JP2007317793A - 積層型半導体パッケージおよび光信号伝送装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、半導体素子が基板上に実装された半導体パッケージを積層して電気的に接続してなる積層型半導体パッケージ、およびこのような積層型半導体パッケージが備えられた光信号伝送装置に関し、システム設計の自由度の高さや、異常検証の容易性を保ちつつ、高速伝送に対応可能な積層型半導体パッケージ、およびこのような積層型半導体パッケージが備えられた光信号伝送装置を提供することを目的とする。
【解決手段】3つの半導体パッケージ13,14,15のうちの最上層の第5半導体パッケージ15は、半導体素子としての、電気信号と光信号との間での変換を担う光電変換素子23が実装され、更に、信号光の伝播を担う光導波路50が、光電変換素子23と光学的に接続された光信号伝送パッケージである。
【選択図】 図2

Description

本発明は、半導体素子が基板上に実装された半導体パッケージを積層して電気的に接続してなる積層型半導体パッケージ、およびこのような積層型半導体パッケージが備えられた光信号伝送装置に関する。
近年、電子機器の小型化・高機能化に伴い、部品点数の削減及び部品の小型化が要求されている。
このような要求を満たす技術として、各種の機能を実現する論理ICやメモリなどが基板上に実装された半導体パッケージを積層し、電気的に接続してなる積層型半導体パッケージに関するパッケージオンパッケージが知られている。
積層型半導体パッケージは、一般に、互いに異なる機能を有する独立した半導体パッケージを積層したものであるため、半導体パッケージを積層するに当たって組み合わせの自由度が高く、汎用性が高いといった利点を有する。また、各半導体素子の動作テストに当たっては、半導体パッケージ毎のテストが可能であるため、異常の検証が容易であるとともに、歩留まりロスの軽減に寄与するといった利点も有する。
近年、半導体素子の製造技術が向上し、より集積度の高い半導体素子が製造されている。集積度の高い半導体素子が電子機器に実装されることによって、情報処理能力の拡大や記憶容量の拡大や装置の小型化・軽量化などが可能となる。しかしながら、半導体素子相互間の接続に電気配線を用いると、高速化による伝送損失の増大や、入出力ピンの増加により線間クロストークの発生などといった、電気伝送固有の問題のためシステム全体の性能が制限されている。
このような電気伝送固有の問題を解決する方法として光配線技術の開発が行われている。光配線技術においては、一般に、電気信号を光信号に変換する発光素子と光信号を電気信号に変換する受光素子との相互間が、信号光の伝播を担う光ファイバや光導波路などといった信号光伝播媒体で接続される。この光配線技術では、インピーダンスによる信号遅延が存在しない、配線からEMIノイズが出ない、配線間干渉が生じないという利点を有し、上述した伝送損失の増大やクロストークの発生などといった電気伝送固有の問題を回避することができる。
このような光配線技術として、例えば、ベースプレート上に光素子駆動用IC等の電子集積素子ベアチップを実装した構造体の側面、又は電子集積素子ベアチップの周辺部に光電変換素子を実装し、光素子と電子集積素子を同一パッケージ内に一体化した光電子集積素子が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
また、光素子と光素子を駆動するための半導体チップが内蔵され、電気的に接続されたパッケージ内に光入出力用光ファイバが装着されている光モジュールも提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
特開2001−36197号公報 特開2001−59923号公報
ところが、上述した特許文献1、及び特許文献2において提案されている技術では、光素子と光素子駆動用ICのみを同一パッケージ内に一体化したものである。
一般に、ボード上の信号処理用LSIへの入出力は電気配線を利用している。ボード内で電気信号のまま伝送可能な信号速度は600Mb/s、ごく短い距離でも2.5Gb/s程度であり、この速度を超える信号はSerDes(Serializer/Deserializer)と呼ばれるLSIを用いて並列信号に分解し、速度を落として伝送している。したがって、上述の特許文献1、及び特許文献2のように光電変換素子と駆動用ICのみを一体化するだけでなく、SerDes用ICも含めて一体化し、高速電気信号の伝送距離をできるだけ短くすることが望ましい。
