JP4222943B2 - 高周波信号伝送に適合する電子デバイス・キャリア - Google Patents

高周波信号伝送に適合する電子デバイス・キャリア Download PDF

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Description

本発明は、電子デバイス相互接続の分野に関し、より具体的には、高周波信号伝送に適合する電子デバイス・キャリアに関する。
いくつかのタイプの電子部品は、半導体材料のチップに集積化された回路で実現されている。一般に、このチップは、チップを機械的応力から保護するためにキャリアに取り付けられ、それからパッケージに封止される。チップ・キャリアは、導電性配線を有する絶縁基板を含む。各配線はチップの対応する端子に結合され、そしてプリント回路基板に一般に接続するためのコンタクト・パッドで終わっている。同様に、プリント回路基板は、一般に、絶縁材料に形成され、いくつかの電子デバイス間または電子デバイスとコネクタの間で信号を伝送するように構成された複数の導電層を備える。
デバイスのスイッチング速度が１ＧＨｚより高いクロック速度になると、電気信号伝送を、もはや配線上の点から点への単純な伝送として考えるのではなくて、むしろ回路トレース上に電流で支持された電磁波の伝搬として考える必要がある。電子デバイス・キャリア（チップ・キャリアおよびプリント回路基板）上のそのようなトレースは、伝送線路とも呼ばれ、固有の特性（伝送線路幅、伝送線路間の距離、伝送線路間の誘電体厚さ、および基準面の間の関係）を有する少なくとも２つの導電性経路を備えるシステムを表す。この伝送線路は、導電性信号配線またはトレースと、信号配線を電磁干渉から遮蔽するために、基準電圧または接地のすぐ近くに形成され、これに接続された他の配線または導電面あるいはその両方とを含む。電磁波は、信号配線とその下にある基準電圧面または接地面とで画定され信号電流のための完全な環状経路を形成する伝送線路に沿って伝搬する。チップが高周波例えば１ＧＨｚより上で動作するとき、電子デバイス・キャリアの影響が、全体としての電子システムの性能に深刻に作用する可能性がある。
特に、構造、材料特性および設計の特徴の変化のような伝送線路の不連続（または変化）で、反射波が生じる。さらに、システムは漂遊構造（コンデンサ、インダクタおよび抵抗器）を含み、この漂遊構造は伝送信号に対して低域フィルタとして作用する。その結果、伝送線路に沿って伝搬された電磁波の完全性は維持されなくなる。
低電圧（論理値０）と高電圧（論理値１）の間のスイッチングである伝送信号は、正方形状の波を生成する。伝送線路のすべての不連続によって、この波は劣化を受け、一般に、擬似正弦波として受信される。伝送波の品質は、いわゆる「アイ・ダイアグラム（eye diagram）」で視覚化することができる。このアイ・ダイアグラムは、受信信号の値を、電子デバイスを制御するクロック信号の位相の関数としてプロットする。上述の伝送線路の不連続によって、アイ・ダイアグラムの開口は減少する。したがって、スイッチング遷移が実際に起こったかどうか、または信号のベースラインの偏移は背景雑音によるものかどうかを理解することがまったく困難になる。
この欠点は、減少した電源電圧のレベル（１．２Ｖに下がった）で動作する現代の電子システムでは特に深刻である。この場合、論理値０（Ｖ）と論理値１（１．２Ｖ）を識別するためのマージンは非常に小さい。
さらに、電子デバイスの小型化に向う絶え間のない傾向のために、チップ・キャリアおよびプリント回路基板の導電性配線の寸法の減少が必要である。しかし、伝送線路のインピーダンスは、電子デバイスの性能を最適化する所望の値（５０Ω）に維持しなければならない。したがって、導電性配線と接地面の間に非常に薄い誘電体層を使用することが必要になる（というのは、インピーダンスは、配線幅に逆比例し誘電体層厚さに正比例するからである）。導電性配線と接地面の間の距離が短いと、対応する漂遊キャパシタンスの値が増加する。その結果、伝送線路の帯域幅は非常に減少する。
