JP2014038880A

JP2014038880A - 積層集積回路

Info

Publication number: JP2014038880A
Application number: JP2012178719A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Kuroda; 忠広黒田
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-02-27
Anticipated expiration: 2032-08-10
Also published as: JP6005438B2

Abstract

【課題】チップを積層する場合であっても、各チップの任意の表面位置に電源を供給できて大消費電力の回路にも対応できるとともに、１つの通信チャネルについて各チップには１つ又は２つの誘導結合のためのコイルを形成するだけで、チップ間の高速な通信が可能である積層集積回路を提供すること。
【解決手段】チップ１とチップ２は裏面同士を接着剤１２によって接着されて積層され、その際、コイル１とコイル２が誘導結合する位置に配置される。チップ３とチップ４も同様に積層される。チップ２とチップ３は、間に回路基板を挟んで表面同士を向かい合わせて積層される。チップ２とチップ３はパンプ接続する電源線１３によって通信する。チップ１、４、及び回路基板への電源供給は、パッケージ基板からのボンディングワイヤ１１による。チップ１にはパッケージ基板に空けた穴を通してパッケージ基板の裏側からボンディングワイヤ１１で電源線を配線している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＣ（Integrated Circuit）などのチップを積層した積層集積回路に関し、特にチップ間のデータ転送速度が高速で、かつ、消費電力が大きい回路に好適な積層集積回路に関する。

本発明者は、半導体集積回路のチップの配線により形成されるコイルの誘導結合を用いて、積層されるチップ間でデータ通信を行う電子回路を提案している（特許文献１〜２０）。

その場合、誘導結合のためのコイルは両側に磁界を形成するので、多層チップ間でクロストークなくデータ通信するためには、１つの通信チャネルについて各チップに互いに疎結合となる３つ以上のコイルを併置し、かつ、各チップに供給する電源は、積層するチップを順にずらして接着積層し、そのずれによって露出するチップ表面にボンディングワイヤなどによって供給する構成となっている（例えば、特許文献９図８、図１１参照。）。

特開２００５−２２８９８１号公報特開２００５−３４８２６４号公報特開２００６−０６６４５４号公報特開２００６−１７３９８６号公報国際公開第２００９／０６９５３２号特開２００９−１８８４６８号公報特開２００９−２６６１０９号公報特開２００９−２７７８４２号公報特開２００９−２９５６９９号公報特開２０１０−０１５６５４号公報特開２０１０−０４５１６６号公報特開２０１０−０５６５９３号公報特開２０１０−１０３６１１号公報特開２０１０−１５３７５４号公報特開２０１０−１９９２８０号公報特開２０１１−０４９４１２号公報特開２０１１−０６６５１５号公報特開２０１１−０８６７３８号公報特願２０１１−０１１９２０号特願２０１１−０３０４２８号

しかし、上述の従来技術では、１つの通信チャネルについて各チップに３つのコイルを形成しなければならず、構造が複雑になると共にコイルが占める面積が大きく回路設計の自由度が低い。さらに、電源は各チップの１辺に沿って供給することになるので、チップ全体に大電力を供給することができない。通常、例えば、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの大電力を必要とするチップの場合は、電源はチップ表面の中央位置に供給したり、チップ表面の対向する２辺に沿って供給したりするが、上述の従来例では、このような構成を採用することはできず、ＤＲＡＭなどはチップ間通信を誘導結合とする積層構造とすることができないという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、チップを積層する場合であっても、各チップの任意の表面位置に電源を供給できて大消費電力の回路にも対応できるとともに、１つの通信チャネルについて各チップには１つ又は２つの誘導結合のためのコイルを形成するだけで、チップ間の高速な通信が可能である積層集積回路を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の積層集積回路は、第１コイルに接続される第１送受信器を有する第１チップと、該第１チップと背中合わせに積層され、前記第１コイルと誘導結合する第２コイルに接続される第２送受信器を有する第２チップと、該第２チップの表面に積層され第２チップに電源を供給する回路基板と、該回路基板を挟んで前記第２チップと向かい合わせに積層され、前記第２送受信器と通信する第３送受信器を有し前記回路基板から電源を供給される第３チップとを備えることを特徴とする。

