JP2017174232A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
複数の動作モードで動作可能であり、例えば、通常のモードと、通常のモードよりも消費
電力が小さいモードで動作可能である。
基板に実装され、複数のダイオードを備えるとともに、第1動作モードと、当該第1動作
モードよりも消費電力が小さい第2動作モードと、を切り替え可能なコントローラと、前
記ダイオードの順方向電圧値を測定可能な検出部と、前記ホストから供給される電源から
第1電圧を生成し、前記コントローラに供給する電源部と、を有し、前記電源部は、前記
第1動作モードから前記第2動作モードに切り替えられる場合において、前記順方向電圧
値が第1値以下の場合、前記第1電圧よりも小さい第2電圧を生成し、前記コントローラ
に供給する。
あくまで例示であり、上記要素が他の表現で表現されることを否定するものではない。ま
た、複数の表現が付されていない要素についても、別の表現で表現されてもよい。
現実のものと異なることがある。また、図面相互間において互いの寸法の関係や比率が異
なる部分が含まれることもある。
図1は、本実施形態に係る半導体装置1の外観を示す。図1において、(a)は平面図
、(b)は下面図、(c)は側面図である。また、図2は、第1実施形態に係る半導体装
置1のシステム構成の一例を示す。図2に示すように、半導体装置1は、ホスト2と接続
される。
、不揮発性メモリ12よりも高速で動作可能な揮発性メモリ14、オシレータ(OSC)
15、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM)16、電源IC(
PMIC:Power Management Integrated Circuit)17、温度センサ18、検出回路1
9、及び抵抗、コンデンサ等のその他の電子部品を有する。
と略す)である。以降の説明では、不揮発性メモリ12を、「NANDメモリ12」とし
て説明するが、不揮発性メモリ12はこれに限らず、例えばMRAM(Magnetoresistive
Random Access Memory)等の、不揮発性の他のメモリでも良い。
以降の説明では、揮発性メモリ14を、「DRAM14」として説明するが、揮発性メモ
リ14はこれに限らず、揮発性の他のメモリでも良い。
ッケージとして実装される。例えばNANDメモリ12の半導体パッケージは、SiP(S
ystem in Package)タイプのモジュールであり、複数の半導体チップが1つのパッケージ
内に封止されている。
り、半導体装置1の外形寸法を規定する。基板11は、第1面11aと、該第1面11a
とは反対側に位置した第2面11bとを有する。尚、本明細書において、基板11を構成
する面の内、第1面11a及び第2面11b以外の面を「側面」と定義する。半導体装置
1において、第1面11a及び第2面11bは、NANDメモリ12、コントローラ13
、DRAM14、オシレータ15、EEPROM16、PMIC17、温度センサ18、
及び抵抗、コンデンサ等のその他の電子部品等が実装される部品実装面である。
た第2縁部11dとを有する。第1縁部11cは、インターフェース部21(基板インタ
ーフェース部、端子部、接続部)を有する。インターフェース部21は、例えば複数の接
続端子21a(金属端子)を有する。インターフェース部21は、ホスト2と電気的に接
続される。インターフェース部21は、該インターフェース部21とホスト2との間で信
号(制御信号及びデータ信号)をやり取りする。
)の規格に則したインターフェースである。すなわち、インターフェース部21とホスト
2との間には、SATAの規格に則した高速信号(高速差動信号)が流れる。半導体装置
1は、インターフェース部21を介してホスト2から電源の供給を受ける。
)やPCIe(PCI−express)、NVMe(Non Volatile Me
mory express)、等の他の規格に則したものでもよい。
にスリット21bが形成されており、ホスト2のコネクタ側に設けられた突起等と嵌まり
合うようになっている。これにより、半導体装置1が表裏逆に取り付けられることを防ぐ
ことができる。
ラ13等に必要な所定電圧を生成する。尚、PMIC17は、ホスト2から供給される電
源の損失を抑えるために、インターフェース部21の近傍に設置されることが望ましい。
