(57)【要約】      （修正有）【課題】パワー半導体デバイスの寄生インダクタンス、抵抗及び熱特性を低減したパッケージを提供する。【解決手段】D級増幅器の用途にあわせて調整されるパワー半導体ダイ１０と、半導体ダイの一方の表面上に第一パワー電極２２を有し、反対側の表面に第二パワー電極２６及び制御電極２８を有し、増幅器回路への低インダクタンス組み込みに用いられる導電性クリップ１２を有する半導体パッケージ５を備えた可聴周波数増幅器アッセンブリ。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
D級可聴周波数増幅に合わせて調整されるパワー半導体ダイと、導電クリップとを備えるパワーアッセンブリであって、
前記パワー半導体ダイの一方の表面上には第一パワー電極を有し、反対側の他方の表面上には第二パワー電極及び制御電極を有し、それぞれが対応の導電性パッドに対して直接的な電気的且つ機械的接続に対応するようになっており、
前記導電性クリップが、導電性接合剤により、前記第一パワー電極に電気的且つ機械的に取り付けられる内面と、導電性パッドに対する直接的な電気的、且つ機械的接続に対応するようになっている接続面とを有している、パワーアッセンブリ。
【請求項２】
前記パワー半導体ダイはパワーMOSFETである請求項1に記載のパワーアッセンブリ。
【請求項３】
前記導電性接合剤は半田である請求項1に記載のパワーアッセンブリ。
【請求項４】
前記半田は、無鉛半田である請求項3に記載のパワーアッセンブリ。
【請求項５】
前記導電性接合剤は導電性ポリマである請求項1に記載のパワーアッセンブリ。
【請求項６】
前記導電性ポリマは導電性エポキシである請求項5に記載のパワーアッセンブリ。
【請求項７】
前記クリップはカップ形状の缶である請求項1に記載のパワーアッセンブリ。
【請求項８】
前記クリップは、ウェブ部と、前記ダイから間隔をあけた取囲みリム部と、前記リム部から延びる少なくとも一つの突起とを有し、前記突起は前記接続面を有する請求項1に記載のパワーアッセンブリ。
【請求項９】
前記クリップは銅からなる請求項1に記載のパワーアッセンブリ。
【請求項１０】
前記クリップは銀メッキされている請求項1に記載のパワーアッセンブリ。
【請求項１１】
前記クリップは金メッキされている請求項1に記載のパワーアッセンブリ。
【請求項１２】
前記クリップに熱結合したヒートシンクを更に含む請求項1に記載のパワーアッセンブリ。
【請求項１３】
前記アッセンブリはヒートシンクを含まない請求項1に記載のパワーアッセンブリ。
【請求項１４】
前記クリップと前記ダイの前記第二パワー電極に動作可能なように接続したD級可聴周波数増幅器に対する構成部品を更に含む請求項1に記載のパワーアッセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
[0001]本願は、「１００ＶＮデジタル・オーディオＭＯＳＦＥＴ  ＩＲＦ６６６５」と題する２００４年１０月１日出願の米国仮出願番号第６０／６１５，３７０号の優先権を主張し、その出願日の利益を享受するものであり、その開示内容は参照により本願明細書に援用したものとする。
【発明の背景と概要】
【０００２】
[0002]本発明は、可聴周波数増幅器、特にD級可聴周波数増幅器に関する。
【０００３】
[0003]可聴周波数増幅器回路にパワー半導体デバイスを使用することが知られている。増幅器回路に使用されるパワー半導体デバイスの特性が回路の性能に影響を及ぼすことも広く知られている。しかしながら、多くの増幅器の用途において、パワー半導体デバイスの性能によるマイナス面の作用は外部回路素子により軽減される。このような軽減手段は、増幅器回路のコストを上昇させ、且つその物理的なサイズを増大させる。
【０００４】
[0004]更に、従来方式でパッケージ化されるような従来技術の回路に用いられるパワー半導体デバイスによりパッケージ関連の寄生インダクタンス、抵抗及び熱特性のような寄生パラメータを持ち込んでしまう。
【０００５】
[0005]本発明によれば、パワーMOSFETのようなパワー半導体デバイスは、D級増幅器アッセンブリに使用されるように調整される。即ち、パワー半導体デバイスの特性はD級可聴周波数増幅器用に最適化が行われている。
