JP2009076815A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】容量から半導体チップへの電圧供給の応答速度を向上させることができる半導体装置を提供すること。
【解決手段】本発明にかかる半導体装置は、絶縁基板1と、絶縁基板1上に形成される半導体チップ2と、絶縁基板1上に形成され、半導体チップ2にグランド電位を与える第1のパッド3と、絶縁基板1上に形成され、半導体チップ2に電源電圧を供給する第2のパッド4と、第1のパッド3及び第2のパッド4の間に形成され、当該第1のパッド3及び第2のパッド4と供に容量を形成する誘電体膜5と、絶縁基板1裏面に形成され、絶縁基板1に形成されたスルーホール1aを介してそれぞれ第1のパッド3及び第2のパッド4と外部機器とを電気的に接続する半田ボール8とを有する。
【選択図】図1
【解決手段】本発明にかかる半導体装置は、絶縁基板1と、絶縁基板1上に形成される半導体チップ2と、絶縁基板1上に形成され、半導体チップ2にグランド電位を与える第1のパッド3と、絶縁基板1上に形成され、半導体チップ2に電源電圧を供給する第2のパッド4と、第1のパッド3及び第2のパッド4の間に形成され、当該第1のパッド3及び第2のパッド4と供に容量を形成する誘電体膜5と、絶縁基板1裏面に形成され、絶縁基板1に形成されたスルーホール1aを介してそれぞれ第1のパッド3及び第2のパッド4と外部機器とを電気的に接続する半田ボール8とを有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、デカップリングコンデンサを有する半導体装置に関し、特に、基板裏面に外部機器と接続される半田ボールを有するBGA(Ball Grid Array)型の半導体装置に関する。
高速動作が必要とされる半導体チップを有する半導体装置等において、大電流が必要となる場合がある。この場合、大電流の供給により、電源電圧の電圧降下が発生する。このような電圧降下が発生すると、半導体装置の動作性能が低下する。そこで、電源電圧の急激な変動を防止するために、例えばデカップリングコンデンサが形成される。デカップリングコンデンサは、電荷を蓄積して電源電圧からの電力供給を補助する。これにより、電源電圧の電圧降下を抑制する。
デカップリングコンデンサが形成された半導体装置の例を図7及び図8に示す。図7に示す半導体装置は、多層の基板91上に半導体チップ92が形成されている。基板91上には複数のグランドパッド93a、電源パッド93b、及び信号を入出力する信号パッド93cが形成されている。グランドパッド93aは、基板91に形成されたスルーホール91aを介して基板91裏面の半田ボール94に接続されている。そして、半田ボール94に接続されたグランド電圧供給部(図示せず)からグランドパッド93aにグランド電圧が供給される。また、電源パッド93bは、基板91に形成されたスルーホール91aを介して基板91裏面の半田ボール94に接続されている。そして、半田ボール94に接続された電源電圧供給部(図示せず)から電源パッド93bに電源電圧が供給される。また、デカップリングコンデンサ95となる容量部品が基板91裏面に形成されている。この容量部品は、対向する電極の間に誘電体膜が形成されたものである。ここで、容量部品から半導体チップ92への電流供給経路を二点破線及び破線で示す。そして、グランドパッド93a及び電源パッド93bと半導体チップ92とはボンディングワイヤー96で接続されている。さらに、ボンディングワイヤー96の断線等を防止するためのモールド樹脂97が形成されている。