さらに、上述した特許文献1、及び特許文献2における半導体素子部にSerDes用LSIを実装したとしても、半導体素子の動作テストにおいて異常が検出された場合に、光電変換素子、駆動用IC、及びSerDes用ICが一体化されているため、異常部分を特定するのが困難であるといった問題がある。
本発明は、上記事情に鑑み、システム設計の自由度の高さや、異常検証の容易性を保ちつつ、高速伝送に対応可能な積層型半導体パッケージ、およびこのような積層型半導体パッケージが備えられた光信号伝送装置を提供することを目的とするものである。
上記目的を達成する本発明の積層型半導体パッケージのうちの第1の積層型半導体パッケージは、
半導体素子が基板上に実装された半導体パッケージを積層し、複数の半導体パッケージ間を電気的に接続してなる積層型半導体パッケージにおいて、
上記複数の半導体パッケージのうちの少なくとも1つの半導体パッケージは、上記半導体素子として、電気信号と光信号との間での変換を担う光電変換素子が実装され、更に、信号光の伝播を担う信号光伝播媒体が、その光電変換素子と光学的に接続された光信号伝送パッケージであることを特徴とする。
ここで、本発明にいう「信号光伝播媒体」とは、例えば光導波路や光ファイバをいう。
本発明の積層型半導体パッケージのうちの第1の積層型半導体パッケージによれば、高速信号の入出力に、上記光信号伝送パッケージに実装された光電変換素子と、この光信号伝送パッケージに接続された信号光伝播媒体とを用いることによって、高周波伝送損失の増大やクロストークの発生などといった電気伝送固有の問題を回避した高速伝送が可能となる。従って、積層型半導体パッケージの利点である、システム設計の自由度の高さや、異常検証の容易性を保ちつつ、高速伝送に対応可能な積層型半導体パッケージが提供される。さらに、本発明の積層型半導体パッケージのうちの第1の積層型半導体パッケージによれば、複数の電気信号を多重化した信号を光信号を用いて伝送することにより入出力ピン数を減らすことができ、更なる高密度化が可能となる。
ここで、上記本発明の積層型半導体パッケージのうちの第1の積層型半導体パッケージは、上記複数の半導体パッケージのうちの最上層の半導体パッケージが、上記光信号伝送パッケージであることが好ましい。
ここで、上記光信号伝送パッケージが、上記複数の半導体パッケージのうちの最上層の半導体パッケージを除く半導体パッケージである場合には、上記信号光伝播媒体が配設されるスペース分、半導体パッケージ間を電気的に接続する端子の数を減少させる必要が生じるが、このような好ましい形態によれば、各半導体パッケージ間を電気的に接続する端子の数が上記信号光伝播媒体によって減少することが回避されるため、好適である。
また、上記目的を達成する本発明の積層型半導体パッケージのうちの第2の積層型半導体パッケージは、
半導体素子が基板上に実装された半導体パッケージを積層し、複数の半導体パッケージ間を電気的に接続してなる積層型半導体パッケージにおいて、
上記複数の半導体パッケージのうちの最下層の半導体パッケージは、上記半導体素子として、電気信号と光信号との間での変換を担う光電変換素子が下面に実装された光信号伝送パッケージであることを特徴とする。
本発明の積層型半導体パッケージのうちの第2の積層型半導体パッケージによれば、本発明の積層型半導体パッケージのうちの上述した第1の積層型半導体パッケージと同様に、積層型半導体パッケージの利点である、システム設計の自由度の高さや、異常検証の容易性を保ちつつ、高速伝送に対応可能な積層型半導体パッケージが提供される。
ここで、上記本発明の積層型半導体パッケージのうちの第2の積層型半導体パッケージにおいて、上記光電変換素子は、この光電変換素子の光学的接続面が光透過性の保護部材で被覆されたものであることが好ましい。
このような好ましい形態によれば、上記光学的接続面の汚損が防止されるため好適である。
また、上記本発明の積層型半導体パッケージにおいて、上記複数の半導体パッケージのうちの少なくとも1つの半導体パッケージは、複数の半導体素子が実装されたものであってもよい。
