JP2010109112A - 半導体集積回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】インダクタ間の電磁的結合によって情報を伝送する積層型半導体集積回路において、送信回路と受信回路とが、積層方向から見て配置位置が異なる場合においても、半導体チップを積層することが可能とし、自由度の高い半導体集積回路を提供する。
【解決手段】積層する第1の半導体チップ100の送信回路110a〜110dに電磁結合する第1のインダクタと積層する第2の半導体チップ200の受信回路210a〜210dに電磁結合する第2のインダクタを有し、前記第1のインダクタと第2のインダクタが電気的に接続されているインターポーザ基板300と、を備え、前記第1の半導体チップ100から前記第2の半導体チップ200にチップ間通信する。
【選択図】図1

Description

本発明は、複数の半導体素子を集積する集積回路に関し、特に、インダクタ間の電磁的な結合によってチップ間通信を行う半導体チップを積層する場合に用いられるインターポーザ基板に適用して好適なものである。
近年における半導体集積回路は、小型化や高速化の要求から、総合的なシステムを一つのパッケージに集約することが求められている。しかし、一つの半導体チップに、全てのシステムを集積することは製造工程や歩留まりの観点からコストが増大し困難である。そこで、半導体集積回路を小型化、高速化する手段として、複数の半導体チップを積層する方法が用いられている。
この場合、積層された半導体チップ間で相互に通信する手段が必要となる。そのために、積層する複数の異なる半導体チップ間で情報を伝送する手段として、例えば特許文献1、2のようにシリコン基板上に形成されたインダクタ間の結合を用いて無線通信を行うことが検討されている。
図13は、従来のインダクタ間の結合により通信を実現する半導体集積回路の概略構成を示す模式図である。図13(b)は、前記半導体集積回路の垂直断面図である。図13(b)は図13(a)におけるA−A’断面図であり、同じ符号で示される部分は同一のものである。図13において、半導体集積回路は送信側半導体チップ100と受信側半導体チップ200から成る。
図13(b)で示されるように、送信側半導体チップ100と受信側半導体チップ200は縦に積層され固定されている。送信側半導体チップ100上には、送信回路110a〜dが形成される。一方、受信側半導体チップ200上には、受信回路210a〜bが、それぞれ送信回路110a〜dと積層方向から見て対応する位置に形成される。図13(a)中の矢印は、対応する位置関係を示している。
特開2005―203657号公報 特開2005―228981号公報
しかしながら、上記の従来技術では、送信回路110a〜dと受信回路210a〜dは、それぞれの半導体チップ上において、積層方向から見て配置位置が異なる位置にあると、通信を行うことができない。
特許文献1に記載の技術では、送信回路110a〜dと受信回路210a〜dが積層方向から見て離れた位置に形成されていると、前記送信回路と前記受信回路の間の電磁的な結合強度が低下し、正しく通信を行うことができない。
また、特許文献2に記載の技術では、送信回路110a〜dの中心軸と受信回路201a〜dの中心軸とが、積層方向に対して一致していない場合、受信回路のインダクタに発生する誘導期電力の向きが変動してしまい、正しく通信を行うことができない。
即ち、図13の半導体集積回路において、送信回路110a〜dと、受信回路210a〜dの配置が、積層方向から見て異なる位置にある半導体チップを積層することができないという問題があった。
本発明の目的は、上記の問題を解決し、インダクタ間の電磁的結合によって情報を伝送する積層型半導体集積回路において、送信回路110a〜dと受信回路210a〜dとが、積層方向から見て配置位置が異なる場合においても、半導体チップを積層することが可能となる半導体集積回路を提供することにある。
上記問題を解決するために、本発明の半導体集積回路は、電磁的信号の送信回路を具備する第1半導体チップと、電磁的信号の受信回路を具備する第2半導体チップと、第1インダクタと第2インダクタを具備するインターポーザ基板とが積層される半導体集積回路であって、前記第1インダクタが前記第1半導体チップの送信回路と電磁的に結合し、前記第2インダクタが前記第2半導体チップの受信回路と電磁的に結合し、前記第1インダクタが受信した電磁的信号に対応した電磁的信号が第2インダクタから送信されることでチップ間通信を行うことを特徴とする。
