JP3708082B2 - 電力半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電力用半導体装置ならびにこれを用いた回路システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
下記特許文献1には半導体装置のオン抵抗低減のため多層配線基板と集積回路チップをバンプで接続したフリップチップ形パッケージを用いたスイッチングレギュレータが開示されている。
【0003】
【特許文献1】
米国特許第6278264号
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献1では、ゲートインピーダンスを低減し、ゲート抵抗に由来する遅延によって発生するパワーMOSFETのスイッチング損失成分の低減する検討がなされていない。
【0005】
また、上記特許文献1では、パワーMOSFET領域全体に張り巡らされているゲート層の抵抗の低減に関しては配慮がなされていない。なお、パワーMOSFETのソース電極に使用するアルミニウム層を用いたゲートフィンガによってゲート抵抗は低減できるものの、例えアルミニウムの厚さを5μmと厚くしても、アルミニウムのシート抵抗は20mΩ/□程度であるために、幅10μmでも1mm延ばすとアルミニウム配線抵抗は2Ωと大きくなる。このためゲート抵抗を0.5Ω 以下にしようとすると遠く離れたゲートパッドまでゲートフィンガを延ばす場合にはアルミニウムの厚さを数百μm以上の厚さにしない限り、従来のゲートフィンガを使用する方法に依存するだけでは0.5Ω 以下のゲート抵抗を得ることは容易ではない。一方、金属ゲート電極を利用する方法はゲート酸化膜の信頼度確保が難しい。また、多結晶シリコンゲート電極をシリサイド化する方法ではシート抵抗は数Ω/□程度であり、大幅なゲート抵抗の低減は期待できない。
【0006】
本発明の目的は、電力用半導体装置のゲート抵抗を低減し、パワーMOSFETのゲートの信頼性歩留まり向上することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、半導体チップ内に形成された電力半導体装置の制御電極として働く2個以上の制御電極用パッドを備え、前記2個以上の制御電極パッドを、前記電力半導体装置のゲート抵抗が低くなるようにゲート領域周辺内に分散して配置し、前記2個以上の制御電極パッドと半導体チップ外に配置した電極層をバンプや導電性接着材で接続した。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体装置について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0009】
<実施例1>
図1は本実施例の電力用半導体装置の断面説明図である。図1で符号5は半導体チップを、6は多層配線基板を、7はプリント回路配線基板を、8はパッケージを示し、符号37は半導体チップに形成した配線、38は多層配線基板中の電極層、39はプリント回路配線基板の電極層である。なお、図1には、パワーMOSFETを等価回路で記載してある。図1の半導体チップ5には占有面積が2mm2 以上のパワーMOSFETセルが形成されていて、このパワーMOSFETセルの繰り返しパターンによって、nチャネルパワーMOSFET27や、パワーMOSFET28が形成されている。
【0010】
本実施例では、パワーMOSFETのドレイン,ゲート,ソースを、それぞれドレイン用バンプ46,ゲート用バンプ45,ソース用バンプ44を介して多層配線基板6の電極層38に接続している。なお、占有面積が広いパワーMOSFETのゲート抵抗を低減するために、単に半導体チップ5に堆積して形成するゲート電極層や金属配線層等を厚く堆積するだけでは抵抗の低減が難しい。これに対し、本実施例では、1つのパワーMOSFETにゲート用バンプ45を2個以上形成し、さらに半導体チップ5と、多層配線基板6とは同じパッケージ8に封じられ、多層配線基板6中の電極層38によって、ゲート配線の抵抗を低くしてある。
【0011】
本実施例の半導体装置では、バンプ配列を設けたBGA(Ball Grid Array)型のパッケージ8になっていて、このパッケージ8がプリント回路配線基板7の中の電極層39に接続している。本願発明で述べているバンプとは、ボンディングワイヤではない、半田や金のように導電性と接着性がある接続材料の一例であって、その形状は図1に限られない。
