JP2007027788A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デカップリングコンデンサにより、半導体集積回路素子に低抵抗かつ低インダクタンスで安定した電源供給およびグランド電位の供給を行なう手段を提供する。
【解決手段】上面にコンデンサ４を収容する凹部１ａを有し、凹部１ａの開口周辺に配線導体２が形成されるとともに凹部１ａの底面に電源供給端子３が形成された絶縁基体１と、凹部１ａ内に収容され、電源供給端子３に一方の端子電極が接続されたコンデンサ４と、絶縁基体１上に凹部１ａの開口を覆うように取着され、電源電極がコンデンサ４の他方の端子電極に、信号電極が絶縁基体１の配線導体２にそれぞれ電気的に接続された半導体集積回路素子６とを具備する半導体装置８である。デカップリングコンデンサ４を半導体集積回路素子６の直近に極めて近接して配置させることができ、両者の接続部の抵抗やインダクタンスを最小にすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明はコンピュータ等の情報処理装置に使用される半導体集積回路素子を実装して成る半導体装置に関し、より詳細には、半導体集積回路素子の極めて近傍に電源供給用のデカップリングコンデンサを配置して、半導体集積回路素子を容易かつ安定に高速動作させることができる半導体装置に関するものである。

従来より、半導体集積回路素子を高速でかつ安定して動作させる目的で、半導体集積回路素子への電源供給および電源ノイズ抑制のためのいわゆるデカップリングコンデンサを半導体集積回路素子の近傍に配置し、素子に対する電源電位およびグランド電位を安定させることが検討されている。

例えば、半導体装置を構成する半導体素子収納用パッケージに半導体集積回路素子を実装する目的で形成された凹部、いわゆるキャビティ部の底面に半導体集積回路素子の裏面を金・シリコン等からなる合金ろう材で接合し、この半導体集積回路素子の表面外周部に設けられた信号および電源接続用の端子電極と、半導体素子収納用パッケージのキャビティ部外側に設けられ、配線導体に接続された端子電極とを金やアルミニウム等から成る細線によってワイヤボンディング接続する場合であれば、この半導体集積回路素子に接続されるデカップリングコンデンサは、例えばチップコンデンサを用いて、この半導体素子収納用パッケージが実装される回路基板上に、あるいは半導体素子収納用パッケージの表面の外周部に実装される。

しかしながら、半導体集積回路素子の高速化に伴い、デカップリングコンデンサが半導体素子収納用パッケージの外側に配置された場合は、このデカップリングコンデンサと半導体集積回路素子との距離が長くなるため、その電気的接続を行なうための配線が有する抵抗やインダクタンスにより安定した電源供給あるいはグランド電位の供給が困難となる。そのため、デカップリングコンデンサを半導体集積回路素子の近傍に配置する目的で、例えば、半導体素子収納用パッケージをセラミック積層技術により形成し、誘電体層間に積層された電源配線およびグランド配線を面状に形成することによりそれらの間で容量を形成することによって、半導体素子収納用パッケージ内部にデカップリングコンデンサを形成することが行なわれてきた。

また、有機多層技術を用いた半導体素子収納用パッケージの場合であれば、有機樹脂の誘電率が低いことから、セラミック多層技術による場合のように誘電体層を利用してパッケージ内部にデカップリングコンデンサを形成することが困難であるため、半導体集積回路素子が実装された部位の外周部にデカップリングコンデンサとしてのチップコンデンサを実装することが行なわれてきた。

しかしながら、近年、半導体集積回路素子の動作が更に高速になったことから、半導体集積回路素子を半導体素子収納用パッケージに搭載してワイヤボンディング接続と、金属細線のインダクタンスの影響が無視できなくなって電源およびグランドの電位を安定して供給することが困難となった。

そこで、ワイヤボンディング接続に代わって、半導体集積回路素子の端子電極上に半田ボール等の導体バンプを形成し、これを用いて半導体素子収納用パッケージや配線基板上の接続電極に直接搭載し接続する、いわゆるフリップチップ接続法が考案された。

しかしながら、半導体集積回路素子をフリップチップ実装する場合は、半導体集積回路素子の表面に形成された端子電極とパッケージや配線基板側の接続電極とを対向させるため、この半導体集積回路素子に接続されるデカップリングコンデンサの配置は、実装される半導体集積回路素子の近傍の外周部に限定されることとなる。

そして、この構成においても、半導体集積回路素子を更に高速で動作させる場合には、デカップリングコンデンサが半導体集積回路素子の近傍の外周部に配置されることから、デカップリングコンデンサからこれが接続される端子電極が形成された半導体集積回路素子の中心部までの配線の有する抵抗およびインダクタンスの影響が無視できないものとなるために半導体集積回路素子への電源およびグランド電位の安定した供給が困難となるという問題点があった。

