JP2012134523A - 電力コアデバイス、およびその作製の方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】より高いICスイッチング速度に対処するために、改善された電圧応答と組み合わされた優れた配電インピーダンス低減を可能にする電力コアデバイス、およびその作製の方法を提供する。
【解決手段】少なくとも1つの埋込み表面実装技術(SMT)ディスクリートチップコンデンサ410を備える少なくとも1つの埋込みSMTディスクリートチップコンデンサ層と、少なくとも1つの平面型コンデンサ積層板340とを備える電力コア構造であって、少なくとも1つの平面型コンデンサ積層板340が、少なくとも1つの埋込みSMTディスクリートチップコンデンサ410に電荷を供給するための低インダクタンス経路として働き、前記埋込みSMTディスクリートチップコンデンサ410が、前記平面型コンデンサ積層板340に並列で接続される。
【選択図】図3
【解決手段】少なくとも1つの埋込み表面実装技術(SMT)ディスクリートチップコンデンサ410を備える少なくとも1つの埋込みSMTディスクリートチップコンデンサ層と、少なくとも1つの平面型コンデンサ積層板340とを備える電力コア構造であって、少なくとも1つの平面型コンデンサ積層板340が、少なくとも1つの埋込みSMTディスクリートチップコンデンサ410に電荷を供給するための低インダクタンス経路として働き、前記埋込みSMTディスクリートチップコンデンサ410が、前記平面型コンデンサ積層板340に並列で接続される。
【選択図】図3
Description
本技術分野は、低インダクタンス機能と高キャパシタンス機能を共に有するデバイス、ならびにそのようなデバイスを、有機誘電積層板(organic dielectric laminates)およびプリント配線板に組み込む方法に関する。
集積回路(IC)を含む半導体デバイスがより高い周波数、より高いデータ転送速度、より低い電圧で動作するにつれて、電力ラインおよび接地(戻り)ライン内のノイズ、ならびにより速い回路スイッチングに対処するために十分な電流を供給することがますます重要な問題となり、配電システムにおいて低いインピーダンスを必要とする。低ノイズ、ICに対する安定した電力を実現するために、従来の回路におけるインピーダンスは、並列で相互接続された追加の表面実装技術(SMT)コンデンサを使用して低減される。動作周波数がより高い(ICスイッチング速度がより高い)ことは、ICに対する電圧応答時間がより速くなければならないことを意味する。動作電圧がより低いことは、許容可能な電圧変動(リップル)およびノイズがより小さくなることを必要とする。例えば、マイクロプロセッサICは、スイッチングし、動作を開始したとき、スイッチング回路をサポートするための電力を必要とする。電圧供給の応答時間が遅すぎた場合、マイクロプロセッサは、許容可能なリップル電圧とノイズマージンを越える電圧降下または電力減衰(power droop)を受けることになり、ICは誤動作することになる。さらに、ICが電源投入されたとき、応答時間が遅いと、電力オーバーシュートが発生することになる。電力減衰/オーバーシュートは、ICに十分に近接するコンデンサを使用することによって、それらが適切な応答時間内で電力を提供または吸収する許容限界内で制御しなければならない。
インピーダンス低減と、電力減衰またはオーバーシュートを弱めるためのSMTコンデンサは、一般に、回路性能を改善するために回路板の表面上で可能な限りICに近接して配置される。従来の設計は、プリント配線板(PWB)上に表面実装された、ICの周りに集められたコンデンサを有する。大きな値のコンデンサは、電源の近くに配置され、中域の値のコンデンサは、ICと電源の間の場所に配置され、小さな値のコンデンサは、ICの非常に近い位置に配置される。図1は、電源2、IC10、コンデンサ4、6、8の概略図であり、コンデンサ4、6、8は、前述のインピーダンス低減と、電力減衰またはオーバーシュートを弱めるために使用される、それぞれ高い値のコンデンサ、中域の値のコンデンサ、小さな値のコンデンサを表す。図2は、PWBの基板内の電力平面および接地平面に対するSMTコンデンサ50および60ならびにIC40の接続を示す、代表的な立断面図である。ICデバイス40は、はんだフィレット44によってランド41に接続される。ランド41は、回路ライン72および73によって、ビア90および100のめっきスルーホールビア(ビア)パッドに接続される。ビアパッドは、全体的に82として示される。ビア90は、導体平面120に電気的に接続され、ビア100は、導体平面122に接続される。導体平面120と122は、一方は電源の電力側に、他方は電源の接地(戻り)側に接続される。同様に、小さな値のコンデンサ50および60は、並列でIC40に電気的に接続されるような方法で、ビアならびに導体平面120および122に電気的に接続される。モジュール、インターポーザ、またはパッケージ上に配置されたICの場合には、大きな値のコンデンサと中間の値のコンデンサは、そのモジュール、インターポーザ、またはパッケージが取り付けられるプリント配線マザーボード上にあることができる。
並列で相互接続された多数のSMTコンデンサは、しばしば、電力システムインピーダンスを低減するために必要とされ、複雑な電気経路設定を必要とする。これは回路ループインダクタンスを増大し、増大した回路ループインダクタンスは、インピーダンスを増大し、電流を制限し、それによって表面実装コンデンサの有益な効果を減少させる。周波数が高くなり、動作電圧が引き続き降下するにつれて、増大された電力をより速い速度で供給しなければならず、インダクタンス/インピーダンスレベルをますます下げることを必要とする。
インピーダンスを最小限に抑えるために、少なからぬ努力が払われている。Howardらの米国特許は、インピーダンスおよび「ノイズ」を最小限に抑えるための一手法を提供する(特許文献1参照)。Howardらは、コンデンサ積層板(平面型コンデンサ)が、多層の積層されたボード内に含まれる容量性プリント回路板を提供し、集積回路など多数のデバイスが、ボード上で載置または形成され、借用(borrowed)または共用キャパシタンスを使用して容量性機能を提供するように、コンデンサ積層板(または複数のコンデンサ積層板)に動作可能に結合される。しかし、そのような手法は、必ずしも電圧応答を改善しない。電圧応答を改善することは、コンデンサがICに、より近接して配置されることを必要とする。単にコンデンサ積層板をICに、より近接して配置するだけでは十分でない可能性がある。というのは、使用可能な合計キャパシタンスが不十分となる可能性があるからである。
