JP2024041688A - semiconductor equipment - Google Patents
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Abstract
【課題】三次元積層型半導体装置の提供。【解決手段】異なるXY座標平面上に電極端子60を有する複数の半導体デバイス511~513、521からなる複数の半導体デバイス群51、52を電気的に接続した半導体装置1は、1つのXY座標平面上に設置した任意の半導体デバイスの電極端子と接続する複数の電気端子212と任意の電気端子間を接続する導電性パターン213とが1つの誘電体シート311上に設置された平面方向配線装置21、22、1つの誘電体シート上に垂直方向Zに開放端を有し任意の半導体デバイスの複数の電極端子と接続する端子配列312と端子配列から継続する複数の導電性パターン313とを有する配線パターン群315、半導体デバイス群の電極端子占有平面外の空間に、少なくとも垂直方向に伸長する複数の導電性パターン314を含む配線パターン群316及び各配線パターン群を電気的に接続した垂直方向配線装置31、32を含む。【選択図】図1[Problem] To provide a three-dimensional stacked semiconductor device. [Solution] A semiconductor device 1 electrically connecting a plurality of semiconductor device groups 51, 52 consisting of a plurality of semiconductor devices 511-513, 521 having electrode terminals 60 on different XY coordinate planes includes planar wiring devices 21, 22 on one dielectric sheet 311, on which a plurality of electrical terminals 212 connecting with electrode terminals of any semiconductor device placed on one XY coordinate plane and a conductive pattern 213 connecting between the arbitrary electrical terminals are placed, a wiring pattern group 315 on one dielectric sheet, having a terminal array 312 having open ends in the vertical direction Z on the one dielectric sheet and connecting with a plurality of electrode terminals of any semiconductor device and a plurality of conductive patterns 313 continuing from the terminal array, a wiring pattern group 316 including a plurality of conductive patterns 314 extending at least in the vertical direction in a space outside the plane occupied by the electrode terminals of the semiconductor device group, and vertical wiring devices 31, 32 electrically connecting each wiring pattern group. [Selected Figure] FIG.
Description
本発明は、複数の半導体デバイスを接続搭載する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a plurality of semiconductor devices are connected and mounted.
IoT、AI、5G社会の到来と共に、これらに適用すべき半導体の多機能化、高機能化、小型化、低価格化が要求されている。このような要求を満たすべく、様々な半導体デバイスの実装形態が紹介されている。三次元(3D)積層と呼ばれているThrough-Silicon Via(TSV:シリコン貫通ビア)による垂直配線は、主としてDRAM等の同種のIC間接続に使用されている。一方、異種IC間の接続技術としては、多くは2.5次元(2.5D)積層と呼ばれる方法が一般的で、複数の異種ICを同一パッケージ面に実装してシステム化し、一つのデバイスチップとしたものをSystem In a Package(SiP:システムインパッケージ)と称している。 With the advent of IoT, AI, and 5G society, semiconductors to be applied to these industries are required to have multiple functions, higher functionality, smaller size, and lower cost. In order to meet such demands, various semiconductor device mounting forms have been introduced. Vertical wiring using through-silicon vias (TSVs), which is called three-dimensional (3D) stacking, is mainly used for connections between ICs of the same type, such as DRAMs. On the other hand, the most common connection technology between different types of ICs is a method called 2.5-dimensional (2.5D) stacking, in which multiple different types of ICs are mounted on the same package surface to form a system and form one device chip. This is called a System in a Package (SiP).
SiPのさらなる高密度化・小型化を実現するパッケージング技術としては、上下間をTSV技術により導通可能にし、微細配線を備えたシリコン等を基材としたインターポーザをICチップ側の微細端子接続・配線手段とし、さらに有機基材によるビルドアップ配線板等で装置PCB側に接続する方法が多く採用されている(特許文献1)。さらに、シリコンブリッジと呼ばれている複数IC相互間の高密度信号接続のみにシリコン基板による高密度配線技術を適用し、それらのシリコン基板を有機材基板に埋め込み、電源・装置インターフェース信号等を有機基板内の配線が担う方法等(特許文献2)が実用化されている。 Packaging technology to achieve even higher density and miniaturization of SiP uses TSV technology to enable conduction between the upper and lower sides, and uses an interposer made of silicon or other material with fine wiring to connect fine terminals on the IC chip side. In many cases, a method is adopted in which a build-up wiring board or the like made of an organic base material is used as a wiring means to connect to the device PCB side (Patent Document 1). Furthermore, we apply high-density wiring technology using silicon substrates only to high-density signal connections between multiple ICs called silicon bridges, and embed these silicon substrates in organic material substrates to connect power supply and device interface signals, etc. A method using wiring within the board (Patent Document 2) has been put into practical use.
このように、SiPの高密度化・小型化を実現する手段としては、
▲1▼ICチップ側の微細端子接続及び微細な再配線を実現する手段としての薄膜ウェハプロセス、
▲2▼シリコン基板上下の伝達手段としてのTSV技術、
▲3▼配線ピッチを広げ装置PCB端子へ接続する手段としてのビルドアップ有機基板技術
の選択、組合せによるものが主流となっている。 In this way, as a means to realize higher density and smaller size of SiP,
▲1▼Thin film wafer process as a means of realizing fine terminal connections and fine rewiring on the IC chip side,
▲2▼TSV technology as a means of transmission between the top and bottom of the silicon substrate,
▲3▼ The mainstream is to select and combine build-up organic substrate technologies as a means of increasing the wiring pitch and connecting to the device PCB terminals.
しかしながら、特許文献1又は特許文献2に代表される従来の方法の特徴と問題点は、以下に示すようなものとなる。
1つには、搭載すべきIC数が増加し又は入出力(I/O)端子数が増加し高密度になるほど、端子間の配線数を増加させるか、又はより多層化せざるを得ないため、製造コストの増大につながるものである。
又、上記端子間配線数を増やすためには配線の微細化(例えば配線幅2μmクラス)が必要であり、そのためにはウェハプロセスによる製造工程を使用せざるを得ず、又、シリコン基板における表裏面の接続手段としてTSV技術が必須となり、製造コストの増大と歩留まりの低下につながる。
さらに、ウェハプロセスやTSV技術による配線基板と、有機基板技術による基板とを組み合わせることにより、特性の劣化や製造コストの増加、及び異種製造工程の混在による開発及び製造の長納期化にもつながっている。 However, the characteristics and problems of the conventional methods typified by
For one thing, as the number of ICs to be mounted increases or the number of input/output (I/O) terminals increases and the density increases, the number of wiring between terminals must increase or the number of layers must increase. This leads to an increase in manufacturing costs.
