WO2004004000A1

WO2004004000A1 - 半導体装置への電源接続構造

Info

Publication number: WO2004004000A1
Application number: PCT/JP2002/006430
Authority: WO
Inventors: Masateru Koide
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2004-12-26
Also published as: US7057272B2; US20050146017A1; JPWO2004004000A1

Description

半導体装置への電源接続構造技術分野

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 L S Iパッ 'ケージ等の半導体装置に対する電源接続構造に関する。背景技術

C P Uや MP Uのような大規模集積回路（L S I ) は回路の高集積ィ匕（高密度ィ匕）が益々進んでいる。これに伴い、一つの L S Iの消費電力も増大しており、現在では消費電力が 3 0 Wから 1 0 0Wの L S Iも登場している。

回路の高集積化に伴い、 L S I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 L S I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ポールが格子状に配列されたポールグリツドアレイ（ B G A)タイプが主流である。

L S I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、 L S Iの電源電圧は低電圧化が進み、 5 Vから 1 V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 L S Iパッケージへの電力供給構造を示す基板ュニットの断面図である。図 1において、 L S Iパッケージ 1はマザ一ボードゃドータボードのような基板 2に搭載される。 L S I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。

L S Iパッケージ 1は、半導体チップ（L S I ) 5とパッケージ基板 6とよりなる。 L S I 5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 L S I 5に信号及び電力が供給される。基板 2には、 LS I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 8 Aから供給される電圧を、 LS I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 8 Aには 48 V又は 24 Vの電圧が供給され、 D C一 DCコンバータ 7により 1. 8 V又は IVに下げられて、電源供給ライン 8 Bに供給される。電源ライン 8Bは電極パッド 4を介して LS I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. 8 V又は IVの電源電圧が供給れる。また、接地ライン 9 Aも同様に、 DC— DCコンバータ 7、接地ライン 9 B、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。 LS I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 L S I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（LS I) 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 LS I 5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、中心となるコァ基板 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 LS I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 においてハンダポール 3から電¾1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、ハンダボ一ノレ 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 50μπ！〜 100 m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 5 0 0 mA程度が限度となる。ここで例えば、 1 0 0 Wの消費電力の L S Iに電力を供給するためには、許容電流値が 5 0 0 mAのビアが 2 0 0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 2 0 0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つた。

また、 L S I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。発明の開示

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 D C— D Cコンバータを含む電力供給路を構成する基板ュ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 D C— D C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、半導体素子が搭载された第 1の面と、第 1の面の反対側であって外部接続用端子が設けられた第 2 の面とを有し、内部に電源層が形成されたパッケージ基板を有する半導体装置であって、パッケージ基板は、第 2の面以外の部位に設けられた電極端子を有し、電極端子は電源層に接続されていることを特徴とする半導体装置が提供される。上述の発明において、電極端子はパッケージ基板の第 1の面上に形成され、パッケージ基板中に形成されたビアを介して電源層に接続されていることとしてもよレ、。

また、本発明の他の面によれば、半導体素子が搭載された第 1の面と、第 1の面の反対側であって外部接続用端子が設けられた第 2の面とを有し、内部に電源層が形成されたパッケージ基板を有する半導体装置であって、電源層の一部はパッケージ基板から露出していることを特徴とする半導体装置が提供される。パッケージ基板は内部に接地層を有しており、接地層の一部はパッケージ基板から露出していることとしてもよい。

更に、本発明の他の面によれば、内部に電源配線及び接地配線が形成された基板と、電源層有するパッケージ基板と半導体素子とよりなり、基板上に実装された半導体装置と、基板に搭載されて半導体装置に供給する電圧を生成するものであって、半導体装置に向かつて延在するコネクタを有する D C— D Cコンバータとを有し、コネクタは半導体装置のパッケージ基板上に形成された電極端子に接続され、電極端子はパッケージ基板の電源層に接続されており、 D C— D Cコンバータから、コネクタ及び電極端子を介してパッケージ基板の電源層に対して霉力が供給されることを特徴とする基板ュニットが提供される。電極端子は、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、ビアを介して電源層に接続されていることとしてもよい。

また、本発明の更に他の面によれば、内部に電源配線及び接地配線が形成された基板と、電源層有するパッケージ基板と半導体素子とよりなり、基板上に実装された半導体装置と、基板に搭載されて半導体装置に供給する電圧を生成するものであって、半導体装置に向かって延在するコネクタを有する D C— D Cコンパ一タとを有し、コネクタは半導体装置のパッケージ基板から露出した電源層に接続されており、 D C— D Cコンバータから、コネクタを介してパッケージ基板の電源層に対して電力が供給されることを特徴とする基板ュニットが提供される。パッケージ基板は内部に接地層を有しており、接地層の一部はパッケージ基板から露出し、 D C— D Cコンバータは前記接地層の露出部分に接続されたコネクタを有することとしてもよレ、。