したがって、電子デバイス・キャリア、すなわちチップ・キャリアまたはプリント回路基板における伝送の品質が劣化するとき、それによって、電子デバイスは、チップが可能にする動作周波数よりも遥かに低い周波数で動作するようになることがある。
したがって、本発明の広い目的は、上述のような従来技術の短所を軽減する電子デバイス・キャリアを提供することである。
本発明の目的は、高周波信号伝送に適合された信頼性の高い電子デバイス・キャリアを提供することである。
本発明の他の目的は、電子デバイスと電子デバイスが接続されている電子システムの熱膨張係数を整合させる、高周波信号伝送に適合された電子デバイス・キャリアを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、高周波信号伝送に適合された平坦電子デバイス・キャリアを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、パッドと電子デバイスＩ／Ｏの間の信頼性の高い接触を実現するようにパッドの共平面性を向上させる、高周波信号の伝送に適合された電子デバイス・キャリアを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、キャリアの異なる誘電体材料層間に信頼性の高い接着を実現する、高周波信号伝送に適合された電子デバイス・キャリアを提供することである。
これらおよび他の関連した目的の達成は高周波信号伝送に適合された電子デバイス・キャリアによって実現され、この電子デバイス・キャリアは、互いに絶縁された複数の導電層を有する回路化基板であって、それぞれ高周波信号を伝送するためのコンタクト領域で終わる複数の信号配線が形成されている前記導電層のうち第１の層から前記導電層が次々に配列されている回路化基板と、信号配線を遮蔽するために基準電圧または接地に接続することができる基準構造とを含み、前記基準構造が、第１の導電層に隣り合った前記導電層のうち第２の層に形成された少なくとも１つの基準配線と、第１および第２の導電層と異なる前記導電層の１つに形成された少なくとも１つの他の基準配線とを含み、関連したコンタクト領域の正射影に対応する領域を少なくとも除外した各信号配線の部分が、平面図で、対応する基準配線に重なり、さらに、各信号配線に関連したコンタクト領域の正射影に対応する領域の少なくとも一部が、どの信号配線、基準電圧配線または接地配線にも接続されていない浮遊導電性配線を間に置いて、平面図で、対応する他の基準配線に重なっていることを特徴とする。
本発明のさらに他の利点は、図面および詳細な説明を考察することによって当業者には明らかになるであろう。その他の利点を本明細書に組み込むつもりである。
例示のために、以下の説明はボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）・パッケージに基づいており、このＢＧＡでは、チップ間キャリア相互接続は、フリップ・チップ実装（ＦＣＡ）として広く知られているＣ４（Controlled Collapse Chip Connection）（ＩＢＭのＣ４技術）で行われる。そのような技術は、高Ｉ／Ｏ密度、一様なチップ電力分布、高冷却能力および高信頼性を実現する。
特に図１を参照して、ＢＧＡ型の電子モジュール１００を示す。電子モジュール１００は、半導体材料のチップ１０５を含み、このチップには、高周波例えば５ＧＨｚのクロック速度で動作する電力回路が実装されている。低電圧電源例えば１．２Ｖで電力供給されるチップ１０５が、誘電体材料例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で互いに絶縁された、例えば銅でできた、いくつかの導電層を備える積層チップ・キャリア１１０に取り付けられている。チップ１０５とチップ・キャリア１１０の接続がＢＧＡボール１１５で行われ、同時に、チップ・キャリア１１０とプリント回路基板（図示しない）の相互接続がＢＧＡボール１２０で行われる。チップ・キャリア１１０は、チップ１０５および、任意選択で、コンデンサ１３０のような他の電子部品のためのキャビティを備えるスティフナ（ｓｔｉｆｆｅｎｅｒ）１２５に貼り付けられる。スティフナ１２５は、好ましくは、例えば銅でできた、金属板から成り、この金属板によって電子モジュール１００全体の剛性が増し、チップ１０５で生じた熱エネルギーを放散させる他の経路が与えられる。