアナログ回路412Aをダイ202A−3内に実装し、全てのまたはほぼ全てのデジタル回路412Bをダイ202B−3内に実装した計算システムである。
本発明の一実施形態によるマルチチップ・パッケージ100は半導体ダイ202Aおよび202Bを互いに横に並べて配置するように実施されているが、他の実施形態では、マルチチップ・パッケージ100は積層ダイ構造などの他の構造により実施される。さらなる実施形態では、マルチチップ・パッケージ100内に2以上の半導体ダイを含める。
本発明の一実施形態になるマルチチップ・パッケージ100は、既存の単一チップパッケージに優る多数の利点をもたらす。本発明の一つの形態は、共通パッケージ内の半導体ダイ202A、202B間に高速少数ピン接続をもたらす。マルチチップ・パッケージ100の一つの形は、チップ間通信に(例えば、2または4の)少数の相互接続構造を用いる高速シリアル入出力インタフェースを使用することにより(例えば、ボンディングワイヤなどの)相互接続構造の数の低減をもたらす。より少数の相互接続構造は、既存の単一チップ実装にとって一般に問題となる経路設定の過密化を軽減するのに役立ち、より長距離の構造に関連する電力消費問題を軽減するのに役立つより短距離の相互接続構造を用いることができる。加えて、より少数の相互接続構造の使用がパッケージのコストを低減し、パッド制限設計に向けてダイ寸法を実質的に低減させることにもなる。さらに、従来のSOCチップとして単一のチップではなく二つのチップを用いることにより、試験の実施がより簡単になる。また、二つのチップ設計を個別に分離する能力により、チップ設計が再使用できるようにしている。
好適な実施形態を説明する目的で本願の明細書に特定の実施形態を例示して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく多種多様な実施例および/または等価な実施例を図示して説明してきた特定の実施形態と置換できることは当事者に理解されるであろう。機械や電機や電気やコンピュータ技術の当事者には、本発明が多種多様な実施形態で実施できることは容易に理解されるであろう。本出願は、ここに説明した好適な実施形態の任意の適用例および変形例を網羅することを意図するものである。そのため、本発明が特許請求の範囲とその均等物によってのみ限定されることを明白に意図するものである。
本発明の一実施形態になるマルチチップ・パッケージの斜視図を示す線図である。 本発明の一実施形態になる図1に示したマルチチップ・パッケージを2−2線に沿って見た断面を示す線図である。 本発明の一実施形態になる図1に示したマルチチップ・パッケージの上面を示す線図である。 A〜Cは、本発明の一実施形態になる図1乃至図3に示したマルチチップ・パッケージの半導体ダイの部品を示すブロック線図である。
符号の説明
100,100−1,100−2,100−3 マルチチップ・パッケージ
102 カプセル層
104 基板
106 外部相互接続構造
108A,108B 隠れ線
202A,202B,202A−1,202B−1,202A−2,202B−2,202A−3,202B−3 半導体ダイ
204A,204B,206A,206B 内部相互接続構造
208 金属パッド
210A,210B ダイ取り付けエポキシ層
302 金属パッド
402A プロセッサ回路
404A,404B インタフェース回路
406 通信リンク
408A,408B 通信リンク
410B 入出力回路
412A アナログ回路
412B デジタル回路

Claims (10)

  1. パッケージ基板と、
    該パッケージ基板上に形成された第1および第2の半導体ダイであって、高速シリアル通信プロトコルを介して互いに通信するように構成されたものである第1および第2の半導体ダイと
    を含んでなるマルチチップ・パッケージ。
  2. 前記第1および第2の半導体ダイを前記パッケージ基板に相互接続するための複数の相互接続構造をさらに含む請求項1に記載のマルチチップ・パッケージ。
  3. 前記パッケージ基板は、前記第1および第2の半導体ダイの間で高速のシリアル通信を実行する一組の導体配線路を含むものである請求項1に記載のマルチチップ・パッケージ。
  4. 前記第1および第2の半導体ダイは、少なくとも毎秒1ギガビット(Gb/s)のレートで高速シリアル通信プロトコルを介して互いに通信させるように構成されたものである請求項1に記載のマルチチップ・パッケージ。
  5. 前記第1および第2の半導体ダイは、少なくとも毎秒10ギガビット(Gb/s)のレートで高速シリアル通信プロトコルを介して互いに通信させるように構成されたものである請求項1に記載のマルチチップ・パッケージ。
  6. 前記マルチチップ・パッケージは計算システムであり、前記第1の半導体ダイは該計算システムのプロセッサ回路を含み、前記第2の半導体ダイは該計算システムのメモリ回路と入出力回路とを含むものである請求項1に記載のマルチチップ・パッケージ。
  7. 前記マルチチップ・パッケージは計算システムであり、前記第1の半導体ダイは該計算システムのプロセッサ回路およびメモリ回路を含み、前記第2の半導体ダイは該計算システムの入出力回路を含むものである請求項1に記載のマルチチップ・パッケージ。
  8. 前記マルチチップ・パッケージは計算システムであり、前記第1の半導体ダイは該計算システムの実質的に全てのデジタル回路を含み、前記第2の半導体ダイは該計算システムの実質的に全てのアナログ回路を含むものである請求項1に記載のマルチチップ・パッケージ。
  9. 前記マルチチップ・パッケージは計算システムであり、前記第1の半導体ダイは第1のシリコン処理技術により形成された回路を含み、前記第2の半導体ダイは第2のシリコン処理技術により形成された回路を含み、前記第1の処理技術は前記第2の処理技術とは異なるものである請求項1に記載のマルチチップ・パッケージ。
  10. マルチチップ・パッケージ内に計算システムを形成する方法であって、
    パッケージ基板を配設するステップと、
    前記計算システムと第1の高速シリアル入出力インタフェースとのための第1組の回路を含む第1の集積回路を形成するステップと、
    前記計算システムと第2の高速シリアル入出力インタフェースとのための第2組の回路を含む第2の集積回路を形成するステップと、
    前記第1および第2の集積回路を前記パッケージ基板に取り付けるステップと、
    前記第1のインタフェースと前記第2のインタフェースとの間の高速シリアル通信を行なう導電配線路を前記パッケージ基板内に形成するステップと
    を含んでなる方法。
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