図7に示す半導体装置は、デカップリングコンデンサ95として、容量部品が基板裏面に形成されている。このため、半導体チップ92とデカップリングコンデンサ95との距離が遠い。半導体チップ92とデカップリングコンデンサ95との距離が遠い場合、デカップリングコンデンサ95から半導体チップ92に電圧を供給する際の、電圧供給の応答速度が遅い。また、基板裏面にデカップリングコンデンサが形成される場合であって、基板裏面に形成される半田ボール94が十分な高さを有していない場合、デカップリングコンデンサ95の厚みによって基板91が傾く場合がある。また、図8に示す半導体装置は、多層の基板91内にデカップリングコンデンサ95となる容量部品が形成されている。この場合、図7に示す半導体装置と比較して、半導体チップ92と容量部品との距離は近い。しかしながら、容量部品から半導体チップ92への電圧供給の応答速度が十分な速さを有さない。また、多層の基板を用いて半導体装置を形成する必要がある。
そこで、特許文献1に、半導体チップが形成されている側と同じ基板上に、デカップリングコンデンサとなる容量部品を形成した半導体装置が記載されている。この容量部品は、基板上に形成された金属膜上に形成されている。金属膜は、ワイヤーを介して半導体装置の外部と接続されるリードフレームに接続されている。リードフレームは、ワイヤーを介して半導体チップに接続されている。この半導体装置は、基板上に容量部品が形成されているため、図8に示す半導体装置と比較して半導体チップと容量部品との物理的な距離が近い。これにより、容量部品から半導体チップへの応答速度を向上させることができる。また、特許文献1には、さらに、対向する電極の間に誘電体膜が形成された容量部品ではなく、基板上に形成される電極及び誘電膜から容量を形成する半導体装置が記載されている。
特許文献1に記載の電極及び誘電体膜から容量が形成された半導体装置は、基板上に接地層となる第1金属膜が形成されている。この第1金属膜上に誘電層が形成されており、誘電層上に電源層となる第2金属膜が形成されている。第2金属膜は、ワイヤーを介して、外部機器と接続されるリードフレームに接続され、リードフレームはワイヤーを介して半導体チップに接続されている。そして、第1金属膜、誘電層、及び第2金属膜により容量が形成されている。
特開平7−297316号公報
しかしながら、特許文献1に記載の基板上に容量部品が形成された半導体装置は、デカップリングコンデンサとして容量部品を形成しているため、容量部品の形状に合わせた半導体装置のレイアウト設計を行う必要がある。このため、半導体装置の製造が煩雑である。また、特許文献1に記載の電極及び誘電体膜から容量を形成する半導体装置は、容量の一方の電極として所定の面積を有する第2金属膜を形成している。このため、容量の一方の電極となる第2金属膜と半導体チップとが、複数のワイヤー及びリードフレームを介して接続されている。このため、半導体チップと容量との電気的な距離が遠く、容量から半導体チップへの電圧供給の応答速度が遅いという問題点がある。なお、リードフレームと第2金属膜とを接続するワイヤー及び第2金属膜を除去し、リードフレームを容量の一方の電極として、容量の一方の電極であるリードフレームと半導体チップとを接続することが考えられる。しかしこの場合、非常に細く、面積が小さいリードフレームが容量の一方の電極となるため、大きな容量値を有する容量を形成することが困難である。
上述した課題を解決するために、本発明に係る半導体装置は、絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成される半導体チップと、前記絶縁基板上に形成され、前記半導体チップにグランド電位を与える第1のパッドと、前記絶縁基板上に形成され、前記半導体チップに電源電圧を供給する第2のパッドと、前記第1のパッド及び前記第2のパッドの間に形成され、当該第1のパッド及び第2のパッドと供に容量を形成する誘電体膜と、前記絶縁基板裏面に形成され、前記絶縁基板に形成されたスルーホールを介してそれぞれ前記第1のパッド及び前記第2のパッドと外部機器とを電気的に接続する半田ボールとを有することを特徴とする。
本発明においては、基板上に形成される第1のパッド、第2のパッド、並びに、第1のパッド及び第2のパッドの間に形成された誘電体膜によって容量を構成するため、半導体チップの近傍に容量を形成することができ、半導体チップと容量との電気的な距離を短くすることができる。
本発明に係る半導体装置によれば、容量から半導体チップへの電圧供給の応答速度を向上させることができる。
実施の形態1.
