JP2008021778A - 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した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11,12,13の積層における最上層の第3半導体パッケージ13は、半導体素子として、その積層における上方を向いた受発信面23aで光信号の受信および発信を行い、電気信号とその光信号との間での変換を担う光電変換素子23が実装された光信号伝送パッケージである。
【選択図】 図1

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、積層された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の技術(いわゆるパッケージオンパッケージ)が知られている。
この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することにより形成されたものであるため、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。
ところで、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る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約を受けるという問題がある。
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進められている。この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、光(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。
この光配線技術によれば、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(Electro−Magnetic Interference:電磁妨害)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ているので、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解消することができる。
このような光配線技術として、例えば、基板上に光素子駆動用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、また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てなる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、この半導体チップがその光素子に電気的に接続されてパッケージ化されたパッケージ内に光入出力用光ファイバを装着した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および特許文献2において提案されている技術は、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(Large Scale Integration:大規模集積回路)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通常600Mb/s程度で、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、上述した特許文献1および特許文献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および特許文献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した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、積層された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積層における最上層の半導体パッケージは、上記半導体素子として、その積層における上方を向いた受発信面で光信号の受信および/または発信を行い、電気信号とその光信号との間での変換を担う光電変換素子が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した積層型半導体パッケージが得られる。また、本発明の積層型半導体パッケージでは、複数の電気信号を多重化した信号を光信号として、上記受発信面に光学的に接続されて光信号の伝播を担う信号光伝播媒体によって伝送することにより、電気伝送を利用する積層型半導体パッケージに比して入出力ピン数を減らすことができ、高密度な回路装置が実現可能となる。
ここで、上記光電変換素子が実装された光信号伝送パッケージが、複数の半導体パッケージの積層における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、例えば、受発信面に光学的に接続されて光信号の伝播を担う信号光伝播媒体が配設されるスペース分、各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などといった問題がある。
これに対して、本発明の積層型半導体パッケージは、その光信号伝送パッケージが、上記積層における最上層の半導体パッケージであり、その積層における上方を向いた受発信面で光信号の受信および/または発信を行うものであるため、各半導体パッケージ間を電気的に接続する端子の数が上記信号光伝播媒体によって減少するなどといった問題が回避される。
また、上記本発明の積層型半導体パッケージにおいて、上記光信号伝送パッケージは、上記光信号が、上記積層における上下方向に通過する光信号通過部を有するものであることが好ましい。
ここで、本発明にいう「光信号通過部」としては、上記光信号が通過する貫通孔が空いたものや、上記光信号が伝播する光透過性の部材や、上記光信号の伝播を担う信号光伝播媒体が挿入される貫通孔が空いたものなどが考えられる。