また、上記目的を達成する本発明の光信号伝送装置は、請求項3、4または5記載の積層型半導体パッケージが、信号光の伝播を担う信号光伝播媒体が埋設された基板上に実装され、その積層型半導体パッケージにおける最下層の半導体パッケージの下面に実装された光電変換素子とその基板内に埋設された信号光伝播媒体とが光学的に接続されていることを特徴とする。
本発明によれば、システム設計の自由度の高さや、異常検証の容易性を保ちつつ、高速伝送に対応可能な積層型半導体パッケージ、およびこのような積層型半導体パッケージが備えられた光信号伝送装置が提供される。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
尚、本実施形態では、本発明にいう半導体素子として、電気信号と光信号との間での変換を担う光電変換素子23、この光電変換素子23を制御する駆動用IC22、および信号処理を担う信号処理用IC21の3つの半導体素子を例に挙げて説明する。
また、本実施形態では、本発明にいう信号光伝播媒体として、光導波路50,51を例に挙げて説明する。
図1は、本発明の一実施形態が適用された積層型半導体パッケージのうちの第1実施形態を示す概略構成図である。
図1に示す積層型半導体パッケージ10は、第1中間基板32上に信号処理用IC21が実装されモールド樹脂80で封止された第1半導体パッケージ11と、第2中間基板33上に駆動用IC22および光電変換素子23が実装されモールド樹脂80で封止された第2半導体パッケージ12とから構成されている。この積層型半導体パッケージ10は、第1半導体パッケージ11の上部に第2半導体パッケージ12が積層されたものであって、ここでは、この積層型半導体パッケージ10が基板31上に実装されている。また、第2半導体パッケージ12は、接着剤40を介して第1半導体パッケージ11に固着している。尚、第2半導体パッケージ12に実装された光電変換素子23は、第2半導体パッケージ12の表面に垂直な方向に進む信号光の発光もしくは受光を担うものである。
第1中間基板32にはボンディングパッド321が配備されており、第1半導体パッケージ11に実装された信号処理用IC21は、ボンディングワイヤ41を介してボンディングパッド321に電気的に接続されている。
第2中間基板33にもボンディングパッド331が配備されており、第2半導体パッケージ12に実装された駆動用IC22は、ボンディングワイヤ41を介してボンディングパッド331に電気的に接続されている。また、第2半導体パッケージ12に実装された駆動用IC22および光電変換素子23は、ボンディングワイヤ41を介して互いに電気的に接続されている。さらに、信号光の進行方向を、第2半導体パッケージ12の表面に垂直な方向と第2半導体パッケージ12の表面に水平な方向との間で変換する光路変換部50aを端部に有する光導波路50が、第2半導体パッケージ12に実装された光電変換素子23と光学的に接続されている。この第2半導体パッケージ12は、本発明にいう光信号伝送パッケージの一例に相当する。
また、第1中間基板32に配備されたボンディングパッド321と、第2中間基板33に配備されたボンディングパッド331との間が、半田42を介して半田接続されることによって、第1半導体パッケージ11と第2半導体パッケージ12とが電気的に接続されている。
さらに、基板31にもボンディングパッド311が配備されており、基板31に配備されたボンディングパッド311と、第1中間基板32に配備されたボンディングパッド321との間が、半田42を介して半田接続されることによって、基板31と積層型半導体パッケージ10とが電気的に接続されている。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
尚、以下説明する第2実施形態では、上述した第1実施形態における要素と同じ要素については同じ符号を付して説明する。
図2は、本発明の一実施形態が適用された積層型半導体パッケージのうちの第2実施形態を示す概略構成図である。