本発明のインターポーザ基板は、前記第1インダクタと、前記第2インダクタとが、積層方向から見て異なる位置に配置されていることを特徴とする。
また、前記インターポーザ基板は、前記第1インダクタに誘導される起電力を動作電力源として利用して、前記第2インダクタから電磁的信号を送出することを特徴とする。
また、本発明のインターポーザ基板は、電気的に信号を増幅する機能を具備した回路を介して、前記第2インダクタに接続されていることを特徴とする。
さらに、本発明の半導体集積回路の製造法は、予め所定の導体パターンをインターポーザ基板に形成する工程と、前記導体パターンを加工して所定の素子特性に調整する工程とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、送信回路と受信回路が積層方向からみて異なる位置にある半導チップであっても、送信回路と受信回路の構成を変えることなく積層することが可能となり、多種・多様な半導体チップを積層する半導体集積回路を容易に実現することができる。
また、本発明のインターポーザ基板によれば、インターポーザ基板に給電設備を設けることなく、離れた送信回路と受信回路間の通信を実現することが可能である。これにより、インターポーザ半導体チップの実装コストの大幅削減が可能である。
また、本発明によれば、第1インダクタに誘導された起電力に重畳された信号を増幅して、第2インダクタに伝送することも可能であるため、1つの送信回路から、複数の受信回路に信号を伝送する場合に好適である。
本発明によれば、インターポーザ基板製造工程において導体パターンを精密に形成する操作が不要となり、例えば印刷技術などを利用してインターポーザ基板を簡便に製造することが可能となる。更に、インターポーザ上の導体パターンを別の工程で調整することで、所望のチップ間通信性能を半導体集積回路毎に個別に得ることが可能となる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下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、任意に変更可能であることは言うまでもない。
(構造)
図1(a)は、本発明による第1の実施形態に係る半導体集積回路の一例の概略構成を示した斜視図であり、図1(b)は、本実施形態における半導体集積回路を図1(a)のA−A’線に沿った方向で切断した断面図である。
本実施の形態に係る半導体集積回路は、送信側半導体チップ100、受信側半導体チップ200、インターポーザ基板300、第1の電磁シールドフィルム400a、第2の電磁シールドフィルム400bが積層されている。
送信側半導体チップ100の表面には、送信回路110a〜dと、送信側処理回路120とが配置される。送信側処理回路120は、送信回路110a〜dに対してデータを入力する。
受信側半導体チップ200の表面には、受信回路210a〜dと、受信側処理回路220a〜cとが配置される。受信側処理回路220a〜cは、受信回路210a〜dのうち一つないし複数からデータを受信する。送信回路110a〜dと受信回路210a〜dは、同一のアルファベット符号が付与された送受信回路の組において、水平方向に対して異なる位置に、それぞれの基板上に配置されている。
なお、送信回路110a〜dは、受信側処理回路220cに対して、積層方向から見て重なり合った位置に配置されている。また、受信回路210a〜dは、送信側処理回路120に対して、積層方向から見て重なり合った位置に配置されている。
図2は、本実施例における送信回路110aの平面構成の一例を示した概略図である。送信回路110a〜dは、送信信号発生部111と、送信コイル112から成る。送信信号発生部111の出力は、送信コイル112と電気的に接続されている。前記送信信号発生部111は、入力されたデータに応じて、データが重畳された電流を送信コイル112に入力する。これらは、送信回路110b〜dについても、送信回路110aと同様の構成である。
図3は、本実施例における受信回路210aの平面構成の一例を示した概略図である。受信回路210a〜dは、受信信号再生部211と、受信コイル212から成る。受信信号再生部211の入力は、受信コイル212と電気的に接続されている。受信信号再生部211は、受信コイル212に生じた誘導起電力の変化から、そこに重畳されたデータを取り出す。これらは、送信回路210b〜dについても、送信回路210aと同様の構成である。