【0012】
本実施例では、パワーMOSFETのゲート領域周辺内2箇所以上の離間した部位にゲートパッドを設け、このゲートパッド上にゲート用バンプ45を介して半導体チップ5の外に設けた50μm以上の厚さの電極層38を接続し、さらに電極層38とプリント回路配線基板7とをバンプを介して接続した。これによって、本実施例の半導体装置であるBGA型パワーICやパワーMOSFETでは、ゲートのインピーダンスを格段に低くできる。
【0013】
図2は実施例のパワーMOSFETを用いたスイッチング電源回路図である。図2において、符号21〜23はpチャネルパワーMOSFET、24〜26はnチャネルパワーMOSFETである。符号1はpチャネルパワーMOSFET21〜23とnチャネルパワーMOSFET24〜26とをPWM制御する制御回路部で、制御回路部1の中にはプリドライバ71〜76が形成されている。図2中、符号11は入力電圧端子、12は出力電圧端子、13はグランド端子、14は中間出力端子、15は入力信号端子、2はインダクタ、3はキャパシタ、4は負荷を示し、インダクタ2とキャパシタ3とでスイッチング電源のフィルタを構成している。本実施例では、プリドライバ71〜76の各々の出力端子と、MOSFETのゲート端子には電極パッド61a〜66bを設け、各々の電極パッドの上にバンプを設けて半導体チップ5の外部にある多層配線基板6中のゲート配線31〜36に接続してある。なお、本実施例では半導体チップ5として、シリコン半導体チップを用いた。
【0014】
図3に本実施例の半導体チップ5の平面図を示す。図3の左側には大,中,小の面積を有するpチャネルパワーMOSFET21,22,23を配置し、図3の右側には大,中,小の面積を有するnチャネルパワーMOSFET24,25,26を、また図3の下側には制御回路部1を配置してある。図3で符号81,82,83は、pチャネルパワーMOSFET21,22,23のソース用の電極パッドであり、符号61a,62a,63aは、ゲート用の電極パッド、符号91,92,93はドレイン用の電極パッド、符号84,85,86はnチャネルパワーMOSFETのソース用の電極パッド、符号64a,65a,66aはゲート用の電極パッド、符号94,95,96はドレイン用の電極パッドである。また、符号61b〜66bは制御回路1側に設けたゲート用の、電極パッド、符号15aは入力信号端子15用の電極パッドであって、これらは図2の各符号に対応する。
【0015】
図4に、図1の多層配線基板6中、最も半導体チップ5に近い位置の電極層38である第1の電極層の平面パターンを示す。このパターンには電源用電極層51,中間出力用電極層52,グランド電極層53が配置してある。pチャネルパワーMOSFET21,22,23のソース用の電極パッド81,82,83は電源用電極層51に接続し、pチャネルパワーMOSFET21,22,23のドレイン用の電極パッド91,92,93とnチャネルパワーMOSFET24,25,26のドレイン用の電極パッド94,95,96とは中間出力用電極層52に接続している。上記電極パッドと電極層とはそれぞれ図1に示したソース用バンプ44,ゲート用バンプ45,ドレイン用バンプ46を介して接続している。
【0016】
図5は図4に示した第1の電極層上に絶縁層を挟んで配置した第2の電極層の平面パターンである。第2の電極層パターンにはゲート配線31〜36と電極層54〜56とを配置してある。pチャネルパワーMOSFET21,22,23のゲート電極はゲート配線31,32,33で制御回路部1のゲート用の電極パッド61b,62b,63bに接続し、nチャネルパワーMOSFET24,25,26のゲート電極はゲート配線34,35,36で制御回路部1のゲート用の電極パッド64b,65b,66bに接続している。また、電極層51と電極層54,中間出力用の電極層52と電極層55,グランド用の電極層53と電極層56も電気的に接続している。
【0017】
図6は図1に示したBGA型集積回路のパッケージ8と入力電圧端子用バンプ11a,中間出力端子用バンプ14a,グランド端子用バンプ13a,電極パッド15aの配置を示す平面図である。
【0018】
