JP2008177384A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 電源層やグランド層に信号配線が設けられている場合であっても、電源−グランド間の同時スイッチングを十分に抑制することができ、かつシグナルインテグリティ及びパワーインテグリティの要求を満たすことができる半導体装置を提供する。
【解決手段】 電源プレーン11とグランドプレーン12との間に位置する誘電体層13に高誘電正接層13−1を設ける。高誘電正接層は、そのエッジが電源プレーンのエッジとグランドプレーンのエッジとの間位置するように設けられる。高誘電正接層のエッジは、内側に位置するエッジより所定の距離以上離すことが望ましい。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、電源プレーンと、グランドプレーンと、これらの間に設けられた誘電体層とを有する実装ボードやパッケージ基板を備えた半導体装置に関する。
近年の半導体デバイスの高速化、低消費電力化に伴い、実装ボードやパッケージ基板の電源−グランド間に生じるノイズが信号伝送に与える影響が増大している。
電源−グランド間に生じるノイズの例として、同時スイッチングノイズがある。これまで、同時スイッチングノイズに対しては、電源プレーンやグランドプレーンの面積を広げたり、バイパスコンデンサ(パスコン)を実装することで対応してきた。しかし、半導体装置の高速化に伴う小型高密度化によって、電源プレーンやグランドプレーンのための十分な面積を確保したり、パスコンを必要な数だけ設置することが困難になってきている。このため、このような方法以外の方法によって、電源−グランド間ノイズを低減する方法が必要となっている。
従来、電源もしくはグランドプレーン共振によるノイズを抑制することができる多層配線基板として、電源用配線となるプレーン導体とグランド用配線となるプレーン導体との間を高誘電正接の絶縁材からなる絶縁層を形成した基板が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
また、放射ノイズの元となる伝導ノイズを抑制する伝導ノイズ抑制体を、多層配線基板の電源層とグランド層との間に配置した電子部品が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
特開2005−129619号公報 特開2006−140430号公報
半導体装置は、ますます動作速度の高速化、低消費電力化が進められている。そのため、これまで問題視されてこなかった様々な問題が顕在化している。その中にシグナルインテグリティ(SI:Signal Integrity)及びパワーインテグリティ(PI:Power Integrity)がある。SIは、半導体装置における信号伝送時の伝送波形品質を確保することであり、広い周波数成分を持つディジタル信号をいかに劣化させずに伝送するかということである。また、PIは、電源の品質を確保することである。電源が安定した状態でないと、それに接続されている信号への電力供給不足、信号波形の乱れ、放射ノイズの発生原因となる。
信号劣化には様々な要因があり、その中の一つに、信号−グランド間の誘電損失による信号波形の減衰がある。図7を参照して、劣化した信号波形とその原因ついて説明する。
図7(a)は、理想的な信号波形を示している。この信号波形は、立ち上がり、電圧の安定状態、及び立ち下がりが、全て直線で描かれる矩形(台形)波となっている。
これに対し、図7(b)は、誘電損失の影響を受けた信号波形である。この信号波形は、誘電損失の影響を受け、矩形波のエッジ部分が丸くなっている。このような誘電損失が大きくなると、アイパターンの開口部分が狭くなり、信号伝送に支障をきたす。そこで、材料メーカーは、比誘電率(εr)の低い材料や、誘電損失(tanδ)の低い材料を開発し、半導体メーカーや基板メーカーは、そのような低誘電率・低誘電損失の材料を使用してきた。
しかし、誘電損失が少ないと、信号波形の挙動が顕著になり、リンギング(各伝送線路やコンポーネントの接続の際に発生するインピーダンス不整合による多重反射)や、オーバーシュート・アンダーシュートによるノイズが信号配線に発生しやすくなる。
