JP2008109161A - Board unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置に係り、特に基板に搭載れてパッケージされたLSIパッケージ等の半導体装置に対する電源接続構造を含む基板ユニットに関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a substrate unit including a power supply connection structure for a semiconductor device such as an LSI package mounted and packaged on a substrate.
CPUやMPUのような大規模集積回路(LSI)は回路の高集積化(高密度化)が益々進んでいる。これに伴い、一つのLSIの消費電力も増大しており、現在では消費電力が30Wから100WのLSIも登場している。 Large scale integrated circuits (LSIs) such as CPUs and MPUs are becoming increasingly highly integrated (high density) circuits. Along with this, the power consumption of one LSI is also increasing, and now LSIs with power consumption of 30 to 100 W have also appeared.
回路の高集積化に伴い、LSIに供給する信号数も増大し、このための信号用端子や電源・接地用端子の数も増やさなければならない。現在のLSIは、半導体チップが搭載された基板の裏面に外部接続用端子としてハンダボールが格子状に配列されたボールグリッドアレイ(BGA)タイプが主流である。 As the circuit becomes highly integrated, the number of signals supplied to the LSI increases, and the number of signal terminals and power / ground terminals for this purpose must also be increased. The current LSI is mainly a ball grid array (BGA) type in which solder balls are arranged in a grid pattern as external connection terminals on the back surface of a substrate on which a semiconductor chip is mounted.
LSIパッケージの端子数を増加すると、パッケージ基板内の配線を微細化しなければならない。したがって、パッケージ基板内の配線中に流すことのできる電流許容値が低くなる。一方、LSIの電源電圧は低電圧化が進み、5Vから1V程度の電源電圧に移行しつつある。電源電圧が低くなると、同じ電力消費であれば電流値は増大する。したがって、パッケージ基板内の電源用配線には、信号用配線に比較して大きな電流を流す必要が生じる。 When the number of terminals of the LSI package is increased, the wiring in the package substrate must be miniaturized. Therefore, the allowable current value that can be passed through the wiring in the package substrate is lowered. On the other hand, the power supply voltage of LSI is decreasing and the power supply voltage is shifting from 5V to about 1V. When the power supply voltage is lowered, the current value increases with the same power consumption. Therefore, it is necessary to flow a larger current in the power supply wiring in the package substrate than in the signal wiring.
図1は従来のLSIパッケージへの電力供給構造を示す基板ユニットの断面図である。図1において、LSIパッケージ1はマザーボードやドータボードのような基板2に搭載される。LSIパッケージ1の外部接続用端子としてのハンダボール3は、基板2上の電極パッド4に接続される。
FIG. 1 is a sectional view of a substrate unit showing a structure for supplying power to a conventional LSI package. In FIG. 1, an
LSIパッケージ1は、半導体チップ(LSI)5とパッケージ基板6とよりなる。LSI5はパッケージ基板6に対して実装され、パッケージ基板6内の配線を介してLSI5に信号及び電力が供給される。
The
基板2には、LSIパッケージ1に供給する電源電圧を制御するためのDC−DCコンバータ7が搭載される。DC−DCコンバータ7は、基板2内の電源ライン8Aから供給される電圧を、LSIパッケージ1用の電源電圧まで下げる。例えば、基板2内の電源ライン8Aには48V又は24Vの電圧が供給され、DC−DCコンバータ7により1.8V又は1Vに下げられて、電源供給ライン8Bに供給される。電源ライン8Bは電極パッド4を介してLSIパッケージ1のハンダボール3に接続されており、パッケージ基板6に1.8V又は1Vの電源電圧が供給される。また、接地ライン9Aも同様に、DC−DCコンバータ7、接地ライン9B、電極パッド4、ハンダボール3を介してパッケージ基板6に接続される
一般的に、パッケージ基板6内にはほぼ平面状に延在する電源層10と接地層11とが設けられる。LSIパッケージ1への電源供給は、まず基板2から電源層10へ電源供給を行い、そしてLSIパッケージの各電源供給端子には電源層10から電力供給を行う。電源層10から半導体チップ(LSI)5への電力供給路に関しては、供給すべき電流値が比較的小さいので電力供給路の断面積が比較的小さくても問題はないが、ハンダボール3から電源層10までの電力供給路にはLSI5全体が消費する大きな電流を流す必要があるため、大きな断面積を確保して大きな許容電流値を確保しなければならない。
A DC-DC converter 7 for controlling the power supply voltage supplied to the
図2は図1におけるパッケージ基板6の一例であるビルドアップ基板の一部の拡大断面図である。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a part of a buildup substrate which is an example of the
一般的に、ビルドアップ基板は、中心となるコア基板12の片面に電源層10を形成し、反対側の面に接地層11を形成する。そしてコア基板12の両側に信号用配線等を多層に形成し、片側にLSI接続用電極パッド13を設け、反対側にハンダボール3を形成するための電極パッド14を設ける。
In general, a build-up board has a