また、本発明の更に他の面によれば、半導体装置に対して電力を供給する D C 一 D Cコンバータであって、電圧変換回路が内蔵された本体と、基板の電源配線に接続されるよう構成された端子と、 D C— D Cコンバータが基板に搭載された際に、半導体装置に向かって延在し、半導体装置の所定の部位に接触するよう構成されたコネクタとを有することを特徴とする D C— D Cコンバータが提供される。上述の D C— D Cコンバータにおいて、コネクタは、半導体装置のパッケ一ジ基板の半導体素子が搭載された面に形成された電極端子に接続されるよう構成されてもよい。あるいは、コネクタは、半導体装置のパッケージ基板から露出した電源層に接続されるよう構成することとしてもよレ、。

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。図面の簡単な説明

図 1は従来の L S Iパッケージへの電力供給構造を示す基板ュニットの断面図である。

図 2は図 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。

図 3は本発明の第 1実施例による L S Iパッケージが設けられた基板ュニットの断面図である。

図 4は D C— D Cコンバ一タのコネクタをパッケージ基板の電極端子 2 3に押圧固定するための取り付け装置の側面図である。

図 5は図 3に示す D C— D Cコンバータの変形例の平面図である。

図 6は本発明の第 2実施例による L S Iパッケージが設けられた基板ュニットの断面図である。

図 7は図 6に示す基板ュニットの変形例を示す断面図である。発明を実施するための最良の形態

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ュ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に示す基板ュニットは、基板 2に対して L S Iパッケージ（半導体装置） 2 1と D C— D Cコンバータ 3 1とを搭載した構成を有している。 L S Iパッケージ 21において、 LS I 5はパッケージ基板 22の第 1の面 22 a上に実装され、パッケージ基板 22の第 2の面 22 bに外部接続端子としてのハンダボール 3が形成される。 LS I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） 8 B及び接地ライン (接地配線） 9 B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 LS I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 31 aから延在するコネクタ 32を有しており、コネクタ 2 3には LS I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 8 B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 LS I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 LS Iパッケージ 21は、ハンダポール 3が設けられた面 22 bの反対側の面（すなわち L S I 5 が搭載された面） 22 a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レ、。

以上のように、 LS I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 8 B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を経由してハンダポール 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）があつたとしても、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、 LS I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、 LS I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 D C— D Cコンバータ 3 1のコネクタ 3 2をパッケージ基板 2 2 の電極端子 2 3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 3 2を電極端子 2 3に押圧固定するための取り付け装置 4 0の側面図である。

図 4に示す取り付け装置 4 0は、 L S Iパッケージ 2 1の L S I 5にヒートスプレッダ 4 1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 4 0はヒートスプレッダ 4 1を L S I 5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 3 2をヒートスプレッダ 4 1とパッケージ基板 2 2 との間に挟み込んで固定する。より詳細には、コネクタ 3 2の先端に形成された接触部をパッケージ基板 2 2の電極端子 2. 3にさせた状態で、コネクタ 3 2の上にヒートスプレッダ 4 1を配置し、取り付け装置 4 0の固定機構で固定する、取り付け装置 4 0の固定機構は、一般的なパネの押圧力を利用したネジ止め式である。ヒ一トスプレッダのフィン部 4 1 aの四隅を貫通した支柱 4 2の先端をネジ板 4 3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 4 2はフィン部 4 1 aを貫通し且つ基板 2も貫通する。支柱 4 2の先端にはネジが形成されおり、ナット 4 2 aがねじ込まれる際にパネ 4 4が同時に押圧され、接触圧が発生する。支柱 4 2のフィン部 4 1 aの上方にはバネ 4 4が設けられ、支柱 4 2のフランジ部 4 2 aとの間で圧縮される。このバネ 4 4の弾性力により、ヒートスプレッダ 4 1は L S I 5に向けて押圧され、したがって、コネクタ 3 2も電極端子 2 3に対して押圧され固定される。

図 4に示すコネクタ 2 3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 D C— D Cコンバータ 3 1の変形例の平面図である。図 5に示す D C— D Cコンバータ 3 1 Aは、図 3に示すコネクタ 3 2の他にコネクタ 3 3， 3 4を有しており、 L S Iパッケージ 2 1のパッケージ基板 2 2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ュ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、 L S Iパッケージのパッケージ基板 22 A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 31 B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 31 Bには、パッケ一ジ基板 22 Aの接地層 1 1に接触するコネクタ 35も設けられる。