In addition, in order to increase the number of wires between the terminals, it is necessary to miniaturize the wires (for example, to a wire width of 2 μm class), which requires the use of a wafer manufacturing process, and the surface area of the silicon substrate. TSV technology is essential as a connection means on the back side, leading to increased manufacturing costs and decreased yield.
Furthermore, combining a wiring board made using wafer process or TSV technology with a board made using organic substrate technology can lead to deterioration of characteristics, increased manufacturing costs, and longer delivery times for development and manufacturing due to the mixture of different manufacturing processes. There is.
一方、電鋳、いわゆるメッキ手法による微細形状形成技術は、近年では広範囲の分野への応用が開発されている。多数の半導体デバイス端子間を接続する手段として、半導体デバイス端子配列平面に対し、垂直方向に突出した端子及び配線を有する配線パターンシートと、半導体デバイス外部の共通配線を有する配線パターンシートとを接続することにより、複数の半導体デバイス間を水平方向又は垂直方向のいずれにも接続可能とする方法が報告されている(特許文献3,特許文献4)。当該発明は微細配線を可能としながら配線基板の多層化を排除する利点を有するものである。しかしながら、本方式によれば、同一平面上で交差する配線に対応し難いという問題があった。 On the other hand, electroforming, a technology for forming fine shapes using so-called plating techniques, has recently been developed to be applied to a wide range of fields. As a means for connecting a large number of semiconductor device terminals, a wiring pattern sheet having terminals and wiring protruding perpendicularly to the semiconductor device terminal array plane and a wiring pattern sheet having common wiring outside the semiconductor device are connected. A method has been reported in which a plurality of semiconductor devices can be connected either horizontally or vertically (Patent Document 3, Patent Document 4). The invention has the advantage of eliminating the need for multilayer wiring boards while making fine wiring possible. However, this method has a problem in that it is difficult to deal with wiring that intersects on the same plane.
さらに、1つの平面上に設置した半導体デバイス端子に接続する複数の電気端子と、それらの電気端子間を接続する導電性パターンとが電鋳又はエッチング加工により形成された配線装置において、2つ以上の導電性パターンの一部がZ方向に段差を有して交差する交差部を有することにより、シリコンプロセスに依存しない微細配線を可能としながら複数の半導体デバイスの接続における配線基板の多層化を排除することにより、高密度な配線装置を低コストで提供するものが紹介されている。(特許文献5)しかしながら、本方式によれば、垂直方向に配線する半導体デバイスには対応し難いという問題があった。 Furthermore, in a wiring device in which a plurality of electrical terminals connected to semiconductor device terminals installed on one plane and a conductive pattern connecting those electrical terminals are formed by electroforming or etching processing, two or more By having an intersection where a part of the conductive pattern intersects with a step in the Z direction, it is possible to create fine wiring that does not depend on the silicon process, while eliminating the need for multilayer wiring boards when connecting multiple semiconductor devices. By doing so, a device that provides a high-density wiring device at low cost has been introduced. (Patent Document 5) However, this method has a problem in that it is difficult to deal with semiconductor devices that are wired in a vertical direction.
本発明は、従来の微細配線の多層基板化の問題点を解決するものであり、垂直方向(Z方向)に異なるXY座標平面上の座標に電極端子を有する複数の半導体デバイスで構成される半導体デバイス群どうしを、平面方向かつ垂直方向に電気的に接続する半導体装置において、複数の半導体デバイスを平面方向に配線接続する手段として、半導体デバイスの電極端子と接続する複数の電気端子と任意の前記電気端子間を接続する導電性パターンとが、電鋳又はエッチング加工により1つの誘電体シート上に形成され、単一の誘電体シート上で複数の交差配線部を含む配線パターンを構成した平面方向配線装置と、複数の半導体デバイスを垂直方向に配線接続する手段として、垂直方向に開放端を有し任意の半導体デバイスの複数の電極端子と接続する端子配列と、前記端子配列から継続する複数の導電性パターンとを有する第1の配線パターン群と、前記半導体デバイス群の電極端子占有平面外の空間に設置し、少なくとも垂直方向に伸長する複数の導電性パターンを含む第2の配線パターン群とから成り、前記第1の配線パターン群と前記第2の配線パターン群とを電気的に接続した構成による垂直方向配線装置とを組み合わせることにより、シリコンプロセスに依存しない微細配線を可能としながら複数の半導体デバイスの接続における配線基板の多層化を排除することにより、高密度な配線装置を低コストで提供することができる。
本発明により、例えば、Central Processing Unit(CPU)、Graphics Processing Unit(GPU)、メモリー等の半導体デバイスを同時に、かつ垂直方向に多段に、すなわち三次元(3D)積層搭載することが可能となり、コンピュータ等のシステム構成において、小型化・低コスト化を実現することができる。 The present invention solves the problem of conventional multilayer substrates with fine wiring, and is a semiconductor device consisting of a plurality of semiconductor devices having electrode terminals at different coordinates on the XY coordinate plane in the vertical direction (Z direction). In a semiconductor device in which a group of devices are electrically connected to each other in a planar direction and a vertical direction, a plurality of electrical terminals connected to electrode terminals of the semiconductor devices and an arbitrary A conductive pattern connecting electrical terminals is formed on one dielectric sheet by electroforming or etching, and a wiring pattern including a plurality of intersecting wiring parts is formed on the single dielectric sheet in a planar direction. A wiring device, a terminal array having a vertically open end and connecting to a plurality of electrode terminals of an arbitrary semiconductor device, and a plurality of terminal arrays continuing from the terminal array as means for vertically interconnecting a plurality of semiconductor devices. a first wiring pattern group having a conductive pattern, and a second wiring pattern group including a plurality of conductive patterns installed in a space outside the plane occupied by the electrode terminals of the semiconductor device group and extending at least in a vertical direction; By combining a vertical wiring device with a configuration in which the first wiring pattern group and the second wiring pattern group are electrically connected, it is possible to perform fine wiring that does not depend on the silicon process, while also making it possible to By eliminating multilayer wiring boards for connecting semiconductor devices, a high-density wiring device can be provided at low cost.
