JP4644717B2

JP4644717B2 - 基板ユニット

Info

Publication number: JP4644717B2
Application number: JP2008004246A
Authority: JP
Inventors: 正輝小出
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2022-06-26
Also published as: JP2008109161A

Description

本発明は半導体装置に係り、特に基板に搭載れてパッケージされたＬＳＩパッケージ等の半導体装置に対する電源接続構造を含む基板ユニットに関する。

ＣＰＵやＭＰＵのような大規模集積回路（ＬＳＩ）は回路の高集積化（高密度化）が益々進んでいる。これに伴い、一つのＬＳＩの消費電力も増大しており、現在では消費電力が３０Ｗから１００ＷのＬＳＩも登場している。

回路の高集積化に伴い、ＬＳＩに供給する信号数も増大し、このための信号用端子や電源・接地用端子の数も増やさなければならない。現在のＬＳＩは、半導体チップが搭載された基板の裏面に外部接続用端子としてハンダボールが格子状に配列されたボールグリッドアレイ（ＢＧＡ)タイプが主流である。

ＬＳＩパッケージの端子数を増加すると、パッケージ基板内の配線を微細化しなければならない。したがって、パッケージ基板内の配線中に流すことのできる電流許容値が低くなる。一方、ＬＳＩの電源電圧は低電圧化が進み、５Ｖから１Ｖ程度の電源電圧に移行しつつある。電源電圧が低くなると、同じ電力消費であれば電流値は増大する。したがって、パッケージ基板内の電源用配線には、信号用配線に比較して大きな電流を流す必要が生じる。

図１は従来のＬＳＩパッケージへの電力供給構造を示す基板ユニットの断面図である。図１において、ＬＳＩパッケージ１はマザーボードやドータボードのような基板２に搭載される。ＬＳＩパッケージ１の外部接続用端子としてのハンダボール３は、基板２上の電極パッド４に接続される。

ＬＳＩパッケージ１は、半導体チップ（ＬＳＩ）５とパッケージ基板６とよりなる。ＬＳＩ５はパッケージ基板６に対して実装され、パッケージ基板６内の配線を介してＬＳＩ５に信号及び電力が供給される。

基板２には、ＬＳＩパッケージ１に供給する電源電圧を制御するためのＤＣ−ＤＣコンバータ７が搭載される。ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、基板２内の電源ライン８Ａから供給される電圧を、ＬＳＩパッケージ１用の電源電圧まで下げる。例えば、基板２内の電源ライン８Ａには４８Ｖ又は２４Ｖの電圧が供給され、ＤＣ−ＤＣコンバータ７により１．８Ｖ又は１Ｖに下げられて、電源供給ライン８Ｂに供給される。電源ライン８Ｂは電極パッド４を介してＬＳＩパッケージ１のハンダボール３に接続されており、パッケージ基板６に１．８Ｖ又は１Ｖの電源電圧が供給される。また、接地ライン９Ａも同様に、ＤＣ−ＤＣコンバータ７、接地ライン９Ｂ、電極パッド４、ハンダボール３を介してパッケージ基板６に接続される
一般的に、パッケージ基板６内にはほぼ平面状に延在する電源層１０と接地層１１とが設けられる。ＬＳＩパッケージ１への電源供給は、まず基板２から電源層１０へ電源供給を行い、そしてＬＳＩパッケージの各電源供給端子には電源層１０から電力供給を行う。電源層１０から半導体チップ（ＬＳＩ）５への電力供給路に関しては、供給すべき電流値が比較的小さいので電力供給路の断面積が比較的小さくても問題はないが、ハンダボール３から電源層１０までの電力供給路にはＬＳＩ５全体が消費する大きな電流を流す必要があるため、大きな断面積を確保して大きな許容電流値を確保しなければならない。