電源層 10及ぴ接地層 1 1を露出させるには、パッケージ基板 22 Aのコア基板の両面に形成された電源層 10及び接地層 1 1 (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、 L S Iパッケージ 21 Aのパッケージ基板 22 A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 3 1 Bのコネクタ 23が直接接触する。これにより、 DC— DCコンバータ 31 B 力ら電源層 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 1 1を DC— DCコンバータ 31 Bを介して接地ライン 9 A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 31 Bから基板 2内の電源ライン 8 Bを経由した経路に加えて、 DC— DCコンバータ 3 B 1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、 LS I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 Bを、 L S Iパッケージ 21 A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 Bから電源層 10及び接地層 1 1までの距離が短くなり、ノィ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に示す基板ュ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 31 Bから LS Iパッケージ 2 2 A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 8 Bは削除されており、電源層 1 0に対する電力の供給は、コネクタ 3 2からだけとなる。

これにより、 L S Iパッケージ 2 1 A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ぴ改良例がなされるであろう。

Claims

請求の範囲

1 . 半導体素子が搭載された第 1の面と、該第 1の面の反対側であって外部接続用端子が設けられた第 2の面とを有し、内部に電源層が形成されたパッケージ基板を有する半導体装置であって、

前記パッケージ基板は、前記第 2の面以外の部位に設けられた電極端子を有し、該電極端子は前記電源層に接続されていることを特徴とする半導体装置。

2 . 請求の範囲第 1項記載の半導体装置であって、

前記電極端子は前記パッケージ基板の前記第 1の面上に形成され、前記パッケージ基板中に形成された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半導体装置。

3 . 半導体素子が搭載された第 1の面と、該第 1の面の反対側であって外部接続用端子が設けられた第 2の面とを有し、内部に電源層が形成されたパッケージ基板を有する半導体装置であって、

前記電源層の一部は前記パッケージ基板から露出していることを特徴とする半

4 . 請求の範囲第 3項記載の半導体装置であって、

前記パッケージ基板は内部に接地層を有しており、該接地層の一部は前記パッケージ基板から露出していることを特徴とする半導体装置。

5 . 内部に電源配線及ぴ接地配線が形成された基板と、

電源層有するパッケージ基板と半導体素子とよりなり、該基板上に実装された半導体装置と、

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するものであって、前記季導体装置に向かって延在するコネ'クタを有する D C— D Cコンバータとを有し、前記コネクタは前記半導体装置の前記パッケージ基板上に形成された電極端子に接続され、該電極端子は前記パッケージ基板の電源層に接続されており、前記 D C— D Cコンバ一タから、前記コネクタ及び前記電極端子を介して前記パッケージ基板の電源層に対して電力が供給されることを特徴とする基板ュニッ

6 . 請求の範囲第 5項記載の基板ユニットであって、

前記電極端子は、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、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基板ュニット。

7 . 内部に電源配線及び接地配線が形成された基板と、

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するものであって、前記半導体装置に向かって延在するコネクタを有する D C— D Cコンバータとを有し、

前記コネクタは前記半導体装置の前記パッケージ基板から露出した前記電源層に接続されており、

前記 D C— D Cコンバ一タから、前記コネクタを介して前記パッケージ基板の電源層に対して電力が供給されることを特徴とする基板ュニット。

8 . 請求の範囲第 7項記載の半導体装置であって、

前記パッケージ基板は内部に接地層を有しており、該接地層の一部は前記パッケージ基板から露出し、前記 D C— D Cコンバータは前記接地層の露出部分に接続されたコネクタを有することを特徴とする基板ュニット。

9 . 半導体装置に対して電力を供給する D C— D Cコンバークであって、電圧変換回路が内蔵された本体と、

基板の電源配線に接続されるよう構成された端子と、前記 DC— DCコンバータが前記基板に搭載された際に、前記半導体装置に向力つて延在し、前記半導体装置の所定の部位に接触するよう構成されたコネクタと

を有することを特徴とする DC— DCコンバータ。

10. 請求の範囲第 9項記載の DC— DCコンバータであって、

前記コネクタは、前記半導体装置のパッケージ基板の半導体素子が搭載された面に形成された電極端子に接続されるよう構成されたことを特徴とする D C— D Cコンバータ。

11. 請求の範囲第 9項記載の DC— DCコンバータであって、

前記コネクタは、前記半導体装置のパッケージ基板から露出した電源層に接続されるよう構成されたことを特徴とする DC— DCコンバータ。