JP3501644B2 - 半導体パッケージの熱抵抗計算方法および記録媒体および熱抵抗計算装置 - Google Patents
半導体パッケージの熱抵抗計算方法および記録媒体および熱抵抗計算装置Info
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Description
された状態の半導体パッケージの熱抵抗を計算する熱抵
抗計算方法および記録媒体および熱抵抗計算装置に関す
る。
トラブルのうち、熱に起因するトラブルは電子機器の局
所的な温度上昇により問題が生じる場合が多い。これ
は、近年の電子機器の小型化に伴う電気部品の高密度化
により、狭い範囲で温度が上昇する、いわゆる発熱密度
の上昇に起因するものである。従来より、各電気部品
は、設計段階で大まかな温度予測を行ない、温度変動を
考慮した上で製造されているが、このように発熱密度が
上昇すると、設計段階の温度予測を越えた加熱状態とな
り動作不良等のトラブルを生じることがある。
は、従来よりも厳密に個々の製品についてそれぞれ温度
予測を行ない、その温度予測に基づいて冷却装置の設計
(放熱フィンの選択や送風機の選択および配置など)を
行う必要がある。発熱を生じる電気部品である半導体パ
ッケージは、温度予測のために熱抵抗を精度よく求めな
ければならない。従来、半導体パッケージの熱抵抗を厳
密に求める方法として、まず、熱電対を用いて部品、基
板、放熱器などの表面温度を測定して求め、熱抵抗素子
のベース・エミッタ間の電圧降下を利用して半導体パッ
ケージのジャンクション温度を推定する。そして、「IE
EE 1996 Electronic Components andTechnology C
onference」の第165〜171頁に発表されている論
文「Validation Study of Compact Thermal Resis
tance Models of IC Packages (Zemo Yang ,Yo
ung Kwon)」に開示されている各種の熱抵抗コンパク
トモデル(図11参照)に、これらの温度を代入して熱
抵抗を求めるという方法が知られている。
パッケージなどの電気部品の発熱が電子機器のトラブル
となることがあるため、半導体パッケージの熱を逃すた
めに放熱フィンを半導体パッケージのケース表面に搭載
することが多い。ところで、前記のように、半導体パッ
ケージ自体の熱抵抗を求めて冷却装置等の設計に反映さ
せる方法は従来から行われているが、従来は放熱フィン
を搭載した状態の半導体パッケージの熱抵抗が求められ
ることはなかった。つまり、従来は、半導体パッケージ
単体の熱抵抗と放熱フィン単体の熱抵抗とがそれぞれ求
められることはあったが、両者が一体化した状態におけ
る熱抵抗については考慮されず、算出方法は見出されて
いなかった。実際は、ケース表面に放熱フィンが搭載さ
れることにより、搭載面を通る経路の熱抵抗に変化を生
じているはずであるが、この変動した熱抵抗を求めるこ
とは従来行われていなかった。従って、半導体パッケー
ジ単体の熱抵抗および放熱フィン単体の熱抵抗に基づい
て冷却装置の設計等が行われても、実際に即した最適な
設計が行われないおそれがあった。
体パッケージに対してそれぞれ各所の温度等を実測した
上で半導体パッケージの熱抵抗を求めるものであり、半
導体パッケージのサイズ、半導体チップのサイズ、半導
体パッケージ内に充填される樹脂の材質などの熱抵抗に
影響を及ぼすファクターのうち、一つでも異なると、温
度等の測定や計算等をすべてやり直さなければならな
い。従って、1種類の半導体パッケージに関する熱抵抗
計算のための測定結果や計算結果を、他の種類の半導体
パッケージに応用することは不可能である。半導体パッ
ケージが同一のものでない限り全ての電子機器を設計す
るたびに、半導体パッケージの各所の温度等の測定や計
算等を逐一行わなければならないので、作業が極めて煩
雑であり、実験コストの増大を招くとともに、電子機器
を完成させるまでの時間的なロスが大きくなる。従っ
て、昨今の商品サイクル短期化に対応できないという問
題がある。
式)、運動量保存則(ナビエ・ストークスの式)、エネ
ルギー保存則(エネルギー保存式)に基づいて、差分法
や有限要素法を駆使して熱と流体の三次元問題を解く三
次元熱流体シミュレーションによって半導体パッケージ
の熱抵抗をもとめる方法がある。この方法を応用する
と、放熱フィンを搭載した状態の半導体パッケージの熱
抵抗を求めることが可能であるが、この方法は、前記の
従来例と同様に、半導体パッケージや半導体チップのサ
イズ、樹脂の材質などの熱抵抗に影響を及ぼすファクタ
ーのうち、一つでも異なると、三次元熱流体シミュレー
ションをすべてやり直さなければならなず、作業が極め
て煩雑であり、時間的なロスが大きく、商品サイクル短
期化に対応できない。特に、この三次元熱流体シミュレ
ーションを行なう方法は、差分法や有限要素法を駆使し
