JP3944369B2 - 半導体集積回路モジュール及びその使用方法 - Google Patents

半導体集積回路モジュール及びその使用方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路又は半導体チップを収めたパッケージ及びこれに給電する電源モジュールに関し、特に、そのパッケージの表面に垂直な方向に近接して設けた電源モジュールを有する半導体集積回路モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体集積回路（ＬＳＩ）の進歩はめざましく、ＬＳＩチップは小型化／高集積化が要求されているため、ＬＳＩ製造プロセスの微細化が進んでいる。それに伴い、ＬＳＩチップへ供給する電源電圧は従来の５Ｖから３.３Ｖ、２.５Ｖと低電圧化し、最近では１.５Ｖ以下といった電圧で動作するＬＳＩやＩＣが登場してきた。
【０００３】
ＬＳＩ等に供給する電源電圧の低下によりＬＳＩ等の消費電力が小さくできるといった利点がある一方で、従来は問題にならなかった程度の電源変動がＬＳＩチップの動作に影響する問題も発生している。この問題を解決するため、特開平１１−１７７０１５公報や特開２００１−６８５８３公報記載の技術は、半導体パッケージ上面または近傍にバイパスコンデンサなどの電子部品を搭載している。
【０００４】
また、従来の５Ｖ単一電源から低電圧化が進むにつれ、ひとつのＬＳＩパッケージに対して、これに供給する複数の電源電圧が必要となったり、ＬＳＩやＩＣによって必要な電源電圧が異なるため、複数のＬＳＩパッケージが搭載された基板（プリント配線板、プリント配線ボード）の上に、複数の電源を搭載する必要がでてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１１−１７７０１５公報や特開２００１−６８５８３公報記載の技術では、バイパスコンデンサとＬＳＩチップの距離を縮めることにより電源変動の影響を少なくすることはできるが、電源と、その負荷となるＬＳＩチップとの間の給電距離を縮めることができない。このため、電源の低電圧化の傾向と相俟って、給電経路から電磁ノイズが発生しやすく、また、外部からの電磁ノイズの影響を受けやすい。
【０００６】
更に、複数の電源電圧を必要とする基板では、相互にノイズの影響を受けやすいばかりでなく、基板の実装効率も悪くなってしまう。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
半導体集積回路（ＩＣ、ＬＳＩ）を収納し、又は、封止するパッケージの上に、パッケージの表面に垂直な方向に、電源モジュールを搭載する。電源モジュールのピン配置を規格化する。パッケージとこれに近接配置された電源モジュールとを半導体集積回路モジュールとして取り扱う。ＬＳＩ等のチップの内部に設けられた電圧変動検出回路部に、電源モジュールの入出力電圧等の信号を入力する。
【０００８】
この結果、電源モジュールとその負荷となるＬＳＩ等のチップとの給電距離を縮めることが可能なため、電源ノイズの放射を低減できる。また、給電距離を縮めることで給電ラインの抵抗及びインダクタンスが小さくなるので、電源モジュールの電源部の効率が高まり、電源電圧の変動が少なくなり、高速応答が可能となる。
【０００９】
更に、ＬＳＩパッケージを複数有する基板において、それぞれのパッケージに必要な電源モジュールを個々のパッケージが搭載できるので、これらを半導体集積回路モジュールとして取り扱うことで、基板上に必要な電源の種類（電圧種）を減らすことができ、基板の実装効率が向上する。また、電源が１種類の場合でも、電源モジュールをＬＳＩパッケージ上面に実装できるので、基板の実装効率が向上する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
Ａ）はじめに図１２を用いて従来技術との差異を説明し、次に図１から図１１を用いて本発明を説明する。
図１２の右側に、本発明の実施の形態である、ＬＳＩパッケージ１３の表面に垂直な方向に電源モジュール１１を搭載し、更に、これらを基板１６に配置した構造を示す。ＬＳＩパッケージ１３はＬＳＩチップ１９を収納しており、モジュール１１からチップ１９を経てモジュール１１に戻る給電経路は図示されるように短くなっている。また、パッケージ１３のシールド面に近接してモジュール１１が設けられており、モジュール１１からの電磁ノイズの不要輻射を有効に抑制する構成となっている。
