WO2015079831A1 - マルチチップモジュール - Google Patents

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植松 裕
大坂 英樹
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor multichip module and a printed wiring board.
  • Multi-chip modules MCM
  • System in Package SiP
  • MCM Multi-chip modules
  • SiP System in Package
  • packages include a processor for performing calculation processing, a memory for storage, analog ICs such as sensors, and optical ICs for long-distance transmission such as those having different functions and features.
  • the power noise in the GHz band is reduced by about 60 dB by using a power wiring layer composed of a parallel plate of a ground pattern and a power pattern having a periodic unit wiring pattern called an Electromagnetic bandgap (EBG) structure.
  • ECG Electromagnetic bandgap
  • MCM multi-chip module
  • SiP System in Package
  • the influence of power supply noise can be cited as a factor that degrades LSI performance. This is because (1) the power density is increased by mounting a plurality of LSIs in a single package, and (2) the propagation noise is increased by arranging the plurality of LSIs close to each other in a single package. Particularly problematic is the propagation of power supply noise from the processing LSI to analog ICs such as sensors with low power supply noise tolerance and optical ICs for ultrahigh-speed transmission.
  • a circuit whose performance is deteriorated by receiving noise is affected by noise in a wide frequency range of, for example, 1 MHz to GHz band. Therefore, a filter that covers a wider frequency band is required.
  • an LSI package requires a structure for filtering a 10 MHz to GHz band where noise cannot be reduced on a printed circuit board.
  • an object of the present invention is to build a structure capable of reducing the propagation noise of the power supply system in an LSI package in a wide frequency range from 10 MHz to GHz, for example.
  • the plurality of LSIs use a common power source, and the power supply wiring of the common power source has a pattern of the same shape as a parallel plate of a power source / ground made of metal wiring
  • Two types of power supply paths are provided, which are a parallel plate composed of a metal wiring and a metal powder layer connected repeatedly in the in-plane direction.
  • a structure that can reduce the propagation noise of the power supply system in a wide frequency range can be built in the LSI package, and the noise resistance of the package system can be improved.
  • the system performance of a system employing the component can be improved.
  • FIG. 1, FIG. 2 and FIG. 3 show the configuration of a multichip module in which a plurality of LSIs of the first embodiment are mounted in the same package.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a multi-chip module in which a processing LSI 1-2 that consumes a large amount of power and an analog LSI 1-1 that is susceptible to noise are mounted adjacent to each other.
  • the LSI package 2 has a signal wiring layer on the surface layer, and a ground layer 3-1 is allocated immediately below, and power supply layers 5-1 and 5-2 are allocated below the ground layer 3-1.
  • the power supply layer 5-3 is formed in the eye, the ground layer 6 on which the EBG pattern is formed under the power supply layer 5-3, and the layer immediately above the lowermost layer has a layer structure of the metal powder layer 4.
  • this layer configuration is an example.
  • the relationship between the power supply layer and the ground layer may be interchanged, and the wiring layers may be combined in other ways.
  • the following two points are listed as essential requirements as structural features.
  • the transmission path to the bypass capacitor is further improved when the power supply-ground pair layer made up of metal wiring, such as copper wiring, is used. To do.
  • the metal powder layer refers to a conductive fine particle dispersed film, and a material having good conductivity is used.
  • a material having good conductivity For example, gold, silver, copper, aluminum, nickel, or graphite.
  • the shape of the conductive fine particles is mainly a particle shape having a long side direction of 50 ⁇ m or less, a short side direction of 10 ⁇ m or less, and a thickness of 5 ⁇ m or less.
  • an effect can be show
  • FIG. 2 is a view of the EBG pattern as seen from above.
  • a unit wiring pattern having the same shape is repeatedly arranged in the in-plane direction as shown in FIG.
  • a patch type pattern is shown here.
  • a rectangular pattern 11 having a large area hereinafter referred to as an EBG pattern patch portion, or simply referred to as an EBG patch portion
  • a wiring portion 12 hereinafter referred to as an EBG pattern wiring portion or simply referred to as an EBG pattern patch portion.
