JP2007149992A - Multilayer printed circuit board - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、動作速度が高速度化した半導体素子をはじめとする電子部品が搭載される多層配線基板に関するものである。 The present invention relates to a multilayer wiring board on which electronic components such as a semiconductor element having an increased operating speed are mounted.
近年、半導体素子の動作速度の高速化が進む中で、半導体素子をはじめとする電子部品が搭載される多層配線基板においては、半導体素子のスイッチング動作が同時に複数起きた場合に半導体素子の基準電位が変動し、半導体素子の誤動作を引き起こす同時スイッチングノイズやEMIノイズが引き起こされるといった問題が発生している。 In recent years, as the operating speed of semiconductor elements has been increased, in a multilayer wiring board on which electronic components such as semiconductor elements are mounted, the reference potential of the semiconductor element is detected when multiple switching operations of the semiconductor element occur simultaneously. Has fluctuated, causing problems such as simultaneous switching noise and EMI noise causing malfunction of the semiconductor element.
この問題を解決するためには、半導体素子に電源導体44および接地導体45を通じて供給される電荷の量を増やして基準電位を安定化させることが有効である。その具体的な手法として、図4に示すように絶縁基板42内に電源配線層44と接地配線層45とが絶縁基板42を形成する絶縁層42b、42c(誘電体)を挟んで対向して成る電荷供給用コンデンサを形成する方法、絶縁基板42の、半導体素子46が搭載されている表面にチップコンデンサ410を実装する手法がある。さらに図5に示すように、半導体素子46とチップコンデンサ410間の距離を短縮するために絶縁基板52の裏面(半導体素子46が搭載されている面に対向する面)にチップコンデンサ510が搭載されたものなどがある。
In order to solve this problem, it is effective to stabilize the reference potential by increasing the amount of charge supplied to the semiconductor element through the power supply conductor 44 and the ground conductor 45. As a specific method, as shown in FIG. 4, a power wiring layer 44 and a ground wiring layer 45 are opposed to each other with insulating layers 42b and 42c (dielectrics) forming the
さらにチップコンデンサ410を絶縁基板42に内蔵する手法も検討されている。また、絶縁基板42の露出表面に、横方向に並べて一対の電極(例えば二重渦状の導体パターン)を形成するとともにその間に誘電体(誘電性材料)を介在させて、絶縁基板42等の薄型化を図りながら、コンデンサ(キャパシター)を形成する手法も知られている(特許文献1〜3参照)。
Further, a method of incorporating the
これらの手法により半導体素子46に近い位置から電荷を供給することができるため、電荷の供給経路に付随する抵抗やインダクタンスなどの寄生成分を原因とする電圧降下が抑制され、半導体素子46に十分な電荷を供給することができる。また、この経路の長さに起因する誘導起電力による基準電位変動を抑制することができる。そのため、同時スイッチングノイズを抑制することが可能となる。
しかしながら、上記従来の技術においては、近年の半導体素子46等の電子部品の高機能化,高集積化に応じたいわゆる多ピン化や、多層配線基板41の平面面積の小型化の要求等に起因して、次のような問題点が生じるようになってきている。
However, in the above-described conventional technology, the so-called multi-pins corresponding to the recent high functionalization and high integration of electronic components such as the
すなわち、多層配線基板41の裏面にチップコンデンサ410を搭載する手法では、図6に示すように半導体素子46の多ピン化に従って多層配線基板41の裏面のほぼ全域にわたって、半導体素子46の信号や電源あるいは接地用の電極パッド48を外部電気回路に電気的に接続させるための信号用や電源用、接地用の電極パッド611、612、613が形成されるような場合、裏面にはチップコンデンサ510を搭載する領域を確保することが難しい。そのため、多層配線基板41にチップコンデンサ510を搭載するスペースを十分な広さで確保することが難しい。
That is, in the method of mounting the
また、絶縁基板42の、半導体素子46が搭載されている表面にチップコンデンサ410を実装する手法の場合にも、半導体素子46等の電子部品(図示せず)の小型・低背化や高密度化にともなう平面面積の縮小等にともない、十分な容量や個数のチップコンデンサ410を搭載するスペースを確保することが難しい。
Further, in the case of a technique in which the
このように、絶縁基板42に十分なスペースを確保することが難しい場合、絶縁基板42に搭載しきれないチップコンデンサ410を多層配線基板41が実装される実装基板414上に配置するという手段が考えられる。しかし、その場合、半導体素子46のスイッチング動作時にチップコンデンサ410から半導体素子46に電源が供給される電流経路が長くなるため、電流経路に寄生するインダクタンスや抵抗を原因とする電圧降下や誘導起電力によって供給される電荷について電源導体44と接地導体45間の電位や電荷量が不安定になり、同時スイッチングノイズが増大するという問題点があった。
As described above, when it is difficult to secure a sufficient space on the
また、多層配線基板41内部に高誘電率層やチップコンデンサ410を内蔵する手法は、基本的に異種材料の組み合わせ、例えば絶縁基板42が低比誘電率のガラスセラミックスで高誘電率層がチタン酸バリウム系材料のため界面の接合や熱膨張係数の違いから多層配線基板41の信頼性の面で、例えば、チップコンデンサ410と絶縁層が剥離するおそれがある。そのため多層配線基板41としての長期信頼性を確保することが難しい。
Also, the method of incorporating the high dielectric constant layer and the
また、多層配線基板41の表面に電極と誘電体を形成してコンデンサを形成する手法は、多層配線基板41上の高密度化、高実装化に伴い、電極や誘電体の設置スペースを十分に確保できないために必要な容量を確保できないという問題点があった。
In addition, the method of forming a capacitor by forming electrodes and dielectrics on the surface of the
本発明は、上記問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、複数の絶縁層を積層して成る絶縁基板42内に、電源配線と接地配線を有する多層配線基板において、例えば小型化や多ピン化が進んだとしても、搭載される半導体素子46のスイッチング動作時に発生する同時スイッチングノイズを大幅に抑制して半導体素子46の動作を良好なものとすることにある。
The present invention has been devised in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a multilayer wiring board having a power wiring and a ground wiring in an
本発明の多層配線基板は、複数の絶縁層を積層して成る絶縁基板の内部に、信号配線と電源導体と接地導体とを具備した多層配線基板であって、信号配線と電気的に接続された信号電極が絶縁基板の外面に形成されており、信号電極が形成されている部位を除く絶縁基板の外面に、電源導体および接地導体にそれぞれ電気的に接続された電源電極および接地電極が形成され、電源電極および接地電極の間に、絶縁基板本体よりも比誘電率が高い高誘電体が配置されていることを特徴とするものである。 The multilayer wiring board of the present invention is a multilayer wiring board having a signal wiring, a power supply conductor, and a ground conductor inside an insulating substrate formed by laminating a plurality of insulating layers, and is electrically connected to the signal wiring. The signal electrode is formed on the outer surface of the insulating substrate, and the power electrode and the ground electrode electrically connected to the power conductor and the ground conductor are formed on the outer surface of the insulating substrate excluding the portion where the signal electrode is formed. In addition, a high dielectric material having a relative dielectric constant higher than that of the insulating substrate body is disposed between the power supply electrode and the ground electrode.