また、請求項２記載の本発明の積層集積回路は、前記第２送受信器と第３送受信器とは前記回路基板を介して有線により通信することを特徴とする。

また、請求項３記載の本発明の積層集積回路は、前記第２チップは前記第２コイル及び第３コイルと疎結合であり前記第２送受信器と接続される第４コイルを有し、前記第３チップは前記第２コイル及び第３コイルと疎結合であり第４コイルと誘導結合し前記第３送受信器と接続される第５コイルを有し、前記第２送受信器と第３送受信器とは前記回路基板を介して前記第４コイルと第５コイルとの誘導結合により通信することを特徴とする。

また、請求項４記載の本発明の積層集積回路は、前記第１チップと第２チップとは、絶縁性かつ熱伝導性の接着剤により接着され積層されていることを特徴とする。

また、請求項５記載の本発明の積層集積回路は、前記第１チップと第２チップとの間には、絶縁性かつ熱伝導性の材料が挟まれていることを特徴とする。

本発明によれば、チップ間を誘導結合によって通信する積層チップを備える積層集積回路において、コイル間を疎結合にするための回路基板によってチップの任意の位置に電源を供給できる構成であることから、誘導結合によってチップ間通信する簡易な構成をＤＲＡＭなどの大消費電力の回路に適用できる。

本発明の実施例１による積層集積回路の構成を示す図である。本発明の実施例１による積層集積回路の変化例（その１）の構成を示す断面図である。本発明の実施例１による積層集積回路の変化例（その２）の構成を示す断面図である。本発明の実施例１による積層集積回路の変化例（その３）の構成を示す断面図である。本発明の実施例２による積層集積回路の構成を示す断面図である。本発明の実施例３による積層集積回路の構成を示す断面図である。本発明の実施例４による積層集積回路の構成を示す図である。本発明の実施例５による積層集積回路の構成を示す断面図である。本発明の実施例６による積層集積回路の構成を示す断面図である。本発明の実施例７による積層集積回路の構成を示す断面図である。本発明の実施例８による積層集積回路の構成を示す図である。本発明の実施例９による積層集積回路の構成を示す断面図である。本発明の実施例１０による積層集積回路の構成を示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１による積層集積回路の構成を示す図である。図１(a)は、積層集積回路の全体の断面図、図１(b)は、チップの上平面図及び下平面図である。図１(b)に示すチップは、回路が形成される面を表面、基板側の面を裏面として、上向きと下向きとして示した。コイルＣ１、Ｃ２は表面に配線により形成し、送受信器（図示せず）に接続され、パッドＰ１には電源線１３が接続され、電源線１３は信号の通信のための配線を兼ねる。チップの向きを上向きと下向きに反転する回転中心の軸（点線）に対して、コイルＣ１、Ｃ２が軸上に並んでいる。したがって、上向きのチップと下向きのチップでコイルＣ１、Ｃ２の中心軸が揃うようにチップを積層すると、チップの位置も揃う。また、チップ２とチップ３を回路基板にバンプ接続するためのパッドＰ１の位置はチップ上のどこにあっても構わない。上向きのチップと下向きのチップでパッドの位置が異なっても、回路基板の配線で接続できるからである。断面図には、各チップの１つのコイル、すなわち、１つの通信チャネルが見える。本実施例１の積層集積回路は、パッケージ基板、回路基板及び同一構造のチップ１〜４を備える。チップ１とチップ２は裏面同士を接着剤１２によって接着されて積層され、その際、コイル１とコイル２が誘導結合する位置に配置される。チップ３とチップ４も同様に積層される。チップ２とチップ３は、間に回路基板を挟んで表面同士を向かい合わせて積層される。チップ２とチップ３はパンプ接続する電源線１３によって通信する。チップ１、４、及び回路基板への電源供給は、パッケージ基板からのボンディングワイヤ１１による。チップ１にはパッケージ基板に空けた穴を通してパッケージ基板の裏側からボンディングワイヤ１１で電源線を配線している。ボンディングワイヤ１１は、チップ４からパッケージ基板に直接配線できるし、途中に回路基板を経由して配線することもできる。２つのコイルが誘導結合するためには、コイルの中心軸を揃え、コイル間の距離がコイルの直径の１／２以下であることが望ましい。例えばチップ１から送信されたデータは、コイル１とコイル２の誘導結合でチップ２に転送され、チップ２から配線で回路基板を経由してチップ３に転送され、コイル３とコイル４の誘導結合でチップ４に転送される。このとき、コイル２とコイル３が誘導結合していると、コイル３がコイル４に転送するデータがコイル２にも受信され、高速なデータ転送の妨げとなる。したがって、コイル２とコイル３の間の誘導結合は、コイル１とコイル２の間の誘導結合及びコイル３とコイル４の間の誘導結合に比べて十分に小さいことが必要である。そのために、図１ではコイル２とコイル３の距離をコイル１とコイル２の距離及びコイル３とコイル４の距離（つまり２つのチップの厚さの合計）に比べて十分に大きくなる（典型的には２倍）ように回路基板の厚さを決めている。具体的には、チップの厚さが５０μｍの場合は、回路基板の厚さが２００μｍ以上である。チップと回路基板の間の接着剤１２は絶縁性を有している。チップの基板の電位は一般にグラウンドなので、この点においてチップの背中合わせの接着剤１２は絶縁性でなくてもよいが、コイル１とコイル２の誘導結合の妨げとならないように、やはり絶縁性が望ましい。さらに、チップの基板側の面（裏面）は、熱を逃がす必要があるために、チップの背中合わせの接着剤１２は高熱伝導性であることが望ましい。このような絶縁性かつ高熱伝導性の接着剤としては例えば、SCOTCH-WELD EW2070（登録商標：スリーエム社）を用いることができる。また、接着剤とは別に絶縁性かつ高熱伝導性のフィルムを挟むようにしてもよい。このような絶縁性かつ高熱伝導性のフィルムとしては例えば、ハイセット（登録商標：日立化成工業）を用いることができる。

