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JP2005191176A - 半導体装置及びそれを用いた電子機器 - Google Patents

半導体装置及びそれを用いた電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】 BGAタイプの半導体集積回路および周辺回路部品を多層基板に片面実装しても、クロストークを小さく抑える。
【解決手段】 半導体集積回路チップ211の裏面に配置された複数のBGAバンプ212のうち、周辺回路部品219が直近に実装されることが必要なBGAバンプ212(高周波信号ピンなど)を最外周に配してその直近に周辺回路部品を実装し、その1列内側のBGAバンプ212を接地用端子とし、内層で広い接地配線パタン216に接続し、さらにその内側に周辺回路部品が直近に実装されなくても良いBGAバンプ212(ロジック制御信号ピンなど)を配して表層からさらに深い内層の配線パタン218に接続することにより、信号配線パタン214と制御配線パタン218との間に接地パタン216が挟まれることになり、これらの配線パタン間のアイソレーションが確保されクロストークの原因となる信号リークを抑えられる。
【選択図】 図2

Description

本発明は、高周波用半導体集積回路等の高密度実装が可能な半導体装置及びそれを用いた電子機器に関するものである。
携帯電話などの携帯電子機器は画像や映像などの表示をするために大画面のディスプレイを要したり、メモリカードなどを内蔵したりと機能の多様化が進み、それと同時に携帯電話では折畳み型の形状が主流となってきている。このような状況で、内部のプリント基板においては、より薄型の実装状態が求められるようになっており、しかもその片面は、大型のディスプレイやキーボードなどで他の部品を実装することが困難な状況になってきている。
一方で携帯電話に用いられる高周波用半導体集積回路に向けて、QFPタイプのパッケージでは小型化を進めるためにピン数を減らせるメリットを取り、パッケージの裏面に共通接地用のプレートを設けて接地をするような工夫がなされている。このQFPタイプのパッケージを用いた構成を図10に示す。図10において1071はQFPに封止された半導体集積回路チップ、1072はQFPの端子、1073はQFPの接地プレート、1074は実装多層基板、1075は表層接地パタン、1076は周辺回路部品、1077はスルーホールである。この図10に示すように、QFPの半導体集積回路チップ1071は基板1074の表層のチップ搭載領域1071Aに実装されるが、チップ1071の接地プレート1073にあたる部分の基板1074の表層に接地パタン1075を設ける必要があるため、信号配線は全てピンの外側から取り出すことが必要となり、部品実装のできない無効なスペースが必要となるため、実装面積が大きなものになるという欠点があった。
そこで、携帯電話に用いられる高周波用半導体集積回路では実装面積を小さくするためにパッケージを小型にする取組みの中で、QFPタイプのパッケージからボールグリッドアレイ(BGA)タイプのチップサイズパッケージ(CSP)が実用化されてきている。このようなパッケージでは図8に示すように実装基板の両面に外付け周辺部品を実装することで小型実装面積を実現できる。ここで、図8において861は半導体集積回路チップ、862が多層配線基板、863は表層に実装する周辺回路部品、864は裏層に実装する周辺回路部品である。このように裏層に周辺回路部品864を半導体集積回路861の実装面の裏側に実装することで、配線長も短く他配線と交差の少ない実装形態を得ることが可能となる。
特開2003−204163号公報
しかしながら上記のBGAタイプのCSPにおいても、先に述べたように片面に他の部品を実装することが困難な状況になってきている。このため、例えば図9に示すように、裏面にキーボード966が配置されて、両面実装が許されない状況では、従来裏面に実装されていた部品965(図8の864に相当)を一度表層に内層配線やスルーホール等を用いて引き上げた配線に実装する必要があり、結果として信号配線が錯綜することによりクロストーク等の不具合を生じるという問題があった。