また、本発明の多層配線基板は、好ましくは、絶縁基板は、高誘電体が配置されている部位以外の表面または内部にチップコンデンサを有し、電源電極および接地電極と、高誘電体とによって形成されるキャパシターは、チップコンデンサと異なる容量または寄生インダクタンスを持つことを特徴とするものである。 In the multilayer wiring board of the present invention, preferably, the insulating substrate has a chip capacitor on the surface or inside other than the portion where the high dielectric is disposed, and includes a power electrode and a ground electrode, and the high dielectric. The formed capacitor has a different capacitance or parasitic inductance from that of the chip capacitor.
また、本発明の多層配線基板は、好ましくは、絶縁基板の外部に形成される高誘電体の表面が絶縁体で覆われていることを特徴とするものである。 The multilayer wiring board of the present invention is preferably characterized in that the surface of a high dielectric formed outside the insulating substrate is covered with an insulator.
また、本発明の多層配線基板は、好ましくは、電源電極および接地電極は絶縁基板の外面に複数個形成されており、接続部材を介して外部電気回路に電気的に接続されることを特徴とするものである。 In the multilayer wiring board of the present invention, preferably, a plurality of power supply electrodes and ground electrodes are formed on the outer surface of the insulating substrate, and are electrically connected to an external electric circuit via a connecting member. To do.
また、本発明の多層配線基板は、好ましくは、電源電極および接地電極は絶縁基板の外面に複数個形成されており、1つの電源電極に対して複数の接地電極が高誘電体を介して隣接しているか、あるいは1つの接地電極に対して複数の電源電極が高誘電体を介して隣接していることを特徴とするものである。 In the multilayer wiring board of the present invention, preferably, a plurality of power supply electrodes and ground electrodes are formed on the outer surface of the insulating substrate, and a plurality of ground electrodes are adjacent to one power supply electrode through a high dielectric. Or a plurality of power supply electrodes are adjacent to one ground electrode through a high dielectric material.
本発明の多層配線基板によれば、複数の絶縁層を積層して成る絶縁基板の内部に、信号配線と電源導体と接地導体とを具備した多層配線基板であって、信号配線と電気的に接続された信号電極が絶縁基板の外面に形成されており、信号電極が形成されている部位を除く絶縁基板の外面に、電源導体および接地導体にそれぞれ電気的に接続された電源電極および接地電極が形成され、電源電極および接地電極の間に、絶縁基板本体よりも比誘電率が高い高誘電体が配置されていることから、絶縁基板の裏面側にキャパシターを形成することができ、絶縁基板の厚さ分しか離れていない距離から半導体素子のスイッチング動作に必要な電荷が半導体素子に供給されるため、電荷の供給経路に付随する抵抗やインダクタンス等の寄生成分を削減することが可能になる。 According to the multilayer wiring board of the present invention, there is provided a multilayer wiring board having a signal wiring, a power supply conductor, and a ground conductor inside an insulating substrate formed by laminating a plurality of insulating layers, and electrically connected to the signal wiring. The connected signal electrode is formed on the outer surface of the insulating substrate, and the power source electrode and the ground electrode are respectively electrically connected to the power source conductor and the ground conductor on the outer surface of the insulating substrate excluding the portion where the signal electrode is formed. Since a high dielectric having a higher relative dielectric constant than the insulating substrate body is disposed between the power supply electrode and the ground electrode, a capacitor can be formed on the back side of the insulating substrate. The charge necessary for the switching operation of the semiconductor element is supplied to the semiconductor element from a distance that is only a distance away from the thickness of the semiconductor element, thereby reducing parasitic components such as resistance and inductance associated with the charge supply path. Door is possible.
そのため、半導体素子には、安定した量の電荷が半導体素子のスイッチング動作に追従できる時間内で供給されることになり、スイッチング時に、電荷の不安定に起因する同時スイッチングノイズの発生を抑制することができる。 For this reason, a stable amount of charge is supplied to the semiconductor element within a time that can follow the switching operation of the semiconductor element, and at the time of switching, the occurrence of simultaneous switching noise due to the instability of the charge is suppressed. Can do.
また、この電荷を供給するキャパシターは、絶縁基板に、外部接続用として、例えば多数が隣接間隔を狭くして形成されている電源電極および接地電極を利用して形成されているので、絶縁基板の露出面積を有効に利用でき、多ピン化や絶縁基板の小型化に対応することができる。 In addition, the capacitor for supplying the electric charge is formed on the insulating substrate by using a power supply electrode and a ground electrode, for example, many of which are formed with an adjacent interval narrowed for external connection. The exposed area can be effectively used, and it is possible to cope with the increase in the number of pins and the size of the insulating substrate.
つまり、多ピン化や小型化が進んだとしても、必然的に絶縁基板に形成される電源電極や接地電極と、それらの間に介在する高誘電体とにより、別途チップコンデンサや電極(導体)を配置するスペースを絶縁基板の露出表面や内部に確保することなく、十分な容量のキャパシターを形成することができる。 In other words, even if the number of pins is increased or the size is reduced, a chip capacitor or an electrode (conductor) is separately formed by a power electrode and a ground electrode that are inevitably formed on an insulating substrate and a high-dielectric material interposed therebetween. It is possible to form a capacitor having a sufficient capacity without securing a space for disposing the capacitor on the exposed surface or inside of the insulating substrate.
