特許 6131195 スイッチノードリンギングが低減された３次元電源モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6131195

(24)【登録日】2017年4月21日

(45)【発行日】2017年5月17日

(54)【発明の名称】スイッチノードリンギングが低減された３次元電源モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20170508BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20170508BHJP

   H01L 21/60 20060101ALI20170508BHJP

   H01L 25/065 20060101ALI20170508BHJP

   H01L 23/48 20060101ALI20170508BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20170508BHJP

【ＦＩ】

   H01L25/04 C

   H01L21/60 321E

   H01L25/08 E

   H01L23/48 H

   H02M3/155 Y

【請求項の数】19

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-553496(P2013-553496)

(86)(22)【出願日】2012年2月7日

(65)【公表番号】特表2014-511027(P2014-511027A)

(43)【公表日】2014年5月1日

(86)【国際出願番号】US2012024171

(87)【国際公開番号】WO2012109265

(87)【国際公開日】20120816

【審査請求日】2015年2月3日

(31)【優先権主張番号】13/021,969

(32)【優先日】2011年2月7日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390020248

【氏名又は名称】日本テキサス・インスツルメンツ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】507107291

【氏名又は名称】テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド

(74)【上記1名の代理人】

【識別番号】100098497

【弁理士】

【氏名又は名称】片寄 恭三

(72)【発明者】

【氏名】ファン エイ エルボソメール

(72)【発明者】

【氏名】オスバルド ジェイ ロペス

(72)【発明者】

【氏名】ジョナサン エイ ノキル

【審査官】 原田 貴志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−２１７０７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００９０６６８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０１７１５４３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２１／６０

Ｈ０１Ｌ ２３／４８

Ｈ０１Ｌ ２５／０６５

Ｈ０１Ｌ ２５／１８

Ｈ０２Ｍ ３／１５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気的入力端子と接地端子である少なくとも１つのリードとを有する電源モジュールであって、
ダイパッドと複数のリードとを含むリードフレームであって、前記ダイパッドが前記電気的入力端子であり、前記複数のリードの少なくとも１つが接地端子である、前記リードフレームと、
制御ＦＥＴダイを含む同期降圧コンバータと、
前記制御ＦＥＴダイの頂部上にスタックされる同期ＦＥＴダイと、
を含み、
前記制御ＦＥＴダイが、第１の物理的領域と、第１の能動領域と、前記制御ＦＥＴダイの第１の面上の第１のソース端子と、前記制御ＦＥＴダイの前記第１の面とは反対側の第２の面上の第１のドレイン端子とを有し、
前記同期ＦＥＴダイが、前記同期ＦＥＴダイの第１の面上の第２のソース端子と、前記同期ＦＥＴダイの前記第１の面とは反対側の第２の面上の第２のドレイン端子とを有し、
前記制御ＦＥＴダイの前記第１のドレイン端子がドレイン端子を下向きに前記ダイパッドに直接に付けられ、前記同期ＦＥＴダイの前記第２のソース端子が金属クリップによって前記接地端子に接続され、前記第２のソース端子と前記接地端子との間の電気的接続が前記金属クリップを介した２つの異なる電気的経路を含む、電源モジュール。

【請求項2】

請求項１に記載の電源モジュールであって、
前記同期ＦＥＴダイが、前記第１の物理的領域よりも小さくない第２の物理的領域と前記第１の能動領域よりも小さくない第２の能動領域とを有し、前記第２のドレイン端子が前記第１のソース端子に取り付けられる、電源モジュール。

【請求項3】

請求項２に記載の電源モジュールであって、
前記制御ＦＥＴダイと前記同期ＦＥＴダイとがｎ型ＭＯＳＦＥＴを含む、電源モジュール。

【請求項4】

請求項３に記載の電源モジュールであって、
前記複数のリードが前記ダイパッドの辺に対して一列に配置される、電源モジュール。

【請求項5】

請求項４に記載の電源モジュールであって、
前記コンバータのスイッチノード端子として動作可能な第１の金属クリップを更に含み、前記第１の金属クリップが、前記第１のソース端子と前記第２のドレイン端子にハンダ付けされ、それぞれのリードに接続されるリッジを有する、電源モジュール。