  • the EBG patch part is about 1 mm square, and the wiring part is about 100 ⁇ m to 200 ⁇ m wide.Of course, this shape is changed according to the structure of the target package and the frequency range to be reduced. Also good.
  • FIG. 3 shows an actual measurement evaluation result of the electric transmission characteristic S21 of the parallel plate composed of the EBG pattern and the metal powder layer shown in FIG. Differences between the shape and S21 are mainly shown for three types of patterns having different shapes of wiring portions.
  • the characteristics of S21 that can be said to be common in any case are as follows: (1) Low-frequency pass characteristics in the vicinity of DC are close to 0 dB with little loss, and (2) 500 MHz at which S21 rapidly decreases from about 10 MHz (see FIG. The loss amount is around ⁇ 30 dB in the vicinity of F1) in 3, and the loss amount is around ⁇ 60 dB in the frequency band (F2 in FIG. 3) in the GHz band.
  • noise having a frequency higher than DC can be reduced by about ⁇ 10 dB to ⁇ 30 dB, and that a filter structure capable of obtaining a larger reduction effect ( ⁇ 60 dB) can be realized in a specific frequency range in the GHz band.
  • the start frequency (F2) of the filter characteristic around ⁇ 60 dB on the high frequency side can be changed by changing the length of the EBG wiring portion. Since F2 shifts to a higher frequency when the wiring portion is lengthened, if this is used as a design parameter, it is possible to obtain a band rejection filter effect of ⁇ 60 dB in accordance with a range where noise is desired to be reduced.
  • noise reduction effect can be realized by using a metal powder layer instead of metal in a specific pattern shape.
  • FIG. 6 shows an in-package wiring structure for reducing low-frequency (MHz band) noise via a printed wiring board directly under the LSI package.
  • the difference from the first embodiment is in the position of the through hole VIA of the LSI package.
  • a VIA arrangement that always passes through the metal powder EBG layer of the present invention in the power supply path is a feature.
  • the power supply VIA9-1 at the tip of the BGA ball is not directly connected to the upper power supply layer, but is connected to the power supply at the end of the LSI 1-1. It is connected to the upper layer via VIA 9-2.
  • the VIA 9-3 is disposed so that the BGA ball 8 is connected to the LSI at the shortest distance with respect to the processing LSI 1-2 with high power.
  • This is a structure for reducing propagation noise between LSI packages indicated by reference numerals 2-1 and 2-2 in FIG.
  • the configuration requirements are similar to the package, but are as follows:
  • the power source (or ground) of the power source-ground pair layer composed of the copper wiring with the EBG pattern and the metal powder layer is mutually connected inside the printed wiring board. Electrically connected.
  • a bypass capacitor is mounted on the printed wiring board, a power supply-ground pair layer composed of copper wiring is used as a transmission path to the bypass capacitor. In this case, the effect is further improved.
  • the glass interposer like the Si interposer, is a wiring substrate that enables wiring of 5 ⁇ m or less, which is difficult to wire with a normal organic substrate, and is said to be suitable for high frequency applications because it is made of a low dielectric loss material. Yes.
  • the glass interposer is composed of a glass core material and a wiring layer (metal layer and dielectric layer) formed on one or both sides thereof.
  • VIAs Through Glass Via
  • the problem at this time is generation of electromagnetic noise due to cavity resonance. Since the glass core has low loss, resonance occurs in this structure in which both surfaces are covered with a metal film, and in particular, power noise increases. Therefore, in this embodiment, by taking a sandwich structure in which the EBG layer and the metal powder layer are formed on the upper and lower sides of the glass core material, electromagnetic noise derived from resonance generated in the glass core portion is greatly reduced.
  • the multichip modules or printed circuit boards of the above embodiments may be used alone or in combination.
  • the performance of the signal processing board can be improved by using these multichip modules or printed boards.
  • FIG. 7 in FIG. 7 is an example of a signal processing board.
  • the performance of the signal processing apparatus using the signal processing board can be improved.
  • An example of the signal processing apparatus is shown at 101 in FIG.
  • the information processing apparatus 101 in FIG. 7 is described as an example of a so-called blade type information processing apparatus that connects a plurality of signal processing boards via a backplane or a middle plane.
