(57)【要約】      （修正有）【課題】マルチチップモジュール（ＭＣＭ）パワー・カッド・フラット・ノーリード（ＰＱＦＮ）半導体パッケージの効率的な設計及び動作をサポートするためにユニークで費用効率が高く信頼できる解決法を提供する。【解決手段】リードフレーム１６０と、前記リードフレームに結合されたドライバ集積回路（ＩＣ）１３０と、該リードフレームに結合された複数の縦導通型パワーデバイス１４０ａ〜ｆと、電気的相互接続を与える複数のワイヤボンドとを備え、該複数のワイヤボンドは、該複数の縦導通型パワーデバイスの一つの上面電極から該リードフレームの一部分への少なくとも一つのワイヤボンドを含み、該リードフレームの一部分は該複数の縦導通型パワーデバイスの別の一つの底面電極に電気的に接続されており、ＰＱＦＮパッケージにおいて低コストのリードフレームを用いてマルチチップ回路の効率的な相互接続ができる。【選択図】図１Ａ
2014060402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のダイパッドを備えるリードフレームと、
前記リードフレームの第１のダイパッドに結合されたドライバ集積回路（ＩＣ）と、
前記リードフレームの第２のダイパッドに結合された第１群の縦導通型パワーデバイス及び前記リードフレームの対応するダイパッドに個別に結合された第２群の縦導通型パワーデバイスを含む複数の縦導通型パワーデバイスと、
前記ドライバＩＣ、前記複数の縦導通型パワーデバイス及び前記リードフレームの複数の外部リードの間の電気的相互接続を与える複数のワイヤボンドとを備え、前記第１群の縦導通型パワーデバイスの一つの上面電極が前記第２群の縦導通型パワーデバイスの一つの底面電極に電気的に接続されている、
ことを特徴とするパワー・カッド・フラット・ノーリード（ＰＱＦＮ）半導体パッケージ。
【請求項２】
前記パッケージはフルブリッジパワーデバイスとして構成されている、請求項１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【請求項３】
前記リードフレームは接着性向上のために選択的に銀でめっきされている、請求項１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【請求項４】
前記第１群の縦導通型パワーデバイスは前記パッケージの第１の端縁の近くに置かれ、前記第２群の縦導通型パワーデバイスは前記パッケージの第２の端縁の近くに置かれている、請求項１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【請求項５】
前記複数の縦導通型パワーデバイスは６個であり、前記第１群の縦導通型パワーデバイスは３個であり、前記第２群の縦導通型パワーデバイスは３個である、請求項１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【請求項６】
前記複数の縦導通型パワーデバイスはパワーＭＯＳＦＥＴを含む、請求項１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【請求項７】
前記複数の縦導通型パワーデバイスはＩＧＢＴを含む、請求項１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【請求項８】
前記パッケージの厚さは０．９ｍｍ以下である、請求項１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【請求項９】
前記パッケージのフットプリントは１２ｍｍ×１２ｍｍ以下である、請求項１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【請求項１０】
前記複数のワイヤボンドは前記複数の縦導通型パワーデバイスの電源電極への接続のためにボンド・ステッチ・オン・ボール（ＢＳＯＢ）銅ボンドを含む、請求項１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【請求項１１】
リードフレームと、
前記リードフレームに結合されたドライバ集積回路（ＩＣ）と、
前記リードフレームに結合された複数の縦導通型パワーデバイスと、
前記ドライバＩＣ、前記複数の縦導通型パワーデバイス及び前記リードフレームの複数の外部リードの間の電気的相互接続を与える複数のワイヤボンドとを備え、前記複数のワイヤボンドは、前記複数の縦導通型パワーデバイスの一つの上面電極から前記リードフレームの一部分への第１のワイヤボンドを含み、前記リードフレームの一部分は前記複数の縦導通型パワーデバイスの別の一つの底面電極に電気的に接続されている、
ことを特徴とするパワー・カッド・フラット・ノーリード（ＰＱＦＮ）半導体パッケージ。
【請求項１２】