Chakravortyの米国特許は、スイッチングノイズを低減するためにコンデンサを埋め込むことに対する代替の手法を提供し、集積回路ダイの電源端子は、多層セラミック基板内で少なくとも1つの埋込みコンデンサのそれぞれの端子に結合することができる(特許文献2参照)。
したがって、本発明者らは、集積回路パッケージまたは他の相互接続ボード、構造、もしくは要素内で使用するための電力コア、すなわち、より高いICスイッチング速度に対処するために、改善された電圧応答と組み合わされた優れた配電インピーダンス低減を可能にする電力コアの作製および設計の方法を提供することを望んでいる。本発明は、そのようなデバイス、およびそのようなデバイスを作製する方法を提供する。
本発明の一実施形態は、少なくとも1つの埋込み表面実装技術(SMT)ディスクリートチップコンデンサを備える少なくとも1つの埋込みSMTディスクリートチップコンデンサ層と、少なくとも1つの平面型コンデンサ積層板とを備える電力コアであって、少なくとも1つの平面型コンデンサ積層板が、少なくとも1つの埋込みSMTディスクリートチップコンデンサに電荷を供給するための低インダクタンス経路として働き、前記埋込みSMTディスクリートチップコンデンサが、前記平面型コンデンサ積層板に並列で接続される電力コアを対象とする。
さらに本発明は、電力コア構造を作製するための方法であって、少なくとも1つのパターン形成された側を有する平面型コンデンサ積層板を用意するステップと、金属箔を用意するステップと、前記金属箔を前記平面型コンデンサ積層板のパターン形成された側に積層するステップと、前記金属箔上でランドおよびビアパッドを作成するステップと、少なくとも1つのSMTディスクリートチップコンデンサを前記金属箔上の前記ランドに取り付けるステップと、前記少なくとも1つのSMTディスクリートチップコンデンサを前記平面型コンデンサ積層板に並列で接続するステップとを含む方法を対象とする。
本発明の追加の実施形態は、電力コア構造を作製するための方法であって、第1のパターン形成された側と第2のパターン形成された側とを有する平面型コンデンサ積層板を用意するステップと、金属箔を用意するステップと、前記金属箔を前記平面型コンデンサ積層板の一方の前記パターン形成された側に積層するステップと、前記金属箔上でランドおよびビアパッドを作成するステップと、少なくとも1つのSMTディスクリートチップコンデンサを前記金属箔上の前記ランドに取り付けるステップと、前記少なくとも1つのSMTディスクリートチップコンデンサを前記平面型コンデンサ積層板に並列で接続するステップとを含む方法を提供する。
さらに本発明は、上記電力コア構造を備え、前記電力コアが、少なくとも1つの信号層に相互接続されるデバイスを作製する方法を対象とする。
詳細な説明は、同様の数字が同様の要素を指す以下の図面を参照することになる。
本発明の諸実施形態は、プリント配線板(PWB)、モジュール、インターポーザ、またはパッケージの基板内に埋設することができる電力コア構造を対象とする。PWB、モジュール、インターポーザ、またはパッケージ基板内で電力コアの低インダクタンス/高キャパシタンス機能を提供することにより、PWB、モジュール、インターポーザ、またはパッケージ上の貴重な表面積が保存され、また、従来のSMTコンデンサ構成ほどはんだ接合を必要としない。
第1の実施形態によれば、高キャパシタンス値SMTディスクリートチップコンデンサと平面型コンデンサ積層板が、電力コア構造を生み出すように積層構造内で埋め込まれて並列で接続される、電力コア構造の設計および製造方法が開示される。SMTディスクリートチップコンデンサは、はんだ付け、または他の好適な方法によって、金属ランドに電気的に接続される。典型的には、その金属は金属箔である。本明細書では「箔」という用語を使用するが、箔は、一般的な金属層、めっきされた金属、スパッタされた金属などを包含することを理解されたい。電力コア構造内の高キャパシタンス値SMTディスクリートチップコンデンサは、高いスイッチング速度をサポートするようなICに対する速い電圧応答のために、ICの電力端子に可能な限り近接して位置し、相互接続される。SMTディスクリートチップコンデンサをICの電力端子に可能な限り近接して配置することは、低インダクタンス接続をも実現する。平面型コンデンサ積層板は、電力−接地平面として使用され、電力−接地平面分離は、パッケージ内の高周波インピーダンスを低減するために薄くされる。
図3は、本発明の電力コアデバイス600を立断面図で表したものである。上記の実施形態は、箔210を平面型コンデンサ積層板340に積層すること、ランド220、回路導体230、ビアパッド240を箔上で形成すること、およびSMTディスクリートチップコンデンサ410をはんだフィレット250によってランドにはんだ付けすることを可能にする。そのようなSMTディスクリートチップコンデンサは、業界内で一般的であり、例えば、株式会社村田製作所、Syfer a Dover Company、Johanson Dielectrics, Inc.から得ることができる。前記SMTディスクリートチップコンデンサを取り付けるための前記ランドを形成するために使用される箔は、標準的なプリント配線板積層プロセスを使用して平面型コンデンサ積層板に積層し、電力コア構造サブパートを形成することができる。
上記の実施形態はまた、様々な材料を使用して平面型コンデンサを形成することを可能にする。そのような材料は、金属箔−誘電体−金属箔積層構造を含むことができ、その誘電体は、有機層、セラミックで充填された有機層、またはセラミック層を含むことができる。複数の層が使用される場合、諸層は、異なる材料のものとすることができる。そのような誘電体の厚さは、インピーダンスを低減するために、薄くすることになる。平面型コンデンサは、標準的なプリント配線板積層プロセスによって、前記SMTディスクリートチップコンデンサを取り付けるための前記ランドを形成するために使用される箔に積層し、電力コアデバイスサブパートを形成することができる。前記SMTディスクリートチップコンデンサの取付けは、はんだペーストをランドに被着し、SMTディスクリートチップコンデンサをペースト位置上に配置し、はんだリフロー技法によってはんだペーストを溶融することによって行い、例えば電力コアデバイスを形成することができる。Indium Corporation of Americaから入手可能なIndalloy No.241など高温はんだペーストを使用し、プリント配線板ホットエアはんだレベリングまたは後続の組立てはんだ付け中に、はんだの溶融を回避することができる。
