JP2015153808A - 半導体チップ、および、半導体モジュール - Google Patents

半導体チップ、および、半導体モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】半導体チップにおいて信号品質を向上させる。
【解決手段】半導体チップは、信号パッド121と、接地パッド122と、信号セル131と、パワーセル132と、信号線124と、接地線125とを具備する。信号パッドは、チップ基板110に設けられる。また、接地パッドは、チップ基板に設けられる。また、信号セルはチップ基板に設けられる。また、接地セルはチップ基板に設けられる。さらに、信号線は、信号セルと信号パッドとを接続し、接地線は、信号線に沿って配線されて接地セルと接地パッドとを接続する。
【選択図】図3

Description

本技術は、半導体チップ、および、半導体モジュールに関する。詳しくは、バンプが設けられた半導体チップ、および、半導体モジュールに関する。
従来より、半導体チップをパッケージ基板に実装する際には、ワイヤボンディング方式や、フリップチップ実装方式などの様々な実装技術が用いられる。ここで、ワイヤボンディング方式は、導電性のワイヤを用いて、半導体チップおよびパッケージ基板に設けられた電極同士を接続する方式である。一方、フリップ実装方式は、ワイヤでなく、半導体チップ上に2次元格子状に設けられたバンプと呼ばれる突起状の端子によって、半導体チップをパッケージ基板に接続する方式である。このフリップチップ実装方式は、ワイヤボンディング方式に比べて実装面積を小さくでき、電気的特性がよいという特徴をもつため、小型であることや、電気特性が良好であることが優先される際によく用いられる。
このフリップ実装方式に用いる半導体チップとして、半導体チップの中心軸の近傍に入出力セルを設け、その入出力セルにバンプを接続した半導体チップが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。この半導体チップには、電源線を介して接続される電源バンプと、接地線を介して接続される接地バンプと、信号線を介して接続される信号バンプとが設けられる。この接地バンプは、中心軸の近傍に配置され、信号バンプは、その中心軸から離れた位置に配置される。
特開2003−264256号公報
しかしながら、上述の従来技術では、信号バンプと接地バンプとが離れて配置されているため、それらのバンプに接続される信号線と接地線とからなるループコイルのインダクタンスが大きくなり、信号品質が低下するおそれがある。また、電源バンプや接地バンプの個数を少なくするほど、電源品質が低下し、結果的に、この信号品質の低下が大きくなってしまうという問題がある。
本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、半導体チップにおいて信号品質を向上させることを目的とする。
本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第1の側面は、
チップ基板に設けられた信号端子と、上記チップ基板に設けられた接地端子と、上記チップ基板に設けられた信号セルと、上記チップ基板に設けられた接地セルと、上記信号セルと上記信号端子とを接続する信号線と、上記信号線に沿って配線されて上記接地セルと上記接地端子とを接続する接地線とを具備する半導体チップである。これにより、信号線に沿って配線された接地線により接地セルと接地端子とが接続されるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記チップ基板に設けられた電源端子と、上記チップ基板に設けられた電源セルと、上記接地線に沿って配列されて上記電源端子と上記電源セルとを接続する電源線とをさらに具備し、上記信号端子は、上記接地端子よりも上記チップ基板の外周に近い位置に設けられ、上記接地端子は、上記電源端子よりも上記チップ基板の外周に近い位置に設けられてもよい。これにより、接地端子よりもチップ基板の外周に近い位置に信号端子が設けられ、電源端子よりもチップ基板の外周に近い位置に接地端子が設けられるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記チップ基板において上記接地セルは複数設けられ、上記接地セルのそれぞれに共通に上記接地端子が接続されてもよい。これにより、複数の接地セルのそれぞれに共通に接地端子が接続されるという作用をもたらす。