本実施例の場合、厚さ50μm以上のゲート配線31〜36用の電極層を容易に形成できるので、ゲート配線用電極層のシート抵抗を2mΩ/□以下にできる。従って、幅200μmの電極配線を使用し、配線を1mm延長しても配線抵抗の増加は5mΩ以下であるので、半導体チップに形成した電極層に比べ格段に配線抵抗を低減できる。このため、パワーMOSFETの内部ゲート抵抗やパワーMOSFETとその制御回路との間のゲート抵抗に由来する遅延によるパワーMOSFETのスイッチング損失成分を低減できる。
【0019】
すなわち、図1,図3に示すように本実施例の半導体装置では、半導体チップ5に形成したパワーMOSFETのドレイン,ゲート,ソースが、各々2個以上のドレイン用バンプ46(ドレイン用の電極パッド91,92,93,94,95,96上に配置),ソース用バンプ44(ソース用の電極パッド81,82,83,84,85,86上に配置),ゲート用バンプ45(ゲート用の電極パッド61a,62a,63a,64a,65a,66a上に配置)を介して多層配線基板6に接続している。このため、MOSFET全体に張り巡らされたゲート層の抵抗を格段に低減できる。
【0020】
さらに本実施例の半導体装置では、パワーMOSFETのゲート端子から制御回路部1までのインピーダンスを低減するために、パワーMOSFET側のゲート用の電極パッド61a〜66aと制御回路部1側のゲート用の電極パッド61b〜66bとを、半導体チップ5外部の多層配線基板6内に形成した電極層38を経由して低いインピーダンスで接続している。このため、3MHz以上の高い周波数でパワーMOSFETを駆動する場合でも、ゲート駆動信号を低い雑音レベルで高速に伝達できるために、パワーMOSFETの誤動作やスイッチング損失の増加を防止できる。さらに、本実施例の半導体装置を用いた図2に示すスイッチング電源回路の電源効率を高くできる。
【0021】
本実施例ではpチャネルパワーMOSFETとnチャネルパワーMOSFETが共にオン抵抗が小,中,大の3つのMOSFETを並列に接続し、負荷4に大電流を供給する場合は全てのMOSFETを駆動し、負荷がスタンバイ状態のように軽い場合には、図2,図3に示す最小サイズのpチャネルパワーMOSFET23とnチャネルパワーMOSFET26だけを駆動し、他の素子は遮断状態にする。このように、必要な負過電流に応じて動作するパワーMOSFETの数を増減して、広い電流範囲で高い電源効率を得ている。このように必要な負過電流に応じて動作するパワーMOSFETの数を変える回路ではゲート配線が長くなるが、本実施例に示す半導体装置を用いることによって、ゲートインピーダンスの影響を最小限に抑えた損失が少なく、高い効率の電源装置を実現できる。
【0022】
<実施例2>
図7は本実施例の電力用半導体装置の断面説明図である。本実施例は半導体チップ5の裏面のドレイン電極9をプリント回路配線基板7にドレイン用バンプ46を介して接続する単体の縦型パワーMOSFETである。なお、本実施例では多層配線基板6を使用せずに直接プリント回路配線基板7の電極層39に配線することが実施例1と異なる。また、本実施例ではパッケージ8の一部に設けたドレイン電極9をドレイン用バンプ46との配線を兼ねて設けている。
【0023】
本実施例でも2個以上のゲート電極上に形成したゲート用バンプ45と半導体チップ5の外部にあるプリント回路配線基板7の電極層39とによってゲート配線が低い抵抗で接続されているので、MOSFET全体に張り巡らされたゲート層の抵抗を格段に低減できる。このため、1MHz以上の高い周波数でパワーMOSFETを駆動してもゲート駆動信号を低い雑音レベルで高速に伝達できるので、誤動作やスイッチング損失の低下を防止できる。さらに、実施例1と同様に本実施例のMOSFETを用いるとスイッチング電源回路の電源効率を高くできる。
【0024】
図8に本実施例の半導体チップ5の平面図を示す。本実施例ではゲート用バンプ45を配置するゲート用の電極パッド445を2個以上設けてあるが、本実施例ではさらに、ゲート抵抗低減のためゲートフィンガ440もソース用の電極パッド444を包含するようにしてゲート領域全体に張り巡らしてある。このため、本実施例ではシリサイド化や高融点金属ゲートを適用しなくても0.5Ω 以下の低いゲート抵抗が容易に達成できる。なお、本図ではソース用の電極パッドの周り上下左右を完全に囲んだ場合を示しているが、3方向を囲むだけでも効果がある。
【0025】