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、半導体装置と外部機器との接続のために基板裏面に複数の半田ボールが形成されたBGA型の半導体装置に適用したものである。図1に本実施の形態にかかる半導体装置の断面図を示す。なお、図1は、後述する図4のI−I線における断面図である。
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、半導体装置と外部機器との接続のために基板裏面に複数の半田ボールが形成されたBGA型の半導体装置に適用したものである。図1に本実施の形態にかかる半導体装置の断面図を示す。なお、図1は、後述する図4のI−I線における断面図である。
図1に示すように、本実施の形態にかかる半導体装置は、絶縁性の基板1を有する。基板1上に、半導体チップ2、第1のパッド3、第2のパッド4、誘電体膜5、及び第3のパッドである信号パッド6が形成されている。また、第2のパッド4上及び誘電体膜5上に電極7が形成されている。さらに、基板1裏面に半田ボール8が形成されている。そして、半導体チップ2と、第1のパッド3、第2のパッド4上に形成された電極7、及び信号パッド6とが、それぞれボンディングワイヤー9を介して接続されている。さらに、ボンディングワイヤー9の断線等を防止するために、基板1上に形成された半導体チップ2及びボンディングワイヤー9等を覆うモールド樹脂10が形成されている。
次に、本実施の形態にかかる半導体装置についてより詳細に説明する。基板1には、複数のスルーホール1aが形成されている。スルーホール1aを介して、基板1上に形成された第1のパッド3、第2のパッド4、及び信号パッド6と、基板裏面に形成された半田ボール8とが接続される。第1のパッド3は、スルーホール1a上に形成され、グランド電位に設定されるグランドパッドである。そして、半導体チップ2にグランド電位を与える。また、第2のパッド4は、スルーホール1a上に形成され、半導体チップ2に電源電圧を供給する電源パッドである。この第1のパッド3と第2のパッド4との間に誘電体膜5が形成されている。さらに、本実施の形態では、第1のパッド3及び第2のパッド4の一部を覆うように誘電体膜5が形成されている。そして、第2のパッド4及び誘電体膜5上に電極7が形成されている。すなわち、電極7は、第2のパッド4と接続され、第1のパッド3と一部がオーバーラップするように当該第1のパッド3の上方に配置されている。ここでは、電極7は第2のパッド4と接続され、第1のパッド3とオーバーラップするように配置したが、第1のパッド3と接続され、第2のパッド4とオーバーラップするように配置してもよい。この第1のパッド3と、第2のパッド4及び電極7と、誘電体膜5とにより、容量が構成されている。すなわち、第2のパッド4及び電極7が容量の一方の電極として機能し、第1のパッド3が他方の電極として機能する。信号パッド6は、スルーホール1a上に形成され、半導体チップ2が有する信号端子と接続される。そして、半導体チップ2と半導体装置の外部に接続される外部機器等間の信号は、信号パッド6を介して送受信される。半田ボール8は、グランド電位を与えるグランド電圧供給部(図示せず)及び電源電圧を供給する電源電圧部(図示せず)に接続される。そして、グランド電圧供給部から供給されるグランド電圧を、スルーホール1aを介して第1のパッド3に供給する。また、電源電圧供給部から供給される電源電圧を、スルーホール1aを介して第2のパッド4に供給する。すなわち、半田ボール8は、基板1に形成されたスルーホール1aを介して第1のパッド3及び第2のパッド4と外部機器とを電気的に接続する。
本実施の形態では、より大きな容量値を有する容量を形成するために、誘電体膜5は、第1のパッド3及び第2のパッド4の一部を覆うように形成する。第1のパッド3及び第2のパッド4上に形成される誘電体膜5は、容量値を大きくするために、より薄い方が好ましい。また、例えば、第2のパッド4上及び誘電体膜5上に電極7を形成する。すなわち、電極7及び第2のパッド4を容量の一方の電極とする。そして、第1のパッド3と、第2のパッド4及び電極7と、誘電体膜5とにより容量を構成する。また、容量の一方の電極となる電極7及び第1のパッド3と半導体チップ2とをボンディングワイヤー9によって接続する。すなわち、半導体チップ2の近傍に形成される第1のパッド3と、第2のパッド4及び電極7と、誘電体膜5とにより容量を形成するため、半導体チップ2の近傍に容量を形成することができる。これにより、半導体チップ2と容量との電気的な距離を近くすることができ、容量から半導体チップ2への電圧供給の応答速度を向上させることができる。