上記の実施形態によれば、低インピーダンス機能と高キャパシタンス機能を共に単一の電力コア構造内に一体化することができ、その電力コア構造はさらに別の積層構造内に一体化することができ、電圧リップルが低減された、またノイズが低減された、より低い電圧での高速ICの動作を可能にする。電力コア構造が、プリント配線板、モジュール、インターポーザ、またはパッケージ内に組み込まれたとき、貴重な表面が使用可能になる。さらに、表面上で、並列で接続された複数のSMTコンデンサに関連するはんだ接合をなくすことができ、それによって信頼性が改善される。電力コア構造は、従来のプリント配線板プロセスを使用して処理し、生産コストをさらに削減することができる。
当業者なら、下記でリストされる図面を参照して諸実施形態のこの詳細な説明を読めば、上述の利点、ならびに本発明の様々な実施形態の他の利点および利益を理解するであろう。
一般的な実施によれば、図面の様々な特徴は、必ずしも原寸に比例して示されていない。様々な特徴の寸法は、本発明の諸実施形態をより明確に示すために伸張または縮小される可能性がある。
図3は、第1の実施形態による、平面型コンデンサ積層板340と、SMTディスクリートチップコンデンサ410とを備える電力コアデバイス600を側面図で示す。
図4Aから図4Bは、平面型コンデンサ積層板を製造する一般的な方法を側面図で示す。
図4Aは、図4Bに示されている平面型コンデンサ積層板320を製造する第1段階の立断面図であり、第1の金属箔310が用意される。箔310は、例えば、銅、銅を主成分とする材料、および他の金属から作製することができる。好ましい箔は、裏面処理銅箔、両面処理銅箔、圧延アニール銅箔、および、多層プリント回路板業界の内で一般に使用される他の銅箔など、主に銅からなる箔を含む。いくつかの好適な銅箔の諸例は、Olin Brass (Somers Thin Strip)およびGould Electronicsから入手可能なものである。箔310の厚さは、例えば約1〜100ミクロン、好ましくは3〜75ミクロン、最も好ましくは、約1/3オンス(10.33g)と1オンス(30.98g)銅箔の間に対応する12〜36ミクロンの範囲内とすることができる。
スラリー材料または溶液を箔310上に塗布または被覆し、乾燥および硬化させ、第1の誘電層312を形成することができ、その結果、被覆金属箔300となる。積層板の誘電層または諸層は、有機化合物、セラミック、セラミックで充填された有機化合物、およびそれらの混合物の諸層から選択することができる。硬化は、ポリマーが熱可塑性のものである場合、例えば200〜350℃でベークすることによって行うことができる。ポリマーが熱硬化性材料である場合、より高い硬化温度を使用することができる。ポリマーを一部分だけ硬化し、ポリマーの「B」ステージ状態を生み出すことが意図されている場合、硬化は、例えば120〜200℃で乾燥させることによって行うことができる。
誘電層312を形成するために使用される溶液は、例えば、溶媒内で溶解されたポリマーを含むことができる。スラリー材料は、例えば高誘電率(高K)フィラー/セラミックフィラーまたは機能相を有するポリマー溶媒溶液を含むことができる。スラリーまたは溶液として好適なポリマーは、それだけには限らないが、例えば、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂を含むことができる。高K機能相は、500より大きい誘電率を有する材料として定義することができ、一般式ABO3のペロブスカイトを含むことができる。好適なフィラーには、例えば、結晶性チタン酸バリウム(BT)、チタン酸バリウムストロンチウム(BST)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ランタン鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛(PLZT)、ニオブ酸マグネシウム鉛(PMN)、チタン酸カルシウム銅が含まれる。フィラーは、粉末形態とすることができる。好適な高Kフィラー相は、Ferro Corporation、Tam Ceramics、富士チタン工業株式会社から得ることが可能なチタン酸バリウムである。
500より低い誘電率を有する機能相もまた、他の理由で適切とすることができる。そのような材料は、チタン、タンタル、ハフニウム、ニオブの酸化物を含むことができる。
誘電体312が熱可塑性である、または一部分だけ硬化される場合、2枚の被覆金属箔300を、図4Aに矢印によって示されている方向で、熱および圧力の下で共に積層し、図4Bに示されている積層構造320を形成することができる。
誘電体312が熱硬化性である場合、薄い接着層を誘電層312の一方または両方に被着することができる。商用熱硬化性誘電体には、E.I.du Pont de Nemours and Companyから入手可能なポリイミドグレードが含まれる。
図4Bを参照すると、積層により層312から単一の誘電体314が形成される。得られる誘電体314は、例えば、積層後4〜25ミクロン程度の薄い層とすることができる。平面型コンデンサ積層板の一実施形態は、銅−誘電体−銅積層板である。金属−誘電体−金属構造を形成するために使用することができる埋込みコンデンサ材料/プロセスには、MotorolaにライセンスされたVanticoのProbelec81CFP、ならびに、日立化成工業株式会社のMCF6000E、三井金属鉱業株式会社のMR−600、松下電工株式会社のR−0880、住友ベークライト株式会社のAPL−4000など樹脂被覆箔製品が含まれる。