図9はプリント回路配線基板7と半導体チップ5との結線を示す平面図である。プリント回路配線基板7に形成されている電極層110,111,112とパワーMOSFETのドレイン,ゲート,ソースとはドレイン用の電極パッド446上のドレイン用バンプ46,ゲート用の電極パッド442上のゲート用バンプ45,ソース用の電極パッド444上のソース用パッド44とにより配線されている。パワーMOSFETのゲート抵抗はゲート用の電極層112によって低いインピーダンスにできる。図9に示したゲート用の電極層112とドレイン用の電極層111は別の層に分離配置してある。
【0026】
<実施例3>
図10は本実施例の電力用半導体装置の平面図である。本実施例では電極層102を結線後に接続されるゲートパッド42aと42bを離間して形成しておき、ゲートパッド42aはパワーMOSFET28のシリコンチップ内の配線でゲート層と接続しておき、ゲートパッド42bはパワーMOSFET28の制御回路部100と接続しておく。
【0027】
本実施例では外部ゲート端子のゲートパッド42がある場合を示してあるが制御回路部100の回路構成によっては、ゲートパッド42とゲートパッド42bは共通にすることもできる。本実施例ではまず、電極層102aによるゲートパッド42a,42bの結線をする前にゲートパッド42aを使用してパワーMOSFET28のゲート耐圧評価を行いスクリーニングできる。パワーMOSFET28のゲート耐圧特性などの検査をした後、電極層101,102,102aが配置されたプリント回路配線基板7を配置し、ゲートパッド42,42a,42b上に形成するパンプと電極層102a,102により電極層102に印加される信号がパワーMOSFET28のゲートに伝送されるようになる。
【0028】
このため、従来技術では制御回路部100が配置されているためにできなかったゲート耐圧のスクリーニングが可能になる。また、ゲートパッド42aと42bとをバンプを使用して結線するので、ボンディングワイヤを用いてゲートパッド42aと42bを接続する方法に比べゲートパッドの配置場所に関する制限が少なくなる。
【0029】
なお、本実施例では半導体チップの裏面がパワーMOSFETのドレインとなる半導体装置で説明したが、ドレインパッドも半導体チップの表面に設けたパワーMOSFETを有する集積回路装置の場合にも効果があることは言うまでもない。
【0030】
以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、上記説明では、半導体チップとチップ外部の配線を接続手段として、従来のボンディングワイヤのようにインダクタンスが大きく、また配線が複雑になることを避けるためにバンプを用いて説明したが、バンプと同じ効果がある手段、例えば導電性の接着材を用いても良い。
【0031】
また、トランジスタはパワーMOSFETに限定されるものではなく、接合型電界効果トランジスタやSITやMESFETであってもよい。また、以上の説明は主としてDC/DC電力変換器に適用した場合を説明したが、それに限定されることなく、携帯電話用パワーアンプ等のように他の電力回路にも適用できる。
【0032】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低容量かつ低オン抵抗でさらに寄生インダクタンスが低いパワーMOSFETを容易に実現でき、これを用いた電源装置の効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の半導体装置の断面説明図である。
【図2】実施例1の半導体装置を用いたスイッチング電源の回路図である。
【図3】実施例1の電力用半導体装置の平面図である。
【図4】実施例1の電力用半導体装置の多層配線基板の電極層の平面図である。
【図5】実施例1の電力用半導体装置の多層配線基板の電極層の平面図である。
【図6】実施例1の電力用半導体装置バンプの配置を説明する平面図である。
【図7】実施例2の電力用半導体装置の断面説明図である。
【図8】実施例2の半導体チップの平面図である。
【図9】実施例2の半導体チップとプリント配線回路基板との結線を説明する平面図である。
【図10】実施例3の電力用半導体装置の平面図である。
【図11】実施例3の電力用半導体装置のブロック回路図である。
【符号の説明】