The present invention makes it possible to simultaneously mount semiconductor devices such as a Central Processing Unit (CPU), a Graphics Processing Unit (GPU), and a memory in multiple stages in the vertical direction, that is, in three-dimensional (3D) stacking. In such a system configuration, it is possible to realize downsizing and cost reduction.
本発明は、XY座標平面上の任意の座標に電極端子を有する複数の半導体デバイスで構成される第1の半導体デバイス群と、前記第1の半導体デバイス群を有するXY座標平面に対し垂直方向(Z方向)に異なるXY座標平面上の任意の座標に電極端子を有する複数の半導体デバイスで構成される第2の半導体デバイス群とを電気的に接続した半導体装置において、
前記第1又は第2の半導体デバイス群における複数の半導体デバイスをXY平面方向に電気的に接続する配線装置であって、1つのXY座標平面上に設置した任意の前記半導体デバイスの電極端子と接続する複数の電気端子と任意の前記電気端子間を接続する導電性パターンとが1つの誘電体シート上に設置された平面方向配線装置と、
前記第1の半導体デバイス群における任意の半導体デバイスと、前記第2の半導体デバイス群における任意の半導体デバイスとを垂直方向(Z方向)に電気的に接続する配線装置であって、1つの誘電体シート上に垂直方向に開放端を有し任意の半導体デバイスの複数の電極端子と接続する端子配列と、前記端子配列から継続する複数の導電性パターンとを有する第1の配線パターン群と、前記半導体デバイス群の電極端子占有平面外の空間に設置し、少なくとも垂直方向に伸長する複数の導電性パターンを含む第2の配線パターン群とから成り、前記第1の配線パターン群と前記第2の配線パターン群とを電気的に接続した1つ又は複数の垂直方向配線装置とで構成される手段を有するため、
垂直方向(Z方向)に異なるXY座標平面上の座標に電極端子を有する複数の半導体デバイスで構成される半導体デバイス群どうしを、垂直方向に実装し、かつ、平面方向及び垂直方向に電気的に接続することが可能となる。 The present invention provides a first semiconductor device group composed of a plurality of semiconductor devices having electrode terminals at arbitrary coordinates on an XY coordinate plane, and a direction perpendicular to the XY coordinate plane ( In a semiconductor device electrically connected to a second semiconductor device group consisting of a plurality of semiconductor devices having electrode terminals at arbitrary coordinates on an XY coordinate plane different in the Z direction),
A wiring device that electrically connects a plurality of semiconductor devices in the first or second semiconductor device group in an XY plane direction, the wiring device being connected to an electrode terminal of any of the semiconductor devices installed on one XY coordinate plane. a planar wiring device in which a plurality of electrical terminals and a conductive pattern connecting any of the electrical terminals are installed on one dielectric sheet;
A wiring device that electrically connects an arbitrary semiconductor device in the first semiconductor device group and an arbitrary semiconductor device in the second semiconductor device group in the vertical direction (Z direction), the wiring device including one dielectric material. a first wiring pattern group having a terminal array having an open end in the vertical direction on the sheet and connecting to a plurality of electrode terminals of an arbitrary semiconductor device, and a plurality of conductive patterns continuing from the terminal array; a second wiring pattern group that is installed in a space outside the plane occupied by the electrode terminals of the semiconductor device group and includes a plurality of conductive patterns extending at least in the vertical direction; and one or more vertical wiring devices electrically connected to the wiring pattern group;
A semiconductor device group consisting of a plurality of semiconductor devices having electrode terminals at different coordinates on an XY coordinate plane in the vertical direction (Z direction) is mounted vertically, and electrically connected in the planar and vertical directions. It becomes possible to connect.
又、前記第1又は第2の半導体デバイス群と、第1又は第2の半導体デバイス群を構成するXY座標平面に対し垂直方向(Z方向)にそれぞれ異なるXY座標平面上の任意の座標に電極端子を有する複数の半導体デバイスで構成されるN個(Nは整数)の第3以降の半導体デバイス群とを電気的に接続した半導体装置において、
前記第1若しくは第2若しくは第3以降の何れかの半導体デバイス群における複数の半導体デバイスをXY平面方向に電気的に接続する配線装置であって、1つのXY座標平面上に設置した任意の前記半導体デバイスの電極端子と接続する複数の電気端子と任意の前記電気端子間を接続する導電性パターンとが1つの誘電体シート上に設置された平面方向配線装置と、
前記第1の半導体デバイス群における任意の半導体デバイスと、前記第2の半導体デバイス群における任意の半導体デバイスと、前記第3以降の複数の半導体デバイス群における任意の半導体デバイスとを垂直方向(Z方向)に電気的に接続する配線装置であって、垂直方向に開放端を有し任意の半導体デバイスの複数の電極端子と接続する端子配列と、前記端子配列から継続する複数の導電性パターンとを有する第1の配線パターン群と、前記半導体デバイス占有平面外の空間に設置し、少なくとも垂直方向に伸長する複数の導電性パターンを含む第2の配線パターン群とから成り、前記第1の配線パターン群と前記第2の配線パターン群と前記第3以降の配線パターン群の何れかを電気的に接続した1つ又は複数の垂直方向配線装置とで構成される手段を有するため、
垂直方向(Z方向)に異なるXY座標平面上の座標に電極端子を有する複数の半導体デバイスで構成される半導体デバイス群どうしを、垂直方向に多段に実装し、かつ、平面方向及び垂直方向に電気的に接続することができるため、例えば、CPU、GPU、メモリー等の半導体デバイスを同時に搭載することが可能となり、高機能コンピュータ等のシステム構成において、小型化・低コスト化を実現することができる。 Further, the first or second semiconductor device group and the electrodes are arranged at arbitrary coordinates on different XY coordinate planes in the perpendicular direction (Z direction) to the XY coordinate plane constituting the first or second semiconductor device group. In a semiconductor device electrically connected to a third and subsequent group of N (N is an integer) semiconductor devices each including a plurality of semiconductor devices having terminals,
A wiring device that electrically connects a plurality of semiconductor devices in the first, second, or third and subsequent semiconductor device groups in the XY plane direction, and wherein any of the semiconductor devices installed on one XY coordinate plane a planar wiring device in which a plurality of electrical terminals that connect to electrode terminals of a semiconductor device and a conductive pattern that connects any of the electrical terminals are installed on one dielectric sheet;
Any semiconductor device in the first semiconductor device group, any semiconductor device in the second semiconductor device group, and any semiconductor device in the third and subsequent semiconductor device groups are aligned in the vertical direction (Z direction). ), the wiring device includes a terminal array having a vertically open end and connecting to a plurality of electrode terminals of an arbitrary semiconductor device, and a plurality of conductive patterns continuing from the terminal array. and a second wiring pattern group including a plurality of conductive patterns installed in a space outside the plane occupied by the semiconductor device and extending at least in the vertical direction, the first wiring pattern and one or more vertical wiring devices electrically connecting any of the second wiring pattern group and the third and subsequent wiring pattern groups;
Semiconductor device groups consisting of a plurality of semiconductor devices having electrode terminals at different coordinates on the XY coordinate plane in the vertical direction (Z direction) are mounted in multiple stages in the vertical direction, and electrically connected in the planar and vertical directions. For example, it is possible to mount semiconductor devices such as a CPU, GPU, and memory at the same time, making it possible to realize miniaturization and cost reduction in system configurations such as high-performance computers. .