図2、図3記載の送信回路および受信回路は、例えば多層金属配線が利用可能な半導体プロセスにおいて、通常の半導体チップ上に実現される。インターポーザ基板300の表面には、通信中継部310a〜dが配置される。
図4は、本実施例における通信中継部310aの平面構成の一例を示した概略図である。通信中継部310aは、第1コイル311と、第2コイル312と、配線313a、bから成る。配線313a、bによって、第1コイル311と第2コイル312は電気的に接続されている。これらは、配線312a、bの形状が異なる場合があることを除き、通信中継部310b〜dについても同様の構成を取る。
図1を参照して、送信回路110aと、受信回路210aと、通信中継部310aの配置について説明する。通信中継部310aにおける第1コイル311は、送信回路110aが具備する送信コイル112と中心軸が一致するように配置される。また、通信中継部310aにおける第2コイル312は、受信回路210aが具備する受信コイル212と中心軸が一致するように配置される。このため、前記第1コイル311と前記送信コイル112との間、および前記第2コイル312と前記受信コイル212との間で、それぞれ矢印L1、L2で示すような磁束により電磁的な結合を生じる。
これは、送信回路110b〜dと受信回路210b〜dと通信中継部310b〜dについて、同一のアルファベット符号が付与された組に対して、同様の配置関係で構成される。
前記通信中継部310は、例えば通常の半導体プロセスにおける配線層プロセスを用いて構成することができる。これにより、インターポーザ基板として、シリコン基板を用いることが可能である。
電磁シールドフィルム400a、bは、その表面上の一部に電磁シールド部401a、bをそれぞれ具備する。電磁シールド部401a、bは、半導体チップの積層方向と平行方向に対して電磁波の透過を遮断する。
(動作)
次に、図1の半導体集積回路において、送信側処理装置120が、送信回路110aを用いて、受信側処理装置220aに対してデータを送信する動作について説明する。図1において、送信側処理回路120は、送信回路110aに対して送信するデータを入力する。
図2において、送信回路110aにおける送信信号発生部111は入力されたデータを重畳した電流を送信コイル112に対して出力する。これにより、送信コイル112を貫通する磁束L1が変動する。これに伴い、前記送信コイル112と誘導性結合する通信中継装置310aにおける第1コイル311において、誘導起電力が生成される。
図4において、第1コイル311と第2コイル312は、配線313a、bによって直列に接続されている。このため、前記第1コイル311生じた誘導起電力によって、前記第2コイル312を貫通する磁束L2に変化が生じる。これに伴い、前記第2コイル312と誘導性結合する受信回路210aにおける受信コイル212において誘導起電力が生成される。
図3において、前記受信信号再生部211は、前記受信コイル212に発生した誘導起電力の変化に応じたデータを再生する。
従って、図1の半導体集積回路において、送信回路110aに入力されたデータは、通信中継部310aを介して、受信回路210aに伝送される。最終的に、受信側処理装置220aは、受信回路210aにおける受信再生部211から、データを受信する。
ここでは送信回路110a、受信回路210a、通信中継部310aについて動作を説明したが、同一のアルファベットが付与された組に対しても同様の動作である。
なお、電磁シールドフィルム400aにおける電磁シールド部401bは、送信回路101a〜dにおける送信コイル112から生じた磁束の変動が受信側半導体チップ200に伝送されることを遮断する。すなわち、磁束L1の変動により受信側回路220cの内部回路および配線構造が影響を受けて誤動作することを防止する。また、同様に、通信中継部301a〜dにおける第2コイル312から生じる磁束L2の変動は、電磁シールドフィルム400bにおける電磁シールド部401bによって送信側半導体チップ100に伝送されることを遮断される。
(変形例)
(1)半導体チップの数
本実施例において、半導体チップを2個積層した例を説明したが、これに限定するものではない。3個以上の半導体チップを積層する場合でも、各半導体チップ間に、適当な通信中継部が配置されたインターポーザ基板を積層すればよい。
また、積層方向の拡張だけではなく、水平方向の拡張も可能である。例えば、受信側半導体チップを2つ水平方向に配置した例を図5に示す。なお、図5において、図1と対応する部分については同一符号を付し、その詳細説明は繰り返さない。