てメッシュ分割や境界条件設定を行なうために専門的知
識が必要なため、手軽に誰でも行なえるわけではないの
で、電子機器を設計するたびに逐一行うことは困難であ
る。
された状態の半導体パッケージの熱抵抗を求め得るよう
にし、しかも半導体パッケージの形状などの条件が変わ
っても、専門知識を要することなく手軽に誰でも迅速か
つ容易に熱抵抗を求められるようにすることにある。
導体チップが収納された半導体パッケージの熱抵抗計算
方法であって、前記ケース裏面を通る放熱経路の熱抵抗
Rjbと、リードフレームを通る放熱経路の熱抵抗Rj
lと、前記リードフレーム以外の側部を通る放熱経路の
熱抵抗Rjsと、前記半導体チップと前記ケース表面と
の間に介在する部材の熱伝導率λ1と、前記半導体チッ
プと前記リードフレームとの間に介在する部材の熱伝導
率λ2とから求められる前記半導体チップと前記ケース
表面との間の熱抵抗Rjcと、放熱フィン単体の熱抵抗
Rcaとから、前記ケース表面に前記放熱フィンが搭載
された状態の半導体パッケージの熱抵抗Rjaを求める
ことを特徴とする。
ッケージの熱抵抗Rjaを求める。
面との間の距離であるLと、前記半導体チップの面積で
あるAとから、
抗Rjcを求める。
つ0.5<β<1.4である。そして、βの値が大きく
なるほどαの値が小さくなる。
の半導体パッケージの熱抵抗が、迅速かつ容易に求めら
れる。
ジをサンプルとして、前記ケース裏面と、前記リードフ
レームと、前記リードフレーム以外の側部とをそれぞれ
通る3つの放熱経路の熱抵抗Rjb、Rjl、Rjsを
実測や熱解析により予め求めておき、前記サンプルのい
ずれともサイズの異なる前記半導体パッケージの3つの
放熱経路の熱抵抗Rjb、Rjl、Rjsについては、
前記サンプルの熱抵抗に基づいて補間することにより求
めてもよい。
おける前記半導体パッケージの、前記ケース裏面と、前
記リードフレームと、前記リードフレーム以外の側部と
をそれぞれ通る3つの放熱経路の熱抵抗Rjb、Rj
l、Rjsをサンプルデータとして実測や熱解析により
予め求めておき、前記サンプルデータのいずれとも流速
の異なる条件下における前記半導体パッケージの3つの
放熱経路の熱抵抗Rjb、Rjl、Rjsについては、
前記サンプルデータに基づいて補間することにより求め
てもよい。
ルについて実測や熱解析を行っておけば、様々な種類の
半導体パッケージに対して、また様々な実験条件下にお
ける熱抵抗を、ごく簡単な計算により求めることができ
る。
ケージについては、同一体積の正方形に換算して前記半
導体パッケージの熱抵抗Rjaを求めてもよい。。
ダーをもたない場合と、内蔵型ヒートスプレッダーを有
する場合と、露出型ヒートスプレッダーを有する場合と
の、前記放熱フィンが搭載された状態の前記半導体パッ
ケージの熱抵抗Rjaをそれぞれ求めてもよい。さら
に、前記半導体パッケージがヒートスプレッダーをもた
ない場合について、前記リードフレームが42−鉄ニッ
ケル合金からなる場合と、前記リードフレームが銅合金
からなる場合との、前記放熱フィンが搭載された状態の
前記半導体パッケージの熱抵抗Rjaをそれぞれ求めて
もよい。
算出方法をコンピュータに実行させるためのプログラム
を格納している。
ューター等で簡単に熱抵抗算出が行える。
記半導体パッケージのサイズと前記半導体チップのサイ
ズと前記放熱フィン単体の熱抵抗Rcaとが入力される
入力部と、前記したいずれかの算出方法に基づいて前記
放熱フィンが搭載された状態の前記半導体パッケージの
熱抵抗Rjaを求める演算処理部と、前記演算処理部に
て求めた前記導体パッケージの熱抵抗Rjaを表示する
表示部とを有する。
条件を入力するとその条件下での半導体パッケージの熱
抵抗が表示されるため、実際に製造していない製品につ
いても熱抵抗が予測でき、最適な製品設計が行える。
ス内に半導体チップが収納された半導体パッケージの熱
抵抗算出方法であって、半導体チップと前記ケース表面
との間に介在する部材の熱伝導率λ1と、前記半導体チ
ップとリードフレームとの間に介在する部材の熱伝導率
λ2とから、前記半導体チップと前記ケース表面との間
の熱抵抗Rjcを求めることを特徴とする。
面との間の距離であるLと、前記半導体チップの面積で
あるAとから、
抗Rjcを求める。
つ0.5<β<1.4である。そして、βの値が大きく
なるほどαの値が小さくなる。
レッダーを有する半導体パッケージについて熱抵抗を従
来より正確に求めることができる。
をコンピュータに実行させるためのプログラムを格納し
ている。
も前記半導体チップのサイズが入力される入力部と、前
記の算出方法に基づいて前記半導体チップと前記ケース
表面との間の熱抵抗Rjcを求める演算処理部とを有す
る。
図面を参照して詳細に説明する。まず、一般的な半導体
パッケージの種類について説明する。
の基本構造は、アイランド8上に搭載された半導体チッ