図2に示すハンダボール3が電力供給用の端子に相当すると仮定すると、図2においてハンダボール3から電源層10までの間には上述のように大きな電流が流れる。ここで、ハンダボール3から電源層10までの間にはビルドアップ基板の層間を貫通するビア15が含まれる。
Assuming that the
ビルドアップ基板中に形成されるビアの直径は50μm〜100μm程度であり、端子数が増えるとビアもより微細とせざるを得なため、一つのビアに流すことのできる電流は500mA程度が限度となる。ここで例えば、100Wの消費電力のLSIに電力を供給するためには、許容電流値が500mAのビアが200本必要となる。一つの端子(ハンダボール3)に対して1本のビアが対応するため、電力供給用の端子(ハンダボール3)が200個必要となる。 The diameter of the via formed in the build-up substrate is about 50 μm to 100 μm, and the via can be made finer as the number of terminals increases. Therefore, the current that can be passed to one via is limited to about 500 mA. Become. Here, for example, in order to supply power to an LSI with 100 W power consumption, 200 vias with an allowable current value of 500 mA are required. Since one via corresponds to one terminal (solder ball 3), 200 power supply terminals (solder balls 3) are required.
したがって、信号用端子の数を減らすことなく電力供給用の端子の数を増やすと、パッケージ基板全体としての端子数が増大するため、パッケージ基板のサイズを大きくしなければならないという問題があった。 Therefore, if the number of terminals for power supply is increased without reducing the number of signal terminals, the number of terminals as a whole package board increases, and there is a problem that the size of the package board must be increased.
また、LSIの電源電圧が低くなると、電源ラインにノイズが混入しやすくなるので、電源ラインはなるべく短くしたいという要望があった。 Further, when the power supply voltage of the LSI is lowered, noise is easily mixed into the power supply line. Therefore, there is a demand for making the power supply line as short as possible.
本発明の総括的な目的は、上述の問題を解消した改良された有用な電源接続構造を提供することである。 A general object of the present invention is to provide an improved and useful power connection structure that eliminates the above-mentioned problems.
本発明のより具体的な目的は、半導体素子への信号供給経路とは異なる構成の電力供給経路を備えた半導体装置用パッケージ基板を提供することである。 A more specific object of the present invention is to provide a package substrate for a semiconductor device having a power supply path having a configuration different from that of a signal supply path to a semiconductor element.
本発明の他の目的は、半導体装置への電力供給のためのDC−DCコンバータを含む電力供給路を構成する基板ユニットを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a substrate unit constituting a power supply path including a DC-DC converter for supplying power to a semiconductor device.
本発明の更に他の目的は、半導体装置に対して基板を介さずに電力供給することのできるDC−DCコンバータを提供することである。 Still another object of the present invention is to provide a DC-DC converter capable of supplying power to a semiconductor device without passing through a substrate.
上述の目的を達成するために、本発明の一つの面によれば、半導体素子が搭載された第1の面と、第1の面の反対側であって外部接続用端子が設けられた第2の面とを有し、内部に電源層が形成されたパッケージ基板を有する半導体装置であって、パッケージ基板は、第2の面以外の部位に設けられた電極端子を有し、電極端子は電源層に接続されていることを特徴とする半導体装置が提供される。上述の発明において、電極端子はパッケージ基板の第1の面上に形成され、パッケージ基板中に形成されたビアを介して電源層に接続されていることとしてもよい。 In order to achieve the above-mentioned object, according to one aspect of the present invention, a first surface on which a semiconductor element is mounted and a first surface on the opposite side of the first surface and provided with an external connection terminal are provided. 2 is a semiconductor device having a package substrate in which a power supply layer is formed, the package substrate having electrode terminals provided on portions other than the second surface, A semiconductor device is provided which is connected to a power supply layer. In the above-described invention, the electrode terminal may be formed on the first surface of the package substrate and connected to the power supply layer via a via formed in the package substrate.