前記パッケージはフルブリッジパワーデバイスとして構成されている、請求項１１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【請求項１３】
前記リードフレームは接着性向上のために選択的に銀でめっきされている、請求項１１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【請求項１４】
前記複数の縦導通型パワーデバイスは、前記パッケージの第１の端縁の近くの単一のダイパッド上に置かれた第１の群と前記パッケージの第２の端縁の近くの個別のダイパッド上に置かれた第２の群に分けられ、前記第１の群は前記複数の縦導通型パワーデバイスの前記一つを含み、前記第２の群は前記複数の縦導通型パワーデバイスの前記別の一つを含む、請求項１１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【請求項１５】
前記複数の縦導通型パワーデバイスは６個である、請求項１１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【請求項１６】
前記複数の縦導通型パワーデバイスはパワーＭＯＳＦＥＴを含む、請求項１１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【請求項１７】
前記複数の縦導通型パワーデバイスはＩＧＢＴを含む、請求項１１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【請求項１８】
前記パッケージの厚さは０．９ｍｍ以下である、請求項１１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【請求項１９】
前記パッケージのフットプリントは１２ｍｍ×１２ｍｍ以下である、請求項１１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【請求項２０】
前記第１のワイヤボンドはボンド・ステッチ・オン・ボール（ＢＳＯＢ）銅ボンドを含む、請求項１１記載のＰＱＦＮ半導体パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、2010年12月13日に出願された、“Low Cost Leadframe Based High power Density Full Bridge Power device”なる名称の米国継続特許仮出願第６１／４５９，５２７号の優先権の利益を主張するものである。上記の継続特許仮出願の全内容を引用することにより本明細書に組み込まれるものとする。
【０００２】
本発明は一般に半導体デバイスに関する。より詳しくは、本発明は半導体デバイスのマルチチップパッケージングに関する。
【背景技術】
【０００３】
数個の半導体コンポーネントを単一パッケージ内に収容するパッケージは、関連及び独立の回路コンポーネントを近接近して維持することによって、回路設計の簡略化、コストの低減を促進するとともに、より高い効率及び向上した性能をもたらすことができる。これらの集積マルチチップデバイスパッケージは、個別のコンポーネントの使用と比較して、アプリケーションの統合及びより高い電気的及び熱的性能を容易にする。このトレンドはより大きな集積回路に向けられ、パワー・カッド・フラット・ノーリード（power quad flat no-lead＝ＰＱＦＮ）パッケージの開発及び使用をもたらしている。このパッケージは１２ｍｍ×１２ｍｍのような大きなフォームファクタでマルチチップモジュール（ＭＣＭ）を備えることができる。ＰＱＦＮパッケージの底面上に大きな面積のダイパッドを露出させることによって、効率的な熱消散を要求する高電力密度の回路アプリケーションに最適な性能にすることができる。
【０００４】
ＰＱＦＮパッケージの利点の一つは、ベース材料に高価な多層基板ではなく簡単で低コストのリードフレームを使用するので、製造コストが低いことにある。しかし、この単層構造の結果として、電気的配線及びルーティングが、特に１２ｍｍ×１２ｍｍのフォームファクタで支持されるより大きくより複雑なマルチチップモジュールに対して難しくなる。多層基板を用いてパワーＭＯＳＦＥＴ及びＩＧＢＴなどのパワーデバイスを直接相互制御するパッケージ設計は簡単な単層リードフレームを使用することはできない。上面電気的相互接続の多くはワイヤボンドによらなければならないため、配線レイアウトは配線短絡をさせないように注意深く設計しなければならない。パッケージの厚さを大きくすることにより配線短絡の危険を減少できるが、これは多くの場合パッケージクラッキングの危険が増大するので、パケットの信頼性を維持するために望ましくない。
【発明の概要】
【０００５】
したがって、ＭＣＭ・ＰＱＦＮパッケージの効率的な設計及び動作をサポートするためにユニークで費用効率が高く信頼できる解決法が必要とされている。