誘電体314を形成する代替の方法は、フィラー入り(filled)、またはフィラーなしの(unfilled)熱可塑性ポリマーを箔310上に塗布すること、および第2の被覆されない箔をフィラー入り熱可塑性ポリマーに直接積層することとすることができる。他の代替の製造方法は、誘電層314を単一の膜として別々に形成し、熱と圧力を使用して、第1の箔310および第2の箔310に積層することを含む。他の代替の製造方法は、誘電層314を単一の膜として別々に形成し、金属のシード層を前記別々に形成された誘電層の両側上にスパッタし、次いで、無電解または電解めっき技法を使用して追加の金属をシード層上にめっきすることを含む。好適なコンデンサ積層板には、E.I.du Pont de Nemours and CompanyのInterra(商標)HK04シリーズ、E.I.du Pont de Nemours and CompanyのInterra(商標)HK11シリーズ、Sanmina−SCI Corporationによってライセンスを受けた積層板業者のBC−2000およびBC−1000、Oak−Mitsui TechnologiesのFaradFlexシリーズ、Rohm and Haas Electronic MaterialsのInSite(商標)埋込みコンデンサシリーズ、Gould ElectronicsのTCC(商標)、3MのC−Plyが含まれる。
図5Aから図5Bは、電力コア構造/デバイスを製造するために平面型コンデンサ積層板を準備する一般的な方法を側面図で示す。
図5Aは、図4Bからの平面型コンデンサ積層板320を側面図で示す。(図5Aには示されていない)フォトレジストが箔310のそれぞれに被着される。しかし、箔310の一方だけエッチングされるように、フォトレジストの一方だけがイメージングおよび現像され、箔電極セクション314および関連する回路を生み出す。次いで、残りのフォトレジストすべてが、標準的なプリント配線板処理条件を使用して剥離される。好適なフォトレジストの一例は、E.I.du Pont de Nemours and Companyから入手可能なRiston(登録商標)フォトレジストであろう。
図5Bは、得られるエッチング済み積層板340を側面図で示しており、エッチングによって箔310の一部分が除去された一方の側を示し、一方、他方の箔310は元のままである。
図6を参照すると、箔210が、平面型コンデンサ積層板340のパターン形成された側に積層される。積層は、例えば、標準的なプリント配線板プロセスにおいてFR4エポキシプリプレグ360を使用して実行することができる。一実施形態では、エポキシプリプレグタイプ106を使用することができる。好適な積層条件は、28インチHg(94.82kPa)に減圧された(evacuated)真空チャンバ内で、185℃、208psig(1434.11kPa)、1時間とすることができる。シリコンゴムプレスパッド、および滑らかなPTFEで充填されたガラスリリースシートを箔210および310と接触させ、エポキシで積層板が共に接着するのを防止することができる。誘電プリプレグおよび積層材料は、例えば、標準的なエポキシ、高Tgエポキシ、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、シアン酸エステル樹脂、フィラー入り樹脂系、BTエポキシ、ならびに、絶縁をもたらす他の樹脂および積層板など、任意のタイプの誘電材料とすることができる。リリースシートを箔と接触させ、エポキシで積層板が共に接着するのを防止することができる。得られるサブパート400は、一方の側上に箔210、他方の側上に箔310を有する。
図7を参照すると、積層後に、箔210および平面型コンデンサ箔310に(図7には示されていない)フォトレジストが被着される。標準的なプリント配線板処理条件を使用して、そのフォトレジストがイメージング、現像され、金属箔がエッチングされ、フォトレジストが剥離される。エッチングにより、平面型コンデンサ箔310上で、箔電極セクション314と、関連する回路とが生成される。また、エッチングにより、箔210からランド220、回路導体230、ビアパッド240が生成される。任意の関連する回路もまた、箔210から作成される。得られるサブパート500が作成される。
図8を参照すると、電力コアデバイス600は、SMTディスクリートチップコンデンサ410をサブパート500に取り付けることによって完成される。SMTコンデンサを取り付けるための1つの方法は、Indium Corporation of Americaから入手可能なIndalloy No.241など高温はんだペーストをランド220に被着することである。はんだペースト被着後、プリント配線板組立て業界内で容易に入手可能なピックアンドプレース機器によって、SMTディスクリートチップコンデンサが、ペーストで覆われたランド上に配置される。はんだペーストは、典型的な回路板組立てプロセスによってリフローされ、それにより、SMTディスクリートチップコンデンサをランドに電気的に接続する。
電力コアは、例えば、最初に図6に示されている平面型コンデンサ積層板340のイメージング済みの側を他のプリント配線板層に積層し、イメージングされていない箔310にフォトレジストを被着し、箔をエッチングし、フォトレジストを剥離し、次いで得られた構造に箔210を積層することにより層を積層する、他のシーケンスによって形成することができることを理解されたい。
図9は、電力コアを、プリント配線板、モジュール、インターポーザ、またはパッケージ内に組み込むために処理する際の他の段階を側面図で示す。電力コアデバイス600は、例えば、標準的なプリント配線板プロセスにおいてFR4エポキシプリプレグ710および730を使用して、他の回路層に積層することができる。プリプレグ710は予め打ち抜き、開口720を作成することができる。また、金属箔740をプリプレグ710と共に積層し、適切にイメージングし、所望の回路を作成することができる。開口720は、積層プロセス中にSMTディスクリートコンデンサ410に対する圧力を低減するように働く。プリプレグ内のエポキシは、積層中にコンデンサ410の周りで流れ、コンデンサ410をカプセル化する(見やすくするために図面には示されていない)。追加の回路層を積層することもできる。追加の方法は、その誘電体がガラス強化繊維を含有しない樹脂被覆金属箔を使用することができる。一部分だけ硬化される樹脂は、積層プロセス中にSMTディスクリートコンデンサ410の周りで流れる。
