JP6653541B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関する。
従来より、表面実装型の半導体装置には、多数の外部端子を高密度に実装することのできるグリッドアレイパッケージを採用したものがある。
なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献1を挙げることができる。
特開2007−201025号公報
しかしながら、従来の半導体装置では、大電流の取り扱いを想定したグリッドレイアウトの検討が十分になされておらず、特定の外部端子に電流集中が生じて製品寿命を損なうおそれがあった。
本明細書中に開示されている発明は、本願の発明者らにより見出された上記の課題に鑑み、特定の外部端子に電流が集中しにくい半導体装置を提供することを目的とする。
本明細書中に開示されている半導体装置は、パッケージの底面でアレイ状に並べられた複数の外部端子を有し、前記複数の外部端子は、装置外部から電流の入力を受け付けるための第1外部端子群と、装置外部に前記電流を出力するための第2外部端子群とを含み、前記第1外部端子群と前記第2外部端子群は、それぞれの配列パターン同士が互いに咬み合うようにレイアウトされている構成(第1の構成)とされている。
上記第1の構成から成る半導体装置において、前記配列パターンは、櫛歯状、十字状、S字状、T字状、または、L字状、若しくは、これらを組み合わせた形状である構成(第2の構成)にするとよい。
上記第1または第2の構成から成る半導体装置において、前記複数の外部端子は、いずれも、ピン、半田ボール、または、電極パッドである構成(第3の構成)にするとよい。
上記第1〜第3いずれかの構成から成る半導体装置は、前記第1外部端子群と前記第2外部端子群との間に集積化されたスイッチ素子をさらに有する構成(第4の構成)にするとよい。
上記第4の構成から成る半導体装置は、前記第1外部端子群及び前記第2外部端子群と前記スイッチ素子との間を電気的に導通する配線層をさらに有する構成(第5の構成)にするとよい。
上記第5の構成から成る半導体装置において、前記配線層は、複数積層されている構成(第6の構成)にするとよい。
また、本明細書中に開示されている電子機器は、上記第4〜第6いずれかの構成から成る半導体装置を有する構成(第7の構成)とされている。
上記第7の構成から成る電子機器において、前記半導体装置は、前記スイッチ素子を用いて電源電圧から所望の出力電圧を生成する電源装置の一部として機能する構成(第8の構成)にするとよい。
また、上記第7の構成から成る電子機器において、前記半導体装置は、前記スイッチ素子を用いてデジタル信号を送信する送信装置の一部として機能する構成(第9の構成)にするとよい。
また、上記第7の構成から成る電子機器において、前記半導体装置は、前記スイッチ素子を用いてモータを駆動するモータ駆動装置の一部として機能する構成(第10の構成)にするとよい。
本明細書中に開示されている発明によれば、特定の外部端子に電流が集中しにくくくなるので、製品寿命の長い半導体装置を提供することが可能となる。
スイッチング電源装置の全体構成を示すアプリケーション図 グリッドレイアウトの第1実施形態を示す透過上面図 電流集中時の挙動を示す透過上面図 電流集中時の挙動を示す縦断面図 グリッドレイアウトの第2実施形態を示す透過上面図 電流集中解消時の挙動を示す縦断面図 配列パターンのバリエーション(十字状)を示す図 配列パターンのバリエーション(S字状)を示す図 配列パターンのバリエーション(T字状)を示す図 配列パターンのバリエーション(L字状)を示す図 ICパッケージのバリエーション(PGA)を示す図 ICパッケージのバリエーション(BGA)を示す図 ICパッケージのバリエーション(LGA)を示す図 電子機器のバリエーション(スイッチング電源装置)を示す図 電子機器のバリエーション(送信装置)を示す図 電子機器のバリエーション(モータ駆動装置)を示す図 スマートフォンの外観図
<スイッチング電源装置>