また、本実施形態においてPMIC17は、I2C(Inter-Integrated Circuit)やSP
I(Serial Peripheral Interface)、GPIO(General Purpose Input/Output)等で
電圧値を制御可能である。
13は、NANDメモリ12に対するデータの書き込み、読み出し、及び消去を制御する
。さらに、コントローラ13は、NANDメモリ12におけるガーベージコレクション処
理や、ウェアレベリング処理を制御する。
な)データが書き込まれた領域を効率的に使用できるようにするため、不要なデータ以外
のデータを他の物理ブロックに移動させ、移動元の物理ブロックを解放する処理である。
換言すれば、物理ブロック内の有効なデータを他の物理ブロックに書き込み(コピーし)
、移動元の物理ブロックの全てのデータを消去する処理である。
る処理である。例えば、書き換え回数の多いブロックのデータを書き換え回数が少ない他
のブロックに移動させる処理である。また、書き換え頻度の多いデータを書き換え回数の
少ないブロックに移動させ、例えばコンピュータのOSファイル等の書き換え頻度の少な
いデータを書き換え回数の多いブロックに移動させることで、ブロック間の書き換え回数
を平準化しても良い。ウェアレベリング処理の具体的な処理はこれに限られない。
の周期で行われるとするが、これに限らず、ホスト2からのコマンドに応じて処理が行わ
れても良いし、ホスト2からのコマンドに応じたNANDメモリ12に対するデータの書
き込み、読み出し、及び消去が終わる度に処理が行われても良い。
情報の保管やデータのキャッシュなどに用いられる。オシレータ15は、所定周波数の動
作信号をコントローラ13に供給する。EEPROM16は、制御プログラム等を固定情
報として格納している。
、例えば基板11においてコントローラ13の近傍に搭載されるが、温度センサ18の位
置はこれに限らない。さらに温度センサ18は、必ずしも基板11上に設けられる必要は
無く、コントローラ13の機能として設けられても良い。
、温度センサ18によって計測された温度を「半導体装置1の温度」と称しても良い。ま
た、温度センサ18がコントローラ13の近傍に実装された場合、温度センサ18によっ
て計測された温度を「コントローラ13の温度」と称しても良い。
については後述する。
本実施形態ではNANDメモリ12を基板11の第1面11aに2つ(12a及び12b
)、第2面11bに2つ(12c及び12d)が実装された例を示すが、例えばNAND
メモリ12の個数はこれに限定されず、またその場合にNANDメモリ12を含む、基板
11に実装されるすべての部品が第1面11aのみに実装されても良い。
、第2面11bは、部品が実装されない非部品実装面である。この場合、表面から突出し
た基板搭載部品が基板11の両面に実装された場合と比較して、半導体装置1の薄型化を
図ることができ、ひいては半導体装置1が実装されるホスト2の小型化、薄型化を図るこ
ともできる。
トローラ13としての半導体パッケージを開示した断面を示す。コントローラ13は、パ
ッケージ基板41、コントローラチップ42、ボンディングワイヤ43、封止部(モール
ド材)44、及び複数の半田ボール45を有する。NANDメモリ12は、パッケージ基
板31、複数のメモリチップ32、ボンディングワイヤ33、封止部(モールド材)34
、及び複数の半田ボール35を有する。
層、及び内部配線を含み、ボンディングワイヤ33,43及び複数の半田ボール35,4
5等を介してコントローラチップ42と複数のメモリチップ32とを電気的に接続する。
けられている。複数の半田ボール35,45は、例えばパッケージ基板31の第2面31
bに格子状に配置されている。なお、複数の半田ボール35は、パッケージ基板31の第
2面31bの全体にフルで配置される必要はなく、部分的に配置されてもよい。
の固定や、複数のメモリチップ32同士の固定は、マウントフィルム38、48によって
行われる。
手方向の第1縁部13aと、該第1縁部13aの反対側に位置する第2縁部13bと、長
手方向の第3縁部13cと、該第3縁部13cの反対側に位置する第4縁部13dとを有
する。なお、前記第2縁部13bは、コントローラ13と隣り合って基板11上に搭載さ
れたNANDメモリ12側に位置し、前記第1縁部13aは、基板11が有するインター
フェース部21側に位置する。
ボール45aと、第2縁部13b側に存在する半田ボール45bを含む。また、半田ボー
