JP4493981B2 - 半導体デバイスの実装部材、半導体デバイスの実装構造、および半導体デバイスの駆動装置 - Google Patents

半導体デバイスの実装部材、半導体デバイスの実装構造、および半導体デバイスの駆動装置 Download PDF

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Description

本発明は、基板上に半導体チップを搭載してなる半導体デバイスの駆動装置、特に、ハイパワーの半導体チップを搭載した消費電流の大きい半導体デバイスの駆動装置に関するものである。
最近のCPU(Central Processing Unit)は、その演算処理能力の増大に伴う高集積化のため、動作電流が増大する傾向にある。また、高集積化されたCPUでは、回路パターン等の微細化による絶縁性の低下から漏れ電流も増加の一途を辿り、これも、CPUにおける消費電流の増加の要因となっている。このため、近年では、デバイス駆動用電源として100アンペアを越える大電流を消費するような半導体デバイスの開発も進んでいる。
また、半導体チップであるCPUをデバイス基板上に搭載してなる半導体デバイスは、実装基板上にBGA(Ball Grid Array)やLGA(Land Grid Array)と呼ばれるパッケージスタイルにて実装することが一般的に行われている。
BGAやLGAにて実装される半導体デバイスは、デバイス基板における裏面側(実装基板との対向面側)に、マトリクス状に配された多数の電極パッドを有しており、これらの電極パッドが該半導体デバイスの駆動装置側に備えられた実装基板上の所定の電極パッドと接続されることにより、動作電源の供給、GNDとの接続、処理信号の入出力が可能となる。
従来では、上記実装基板として単層もしくは多層のプリント基板が用いられており、該プリント基板の配線層において、動作電源用、GND用、および信号入出力用の配線および電極パッドが形成される。
しかしながら、プリント基板の同一の配線層において、動作電源用、GND用、および信号入出力用の各種配線および電極パッドを形成する構成では、消費電流の大きい半導体デバイス(ハイパワーデバイス)に対して、その配線層の導体厚(銅箔)が30〜75μmと薄いことにより、動作電源のための大電流を供給できなくなるといった問題がある。すなわち、駆動電流に見合う導体断面積が得られず、導体抵抗に対し電流値の2乗に比例して増大する電力損失のため、プリント基板自体が発熱したり、半導体デバイスの動作状態の変化による消費電流の変化に高速に追従できない等の問題が生じている。
ハイパワーデバイスに対して大電流を供給するためには、実装基板となるプリント基板を多層化し、複数層を電源供給用およびGND用に専用使用することが考えられる。また、特許文献1には、信号配線層と電源供給層とをそれぞれ別のプリント基板に分割し、電源供給層を含むプリント基板の導体厚を厚くした実装構造が記載されている。
特開平4−118984号(公開日平成4年4月20日)
従来のハイパワーデバイスは、その集積度が低く、駆動電源として供給される電流も最大でも30アンペア程度であった。この程度の電流供給を行う場合では、上記従来の構成のように、デバイスを装着する実装基板(プリント基板)を多層化し、複数層を電源供給用およびGND用に専用使用することなどで対処することが可能であった。しかしながら、近年開発が進んでいる100アンペアを越える大電流を消費するような半導体デバイスでは、上記従来の構成ではやはり電流供給が困難であるといった問題が生じる。
すなわち、100アンペアを越える大電流を半導体デバイスに供給しようとする場合、プリント基板の導体では、その厚さが最大でも70μmと薄いため電力損失が大きくなり、プリント基板の発熱等の問題が解消できない。また、電源供給層をさらに多層化して電流供給の問題を解決しようとすると、プリント基板のコストが著しく増大する。
また、上述のようなハイパワーデバイスでは、消費電力や漏れ電流低減のため動作電圧が低電圧化してきており、導体の抵抗損失によって生じる半導体デバイスへの供給電圧の電圧降下が許容できなくなっている。
