JP2015103764A - マルチチップモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】電源系の伝播雑音を低減する。【解決手段】複数のＬＳＩを搭載したマルチチップモジュールまたはプリント配線基板において、前記複数のＬＳＩは共通の電源を使用しており、前記共通の電源の給電配線は金属配線からなる電源・グランドの平行平板と、同一形状のパターンが繰り返し面内方向に接続された金属配線および金属粉末層からなる平行平板の２種の給電経路を設ける。【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置に関し、特に半導体のマルチチップモジュールやプリント配線基板に関する。
半導体パッケージ製品の高機能化やプリント基板実装面積低減を目的に、複数のＬＳＩを近接して実装するマルチチップモジュール（ＭＣＭ）やＳｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｐａｃｋａｇｅ（ＳｉＰ）が広く利用され始めている。このようなパッケージには計算処理を担うプロセッサや記憶用のメモリのほか、センサなどのアナログＩＣ、長距離伝送用の光ＩＣなど、機能や特徴の異なるものを混在させることが多い。
このとき、電源雑音を低減することが望まれておる。
たとえば、特許文献１ではＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｂａｎｄｇａｐ（ＥＢＧ）構造と呼ばれる周期的な単位配線パターンの繰り返しを有する電源パターンとグランドパターンの平行平板で構成した電源配線層を用いることでＧＨｚ帯の電源雑音を約６０ｄＢ低減する構造を提案している。
特開２００８−１０８５９
複数のＬＳＩを近接して実装するマルチチップモジュール（ＭＣＭ）やＳｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｐａｃｋａｇｅ（ＳｉＰ）のように、計算処理を担うプロセッサや記憶用のメモリのほか、センサなどのアナログＩＣ、長距離伝送用の光ＩＣなど、機能や特徴の異なるものを混在させる実装形態において、ＬＳＩ性能を劣化させる要因として電源雑音の影響が挙げられる。この理由は、（１）単一パッケージ内に複数ＬＳＩを搭載することによる電力密度の増加、（２）単一パッケージ内に複数ＬＳＩを近接配置させることによる伝播雑音の増加、が挙げられる。特に問題となるのは、電源雑音耐性の低いセンサなどのアナログＩＣや超高速伝送用の光ＩＣへの処理ＬＳＩからの電源雑音伝播である。
ノイズを受けることで性能が劣化する回路は、例えば１ＭＨｚ〜ＧＨｚ帯の幅広い周波数範囲でノイズの影響を受けるため，フィルタとしてはより広い範囲の周波数帯域をカバーするものが必要となる。特にＬＳＩパッケージではプリント基板でノイズを落としきれない１０ＭＨｚ〜ＧＨｚの帯域をフィルタリングする構造が必要となる。
そこで、本発明は、例えば１０ＭＨｚからＧＨｚ帯の幅広い周波数範囲で電源系の伝播雑音を低減できる構造をＬＳＩパッケージ内に作り込むことを目的とする。
複数のＬＳＩを搭載したマルチチップモジュールにおいて、前記複数のＬＳＩは共通の電源を使用しており、前記共通の電源の給電配線は金属配線からなる電源・グランドの平行平板と、同一形状のパターンが繰り返し面内方向に接続された金属配線および金属粉末層からなる平行平板の２種の給電経路を設ける。
本発明のさらなる構成、効果は以下明細書全体により明らかになるであろう。
幅広い周波数範囲の電源系の伝播雑音を低減できる構造をＬＳＩパッケージ内に作り込むことが可能となり、パッケージシステムとしてのノイズ耐性向上が実現できる。また該部品を採用したシステムのシステム性能を向上することができる。
本発明の第１の実施例の断面図である。 本発明の第１の実施例のＥＢＧパターンの上面図である。 本発明のＥＢＧパターンの形状バリエーションとフィルタ特性の関係を示した図である。 本発明の第２の実施例の断面図である。 本発明の第３の実施例の断面図である。 本発明の第４の実施例の断面図である。 本発明の信号処理基板、信号処理装置、サーバの図である。
第一の実施例の複数のＬＳＩを同一パッケージに実装したマルチチップモジュールの構成を、図１， 図２および図３に示す。
図１は大電力を消費する処理用ＬＳＩ１−２とノイズに弱いアナログＬＳＩ１−１が隣接して実装されたマルチチップモジュールの断面図を表している。
