(57)【要約】【課題】  集積回路チップをストリップライン構造の微細配線インターポーザを介して積層させた積層型集積回路装置において、集積回路チップの１チップサイズの立体集積構造を実現するとともに、この立体集積構造におけるより一層効果的な熱対策を実現することのできる積層型集積回路装置を提供する。【解決手段】  集積回路チップ２および微細配線インターポーザ３に、積層時に互いに接続されて電源経路を形成するとともに集積回路チップ２にて発生した熱を装置内縦方向に流す縦方向熱流路を形成する電源経路・縦方向熱流路兼用の貫通電極２０、３０を設け、微細配線インターポーザ３にさらに、そのストリップライン構造を構成するグランドプレーンとして、前記電源経路・縦方向熱流路兼用の貫通電極２０、３０に接続されて電気的アースを形成するとともに集積回路チップ２にて発生した熱を装置内横方向に流して前記縦方向熱流路に導く横方向熱流路を形成する電気的アース・横方向熱流路兼用のグランドプレーン３１、３５を設ける。【選択図】  図１
2006228834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路チップをストリップライン構造の微細配線インターポーザを介して積層させた積層型集積回路装置であって、
集積回路チップおよび微細配線インターポーザは、積層時に互いに接続されて電源経路を形成するとともに集積回路チップにて発生した熱を装置内縦方向に流す縦方向熱流路を形成する電源経路・縦方向熱流路兼用の貫通電極を有しており、
微細配線インターポーザはさらに、そのストリップライン構造を構成するグランドプレーンとして、前記電源経路・縦方向熱流路兼用の貫通電極に接続されて電気的アースを形成するとともに集積回路チップにて発生した熱を装置内横方向に流して前記縦方向熱流路に導く横方向熱流路を形成する電気的アース・横方向熱流路兼用のグランドプレーンを有していることを特徴とする積層型集積回路装置。
【請求項２】
冷却装置を備え、この冷却装置に集積回路チップまたは微細配線インターポーザの前記電源経路・縦方向熱流路兼用の貫通電極が接続されていることを特徴とする請求項１記載の積層型集積回路装置。
【請求項３】
前記貫通電極を有する一枚若しくは複数枚の集積回路チップと前記貫通電極および前記グランドプレーンを有する一枚若しくは複数枚の微細配線インターポーザを予め積層させてなる積層型集積回路モジュールを、複数個積み上げて構成されていることを特徴とする請求項１記載の積層型集積回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ＬＳＩ等の集積回路チップとインターポーザとを積層させた半導体装置である積層型集積回路装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記の半導体装置に関して、本願発明の発明者等は既に、貫通電極を持つＬＳＩと微細配線構造を持つインターポーザとを交互に積層し、各ＬＳＩの間をインターポーザを介して配線するという３次元実装技術を提案しており（非特許文献１参照）、この実装技術に好適な高密度の微細配線インターポーザの作製方法も提案している（非特許文献２参照）。高密度微細配線構造は、第一のグランドプレーン、第一の絶縁層、信号線、第二の絶縁層、および第二のグランドプレーンを順に積層させたストリップライン構造により実現され、これにおいて第一絶縁層および第二絶縁層を感光性ポリイミドを用いて形成している。
【０００３】
従来、図２に例示した、ＣＰＵやメモリなど個々のチップが挿入されたパッケージをプリント基板上に搭載してプリント配線でシステムを構築するＳｏＢ(System on Board)や、図３に例示した、ワンチップ上にシステムを構成する要素回路を全て集積するＳｏＣ(System on Chip)、図４に例示した、一つのパッケージの中に平面的あるいは立体的にＬＳＩチップを挿入してシステムを構築し、ワイヤーボンディングにより外部との接続を得るようにしたＳｉＰ(System in Package)が知られているが、上記本願発明の発明者等による実装技術は、集積回路チップを３次元に接続して実質的に１チップ程度の平面サイズに集積でき、これにより配線経路が縮小されて駆動電力が小さくなり、更に一層の小型化、低消費電力化、高機能化（高速、大容量）、低価格化を実現することのできる高密度実装技術として研究開発されたものである。
