JP2008506247A - Semiconductor device module having flip chip device on common lead frame - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体デバイスモジュールにおいて、回路基板スペースを確保し、かつ熱管理を改善する。
【解決手段】回路の半導体部分は、共通ハウジング内に平面状に配置された複数のフリップチップデバイスを含む。複数のフリップチップデバイスは、ワイヤーボンディングを用いることなく互いに接続されており、共通ハウジングは、パッケージ構造を有し、このパッケージ構造は、接続部分と、少なくとも1つのウェブ部分とを備え、これによって、複数のフリップチップデバイスが発する熱の熱管理を助けると共に、フリップチップデバイスを互いに接続している。回路内の受動的デバイスも、共通ハウジング内で平面状に配置できる。
【選択図】図3In a semiconductor device module, circuit board space is secured and thermal management is improved.
The semiconductor portion of the circuit includes a plurality of flip chip devices arranged in a planar manner within a common housing. The plurality of flip chip devices are connected to each other without using wire bonding, and the common housing has a package structure that includes a connection portion and at least one web portion, whereby Helps to manage the heat generated by the plurality of flip chip devices and connects the flip chip devices to each other. Passive devices in the circuit can also be arranged in a plane within the common housing.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、回路の少なくとも半導体部分を形成するフリップチップデバイスを備えるモジュールに関する。 The present invention relates to a module comprising a flip chip device forming at least a semiconductor part of a circuit.
多くのタイプの電気回路、例えばDC−DCコンバータ、同期コンバータなどは、多数の半導体コンポーネント、例えばMOSFETおよびICを必要とする。ポータブル電子装置内に、かかる回路コンポーネントが設けられており、このサポートコンポーネントは、一般に別々に収容され、サポートボード上に別々に実装されている。これら別々に収容されたコンポーネントは、基板スペースを占め、各コンポーネントは、熱を発生する。コンポーネントが、他のコンポーネント、例えばマイクロプロセッサの近くにある場合、このコンポーネントは、マイクロプロセッサの作動を妨害することがある。 Many types of electrical circuits such as DC-DC converters, synchronous converters, etc. require a large number of semiconductor components such as MOSFETs and ICs. Such circuit components are provided within the portable electronic device, which are typically housed separately and mounted separately on a support board. These separately housed components take up board space and each component generates heat. If the component is near other components, such as a microprocessor, this component may interfere with the operation of the microprocessor.
このような熱が発生することと、基板スペースを占めることの2つの問題を解決するために、従来、少なくとも異なる2つの方法が実施されてきた。 Conventionally, at least two different methods have been implemented in order to solve the two problems of generating such heat and occupying the substrate space.
1つの方法は、単一ハウジング内に、平面状に種々の半導体コンポーネントを配置する方法である。図1には、単一基板上に平面状に配置された半導体コンポーネントを含む回路図の一例が示されている。この図1は、元々は米国特許第6,388,319号に図2として示されているものである。 One method is to arrange various semiconductor components in a planar manner in a single housing. FIG. 1 shows an example of a circuit diagram including semiconductor components arranged in a plane on a single substrate. This FIG. 1 was originally shown as FIG. 2 in US Pat. No. 6,388,319.
図1は、スイッチングデバイスとしてのN−チャンネルMOSFET4と、同期整流するために並列なN−チャンネル同期MOSFET5、およびショットキーダイオード6を有する同期式バックコンバータ回路を示す。
FIG. 1 shows a synchronous buck converter circuit having an N-
これらN−チャンネルMOSFET4、N−チャンネルMOSFET5およびショットキーダイオード6は、共通ハウジング7内に平面状に配置されている。しかし、MOSFET4および5のゲートに接続された制御回路8は、前に説明した共通ハウジング7内に収容されていない。ダイ4のソース(頂部)は、ダイ5のドレイン(底部)に接続されているので、ダイ5を基板およびワイヤーボンドから絶縁する必要があった。制御回路8も基板から絶縁しなければならないので、制御回路8は別個となっていた。
These N-
共通ハウジング内に平面状に、半導体コンポーネントを配置する方法を実行する他の特許として、米国特許第5,977,630号、第6,144,093号、第6,404,050号、第6,448,643号、第6,465,875号、第6,593,622号、および第6,696,321号を挙げることができる。しかしながら、重要なことに、上に引用した参考例のいずれにおいても、半導体コンポーネントの間の必要な接続を行うのに、ワイヤーボンディングが広く使用されているが、かかるワイヤーボンディングにより、抵抗およびインダクタンスが大きくなる。更に、共通ハウジング内にこれらコンポーネントを実装することにより、別個にコンポーネントを収容した場合と比較して、コンポーネントの熱効果が低減するが、更に熱管理を改善することが望ましい。 Other patents that implement a method for placing semiconductor components in a planar manner in a common housing include U.S. Pat.Nos. Mention No. 6,696,321. Importantly, however, in any of the reference examples cited above, wire bonding is widely used to make the necessary connections between semiconductor components, but such wire bonding reduces resistance and inductance. growing. Further, mounting these components in a common housing reduces the thermal effects of the components compared to housing the components separately, but it is desirable to further improve thermal management.