ル35は、コントローラ13側に位置する半田ボール35aと、該半田ボール35aの反
対側に位置する半田ボール35bと、を含む。
の便宜上、一部構成(ロジック回路LC)は詳細な回路図を省略し、ブロックで示す。
Transient Voltage Suppressor Diode)7(7a及び7b)を備える。TVSダイオード
7は、外部から侵入する静電気(ESD:Electro-Static Discharge)を吸収し、各回路
の誤動作を抑制する。
形態において検出回路19は、TSVダイオード7の順方向電圧Vfを取得(検出)する
。
ーラ13は、バッファ131、CPU132(Central Processing Unit)、ホストインタ
ーフェース133、及びメモリインターフェース134を有する。尚、コントローラ13
には前述のように、例えば温度センサ18の機能が設けられても良いし、PMIC17や
検出回路19の機能が設けられても良く、コントローラ13のシステム構成はこれに限定
されない。
際に、一定量のデータを一時的に記憶したり、NANDメモリ12から読み出されるデー
タをホスト2へ送り出す際に、一定量のデータを一時的に記憶したりする。尚、バッファ
131の機能の少なくとも一部を、例えばDRAM14が担っても良い。
から書込コマンド、読出コマンド、消去コマンドを受けてNANDメモリ12の該当領域
に対するアクセスを実行したり、バッファ131を通じたデータ転送処理を制御したりす
る。
電源が供給されている間、常に起動されていても良いし、必要に応じて(例えば、ホスト
からコマンドを受けた時、所定の処理を開始する時、等)適宜起動されても良い。尚、タ
イマ231は必ずしもCPU132(コントローラ13)に設けられる必要は無く、コン
トローラ13とは独立した電子部品として基板11に実装されても良い。さらに、タイマ
231は省略されても良い。
が、必ずしもこれに限らず、複数(例えば、4つ)のCPU132をコントローラ13が
備えても良い。
U132及びバッファ131との間に位置する。ホストインターフェース部133は、コ
ントローラ13とホスト2との間のインターフェース処理を行う。ホストインターフェー
ス部133とホスト2との間には例えばPCIeに則した高速信号が流れる。
ンターフェース部21の方向、すなわち第1縁部13a側に寄せて配置される。この場合
、ホストインターフェース部133と基板11のインターフェース部21との配線を、短
くすることが可能になる。
ーフェース部21の反対方向、すなわち第2縁部13b側に寄せて配置されると、図1か
らも分かるように、コントローラチップの長手方向の長さ分だけ、インターフェース部2
1とホストインターフェース部133とを接続する配線距離も伸びてしまう。配線が長く
なることで、寄生容量、寄生抵抗、及び寄生インダクタンス等が増え、信号配線の特性イ
ンピーダンスの維持が困難になる。また、信号遅延の原因にもなり得る。
ーラ13内において第1縁部31aに寄せて配置されることが望ましく、例えばホスト2
から命令が送られた場合、インターフェース部21はホスト2から信号を受け取り、基板
11の配線パターンから半田ボール45aを介してホストインターフェース部133と信
号のやり取りを行う。これによって半導体装置1の動作安定性の向上が図られる。ただし
、ホストインターフェース部133の位置は、必ずしもこれに限られない。
には、電子部品が実装されないことが望ましい。
距離が長い場合、信号配線のインピーダンス維持が困難になる、また、信号遅延の原因に
なる、などの問題が生じる。よって、ホストインターフェース部133とインターフェー
ス部21とを接続する配線を最短距離で、すなわち直線的に行うために、ホストインター
フェース部133とインターフェース部21との間に電子部品が実装されることは望まし
くない。
る。これらの電子部品がホストインターフェース部133とインターフェース部21との
間に実装されないことで、ホストインターフェース部133とインターフェース部21と
の間で交換される信号がノイズを拾う可能性を低くし、半導体装置1の動作安定性の向上
を図ることができる。
ァ131との間に位置する。メモリインターフェース部134は、コントローラ13とN
ANDメモリ12との間のインターフェース処理を行う。
板11のインターフェース部21とは反対側の方向、すなわち第2縁部13b側に寄せて
配置されている。この場合、メモリインターフェース部134とNANDメモリ12との