  • FIG. 1 An example of the server is shown at 102 in FIG.

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Abstract

 電源系の伝播雑音を低減する。 複数のLSIを搭載したマルチチップモジュールまたはプリント配線基板において、前記複数のLSIは共通の電源を使用しており、前記共通の電源の給電配線は金属配線からなる電源・グランドの平行平板と、同一形状のパターンが繰り返し面内方向に接続された金属配線および金属粉末層からなる平行平板の2種の給電経路を設ける。

Description

マルチチップモジュール
 本発明は半導体装置に関し、特に半導体のマルチチップモジュールやプリント配線基板に関する。
 半導体パッケージ製品の高機能化やプリント基板実装面積低減を目的に、複数のLSIを近接して実装するマルチチップモジュール(MCM)やSystem in Package(SiP)が広く利用され始めている。このようなパッケージには計算処理を担うプロセッサや記憶用のメモリのほか、センサなどのアナログIC、長距離伝送用の光ICなど、機能や特徴の異なるものを混在させることが多い。
 このとき、電源雑音を低減することが望まれておる。
 たとえば、特許文献1ではElectromagnetic bandgap(EBG)構造と呼ばれる周期的な単位配線パターンの繰り返しを有する電源パターンとグランドパターンの平行平板で構成した電源配線層を用いることでGHz帯の電源雑音を約60dB低減する構造を提案している。
特開2008-10859
 複数のLSIを近接して実装するマルチチップモジュール(MCM)やSystem in Package(SiP)のように、計算処理を担うプロセッサや記憶用のメモリのほか、センサなどのアナログIC、長距離伝送用の光ICなど、機能や特徴の異なるものを混在させる実装形態において、LSI性能を劣化させる要因として電源雑音の影響が挙げられる。この理由は、(1)単一パッケージ内に複数LSIを搭載することによる電力密度の増加、(2)単一パッケージ内に複数LSIを近接配置させることによる伝播雑音の増加、が挙げられる。特に問題となるのは、電源雑音耐性の低いセンサなどのアナログICや超高速伝送用の光ICへの処理LSIからの電源雑音伝播である。
 ノイズを受けることで性能が劣化する回路は、例えば1MHz~GHz帯の幅広い周波数範囲でノイズの影響を受けるため,フィルタとしてはより広い範囲の周波数帯域をカバーするものが必要となる。特にLSIパッケージではプリント基板でノイズを落としきれない10MHz~GHzの帯域をフィルタリングする構造が必要となる。
 そこで、本発明は、例えば10MHzからGHz帯の幅広い周波数範囲で電源系の伝播雑音を低減できる構造をLSIパッケージ内に作り込むことを目的とする。
 複数のLSIを搭載したマルチチップモジュールにおいて、前記複数のLSIは共通の電源を使用しており、前記共通の電源の給電配線は金属配線からなる電源・グランドの平行平板と、同一形状のパターンが繰り返し面内方向に接続された金属配線および金属粉末層からなる平行平板の2種の給電経路を設ける。
 本発明のさらなる構成、効果は以下明細書全体により明らかになるであろう。
 幅広い周波数範囲の電源系の伝播雑音を低減できる構造をLSIパッケージ内に作り込むことが可能となり、パッケージシステムとしてのノイズ耐性向上が実現できる。また該部品を採用したシステムのシステム性能を向上することができる。
本発明の第1の実施例の断面図である。 本発明の第1の実施例のEBGパターンの上面図である。 本発明のEBGパターンの形状バリエーションとフィルタ特性の関係を示した図である。 本発明の第2の実施例の断面図である。 本発明の第3の実施例の断面図である。 本発明の第4の実施例の断面図である。 本発明の信号処理基板、信号処理装置、サーバの図である。
 第一の実施例の複数のLSIを同一パッケージに実装したマルチチップモジュールの構成を、図1, 図2および図3に示す。
 図1は大電力を消費する処理用LSI1-2とノイズに弱いアナログLSI1-1が隣接して実装されたマルチチップモジュールの断面図を表している。
 LSIパッケージ2は表層に信号配線層を有し、直下はグランド層3-1、さらにその下は電源層5-1,5-2が割り当てられ、以下複数の層を挟んで、下から4層目に電源層5-3、その下にEBGパターンが形成されたグランド層6、最下層の直上の層が金属粉末層4という層構成をとっている。