平面型コンデンサ箔電極セクション312および314のビアパッド240に対する電気接続は、めっきスルーホールビアを穿孔およびめっきすることによって、またはプリント配線板業界内で一般的な他の技法によって設けることができる。図9は、めっきスルーホールビア750および760の一部分を表したものである。めっきスルーホールビア750は、SMTディスクリートチップコンデンサ410の一方の端子と、平面型コンデンサ340の一方の箔に電気的に接続される。めっきスルーホールビア760は、SMTディスクリートチップコンデンサ410の反対側の端子と、平面型コンデンサ340の反対側の箔に電気的に接続される。この図は、SMTディスクリートチップコンデンサ410と平面型コンデンサ積層板340の間の並列電気接続を示す。
図9は、電力コアデバイスの一実施形態を示す。この電力コアデバイスは電力コアを備え、前記電力コアが、少なくとも1つの埋込み表面実装技術(SMT)ディスクリートチップコンデンサを含む少なくとも1つの埋込みSMTディスクリートチップコンデンサ層と、少なくとも1つの平面型コンデンサ積層板とを備え、少なくとも1つの平面型コンデンサ積層板が、少なくとも1つの埋込みSMTディスクリートチップコンデンサに電荷を供給するための低インダクタンス経路として働き、前記埋込みSMTディスクリートチップコンデンサが、前記平面型コンデンサ積層板に並列で接続され、前記電力コアが、少なくとも1つの信号層に相互接続される。
このデバイスのSMTディスクリートチップコンデンサは、少なくとも第1の電極と第2の電極とを備える。第1の電極と第2の電極は、半導体デバイスの少なくとも1つの電力端子に接続される。半導体デバイスは、集積回路とすることができる。
さらに、電力コアデバイスは、複数の信号層を備え、前記信号層が導電ビアを介して接続される。このデバイスは、インターポーザ、プリント配線板、マルチチップモジュール、エリアアレイパッケージ、システムオンパッケージ、システムインパッケージ、および当業者に周知の他の同様のデバイスから選択することができる。
この電力コアデバイスは、デバイスを作製するための方法であって、少なくとも1つのパターン形成された側を有する平面型コンデンサ積層板を用意するステップと、金属箔を用意するステップと、前記金属箔を前記平面型コンデンサ積層板のパターン形成された側に積層するステップと、前記金属箔上でランドおよびビアパッドを作成するステップと、少なくとも1つのSMTディスクリートチップコンデンサを前記金属箔上の前記ランドに取り付けるステップと、前記少なくとも1つのSMTディスクリートチップコンデンサを前記平面型コンデンサ積層板に並列で接続し、電力コアを形成するステップと、少なくとも1つの信号層を前記電力コア上に形成するステップとを含む方法を含めて、様々な方法によって形成することができる。
デバイスを作製するための他の方法は、第1のパターン形成された側と第2のパターン形成された側とを有する平面型コンデンサ積層板を用意するステップと、金属箔を用意するステップと、前記金属箔を前記平面型コンデンサ積層板の一方の前記パターン形成された側に積層するステップと、前記金属箔上でランドおよびビアパッドを作成するステップと、少なくとも1つのSMTディスクリートチップコンデンサを前記金属箔上の前記ランドに取り付けるステップと、前記少なくとも1つのSMTディスクリートチップコンデンサを前記平面型コンデンサ積層板に並列で接続し、電力コアを形成するステップと、少なくとも1つの信号層を前記電力コア上に形成するステップとを含む。
これらの信号層は、誘電層を前記電力コアの一方の表面または両方の表面に被着し、1つまたは複数の信号ラインを備える回路を前記誘電層上で形成し、前記信号ラインを備える層間で導電相互接続を形成することによって形成することができる。層間の相互接続は、導電ビアとすることができる。さらに、受動構成部品は、電力コアに接続し、電力コアの外にあることができる。
(実施形態)
平面型コンデンサ積層板とディスクリート埋込みセラミックコンデンサとを含む構造を設計し、テストした。平面型コンデンサ積層板は配電平面を形成し、埋込みコンデンサは、2つの内部金属層上に配置するように設計されている。3つの異なるコンデンサ設計、すなわちタイプA、タイプB、タイプCがある。各タイプについて、有効コンデンササイズ(面積)1mm2、4mm2、9mm2を有する複数のコンデンサが、2つの内部金属層のそれぞれに配置される。コンデンサ設計は、箔電極の相対位置およびサイズ、誘電体のサイズ、ならびにスクリーン印刷銅電極のサイズが異なっている。さらに、2枚の銅箔電極を絶縁するクリアランス(間隙)の設計が異なり、また、埋込みコンデンサを、上方の次の金属層に接続するビアの位置および数が異なっている。例えば、9mm2サイズコンデンサでは、タイプA設計は4個のビア接続を扱い、タイプBは28個のビアを有し、タイプCは52個のビアを有した。3つのタイプすべてについて、スクリーン印刷導体がコンデンサの一方の電極を形成し、誘電体によってスクリーン印刷導体から分離された箔が他方のコンデンサ電極として働いた。
平面型コンデンサ積層板とディスクリート埋込みセラミックコンデンサとを含む構造を設計し、テストした。平面型コンデンサ積層板は配電平面を形成し、埋込みコンデンサは、2つの内部金属層上に配置するように設計されている。3つの異なるコンデンサ設計、すなわちタイプA、タイプB、タイプCがある。各タイプについて、有効コンデンササイズ(面積)1mm2、4mm2、9mm2を有する複数のコンデンサが、2つの内部金属層のそれぞれに配置される。コンデンサ設計は、箔電極の相対位置およびサイズ、誘電体のサイズ、ならびにスクリーン印刷銅電極のサイズが異なっている。さらに、2枚の銅箔電極を絶縁するクリアランス(間隙)の設計が異なり、また、埋込みコンデンサを、上方の次の金属層に接続するビアの位置および数が異なっている。例えば、9mm2サイズコンデンサでは、タイプA設計は4個のビア接続を扱い、タイプBは28個のビアを有し、タイプCは52個のビアを有した。3つのタイプすべてについて、スクリーン印刷導体がコンデンサの一方の電極を形成し、誘電体によってスクリーン印刷導体から分離された箔が他方のコンデンサ電極として働いた。
図10に示されているタイプAディスクリートコンデンサ設計は、箔側から見たとき、方形フォームファクタを有し、箔電極(900)が、コンデンサの幅にわたって延びるスクリーン印刷導体に接続している。この電極は、他方のコンデンサ電極として働く第2の箔電極(910)から250ミクロン間隙(920)によって分離されている。この間隙は、コンデンサの幅にわたって延びている。この第2の箔電極は、コンデンサ長の約4/5の長さを有するコンデンサの幅にわたって延びている。直径150ミクロンのビア接続(930)が、次の金属層に対して、コンデンサの上方で形成され、箔側から見たとき、2つの電極のそれぞれの右上隅部に配置される。すべてのサイズについて、各電極内で2つのビアが使用される。