チップ１０５およびスティフナ１２５は、例えば銅でできた、蓋１３５で覆われ、この蓋は、チップ１０５の機械的な保護を実現するだけでなく、チップ１０５で生じた熱を放散させる熱スプレッダ（ｈｅａｔ ｓｐｒｅａｄｅｒ）としても作用する。層１４０は、チップ・キャリア１１０、チップ１０５、スティフナ１２５および蓋１３５を互いに固定する接着剤、例えばエポキシ接着剤を含む。また、接着剤は、チップ・キャリア１１０、チップ１０５、スティフナ１２５および蓋１３５の異なる熱膨張係数を補償する。
同様に、電子デバイスがＢＧＡ型でない場合、チップが（ディジタル）電力回路を具現しない場合、チップが異なる周波数または異なる電源で動作する場合などに同様な考えが当てはまる。
チップ１１０の部分平面図を示す図２をここで考察すると、２００として引用されパッド２０５で終わる配線が示され、この配線は、貫通ビアで相互接続ボール２１０に接続することができ、この接続ボールは高周波信号を伝送するために使用される。それぞれ２１５ａおよび２１５ｂとして引用される一対の共面配線は、信号配線２００のまわりに配列され、図示のように同じ導電層内に形成することができる。共面配線２１５ａおよび２１５ｂはボール２２５に接続するパッド２２０で終わり、このパッドは、他の導電層内に形成された配線２３０およびプリント回路基板（示されない）に形成された基準電圧配線または接地配線につながっている。配線２３０は、配線２００および共面配線２１５ａおよび２１５ｂに部分的に重なっている。
配線２００で伝送される高周波信号は、信号配線２００、共面配線２１５ａおよび２１５ｂおよび配線２３０で画定される伝送線路に沿って伝搬する電磁波を生成する。
ここで線Ａ−Ａに沿った断面を考えると、図３に示すように、チップ・キャリア１１０はチップ１０５（図示しない）およびプリント回路基板（図示しない）からそれぞれ絶縁膜２３５および２３５’で絶縁されている。絶縁膜２３５および２３５’は、パッド例えばパッド２０５が形成される開口を含む。チップ・キャリア１１０は、いくつかの導電層２４０ａから２４０ｇ（問題の例では７つ）を含み、この導電層は誘電体材料２４５、例えばＰＴＦＥで互いに絶縁されている。導電層２４０ａから２４０ｇは、チップ１０５とプリント回路基板（図示しない）を電気的に接続し、このプリント回路基板に電子モジュール１００が半田付けされている。一般に、導電層２４０ａから２４０ｇの配線の設計は、信号間のクロストークおよび伝送遅延を減少させるように最適化される。その結果、導電層２４０ｂ、２４０ｄおよび２４０ｆは基準電圧配線または接地配線を形成するように使用されることが多く、導電層２４０ｃおよび２４０ｅは（高周波）信号を伝送するように使用され、また導電層２４０ａおよび２４０ｇは、ボール・パッドを内部導電層２４０ｂから２４０ｆに接続するように使用され、したがって（高周波）信号配線か基準電圧配線か接地配線かどれかを形成するように使用される。
このように、例示として、信号配線２００および共面配線２１５ａおよび２１５ｂは、第１の導電層２４０ａ（チップ・キャリア１１０の下の面から始まる）に形成され、配線２３０は第２の導電層２４０ｂ（第１の導電層に隣り合う）に形成される。
ビアホール２５０は、導電層２４０ｄに形成された基準電圧面または接地面を配線２３０および共面配線２１５ａおよび２１５ｂに接続し、次に相互接続ボール２２５に接続する。
導電層２４０ｄに形成された基準電圧面または接地面、配線２３０および共面配線２１５ａおよび２１５ｂによって、信号配線２００と関連した伝送線路のインピーダンスを制御しかつ信号配線２００を電磁干渉から遮蔽する基準構造が画定される。
導電層が近接していることで、漂遊コンデンサが生成される。特に、漂遊コンデンサは、相互接続ボール２１０と２２５の間、および導電層２４０ｂに形成された配線と相互接続ボール２１０の間に形成される。
