JP2009206230A - Stacked semiconductor package - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体チップが実装された複数の半導体パッケージを3次元的に複数積層した積層型半導体パッケージに関するものである。 The present invention relates to a stacked semiconductor package in which a plurality of semiconductor packages on which semiconductor chips are mounted are three-dimensionally stacked.
近年、電子機器の高性能化がますます進んでおり、これに対応して、使用される電気回路の規模は益々増大してきている。そこで電気回路の高密度化を実現するために、半導体パッケージを3次元的に積層配置した積層型半導体パッケージが使用されるようになっている。 In recent years, the performance of electronic devices has been increasing, and the scale of electric circuits used has been increasing more and more accordingly. Therefore, in order to realize a high density electric circuit, a stacked semiconductor package in which semiconductor packages are three-dimensionally stacked is used.
3次元配置の積層型半導体パッケージの構造としては、POP(Package on Package)構造などが知られている。POP構造はパッケージとパッケージとを、はんだボールなどを介して上下に複数枚積層した構造となっており、一つのパッケージを実装するスペースにおいて複数のパッケージを実装することができる。この結果限られたスペースで高密度な実装を行なうことが可能となる。 As a structure of a three-dimensionally arranged stacked semiconductor package, a POP (Package on Package) structure or the like is known. The POP structure has a structure in which a plurality of packages are stacked one above the other through solder balls, and a plurality of packages can be mounted in a space for mounting one package. As a result, high-density mounting can be performed in a limited space.
半導体パッケージは、信号を伝達するためのシグナル線路と、電源およびグランド電位を供給するための電源経路およびグランド経路とを有している。電源経路およびグランド経路は、通常パッケージ内に形成した電極プレーンを用い、パッケージ外部からの電源電位およびグランド電位をチップ部品に供給する役割を果たしている。 The semiconductor package has a signal line for transmitting a signal, and a power supply path and a ground path for supplying a power supply and a ground potential. The power supply path and the ground path normally use an electrode plane formed in the package, and serve to supply a power supply potential and a ground potential from the outside of the package to the chip component.
この電源経路およびグランド経路はインダクタンス成分を持っており、このインダクタンス成分が増大したり変動が激しかったりする場合、半導体素子のスイッチング動作に伴うスイッチングノイズが大きくなり、信号伝送が行われるシグナル線路に影響を及ぼす。そして、シグナル線路における高速伝送の妨害になってしまう。 The power supply path and ground path have an inductance component. If the inductance component increases or the fluctuation is severe, the switching noise associated with the switching operation of the semiconductor element increases, affecting the signal line on which signal transmission is performed. Effect. And it will become the obstruction of the high-speed transmission in a signal line.
積層型半導体パッケージの場合、電源経路およびグランド経路は複数のパッケージ内の線路やパッケージ間を接続するはんだボールを介して形成されるため、経路におけるインダクタンス成分の変動が大きくなってしまう。この結果安定した信号品質を得られないという問題があった。 In the case of a stacked semiconductor package, since the power supply path and the ground path are formed via lines in a plurality of packages and solder balls connecting the packages, fluctuations in inductance components in the paths become large. As a result, there is a problem that stable signal quality cannot be obtained.
このような問題に対して、例えば特許文献1に示す構造のものが提案されている。図3はその断面図、図4は積層方向からみた透視図である。 For such a problem, for example, a structure shown in Patent Document 1 has been proposed. FIG. 3 is a sectional view thereof, and FIG. 4 is a perspective view seen from the stacking direction.
31は第1層目のパッケージ、32は第2層目のパッケージ、33は前記31および32に実装されるチップ部品、36は実装基板、34は第1の半田ボール群、35は第2の半田ボール群である。 31 is a first layer package, 32 is a second layer package, 33 is a chip component mounted on the 31 and 32, 36 is a mounting substrate, 34 is a first solder ball group, and 35 is a second package. A group of solder balls.