図11に示されているタイプBディスクリートコンデンサ設計は、箔側から見たとき、方形フォームファクタを有し、2つの箔電極(1000、1005)がスクリーン印刷導体に接続されている。各電極は、コンデンサの上端および底部でコンデンサの幅にわたって延び、それぞれ長さがコンデンサの長さの1/5である。これらの電極は、他方のコンデンサ電極として働く第2の箔電極(1010)から、コンデンサの幅にわたって延びる250ミクロン間隙(1020)によって分離されている。この第2の電極(1010)は、長さがコンデンサの長さの3/5よりわずかに短い。直径150ミクロンのビア接続(1030)が、次の金属層に対して、コンデンサの上方で形成され、コンデンサの上端および底部でコンデンサ電極の幅にわたって1列で均一に配置され、スクリーン印刷導体に接続している。コンデンサの第2の電極は、コンデンサの各側の長さに沿って、1列のビアを有している。9mm2サイズについては、28個のビアが使用される。
図12に示されているタイプCディスクリートコンデンサ設計は、箔側から見たとき、方形フォームファクタを有している。箔電極(1100)は、スクリーン印刷導体に接続し、第2のコンデンサ電極(1110)の周りで、方形の「絵画用額縁」のような特徴を形成する。第2のコンデンサ電極もまた方形であり、連続する250ミクロン間隙(1120)によって、周囲の第1の電極から分離されている。次の金属層に対する、コンデンサの上方の直径150ミクロンのビア接続(1130)が、スクリーン印刷導体に接続された第1のコンデンサ電極の4つの側すべてに均一に配置され、9mm2サイズについて合計32個のビアである。コンデンサの第2の電極は、9mm2サイズについて20個のビアを有し、電極の周部の周りで均一に配置される。
個々のコンデンサの電気的なパラメータ(キャパシタンス、抵抗、インダクタンス)が、ビア接続を有する場合と有さない場合で測定される。個々のコンデンサについてインピーダンス対周波数応答が測定され、その測定された応答がシミュレーションモデルによって生成された曲線と比較される。次いで、そのモデルを使用し、埋込みコンデンサアレイについて従来の、ならびに最新の設計規則を適用して、いくつかのコンデンサアレイのインピーダンスをシミュレーションした。
結果:
ビア接続を有さない、1、4、9mm2サイズのタイプA、B、Cコンデンサについてのキャパシタンス、抵抗、インダクタンスは、ベクトルネットワークアナライザ、およびSOLT較正を使用する2ポート測定法を使用して測定された。500ミクロン間隔を有する同軸スタイルの接地−信号プローブを使用し、コンデンサSパラメータを測定し、そのコンデンサの実数インピーダンス成分と虚数インピーダンス成分が計算された。表1(ビアなし)および表2(ビアあり)において、コンデンサ1、4、9は、タイプA設計のものであり、コンデンサ2、5、8は、タイプB設計のものであり、コンデンサ3、6、7は、タイプC設計のものである。コンデンサ1からコンデンサ3は、サイズが1mm×1mmであり、コンデンサ4からコンデンサ6は、サイズが2mm×2mmであり、コンデンサ7からコンデンサ9は、サイズが3mm×3mmであった。
ビア接続を有さない、1、4、9mm2サイズのタイプA、B、Cコンデンサについてのキャパシタンス、抵抗、インダクタンスは、ベクトルネットワークアナライザ、およびSOLT較正を使用する2ポート測定法を使用して測定された。500ミクロン間隔を有する同軸スタイルの接地−信号プローブを使用し、コンデンサSパラメータを測定し、そのコンデンサの実数インピーダンス成分と虚数インピーダンス成分が計算された。表1(ビアなし)および表2(ビアあり)において、コンデンサ1、4、9は、タイプA設計のものであり、コンデンサ2、5、8は、タイプB設計のものであり、コンデンサ3、6、7は、タイプC設計のものである。コンデンサ1からコンデンサ3は、サイズが1mm×1mmであり、コンデンサ4からコンデンサ6は、サイズが2mm×2mmであり、コンデンサ7からコンデンサ9は、サイズが3mm×3mmであった。
これは、予想されたように、キャパシタンスがサイズと共に増大し、設計タイプと共にあまり変わらないことを示す。ビア接続を有さない場合、3つのタイプすべてのインダクタンス値は、かなり似ている。ビア接続を有する場合、タイプA、B、Cのコンデンサについての同じパラメータは、同じ機器および方法を使用して測定された。
データは、コンデンサタイプ、およびビアの数とその位置が、コンデンサの抵抗およびインダクタンスに大きく影響を及ぼすことを示した。
ビア接続を有する、また有さない2つのタイプCコンデンサについてのインピーダンス対周波数応答が測定された。上記でリストされているコンデンサ3について、結果は、ビア接続を有する場合、有さない場合両方の条件について約30ミリオームのインピーダンスと、ビアを有さないコンデンサについての約900MHzからビアを有する場合の約500MHzへの、ビア接続による共振周波数シフトとを示した。ビアを有さないコンデンサ6について、結果は、共振周波数約350MHzで約10ミリオームのインピーダンスと、ビアを有する場合の条件について、共振周波数約200MHzで約20ミリオームのインピーダンスとを示した。
サイズの異なる2つのコンデンサタイプについて、測定された周波数応答と、モデル化された応答との良好な相関が観察された。
スルーホールインダクタンスの寄与がある場合とない場合で、平面型コンデンサインピーダンス対平面型コンデンサについての周波数応答のシミュレーションが実行された。スルーホール相互接続の面積は、総面積の約1%であった。スルーホールインダクタンスがない1つの平面型コンデンサの周波数応答は、共振周波数約300MHzでインピーダンスが約80ミリオームであり、一方、スルーホールインダクタンスがある2つの平面型コンデンサを有する場合の周波数応答は、共振周波数約250MHzでインピーダンスが約30ミリオームであった。