また、本技術の第2の側面は、上記チップ基板に設けられた信号端子と、上記チップ基板に設けられた接地端子と、上記チップ基板に設けられた信号セルと、上記チップ基板に設けられた接地セルと、上記信号セルと上記信号端子とを接続する信号線と、上記信号線に沿って配線されて上記接地セルと上記接地端子とを接続する接地線とを備える半導体チップと、上記接地端子に接続された接地パッドと、上記電源端子に接続された電源パッドとを備える半導体パッケージとを具備する半導体モジュールである。これにより、信号線に沿って配線された接地線により接地セルと接地端子とが接続されるという作用をもたらす。
また、この第2の側面において、上記半導体チップは、上記チップ基板に設けられた電源端子をさらに備え、上記半導体パッケージは、上記電源端子に接続された電源パッドと、上記信号パッドに接続された信号線が配線された信号線配線層と、上記接地パッドに接続された接地線が配線された接地線配線層と、上記電源パッドに接続された電源線が配線された電源線配線層とを備え、上記接地線配線層は、上記信号線配線層と上記電源線配線層との間に設けられてもよい。これにより、信号線配線層と電源線配線層との間に接地線配線層が設けられるという作用をもたらす。
また、この第2の側面において、上記半導体パッケージは、上記信号線配線層と上記接地線配線層とを接続する第1のビアと、上記接地線配線層を貫通して上記信号線配線層と上記電源線配線層とを接続する第2のビアとをさらに備えてもよい。これにより、信号線配線層と接地線配線層とが第1のビアにより接続され、信号線配線層と電源線配線層とが第2のビアにより接続されるという作用をもたらす。
また、この第2の側面において、上記半導体パッケージは、上記信号パッドに接続された信号電極と上記接地パッドに接続された接地電極と上記電源パッドに接続された電源電極とを設けた電極層をさらに備え、上記信号電極は、上記接地電極よりも上記電極層の外周に近い位置に設けられ、上記接地電極は、上記電源電極よりも上記電極層の外周に近い位置に設けられてもよい。これにより、接地電極よりも電極層の外周に近い位置に信号電極が設けられ、電源電極よりも電極層の外周に近い位置に接地電極が設けられるという作用をもたらす。
本技術によれば、信号品質を向上させることができるという優れた効果を奏し得る。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
第1の実施の形態における半導体モジュールの断面図の一例である。 第1の実施の形態におけるチップ基板の平面図の一例である。 第1の実施の形態におけるチップ基板の拡大図の一例である。 第1の実施の形態における電源バンプを削減したチップ基板の拡大図の一例である。 第1の実施の形態におけるIOセル配列の位置を変更したチップ基板の拡大図の一例である。 第1の実施の形態におけるパッケージ基板の上面図の一例である。 第1の実施の形態における半導体パッケージの断面図の一例である。 第1の実施の形態におけるパッケージ基板の斜視図の一例である。 第1の実施の形態における電極層の平面図の一例である。
以下、本技術を実施するための形態(以下、実施の形態と称する)について説明する。説明は以下の順序により行う。
1.第1の実施の形態(信号線に沿って接地線を配線した例)
<1.第1の実施の形態>
[半導体モジュールの構成例]
図1は、第1の実施の形態における半導体モジュールの断面図の一例である。この半導体モジュールは、半導体チップ100と半導体パッケージ300とを備える。
半導体チップ100は、チップ基板110と、複数のバンプパッドと、それぞれのバンプパッド上に設けられたバンプとを備える。このチップ基板110の表面にはバンプパッドとして、信号線が接続される信号パッド121と、グランド線が接続される接地パッド122と、電源線が接続される電源パッド123とが設けられる。また、バンプとして、信号線を介して信号パッド121に接続される信号バンプ141と、接地線を介して接地パッド122に接続される接地バンプ142と、電源線を介して電源パッド123に接続される電源バンプ143とが設けられる。なお、信号バンプ141、接地バンプ142および電源バンプ143は、それぞれ特許請求の範囲に記載の信号端子、接地端子および電源端子の一例である。