本発明の目的は、BGAタイプの半導体集積回路および周辺回路部品を多層基板に片面実装しても、クロストークを小さく抑えることができる半導体装置及びそれを用いた電子機器を提供することである。
本発明の半導体装置は、一表面に格子状に配置された複数のボールグリッドアレイ端子を有する半導体集積回路チップと、複数の周辺回路部品とを、一表面に形成されボールグリッドアレイ端子および周辺回路部品の端子と接続される複数の表層配線パタンと複数層の内層配線パタンとを有する多層基板に実装した半導体装置であって、半導体集積回路チップの格子状に配置された複数のボールグリッドアレイ端子は、格子状の最外周に配された少なくとも1つの第1の非接地ボールグリッドアレイ端子と、第1の非接地ボールグリッドアレイ端子よりも内側に配された少なくとも1つの第1の接地ボールグリッドアレイ端子と、第1の接地ボールグリッドアレイ端子よりも内側に配された少なくとも1つの第2の非接地ボールグリッドアレイ端子とを含み、多層基板の複数層の内層配線パタンは、少なくとも1つの接地用内層配線パタンと、表層から接地用内層配線パタンよりも少なくとも1層下層に形成された少なくとも1つの非接地用内層配線パタンとを含み、第1の非接地ボールグリッドアレイ端子と接続された第1の表層配線パタンを半導体集積回路チップの直近に配置された第1の周辺回路部品の端子と接続し、第1の接地ボールグリッドアレイ端子と接続された第2の表層配線パタンを接地用内層配線パタンと第1のスルーホールを介して接続し、第2の非接地ボールグリッドアレイ端子と接続された第3の表層配線パタンを非接地用内層配線パタンの一端と第2のスルーホールを介して接続し、半導体集積回路チップの非直近に配置された第2の周辺回路部品の端子と接続された第4の表層配線パタンを非接地用内層配線パタンの他端と第3のスルーホールを介して接続したことを特徴とする。
本発明において、半導体集積回路チップの格子状に配置された複数のボールグリッドアレイ端子は、格子状の最外周に配された少なくとも1つの第2の接地ボールグリッドアレイ端子を含み、第2の接地ボールグリッドアレイ端子と接続された第5の表層配線パタンを接地用内層配線パタンと第4のスルーホールを介して接続してもよい。
本発明において、接地ボールグリッドアレイ端子が2つ以上あり、2つ以上の接地ボールグリッドアレイ端子が直線状に配置されてもよい。
本発明において、接地ボールグリッドアレイ端子が3つ以上あり、3つ以上の接地ボールグリッドアレイ端子がL字状に配置されてもよい。
本発明において、接地ボールグリッドアレイ端子がコの字状に配置されてもよい。
本発明において、接地ボールグリッドアレイ端子がループ状に配置されてもよい。
本発明において、全てのスルーホールが多層基板を貫通しないスルーホールであってもよい。
本発明において、全てのスルーホールが多層基板を貫通するスルーホールであってもよい。
また、本発明の電子機器は、半導体集積回路と、高周波送受信回路と、制御処理部と、ディスプレイ部と、入力部と、記憶媒体部と、バッテリとを備えた電子機器であって、請求項1から請求項8のいずれかに記載の半導体装置の半導体集積回路チップで半導体集積回路を構成し、半導体装置の第1の周辺回路部品で高周波送受信回路を構成し、半導体装置の第2の周辺回路部品で制御処理部を構成するようにして、半導体集積回路と高周波送受信回路と制御処理部とを半導体装置で構成し、半導体装置の多層基板の裏面側に、ディスプレイ部と入力部と記憶媒体部とバッテリとのうち少なくとも1つを配置したことを特徴とする。
本発明の半導体装置によれば、周辺回路部品が直近に実装されることが必要なBGA端子を最外周に配して多層基板の表層配線パタンにより直近の周辺回路部品と接続し、その内側のBGA端子を接地用端子とし、多層基板の接地用内層配線パタンに接続し、さらにその内側に周辺回路部品が直近に実装されなくても良いBGA端子を配して表層からさらに深い内層の非接地用内層配線パタンに接続することにより、表層配線パタンと制御配線等の非接地用内層配線パタンとの間に接地用内層配線パタンが挟まれることになり、これらの配線パタン間のアイソレーションが確保されクロストークの原因となる信号リークを抑えられる。したがって、BGAタイプのCSPで片面実装基板に対しても高密度実装を実現し、クロストークを小さく抑えることができる。
