JP2012104830A - クワッドフラットパッケージ及びプリント回路基板アセンブリ - Google Patents

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Abstract

【課題】基板に搭載する際にウェーブはんだ付け工程を適用することのできるeQFP及びそれを用いたプリント回路基板アセンブリを提供する。
【解決手段】クワッドフラットパッケージ100は、半導体チップ120と、半導体チップを搭載、支持するパドル110と、半導体チップを覆うモールディング部140と、モールディング部の4側面に形成される複数のリード150と、複数のリードと半導体チップとを電気的に接続する複数のボンディングワイヤとを有し、パドルは、モールディング部の下面の少なくとも何れか一つの角から外部に露出していることを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、集積回路パッケージに関し、より詳細には、複数の露出パドルを有して、ウェーブはんだ付け工程が適用可能なクワッドフラットパッケージ(Quad Flat Package:QFP)及びそれを用いたプリント回路基板アセンブリに関する。
QFPは、集積回路パッケージの一種である。一般的に、QFPは長方形(又は正方形)の本体を有し、複数のリードが長方形の本体の4側面から突出している。このようなQFPは半導体チップを搭載、支持するパドル(paddle)をもっており、QFPの下面からパドルが外部に露出する場合がある。このようなQFPは、いわゆるeQFP(exposed QFP)と呼ばれ、露出パドル(exposed paddle)はグラウンド接続に用いられる。
集積回路パッケージを基板に搭載するために、一般的にリフローはんだ付け(reflow soldering)工程と、ウェーブはんだ付け(wave soldering)工程とが用いられている。
リフローはんだ付け工程では、はんだクリーム(solder cream)が用いられ、搭載しようとする電子部品を基板に仮に取り付け、その後にはんだクリームを溶融させるために組立体の全体に熱が供給されるようにすることにより、電子部品(集積回路パッケージ)が基板に搭載される。
ウェーブはんだ付け工程では、搭載しようとする電子部品を基板に付着させた後、それを溶融はんだに接触させることにより電子部品が基板に搭載される。
リフローはんだ付け工程を用いると、ウェーブはんだ付け工程を用いる場合に比べて、約21%程度の費用が更にかかることが知られている。従って、安価な電子装置の場合は、費用削減のためにウェーブはんだ付け工程を用いたほうが望ましい。なお、電子装置の開発初期段階でテストモデルを製作する場合においても、開発費用を削減するためにウェーブはんだ付け工程のほうが好まれている。
ところが、現在は、eQFPの搭載にウェーブはんだ付け工程は適用できないため、割高なリフローはんだ付け工程が適用されている。これは、ウェーブはんだ付け工程においてeQFPの露出パドルのはんだ付けができないためである。
これは、ウェーブはんだ付け工程では、溶融はんだがeQFPの下面と基板の上面との間の微細な空間を通って露出パドルが存在する領域までに浸透できないことによる。
そのため、ウェーブはんだ付け工程を適用することのできるeQFPの開発が求められているという問題がある。
特開2000−299423号公報 特許第4024681号公報 特開2008−192660号公報 特開2004−343151号公報
そこで、本発明は上記従来のクワッドフラットパッケージにおける問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、基板に搭載する際にウェーブはんだ付け工程を適用することのできるeQFP及びそれを用いたプリント回路基板アセンブリを提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明によるクワッドフラットパッケージは、半導体チップと、前記半導体チップを搭載、支持するパドルと、前記半導体チップを覆うモールディング部と、前記モールディング部の4側面に形成される複数のリードと、前記複数のリードと前記半導体チップとを電気的に接続する複数のボンディングワイヤとを有し、前記パドルは、前記モールディング部の下面の少なくとも何れか一つの角から外部に露出していることを特徴とする。
前記パドルはグラウンドとして作用することが好ましい。
