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» 2011年02月16日 17時44分 UPDATE

実装技術 半導体パッケージ:「実はプレステ3で300万個の量産実績」、ソニーがコアレスパッケージの進展明らかに

コアレス構造の半導体パッケージは、コスト低減や性能向上といったメリットがある一方で、安定した品質で大量に製造することが難しいとされていた。しかしソニーはすでに、民生機器用のLSIにコアレス半導体パッケージを適用し、大量に生産しているという。

[薩川格広,EE Times Japan]

 コアレス構造の半導体パッケージは、コスト低減や性能向上といったメリットがある一方で、安定した品質で大量に製造することが難しいとされていた。しかしソニーはすでに、民生機器用のLSIにコアレス半導体パッケージを適用し、大量に生産しているという。EE Times Japanに対して明らかにした。「実は、プレイステーション 3向けのCellプロセッサの量産に2010年4月から適用している。すでにコアレスパッケージ品の累積出荷数量は300万個を超えた」(同社の半導体事業本部 ハイブリッドシステムソリューション事業部 先端実装製品部で統括部長を務める大出和志氏)。コアレスパッケージ品でこのような大量生産に成功したのは、ソニーが世界初だと主張する(図1)。

 現在のところこのコアレスパッケージ技術の適用先はソニーグループ企業の家庭用ゲーム機に向けたプロセッサにとどまっているが、「今後はネットワーク/通信機器用ASICをはじめとしたさまざまな応用を開拓していきたい」(同氏)と意気込んでおり、ソニーグループ外の顧客企業に向けて製造受託の形態での技術提供を視野に入れる。

図1 図1 ソニーのコアレス半導体パッケージ 家庭用ゲーム機プレイステーション 3に使われるプロセッサ「Cell」用のパッケージとして大量生産に成功した。左はコアレスのラミネート基板。中央はベアチップをコアレス基板上に実装済みで、ふたをかぶせる前の状態。右は、パッケージの組み立てが完了した状態である。出典:ソニー

各社取り組むも量産化に大きな障壁

 BGAタイプなどの半導体パッケージの内部では、一般にインターポーザと呼ばれる基板を使って、パッケージと半導体のベアチップを接続する(図2)。つまりインターポーザは、ベアチップを機械的に支持する機能と、チップ上の端子を再配線してパッケージの端子(プリント基板実装用のはんだボール)に電気的に接続する役割を担う。通常この基板は、機械的な強度を確保するための芯材(コア)を中心に挟んで、フィルム材料をビルドアップ工法で積層することで再配線層を作り込んでいる。

図2 図2 コア基板/コアレス基板パッケージの構造の違い 上側はコアレス基板を使う場合、下側はコア基板を使う場合のパッケージの内部構造(左側)とインターポーザの構造(右側)である。コア基板では芯材(コア)を上下から挟むようにビルドアップ層を形成するが、コアレス基板はビルドアップ層のみで構成する。出典:ソニー

 これに対しコアレス半導体パッケージは、コア材料を使わずにビルドアップ層だけを製造する。コアを形成するプロセスを省けるため基板のコストを削減できる他、通常はコアを挟んだ上下層の接続に不可欠なスルーホールが不要になるので、再配線経路の電気的特性が向上する、再配線経路の設計自由度が増加して配線密度も高まるといったメリットがある(図3)。そのため、コンピュータ用マイクロプロセッサやネットワーク/通信機器用ASICを手掛ける各社が開発に取り組んでおり、論文発表も数多くある。

 ただし、コアレスはメリットばかりではない。デメリットもある。コアを用いないため、インターポーザ基板の機械的な強度を確保しにくいのだ。そのため基板の耐衝撃性が低下し、パッケージの組み立て工程で割れたり欠けたりしやすくなる。さらに、熱の影響による機械的な変位(反りや歪み)が大きくなり、ベアチップを基板に接続する工程の歩留まりが悪化してしまう。このためソニーによれば、「量産化が難しく、各社いろいろな試行錯誤を繰り返しているものの、なかなか立ち上がっていない」(大出氏)というのが実情だった。

図3 図3 コアレス基板パッケージの利害得失 基板のコストを削減できる他、再配線経路の電気的特性が向上する、再配線経路の設計自由度が増加して配線密度も高まるといったメリットがある。ただし、機械的な強度を確保しにくく、製造工程で基板が欠けやすくなるといったデメリットもある。出典:ソニー

基板材料ではなく組み立て工程を改良

 こうした課題を抱えながらも、コアレスパッケージには前述の通り確かなメリットがある。実際にソニーは、「Cellプロセッサにコアレス技術を適用した動機は、コストの低減だった。コア形成プロセスを省けるだけではない。基板の電気的な特性が向上して電源供給系のインピーダンスが低下するので、電源品質の確保のために実装するデカプリングコンデンサの数を、通常のパッケージに比べて減らせる。これらを総合すると、パッケージ関連のコストを15%〜20%削減できた」(大出氏)と明かす。