図2に示す積層型半導体パッケージ60は、第3中間基板34上に信号処理用IC21が実装されモールド樹脂80で封止された第3半導体パッケージ13と、第4中間基板35上に駆動用IC22が実装されモールド樹脂80で封止された第4半導体パッケージ14と、第5中間基板36上に光電変換素子23が実装されモールド樹脂80で封止された第5半導体パッケージ15とから構成されている。この積層型半導体パッケージ60は、第3半導体パッケージ13の上部に第4半導体パッケージ14が積層され、第4半導体パッケージ14の上部に更に第5半導体パッケージ15が積層されたものであって、ここでは、この積層型半導体パッケージ60が基板31上に実装されている。また、第4半導体パッケージ14は、接着剤40を介して第3半導体パッケージ13に固着し、第5半導体パッケージ15は、接着剤40を介して第4半導体パッケージ14に固着している。尚、第5半導体パッケージ15に実装された光電変換素子23は、第5半導体パッケージ15の表面に垂直な方向に進む信号光の発光もしくは受光を担うものである。
第3中間基板34にはボンディングパッド341が配備されており、第3半導体パッケージ13に実装された信号処理用IC21は、ボンディングワイヤ41を介してボンディングパッド341に電気的に接続されている。
第4中間基板35にもボンディングパッド351が配備されており、第4半導体パッケージ14に実装された駆動用IC22は、ボンディングワイヤ41を介してボンディングパッド351に電気的に接続されている。
第5中間基板36にもボンディングパッド361が配備されており、第5半導体パッケージ15に実装された光電変換素子23は、ボンディングワイヤ41を介してボンディングパッド361に電気的に接続されている。さらに、信号光の進行方向を、第5半導体パッケージ15の表面に垂直な方向と第5半導体パッケージ15の表面に水平な方向との間で変換する光路変換部50aを端部に有する光導波路50が、第5半導体パッケージ15に実装された光電変換素子23と光学的に接続されている。この第5半導体パッケージ15は、本発明にいう光信号伝送パッケージの一例に相当する。
また、第3中間基板34に配備されたボンディングパッド341と、第4中間基板35に配備されたボンディングパッド351との間が、半田42を介して半田接続されることによって、第3半導体パッケージ13と第4半導体パッケージ14とが電気的に接続されている。さらに、第4中間基板35に配備されたボンディングパッド351と、第5中間基板36に配備されたボンディングパッド361との間が、半田42を介して半田接続されることによって、第4半導体パッケージ14と第5半導体パッケージ15とが電気的に接続されている。
さらに、基板31にもボンディングパッド311が配備されており、基板31に配備されたボンディングパッド311と、第3中間基板34に配備されたボンディングパッド341との間が、半田42を介して半田接続されることによって、基板31と積層型半導体パッケージ60とが電気的に接続されている。
図3は、図1に示す積層型半導体パッケージ10を基板31上に2個搭載した図である。
図3に示すように、2つの積層型半導体パッケージ10が基板31上に搭載され、これらが、光導波路50によって光学的に接続されている。
以上説明したように、第1実施形態の積層型半導体パッケージ10によれば、高速信号の入出力に、本発明にいう光信号伝送パッケージの一例に相当する第2半導体パッケージ12に実装された光電変換素子23と、この第2半導体パッケージ12に接続された光導波路50とを用いることによって、高周波伝送損失の増大やクロストークの発生などといった電気伝送固有の問題を回避した高速伝送が可能となる。従って、積層型半導体パッケージの利点である、システム設計の自由度の高さや、異常検証の容易性を保ちつつ、高速伝送に対応可能な積層型半導体パッケージが提供される。さらに、第1実施形態の積層型半導体パッケージ10によれば、複数の電気信号を多重化した信号を光信号を用いて伝送することにより入出力ピン数を減らすことができ、更なる高密度化が可能となる。
図3では、第1実施形態の積層型半導体パッケージ10を用いたが、第2の実施形態である積層型半導体パッケージ60、あるいは積層型半導体パッケージ10と積層型半導体パッケージ60の双方を用いても同様の効果が実現できる。