また、この半導体装置を用いて構成した電子機器においても、同様の効果がある。
以下に本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
(第1の実施形態)
まず、図1、図2、図3を用いて本発明の第1の実施形態を説明する。図1は、本発明の第1の実施形態の半導体装置の上面図である。図1において101はBGAタイプのCSP形態に加工された半導体集積回路チップ、102は多層の実装基板、103は周辺回路部品、104はスルーホール、105は表層に形成された接地パタン、106は表層に形成された接地以外の配線パタンである。また、図2は本発明の第1の実施形態の半導体装置の断面図である。図2において211はBGAタイプのCSP形態に加工された半導体集積回路チップ(図1の101)、212はBGAバンプ、213は多層の実装基板(図1の102)、214は表面の配線パタン(図1の106)、215は接地用非貫通スルーホール、216は内層の接地配線パタン、217は信号配線用非貫通スルーホール、218は内層の信号配線パタン、219は周辺回路部品(図1の103)である。また、図3は本発明の第1の実施形態の半導体装置の分解斜視図である。図3において331はBGAタイプのCSP形態に加工された半導体集積回路チップ(図1の101)、332は多層の実装基板の表面の配線と第1の誘電体層、333は多層の実装基板の第1の内層の配線と第2の誘電体層、334は多層の実装基板の第2の内層の配線と第3の誘電体層、335は最外周信号用端子パタン、336は接地用端子パタン、337は制御信号用端子パタン、338は336の接地用端子パタンと非貫通スルーホールで接続された内層接地パタン、339は337の制御信号用端子パタンと非貫通スルーホールで接続された内層パタン、340は内層の制御信号パタン(図2の218)、341は周辺回路部品(図1の103)である。図3の333(多層の実装基板の第1の内層の配線と第2の誘電体層)の表面の中央部分を除いた斜線部分333Aは、図2の接地配線パタン216であり、円形の内層接地パタン338は斜線部分333Aの一部の領域である。接地用端子パタン336は、表層に形成された接地パタン105であり、例えばBGAバンプ212が接続される領域に形成されたパタン、あるいは例えば接地用のスルーホールをICの真下に配置できない場合などバンプ212の接続される領域からさらに引き出された配線パタンとなる場合もある。また、最外周信号用端子パタン335は、表層に形成された配線パタン106(図2の214)である。
なお、非貫通スルーホールとは、各誘電体層を貫通するスルーホールのうち、多層の実装基板の全ての層を貫通するか否かでみた場合に貫通しないものを指す。多層の実装基板の全ての層を貫通するものを貫通スルーホールという(第2の実施形態)。例えば図2に示されている各誘電体層を貫通するスルーホール(215、217等)は全て非貫通スルーホールである。また、図1、図2、図3では、周辺回路部品の個数および配置や、多層の実装基板の表面の配線及び端子パタンや内層の配線、等が、それぞれの図で完全に対応して示されているものではない。図1〜図3は、以下で説明する本実施形態の基本的な構成が判る程度に簡略化して示したものである。
本実施形態では、半導体集積回路チップ211の裏面に格子状に配置された複数のBGAバンプ212のうち、周辺回路部品219が直近に実装されることが必要なBGAバンプ212(高周波信号ピン、電源ピンなど)を最外周に配して、BGAバンプ212の直近に周辺回路部品(高周波整合回路、バイパスコンデンサなど)を実装し特性劣化を防ぎ、その1列内側の列のBGAバンプ212を接地用端子とし、多層の実装基板213の内層で広い接地配線パタン216に非貫通スルーホール215を介して接続して、さらにその内側に周辺回路部品が直近に実装されなくても良いBGAバンプ212(ロジック制御信号ピンなど)を配して表層からさらに深い内層の配線パタン218(340)に非貫通スルーホール217を介して接続することにより、信号配線パタン214と制御配線パタン218との間に接地パタン216が挟まれることになり、これらの配線パタン間のアイソレーションが確保されクロストークの原因となる信号リークを抑えることが可能となり、クロストークを小さく抑えることができる。
