JP6821317B2 - Semiconductor circuit - Google Patents
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Description
本発明は、半導体回路に関する。 The present invention relates to semiconductor circuits.
放電管などの容量性負荷、あるいはトランス、インダクタ、モータなどの誘導性負荷を駆動するためのインバータやコンバータ、あるいは昇圧、降圧、昇降圧コンバータなどの電源回路に、半導体回路が使用される。 Semiconductor circuits are used in capacitive loads such as discharge tubes, inverters and converters for driving inductive loads such as transformers, inductors, and motors, or power supply circuits such as step-up, step-down, and buck-boost converters.
半導体回路は、FET(Field Effect Transistor)あるいはIGBTなどのパワートランジスタを用いて構成される。大電力が要求される用途では、パワートランジスタあるいはダイオードが収容されたパッケージを、複数個、並列接続して使用するのが一般的である。 A semiconductor circuit is configured by using a power transistor such as a FET (Field Effect Transistor) or an IGBT. In applications that require high power, it is common to use multiple packages containing power transistors or diodes connected in parallel.
図1は、従来の半導体回路2のレイアウト図である。複数の半導体パッケージ10は、プリント基板12上に実装されており、複数の半導体パッケージ10を含む矩形領域14には、ヒートシンクが取り付けられる。ここでは5個の半導体パッケージ10_1〜10_5が並列接続される。複数の半導体パッケージ10の出力(ドレインあるいはソース)は、配線を介してひとつの出力端子18と接続される。また複数の半導体パッケージ10のゲート端子も、配線を介して共通のドライバ16と接続される。
FIG. 1 is a layout diagram of a
ヒートシンク20および半導体パッケージ10が冷却ファン30を用いて強制空冷される場合、複数の半導体パッケージ10は、風の向きと直交する方向に、直線上に配置されることが多い。ところが半導体パッケージ10を直線に配置すると、複数の半導体パッケージ10と共通のゲートドライバとの距離が不均一となってしまい、あるいは、複数の半導体パッケージ10と共通の出力端子との距離が不均一となってしまう。また、出力端子18やドライバ16の位置も制約されてしまう。
When the
その結果、複数の半導体パッケージ10のスイッチングのタイミング、スルーレート、スイッチング速度などがばらつき、複数のトランジスタを均一動作させることが難しくなり、電流集中などが発生する要因となる。
As a result, the switching timing, slew rate, switching speed, and the like of the plurality of
また従来の設計手法では、多くの半導体パッケージをレイアウトする際に、その実装面積が大きくなってしまう場合がある。特に冷却を考慮する場合にこの問題は顕著となる。 Further, in the conventional design method, when laying out many semiconductor packages, the mounting area may become large. This problem becomes remarkable especially when cooling is considered.
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、上述のいずれかの問題を解決可能な半導体回路の提供にある。 The present invention has been made in view of such a problem, and one of the exemplary purposes of the embodiment is to provide a semiconductor circuit capable of solving any of the above problems.
本発明のある態様の半導体回路は、3個またはそれより多い電気的に並列に接続される複数の半導体パッケージを備える。複数の半導体パッケージは、プリント基板上に非直線上にレイアウトされる。
この態様によると、複数の半導体パッケージや、それらと接続されるプリント基板上の共通のノード(あるいは回路)や、配線などのレイアウトの自由度が高くなり、複数の半導体パッケージの動作の均一性を高めることができ、あるいは、実装密度を高めることができる。この効果は、半導体パッケージの個数が3個より多くなるにしたがい顕著となる。
A semiconductor circuit of an aspect of the present invention comprises three or more electrically connected semiconductor packages in parallel. The plurality of semiconductor packages are laid out in a non-linear manner on the printed circuit board.
According to this aspect, the degree of freedom in layout of a plurality of semiconductor packages, common nodes (or circuits) on the printed circuit board connected to them, wiring, etc. is increased, and the operation uniformity of the plurality of semiconductor packages is improved. It can be increased, or the mounting density can be increased. This effect becomes more remarkable as the number of semiconductor packages increases to more than three.
複数の半導体パッケージは、同じ矩形領域に横方向または縦方向に直線上にレイアウトしたときよりも、それぞれの対応する端子とプリント基板上の共通のノードの距離が均一化されるように、レイアウトされてもよい。 Multiple semiconductor packages are laid out so that the distance between each corresponding terminal and a common node on the printed circuit board is more uniform than when laid out in a straight line in the horizontal or vertical direction in the same rectangular area. You may.