図1は、スイッチング電源装置の全体構成を示す回路図である。本構成例のスイッチング電源装置1は、半導体装置10と、半導体装置10に外付けされる種々のディスクリート部品(バイパスコンデンサ20、出力インダクタ30、及び、出力コンデンサ40)とを有する。スイッチング電源装置1は、スイッチング出力段(本図の例では、半導体装置10に集積化された出力トランジスタ11H及び同期整流トランジスタ11Lと、半導体装置10に外付けされた出力インダクタ30及び出力コンデンサ40)を用いて電源電圧Vccを降圧することにより、所望の出力電圧Voを生成する。
半導体装置10は、スイッチング電源装置1の一部として機能するICないしはLSIであり、出力トランジスタ11H及び同期整流トランジスタ11Lと、上側ドライバ12H及び下側ドライバ12Lと、を含む。なお、半導体装置10には、不図示の制御回路や異常保護回路も集積化されている。
また、半導体装置10は、装置外部との電気的な接続を確立するための手段として、複数の外部端子(本図の例では、スイッチ端子T10、電源端子T11、及び、接地端子T12)を有する。スイッチ端子T10は、スイッチライン70を外部接続するための外部端子である。電源端子T11は、電源ライン50を外部接続するための外部端子である。接地端子T12は、接地ライン60を外部接続するための外部端子である。
出力トランジスタ11Hは、スイッチング出力段の上側スイッチとして機能するPMOSFET[P channel type metal oxide semiconductor field effect transistor]である。出力トランジスタ11Hのソースとバックゲートは、電源端子T11に内部接続されている。出力トランジスタ11Hのドレインは、スイッチ端子T10に内部接続されている。出力トランジスタ11Hのゲートは、上側ゲート信号GHの印加端(上側ドライバ12Hの出力端)に接続されている。出力トランジスタ11Hは、上側ゲート信号GHがハイレベルであるときにオフし、上側ゲート信号GHがローレベルであるときにオンする。
同期整流トランジスタ11Lは、スイッチング出力段の下側スイッチとして機能するNMOSFET[N channel type MOSFET]である。同期整流トランジスタ11Lのソースとバックゲートは、接地端子T12に内部接続されている。同期整流トランジスタ11Lのドレインは、スイッチ端子T10に内部接続されている。同期整流トランジスタ11Lのゲートは、下側ゲート信号GLの印加端(下側ドライバ12Lの出力端)に接続されている。同期整流トランジスタ11Lは、下側ゲート信号GLがハイレベルであるときにオンし、下側ゲート信号GLがローレベルであるときにオフする。
スイッチング出力段では、出力トランジスタ11Hと同期整流トランジスタ11Lが相補的にオン/オフされる。このようなオン/オフ動作により、スイッチ端子T10(ないしスイッチライン70)には、電源電圧Vccと接地電圧GNDとの間でパルス駆動される矩形波状のスイッチ電圧Vswが生成される。なお、本明細書中における「相補的」という文言は、出力トランジスタ11Hと同期整流トランジスタ11Lのオン/オフ状態が完全に逆転している場合だけでなく、両トランジスタの同時オフ期間(デッドタイム)が設けられている場合も含む。
また、スイッチング出力段では、上記の同期整流方式に限らず、同期整流トランジスタ11Lに代えて整流ダイオードを用いたダイオード整流方式を採用してもよい。また、スイッチング出力段に用いるスイッチ素子については、MOSFETに限定されるものではなく、GaNパワーデバイスやその他のパワー素子であってもよい。
上側ドライバ12Hは、電源端子T11と接地端子T12との間に接続されており、不図示の制御回路から入力される上側ドライバ制御信号に応じて上側ゲート信号GHを生成する。
下側ドライバ12Lは、電源端子T11と接地端子T12との間に接続されており、不図示の制御回路から入力される下側ドライバ制御信号に応じて下側ゲート信号GLを生成する。
なお、上側ドライバ12Hと接地端子T12との間を接続する内部配線、及び、下側ドライバ12Lと電源端子T11との間を接続する内部配線には、寄生抵抗成分13a及び13bが各々付随している。また、電源端子T11、スイッチ端子T10、及び、接地端子T12には、寄生インダクタンス成分14x〜14zが各々付随している。