【０００６】
[0006]更に、D級可聴周波数増幅器の用途に合わせ調整を済ませたパワー半導体デバイスは、導電性クリップ内に配置され、ワイヤボンドを用いずに増幅器回路内に組み込まれる。導電性クリップは、本発明により、特にD級増幅器に適したパッケージを形成できることが確認されている。具体的には、導電性クリップを使用するとインダクタンスを低減することでスイッチング特性と電磁干渉(EMI)の排除が改善され、D級可聴周波数増幅器回路の性能が強化される。更に、導電性クリップの使用で形成される熱効率によりヒートシンクなしに100W動作が8オーム負荷でできるようになる。有利なことに、ヒートシンクを取り去ることで回路サイズと容積が縮小され、設計者には一層大きなレイアウトの融通性が与えられる。このようなパッケージは、デバイスから与えられる電気特性、僅少サイズ及び改善された熱伝導がもたらす、効率、EMI(電磁イミュニニティ)及び電力密度のような音声動作要素の改善を伴って、中間電力型D級可聴周波数増幅器への使用に最も適している。
【０００７】
[0007]このようなパッケージは、好ましくは、より優れたデッド・タイム制御に関して最大のRg保証を有し、これはD級増幅器のTHD性能に関連する重要な要素である。
【０００８】
[0008]本発明の他の特徴と利点は、添付図面を参照して行う発明についての以下の説明から明らかになろう。
【本発明の詳細説明】
【０００９】
[0023]本発明によるパワーアッセンブリは、パワー半導体パッケージを含み、このパワー半導体パッケージは、D級可聴周波数増幅器の用途に合わせ調整され(即ち最適化され)、且つD級可聴周波数増幅器回路内にワイヤなしで一体化できるパワー半導体ダイを有する。
【００１０】
[0024]図１の（Ａ）と（Ｂ）及び図２を参照すると、本発明によるアッセンブリに適したパワー半導体パッケージ5は、D級可聴周波数増幅に合わせ調整されるパワー半導体ダイ１０と、電気的伝導性クリップ１２とを含む。好ましくは、クリップ１２は、カップ形状の缶であり、このカップ形状の缶は、ウェブ（ｗｅｂ）部１４と、ダイ１０から間隔をあけた取囲みリム部１６と、少なくとも一つの突起１８（好ましくは二つの相対して配される突起１８)とを含む。突起１８は、接続面２０を含み、この接続面２０は、回路基板１９のような基板の対応する導電性パッド２１(図３)に対する直接的な電気的、且つ機械的接続(半田のような導電性接合剤又は導電性エポキシによる)に対応している。
【００１１】
[0025]パワー半導体ダイ１０は、第一パワー電極２２を含み、この第一パワー電極２２は、クリップ１２のウェブ部１４の内面に導電性接合剤２４(半田又は銀添加エポキシのような導電性ポリマのような)により電気的、且つ機械的に接続される。更に、パワー半導体ダイ１０は、第二パワー電極２６と制御電極２８とを含み、それぞれが第一パワー電極２２の反対側に配され、回路基板１９のような基板上の各導電性パッド２７，２３(図３)に対する直接的な電気的、且つ機械的な接続(例えば半田のような導電性接合剤又は銀添加エポキシのような導電性ポリマによる)に対応している。例えば、第一パワー電極２６と制御電極２４は半田が導電性接合剤として使用されることでろう付け可能である。
【００１２】
[0026]本発明の好ましい実施形態では、パワー半導体ダイ１０は、パワーMOSFETとすることができ、その場合、第一パワー電極２２がドレイン電極、第二パワー電極２６がソース電極、制御電極２８がゲートとなる。
【００１３】
[0027]更に、好ましい実施形態では、半田が導電性接合剤として用いられるときは、必ず無鉛半田のみを使用する。
【００１４】
[0028]更に、好ましい実施形態においてクリップ１２は銅又は銅合金から形成され、銀又は金でメッキしてもよい。
【００１５】
[0029]パッケージ５は、米国特許第6,890,845号に記載され、DirectFETなる商標名のもとで本発明の譲受人から入手できる。
【００１６】