配線距離を短くすることが可能になる。
ーンへと伝わり、半田ボール35aからメモリチップ32へと伝えられる。これにより、
配線距離が短くなり、半導体装置1の動作安定性の向上が図られる。
12に関しても基板11の第2縁部寄りに配置されている。このため基板11の第1面1
1aに実装されたコントローラ13から第2面11b側に配線を引き回す上でも、メモリ
インターフェース部134はコントローラ13の第2縁部13b側に位置することが望ま
しい。
Dメモリ12との間にも、電源回路17やDRAM14等が実装されないことが望ましい
。これは、メモリインターフェース部134とインターフェース部21との間で交換され
る信号がノイズを拾う可能性を低くし、半導体装置1の動作安定性の向上を図るためであ
る。
。例えば、前述したSATAの規格に則したインターフェースが半導体装置1に用いられ
る場合、Active,Partial,Slumber,Device Sleep,
といった複数の動作モードが存在する。Activeモードは通常の動作モードであり、
Partial,Slumber,Device Sleep,にかけて、消費電力が小
さい動作モードである。
さい「低消費電力モード」と、を切り替えて動作可能であるとする。尚、本実施形態にお
いて「低消費電力モード」には、例えばSATA規格の半導体装置1においては前述のS
lumberモード、及びDevice Sleepモードが対応し、データのリード/
ライト時を除いた通常状態の約10%以下の消費電力となる。ただし、本実施形態に用い
られるインターフェースの規格はSATAに限らない。他の規格においても、通常状態の
約10%以下の消費電力となる場合を、「低消費電力モード」とする。ただし、電源遮断
時(消費電力が0の場合)は除く。
。図6は、本実施形態に係る半導体装置1の動作のフローチャートを示した図である。尚
、図6は、半導体装置1の動作モードが、通常モードから低消費電力モードに切り替えら
れる場合を説明する。
モードへの切り替えが行われても良いし、半導体装置1が所定の期間、動作(例えば、デ
ータの書き込み、読み出し、及び消去、や、ガーベージコレクション処理及びウェアレベ
リング処理、等)が行われていない場合に低消費電力モードへ切り替えられても良い。尚
、ここでの「所定の期間」は、事前に半導体装置1で設定されていても良いし、ユーザに
よって設定/変更可能な構成でも良い。コントローラ13は、タイマ231を用いて、半
導体装置1の非動作期間を計測/取得する。
VSダイオード7の順方向電圧)を取得する(S101)。尚、検出回路19は、コント
ローラ13からの制御信号よって、必要に応じてVfを取得しても良いし、所定の周期で
Vfを取得していても良い。
(閾値、閾値電圧、第一値)Vthよりも大きいか否かを確認する(S102)。Vfが
Vthよりも大きい(Vf>Vth)場合(S102:Yes)、半導体装置1は低消費
電力モードに切り替えられる(S105)。
電源の少なくとも一部をオフに切り替えるコマンドを、コントローラ13から半導体装置
1のPMIC17へ送信(発行)し、PMIC17の出力をオフにすることで動作モード
(電力モード)を切り替える。また、Device Sleepモードの場合は、CPU
132の電源の少なくとも一部、及びメモリ(NANDメモリ12、DRAM14)の電
源をオフにするコマンドを、コントローラ13からPMIC17に送信(発行)し、PM
IC17の出力をオフにすることで動作モード(電力モード)を切り替える。ここで、P
MIC17は、前述のように、GPIOやI2C等で出力のオンオフの切り替えが可能な
ものとする。
て、コントローラ13が複数のCPU132を備える場合における低消費電力モードでの
動作時には、すべてのCPU132の電源がオフにされる必要は無く、一部のCPU13
2がオンされた状態であっても良い。
に対して電圧変更コマンドを送信(発行)する(S103)。電圧変更コマンドを受領し
たPMIC17は、コントローラ13に供給する電圧(コア電圧、供給電圧)の値を下げ
る(S104)。尚、このときPMIC17は、Vfの値に応じて、例えば設定されたコ
ア電圧に対して1〜10%程度下げる。尚、コア電圧の下げ値はこれに限らない。
モードに移行する(S105)。尚、低消費電力モードから通常モードに移行(復帰)す
る場合、S104で変更されたコア電圧は、初期値に戻しても良い。