また、半導体パッケージ300は、パッケージ基板350と複数のバンプパッドと複数のボール電極とを備える。このパッケージ基板350の両面のうち、半導体チップ100が接続される面を、以下「上面」とし、そうでない面を「下面」と称する。パッケージ基板350の上面にはバンプパッドとして、信号バンプ141に接続される信号パッド311と、接地バンプ142に接続される接地パッド312と、電源バンプ143に接続される電源パッド313とが設けられる。
一方、パッケージ基板350の下面には、ボール電極として、電源電極343、接地電極342および信号電極341が設けられる。電源電極343は、電源線を介して電源パッド313に接続されるボール電極である。また、接地電極342は、接地線を介して接地パッド312に接続されるボール電極である。信号電極341は、信号線を介して信号パッド311に接続されるボール電極である。
上述の半導体チップ100を半導体パッケージ300に実装する際には、半導体チップ100のバンプが設けられた面が半導体パッケージ300に押し当てられる。そして加圧処理や加熱処理により半導体チップ100のバンプが溶融し、半導体パッケージ300のバンプパッドと接続される。このように、バンプを介して半導体チップを半導体パッケージなどの基板に実装する方式は、フリップチップ実装方式と呼ばれる。また、半導体パッケージ300の下面は、リフロー方式等により、プリント基板などに接続される。
[チップ基板の構成例]
図2は、第1の実施の形態におけるチップ基板110の平面図の一例である。このチップ基板110には、複数の信号パッド121と複数の接地パッド122と複数の電源パッド123とIO(Input Output)セル配列130とが設けられる。同図において、斜線を施した丸印は、電源パッド123を示し、黒で塗り潰した丸印は、接地パッド122を示し、白の丸印は、信号パッド121を示す。これらの信号パッド121、接地パッド122および電源パッド123は、例えば、2次元格子状に配列される。なお、チップ基板110には、信号線、電源線および接地線が配線されているが、記載の便宜上、これらの配線は同図において省略されている。
また、IOセル配列130には、チップ基板の外周に沿って複数のIOセルが配列される。また、信号パッド121のそれぞれは、接地パッド122および電源パッド123よりもチップ基板110の外周に近い位置に設けられる。また、接地パッド122は、電源パッド123よりもチップ基板110の外周に近い位置に設けられる。言い換えれば、チップ基板110の中央から外周へ向かって、電源パッド123、接地パッド122および信号パッド121の順に配置される。
これらの信号パッド121の一部は、IOセル配列130の上部に配置されてもよい。図2では、例えば、信号パッド121が外周に沿って3列設けられ、外周に近い方の2列が、IOセル配列130の上部に配置されている。
図3は、第1の実施の形態におけるチップ基板110の拡大図の一例である。同図の右端の太線は、チップ基板110の外周を表す。IOセル配列130には、チップ基板110の外周に沿って、信号セル131と、パワーセル132および133とが配列される。また、信号パッド121、接地パッド122および電源パッド123が設けられ、信号線124、接地線125および電源線126が配線される。
信号セル131は、信号を半導体チップ100の内部の回路に入出力するためのIOセルである。この信号セル131は、信号パッド121のいずれかに対応付けられ、対応する信号パッド121と信号線124を介して接続される。
前述したように、信号パッド121は、接地パッド122および電源パッド123よりチップ基板110の外周に近い位置に設けられているため、信号線124の配線引き出しを、接地線125や電源線126が妨げることが少なくなる。したがって、信号線124の配線が容易となり、信号数を増加することが容易になる。
パワーセル132は、接地電位を半導体チップ100の内部の回路に供給するためのIOセルである。このパワーセル132は、接地パッド122のいずれかに対応付けられ、対応する接地パッド122と接地線125を介して接続される。この接地線125は、信号線124に沿って配線される。なお、パワーセル132は、特許請求の範囲に記載の接地セルの一例である。
ここで、信号パッド121と接地パッド122とは、2次元格子状のパッド配列において、隣り合う位置に配置されることが望ましい。また、信号セル131とパワーセル132とは、IOセル配列130において隣り合う位置に配置されることが望ましい。