 このようなメリットを享受するためには、何らかの方法で課題を乗り越える必要がある。しかし、コアレス化による機械的な強度の低下を材料の工夫で補うのは難しい。そこでソニーは、基板の材料を改善するのではなく、パッケージの組み立て工程を工夫するというアプローチを採った。「パッケージ技術には、材料とプロセスの2つの要素がある。一方で解決が難しいのならばもう一方で解決を試みる。今までパッケージ技術では、こうしたアプローチは必ずしも採られてこなかった。その観点で、パッケージ技術の分野には、改善の余地がまだたくさんあると感じている」(大出氏)。

 具体的には、2つの工程に工夫を施した(図4)。1つ目は、基板にベアチップをフリップチップで接続する工程である。「この工程では、リフローはんだ付けのために温度が大きく変化する。常温から260℃まで上昇し、再び常温に戻るといった具合だ。このように温度の変動幅が大きい場合でも、基板の平坦性を維持してフリップチップ実装の接続品質を安定させられるように、新たなプロセス技術を採用した」(同社の半導体事業本部 ハイブリッドシステムソリューション事業部 先端実装製品部で先端実装技術を担当する足立充氏)。ただし、採用したプロセス技術の詳細については、「ノウハウの固まりなので、これ以上は一切明かせない」(足立氏)としている。

 2つ目は、フリップチップ実装後にアンダーフィル(封止用の液状硬化性樹脂)を塗布して硬化させる工程の後に、新たに追加した工程である。この工程では、基板の上に、あらかじめ用意しておいた薄いシート状のモールドコンパウンドを貼り付ける。ソニーはこのモールドコンパウンドを「スティフナー」と呼ぶ。基板の剛性を高め、基板のチッピング(欠け)を防ぐ役割を果たす。チップ部はくりぬいてあり、スティフナー自体の厚みはチップよりも薄いため、これでパッケージの厚みが増すことはない。スティフナーの材料は、「QFPなどの一般的なパッケージで使う樹脂材料を改良して用いた。熱膨張係数と弾性率について、パッケージを構成する基板とチップ、放熱用の銅版それぞれとの親和性を考慮するとともに、樹脂材料としての流動性も確保できるように配慮した」(足立氏)という。

図4 図4 コアレス基板を扱うために組み立て工程を工夫 図中、赤色の枠で囲んだ2つの「Key Process」が、コアレスでの量産化を実現する鍵となった。2番目のKey Processであり、剛性確保のために「スティフナー」と呼ぶシート状のモールドコンパウンドを貼り付ける工程を、全工程の中でこのタイミングで実施している理由は、コスト的に最も有利だからだという。出典:ソニー

高速信号の伝送特性が向上

 ソニーは、こうして量産レベルの製造性を確立したコアレス半導体パッケージの有力な応用分野として、大量のデータを高速に入出力することが求められるネットワーク/通信機器用ASICを挙げる(図5)。先に述べた通り、コアレス化によってパッケージの電気的な特性が向上するからだ。「コア基板を使う一般的なパッケージでは、コアを貫通するスルーホールによってインピーダンス整合が大きく劣化する。その結果、ベアチップの端子とパッケージの端子をつなぐ信号経路の反射損失(リターンロス)が増大し、品質を維持できる信号の速度が制限されてしまう」(足立氏)。

図5 図5 プレステ用Cellの次の市場 有線通信機器に使う、高速データ入出力対応のハイエンドASICを有力な応用市場とみる。その他、さまざまな応用を視野に入れている。出典:ソニー

 例えば、コアレスパッケージでは−15dBのリターンロスを確保できるデータ伝送速度の上限が33Gビット/秒を超えるのに対し、現状ではコアの厚みが400μmの基板を使うパッケージで7.3Gビット/秒、同800μmでは1.6Gビット/秒にとどまると言う(図6)。コアレス品では挿入損失(インサーションロス)がコア基板品に比べて大きくなる傾向があり、信号速度の制限要因になるものの、ソニーによればそれを考慮しても現状で16Gビット/秒を確保することが可能だ。さらに、「積層基板材料の誘電率などを改良すれば、25Gビット/秒まで高められる可能性があり、ハイエンドASICでデータ伝送速度が高まっていくトレンドに対応できる」(足立氏)とみる。

 なお、このように電気的な特性は向上するものの、基板の設計ルールについてはコア基板を使う一般的なパッケージと変わらない。例えば、積層部の配線のライン/スペースは15μm/15μmである。

 ソニーは、「まずは大手通信機器メーカーからハイエンドASICのパッケージ組み立て工程を受託する形で、コアレス半導体パッケージの社外への提供を始めたい」と話している(大出氏)。

図6 図6 コア基板/コアレス基板パッケージの電気的な特性 コアレス基板パッケージと、コアの厚みが400μm、800μmと異なるコア基板パッケージの電気的な特性を比較した。挿入損失を3dB以下に抑えられる帯域幅と、反射損失を−15dB確保できる帯域幅を調べ、各帯域幅で対応できるデータ伝送速度を求めるとともに、挿入損失と反射損失の両方を考慮して各パッケージで最終的に対応可能なデータ伝送速度の上限を評価した。図中に「Current」とあるのは、現行の基板材料を使った場合で、「New」とあるのは、誘電率などの特性を改善した材料を使う場合である。出典:ソニー

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