様々な個々のコンデンサの測定結果およびモデル化結果に基づいて、64個のディスクリート埋込みコンデンサのアレイにコンデンサ間の最小間隔500μmの従来の設計規則を適用したものについて、モデル化およびシミュレーションが実行された。コンデンサアレイのインピーダンス応答によりかなり均一な低インピーダンス値が生み出されるように、サイズが異なる、また共振周波数が異なるコンデンサが選択された。100MHzから1GHz範囲内で達成されたインピーダンスは、約40mΩ未満であった。
1つの側当たり1.15から2.5mmでサイズ決めされたコンデンサのアレイについて、より要求の多い間隔設計規則を適用する測定結果およびモデル化結果に基づいて、0.7mΩのインピーダンスが100MHzから1GHz周波数範囲内で達成された。
電力平面から分離された、比誘電率3.8を有する38ミクロン厚基板上で経路設定された100本の結合されない伝送ラインについてのシミュレーションモデルが設計された。その伝送ラインは、10ミル(0.254mm)で離隔され、長さ15mm、幅2.82ミル(0.0716mm)であり、各ラインは、電力に対して、また接地平面に対して99オーム抵抗で終端された(50オームライン終端)。ある場合では、電力平面は、14ミクロン厚基板上で接地平面の反対側にあった。その基板は、比誘電率3.8、ロスタンジェント0.02を有する。別の場合では、電力平面は、比誘電率11、ロスタンジェント0.02を有する14ミクロン厚基板上で接地平面の反対側にあった。20ps立ち上がり/立ち下がり時間を有する、80psパルス幅を有する5GHz方形波ビットストリームを生成する出力ドライバを使用して100本の伝送ラインすべてを駆動し、中央に位置する伝送ラインの「アイ」パターン応答を得た。誘電率3.8を有する電力平面基板である第1の場合についてのアイパターンについて、得られるアイ開口高さは、2.4799ボルトであった。同じ条件と、誘電率11を有する電力平面基板とを用いた第2の場合についての応答では、アイ開口高さは、第1の場合に優る著しい改善である2.6929ボルトであった。伝送ライン間の間隔を3ミル(0.0762mm)に変更し、50の結合ライン対を得た。他の条件すべてを同じままとして、アイパターン応答を得た。誘電率3.8を有する電力平面基板であるこの第1の結合ラインの場合についてのアイパターンは、2.5297ボルトのアイ開口高さになった。同じ条件と、誘電率11を有する電力平面基板とを用いた第2の結合ラインの場合についての応答では、アイ開口高さは、第1の場合に優る改善である2.6813ボルトであった。より高い誘電率の電力平面基板も、やはりアイパターン応答が改善した。
同時スイッチングノイズ(SSN)の解析用の、平面型電力平面基板に加えてディスクリート減結合コンデンサを含む構成についてのシミュレーションモデルが構築された。このシミュレーションモデルは、電力平面から分離された、比誘電率3.8を有する38ミクロン厚基板上の50の結合伝送ライン対を有していた。その伝送ラインは、3ミル(0.0762mm)で離隔され、長さ15mm、幅2.82ミル(0.0716mm)であり、各ラインは、電力平面および接地平面に対して99オーム抵抗で終端された(50オームライン終端)。いくつかの場合では、電力平面は、14ミクロン厚基板上で接地平面の反対側にあった。その基板は、比誘電率3.8、ロスタンジェント0.02を有する。他の場合では、電力平面は、比誘電率11、ロスタンジェント0.02を有する14ミクロン厚基板上で接地平面の反対側にあった。20ps立ち上がり/立ち下がり時間を有する、80psパルス幅を有する5GHz方形波ビットストリームを生成する出力ドライバを使用して100本の伝送ラインすべてを同時に駆動し、電力平面上で生成されたノイズ電圧を得た。SMTか埋込みディスクリートかというタイプとコンデンサの数における変化が解析された。コンデンサは、ドライバ部、または伝送ラインの近端の領域内に位置していた。
ある場合では、50対の結合ライン(合計100本のライン)、すなわち25個のSMTコンデンサを有する構成が、伝送ラインのドライバ端部で、1ライン対置きに、ライン対1で開始し、次がライン対3、ライン対50で終わって配置された。平面型電力平面基板は、3.8の誘電率を有していた。各SMTコンデンサは、100nFのキャパシタンス、約205pHの等価直列インダクタンス(ESL)、100ミリオームの等価直列抵抗(ESR)を有していた。20ps立ち上がり/立ち下がり時間を有する、80psパルス幅を有する5GHz方形波ビットストリームを使用し、100本の伝送ラインすべてを同時に駆動し、電力平面上のノイズ電圧を測定した。これは、各コンデンサが1nFのキャパシタンス、約33pHの等価直列インダクタンス(ESL)、9ミリオームの等価直列抵抗(ESR)を有する埋込みディスクリートコンデンサについて再現された。この構成における平面型電力平面基板は、11の誘電率を有していた。誘電率3.8の平面型電力平面基板を用いた、25個のSMTコンデンサについての電力平面上の電圧変動には、約−0.1ボルトから+0.15ボルトのピーク間電圧変動があり、一方、誘電率11の平面型電力平面基板を用いた、25個の埋込みディスクリートコンデンサについての電力平面上の電圧変動には、約−0.05ボルトから+0.05ボルトの、電力平面上のピーク間電圧変動があった。出力ドライバの同時スイッチングによって生成された電力平面ノイズの著しい低減は、埋込みコンデンサと、より高い誘電率の平面型電力平面基板の使用に起因していた。
埋込みコンデンサ構成と等価のノイズ低減を実現するであろうSMTコンデンサの数を決定するために、追加のSMTコンデンサがSMTモデルに追加された。50個、75個、100個のSMTコンデンサがモデル化された。50個SMTコンデンサ構成は、あらゆるライン対のドライバ端部でコンデンサを配置することによって達成された。75個コンデンサ構成は、1つ置きのライン対のドライバ端部にそれぞれ位置するコンデンサの第2グループを追加することによって達成され、100個コンデンサ構成は、伝送ラインの第1の対から50番目の対までのドライバ端部でコンデンサの2×50アレイを生成するようにSMTコンデンサを追加することによって達成された。