また、本発明の他の面によれば、半導体素子が搭載された第1の面と、第1の面の反対側であって外部接続用端子が設けられた第2の面とを有し、内部に電源層が形成されたパッケージ基板を有する半導体装置であって、電源層の一部はパッケージ基板から露出していることを特徴とする半導体装置が提供される。パッケージ基板は内部に接地層を有しており、接地層の一部はパッケージ基板から露出していることとしてもよい。 According to another aspect of the present invention, the semiconductor device includes a first surface on which a semiconductor element is mounted, and a second surface on the opposite side of the first surface and provided with an external connection terminal. There is provided a semiconductor device having a package substrate in which a power supply layer is formed, wherein a part of the power supply layer is exposed from the package substrate. The package substrate may have a ground layer inside, and a part of the ground layer may be exposed from the package substrate.
更に、本発明の他の面によれば、内部に電源配線及び接地配線が形成された基板と、電源層有するパッケージ基板と半導体素子とよりなり、基板上に実装された半導体装置と、基板に搭載されて半導体装置に供給する電圧を生成するものであって、半導体装置に向かって延在するコネクタを有するDC−DCコンバータとを有し、コネクタは半導体装置のパッケージ基板上に形成された電極端子に接続され、電極端子はパッケージ基板の電源層に接続されており、DC−DCコンバータから、コネクタ及び電極端子を介してパッケージ基板の電源層に対して電力が供給されることを特徴とする基板ユニットが提供される。電極端子は、パッケージ基板の半導体素子が実装された面に形成され、ビアを介して電源層に接続されていることとしてもよい。 Furthermore, according to another aspect of the present invention, a substrate having a power supply wiring and a ground wiring formed therein, a package substrate having a power supply layer, and a semiconductor element, a semiconductor device mounted on the substrate, and a substrate A DC-DC converter that is mounted and generates a voltage to be supplied to the semiconductor device, and has a connector extending toward the semiconductor device, and the connector is an electrode formed on a package substrate of the semiconductor device The electrode terminal is connected to the power supply layer of the package substrate, and power is supplied from the DC-DC converter to the power supply layer of the package substrate via the connector and the electrode terminal. A substrate unit is provided. The electrode terminal may be formed on a surface of the package substrate on which the semiconductor element is mounted and connected to the power supply layer through a via.
また、本発明の更に他の面によれば、内部に電源配線及び接地配線が形成された基板と、電源層有するパッケージ基板と半導体素子とよりなり、基板上に実装された半導体装置と、基板に搭載されて半導体装置に供給する電圧を生成するものであって、半導体装置に向かって延在するコネクタを有するDC−DCコンバータとを有し、コネクタは半導体装置のパッケージ基板から露出した電源層に接続されており、DC−DCコンバータから、コネクタを介してパッケージ基板の電源層に対して電力が供給されることを特徴とする基板ユニットが提供される。パッケージ基板は内部に接地層を有しており、接地層の一部はパッケージ基板から露出し、DC−DCコンバータは前記接地層の露出部分に接続されたコネクタを有することとしてもよい。 According to still another aspect of the present invention, a substrate having a power supply wiring and a ground wiring formed therein, a package substrate having a power supply layer, and a semiconductor element, a semiconductor device mounted on the substrate, and a substrate And a DC-DC converter having a connector extending toward the semiconductor device, the connector being a power supply layer exposed from the package substrate of the semiconductor device A board unit is provided in which power is supplied from a DC-DC converter to a power supply layer of the package board via a connector. The package substrate may have a ground layer inside, a part of the ground layer may be exposed from the package substrate, and the DC-DC converter may have a connector connected to the exposed portion of the ground layer.
また、本発明の更に他の面によれば、半導体装置に対して電力を供給するDC−DCコンバータであって、電圧変換回路が内蔵された本体と、基板の電源配線に接続されるよう構成された端子と、DC−DCコンバータが基板に搭載された際に、半導体装置に向かって延在し、半導体装置の所定の部位に接触するよう構成されたコネクタとを有することを特徴とするDC−DCコンバータが提供される。上述のDC−DCコンバータにおいて、コネクタは、半導体装置のパッケージ基板の半導体素子が搭載された面に形成された電極端子に接続されるよう構成されてもよい。あるいは、コネクタは、半導体装置のパッケージ基板から露出した電源層に接続されるよう構成することとしてもよい。 According to still another aspect of the present invention, a DC-DC converter that supplies power to a semiconductor device is configured to be connected to a main body having a built-in voltage conversion circuit and a power supply wiring of a substrate. And a connector configured to extend toward the semiconductor device and to contact a predetermined portion of the semiconductor device when the DC-DC converter is mounted on the substrate. A DC converter is provided; In the above-described DC-DC converter, the connector may be configured to be connected to an electrode terminal formed on a surface on which the semiconductor element of the package substrate of the semiconductor device is mounted. Alternatively, the connector may be configured to be connected to the power supply layer exposed from the package substrate of the semiconductor device.