このような光信号通過部は構造が単純で成形が容易であり、光学的接続における位置合わせも容易である。また、この光信号通過部の径は100μm程度の小さな径であればよいため、電気的な接続部分の配置を妨げない。
さらに、上記本発明の積層型半導体パッケージにおいて、上記光信号伝送パッケージは、上記受発信面に光学的に接続されて上記光信号の伝播を担う信号光伝播媒体が着脱自在に装着される装着部を有するものであることも好ましい形態である。
ここで、本発明にいう「信号光伝播媒体」とは、例えば光導波路フィルムや光ファイバなどをいう。
このような装着部を有する積層型半導体パッケージによれば、所望の長さの上記信号光伝播媒体を選択して組み立てることが可能であるため、組み合わせの自由度が高く、汎用性が高い。
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1記載の積層型半導体パッケージが基板上に実装され、その積層型半導体パッケージにおける光信号伝送パッケージに実装された光電変換素子と、上記光信号の伝播を担う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。
本発明の光信号伝送装置によれば、上述した本発明の積層型半導体パッケージの利点と同様に、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光学的に接続された上記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。
ここで、上記本発明の光信号伝送装置において、
「上記光信号伝送パッケージは、上記信号光伝播媒体が着脱自在に装着される装着部を有するものであり、
上記信号光伝播媒体が、上記装着部に装着されて上記光信号伝送パッケージからの放熱を促進するコネクタ部を有するものである」
ことが好ましい。
このような装着部を有する光信号伝送装置によれば、上述した本発明の積層型半導体パッケージの利点と同様に、組み合わせの自由度が高く、汎用性が高い。
ここで、一般に、光電変換素子の動作温度上限は、CPUやメモリなどといったLSI(Large Scale Integration:大規模集積回路)の動作温度上限が通常100℃程度であるのに対して通常80℃程度と低い。上記光信号伝送パッケージに実装された光電変換素子自体は強く発熱しないものの、他の半導体パッケージに実装された半導体素子が強く発熱して、光電変換素子が強く熱を帯びると発光量が変化し信号授受に悪影響を及ぼすおそれがある。
これに対して、上記信号光伝播媒体が上記コネクタ部を有すると、上記光信号伝送パッケージからの放熱が促進されるため、光電変換素子が強く熱を帯びることが回避され、好適である。
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した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、この光電変換素子を制御する駆動用IC、および信号処理を担う信号処理用IC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ファイバを例に挙げて説明する。
図1は、本発明の積層型半導体パッケージの第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31上に信号処理用IC21が実装されモールド樹脂50で封止された第1半導体パッケージ11と、第2中間基板32上に駆動用IC22が実装されモールド樹脂50で封止された第2半導体パッケージ12と、第3中間基板33上に光電変換素子23が実装されモールド樹脂50で封止された第3半導体パッケージ13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、第2半導体パッケージ12の上部に更に第3半導体パッケージ13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30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、第3半導体パッケージ13は、接着剤40を介して第2半導体パッケージ12に固着している。尚、これら3つの半導体パッケージ11,12,13の積層における最上層の第3半導体パッケージ13に実装された光電変換素子23は、その積層における上方を向いた受発信面23aで光信号の受信および発信を行い、電気信号とその光信号との間での変換を担うものである。この第3半導体パッケージ13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1中間基板31には、この第1中間基板31中に埋め込まれた電気配線によって適宜に相互接続された複数のボンディングパッド311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311に電気的に接続されている。
第2中間基板32にも、この第2中間基板32中に埋め込まれた電気配線によって適宜に相互接続された複数のボンディングパッド321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321に電気的に接続されている。
第3中間基板33にも、この第3中間基板33中に埋め込まれた電気配線によって適宜に相互接続された複数のボンディングパッド331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331に電気的に接続されている。
ここで、第3半導体パッケージ13のモールド樹脂50は、上記光信号が、上記積層における上下方向に通過する貫通孔50aが空いた光信号通過部を有している。尚、この貫通孔50aの径は100μm程度の小さな径であればよいため、ボンディングパッド331やボンディングワイヤ41などといった電気的な接続部分の配置を妨げない。