バイパスコンデンサ20は、半導体装置10の電源変動を抑制するための手段であり、電源ライン50と接地ライン60との間に接続されている。なお、バイパスコンデンサ20には、キャパシタンス成分21のほかに、等価直列抵抗成分22と等価直列インダクタンス成分23が含まれている。バイパスコンデンサ30としては、素子サイズが小さく、等価直列抵抗成分22や等価直列インダクタンス成分23が小さく、かつ、動作温度範囲の広い積層セラミックコンデンサなどを用いることが望ましい。
出力インダクタ30と出力コンデンサ40は、スイッチ電圧Vswを整流及び平滑して出力電圧Voを生成するLCフィルタを形成する。出力インダクタ30の第1端は、スイッチライン70に接続されている。出力インダクタ30の第2端と出力コンデンサ40の第1端は、いずれも出力ライン80に接続されている。出力コンデンサ40の第2端は、接地ライン60に接続されている。なお、出力インダクタ30には、インダクタンス成分31のほかに、等価直列抵抗成分32が含まれている。また、出力コンデンサ40には、キャパシタンス成分41のほかに、等価直列抵抗成分42と等価直列インダクタンス成分43が含まれている。
電源ライン50は、電源電圧Vccの印加端と電源端子T11との間を電気的に接続するためのプリント配線である。電源ライン50には、寄生インダクタンス成分51と寄生抵抗成分52が付随している。
接地ライン60は、接地端(接地電圧GNDの印加端)と接地端子T12との間を電気的に接続するためのプリント配線である。接地ライン60には、寄生インダクタンス成分61と寄生抵抗成分62が付随している。
スイッチライン70は、出力インダクタ30の第1端とスイッチ端子T10との間を電気的に接続するためのプリント配線である。スイッチライン70には、寄生インダクタンス成分61と寄生抵抗成分62が付随している。
出力ライン80は、出力インダクタ30の第2端及び出力コンデンサ40の第1端と出力電圧Voの出力端との間を電気的に接続するためのプリント配線である。出力ライン80にも、他のプリント配線と同様、寄生インダクタンス成分と寄生抵抗成分が付随している。ただし、本図では、図示の便宜上、その描写が省略されている。
<グリッドレイアウト(第1実施形態)>
図2は、半導体装置10のパッケージ底面におけるグリッドレイアウトの第1実施形態を示す透過上面図である。本図において、プリント配線基板100上にパターニングされた電源ライン50、接地ライン60、スイッチライン70、及び、出力ライン80は、いずれも実線で描写されている。一方、半導体装置10、バイパスコンデンサ20、出力インダクタ30、及び、出力コンデンサ40は、いずれも破線で透過的に描写されている。
本図で示すように、半導体装置10は、グリッドアレイパッケージを採用しており、複数の外部端子がパッケージの底面でアレイ状に並べられている。特に、出力トランジスタ11Hと同期整流トランジスタ11Lのオン/オフに伴って大電流が流れるスイッチ端子T10、電源端子T11、及び、接地端子T12については、それぞれが複数個ずつ(本図の例では、スイッチ端子T10が12個、電源端子T11が8個、接地端子T12が4個)設けられており、それぞれが半導体装置10の内部で共通に接続されている。
このように、大電流が流れる外部端子を複数並列に設けて外部端子群を形成することにより、単一の外部端子に大電流を流す構成と比べて、電流経路を複数に分散することができるので、外部端子やこれに導通する配線層への電流集中を緩和することが可能となる。
なお、基本的には、一つの外部端子群に含まれる外部端子数を増やすほど、電流経路の本数が増えるので、電流分散効果を高めることが可能である。ただし、グリッドレイアウトの検討が不十分である場合には、外部端子数に見合うだけの電流分散効果を得られないおそれもある。
図3は、電流集中時の挙動を示す半導体装置10の透過上面図である。本図では、電源ライン50からスイッチライン70に流れる電流が一部のスイッチ端子T10(=ハッチングが付された2個のスイッチ端子T10)に集中してしまう様子を示している。