【０００６】
電気的相互接続のためにリードフレームを使用するマルチチップモジュール（ＭＣＭ）パワー・カッド・フラット・ノーリード（ＰＱＦＮ）半導体パッケージが図面の少なくとも一つに示され且つ又関連して明細書で説明され、特許請求の範囲により完全に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】本発明の一実施例による半導体パッケージの上面図を示す。
【図１Ｂ】本発明の一実施例によるワイヤボンドを含む半導体パッケージの上面図を示す。
【図１Ｃ】本発明の一実施例による半導体パッケージの底面図を示す。
【図２】本発明の一実施例による半導体パッケージの一部分の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本願は電気的相互接続のためにリードフレームを使用するマルチチップモジュール（ＭＣＭ）パワー・カッド・フラット・ノーリード（ＰＱＦＮ）半導体パッケージに関する。以下の記載は本発明の実施に関連する具体的情報を含む。当業者は、本願に具体的に説明される実施形態とは異なる態様に実施することができることを認識されよう。更に、本発明の具体的な細部の一部については本発明を不明瞭にしないために説明を省略した。本願に記載されない具体的詳細は当業者の知識の範囲内である。
【０００９】
本願の図面及びそれらの付随の詳細な説明は本発明の単なる代表的な実施形態を対象にしている。簡潔さを維持するために、本発明の他の実施形態は具体的に説明されておらず、また図面に具体的に示されていない。
【００１０】
図１Ａは本発明の一実施例による半導体パッケージの上面図を示す。本例では、半導体パッケージは１２ｍｍ×１２ｍｍのＰＱＦＮパッケージ（１２ｍｍ×１２ｍｍのフットプリントを有する）を備えることができ、このパッケージは番号が付けられた２７個の外部リード、即ち外部リード１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１，４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７を有する。しかし、代替実施例は、用途により必要とされるとおり、異なるパッケージサイズを使用し、異なる数の外部リードを含むことができる。
【００１１】
図１Ａに示されるように、ドライバ集積回路（ＩＣ）、即ちドライバＩＣ１３０、はパッケージ内に中心に置かれる。ドライバＩＣ１３０はフルブリッジ構成の６個のパワーデバイスを駆動するのに好適な高電圧ＩＣ（ＨＶＩＣ）、例えばインターナショナル・レクティファイヤ・コーポレーション（登録商標）から入手し得る「第５世代」ＨＶＩＣ、を備えることができる。従って、ドライバＩＣ１３０は縦導通型パワーデバイス１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、１４０ｅ及び１４０ｆのそれぞれのゲート電極１４１ａ、１４１ｂ，１４１ｃ，１４１ｄ，１４１ｅ及び１４１ｆに接続することができ、これらのパワーデバイスは、例えばファーストリバース・エピタキシャル・ダイオード・電界効果トランジスタ（ＦＲＥＤＦＥＴ）のようなパワー金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ）又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を備えることができる。例えば、縦導通型パワーデバイス１４０ａ−１４０ｃはフルブリッジパワーデバイスのハイサイドＦＥＴを構成するＭＯＳＦＥＴデバイスを備えることができ、縦導通型パワーデバイス１４０ｄ−１４０ｆはフルブリッジパワーデバイスのローサイドＦＥＴを構成するＭＯＳＦＥＴデバイスを備えることができる。
【００１２】
明瞭のために、ドライバＩＣ１３０と縦導通型パワーデバイス１４０ａ−１４０ｆとの間の接続を提供し得るワイヤボンドは図１Ａから省略されている。更に、フルブリッジパワーデバイスを提供するパッケージが図に示されているが、代替実施例は特定の用途に必要とされる他のパッケージデバイス構成を提供することができる。
【００１３】
リードフレーム１６０はオリン・ブラス（登録商標）から入手し得る銅（Ｃｕ）合金Ｃ１９４のような高い熱及び電気伝動率を有する材料で構成することができる。図１Ｃと関連して更に説示するように、最適な電気伝導率及び熱消散のためにリードフレーム１６０の底面の大きな部分を露出させることができる。リードフレーム１６０の上面はデバイスダイ及びワイヤへの付着強化用の材料で選択的にめっきすることもできる。例えば、めっき部１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃ，１５０ｄ，１５０ｅ，１５０ｆ及び１５０ｇはリードフレーム１６０に選択的に被着された銀（Ａｇ）めっきとすることができ、この銀めっきはＱＰＬリミテッドなどの会社から入手できる。モールドコンパウンド１６５は日立ケミカル（登録商標）から入手し得る低い曲げ弾性率のコンパウンドを含むことができる。