プ1がケース7内で樹脂3にモールドされている。ま
た、ケース7内部から四方に延出するリードフレーム2
と半導体チップ1とが、ボンディングワイヤ9により接
続されている。このような半導体パッケージは、一般的
にクワッドフラットパッケージ(以下「QFP」とい
う)と呼ばれている。そして、このQFPは、配線基板
4上に配置され、導通パターンをなす銅箔6上にリード
フレーム2がはんだ付けされて固定される。なお、銅箔
6はスルーホール5を介して配設基板4の裏面のパター
ンとも導通し、両面基板が形成される。
て2つの種類が存在する。その一つは、図2(a),
(b)に示すように、ケース7内においてアイランド8
上の半導体チップ1とリードフレーム2のみが樹脂3に
モールドされている構成がスタンダードタイプである。
これをさらに細かく分類すると、図2(a)に示すよう
に42合金(鉄−ニッケル合金)からなるリードフレー
ム2aを有する低消費電力向きのタイプと、図2(b)
に示すように銅合金からなるリードフレーム2bを有す
る中規模消費電力向きのタイプとがある。
2(c),(d)に示すように、半導体チップ1および
リードフレーム2との間に、これらの熱を効率的に放熱
させるための金属プレート製のヒートスプレッダー10
が介在し、これらがケース7内に設けられ樹脂3でモー
ルドされている高消費電力向きのヒートスプレッダータ
イプである。さらにこのヒートスプレッダータイプに
は、図2(c)に示すようにヒートスプレッダー10が
ケース7内に内蔵されているタイプと、図2(d)に示
すようにヒートスプレッダー10が外部に露出している
タイプとがある。
チップからの熱を逃して外部の他部品などに影響を及ぼ
さないように、図3に示すように放熱フィン11がケー
ス7表面に搭載されている。ここでは放熱フィン11を
含むQFPについて、熱抵抗を算出するための計算方法
を考察する。図3に示すように、QFPの半導体チップ
1が発する熱は様々な方向へ伝わり複雑な放熱を行って
いる。そこで、この放熱経路をいくつかの領域に分割し
た。すなわち、半導体チップ1からの発熱に対し最終的
に空気中へ熱が逃げる経路として、QFPの上面へ向か
う経路(TOP経路)と、下面へ向かう経路(BOTT
OM経路)と、リードフレームへ伝わる経路(LEAD
経路)と、リードフレーム以外の側方へ伝わる経路(S
IDE経路)との4つの放熱経路に区別した。このう
ち、QFPの上面へ向かうTOP経路を、半導体チップ
1の放熱部(図3においては明確に図示されていないが
チップ1の放熱部を、以下「ICジャンクション」とい
う。)からケース7の表面までの経路と、ケース7上の
放熱フィン11内部を通って外部へ放熱する経路とがつ
ながったものとして考える。
の従来例と対比させてモデル化して示したものが、図4
である。ここで、各部の温度をT、各区間の熱抵抗をR
と表し、その部所を表す添え字を添えて示す。すなわ
ち、TjはICジャンクション温度、Tcはケース表面
温度、Taは周囲の空気温度であり、ICジャンクショ
ンから下方へのBOTTOM経路の熱抵抗はRjb、I
CジャンクションからリードフレームへのLEAD経路
の熱抵抗はRjl、ICジャンクションから側方へのS
IDE経路の熱抵抗はRjsであり、TOP経路に関し
てはICジャンクションからケース7表面の間の熱抵抗
はRjc、ケース7表面から周囲空気との間の熱抵抗は
Rcaである。なお、この熱抵抗Rcaは放熱フィン1
1単体の熱抵抗である。
FPを独立した1つの部品として考え、TOP経路の熱
抵抗Rjtが、ICジャンクションからケース7表面の
間の熱抵抗Rjcであるとみなして、QFPの熱抵抗R
jaを求めている。放熱フィン11に関してはQFPと
は別部品とみなして、単独の熱抵抗を求めることはあっ
ても、放熱フィンを取り付けない状態のQFPの熱抵抗
と放熱フィン単体の熱抵抗とを関連づけて考察すること
はなかった。しかし、実際には放熱フィンを取り付ける
ことによりQFPの熱抵抗に影響を及ぼすため、両者の
熱抵抗をそれぞれ単独に求めてもこの電気部品の熱的な
性能を正確に知ることはできない。これに対し本発明で
は、熱抵抗の考察を行う上では、放熱フィン11が取り
付けられてはじめて1個のQFPが完成するものととみ
なしている。すなわち、本発明では半導体チップ1やリ
ードフレーム2を含むケース7と放熱フィン11とを一
体化した状態で一つの電気部品(半導体パッケージ)と
みなし、熱抵抗に関する計算を行う。
QFPのICジャンクションから周囲空気までの全放熱
経路を総合した熱抵抗Rjaは、
ものであり、パッケージの種類や特性の異なったいくつ
かのQFPについて、専門的知識をを駆使して熱と流体
の三次元問題を解く三次元熱流体シミュレーションを行
って熱抵抗Rjcを求めた結果と、式(1)により熱抵
抗Rjcを求めた結果とを比較したところ、試行した全
てのQFPに関して両者の誤差が無視できる程度の小さ