また、半導体チップ2と容量との間のボンディングワイヤーの配線長を短くすることができるため、接続抵抗及びインダクタンスを低減することができ、ノイズの発生を低減することができる。特許文献1の場合、半導体チップから容量部までは、ワイヤーリードフレーム及びワイヤーを介している。一方、本発明においては、半導体チップと容量部との間の接続はワイヤーのみで実現可能である。このため、半導体装置のサイズにも依存するため一概には言えないが、半導体チップと容量部との物理的な距離を1/5程度に抑えることができる。これは、抵抗では数100mΩ程度のものが、100mΩ程度に、インダクタンスでは10nH(ナノヘンリー)程度のものが、1〜2nH程度に抑えることができるということである。さらに、本実施の形態では、第1のパッド3及び第2のパッド4上に形成される誘電体膜5を薄く形成することにより、より大きな容量値を有する容量を形成することができる。本実施の形態では、第2のパッド4上及び誘電体膜5上に形成される電極7を容量の一方の電極とし、第1のパッド3と、第2のパッド4及び電極7と、誘電体膜5とで容量を形成したが、第1のパッド3上及び誘電体膜5上に電極7を形成し、第1のパッド3及び電極7と、第2のパッド4と、誘電体膜5とで容量を形成してもよい。
ここで、図2乃至図5に、本実施の形態にかかる半導体装置の平面図を示し、その製造方法を簡単に説明する。まず、図2に示すように、基板1上に第1のパッド3、第2のパッド4、及び信号パッド6を形成する。第1のパッド3及び第2のパッド4はそれぞれ複数形成してもよい。この場合、信号パッド6は基板1の周縁部に配置され、基板1上において当該信号パッド6の内縁部に少なくとも第1のパッド3及び第2のパッド4のそれぞれ1つが配置されていればよく、さらに、基板1上において信号パッド6の外側にも第1のパッド3及び第2のパッド4を配置してもよい。次に、図3に示すように、第1のパッド3及び第2のパッド4の一部を覆うように誘電体膜5を形成する。そして、図4に示すように、誘電体膜5及び第2のパッド4上に電極7を形成する。また、基板1上の所望に位置に半導体チップ2を形成する。半導体チップ2は、例えば、基板1とボンディングワイヤを用いて接続する。または、バンプを用いてフリップチップ接続する。そして、半導体チップ2と、第1のパッド3、電極7、及び信号パッド6とをそれぞれボンディングワイヤー9で接続する。この後、モールド樹脂10(図示せず)を形成する。
ここで、図5に、図4に示す半導体装置であって、電極7の形成領域を明示した図を示す。図5では、電極7の形成領域を点線で示す。図5に示すように、誘電体膜5及び第2のパッド4上に電極7を形成する。図4に戻って、モールド樹脂10(図示せず)を形成した後、基板1裏面に半田ボール8を形成する。ここで、図6に本実施の形態にかかる基板の裏面の平面図を示す。図6に示すように、基板1は複数のスルーホール1aを有し、それぞれスルーホール1a上に形成される第1のパッド3、第2のパッド4、及び信号パッド6と接続される半田ボール8を基板1裏面に形成する。以上により、半導体装置を形成する。
本実施の形態では、第1のパッド2と、電極7及び第2のパッド4と、誘電体膜5とで容量を形成する。この容量はデカップリングコンデンサとして機能する。すなわち、半導体チップ2の近傍に形成される第1のパッド3、並びに第2のパッド4及び電極7をそれぞれ容量の一方の電極とする。このため、半導体チップ2の近傍にデカップリングコンデンサとなる容量を形成することができ、容量と半導体チップ2との電気的な距離を近くすることができる。このため、容量から半導体チップ2への電圧供給の応答速度を向上させることができる。また、半導体チップ2と容量との間のボンディングワイヤーの配線長を短くすることができるため、接続抵抗及びインダクタンスを低減することができ、ノイズを低減することができる。
なお、本実施の形態では、基板1上に形成されている第1のパッド3及び第2のパッド4の一部を覆うように誘電体膜5を形成したが、例えば、誘電体膜5は、第1のパッド3と第2のパッド4との間にのみ形成してもよい。第1のパッド3と第2のパッド4との間にのみ誘電体膜5を形成する場合、誘電体膜5の形成領域は小さいため、第1のパッド3、第2のパッド4、及び誘電体膜5からなる容量の容量値が小さくなることが考えられる。しかしながら、近年、高誘電率を有する誘電体膜の開発が進められており、高誘電率を有する誘電体膜を、容量を構成する誘電体膜として使用する場合、誘電体膜の形成領域が小さい場合でも大きな容量値を有する容量を構成することができる。したがって、誘電体膜5は第1のパッド3と第2のパッド4との間にのみ形成してもよい。