【請求項6】

請求項１に記載の電源モジュールであって、
前記金属クリップが、前記第２のソース端子にハンダ付けされ、それぞれのリードに接続される１つ又は複数のリッジを有する、電源モジュール。

【請求項7】

請求項６に記載の電源モジュールであって、
前記制御ＦＥＴダイが第１のゲート端子を有し、前記同期ＦＥＴダイが第２のゲート端子を有する、電源モジュール。

【請求項8】

請求項７に記載の電源モジュールであって、
前記第１及び第２のゲート端子をリードに接続するワイヤボンドを更に含む、電源モジュール。

【請求項9】

請求項８に記載の電源モジュールであって、
前記コンバータとクリップとワイヤボンドとを封止し、外部部品への接続のために前記パッドと前記複数のリードとの表面を封止せずに残す、パッケージング化合物を更に含む、電源モジュール。

【請求項10】

電源モジュールであって、
外部入力端子と下向きのドレイン端子を有する制御電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ダイとの間の第１の電気的経路と、
外部接地端子と同期ＦＥＴダイとの間の第２及び第３の電気的経路と、
を含み、
前記第１の電気的経路が前記第２の電気的経路より電気的に抵抗性が小さく、前記第２及び第３の電気的経路が第２の金属クリップを含み、前記第２の金属クリップがその相対する側に沿った２つの細長いリッジを有し、前記２つの細長いリッジが前記外部接地端子に結合される、電源モジュール。

【請求項11】

請求項１０に記載の電源モジュールであって、
前記第１の電気的経路が、前記制御ＦＥＴダイに直接にハンダ付けされる金属パッドを含む、電源モジュール。

【請求項12】

請求項１０に記載の電源モジュールであって、
前記第２の金属クリップが前記外部接地端子と前記同期ＦＥＴダイとに接触する、電源モジュール。

【請求項13】

請求項１２に記載の電源モジュールであって、
前記第２の金属クリップがソース端子において前記同期ＦＥＴダイに接触する、電源モジュール。

【請求項14】

請求項１０に記載の電源モジュールであって、
外部スイッチノード端子を更に含む、電源モジュール。

【請求項15】

請求項１０に記載の電源モジュールであって、
外部スイッチノード端子を更に含み、前記外部入力端子が前記外部スイッチノード端子と前記外部接地端子との間に配置される、電源モジュール。

【請求項16】

電源モジュールであって、
外部入力端子と下向きのドレイン端子を有する制御電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ダイとの間の第１の電気的経路と、
外部接地端子と同期ＦＥＴダイとの間の第２及び第３の電気的経路と、
第１の金属クリップに接続される外部スイッチノード端子と、
を含み、
前記第１の電気的経路が前記第２の電気的経路より電気的に抵抗性が小さく、前記第２及び第３の電気的経路が第２の金属クリップを含む、電源モジュール。

【請求項17】

請求項１６に記載の電源モジュールであって、
前記第１の金属クリップが前記制御ＦＥＴダイと前記同期ＦＥＴダイとの両方に接触する、電源モジュール。

【請求項18】

請求項１７に記載の電源モジュールであって、
前記制御ＦＥＴダイが前記第１の金属クリップの第１の表面にハンダ付けされ、前記同期ＦＥＴダイが前記第１の金属クリップの第２の表面にハンダ付けされる、電源モジュール。

【請求項19】

請求項１８に記載の電源モジュールであって、
前記第１の金属クリップが前記制御ＦＥＴダイのソース端子と前記同期ＦＥＴダイのドレイン端子とにハンダ付けされる、電源モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、概ね、半導体デバイス及びプロセスの分野に関し、より詳細には、高効率を有し、スイッチノードリンギングが低減された状態で高周波数で動作する電源モジュールのシステム構造及び製作方法に関する。