ボードスペースを占めること、および熱管理を改善することの問題を解決する第2の方法は、ダイを積み重ねるか、離間した状態で上下に配置し、共通するハウジング内に収納する方法である。かかる方法は、米国特許第5,770,480号、第6,798,044号および第6,858,922号に例示されている。かかる方法には、平面状配置方法よりも広い基板スペースを確保しなければならない。更に、ダイの間のワイヤーボンディングを省略できる。しかしながら、かかる方法では、あるダイの作動により、その上に配置された他のダイに与えられる熱効果が、平面状配置方法よりも、大きくなることがある。 A second way to solve the problem of occupying board space and improving thermal management is to stack the dies or place them up and down and store them in a common housing. Such methods are exemplified in US Pat. Nos. 5,770,480, 6,798,044 and 6,858,922. Such a method requires a larger substrate space than the planar arrangement method. Furthermore, wire bonding between the dies can be omitted. However, in such a method, the operation of one die may cause the thermal effect imparted to other dies placed thereon to be greater than in the planar placement method.
上記問題および関連する技術を検討することによって発見された事項に鑑み、本発明は、いくつかの目的を有する。 In view of the above-mentioned problems and matters discovered by examining the related technology, the present invention has several objects.
本発明の第1の目的は、回路基板スペースを確保するために、共通するハウジング内に、半導体コンポーネントを平面状に配置することにある。 A first object of the present invention is to arrange semiconductor components in a flat shape in a common housing in order to secure a circuit board space.
本発明の第2の目的は、共通ハウジング内の種々のダイの間の接続をするために、ワイヤーボンディングを行うことを不要にし、かつ、かかる平面状の配置を行うことにある。 A second object of the present invention is to eliminate the need for wire bonding and to provide such a planar arrangement for connection between the various dies in the common housing.
本発明の第3の目的は、ダイの従来の平面状の配置より、更にダイを積み重ねた配置よりも熱管理が優れた、共通ハウジング内にダイを平面状に配置することにある。 The third object of the present invention is to arrange the dies in a planar manner in a common housing, which has better thermal management than the conventional planar arrangement of the dies than the stacked dies.
本発明は、1つのフリップチップデバイスを他の別のフリップチップデバイスに重ねることなく、実質的に平面状に、共通するリードフレームまたは他の回路基板に配置された複数のフリップチップデバイスを含んでいる。フリップチップデバイス間の接続は、ワイヤーボンディングを用いることなく実行される。フリップチップデバイスの少なくとも一部の間の接続により、従来のように、ダイを平面状に配置すること、または共通するハウジング内にダイを積み重ねるか、離間した状態で上下に配置することによって得られるよりも、熱管理を改善できる。 The present invention includes a plurality of flip chip devices disposed on a common lead frame or other circuit board in a substantially planar manner without superimposing one flip chip device on another flip chip device. Yes. Connection between flip chip devices is performed without using wire bonding. Connections between at least some of the flip chip devices can be obtained by placing the dies in a planar manner, or by stacking the dies in a common housing, or placing them separately above and below, as is conventional. Rather than improve thermal management.
従って、バックコンバータ回路に対し、制御FETを2004年1月26日に出願された米国仮特許出願第60/539,549号に開示されているタイプの、頂部ドレインMOSFETすることができる。この場合、ダイの頂部にドレインおよびゲートが設けられており、このドレインおよびゲートは、ダイを引っ繰り返した時に、頂部にあるリードフレームおよびソースに接触するようになっている。 Thus, for the buck converter circuit, the control FET can be a top drain MOSFET of the type disclosed in US Provisional Patent Application No. 60 / 539,549, filed Jan. 26, 2004. In this case, a drain and a gate are provided at the top of the die, and the drain and gate contact the lead frame and source at the top when the die is repeated.