前記パドルは前記モールディング部の前記下面の4つの角から外部に露出していることが好ましい。
前記パドルは、前記半導体チップの下に配置され、前記半導体チップをを搭載、支持するパドル中央部と、前記モールディング部の前記下面の前記少なくとも何れか一つの角に配置される少なくとも一つのパドル末端部と、前記パドル中央部と前記少なくとも一つのパドル末端部とを接続する少なくとも一つのパドル接続部とを含むことが好ましい。
前記パドル中央部と、前記少なくとも一つのパドル末端部と、前記少なくとも一つのパドル接続部とは、何れも外部に露出していることが好ましい。
前記少なくとも一つの前記パドル末端部のみが外部に露出していることが好ましい。
前記パドル中央部の面積は、前記半導体チップの面積より2倍以上大きいことが好ましい。
前記複数のリードのうちグラウンドに対応するリードは、前記パドルを経由して前記半導体チップと電気的に接続されることが好ましい。
前記複数のボンディングワイヤは、前記複数のリードのうちグラウンドに対応するリードを前記パドルと電気的に接続する第1ボンディングワイヤと、前記パドルと前記半導体チップとを電気的に接続する第2ボンディングワイヤとを含むことが好ましい。
前記複数のボンディングワイヤは、前記複数のリードのうちグラウンドに対応するリードと前記少なくとも一つのパドル接続部とを電気的に接続する第1ボンディングワイヤと、前記パドル中央部と前記半導体チップとを電気的に接続する第2ボンディングワイヤとを含むことが好ましい。
前記半導体チップを前記パドルに付着させるための接着物質を更に有することが好ましい。
上記目的を達成するためになされた本発明によるプリント回路基板アセンブリは、上述のような特徴を有するクワッドフラットパッケージと、前記クワッドフラットパッケージが装着される基板とを含むことを特徴とする。
前記基板は単層基板であることが好ましい。
本発明に係るクワッドフラットパッケージ及びプリント回路基板アセンブリによれば、eQFPの搭載においてリフローはんだ付け工程の代わりに、安価なウェーブはんだ付け工程を適用することができるという効果がある。また、それにより、集積回路パッケージを基板に装着する費用を削減することができるという効果がある。
本発明の第1の実施形態に係るQFPの概略平面図である。 図1に示したQFPの概略底面図である。 図1に示したQFPの概略側面図である。 本発明の第1の実施形態に係るQFPの内部様子を示す概略図である。 図4のV−V線に沿って切断した概略断面図である。 本発明の第1の実施形態に係るQFPと露出パドルを有する通常のQFPがウェーブはんだ付け工程により基板に搭載した時の試験結果を示すもので、特定リードで測定したPWMクロックの波形を示す図である。 本発明の第1の実施形態に係るQFPと露出パドルを有する通常のQFPがウェーブはんだ付け工程により基板に搭載した時の試験結果を示すもので、ジッタ分析結果を示す表である。 本発明の第1の実施形態に係るQFPと露出パドルを有する通常のQFPがウェーブはんだ付け工程により基板に搭載した時の試験結果を示すもので、電圧リップルを測定したグラフである。 本発明の第1実施形態に係るQFPと露出パドルを有する通常のQFPがウェーブはんだ付け工程により基板に搭載した時の試験結果を示すもので、EMIの特性結果を測定したグラフである。 本発明の第2の実施形態に係るQFPの概略底面図である。 本発明の第3の実施形態に係るQFPの概略底面図である。
次に、本発明に係るクワッドフラットパッケージ及びプリント回路基板アセンブリを実施するための形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
ここで説明する実施形態は、発明の理解を促すための例示を示すものであって、本発明はここで説明する実施形態と違って多様に変形されて実施できることを理解すべきである。
なお、発明の理解を促すために、添付図面は実際の寸法で示したものではなく、一部の構成要素だけを拡大して示すことがある。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るクワッドフラットパッケージ(Quad Flat Package:以下、QFPと記す)100の概略平面図であり、図2は図1に示したQFP100の概略底面図であり、図3は図1に示したQFP100の概略側面図である。