【背景技術】

【0002】

よく使われているパワースイッチングデバイス系列の中には、ＤＣ−ＤＣ電源回路があり、特に、スイッチモード電源回路の範疇に入るものがある。普及しつつある電力供給要件に特に適しているものは、直列に接続され、共通のスイッチノードによって互いに結合される２つのパワーＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備えた同期降圧コンバータである。降圧コンバータでは、ハイ側スイッチとも呼ばれる制御ＦＥＴダイが、供給電圧Ｖ_ＩＮとＬＣ出力フィルタの間に接続され、ロー側スイッチとも呼ばれる同期ＦＥＴダイが、ＬＣ出力フィルタと接地の間に接続される（同期ＦＥＴはフリーホイールダイオードの代わりに同期整流器として働く）。このコンバータは、ドライバ回路及びコントローラ回路も含む。

【0003】

出力回路のインダクタは、電源回路のエネルギーストレージとして働く。定出力電圧Ｖ_ＯＵＴを確実に維持するために、典型的なインダクタは約３００〜４００ｎＨとすべきである。

【0004】

いくつかのパワースイッチングデバイスが、パワーＭＯＳＦＥＴ、ドライバ回路、コントローラ回路とともに別々のダイとして構築される。各ダイは、典型的には、金属リードフレームの長方形又は正方形のパッドに取り付けられ、出力端子としてのリードがパッドを囲んでいる。これらのリードは、カンチレバー延長部をもたない形状とされ得、ＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏ−Ｌｅａｄ）又はＳＯＮ（Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ Ｎｏ−Ｌｅａｄ）デバイスとして配され得る。これらのダイとの電気的接続はボンディングワイヤによって提供される。このようなアセンブリは、典型的にプラスチックパッケージ内にパッケージングされ、パッケージングされた構成要素は、電源システムのボードアセンブリ用の個別の構成ブロックとして用いられる。

【0005】

他のパワースイッチングデバイスにおいて、パワーＭＯＳＦＥＴ及びドライバ−コントローラダイがリードフレームパッド上に並んでアセンブリされ、デバイス出力端子として働くリードがリードフレームパッドの４辺すべてを囲む。これらのリードもＱＦＮ又はＳＯＮにならった形状にされ得る。

【0006】

いくつかの近年導入された先進アセンブリでは、接続ワイヤの代わりに銅クリップが用いられる。これらのクリップは幅が広く、導入される寄生インダクタンスが小さい。

【0007】

別の最近の開発では、制御ＦＥＴと同期ＦＥＴがスタック状に互いの頂部上に垂直にアセンブリされ、これら２つのＦＥＴのうち物理的に面積が大きいダイがリードフレームパッドに取り付けられ、クリップがスイッチノード及びスタック頂部への接続を提供する。このパッケージでは、同期ＦＥＴチップはリードフレームパッド上にアセンブリされ、同期ＦＥＴのソース端子がリードフレームパッドにハンダ付けされる。制御ＦＥＴチップは、そのソースが同期ダイのドレインに結合されてスイッチノードが形成され、そのドレインが入力電源Ｖ_ＩＮに接続される。これら２つのＦＥＴ間に挿入されるクリップがスイッチノードに接続される。パッドは接地電位を有し、ヒートスプレッダとして働く。スタック頂部上の細長いクリップが、制御ＦＥＴのドレイン端子を入力電源Ｖ_ＩＮに接続する。

【0008】

直前の段落で説明した典型的なコンバータが図１に示され、全体的に１００で表されている。制御ＦＥＴ１１０が同期ＦＥＴ１２０の上にスタックされる。制御ＦＥＴダイ１１０は、同期ＦＥＴダイ１２０に対して小さな面積を有する。ＱＦＮ金属リードフレームが、長方形の平坦なパッド１０１を有する。リード１０２ａ及び１０２ｂが、パッドの相対する側の２辺に沿って一列に配置される。これらのＦＥＴダイのスタックはソースを下向きにして成される。同期ＦＥＴ１２０のソースは、ハンダ層１２１によってリードフレームパッド１０１にハンダ付けされる。ハンダ層１２２によって同期ＦＥＴ１２０のドレインにハンダ付けされる第１のクリップ１４０が、ハンダ層１１１によって取り付けられる制御ＦＥＴ１１０のソースを有する。そのため、第１のクリップ１４０は、コンバータのスイッチノード端子として働く。第２のクリップ１６０が、ハンダ層１１２によって制御ＦＥＴ１１０のドレインに接続される。第２のクリップ１６０は、リードフレームのリード１０２ｂに取り付けられ、そのため、入力電源Ｖ_ＩＮに接続される。このコンバータは、５００ｋＨｚから１ＭＨｚまでの周波数で効率的に動作し得る。