このような貫通孔50aが空いた光信号通過部は構造が単純でモールド樹脂50の成形が容易であり、光学的接続における位置合わせも容易である。
ここでは、この貫通孔に50aに光ファイバ60が挿入され、光電変換素子23の受発信面23aに突き当てられて、モールド樹脂50に固着されることによって、その光ファイバ60が光電変換素子23の受発信面23aに光学的に接続されている。
また、第1中間基板31に配備されたボンディングパッド311と、第2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を介して接続されることによって、第1半導体パッケージ11とこの上部に積層された第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、第2中間基板32に配備されたボンディングパッド321と、第3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を介して接続されることによって、第2半導体パッケージ12とこの上部に積層された第3半導体パッケージ13とが電気的に接続されている。
このように、第3半導体パッケージ13は、積層における最上層に位置しており、この第3半導体パッケージ13実装された光電変換素子23は、その積層における上方を向いた受発信面23aで光信号の受信および発信を行うので、各半導体パッケージ間を電気的に接続するボンディングパッド311,321,331や半田42は、光ファイバ60に妨げられずに充分な数だけ配置されている。
さらに、基板30にもボンディングパッド301が配備されており、基板30に配備されたボンディングパッド301と、第1中間基板31に配備されたボンディングパッド311との間が、半田42を介して接続されることによって、基板30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。
第1実施形態の積層型半導体パッケージ10では、複数の電気信号を多重化した信号を光信号として光ファイバ60によって伝送するので、この積層型半導体パッケージ10が外部と信号をやり取りするためのボンディングパッド311,301の数は少なく、高密度な回路装置が実現可能となる。
図2は、図1に示す積層型半導体パッケージ10が基板30上に2個搭載されてなる、本発明の光信号伝送装置の一実施形態を示す斜視図である。
図2に示すように、2つの積層型半導体パッケージ10が基板30上に搭載され、これらが、光ファイバ60によって光学的に接続されている。この図2に示す光信号伝送装置100によれば、高速信号の入出力に、2つの積層型半導体パッケージ10内それぞれに組み込まれた光電変換素子23と光ファイバ60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した光信号伝送装置となっている。
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実施形態で説明した構成とほぼ同じ構成を有するため、上述した第1実施形態との相違点に注目し、同じ要素については同じ符号を付して説明を省略する。
図3は、本発明の積層型半導体パッケージの第2実施形態を示す概略構成図である。
図3に示す積層型半導体パッケージ20は、第1中間基板31上に信号処理用IC21が実装されモールド樹脂50で封止された第1半導体パッケージ11と、第2中間基板32上に駆動用IC22が実装されモールド樹脂50で封止された第2半導体パッケージ12と、第3中間基板33上に光電変換素子23が実装されモールド樹脂51で封止された第4半導体パッケージ14とから構成されている。この第4半導体パッケージ14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4半導体パッケージ14のモールド樹脂51は、上記光信号が、上記積層における上下方向に通過する貫通孔51aが空いた光信号通過部と、この貫通孔51aの両端に設けられた突起51bを有している。尚、この貫通孔51aの径は100μm程度の小さな径であればよいため、ボンディングパッド331やボンディングワイヤ41などといった電気的な接続部分の配置を妨げない。
このような貫通孔51aが空いた光信号通過部は構造が単純でモールド樹脂51の成形が容易であり、光学的接続における位置合わせも容易である。
ここでは、突起51bに嵌め合わさる凹部71aを有し、光ファイバ70の端部70aを突出させた状態でこの光ファイバ70に設けられた光コネクタ71が、突起51bに凹部71aを嵌め合わせることによって、精度良くかつ着脱自在に接続されている。このようにして接続された光ファイバ70は、端部70aが貫通孔51aに挿入され、光電変換素子23の受発信面23aに突き当てられて、位置合わせされると共に、その光ファイバ70が光電変換素子23の受発信面23aに光学的に接続されている。この突起51bは、本発明にいう装着部の一例に相当する。
このような突起51bを有する第2実施形態の積層型半導体パッケージ20によれば、所望の長さの光ファイバ70を選択して組み立てることが可能であるため、組み合わせの自由度が高く、汎用性が高い。
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2実施形態で説明した構成とほぼ同じ構成を有するため、上述した第2実施形態との相違点に注目し、同じ要素については同じ符号を付して説明を省略する。
図4は、本発明の積層型半導体パッケージの第3実施形態を示す概略構成図である。
第4半導体パッケージ14のモールド樹脂51は、上記光信号が、上記積層における上下方向に通過する貫通孔51aが空いた光信号通過部と、この貫通孔51aの両端に設けられた突起51bを有している。ここでは、突起51bに嵌め合わさる凹部81aを有し、光ファイバ80の端部80aを突出させた状態でこの光ファイバ80に設けられた光コネクタ81が、突起51bに凹部81aを嵌め合わせることによって、精度良くかつ着脱自在に接続されている。