したがって、搭載される半導体素子を、その動作速度が高速化したとしても、安定して動作させることが可能で、かつ多ピン化に有効な多層配線基板を提供することができる。 Therefore, it is possible to provide a multilayer wiring board that can be stably operated even when the operating speed of the mounted semiconductor element is increased, and that is effective for increasing the number of pins.
また、高誘電体は、絶縁層とは異なる材料であるものの、絶縁層(絶縁基板)を形成した後に多層配線基板の外側(露出表面)に配置されるため、絶縁層と高誘電体との熱膨張係数の差に起因する応力が、高誘電体層の全面に大きく作用することは抑制される。そのため、従来の絶縁層内に高誘電率層やチップコンデンサを形成する際に熱膨張係数の違いから絶縁層を形成するセラミックや樹脂の同時焼結時あるいは熱硬化時に接合界面にかかる応力に起因する層間での剥離等の問題は効果的に防止される。 In addition, although the high dielectric is a different material from the insulating layer, it is disposed on the outside (exposed surface) of the multilayer wiring board after the insulating layer (insulating substrate) is formed. It is suppressed that the stress resulting from the difference in thermal expansion coefficient acts on the entire surface of the high dielectric layer. Therefore, due to the difference in thermal expansion coefficient when forming a high dielectric constant layer or chip capacitor in a conventional insulating layer, it is caused by stress applied to the bonding interface during simultaneous sintering or thermosetting of the ceramic or resin that forms the insulating layer. Problems such as delamination between layers are effectively prevented.
また、本発明の多層配線基板によれば、上記構成において、絶縁基板の誘電体層が配置されている部位以外の表面または内部にチップコンデンサを有し、電源電極および接地電極と高誘電体とにより形成されるキャパシターが、そのチップコンデンサと異なる容量または寄生インダクタンスを持つ場合には、より有効にスイッチングノイズを抑制することができる。 Further, according to the multilayer wiring board of the present invention, in the above configuration, the chip capacitor is provided on the surface other than the portion where the dielectric layer of the insulating substrate is disposed or inside, and the power electrode, the ground electrode, the high dielectric, When the capacitor formed by (1) has a capacitance or parasitic inductance different from that of the chip capacitor, switching noise can be suppressed more effectively.
すなわち、高誘電体によって形成されるキャパシターは絶縁基板上に搭載あるいは内蔵されるチップコンデンサとは異なる周波数特性を得ることができる。そのため、チップコンデンサおよびキャパシターそれぞれの周波数特性に対応した各周波数において、電荷を安定して半導体素子に供給することができる。 That is, a capacitor formed of a high dielectric material can obtain different frequency characteristics from a chip capacitor mounted on or built in an insulating substrate. Therefore, electric charges can be stably supplied to the semiconductor element at each frequency corresponding to the frequency characteristics of the chip capacitor and the capacitor.
結果として広い周波数の範囲に渡って半導体素子に電荷を供給することが可能となるため、半導体素子の動作時に発生する様々な周波数の同時スイッチングノイズ成分を抑制することが可能となる。 As a result, charge can be supplied to the semiconductor element over a wide frequency range, so that simultaneous switching noise components of various frequencies generated during the operation of the semiconductor element can be suppressed.
したがって、搭載される半導体素子を、その動作速度がさらに高速化したとしても、より一層安定して動作させることが可能で、かつ多ピン化に有効な多層配線基板を提供することができる。 Therefore, even when the operating speed of the mounted semiconductor element is further increased, it is possible to provide a multilayer wiring board that can be operated more stably and is effective for increasing the number of pins.
また、本発明の多層配線基板によれば、上記構成において、絶縁基板の外部に形成される高誘電体の表面が絶縁体で覆われている場合には、高誘電体の表面からの水分等の浸入を絶縁体が抑制することができる。そのため、水分等の浸入に起因して高誘電体の誘電率が変化し所望の特性が得られなくなることが防止され高信頼なキャパシターを形成することができる。そのため、スイッチングノイズ等の抑制に有効であるとともに、より長期信頼性に優れた多層配線基板とすることができる。 According to the multilayer wiring board of the present invention, in the above configuration, when the surface of the high dielectric formed outside the insulating substrate is covered with the insulator, moisture from the surface of the high dielectric Insulation can be suppressed by the insulator. Therefore, it is possible to prevent the dielectric constant of the high dielectric material from being changed due to the intrusion of moisture or the like and to obtain desired characteristics, and it is possible to form a highly reliable capacitor. Therefore, it is possible to provide a multilayer wiring board that is effective in suppressing switching noise and the like and has a longer-term reliability.
また、本発明の多層配線基板によれば、上記構成において、電源電極および接地電極は絶縁基板の外面に複数個形成されており、接続部材を介して外部電気回路に電気的に接続される場合には、より一層、基板の、電源電極や接地電極が形成されている面を有効活用できる。また、キャパシターを形成する容量電極である電源電極や接地電極の対向面積が増大する。そのため、キャパシターの容量をより向上でき、さらに多層配線基板を高密度化することが可能となる。 Also, according to the multilayer wiring board of the present invention, in the above configuration, a plurality of power supply electrodes and ground electrodes are formed on the outer surface of the insulating substrate, and are electrically connected to an external electric circuit via a connecting member. Further, the surface of the substrate on which the power supply electrode and the ground electrode are formed can be effectively utilized. In addition, the facing area of the power supply electrode and the ground electrode that are capacitor electrodes forming the capacitor is increased. Therefore, the capacity of the capacitor can be further improved, and the multilayer wiring board can be further densified.