さであったことから、様々なQFPに広く適用可能であ
るとみなしたものである。式(1)に基づくQFPの熱
抵抗算出の一例について、以下に具体的に説明する。
金からなるリードフレーム2bを有し放熱フィン11を
搭載したスタンダードタイプのQFPの熱抵抗Rjaを
算出する。まず、実測温度等に基づきTOP経路以外の
各放熱経路Rjb、Rjl、Rjsを調べる。その結果
を以下に示す。
経路は、放熱フィン11の有無にかかわらず絶対熱抵抗
はあまり変化せず、QFP全体の熱抵抗Rjaを求める
上では、放熱フィン有りの状態の3経路の熱抵抗を用い
て計算しても、放熱フィン無しの状態の3経路の熱抵抗
を用いて計算しても、放熱フィン有りの状態と無しの状
態の熱抵抗の平均値を用いて計算しても、いずれでも許
容される。ここでは、放熱フィン有りの状態と無しの状
態のほぼ平均値をとって、 Rjb=60(℃/W)、 Rjl=1210(℃/W)、 Rjs=218(℃/W)としている。
を求める。
抗Rは、2面間に介在する部材の熱伝導率λ、2面間の
距離L、面積Aから、
000945(m)、熱伝導率λ=0.6(W/mk)
(これはプラスチックの熱伝導率である)、半導体チッ
プ一辺=13.6mmより面積A=0.0136
2(m2)である。これを式(2)に代入すると、Rjc
=8.52(℃/W)となる。
13.7(℃/W)である。
Rjc、Rja、Rjb、Rjl、Rjsを式(1)に
代入することにより、放熱フィン搭載時の熱抵抗が計算
できる。その結果、Rja=14.9(℃/W)であっ
た。
三次元熱流体シミュレーションを行って求めた熱抵抗値
は、Rja=14.7℃/Wであった。従って、本発明
の式(1)により求めた熱抵抗Rjaの誤差は1.3%
程度であり、十分な精度が得られたことがわかった。
FPについては、ICジャンクションからケース7表面
の間の熱抵抗Rjcを、式(2)により単純に求めるこ
とができない。すなわち、半導体チップ1とリードフレ
ーム2との間に良熱伝導性の銅板からなるヒートスプレ
ッダー10が熱的に結合すると、QFP全体に熱拡散
し、熱抵抗が小さくなる。図5に示すように、ヒートス
プレッダータイプでは、チップ1とリードフレーム2と
の間の銅(ヒートスプレッダー10)を介しての放熱が
無視できないので、式(2)では単純に求められない。
様々な内部構造を有するQFPの半導体チップ1からケ
ース7表面の間の熱抵抗Rjcを求め得るように、次の
式(3)により熱抵抗Rjcを求める。
の間に介在する部材の熱伝導率、Lは2面間の距離、A
は半導体チップ面積、λ2は半導体チップ1とリードフ
レーム2との間に介在する部材の熱伝導率である。従っ
て、スタンダードタイプ(図2(a),(b)参照)の
場合は熱伝導率λ1、λ2とも樹脂3の熱伝導率であ
り、内蔵型ヒートスプレッダータイプ(図2(c)参
照)の場合は熱伝導率λ1が樹脂3の熱伝導率で、熱伝
導率λ2がヒートスプレッダー10をなす銅板の熱伝導
率である。そして、露出型ヒートスプレッダータイプ
(図2(d)参照)の場合は熱伝導率λ1,λ2ともヒ
ートスプレッダー10をなす銅板の熱伝導率である。ま
た、β(定数)およびα(乗数)は高精度化のための補
正値である。
記式(1)に代入することにより、スタンダードタイプ
およびヒートスプレッダータイプの双方に関して精度よ
く熱抵抗Rjaを求めることができる。定数α、乗数β
については、0.5<β<1.4かつ−0.45<α<
0.2の範囲、好ましくは、0.5<β<1.4かつ−
0.25<α<0.03の範囲内で設定される。なお、
この定数αおよび乗数βは、一般的な条件の下で最終的
な計算結果である熱抵抗Rjaが誤差20%以下となる
ような値を、実験により試行錯誤的に求めた結果であ
る。定数βが大きくなるほどに乗数αを小さくすること
が好ましく、定数βに対応する乗数αの最適範囲を以下
に示す。
状が長方形状の場合の計算方法について述べる。
ることを前提としてきたが、現状では長方形状のQF
P、半導体チップ1も多く用いられている。そこで、長
方形QFPについて、各所の温度等を実測してその値に
基づき従来例(図11参照)と同様にモデル化して熱抵
抗Rjaを求めた。また、この長方形状のQFPおよび
半導体チップ1を、体積が同一となる正方形に換算して
モデル化し、前記式(1)および式(3)を用いて熱抵
抗Rjaを算出した。さらに、この長方形状のQFPに
ついて、三次元熱流体シミュレーションを行い熱抵抗R
jaを求めた。そして、これら3通りの方法で求めた熱
抵抗Rjaを比較したところ、3者ともほとんど同じ結
果が得られた。
れば熱抵抗Rjaは変化しないことがわかる。すなわ
ち、長方形状など正方形以外の形状の半導体チップやQ
FPについては、同体積の正方形に換算して、前記した
式(1),(3)を用いて熱抵抗Rjaを算出すること
により簡単に精度よく求めることができる。
なうための熱抵抗計算装置について説明する。図6はこ