このように、接地線125を信号線124に沿って配線し、接地パッド122を信号パッド121の隣りに配置し、また、パワーセル132を信号セル131の隣りに配置することにより、信号のインダクタンス成分が低減する。これは、信号パッド121および信号セル131の間の信号経路と、接地パッド122およびパワーセル132の間のリターン経路とからなるループコイルの面積が比較的小さくなるためである。ループコイルの面積が小さいほど、その自己インダクタンスLが小さくなり、その自己インダクタンスに応じたインダクタンス成分(−L・dI/dt)が小さくなる。ここで、dI/dtは、電流の時間変化率である。インダクタンス成分が小さくなることにより、電源品質や高速応答性などが良好になる。
また、少なくとも1つ以上の接地パッド122には、2つのパワーセル132が対応付けられ、それらのパワーセル132に共通に接続される。対応する2つのパワーセル132は、IOセル配列130において、信号セル131を挟む位置に配列される。
このように、1つの接地パッド122を複数のパワーセル132に共通に接続することにより、IOセル当たりのバンプ数を削減することができる。
また、パワーセル133は、接地電位より高い電源電位を半導体チップ100の内部の回路に供給するためのIOセルである。このパワーセル133は、電源パッド123のいずれかに対応付けられ、対応する電源パッド123と電源線126を介して接続される。この電源線126は、接地線125に沿って配線される。なお、パワーセル133は、特許請求の範囲に記載の電源セルの一例である。
ここで、接地パッド122と電源パッド123とは、2次元格子状のパッド配列において、隣り合う位置に配置されることが望ましい。また、パワーセル132とパワーセル133とは、IOセル配列130において隣り合う位置に配置されることが望ましい。
このように、電源線126を接地線125に沿って配線し、電源パッド123を接地パッド122の隣りに配置し、また、パワーセル133をパワーセル132の隣りに配置することにより、電源インピーダンスや放射性ノイズが低減する。
なお、図4に例示するように、少なくとも1つ以上の電源パッド123に、2つのパワーセル133を対応付けて、それらのパワーセル133に接続してもよい。この場合、対応する2つのパワーセル133は、例えば、IOセル配列130において、信号セル131およびパワーセル132を挟む位置に配列される。
また、チップ基板110においてIOセル配列130の上部に2列の信号パッド121を設けているが、図5に例示するように、その2列からIOセル配列130を離して、これらの列よりもチップ基板110の外周に近い位置に設けてもよい。
[パッケージ基板の構成例]
図6は、第1の実施の形態におけるパッケージ基板350の上面図の一例である。このパッケージ基板350の上面には、信号パッド311、接地パッド312および電源パッド313が、半導体チップ100側のバンプと対応する位置に設けられる。また、電源パッド313に接続された電源線318と、信号パッド311に接続された信号線319とが配線される。
図7は、第1の実施の形態における半導体パッケージ300の断面図の一例である。パッケージ基板350は、信号線配線層310、接地線配線層320、電源線配線層330および電極層340を備える。
信号線配線層310は、両面のうち一方が半導体パッケージ300の上面となる層であり、その上面に信号パッド311、接地パッド312および電源パッド313が設けられ、信号線319が配線される。
接地線配線層320は、信号線配線層310と電源線配線層330との間に設けられ、接地線329が配線される層である。この接地線配線層320は、ビア321を介して信号線配線層310に接続される。このビア321は、接地パッド312の直下に設けられ、接地線配線層320において接地線329が接続される。なお、ビア321は、特許請求の範囲に記載の第1のビアの一例である。
電源線配線層330は、電源線339が配線される層である。この電源線配線層330は、接地線配線層320を貫通するビア331を介して信号線配線層310に接続される。このビア331は、電源パッド313の直下に設けられ、電源線配線層330において電源線339が接続される。なお、ビア331は、特許請求の範囲に記載の第2のビアの一例である。
このように、信号線配線層310と電源線配線層330との間に接地線配線層320を設けることにより、電源線339および信号線319の一方から放射された電磁波により、他方に生じる放射ノイズを低減することができる。これは、電源線339および信号線319の間に設けられた接地線329が、電磁波を抑制するシールドとして機能するためである。