13の電力が支配的になる。一方で、コントローラ13は、製作時のシリコンプロセスの
不均一性により、リーク電流が製品毎に異なる場合がある。本発明者らによる試験結果に
よれば、TVSダイオード7の順方向電圧Vfが小さくなるにつれて、消費電力が大きく
なることが分かっている。このため、Vfが所定の値よりも小さい場合、消費電力を所望
の値まで下げることができない虞がある。例えば、SATAの規格に則したインターフェ
ースでは、Device Sleepモードに移行するためには、消費電力を5mW以下
に下げる必要があるが、Vfが所定の値よりも小さい場合には、この規格を満たせない虞
が有る。
fの値が所定の値(Vth)以下の場合(すなわち、消費電力が所定の値より高めの場合
)、PMIC17からコントローラ13への供給電圧を下げる構成である。このため、コ
ントローラ13での消費電力を必要に応じて下げることが可能となり、安定した低消費電
力モードへの移行が可能になる。
ユーザからの制御無しに、前述した電圧制御が可能である。
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。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に含まれる
。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の
発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除
してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
リ、13:コントローラ、14:DRAM、15:オシレータ(OSC)、16:EEP
ROM、17:PMIC、18:温度センサ、19:検出回路、21:インターフェース
部、31:パッケージ基板、32:メモリチップ、33:ボンディングワイヤ、34:封
止部、35:半田ボール、38:マウントフィルム、41:パッケージ基板、42:コン
トローラチップ、43:ボンディングワイヤ、44:封止部、45:半田ボール、48:
マウントフィルム、131:バッファ、132:CPU、133:ホストインターフェー
ス、134:メモリインターフェース、231:タイマ。
Claims (8)
- ホストと接続可能なインターフェースを備えた基板と、
前記基板に実装され、複数のダイオードを備えるとともに、第1動作モードと、当該第
1動作モードよりも消費電力が小さい第2動作モードと、を切り替え可能なコントローラ
と、
前記ダイオードの順方向電圧値を測定可能な検出部と、
前記ホストから供給される電源から第1電圧を生成し、前記コントローラに供給する電
源部と、
を有し、
前記電源部は、前記第1動作モードから前記第2動作モードに切り替えられる場合にお
いて、前記順方向電圧値が第1値以下の場合、前記第1電圧よりも小さい第2電圧を生成
し、前記コントローラに供給する半導体装置。 - 前記コントローラは、前記順方向電圧値が第1値以下の場合、前記電源部に対して、前
記第2電圧を供給させるコマンドを送信する請求項1に記載の半導体装置。 - 前記電源部は、前記順方向電圧値に応じて前記第2電圧の値を決定する請求項2に記載
の半導体装置。 - 前記検出部は、前記第1動作モードから前記第2動作モードに切り替えられる都度、前
記順方向電圧値を測定する請求項3に記載の半導体装置。 - 前記検出部は、所定の周期で前記順方向電圧値を測定する請求項3に記載の半導体装置
。 - 前記第2電圧の値は、前記第1電圧の値よりも最大で10%小さい請求項4又は請求項
5に記載の半導体装置。 - 前記第2動作モードで動作する場合の消費電力が、前記第1動作モードで動作する場合
の消費電力の10%以下である請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の半導体装置
。 - 複数のダイオードを備えるとともに、動作モードの切り替えを制御可能なコントローラ
と、
ホストから供給される電源から第1電圧を生成し、前記ダイオードの順方向電圧値が第
1値以下の場合、前記第1電圧よりも小さい第2電圧を前記コントローラに供給する電源
部と、
を有した半導体装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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