さらには、半導体デバイスは、その出荷前に良品・不良品の判別試験に加えて、初期不良を発見するためのバーンインと呼ばれる試験が実施される。バーンインでは、半導体デバイスに通常使用時よりも大きい負荷を与えて試験が実施されるため、その供給電流も通常使用時よりも大きくなる。このため、バーンイン装置において、半導体デバイスに対して動作電流を供給するための駆動装置では、電圧効果補償のため直流電源装置が大型化したり、発熱の冷却装置が大型化する等、バーンイン装置に与える影響が多大となる。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、動作電流が100アンペアを越えるようなハイパワーの半導体デバイスに対して安定した動作電流の供給を可能とする半導体デバイスの駆動装置を実現することにある。
本発明に係る半導体デバイスの実装部材は、上記課題を解決するために、半導体デバイスに対して動作信号の入出力を行う配線基板と、前記半導体デバイスに動作電源を供給するための電源供給用導体板および接地用導体板とを、絶縁体を介して積層した構造を有し、前記配線基板における動作信号の入出力用の電極パッドと、電源供給用導体板および接地用導体板における接続電極とを、同一の実装面内に半導体デバイスの電極レイアウトと一致するように配してなることを特徴としている。
また、上記半導体デバイスの実装部材は、前記配線基板、電源供給用導体板および接地用導体板は、前記配線基板が最も実装面側に配置されており、電源供給用導体板および接地用導体板は、前記配線基板を貫通するピン状導体を圧入され、該ピン状導体の端面が配線基板表面に位置することによって接続電極が形成されていることを特徴としている。
本発明に係る半導体デバイスの実装構造は、上記課題を解決するために、半導体デバイスに対して動作信号の入出力を行う配線基板と、前記半導体デバイスに動作電源を供給するための電源供給用導体板および接地用導体板とを、絶縁体を介して積層した構造を有し、前記配線基板における動作信号の入出力用の電極パッドと、電源供給用導体板および接地用導体板における接続電極とを、同一の実装面内に半導体デバイスの電極レイアウトと一致するように配してなり、前記実装面に半導体デバイスを接続していることを特徴としている。
本発明に係る半導体デバイスの実装構造は、上記課題を解決するために、半導体デバイスに対して動作信号の入出力を行う配線基板と、前記半導体デバイスに動作電源を供給するための電源供給用導体板および接地用導体板とを、絶縁体を介して積層した構造を有し、前記配線基板における動作信号の入出力用の電極パッドと、電源供給用導体板および接地用導体板における接続電極とを、同一の実装面内に半導体デバイスの電極レイアウトと一致するように配してなる実装部材と、前記電源供給用導体板および接地用導体板を介して、前記実装部材に実装される半導体デバイスに動作電源を供給する電源供給手段とを備えていることを特徴としている。
本発明に係る半導体デバイスの実装部材は、以上のように、半導体デバイスに対して動作信号の入出力を行う配線基板と、前記半導体デバイスに動作電源を供給するための電源供給用導体板および接地用導体板とを、絶縁体を介して積層した構造を有し、前記配線基板における動作信号の入出力用の電極パッドと、電源供給用導体板および接地用導体板における接続電極とを、同一の実装面内に半導体デバイスの電極レイアウトと一致するように配してなる構成である。
上記構成の実装部材を用いることにより、半導体デバイスは、配線基板より入出力信号を(さらに微小な駆動電流をも)受け、電源供給用導体板および接地用導体板から大電流の駆動主電流を受けて駆動される。
半導体デバイスに動作電源を供給するための電源供給用導体板および接地用導体板は、配線基板の配線層を用いず、板厚の大きい導体板(例えば厚さ1mm程度の銅板)を用いることで従来に比べて極めて大きな導体断面積を確保でき、それゆえ、供給される電流が大きなものとなっても、導体の抵抗損失を最小限にできると共に、動作状態の変化による消費電流の変化にも高速に追従でき、安定した電源供給を行うことができるといった効果を奏する。
また、上記半導体デバイスの実装部材では、前記配線基板、電源供給用導体板および接地用導体板は、前記配線基板が最も実装面側に配置されており、電源供給用導体板および接地用導体板は、前記配線基板を貫通するピン状導体を圧入され、該ピン状導体の端面が配線基板表面に位置することによって接続電極が形成されている。
それゆえ、電源供給用導体板および接地用導体板を半導体デバイスと接続するための接続電極を実装面まで引き出すための構造を容易に実現できるといった効果を奏する。