本発明の他の目的、特徴及び利点は添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、一層明瞭となるであろう。 Other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent upon reading the following detailed description with reference to the accompanying drawings.
まず、本発明の第1実施例について、図3を参照しながら説明する。図3は本発明の第1実施例による半導体装置が設けられた基板ユニットの断面図である。図3において図1に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。 First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the substrate unit provided with the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 3, parts that are the same as the parts shown in FIG. 1 are given the same reference numerals, and descriptions thereof will be omitted.
図3に示す基板ユニットは、基板2に対してLSIパッケージ(半導体装置)21とDC−DCコンバータ31とを搭載した構成を有している。LSIパッケージ21において、LSI5はパッケージ基板22の第1の面22a上に実装され、パッケージ基板22の第2の面22bに外部接続端子としてのハンダボール3が形成される。LSIパッケージ21は、従来と同様に外部接続用端子としてのハンダボール3を介して基板2の電源ライン(電源配線)8B及び接地ライン(接地配線)9Bに接続される。
The substrate unit shown in FIG. 3 has a configuration in which an LSI package (semiconductor device) 21 and a DC-
本実施例では、上述の電源ライン及び接地ラインの接続に加えて、DC−DCコンバータ31から基板2を介さずに、直接LSIパッケージの基板22に電力供給を行う。すなわち、本実施例におけるDC−DCコンバータ31は電圧変換回路を内蔵した本体31aから延在するコネクタ32を有しており、コネクタ23にはLSIパッケージ21に供給する電圧(すなわち、基板2の電源ライン8Bに供給される電圧)が供給される。したがって、基板2経由以外に、コネクタ32を介してDC−DCコンバータ31からLSIパッケージ21のパッケージ基板22に対して電力(電流)を供給することができる。
In this embodiment, in addition to the connection of the power supply line and the ground line described above, power is directly supplied from the DC-
以上のような電力供給を可能とするために、本実施例によるLSIパッケージ21は、ハンダボール3が設けられた面22bの反対側の面(すなわちLSI5が搭載された面)22aに露出した電極端子23を有する。電極端子23は複数のビア24を介して電源層10に電気的に接続される。ビア24の数はコネクタ32から電源端子23を介して電源層10に流れる電流の値により決定すればよい。
In order to enable the power supply as described above, the
以上のように、LSIパッケージ21のパッケージ基板22内の電源層10には、DC−DCコンバータ31から基板2内の電源ライン8Bを経由した経路に加えて、DC−DCコンバータ31のコネクタ32を経由した経路からも電力(電流)が供給される。したがって、基板2を経由してハンダボール3から電源層10に到る経路中に、許容電流値の低い部分(図2におけるビア15等)があったとしても、コネクタ32を経由した経路からも電流を供給することができるため、LSIパッケージ21に対して十分に大きい電流を供給することができる。
As described above, the
また、DC−DCコンバータ31を、LSIパッケージ21に対して近い位置に配置することにより、DC−DCコンバータ31から電源層10までの距離が短くなり、ノイズが侵入する可能性を低減することができる。
Further, by arranging the DC-
次に、上述のDC−DCコンバータ31のコネクタ32をパッケージ基板22の電極端子23に接続するための機構について、図4を参照しながら説明する。図4はコネクタ32を電極端子23に押圧固定するための取り付け装置40の側面図である。
Next, a mechanism for connecting the
図4に示す取り付け装置40は、LSIパッケージ21のLSI5にヒートスプレッダ41を取り付けるための装置でもある。すなわち、取り付け装置40はヒートスプレッダ41をLSI5の背面に対して押圧固定する。このヒートスプレッダを利用して、コネクタ32をヒートスプレッダ41とパッケージ基板22との間に挟み込んで固定する。より詳細には、コネクタ32の先端に形成された接触部をパッケージ基板22の電極端子23にさせた状態で、コネクタ32の上にヒートスプレッダ41を配置し、取り付け装置40の固定機構で固定する、
取り付け装置40の固定機構は、一般的なバネの押圧力を利用したネジ止め式である。ヒートスプレッダのフィン部41aの四隅を貫通した支柱42の先端をネジ板43のネジ孔にねじ込むことにより固定するものである。すなわち、支柱42はフィン部41aを貫通し且つ基板2も貫通する。支柱42の先端にはネジが形成されており、ナット42aがねじ込まれる際にバネ44が同時に押圧され、接触圧が発生する。支柱42のフィン部41aの上方にはバネ44が設けられ、支柱42のフランジ部42aとの間で圧縮される。このバネ44の弾性力により、ヒートスプレッダ41はLSI5に向けて押圧され、したがって、コネクタ32も電極端子23に対して押圧され固定される。
The
The fixing mechanism of the
図4に示すコネクタ23の押圧固定機構は、単なる一例であり、他に様々な機構を用いることができる。
The pressing and fixing mechanism of the
図5は図3に示すDC−DCコンバータ31の変形例の平面図である。図5に示すDC−DCコンバータ31Aは、図3に示すコネクタ32の他にコネクタ33,34を有しており、LSIパッケージ21のパッケージ基板22の3辺に接続することができる。これにより、コネクタとパッケージ基板との接触面積を増大することができ、パッケージ基板の電極端子に対してより大きな電流を供給することができる。
FIG. 5 is a plan view of a modification of the DC-
次に、本発明の第2実施例について、図6を参照しながら説明する。図6は本発明の第2実施例による半導体装置が設けられた基板ユニットの断面図である。図6において図1に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of a substrate unit provided with a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 6, parts that are the same as the parts shown in FIG. 1 are given the same reference numerals, and descriptions thereof will be omitted.