【0009】

図２は、図１の同期降圧コンバータアセンブリの電気回路図である。図２では、ゲート２１０ｂがワイヤボンドによってリードに接続されるように示されており、このワイヤボンド接続は、約１．９４ｎＨの寄生インダクタンスＬ_ＧＡＴＥ（２１１）及び約２６ｍΩの寄生インピーダンスＲ_ＧＡＴＥ（２１２）と相互に関係している。制御ＦＥＴ２１０が第１のクリップ１４０上にソースを下向きにしてアセンブリされているため、ソース２１０ａの寄生インピーダンスＲ_{ＳＯＵＲＣＥ}（２１３）は実質的にゼロである。ソースが下向きのアセンブリのために、ソース２１０ａの寄生インダクタンスも小さい。

【0010】

図２はさらに、リードフレームパッド１０１に対する同期ＦＥＴ２２０の典型的な寄生インダクタンス及びインピーダンスも示している。ハンダ付けによってソース２２０ａをパッドに接続するため、この接続の寄生抵抗Ｒ_{ＳＯＵＲＣＥ}（２２４）は小さくなる（約０．００１ｍΩ）。同期ＦＥＴ２２０が第１のクリップ１４０にハンダ付けされているため、ドレイン２２０ｃの寄生インピーダンスＲ_{ＤＲＡＩＮ}（２２１）は実質的にゼロであり、ドレイン２２０ｃの寄生インダクタンスも小さい。ゲート２２０ｂはワイヤボンドによってリードに接続され、そのため、約１．５４ｎＨの寄生インダクタンスＬ_ＧＡＴＥ（２２３）及び約２２ｍΩの寄生インピーダンスＲ_ＧＡＴＥ（２２２）と相互に関係している。

【0011】

図２に示されるように、コンバータの負荷電流は、スイッチノード２４０から、リードフレームの対応するリードに取り付けられる第１のクリップ１４０を介して、出力インダクタ及びＶ_ＯＵＴ（２７０）まで流れる。第１のクリップ１４０に沿って、寄生インピーダンスＲ_ＯＵＴ（２７２）は約０．２ｍΩであり、寄生インダクタンスＬ_ＯＵＴ（２７１）は約０．４５ｎＨである。図２はさらに、スイッチノード２４０からリードフレームの対応するリードに接続される制御ＦＥＴのゲートリターンを示す。この接続は、ワイヤボンドによってなされるので、約１．５４ｎＨの寄生インダクタンス２４１及び約２２ｍΩの寄生インピーダンス２４２を与える。

【発明の概要】

【0012】

出願人により、図１に示すような典型的なシステムのオンサイクルの初期段階の間、約５０ｎｓの時間間隔にわたって、スイッチノード電圧に関連する最大約２５Ｖの過大なリンギングがあることが観察された。このピーク電圧は、このシステムで用いられるＭＯＳＦＥＴの絶縁破壊電圧に近くなるか、又はそれを超えることがあり、そのため、多くのアプリケーションではこのリンギングの振幅及び継続時間は許容されない。

【0013】

詳細な解析により、出願人は、この過大なリンギングの根本的な原因は、コンバータの入力ノードにおける過大な寄生インピーダンス及びインダクタンスに関連しており、そのため入力ノードと出力回路要素の間でエネルギーが交換され、それが出力ノードでリンギングとして出現することを見いだした。さらに、出願人は、入力ノードにおいて寄生インダクタンス及びインピーダンスが生じる大きな要因が、制御ＦＥＴのドレインをリードフレーム端子１０２ｂにおいて入力電源Ｖ_ＩＮに接続する細長いクリップであることを見いだした。

