富士時報 Vol.74 No.2 2001 超薄型パワー SMD 梅本 秀利（うめもと ひでとし） 古島 達弥（ふるしま たつや） まえがき 図１ 超薄型パワー SMD の外観 インターネットなどによる急激な情報化社会の発展に伴 い，携帯電子機器や情報通信の分野では，さらなる小型・ 軽量化，省エネルギー化，高効率化が求められている。特 に，ノートパソコン，携帯電話，各種民生・通信機器など には，バッテリー電源から必要な直流電圧を作り出す SD シリーズ DC-DC コンバータが搭載されており，今後も，さらなる 小型・軽量化が追求されることが予測されている。 これら電子機器の主要構成部品である半導体デバイスと しては，従来から SMD（表面実装デバイス）が主として 使用されているが，今後，さらなる小型・軽量化を達成す るためには，この SMD を可能な限り小型・薄型化してい TFP シリーズ く必要がある。 今回，富士電機ではこれらの要求に対し，超薄型パワー SMD「SD シリーズ」 ， 「TFP（Thin Flat Package）シリー で小型化している。一方，TFP シリーズは，素子高さ 2.8 ズ」 （図１参照）を開発，製品化を行ったのでその内容を mm と T パック（D2 パック）と比較して 62 ％と薄型化 紹介する。 を達成しており，基板取付け占有面積も T パックの 72 ％ まで小さくした高密度実装に対応可能な製品である。 富士電機製パワー SMD の特長とアプリケー ション ２.２ アプリケーション 今回開発した超薄型 SMD SD シリーズと TFP シリーズ の主なアプリケーションを表１に示す。SD シリーズは， ２.１ 定格電流ー素子高さ，素子占有面積 富士電機では，従来，1 A クラスの SC シリーズ，5 ∼ 7 素子高さ 1.2 mm で定格電流 3 A と超薄型大電流 SMD と A クラスの K パック（D パック）シリーズ，10 ∼ 30 A いう特長から，小型・薄型携帯機器やノートパソコンなど クラスの T パック（D2 パック）シリーズを開発・系列化 の大電流薄型機器に対して非常に有効なパッケージである。 （1） している。 また，TFP も定格電流 20 ∼ 30 A でかつ高さ 2.8 mm と超 今回，新たに開発した 3A クラスの SD シリーズと 20 薄型・大電流 SMD のため，通信機器用電源，サーバシス ∼ 30 A の TFP シリーズは，電源の小型・薄型化に対応 テム電源といった小型・薄型の DC-DC コンバータに有効 するために素子の高さおよび基板に取り付けたときの占有 なパッケージである。 面積を改善した点に大きな特長を持っている。これらにつ （b） に定格電流ー素子高さ，図２ に定格電流ー いて，図２ （a） パッケージの開発 素子占有面積の関係を示す。 SD シリーズは，素子高さ 1.2 mm で従来の 3 A クラス 今回開発した SD シリーズと TFP シリーズのパッケー SMD と比較して 60 ％の薄さになっており，基板占有面 （b） ， ジの概略は次のとおりである〔外形寸法図は，図３ （a） 積も従来より 1 クラス下の 1 ∼ 2 A クラスと同等の面積ま を参照〕 。 梅本 秀利 古島 達弥 小容量ダイオードの開発・設計に 小容量ダイオードの開発・設計に 従事。現在，富士日立パワーセミ 従事。現在，富士日立パワーセミ コンダクタ （株） 松本事業所開発設 コンダクタ （株） 松本事業所開発設 計部。 計部。 127（27） 富士時報 超薄型パワー SMD Vol.74 No.2 2001 図２ パッケージ寸法の比較 10 SCタイプ 素子占有面積 S（mm2） 素子高さ h（mm） Tパック （D2パック） Kパック （Dパック） TFPシリーズ 1 Tパック （D2パック） 100 Kパック （Dパック） TFPシリーズ SCタイプ 10 SDシリーズ SDシリーズ 1 1 10 100 10 1 100 定格電流 I o（A） 定格電流 I o（A） （b）定格電流と素子占有面積 （a）定格電流と素子高さ 図３ 外形寸法図 降圧型コンバータ（ノートパソコン） 逆流防止回路（ノートパソコン，ディジタルスチルカメラ など） DC-DC コンバータ（通信機器） AC アダプタ（携帯電話） TFP シリーズ DC-DC コンバータ（通信機器，サーバシステム用電源） 小型・薄型の電源 5 0.5 (0.8) (0.8) ３.１ 超薄型 SMD SD シリーズ 0.5 4 2.5 SD シリーズ 1.5 主なアプリケーション 0.2 パッケージ 1.2 max 表１ 主なアプリケーション （a）SDシリーズ 今回の SD シリーズの開発に対しては，市場の小型・薄 2.8 9 型化に対応し，かつ 2 端子型で 3 A の定格電流を確保する ことを最大の目的として開発を行った。従来の SMD パッ 0.4 0.5 7 4 ケージは，3 A という電流定格に対して製品高さが 2 mm 9 課題を解決するためにパッケージの放熱設計の最適化とチッ 10 と厚く，放熱性も改善の余地があった。そこで，これらの プサイズの最適化を図り，超薄型・大電流パッケージを開 発した。