また、電極層340は、両面のうち一方が半導体パッケージ300の下面となる層であり、その下面に信号電極341、接地電極342および電源電極343のボール電極が設けられる。これらのボール電極は、電源線配線層330や接地線配線層320を介して配線された信号線、接地線および電源線により、対応するバンプパッドと接続される。
図7に例示したように、ビア321および331により、信号線配線層310を接地線配線層320および電源線配線層330に接続することにより、電源パッド313および接地パッド312から、対応するボール電極までの経路を短くすることができる。このため、電源インピーダンスを低減することができる。
図8は、第1の実施の形態におけるパッケージ基板350の斜視図の一例である。同図において、接地線329が配線された接地線配線層320は、実線により表されている。また、ビア321および331と、信号線319が配線された信号線配線層310とは点線により表されている。同図に示すように、これらの層は、ビア321を介して接続されている。
図9は、第1の実施の形態における電極層340の平面図の一例である。同図の右端の太線が電極層340の外周を表す。同図において、斜線を施した丸印は、電源電極343を示し、黒で塗り潰した丸印は、接地電極342を示し、白の丸印は、信号電極341を示す。同図に示すように、これらのボール電極は、電極層340において2次元格子状に配列されている。このように、複数のボール電極を2次元格子状に配列した半導体パッケージは、BGA(Ball grid array)パッケージと呼ばれる。
また、電極層340において、信号電極341のそれぞれは、接地電極342および電源電極343よりも電極層340の外周に近い位置に設けられる。また、接地電極342は、電源電極343よりも電極層340の外周に近い位置に設けられる。言い換えれば、電極層340の中央から外周へ向かって、電源電極343、接地電極342および信号電極341の順に配置される。
ここで、接地電極342と電源電極343とは、2次元格子状の電極配列において、隣り合う位置に配置されることが望ましい。これにより、電源インピーダンスを低減することができる。
このように、本技術の第1の実施の形態によれば、接地セルと接地端子とを接続する接地線を信号線に沿って配線したため、信号のインダクタンス成分を小さくすることができる。これにより、信号品質を向上させることができる。
なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
(1)チップ基板に設けられた信号端子と、
前記チップ基板に設けられた接地端子と、
前記チップ基板に設けられた信号セルと、
前記チップ基板に設けられた接地セルと、
前記信号セルと前記信号端子とを接続する信号線と、
前記信号線に沿って配線されて前記接地セルと前記接地端子とを接続する接地線と
を具備する半導体チップ。
(2)前記チップ基板に設けられた電源端子と、
前記チップ基板に設けられた電源セルと、
前記接地線に沿って配列されて前記電源端子と前記電源セルとを接続する電源線と
をさらに具備し、
前記信号端子は、前記接地端子よりも前記チップ基板の外周に近い位置に設けられ、
前記接地端子は、前記電源端子よりも前記チップ基板の外周に近い位置に設けられる
前記(1)記載の半導体チップ。
(3)前記チップ基板において前記接地セルは複数設けられ、前記接地セルのそれぞれに共通に前記接地端子が接続される
前記(1)または(2)に記載の半導体チップ。
(4)チップ基板に設けられた信号端子と、前記チップ基板に設けられた接地端子と、前記チップ基板に設けられた信号セルと、前記チップ基板に設けられた接地セルと、前記信号セルと前記信号端子とを接続する信号線と、前記信号線に沿って配線されて前記接地セルと前記接地端子とを接続する接地線とを備える半導体チップと、
前記接地端子に接続された接地パッドと、前記電源端子に接続された電源パッドとを備える半導体パッケージと
を具備する半導体モジュール。
(5)前記半導体チップは、前記チップ基板に設けられた電源端子をさらに備え、
前記半導体パッケージは、
前記電源端子に接続された電源パッドと、
前記信号パッドに接続された信号線が配線された信号線配線層と、
前記接地パッドに接続された接地線が配線された接地線配線層と、