尚、上記構成において、電源供給用導体板および接地用導体板のうち実装面から遠い側の導体板に圧入されるピン状導体は、他方の導体板を貫通する必要があるが、該ピン状導体が貫通する導体板に対して絶縁される構成となる。この構成は、例えば、ピン状導体が貫通する導体板において絶縁隙間となる貫通穴を設けておくことで容易に実現できる。また、電源供給用導体板および接地用導体板に設けられるピン状導体は、配線基板の配線層導体とも接触しないように配置されることは明らかである。
本発明に係る半導体デバイスの実装構造および駆動装置は、上記構成の実装部材を備えることにより同様の効果を奏する。
本発明の一実施形態について図1ないし図4に基づいて説明すると以下の通りである。本実施の形態では、本発明をバーンイン装置に適用した場合を例にとって説明を行う。すなわち、以下の説明におけるバーンイン装置も本発明に係る半導体デバイスの駆動装置の一形態と見なされるものである。
先ず、半導体デバイスの構成を図2(a),(b)を参照して説明する。半導体デバイス10は、図2(a)に示すように、半導体チップ101をデバイス基板102上に搭載してなる構成である。また、デバイス基板102の裏面側(半導体チップ101の搭載面と反対側)には、マトリクス状に配置された多数の電極パッド103が形成され、デバイス基板102のおもて面側(半導体チップ101の搭載側)のプリント配線と接続されている。
なお、デバイス基板102の裏面の電極パッド103は、バーンイン時にその全てが用いられるものとは限らない。例えば、電源供給用に約100個、GND用に約100個、信号入出力用に約100個程度である。
次に、上記導体デバイス10に対してバーンインを実施するバーンイン装置について、図1を参照して説明する。
上記バーンイン装置では、半導体デバイス10に動作電流を供給したり、信号の入出力を行ったりするための実装基板に代わる構成として、バーンイン基板1、電源供給用導体板2、およびGND用導体板3を供えている。
上記バーンイン基板1は、半導体デバイス10に供給する動作信号や一部の微小電流の電源を伝達する回路、半導体デバイス10の動作状態を監視するモニタ回路等を有したプリント基板である。
電源供給用導体板2およびGND用導体板3は、半導体デバイス10に動作電源(動作動電圧VDDおよび接地電圧GND)を供給するための専用の2枚の導体板(例えば銅板)である。電源供給用導体板2およびGND用導体板3は、半導体デバイス10がハイパワーデバイスであり供給される動作電流が大電流であることから、導体抵抗を低くして抵抗損失を抑制するために、板厚の大きな導体板(0.6mm〜2.0mm程度)として具備される。
バーンイン基板1、電源供給用導体板2、GND用導体板3は、それぞれの間に絶縁性フィルム(あるいは絶縁板)4を介して積層配置される。この場合の積層順序は特に限定されるものではないが、他の電源(VDD2、VDD3といった)のGNDを共通化する場合、電源供給用導体板2の電流よりさらに大きな電流がGND用導体板3に流れるため、電源供給用導体板2よりGND用導体板3を厚くする必要性があることを考慮すると、半導体デバイス10との接続の容易性からバーンイン基板1を最上層(半導体デバイス10に最も近い層)、次層に電源供給用導体板2、最下層にGND用導体板3とすることが好ましい。こうすすることで、下層の導体板から出るピン状導体を長くしなくてよい。図1では、電源供給用導体板2を2番目の層、GND用導体板3を3番目の層(最下層)としている。
電源供給用導体板2およびGND用導体板3には、図3(a),(b)に示すように、半導体デバイス10のVDDとGNDの電極レイアウトと一致する位置に多数のピン状導体21,31が圧入配設されている(尚、同図においてピン状導体の本数は簡略化されている)。ピン状導体21,31は、その先端が最上層のバーンイン基板1表面と同一面になるような長さを有し、圧入部分は導体板2,3の厚さを越えないようになっている。また、電源供給用導体板2には、GND用導体板3におけるピン状導体31と一致する位置にピン状導体31よりも大きな径を有する貫通孔22が形成されている。貫通孔22は、電源供給用導体板2とGND用導体板3とを積層した際に、電源供給用導体板2とピン状導体31とを非接触として、その間の絶縁性を確保する絶縁隙間となる。
電源供給用導体板2およびGND用導体板3におけるピン状導体21,31の圧入は、電源供給用導体板2およびGND用導体板3にエッチングにて微細孔をあけ、該微細孔にピン状導体21,31を圧入する方法が好適である。