図２は図１におけるパッケージ基板６の一例であるビルドアップ基板の一部の拡大断面図である。

一般的に、ビルドアップ基板は、中心となるコア基板１２の片面に電源層１０を形成し、反対側の面に接地層１１を形成する。そしてコア基板１２の両側に信号用配線等を多層に形成し、片側にＬＳＩ接続用電極パッド１３を設け、反対側にハンダボール３を形成するための電極パッド１４を設ける。

図２に示すハンダボール３が電力供給用の端子に相当すると仮定すると、図２においてハンダボール３から電源層１０までの間には上述のように大きな電流が流れる。ここで、ハンダボール３から電源層１０までの間にはビルドアップ基板の層間を貫通するビア１５が含まれる。

ビルドアップ基板中に形成されるビアの直径は５０μｍ〜１００μｍ程度であり、端子数が増えるとビアもより微細とせざるを得なため、一つのビアに流すことのできる電流は５００ｍＡ程度が限度となる。ここで例えば、１００Ｗの消費電力のＬＳＩに電力を供給するためには、許容電流値が５００ｍＡのビアが２００本必要となる。一つの端子（ハンダボール３）に対して１本のビアが対応するため、電力供給用の端子（ハンダボール３）が２００個必要となる。

したがって、信号用端子の数を減らすことなく電力供給用の端子の数を増やすと、パッケージ基板全体としての端子数が増大するため、パッケージ基板のサイズを大きくしなければならないという問題があった。

また、ＬＳＩの電源電圧が低くなると、電源ラインにノイズが混入しやすくなるので、電源ラインはなるべく短くしたいという要望があった。

本発明の総括的な目的は、上述の問題を解消した改良された有用な電源接続構造を提供することである。

本発明のより具体的な目的は、半導体素子への信号供給経路とは異なる構成の電力供給経路を備えた半導体装置用パッケージ基板を提供することである。

本発明の他の目的は、半導体装置への電力供給のためのＤＣ−ＤＣコンバータを含む電力供給路を構成する基板ユニットを提供することである。

本発明の更に他の目的は、半導体装置に対して基板を介さずに電力供給することのできるＤＣ−ＤＣコンバータを提供することである。

上述の目的を達成するために、本発明の一つの面によれば、基板と、電源層を有するパッケージ基板、該パッケージ基板上に実装された半導体素子及び前記パッケージ基板の半導体素子が実装された面に形成された電極端子よりなり、該基板上に実装された半導体装置と、前記半導体素子及び前記電極端子と接続されるコネクタを押圧し固定されるヒートスプレッダとを有することを特徴とする基板ユニットが提供される。

本発明の他の目的、特徴及び利点は添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、一層明瞭となるであろう。

まず、本発明の第１実施例について、図３を参照しながら説明する。図３は本発明の第１実施例による半導体装置が設けられた基板ユニットの断面図である。図３において図１に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

図３に示す基板ユニットは、基板２に対してＬＳＩパッケージ（半導体装置）２１とＤＣ−ＤＣコンバータ３１とを搭載した構成を有している。ＬＳＩパッケージ２１において、ＬＳＩ５はパッケージ基板２２の第１の面２２ａ上に実装され、パッケージ基板２２の第２の面２２ｂに外部接続端子としてのハンダボール３が形成される。ＬＳＩパッケージ２１は、従来と同様に外部接続用端子としてのハンダボール３を介して基板２の電源ライン（電源配線）８Ｂ及び接地ライン（接地配線）９Ｂに接続される。

本実施例では、上述の電源ライン及び接地ラインの接続に加えて、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１から基板２を介さずに、直接ＬＳＩパッケージの基板２２に電力供給を行う。すなわち、本実施例におけるＤＣ−ＤＣコンバータ３１は電圧変換回路を内蔵した本体３１ａから延在するコネクタ３２を有しており、コネクタ２３にはＬＳＩパッケージ２１に供給する電圧（すなわち、基板２の電源ライン８Ｂに供給される電圧）が供給される。したがって、基板２経由以外に、コネクタ３２を介してＤＣ−ＤＣコンバータ３１からＬＳＩパッケージ２１のパッケージ基板２２に対して電力（電流）を供給することができる。