なお、複数の電源端子T11は、出力トランジスタ11Hのオン時において、装置外部から電流の入力を受け付けるための第1外部端子群として機能する。一方、同期整流トランジスタ11Lのオン時には、複数の接地端子T12が上記の第1外部端子群として機能する。また、複数のスイッチ端子T10は、出力トランジスタ11Hのオン時と同期整流トランジスタ11Lのオン時の双方において、装置外部に電流を出力するための第2外部端子群として機能する。
本図のグリッドレイアウトにおいて、電源端子T11は、パッケージ底面の一角を占めるように、長方形状(2行×2列)の配列パターンで並べられている。また、接地端子T12は、パッケージ底面の別の一角を占めるように、正方形状(2行×2列)の配列パターンで並べられている。一方、スイッチ端子T10は、電源端子T11と接地端子T12との間に挟まれるように、L字状の配列パターンで並べられている。
ただし、12個も設けられているスイッチ端子T10のうち、電源端子T11に隣接しているのは、僅かに2個だけ(=ハッチングが付された2個のスイッチ端子T10)である。そのため、例えば、電源端子T11から出力トランジスタ11H(本図では不図示)を介してスイッチ端子T10に至る電流は、12個全てのスイッチ端子T10に均一分散して流れるのではなく、上記2個のスイッチ端子T10に集中して流れることになる(本図中のハッチング付き矢印を参照)。
すなわち、電源端子T11に隣接していない10個のスイッチ端子T10は、それぞれの電流分散効果を十全に果たしておらず、8個の電源端子T11に対してスイッチ端子T10が2個しか設けられていない場合とさほど変わりがない状況となっている。
なお、接地端子T12とスイッチ端子T10との関係も上記と同様であり、12個設けられているスイッチ端子T10のうち、接地端子T12に隣接する4個以外については、それぞれの電流分散効果を十全に果たすことができていない。
図4は、電流集中時の挙動を概念的に示す半導体装置10の縦断面図である。本図中の白抜き矢印は、電源端子T11から出力トランジスタ11Hを介してスイッチ端子T10に流れる電流を示しており、矢印の太さは電流の大きさを示している。
本図で示したように、半導体装置10は、出力トランジスタ11Hを集積化した半導体基板10xと、半導体基板10x上に複数積層された配線層10yと、を有する。配線層10yは、電源端子T11と出力トランジスタ11Hとの間、及び、スイッチ端子T10と出力トランジスタ11Hとの間をそれぞれ電気的に導通する。なお、各配線層間は、層間ビアを介して電気的に導通されている。
また、本図では明示されていないが、接地端子T12と同期整流トランジスタ11Lとの間、及び、スイッチ端子T10と同期整流トランジスタ11Lとの間にも、上記と同様の配線層が形成されている。
ここで、複数の電源端子T11から特定のスイッチ端子T10(本図の例では左から2つ目)に集中して電流が流れる状況では、当然のことながら配線層10yの電流分布も不均一となる。このような状況下では、配線層10y全体に均一的な負荷が掛かるのではなく、電流集中部分にのみ局所的な負荷が掛かる。そのため、当該部分が他の部分よりも早く劣化するので、半導体装置10の製品寿命を損うおそれがある。
<グリッドレイアウト(第2実施形態)>
図5は、半導体装置10のパッケージ底面におけるグリッドレイアウトの第2実施形態を示す透過上面図である。本図において、プリント配線基板100上にパターニングされた電源ライン50、接地ライン60、スイッチライン70、及び、出力ライン80は、いずれも実線で描写されている。一方、半導体装置10、バイパスコンデンサ20、出力インダクタ30、及び、出力コンデンサ40は、いずれも破線で透過的に描写されている。
本図で示すように、第2実施形態のグリッドレイアウトにおいて、装置外部から電流の入力を受け付けるための第1外部端子群(電源端子T11及び接地端子T12がこれに相当)と、装置外部に電流を出力するための第2外部端子群(スイッチ端子T10がこれに相当)は、それぞれの配列パターン同士が互いに咬み合うようにレイアウトされている。
より具体的に述べると、第1外部端子群と第2外部端子群は、いずれも櫛歯状の配列パターンでパッケージ底面に並べられており、かつ、各配列パターンの凸部と凹部とが互いに組み合うようにレイアウトされている。