又、前記平面方向配線装置又は垂直方向配線装置において、前記電気端子及び前記導電性パターンがメッキ又はエッチング加工により形成される手段を有するため、シリコンプロセスに依存しない微細配線を可能としながら高密度な配線装置を低コストで提供することができる。 Further, in the planar wiring device or the vertical wiring device, since the electrical terminal and the conductive pattern are formed by plating or etching, it is possible to achieve fine wiring that does not depend on a silicon process while achieving high density. A wiring device can be provided at low cost.
又、任意の1つの前記平面方向配線装置又は前記垂直方向配線装置において、2つ以上の前記導電性パターンの一部が段差を有して交差する配線交差部を有し、少なくとも前記配線交差部において各々の前記導電性パターン表面に独立して、又は複数の前記導体パターン表面に共通して誘電体膜を有する手段を有するため、単一の誘電体シート上での複数の交差配線が可能となり、従来の基板の多層化を排除できるものである。 Further, in any one of the planar wiring device or the vertical wiring device, a portion of the two or more conductive patterns has a wiring intersection portion that intersects with a step, and at least the wiring intersection portion Since the method has means for providing a dielectric film independently on the surface of each of the conductive patterns or commonly on the surfaces of a plurality of the conductive patterns, a plurality of cross wirings can be formed on a single dielectric sheet. , it is possible to eliminate the need for multiple layers in the conventional substrate.
さらに、任意の1つの前記平面方向配線装置において、前記電気端子の一部又は全部に貫通穴を有する手段を有するため、端子ポストを設置した半導体デバイスの電極端子に挿入できるため、接続が容易になる。 Further, in any one of the planar wiring devices, since a part or all of the electrical terminal has a means for having a through hole, the terminal post can be inserted into the electrode terminal of the semiconductor device installed, so that connection is facilitated. Become.
本発明の配線装置によれば、垂直方向(Z方向)に異なるXY座標平面上の座標に電極端子を有する複数の半導体デバイスで構成される半導体デバイス群どうしを平面方向かつ垂直方向に電気的に接続する半導体装置において、複数の半導体デバイスを平面方向に配線接続する手段として、半導体デバイスの電極端子と接続する複数の電気端子と任意の前記電気端子間を接続する導電性パターンとが、電鋳又はエッチング加工により1つの誘電体シート上に形成され、単一の誘電体シート上で複数の交差配線部を含む配線パターンを構成した平面方向配線装置と、複数の半導体デバイスを垂直方向に配線接続する手段として、垂直方向に開放端を有し任意の半導体デバイスの複数の電極端子と接続する端子配列と、前記端子配列から継続する複数の導電性パターンとを有する第1の配線パターン群と、前記半導体デバイス群の電極端子占有平面外の空間に設置し、少なくとも垂直方向に伸長する複数の導電性パターンを含む第2の配線パターン群とから成り、前記第1の配線パターン群と前記第2の配線パターン群とを電気的に接続した構成による垂直方向配線装置とを組み合わせることにより、シリコンプロセスに依存しない微細配線を可能としながら複数の半導体デバイスの接続における配線基板の多層化を排除することにより、高密度な配線装置を低コストで提供することができる。
又、本発明による半導体装置により、例えば、Central Processing Unit(CPU)、Graphics Processing Unit(GPU)、メモリー等の半導体デバイスを同時に、かつ垂直方向に多段に、すなわち三次元(3D)積層搭載することが可能となり、コンピュータ等のシステム構成において、小型化・低コスト化を実現することができる。 According to the wiring device of the present invention, semiconductor device groups constituted by a plurality of semiconductor devices having electrode terminals at coordinates on an XY coordinate plane that are different in the vertical direction (Z direction) are electrically interconnected in the planar direction and the vertical direction. In a semiconductor device to be connected, as a means for interconnecting a plurality of semiconductor devices in a planar direction, a plurality of electrical terminals that are connected to electrode terminals of the semiconductor device and a conductive pattern that connects any of the electrical terminals are formed by electroforming. Or vertical wiring connection between a planar wiring device formed on one dielectric sheet by etching and a wiring pattern including a plurality of cross wiring parts on the single dielectric sheet, and multiple semiconductor devices. A first wiring pattern group having a vertically open end and connecting to a plurality of electrode terminals of an arbitrary semiconductor device, and a plurality of conductive patterns continuing from the terminal arrangement; a second wiring pattern group including a plurality of conductive patterns installed in a space outside the plane occupied by the electrode terminals of the semiconductor device group and extending at least in the vertical direction, the first wiring pattern group and the second wiring pattern group; By combining a vertical wiring device with a configuration in which a group of wiring patterns are electrically connected, it is possible to achieve fine wiring that does not depend on silicon processes, while eliminating the need for multilayer wiring boards when connecting multiple semiconductor devices. Therefore, a high-density wiring device can be provided at low cost.