【００１１】
図１２の左側に、従来の構造を示す。つまり図１２の左側では、電源モジュール１１とＬＳＩパッケージ１３が、それぞれ、基板１６に実装されている。このように電源モジュール１１をＬＳＩパッケージ１３に近接して配置しても、基板１６の内層３２１、３２２を介して給電する距離が必要となる。
【００１２】
この場合、電源モジュール１１からＬＳＩチップ１９を経て、電源モジュール１１に戻る給電経路は図示されるように、図１２の右側の構造に比べて長くなる。この給電経路は、所定の周波数の電磁波に対してはアンテナに等価であり、モジュール１１やチップ１９を電磁ノイズ源とすれば、不要な電磁波を放射する経路となる。逆に、所定の周波数の電磁波を受信し、ＬＳＩチップの動作に影響を与えることにもなる。
【００１３】
図１２の右側に示す構造とすることで、給電距離を従来の構成より格段に短縮することができ、電源ノイズの低減、また、電源部の高効率・高速応答、放射電磁界の低減が実現できる。
【００１４】
近年ではＧＨｚオーダで動作するＬＳＩチップもあり、数ｃｍの給電経路はＧＨｚオーダのアンテナに等価になる恐れもある。しかし、ＬＳＩチップが発生するＧＨｚオーダの電磁波は、電源モジュールの動作に悪影響を及ぼさない。なぜなら１）電源モジュール自体がＧＨｚオーダの電磁波に対して応答できないこと、かつ、２）電源モジュールの回路自体がコモンモードで遮蔽されており、外部からの電磁波の影響を受けにくいこと等の理由による。
よって、図１２の右側の構成により、ＧＨｚオーダで動作するＬＳＩチップの上に電源モジュールを搭載しても、特に問題は生じない。
【００１５】
Ｂ）次に本発明の実施の形態を、図１から図１１を用いて説明する。
図１及び図２は、本発明を適用したＬＳＩモジュール２３の第１の実施例である。図２は図１の断面図となっている。
【００１６】
ヒートスプレッダ２８に、電源モジュール１１を取り付ける穴を設け、モジュール１１のリードがＬＳＩパッケージ２９の上面にある電極１２（図示せず）に接続できるよう構成している。ＬＳＩパッケージ２９は、その製造の初期の段階からヒートスプレッダ２８を設けた基板構成とし、上記の穴を開けても良い。尚、ヒートスプレッダ２８や、後述のヒートシンク１７は、パッケージ又はＬＳＩチップの熱を放出する放熱板の作用を有する。
【００１７】
スルーホール３０１（図２）は、半田ボール１８１と電極１２１を接続している。これにより、電源モジュール１１へ入力電力を供給し、電源モジュール１１により規定された電圧Ｖｍｏが、電極１２２とスルーホール３０２、ボンディングワイヤ１５６を介してＬＳＩチップ１９へ供給される。これにより、ＬＳＩチップ１９への給電距離は従来技術と比較して短くなるので、電源ノイズの低減、また、電源部の高効率・高速応答、放射電磁界の低減が実現できる。
【００１８】
尚、チップ１９は銀ペースト３１（図２）によりヒートスプレッダ２８に固定され、ボンディングワイヤ１５３〜１５６により、ＬＳＩパッケージ１３と所定の電気的接続を行なった後、チップ封止樹脂２２を用いてパッケージ１３に封止され、収納されている。
【００１９】
また、ＬＳＩチップ１９と電源モジュール１１の間にヒートスプレッダ２８があり、これが電磁シールドの役割も果たすため、チップ１９は電源モジュール１１によるノイズの影響を受けにくくなっている。
【００２０】
図３、図４は本発明のＬＳＩモジュール２３の第２の実施の態様である。図４は図３の断面図となっている。電源モジュール１１には、その中央に開口が設けられ、ヒートシンク１７は、その開口を介して、電源モジュール１１の負荷であるＬＳＩチップ１９に取り付けられている（図４）。チップ１９はチップ封止樹脂２３によりＬＳＩパッケージ１３に固定されている。
【００２１】
電源モジュール１１とＬＳＩパッケージ１３は、半田ボール１８２（図４）を介して接続される。これにより、ＬＳＩチップ１９の放熱を妨げることなく電源モジュール１１をＬＳＩパッケージ１３に搭載することができる。尚、図５に、ＬＳＩチップ１９の発熱がヒートシンク１７を必要としない場合の、ＬＳＩモジュール２３の外観を示す。ＬＳＩチップの発熱が少ない場合には、第１又は第３の実施例に示すＬＳＩモジュール構成とすれば、電磁ノイズの不要輻射をより効果的に抑制することができる。
【００２２】