ここで、本発明にいう光信号伝送パッケージの一例に相当する第2半導体パッケージ12や第5半導体パッケージ15が、複数の半導体パッケージのうちの最上層の半導体パッケージを除く半導体パッケージである場合には、光導波路50が配設されるスペース分、半導体パッケージ間を電気的に接続する端子の数を減少させる必要が生じるが、第1実施形態の積層型半導体パッケージ10や第2実施形態の積層型半導体パッケージ60における、本発明にいう光信号伝送パッケージの一例に相当する第2半導体パッケージ12や第5半導体パッケージ15は、複数の半導体パッケージのうちの最上層の半導体パッケージであるため、各半導体パッケージ間を電気的に接続する端子の数が光導波路50によって減少することが回避される。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。
尚、以下説明する第3実施形態では、上述した第1実施形態における要素と同じ要素については同じ符号を付して説明する。
図4は、本発明の一実施形態が適用された積層型半導体パッケージのうちの第3実施形態を示す概略構成図である。
図4に示す積層型半導体パッケージ70は、第6中間基板38の下面に光電変換素子23が実装されモールド樹脂80で封止され、同じく第6中間基板38の上面に駆動用IC22が実装されモールド樹脂80で封止された第6半導体パッケージ16と、第7中間基板39の上面に信号処理用IC21が実装されモールド樹脂80で封止された第7半導体パッケージ17とから構成されている。この積層型半導体パッケージ70は、第6半導体パッケージ16の上部に第7半導体パッケージ17が積層されたものであって、ここでは、この積層型半導体パッケージ70が、信号光の進行方向を基板37の表面に垂直な方向と基板37の表面に水平な方向との間で変換する光路変換部51aを端部に有する光導波路51が埋設された基板37上に実装されている。また、第6半導体16は、接着剤40を介して第7半導体パッケージ17に固着している。尚、2つの半導体パッケージのうちの最下層の半導体パッケージである第6半導体パッケージ16の下面に実装された光電変換素子23は、第6半導体パッケージ16の表面に垂直な方向に進む信号光の発光もしくは受光を担うものである。また、この光電変換素子23は、基板37に埋設された光導波路51と光学的に接続されている。さらに、この光電変換素子23の光学的接続面23aは、光透過性の保護部材231で被覆されている。この第6半導体パッケージ16は、本発明にいう光信号伝送パッケージの一例に相当する。
第6中間基板38にはボンディングパッド381が配備されており、第6半導体パッケージ16に実装された光電変換素子23は、ボンディングワイヤ41を介してボンディングパッド381に電気的に接続されている。また、この第6半導体パッケージ16に実装された駆動用IC22も、ボンディングワイヤ41を介してボンディングパッド381に電気的に接続されている。
第7中間基板39にもボンディングパッド391が配備されており、第7半導体パッケージ17に実装された信号処理用IC21は、ボンディングワイヤ41を介してボンディングパッド391に電気的に接続されている。
また、第6中間基板38に配備されたボンディングパッド381と、第7中間基板39に配備されたボンディングパッド391との間が、半田42を介して半田接続されることによって、第6半導体パッケージ16と第7半導体パッケージ17とが電気的に接続されている。
さらに、基板37にもボンディングパッド371が配備されており、基板37に配備されたボンディングパッド371と、第6中間基板38に配備されたボンディングパッド381との間が、半田42を介して半田接続されることによって、基板37と積層型半導体パッケージ70とが電気的に接続されている。
図5は、図4に示す積層型半導体パッケージ70を基板37上に搭載した図である。
基板37には光導波路51が埋設されており、光導波路端部には信号光の進行方向を基板37の表面に垂直な方向と基板37の表面に水平な方向との間で変換する光路変換部51aを有する。
図5に示すように、2つの積層型半導体パッケージ70が、光導波路51が埋設された基板37上に搭載され、これら2つの積層型半導体パッケージ70が、基板37に埋設された光導波路51と光学的に接続されている。
以上説明したように、第3実施形態の積層型半導体パッケージ70によれば、上述した第1実施形態の積層型半導体パッケージ10や第2実施形態の積層型半導体パッケージ60と同様に、積層型半導体パッケージの利点である、システム設計の自由度の高さや、異常検証の容易性を保ちつつ、高速伝送に対応可能な積層型半導体パッケージが提供される。