図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係るQFP100は、パドル110がQFP100の下面から露出する、いわゆるeQFPに該当する。
図3においては、QFP100が搭載される基板200と共に示している。QFP100がはんだ付けにより基板200に搭載されることで、プリント回路基板アセンブリ(Printed Board Assembly:PBA)10が完成する。ここでは、一つのQFP100のみを示しているが、複数のQFP及び多様な電子素子(部品)が基板200に搭載されてよいことを理解すべきである。
本発明の目的は、割安なウェーブはんだ付け工程をeQFPに適用することであるため、ここで使われる基板200は安価な単層(1−layer)基板であることが望ましい。
図4及び図5を参照して、本発明の第1の実施形態に係るQFP100についてより詳細に説明する。
図4は、本発明の第1の実施形態に係るQFP100に内部を上から眺めた様子を示す概略図であり、図5は、図4のV−V線に沿って切断した概略断面図である。図4では、パドル110とボンディングワイヤ160とが示すように、パドル110より上に位置するモールディング部140の一部が取り除かれた状態であることに留意すべきである。
パドル110は、QFP100の内部にある半導体チップ120を搭載、支持する。図4及び図5では、発明の理解を促すために、パドル110が外部に突出する高さがかなり誇張して示しているが、実際にはパドル110が外部に突出する高さはかなり低いことを理解すべきである。
接着物質130は、半導体チップ120をパドル110に取り付けるためのものである。
モールディング部140は、半導体チップ120を覆い、外部環境から半導体チップ120を保護する。モールディング部140は例えば、EMC(Epoxy Mold Compound)のようなプラスチックモールドコンパウンド(plastic mold compound)で形成されてよい。
複数のリード150はモールディング部140の4側面に形成される。複数のリード150は外部に突出して基板200との電気的接続を提供する。このために、基板200には複数のリード150に対応する位置に複数のランド(図示せず)が形成され、複数のリード150のそれぞれは対応するランドにはんだ付けされる。図面を単純化するために、複数のリード150の本数は実際とは異なるように示していることを理解すべきである。実際に、複数のリード150の数は、32個〜304個であってよい。
複数のボンディングワイヤ160は、複数のリード150と半導体チップ120とを電気的に接続する。
図面の単純化のために、図4では一部のボンディングワイヤ160のみを示していることを理解すべきである。実際には、複数のリード150のそれぞれに対応するボンディングワイヤ160が存在する。なお、半導体チップ120には複数のボンディングワイヤ160との接続のための複数の電極(図示せず)が形成される。
図2、図4、図5に示すように、パドル110は、パドル中央部111、第1〜第4パドル末端部112a〜d、及び第1〜第4パドル接続部113a〜dを含む。
パドル中央部111は、半導体チップ120の下に配置され、半導体チップ120を搭載、支持する。
第1〜第4パドル末端部112a〜dは、モールディング部140の下面の4角に配置される。
第1〜第4パドル接続部113a〜dは、それぞれ第1〜第4パドル末端部112a〜dとパドル中央部111とを接続する。本実施形態では、パドル中央部111、第1〜第4パドル末端部112a〜d、及び第1〜第4パドル接続部113a〜dの何れもがモールディング部140の下面から外部に露出する。
パドル110は、基板200に形成されたグラウンドパッド(図示せず)と電気的に接続され、グラウンドとして作用させる。パドル110がグラウンドを補強する役割を担うようになることで、QFP100の信号品質、電源品質、及びEMI(Electro Magnetic Interference)特性が改善される。本実施形態では、パドル110のグラウンド補強の役割を高めるために、パドル中央部111の面積が半導体チップ120の面積より2倍以上大きく設計されている。
パドル110を基板200に形成されたグラウンドパッドと電気的に接続するためには、はんだ付け工程が必要となる。上述したように、通常のeQFPではウェーブはんだ付け工程が適用できない。通常のeQFPでは露出パドルがeQFPの下面中央に位置するが、この場合、溶融はんだがeQFPの下面と基板の上面との間の微細な空間を通って露出パドルが存在する領域までに浸透できないためである。