図6に示す構成では、LSIパッケージのパッケージ基板22Aの電源層10を露出させ、電源層10に対してDC−DCコンバータ31Bのコネクタ32を直接接触させたものである。また、DC−DCコンバータ31Bには、パッケージ基板22Aの接地層11に接触するコネクタ35も設けられる。
In the configuration shown in FIG. 6, the
電源層10及び接地層11を露出させるには、パッケージ基板22Aのコア基板の両面に形成された電源層10及び接地層11(図2参照)の露出させる部分だけには、他の層を形成しなければよい。
In order to expose the
以上のように、本実施例によれば、LSIパッケージ21Aのパッケージ基板22A内の電源層10の一部が露出し、露出した部分にDC−DCコンバータ31Bのコネクタ32が直接接触する。これにより、DC−DCコンバータ31Bから電源層10に対して直接に電力(電流)を供給することができる。また、接地層11をDC−DCコンバータ31Bを介して接地ライン9A接続することができる。
As described above, according to this embodiment, a part of the
上述のように、本実施例では、DC−DCコンバータ31Bから基板2内の電源ライン8Bを経由した経路に加えて、DC−DCコンバータ3B1のコネクタ32を経由した経路からも電流が供給される。したがって、基板2を経由してハンダボール3から電源層10に到る経路中に、許容電流値の低い部分(図2におけるビア15等)があったとしても、コネクタ32を経由した経路からも電流を供給することができるため、LSIパッケージ21に対して十分に大きい電流を供給することができる。
As described above, in this embodiment, current is supplied from the path via the
また、DC−DCコンバータ31Bを、LSIパッケージ21Aに対して近い位置に配置することにより、DC−DCコンバータ31Bから電源層10及び接地層11までの距離が短くなり、ノイズが侵入する可能性を低減することができる。
Further, by arranging the DC-
図7は図6に示す基板ユニットの変形例を示す断面図である。図7に示す変形例では、基板2内においてDC−DCコンバータ31BからLSIパッケージ22Aのハンダボール3に到る電力供給経路は削除されている。すなわち、図6に示す電源ライン8Bは削除されており、電源層10に対する電力の供給は、コネクタ32からだけとなる。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a modification of the substrate unit shown in FIG. In the modification shown in FIG. 7, the power supply path from the DC-
これにより、LSIパッケージ21Aに設けられた外部接続用端子(ハンダボール3)のうち、電力供給用に用いていた端子を信号用に用いることができ、信号用端子の数を増やすことができる。
As a result, among the external connection terminals (solder balls 3) provided in the
本発明は上述の具体的に開示された実施例に限ることなく、本発明の範囲内で様々な変形例及び改良例がなされるであろう。 The present invention is not limited to the specifically disclosed embodiments described above, and various modifications and improvements may be made within the scope of the present invention.
2 基板
3 ハンダボール
5 LSI
10 電源層
21 LSIパッケージ
22 パッケージ基板
23 電極端子
31 DC−DCコンバータ
32 コネクタ
2
10
Claims (3)
電源層を有するパッケージ基板、該パッケージ基板上に実装された半導体素子及び前記パッケージ基板の半導体素子が実装された電極端子よりなり、該基板上に実装された半導体装置と、
前記半導体素子及び前記電極端子と接続されるコネクタを押圧し固定されるヒートスプレッダとを有することを特徴とする基板ユニット。 A substrate,
A package substrate having a power supply layer, a semiconductor element mounted on the package substrate, and an electrode terminal on which the semiconductor element of the package substrate is mounted; a semiconductor device mounted on the substrate;
A board unit comprising: a heat spreader that presses and fixes a connector connected to the semiconductor element and the electrode terminal.
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