第1層目のパッケージ31が実装基板36に第1の半田ボール群34を介して実装され、さらに第1層目のパッケージ31に第2層目のパッケージ32が積層されている。
A
第2層目のパッケージ32は一部が第2の半田ボール群35を介して直接実装基板36に接続されている。第2層目への電源経路およびグランド経路は第2の半田ボール群35を介して形成される。第2の半田ボール群の半田ボールは大径であることから実装基板36と第2層目のパッケージ32を直接接続することができる。このため、複数の半田ボールやパッケージを介して電源経路およびグランド経路を形成した場合に比べ、接続点が少なくなるためインダクタンス成分の変動が少なくなる。
Part of the
この結果、第2層目のパッケージにおける電源経路およびグランド経路のノイズが軽減され高品質な伝送特性をもつ積層型半導体パッケージを実現できる。
しかしながら、上記従来の構造の積層型半導体パッケージでは、第2層目への電源経路およびグランド経路として大径の半田ボールを用いているため、この半田ボールを多く配置することができない。電源経路およびグランド経路におけるインダクタンス成分は、並列接続により低減させることができるが、このような従来の構造では多くの電源経路およびグランド経路を確保することが困難であり、さらなるインダクタンス成分の低減を図りにくいという問題点があった。 However, since the stacked semiconductor package having the conventional structure uses large-diameter solder balls as the power supply path and the ground path to the second layer, many solder balls cannot be arranged. The inductance component in the power supply path and the ground path can be reduced by parallel connection. However, it is difficult to secure a large number of power supply paths and ground paths in such a conventional structure, and the inductance component is further reduced. There was a problem that it was difficult.
また、大きさの異なる半田ボールを用いることによって半田ボールの融解温度の差が生じて融解時間のずれが起こることに対し、従来技術では大径である第2の半田ボール群を低融点材料とすることによって対応している。しかし、異なる融解点の材料であること、および半田ボールの大きさが異なるから、融解時間のずれを調整する手間がかかり、実装基板への実装プロセスが煩雑になるという問題点があった。 In addition, the use of solder balls of different sizes causes a difference in melting temperature of the solder balls, resulting in a shift in melting time. In contrast, the second solder ball group having a large diameter in the prior art is used as a low melting point material. It corresponds by doing. However, since the materials have different melting points and the size of the solder balls is different, there is a problem that it takes time to adjust the difference in melting time, and the mounting process on the mounting board becomes complicated.
本発明はこれらの問題点を解決するために為されたもので、その目的は、電源経路またはグランド経路のインダクタンス成分を低減させると共に、容易で安定した実装基板への実装を可能とする積層型半導体パッケージを提供することにある。 The present invention has been made to solve these problems, and its purpose is to reduce the inductance component of the power supply path or the ground path and to enable easy and stable mounting on a mounting board. It is to provide a semiconductor package.
本発明の積層型半導体パッケージは、半導体素子が実装される複数枚のパッケージ基板が積層されており、実装基板に実装される積層型半導体パッケージにおいて、前記実装基板側から数えて第1層目に配置され、半導体素子を搭載するとともに、前記実装基板と接合するための第1の半田ボール群を有した第1パッケージ基板と、該第1パッケージ基板よりも上層に配置され、半導体素子を搭載するとともに外周部に前記実装基板側へ向けて突出する凸部を有し、該凸部に前記実装基板と接合するための第2の半田ボール群を有した第2パッケージ基板とを具備していることを特徴とする。 In the stacked semiconductor package of the present invention, a plurality of package substrates on which semiconductor elements are mounted are stacked, and in the stacked semiconductor package mounted on the mounting substrate, the first layer counted from the mounting substrate side. A first package substrate having a first solder ball group for bonding to the mounting substrate and a semiconductor device mounted thereon, and disposed in an upper layer than the first package substrate and mounting the semiconductor device And a second package substrate having a convex portion projecting toward the mounting substrate side on the outer peripheral portion and a second solder ball group for joining the mounting substrate to the convex portion. It is characterized by that.
