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製品情報 > パッケージ > 熱特性、電気特性 >

パッケージの熱抵抗設計


熱抵抗が下がることは、半導体デバイス本来の機能や寿命を最大限に発揮させ、低電圧化への市場ニーズ対応、熱対策のためのコスト削減などの点でも大きな意味を持ちます。ここでは、代表的なパッケージであるQFP、BGAの2つのケースで、熱抵抗を下げるために実施できるさまざまな工夫についてご紹介します。

QFPで熱抵抗を下げる
　熱抵抗を下げるためのアプローチは、材料、リード・フレームの設計という２とおりが考えられます。
1.樹脂の高熱伝導化
　QFPの場合、材料の観点からはモールド樹脂が最も熱伝導率が低く、これを改善するだけでも大きな低熱抵抗化が見込めます。その手法としては、フィラーを高熱伝導率のものに変更することが考えられます。
　また、チップ上の樹脂厚が薄いほど伝熱距離を短くできるため、ヒート・シンクを表面に取り付けて放熱する際には、QFPよりも樹脂厚が薄いTQFPの方が、ヒート･シンクによる放熱効果が大きくなります。

2.リード・フレームの設計で熱抵抗を下げる
　 リード・フレームの材質を42合金（Fe-Ni）から銅合金に変えることで、熱抵抗が下がることはよく知られています。リード・フレーム設計の観点では、チップを搭載するダイ・パッドを可能な限り大きく設計することで、熱抵抗を下げることが可能です。さらに下げたいなら、ダイ・パッドにヒート・スプレッダを取り付け、ほぼパッケージ面積全面に伝熱する構造を用いることもできます。		 ［図4：QFPの低熱抵抗設計］　
図4：QFPの低熱抵抗設計（リードフレーム設計）
図4：QFPの低熱抵抗設計（材料） 図4：QFPの低熱抵抗設計（パッケージ構造）

BGAの熱抵抗を下げる
　BGAの場合には、材料、パッケージ構造、基板設計という3つの側面から低熱抵抗化への取り組みが可能です。なお、材料については、QFP同様、フィラーを熱伝導率のより高い材料に変更することで、熱抵抗の低下が図れます。そして、パッケージ構造や基板設計では、以下のような対策が可能です。

1.コスト負担の少ないサーマル・ボールを設置する
　パッケージ構造の側面からは、まずチップ裏面にはんだボールを多数設け、はんだボールとダイ・パッドをスルー・ホール（サーマル・ビア）で熱的に結ぶことで、チップ裏面から直下のはんだボールまでの放熱経路を用意します。こうしたパッケージ中央のボールは、電気的にグラウンド、熱的にはPKG基板への熱伝導の役割を果たすため、一般に「サーマル・ボール」と呼ばれます。
　 この方法がもっともコストの安い低熱抵抗対策といえます。サーマル・ボールはグラウンド端子も兼ねており、周辺のボールを信号ピンとして割り当てることが可能になるため、実質的な端子数の増大も図れます。
2.パッケージ基板の内層２層をグラウンド層に
　 一般にBGAのパッケージ基板には、電気的特性から、電源層、グラウンド層を有する4層以上のプリント基板が用いられます。パッケージ基板については、電気的な理由というより熱抵抗を下げる目的で、4層構造を採用するケースが増えています。
　この場合、グラウンドを兼ねるダイ・パッドに設けたスルー・ホールでチップから内層へ熱を伝え、4層のうちの内層を2層ともグランドにして、熱経路を確実に確保するようにします。
　さらに熱抵抗を下げたい場合には、厚いメタル・コア層を基板内に埋め込んだ基板を利用します。


3.埋め込みヒート・スプレッダの活用
　サーマル・ホールと4層パッケージ基板という組み合わせでも熱抵抗の要求値に届かないようなら、パッケージ内に埋め込みヒート・スプレッダを設けます。これはモールド樹脂を伝わってきた熱をパッケージ表面に拡散させる役目を果たします。だだし、ダイ・パッドやチップに直接接触しているわけではないので、熱抵抗の低減率は限定的です。

4.プリント基板の設計を工夫する
　BGAでは、プリント基板の仕様を変えることで熱抵抗を減らすことが可能です。サーマル・ビアの数、パッケージ基板の層数、熱伝導経路の有無といった違いにより、図５のように熱抵抗値は変化します。プリント基板を含むパッケージ全体の熱設計を見直すことで、低コストのパッケージの利用も可能になります。

［図5：PBGAの熱抵抗低減施策の例］
図5：PBGAの熱抵抗低減施策の例
5.熱抵抗の低いキャビティ・ダウン型を採用する
　 QFPでも同様だったように、最も熱抵抗的に優れているのは、チップを裏返してヒート・スプレッダを表面に露出させたキャビティ・ダウン型のBGAです。このタイプのパッケージには、TBGA、ABGA、FCBGAなどがあります。直接チップからパッケージ表面の銅板に熱伝導されるため、低い熱抵抗が実現できます。
［図6：BGAの低熱抵抗設計］
図6：BGAの低熱抵抗設計

デバイスの接合温度実測も重要
　システムの実用状態でチップの温度を実測することは、パッケージ選定の後の作業となるため、無駄なものと考えられがちです。しかし、実測データは将来開発するデバイスの消費電力を推定する際に役立ちます。また、システム側の消費電力が、デバイス設計時の見積もりより大幅に増えてしまった場合などに、実使用状態での接合温度が何度になっているかを知ることは非常に重要です。
　お客様のこうした実測作業に協力できるよう、弊社ではΨjtなどの各種熱パラメータ情報をパッケージごとに収集。お客様からのご要望に応じて提供しています。熱解析サービスも承っておりますので、弊社営業担当までお問い合わせください。

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