同期FETは、米国特許第6,624,522号に開示されたDirectFET(商標)タイプとすることができる。ここでは、ダイの頂部にドレインが設けられ、ダイの底部にソースおよびゲートが設けられている。従って、米国公開特許2004/0061221A1号に開示されているような、T−PACタイプの実装構造により、頂部ドレインFETのソースにFETを接続できるようになっている。 The synchronous FET can be the DirectFET ™ type disclosed in US Pat. No. 6,624,522. Here, the drain is provided at the top of the die and the source and gate are provided at the bottom of the die. Therefore, the FET can be connected to the source of the top drain FET by a T-PAC type mounting structure as disclosed in US Patent Publication No. 2004 / 0061221A1.
同期FETと頂部ドレインFETとを接続するのに、従来の他の垂直導電デバイスパッケージも使用できる。このICは、リードフレーム内にパターン形成されたトレースにより、制御FETおよび同期FETのゲートに底部を接続できるようなフリップチップでもある。従って、ワイヤーボンディングをする必要はない。 Other conventional vertical conductive device packages can also be used to connect the synchronous FET and the top drain FET. The IC is also a flip chip where the bottom can be connected to the gates of the control FET and the sync FET by traces patterned in the lead frame. Therefore, there is no need for wire bonding.
添付図面を参照して行う次の説明から、本発明の上記以外の特徴および利点が明らかとなると思う。 Other features and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.
図2は、頂部ドレイン構造15のMOSFETと、DirectFET(商標)タイプである同期MOSFET25と、一定の出力DC電圧を得るために、PWMモードでMOSFET15および25を制御するフリップチップタイプのIC94と、インダクタ10とコンデンサ11とを含むバックコンバータ回路の回路図を示す。
FIG. 2 shows a MOSFET with a
ステップダウンコンバータとしても時々知られるこのバックコンバータ回路は、一般に、電圧を下げるために使用されている。従って、入力電圧VINは、出力電圧VOUTよりも高くなっている。MOSFETダイ15とMOSFETダイ25とICダイ94とは、共通するハウジング21内に配置されている。ダイ15、25、94は、熱伝導性または導電性であるリードフレーム20、または他の基板上に平面状に配置されている。
This buck converter circuit, sometimes known as a step-down converter, is commonly used to reduce the voltage. Therefore, the input voltage VIN is higher than the output voltage VOUT. MOSFET die 15, MOSFET die 25, and IC die 94 are arranged in a
リードフレームまたは他の基板の熱伝導性は、このリードフレーム、または他の基板の下方の1つ以上のヒートシンク(図示せず)に向かうダイ15、25、94からの熱の有効な伝導を保証するのに必要である。
The thermal conductivity of the lead frame or other substrate ensures effective conduction of heat from the
後により詳細に説明するように、IC94とMOSFET15、25との間の電気接続を可能にすると共に、共通するハウジング21との間で、入力電圧VINおよび出力電圧V1(図2参照)の伝導を可能にするのに、リードフレームまたは基板の伝導度が必要である。熱伝導性かつび導電性であるリードフレーム以外の基板として、ダイレクトボンド銅(DBC)、プリント回路基板(PCB)、プリント配線基板(PWB)およびフレキシブル回路を挙げることができる。
As will be described in more detail later, the electrical connection between the
次に図3を参照する。ハンダまたは導電性エポキシ(図示せず)により、リードフレーム20または他の基板に、直接IC94が接合されている。(本明細書で使用するフリップチップなる用語は、ワイヤーボンディングを用いることなく、リードフレームまたは他の基板に直接表面が取り付けられたチップを示し、このフリップチップは、適当に製造されたボンドチップを有する。)
Reference is now made to FIG. The IC 94 is directly bonded to the
リードフレーム20は、MOSFET15のゲート電極32およびドレイン電極33をそれぞれ支持する接点領域30および31を有する。リードフレーム20は、MOSFET25のソース電極43および44と接触するためのドレイン接点40および41も有する。更にリードフレーム20は、MOSFET25のゲート電極45を受けるためのゲート接点領域42を有する。
The
リードフレーム20または他の基板は、リードフレームまたは他の基板内にパターン形成された、略図で示すトレース52も有し、IC94をゲート接点領域30、42に接続している。
The