[0030]本発明の一つの態様によれば、パッケージ5は、D級可聴周波数増幅器回路に組み込まれる。具体的には、D級可聴周波数増幅器の構成部品は、接続面２０(又は各接続面２０)を介しクリップ１２に電気的に接続され、且つ第二パワー電極２６に電気的に接続され、それによってワイヤボンドの必要なしにD級可聴周波数増幅器回路に電気的に組込みないしは一体化される。その結果、従来のパッケージに関わるワイヤボンドから形成されるインダクタンスが排除され、それによりD級可聴周波数増幅器の性能が改善される。
【００１７】
[0031]好ましい実施形態に使用されるパワーMOSFETは、D級可聴周波数増幅器の用途に合わせて調整されるが、それはRDS0N、Qg、Qsw及びQITのような主要パラメータが(好ましくは中間電力型)D級可聴周波数増幅器に合わせ最適化が済まされていることを意味する。
【００１８】
[0032]表１にはD級可聴周波数増幅器に合わせ調整されるパワーMOSFET例の主要パラメータに関する値が記載される。
【表１】
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【００１９】
[0033]図４を参照すると、ＳＯ−８型パッケージのような典型的な従来型半導体パッケージは、その内部に含まれるパワー半導体ダイの少なくとも一つのパワー電極を外部リード３２に電気的に接続するワイヤボンド３０を含む。更に、リード３４は、半導体デバイスの他のパワー電極への電気接続に使用できる。リード３２，３４及びワイヤボンド３０はパッケージの全体の抵抗とインダクタンスに寄与している。更に、半導体デバイスが発生する熱の大部分は、リードのみを介して放散できる。
【００２０】
[0034]ここに記載するようなパッケージ５にはａ）ワイヤボンドが含まれず、インダクタンスと抵抗の低減となり、ｂ）クリップ１２により両面からの冷却、即ちデュアル面冷却ができるようになるため、その使用は有利である。
【００２１】
[0035]図５の（Ａ），（Ｂ）を参照すると、パッケージ５にもぐり込み関連のインダクタンスが、同一のテスト条件(例えば３０Ａ，５００ｋＨｚ)のもとにあり、且つほぼ同じダイ(即ちほぼ同一の能動エリヤ、電圧及び発生)を用いた従来のＳＯ−８パッケージよりも少ないことが分かる。図６は、パッケージ５が１ｎＨ以下のインダクタンスを示すことができ、他の知られた従来パッケージより遥かに優れていることを示している。ＥＭＩの低減におけるもぐり込み結果の減少は、可聴周波数増幅器の用途、特にD級可聴周波数増幅器の用途にあって有利である。
【００２２】
[0036]デュアル面冷却により、有利なことに、パッケージ５は、ヒートシンクを用いることなく８Ω負荷にチャンネル当たり最大１００Wの電力を供給できる。このような条件のもとでのパッケージ５が図７にグラフで解説される。ヒートシンクの省略により、コストが低減され、一層コンパクトなアッセンブリが可能になる。
【００２３】
[0037]ヒートシンクの省略は好ましいが、熱の発散を改善するためヒートシンクを使用できることに注目すべきである。ヒートシンクを備えたパッケージ５の熱性能を評価するため、パッケージ５を三つの異なる位相変化物質(Ａ，Ｂ，Ｃ)を用いヒートシンクに熱結合し、パッケージ５に定電力が印加されパッケージの温度に関するヒートシンクの効果が確認された。収集されたデータが表２に記載され、経時的な温度上昇が図８にグラフで解説される
【表２】
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【００２４】
[0038]クリップ１２とヒートシンクとの間に設けた熱電対を用いて電力の印加前と印加時、ケース温度(パッケージ５の外部温度)をモニタした。
【００２５】
[0039]D級可聴周波数増幅器内部のパッケージ５の性能特性を評価するため、ハーフ・ブリッジ構造のパッケージ５の総高調波歪(THD)性能を以下の条件のもとで評価した：
Ｖｂｕｓ＝±３５V
ｆｓｗｉｔｃｈｉｎｇ＝３９５ＫＨｚ
ｆｉｎｐｕｔ＝１ＫＨｚ
Rload=４Ωと８Ω
【００２６】
[0040]その結果を図９にグラフで示す。
【００２７】
[0041]各パッケージ５の効率も同一条件のもとで評価した。その結果を図１０に示す。図９と図１０は、更に、ハーフ・ブリッジ構造におけるパッケージ５のTHDと効率が、パッケージをD級可聴周波数増幅用に理想的なパッケージにさせることを示している。
【００２８】