このようなグリッドレイアウトを採用することにより、ハッチングを付された5個のスイッチ端子T10が電源端子T11に隣接している状態となる。従って、先の第1実施形態(図3)と比べてより多くのスイッチ端子T10に電流が分散して流れることになる。
なお、接地端子T12とスイッチ端子T10との関係も上記と同様であり、先の第1実施形態(図3)と比べて電流分散効果を高めることが可能となる。
図6は、電流集中解消時の挙動を概念的に示す半導体装置10の縦断面図である。本図中の白抜き矢印は、電源端子T11から出力トランジスタ11Hを介してスイッチ端子T10に流れる電流を示しており、矢印の太さは電流の大きさを示している。
本図で示したように、電源端子T11からスイッチ端子T10への電流が均等に分散される状況では、配線層10yの電流分布も均一となる。その結果、配線層10y全体に均一的な負荷が掛かるようになるので、配線層10yの局所的な劣化を生じ難くなり、延いては、半導体装置10の製品寿命を延ばすことが可能となる。
<配列パターン>
図7〜図10は、それぞれ、配列パターンのバリエーションを示す図である。外部端子群の配列パターンは、先の図5で示した櫛歯状に限らず、例えば、図7の十字状、図8のS字状、図9のT字状、または、図10のL字状、若しくは、これらを組み合わせた形状を採用することができる。
なお、上記で例示した外部端子群の配列パターンについては、電流分布の均一化効果を最大限に得るべく、互いに隣接する外部端子数の比(例えば、T10:T11、または、T10:T12)ができるだけ1対1となるように、最適な配列パターンの選定や組み合わせを行うことが望ましい。
<ICパッケージ>
図11〜図13は、それぞれ、ICパッケージのバリエーションを示す図である。
図11にはPGA[pin grid array]パッケージが描写されている。半導体装置10をPGAパッケージとした場合、半導体装置10の外部端子(スイッチ端子T10、電源端子T11、及び、接地端子T12など)がピンとなり、各々がパッケージの底面でアレイ状に並べられる。
図12にはBGA[ball grid array]パッケージが描写されている。半導体装置10をBGAパッケージとした場合には、半導体装置10の外部端子が半田ボールとなり、各々がパッケージの底面でアレイ状に並べられる。
図13にはLGA[land grid array]パッケージが描写されている。半導体装置10をLGAパッケージとした場合には、半導体装置10の外部端子が電極パッドとなり、各々がパッケージの底面でアレイ状に並べられる。
<電子機器への適用例>
図14〜図16は、それぞれ、半導体装置10を有する電子機器のバリエーションを示す図である。
図14の電子機器Aは、半導体装置10に集積化ないしは外部接続されるスイッチング出力段を用いて電源電圧Vccから所望の出力電圧Voを生成するスイッチング電源装置A1と、出力電圧Voの供給を受けて動作する負荷A2とを有する。半導体装置10は、スイッチング電源装置A1の一部として機能する。このように、電子機器Aは、先の実施形態と同様の適用例であると言える。
図15の電子機器Bは、半導体装置10に集積化ないしは外部接続されるスイッチング出力段を用いてデジタル信号Sdを送信する送信装置B1と、デジタル信号Sdを受信する受信装置B2とを有する。半導体装置10は、送信装置B1の一部として機能する。
図16の電子機器Cは、半導体装置10に集積化ないしは外部接続されるスイッチング出力段を用いてモータ駆動信号U、V、Wを生成するモータ駆動装置C1と、モータ駆動信号U、V、Wの供給を受けて回転するモータC2とを有する。半導体装置10は、モータ駆動装置C1の一部として機能する。
このように、半導体装置10は種々のアプリケーションに適用することが可能である。
図17は、スマートフォンの外観図である。スマートフォンXは、図14で示した電子機器Aの一例であり、半導体装置10を用いたスイッチング電源装置A1を好適に搭載することが可能である。
<その他の変形例>
なお、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
本明細書中に開示されている発明は、例えば、大電流を取り扱う低電圧駆動の半導体装置を長寿命化する手法として好適に利用することが可能である。