発明者らは、知られている電子デバイスの性能の劣化が、主に、相互接続ボール２１０と関連した伝送線路の不連続によっていることを発見した。伝送線路は、実際に、信号配線２００に沿った水平方向から、相互接続ボール２１０まで延びる垂直方向に鋭く方向を変える。特に、導電層２４０ｂに形成された配線と相互接続ボール２１０の間に形成された漂遊コンデンサは、相互接続ボール２１０と２２５の間に形成されるものに比べて、比較的大きなキャパシタンスを有する。その結果、このコンデンサは高周波で低域フィルタとして作用し、したがって伝送帯域幅を減少させる。導電層２４０ｂに形成された配線と相互接続ボール２１０の間に形成された漂遊コンデンサは、パッド例えばパッド２０５に対応するコンタクト領域の正射影に従って導電層２４０ｂおよび２４０ｃに開口を設けることによって、すなわち信号配線または基準電圧配線を取り除くことによって減少させることができる。しかし、この開口は、製造上の不利点、例えばチップ・キャリア１１０の平坦度をもたらす可能性がある。というのは、誘電体層の厚さ例えば３５μｍを考えるとき、パッケージ構造の導電層の厚さ例えば１２μｍを無視することはできないからである。層２４０ｂに導電材料を取り除いてできた大きな領域、例えば直径６００から８００μｍを補充してパッケージ表面積全体にわたって平坦度を維持することがどんなに困難であるかということは明らかになる。さらに他の製造上の不利点は誘電体材料界面まで延びた誘電体材料であり、これはそのような大きな領域の場合には非常にクリティカルな接着界面である。したがって、本発明は前記の方法と反対の方向に進み、環状リング開口例えば２５５を設けることにあり、このリング開口では、導電性材料でできた中心の浮遊ディスク例えば２６０は、図３および４に示すように、どの信号面、基準電圧面または接地面にも接続されていない。
形２６５は、上述の低域フィルタ効果を軽減するために、信号面、基準電圧面または接地面が形成されてはならない場所を表す。形２６５は、導電層２４０ａに対して垂直な共通軸を有する円錐状部分および円柱状部分を重ねて形成される。第１の円柱状部分は、それぞれ信号配線および基準電圧配線または接地配線が形成される第１および第２の導電層２４０ａおよび２４０ｂで境界を定められる。円錐状部分は、基準電圧配線または接地配線および信号がそれぞれ形成される第２および第３の導電層２４０ｂおよび２４０ｃで境界を定められる。第２の円柱状部分は、信号配線が形成される第３の導電層２４０ｃと、他の基準電圧配線または接地配線が形成される最も近い導電層２４０ｄとで境界を定められる。図示のように、円錐状部分の最小直径は第１の円柱状部分の直径に対応し、また第２の円柱状部分の直径は円錐状部分の大きい方の直径に対応する。第１の円柱状部分の直径はパッド２０５に対応するコンタクト領域で決定され、この直径の値は、パッド２０５に対応するこのコンタクト領域の正射影に少なくとも等しい。図示のように、円錐状部分の角度は、３０°と６０°の間に含まれ、好ましくは４５°に等しい。導電性材料でできた浮遊ディスク２６０は、図３および４に示すように、導電層２４０ｂに形成されて、基準面２３０と浮遊ディスク２６０の間に絶縁材料でできた環状リング２５５をつくる。好ましい実施形態では、環状リング２５５の断面は、パッド２０５に対応するコンタクト領域の正射影に中心がある。浮遊ディスク２６０は、どの信号配線、基準電圧配線または接地配線にも接続されていない。例えば、６００μｍに等しい直径を有するパッド２０５に対応するコンタクト領域を考えると、開口の直径は少なくとも６００μｍに等しくなければならない。しかし、もっと大きな直径で、信号の遮蔽は向上する。発明者らは、そのような場合、８００μｍに等しい開口直径および６００μｍに等しい浮遊ディスク直径は、効率のよい信号遮蔽を実現し、同時に、専用表面積および上述の物理的パラメータ例えばパッケージ表面積全体にわたった平坦度および誘電体材料間接着を最適化する値であることを観察した。
チップ・キャリアが異なる構造例えば共面配線間に配列された２本の差動信号配線を有する場合、チップ・キャリアが異なる数の導電層を含む場合、信号配線が形成されている第１の層の表面にさらに他の接地面が設けられる場合、接地面および電源面それぞれが２以上の別個の配線から成る場合、コンタクト領域が異なる寸法を有する場合などに、同様な考えが当てはまる。