Further, with the semiconductor device according to the present invention, semiconductor devices such as a Central Processing Unit (CPU), a Graphics Processing Unit (GPU), and a memory can be simultaneously mounted in multiple stages in the vertical direction, that is, in three-dimensional (3D) stacking. This makes it possible to realize downsizing and cost reduction in system configurations such as computers.
次に、本発明の半導体装置について図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明による半導体装置の基本構成を示す図である。
図1において、1は本発明による半導体装置であり、XY座標平面上の任意の座標に電極端子60を有する複数の半導体デバイス511、512、513で構成される第1の半導体デバイス群51と、前記第1の半導体デバイス群51を有するXY座標平面に対し垂直方向(Z方向)に異なるXY座標平面上の任意の座標に電極端子60を有する複数の半導体デバイス521等で構成される第2の半導体デバイス群52とを電気的に接続する手段において、前記第1又は第2の半導体デバイス群51、52における複数の半導体デバイスをXY平面方向に電気的に接続する配線装置であって、1つのXY座標平面上に設置した任意の前記半導体デバイスの前記電極端子60と接続する複数の電気端子212と、任意の前記電気端子212間を接続する導電性パターン213とが、それぞれ1つの誘電体シート211上に設置された2つの平面方向配線装置21、22と、前記第1の半導体デバイス群51における任意の半導体デバイスと、前記第2の半導体デバイス群52における任意の半導体デバイスとを垂直方向(Z方向)に電気的に接続する配線装置であって、1つの誘電体シート311上に垂直方向に開放端を有し任意の半導体デバイスの複数の電極端子と接続する端子配列312と、前記端子配列312から継続する複数の導電性パターン313とを有する第1の配線パターン群315と、前記半導体デバイス群51、52の占有平面外の空間に設置し、少なくとも垂直方向に伸長する複数の導電性パターン314を含む第2の配線パターン群316とから成り、前記第1の配線パターン群315と前記第2の配線パターン群316とを電気的に接続した1つ又は複数の(本図では2つの)垂直方向配線装置31、32とで構成されている。
本図では、前記半導体デバイス511及び512の電極端子間を接続する例を示したが、対象とする半導体デバイス、電極端子はこれに限らない。 Next, the semiconductor device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing the basic configuration of a semiconductor device according to the present invention.
In FIG. 1, 1 is a semiconductor device according to the present invention, and includes a first
Although this figure shows an example in which the electrode terminals of the
前記平面方向配線装置21、22及び前記垂直方向配線装置31、32について、図2乃至図4にてさらに詳細に説明する。The
図2は、本発明による平面方向配線装置の構造を示す斜視図であり、前記半導体デバイス群51との関係を示すものでもある。1つのXY座標平面上に設置した前記半導体デバイス群51の3つの前記半導体デバイス511、512、513に設置された前記電極端子60のXY座標と一致した複数の前記電気端子212と、任意の前記電気端子212間を接続する導電性パターン213とが1つの誘電体シート211上に設置されている。 FIG. 2 is a perspective view showing the structure of the planar wiring device according to the present invention, and also shows the relationship with the
本発明では、前記半導体デバイスの接続する全ての前記電極端子60には、端子ポスト61が設置されており、前記平面方向配線装置21の前記電気端子212に設けられた貫通穴214に挿入され固着するものである。これにより、前記半導体デバイス511、512、513相互間の電気的接続が可能となる。 In the present invention, a
前記平面方向配線装置は、前記電気端子及び前記導電性パターンをメッキ(電鋳)又はエッチング加工により形成することが可能である。 In the planar wiring device, the electrical terminal and the conductive pattern can be formed by plating (electroforming) or etching.
図3は、本発明の垂直方向配線装置の基本構造を示す図である。図3において、5は1つの半導体デバイスの断面の一部を示すもので、電気回路上に形成された電極端子6に、端子ポスト61a~61dが設置されている。30は、垂直方向配線装置で、前記半導体デバイスの電極端子6に設けられた前記端子ポスト61a~61dと接する位置に、垂直方向に開放端を有する端子配列302a~302dと、それぞれの前記端子配列302a~302dから継続する複数の導電性パターン303a~303dとを有する第1の配線パターン群305と、前記半導体デバイス5が占有する平面外の空間に、少なくとも垂直方向に伸長する複数の導電性パターン304a~304dを含む第2の配線パターン群306とから成り、前記第1の配線パターン群305と前記第2の配線パターン群306とを電気的に接続し、1つの誘電体シート301上に形成されたものである。 FIG. 3 is a diagram showing the basic structure of the vertical wiring device of the present invention. In FIG. 3, reference numeral 5 shows a part of a cross section of one semiconductor device, and
例えば、前記半導体デバイスの前記端子ポスト61aの先端に前記端子配列が接続されると、前記端子配列302aから継続した前記導体パターン303a及び304aを経由し、他の半導体デバイスの電極端子又は他の外部装置(図示せず)に電気的に接続される。 For example, when the terminal array is connected to the tip of the
前記垂直方向配線装置は、前記電気端子及び前記導電性パターンをメッキ(電鋳)又はエッチング加工により形成することが可能である。 In the vertical wiring device, the electrical terminal and the conductive pattern can be formed by plating (electroforming) or etching.
