JP2015061258A - Ebg構造体、半導体デバイスおよび回路基板 - Google Patents

Ebg構造体、半導体デバイスおよび回路基板 Download PDF

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Abstract

【課題】低い周波数領域で優れた遮断特性を備えるEBG構造体を提供する。
【解決手段】実施形態のEBG構造体は、電極面と、電極面上に設けられる第1の絶縁層と、第1の絶縁層上に設けられる第1の金属パッチと、第1の絶縁層上に、第1の金属パッチに隣接して設けられる第2の金属パッチと、第1および第2の金属パッチ上に設けられる第2の絶縁層と、第2の絶縁層上に設けられ、第1の開口部と第2の開口部を有する配線層と、配線層上に設けられる第3の絶縁層と、電極面、および、第1の金属パッチに接続され、第1の開口部を貫通する第1のビアと、電極面、および、第2の金属パッチに接続され、第2の開口部を貫通する第2のビアと、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、EBG構造体、半導体デバイスおよび回路基板に関する。
例えば、従来のデジタル・アナログ・RF混在回路を搭載する回路基板、SOC(system on chip)、擬似SOC等では、素子間の相互の電磁界干渉やGND(グラウンド)、電源に伝播するノイズが誤動作を引き起こすという問題がある。この問題を回避するためには、素子間のスペースを大きく取る必要がある。このため、チップ面積や実装面積の縮小が困難であるという問題があった。
このスペースを削減させる手段として、例えば、GND、または、電源に伝播する、回路動作に有害な周波数領域のノイズを防ぐためのフィルタが使われる。この場合、遮断帯域という限られた周波数領域内のノイズレベルを落とすフィルタを利用する。フィルタは、例えば、インダクタチップとキャパシタ等の電子部品を用いて形成される。このため、例えば回路基板等に実装される電子部品の増加を招くことは避けられない。
そこで、チップ部品でフィルタを形成するより、回路基板等の縮小効果が高いことから、誘電体の基板内にEBG(Electromagnetic Band Gap)構造を設けることが考案されている。しかし、EBG構造の場合、遮断帯域を低い周波数領域(6GHz以下)に設定した場合、EBG構造が大きくなり、回路基板等が小型化できないという問題が残っている。
特開2010−130095号公報
本発明が解決しようとする課題は、低い周波数領域で優れた遮断特性を備えるEBG構造体およびこれを用いた半導体デバイスおよび回路基板を提供することにある。
実施形態のEBG構造体は、電極面と、前記電極面上に設けられる第1の絶縁層と、前記第1の絶縁層上に設けられる第1の金属パッチと、前記第1の絶縁層上に、前記第1の金属パッチに隣接して設けられる第2の金属パッチと、前記第1および第2の金属パッチ上に設けられる第2の絶縁層と、前記第2の絶縁層上に設けられ、第1の開口部と第2の開口部を有する配線層と、前記配線層上に設けられる第3の絶縁層と、前記電極面、および、前記第1の金属パッチに接続され、前記第1の開口部を貫通する第1のビアと、前記電極面、および、前記第2の金属パッチに接続され、前記第2の開口部を貫通する第2のビアと、を備える。
第1の実施形態のEBG構造体の模式断面図である。 第1の実施形態のEBG構造体の構成要素の模式上面図である。 第1の実施形態の金属パッチの別の形態を示す図である。 EBG構造体の作用の説明図である。 第1の実施形態の効果を示す図である。 第1の実施形態の効果を示す図である。 第1の実施形態のシミュレーションに用いた構造の模式図である。 第2の実施形態のEBG構造体の構成要素の模式上面図である。 第2の実施形態の効果を示す図である。 比較形態のEBG構造体の模式断面図である。 比較形態のEBG構造体の構成要素の模式上面図である。 第3の実施形態のEBG構造体の配線層の模式上面図である。 第4の実施形態の回路基板の模式断面図である。 第5の実施形態の半導体デバイスの模式断面図である。
本明細書中、「半導体デバイス(semiconductor device)」とは、SOC(system on chip)を含む半導体チップのみならず、例えば、複数の半導体チップを樹脂で接着し、相互のチップ間を配線層で接続する半導体部品、いわゆる疑似SOC(pseudo system on chip)も包含する概念である。
本明細書中、「半導体部品(semiconductor component)」とは、半導体デバイスが封止された半導体パッケージのみならず半導体デバイスが封止されていない状態のいわゆるベアチップも包含する概念である。