複数の半導体パッケージは、同じ矩形領域に、横方向または縦方向に直線上にレイアウトしたときよりも多い個数の半導体パッケージを配置できるように、レイアウトされていてもよい。これにより、複数の半導体パッケージがヒートシンクと接してレイアウトされる場合に、ヒートシンクのサイズを小さくできる。 The plurality of semiconductor packages may be laid out so that a larger number of semiconductor packages can be arranged in the same rectangular region than when they are laid out in a straight line in the horizontal direction or the vertical direction. As a result, the size of the heat sink can be reduced when a plurality of semiconductor packages are laid out in contact with the heat sink.
複数の半導体パッケージの向きは徐変していてもよい。向きを変化させることで、複数の半導体パッケージそれぞれの対応する端子(ピン)から、それらと接続される共通のノードとの距離を、さらに均一化することができる。また、同じ矩形領域に配置可能な半導体パッケージの個数を増やすことができ、言い換えればヒートシンクのサイズを小さくできる。 The orientation of the plurality of semiconductor packages may be gradually changed. By changing the orientation, the distance from the corresponding terminal (pin) of each of the plurality of semiconductor packages to the common node connected to them can be further made uniform. Further, the number of semiconductor packages that can be arranged in the same rectangular region can be increased, in other words, the size of the heat sink can be reduced.
複数の半導体パッケージは、曲線上にレイアウトされてもよい。複数の半導体パッケージは、円弧状にレイアウトされてもよい。 The plurality of semiconductor packages may be laid out on a curved line. The plurality of semiconductor packages may be laid out in an arc shape.
第i番目(iは自然数)の半導体パッケージと第(i+1)番目の半導体パッケージとの相対的な位置関係は、第(i+1)番目の半導体パッケージと第(i+2)番目の半導体パッケージとの相対的な位置関係と等しくてもよい。これにより、複数の半導体パッケージ102の位置を、所定の演算式あるいはルーチン(手順)にしたがって定めることが可能となる。
The relative positional relationship between the i-th (i is a natural number) semiconductor package and the (i + 1) th semiconductor package is the relative positional relationship between the (i + 1) th semiconductor package and the (i + 2) th semiconductor package. It may be equal to the positional relationship. As a result, the positions of the plurality of
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above components or components and expressions of the present invention that are mutually replaced between methods, devices, systems, and the like are also effective as aspects of the present invention.
本発明のある態様によれば、複数の半導体パッケージを備える半導体回路で生ずる課題を解決できる。 According to an aspect of the present invention, it is possible to solve a problem that occurs in a semiconductor circuit including a plurality of semiconductor packages.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings based on preferred embodiments. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings shall be designated by the same reference numerals, and redundant description will be omitted as appropriate. Further, the embodiment is not limited to the invention but is an example, and all the features and combinations thereof described in the embodiment are not necessarily essential to the invention.
図2(a)は、実施の形態に係る半導体回路100の平面レイアウト図であり、図2(b)はその断面図である。半導体回路100は、電気的に並列に接続される複数の半導体パッケージ102_1〜102_Mを備える。図2には、M=7の場合が示されるが、その個数は特に限定されない。複数の半導体パッケージ102は、プリント基板104上に実装されている。プリント基板104の裏面の、複数の半導体パッケージ102の実装領域106とオーバーラップする位置には、ヒートシンク110が取り付けられる。
FIG. 2A is a plan layout view of the
本実施の形態において、半導体パッケージ102は、ドレインピン(D)、ソースピン(S)、ゲートピン(G)を有するFET(あるいはIGBT)であり、TO(Transistor Outline)−247パッケージであるが、本発明はそれに限定されない。
In the present embodiment, the
上述のように複数の半導体パッケージ102は、電気的に並列に接続される。したがって複数の半導体パッケージ102のゲートは、共通のゲートドライバ120と接続され、それらのドレインは、共通の出力ノード122と接続される。
As described above, the plurality of
複数の半導体パッケージ102は、非直線上にレイアウトされる。たとえば複数の半導体パッケージ102は、曲線上にレイアウトされてもよく、より好ましくは図2に示すように円弧状にレイアウトされてもよい。なお、「円弧状」とは、真円あるいは楕円の円弧形状のみでなく、それに類似する形状、たとえば放物線、そのほかの幾何学的な形状であってもよい。
The plurality of
非直線上のレイアウトを許容することにより、複数の半導体パッケージのレイアウトの自由度が高まり、ひいては、複数の半導体パッケージの動作の均一性を高め、あるいは実装面積を小さくすることができる。 By allowing the layout on a non-linear line, the degree of freedom in the layout of the plurality of semiconductor packages can be increased, and the uniformity of operation of the plurality of semiconductor packages can be improved or the mounting area can be reduced.