本発明は上記従来技術の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、高速で動作する半導体集積回路素子に低抵抗かつ低インダクタンスで安定した電源供給およびグランド電位の供給を行なうことができる半導体装置を提供することにある。

本発明者は、上記従来技術の問題点に対して種々の検討を行なった結果、半導体集積回路素子を中継基板である実装用配線基板上にフリップチップ接続により実装するとともに、この実装用配線基板を搭載する絶縁基体上面の中央部に凹部を設けてこの凹部にデカップリングコンデンサを実装して収容し、この上に半導体集積回路素子を搭載実装してこの半導体集積回路素子とデカップリングコンデンサとを電気的に接続する構成とすることにより、半導体集積回路素子の極めて近傍にデカップリングコンデンサを配置して電源およびグランド電位の供給を極めて低抵抗かつ低インダクタンスで安定して行なえることを見出した。

本発明の半導体装置は、上面にコンデンサを収容する凹部を有し、該凹部の開口周辺に形成された、信号伝送用配線および接地接続用配線を含む配線導体と、前記凹部の底面に形成された電源供給端子と、を有する絶縁基体と、前記凹部内に収容され、前記電源供給端子に一方の端子電極が電気的に接続されたコンデンサと、電源電極と接地電極と信号電極とを有し、前記絶縁基体上に前記凹部の開口を覆うように取着されてなる半導体集積回路素子であって、前記電源電極が前記コンデンサの他方の端子電極に接続され、前記信号電極が前記配線導体の前記信号伝送用配線に接続され、前記接地電極が前記配線導体の前記接地接続用配線にそれぞれ電気的に接続された半導体集積回路素子と、を具備することを特徴とするものである。

本発明の半導体装置によれば、絶縁基体の凹部内に収容されたデカップリングコンデンサとしてのコンデンサに、凹部を覆うように絶縁基体に取着して半導体集積回路素子を搭載実装してその電源電極を直接に電気的に接続したことから、従来半導体集積回路素子の近傍の外周部等に配置されていたデカップリングコンデンサを半導体集積回路素子の直近に極めて近接して配置させることができ、半導体集積回路素子の電源電極とデカップリングコンデンサの端子電極との距離を最短に設定することができるため、両者の接続部の抵抗やインダクタンスを最小にすることができる。その結果、高速で動作する半導体集積回路素子を安定して動作させるための素子への電源供給および電源ノイズ抑制を極めて効果的に安定して行なうことができる。

また、半導体集積回路素子を絶縁基体にその凹部を覆うように取着して信号電極を凹部の開口周辺に形成された配線導体に直接に電気的に接続したことから、半導体集積回路素子の電源電極とデカップリングコンデンサの端子電極との距離も最短に設定することができ、両者の接続部の抵抗やインダクタンスも最小にすることができる。その結果、高速で動作する半導体集積回路素子を安定して動作させることができるとともに、半導体装置の小型化も図ることができる。

以上詳述した通り、本発明の半導体装置によれば、上面にコンデンサを収容する凹部を有し、該凹部の開口周辺に形成された、信号伝送用配線および接地接続用配線を含む配線導体と、前記凹部の底面に形成された電源供給端子と、を有する絶縁基体と、前記凹部内に収容され、前記電源供給端子に一方の端子電極が電気的に接続されたコンデンサと、電源電極と接地電極と信号電極とを有し、前記絶縁基体上に前記凹部の開口を覆うように取着されてなる半導体集積回路素子であって、前記電源電極が前記コンデンサの他方の端子電極に接続され、前記信号電極が前記配線導体の前記信号伝送用配線に接続され、前記接地電極が前記配線導体の前記接地接続用配線にそれぞれ電気的に接続された半導体集積回路素子と、を具備するものとしたことから、従来は半導体集積回路素子の近傍の外周部等に配置されていたデカップリングコンデンサを半導体集積回路素子の直近に極めて近接して配置させることができ、半導体集積回路素子の電源電極とデカップリングコンデンサの端子電極との距離を最短に設定することができるため、両者の接続部の抵抗やインダクタンスを最小にすることができる。その結果、高速で動作する半導体集積回路素子を安定して動作させるための素子への電源供給および電源ノイズ抑制を極めて効果的に安定して行なうことができる。

次に、本発明の半導体装置を添付図面に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。同図において、１は絶縁基体、１ａは例えばその上面中央部に形成された凹部、２は凹部１ａの開口周辺に形成された配線導体、３は凹部１ａの底面に形成された電源供給端子である。なお、配線導体２については代表的なもの以外は図示を省略してある。