本明細書中、「電子部品(electronic component)」とは、半導体部品や、アンテナ、コンデンサまたは抵抗等の受動部品等、電子的に機能する部品全般を包含する概念とする。
本明細書中、「プリント配線板(printed wiring board)」とは、導電体のプリント配線を形成した板であり、電子部品が実装されていない状態のもの、いわゆるベアボードを意味する。
本明細書中、「回路基板(circuit board)」とは、プリント配線板に電子部品が実装された状態のものを意味する。
(第1の実施形態)
本実施形態のEBG(Electromagnetic Band Gap)構造体は、電極面と、電極面上に設けられる第1の絶縁層と、第1の絶縁層上に設けられる第1の金属パッチと、第1の絶縁層上に、第1の金属パッチに隣接して設けられる第2の金属パッチと、第1および第2の金属パッチ上に設けられる第2の絶縁層と、第2の絶縁層上に設けられ、第1の開口部と第2の開口部を有する配線層と、配線層上に設けられる第3の絶縁層と、電極面、および、第1の金属パッチに接続され、第1の開口部を貫通する第1のビアと、電極面、および、第2の金属パッチに接続され、第2の開口部を貫通する第2のビアと、を備える。
図1は、本実施形態のEBG構造体の模式断面図である。本実施形態のEBG構造体100は、電極面10、第1の絶縁層12、第1〜第4の金属パッチ14、16、18、20、第2の絶縁層22、配線層24、第3の絶縁層26、第1〜第4のビア34、36、38、40を備える。
図2は、本実施形態のEBG構造体の構成要素の模式上面図である。図2(a)が電極面、図2(b)が金属パッチ、図2(c)が配線層を示す。
電極面10は、導電体である。電極面10は、例えば、平板状である。導電体は、例えば、グラウンド面または電源面である。電極面10は、いわゆるリファレンス面である。電極面10は、例えば、アルミニウム(Al)、Cu(銅)または金(Au)等の金属である。
第1の絶縁層12は、電極面10上に設けられる。第1の絶縁層12は、例えば、樹脂で形成される。
第1の金属パッチ14、第2の金属パッチ16、第3の金属パッチ18、および、第4の金属パッチ20は、第1の絶縁層12上に設けられる。第1〜第4の金属パッチ14、16、18、20は、例えば、アルミニウム(Al)、Cu(銅)または金(Au)等で形成される。
第1の金属パッチ14は、第1の空隙14a、および、櫛状の第1の端部14bを備える。第2の金属パッチ16は、第2の空隙16a、および、櫛状の第2の端部16bを備える。第3の金属パッチ18は、第3の空隙18a、および、櫛状の第3の端部18bを備える。第4の金属パッチ20は、第4の空隙20a、および、櫛状の第4の端部20bを備える。
櫛状の第1の端部14bと櫛状の第2の端部16bが、互いに接触せず、離間した状態で交互にかみ合わされる配置となっている。第2の端部16bと第3の端部18b、第3の端部18bと第4の端部20bも同様に配置される。
図3(a)、図3(b)は、本実施形態の金属パッチの別の形態を示す図である。図3(b)、図3(c)の場合共に、金属パッチは切り欠きを備える。
すなわち、第1の金属パッチ14は、第1の切り欠き14c、および、櫛状の第1の端部14bを備える。第2の金属パッチ16は、第2の切り欠き16c、および、櫛状の第2の端部16bを備える。第3の金属パッチ18は、第3の切り欠き18c、および、櫛状の第3の端部18bを備える。第4の金属パッチ20は、第4の切り欠き18a、および、櫛状の第4の端部20bを備える。
以下、金属パッチの図2(b)の形態をタイプA、図3(a)の形態をタイプB、図3(c)の形態をタイプCと称する。
第2の絶縁層22は、第1の金属パッチ14、第2の金属パッチ16、第3の金属パッチ18、および、第4の金属パッチ20上に設けられる。第2の絶縁層22は、例えば、樹脂で形成される。
配線層24は、第2の絶縁層22上に設けられる。配線層24は、例えば、第1〜第4の金属パッチ14、16、18、20の直上に設けられる。配線層24は、例えば、第1〜第4の金属パッチ14、16、18、20の配列方向に伸長する。配線層24は、信号線である。
配線層24は、第1の開口部44、第2の開口部46、第3の開口部48、および、第4の開口部50を備える。配線層24は、例えば、アルミニウム(Al)、Cu(銅)または金(Au)等で形成される。
第1のビア34は、電極面10および第1の金属パッチ14に接続される。そして、第1のビア34は、配線層24の第1の開口部44を貫通する。