次にゲート接点領域32、42は、ハンダまたは導電性エポキシ58、およびハンダまたは導電性エポキシ54により、それぞれゲート電極32、45に接続されている。同様に、図5を参照すると、ソース接点領域40および41は、それぞれ、ハンダまたは導電性エポキシ62およびハンダまたは導電性エポキシ60により、ソース電極43および44に接続されている。ドレイン接点領域31は、ハンダまたは導電性エポキシ66を介して、ドレイン電極33に接続されている。
The
MOSFET25は、インターナショナルレクティファイア社によって製造されたDirectFET(商標)構造となっている。従って、図5に示すように、MOSFET25は、ダイの表面70上にパッシベート(不動態)化されており、このダイには、ソース電極およびゲート電極43、44、45が設けられており、ソース電極とゲート電極との間のショートを防止すると共に、それら電極を湿分および他の汚染物から保護している。
The
MOSFET25のドレイン接点74は、導電性T−PACKタイプのパッケージ構造50を介し、MOSFET15のソース電極78に接続されており、このパッケージ構造は図2に示される出力電圧V1を図5に略図で示されるリードフレーム20、または他の基板に伝えるための経路も提供している。
The
更に、T−PACKタイプのパッケージ50を使用することにより、改良された熱管理を行っている。このT−PACKタイプのパッケージ構造50は、接続可能な部分80とウェブ部分82とを備える。ウェブ部分82は、ハンダまたは導電性エポキシ84により、リードフレーム20または他の基板に接続されている。接続可能な部分80は、導電性エポキシまたはハンダ86、88(図4参照)により、MOSFET25のドレイン接点74に接続されており、更にハンダまたは導電性エポキシ(図示せず)によりソース接点78にも接続されている。接続可能な部分80とウェブ部分82とは、一体的な本体となるように、一体的に形成されている。
Furthermore, improved thermal management is performed by using a T-
図2の回路を構成するために、ソース接点40と41の双方は、図5に略図で示すようにアースされており、かつリードフレーム20またはその他の基板を介し、ドレイン電33にVINが供給されている。樹脂または他の従来の非導電性材料を成形することによって製造されたハウジング90が、リードフレーム20または他の基板よりも上にあるT−PACK実装構造50、および回路パッケージの他のすべてのコンポーネントを収容している。
To configure the circuit of FIG. 2, both
T−PACKパッケージ構造の接続可能な部分80は、リードフレーム20または他の基板の全エリアをカバーする一方、ウェブ部分82は、リードフレーム20または他の基板の上部表面の一部と接触するためだけの十分な寸法を有していることに留意すべきである。接触部分は、図3においてハッチングされた領域92として示されている。(図3の平面図は、図を簡単にするために、T−PACKタイプのパッケージ構造50を除いた状態で示されている。)
The
更に、コンネクタ部分80の下方表面が、フリップチップIC94の上部表面より上方にあること、および樹脂または他の非導電性材料90が、フリップチップIC94をT−PACKパッケージ構造50から電気的にアイソレートしていることを理解すべきである。リードフレーム20または他の基板の全領域にわたるT−PACKパッケージ構造50のコネクタ部分80の延長部は、共通ハウジング内のダイの住りらいの他の平面状構造、積み重ね(スタック)構造または離間した状態で上下に配置した構造よりも、ダイによって発生される熱の熱管理を改善できる。
Further, the lower surface of the
更に、米国公開特許第2004/0061221A1号の図8Aに開示されており、本明細書の図6にも示されているように、T−PACKパッケージ構造50のコネクタ部分80の頂部表面内に突状96を設けることによって、更に熱管理を改善できる。かかる突条は、より多くの熱の放散を助けるだけでなく、コネクタ80が非導電材料90により良好に接着することも助ける。
Further, as disclosed in FIG. 8A of US Patent Publication No. 2004 / 0061221A1 and shown in FIG. 6 of the present specification, it protrudes into the top surface of the
上に、リードフレーム20または他の基板にMOSFETダイ15、MOSFETダイ25およびICダイ95だけが平面状に配置されていると説明したが、リードフレーム20または他の基板に、図2のバックコンバータ回路のインダクタ10も設けることを、容易に想到できる。かかるケースでは、リードフレーム20または別の基板内にパターン形成されたトレースにより、更に、T−PACKタイプのパッケージ構造または他のパッケージ構造により、MOSFET25のドレイン接点74にインダクタ10を接続し、ワイヤーボンディングを行うことなく、図2に示された回路の更に別の部分を構成できる。
It has been described above that only the MOSFET die 15, the MOSFET die 25, and the IC die 95 are arranged in a planar shape on the
最終的に、リードフレーム20にコンデンサ11も載せることができ、このコンデンサ11を、インダクタ10およびソース接点40および41に接続し、再びワイヤーボンディングを行うことなく、MOSFET25のソース電極43および44に接触するように、リードフレーム20内で適当なトレースをパターン形成できる。リードフレーム20に、インダクタ10およびコンデンサ11を追加したことにより、1つのリードフレームまたは他の基板上に、図2に示されたバックコンバータ回路全体の形成が完了する。
Finally, the