チップ２とチップ３との通信は電源線１３とは別の配線によって行ってもよい。

図２は、本発明の実施例１による積層集積回路の変化例（その１）の構成を示す断面図である。チップ１はパッケージ基板に対してバンプ１４で接続してもよい。

図３は、本発明の実施例１による積層集積回路の変化例（その２）の構成を示す図である。コイル１、２はチップの回転中心軸（点線）上になくても、軸に対して線対称な位置にあればよい。この場合、例えば、上向きチップのコイルＣ１と下向きチップのコイルＣ２とによって通信することになる。

図４は、本発明の実施例１による積層集積回路の変化例（その３）の構成を示す図である。コイル１、２はチップの回転中心軸（点線）に対して線対称の位置になくてもよい。このとき、チップの向き（上向きか下向きか）に応じてコイルの位置が変わるので、上向きと下向きに背中合わせした２つのチップのコイルの中心軸を揃えると、チップの位置がずれる。しかし、チップ２とチップ３を回路基板の両面に配置する位置をずらすことで、チップ３の位置をチップ１の位置と揃えることもでき、こうすることで４枚のチップの位置がどんどんずれていかないようにすることができる。その結果、更に多くの枚数のチップを積層しやすくなり、あるいは、実装面積を小さくすることができる。

図５は、本発明の実施例２による積層集積回路の構成を示す断面図である。８枚の同一のチップを積層している。回路基板３とチップ７とチップ８を取り除き、チップ６にチップ８のようなワイヤボンディングをすれば、６枚のチップの積層も同様にできる。このように、任意の偶数枚数のチップ積層に対して、実施例１に説明したことを実現できる。

図６は、本発明の実施例３による積層集積回路の構成を示す断面図である。３枚の同一のチップを積層している。図６(a)は、図１に示した構成からチップ４を取り除いたものである。図６(b)は、図１に示した構成からチップ１を取り除いたものである。図６(c)は、図６(b)に示した構成の回路基板をパッケージ基板として、パッケージ基板を取り除いたものである。
図６の構造と図１の構造を積み重ねることで、任意の奇数枚数のチップ積層に対して、実施例１に説明したことを実現できる。例えば、図５でチップ８を取り除いてチップ７を図６のチップ３と同様にすれば、積層枚数を７枚にできる。