第2のビア36は、電極面10および第2の金属パッチ16に接続される。そして、第2のビア36は、配線層24の第2の開口部46を貫通する。
第3のビア38は、電極面10および第3の金属パッチ18に接続される。そして、第3のビア38は、配線層24の第3の開口部48を貫通する。
第4のビア40は、電極面10および第4の金属パッチ20に接続される。そして、第4のビア40は、配線層24の第4の開口部50を貫通する。
以下、本実施形態の作用および効果について説明する。
図4は、EBG構造体の作用の説明図である。図4(a)が、EBG構造体の一例の模式斜視図、図4(b)が図4(a)の構造の等価回路図である。
図4(a)に示すように、一例としてあげるEBG構造体は、電極面に接続される2本のビアと、2本のビアにそれぞれ接続される2個の金属パッチを備える。このEBG構造体は、いわゆるマッシュルーム構造を備える。金属パッチの直上には、信号線が走る。
図4(b)の等価回路で示すように、EBG構造体は寄生インダクタ成分Lと、寄生キャパシタ成分Cを備えるLC並列共振回路である。EBG構造体は、ストップバンドフィルタとして機能する。
寄生インダクタ成分Lは、主に金属パッチ間の距離、すなわち電気長で決まる。また、寄生キャパシタンス成分は、主に金属パッチ間の容量で決まる。そして、金属パッチ間の容量は、主に、対向する金属パッチの端部の長さ、いわゆるフリンジ長に依存する。
ストップバンドフィルタの遮断周波数を低くするためには、電気長およびフリンジ長を長くする必要がある。このため、例えば、ビアの長さを長くしたり、金属パッチを大きくしたりする必要が生じ、EBG構造体のサイズが大きくなる。
本実施形態では、金属パッチに切り欠きまたは空隙を設けることにより、金属パッチのサイズを変えることなく、実効的な電気長を長くすることが可能となる。また、金属パッチに櫛状の端部を設け、隣接する金属パッチの櫛状の端部がかみ合わされるように配置することで、対向する金属パッチの端部の長さが長くなる。したがって、フリンジ長が長くなり、寄生キャパシタンスが大きくなる。いいかえれば、小さい金属パッチのサイズで、切り欠きまたは空隙、および、櫛状の端部がない金属パッチを用いる場合と、同様の遮断周波数を実現することができる。
図5は、本実施形態の効果を示す図である。金属パッチがタイプA、タイプB、タイプCの場合の通過特性(S21)を示す。通過特性(S21)はシミュレーションによって求めている。
図5に示すように、いずれのタイプでも4GHz近傍に遮断帯域を備えることが分かる。そして、タイプB、タイプCのように切り欠きを設けるタイプが、遮断量が大きくなる。
金属パッチの形状を調整することで、遮断帯域、遮断量の調整が可能である。
図6は、本実施形態の効果を示す図である。図7は、シミュレーションに用いた構造の模式図である。図7(a)が本実施形態の構造、図7(b)はビアが配線層の開口部を貫通せず、金属パッチで止まっている構造、図7(c)は、配線層が金属パッチの直上になく、ビアが配線層の脇を通過する構造である。図7(a)、図7(b)、図7(c)の構造を、それぞれ、ケースA、ケースB、ケースCとする。
図6に示すように、本実施形態のケースAの場合、4GHz近傍に遮断量の大きい遮断帯域を備える。したがって、優れた遮断効果が実現できる。
なお、第1〜第4の金属パッチ14、16、18、20について、切り欠き、または、空隙を設ける場合を例に、説明したが、切り欠き、または、空隙がない形状、例えば、第1〜第4の金属パッチ14、16、18、20を、四角形、円形、その他の形状とすることも可能である。この場合では、配線層をビアが貫通することによる遮断特性の向上効果を得ることができる。
以上、本実施形態によれば、低周波領域で優れた特性を示し、小型化可能なEBG構造体を実現することが可能となる。
(第2の実施形態)
本実施形態のEBG構造体は、電極面が、複数のスリットを有すること以外は第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
図8は、本実施形態のEBG構造体の構成要素の模式上面図である。図8(a)が電極面、図8(b)が金属パッチ、図8(c)が配線層を示す。
本実施形態のEBG構造体では、電極面10に、複数のスリット52が形成されている。スリット52は、例えば、第1のビア34と第2のビア36との間、第2のビア36と第3のビア38との間、第3のビア38と第4のビア40との間に設けられる。
図9は、本実施形態の効果を示す図である。スリットが無い場合(スリット無)、スリットが小さい場合(スリット小)、スリットが大きい場合(スリット大)の場合の通過特性(S21)を示す。通過特性(S21)はシミュレーションによって求めている。