さらに、上記ピン状導体21,31は、最上層にあるバーンイン基板1を貫通して、その先端がバーンイン基板1表面と同一面に露出している。この時、バーンイン基板1自体は絶縁性基板であるため、ピン状導体21,31の貫通部分に絶縁隙間を設ける必要がない。つまり、バーンイン基板1では、ピン状導体21,31と対応する箇所にピン状導体21,31を貫通させるための適度な大きな孔(孔の内壁がピン状導体21,31と接触するような大きさでもよい)があればよく、該孔の周囲においてバーンイン基板1表面に配置される他の電極となる充電導体が露出しないよう配線層がパターニングされていればよい。すなわち、ピン状導体21,31は、バーンイン基板1における配線層との絶縁性が確保されていればよい。
バーンイン基板1、電源供給用導体板2、GND用導体板3、および絶縁性フィルム4は、それぞれにおいて積層時の位置決め基準孔(電源供給用導体板2、GND用導体板3では位置決め基準孔23,32:図3(a),(b)参照)を有しており、これらの位置決め基準孔に絶縁性の位置決めピン5を貫通させることによって基板面内方向の位置決めが正確になされる。
また、電源供給用導体板2およびGND用導体板3は、バーンイン基板1と位置決めして積層した際、その一端が他の導体板の一端と積層方向において重ならないように突出した部分を有する。この突出部分には電源接続用孔24およびGND接続用孔33が設けられており、バーンイン装置に備えられた電源接続部81あるいはGND接続部82と接続される。
次に、バーンイン装置に半導体デバイス10を接続するための構成について説明する。本実施の形態に係るバーンイン装置では、該バーンイン装置に対する半導体デバイス10の電気的接続を介助するためにソケット6が使用される。先ずは、このソケット6の構成を図4(a),(b)を参照して説明する。
ソケット6は、図4(b)に示すように、大別して上枠部61と下台部62とから構成されている。上枠部61は、ソケット6をバーンイン装置に固定すると共に、バーンインを実施する半導体デバイス10をセットするための部材であり、その上面には半導体デバイス10と同じのサイズの枠となるデバイス枠部63が設けられている。
また、下台部62は、半導体デバイス10を載置するためのデバイス載置台64が基台部65に対して間にバネ66を介してフローティング状に取り付けられた構成となっている。さらに、下台部62では、デバイス載置台64および基台部65を双方向伸縮性のあるコンタクトピン67が貫通している。コンタクトピン67は、図4(a)に示すように、半導体デバイス10の下面における電極パッド103と同ピッチのマトリクス状に配置されている。
尚、図4(a)に示すように、上記コンタクトピン67がマトリクス状に設けられているソケット6では、該ソケット6は半導体デバイス10の電極レイアウトに関わらず使用が可能な汎用のものとなる。しかしながら、上記コンタクトピン67は、半導体デバイス10の電極レイアウトに一致させて必要な箇所のみに配置することも可能である。この場合、そのようなソケット6は、半導体デバイス10の電極レイアウトに合わせて製作されるものとなるが、コンタクトピン67の使用本数を減らすことができ、ソケット6の製造コストを下げることができる。
次に、半導体デバイス10にバーンインを実施する際の取り付け形態を、再度図1を参照して説明する。
バーンイン装置の補強台83上に、ソケット6、バーンイン基板1、電源供給用導体板2、GND用導体板3が、上からこの順序で載置され、これらがボルト84にてバーンイン装置に対し固定される。上記補強台83は、撓みを生じないよう剛性の高い金属台とすることが好ましく、その場合、GND用導体板3と補強台83との間には絶縁性フィルム4が介される。電源供給用導体板2、GND用導体板3は、電源接続部81あるいはGND接続部82と接続される。
またこの時、バーンイン基板1、電源供給用導体板2、GND用導体板3は位置決めピン5によって位置合わせされているが、これらの部材に対してさらにソケット6の位置合わせも必要となる。このため、ソケット6では、基台部65の下面に位置決め突起68が設けられており、この位置決め突起68をバーンイン基板1に設けられた位置決め孔11と嵌合させることによってソケット6がバーンイン基板1に対して位置決めされる。