1…制御回路部、2…インダクタ、3…キャパシタ、4…負荷、5…半導体チップ、6…多層配線基板、7…プリント回路配線基板、8…パッケージ、11…入力電圧端子、11a…入力電圧端子用バンプ、12…出力電圧端子、13…グランド端子、13a…グランド端子用バンプ、14…中間出力端子、14a…中間出力端子用バンプ、15…入力信号端子、15a…電極パッド、21〜23…pチャネルパワーMOSFET、24〜26,27…nチャネルパワーMOSFET、28…パワーMOSFET、31〜36…ゲート配線、38,39,54,55,56,110〜112…電極層、41…ドレイン電極、42…ゲートパッド、43,44…ソース用バンプ、45…ゲート用バンプ、46…ドレイン用バンプ、51…電源用電極層、52…中間出力用電極層、53…グランド電極層、61a〜66b,81〜86,91〜96…電極パッド、71〜76…プリドライバ。
Claims (10)
- 半導体チップ内に形成された第1主電極と第2主電極と制御電極とを有する電力半導体装置において、
前記半導体チップに、複数の制御電極用パッドを設け、
該複数の制御電極用パッドを前記電力半導体装置のゲート領域周辺内に配置し、前記複数の制御電極用パッドと、半導体チップ外に配置した電極層とを導電性接着部材で接続したことを特徴とする電力半導体装置。 - 請求項1に記載の電力半導体装置において、
前記電力半導体装置の前記複数の制御電極用パッドのうち最も離れて配置されている制御電極用パッドの間に、前記電力半導体装置のアクティブ領域が形成してあることを特徴とする電力半導体装置。 - 請求項1あるいは請求項2に記載の電力半導体装置において、
前記複数の制御電極用パッドのうち最も離れて配置されている制御電極用パッドの間に、第1主電極用パッドあるいは第2主電極用パッドが複数個配置されていることを特徴とする電力半導体装置。 - 請求項1に記載の電力半導体装置において、
前記半導体チップが第1の主表面と第2の主表面とを有し、前記制御電極用パッドが前記第1の主表面に配置され、前記第2主電極が前記第2の主表面に形成してあることを特徴とする電力半導体装置。 - 半導体チップ内に、第1主電極である第1半導体領域と、第2主電極である第2半導体領域と、制御電極である制御電極領域とを備えた電力半導体装置において、
該電力半導体装置に前記第1半導体領域と前記第2半導体領域と前記制御電極領域とからなる単位パターンを繰り返す平面パターンが形成されていて、
該繰り返し平面パターン中の前記第1半導体領域が第1主電極用パッドに接続し、前記制御電極領域が複数の制御電極用パッドに接続し、前記第2半導体領域が第2主電極用パッドに接続し、
前記第1主電極用パッドと前記半導体チップ外に配置した第1主電極用金属電極層とが導電性接着部材で接続され、
前記制御電極用パッドと前記半導体チップ外に配置した制御電極用金属電極層とが導電性接着部材で接続され、
前記第2主電極用パッドと前記半導体チップ外に配置した第2主電極用金属電極層とが導電性接着部材で接続してあることを特徴とする電力半導体装置。 - 請求項5に記載の電力半導体装置において、
前記制御電極用パッドに導電性接着部材を介して接続した制御電極用金属層が、前記半導体チップのアクティブ領域上を延在して、前記制御電極用パッドに接続した導電性接着部材から離間された、別の制御電極用パッドに接続する導電性接着部材に接続したことを特徴とする電力半導体装置。 - 請求項5に記載の電力半導体装置において、
前記半導体チップがシリコン半導体チップであることを特徴とする電力半導体装置。 - 請求項5に記載の電力半導体装置において、
前記電力半導体装置が、前記第1主電極がソース電極であり、前記第2主電極がドレイン電極であり、前記制御電極がゲート電極であるパワーMOSFETであることを特徴とする電力半導体装置。 - 半導体チップ内に電力用半導体素子部と該電力用半導体素子部の制御回路部とを形成した電力半導体装置において、
該電力半導体装置に、外部電極に接続する第1の制御電極用パッドと、該第1の制御電極用パッドと離間して設けた第2の制御電極用パッドとを配置し、前記第2の制御電極用パッドを前記電力用半導体素子部のゲートと接続し、前記第1の制御電極用パッドと前記第2の制御電極用パッドとを導電性接着部材を介して接続したことを特徴とする電力半導体装置。 - 請求項9に記載の電力半導体装置において、
前記電力半導体装置が、外部制御電極接続用パッドを備え、該外部制御電極接続用パッドと前記第1の制御電極用パッドとの間に、前記制御回路部を設け、前記第1の制御電極用パッドと前記第2の制御電極用パッドは導電性接着部材を介して接続したことを特徴とする電力半導体装置。
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