なお、図2では示されていないが、制御配線パタン218(340)は、その上に形成された非貫通スルーホールおよび表層配線パタンを介して、BGAバンプ212の直近に実装されなくても良い周辺回路部品と接続される。このBGAバンプ212の直近に実装されなくても良い周辺回路部品が、図8では多層配線基板の裏面側に実装されていた周辺回路部品864に相当する。また、内層接地配線パタン216(333A)は、図3の333Aで示されるように、接地用の端子や配線パタン以外の端子や配線パタン(制御配線パタン218、337等)と電気的に接続されないようにそれらと接続される非貫通スルーホールを避けて形成され、それらの非貫通スルーホールとその近傍以外は第2の誘電体層(333の一部)の表面のほぼ全面に形成されている。
(第2の実施形態)
次に図4、図5を用いて本発明の第2の実施形態を説明する。図4は本発明の第2の実施形態の半導体装置の分解斜視図である。図4において図3と同じものは符号の下2桁を同じに統一して説明を省略する。442は436の接地用端子パタンと438の第1の内層接地パタンとを貫通スルーホールで接続された第2の内層接地パタンである。図5は本発明の第2の実施形態の半導体装置の断面図である。図5において図2と同じものは符号の下2桁を同じに統一して説明を省略する。520は接地用貫通スルーホール、521は信号配線用貫通スルーホールである。本発明の第2の実施形態の半導体装置の上面図は図1と同様である。
この第2の実施形態において、第1の実施形態との差異は多層基板内の非貫通スルーホールが貫通スルーホールに変わった点のみである。この場合でも図4に示すように第2の内層接地パタン442をかわすように内層の信号パタン440を配線することで第1の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
なお、第1および第2の実施形態では、表層接地用パタン105はループ形状としたが、必要な高周波信号ピンや電源ピンの数や配置に応じて、ロジック制御ピンとの間で図6(図6において図1と同じものは符号の下2桁を同じに統一して説明を省略する。)に示すように、コの字型や、二の字型や、L字型やあるいは直線型になったとしても、同様の効果を得られることは明らかである。
また、周辺回路部品が必要な端子(BGAバンプ)でも直近に周辺回路部品を実装する必要が無い場合は最外周端子でなくても、内側の制御端子ピンに配しても同様の効果を得ることが可能である。
さらに、接地端子は最外周より1つ内側の列としたが、必要であれば最外周にも配してもよく、さらに内側のピンにも配するなど、本発明の基本的な考え方から外れない範囲で変更しても、同様の効果を得ることが可能であるのは明らかである。
(第3の実施形態)
次に図7を用いて本発明の第3の実施形態を説明する。図7は本発明の第3の実施形態の電子機器の一例である携帯通信機器のブロック図である。図7において751は半導体集積回路、752はアンテナ、753はアンテナ共用器、754は受信増幅器、755は受信フィルタ、756は送信フィルタ、757は送信増幅器、758は制御処理部である。半導体集積回路751は、受信フィルタ755から信号を入力し、送信フィルタ756へ信号を出力し、また制御処理部758と信号の授受を行う。また、制御処理部758は入力部から信号を入力し、ディスプレイ部へ信号を出力し、半導体集積回路751とデータのやり取りを行う。