また、本発明の多層配線基板によれば、上記構成において、電源電極および接地電極は絶縁基板の外面に複数個形成されており、1つの電源電極に対して複数の接地電極が高誘電体を介して隣接しているか、あるいは1つの接地電極に対して複数の電源電極が高誘電体を介して隣接していることから、1対1対向ではないので、全体的な対向面積は、個々の電極の多少の位置ずれには左右されないために、キャパシターの容量公差が小さい、位置ずれ(電極等の所定位置からのずれ)に強い多層配線基板となる。また、電源電極と接地電極に接続される絶縁基板内の貫通電極同士が対向し合うので、貫通電極同士の結合が強くなり貫通電極間の相互インダクタンスが高まるため電源電極と接地電極に接続される絶縁基板内の貫通電極のインダクタンス成分を抑制することができる。 According to the multilayer wiring board of the present invention, in the above configuration, a plurality of power supply electrodes and ground electrodes are formed on the outer surface of the insulating substrate, and a plurality of ground electrodes are made of a high dielectric material for one power supply electrode. Since a plurality of power supply electrodes are adjacent to one ground electrode via a high dielectric material, it is not one-to-one facing, so that the overall facing area is Since it is not affected by a slight displacement of the electrodes, the capacitance tolerance of the capacitor is small, and the multilayer wiring board is strong against displacement (displacement from a predetermined position such as electrodes). In addition, since the through electrodes in the insulating substrate connected to the power supply electrode and the ground electrode face each other, the connection between the through electrodes is strengthened and the mutual inductance between the through electrodes is increased, so that the through electrodes are connected to the power supply electrode and the ground electrode. The inductance component of the through electrode in the insulating substrate can be suppressed.
これらの結果、半導体素子のスイッチング動作時に発生する同時スイッチングノイズをより効果的に抑制し半導体素子の高速動作時における作動性を非常に良好なものとすることができる。 As a result, the simultaneous switching noise generated during the switching operation of the semiconductor element can be more effectively suppressed, and the operability during the high-speed operation of the semiconductor element can be made very good.
本発明の多層配線基板について以下に詳細に説明する。図1は本発明の多層配線基板の実施の形態の一例を示す断面図であり、図2は図1の多層配線基板における高誘電体の周辺部の平面図である。また、図3は図1の多層配線基板における高誘電体の周辺部の要部拡大断面図(裏面側)である。図1乃至図3において同じ部位には同じ符号を付している。 The multilayer wiring board of the present invention will be described in detail below. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a multilayer wiring board according to the present invention, and FIG. 2 is a plan view of a peripheral portion of a high dielectric in the multilayer wiring board of FIG. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view (rear side) of the main part of the periphery of the high dielectric in the multilayer wiring board of FIG. 1 to 3, the same parts are denoted by the same reference numerals.
本発明の多層配線基板1において、図1に示す例では、絶縁基板2を構成する絶縁層2a〜2fは基本的には同じ比誘電率を有する絶縁材料で形成されている。絶縁層2c上には信号配線群3が形成され、絶縁層2b,2d上には信号配線群3に対向させて広面積の電源導体4および接地導体5が形成されており、信号配線群3の各信号配線はストリップ線路構造を有している。この例では、信号配線3は複数が設けられ、その全部がストリップ線路構造である。
In the
本発明の多層配線基板1において、絶縁層2a〜2fは、例えばセラミックグリーンシート積層法によって形成される。この場合、絶縁層2a〜2fは、酸化アルミニウム質焼結体,窒化アルミニウム質焼結体,炭化珪素質焼結体,窒化珪素質焼結体,ムライト質焼結体またはガラスセラミックス等の無機絶縁材料から成る。また、絶縁層2a〜2fは、ポリイミド,エポキシ樹脂,フッ素樹脂,ポリノルボルネンまたはベンゾシクロブテン等の有機絶縁材料、あるいはセラミック粉末等の無機絶縁物粉末をエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂で結合して成る複合絶縁材料等の電気的な絶縁材料から成っていてもよい。
In the
絶縁層2a〜2fは、例えばセラミックグリーンシート積層法や、アディティブ法等の基板形成手段によって形成される。 The insulating layers 2a to 2f are formed by a substrate forming means such as a ceramic green sheet lamination method or an additive method.
これらの絶縁層2a〜2fは以下のようにして作製される。絶縁層2a〜2fが例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、まず、酸化アルミニウム,酸化珪素,酸化カルシウムまたは酸化マグネシウム等の原料粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合して泥漿状となし、これをドクターブレード法等を採用してシート状となすことによってセラミックグリーンシートを得る。そして、セラミックグリーンシートに信号配線群3および各導体層と成る金属ペーストを所定のパターンに印刷塗布して、これらを上下に積層し、最後にこの積層体を還元雰囲気中で約1600℃の温度で焼成することによって製作される。
These insulating layers 2a to 2f are manufactured as follows. When the insulating layers 2a to 2f are made of, for example, an aluminum oxide sintered body, first, an appropriate organic binder or solvent is added to and mixed with raw material powders such as aluminum oxide, silicon oxide, calcium oxide or magnesium oxide to form a slurry. None, by adopting a doctor blade method or the like to form a sheet, a ceramic green sheet is obtained. Then, the
また、絶縁層2a〜2fがエポキシ樹脂から成る場合、まず酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミックスを混合した熱硬化性のエポキシ樹脂、あるいはガラス繊維を織り込んだ布にエポキシ樹脂を含浸させて成るガラスエポキシ樹脂等から成る絶縁層の上面に、有機樹脂前駆体をスピンコート法もしくはカーテンコート法等により被着させ、これを熱硬化処理することによって絶縁層を形成する。この絶縁層と、銅層を無電解めっき法や蒸着法等の薄膜形成技術およびフォトリソグラフィ技術を採用することによって形成して成る薄膜配線導体層とを交互に積層し、約170℃程度の温度で加熱硬化することによって製作される。 When the insulating layers 2a to 2f are made of an epoxy resin, first, a glass made by impregnating an epoxy resin into a thermosetting epoxy resin mixed with ceramics made of an aluminum oxide sintered body or a cloth woven with glass fibers. An organic resin precursor is deposited on the upper surface of an insulating layer made of an epoxy resin or the like by a spin coating method or a curtain coating method, and the insulating layer is formed by heat-curing the organic resin precursor. This insulating layer and a thin film wiring conductor layer formed by adopting a copper layer by employing a thin film forming technique such as an electroless plating method or a vapor deposition method and a photolithography technique are alternately laminated, and a temperature of about 170 ° C. It is manufactured by heating and curing.