電極面10にスリット52を設け、そのスリット52を大きくすることで、遮断周波数が下がり、かつ、遮断量が大きくなることが分かる。したがって、EBG構造体のサイズを変えることなく、低周波帯域での遮断特性を向上させることが可能となる。
なお、遮断特性を安定させる観点から、複数のスリット52は、周期的に設けられることが望ましい。
以下、本実施形態のEBG構造体の占有面積の縮小効果について説明する。
図10は、比較形態のEBG構造体の模式断面図である。比較形態のEBG構造体900は、電極面60、第1の絶縁層62、第1〜第4の金属パッチ64、66、68、70、第2の絶縁層72、配線層74、第3の絶縁層76、第1〜第4のビア84、86、88、90を備える。
図11は、比較形態のEBG構造体の構成要素の模式上面図である。図11(a)が電極面、図11(b)が金属パッチ、図11(c)が配線層を示す。
比較形態のEBG構造体は、第1〜第4の金属パッチ64、66、68、70が切り欠き、または、櫛状の端部を備えない。また、第1〜第4のビア84、86、88、90は、第1〜第4の金属パッチ64、66、68、70の下層にしかなく、配線層74を貫通しない。また、電極面50には、スリットが形成されない。
本実施形態と比較形態のEBG構造で、4GHzの周波数で、遮断量が−40dBとなるようレイアウトの最適化を行い、占有面積を比較する。本実施形態の場合、占有面積は、25mmとなる。比較形態の場合、占有面積は144mmとなる。したがって、本実施形態によれば、比較形態に比べ、5分の1以下の占有面積で同等の遮断特性を実現できる。
以上、本実施形態によれば、さらに、低周波領域で優れた特性を示し、小型化可能なEBG構造体を実現することが可能となる。
(第3の実施形態)
本実施形態のEBG構造体は、配線層が、金属パッチに対向する幅広部を有すること以外は第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
図12は、本実施形態のEBG構造体の配線層の模式上面図である。配線層24が、第1〜第4の金属パッチ14、16、18、20に対向する領域に幅広部54が形成される。
本実施形態によれば、第1〜第4の金属パッチ14、16、18、20と配線層24の対向する面積が増大し、配線層24とEBG構造体との容量結合を増加させることができる。したがって、遮断量を大きくすることが可能となる。
以上、本実施形態によれば、さらに、低周波領域で優れた特性を示し、小型化可能なEBG構造体を実現することが可能となる。
(第4の実施形態)
本実施形態の回路基板は、第1ないし第3の実施形態に記載のEBG構造体を備える。第1ないし第3の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
図13は、本実施形態の回路基板の模式断面図である。回路基板200は、第1ないし第3の実施形態に記載のEBG構造体を備える。
回路基板200には、プリント配線板上に、複数の電子部品102a、102b、102c、102dが、例えばバンプ部104を介して実装される。電子部品102a、102b、102c、102dは、例えば、ロジックLSI、メモリ等の半導体部品あるいはコンデンサ、抵抗、コイル等の受動部品である。半導体部品は、SOCや疑似SOCであってもかまわない。
プリント配線板内にEBG構造体が形成される。EBG構造体は、電極面10、第1の絶縁層12、第1〜第4の金属パッチ14、16、18、20、第2の絶縁層22、配線層24、第3の絶縁層26、第1〜第4のビア34、36、38、40を備える。
複数の電子部品102a、102b、102c、102dと信号線である配線層24は、例えば、ビア106を介して、電気的に接続される。複数の電子部品102a、102b、102c、102dと電極面10が、図示しないビアで接続されてもかまわない。
本実施形態によれば、低周波領域で優れた特性を示し、小型化可能なEBG構造体を備えることで、低周波領域での動作が安定する回路基板を実現することが可能となる。
(第5の実施形態)
本実施形態の半導体デバイスは、第1ないし第3の実施形態に記載のEBG構造体を備える。第1ないし第3の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
図14は、本実施形態の半導体デバイスの模式断面図である。本実施形態の半導体デバイス300は、複数の半導体チップを樹脂で接着し、相互のチップ間を配線層で接続する半導体部品、いわゆる疑似SOC(pseudo system on chip)である。半導体デバイス300は、第1ないし第3の実施形態に記載のEBG構造体を備える。