上記した開示は、共通ハウジング内に従来のバックコンバータ回路の半導体部分を、平面状に実装することに焦点を合わせているが、本発明は、このような特定の構造だけに限定されるものではない。むしろ逆に、本発明は、ワイヤーボンディングを必要とすることなく、共通ハウジング内に、種々の回路の半導体部分であるフリップチップデバイスを平面状に配置することに適用できる。更に、パッケージのためのT−PACKパッケージ構造を使用することにより、パッケージの熱管理を改善することが可能となる。 Although the above disclosure focuses on mounting the semiconductor portion of a conventional buck converter circuit in a common housing in a planar shape, the present invention is not limited to such a specific structure. Absent. On the contrary, the present invention can be applied to planarly arrange flip chip devices, which are semiconductor parts of various circuits, in a common housing without requiring wire bonding. Furthermore, the use of a T-PACK package structure for the package can improve the thermal management of the package.
当然ながら、回路の半導体コンポーネントの接点、T−PACK、または他のパッケージ構造、およびリードフレーム20または他の基板上の受動的デバイスの間のショートを防止するために、リードフレーム20または他の基板内に、必要に応じて絶縁バリアまたは層が存在することを理解するべきである。
Of course, the
以上、本発明の特定の実施例を参照し、本発明について説明したが、当業者には、上記以外の他の変形例および変更例、並びに他の用途が明らかであると思う。従って、本発明は、特定の開示によって限定されるものではなく、特許請求の範囲のみによってのみ定められるものである。 Although the present invention has been described with reference to specific embodiments of the present invention, other variations and modifications and other uses will become apparent to those skilled in the art. Accordingly, the invention is not limited by the specific disclosures but only by the claims.
クロスレファレンス
本願は、2004年、6月3日に出願された米国仮特許出願第60/576、703号に基づく権利を主張するものであり、この仮特許出願の内容全体を、本願で参考用として援用する。
This application claims the rights based on US Provisional Patent Application No. 60 / 576,703 filed on June 3, 2004, the entire contents of which are hereby incorporated by reference. Incorporated as.
8 制御回路
10 インダクタ
11 コンデンサ
15 ドレイン構造体
20 リードフレーム
21 共通ハウジング
25 同期MOSFET
30、31 接点領域
32 ゲート電極
33 ドレイン電極
40、41 ドレイン接点
43、44 ソース電極
45 ゲート電極
52 トレース
54、60、62 導電性エポキシ
8
30, 31
Claims (20)
前記共通パッケージは、導電性実装表面を有し、前記第1MOSFETダイ、は1つの表面にソース電極およびゲート電極を有し、その反対の表面にドレイン電極を有し、前記第2MOSFETダイは、1つの表面にドレイン電極およびゲート電極を有し、その反対の表面にソース電極を有し、前記第1ダイおよび第2ダイは、それらのソースおよびゲートならびにドレイン電極において、前記導電性実装表面に導電的に固定されており、更に互いに横方向に離間している、半導体デバイス。 In a semiconductor device comprising first and second MOSFET dies and a control IC die for controlling the first and second MOSFETs all contained in a common package,
The common package has a conductive mounting surface, the first MOSFET die has a source electrode and a gate electrode on one surface, and a drain electrode on the opposite surface, and the second MOSFET die has 1 Having a drain electrode and a gate electrode on one surface and a source electrode on the opposite surface, wherein the first die and the second die are electrically conductive to the conductive mounting surface at their source and gate and drain electrodes. Semiconductor devices that are fixedly fixed and further spaced laterally from one another.
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