の熱抵抗計算装置の概略を示すブロック図であり、図7
はこの熱抵抗計算装置の初期設定を行う準備工程を示す
フローチャートであり、図8は、準備工程完了後に行わ
れる、様々なタイプのQFPの熱抵抗Rjaを求める実
際の熱抵抗計算工程を示すフローチャートである。
び性能の放熱フィン付きQFPが、様々な条件下で用い
られる場合の熱抵抗Rjaを求め得るものであり、キー
ボードなどの入力部21と、熱抵抗を求めるための演算
処理部22と、演算結果を表示するディスプレイ等の表
示部23と、演算を行うためのデータや数式を記憶する
記憶部24とからなる。以下に、この熱抵抗計算装置を
用いてQFPの熱抵抗を求めるための工程について詳細
に説明する。
ることにより様々なQFPの熱抵抗Rjaを精度よく求
めることができるが、式(1)に代入するBOTTO
M、LEAD、SIDEの3つの放熱経路の各熱抵抗R
jb、Rjl、Rjsを求めるために、その都度温度等
の実測や熱解析を行うのでは、汎用性に乏しく、作業が
煩雑で時間的なロスが大きく商品サイクル短期化に対応
できないという従来の問題点を十分解消したとはいえな
い。そこで、この熱抵抗計算装置では、3放熱経路の各
抵抗Rjb、Rjl、Rjsについても、逐一温度実測
等を行う必要をなくし、より簡単に算出できるようにし
ている。この熱抵抗計算装置は、予めいくつかのQFP
をサンプルとして熱抵抗Rjb、Rjl、Rjsを求め
てそのデータを記憶しておき、その後の熱抵抗計算で
は、サンプルのデータに基づいて補間することにより、
温度実測等を不要にしている。
プルのデータをとる。例えば、スタンダードタイプやヒ
ートスプレッダータイプなどのパッケージの種類と、Q
FPのサイズと、冷却用に別設する送風機からの冷却用
送風の流速と、放熱フィン11の有無といった条件を変
えて、各条件における熱抵抗Rjb、Rjl、Rjsを
求める。ここでは、パッケージタイプは前述した4種類
(図2(a)〜(d)参照)、QFPサイズは正方形の
1辺が10(mm),20(mm),30(mm),4
0(mm)の4種類、流速は1(m/sec),2(m
/sec),3(m/sec)の3種類、放熱フィン有
無の2種類の組み合わせからなる96通りの条件下で、
温度実測や熱解析によりBOTTOM、LEAD、SI
DEの3つの放熱経路の熱量比を求める(ステップ10
1)。また、この96通りの条件下で、3次元熱流体シ
ュミレーションによりQFP全体の熱抵抗Rjaも求め
てしまう。そのうち銅合金リードフレーム2aを有する
スタンダードタイプQFPの流速1(m/sec)の条
件に関する結果を以下に示す。
求める(ステップ102)。これは、QFP全体の熱抵
抗Rjaを各熱量比で割ることによってそれぞれ求めら
れる。その結果を以下に示す。
の熱抵抗と取り付けられていない状態の熱抵抗との平均
値を取る(ステップ103)。この結果を以下に示す。
l、Rjsとの関係(図9のグラフにて示す)を求め、
サンプルと異なるサイズの熱抵抗を補間により求めるた
めの近似式を求める(ステップ104)。ここでは、Q
FPサイズ(正方形の1辺)をy(mm)とすると、 Rjb(y)=−3.75y+212.5 Rjl(y)=−7.5y+425 Rjs(y)=−10y+600 となる。この近似式は記憶部24に記憶される。なお、
他のパッケージタイプについても同様の処理が行われ
る。
準備工程が終了する。この時点で熱抵抗計算装置が完成
したといえる。
成した熱抵抗計算装置を用いて、実際の測定対象物であ
るQFPの熱抵抗Rjaを求める熱抵抗計算工程(図8
参照)について説明する。
(ステップ105)。本実施形態では、熱抵抗計算の対
象となるQFPを使用する環境温度と、そのQFPの消
費電力と、冷却用送風の流速と、取り付けられる放熱フ
ィンの単体の熱抵抗Rcaと、QFPのサイズ(同体積
の正方形に換算した時の1辺の長さ)と、半導体チップ
1のサイズとが入力される。また、ケース7内に充填さ
れる樹脂3の熱伝導率と、ヒートスプレッダー10を用
いる場合のヒートスプレッダー10の熱伝導率とも、必
要に応じて入力される。これらの熱伝導率は、すでに記
憶されている熱伝導率と一致する場合は入力不要であ
り、記憶されている熱伝導率と異なる場合または熱伝導
率が記憶されていない場合にのみ入力される。ここで
は、QFPサイズ35(mm)、流速1.5(m/se
c)、ケース7内の樹脂3の熱伝導率が0.6(W/m
k)、ヒートスプレッダー10を用いる場合その熱伝導
率が395(W/mk)とする。
データ(10mm,20mm,30mm,40mm)と
一致していない場合(ステップ106)、ステップ10
4にて求められ記憶部24に記憶されている近似式を用
いて補間することにより、各熱抵抗Rjb(y),Rj
l(y),Rjs(y)が求められる(ステップ10
7)。例えば、QFPサイズが35mmの場合、 Rjb(y)=−3.75×35+212.5=81.