図4は、本発明の平面方向配線装置における配線交差部の構造を示す図である。図4で示す配線交差構造は、本発明の半導体装置において、主として前記平面方向配線装置における配線交差に適しているが、これに限らない。図4において、20は、平面方向配線装置であり、一つの配線交差部205を示す。1つの誘電体シート201上に導電性パターン203aと203bとが交差している。前記導電性パターン203bは、断面A-Aで示すように前記配線交差部205において、前記導電性パターン203aと同一面(表面)を通る導電性パターン203b1から、貫通部203b2を介し、前記誘電体シート201の裏面を通る導電性パターン203b3となり、再び貫通部203b4を介し、表面を通る導電性パターン203b5となる。これにより、前記導電性パターン203aとの接触が回避されることになる。FIG. 4 is a diagram showing the structure of the wiring intersection in the planar wiring device of the present invention. The wiring intersection structure shown in FIG. 4 is mainly suitable for wiring intersection in the planar wiring device in the semiconductor device of the present invention, but is not limited thereto. In FIG. 4, 20 is a planar wiring device and shows one
図5は、本発明の垂直方向配線装置における配線交差部の構造を示す図であり、図3における前記第1の配線パターン群305と前記第2の配線パターン群306との接続方法を示すものである。図5で示す配線交差構造は、本発明の半導体装置において、主として前記垂直方向配線装置における配線交差に適しているが、これに限らない。図5において、半導体デバイスの電極端子に接続された前記第1の配線パターン群305における前記導電性パターン303a~303dと、前記第2の配線パターン群306における前記導電性パターン304a~304dとが、1つの誘電体シート301上に形成され、電気的に接続されたものである。前記導電性パターン303a~303dと前記導電性パターン304a~304dとの接続部において、誘電体膜307を設置したことを特徴とするものである。断面B-Bに示すように、例えば前記導電性パターン303aと前記導電性パターン304aとの接続において、前記誘電体膜307を設置することにより、前記導電性パターン303aが、前記導電性パターン304b~304dとの接触を回避することができる。 FIG. 5 is a diagram showing the structure of a wiring intersection in the vertical wiring device of the present invention, and shows a method of connecting the first
本方法により、例えば前記第2の配線パターン群306を、複数のCPU又はGPU等の共通信号線(バス配線)に適用することにより、複数の半導体デバイスの接続に使用することができる。 With this method, for example, by applying the second
図6は、本発明の配線交差部の構造における他の実施例を示す図である。図6(a)において、誘電体シート201上に設置した複数の電気端子列2a~24と2e~2hとの間を、導電性パターン3a~3dで接続した例を示すものである。図6(a)の如く接続された場合、前記導電性パターン3aは前記導電性パターン3c及び3dと、前記導電性パターン3bは同様に、前記導電性パターン3c及び3dと交差することになる。図6(b)に示す断面C-Cにおいて、前記導電性パターン3a及び3bの導体形成後に導体表面に誘電体膜206が形成されている。これにより、前記導電性パターン3a及び3bの上部を交差する前記導電性パターン3c及び3dは、電気的に独立して配線することが可能となる。 FIG. 6 is a diagram showing another embodiment of the structure of the wiring intersection portion of the present invention. FIG. 6A shows an example in which a plurality of electrical
さらに、前記導電性パターン3c及び3dにおいて導体形成後に導体表面に誘電体膜を形成することにより、前記導電性パターン3c及び3dの上部にも他の配線(図示せず)を交差することができる。 Furthermore, by forming a dielectric film on the surface of the conductor after forming the conductor in the
図7は、本発明の実施例による半導体装置を示す斜視図であり、垂直方向(Z方向)に異なる位置に配置した4つの半導体デバイス群から構成する半導体装置の例である。図7において、51は、半導体デバイス511~516で構成される第1の半導体デバイス群、52は、前記第1の半導体デバイス群51を構成するXY座標平面に対しZ方向に異なるXY座標平面上の座標に電極端子を有する複数の半導体デバイス521及び524等で構成される第2の半導体デバイス群、53は、前記第1の半導体デバイス群51若しくは前記第2の半導体デバイス群52を構成するXY座標平面に対し、Z方向に異なるXY座標平面上の座標に電極端子を有する複数の半導体デバイス531及び534等で構成される第3の半導体デバイス群、54は、前記第1の半導体デバイス群51若しくは前記第2の半導体デバイス群52若しくは前記第3の半導体デバイス群53を構成するXY座標平面に対し、Z方向に異なるXY座標平面上の座標に電極端子を有する複数の半導体デバイス541及び544等で構成される第4の半導体デバイス群を示す。 FIG. 7 is a perspective view showing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and is an example of a semiconductor device composed of four semiconductor device groups arranged at different positions in the vertical direction (Z direction). In FIG. 7, 51 is a first semiconductor device group composed of
21は、前記第1の半導体デバイス群51における複数の前記半導体デバイス511~516をXY平面方向に電気的に接続する平面方向配線装置であり、1つのXY座標平面上に、前記半導体デバイスの電極端子60と接続する複数の電気端子212と、任意の前記電気端子212間を接続する導電性パターン213とが1つの誘電体シート211上に設置されている。
22は、前記第2の半導体デバイス群52における複数の前記半導体デバイス521及び524等をXY平面方向に電気的に接続する平面方向配線装置であり、1つのXY座標平面上に、前記半導体デバイスの電極端子60と接続する複数の電気端子222と、任意の前記電気端子222間を接続する導電性パターン(図示せず)とが1つの誘電体シート221上に設置されている。 22 is a planar wiring device that electrically connects the plurality of
23は、前記第3の半導体デバイス群53における複数の前記半導体デバイス531及び534等をXY平面方向に電気的に接続する平面方向配線装置であり、1つのXY座標平面上に、前記半導体デバイスの電極端子60と接続する複数の電気端子232と、任意の前記電気端子232間を接続する導電性パターン(図示せず)とが1つの誘電体シート231上に設置されている。
同様に、24は、前記第4の半導体デバイス群54における複数の前記半導体デバイス541及び544等をXY平面方向に電気的に接続する平面方向配線装置であり、1つのXY座標平面上に、前記半導体デバイスの電極端子60と接続する複数の電気端子242と、任意の前記電気端子242間を接続する導電性パターン(図示せず)とが1つの誘電体シート241上に設置されている。 Similarly, 24 is a planar wiring device that electrically connects the plurality of
一方、31~38は垂直方向配線装置であり、前記第1の半導体デバイス群における任意の半導体デバイスと、前記第2の半導体デバイス群における任意の半導体デバイスと、前記第3の半導体デバイス群における任意の半導体デバイスと、前記第4の半導体デバイス群における任意の半導体デバイスとを、垂直方向(Z方向)に電気的に接続する配線装置であって、垂直方向に開放端を有し任意の半導体デバイスの複数の電極端子と接続する端子配列312と前記端子配列312から継続する複数の導電性パターン313とを有する第1の配線パターン群315と、前記半導体デバイス占有平面外の空間に設置し、少なくとも垂直方向に伸長する複数の導電性パターン314を含む第2の配線パターン群316とから成り、前記第1の配線パターン群315と前記第2の配線パターン群316とを電気的に接続したものである。 On the other hand, 31 to 38 are vertical wiring devices, which connect any semiconductor device in the first semiconductor device group, any semiconductor device in the second semiconductor device group, and any semiconductor device in the third semiconductor device group. and any semiconductor device in the fourth semiconductor device group in the vertical direction (Z direction), the wiring device having an open end in the vertical direction and connecting the semiconductor device with any semiconductor device in the fourth semiconductor device group. a first