バーンインが実施される半導体デバイス10は、ソケット6のデバイス載置台64に載置され、このときデバイス枠部63内にはめ込まれることによってソケット6に対して位置決めされる。載置された半導体デバイス10は、図示しない押圧機構によって下方に押圧される。この押圧力によって、デバイス載置台64が下降し、半導体デバイス10の下面の電極パッド103がコンタクトピン67の上端と接する。
上記半導体デバイス10において、信号入出力用の電極パッド103はコンタクトピン67Aによってバーンイン基板1表面の電極パッド(図示せず)と接触する。電流供給用の電極パッド103はコンタクトピン67Bによって電源供給用導体板2に圧入されたピン状導体21と接触する。そして、GND接続用の電極パッド103はコンタクトピン67CによってGND用導体板3に圧入されたピン状導体31と接触する。
上記構成のバーンイン装置により、半導体デバイス10は、バーンイン基板1より入出力信号や微小な駆動電流を受け、電源供給用導体板2およびGND用導体板3から大電流の駆動主電流を受けて駆動される。電源供給用導体板2およびGND用導体板3では、プリント基板の配線層を用いず、板厚の大きい導体板(例えば厚さ1mm程度の銅板)を用いることで従来に比べて極めて大きな導体断面積を確保でき、供給される電流が大きなものとなっても、導体の抵抗損失を最小限にできると共に、動作状態の変化による消費電流の変化にも高速に追従でき、安定した電源供給を行うことができる。
また、上記電源供給用導体板2およびGND用導体板3は、その板厚が自由に設定できるものであり、今後の更なる開発によって、さらに大電流かつ低電圧のデバイスが開発されたとしても板厚を大きくすることで(あるいは導体板の層数を増やすことで)容易に対応できる。また、本発明をバーンイン装置に適用した場合、該バーンイン装置において直流電源装置や冷却装置の小型化を図ることができる。
尚、上記説明では本発明をバーンイン装置に適用した場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、通常の装置において本発明を適用することも可能である。すなわち、半導体デバイスの駆動装置における実装基板に、上記バーンイン基板に相当するプリント基板、電源供給用導体板、およびGND用導体板からなる構成を利用し、半導体デバイスの実装にはソケットではなくBGA(Ball Grid Array)やLGA(Land Grid Array)等を用いた実装構造とすることも可能である。また、通常の装置において本発明を適用する場合に半導体デバイスの実装にソケットを用いることも可能である。
また、上記説明では、バーンイン基板1、電源供給用導体板2、GND用導体板3からなる実装部材に対して、一つの半導体デバイス10を取り付けた構成を例示しているが、これはあくまで例示に過ぎず、実装される半導体デバイス10の数は特に限定されない。バーンイン装置では、複数の半導体デバイス10に対して同時にバーンインを実施できるように、複数の半導体デバイス10を実装可能とすることが好ましい。
動作電流が100Aを越えるようなハイパワーの半導体デバイスに安定して動作電流を供給することができ、半導体デバイスの駆動装置や半導体デバイスのバーンイン装置等の用途に適用できる。
本発明の実施形態を示すものであり、バーンイン装置の要部構成を示す断面図である。 半導体デバイスの構成を示す図であり、図2(a)は側面図、図2(b)は底面図である。 図3(a)は電源供給用導体板の平面図、図3(b)はGND用導体板の平面図である。 上記バーンイン装置に用いられるソケットの構成を示す図であり、図4(a)は平面図、図4(b)は側面図である。
符号の説明
1 バーンイン基板(配線基板)
2 電源供給用導体板
3 GND用導体板(接地用導体板)
4 絶縁フィルム(絶縁体)
10 半導体デバイス
21・31 ピン状導体
81 電源接続部(電源供給手段)
82 GND接続部(電源供給手段)

Claims (4)

  1. 半導体デバイスに対して動作信号の入出力を行う配線基板と、
    前記半導体デバイスに動作電源を供給するための電源供給用導体板および接地用導体板とを、絶縁体を介して積層した構造を有し、
    前記配線基板、電源供給用導体板および接地用導体板は、前記配線基板が最も実装面側に配置されており、
    前記配線基板における動作信号の入出力用の電極パッドと、電源供給用導体板および接地用導体板における接続電極とを、同一の実装面内に半導体デバイスの電極レイアウトと一致するように配してなり