1 スイッチング電源装置
10 半導体装置
10x 半導体基板
10y 配線層
11H 出力トランジスタ(スイッチング出力段の上側スイッチ)
11L 同期整流トランジスタ(スイッチング出力段の下側スイッチ)
12H 上側ドライバ
12L 下側ドライバ
13a、13b 寄生抵抗成分
14x、14y、14z 寄生インダクタンス成分
20 バイパスコンデンサ
21 キャパシタンス成分
22 等価直列抵抗成分
23 等価直列インダクタンス成分
30 出力インダクタ
31 インダクタンス成分
32 等価直列抵抗成分
40 出力コンデンサ
41 キャパシタンス成分
42 等価直列抵抗成分
43 等価直列インダクタンス成分
50 電源ライン
60 接地ライン
70 スイッチライン
51、61、71 寄生インダクタンス成分
52、62、72 寄生抵抗成分
80 出力ライン
100 プリント配線基板
T10 スイッチ端子
T11 電源端子
T12 接地端子
A、B、C 電子機器
A1 スイッチング電源装置
A2 負荷
B1 送信装置
B2 受信装置
C1 モータ駆動装置
C2 モータ
X スマートフォン

Claims (9)

  1. 上側スイッチ素子と、
    下側スイッチ素子と、
    パッケージの底面でアレイ状に並べられた複数の外部端子と、
    を有し、
    前記複数の外部端子は、
    前記上側スイッチ素子の第1端に接続される電源端子群と、
    前記下側スイッチ素子の第2端に接続される接地端子群と、
    前記上側スイッチ素子の第2端及び前記下側スイッチ素子の第1端に接続されるスイッチ端子群と、
    を含み、
    前記電源端子群、前記接地端子群、及び、前記スイッチ端子群は、それぞれ、前記パッケージの底面視において、各群に含まれる複数の外部端子が互いに縦または横のいずれかで隣接した一連の塊として複数の群に分割されることなくレイアウトされており、かつ、前記電源端子群及び前記スイッチ端子群それぞれの配列パターン同士、並びに、前記接地端子群及び前記スイッチ端子群それぞれの配列パターン同士が互いに咬み合うようにレイアウトされていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記配列パターンは、櫛歯状、十字状、S字状、T字状、または、L字状、若しくは、これらを組み合わせた形状であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記複数の外部端子は、いずれも、ピン、半田ボール、または、電極パッドであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記電源端子群と前記上側スイッチ素子との間、前記接地端子群と前記下側スイッチ素子との間、並びに、前記スイッチ端子群と前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子との間をそれぞれ電気的に導通する配線層をさらに有することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記配線層は、複数積層されていることを特徴とする請求項に記載の半導体装置。
  6. 請求項〜請求項のいずれか一項に記載の半導体装置を有することを特徴とする電子機器。
  7. 前記半導体装置は、前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子を用いて電源電圧から所望の出力電圧を生成する電源装置の一部として機能することを特徴とする請求項に記載の電子機器。
  8. 前記半導体装置は、前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子を用いてデジタル信号を送信する送信装置の一部として機能することを特徴とする請求項に記載の電子機器。
  9. 前記半導体装置は、前記上側スイッチ素子及び前記下側スイッチ素子を用いてモータを駆動するモータ駆動装置の一部として機能することを特徴とする請求項に記載の電子機器。
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