【０００４】
もちろん、本願発明の発明者等だけでなく、インターポーザや貫通電極を用いた積層型の半導体装置に関しては様々な研究開発が盛んに進められている（たとえば特許文献１〜４参照）。
【非特許文献１】”LSIの３次元実装を実現する超高速高密度インターポーザの開発に成功”，AIST Today，独立行政法人産業技術総合研究所，2003，Vol.3，No.12，pp.12-14(http://www.aist.go.jp/aist_j/aistinfo/aist_today/vol03_12/vol03_12_main.html)
【非特許文献２】Katsuya Kikuchi et al., "Fabrication of High-Density WiringInterposer for 10 GHz 3D Packaging Using a Photosensitive MultiblockCopolymerized Polyimide", Japanese Journal of Applied Physics, 2004,Vol.43, No.7A, pp.4141-4145
【特許文献１】特開２００４−２２８３９３号公報
【特許文献２】特開２００４−２２６１０号公報
【特許文献３】特開２００４−２１４２８６号公報
【特許文献４】特開平１１−１４５３８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記実装技術においては、小さな立体スペースに多くの素子を集積することになるため、各素子で生じる発熱の対策を従来に増して考慮する必要がある。
【０００６】
たとえば、上記特許文献２では、インターポーザを構成する電気絶縁材の素材を適当なものに選択することで、その熱伝導率を高くして、半導体や電子部品から発生する熱を電気絶縁材そのものによって放熱することが開示されている。
【０００７】
上記特許文献３では、インターポーザに、ベタパターンやメッシュ状パターンの放熱用導体パターンと、これに接続させた放熱用スルーホールとを形成し、ＬＳＩチップで発生した熱を放熱用スルーホールを介して放熱用導体パターンへ伝達させて、放熱を促すことが開示されている。また、電源供給経路および電気信号経路である導体パターンに接続させてインターポーザに形成した導電用スルーホールを、放熱用スルーホールと同様に、放熱用導体パターンに接続させて、放熱経路としても機能させることが開示されている。
【０００８】
上記特許文献４では、インターポーザに、その内部若しくは表裏面に形成された金属薄膜層およびこれに接続させたサーマルビアからなる放熱経路と、これにインターポーザの端面にて接続させたヒートシンクとを設け、半導体チップからの発熱を放熱経路を通じて逃がし、逃がした熱をヒートシンクを介して放熱することが開示されている。
【０００９】
上記特許文献１には、熱対策に関する開示は全くない。
【００１０】
以上のとおりの事情に鑑み、本願発明は、これら従来の熱対策とは全く技術思想を異にした、集積回路チップをストリップライン構造を持つ微細配線インターポーザを介して互いに配線して積層させることで１チップサイズの立体集積構造を実現するとともに、この立体集積構造におけるより一層効果的な熱対策を実現することのできる積層型集積回路装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、集積回路チップをストリップライン構造の微細配線インターポーザを介して積層させた積層型集積回路装置であって、集積回路チップおよび微細配線インターポーザは、積層時に互いに接続されて電源経路を形成するとともに集積回路チップにて発生した熱を装置内縦方向に流す縦方向熱流路を形成する電源経路・縦方向熱流路兼用の貫通電極を有しており、微細配線インターポーザはさらに、そのストリップライン構造を構成するグランドプレーンとして、前記電源経路・縦方向熱流路兼用の貫通電極に接続されて電気的アースを形成するとともに集積回路チップにて発生した熱を装置内横方向に流して前記縦方向熱流路に導く横方向熱流路を形成する電気的アース・横方向熱流路兼用のグランドプレーンを有していることを特徴とする。
【００１２】