ＬＳＩパッケージ２は表層に信号配線層を有し、直下はグランド層３−１、さらにその下は電源層５−１，５−２が割り当てられ、以下複数の層を挟んで、下から４層目に電源層５−３、その下にＥＢＧパターンが形成されたグランド層６、最下層の直上の層が金属粉末層４という層構成をとっている。
なお、この層構成は一例であり、たとえば電源層とグランド層の関係を入れ替えても良く、配線層をこれ以外の組合せとしても良い。ただし、構成上の特徴として必須の要件として以下の２点が挙げられる。
（１）２つのＬＳＩで共有している電源のうち、金属配線、例えば銅配線で構成された電源−グランドペア層の電源（またはグランド）の片方がパッケージ内部で互いに分離されている。
（２）２つのＬＳＩで共有している電源のうち、ＥＢＧパターンが形成された配線と金属粉末層で構成された電源−グランドペア層の電源（またはグランド）はパッケージ内部で互いに電気的に接続されている。
またパッケージにバイパスコンデンサが搭載されている場合、バイパスコンデンサへの経路となる伝送路は金属配線、例えば銅配線で構成された電源−グランドペア層が活用されている場合、さらに効果の向上が実現する。
本発明で金属粉末層とは導電性微粒子分散膜を指し、導電性の良好な材料が用いられる。例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、またはグラファイトである。また、導電性微粒子の形状は、長辺方向が５０μｍ以下、短辺方向が１０μｍ以下、厚みが５μｍ以下の粒子形状を主とする。また１０μｍ以下の球形、楕円球体、等方的異形体の形状のものが含まれている場合、さらに効果の向上を奏することができる。
次にＥＢＧパターンの例を図２を用いて説明する。
図２はＥＢＧパターンを上面から見た図である。図２のように同一形状の単位配線パターンが面内方向に繰り返し並ぶ構造をとる。単位配線パターンの典型例として、ここではパッチ型のパターンを示している。広い面積を有する方形のパターン１１（以後ＥＢＧパターン内パッチ部、あるいは単にＥＢＧパッチ部と呼ぶ）と上下左右とそのパッチ部を接続するための配線部１２（(以後ＥＢＧパターン内配線部、あるいは単にＥＢＧ配線部と呼ぶ)で構成される。ＥＢＧパッチ部は1ｍｍ角程度、配線部は幅１００μｍ〜２００μｍ程度である。むろん対象のパッケージの構造や低減したい周波数範囲に合わせてこの形状を変更しても良い。
図３に、図２で示したＥＢＧパターンと金属粉末層で構成された平行平板の電気通過特性Ｓ２１の実測評価結果を示す。主に配線部の形状が異なる３種のパターンについて、その形状とＳ２１の違いを示す。
いずれに場合においても共通といえるＳ２１の特徴として、（１）ＤＣ近傍の低周波の通過特性は０ｄＢ付近であり損失をあまり伴わない、（２）約１０ＭＨｚからＳ２１が急激に低下する５００ＭＨｚ（図３中Ｆ１）付近で−３０ｄＢ前後の損失量となる、（３）ＧＨｚ帯の周波数帯（図３中Ｆ２）で−６０ｄＢ前後の損失量となる。
したがって、ＤＣより高い周波数の雑音は−１０ｄＢ〜−３０ｄＢ程度低減でき、さらにＧＨｚ帯の特定周波数範囲についてはより大きな低減効果（−６０ｄＢ）が得られるフィルタ構造が実現できていることが分かる。
また、ＥＢＧ配線部の長さを変えることで高周波側の−６０ｄＢ前後のフィルタ特性の開始周波数（Ｆ２）を変えられることが図３の（ａ）〜（ｃ）の比較から分かる。配線部を長くしたほうがより高い周波数にＦ２がシフトするため、これを設計パラメータとすれば、より雑音を減らしたい範囲に合わせて−６０ｄＢの帯域阻止フィルタ効果を得ることが可能である。
本発明では特定のパターン形状において、金属ではなく金属粉末層を用いることでノイズ低減の効果を実現することができる。
第２の実施例を図６を用いて説明する。
図６の構成では、ＬＳＩパッケージ直下にあるプリント配線基板を介低い周波数（ＭＨｚ帯）の雑音を低減するためのパッケージ内配線構造を示している。
第１の実施の形体との違いはＬＳＩパッケージのスルーホールＶＩＡの位置にある。
電源雑音に弱いＬＳＩ１−１に対してプリント基板からのノイズ伝播をさけるために、給電経路に必ず本発明の金属粉末ＥＢＧ層を通過するようなＶＩＡ配置としたことが特徴である。具体的には、図６の経路Ａで示したようにＢＧＡボールの先にある電源ＶＩＡ９−１はそのまま上層の電源層に接続されるのではなく、ＬＳＩ１−１に対しては端にある電源ＶＩＡ９−２を介して上層に接続される。このような構成をとることで、基板からの電源電流は金属粉末ＥＢＧ層を通過するためＭＨｚ帯の低周波ノイズをここで低減させることができる。