 なお、この層構成は一例であり、たとえば電源層とグランド層の関係を入れ替えても良く、配線層をこれ以外の組合せとしても良い。ただし、構成上の特徴として必須の要件として以下の2点が挙げられる。
 (1)2つのLSIで共有している電源のうち、金属配線、例えば銅配線で構成された電源-グランドペア層の電源(またはグランド)の片方がパッケージ内部で互いに分離されている。
 (2)2つのLSIで共有している電源のうち、EBGパターンが形成された配線と金属粉末層で構成された電源-グランドペア層の電源(またはグランド)はパッケージ内部で互いに電気的に接続されている。
 またパッケージにバイパスコンデンサが搭載されている場合、バイパスコンデンサへの経路となる伝送路は金属配線、例えば銅配線で構成された電源-グランドペア層が活用されている場合、さらに効果の向上が実現する。
 本発明で金属粉末層とは導電性微粒子分散膜を指し、導電性の良好な材料が用いられる。例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、またはグラファイトである。また、導電性微粒子の形状は、長辺方向が50μm以下、短辺方向が10μm以下、厚みが5μm以下の粒子形状を主とする。また10μm以下の球形、楕円球体、等方的異形体の形状のものが含まれている場合、さらに効果の向上を奏することができる。
 次にEBGパターンの例を図2を用いて説明する。
 図2はEBGパターンを上面から見た図である。図2のように同一形状の単位配線パターンが面内方向に繰り返し並ぶ構造をとる。単位配線パターンの典型例として、ここではパッチ型のパターンを示している。広い面積を有する方形のパターン11(以後EBGパターン内パッチ部、あるいは単にEBGパッチ部と呼ぶ)と上下左右とそのパッチ部を接続するための配線部12((以後EBGパターン内配線部、あるいは単にEBG配線部と呼ぶ)で構成される。EBGパッチ部は1mm角程度、配線部は幅100μm~200μm程度である。むろん対象のパッケージの構造や低減したい周波数範囲に合わせてこの形状を変更しても良い。
 図3に、図2で示したEBGパターンと金属粉末層で構成された平行平板の電気通過特性S21の実測評価結果を示す。主に配線部の形状が異なる3種のパターンについて、その形状とS21の違いを示す。
 いずれに場合においても共通といえるS21の特徴として、(1)DC近傍の低周波の通過特性は0dB付近であり損失をあまり伴わない、(2)約10MHzからS21が急激に低下する500MHz(図3中F1)付近で-30dB前後の損失量となる、(3)GHz帯の周波数帯(図3中F2)で-60dB前後の損失量となる。
 したがって、DCより高い周波数の雑音は-10dB~-30dB程度低減でき、さらにGHz帯の特定周波数範囲についてはより大きな低減効果(-60dB)が得られるフィルタ構造が実現できていることが分かる。
 また、EBG配線部の長さを変えることで高周波側の-60dB前後のフィルタ特性の開始周波数(F2)を変えられることが図3の(a)~(c)の比較から分かる。配線部を長くしたほうがより高い周波数にF2がシフトするため、これを設計パラメータとすれば、より雑音を減らしたい範囲に合わせて-60dBの帯域阻止フィルタ効果を得ることが可能である。
 本発明では特定のパターン形状において、金属ではなく金属粉末層を用いることでノイズ低減の効果を実現することができる。
 第2の実施例を図6を用いて説明する。
 図6の構成では、LSIパッケージ直下にあるプリント配線基板を介低い周波数(MHz帯)の雑音を低減するためのパッケージ内配線構造を示している。
 第1の実施の形体との違いはLSIパッケージのスルーホールVIAの位置にある。
 電源雑音に弱いLSI1-1に対してプリント基板からのノイズ伝播をさけるために、給電経路に必ず本発明の金属粉末EBG層を通過するようなVIA配置としたことが特徴である。具体的には、図6の経路Aで示したようにBGAボールの先にある電源VIA9-1はそのまま上層の電源層に接続されるのではなく、LSI1-1に対しては端にある電源VIA9-2を介して上層に接続される。このような構成をとることで、基板からの電源電流は金属粉末EBG層を通過するためMHz帯の低周波ノイズをここで低減させることができる。