図６、図７に、本発明を適用したＬＳＩモジュール２３の第３の実施例を示す。ＬＳＩパッケージ１３の上面にある電極１２を介して電気的接続を行いつつ、電源モジュール１１を搭載する。
【００２３】
ボンディングワイヤ１５１（図７）は、ＬＳＩリードピン１４と電極１２を接続している。これにより、電源モジュール１１への入力となる電力を供給し、電源モジュール１１により規定された出力電力が、電極１２とＬＳＩチップ１９間を接続するボンディングワイヤ１５２を介してＬＳＩチップ１９へ供給される。
【００２４】
これにより、ＬＳＩチップ１９への給電距離は従来と比較して短くなるので、電源ノイズの低減、また、電源部の高効率・高速応答、放射電磁界の低減が実現できる。
【００２５】
図８に示すように、電極１２のパターンを共通化しておけば、これらに接続されるべく規格化されたピン配置を有する電源モジュール１１を、他の種類のＩＣやＬＳＩパッケージ１３に搭載でき、部品共通化によるコスト低減の効果がある。
【００２６】
また、電源モジュール１１とＬＳＩパッケージ１３を、半田接続、ソケットその他容易に取り付け取り外し可能な接続としておけば、ＬＳＩモジュール２３の製造中または製造後に、電源モジュール１１に不具合が発生しても、モジュール１１のみの交換が可能となるので、モジュール２３の製造コストを低減することができる。
【００２７】
図９に、本発明を適用したＬＳＩモジュール２３の第４の実施例を示す。電源モジュール構成要素２０１〜２０４を、ＬＳＩパッケージ１３の上に配置した。この構成によっても、第１の実施例と同様に、ＬＳＩチップ１９の放熱を妨げることはない。但し、本発明が適用される環境下では、ＬＳＩパッケージ１３で必要とされる電源の電圧Ｖｐは、電源モジュール１１の出力電圧Ｖｍｏであり、電源モジュール１１の入力電圧Ｖｍｉより低いことが通常となる。
【００２８】
このため、１）ＬＳＩパッケージ１３を単に通過したＶｍｉなる電圧にパッケージ１３が耐え得る構造となっていること、２）Ｖｍｉなる入力電圧は、ＬＳＩパッケージ１３の電源モジュール構成要素２０１〜２０４のみに印加され、パッケージ１３の他の電子素子に印加されないこと、３）電源モジュール１１の出力電圧Ｖｍｏのみが、ＬＳＩパッケージ１３の他の電子素子に印加されるようパッケージ１３が構成されていること等が条件となる。
【００２９】
ＬＳＩチップ１９の入力電圧が５Ｖから３.３Ｖ、２.５Ｖと低電圧化しており、このようなＬＳＩチップ１９を製造するプロセス技術と、電源モジュール１１を製造するプロセス技術は通常異なり、ＬＳＩチップ１９は、電源モジュール１１へ印加されるＶｍｉなる電圧に耐えられない。このため、ＬＳＩパッケージ１３の配線構造により、チップ１９とモジュール構成要素２０１〜２０４を絶縁する必要があるためである。
【００３０】
図１０は、本発明を適用したＬＳＩモジュール２３の第５の実施例である。ＬＳＩチップ１９に対する電源供給ラインの電源変動の許容範囲は、一般に、基準値の５〜１０％以内である。従来技術では、ＬＳＩモジュールに電源モジュール１１が搭載されていなかったため、ＬＳＩモジュールに対する電源変動の許容範囲は、ＬＳＩチップ１９に対する電源変動の許容範囲と等しくなる。本発明を適用すれば、ＬＳＩモジュール２３に対する電源供給は、電源モジュール１１を経由してＬＳＩチップ１９に送られるので、ＬＳＩチップ１９に対する電源変動の許容範囲は、電源モジュール１１に対する電源変動の許容範囲と為し得る。
【００３１】
電源モジュール１１に対する電源変動の許容範囲は、一般に、基準値の１０〜２０％以内で良いため、ＬＳＩチップ１９に対する電源変動の許容範囲が広がり、ＬＳＩモジュール２３の動作範囲が向上する。また、電源変動を検出するためにＬＳＩチップ１９の内部に設けられた、電圧変動検出回路部２７は、ＬＳＩチップ１９に対する電源供給ライン２５だけでなく、ＬＳＩモジュールに対する電源供給ライン２４を監視すること、つまり電圧変動検出用ライン２６を設けて、チップ１９に印加される異常電圧を早期に検出する。
【００３２】
図１１は、図１０のＬＳＩモジュール２３における、ＬＳＩチップ１９と電源モジュール１１間の双方向制御の方法を説明するフローチャートである。
【００３３】
電源モジュール１１から電源電圧１が供給されると、ＬＳＩチップ１９は、スタートアップシーケンスを開始する。ここで、ＬＳＩチップ１９が高速動作を必要としているために通常より高めの電圧が必要であるときは、ＬＳＩチップ１９から電源モジュール１１へ制御信号１を出力する。