このとき、電力の大きい処理ＬＳＩ１−２に対してはＢＧＡボール８からＬＳＩに対して最短距離で結ばれるようにＶＩＡ９−３が配置されている。
第３の実施例を図７を用いて説明する。
金属粉末ＥＢＧ層をマルチチップパッケージではなくプリント配線基板に適用した実施例である。図７中２−１、２−２で示したＬＳＩパッケージ間の伝播雑音を低減する構造である。構成上の要件はパッケージの場合と類似するが、以下の通りである。
（１）２つのＬＳＩパッケージで共有している電源のうち、金属配線、例えば銅配線で構成された電源-グランドペア層の電源（またはグランド）の片方がプリント配線基板内部で互いに分離されている。
（２）２つのＬＳＩパッケージで共有している電源のうち、ＥＢＧパターンが形成された銅配線と金属粉末層で構成された電源−グランドペア層の電源（またはグランド）はプリント配線基板内部で互いに電気的に接続されている。
またプリント配線基板上にバイパスコンデンサが搭載されている場合、バイパスコンデンサへの経路となる伝送路は銅配線で構成された電源−グランドペア層が活用されている。場合、さらに効果の向上が実現する。
また、図７のように基板の裏面へコンデンサを搭載する場合、効果を維持するためには金属粉末ＥＢＧパターンにはＶＩＡ接続をしない方が良い。
第４の実施例を図８を用いて説明する。
この例では、ガラスインターポーザ５０を用いたＳｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｐａｃｋａｇｅ （ＳｉＰ）における本発明の活用例を示している。ガラスインターポーザはＳｉインターポーザと同様に、通常の有機基板では配線が困難な５μｍ以下の配線を可能とする配線基板であり、低誘電損失材料で構成されているため高周波用途に向いているとされている。ガラスインターポーザの構成としてはガラスコア材とその片面あるいは両面に形成された配線層（金属層と誘電体層）からなる。ＬＳＩとパッケージの間の電気的な接続を得るために、ガラスインターポーザには多数のＶＩＡ（ＴＧＶ：Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｇｌａｓｓ Ｖｉａ）５４がガラスコア材に形成される。このとき問題になるのが空洞共振による電磁雑音の発生である。ガラスコアが低損失なため、金属膜で両面を覆われたこの構造で共振が発生し、特に電源雑音が大きくなることになる。そこで本実施例ではガラスコア材の上下にＥＢＧ層と金属粉末層を形成したサンドイッチ構造をとることで、ガラスコア部に発生する共振由来の電磁雑音を大幅に低減するものである。
上記各実施例のマルチチップモジュールあるいはプリント基板は単独であるいは組み合わせて用いてもよい。
またこれらマルチチップモジュールあるいはプリント基板を用いることで信号処理基板の性能を向上することができる。
図７中１００は信号処理基板の例である。
さらに該信号処理基板を用いた信号処理装置において、性能を向上することができる。信号処理装置の例を図７の１０１に示す。図７の情報処理装置１０１はバックプレーンあるいはミドルプレーンを介して複数の信号処理基板を接続するいわゆるブレード型の情報処理装置を例として記載している。
さらに、該信号処理装置を用いたサーバで、その性能を向上することができる。サーバの例を図７の１０２に示す。
１−１、 １−２・・・半導体ＬＳＩ
２−１、２−２・・・ＬＳＩパッケージ(マルチチップモジュール)
３−１、 ３−２・・・グランドパターン
４・・・電源パターン金属粉末層
５−１、５−２、５−３・・・ 電源パターン
６・・・ＥＢＧ型グランドパターン
７・・・バンプ
８・・・ＢＧＡボール
９・・・ＶＩＡ
１０−１、１０−２、１０−３、１０−４・・・バイパスコンデンサ
１１・・・ＥＢＧパターン内パッチ部
１２・・・ＥＢＧパターン内配線部
１３・・・プリント基板
５０・・・ガラスインターポーザ
５１・・・ガラスコア
５２・・・ガラスインターポーザ上配線層
５３・・・ガラスインターポーザ内高速信号配線
５４・・・ＴＧＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｇｌａｓｓ Ｖｉａ）
５５・・・ガラス配線層内Ｖｉａ
１００・・・信号処理基板
１０１・・・信号処理装置
１０２・・・サーバ

Claims (19)

  1. 複数のＬＳＩを搭載したマルチチップモジュールにおいて、前記複数のＬＳＩは共通の電源を使用しており、
    前記共通の電源の給電配線は金属配線からなる電源・グランドの平行平板と、