25(℃/W) Rjl(y)=−7.5×35+425=162.5
(℃/W) Rjs(y)=−10×35+600=250(℃/
W) である。
であるので、流速が異なる場合についても補間する必要
がある。図示していないが、準備工程のステップ101
〜103において、QFPサイズ10(mm),20
(mm),30(mm),40(mm)の4種類に対
し、流速1(m/sec),2(m/sec),3(m
/sec)の場合のデータが取られている。それらから
類推して、このQFPサイズ(35mm)において、流
速が1(m/sec),2(m/sec),3(m/s
ec)の時の熱抵抗Rjb、Rjl、Rjsを導き出す
と以下の通りである。
sの近似式が求められる(ステップ108)。これは、 Rjb=1・10-13・x2−x+82.25 Rjl=2・10-13・x2−x+163.5 Rjs=−10x+260 である。
ec,2m/sec,3m/sec)と一致していない
場合(ステップ109)、ステップ107にて求められ
た近似式を用いて補間することにより、熱抵抗Rjb,
Rjl,Rjsが求められる(ステップ110)。ここ
で流速1.5(m/sec)の場合を補間すると、 Rjb=1・10-13・1.52−1.5+82.25=
80.75 Rjl=2・10-13・1.52−1.5+163.5=
162 Rjs=−10・1.5+260=245 である。こうして、BOTTOM、LEAD、SIDE
の3つの放熱経路の熱抵抗Rjb,Rjl,Rjsがわ
かる。
ズがサンプルデータ(10mm,20mm,30mm,
40mm)と一致している場合は、記憶部24に記憶さ
れているデータがそのまま使えるのでステップ107を
行う必要がない。同様に、ステップ109において流速
がサンプルデータ(1m/sec,2m/sec,3m
/sec)と一致している場合は、記憶部24に記憶さ
れているデータがそのまま使えるのでステップ110を
行う必要がない。
により、演算処理部22により熱抵抗Rjcが求められ
る(ステップ111)。ここでは、α=1.0、β=−
0.09と設定されている。このα,βは、0.5<β
<1.4かつ−0.45<β<0.2を満たす範囲で予
め設定されている。また、ステップ105にて入力され
た半導体チップサイズより、半導体チップ1上面とケー
ス7表面との間の距離L=0.001(m)と、半導体
チップ面積A=0.0001(m2)が判明している。
したがって、
(1)により、演算処理部23によりQFP全体の熱抵
抗Rjaが求められる(ステップ112)。前記の通
り、ステップ105にて放熱フィン11の単体の熱抵抗
Rca=13.7が入力され、ステップ110にてRj
b=80.75、Rjl=162、Rjs=245が算
出され、ステップ111にてチップ3上面とケース7表
面との間の熱抵抗Rjc=17.4が算出されている。
従って、
FPの熱抵抗Rjaが求められる。なお、以上説明した
のは銅合金リードフレーム2bを有するスタンダードタ
イプQFP(図2(b)参照)に関する例であるが、同
様にして、42合金リードフレーム2aを有するスタン
ダードタイプQFP(図2(a)参照)や、内蔵型ヒー
トスプレッダータイプQFP(図2(c)参照)や、露
出型ヒートスプレッダータイプQFP(図2(d)参
照)についても熱抵抗Rjaを求める。そして、表示部
23にこれら4種類のタイプのQFPについて、QFP
サイズ35mm、流速1.5m/secの場合の熱抵抗
Rjaが表示される。
ンクション(チップの発熱部)の最大温度Tjmaxも
求めている(ステップ113)。ここでは詳述しない
が、最大温度Tjmaxは、流速の1次または高次の方
程式で求められるものであり、ステップ105にて入力
されている環境温度および消費電力と、ステップ112
にて求められた熱抵抗Rjaとに応じて決まる。この最
大温度Tjmaxも、熱抵抗Rjaと同様に、4種類の
タイプのQFPについて表示部に表示される。
プルデータとなるBOTTOM、LEAD、SIDEの
3つの放熱経路の熱抵抗を求めるために、各放熱経路の
熱量比をQFP全体の熱抵抗で割っているが、サンプル
データとなるBOTTOM、LEAD、SIDEの3つ
の放熱経路の熱抵抗を直接求めることができれば、熱量
比やQFP全体の熱抵抗を3次元熱流体シミュレーショ
ンにて求める必要がなく、ステップ101〜103が簡
略化できる。また、本実施形態では、放熱フィンありの