【0014】

出願人はさらに、この細長いクリップが銅などの高導電材料で製作されても、コンバータ内では、制御ＦＥＴのドレインとリードフレーム端子の間を流れる入力電流が、クリップをその長さ分、ネック部分１６１を含め、クリップの小さな断面を通って流れなければならないように構成されていることを見いだした。出願人は、このようなコンバータでは、クリップは典型的には入力ノードにおいて６００ｐＨのインダクタンス及び０．５ｍΩのインピーダンスを付加すると算出した。

【0015】

出願人は、コンバータの入力端子をリードフレームパッドに直接接続し、それによって、コンバータ回路の入力ノードからのクリップに関連する寄生の影響を取り除くことによってこの問題を解決した。

【0016】

これは、例えば、制御ＦＥＴとしてドレインが下向きのＦＥＴを備えたコンバータを構築し、外部回路ボードに取り付け可能な金属パッド上にドレイン端子を直接配置して、入力電流がＶ_ｉｎ端子から制御ＦＥＴのドレインに直交しかつ垂直に流れるようにすることによって実現し得る。これにより、間に事実上何の寄生インダクタンス又はインピーダンスも生じることなく電流経路が得られる。制御ダイ上に配されるスイッチノードクリップは、電流がコンバータスタックを介して垂直に流れ続けるように、制御ダイの頂部上に同期ダイをドレインを下向きにして配置するために充分に広い面積を有するように設計される。同期ダイのソース端子は第２のクリップによって接地される。この実施形態をテストすると、スイッチノード電圧のリンギングの振幅及び継続時間が９０％よりも大きく減少する。

【0017】

関連する図面を参照して本発明の上記及び他の実施形態を下記により詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】従来技術に従ってアセンブリされた同期降圧コンバータの断面図であり、大面積同期ＦＥＴダイがリードフレームパッドに取り付けられ、その上に小面積制御ＦＥＴダイが配置され、後者が細長いクリップによってリードに接続されている。

【0019】

【図2】図１に示す同期降圧コンバータの出願人による回路図である。

【0020】

【図3】図２に示すような同期降圧コンバータの開始後のスイッチノード電圧（単位：ボルト）を時間（単位：ナノ秒）の関数として示すグラフである。

【0021】

【図4】同期降圧コンバータのスイッチノード電圧のリンギングの振幅（単位：ボルト）を寄生入力インダクタンス（単位：ピコヘンリー）の関数として示す。

【0022】

【図5A】本発明の実施形態に従ってアセンブリされる同期降圧コンバータモジュールの構造を示し、モジュールの透明な封入を通して見た上面図である。

【0023】

【図5B】本発明の実施形態に従ってアセンブリされる同期降圧コンバータモジュールの構造を示し、モジュールの切断線に沿った図５Ａのモジュールの断面図である。

【0024】

【図5C】本発明の実施形態に従ってアセンブリされる同期降圧コンバータモジュールの構造を示し、図５Ｂの切断線に直交する別の切断線に沿った図５Ａのモジュールの断面図である。

【0025】

【図6】図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃに示す同期降圧コンバータの出願人による回路図である。

【0026】

【図7】図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃに示す同期降圧コンバータの開始後のスイッチノード電圧（単位：ボルト）を時間の関数（単位：ナノ秒）として示すグラフである。

【0027】

【図8A】本発明の別の実施形態に従ってアセンブリされる同期降圧コンバータモジュールの構造を示し、モジュールの透明な封入を通して見た上面図である。

【0028】

【図8B】本発明の別の実施形態に従ってアセンブリされる同期降圧コンバータモジュールの構造を示し、モジュールの切断線に沿った図８Ａのモジュールの断面図である。

【0029】

【図8C】本発明の別の実施形態に従ってアセンブリされる同期降圧コンバータモジュールの構造を示し、図８Ｂの切断線に直交する別の切断線に沿った図８Ａのモジュールの断面図である。