これらの絶縁層2a〜2fの厚みは、使用する材料の特性に応じて、要求される仕様に対応する機械的強度や電気的特性等の条件を満たすように設定される。 The thicknesses of these insulating layers 2a to 2f are set so as to satisfy the conditions such as mechanical strength and electrical characteristics corresponding to the required specifications according to the characteristics of the materials used.
また、本発明の多層配線基板1において絶縁基板2の表面には、高速で動作するIC,LSI等の半導体集積回路素子や半導体レーザ(LD),フォトダイオード(PD)等の光半導体素子等の半導体素子6が搭載される。この半導体素子6は、裏面(絶縁基板2に対向する面)側に信号用や電源用、接地用の端子(図示せず)が形成され、各端子が、絶縁基板2の表面に形成された電極パッド8に錫−鉛(Sn−Pb)合金等の半田や金(Au)等から成る半田バンプ7を介して電気的に接続されて実装される。
In the
各電極パッド8は、絶縁基板2の内部に形成されている信号配線3や電源導体4、接地導体5とそれぞれ、絶縁基板2の表面から内部にかけて形成されたビア導体等の内部導体(図示せず)等を介して電気的に接続され、半導体素子6の各端子が、対応する信号配線3、電源導体4および接地導体5と電気的に接続される。
Each electrode pad 8 includes an internal conductor (not shown) such as a via conductor formed from the surface of the insulating
絶縁基板2の外面(この実施形態では裏面)には電源電極11、接地電極12、および信号電極13が形成されている。電源電極11、接地電極12および信号電極13はそれぞれ貫通導体9を介して多層配線基板1内の電源導体4、接地導体5および信号配線群3と電気的に接続されている。
A power electrode 11, a
信号電極13を実装用基板14の電気回路(図示せず)等の外部電気回路(図示せず)に電気的に接続することにより、半導体素子6の信号電極13と外部電気回路(信号伝送用)とが、信号配線3および信号電極13を介して電気的に接続される。
By electrically connecting the
また、電源電極11および接地電極12を外部電気回路に接続することにより、半導体素子6の電源端子および接地端子が、それぞれ、外部電気回路(電源用や接地用)と電気的に接続される。
Further, by connecting the power supply electrode 11 and the
本発明の多層配線基板1において、半導体素子6は、スイッチング動作に必要な電荷は外部電気回路と接続される電源電極11および接地電極12から電源導体4および接地導体5を介して供給され、半導体素子6のスイッチング動作によって得られた信号波形は多層配線基板1内に形成された信号配線群3を伝播し信号電極13を介して外部電気回路に伝送される。
In the
本発明の多層配線基板1において、これらの信号配線群3、電源導体4、接地導体5、貫通導体9、電源電極11、接地電極12および信号電極13は、例えばタングステン(W),モリブデン(Mo),モリブデン−マンガン(Mo−Mn),銅(Cu),銀(Ag)または銀−パラジウム(Ag−Pd)等の金属粉末メタライズ、あるいは銅(Cu),銀(Ag),ニッケル(Ni),クロム(Cr),チタン(Ti),金(Au)またはニオブ(Nb)やそれらの合金等の金属材料により形成されている。
In the
このような金属材料は、メタライズ法等の厚膜法や、薄膜法等の金属層形成手段により所定パターンに被着、形成すればよい。 Such a metal material may be deposited and formed in a predetermined pattern by a thick film method such as a metallizing method or a metal layer forming means such as a thin film method.
具体的には、信号配線群3、電源導体4、接地導体5、貫通導体9、電源電極11、接地電極12および信号電極13を、Wの金属粉末メタライズで形成する場合、W粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを、絶縁層2a〜2fと成るセラミックグリーンシートに所定のパターンで印刷塗布し、これをセラミックグリーンシートの積層体とともに焼成することによって形成することができる。
Specifically, when the
また、信号配線群3、電源導体4、接地導体5、貫通導体9、電源電極11、接地電極12および信号電極13を金属薄膜で形成する場合、例えばスパッタリング法,真空蒸着法またはメッキ法により金属薄膜を形成した後、フォトリソグラフィ法により所定の配線パターンに形成することができる。
When the
本発明の多層配線基板1において、信号波形を伝送する信号配線群3は、各信号配線の配線幅および信号配線群3と電源導体4や接地導体5との間に介在する絶縁層2b,2cの厚みを設定することにより、信号配線群3その特性インピーダンスを任意の値に設定することができる。そのため、例えば複数の信号配線3により、良好な伝送特性を有する信号配線群3を形成することが可能となる。各信号配線群3の特性インピーダンスは一般的には50Ωに設定される。なお、信号配線群3に含まれる複数の信号配線3は、それぞれ異なる電気信号を伝送するものとしてもよい。
In the
このような、半導体素子6を搭載する多層配線基板1において、半導体素子6の電荷供給経路である電源導体4および接地導体5は抵抗やインダクタンス等の寄生要素を持つため電荷が供給される際に電圧降下や誘導起電力によるノイズ成分が電源導体4と接地導体5間の電位に発生し半導体素子6のスイッチング動作を不安定にするため、寄生要素を極力小さくするように電荷供給経路を物理的に短くする必要がある。このため、半導体素子6に物理的距離が近いチップコンデンサ10を実装し半導体素子6のスイッチング動作に必要な電荷を供給するのが好ましい。
In such a
本発明の多層配線基板1において、絶縁基板2の外面(本実施形態では絶縁層2eの露出面)には電源電極11と接地電極12の間に絶縁基板2よりも比誘電率が高い高誘電体15が電源電極11の側面から接地電極12の側面にかけて配置されている。高誘電体15が平面的に対向する電源電極11と接地電極12の間に配置されるためキャパシターの機能を有することができる。その結果、絶縁基板2の厚さ分しか離れていない距離から半導体素子6のスイッチング動作に必要な電荷が供給されるため、電荷の供給経路に付随する抵抗やインダクタンス等の寄生成分を削減することが可能になる。
In the
そのため、半導体素子6には、安定した量の電荷が半導体素子6のスイッチング動作に追従できる時間内で供給されることになり、スイッチング時に、電荷の不安定に起因する同時スイッチングノイズの発生を抑制することができる。