特に，放熱設計は重要であり，いかにチップから 1111 0.4 0.2 1 2 3 板へ放熱できるという特長を持っており，小型 SMD に対 (2.1) し有効な構造である。しかも，基板への自動実装に関して も外部電極が基板取付面にほぼフラットとなるため，安定 はんだめっき 化を実現するために，材料的には高密着性の高熱伝導低応 力樹脂を適用し，同時にモールド樹脂の厚さに対しても十 分な検討を行った。 3.2 4 (2.2) し効率的な実装ができることが挙げられる。さらに，薄型 10 成した外部電極フラット構造を適用している。この構造は， 半導体チップから発生する熱を最短距離で積極的に外部基 3.6 (5.7) には，裏面のアノードとカソードの両電極をフラットに形 0.5 発生する熱を外部へ放散するかがポイントである。構造的 0.8 （b）TFPシリーズ ３.２ 超薄型 SMD TFP シリーズ TFP シリーズは，20 ∼ 30 A という大電流パッケージ ポイントである。構造設計としては，裏面フラット構造の のため，SD シリーズと同様，放熱特性が最も重要な設計 適用により，カソード電極，アノード電極からの放熱特性 128（28） 富士時報 超薄型パワー SMD Vol.74 No.2 2001 チップ下はんだの塑性ひずみ（％） パワーサイクル耐量（サイクル） 図４ シミュレーション検討結果 例1：SDシリーズ構造 厚い 薄い 例2：TFPシリーズ構造 温度サイクル パワーサイクル 薄い 厚い チップ下はんだ厚（ m） シリコンチップ厚（ m） （a）チップ下はんだ厚と信頼性の関係 （b）シリコンチップ厚と信頼性の関係 を改善した。特に，このアノード電極は，従来の T パッ 表２ 製品型式 ク（D2 パック）とは異なり，リード端子構造を幅広く設 パッケージ 種 類 型 式 計し，リード部からの放熱特性を向上させている。また， 材料設計としては，放熱特性を向上させるために，高熱伝 導かつ温度ストレスにも十分耐量を確保できるような低応 SD883-02 SD833-03 30 V/3 A， V F ＝0.46 V SD883-04 40 V/3 A， V F ＝0.45 V SD833-04 40 V/3 A， V F ＝0.51 V 力樹脂を選定し適用した。 SBD 信頼性設計 SD シリーズ 定 格 20 V/3 A， V F ＝0.39 V 備 考 SD833-06 60 V/3 A SD833-09 90 V/3 A SD903-02 200 V/2 A SD903-04 400 V/2 A MS808C06 60 V/30 A， V F ＝0.58 V MS888C02 20 V/30 A， V F ＝0.39 V MS838C03 30 V/30 A， V F ＝0.45 V MS838C04 40 V/30 A， V F ＝0.53 V る。今回の開発では，新たな解析手法としてシリコンチッ MS838C09 90 V/30 A プ，はんだ，モールド樹脂などの主要部材について，①物 MS838C10 100 V/30 A MS906C2 200 V/20 A， V F ＝0.98 V MS906C3 300 V/20 A MS906C4 400 V/20 A 表面実装デバイスの信頼性に関して注意すべき重要なポ 計画中 イントは，①実装時のはんだ付け熱ストレス耐量，②温度 サイクルとパワーサイクルの耐量，③耐湿性などが挙げら 計画中 LLD れる。そこで，今回の構造設計では，これらの信頼性に対 する向上を図るため，積極的にシミュレーションを活用し た。 ４.１ シミュレーションによる設計諸元の最適化 SBD SD と TFP の両シリーズとも超薄型を特長としており， 実使用上における熱ストレス耐量の向上が必要不可欠であ TFP シリーズ 性値の温度依存性を考慮した「弾塑性熱応力シミュレーショ ン」 ，②「弾塑性温度サイクルシミュレーション」 ，③「過 渡熱シミュレーション」などを効果的に組み合わせて実施 した。そして，これらの結果を設計仕様に反映し，目標品 LLD 計画中 計画中 質を十分確保できる設計諸元を選定した。以下に，今回適 用したシミュレーション結果の代表例を記す。 ４.１.１ チップ下はんだ厚の検討 ４.１.２ チップ厚さの検討 図４ （b） に TFP シリーズの構造モデルを使用したシリコ 図４ に SD シリーズの構造モデルを使用したチップ下 （a） ンチップ厚とチップ下はんだの塑性ひずみ量についてのシ はんだ厚とパワーサイクル耐量のシミュレーション結果を ミュレーション結果を示す。チップ厚を薄くするほど，チッ 示す。上記の結果からチップ下はんだ厚が最も信頼性に影 プ下はんだ内の塑性ひずみが低減され信頼性が向上するこ 響することが分かり，この結果に基づいて，目標とするパ とから，このデータを基に目標とするパワーサイクル耐量， ワーサイクル耐量を満足するはんだ厚を設計仕様に反映さ 温度サイクル耐量を満足するチップ厚を求め，設計仕様を せ，実際の信頼性試験においても上記に対応する結果を確 決定した。そして，実際に信頼性試験を実施し，シミュレー 認した。 ションの検証を行った。 129（29） 富士時報 超薄型パワー SMD Vol.74 No.2 2001 プ下はんだの塑性ひずみへの影響に違いが生じることが分 かり，実際の評価結果と検証を行った。