図7(c)に誘電損失が少ない場合の信号波形を示す。信号の立ち上がり後にはオーバーシュート71が、信号の立下り後にはアンダーシュート72が発生している。オーバーシュート・アンダーシュートは、ドライバから出力される信号が立ち上がり・立ち下がりに定常的なハイ・ローレベルを瞬時的に上回る・下回るため発生する。このようなオーバーシュート・アンダーシュートによっても、信号波形は劣化し、信号伝送は正常にできなくなる。
また、電源においては、同時スイッチングノイズ等の問題がある。図8を参照して、同時スイッチングノイズについて説明する。
パッケージ81に収められたLSI82は、VDD及びVSSにより電源供給を受ける。LSI82含まれるドライバ83がスイッチングすると、破線矢印で示すように電流84が流れる。全てのドライバ83が同時にスイッチングすると、電流84−1〜84−Nが同時に流れる。即ち、このときVDDからVSSへ大電流が流れる。その結果、VDD,VSSに電位変動が生じノイズが発生する。これが同時スイッチングノイズである。このような問題の対処方法として、電源プレーンやグランドプレーンの面積を広げるという方法があるが、半導体装置の小型化に伴う高密度化のため、不可能になってきている。
図9に、小型高密度化が進められた半導体装置の電源−グランドプレーン形状の一例を示す。本例では、グランドプレーン91は長方形であるが、電源プレーン92−1,92−2は互いに分離されており、それぞれ複雑な形状をしている。このように、電源プレーン92−1,92−2が互いに分離されているのは、配線の高密度化によって、電源層上を信号配線やグランド配線を通過させる必要が生じたためである。電源プレーン92−2のように島状の電源プレーンでは、十分な電源容量を確保することができない。このため、電源プレーン92−2に接続された複数のドライバが同時に動作するとノイズも大きくなりやすい。このように、半導体装置の高速化に伴う小型高密度化によって、電源プレーン、グランドプレーンのための十分な面積を確保することや、パスコンを十分に設置することが出来なくなってきている。
また、特許文献1や2に記載されたものは、上述したSIやPIの改善が期待されるものであるが、これらは、いずれもベタプレーンといわれる電源プレーンに対して用いられるものであって、電源層上に信号配線が設けられている半導体装置にそのまま適用すると、信号の減衰を生じたり、電源プレーン−グランドプレーン間のノイズを十分に抑制することができないという問題点がある。
そこで本発明は、電源層やグランド層に電源プレーンやグランドプレーンのみならず信号配線が設けられている場合であっても、電源−グランド間の同時スイッチングを十分に抑制することができ、かつシグナルインテグリティ及びパワーインテグリティの要求を満たすことができる半導体装置を提供することを目的とする。
本発明によれば、誘電体層を挟んで互いに対向するよう配置されたグランドプレーン及び電源プレーンを有し、前記グランドプレーンのエッジと前記電源プレーンのエッジとが厚み方向に直交する方向に関して互いにずれている基板を備えた半導体装置において、前記誘電体層中であって前記厚み方向に直交する方向に関して前記グランドプレーンのエッジと前記電源プレーンのエッジとの間に周囲より高いtanδを持つ高誘電正接層を設け、かつ前記厚み方向に直交する方向に関して外側に位置する当該高誘電正接層のエッジを前記厚み方向に直交する方向に関して前記グランドプレーンのエッジと前記電源プレーンのエッジの間に位置させたことを特徴とする半導体装置が得られる。
前記半導体装置において、前記高誘電正接層のエッジは、前記厚み方向に直交する方向に関して内側に位置する前記グランドプレーンのエッジ又は前記電源プレーンのエッジから所定の距離以上離して設けることができる。例えば、前記所定の距離は、前記誘電体層の厚みをdとして0.8dとすることができる。また、前記所定の距離は、前記高誘電正接層のtanδが大きい程、大きくすることができる。
また、上記半導体装置において、前記高誘電正接層は、前記厚み方向に関して、当該厚み方向に直交する方向に関して内側に位置するエッジを持つ前記グランドプレーン又は前記電源プレーン寄りに設けられてよい。
さらに、上記半導体装置において、高誘電正接層のtanδは0.2以上とすることができる。