また、好ましくは、前記第1および前記第2の半田ボール群は、同じ大きさおよび同じ材質の半田ボールで構成され、前記第2の半田ボール群の一部は、前記第2パッケージ基板に電源を供給するための経路を成しており、前記第2の半田ボール群の一部は、前記第2パッケージ基板にグランド電位を供給するための経路を成しており、前記第2パッケージ基板は、前記実装基板側に開口するキャビティ構造を有しており、該キャビティの周囲が前記凸部として用いられて前記第2の半田ボール群を有するとともに、前記キャビティ内に前記第1パッケージ基板が収容されていることを特徴とする。 Preferably, the first and second solder ball groups are composed of solder balls of the same size and the same material, and a part of the second solder ball group is supplied to the second package substrate. A part of the second solder ball group forms a path for supplying a ground potential to the second package substrate, and the second package substrate And a cavity structure that opens to the mounting substrate side, the periphery of the cavity is used as the convex portion to have the second solder ball group, and the first package substrate is accommodated in the cavity. It is characterized by being.
本発明の積層型半導体パッケージによれば、半導体素子が実装される複数枚のパッケージ基板が積層されており、実装基板に実装される積層型半導体パッケージにおいて、前記実装基板側から数えて第1層目に配置され、半導体素子を搭載するとともに、前記実装基板と接合するための第1の半田ボール群を有した第1パッケージ基板と、該第1パッケージ基板よりも上層に配置され、半導体素子を搭載するとともに外周部に前記実装基板側へ向けて突出する凸部を有し、該凸部に前記実装基板と接合するための第2の半田ボール群を有した第2パッケージ基板とを具備していることから、実装基板と第2パッケージ基板との間の接続は、複数のパッケージ基板およびそれらの間の接続のための半田ボールを複数回通過する場合に比べてインダクタンスの変化点が少なくなり、インダクタンス成分の変動が抑えられ、伝送特性に与える影響を低く抑えることができる。 According to the stacked semiconductor package of the present invention, a plurality of package substrates on which semiconductor elements are mounted are stacked, and in the stacked semiconductor package mounted on the mounting substrate, the first layer counted from the mounting substrate side. A first package substrate having a first solder ball group to be mounted on the mounting substrate and having a first solder ball group to be bonded to the mounting substrate; and disposed on an upper layer than the first package substrate. And a second package substrate having a convex portion projecting toward the mounting substrate side on the outer peripheral portion, and a second solder ball group for joining the mounting substrate to the convex portion. For this reason, the connection between the mounting substrate and the second package substrate is more difficult than the case where a plurality of package substrates and solder balls for connection between them are passed multiple times. Change point of inductance is reduced, variation in the inductance component is suppressed, it is possible to suppress the influence on the transmission characteristics.
また、第1および第2の半田ボール群は、同じ大きさおよび同じ材質の半田ボールで構成されている場合は、実装基板へ実装する際の半田ボールの融解の状態を揃えることができる。つまり、各所の半田ボールの融解のタイミングが揃うため、半田材や半田ボールの大きさの調整などによって融解のタイミングを揃える必要がなく、実装を容易にすることが可能となる。 When the first and second solder ball groups are composed of solder balls having the same size and the same material, the melting state of the solder balls when mounted on the mounting board can be made uniform. That is, since the melting timings of the solder balls in each place are aligned, it is not necessary to align the melting timing by adjusting the size of the solder material or the solder balls, and the mounting can be facilitated.
また、第2の半田ボール群の一部は、第2パッケージ基板に電源を供給するための経路またはグランド電位を供給するための経路を成している場合には、第2の半田ボール群は実装基板と第2パッケージ基板を直接接続しているため、電源経路またはグランド経路におけるインダクタンス成分の変動が少なくなり、安定した伝送特性を得ることができる。 In addition, when a part of the second solder ball group forms a path for supplying power to the second package substrate or a path for supplying a ground potential, the second solder ball group is Since the mounting substrate and the second package substrate are directly connected, fluctuations in the inductance component in the power supply path or the ground path are reduced, and stable transmission characteristics can be obtained.