前記電源パッドに接続された電源線が配線された電源線配線層と
を備え、
前記接地線配線層は、前記信号線配線層と前記電源線配線層との間に設けられる
前記(4)記載の半導体モジュール。
(6)前記半導体パッケージは、
前記信号線配線層と前記接地線配線層とを接続する第1のビアと、
前記接地線配線層を貫通して前記信号線配線層と前記電源線配線層とを接続する第2のビアとをさらに備える
前記(5)記載の半導体モジュール。
(7)前記半導体パッケージは、前記信号パッドに接続された信号電極と前記接地パッドに接続された接地電極と前記電源パッドに接続された電源電極とを設けた電極層をさらに備え、
前記信号電極は、前記接地電極よりも前記電極層の外周に近い位置に設けられ、
前記接地電極は、前記電源電極よりも前記電極層の外周に近い位置に設けられる
前記(5)または(6)記載の半導体モジュール。
100 半導体チップ
110 チップ基板
121、311 信号パッド
122、312 接地パッド
123、313 電源パッド
130 IOセル配列
131 信号セル
132、133 パワーセル
141 信号バンプ
142 接地バンプ
143 電源バンプ
300 半導体パッケージ
310 信号線配線層
320 接地線配線層
321、331 ビア
330 電源線配線層
340 電極層
341 信号電極
342 接地電極
343 電源電極
350 パッケージ基板

Claims (7)

  1. チップ基板に設けられた信号端子と、
    前記チップ基板に設けられた接地端子と、
    前記チップ基板に設けられた信号セルと、
    前記チップ基板に設けられた接地セルと、
    前記信号セルと前記信号端子とを接続する信号線と、
    前記信号線に沿って配線されて前記接地セルと前記接地端子とを接続する接地線と
    を具備する半導体チップ。
  2. 前記チップ基板に設けられた電源端子と、
    前記チップ基板に設けられた電源セルと、
    前記接地線に沿って配列されて前記電源端子と前記電源セルとを接続する電源線と
    をさらに具備し、
    前記信号端子は、前記接地端子よりも前記チップ基板の外周に近い位置に設けられ、
    前記接地端子は、前記電源端子よりも前記チップ基板の外周に近い位置に設けられる
    請求項1記載の半導体チップ。
  3. 前記チップ基板において前記接地セルは複数設けられ、前記接地セルのそれぞれに共通に前記接地端子が接続される
    請求項1記載の半導体チップ。
  4. チップ基板に設けられた信号端子と、前記チップ基板に設けられた接地端子と、前記チップ基板に設けられた信号セルと、前記チップ基板に設けられた接地セルと、前記信号セルと前記信号端子とを接続する信号線と、前記信号線に沿って配線されて前記接地セルと前記接地端子とを接続する接地線とを備える半導体チップと、
    前記接地端子に接続された接地パッドと、前記電源端子に接続された電源パッドとを備える半導体パッケージと
    を具備する半導体モジュール。
  5. 前記半導体チップは、前記チップ基板に設けられた電源端子をさらに備え、
    前記半導体パッケージは、
    前記電源端子に接続された電源パッドと、
    前記信号パッドに接続された信号線が配線された信号線配線層と、
    前記接地パッドに接続された接地線が配線された接地線配線層と、
    前記電源パッドに接続された電源線が配線された電源線配線層と
    を備え、
    前記接地線配線層は、前記信号線配線層と前記電源線配線層との間に設けられる
    請求項4記載の半導体モジュール。
  6. 前記半導体パッケージは、
    前記信号線配線層と前記接地線配線層とを接続する第1のビアと、
    前記接地線配線層を貫通して前記信号線配線層と前記電源線配線層とを接続する第2のビアとをさらに備える
    請求項5記載の半導体モジュール。
  7. 前記半導体パッケージは、前記信号パッドに接続された信号電極と前記接地パッドに接続された接地電極と前記電源パッドに接続された電源電極とを設けた電極層をさらに備え、
    前記信号電極は、前記接地電極よりも前記電極層の外周に近い位置に設けられ、
    前記接地電極は、前記電源電極よりも前記電極層の外周に近い位置に設けられる
    請求項5記載の半導体モジュール。
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