また、本実施の形態にかかる半導体装置の第1のパッド3及び第2のパッド4等は基板1に形成された複数のスルーホール1aを介して半田ボール8に接続される。この半田ボール8は基板1裏面の全面に密に形成することができる。このため、半導体チップ2と、半導体装置の外部機器との間の信号の送受信において大量のデータの送受信が可能である。さらに、本実施の形態にかかる半導体装置は、容量部品を搭載しないため、容量部品を搭載するためのスペースを考慮した基板のレイアウト設計が不要である。また、容量部品を搭載する際に、予め半田を塗布し、当該半田上に容量部品を形成するリフロー工程が不要である。そして、基板1上に容量を構成する第1のパッド3、第2のパッド4、及び誘電体膜5を形成するため、基板1内に容量部品を形成する場合と比較して、容量値を柔軟に変更することができる。
なお、本発明は上述した実施の形態のみ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において種々の変更が可能であることは勿論である。例えば、誘電体膜5は、誘電率の異なる複数の誘電体膜を用いて容量値が異なる複数の容量を形成してもよい。さらに、本実施の形態にかかる半導体装置は基板1上と基板1裏面にパッド等が形成される2層の基板を用いたが、基板内に複数の配線層等が形成される多層基板を用いてもよい。また、本実施の形態では第1のパッドをグランド電圧が供給されるグランドパッドとし、第2のパッド4を電源電圧が供給される電源パッドとしたが、第1のパッド3を電源パッドとし、第2のパッド4をグランドパッドとしてもよい。
1 基板
2、92 半導体チップ
3 第1のパッド
4 第2のパッド
5 誘電体膜
6 信号パッド
7 電極
8、94 半田ボール
9、96 ボンディングワイヤー
10 モールド樹脂
91 基板
93a グランドパッド
93b 電源パッド
93c 信号パッド
95 デカップリングコンデンサ
2、92 半導体チップ
3 第1のパッド
4 第2のパッド
5 誘電体膜
6 信号パッド
7 電極
8、94 半田ボール
9、96 ボンディングワイヤー
10 モールド樹脂
91 基板
93a グランドパッド
93b 電源パッド
93c 信号パッド
95 デカップリングコンデンサ
Claims (6)
- 絶縁基板と、
前記絶縁基板上に形成される半導体チップと、
前記絶縁基板上に形成され、前記半導体チップにグランド電位を与える第1のパッドと、
前記絶縁基板上に形成され、前記半導体チップに電源電圧を供給する第2のパッドと、
前記第1のパッド及び前記第2のパッドの間に形成され、当該第1のパッド及び第2のパッドと供に容量を形成する誘電体膜と、
前記絶縁基板裏面に形成され、前記絶縁基板に形成されたスルーホールを介してそれぞれ前記第1のパッド及び前記第2のパッドと外部機器とを電気的に接続する半田ボールとを有する半導体装置。 - 前記誘電体膜を覆い、かつ前記第1のパッド又は前記第2のパッドのいずれか一方上に形成される電極をさらに有し、
前記電極が形成された第1のパッド又は第2のパッドと前記電極とを、前記容量の一方の電極とする
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 前記誘電体膜は、前記第1のパッド及び/又は前記第2のパッドの一部を覆うように形成され、
前記第1のパッド又は前記第2のパッドのいずれか一方のパッド上、及び前記誘電体膜上に形成される電極をさらに有し、
前記電極が形成されたパッド及び前記電極と、前記誘電体膜と、前記電極が形成されていないパッドとにより容量を形成する
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 前記絶縁基板は、当該絶縁基板内に複数の配線層を有する多層基板である
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の半導体装置。 - 前記第1のパッド又は前記第2のパッドのいずれか一方のパッドと接続され、他方のパッドと一部がオーバーラップするようにその上方に配置される電極をさらに備え、
前記第1のパッドと、前記第2のパッドと、前記誘電体膜と、前記電極とで容量を形成する
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 前記第1のパッド及び前記第2のパッドを複数備え、前記半導体チップが有する信号端子と接続するための第3のパッドをさらに備え、
前記第3のパッドは、前記絶縁基板の周縁部に配置され、
前記第1のパッド及び前記第2のパッドのそれぞれの少なくとも1つは前記絶縁基板の内縁部に配置される
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
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