【００３４】
電源モジュール１１は、制御信号１を受信し、要求された電源電圧２を出力する。また逆に、ＬＳＩチップ１９が、低消費電力モードになり通常より低めの電圧でよい場合には、ＬＳＩチップ１９から電源モジュール１１へ制御信号２を出力する。電源モジュール１１は、制御信号２を受信し、要求された電源電圧３を出力する。
【００３５】
さらに、電源モジュール１１が異常を検出した場合には、電源モジュール１１からＬＳＩチップ１９に対し制御信号３を出力する。ＬＳＩチップ１９は、制御信号３を受信し、シャットダウン処理を行う。
【００３６】
Ｃ）次に、本発明を適用した半導体集積回路モジュールの製造方法について簡単に説明する。
１）ＬＳＩパッケージと、電源モジュールを用意する。
ＬＳＩパッケージは、第１の実施例（図１）で示すような、ヒートスプレッダ２８を表面に有し、所定の個所に、電気的接続を行なうための穴がもうけられている。
【００３７】
これらの電気的接続は、複数の電源モジュールと接続可能とするため、接続パターンやピン配置を共通化、規格化しておく。
また、第２の実施例（図３）に示すように、ヒートシンク１７を取り付け可能であってもよい。ＬＳＩパッケージの発熱が少なければ、第３の実施例（図６）のように、ヒートシンクやヒートスプレッダを設けなくとも良い。
【００３８】
第４の実施例（図９）の場合には、パッケージ１３における、電源モジュールの配線とＬＳＩチップの配線とは、十分な絶縁がなされる。また、ＬＳＩチップ内部に、電圧変動検出回路部２７を設けておく。
【００３９】
電源モジュールは、第１の実施例のように、ピンによりＬＳＩパッケージ２９に接続されてもよいし、第２の実施例のように、半田ボールにより１８２により接続されてもよい。パッケージの発熱量に応じて、適宜、ヒートシンク１７をパッケージに取り付けるための開口を設ける。第４の実施例を製造するためには、パッケージ１３において、電源モジュールのための配線が、必要な電源入出力を除き、ＬＳＩチップの配線と絶縁されている必要がある。
【００４０】
２）ＬＳＩパッケージと、電源モジュールとを、これらが搭載される基板の実装効率を落とさぬため、これらを重ねて基板に搭載する。
本発明を適用した実施例では、電源モジュールがＬＳＩパッケージの鉛直上面に積み重ねられているが、電源モジュール上にＬＳＩパッケージを積んでも良い。この場合、電源モジュールの配線と、ＬＳＩチップの配線とを絶縁し、電源モジュールを経由して基板に電気的接続がなされるような、バイパス線路を設ける必要がある。
【００４１】
【発明の効果】
電源ノイズを低減でき、電源部の高効率・高速応答、さらに電磁波の不要輻射を低減できる。
【００４２】
電源モジュールとその負荷となるＬＳＩ等のチップとの給電距離を縮めることが可能なため、電源ノイズの放射を低減できる。
給電距離を縮めることで給電ラインの抵抗及びインダクタンスが小さくなるので、電源モジュールの電源部の効率が高まり、電源電圧の変動が少なくなり、高速応答が可能となる。
【００４３】
また、ＬＳＩパッケージを複数有する基板において、それぞれのパッケージに必要な電源モジュールを個々のパッケージが搭載できるので、これらを半導体集積回路モジュールとして取り扱うことで、基板上に必要な電源の種類（電圧種）を減らすことができ、電源モジュール以外の電子回路を搭載する、基板の実装効率が向上する。
電源が１種類の場合でも、電源モジュールをＬＳＩパッケージ上面に実装できるので、基板の実装効率が向上する。
これにより基板の表面及び内部の電源プレーンを１面とでき、基板を安価に製造できる。
【００４４】
更に、電源モジュールのピン配置を共通化することで、電源モジュールとＬＳＩパッケージの規格化ができるため、ＬＳＩパッケージごとに電源モジュールを設計する必要がなくなり、設計工数を削減し、製造原価を低減することができる。
【００４５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施例であるＬＳＩモジュールを示す概念図である。
【図２】図１のＬＳＩモジュールの縦断面を示す図である。
【図３】本発明を適用した第２の実施例であるＬＳＩモジュールを示す概念図である。
【図４】図３のＬＳＩモジュールの縦断面を示す図である。
【図５】図３のＬＳＩモジュールの変形例を示す概念図である。