より一般的には、本発明は、互いに絶縁された複数の導電層を有する回路化基板を含んだ高周波信号を伝送するための電子デバイス・キャリアを提供する。それぞれ高周波信号を伝送するコンタクト領域で終わる複数の信号配線が形成されている導電層のうち第１の層から、導電層が次々に配列される。電子デバイス・キャリアは、さらに、信号配線を遮蔽するために基準電圧または接地に接続することができる基準構造を含む。基準構造は、第１の導電層に隣り合った導電層のうち第２の層に形成された少なくとも１つの基準配線と、第１および第２の導電層と異なる導電層の１つに形成された少なくとも１つの他の基準配線とを有する。関連したコンタクト領域すなわちパッドの正射影に対応する領域を少なくとも除外した各信号配線の部分は、平面図で、対応する基準配線に重なっており、また、各信号配線に関連したコンタクト領域すなわちパッドの正射影に対応する領域の少なくとも一部は、どの信号配線、基準電圧配線または接地配線にも接続されていない浮遊導電性配線を間に置いて、平面図で、対応する他の基準配線に重なっている。
発明された解決法によって、相互接続ボールの領域において信号配線と基準面の間に形成される漂遊コンデンサのキャパシタンスは著しく減少する（それらの間隔に逆比例する）。
本発明の解決法は、伝送線路に沿って伝搬された電磁波の優れた完全性を維持する。電子デバイス・キャリアの提案された設計は、チップの性能に可能な限り影響を及ぼさないので、全電子システムは、チップで可能とされる動作周波数に非常に近い周波数で動作することができる。
さらに、本発明に従った解決法によって、たとえ信号配線の寸法（そして信号配線と隣りの基準面の間の誘電体層の幅も）が減少しても、申し分のない値の伝送線路の幅が維持される。したがって、この構造によって、非常に小さな寸法であるが同時に高性能を有する電子システムを製造することが可能になる。
製造態様および機械的な態様を考えると、本発明の解決法は、高周波信号を伝送するための平坦電子デバイス・キャリアに適合しており、電子デバイス・キャリア、電子デバイス、および電子デバイスが接続された電子システムの間の膨張係数を整合させることができる。というのは、隣り合う誘電体材料層のコンタクト領域は、電子デバイス・キャリア多層構造における層間接着の改良によって最小限になるからである。
特に図５を参照して、単一基準面が信号配線に隣り合った状態での知られている電子モジュールのアイ・ダイアグラムを示し、この配線はそれぞれの相互接続ボールと重なっている。この図は、クロック信号の位相の関数として伝送線路から受け取られた信号ｓ（ｔ）の値（Ｖ単位で）を示す。伝送線路の不連続のために、アイ・ダイアグラムはすっかり閉じている。逆に、本発明のチップ・キャリアを組み込んだ電子モジュールのアイ・ダイアグラムは、図６に示すように、より多く開いているので、信号の実際のスイッチング遷移を背景雑音による信号ベースラインの偏移と識別することがより容易である。その結果、電子モジュールは、減少した電源電圧のレベルでも高周波で動作させることができる。
言い換えれば、知られている電子モジュールでは、パッドとその下の基準面の間に形成された漂遊コンデンサで設定される低域フィルタは、非常に低い遮断周波数を有する。したがって、図７に示すように、信号ｓ（ｆ）（周波数ドメインで表された）の第１高調波ｆ０だけがかろうじて伝送される。これに反して、本発明の解決法では、図８に示すように、伝送線路の帯域幅は信号の第３高調波３ｆ０まで広がる。
本発明は高周波信号をチップ・キャリアからプリント回路基板に伝送するためのチップ・キャリアを参照して説明したが、本発明は、Ｃ４パッドまたはワイヤ・ボンディング接続に使用されるパッドに接近した伝送線路において不連続の効果を軽減するようにチップ・キャリアに効率的に応用することができる。
プリント回路基板における漂遊コンデンサ効果は一般に無視することができる。その理由は、信号配線、基準電圧配線と接地配線の間の誘電体厚さと配線幅の比が多くの場合十分に大きいからである。したがって、たとえコストを無視すること以外に不利点なしに行うことができるとしても、一般にプリント回路基板で本発明を実施する必要はない。しかし、小型化の傾向のために、チップ・キャリアの上述の低域フィルタ効果は、プリント回路基板で、例えばテフロン（Ｒ）をベースにしたプリント回路基板で生じる可能性がある。そのような場合、プリント回路基板自体で本発明を実施して、漂遊コンデンサ効果を軽減することができる。