複数の半導体パッケージ102のレイアウトに際しては、以下の2つの設計条件の少なくともひとつを考慮することが望ましい。
When laying out the plurality of
(第1の設計条件)
図3には、図2と同じ矩形領域(実装領域106)に、複数の半導体パッケージ102を縦方向もしくは横方向に(ここでは横方向)に直線上にレイアウトした状態が示される。
(First design condition)
FIG. 3 shows a state in which a plurality of
第1の設計条件では、半導体パッケージ102の入力側あるいは出力側の経路の距離に着目する。具体的には、複数の半導体パッケージ102は、対応する端子(ここではドレイン)と、プリント基板104上の共通のノード(ここでは出力ノード122)の距離L1〜L7が、図3のようにレイアウトしたときの距離L1’〜L7’に比べて均一化されるように、レイアウトされている。
In the first design condition, attention is paid to the distance of the path on the input side or the output side of the
もしくは、複数の半導体パッケージ102は、対応する端子(ここではゲート)と、プリント基板104上の共通のノード(ゲートドライバ120)の距離l1〜l7が、図3のようにレイアウトしたときの距離l1’〜l7’に比べて均一化されるように、レイアウトされている。
Alternatively, in the plurality of
図3において、仮に出力ノード122が破線123の位置であったとしても、図2のレイアウトの方が、出力側のラインLの均一性に優れていることに留意されたい。同様に図3において、仮にゲートドライバ120が破線121の位置であったとしても、図2のレイアウトの方が、均一性の観点で優れていることに留意されたい。
Note that in FIG. 3, even if the
なお、図3と図2との比較においては、ゲートドライバ側の距離l、出力ノード側の距離Lの両方が改善されているが、一方のみが改善されていてもよい。 In the comparison between FIGS. 3 and 2, both the distance l on the gate driver side and the distance L on the output node side are improved, but only one of them may be improved.
第1の設計条件により、複数の半導体パッケージ102の動作の均一性を改善できる。
According to the first design condition, the uniformity of operation of the plurality of
もし、複数の半導体パッケージ102をマトリクス状に配置したとしても、入力側、あるいは出力側の経路の距離の不均一は解消されず、したがって第1の設計条件を考慮した場合、マトリクス状の配置も不適である。
Even if a plurality of
(第2の設計条件)
図4には、図2と同じ矩形領域(実装領域106)に、複数の半導体パッケージ102を縦方向もしくは横方向に(ここでは横方向)に直線上にレイアウトした状態が示される。このレイアウトでは、実装領域106には、5個の半導体パッケージ102_2〜102_7しかレイアウトすることができず、全7個の実装には、さらに広い実装領域107が必要となる。
(Second design condition)
FIG. 4 shows a state in which a plurality of
第2の設計条件では、半導体パッケージ102の個数に着目する。具体的には、複数の半導体パッケージ102は、図4のようにレイアウトしたとき(すなわち5個)よりも多くなるように、レイアウトされている。
In the second design condition, attention is paid to the number of semiconductor packages 102. Specifically, the plurality of
第2の設計条件によれば、同じ面積に実装可能な半導体パッケージ102の個数を増やすことができる。したがって半導体回路のサイズを小さくできる。プリント基板104やヒートシンク110のサイズは、半導体パッケージ102の実装領域106の面積に応じて規定される。必要な個数の半導体パッケージ102を、なるべく小さい実装領域にレイアウトすることで、プリント基板104やヒートシンク110のサイズを小さくできる。これにより、コストを下げることができ、あるいはレイアウトの自由度を高めることができる。
According to the second design condition, the number of
なお、個数の観点から言えば、マトリクス状に配置した場合が、個数は最大となる。しかしながら、マトリクス状に配置した場合、マトリクスの中央付近あるいは風の下流付近の半導体パッケージ102に冷却の風を当てることが難しくなり、複数の半導体パッケージ102が熱分布をもつことから、均一動作が難しくなる。これに対して図2のレイアウトによれば、すべての半導体パッケージ102が冷却の風を受けることができるため、熱の観点からも均一動作が保証される。
From the viewpoint of the number, the number is the maximum when arranged in a matrix. However, when arranged in a matrix, it becomes difficult to apply cooling wind to the semiconductor packages 102 near the center of the matrix or near the downstream of the wind, and since the plurality of
本実施の形態では、第1、第2の設計条件をより満たすために、複数の半導体パッケージ102の向きを徐変させている。
In the present embodiment, the orientations of the plurality of