また、本願発明は、第２には、前記第１の積層型集積回路装置であって、冷却装置を備え、この冷却装置に集積回路チップまたは微細配線インターポーザの前記電源経路・縦方向熱流路兼用の貫通電極が接続されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本願発明は、第３には、前記第１の積層型集積回路装置であって、前記貫通電極を有する一枚若しくは複数枚の集積回路チップと前記貫通電極および前記グランドプレーンを有する一枚若しくは複数枚の微細配線インターポーザとを予め積層させてなる積層型集積回路モジュールを、複数個積み上げて構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
上記第１の発明によれば、集積回路チップおよび微細配線インターポーザに設けた上記貫通電極によって電源経路と縦方向熱流路が形成され、且つ、微細配線インターポーザのストリップライン構造を構成する上記グランドプレーンによって電気的アースと横方向熱流路が形成され、これにより、微細配線インターポーザを介した集積回路チップの１チップサイズでの３次元実装はそのままに、電気の流れと熱の流れを同時に実現した、つまり高速信号伝送と排熱を両立した積層型集積回路装置を提供することができる。しかも、熱の流れについては、装置内にて横方向から縦方向へと流れる経路を実現しており、より優れた排熱効果を実現している。
【００１５】
上記第２の発明によれば、上記第１の発明と同様な効果が得られ、また、上記冷却装置によって上記貫通電極による縦方向熱流路を伝わってくる熱を外部に効果的に排出することができ、より一層の排熱効果且つ冷却効果を実現している。
【００１６】
上記第３の発明によれば、上記第１の発明と同様な効果が得られ、また、予め集積回路チップ２と微細配線インターポーザ３を積層させてモジュール化した積層型集積回路モジュールを用意しておき、これを必要に応じて複数個積み上げていくことで、モジュール単位での積層型集積回路装置の構築が可能になる。これは、スタッカブルチップによるシステム集積技術（ＳＩＳＣ：System Integration by Stackable Chips）と呼ぶことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
［第一の実施形態］
図１は、上記のとおりの特徴を有する本願発明の一実施形態を示したものである。
【００１８】
本実施形態の積層型集積回路装置１において、まず、ＬＳＩ等の集積回路チップ２は、電源経路・縦方向熱流路兼用の貫通電極２０と、信号配線用の貫通電極２１とを有している。
【００１９】
電源経路・縦方向熱流路兼用の貫通電極２０は、導電性および伝熱性に優れた物質（たとえば銅や銀などの金属）で形成されて、集積回路チップ２を上下に貫通して設けられている。信号配線用の貫通電極２１は、従来と同様のものが用いられる。
【００２０】
次に、ストリップライン構造を持つ微細配線インターポーザ３は、電源経路・縦方向熱流路兼用の貫通電極３０と、この貫通電極３０に接続された電気的アース・横方向熱流路兼用の第一、第二のグランドプレーン３１、３５とを有している。
【００２１】
電源経路・縦方向熱流路兼用の貫通電極３０は、導電性および伝熱性に優れた物質（たとえば銅や銀などの金属）で形成されて、微細配線インターポーザ３を上下に貫通して設けられている。また、上記集積回路チップ２の貫通電極２０とは貫通位置が揃っており、積層時に集積回路チップ２および微細配線インターポー３とを縦に貫く一本の貫通電極を構成するようになっている。これら貫通電極２０、３０は外部の電源アースＥに接続される。
【００２２】
第一、第二のグランドプレーン３１、３５は、平板状またはメッシュ状（図１はメッシュ状）の導電性および伝熱性に優れた物質（たとえば銅や銀などの金属）で形成されて、第一の絶縁層３２と信号線３３と第二の絶縁層３４とによりストリップライン構造を形成している。また、このストリップライン構造を貫通している上記貫通電極３０とは電器および熱が伝わるように接触して接続されている。
【００２３】
そして、これら集積回路チップ２と微細配線インターポーザ３が積層される際には、集積回路チップ２の信号配線用の貫通電極２１と微細配線インターポーザ３のストリップライン構造を構成する信号線３３とが接続されるとともに、集積回路チップ２の電源経路・縦方向熱流路兼用の貫通電極２０と微細配線インターポーザ３の電源経路・縦方向熱流路兼用の貫通電極３０とが接続される。