以上のような電力供給を可能とするために、本実施例によるＬＳＩパッケージ２１は、ハンダボール３が設けられた面２２ｂの反対側の面（すなわちＬＳＩ５が搭載された面）２２ａに露出した電極端子２３を有する。電極端子２３は複数のビア２４を介して電源層１０に電気的に接続される。ビア２４の数はコネクタ３２から電源端子２３を介して電源層１０に流れる電流の値により決定すればよい。

以上のように、ＬＳＩパッケージ２１のパッケージ基板２２内の電源層１０には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１から基板２内の電源ライン８Ｂを経由した経路に加えて、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１のコネクタ３２を経由した経路からも電力（電流）が供給される。したがって、基板２を経由してハンダボール３から電源層１０に到る経路中に、許容電流値の低い部分（図２におけるビア１５等）があったとしても、コネクタ３２を経由した経路からも電流を供給することができるため、ＬＳＩパッケージ２１に対して十分に大きい電流を供給することができる。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１を、ＬＳＩパッケージ２１に対して近い位置に配置することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１から電源層１０までの距離が短くなり、ノイズが侵入する可能性を低減することができる。

次に、上述のＤＣ−ＤＣコンバータ３１のコネクタ３２をパッケージ基板２２の電極端子２３に接続するための機構について、図４を参照しながら説明する。図４はコネクタ３２を電極端子２３に押圧固定するための取り付け装置４０の側面図である。

図４に示す取り付け装置４０は、ＬＳＩパッケージ２１のＬＳＩ５にヒートスプレッダ４１を取り付けるための装置でもある。すなわち、取り付け装置４０はヒートスプレッダ４１をＬＳＩ５の背面に対して押圧固定する。このヒートスプレッダを利用して、コネクタ３２をヒートスプレッダ４１とパッケージ基板２２との間に挟み込んで固定する。より詳細には、コネクタ３２の先端に形成された接触部をパッケージ基板２２の電極端子２３にさせた状態で、コネクタ３２の上にヒートスプレッダ４１を配置し、取り付け装置４０の固定機構で固定する、
取り付け装置４０の固定機構は、一般的なバネの押圧力を利用したネジ止め式である。ヒートスプレッダのフィン部４１ａの四隅を貫通した支柱４２の先端をネジ板４３のネジ孔にねじ込むことにより固定するものである。すなわち、支柱４２はフィン部４１ａを貫通し且つ基板２も貫通する。支柱４２の先端にはネジが形成されており、ナット４２ａがねじ込まれる際にバネ４４が同時に押圧され、接触圧が発生する。支柱４２のフィン部４１ａの上方にはバネ４４が設けられ、支柱４２のフランジ部４２ａとの間で圧縮される。このバネ４４の弾性力により、ヒートスプレッダ４１はＬＳＩ５に向けて押圧され、したがって、コネクタ３２も電極端子２３に対して押圧され固定される。

図４に示すコネクタ２３の押圧固定機構は、単なる一例であり、他に様々な機構を用いることができる。

図５は図３に示すＤＣ−ＤＣコンバータ３１の変形例の平面図である。図５に示すＤＣ−ＤＣコンバータ３１Ａは、図３に示すコネクタ３２の他にコネクタ３３，３４を有しており、ＬＳＩパッケージ２１のパッケージ基板２２の３辺に接続することができる。これにより、コネクタとパッケージ基板との接触面積を増大することができ、パッケージ基板の電極端子に対してより大きな電流を供給することができる。

次に、本発明の第２実施例について、図６を参照しながら説明する。図６は本発明の第２実施例による半導体装置が設けられた基板ユニットの断面図である。図６において図１に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