半導体集積回路751は制御処理部758との間をつなぐロジック制御信号端子を有し、送受信の信号端子や電源端子など端子直近に周辺回路部品を必要とする端子を有する。また、実装する多層基板の裏面側にはディスプレイ部やキーボードなどの入力部や、記憶媒体部であるメモリカード、バッテリなどが配置されるために部品の実装するスペースが無い。そこで、半導体集積回路751を半導体集積回路チップとして第1、第2の実施形態で述べたような構成で実装し、高周波送受信回路を構成するアンテナ共用器753、受信増幅器754、受信フィルタ755、送信フィルタ756、送信増幅器757を、半導体集積回路チップのBGAバンプの直近に実装される周辺回路部品として多層基板の同じ面に実装することで高密度な携帯通信機器の無線ブロックが実現可能であり、さらにロジック配線への高周波信号のリークを抑えられるので、クロストークなどの誤動作も防ぐことが可能となる。制御処理部758は、半導体集積回路チップのBGAバンプの直近に実装される必要のない周辺回路部品として、半導体集積回路チップと同じ多層基板の実装面に実装される。
なお、本実施形態では半導体集積回路751として挙げた例は一例であり、信号端子、電源端子などの端子直近に周辺回路部品を必要とする端子とロジック制御信号端子が共存するBGAタイプのものであれば同じ構成を用いれば同じ効果を得られることは明らかである。
本発明は、クロストークを小さく抑えることができ、BGAタイプの半導体集積回路および周辺回路部品を多層基板に片面実装した半導体装置等に有用である。
本発明の第1の実施形態の半導体装置の上面図 本発明の第1の実施形態の半導体装置の断面図 本発明の第1の実施形態の半導体装置の分解斜視図 本発明の第2の実施形態の半導体装置の分解斜視図 本発明の第2の実施形態の半導体装置の断面図 本発明の第1、第2の実施形態の半導体装置の他の例の上面図 本発明の第3の実施形態の電子機器のブロック図 従来のBGAタイプの両面実装の半導体装置を示す斜視図 従来のBGAタイプの片面実装の半導体装置を示す斜視図 従来のQFPタイプの半導体装置を示す平面図
符号の説明
101 BGAタイプのCSP形態に加工された半導体集積回路チップ
102 多層の実装基板
103 周辺回路部品
104 スルーホール
105 表層に形成された接地パタン
106 表層に形成された配線パタン
211 BGAタイプのCSP形態に加工された半導体集積回路チップ
212 BGAバンプ
213 多層の実装基板
214 表面の配線パタン
215 接地用非貫通スルーホール
216 内層の接地配線パタン
217 信号配線用非貫通スルーホール
218 内層の信号配線パタン
219 周辺回路部品
331 BGAタイプのCSP形態に加工された半導体集積回路チップ
332 多層の実装基板の表面の配線と第1の誘電体層
333 多層の実装基板の第1の内層の配線と第2の誘電体層
334 多層の実装基板の第2の内層の配線と第3の誘電体層
335 最外周信号用端子パタン
336 接地用端子パタン
337 制御信号用端子パタン
338 336の接地用端子パタンと非貫通スルーホールで接続された内層接地パタン
339 337の制御信号用端子パタンと非貫通スルーホールで接続された内層パタン
340 内層の制御信号パタン
341 周辺回路部品
442 436の接地用端子パタンと438の第1の内層接地パタンとを貫通スルーホールで接続された第2の内層接地パタン
520 接地用貫通スルーホール
521 信号配線用貫通スルーホール
751 半導体集積回路
752 アンテナ
753 アンテナ共用器
754 受信増幅器
755 受信フィルタ
756 送信フィルタ
757 送信増幅器
758 制御処理部
861 半導体集積回路チップ
862 多層配線基板
863 表層に実装する周辺回路部品
864 裏層に実装する周辺回路部品
965 従来裏面に実装されていた周辺回路部品
966 キーボード
1071 QFPに封止された半導体集積回路チップ
1072 QFPの端子
1073 QFPの接地プレート
1074 実装多層基板
1075 表層接地パタン
1076 周辺回路部品
1077 スルーホール

Claims (9)

  1. 一表面に格子状に配置された複数のボールグリッドアレイ端子を有する半導体集積回路チップと、複数の周辺回路部品とを、一表面に形成され前記ボールグリッドアレイ端子および前記周辺回路部品の端子と接続される複数の表層配線パタンと複数層の内層配線パタンとを有する多層基板に実装した半導体装置であって、