図5において、受信側半導体チップ201a、bは、インターポーザ基板300の上方に水平に並べて配置される。これにより、送信側半導体チップ100は、適切な送信回路110a〜dを選択することで、受信側半導体チップ201aおよび201bに対して通信可能となる。
(2)通信中継部におけるコイルの配置
本実施例において、通信中継部310a〜dは、全てインターポーザ基板の片側の面に形成されている例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図6に、一部の構造を底面に配置する例を示す。
図6(a)はインターポーザ基板301の上面を示した図であって、図6(b)は、インターポーザ基板301の底面を示した図であって、図6(c)は、図6(a)におけるB−B’線でインターポーザ基板を切断した断面図である。
図6のインターポーザ基板を参照して、図1に示されるインターポーザ基板と異なる点は、通信中継部が、インターポーザ基板301の底面に配置される通信中継入力部331a〜dと、インターポーザ基板301の上面に配置される通信中継出力部332a〜dに分割されている点である。
なお、図6(c)を参照して、通信中継入力部331aと通信中継332aは、スルーホール333によって電気的に接続されている。また、通信中継入力部331b〜dおよび通信中継出力部332b〜dにおいて、同一のアルファベット符号を付した組については、同様の構成で接続されている。
通信中継入力部331を底面に配置した目的は、送信側半導体チップ上の送信回路との電磁的結合強度を高めることである。これにより、送信回路の消費電力を抑えることが可能である。
このように、通信中継部は、通信中継入力部331と通信中継出力部332が電気的に接続されていればよい。このため、通信中継部は、所望の性能を実現するためにインターポーザ基板上のいかなる位置に配置してもよい。
(3)送受信回路の配置
本実施例で説明した半導体集積回路において、送信回路110a〜dは全て送信側半導体チップ100に形成され、受信回路210a〜dは全て受信側チップ200に形成されているが、これに限定するものではない。通信中継部310a〜dにおいて、どちらか一方のコイルが送信回路と電磁的結合し、もう一方のコイルが受信回路と電磁的に結合されていれば、送信回路もしくは受信回路を配置する半導体チップは限定されない。
また、送受信回路は半導体チップにおいて、一つの面にのみ配置する必要はなく、インターポーザ基板上の通信中継部と電磁的に結合されていれば、いかなる面に配置しても良いことは言うまでもない。
(4)通信中継部の使用箇所
本実施例で説明した半導体集積回路において、送信回路110a〜dから伝送される信号は全て中継装置310a〜dを介して、受信回路210a〜dに中継されるが、これに限定するものではない。例えば、一部の送信回路の信号伝送だけが、通信中継部を介して受信送信へ伝送される半導体集積回路の概略構成を図7に示す。なお、図7において、図1と対応する部分については同一符号を付し、その詳細説明は繰り返さない。図7において、送信回路110aおよび110dから送信される信号は、インターポーザ基板300を通過して、受信回路210aおよび210dに直接伝送される例である。
(5)インターポーザ基板の材料
本実施例において、インターポーザ基板300はシリコン基板によって実現されると説明したが、これに限定されるものではなく、基板上に所望の動作を実現する通信中継部を形成することが可能であれば、いかなる材料を用いても良い。
たとえば、インターポーザ基板300は、ポリイミドフィルムなどの合成樹脂フィルム上に導電性材料もしくは絶縁性材料を、所定のパターン状に蒸着させることでも構成可能である。
また、蒸着以外の方法として、例えば前記合成樹脂フィルム上に、合成樹脂を用いた銀ペーストを所定の導体パターンで印刷することで構成可能である。
以上のような方法を用いる利点は、シリコン基板を用いる方法に比べ、安価で実現できる点である。
(6)コイルの形状
図2、図3、図4において、平面上に四角形で巻線を構成したコイルを用いた例を示したが、これに限定するものではない。送信回路110a〜dと通信中継部310a〜dの間で、所定の結合強度が得られるものであれば、他の形状の平面インダクタを用いても良い。受信回路210a〜dと通信中継部310a〜dの間においても同様であることは、言うまでもない。
図8は、本発明による第2の実施形態に係る半導体集積回路の概略の構成を示した模式図であって、図1と対比される図である。