図６に示す構成では、ＬＳＩパッケージのパッケージ基板２２Ａの電源層１０を露出させ、電源層１０に対してＤＣ−ＤＣコンバータ３１Ｂのコネクタ３２を直接接触させたものである。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１Ｂには、パッケージ基板２２Ａの接地層１１に接触するコネクタ３５も設けられる。

電源層１０及び接地層１１を露出させるには、パッケージ基板２２Ａのコア基板の両面に形成された電源層１０及び接地層１１（図２参照）の露出させる部分だけには、他の層を形成しなければよい。

以上のように、本実施例によれば、ＬＳＩパッケージ２１Ａのパッケージ基板２２Ａ内の電源層１０の一部が露出し、露出した部分にＤＣ−ＤＣコンバータ３１Ｂのコネクタ３２が直接接触する。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１Ｂから電源層１０に対して直接に電力（電流）を供給することができる。また、接地層１１をＤＣ−ＤＣコンバータ３１Ｂを介して接地ライン９Ａ接続することができる。

上述のように、本実施例では、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１Ｂから基板２内の電源ライン８Ｂを経由した経路に加えて、ＤＣ−ＤＣコンバータ３Ｂ１のコネクタ３２を経由した経路からも電流が供給される。したがって、基板２を経由してハンダボール３から電源層１０に到る経路中に、許容電流値の低い部分（図２におけるビア１５等）があったとしても、コネクタ３２を経由した経路からも電流を供給することができるため、ＬＳＩパッケージ２１に対して十分に大きい電流を供給することができる。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１Ｂを、ＬＳＩパッケージ２１Ａに対して近い位置に配置することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１Ｂから電源層１０及び接地層１１までの距離が短くなり、ノイズが侵入する可能性を低減することができる。

図７は図６に示す基板ユニットの変形例を示す断面図である。図７に示す変形例では、基板２内においてＤＣ−ＤＣコンバータ３１ＢからＬＳＩパッケージ２２Ａのハンダボール３に到る電力供給経路は削除されている。すなわち、図６に示す電源ライン８Ｂは削除されており、電源層１０に対する電力の供給は、コネクタ３２からだけとなる。

これにより、ＬＳＩパッケージ２１Ａに設けられた外部接続用端子（ハンダボール３）のうち、電力供給用に用いていた端子を信号用に用いることができ、信号用端子の数を増やすことができる。

本発明は上述の具体的に開示された実施例に限ることなく、本発明の範囲内で様々な変形例及び改良例がなされるであろう。

従来のＬＳＩパッケージへの電力供給構造を示す基板ユニットの断面図である。図１におけるパッケージ基板の一例であるビルドアップ基板の一部の拡大断面図である。本発明の第１実施例によるＬＳＩパッケージが設けられた基板ユニットの断面図である。ＤＣ−ＤＣコンバータのコネクタをパッケージ基板の電極端子に押圧固定するための取り付け装置の側面図である。図３に示すＤＣ−ＤＣコンバータの変形例の平面図である。本発明の第２実施例によるＬＳＩパッケージが設けられた基板ユニットの断面図である。図６に示す基板ユニットの変形例を示す断面図である。

符号の説明

２基板
３ハンダボール
５ＬＳＩ
１０電源層
２１ＬＳＩパッケージ
２２パッケージ基板
２３電極端子
３１ＤＣ−ＤＣコンバータ
３２コネクタ

Claims

基板と、
電源層を有するパッケージ基板、該パッケージ基板上に実装された半導体素子及び前記パッケージ基板の半導体素子が実装された面に形成された電極端子よりなり、該基板上に実装された半導体装置と、
前記半導体素子及び前記電極端子と接続されるコネクタを押圧し固定されるヒートスプレッダとを有することを特徴とする基板ユニット。
前記基板に搭載されて前記半導体装置に供給する電圧を生成し、前記コネクタを有するＤＣ−ＤＣコンバータをさらに有することを特徴とする請求項１記載の基板ユニット。
前記電極端子は、ビアを介して前記電源層に接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の基板ユニット。