【0030】

【図9A】本発明の別の実施形態に従ってアセンブリされる同期降圧コンバータモジュールの構造を示し、モジュールの透明な封入を通して見た上面図である。

【0031】

【図9B】本発明の別の実施形態に従ってアセンブリされる同期降圧コンバータモジュールの構造を示し、モジュールの切断線に沿った図９Ａのモジュールの断面図である。

【0032】

【図9C】本発明の別の実施形態に従ってアセンブリされる同期降圧コンバータモジュールの構造を示し、図９Ｂの切断線に直交する別の切断線に沿った図９Ａのモジュールの断面図である。

【0033】

【図10A】本発明のさらに別の実施形態に従ってアセンブリされる同期降圧コンバータモジュールの構造を示し、モジュールの透明な封入を通して見た上面図である。

【0034】

【図10B】本発明のさらに別の実施形態に従ってアセンブリされる同期降圧コンバータモジュールの構造を示し、モジュールの切断線に沿った図１０Ａのモジュールの断面図である。

【0035】

【図10C】本発明のさらに別の実施形態に従ってアセンブリされる同期降圧コンバータモジュールの構造を示し、図１０Ｂの切断線に直交する別の切断線に沿った図１０Ａのモジュールの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0036】

図１に示すような例示同期降圧コンバータが動作中のとき、時間の関数としてのスイッチノード電圧Ｖ_ＳＷの開始が、図３のシミュレーション波形３０１によってグラフ化されるように観察された。スイッチノード電圧Ｖ_ＳＷは、ボルト単位で測定され、時間（単位：ナノ秒）の関数として表示されている。図３に示すように、この電圧は、最大で２５Ｖまでの急速な変位（振幅）を経て周期的に変動した後、その最終的な定常値１２Ｖまで減衰する。スイッチノード電圧のこのいわゆるリンギング挙動は６０〜８０ｎｓの間継続する。多くのコンバータアプリケーションでは、スイッチノード電圧のこの大きく長いリンギングは許容されない。

【0037】

詳細な解析において、出願人は、スイッチノード電圧のこれらの振幅の根本的な原因は、図１に１６０で表す細長いクリップの大きな寄生インダクタンスＬ_ＩＮ（６００ｐＨ、図２に２６１で表す）及び寄生インピーダンスＲ_ＩＮ（０．５ｍΩ、図２に２６２で表す）であることを見いだした。このクリップは、制御入力端子を入力電源Ｖ_ＩＮに接続するための細長い延長部を有する。その結果、Ｖ_ＩＮから制御ダイ（１１０）の入力端子への電流は、寄生インダクタンス及びインピーダンスを有するクリップ１６０の長さを介して横方向に流れる。図４は、オンになったスイッチノード電圧Ｖ_ＳＷのデータ及び補間された値を示す。これらの値は、ピコヘンリーの単位で測定される寄生インダクタンスＬ_ＩＮの関数としてボルト単位で測定される。１００ｐＨ（測定値４０１）の寄生入力インダクタンスＬ_ＩＮで、スイッチノード電圧Ｖ_ＳＷは１９Ｖよりも大きく変位する。先に述べたように、図２の回路では、寄生入力インダクタンスＬ_ＩＮは６００ｐＨであり得る。これにより、スイッチノード電圧Ｖ_ＳＷが変位して２５Ｖまで達し得る。図４では、Ｌ_ＩＮを５０ｐＨ（データ点４０２）まで低減しても、スイッチノード電圧は依然として１６Ｖよりも大きく変動する。

【0038】

図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃは、上記の問題に対する１つの解決策を示す。これらの図面に示されるコンバータは、その入力電流が、パッド５０１から、実質的な寄生インピーダンス又はインダクタンスを有するいかなる要素も経ることなく、制御ＦＥＴ５１０のドレイン端子に垂直に流れる。制御ＦＥＴは、Ｖ_ＩＮに接続されるリードフレームパッドに直接取り付けられる。このコンバータの制御ＦＥＴは、ドレインが下向きのｎチャネルＭＯＳＦＥＴである。そのため、入力電流（Ｉ）は、パッドから垂直に制御ダイのドレイン端子に入る。ハンダ付けの場合、入力電流は、インピーダンス及びインダクタンスがない状態で制御ダイのドレインに達することができる。同期ダイは、制御ダイの頂部上に配置され、ドレインを下向きにして制御ダイのソースに取り付けられる。そのため、電流はコンバータスタックを介して垂直に流れ続ける。同期ダイのソース端子は、ヒートスプレッダとして働くように設計されるクリップによって接地される。その結果、スイッチノード電圧のリンギングは、継続時間が９０％よりも大きく、振幅が７５％よりも大きく減少する。（より詳細には図７を参照されたい。）