図8の半導体集積回路を参照して、図1で示される半導体集積回路と異なる点は、通信中継部320が、受信回路220b、cと通信を行う点である。これにより、送信回路110bから送信された信号を、受信回路210b、210cへと伝送することができる。なお、図8において、図1と対応する部分については同一符号を付し、その詳細説明は繰り返さない。
図9は、本実施例における通信中継部320の平面構成の一例を示した概略図である。通信中継部320は、第1コイル321と、第2コイル322b、cと、3つのコイルを接続する配線からなる。第1コイル321は、図8における送信回路110bが具備する送信コイル112と電磁的結合を生じる。第2コイル322bは、図5における受信回路210bが具備する受信コイル212と電磁的結合を生じる。同様に、第2コイル322cは、図8における受信回路210cが具備する受信コイル212と電磁的結合を生じる。
図10は、本実施例における通信中継部320の別の平面構成の例を示した概略図である。通信中継部320は、第1コイルと第2コイルが電気的に直列に接続された構造を、第1コイルの中心軸が同一となるように配置した例である。
なお、本実施例では第2コイルが2つの例を説明したが、これに限定されるものではなく、第2コイルが3つ以上ある場合に対しても有効である。
なお、本実施例では受信回路210b、210cが同一の半導体チップにある場合を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、受信回路210b、210cが、それぞれ別の半導体チップにある場合に対しても有効である。
図11は、本発明の第3の実施の形態における通信中継部340の平面構成を示した図であって、図4と対比される図である。図11の通信中継部340を参照して、図4で示される通信中継部310と異なる点は、配線313a、bの代わりに、信号増幅部341に置換されている点である。
信号増幅部341は、通信中継部340において、第1コイル311に生じた誘導起電力に重畳された信号を、第2コイル312に伝送する際に、その信号を増幅する動作を行う。信号増幅部341の実現方法の1つの構成例を、図12に示す。
図12において、抵抗性素子、容量性素子、誘導性素子などの受動素子342a〜fを梯子状に接続し、所定の周波数に対して共振特性を持つ伝送経路が形成されている。前記周波数と、送信回路110からデータを伝送する周波数を一致させることにより、第1コイルおよび第2コイルに発生する起電力の振幅を増幅することができる。これにより、少ない電力で受信回路210までデータ伝送を実現することができる。なお、前記受動素子342a〜fは、例えば、所定の形状を持つ導体パターンをインターポーザ基板300上に形成することで構成される。
前記導体パターンは、予め十分な面積を持った矩形の導体パターンをインターポーザ基板300の表面上に設けておき、インターポーザ基板300の製造後に所定の特性を持つ導体構造に加工する方法で形成する。例えば、ポリイミドフィルムなどの合成樹脂フィルム上に導電性材料を大まかに蒸着させる工程と、それをレーザートリミングによって所定の形状に加工する工程とを備える、インターポーザ基板製造方法によって実現できる。
(変形例)
本実施例において、受動素子342を用いて信号増幅部341を構成する例を説明したが、信号増幅部341の構成はこれに限定するものではない。例えば、受動素子342a〜fの一部もしくは全てを、トランジスタや演算増幅器などの能動素子もしくは電子回路に置き換えて、より信号増幅利得を向上させた構造でもよい。
第1の実施の形態に係る半導体集積回路の概略構成を示した図である。 第1の実施形態における送信回路の平面構成図である。 第1の実施形態における受信回路の平面構成図である。 第1の実施形態における通信中継部の平面構成図である。 第1の実施形態の変形例を半導体集積回路の概略構成を示した図である。 実施の形態におけるインターポーザ基板を示した図である。 第1の実施形態の他の変形例を半導体集積回路の概略構成を示した図である。 第2の実施の形態に係る半導体集積回路の斜視図である。 第2の実施形態における通信中継部の平面構成である。 第2の実施形態における通信中継部の平面構成の変形例である。 第3の実施形態における通信中継部の平面構成の概略を示した構成図である。 第3の実施形態における通信中継部の平面構成の一例を示した構成図である。 従来の半導体集積回路の概略構成をしめした図である。
符号の説明