疑似SOC300は、複数の半導体チップ114a〜114eを備えている。半導体チップ114a〜114eは樹脂116で相互に接着されている。
半導体チップ114a〜114e上には、半導体チップ114a〜114e相互間を電気的に接続するための多層配線が設けられる。この多層配線層内に、EBG構造体が、多層配線層の配線およびビアを用いて形成される。
EBG構造体は、電極面10、第1の絶縁層12、第1〜第4の金属パッチ14、16、18、20、第2の絶縁層22、配線層24、第3の絶縁層26、第1〜第4のビア34、36、38、40を備える。
半導体チップ114a〜114eと、配線層24は、例えば、ビア118を介して電気的に接続される。また、半導体チップ114a〜114eと、電極面10は、例えば、ビア120を介して電気的に接続される。
本実施形態によれば、低周波領域で優れた特性を示し、小型化可能なEBG構造体を備えることで、低周波領域での動作の安定する半導体デバイスを実現することが可能となる。
なお、実施形態では、金属パッチが4個の場合を例に説明したが、金属パッチは4個には限られず、2個以上であればかまわない。
また、実施形態では、半導体デバイスとして、疑似SOCを例に説明したが、疑似SOCに限らず、その他の半導体デバイスにも本実施形態を適用することは可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換えまたは変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10 電極面
12 第1の絶縁層
14 第1の金属パッチ
14a 第1の空隙
14b 第1の端部
14c 第1の切り欠き
16 第2の金属パッチ
16a 第2の空隙
16b 第2の端部
16c 第2の切り欠き
22 第2の絶縁層
24 配線層
26 第3の絶縁層
34 第1のビア
36 第2のビア
44 第1の開口部
46 第2の開口部
52 スリット
54 幅広部
100 EBG構造体
200 回路基板
300 半導体デバイス

Claims (10)

  1. 電極面と、
    前記電極面上に設けられる第1の絶縁層と、
    前記第1の絶縁層上に設けられる第1の金属パッチと、
    前記第1の絶縁層上に、前記第1の金属パッチに隣接して設けられる第2の金属パッチと、
    前記第1および第2の金属パッチ上に設けられる第2の絶縁層と、
    前記第2の絶縁層上に設けられ、第1の開口部と第2の開口部を有する配線層と、
    前記配線層上に設けられる第3の絶縁層と、
    前記電極面、および、前記第1の金属パッチに接続され、前記第1の開口部を貫通する第1のビアと、
    前記電極面、および、前記第2の金属パッチに接続され、前記第2の開口部を貫通する第2のビアと、
    を備えることを特徴とするEBG構造体。
  2. 前記第1の金属パッチが、第1の切り欠きまたは第1の空隙、および、櫛状の第1の端部を有し、
    前記第2の金属パッチが、第2の切り欠きまたは第2の空隙、および、櫛状の第2の端部を有し、
    前記第1の端部と前記第2の端部が離間してかみ合わされることを特徴とする請求項1記載のEBG構造体。
  3. 前記電極面が、複数のスリットを有することを特徴とする請求項1または請求項2記載のEBG構造体。
  4. 前記配線層が、前記第1の金属パッチ、および、前記第2の金属パッチに対向する幅広部を有することを特徴とする請求項1ないし請求項3いずれか一項記載のEBG構造体。
  5. 前記配線層が、前記第1の金属パッチ、および、前記第2の金属パッチの直上に設けられることを特徴とする請求項1ないし請求項4いずれか一項記載のEBG構造体。
  6. 前記複数のスリットが周期的に設けられることを特徴とする請求項1ないし請求項5いずれか一項記載のEBG構造体。
  7. 前記電極面がグラウンド面、または、電源面であることを特徴とする請求項1ないし請求項6いずれか一項記載のEBG構造体。
  8. 前記配線層が、前記第1の金属パッチ、および、前記第2の金属パッチの配列方向に伸長することを特徴とする請求項1ないし請求項7いずれか一項記載のEBG構造体。
  9. 請求項1ないし請求項8いずれか一項記載のEBG構造体を備える半導体デバイス。
  10. 請求項1ないし請求項8いずれか一項記載のEBG構造体を備える回路基板。
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