また、この光コネクタ81は、アルミや銅などといった熱伝導率の高い熱伝導性部材であって、この光コネクタ81と第4半導体パッケージ14との接続に当たっては、第4半導体パッケージ14との密着性を高めるためにシリコングリス(図示せず)を介して接続されている。この光コネクタ81は、本発明にいうコネクタ部の一例に相当する。
このようにして接続された光ファイバ80は、端部80aが貫通孔51aに挿入され、光電変換素子23の受発信面23aに突き当てられて、位置合わせされると共に、その光ファイバ80が光電変換素子23の受発信面23aに光学的に接続されている。
ここで、第4半導体パッケージ14に実装された光電変換素子23の動作温度上限は、第1半導体パッケージ11に実装された信号処理用IC21や第2半導体パッケージ12に実装された駆動用IC22の動作温度上限が100℃程度であるのに対して80℃程度と低い。光電変換素子23自体は強く発熱しないものの、信号処理用IC21や駆動用IC22は強く発熱する。その結果として、光電変換素子23が強く熱を帯びると、発光量が変化し信号授受に悪影響を及ぼすおそれがある。この第3実施形態では、光ファイバ80が、熱伝導性部材である光コネクタ81を有するので、この光コネクタ81によって第4半導体パッケージ14からの放熱が促進され、光電変換素子23が強く熱を帯びることが回避される。
尚、上述した各実施形態では、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や、2つ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、複数の半導体パッケージの積層における最上層の半導体パッケージに実装された半導体素子が光電変換素子であれば、他の半導体素子は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、本発明にいう光信号通過部として光ファイバが挿入される貫通孔が空いたものである例について説明したが、本発明にいう光信号通過部は、これに限られるものではなく、例えば、光信号が伝播する貫通孔が空いたものや、光信号が伝播する光透過性の部材などであってもよい。
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ファイバ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、例えば光導波路フィルムなどでもよい。
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、複数の半導体パッケージの積層における上下方向に延びてい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、光電変換素子に光学的接続される端部にミラーが形成され、半導体パッケージの基板に沿って延びた光導波路であってもよい。
また、上述した第2実施形態や第3実施形態では、本発明にいう装着部が突起である例について説明したが、本発明にいう装着部は、これに限られるものではなく、例えば凹部であってもよい。
本発明の積層型半導体パッケージの第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が基板上に2個搭載されてなる、本発明の光信号伝送装置の一実施形態を示す斜視図である。 本発明の積層型半導体パッケージの第2実施形態を示す概略構成図である。 本発明の積層型半導体パッケージの第3実施形態を示す概略構成図である。
符号の説明
10,20 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
21 信号処理用IC
22 駆動用IC
23 光電変換素子
23a 受発信面
30 基板
31 第1中間基板
32 第2中間基板
33 第3中間基板
301,311,321,331 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 モールド樹脂
50a,51a 貫通孔
51b 突起
60,70,80 光ファイバ
70a,80a 端部
71,81 光コネクタ
71a,81a 凹部
100 光信号伝送装置

Claims (5)

  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、積層された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積層における最上層の半導体パッケージは、前記半導体素子として、該積層における上方を向いた受発信面で光信号の受信および/または発信を行い、電気信号と該光信号との間での変換を担う光電変換素子が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。
  2. 前記光信号伝送パッケージは、前記光信号が、前記積層における上下方向に通過する光信号通過部を有するもの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. 前記光信号伝送パッケージは、前記受発信面に光学的に接続されて前記光信号の伝播を担う信号光伝播媒体が着脱自在に装着される装着部を有するもの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。
  4. 請求項1記載の積層型半導体パッケージが基板上に実装され、該積層型半導体パッケージにおける光信号伝送パッケージに実装された光電変換素子と、前記光信号の伝播を担う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。
  5. 前記光信号伝送パッケージは、前記信号光伝播媒体が着脱自在に装着される装着部を有するものであり、
    前記信号光伝播媒体が、前記装着部に装着されて前記光信号伝送パッケージからの放熱を促進するコネクタ部を有するものであることを特徴とする請求項4記載の光信号伝送装置。
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