４は凹部１ａ内に収容され、電源供給端子３に一方の端子電極が電気的に接続された、デカップリングコンデンサとしてのコンデンサ、５はコンデンサ４の一方の端子電極と電源供給端子３とを電気的に接続する導体バンプ、例えば半田バンプである。

６は半導体集積回路素子であり、絶縁基体１上に凹部１ａの開口を覆うように取着されて絶縁基板１上に搭載されている。そして、半導体集積回路素子６の電源電極はコンデンサ４の他方の端子電極に、また半導体集積回路素子６の信号電極は配線導体２にそれぞれ導体バンプ７等の導電性接続部材を介して電気的に接続される。このようにして本発明の実施の形態の半導体装置８が構成されている。

なお、９は半導体装置８が実装される外部電気回路基板、10はその上面に形成された接続用導体、11は半導体装置８の実装用電極と接続用導体10とを電気的に接続する半田等の導電性接続部材である。

また、図２は本発明の半導体装置の実施の形態の他の例を示す、図１と同様の断面図である。図２に示す例の半導体装置８’においては、コンデンサ４と電源供給端子３とを電気的に接続する導体バンプ５に代えて、導電性接着剤または半田等の接続用金属から成る導体層５’を用いている。

これらの例において、絶縁基体１は、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・炭化珪素質焼結体・窒化珪素質焼結体・ガラスセラミックス等のセラミック材料、もしくはエポキシ・ＢＴレジン・ポリイミド・ベンゾシクロブテン・ポリノルボルネン・フッ素樹脂等の高分子絶縁材料、あるいはセラミック材料から成る無機絶縁物粉末を熱硬化性の高分子絶縁材料で結合して成る複合絶縁材料等から成る、例えば略四角形状の平板状のものである。また、セラミック材料から成る基体の上に高分子絶縁材料から成る層間絶縁層と配線導体とを積層した多層配線部を形成したものであってもよい。その上面中央部には、コンデンサ４を搭載するための凹部１ａが形成してある。さらに、その凹部１ａの開口周辺には信号伝送用あるいは接地接続用の配線導体２が形成されており、この開口周辺は半導体集積回路素子６を搭載するための搭載部となっている。

配線導体２は、例えばタングステンやモリブデン・モリブデン−マンガン・銅・銀・銀−パラジウム等からなる電気配線用導電体であり、絶縁基体１上面の凹部１ａの開口周辺から例えば絶縁基体１下面にかけて、金属粉末メタライズ等により複数の配線導体２が被着形成されている。

また、電源供給端子３は、絶縁基体１の凹部１ａの底面に広面積に、あるいは接続パッド形状に配線導体２と同様の材料・方法により形成されており、外部電気回路基板９等からの電源配線が接続されている。

絶縁基体１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤等を添加混合して泥漿状となすとともにこれを従来周知のドクターブレード法を採用してシート状となすことにより複数枚のセラミックグリーンシートを得て、しかる後、このセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともに配線導体２および電源供給端子３となる金属ペーストを印刷し、最後にこのセラミックグリーンシートを上下積層するとともに約1600℃の温度で焼成することによって作製される。

なお、配線導体２および電源供給端子３となる金属ペーストは、例えばこれらがタングステンメタライズから成る場合であれば、タングステン粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤等を添加混合してペースト状としたものが用いられ、セラミックグリーンシートへの被着形成はスクリーン印刷法等を採用することによって行なわれる。

コンデンサ４としては、デカップリングコンデンサとして用いることができる特性を有するものであれば種々のものを用いることができる。例えば、チタン酸バリウム等から成るセラミック誘電体層とニッケル等から成る内部電極層とを交互に多層に積層して成る積層型チップコンデンサや、あるいはセラミック誘電体基体の表面に陽極化成によりタンタルやアルミ等の端子電極を形成したセラミックコンデンサを用いればよい。

また、そのようなコンデンサ４の上面には半導体集積回路素子６の電源電極に対応させた接続用の端子電極が、通常は多数形成されることとなる。例えば、積層型のコンデンサを構成する誘電体層および内部電極層が絶縁基体１と半導体集積回路素子６との間で水平方向の層として垂直方向に積み重ねられている場合には、内部電極層と接続用の端子電極との接続は、誘電体層を貫通して形成された貫通導体等により行なわれる。また、誘電体層および内部電極層が絶縁基体１と半導体集積回路素子６との間で垂直方向の層として水平方向に積層されている場合には、コンデンサ４の上面となる積層断面に導出された内部電極層に接続されるように接続用の端子電極が形成されることとなる。

このようにコンデンサ４を半導体集積回路素子６への電気的接続のためにその電源電極に対応させた多数の端子電極を有する場合は、一般的に使用されるチップコンデンサのように両端面のそれぞれ１つずつの端子電極のみから電源および接地を接続する場合に比べて、端子電極１つ当たりに流れる電流が少なくなり、また電流の流れる距離が短くなることとなるため、コンデンサ４全体として、その抵抗やインダクタンスによる電源供給への影響を小さくすることができる。