もちろん、局部的および固有要件を満すために、当業者は多くの修正および変更を上述の解決法に適用することができるが、その修正および変更のすべては、次の特許請求の範囲で定義さるような本発明の保護範囲内に含まれる。
本発明に従ったチップ・キャリアが使用できる電子モジュールを示す断面図である。 本発明に従った特定のチップ・キャリアを示す平面図である。 本発明に従った特定のチップ・キャリアを示す断面図である。 特定の導電層を示す平面図である。 知られている電子デバイスでの信号のアイ・ダイアグラムを示す図である。 本発明に従ったチップ・キャリアを含む電子デバイスでの信号のアイ・ダイアグラムを示す図である。 周波数ドメインで同じ信号を示す図である。 周波数ドメインで同じ信号を示す図である。

Claims (9)

  1. 高周波信号伝送に適合する電子デバイス・キャリアであって、
    互いに絶縁された複数の導電層を有する回路化基板であって、それぞれが高周波信号を伝送するためのコンタクト領域で終わる複数の信号配線が形成されている前記複数の導電層が第１の層から順次配列されている回路化基板と、
    前記信号配線を遮蔽するために基準電圧または接地に接続可能な基準構造とを含み、
    前記基準構造が、前記第１の導電層に隣り合った前記導電層の第２の層に形成された少なくとも１つの基準配線と、前記第１および第２の導電層と異なる前記導電層の１つに形成された少なくとも１つの他の基準配線とを含み、
    関連したコンタクト領域の正射影に対応する領域を少なくとも除外した各信号配線の部分が、上面から見て、対応する基準配線に重なり、さらに、各信号配線に関連したコンタクト領域の正射影に対応する領域の少なくとも一部が、どの信号配線、基準電圧配線または接地配線にも接続されていない浮遊導電性配線を間に置いて、上面から見て、対応する他の基準配線に重なっていることを特徴とする電子デバイス・キャリア。
  2. 前記導電層のうち少なくとも１つの中間の層が、前記第２の導電層と前記他の基準配線が形成されている前記１つの導電層の間に配列され、複数の配線が前記少なくとも１つの中間導電層に形成され、前記配線が、上面から見て、前記第２の導電層に隣り合った前記導電層のうち第３の層を越え、前記コンタクト領域の正射影に対応する領域が位置する前記少なくとも１つの基準配線から前記第３の導電層に向かって延びかつ当該基準配線と３０°から６０°の角度で画定される領域の外に配列される、請求項１に記載の電子デバイス・キャリア。
  3. 前記角度が、４５°である、請求項２に記載の電子デバイス・キャリア。
  4. 前記基準構造が、さらに、前記第１の導電層に形成された複数の対の共面配線を含み、各信号配線が対応する対の共面配線の間に配列されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の電子デバイス・キャリア。
  5. さらに、それぞれ共面配線を前記対応する基準配線および前記対応する他の基準配線に接続する複数のビアホールを含む、請求項４に記載の電子デバイス・キャリア。
  6. さらに、それぞれ対応するコンタクト領域に配列された複数の相互接続ボールを含む、請求項５に記載の電子デバイス・キャリア。
  7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の電子デバイス・キャリアと、前記キャリアに取り付けられた、複数の端子を有する半導体チップと、前記チップの各端子を前記対応する信号配線に電気的に接続するための手段とを含む高周波電子デバイス。
  8. 前記半導体チップの端子が、相互接続ボールによって前記対応する信号配線に接続されている、請求項７に記載の電子デバイス。
  9. 前記半導体チップの端子が、前記対応する信号配線にワイヤ・ボンディングされている、請求項７に記載の電子デバイス。
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