状態となしの状態との熱抵抗の平均をサンプルデータと
しているが、放熱フィンありの状態となしの状態のうち
いずれか一方をサンプルデータと設定して、他方を求め
なくてもよい。この場合、データ取得が半分で済み、作
業が簡単になる。
ンピューターで実行可能にした構成を、図10を参照し
て説明する。
ーボードである入力部32と、図示しないが一般的な計
算が行える演算処理部と、ディスプレイである表示部3
3と、ディスクドライブ34とを備えている。そして、
このディスクドライブ34に挿入されて読み出されるフ
ロッピーディスク(記録媒体)35に、予め行われた前
記準備工程(図7参照)の結果であるサンプルデータ
と、式(1)、(3)および補間のための近似式と、こ
れらの式に基づいて演算処理部に計算を実行させるため
のプログラムとが格納されている。従って、まずステッ
プ101と同様に、使用者が入力部32からQFPサイ
ズ、流速、消費電力、環境温度などの条件を入力する
と、プログラムに制御されてパーソナルコンピューター
31の演算処理部が、記録媒体35に記録されているサ
ンプルデータや各式に基づいて、ステップ112,11
3と同様に熱抵抗RjaやICジャンクションの最大温
度Tjmaxを算出し、表示部33に表示させる。この
記録媒体35を用いると、専用の熱抵抗計算装置を必要
とせず一般に普及しているあらゆるパーソナルコンピュ
ーター31を用いて簡単に熱抵抗計算ができる。しかも
記録媒体35に記録するデータ量が比較的少なくて済む
ので、通常用いられる一般的なフロッピーディスクが使
用可能である。
た状態のQFPの熱抵抗を求めることができ、電気部品
や冷却装置の適切な設計が行える。
測や熱解析を行いサンプルデータを求めておけば、様々
な構造のQFPに関し、QFPサイズ、冷却用送風の流
速などわずかな数の条件を入力するだけで、放熱フィン
を搭載したQFPの熱抵抗を簡単かつ迅速に算出可能に
できる。従って、実際の製品を製造することなく、また
3次元熱流体シミュレーションのような複雑な解析を行
うことなく、専門的知識を持たない者でも手軽に放熱フ
ィンを搭載したQFPの熱抵抗が計算できる。これによ
り、QFPの実物がなくても、QFPのサイズや材質、
冷却用送風の流速などのパラメータの熱抵抗に対する依
存性の解析や、適正な放熱フィンの選択などが可能で、
適切な冷却手段設計が行なえる。
ログラム等は比較的容量が小さいため、一般的な記録媒
体に格納することができ、この記録媒体を用いると、一
般に普及しているパーソナルコンピューターにて手軽に
熱抵抗計算が可能になる。
断面図である。
パクトモデルである。
を示す断面図である。
ーチャートである。
すフローチャートである。
ある。
コンピューターの縮小斜視図である。
の熱抵抗コンパクトモデルである。
レーム 2b 銅合金からなるリードフレーム 3 樹脂 4 配線基板 5 スルーホール 6 銅箔 7 ケース 8 アイランド 9 ボンディングワイヤ 10 ヒートスプレッダー 11 放熱フィン 21 入力部(キーボード) 22 演算処理部 23 表示部(ディスプレイ) 24 記憶部 31 パーソナルコンピューター 32 入力部(キーボード) 33 表示部(ディスプレイ) 34 ディスクドライブ 35 記録媒体(フロッピーディスク)
Claims (18)
- 【請求項1】 ケース内に半導体チップが収納された半
導体パッケージの熱抵抗算出方法であって、 前記ケース裏面を通る放熱経路の熱抵抗Rjbと、リー
ドフレームを通る放熱経路の熱抵抗Rjlと、前記リー
ドフレーム以外の側部を通る放熱経路の熱抵抗Rjs
と、前記半導体チップと前記ケース表面との間に介在す
る部材の熱伝導率λ1と、前記半導体チップと前記リー
ドフレームとの間に介在する部材の熱伝導率λ2とから
求められる前記半導体チップと前記ケース表面との間の
熱抵抗Rjcと、放熱フィン単体の熱抵抗Rcaとか
ら、前記ケース表面に前記放熱フィンが搭載された状態
の半導体パッケージの熱抵抗Rjaを求めることを特徴
とする熱抵抗算出方法。 - 【請求項2】 【数1】 により前記放熱フィンが搭載された状態の前記半導体パ
ッケージの熱抵抗Rjaを求める請求項1に記載の熱抵
抗算出方法。 - 【請求項3】 前記半導体チップと前記ケース表面との
間の距離であるLと、前記半導体チップの面積であるA
とから、 【数2】 により前記半導体チップと前記ケース表面との間の熱抵
抗Rjcを求める請求項1または2に記載の熱抵抗算出