本実施例では、前記垂直方向配線装置31、32、33、34は、前記半導体デバイス群51の半導体デバイス511と、前記半導体デバイス群52の半導体デバイス521と、前記半導体デバイス群53の半導体デバイス531と、前記半導体デバイス群54の半導体デバイス541におけるそれぞれのXY座標値が同一の電極端子間を接続し、前記垂直方向配線装置35、36、37、38は、前記半導体デバイス群51の半導体デバイス514と、前記半導体デバイス群52の半導体デバイス524と、前記半導体デバイス群53の半導体デバイス534と、前記半導体デバイス群54の半導体デバイス544におけるそれぞれのXY座標値が同一の電極端子間を接続するものであるが、対象とする半導体デバイス、電極端子はこれに限らない。 In this embodiment, the
又、本実施例では、前記垂直方向配線装置を設置する「半導体デバイス占有平面外の空間」を前記平面方向配線装置の中央部に共通に開口部217を設けることにより実現している。 Further, in this embodiment, the "space outside the plane occupied by the semiconductor device" in which the vertical wiring device is installed is realized by providing a
本実施例によれば、例えば、前記半導体デバイス群51における前記半導体デバイス511をCPUに、前記半導体デバイス512及び513をCPU用メモリーICに、前記半導体デバイス514をGPUに、前記半導体デバイス515及び516をGPU用メモリーICとすることにより、画像処理用コンピュータシステムを構成することができ、前記平面方向配線装置をCPUとメモリーICとの接続、又はGPUとメモリーICとの接続に適用し、又、前記垂直方向配線装置を、複数のCPU間、又は複数のGPU間における共通信号バス配線に適用することが可能であり、前記半導体デバイス群52~54においても前記半導体デバイス群51同様の構成にすることにより、高機能、大容量のコンピュータシステムを省スペースで構築できる。 According to this embodiment, for example, the
又、前記半導体デバイス群51乃至54は、それぞれ異種の半導体デバイスで構成してもよい。又、本実施例は、垂直方向(Z方向)に異なる位置に配置した4つの半導体デバイス群から構成する半導体装置の例であるが、Z方向に積層する半導体デバイス群の数はこれに限らない。 Further, the
以上説明したように、本発明の半導体装置によれば、垂直方向(Z方向)に異なるXY座標平面上の座標に電極端子を有する複数の半導体デバイスで構成される半導体デバイス群どうしを、平面方向かつ垂直方向に電気的に接続する半導体装置において、複数の半導体デバイスを平面方向に配線接続する手段として、半導体デバイスの電極端子と接続する複数の電気端子と任意の前記電気端子間を接続する導電性パターンとが、電鋳又はエッチング加工により1つの誘電体シート上に形成され、単一の誘電体シート上で複数の交差配線部を含む配線パターンを構成した平面方向配線装置と、複数の半導体デバイスを垂直方向に配線接続する手段として、垂直方向に開放端を有し任意の半導体デバイスの複数の電極端子と接続する端子配列と、前記端子配列から継続する複数の導電性パターンとを有する第1の配線パターン群と、前記半導体デバイス群の電極端子占有平面外の空間に設置し、少なくとも垂直方向に伸長する複数の導電性パターンを含む第2の配線パターン群とから成り、前記第1の配線パターン群と前記第2の配線パターン群とを電気的に接続した構成による垂直方向配線装置とを組み合わせることにより、シリコンプロセスに依存しない微細配線を可能としながら複数の半導体デバイスの接続における配線基板の多層化を排除することにより、高密度な配線装置を低コストで提供することができる。 As described above, according to the semiconductor device of the present invention, groups of semiconductor devices constituted by a plurality of semiconductor devices having electrode terminals at different coordinates on the XY coordinate plane in the vertical direction (Z direction) can be connected to each other in the plane direction. In a semiconductor device that is electrically connected in a vertical direction, as a means for interconnecting a plurality of semiconductor devices in a planar direction, a conductive device is used to connect a plurality of electrical terminals connected to an electrode terminal of a semiconductor device and any of the electrical terminals. A planar wiring device in which a wiring pattern is formed on a single dielectric sheet by electroforming or etching, and a wiring pattern including a plurality of intersecting wiring portions is formed on the single dielectric sheet; As a means for vertically wiring connecting devices, a terminal array having a vertically open end and connecting to a plurality of electrode terminals of an arbitrary semiconductor device, and a plurality of conductive patterns continuing from the terminal array. a second wiring pattern group including a plurality of conductive patterns installed in a space outside the plane occupied by electrode terminals of the semiconductor device group and extending at least in the vertical direction; By combining a vertical wiring device with a configuration in which a wiring pattern group and the second wiring pattern group are electrically connected, a wiring board for connecting a plurality of semiconductor devices while enabling fine wiring that does not depend on a silicon process. By eliminating multilayering, a high-density wiring device can be provided at low cost.
又、本発明による半導体装置により、例えば、CPU、GPU、メモリー等の半導体デバイスを同時に、垂直方向に多段に、すなわち三次元(3D)積層搭載することが可能となり、コンピュータ等のシステム構成において、小型化・低コスト化を実現することができる。 Further, the semiconductor device according to the present invention makes it possible to simultaneously mount semiconductor devices such as a CPU, GPU, and memory in multiple stages in the vertical direction, that is, in a three-dimensional (3D) stacked manner, in a system configuration such as a computer. It is possible to realize downsizing and cost reduction.
複数の半導体デバイスを水平方向又は垂直方向に積層する半導体装置に利用することができる。 The present invention can be used in a semiconductor device in which a plurality of semiconductor devices are stacked horizontally or vertically.