    同一形状のパターンが繰り返し面内方向に接続された金属配線および金属粉末層からなる平行平板の２種の給電経路を有することを特徴とするマルチチップモジュール。
  2. 前記金属粉末層が粒径が１μｍから５０μｍ程度の金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、またはグラファイトの粉末を凝縮して形成されていることを特徴とする請求項１記載のマルチチップモジュール。
  3. 前記繰り返し面内方向に接続された金属配線の基本となるパターンの形状が、正方形または長方形の矩形パターンと、その矩形パターン間を四方に接続するための配線パターンで構成されていることを特徴とする請求項１記載のマルチチップモジュール。
  4. 前記金属配線からなる電源・グランドの平行平板は互いに分離されていることを特徴とする請求項１記載のマルチチップモジュール。
  5. 前記同一形状のパターンが繰り返し面内方向に接続された金属配線および金属粉末層からなる平行平板は連続的に繋がっていることを特徴とする請求項１記載のマルチチップモジュール。
  6. バイパスコンデンサが同一パッケージまたはプリント配線基板に実装されており、
    前記バイパスコンデンサと前記ＬＳＩを繋ぐ給電経路は金属配線からなる電源・グランドの平行平板であることを特徴とする請求項１記載のマルチチップモジュール。
  7. マルチチップモジュールに実装されたＬＳＩは配線接続用のガラスインターポーザを介してパッケージと接続され、
    前記ガラスインターポーザのガラスコア材を挟む金属電極の構成が、同一形状のパターンが繰り返し面内方向に接続された金属配線および金属粉末層からなることを特徴とする請求項１記載のマルチチップモジュール。
  8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のマルチチップモジュールを搭載したことを特徴とする情報処理基板。
  9. 複数のＬＳＩを搭載したプリント配線基板において、前記複数のＬＳＩは共通の電源を使用しており、
    前記共通の電源の給電配線は金属配線からなる電源・グランドの平行平板と、
    同一形状のパターンが繰り返し面内方向に接続された金属配線および金属粉末層からなる平行平板の２種の給電経路を有することを特徴とするプリント配線基板
  10. 前記金属粉末層が粒径が１μｍから５０μｍ程度の金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、またはグラファイトの粉末を凝縮して形成されていることを特徴とする請求項９記載のプリント配線基板
  11. 前記繰り返し面内方向に接続された金属配線の基本となるパターンの形状が、正方形または長方形の矩形パターンと、その矩形パターン間を四方に接続するための配線パターンで構成されていることを特徴とする請求項９記載のプリント配線基板
  12. 前記金属配線からなる電源・グランドの平行平板は互いに分離されていることを特徴とする請求項９記載のプリント配線基板
  13. 前記同一形状のパターンが繰り返し面内方向に接続された金属配線および金属粉末層からなる平行平板は連続的に繋がっていることを特徴とする請求項９記載のプリント配線基板
  14. バイパスコンデンサが同一パッケージまたはプリント配線基板に実装されており、
    前記バイパスコンデンサと前記ＬＳＩを繋ぐ給電経路は金属配線からなる電源・グランドの平行平板であることを特徴とする請求項９記載のプリント配線基板
  15. 前記プリント基板に実装されたＬＳＩは配線接続用のガラスインターポーザを介してパッケージと接続され、
    前記ガラスインターポーザのガラスコア材を挟む金属電極の構成が、同一形状のパターンが繰り返し面内方向に接続された金属配線および金属粉末層からなることを特徴とする請求項９記載のプリント配線基板
  16. 請求項９乃至１５のいずれか１項に記載のプリント配線基板を搭載したことを特徴とする情報処理基板。
  17. 請求項８あるいは請求項１６のいずれか１項に記載の情報処理基板を用いたことを特徴とする信号処理装置。
  18. 請求項８あるいは請求項１６のいずれか１項に記載の情報処理基板を用いたことを特徴とするサーバ。
  19. 前記金属配線が銅配線であることを特徴とする請求項８あるいは請求項１６のいずれかに記載の情報処理基板。
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