【００１４】
図１Ａに示されるように、縦導通型パワーデバイス１４０ａ−１４０ｃはパワーの上端縁の近くに位置する同じダイパッドを共用し、めっき部１５０ａを経てリードフレーム１６０に結合される。従って、ハイサイドＭＯＳＦＥＴのボトムドレイン電極はすべて同じダイパッドに一緒に接続される。他方、ローサイドＭＯＳＦＥＴを備える縦導通型パワーデバイス１４０ｄ−１４０ｆはそれぞれパワーの右端縁の近くに位置する個別のダイパッドに置かれる。縦導通型パワーデバイス１４０ａ−１４０ｃの底面をめっき部１５０ａに取り付けるため、縦導通型パワーデバイス１４０ａ−１４０ｃの底面をめっき部１５０ａに取り付けるため、縦導通型パワーデバイス１４０ｄの底面をめっき部１５０ｄに取り付けるため、縦導通型パワーデバイス１４０ｅの底面をめっき部１５０ｃに取り付けるため、縦導通型パワーデバイス１４０ｆの底面をめっき部１５０ｂに取り付けるため、及びドライバＩＣ１３０をめっき部１５０ｇに取り付けるために、ヘンケルコーポレーションから入手し得る銀充填ＱＭＩ５２９ＨＴなどのはんだ又は導電性接着剤を使用することができる。
【００１５】
ドライバＩＣ１３０及び縦導通型パワーデバイス１４０ａ−１４０ｆは電気伝導性にとって最適な態様でパッケージ内に定置される。図１Ａのフルブリッジパッケージ回路を完成するために、ソース電極１４２ａを縦導通型パワーデバイス１４０ｄのドレイン電極に接続し、ソース電極１４２ｂを縦導通型パワーデバイス１４０ｅのドレイン電極に接続し、ソース電極１４２ｃを縦導通型パワーデバイス１４０ｆのドレイン電極に接続し、ソース電極１４２ｄ，１４２ｅ及び１４２ｆを一緒に結合する必要がある。しかし、必要な接続を付与するようにワイヤを直接配線すること（ルーティング）はワイヤ交差及び潜在的なワイヤ短絡を生じ得る。更に、パッケージは高電力用を目標としているため、必要とされる長い配線長は電気的及び熱的性能に悪影響を与え得る。
【００１６】
そこで、図１Ｂに戻り説明すると、図１Ｂは本発明の一実施例によるワイヤボンドを含む半導体パッケージの上面図を示す。図１Ｂに示されるように、ゲート配線用、電流検知用及び他のＩ／Ｏ機能用には、典型的なワイヤボンド１７０ｂで示されるような細いワイヤが使用される。これらのワイヤは、例えば直径１．３ミルのＧ１タイプの金（Ａｕ）ワイヤとすることができる。パワー接続用には典型的なワイヤボンド１７０ａにより示されるような太いワイヤが使用される。これらのワイヤは直径２．０ミルの銅（Ｃｕ）ワイヤ、例えばクリッケ・アンド・ソッファ（登録商標）から入手し得るMaxsoft（登録商標）ＬＤワイヤとすることができる。ワイヤボンド１７０ａのような太いワイヤはボンド・ステッチ・オン・ボール（ＢＳＯＢ）ボンディングを用いてボンドすることができる。図１Ｂに示されるように、追加の電流処理能力を与えるために複数のワイヤボンド、例えば２つのワイヤボンドを並列に設置することができる。
【００１７】
従って、図１Ａから回路を完成し外部リード１−２７に至る所要の接続は図１Ｂに示されるワイヤボンド及びリードフレーム１６０により与えられる。ゲート電極１４１ａ−１４１ｆの各々は金のワイヤボンドを用いてドライバＩＣ１３０に直接接続される。縦導通型パワーデバイス１４０ｃ及び１４０ｆはすでに近接近位置にあるため、１対の銅ワイヤを用いてソース電極１４２ｃとめっき部１５０ｂとの間に直接ワイヤボンドを行うことができる。
【００１８】
しかし、もっと離れたデバイス間の接続には、リードフレーム１６０による配線を用いるのが有利である。リードフレーム１６０は銅合金のような高い伝導率の材料で構成されるため、リードフレーム１６０は直接ワイヤ配線に比較してはるかに効率的な導電通路を提供することができる。加えて、ワイヤ交差によるワイヤ短絡の危険のような問題も避けられる。
【００１９】
例えば、ソース電極１４２ｂを縦導通型パワーデバイス１４０ｅのドレイン電極に接続するために、１対の太い銅ワイヤがソース電極１４２ｂの上面とめっき部１５０ｅの上面との間にボンドされる。この接続は、以下に説明される図２に詳細に示され、この図は線１０２で切断されたスライスの断面図を示す。めっき部１５０ｅの下のリードフレーム１６０はそこからめっき部１５０ｃにつながっており、縦導通型パワーデバイス１４０ｅのドレイン電極への接続を完成する。同様に、ソース電極１４２ａは１対の太いワイヤを経てめっき部１５０ｆにボンドされ、めっき部１５０ｆはそこからリードフレーム１６０を経て、縦導通型パワーデバイス１４０ｄのドレイン電極に接続されためっき部１５０ｄにつながっている。従って、パッケージを完成するために必要な電気的接続がリードフレームを配線装置として用いることによって与えられ、交差ワイヤボンドを有利に避けることができる。