図７は、本発明の実施例４による積層集積回路の構成を示す図である。実施例１においては、コイル２とコイル３の間の誘導結合を十分に小さくするために、コイル２とコイル３の距離をコイル１とコイル２の距離及びコイル３とコイル４の距離に比べて十分に大きくなる（典型的には２倍）ように回路基板を厚くしていた。実施例４では、同じ目的のために、コイル２とコイル３の中心軸を十分に離している。典型的には、中心軸がコイルの直径の２倍以上に離れるとコイルの誘導結合は十分に小さくなる。中心軸が十分に離れているときは、回路基板の厚さを厚くする必要はない。なお、回路基板が十分に薄いとき、コイルＣ１の近傍領域（ハッチング領域）の回路基板に太い線を配さない方がよい。その配線で渦電流が流れるとコイル２とコイル１及びコイル３とコイル４の誘導結合が低下するからである。本実施例４によると、回路基板を薄くできるので、積層高さを低くできる。また回路基板のコストを低減できる。

図８は、本発明の実施例５による積層集積回路の構成を示す断面図である。実施例４における回路基板としてＴＡＢ（Tape Automated Bonding）を用いている。ＴＡＢは柔らかいので、曲げてパッケージ基板に直接配線できる。ワイヤボンディングが不要になり、製造コストを低減できる。

図９は、本発明の実施例６による積層集積回路の構成を示す断面図である。コイル２とコイル３の間の誘導結合を十分に小さくするために、回路基板に配線によるシールド層２１を設けている。シールド層２１に渦電流が流れるとコイル２とコイル３の誘導結合が低下する。シールド層はコイル２とコイル３の中央の位置にありコイルよりも大きいことが望ましい。

図１０は、本発明の実施例７による積層集積回路の構成を示す断面図である。４枚のチップは同一構造でなくてもよい。この場合、図１０(b)に示すように、チップ１を上向きにして電源をボンディングワイヤ１１によって供給する構成とすることもできる。

図１１は、本発明の実施例８による積層集積回路の構成を示す図である。チップ２とチップ３との通信をコイル４とコイル６を介して誘導結合によって行う。コイルＣ２であるコイル２、４、６、８の直径をコイルＣ１であるコイル１、３、５、７の直径よりも十分に大きくして、コイル３とコイル５の間を疎結合、コイル４とコイル６の間を蜜結合にすることによって実現できる。

図１２は、本発明の実施例９による積層集積回路の構成を示す断面図である。チップ２とチップ３との通信をコイル４とコイル５を介して誘導結合によって行う。コイル１〜８の直径を同一にし、チップ２の（水平）位置とチップ３の（水平）位置とをずらせて、コイル４とコイル５の中心軸を一致させることによって実現できる。

図１３は、本発明の実施例１０による積層集積回路の構成を示す断面図である。４枚のチップの構造を異ならせる。図１０(b)に示す実施例７に対して、チップ２とチップ３との通信をコイル５とコイル６を介して誘導結合によって行う。

これら実施例８〜１０は、すべてのチップ間通信を誘導結合によって実現するものであるので、均一な特性の通信となり、高品質かつ高速な通信が可能である。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。

１１…ボンディングワイヤ
１２…接着剤
１３…電源線
１４…バンプ
２１…シールド層
Ｃ１、Ｃ２コイル
Ｐ１パッド

Claims

第１コイルに接続される第１送受信器を有する第１チップと、
該第１チップと背中合わせに積層され、前記第１コイルと誘導結合する第２コイルに接続される第２送受信器を有する第２チップと、
該第２チップの表面に積層され第２チップに電源を供給する回路基板と、
該回路基板を挟んで前記第２チップと向かい合わせに積層され、前記第２送受信器と通信する第３送受信器を有し前記回路基板から電源を供給される第３チップと
を備えることを特徴とする積層集積回路。
前記第２送受信器と第３送受信器とは前記回路基板を介して有線により通信することを特徴とする請求項１記載の積層集積回路。
前記第２チップは前記第２コイル及び第３コイルと疎結合であり前記第２送受信器と接続される第４コイルを有し、前記第３チップは前記第２コイル及び第３コイルと疎結合であり第４コイルと誘導結合し前記第３送受信器と接続される第５コイルを有し、前記第２送受信器と第３送受信器とは前記回路基板を介して前記第４コイルと第５コイルとの誘導結合により通信することを特徴とする請求項１記載の積層集積回路。
前記第１チップと第２チップとは、絶縁性かつ熱伝導性の接着剤により接着され積層されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の積層集積回路。
前記第１チップと第２チップとの間には、絶縁性かつ熱伝導性の材料が挟まれていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の積層集積回路。