    前記電源供給用導体板および前記接地用導体板は、前記配線基板を貫通するピン状導体を圧入され、該ピン状導体の端面が配線基板表面に位置することによって接続電極が形成されており、
    前記電源供給用導体板および前記接地用導体板のうち、実装面に近い側に配置された導体板には前記実装面から遠い側に配置された導体板に圧入されたピン状導体に対応する位置に前記ピン状導体よりも大きな径を有する貫通孔が形成され、実装面から遠い側に配置された導体板に圧入されたピン状導体は、前記貫通孔を通ることによって前記貫通孔を有する導体板と非接触となっており、
    前記配線基板において前記ピン状導体を貫通させる孔の周囲には、配線層の他の電極となる導体が露出しないように前記配線基板の配線層がパターニングされていることを特徴とする半導体デバイスの実装部材。
  2. 半導体デバイスに対して動作信号の入出力を行う配線基板と、
    前記半導体デバイスに動作電源を供給するための電源供給用導体板および接地用導体板とを、絶縁体を介して積層した構造を有し、
    前記配線基板、電源供給用導体板および接地用導体板は、前記配線基板が最も実装面側に配置されており、
    前記配線基板における動作信号の入出力用の電極パッドと、電源供給用導体板および接地用導体板における接続電極とを、同一の実装面内に半導体デバイスの電極レイアウトと一致するように配してなり
    前記電源供給用導体板および前記接地用導体板は、前記配線基板を貫通するピン状導体を圧入され、該ピン状導体の端面が配線基板表面に位置することによって接続電極が形成されており、
    前記電源供給用導体板および前記接地用導体板のうち、実装面に近い側に配置された導体板には前記実装面から遠い側に配置された導体板に圧入されたピン状導体に対応する位置に前記ピン状導体よりも大きな径を有する貫通孔が形成され、実装面から遠い側に配置された導体板に圧入されたピン状導体は、前記貫通孔を通ることによって前記貫通孔を有する導体板と非接触となっており、
    前記配線基板において前記ピン状導体を貫通させる孔の周囲には、配線層の他の電極となる導体が露出しないように前記配線基板の配線層がパターニングされており、
    前記実装面に半導体デバイスを接続していることを特徴とする半導体デバイスの実装構造。
  3. 前記半導体デバイスと前記接続電極との中間に双方向伸縮性のあるコンタクトピンを有しており、
    前記半導体デバイスの電極パッドと前記接続電極とが前記コンタクトピンによって導通されることを特徴とする請求項2に記載の半導体デバイスの実装構造。
  4. 半導体デバイスに対して動作信号の入出力を行う配線基板と、
    前記半導体デバイスに動作電源を供給するための電源供給用導体板および接地用導体板とを、絶縁体を介して積層した構造を有し、
    前記配線基板、電源供給用導体板および接地用導体板は、前記配線基板が最も実装面側に配置されており、
    前記配線基板における動作信号の入出力用の電極パッドと、電源供給用導体板および接地用導体板における接続電極とを、同一の実装面内に半導体デバイスの電極レイアウトと一致するように配してなり
    前記電源供給用導体板および前記接地用導体板は、前記配線基板を貫通するピン状導体を圧入され、該ピン状導体の端面が配線基板表面に位置することによって接続電極が形成されており、
    前記電源供給用導体板および前記接地用導体板のうち、実装面に近い側に配置された導体板には前記実装面から遠い側に配置された導体板に圧入されたピン状導体に対応する位置に前記ピン状導体よりも大きな径を有する貫通孔が形成され、実装面から遠い側に配置された導体板に圧入されたピン状導体は、前記貫通孔を通ることによって前記貫通孔を有する導体板と非接触となっており、
    前記配線基板において前記ピン状導体を貫通させる孔の周囲には、配線層の他の電極となる導体が露出しないように前記配線基板の配線層がパターニングされている実装部材と、
    前記電源供給用導体板および接地用導体板を介して、前記実装部材に実装される半導体デバイスに動作電源を供給する電源供給手段とを備えていることを特徴とする半導体デバイスの駆動装置。
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