しかし、本発明の第1の実施形態では、第1〜第4パドル末端部112a〜dがモールディング部140の下面の角領域に配置されるため、溶融はんだが第1〜第4パドル末端部112a〜dまでに浸透できるため、ウェーブはんだ付けが可能となる。
この場合、基板200に形成されたグラウンドパッドは溶融はんだが浸透可能な領域に形成される。グラウンドパッドの形成領域は第1〜第4パドル末端部112a〜dに対応する領域であってよく、第1〜第4パドル末端部112a〜dに対応する領域を含む更に広い領域であってよい。なお、グラウンドパッドの形状はパドル110の形状と同様であってよい。
本発明の第1の実施形態では、4つのパドル末端部112a〜dが用いられたが、パドル末端部の個数は多様に変形できることを理解すべきである。
即ち、1つ〜3つのパドル末端部が用いられてよい。これは、パドル110がモールディング部140の下面の少なくとも何れか一つの角から外部に露出すると、ウェーブはんだ付けを行なううえで支障をきたさないためである。
図4及び図5で、符号161で示したボンディングワイヤは、何れか一つのリード151と直接半導体チップ120とを電気的に接続する。このリード151は、信号を送受信する信号リード、電力を受け取るパワーリード、またはグラウンドに対応するグラウンドリードであってよい。
図4及び図6で符号155で示すリードは、第1、2ボンディングワイヤ165a、165bによって半導体チップ120と接続されるリードであることを意味する。このようなリード155はグラウンドリードになる。即ち、第1ボンディングワイヤ165aはグラウンドリード155と第1パドル接続部113aとを電気的に接続し、第2ボンディングワイヤ165bはパドル中央部111と半導体チップ120とを電気的に接続する。
言い換えると、グラウンドのリード155はパドル110を経由して半導体チップ120と電気的に接続される。それにより、パドル110がグラウンド役割が果たせるようになる。この場合、グラウンドのリード155、パドル110、及び基板200に形成されたグラウンドパッドが全て同様のグラウンド電位を持つようになる。
一般的に、ボンディングワイヤが長くなればなるほど、インダクタンス値が大きくなりノイズが増大するようになる。
本発明の第1の実施形態では、第1ボンディングワイヤ165aによりグラウンドのリード155とグラウンドのリード155に隣接した第1パドル接続部113aとが電気的に接続され、第2ボンディングワイヤ165bにより半導体チップ120と半導体チップ120に隣接したパドル中央部111とが電気的に接続される。この場合、グラウンドのリード155がグラウンドのリード155から比較的に遠く離れたパドル中央部111と電気的に接続される場合と比較してグラウンド接続のためのボンディングワイヤの長さを短くすることができ、それにより、ノイズ発生を軽減することができる。
図4及び図5では、図面の単純化のために、一つのグラウンドのリード155のみを示したことを理解すべきである。実際には、グラウンドのリード155は複数個であってよく、グラウンドのリード155の位置も多様に変わってよい。
以下、本発明の一実施形態に係るQFP100と露出パドルとを有する通常のQFPがウェーブはんだ付け工程により、基板に搭載した場合において、信号品質、電源品質、及びEMI特性を比較した試験結果を説明する。
説明の単純化のために、「ケース1」は本発明の第1の実施形態に係るQFP100がウェーブはんだ付けにより基板200に搭載された場合を表し、「ケース2」は露出パドルを有する通常のQFPがウェーブはんだ付けによって基板200に搭載された場合を表す。露出パドルを有する通常のQFPは本発明の第1の実施形態とは違って、露出パドルがQFPの下面の中央に配置される。
図6及び図7を参照し、ケース1とケース2の信号品質結果を説明する。
図6は、ケース1とケース2の特定リードで測定したPWMクロックの波形を示す。
ここでは、Tektrontix社製のDSA 71254 digital serial analyzer(12.5GHz)とp7240 probe(4GHz)が使用された。図6では、ケース1とケース2の何れも、ほぼ同様の波形を示しているため相違点の確認が困難である。そこで、ジッタ分析器を通じてケース1とケース2のジッタ量を把握した。