For this reason, a stable amount of charge is supplied to the
また、この電荷を供給するキャパシターは、絶縁基板2に、外部接続用として、例えば多数が隣接間隔を狭くして形成されている電源電極11および接地電極12を利用して形成されているので、絶縁基板2の露出面積を有効に利用でき、多ピン化や絶縁基板2の小型化に対応することができる。
In addition, the capacitor for supplying the electric charge is formed on the insulating
つまり、多ピン化や小型化が進んだとしても、必然的に絶縁基板2に形成される電源電極11や接地電極12と、それらの間に介在する高誘電体15とにより、別途チップコンデンサ10や電極(導体)を配置するスペースを絶縁基板2の露出表面(裏面、表面等)や内部に確保することなく、十分な容量のキャパシターを形成することができる。
In other words, even if the number of pins is increased and the size is reduced, the
したがって、搭載される半導体素子6を、その動作速度が高速化したとしても、安定して動作させることが可能で、かつ多ピン化に有効な多層配線基板1を提供することができる。
Therefore, even if the operating speed of the mounted
また、高誘電体15は、絶縁層2a〜2eとは異なる材料であるものの、絶縁層2a〜2e(絶縁基板2)を形成した後に多層配線基板1の外側(露出表面)に配置されるため、互いに接する絶縁層2eと高誘電体15との熱膨張係数の差に起因する応力が、高誘電体層15の全面に大きく作用することは抑制される。そのため、従来の絶縁層(図示せず)内に高誘電率層(図示せず)やチップコンデンサ10(図示せず)を形成する際に熱膨張係数の違いから絶縁層を形成するセラミックや樹脂の同時焼結時あるいは熱硬化時に接合界面にかかる応力に起因する層間での剥離等の問題は効果的に防止される。
Further, although the
高誘電体15は、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸マグネシウム等のセラミック材料や、このようなセラミック材料の粉末を主成分とするフィラー粉末を、ポリイミド、エポキシ樹脂、フッ素樹脂等の樹脂材料中に分散混合させた複合材料等により形成される。
The
その構造を実現する高誘電体15の製法は、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸マグネシウム等のセラミック材料粉末を主成分とするフィラー粉末にガラス粉末を添加し、有機バインダ,有機溶剤,分散剤や可塑剤等とを添加混合してスラリーとし、そのスラリーを用いてドクターブレード法やカレンダロール法を採用することによって得られる誘電体ペーストをスクリーン印刷等により塗布した後に焼成することによって成形される。あるいは、セラミック材料粉末を主成分とするフィラー粉末とポリイミド、エポキシ樹脂、フッ素樹脂等を混合したものをしかるべき温度で加熱硬化させることによって所望の比誘電率のものを得るようにすればよい。
The manufacturing method of the
なお、高誘電体15は、図2に示すように、電源電極11と接地電極12の間にのみ配置されており、信号電極13の周囲には配置されていないことが好ましい。これは、次のような理由による。すなわち、高誘電体15が電源電極11と接地電極12の間にのみ配置されており、信号電極13の周囲には配置されていない場合には、信号電極13と電源電極11あるいは接地電極12との間に発生する寄生容量の増加を抑制できる。したがって信号電極13において寄生容量の増加に伴う特性インピーダンスの低下を抑止でき、結果として信号の反射を緩和し、半導体素子6の動作をより良好なものとすることが可能となる。
The
さらに多層配線基板1の表面には、チップコンデンサ10が実装されているほうが好ましい。チップコンデンサ10を多層配線基板1の表面に実装する場合には、半導体素子6を登載するための機器の作業性を高めるためにチップコンデンサ10と半導体素子6のスペースを十分に取る必要がある。
Further, it is preferable that a
本発明の多層配線基板1において、半導体素子6は、スイッチング動作に必要な電荷は外部電気回路と接続される電源電極11および接地電極12から電源導体4および接地導体5を介して供給され、半導体素子6のスイッチング動作によって得られた信号波形は多層配線基板1内に形成された信号配線群3を伝播し信号電極13を介して外部電気回路に伝送される。
In the
また、半導体素子6の電荷供給経路である電源導体4および接地導体5は抵抗やインダクタンス等の寄生要素を持つため電荷が供給される際に電圧降下や誘導起電力によるノイズ成分が電源導体4と接地導体5間の電位に発生し半導体素子6のスイッチング動作を不安定にするため、寄生要素を極力小さくするように電荷供給経路を物理的に短くする必要がある。このため、半導体素子6に物理的距離が近いチップコンデンサ10を実装し半導体素子6のスイッチング動作に必要な電荷を供給している。
Further, since the
本発明の多層配線基板1において、信号波形を伝送する信号配線群3の各信号配線の配線幅および信号配線群3と電源導体4および接地導体5との間に介在する絶縁層2b,2cの厚みを設定することにより、信号配線群3の特性インピーダンスを任意の値に設定することができるため、良好な伝送特性を有する信号配線群3を形成することが可能となる。信号配線群3の特性インピーダンスは一般的には50Ωに設定される。なお、信号配線群3に含まれる複数の信号配線は、それぞれ異なる電気信号を伝送するものとしてもよい。
In the
本発明の多層配線基板1において、信号配線群3、電源導体4、接地導体5、貫通導体9、電源電極11、接地電極12および信号電極13は、例えばタングステン(W),モリブデン(Mo),モリブデン−マンガン(Mo−Mn),銅(Cu),銀(Ag)または銀−パラジウム(Ag−Pd)等の金属粉末メタライズ、あるいは銅(Cu),銀(Ag),ニッケル(Ni),クロム(Cr),チタン(Ti),金(Au)またはニオブ(Nb)やそれらの合金等の金属材料の薄膜等により形成すればよい。
In the
具体的には、信号配線群3、電源導体4、接地導体5、貫通導体9、電源電極11、接地電極12および信号電極13をWの金属粉末メタライズで形成する場合、W粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを、絶縁層2a〜2fと成るセラミックグリーンシートに所定のパターンで印刷塗布し、これをセラミックグリーンシートの積層体とともに焼成することによって形成することができる。
Specifically, when the
また、信号配線群3、電源導体4、接地導体5、貫通導体9、電源電極11、接地電極12および信号電極13を金属薄膜で形成する場合、例えばスパッタリング法,真空蒸着法またはメッキ法により金属薄膜を形成した後、フォトリソグラフィ法により所定の配線パターンに形成することができる。