    前記半導体集積回路チップの格子状に配置された複数のボールグリッドアレイ端子は、格子状の最外周に配された少なくとも1つの第1の非接地ボールグリッドアレイ端子と、前記第1の非接地ボールグリッドアレイ端子よりも内側に配された少なくとも1つの第1の接地ボールグリッドアレイ端子と、前記第1の接地ボールグリッドアレイ端子よりも内側に配された少なくとも1つの第2の非接地ボールグリッドアレイ端子とを含み、
    前記多層基板の複数層の内層配線パタンは、少なくとも1つの接地用内層配線パタンと、前記表層から前記接地用内層配線パタンよりも少なくとも1層下層に形成された少なくとも1つの非接地用内層配線パタンとを含み、
    前記第1の非接地ボールグリッドアレイ端子と接続された第1の前記表層配線パタンを前記半導体集積回路チップの直近に配置された第1の前記周辺回路部品の端子と接続し、
    前記第1の接地ボールグリッドアレイ端子と接続された第2の前記表層配線パタンを前記接地用内層配線パタンと第1のスルーホールを介して接続し、
    前記第2の非接地ボールグリッドアレイ端子と接続された第3の前記表層配線パタンを前記非接地用内層配線パタンの一端と第2のスルーホールを介して接続し、
    前記半導体集積回路チップの非直近に配置された第2の前記周辺回路部品の端子と接続された第4の前記表層配線パタンを前記非接地用内層配線パタンの他端と第3のスルーホールを介して接続したことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体集積回路チップの格子状に配置された複数のボールグリッドアレイ端子は、格子状の最外周に配された少なくとも1つの第2の接地ボールグリッドアレイ端子を含み、
    前記第2の接地ボールグリッドアレイ端子と接続された第5の前記表層配線パタンを前記接地用内層配線パタンと第4のスルーホールを介して接続したことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記接地ボールグリッドアレイ端子が2つ以上あり、
    前記2つ以上の接地ボールグリッドアレイ端子が直線状に配置されたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装置。
  4. 前記接地ボールグリッドアレイ端子が3つ以上あり、
    前記3つ以上の接地ボールグリッドアレイ端子がL字状に配置されたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装置。
  5. 前記接地ボールグリッドアレイ端子がコの字状に配置されたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装置。
  6. 前記接地ボールグリッドアレイ端子がループ状に配置されたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装置。
  7. 全ての前記スルーホールが前記多層基板を貫通しないスルーホールであることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の半導体装置。
  8. 全ての前記スルーホールが前記多層基板を貫通するスルーホールであることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の半導体装置。
  9. 半導体集積回路と、高周波送受信回路と、制御処理部と、ディスプレイ部と、入力部と、記憶媒体部と、バッテリとを備えた電子機器であって、
    請求項1から請求項8のいずれかに記載の半導体装置の半導体集積回路チップで前記半導体集積回路を構成し、前記半導体装置の第1の周辺回路部品で前記高周波送受信回路を構成し、前記半導体装置の第2の周辺回路部品で前記制御処理部を構成するようにして、前記半導体集積回路と前記高周波送受信回路と前記制御処理部とを前記半導体装置で構成し、
    前記半導体装置の多層基板の裏面側に、前記ディスプレイ部と前記入力部と前記記憶媒体部と前記バッテリとのうち少なくとも1つを配置したことを特徴とする電子機器。
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