なお、コンデンサ４は単体のものに限られず、絶縁基体１の凹部１ａ内に収容搭載され、導体バンプ７等を介して半導体集積回路素子６に電源を供給するデカップリングコンデンサとして使用できるものであれば、複数のコンデンサを収容搭載してそれらによりデカップリングコンデンサとして機能させるようにしたものであってもよい。

このようなコンデンサ４は、絶縁基体１のコンデンサ搭載部である凹部１ａに収容され、その一方の端子電極と電源供給端子３とが導体バンプ５あるいは導体層５’により電気的に接続されている。

また、絶縁基体１には凹部１ａの開口を覆うようにして半導体集積回路素子６が取着され、その電源電極が凹部１ａ内のコンデンサ４の他方の端子電極に電気的に接続されており、信号電極および接地電極は凹部１ａの開口周辺において信号伝送用あるいは接地用の配線導体２と電気的に接続されている。

そして、絶縁基体１上の凹部１ａの開口周辺には半導体集積回路素子６が開口を覆うようにして搭載固定されて実装されるとともに、コンデンサ４の他方の端子電極と半導体集積回路素子６の電源電極とが半田等から成る導体バンプ７により電気的に接続され、半導体集積回路素子６の外周部に位置する信号電極と絶縁基体１の凹部１ａの開口周辺に形成された配線導体２とが同じく半田等から成る導体バンプ７により電気的に接続されている。また、半導体集積回路素子６と絶縁基板１とは、必要に応じて半田またはエポキシ樹脂等の接着剤により接着固定してもよい。

このようにして本発明の半導体装置８・８’が完成することになるが、さらに、絶縁基体１の上面には、半導体集積回路素子６およびその周辺の絶縁基体１の上面を被覆するようにして樹脂製被覆材を被着してもよく、あるいは半導体集積回路素子６を覆うようにして絶縁基体１の上面に蓋体を接合してもよい。

そして、このようにして完成された本発明の半導体装置８・８’は、絶縁基体１の下面に導出した配線導体２と外部電気回路基板９の接続用導体10とを導電性接続部材11を介して接続することによって、外部電気回路基板９上に実装されるのと同時に半導体集積回路素子６の各信号電極および接地電極が導体バンプ７・配線導体２および導電性接続部材11を介して外部電気回路に接続されることになる。

このような本発明の半導体装置８・８’によれば、絶縁基体１の凹部１ａ内に収容されたデカップリングコンデンサとしてのコンデンサ４に、凹部１ａを覆うように半導体集積回路素子６を取着して搭載実装し、導体バンプ７等を介して半導体集積回路素子６の電源電極を電気的に接続したことから、従来は半導体集積回路素子の近傍の外周部等に配置されていたデカップリングコンデンサを半導体集積回路素子６の直近に極めて近接して配置させることができ、半導体集積回路素子６の電源電極とコンデンサ４の端子電極との距離を最短に設定することができるため、両者の接続部の抵抗やインダクタンスを最小にすることができる。その結果、高速で動作する半導体集積回路素子６を安定して動作させるための素子への電源供給および電源ノイズ抑制を極めて効果的に安定して行なうことができる。

なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改良・変更を施すことは何ら差し支えない。例えば、上記の半導体装置８・８’に搭載されるデカップリングコンデンサとしてのコンデンサ４は、図１および図２に示したように１つの容量素子で形成してもよいし、複数のコンデンサを搭載してもよい。

本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明の半導体装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・・・・絶縁基体
１ａ・・・・・凹部
２・・・・・・配線導体
３・・・・・・電源供給端子
４・・・・・・コンデンサ
６・・・・・・半導体集積回路素子
８、８’・・・半導体装置

Claims (1)

1. 上面にコンデンサを収容する凹部を有し、該凹部の開口周辺に形成された、信号伝送用配線および接地接続用配線を含む配線導体と、前記凹部の底面に形成された電源供給端子と、を有する絶縁基体と、
   前記凹部内に収容され、前記電源供給端子に一方の端子電極が電気的に接続されたコンデンサと、
   電源電極と接地電極と信号電極とを有し、前記絶縁基体上に前記凹部の開口を覆うように取着されてなる半導体集積回路素子であって、前記電源電極が前記コンデンサの他方の端子電極に接続され、前記信号電極が前記配線導体の前記信号伝送用配線に接続され、前記接地電極が前記配線導体の前記接地接続用配線にそれぞれ電気的に接続された半導体集積回路素子と、を具備することを特徴とする半導体装置。

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