When the
また、本発明の多層配線基板1において、チップコンデンサ10を用いる場合は積層セラミックコンデンサ、電解コンデンサ、タンタルコンデンサ等が好ましい。
In the
本発明の多層配線基板1において、絶縁層2e上には電源電極11と接地電極12の間に絶縁基板2よりも比誘電率が高い高誘電体15が配置されている。高誘電体15が平面的に対向する電源電極11と接地電極12の間に配置されるためキャパシターの機能を有することができる。その結果、絶縁基板2の厚さ分しか離れていない距離から半導体素子6のスイッチング動作に必要な電荷が供給されるため、電荷の供給経路に付随する抵抗やインダクタンス等の寄生成分を削減することが可能になる。
In the
そのため、半導体素子6には、安定した量の電荷が半導体素子6のスイッチング動作に追従できる時間内で供給されることになり、スイッチング時に、電荷の不安定に起因する同時スイッチングノイズの発生を抑制することができる。
For this reason, a stable amount of charge is supplied to the
その構造を実現する高誘電体15の製法は、チタン酸バリウム粉末を主成分とするフィラー粉末にガラス粉末を添加し、有機バインダ,有機溶剤,分散剤や可塑剤等とを添加混合してスラリーとし、そのスラリーを用いてドクターブレード法やカレンダロール法を採用することによって得られる誘電体ペーストをスクリーン印刷等により塗布した後に焼成することによって成形される。
The manufacturing method of the
また、本発明の多層配線基板1において、キャパシターの形成に用いられる電源電極11と接地電極12は導体バンプ7を介して外部電気回路である実装用基板14との接続に用いられる。従って、より一層、基板の、電源電極11や接地電極12が形成されている面を有効活用できる。また、キャパシターを形成する容量電極である電源電極11や接地電極12の対向面積が増大する。そのため、キャパシターの容量をより向上でき、さらに多層配線基板1を高密度化することが可能となる。
Further, in the
本発明の多層配線基板1は、図2に示すように、高誘電体15は電源電極11と接地電極12の間にのみ配置されており、信号電極13の周囲には配置されていないことが好ましい。なお、図2は本発明の多層配線基板1の実施の形態の一例における高誘電体15の周辺部を示す平面図である。図2において図1と同じ部位には同じ符号を付している。高誘電体15は電源電極11と接地電極12の間にのみ配置されており、信号電極13の周囲には配置されていないため信号電極13と電源電極11あるいは接地電極12との間に発生する寄生容量の増加を抑制できる。したがって信号電極13において寄生容量の増加に伴う特性インピーダンスの低下を抑止でき、結果として信号の反射を緩和し、半導体素子6の動作を良好なものとすることが可能となる。
In the
また、本発明の多層配線基板1は、高誘電体15が配置されている部位以外の表面または内部にチップコンデンサ10を有し、高誘電体15によって形成されるキャパシターは絶縁基板2の表面または内部に搭載あるいは形成されるチップコンデンサ10と異なる容量または寄生インダクタンスを持つことが好ましい。高誘電体15によって形成されるキャパシターは絶縁基板2上に搭載あるいは内蔵されるチップコンデンサ10とは異なる周波数特性を得ることができる。そのため、チップコンデンサ10およびキャパシターそれぞれの周波数特性に対応した各周波数において、電荷を安定して半導体素子6に供給することができる。
In addition, the
また、本発明の多層配線基板1は、図3に示されるように誘電体15の表面は絶縁体16によって覆われていることが好ましい。誘電体15の表面は絶縁体16によって覆われていることから高誘電体15の表面からの水分等の浸入を抑制することができる。結果として、水分等の浸入に起因する高誘電体15の誘電率の変化によって所望の特性が得られなくなることが防止され、高信頼なキャパシターを形成することができる。
In the
その構造を実現する絶縁体16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,炭化珪素質焼結体,窒化珪素質焼結体,ムライト質焼結体またはガラスセラミックス等の無機絶縁材料、ポリイミド,エポキシ樹脂,フッ素樹脂,ポリノルボルネンまたはベンゾシクロブテン等の有機絶縁材料、あるいはセラミック粉末等の無機絶縁物粉末をエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂で結合して成る複合絶縁材料等により形成される。
The
絶縁体16は、例えば酸化アルミニウム質焼結体粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合して得たセラミックペーストを、絶縁層2e上の誘電体15の表面に所定のパターンで印刷塗布し、これをセラミックグリーンシートの積層体とともに焼成することによって形成することができる。
The
なお、絶縁体16は、高誘電体15の表面から、それに隣接する電源電極11や接地電極12の露出面の外縁部にかけて一体的に被覆するようにしてもよい。この場合、より一層水分等の侵入を防止することができ、信頼性をさらに向上させることができる。
The
また、電源電極11および接地電極12は、絶縁基板2の外面に複数個形成されており、導体バンプ7等の接続部材を介して外部電気回路に電気的に接続されることが好ましい。
Further, it is preferable that a plurality of power supply electrodes 11 and
この場合、外部電気回路に電気的に接続させるための複数の各電極11、12を利用して、多数の電極間キャパシターをより有効に得ることができるので、より一層、基板の露出面(電源電極11や接地電極12が形成されている面)が有効活用される。そのため、多層配線基板1としての高機能化,小型化にさらに有効である。
In this case, a large number of interelectrode capacitors can be obtained more effectively by using the plurality of
例えば、ある電源電極11または接地電極12(円形状等)について、その全周に他の電極(電源電極11や接地電極12)が対向するように配置することもできるので、その電極については側面が最大限に活用されることになる。 For example, a certain power supply electrode 11 or ground electrode 12 (circular shape or the like) can be arranged so that other electrodes (power supply electrode 11 or ground electrode 12) are opposed to the entire circumference thereof. Will be fully utilized.