 このとき、電力の大きい処理LSI1-2に対してはBGAボール8からLSIに対して最短距離で結ばれるようにVIA9-3が配置されている。
 第3の実施例を図7を用いて説明する。
 金属粉末EBG層をマルチチップパッケージではなくプリント配線基板に適用した実施例である。図7中2-1、2-2で示したLSIパッケージ間の伝播雑音を低減する構造である。構成上の要件はパッケージの場合と類似するが、以下の通りである。
 (1)2つのLSIパッケージで共有している電源のうち、金属配線、例えば銅配線で構成された電源-グランドペア層の電源(またはグランド)の片方がプリント配線基板内部で互いに分離されている。
 (2)2つのLSIパッケージで共有している電源のうち、EBGパターンが形成された銅配線と金属粉末層で構成された電源-グランドペア層の電源(またはグランド)はプリント配線基板内部で互いに電気的に接続されている。
 またプリント配線基板上にバイパスコンデンサが搭載されている場合、バイパスコンデンサへの経路となる伝送路は銅配線で構成された電源-グランドペア層が活用されている。場合、さらに効果の向上が実現する。
 また、図7のように基板の裏面へコンデンサを搭載する場合、効果を維持するためには金属粉末EBGパターンにはVIA接続をしない方が良い。
 第4の実施例を図8を用いて説明する。
 この例では、ガラスインターポーザ50を用いたSystem in Package (SiP)における本発明の活用例を示している。ガラスインターポーザはSiインターポーザと同様に、通常の有機基板では配線が困難な5μm以下の配線を可能とする配線基板であり、低誘電損失材料で構成されているため高周波用途に向いているとされている。ガラスインターポーザの構成としてはガラスコア材とその片面あるいは両面に形成された配線層(金属層と誘電体層)からなる。LSIとパッケージの間の電気的な接続を得るために、ガラスインターポーザには多数のVIA(TGV:Through Glass Via)54がガラスコア材に形成される。このとき問題になるのが空洞共振による電磁雑音の発生である。ガラスコアが低損失なため、金属膜で両面を覆われたこの構造で共振が発生し、特に電源雑音が大きくなることになる。そこで本実施例ではガラスコア材の上下にEBG層と金属粉末層を形成したサンドイッチ構造をとることで、ガラスコア部に発生する共振由来の電磁雑音を大幅に低減するものである。
 上記各実施例のマルチチップモジュールあるいはプリント基板は単独であるいは組み合わせて用いてもよい。
 またこれらマルチチップモジュールあるいはプリント基板を用いることで信号処理基板の性能を向上することができる。
 図7中100は信号処理基板の例である。
 さらに該信号処理基板を用いた信号処理装置において、性能を向上することができる。信号処理装置の例を図7の101に示す。図7の情報処理装置101はバックプレーンあるいはミドルプレーンを介して複数の信号処理基板を接続するいわゆるブレード型の情報処理装置を例として記載している。
 さらに、該信号処理装置を用いたサーバで、その性能を向上することができる。サーバの例を図7の102に示す。
1-1、 1-2・・・半導体LSI
2-1、2-2・・・LSIパッケージ(マルチチップモジュール)
3-1、 3-2・・・グランドパターン
4・・・電源パターン金属粉末層
5-1、5-2、5-3・・・電源パターン
6・・・EBG型グランドパターン
7・・・バンプ
8・・・BGAボール
9・・・VIA
10-1、10-2、10-3、10-4・・・バイパスコンデンサ 
11・・・EBGパターン内パッチ部 
12・・・EBGパターン内配線部
13・・・プリント基板
50・・・ガラスインターポーザ
51・・・ガラスコア
52・・・ガラスインターポーザ上配線層 
53・・・ガラスインターポーザ内高速信号配線 
54・・・TGV(Through Glass Via)
55・・・ガラス配線層内Via
100・・・信号処理基板
101・・・信号処理装置
102・・・サーバ

Claims (19)

  1. 複数のLSIを搭載したマルチチップモジュールにおいて、前記複数のLSIは共通の電源を使用しており、
    前記共通の電源の給電配線は金属配線からなる電源・グランドの平行平板と、
    同一形状のパターンが繰り返し面内方向に接続された金属配線および金属粉末層からなる平行平板の2種の給電経路を有することを特徴とするマルチチップモジュール。