100…送信側半導体チップ、110a〜d…送信回路、111…送信信号発生部、112…送信コイル、120…送信側処理回路、200、201a、201b…受信側半導体チップ、210a〜d…受信回路、211…受信信号再生部、212…受信コイル、220a〜c…受信側処理回路、300…インターポーザ基板、310a〜d、320…通信中継部、311、321…第1コイル、312、322a、322b、324、325…第2コイル、313a、b…配線部、331a〜d…通信中継入力部、332a〜d…通信中継出力部、333…スルーホール、341…信号増幅部、342a〜f…受動素子、400a、b…電磁シールドフィルム、410a、b…電磁シールド部

Claims (9)

  1. 複数の半導体チップが積層されて構成される半導体集積回路において、
    電磁信号の送信回路を有する第1の半導体チップと、
    電磁信号の受信回路を有する第2の半導体チップと、
    前記第1の半導体チップの送信回路に電磁結合する第1のインダクタと前記第2の半導体チップの受信回路に電磁結合する第2のインダクタを有し、前記第1のインダクタと第2のインダクタが電気的に接続されているインターポーザ基板と、を備え、
    前記第1の半導体チップから前記第2の半導体チップにチップ間通信されることを特徴とする半導体集積回路。
  2. 請求項1に記載の半導体集積回路において、
    前記インターポーザ基板は前記第1の半導体チップと前記第2の半導体チップの間に積層され、
    前記第1のインダクタは前記第1の半導体チップの送信回路に対向して配置され、
    前記第2のインダクタは前記第2の半導体チップの受信回路に対向して配置され、
    前記第1のインダクタと前記第2のインダクタは積層方向からみて異なる位置に配置されることを特徴とする半導体集積回路。
  3. 請求項2に記載の半導体集積回路において、
    前記インターポーザ基板と前記第2の半導体チップと間に前記前記第1の半導体チップの送信回路と前記第1のインダクタの電磁結合を遮断する第2の電磁シールド部を有し、
    前記インターポーザ基板と前記第1の半導体チップと間に前記第1のインダクタと前記前記第2の半導体チップの受信回路との電磁結合を遮断する第1の電磁シールド部を有することを特徴とする半導体集積回路。
  4. 請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体集積回路において、
    前記第1のインダクタと前記第2のインダクタは前記インターポーザ基板に配設され、
    前記第1のインダクタと前記第2のインダクタはスルーホールを介して接続されることを特徴とする半導体集積回路。
  5. 請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体集積回路において、
    前記インターポーザ基板は、さらに、第3のインダクタを有し、
    前記第3のインダクタは前記第1のインダクタと前記第2のインダクタに直列接続されていることを特徴とする半導体集積回路。
  6. 請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体集積回路において、
    前記インターポーザ基板は、さらに、第3のインダクタを有し、
    前記第3のインダクタは前記第1のインダクタと前記第2のインダクタに独立に接続する2重のコイル部を有することを特徴とする半導体集積回路。
  7. 請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体集積回路において、
    前記インターポーザ基板は受動素子を有し、
    前記第2のインダクタは、前記受動素子を介して前記第1のインダクタに接続されることを特徴とする半導体集積回路。
  8. 請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体集積回路において、
    前記インターポーザ基板は能動素子を有し、
    前記第2のインダクタは、前記能動素子を介して前記第1のインダクタに接続されることを特徴とする半導体集積回路。
  9. 請求項8に記載の半導体集積回路において、
    前記インターポーザ基板の能動素子は、前記前記第1のインダクタを介して電力供給されることを特徴とする半導体集積回路。
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