1,10 半導体装置
20~24 平面方向配線装置
201、211、221、231、241 誘電体シート
202、212、222、232、242、2a~2h 電気端子
203、213 導電性パターン
204,214 貫通穴
205、215 配線交差部
206 誘電体膜
217 開口部
30~38 垂直方向配線装置
301、311 誘電体シート
302、312 端子配列
303、304、313、314、3a~3d 導電性パターン
305~307、315、316 配線パターン群
5、511~516、521、524、531、534、541、544 半導体デバイス
51~54 半導体デバイス群
6、60 電極端子
61 端子ポスト1, 10
Claims (7)
前記第1の半導体デバイス群における任意の半導体デバイスと、前記第2の半導体デバイス群における任意の半導体デバイスとを垂直方向(Z方向)に電気的に接続する配線装置であって、1つの誘電体シート上に垂直方向に開放端を有し任意の半導体デバイスの複数の電極端子と接続する端子配列と、前記端子配列から継続する複数の導電性パターンとを有する第1の配線パターン群と、前記半導体デバイス群の電極端子占有平面外の空間に設置し、少なくとも垂直方向に伸長する複数の導電性パターンを含む第2の配線パターン群とから成り、前記第1の配線パターン群と前記第2の配線パターン群とを電気的に接続した1つ又は複数の垂直方向配線装置とで構成されたこと
を特徴とする半導体装置 In a semiconductor device electrically connecting a first semiconductor device group consisting of a plurality of semiconductor devices having electrode terminals at arbitrary coordinates on an XY coordinate plane, and a second semiconductor device group consisting of a plurality of semiconductor devices having electrode terminals at arbitrary coordinates on an XY coordinate plane different in a direction perpendicular (Z direction) to the XY coordinate plane having the first semiconductor device group, the semiconductor device comprises: a wiring device electrically connecting the plurality of semiconductor devices in the first or second semiconductor device group in an XY plane direction, the wiring device including a plurality of electrical terminals connected to the electrode terminals of any of the semiconductor devices arranged on a single XY coordinate plane and a conductive pattern connecting between the arbitrary electrical terminals arranged on a single dielectric sheet;
a wiring device for electrically connecting an arbitrary semiconductor device in the first semiconductor device group and an arbitrary semiconductor device in the second semiconductor device group in a vertical direction (Z direction), the wiring device comprising: a first wiring pattern group having a terminal array having open ends in the vertical direction on one dielectric sheet and connected to a plurality of electrode terminals of the arbitrary semiconductor device, and a plurality of conductive patterns continuing from the terminal array; and a second wiring pattern group disposed in a space outside a plane occupied by the electrode terminals of the semiconductor device group and including a plurality of conductive patterns extending at least in the vertical direction, the semiconductor device being configured with one or more vertical wiring devices electrically connecting the first wiring pattern group and the second wiring pattern group.
前記第1若しくは第2若しくは第3以降の何れかの半導体デバイス群における複数の半導体デバイスをXY平面方向に電気的に接続する配線装置であって、1つのXY座標平面上に設置した任意の前記半導体デバイスの電極端子と接続する複数の電気端子と任意の前記電気端子間を接続する導電性パターンとが1つの誘電体シート上に設置された平面方向配線装置と、
前記第1の半導体デバイス群における任意の半導体デバイスと、前記第2の半導体デバイス群における任意の半導体デバイスと、前記第3以降の複数の半導体デバイス群における任意の半導体デバイスとを垂直方向(Z方向)に電気的に接続する配線装置であって、垂直方向に開放端を有し任意の半導体デバイスの複数の電極端子と接続する端子配列と、前記端子配列から継続する複数の導電性パターンとを有する第1の配線パターン群と、前記半導体デバイス占有平面外の空間に設置し、少なくとも垂直方向に伸長する複数の導電性パターンを含む第2の配線パターン群とから成り、前記第1の配線パターン群と前記第2の配線パターン群と前記第3以降の配線パターン群の何れかを電気的に接続した1つ又は複数の垂直方向配線装置とで構成されたこと
を特徴とする半導体装置 The first or second semiconductor device group and electrode terminals at arbitrary coordinates on different XY coordinate planes in the perpendicular direction (Z direction) to the XY coordinate plane constituting the first or second semiconductor device group. In a semiconductor device electrically connected to a third and subsequent group of N (N is an integer) semiconductor devices constituted by a plurality of semiconductor devices having
A wiring device that electrically connects a plurality of semiconductor devices in the first, second, or third and subsequent semiconductor device groups in the XY plane direction, and wherein any of the semiconductor devices installed on one XY coordinate plane a planar wiring device in which a plurality of electrical terminals that connect to electrode terminals of a semiconductor device and a conductive pattern that connects any of the electrical terminals are installed on one dielectric sheet;
Any semiconductor device in the first semiconductor device group, any semiconductor device in the second semiconductor device group, and any semiconductor device in the third and subsequent semiconductor device groups are aligned in the vertical direction (Z direction). ), the wiring device includes a terminal array having a vertically open end and connecting to a plurality of electrode terminals of an arbitrary semiconductor device, and a plurality of conductive patterns continuing from the terminal array. and a second wiring pattern group including a plurality of conductive patterns installed in a space outside the plane occupied by the semiconductor device and extending at least in the vertical direction, the first wiring pattern and one or more vertical wiring devices electrically connecting the second wiring pattern group and any of the third and subsequent wiring pattern groups.
を特徴とする請求項1又は2の何れか記載の半導体装置 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein in the planar wiring device or the vertical wiring device, the electrical terminal and the conductive pattern are formed by plating or etching.
を特徴とする請求項1乃至3の何れか記載の半導体装置 Any one of the planar wiring device or the vertical wiring device has a wiring intersection where two or more of the conductive patterns intersect with a step, and at least each of the wiring intersections has a step. 4. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a dielectric film independently on the surface of the conductive pattern or commonly on the surfaces of a plurality of the conductive patterns.
を特徴とする請求項1乃至4の何れか記載の半導体装置 5. The semiconductor device according to claim 1, wherein in any one of said planar wiring devices, a part or all of said electrical terminals have a through hole.
を特徴とする請求項1又は2の何れか記載の半導体装置 3. The planar wiring device is applied to at least a connection between a Central Processing Unit (CPU) and a memory IC, or a connection between a Graphics Processing Unit (GPU) and a memory IC. A semiconductor device according to any one of
を特徴とする請求項1又は2の何れか記載の半導体装置 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the vertical wiring device is applied to at least a common signal bus wiring of a plurality of CPUs or a plurality of GPUs.
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