半導体パッケージ102の向きを、半導体パッケージ102_iの中心線103と、ある基準線(ここでは実装領域106の一辺E2と平行なX軸)とがなす角度θiとして定義する。M個の半導体パッケージ102を実装する場合、i番目(1≦i≦M)の半導体パッケージ102_iの角度θiは、
θi=(i−1)×90°/(M−1) …(1)
であってもよい。図2の例では、M=7であり、各ゲートドライバ120の角度は以下の通りである。
θ1=0°
θ2=15°
θ3=30°
θ4=45°
θ5=60°
θ6=75°
θ7=90°
The orientation of the
θ i = (i-1) × 90 ° / (M-1)… (1)
It may be. In the example of FIG. 2, M = 7, and the angles of each
θ 1 = 0 °
θ 2 = 15 °
θ 3 = 30 °
θ 4 = 45 °
θ 5 = 60 °
θ 6 = 75 °
θ 7 = 90 °
あるいは実装する半導体パッケージ102の個数Mよりも大きい定数Kを定義し、
θi=(i−1)×90°/(K−1) …(2)
のようにして、θ1〜θMを決めてもよい。
Alternatively, a constant K larger than the number M of the semiconductor packages 102 to be mounted is defined.
θ i = (i-1) × 90 ° / (K-1)… (2)
In this way, θ 1 to θ M may be determined.
式(1)あるいは(2)は、半導体パッケージ102の中心線と基準線のなす角度が、等間隔で増えていくことを表している。
The formula (1) or (2) represents that the angle formed by the center line and the reference line of the
本実施の形態では、より詳しくは、第i番目(iは自然数)の半導体パッケージ102_iと第(i+1)番目の半導体パッケージ102_(i+1)との相対的な位置関係は、第(i+1)番目の半導体パッケージ102_(i+1)と第(i+2)番目の半導体パッケージ102_(i+2)との相対的な位置関係と等しくなるようにレイアウトされる。これにより、複数の半導体パッケージ102の位置を、以下で説明するように、所定の演算式あるいは手順にしたがって定めることが可能となる。
In the present embodiment, more specifically, the relative positional relationship between the i-th (i is a natural number) semiconductor package 102_i and the (i + 1) th semiconductor package 102_ (i + 1) is the (i + 1) th. The layout is made so as to be equal to the relative positional relationship between the semiconductor package 102_ (i + 1) and the (i + 2) th semiconductor package 102_ (i + 2). As a result, the positions of the plurality of
図5は、半導体パッケージ102のレイアウトの設計手順を説明する図である。実装領域の任意の点(たとえば左下)を原点にとり、横方向をX軸、縦方向をY軸とする。
原点の近傍に、第1点P1を規定する。第1点P1は、1番目の半導体パッケージ102の左下の頂点の座標である。第i点Piは、i番目の半導体パッケージ102の左下の頂点の座標である。
FIG. 5 is a diagram illustrating a layout design procedure of the
In the vicinity of the origin, it defines the first point P 1. The first point P 1 is the coordinates of the lower left vertex of the
続いて、第1点P1から、X方向に所定量δX、Y方向に所定量δYシフトさせた点に、第2点P2をとる。第2点P2に原点を移し、座標軸を原点を中心に時計回りに、15°回転させ、新たな座標系(X’Y’)を定義する。新たな座標軸(X’Y’)上で、X方向に所定量δX、Y方向に所定量δYシフトさせた点に、次の第3点P3をとる。同様に第3点P3に原点を移し、座標軸(X’Y’)を原点を中心に時計回りに、15°回転させ、新たな座標系(X”Y”)を定義する。新たな座標軸(X”Y”)上で、X方向に所定量δX、Y方向に所定量δYシフトさせた点に、次の第4点P4をとる。この作業を繰り返すことにより、複数の半導体パッケージ102のレイアウトを決定することができる。
Subsequently, the second point P 2 is set at a point shifted from the first point P 1 by a predetermined amount δX in the X direction and a predetermined amount δY in the Y direction. Transfer the origin to the second point P 2, a clockwise coordinate axis around the origin, is rotated 15 °, to define a new coordinate system (X'Y '). On new coordinate axes (X'Y '), a predetermined amount δX in the X direction, in that by a predetermined amount δY shifted in the Y direction, taking the third point P 3 below. Similarly transferred the origin to the third point P 3, clockwise coordinate axes (X'Y ') about the origin, is rotated 15 °, to define a new coordinate system (X "Y"). On new coordinate axes (X "Y"), a predetermined amount δX in the X direction, in that by a predetermined amount δY shifted in the Y direction, taking the fourth point P 4 follows. By repeating this work, the layout of the plurality of