  2. 前記金属粉末層が粒径が1μmから50μm程度の金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、またはグラファイトの粉末を凝縮して形成されていることを特徴とする請求項1記載のマルチチップモジュール。
  3. 前記繰り返し面内方向に接続された金属配線の基本となるパターンの形状が、正方形または長方形の矩形パターンと、その矩形パターン間を四方に接続するための配線パターンで構成されていることを特徴とする請求項1記載のマルチチップモジュール。
  4. 前記金属配線からなる電源・グランドの平行平板は互いに分離されていることを特徴とする請求項1記載のマルチチップモジュール。
  5. 前記同一形状のパターンが繰り返し面内方向に接続された金属配線および金属粉末層からなる平行平板は連続的に繋がっていることを特徴とする請求項1記載のマルチチップモジュール。
  6. バイパスコンデンサが同一パッケージまたはプリント配線基板に実装されており、
    前記バイパスコンデンサと前記LSIを繋ぐ給電経路は金属配線からなる電源・グランドの平行平板であることを特徴とする請求項1記載のマルチチップモジュール。
  7. マルチチップモジュールに実装されたLSIは配線接続用のガラスインターポーザを介してパッケージと接続され、
    前記ガラスインターポーザのガラスコア材を挟む金属電極の構成が、同一形状のパターンが繰り返し面内方向に接続された金属配線および金属粉末層からなることを特徴とする請求項1記載のマルチチップモジュール。
  8. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載のマルチチップモジュールを搭載したことを特徴とする情報処理基板。
  9. 複数のLSIを搭載したプリント配線基板において、前記複数のLSIは共通の電源を使用しており、
    前記共通の電源の給電配線は金属配線からなる電源・グランドの平行平板と、
    同一形状のパターンが繰り返し面内方向に接続された金属配線および金属粉末層からなる平行平板の2種の給電経路を有することを特徴とするプリント配線基板
  10. 前記金属粉末層が粒径が1μmから50μm程度の金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、またはグラファイトの粉末を凝縮して形成されていることを特徴とする請求項9記載のプリント配線基板
  11. 前記繰り返し面内方向に接続された金属配線の基本となるパターンの形状が、正方形または長方形の矩形パターンと、その矩形パターン間を四方に接続するための配線パターンで構成されていることを特徴とする請求項9記載のプリント配線基板
  12. 前記金属配線からなる電源・グランドの平行平板は互いに分離されていることを特徴とする請求項9記載のプリント配線基板
  13. 前記同一形状のパターンが繰り返し面内方向に接続された金属配線および金属粉末層からなる平行平板は連続的に繋がっていることを特徴とする請求項9記載のプリント配線基板
  14. バイパスコンデンサが同一パッケージまたはプリント配線基板に実装されており、
    前記バイパスコンデンサと前記LSIを繋ぐ給電経路は金属配線からなる電源・グランドの平行平板であることを特徴とする請求項9記載のプリント配線基板
  15. 前記プリント基板に実装されたLSIは配線接続用のガラスインターポーザを介してパッケージと接続され、
    前記ガラスインターポーザのガラスコア材を挟む金属電極の構成が、同一形状のパターンが繰り返し面内方向に接続された金属配線および金属粉末層からなることを特徴とする請求項9記載のプリント配線基板
  16. 請求項9乃至15のいずれか1項に記載のプリント配線基板を搭載したことを特徴とする情報処理基板。
  17. 請求項8あるいは請求項16のいずれか1項に記載の情報処理基板を用いたことを特徴とする信号処理装置。
  18. 請求項8あるいは請求項16のいずれか1項に記載の情報処理基板を用いたことを特徴とするサーバ。
  19. 前記金属配線が銅配線であることを特徴とする請求項8あるいは請求項16のいずれかに記載の情報処理基板。
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