本発明によれば、誘電体層を挟んで互いに対向するよう配置されたグランドプレーン及び電源プレーンを有し、前記グランドプレーンのエッジと前記電源プレーンのエッジとが厚み方向に直交する方向に関して互いにずれている基板を備えた半導体装置において、前記誘電体層中であって前記厚み方向に直交する方向に関して前記グランドプレーンのエッジと前記電源プレーンのエッジとの間に周囲より高いtanδを持つ高誘電正接層を設け、かつ前記厚み方向に直交する方向に関して外側に位置する当該高誘電正接層のエッジを前記厚み方向に直交する方向に関して前記グランドプレーンのエッジと前記電源プレーンのエッジの間に位置させたことで、電源層やグランド層に信号配線が存在しても、その信号配線上を伝播する信号を減衰させることなく、同時スイッチングノイズを効率的に抑制することができ、シグナルインテグリティ及びパワーインテグリティの要求を満たすことができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施の形態に係る半導体装置に用いられる基板10の構成を示す部分断面図である。
図1において、電源プレーン(電源層)11とグランドプレーン(Gnd層)12は、誘電体層13を間に挟んで互いに対向するように配置されている。電源プレーン11とグランドプレーン12は、例えばCu(銅)からなり、その表面は夫々ソルダーレジスト14,15により覆われている。
グランドプレーン12の平面形状(図の上側から見た形状)は、例えば、長方形である。また、電源プレーン11の形状は、グランドプレーン12とは異なり、スリット等が形成された複雑な形状や島状の形状である。このため、電源プレーン11のエッジは、厚み方向に直交する方向(図の左右方向)に関して、グランドプレーン12のエッジよりも内側(図の左側)に位置している。
誘電体層13は、高誘電正接層(高tanδ層)13−1の上下を通常誘電正接層(通常tanδ)13−2及び13−3で挟んだ三層構造である。なお、高誘電正接層13−1の表面が絶縁性を示すならば、通常誘電正接層13−3は必ずしも必要ではない。
通常誘電正接層13−2,13−3は、公知のプリント基板材、例えば、FR4(tanδ=0.02〜0.03程度)からなる。その厚みは、例えば、数μm〜数十μmである。
高誘電正接層13−1は、フェノール樹脂(tanδ=0.05〜0.1程度)やポリ塩化ビニル樹脂などの有機系樹脂に、金属粒子又はカーボン等を混合して得た複合材料からなる。この複合材料は、その組成を調整することによりtanδを変更することができ、ここでは、tanδ≧0.2としている。又、その厚みは、数nm〜数十nmであって、通常誘電正接層13−2,13−3に比べて極めて薄い。
また、高誘電正接層13−1として、信越ポリマー社製のSPINPEDA(登録商標)を用いてもよい。SPINPEDAは、ポリイミドフィルム等の基体表面に結合層を介してノイズ抑制層(厚さ20nm程度の磁性体金属層)を形成したものである。SPINPEDAは、隣接する信号線の伝送損失を高い周波数で急激に増大(S21を減衰)させる特性を持つ。
高誘電正接層13−1は、厚み方向に直交する方向(図の左右方向)に関して少なくともその一部が電源プレーン11のエッジとグランドプレーン12のエッジとの間に位置するように設けられる。厚み方向に直交する方向に関してエッジが内側(図の右側)に位置している電源プレーン11またはグランドプレーン12(本実施の形態では電源プレーン11)の真下に位置する部分については、要求される特性の応じて設けられればよく、設けられない場合もある。また、高誘電正接層13−1は、厚み方向に直交する方向に関して外側(図の左側)に位置するエッジが、厚み方向に直交する方向(図の左右方向)に関して、電源プレーン11のエッジとグランドプレーン12のエッジとの間に位置するように設けられる。以下では、電源プレーン11のエッジから高誘電正接層13−1のエッジまでの距離(厚み方向に直交する方向に関する距離)をサイドスペースと呼ぶ。サイドスペースは、後述するように、誘電体層13の厚みdに応じて、d×W以上となるように設定される。