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図1はパッケージ基板を2枚積層した本発明の積層型半導体パッケージの断面図、図2は図1の積層型半導体パッケージを積層方向(上面側)から第2パッケージ基板12を透視して見た透視図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a stacked semiconductor package of the present invention in which two package substrates are stacked. FIG. 2 is a perspective view of the stacked semiconductor package of FIG. 1 seen through the
図1,図2において、11は第1パッケージ基板、12は第2パッケージ基板、13は半導体素子、14は第1の半田ボール群、15は第2の半田ボール群、16は実装基板である。第1パッケージ基板11および第2パッケージ基板12にはそれぞれ半導体素子13が実装されている。
1 and 2, 11 is a first package substrate, 12 is a second package substrate, 13 is a semiconductor element, 14 is a first solder ball group, 15 is a second solder ball group, and 16 is a mounting substrate. . A
実装基板16上に第1の半田ボール群14を介して第1パッケージ基板14が実装されており、さらに上層に半田ボール19を介して第2パッケージ基板12が実装されている。第2パッケージ基板12は外周部に実装基板16側へ向けて突出する凸部17を有し、凸部17の実装基板16と対向する下面には第2の半田ボール群15を介して直接実装基板16に接続されている。
The
第1パッケージ基板11および第2パッケージ基板12は、例えばセラミックグリーンシート積層法によって積層されて積層体とされる。積層体は、酸化アルミニウム質焼結体,窒化アルミニウム質焼結体,炭化珪素質焼結体,窒化珪素質焼結体,ムライト質焼結体またはガラスセラミックス等の無機絶縁材料から成る。あるいはポリイミド,エポキシ樹脂,フッ素樹脂,ポリノルボルネンまたはベンゾシクロブテン等の有機絶縁材料を積層して、あるいはセラミックス粉末等の無機絶縁物粉末をエポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂で結合して成る複合絶縁材料などの電気絶縁材料を積層して多層の有機樹脂基板とされる。
The
基板の厚みや大きさは、使用する材料の特性に応じて、要求される仕様に対応する機械的強度や電気的特性、基板形成の容易さ等の条件を満たすように適宜設定される。 The thickness and size of the substrate are appropriately set according to the characteristics of the material used so as to satisfy the conditions such as mechanical strength and electrical characteristics corresponding to the required specifications, ease of substrate formation, and the like.
本発明の積層型半導体パッケージの一実施形態例においては、第2パッケージ基板12が実装基板16側に実装基板16と対向するように開口するキャビティ18構造を有している。そして、キャビティ18部には第1パッケージ基板11が収容される形状となっている。すなわち、第2パッケージ基板12は、平面視において、第1パッケージ基板11より一回り大きい面積を有している。また、第2パッケージ基板の周辺部が実装基板16側に突出する凸部17の役割を果たし、凸部17において第2の半田ボール群15を介して実装基板16に直接接続されている。この第2の半田ボール群15、第2パッケージ基板12の凸部17を通り、第2パッケージ基板に形成された配線導体を通る電流経路は、その一部が、第2パッケージ基板12に実装されている半導体素子13を駆動させるための電源電位およびグランド電位を供給する経路を形成する。
In one embodiment of the stacked semiconductor package of the present invention, the
近年の半導体素子13は、集積度が高くなり、半導体素子13のスイッチング動作に伴って、電源経路またはグランド経路には大きく変動する電源電流またはグランド電流が流れる。この場合、電源経路またはグランド経路のインダクタンス成分がスイッチングノイズの原因となって半導体素子13の動作に影響を与えるため、パッケージ基板11,12のインダクタンス成分およびインダクタンス成分の変動を低く抑えることが重要となっている。
In recent years, the degree of integration of the
本発明の一実施形態の構造によると、実装基板16と第2パッケージ基板12の間の接続は半田ボール15を介して行なわれ、複数のパッケージ基板およびそれらの間の接続のための半田ボールを複数回通過する場合に比べて、インダクタンスの変化点が少ない。この結果、インダクタンス成分の変動が抑えられ伝送特性に与える影響も低く抑えることができる。
According to the structure of one embodiment of the present invention, the connection between the mounting
さらに、本発明の一実施形態の構造によると、第2パッケージ基板12に凸部17が設けられており、これによって第2の半田ボール群15の半田ボール15の大きさが図3に示す従来の半田ボール35と比べ小さくなっている。従来の構造では第2の半田ボール群35の半田ボール35が大きいため、多くの半田ボール35を第2層目のパッケージ32の周囲に配置することが難しく、電源経路・グランド経路を多く確保することが困難であった。本発明の構造では、第2の半田ボール群15の半田ボール15を小径とすることができるため多くの半田ボール15を第2パッケージ基板12の周囲に配置することが可能である。この結果、第2パッケージ基板12への電源経路・グランド経路を並列に多く形成することができるので、パッケージ基板12全体のインダクタンス成分を低くすることができる。この結果、電源経路・グランド経路に起因するノイズの影響が低減され、より高品質な伝送特性を実現することができる。