さらに，これらの ４.２ 実使用を想定した評価方法の適用 今回の薄型 SMD の評価としては，実使用を考慮した評 データをアプリケーションデータとしてまとめ，活用でき るようにした。 価方法を適用した。具体的には，2 種類の実装基板（ガラ スエポキシ基板とアルミ基板）を使用して，実際に温度ス トレスに対する品質の確認を行った。また，シミュレーショ ンの適用から，基板の違いにより温度ストレスが加えられ たときの基板の反り方と反り量が異なること，およびチッ 表３ 開発製品の定格特性 SD シリーズ 項 目 記 号 条 件 SD883-02 SD883-04 TFP シリーズ SD833-03 SD833-04 SBD 最 大 定 格 せん頭 繰返し 逆電圧 V RRM 平均順電流 IO サージ電流 I FSM MS808C06 MS906C2 SBD LLD 20 40 30 40 60 200 V 方形波 デューティ＝1/2 3 3 3 3 30 20 A 正弦波，10 ms， 1発 70 70 70 70 150 80 A 接合温度 Tj −40∼＋125 −40∼＋125 −40∼＋150 −40∼＋150 −40∼＋150 −40∼＋150 ℃ 保存温度 Tstg −40∼＋125 −40∼＋125 −40∼＋150 −40∼＋150 −40∼＋150 −40∼＋150 ℃ 0.39 0.45 0.46 0.51 順 電 圧 VF I F ＝3 A I F ＝12.5 A V 0.58 I F ＝10 A 電 気 的 特 性 単位 逆 電 流 0.95 200 V R ＝ V RRM ＊ V R ＝20 V IR R th（j−l） 接合-リード間 2 ＊1 1 1 12 12 12 12 ℃/W 熱 抵 抗 R th（j−c） 接合-ケース間 結 線 シングル シングル シングル シングル 1.2 2 ツイン ツイン 図５ SD シリーズの順方向特性 10 10 Tj =25℃ T j =25℃ Tj =125℃ 1 Tj =150℃ 順電流 I F（A） 順電流 I F（A） 1 0.1 0.1 SD833-03 SD833-04 SD883-02 SD883-04 0.01 0.01 0 130（30） 0.1 0.2 0.3 A mA 3 0.4 0.5 0.6 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 順電圧 V F（V） 順電圧 V F（V） （a）Vシリーズ （b）Aシリーズ 0.6 0.7 ー 富士時報 超薄型パワー SMD Vol.74 No.2 2001 図６ TFP シリーズの順方向特性と逆方向特性 100 103 MS808C06 MS808C06 T j =150℃ T j =125℃ 102 10 逆電流 I R（mA） 順電流 I F（A） T j =100℃ T j =150℃ 1 T j =125℃ T j =100℃ 101 100 T j =25℃ Tj =25℃ 0.1 10−1 10−2 0.01 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 1.2 10 20 30 40 50 順電圧 V F（V） 逆電圧 VR（V） （a）順方向特性 （b）逆方向特性 60 70 80 また，TFP シリーズの代表としては，60 V/30 A SBD 定格特性および電気的特性 （b） ， に示 の順方向特性および逆方向特性をそれぞれ図６ （a） す。 ５.１ 定格特性 今回開発した 2 端子 SD シリーズと TFP シリーズの製 あとがき 品型式を表２に示す。また，これら開発製品の定格特性を 表３に示す。SD シリーズは，低 VF SBD（Schottky Bar- 今回，富士電機が開発した超薄型パワー SMD 2 端子 （2 ） rier Diode）V シリーズ，および 30 V，40 V アバランシェ SD シリーズと TFP シリーズについて紹介した。これら 保証 SBD の A シリーズを系列化し，アプリケーションに のデバイスは，携帯電子機器，および通信機器の小型・軽 合った最適 SBD の選択が可能である。 量化を実現していくうえで最適なデバイスであり，富士電 また，TFP シリーズは，5 V 以上の高出力電圧整流用と して 60 V SBD，および 200 V LLD（Low Loss Fast Re- 機では，これらのパッケージ製品の系列化とさらなる性能 の向上を目指した製品開発を推進していく考えである。 covery Diode）を系列化した。 参考文献 ５.２ 電気的特性 SD シリーズの代表的な電気的特性として 20 V，40 V V シリーズ，および 30 V，40 V A シリーズの順方向特性を （b） ， に示す。 それぞれ図５ （a） （1） 岩原光政ほか. 電源用ダイオード. 富士時報. vol.68, no.7, 1995, p.390- 393. （2 ） 森本哲弘ほか. 低順電圧のショットキーバリヤダイオード. 富士時報. vol.72, no.3, 1999, p.172- 175. 131（31） ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。