図7は、ケース1とケース2のジッタ分析結果を示す。ケース1のPk−Pkジッタ値は848.75psとなり、ケース2のPk−Pkジッタ値は1129.6psとなっている。
即ち、ケース1のジッタ値がケース2のジッタ値に比べて約24.86%減っていることが確認できる。これにより、ケース1の信号品質がケース2の信号品質より改善していることが確認できる。
図8を参照し、ケース1とケース2の電源品質結果を説明する。
図8は、ケース1とケース2の電圧リップル(voltage ripple)を測定したグラフである。
このような電圧リップルはメモリブロック(memory block)が活性化した際、基板の3.3Vメモリ端で測定され、Tektrontix社製のTDS 784D オシロスコープ(1GHz)とp6245 probe(1.5GHz)が使用された。
ケース1の電圧リップルは98mV(3.302V〜3.204V)となり、ケース2の電圧リップルは118mV(3.306V〜3.188V)となった。即ち、ケース1の電圧リップル値がケース2の電圧リップル値より約16.95%減っていることが確認できる。これにより、ケース1の電源品質がケース2の電源品質より改善されたことが確認できる。
図9を参照し、ケース1とケース2のEMIの特性結果を説明する。
図9は、ケース1とケース2のEMIを測定したグラフである。
ここでは、3メートル無響室(anechoic chamber)が用いられた。
図9で、太い実線はEMI規制基準である「Class B」を示し、細い実線は水平方向(Horizontal)ノイズを示し、点線は垂直方向(Vertical)ノイズを示す。
周波数全帯域にわたり、ケース1の放射ノイズがケース2の放射ノイズより低い。メモリクロック周波数が100MHzであり、システムコア周波数が300MHzである場合、EMIに最も脆弱な周波数帯域は300MHz帯域になる。300MHzの周波数でケース1のノイズレベルは33.2dBに、ケース2のノイズレベルは34.7dBとなっている。即ち、300MHzの周波でケース1のノイズレベルは、ケース2のノイズレベルより1.5dB程度減っていることが確認できる。これにより、ケース1のEMI特性がケース2のEMI特性より改善していることが確認できる。
上述したように、ケース2と比較してケース1では、信号品質、電源品質、及びEMI特性の何れもが改善された事実が確認できた。これは、本発明の第1の実施形態に係るQFP100のパドル110がグラウンドを補強する役割を担うためである。なお、これは、リフローはんだ付け工程でないウェーブはんだ付け工程を用いたとしても、パドル100が基板200に形成されたグラウンドパッドに安定してはんだ付けできたことを意味する。
一方で、露出パドルを有する通常のQFPはウェーブはんだ付け工程によって露出パドルが基板200に形成されたグラウンドパッドにはんだ付けできなかったため、信号品質、電源品質及びEMI特性が本発明の第1の実施形態に係るQFP100より悪い結果となっている。
図10は、本発明の第2の実施形態に係るQFP100aの概略底面図である。
上述の第1の実施形態と同様の機能の構成要素には同様の参照符号を付与して詳細な説明は省略する。
第2の実施形態と上述の第1の実施形態との相違点は、第1〜第4パドル末端部112a〜dのみが外部に露出してパドル中央部111と第1〜第4パドル接続部113a〜dは外部に露出しないということである。本実施形態でも、第1〜第4パドル末端部112a〜dがモールディング部140の下面の角領域に配置されるため、溶融はんだが第1〜第4パドル末端部112a〜dまでに浸透できるため、ウェーブはんだ付けが可能となる。
本実施形態では、4つのパドルの末端部112a〜dが用いられたが、パドル末端部の個数が変わってよい、ということを理解すべきである。即ち、1つ〜3つのパドル末端部が用いられてよい。これは、パドル110がモールディング部140の下面の少なくとも何れか一つの角から外部に露出すると、ウェーブはんだ付けを行なううえで支障をきたさないためである。
本実施形態とは違って、第1〜第4パドル末端部112a〜dと第1〜第4パドル接続部113a〜dが外部に露出し、パドル中央部111は外部に露出しない実施形態も可能である。
なお、第1〜第4パドル末端部112a〜dとパドル中央部111が外部に露出し、第1〜第4パドル接続部113a〜dは外部に露出しない実施形態も可能である。
図11は、本発明の第3の実施形態に係るQFP100bの概略底面図である。