【0039】

透明な封入化合物を通した上面図において、図５Ａは、図５Ｂ及び図５Ｃの断面の切断線を示す。コンバータ５００は、制御ＭＯＳＦＥＴダイ５１０上にスタックされる同期ＭＯＳＦＥＴダイ５２０を有する。オン状態の抵抗値Ｒ_ＯＮは能動ダイ面積に反比例するので、同期降圧コンバータのデューティサイクルが、同期ＦＥＴに必要とされる能動領域に対する制御ＦＥＴに必要とされる能動領域の比を決定する。図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃの例示モジュールでは、予想されるデューティサイクルはほとんどの時間で小さい（＜０．５）。したがって、制御ＦＥＴは動作の大部分の間オフになり導通せず、同期ＦＥＴはサイクルタイムの大部分で導通する。降圧コンバータの導電損失Ｐ_ＬＯＳＳ＝Ｉ^２Ｒ_ＯＮを低減するために、同期ＦＥＴダイ５２０が制御ＦＥＴダイ５１０の能動領域と等しいか、それよりも大きい能動領域を有することが好ましい。その結果、同期ダイ５２０も制御ダイ５１０の物理的な面積に等しいかそれより大きい物理的な面積を有する。

【0040】

図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃはさらに、Ｖ_ＩＮからの入力電流（Ｉ）の入力端子になる長方形の平坦なデバイスアセンブリパッド（ＤＡＰ）５０１を備えた、一般的なＱＦＮタイプの構成を有する金属リードフレームを示す。リードフレームのリードは、長方形パッド５０１の４辺に平行に配置される。個別のリードは５０２で表され、他のリードは集合単位でまとめて表される。集合５０２ａはパッド５０１に接続され、集合５０２ｂ及び５０２ｃは、電気的接地への端子及び熱的エネルギー（熱）移動の経路として働き、集合５０２ｄはスイッチノード及び出力電流への端子として働く。他の実施形態が、特に特定の熱分散が必要な場合に、異なるリード構成を有し得ることに留意されたい。

【0041】

先に述べたように、図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃの例では、制御ダイ５１０は同期ダイ５２０に等しいかそれより小さい面積を有する。ｎ型導電性チャネルダイの実施形態では、制御ダイがドレインを下向きにしてリードフレームパッドにアセンブリされる必要があるので、スタックされたアセンブリ内で小さな制御ダイが大きな同期ダイの垂直に下に配置される必要がある。そのため、制御ダイ５１０のソースを同期ダイ５２０のドレインに接続するスイッチクリップ５４０（第１のクリップとも称する）が、その上側５４０ａのハンダ付け可能な領域を拡張して大面積同期ダイ５２０が収まるように設計され得る。スイッチクリップ５４０の好ましい製作方法が、リードフレームのリード集合５０２ｄへの第１のクリップ５４０の取付けを容易にするように第１のクリップ５４０の１辺から突出するビーム状リッジ（プロップ）５４０ｂ（図５Ｂ参照）の形成を可能にするハーフエッチング技術を含む。