続いて、半導体回路100の具体例を説明する。図6(a)〜(d)は、半導体回路100の用途を説明する図である。図6(a)の半導体回路は、三相コンバータあるいはインバータである。上アームスイッチMHU,MHV,MHW、下アームスイッチMLU,MLV,MLWそれぞれが、複数の半導体パッケージ102が構成される。
Subsequently, a specific example of the
図6(b)の半導体回路は、Hブリッジ回路である。上アームスイッチMHP,MHN、下アームスイッチMLP,MLNそれぞれが、複数の半導体パッケージ102が構成される。
The semiconductor circuit of FIG. 6B is an H-bridge circuit. A plurality of
図6(c)の半導体回路は、昇圧(昇降圧)コンバータである。スイッチM1、M2それぞれが、複数の半導体パッケージ102で構成される。図6(d)の半導体回路は、降圧コンバータである。スイッチM3が、複数の半導体パッケージ102で構成される。また整流ダイオードD3も、複数の半導体パッケージ102で構成される。 The semiconductor circuit of FIG. 6C is a step-up (step-up / down) converter. Each of the switches M1 and M2 is composed of a plurality of semiconductor packages 102. The semiconductor circuit of FIG. 6D is a buck converter. The switch M3 is composed of a plurality of semiconductor packages 102. The rectifier diode D3 is also composed of a plurality of semiconductor packages 102.
以上、本発明について、いくつかの実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。 The present invention has been described above based on some embodiments. It will be appreciated by those skilled in the art that these embodiments are exemplary and that various modifications are possible for each of these components and combinations of processing processes, and that such modifications are also within the scope of the present invention. By the way. Hereinafter, such a modification will be described.
図7(a)、(b)は、レイアウトの変形例を示す図である。図7(a)では、完全な円弧に沿って、複数の半導体パッケージ102が配置される。この場合、ノード130と、複数の半導体パッケージ102のピンの距離は、完全に均一となる。
7 (a) and 7 (b) are diagrams showing a modified example of the layout. In FIG. 7A, a plurality of
図7(b)では、図2(a)と類似したレイアウトであるが、半導体パッケージ102の向きは同一となっている。 FIG. 7B has a layout similar to that of FIG. 2A, but the orientations of the semiconductor packages 102 are the same.
100…半導体回路、102…半導体パッケージ、104…プリント基板、106…実装領域、110…ヒートシンク、120…ゲートドライバ、122…出力ノード。 100 ... semiconductor circuit, 102 ... semiconductor package, 104 ... printed circuit board, 106 ... mounting area, 110 ... heat sink, 120 ... gate driver, 122 ... output node.
Claims (7)
前記複数の半導体パッケージは、それぞれが同一のファンからの風を受けて強制空冷されるように、矩形のプリント基板上に非直線上にレイアウトされることを特徴とする半導体回路。 It has three or more semiconductor packages that are electrically connected in parallel.
The semiconductor circuit is characterized in that the plurality of semiconductor packages are laid out in a non-linear manner on a rectangular printed circuit board so that each of the plurality of semiconductor packages is forcibly air-cooled by receiving wind from the same fan.
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