上述の実施形態と同様の機能の構成要素には同様の参照符号を付与し、詳細な説明は省略する。
第3の実施形態の上述の第1の実施形態との相違点は、パドル中央部111の面積が減っていることである。これはQFP100bの生産原価を削減させるためのものある。本実施形態でも、第1〜第4パドル末端部112a〜dがモールディング部140の下面の角領域に配置されるため、溶融はんだが第1〜第4パドル末端部112a〜dまでに浸透できるため、ウェーブはんだ付けが可能となる。
尚、本発明は、上述の実施形態に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
本発明は、クワッドフラットパッケージを用いる集積回路パッケージ製造に好適に使用される。
100、100a、100b QFP
110 パドル
111 パドル中央部
112a〜d 第1〜第4パドル末端部
113a〜d 第1〜第4パドル接続部
120 半導体チップ
130 接着物質
140 モールディング部
150、151 リード
160、161 ボンディングワイヤ
200 基板

Claims (13)

  1. 半導体チップと、
    前記半導体チップを搭載、支持するパドルと、
    前記半導体チップを覆うモールディング部と、
    前記モールディング部の4側面に形成される複数のリードと、
    前記複数のリードと前記半導体チップとを電気的に接続する複数のボンディングワイヤとを有し、
    前記パドルは、前記モールディング部の下面の少なくとも何れか一つの角から外部に露出していることを特徴とするクワッドフラットパッケージ。
  2. 前記パドルは、グラウンドとして作用することを特徴とする請求項1に記載のクワッドフラットパッケージ。
  3. 前記パドルは、前記モールディング部の前記下面の4つの角から外部に露出していることを特徴とする請求項1に記載のクワッドフラットパッケージ。
  4. 前記パドルは、前記半導体チップの下に配置され、前記半導体チップを搭載、支持するパドル中央部と、
    前記モールディング部の前記下面の前記少なくとも何れか一つの角に配置される少なくとも一つのパドル末端部と、
    前記パドル中央部と前記少なくとも一つのパドル末端部とを接続する少なくとも一つのパドル接続部とを含むことを特徴とする請求項1に記載のクワッドフラットパッケージ。
  5. 前記パドル中央部と、前記少なくとも一つのパドル末端部と、前記少なくとも一つのパドル接続部とは、何れも外部に露出していることを特徴とする請求項4に記載のクワッドフラットパッケージ。
  6. 前記少なくとも一つのパドル末端部のみが外部に露出していることを特徴とする請求項4に記載のクワッドフラットパッケージ。
  7. 前記パドル中央部の面積は、前記半導体チップの面積より2倍以上大きいことを特徴とする請求項4に記載のクワッドフラットパッケージ。
  8. 前記複数のリードのうちグラウンドに対応するリードは、前記パドルを経由して前記半導体チップと電気的に接続されることを特徴とする請求項1に記載のクワッドフラットパッケージ。
  9. 前記複数のボンディングワイヤは、前記複数のリードのうちグラウンドに対応するリードを前記パドルと電気的に接続する第1ボンディングワイヤと、
    前記パドルと前記半導体チップとを電気的に接続する第2ボンディングワイヤとを含むことを特徴とする請求項1に記載のクワッドフラットパッケージ。
  10. 前記複数のボンディングワイヤは、前記複数のリードのうちグラウンドに対応するリードと前記少なくとも一つのパドル接続部とを電気的に接続する第1ボンディングワイヤと、
    前記パドル中央部と前記半導体チップとを電気的に接続する第2ボンディングワイヤとを含むことを特徴とする請求項4に記載のクワッドフラットパッケージ。
  11. 前記半導体チップを前記パドルに付着させるための接着物質を更に有することを特徴とする請求項1に記載のクワッドフラットパッケージ。
  12. 請求項1乃至11の内の何れか一項に記載されたクワッドフラットパッケージと、
    前記クワッドフラットパッケージが搭載される基板とを有することを特徴とするプリント回路基板アセンブリ。
  13. 前記基板は、単層基板であることを特徴とする請求項12に記載のプリント回路基板アセンブリ。
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