【００２０】
図１Ｃに進むと、図１Ｃは本発明の一実施例による半導体パッケージの底面図を示す。図１Ｂに示すパッケージを反転すると、リードフレームの露出部分が見え、図１Ｃに示すレイアウトを見ることができる。例えば、リードフレーム部分１６０ａは図１Ｂに示されるめっき部１５０ａの外形に対応し、リードフレーム部分１６０ｂは図１Ｂに示されるめっき部１５０ｅの外形に対応する。従って、パッケージリードフレームの大部分が効率的な熱消散及び電気伝導率のために底面に露出される。露出表面部分も例えば錫（Ｓｎ）でめっきすることができる。それに応じて対応ランド部を備えるプリント回路盤（ＰＣＢ）を設計することによって、効率的な設計のＰＱＦＮパッケージを有利に利用することができる。
【００２１】
図２につき検討すると、図２は本発明の一実施例による半導体パッケージの一部分の断面図を示す。もっと正確に言うと、この断面図は図１Ｂの線１０２上の断面に相当する。図２において、リードフレーム２６０ａ及び２６０ｂは図１Ｃのリードフレーム１６０ａ及び１６０ｂに対応し、縦導通型パワーデバイス２４０ｂは図１Ｂの縦導通型パワーデバイス１４０ｂに対応し、ソース電極２４２ｂは図１Ｂのソース電極１４２ｂに対応し、めっき部２５０ａは図１Ｂのめっき部１５０ａに対応し、めっき部２５０ｅは図１Ｂのめっき部１５０ｅに対応し、モールドコンパウンド２６５は図１Ｂのモールドコンパウンド１６５に対応する。図２は必ずしも一定の寸法比で描かれていない点に注意されたい。
【００２２】
図２に示されるように、縦導通型パワーデバイス２４０ｂのドレイン電極２４３ｂは導電性接着剤２３５及びめっき部２５０ａを経てリードフレーム部分２６０ａに結合される。先に述べたように、導電性接着剤２３５はＱＭＩ５２９ＨＴなどの銀充填接着剤とすることができる。縦導通型パワーデバイス２４０ｂのソース電極２４２ｂはそこからワイヤボンド２７０ａ及びめっき部２５０ｅを経てリードフレーム部分２６０ｂに結合される。ワイヤボンド２７０ａはＢＳＯＢボンドされる直径２．０ミルの銅（Ｃｕ）ワイヤとすることができる。先に述べたように、追加の電流処理能力のために複数のワイヤボンドを設けることもできるが、図１Ｂに示す１対のワイヤボンドは互いに平行配置されるために、図２には示されていない。デバイスダイが接着され、ワイヤボンドが形成された後に、パッケージはモールドコンパウンド２６５を用いてカプセル封止することができる。パッケージクラッキングに対抗する弾性を与えるために、モールドコンパウンド２６５により決まるパッケージの高さ（又は暑さ）は、例えば０．９ｍｍ以下の薄さに維持できる。
【００２３】
従って、図２に示す断面は図１Ｂに示されるソース電極１４２ｂとめっき部１５０ｅを接続するワイヤボンド２７０ａにより与えられる電気的接続を示している。図２のリードフレーム２６０ｂに対応する図１ｂのリードフレーム部分１６０は右方向に延びてめっき部１５０ｅにつながり、それによって縦導通型パワーデバイス１４０ｅのドレインへの接続が完成する。ソース電極１４２ａを縦導通型パワーデバイス１４０ｄのドレインに接続するためにも同様の接続プロセスが適用される。
【００２４】
上に述べたように、電気的相互接続のためにリードフレームを用いるマルチチップモジュール（ＭＣＭ）パワー・カッド・フラット・ノーリード（ＰＱＦＮ）半導体パッケージを説明した。本発明によれば、多数のパワーデバイスを備える複雑なパッケージでも効率的な電気的相互接続手段として低コストのリードフレームを利用することによって集積化できる。本発明の革新的なパッケージは、従来のパッケージ技術よりもコンパクトなフォームファクタ、向上した電気的及び熱的伝導性、向上した信頼性及び費用効率のよい製造を可能にする。
【００２５】
本発明の上述の説明から、本発明のコンセプトは本発明の範囲から離れることなく種々の技術を用いて実現できること明らかである。更に、本発明を特に所定の実施例について説明したが、本発明の精神及び範囲から離れることなく本発明の構造及び細部に変更を加えることができることは当業者に認識されよう。従って、開示の実施例はすべての点で例示であり、非限定的であるとみなされたい。本発明は開示の特定の実施例に限定されず、本発明の範囲から逸脱することなく多くの再構成、変更及び置換が可能であることを理解されたい。
【図１Ａ】
2014060402.tif 000003
【図１Ｂ】
2014060402.tif 000004
【図１Ｃ】
2014060402.tif 000005
【図２】
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【外国語明細書】
2014060402000001.pdf