Furthermore, according to the structure of one embodiment of the present invention, the
また、本発明は第1の半田ボール14と第2の半田ボール15を同じ大きさ、同じ材質のものとしている。半田ボール14,15は加熱されてある融解温度に達すると融解し、再び温度が下がることで固まり上下の基板を接合する。実装基板16上に積層型半導体パッケージを形成し、実装する際にも加熱によって半田ボール14,15を融解させてパッケージ基板11,12および実装基板16を接合させるが、使用する半田ボール14,15に融解温度の差がある場合各々の接合状態にばらつきが生じ、安定した実装が困難になる。
In the present invention, the
これを調整するために半田ボール14,15の材質を変更したり、半田ボール14,15の直径の大きさを変更したりすると、その調整に手間がかかり、実装プロセスが煩雑になることが考えられる。これに対し本発明では全ての半田ボール14,15が同一の形状および材質となっているため、常に安定した実装が可能になり、接合状態の調整などの手間もかからない。
If the material of the
本積層型半導体パッケージに用いられる半田ボールの材質として、Sn−Bi(すず-ビスマス),Ni−Pd−Au(ニッケル-パラジウム-金)またはSn−Ag−Cu(すず-銀-銅)等が挙げられる。半田ボールの直径は、積層型半導体パッケージの用途に応じて、適宜決めればよい。 As the material of the solder balls used in the stacked semiconductor package, Sn-Bi (tin-bismuth), Ni-Pd-Au (nickel-palladium-gold), Sn-Ag-Cu (tin-silver-copper), etc. Can be mentioned. The diameter of the solder ball may be appropriately determined according to the use of the stacked semiconductor package.
以上のように本発明によれば、電源経路またはグランド経路のインダクタンス成分を効果的に低減させると共に、容易で安定した実装基板16への実装を可能とする積層型半導体パッケージを提供することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a stacked semiconductor package that can effectively reduce the inductance component of the power supply path or the ground path and can be easily and stably mounted on the mounting
なお、本発明は以上の実施の形態の例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で種々の変更を加えることは何ら差し支えない。例えば、図5,図6,図7にそれぞれ実施の形態の他の例として示すものでもよい。 In addition, this invention is not limited to the example of the above embodiment, A various change may be added in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, FIGS. 5, 6, and 7 may be shown as other examples of the embodiment.
すなわち、図5は第2パッケージ基板42のキャビティ部に複数の第1パッケージ基板41を積層したものを収容した構造である。この結果、第1パッケージ基板41がいくつあっても第2パッケージ基板42には安定した電源またはグランド電位を供給することができる。
That is, FIG. 5 shows a structure in which a plurality of
図6は第2パッケージ基板52の外周部の一部のみに凸部57を形成した例である。第2パッケージ基板52の大きさに制限がある場合でも、この構造を用いることによって第2パッケージ基板52に安定した電源・グランド電位を供給することができる。
FIG. 6 shows an example in which
図7は第1パッケージ基板61を第2パッケージ基板62のキャビティ部に収容し、さらにこれらを第2パッケージ基板63のキャビティ部に収容する構造としたものである。この構造によれば第2パッケージ基板62と第2パッケージ基板63とに同時に安定した電源・グランド電位を供給することができる。
FIG. 7 shows a structure in which the first package substrate 61 is accommodated in the cavity portion of the
また図5,図6,図7において、第1の半田ボール群43,53,64および第2の半田ボール群44,54,65のそれぞれの直径を略同一に揃えた大きさ、同様の材質のものとしているため、常に安定した実装が可能となる。
5, 6, and 7, the first
11:第1パッケージ基板
12:第2パッケージ基板
13:半導体素子
14:第1の半田ボール群
15:第2の半田ボール群
16:積層基板
17:凸部
18:キャビティ
11: First package substrate 12: Second package substrate 13: Semiconductor element 14: First solder ball group 15: Second solder ball group 16: Multilayer substrate 17: Convex portion 18: Cavity
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