また、複数の電源、接地電極11、12が形成されるので、キャパシターを形成する容量電極である電源電極11や接地電極12の対向面積が増大する。そのため、キャパシターの容量をより向上でき、さらに多層配線基板1を高密度化することが可能となる。
In addition, since a plurality of power supplies and
また、本発明の多層配線基板1は、電源電極11および接地電極12は絶縁基板2の外面に複数個形成されており、1つの電源電極11に対して複数の接地電極12が高誘電体15を介して隣接しているか、あるいは1つの接地電極12に対して複数の電源電極11が高誘電体15を介して隣接していることが好ましい。
Further, in the
この場合、電源電極11および接地電極12が1対1対向ではないので、全体的な対向面積は、個々の電極の多少の位置ずれには左右されないために、キャパシターの容量公差が小さい位置ずれに強い多層配線基板1となる。
In this case, since the power supply electrode 11 and the
すなわち、電源電極11および接地電極12を形成する際に位置ずれが生じた場合、電源電極11とそれに隣接する接地電極12とが接近して容量値が増加するが、その接地電極12とは反対側で電源電極11に隣接する他の接地電極12と電源電極11とは遠ざかることになって容量値が減少する。その結果、位置ずれによる容量値は相殺され、位置ずれによる容量変化を極力少なくすることができる。
That is, when a displacement occurs when the power supply electrode 11 and the
また、電源電極11と接地電極12に接続される絶縁基板2内の貫通電極同士が対向し合うので、貫通電極同士の結合が強くなり貫通電極間の相互インダクタンスが高かまるため電源電極11と接地電極12に接続される絶縁基板2内の貫通電極のインダクタンス成分を抑制することができる。
Further, since the through electrodes in the insulating
本発明の多層配線基板1は、特に図2に示すように、電源電極11と接地電極12とを複数個、交互に配置して電極群を形成するとともに、その周囲を取り囲むように信号電極13を配置し、電源電極11と接地電極12とから成る電極群の隙間全体に高誘電体15を信号電極13には達しないように配置するのがよい。これにより、所望の容量値を得るために一対の電源電極11および接地電極12間の高誘電体15の幅などの寸法を精度よく合わせる必要はなく、高誘電体15をベタ状に形成するだけでよいので、製造工程をきわめて簡略化できる。
As shown in FIG. 2 in particular, the
また、本発明の多層配線基板1は、図3に示されるように誘電体15の表面は絶縁体16によって覆われていることが好ましい。誘電体15の表面は絶縁体16によって覆われていることから高誘電体15の表面からの水分等の浸入を抑制することができる。結果として、水分等の浸入に起因する高誘電体15の誘電率の変化によって所望の特性が得られなくなることが防止され、高信頼なキャパシターを形成することができる。
In the
その構造を実現する絶縁体16は、例えば酸化アルミニウム質焼結体粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合して得たセラミックペーストを、絶縁層2e上の誘電体15の表面に所定のパターンで印刷塗布し、これをセラミックグリーンシートの積層体とともに焼成することによって形成することができる。以上より、半導体素子6のスイッチング動作時に発生する同時スイッチングノイズを効果的に抑制することができ、その結果半導体素子6の作動性を良好なものとすることにある。
The
また、多層配線基板1は、半導体素子6のみに限らず、チップ抵抗,薄膜抵抗,コイルインダクタ,クロスインダクタ,チップキャパシターまたは電解キャパシター等を搭載して、電子回路モジュール等を構成してもよい。
In addition, the
また、各絶縁層2a〜2fの平面視における形状は、正方形状や長方形状の他に、菱形状,六角形状または八角形状等の形状であってもよい。 Further, the shape of each of the insulating layers 2a to 2f in a plan view may be a rhombus shape, a hexagonal shape, an octagonal shape, or the like in addition to a square shape or a rectangular shape.
そして、このような本発明の多層配線基板1は、半導体素子収納用パッケージ等の電子部品収納用パッケージや電子部品搭載用基板、多数の半導体素子6が搭載されるいわゆるマルチチップモジュールやマルチチップパッケージ、あるいはマザーボード等として使用される。
Such a
本発明の図1の構成の多層配線基板1を以下のようにして作製した。酸化アルミニウム質焼結体から成る各厚みが0.2mmの絶縁層2a〜2fを上述したセラミックグリーンシート積層法によって積層し形成することにより、絶縁基板2を作製した。このとき、信号配線群3、電源導体4、接地導体5および貫通導体9を、上述のWの金属粉末メタライズで形成した。
A
そして、この場合、図2に示すように、比誘電率が5.2の絶縁基板2eに、直径0.6mmの電源電極11と接地電極12が1.0mm間隔で形成され、電源電極11と接地電極12の間には、チタン酸バリウムを主成分とするペロブスカイト化合物などから成る比誘電率1000の高誘電体15が配置されている。
In this case, as shown in FIG. 2, a power electrode 11 and a
上記構成の多層配線基板1について、高誘電体15と電源電極11と接地電極12によって250nFのキャパシターが形成される。このキャパシターは共振周波数を200MHzに持つため半導体素子6が1GHzで動作し動作電流が1A流れた場合、100MHzにおいて動作電圧0.04%のノイズが発生する。
In the
また、比較例1として、電源電極11と電極12の間には何も配置されない場合、電源電極11と接地電極12によって1.3nFのキャパシターが形成される。このキャパシターは共振周波数を2.8GHzに持つため半導体素子6が1GHzで動作し動作電流が1A流れた場合、100MHzにおいて動作電圧10%のノイズと大きくなった。
As Comparative Example 1, when nothing is arranged between the power supply electrode 11 and the
なお、本発明は上記の実施の形態の例および実施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変更を行なうことは何ら差し支えない。例えば、半導体素子6と多層配線基板1を接続するために導体バンプ7が搭載される電極パッド8のうち電源電極11用のものと接地電極12用のものとの間で、絶縁基板2の外面(表面側)にも高誘電体15を配置してもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, the outer surface of the insulating
1・・・多層配線基板
2・・・絶縁基板
2a〜2f・・・絶縁層
3・・・信号配線
4・・・電源導体
5・・・接地導体
11・・・電源電極
12・・・接地電極
15・・・高誘電体
16・・・絶縁体
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101622167B1 (en) * | 2015-03-12 | 2016-05-18 | 목포해양대학교 산학협력단 | Apparatus for packaging an electronic components |
-
2005
- 2005-11-28 JP JP2005342867A patent/JP2007149992A/en active Pending
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