方法。 - 【請求項4】 −0.25<α<0.03かつ0.5<
β<1.4である請求項3に記載の熱抵抗算出方法。 - 【請求項5】 βの値が大きくなるほどαの値が小さく
なる請求項3に記載の熱抵抗算出方法。 - 【請求項6】 サイズの異なる複数の前記半導体パッケ
ージをサンプルとして、前記ケース裏面と、前記リード
フレームと、前記リードフレーム以外の側部とをそれぞ
れ通る3つの放熱経路の熱抵抗Rjb、Rjl、Rjs
を実測や熱解析により予め求めておき、前記サンプルの
いずれともサイズの異なる前記半導体パッケージの3つ
の放熱経路の熱抵抗Rjb、Rjl、Rjsについて
は、前記サンプルの熱抵抗に基づいて補間することによ
り求める請求項1〜5のいずれか1項に記載の熱抵抗算
出方法。 - 【請求項7】 冷却用送風の流速が異なる複数の条件下
における前記半導体パッケージの、前記ケース裏面と、
前記リードフレームと、前記リードフレーム以外の側部
とをそれぞれ通る3つの放熱経路の熱抵抗Rjb、Rj
l、Rjsをサンプルデータとして実測や熱解析により
予め求めておき、前記サンプルデータのいずれとも流速
の異なる条件下における前記半導体パッケージの3つの
放熱経路の熱抵抗Rjb、Rjl、Rjsについては、
前記サンプルデータに基づいて補間することにより求め
る請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱抵抗算出方
法。 - 【請求項8】 正方形以外の形状の前記半導体パッケー
ジについては、同一体積の正方形に換算して前記半導体
パッケージの熱抵抗Rjaを求める請求項1〜7のいず
れか1項に記載の熱抵抗算出方法。 - 【請求項9】 前記半導体パッケージが、ヒートスプレ
ッダーをもたない場合と、内蔵型ヒートスプレッダーを
有する場合と、露出型ヒートスプレッダーを有する場合
との、前記放熱フィンが搭載された状態の前記半導体パ
ッケージの熱抵抗Rjaをそれぞれ求める請求項1〜8
のいずれか1項に記載の熱抵抗算出方法。 - 【請求項10】 前記半導体パッケージがヒートスプレ
ッダーをもたない場合について、前記リードフレームが
42−鉄ニッケル合金からなる場合と、前記リードフレ
ームが銅合金からなる場合との、前記放熱フィンが搭載
された状態の前記半導体パッケージの熱抵抗Rjaをそ
れぞれ求める請求項9に記載の熱抵抗算出方法。 - 【請求項11】 請求項1〜10のいずれか1項に記載
の熱抵抗算出方法をコンピュータに実行させるためのプ
ログラムを格納した記録媒体。 - 【請求項12】 少なくとも前記半導体パッケージのサ
イズと前記半導体チップのサイズと前記放熱フィン単体
の熱抵抗Rcaとが入力される入力部と、請求項1〜1
0のいずれか1項に記載の算出方法に基づいて前記放熱
フィンが搭載された状態の前記半導体パッケージの熱抵
抗Rjaを求める演算処理部と、前記演算処理部にて求
めた前記導体パッケージの熱抵抗Rjaを表示する表示
部とを有する熱抵抗算出装置。 - 【請求項13】 ケース内に半導体チップが収納され
た半導体パッケージの熱抵抗算出方法であって、半導体
チップと前記ケース表面との間に介在する部材の熱伝導
率λ1と、前記半導体チップとリードフレームとの間に
介在する部材の熱伝導率λ2とから、前記半導体チップ
と前記ケース表面との間の熱抵抗Rjcを求めることを
特徴とする熱抵抗算出方法。 - 【請求項14】 前記半導体チップと前記ケース表面と
の間の距離であるLと、前記半導体チップの面積である
Aとから、 【数3】 により前記半導体チップと前記ケース表面との間の熱抵
抗Rjcを求める請求項13に記載の熱抵抗算出方法。 - 【請求項15】 −0.25<α<0.03かつ0.5
<β<1.4である請求項14に記載の熱抵抗算出方
法。 - 【請求項16】 βの値が大きくなるほどαの値が小さ
くなる請求項15に記載の熱抵抗算出方法。 - 【請求項17】 請求項13〜16のいずれか1項に記
載の算出方法をコンピュータに実行させるためのプログ
ラムを格納した記録媒体。 - 【請求項18】 少なくとも前記半導体チップのサイズ
が入力される入力部と、請求項13〜17に記載の算出
方法に基づいて前記半導体チップと前記ケース表面との
間の熱抵抗Rjcを求める演算処理部とを有する熱抵抗
算出装置。
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