尚、上述した各実施形態では、2つあるいは3つの半導体パッケージを基板上に積層した例について説明したが、本発明の積層型半導体パッケージは、これに限られるものではなく、4つ以上の半導体パッケージを基板上に積層したものにも適用することができる。
また、上述した各実施形態では、本発明にいう半導体素子が、光電変換素子、駆動用IC、及び信号処理用ICである例について説明したが、本発明にいう半導体素子は、これに限られるものではなく、どのような種類の半導体素子であってもよい。
また、上述した各実施形態では、本発明にいう信号光伝播媒体が光導波路である例について説明したが、本発明にいう信号光伝播媒体は、これに限られるものではなく、例えば光ファイバなどの信号光伝播媒体でも良い。
本発明の一実施形態が適用された積層型半導体パッケージのうちの第1実施形態を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態が適用された積層型半導体パッケージのうちの第2実施形態を示す概略構成図である。 図1に示す積層型半導体パッケージを基板上に2個搭載した図である。 本発明の一実施形態が適用された積層型半導体パッケージのうちの第3実施形態を示す概略構成図である。 図4に示す積層型半導体パッケージを基板上に搭載した図である。
符号の説明
10,60,70 積層型半導体パッケージ
11 第1半導体パッケージ
12 第2半導体パッケージ
13 第3半導体パッケージ
14 第4半導体パッケージ
15 第5半導体パッケージ
16 第6半導体パッケージ
17 第7半導体パッケージ
21 信号処理用IC
22 駆動用IC
23 光電変換素子
23a 光学的接続面
231 保護部材
31 基板
32 第1中間基板
33 第2中間基板
34 第3中間基板
35 第4中間基板
36 第5中間基板
37 基板
38 第6中間基板
39 第7中間基板
311,321,331,341,351,361,371,381,391 ボンディングパッド
40 接着剤
41 ボンディングワイヤ
42 半田
50,51 光導波路
50a,51a 光路変換部
80 モールド樹脂

Claims (6)

  1. 半導体素子が基板上に実装された半導体パッケージを積層し、複数の半導体パッケージ間を電気的に接続してなる積層型半導体パッケージにおいて、
    前記複数の半導体パッケージのうちの少なくとも1つの半導体パッケージは、前記半導体素子として、電気信号と光信号との間での変換を担う光電変換素子が実装され、更に、信号光の伝播を担う信号光伝播媒体が、該光電変換素子と光学的に接続された光信号伝送パッケージであることを特徴とする積層型半導体パッケージ。
  2. 前記複数の半導体パッケージのうちの最上層の半導体パッケージが、前記光信号伝送パッケージであることを特徴とする請求項1記載の積層型半導体パッケージ。
  3. 半導体素子が基板上に実装された半導体パッケージを積層し、複数の半導体パッケージ間を電気的に接続してなる積層型半導体パッケージにおいて、
    前記複数の半導体パッケージのうちの最下層の半導体パッケージは、前記半導体素子として、電気信号と光信号との間での変換を担う光電変換素子が下面に実装された光信号伝送パッケージであることを特徴とする積層型半導体パッケージ。
  4. 前記光電変換素子は、該光電変換素子の光学的接続面が光透過性の保護部材で被覆されたものであることを特徴とする請求項3記載の積層型半導体パッケージ。
  5. 前記複数の半導体パッケージのうちの少なくとも1つの半導体パッケージは、複数の半導体素子が実装されたものであることを特徴とする請求項1または3記載の積層型半導体パッケージ。
  6. 請求項3、4または5記載の積層型半導体パッケージが、信号光の伝播を担う信号光伝播媒体が埋設された基板上に実装され、該積層型半導体パッケージにおける最下層の半導体パッケージの下面に実装された光電変換素子と該基板内に埋設された信号光伝播媒体とが光学的に接続されていることを特徴とする光信号伝送装置。
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