【００２４】
この貫通電極２１および信号線３３の接続によって、集積回路チップ２および微細配線インターポーザ３間の信号伝送路Ｓが形成され、その一方で、貫通電極２０および貫通電極３０の接続によって、微細配線インターポーザの第一、第二のグランドプレーン３１、３５から集積回路チップ２および微細配線インターポーザ３両方の貫通電極２０、３０を介して電源アースＥに延びる電源アース経路が形成されるとともに、貫通電極２０、３０による縦方向に延びる熱流路（「熱排出経路」とも呼べる）Ｖと、第一、第二のグランドプレーン３１、３５によるこの縦方向熱流路Ｖに連通した横方向に延びる熱流路Ｌとが形成される。なお、図１の実施形態では、集積回路チップ２は基板上に各素子が搭載されて構成されており、各素子からの熱はその上方に位置する微細配線インターポーザ３の第二のグランドプレーン３５により集熱されることとなるため、この第二のグランドプレーン３５が主に横方向熱流路Ｌを形成している。
【００２５】
これにより、従来と同様に微細配線インターポーザ３を介在させて信号配線且つ電源配線して積層させた集積回路チップ２の１チップサイズでの３次元実装はそのままに、それら集積回路チップ２および微細配線インターポーザ３を縦に貫く貫通電極２０、３０と微細配線インターザー３を横に走る第一、第二のグランドプレーン３１、３５とによる縦方向熱流路Ｖ、横方向熱流路Ｌが実現されることとなる。
【００２６】
すなわち、各層の集積回路チップ２で発生した熱をその上層の微細配線インターポーザ３の第一、第二のグランドプレーン３１、３５により集熱して積層型集積回路装置１内を横方向に流して貫通電極２０、３０に集め（横方向熱流路Ｌ）、さらにその熱を各層を貫く貫通電極２０、３０により積層型集積回路装置１内を縦方向に流すことができ（縦方向熱流路Ｖ）、熱が各層間に溜まらずにスムーズに積層型集積回路装置１内を横方向から縦方向に排出されて、極めて優れた排熱効果を高速信号伝送と同時に実現できるのである。
【００２７】
このときさらに、ヒートシンクや冷却フィンなどといった冷却装置４を設けて、冷却装置４に集積回路チップ２または微細配線インターポーザ３の電源経路・縦方向熱流路兼用の貫通電極２０、３０を接続させておくことで、これら貫通電極２０、３０の縦方向熱流路Ｖを伝わってくる熱をより効果的に外部に排出して、積層型集積回路装置１全体の冷却効果をさらに向上させることができる。図１の実施形態では、この冷却装置４としての冷却フィンが最上層の微細配線インターポーザ３上に設置され、貫通電極３０が接続されている。
【００２８】
［第二の実施形態］
以上の積層型集積回路装置１については、一枚もしくは複数枚の集積回路チップ２と一枚もしくは複数枚の微細配線インターポーザ３とを予め交互に積層させてモジュール化しておき、この積層型集積回路モジュール（「スタッカブルチップ」とも呼べる）を必要に応じて複数個積み上げることで幾層もの積層型集積回路装置１を構築する実施形態も可能である。
【００２９】
この場合、各積層型集積回路モジュールの最上層を集積回路チップ２および最下層を微細配線インターポーザ３としておき、またはその逆としておき、積み上げ時に集積回路チップ２および微細配線インターポーザ３が交互に位置して、上記のとおりの高速信号伝送と排熱との両立が実現できるようにする。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本願発明の一実施形態について説明するための斜視図。
【図２】従来のＳｏＢについて説明するための図。
【図３】従来のＳｏＣについて説明するための図。
【図４】従来のＳｉＰについて説明するための図。
【符号の説明】
【００３１】
１  積層型集積回路装置
２  集積回路チップ
２０  貫通電極
２１  貫通電極
３  微細配線インターポーザ
３０  貫通電極
３１  第一のグランドプレーン
３２  第一の絶縁層
３３  信号線
３４  第二の絶縁層
３５  第二のグランドプレーン
４  冷却装置
Ｖ  縦方向熱流路
Ｌ  横方向熱流路
Ｓ  信号伝送路
Ｅ  電源アース
【図１】
2006228834.tif 000003
【図２】
2006228834.tif 000004
【図３】
2006228834.tif 000005
【図４】
2006228834.tif 000006