50個のSMTコンデンサおよび誘電率3.8の平面型基板についての電力平面上の電圧変動には、約−0.12ボルトから+0.12ボルトの、電力平面上のピーク間電圧変動があった。75個のSMTコンデンサおよび誘電率3.8の平面型基板についての電力平面上の電圧変動には、約−0.1ボルトから+0.1ボルトの、電力平面上のピーク間電圧変動があった。100個のSMTコンデンサおよび誘電率3.8の平面型基板についての電力平面上の電圧変動には、約−0.075ボルトから+0.1ボルトの、電力平面上のピーク間電圧変動があった。4つのSMTコンデンサ構成すべてにおいて、出力ドライバの同時スイッチングの結果として、25個のコンデンサおよび誘電率11の電力平面を有する埋込みディスクリートコンデンサ構成より高い電力平面ノイズ、または電圧変動が生じた。
4、6、8 コンデンサ
40 IC
41 ランド
44 フィレット
50、60 SMTコンデンサ
72、73 回路ライン
90、100 ビア
120、122 導体面
210 箔
220 ランド
230 回路導体
240 ビアパット
250 はんだフィレット
310 箔
312、314 誘電層
320 平面型コンデンサ積層板
410 SMTディスクリートチップコンデンサ
710、730 プリプレグ
750、760 めっきスルーホールビア
900、910 箔電極
930 ビア接続
1000、1005、1010 箔電極
1030 ビア接続
1100 箔電極
1110 コンデンサ電極
1130 ビア接続
40 IC
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50、60 SMTコンデンサ
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90、100 ビア
120、122 導体面
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230 回路導体
240 ビアパット
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310 箔
312、314 誘電層
320 平面型コンデンサ積層板
410 SMTディスクリートチップコンデンサ
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900、910 箔電極
930 ビア接続
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1030 ビア接続
1100 箔電極
1110 コンデンサ電極
1130 ビア接続
Claims (12)
- 電力端子を備えた半導体デバイスが実装される、電力コアが組み込まれた電力コアデバイスであって、前記電力コアは、
平面型コンデンサ積層板と、
プリプレグ層と、
前記プリプレグ層に埋め込まれてカプセル化された表面実装技術(SMT)ディスクリートチップコンデンサであって、少なくとも第1および第2の電極を有する表面実装技術(SMT)ディスクリートチップコンデンサとを備え、
前記平面型コンデンサ積層板は、前記表面実装技術(SMT)ディスクリートチップコンデンサに電荷を供給するための低インダクタンス経路として働き、
前記表面実装技術(SMT)ディスクリートチップコンデンサは、前記平面型コンデンサ積層板に並列接続され、前記第1および第2の電極は、前記半導体デバイスの少なくとも1つの電力端子に接続され、
前記表面実装技術(SMT)ディスクリートチップコンデンサは、前記平面型コンデンサ積層板よりも前記半導体デバイスの電力端子に近いことを特徴とするデバイス。 - 前記平面型コンデンサ積層板は、セラミック誘電層を含むことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 前記半導体デバイスは、集積回路であることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 1以上の信号層を備え、前記信号層は導電ビアを通して接続されたことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 前記デバイスは、インターポーザ、プリント配線板、マルチチップモジュール、エリアアレイパッケージ、システムオンパッケージ、システムインパッケージのうちの1つであることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 前記平面型コンデンサ積層板は、有機誘電層を含むことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 前記平面型コンデンサ積層板は、セラミック材料で充填された有機誘電層を含み、前記有機誘電層のセラミック材料は、500より大きい誘電率を有することを特徴とする請求項6に記載のデバイス。
- 前記平面型コンデンサ積層板は、銅−誘電体−銅積層板であることを特徴とする請求項1に記載の電力コア。
- 前記銅−誘電体−銅積層板は、有機層、セラミックで充填された有機層、セラミック層、およびそれらの混合物から選択された1つまたは複数の誘電層を含むことを特徴とする請求項8に記載の電力コアデバイス。
- 前記プリプレグ層は、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂からなることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 前記表面実装技術(SMT)ディスクリートチップコンデンサをカプセル化している前記プリプレグ層上に追加の回路層をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 前記プリプレグ層に埋め込まれてカプセル化された複数の前記表面実装技術(SMT)ディスクリートチップコンデンサを備え、各表面実装技術(SMT)ディスクリートチップコンデンサは、
少なくとも第1および第2の電極を有し、前記表面実装技術(SMT)ディスクリートチップコンデンサの第1および第2の電極が前記半導体デバイスの少なくとも1つの電力端子に接続され、
前記平面型コンデンサ積層板が前記表面実装技術(SMT)ディスクリートチップコンデンサに電荷を供給するための低インダクタンス経路として働くように、前記平面型コンデンサ積層板に並列接続され、
前記表面実装技術(SMT)ディスクリートチップコンデンサが並列に接続された前記平面型コンデンサ積層板よりも前記半導体デバイスの電力端子に近いことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
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