また、高誘電正接層13−1の厚み方向(図の上下方向)の位置は、電源プレーン11とグランドプレーン12のうち、厚み方向に直交する方向(図の左右方向)に関してエッジが内側(図の右側)に位置している電源プレーンまたはグランドプレーン寄りとしてある。本実施の形態では、電源プレーン11のエッジがグランドプレーン12のエッジよりも内側に位置しているので、高誘電正接層13−1は電源プレーン11寄りに設けられている。高誘電正接層13−1を電源プレーン及びグランドプレーンのいずれか一方に寄せて位置させるために、任意の厚みの通常誘電正接層13−2,13−3を用いることができる。しかしながら、費用対効果の観点から厚みの異なる市販の誘電体フィルムを組み合わせてもよい。
図2(a)及び(b)に、サイドスペースがない場合とある場合について、電源プレートの伝送損失(S21)を電磁界シミュレーションにより求めた結果を示す。ここでは、誘電体層13が、高誘電正接層13−1と通常誘電正接層13−2とからなり、通常誘電正接層13−3はないものとした。
シミュレーションに用いたモデルは、電源プレーン11及びグランドプレーン12をともに銅(導電率=5.8×10(S/m)、透磁率=1(H/m))とした。また、電源プレーン11のサイズ=1mm×0.2mm×0.02mm(縦×横×高さ)とし、グランドプレーン12のサイズ=1mm×1mm×0.02mm(縦×横×高さ)とした。通常誘電正接層13−2は、サイズ=1mm×1mm×0.05mm(縦×横×高さ)、誘電率=3.4、tanδ=0.02、であるとした。また、高誘電正接層13−1は、サイズ=1mm×0.2mm×0.05mm(縦×横×高さ),1mm×0.24mm×0.05mm(縦×横×高さ)、誘電率=3.4、tanδ=0.02,0.2,10、であるとした。シミュレータとして、ANSOFT社製の高周波3次元電磁界シミュレータHFSSを使用し、解析周波数範囲=50MHz〜10GHz、として解析を行った。
図2(a)及び(b)から容易に理解されるように、高誘電正接層13−1のtanδが大きいほどノイズ抑制効果は大きい。また、図2(a)と(b)との比較から明らかなように、サイドスペースがない場合に比べサイドスペースがある場合のほうが、ノイズ抑制効果は大きい。これは、サイドスペースがあるほうが、電源プレーン11とグランドプレーン12との間に発生する電気力線がより多く高誘電正接層13−1を通過するからである。また、図2(a)と(b)との比較から、サイドスペースの存在により所望のノイズ抑制効果が得られる場合には、必ずしも電源プレーン11の真下に高誘電正接層13−1を設けなくともよいことが分かる。
図3に、サイドスペースの幅と電源プレートの伝送損失(S21)との関係を電磁界シミュレーションにより求めた結果を示す。なお、電源プレートを伝播する信号の周波数は10GHzとした。
図3から明らかなように、サイドスペースの幅が特定の値(ここでは40μm)に達するまでは、サイドスペースの幅の増加に伴ってノイズ抑制効果は増大(S21が低下)する。しかし、サイドスペースの値が特定の値を超えるとノイズ抑制効果は略一定となる。したがって、高誘電正接層13−1を設けたことによるノイズ抑制効果を最大限に発揮させるためには、サイドスペースを特定の値以上とする必要がある。
誘電体層の厚みdに対するサイドスペースの割合Wと、高誘電正接層13−2のtanδとの関係を図4に示す。なお、サイドスペースd×Wは、ノイズ抑制効果の飽和する値(上記特定の値、tanδに依存する値)とする。また、通常誘電正接層13−2のtanδを0.02とする。
図4から明らかなように、高誘電正接層13−1のtanδが大きくなるほどサイドスペースの割合Wが大きくなる。即ち、高誘電正接層13−1としてより高いtanδを持つ材料を使用するほど、サイドスペースd×Wを大きくする必要がある。例えば、通常誘電正接層13−2のtanδが0.02のとき、高誘電正接層13−2のtanδが0.2,1,10及び50であるならば、サイドスペースの割合Wは、夫々0.8、1.2,2及び4となる。
図5(a)は、誘電体層13に通常誘電正接層(FR4、tanδ=0.02)13−2のみを用い、電源プレーン11及びグランドプレーン12に接続されたドライバ(図示せず)を動作周波数1GHzで駆動した場合に発生する電源−グランド間ノイズ(電圧)の波形の時間変化を示すグラフである。