【図６】本発明を適用した第３の実施例であるＬＳＩモジュールを示す概念図である。
【図７】図６のＬＳＩモジュールの縦断面を示す図である。
【図８】図６のＬＳＩモジュールのピン配置の規格化を示す概念図である。
【図９】本発明を適用した第４の実施例であるＬＳＩモジュールを示す概念図である。
【図１０】本発明を適用した第５の実施例であるＬＳＩモジュールを示す概念図である。
【図１１】図１０のＬＳＩモジュールにおける、ＬＳＩチップと電源モジュールとの間の制御方法を説明するフローチャートである。
【図１２】本発明を適用したＬＳＩモジュールと、従来技術との差異を説明するための図である。
【符号の説明】
１１…電源モジュール
１２、１２１〜１２２…電極
１３…ＬＳＩパッケージ １４…ＬＳＩリードピン
１５１〜１５６…ボンディングワイヤ
１６…基板 １７…ヒートシンク
１８１〜１８２…半田ボール １９…ＬＳＩチップ
２０１〜２０４…電源モジュール構成要素
２２…チップ封止樹脂 ２３…ＬＳＩモジュール
２４…ＬＳＩモジュールに対する電源供給ライン
２５…ＬＳＩチップに対する電源供給ライン
２６…電圧変動検出用ライン
２７…電圧変動検出回路部
２８…ヒートスプレッダ
２９…ＬＳＩパッケージ（基板構成）
３０１、３０２…スルーホール
３１…銀ペースト
３２１〜３２２…基板の内層

Claims (6)

  1. 半導体集積回路を封止したパッケージと、電源チップ単体、又は、電源チップ単体及びその周辺部品と、複数の電極とを有し、当該パッケージに搭載され当該パッケージに給電する電源モジュールを有する半導体集積回路モジュールであって、
    基板から前記電源モジュールに給電する電源モジュールの電極を通すための第１の開口部及び前記電源モジュールから前記半導体集積回路へ給電する電源モジュールの電極を通すための第２の開口部を設けた放熱板で覆われており、
    前記放熱板で覆われた前記パッケージの表面に、
    前記基板と電気的に接続される第１の電極と、前記半導体集積回路と電気的に接続される第２の電極を設け、
    前記放熱板に設けた開口部を介して、前記第１の電極及び前記第２の電極と前記電源モジュールの電極とを電気的に接続することで、
    前記パッケージの前記放熱板を設置した側に前記電源モジュールを搭載し、かつ、前記電源モジュールから前記パッケージへ給電する半導体集積回路モジュール。
  2. 請求項１記載の半導体集積回路モジュールにおいて、
    前記パッケージに封止された半導体集積回路と、前記電源モジュールとの間にインタフェースを有し、双方向に制御する機能を有する半導体集積回路モジュール。
  3. 請求項２記載の半導体集積回路モジュールにおいて、
    前記電源モジュールが前記パッケージから取り外し可能である半導体集積回路モジュール。
  4. 請求項１記載の半導体集積回路モジュールにおいて、
    前記パッケージの入力電圧より、前記電源モジュールの出力電圧の方が小さい半導体集積回路モジュール。
  5. 半導体集積回路を封止したパッケージと、当該パッケージに搭載され当該パッケージに給電する電源モジュールを有する半導体集積回路モジュールの使用方法であって、
    電源モジュールから半導体集積回路に対し第１の電圧が供給されるステップと、
    半導体集積回路が、スタートアップシーケンスを開始するステップと、
    半導体集積回路が、電源モジュールへ第１の制御信号を出力するステップと、
    電源モジュールが、第１の制御信号に応答して、半導体集積回路に対し、第２の電圧を出力するステップとを含む半導体集積回路モジュールの使用方法。
  6. 半導体集積回路を封止したパッケージと、当該パッケージに搭載され当該パッケージに給電する電源モジュールを有する半導体集積回路モジュールの使用方法であって、
    電源モジュールから半導体集積回路に対し第１の電圧が供給されるステップと、
    半導体集積回路が、スタートアップシーケンスを開始するステップと、
    電源モジュールが、半導体集積回路に対し、第３の制御信号を出力するステップと、
    半導体集積回路が、第３の制御信号を受信し、シャットダウン処理を行うステップとを含む半導体集積回路モジュールの使用方法。
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