[0042]ハーフ・ブリッジ構造におけるパッケー５のEMI性能を、別の広く知られた従来のパッケージであるTO‐220パッケージとの間で、同一の半導体ダイとテスト条件を用い比較した。図１１の（Ａ）と（Ｂ）は、得られた結果を示す。要約すると、増幅器内部のパッケージ５は、約９ｄＢ低いピーク、準ピーク及び２ＭＨｚを超える領域での平均ノイズを示した。２ＭＨｚ以下では、背景ノイズが支配的であった。シールドを用いなかったが、同じ背景条件で二つのデバイスをテストしたことに注目すべきである。更に、テストによれば、増幅器内部のパッケージ５は増幅器内部のTO-220と比較し、鮮明度が高く、速度の大きな(約３倍の速さの)スイッチング波形を示した。
【００２９】
[0043]パッケージ５は従来の技術を使用する回路の範囲内で組立ができるため、同様に有利である。以下はD級可聴周波数増幅器回路を支える回路板上にパッケージ５を組付ける方法の例である。
【００３０】
[0044]・ステンシルを介し導電性パッド上に半田ペーストを塗布する。
【００３１】
[0045]・パッケージ５を掴み、対応するパッド上の半田ペースト上にセットする。
【００３２】
[0046]・半田のリフロー
【００３３】
[0047]・パッケージ５上に熱界面物質を配置する。
【００３４】
[0048]・熱界面スタック上にヒートシンクをセットする(任意)。
【００３５】
[0049]・ネジでヒートシンクを所定位置に固定する。
【００３６】
[0050]・クリップ１２とヒートシンク間の界面を十分湿潤する。
【００３７】
[0051]・アッセンブリが冷却した時点でネジ締めトルクを再設定する。
【００３８】
[0052]データに基づけば、パッケージ５のようなワイヤなしパッケージを用いるとD級可聴周波数増幅器に著しい性能改善をもたらすことは、明らかである。
【００３９】
[0053]本発明をその特定実施形態に関し解説してきたが、当業者は、特定実施形態以外に、多くの別変種と改良種及び他の用途を詳らかにすることができるだろう。従って、本発明は、ここでの特定の開示によって限定するのではなく、添付した特許請求の範囲のみにより限定されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】（Ａ）は本発明によるパッケージの側面を示し、（Ｂ）は本発明によるパッケージの底面を示す。
【図２】矢印の方向に観察される線分２−２に沿った本発明によるパッケージの断面を示す。
【図３】図１の（Ａ），（Ｂ）及び図２に記載するパッケージを収めるための回路板の平面図を示す。
【図４】従来技術によるパッケージ構成を示す。
【図５】（Ａ）は本発明によるパッケージに対する波形を示し、（Ｂ）は従来技術によるパッケージに対する波形を示す。
【図６】従来技術によるパッケージのインダクタンスに対する本発明によるパッケージのインダクタンスのグラフによる比較を示す。
【図７】本発明によるパッケージにおける推定電力損に対するケース温度をグラフで示す。
【図８】本発明によるパッケージの異なる電力レベルにおける温度変化をグラフで示す。
【図９】二つの異なる負荷値に対しハーフ・ブリッジ構造の本発明によるパッケージの場合のTHD値をグラフで示す。
【図１０】二つの異なる負荷値に対しハーフ・ブリッジ構造である本発明によるパッケージの効率をグラフで示す。
【図１１】（Ａ）は本発明によるパッケージのEMI性能をグラフで示し、（Ｂ）は従来技術によるパッケージのEMI性能をグラフで示す。
【符号の説明】
【００４１】
５：パワー半導体パッケージ、１０：パワー半導体ダイ、１２：クリップ、１４：ウェブ部、１６：取囲みリム部、１８：突起、１９：回路基板、２０：接続面、２１：導電性パッド、２２：第一パワー電極、２３：導電性パッド、２４：導電性接合剤、２６：第二パワー電極、２７：導電性パッド、２８：制御電極、ＥＭＩ：電磁イミュニティ、ＴＨＤ：総合高調波歪
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2006121067.tif 000014
【図１１】
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【外国語明細書】
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