図5(b)は、図5(a)に示す電圧変化の波形をフーリエ変換し、周波数成分に変換したものである。図5(b)から分かるように、ノイズは、主として、動作周波数である1GHzとその高調波成分からなり、特に破線で示すように5GHz近傍での成分が多い。
図5(c)は、図1に示した構成の基板10を用い、電源プレーン11及びグランドプレーン12に接続されたドライバ(図示せず)を動作周波数1GHzで駆動した場合に発生する電源−グランド間ノイズ(電圧)の周波数成分を示すグラフである。図5(c)と図5(b)とを比較すると明らかなように、誘電体層13に高誘電正接層13−1を有する本実施の形態の基板10を用いた場合には、ノイズが抑制されている。特に、動作周波数の高長波である5GHzの成分の減少が顕著である。
図5(d)は、図5(c)のグラフを逆フーリエ変換することにより得た、ノイズの時間変化を示すグラフである。図5(d)と図5(a)とを比較すると、電源−グランド間ノイズの電圧振幅が小さくなっており、ノイズが低減されていることが分かる。これは、誘電体層13に設けられた高誘電正接層13−1の働きにより、電源プレーン11での伝送損失が大きく(S21が小さく)なり、デバイスの高速動作時に発生した高周波のノイズ成分が熱等に変換されたためである。これらのノイズ低減効果は、伝送損失が大きければ(S21が小さければ)同様の傾向が現れるため、高誘電正接層13−1として、SPINPEDAを用いた場合にも同様に得ることができる。
以上の説明から明らかなように、電源プレーンに流れる電流ノイズは、比較的低い周波数成分から高い周波数成分まで(同時スイッチングノイズからその高調波まで)広い範囲にわたり、周波数が高くなるほど大きくなる傾向がある。一方、電源プレーン−グランドプレーン間に設けた高誘電正接層13−1によって生じる伝送損失は、高周波ほど増加(S21は減少)する(図2参照)。これにより、基板10を用いた本実施の形態に係る半導体装置では、低周波から高周波までノイズを効果的に低減することができる(図5(d)参照。)。
高誘電正接層13−1は、電源プレーンのエッジより所定値以上はなれた位置にエッジを有していればよく、全面に形成する必要がない。したがって、電源層に設けられた信号配線を高誘電正接層13−1から離れた位置に設けるようにすることで、信号配線を伝播する信号の減衰を防止することができる。
図6に、図1の基板10を用いた半導体装置の一例を示す。図示のように、基板10には半田ボール61や、引き出し線62が設けられている。半導体チップ63は、例えばエラストマー64により基板10に接着固定される。また、半導体チップ63に形成されているAlパッド65は、引き出し線62に接続される。
図5には、電源プレーン11と信号配線層とが同一の層に形成されており、その信号配線が半導体チップ63のAlパッド65に接続されている状態が示されている。電源プレーン11及びグランドプレーン12は、信号配線層と同様に、図示しない引き出し線により半導体チップ63の別のAlパッドに夫々接続される。
以上、本発明について一実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、高誘電正接層を用いたが、それと同様の効果、即ち半導体装置の動作周波数からそれより高い周波数帯域にかけて伝送損失が増大(S21が減少)するもの(ノイズ低減効果を示すもの)であればよい。
また、電源プレーンとグランドプレーンとはそれぞれ様々な形状となりえるため、一方のプレーンのエッジ全てが他方のプレーンのエッジよりも内側に位置するとは限らない。即ち、一方のプレーンのエッジの一部が他方のプレーンのエッジよりも内側に位置し、残りの一部が外側に位置することがある。そのような場合には、エッジが内側に位置している割合が多いほうのプレーンの外側に高誘電正接層13−1のエッジが位置するように高誘電正接層を設ければよい。例えば、電源プレーン11とグランドプレーン12とが図10に示すような位置関係にある場合には、少なくとも電源プレート11のエッジが内側に位置している領域において高誘電正接層13−1のエッジが外側に位置するように、高誘電正接層13−1を設ければよい。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置に用いられる基板の構成を示す断面図である。 (a)と(b)は、図1の基板の高誘電正接層にサイドスペースがない場合とある場合の、電源プレートの伝送損失(S21)を電磁界シミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。 図1の基板における高誘電正接層のサイドスペースの幅と電源プレートの伝送損失(S21)との関係を電磁外シミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。 図1の基板における誘電体層の厚みdに対するサイドスペースの割合Wと、高誘電正接層のtanδとの関係を示すグラフである。 (a)は、電源−グランドプレーン間に通常の誘電体層を配し、ドライバを動作周波数1GHzで駆動した場合に発生する電源−グランドプレーン間ノイズの時間変化を示す波形図であり、(b)は、(a)をフーリエ変換して得たグラフであり、(c)は、図1の基板を用い、ドライバを動作周波数1GHzで駆動した場合に発生する電源−グランドプレーン間ノイズの周波数成分を示すグラフであり、(d)は、(c)を逆フーリエ変換して得た波形図である。 図1の基板を用いた半導体装置の一構成例を示す部分断面図である。 (a)は、理想的な信号波形を示す波形図であり、(b)は、誘電体層の誘電損失の影響を受けた信号波形を示す波形図であり、(c)は、誘電体の誘電損失が無い場合の信号波形を示す波形図である。 同時スイッチングノイズを説明するための回路図である。 グランドプレーン及び電源プレーンの形状を説明するための平面図である。 電源プレーンのエッジの一部がグランドプレーンのエッジよりも外側に位置する場合の高誘電正接層の配置の一例を示す図である。
符号の説明
10 基板
11 電源プレーン
12 グランドプレーン
13 誘電体層
13−1 高誘電正接層
13−2,13−3 通常誘電正接層
14,15 ソルダーレジスト
61 半田ボール
62 引き出し線
63 半導体チップ
64 エラストマー
65 Alパッド
71 オーバーシュート
72 アンダーシュート

Claims (6)

  1. 誘電体層を挟んで互いに対向するよう配置されたグランドプレーン及び電源プレーンを有し、前記グランドプレーンのエッジと前記電源プレーンのエッジとが厚み方向に直交する方向に関して互いにずれている基板を備えた半導体装置において、
    前記誘電体層中であって前記厚み方向に直交する方向に関して前記グランドプレーンのエッジと前記電源プレーンのエッジとの間に周囲より高いtanδを持つ高誘電正接層を設け、かつ前記厚み方向に直交する方向に関して外側に位置する当該高誘電正接層のエッジを前記厚み方向に直交する方向に関して前記グランドプレーンのエッジと前記電源プレーンのエッジの間に位置させたことを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記高誘電正接層のエッジを、前記厚み方向に直交する方向に関して内側に位置する前記グランドプレーンのエッジ又は前記電源プレーンのエッジから所定の距離以上離したことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項2に記載の半導体装置において、
    前記所定の距離を、前記誘電体層の厚みをdとして0.8dとしたことを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項2に記載の半導体装置において、
    前記所定の距離を、前記高誘電正接層のtanδが大きい程、大きくしたことを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれか一つに記載の半導体装置において、
    前記高誘電正接層が、前記厚み方向に関して、当該厚み方向に直交する方向に関して内側に位置するエッジを持つ前記グランドプレーン又は前記電源プレーン寄りに設けられていることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項1乃至5のいずれか一つに記載の半導体装置において、
    高誘電正接層のtanδが0.2以上であることを特徴とする半導体装置。
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