【0042】

ドレインが下向きにスタックされたＦＥＴを備えたコンバータアセンブリでは、同期ダイ５２０のソース端子はスタックの頂部上に置かれ、そして、電気的に接地されなければならない。接続用の第２のクリップ５６０は、動作するコンバータによって生成される動作熱の大部分を基板内のヒートシンクに伝えるように設計される。そのため、この実施形態の第２のクリップ５６０は、ヒートスプレッダとして働く大きな金属領域と、好ましくはクリップの相対する側に沿った２つの細長いリッジ（プロップ）５６０ａ（図５Ｃ参照）を有し、それにより、熱をリード５０２ｂ及び５０２ｃに伝え、そこから基板内のヒートシンクまで伝えるようにする。リードの構成が異なる他の実施形態において、クリップ５６０は、コンバータからの熱除去を向上させるために３つのリッジを有するように設計され得る。さらに他の実施形態では、１つのリッジ５６０ａで充分な場合もある。リッジ５６０ａはこれらがパッド５０１の相対する側のリード集合５０２ｂ及び５０２ｃにハンダ付けされ得るように充分高く形成される。リッジ５６０ａを備えた第２のクリップ５６０を製作する好ましい方法は、金属シートに適用されるハーフエッチング技術である。

【0043】

スタックされたＭＯＳＦＥＴは、好ましくは、モジュールを形成するように保護パッケージング化合物５９０に封入される。好ましい封入方法は成型技術である。図５Ｂ及び図５Ｃに示す実施形態では、成型モジュールの厚さ５９１は約１．５ｍｍである。スイッチクリップ５４０は先に述べたように好ましくはハーフエッチング技術によって製作されるので、封入されるモジュールの堅固さを増すために、ハーフエッチング処理によって開けられる空隙５９０ａなどのいかなる空間も封入化合物で充填することが有利である。図５Ａの実施形態５００では、成型されたパッケージの横方向寸法は、長さ５９２が約６ｍｍであり、幅５９３が約５ｍｍである。

【0044】

図６は、図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃに示すような例示同期降圧コンバータの回路図である。電源Ｖ_ＩＮ（６６０）から制御ＦＥＴ６１０のドレイン６１０ｃに流れる入力電流は、リードフレームパッド（図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃの５０１）の厚さを介して垂直に流れ、その結果、寄生インダクタンスＬ_ＩＮ（６６１）及び寄生インピーダンスＲ_ＩＮ（６６２）がほぼゼロになる。

【0045】

図６にさらに示すように、ゲート６１０ｂが、ワイヤボンドによってリードフレームのリードに接続され、そのため、約１．９４ｎＨの寄生インダクタンスＬ_ＧＡＴＥ（６１１）及び約２６ｍΩの寄生インピーダンスＲ_ＧＡＴＥ（６１２）を有する。制御ＦＥＴ６１０のソース６１０ａの寄生インピーダンスＲ_{ＳＯＵＲＣＥ}（６１３）は、スイッチノード６４０として機能する第１のクリップ５４０にソース６１０ａが直接ハンダ付けされるので、実質的にゼロであり、ソース６１０ａの寄生インダクタンスも同様に実質的に無視し得る。

【0046】

図６はさらに、同期ＦＥＴ６２０がドレインを下向きにしてスイッチノードに接続され、且つそのソース６２０ａが接地６５０に接続されることに伴う寄生値も示す。寄生インピーダンスＲ_{ＳＯＵＲＣＥ}（６２４）及び第２のクリップに沿った電源電圧Ｖ_ＩＮまでの寄生抵抗値はゼロではないが、その入力電流に対する影響は無視し得る。ドレイン６２０ｃと第１のクリップの間の寄生インピーダンスＲ_{ＤＲＡＩＮ}（６２１）は、同期ＦＥＴ６２０が第１のクリップ５４０（スイッチノード６４０）に取り付けられているため、実質的にゼロであり、ドレイン６２０ｃの寄生インダクタンスも実質的にゼロである。

【0047】

ゲート６２０ｂは、ワイヤボンドによってリードフレームのリードに結合され、そのため、約１．５４ｎＨの寄生インダクタンスＬ_ＧＡＴＥ（６２３）及び約２２ｍΩの寄生インピーダンスＲ_ＧＡＴＥ（６２２）を有する。図６では、コンバータの負荷電流は、スイッチノード６４０からリードフレームの対応するリードに取り付けられる第１のクリップ（図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃの５４０）を介して、出力インダクタ（図６では図示せず）及びＶ_ＯＵＴ（６７０）まで流れる。第１のクリップ５４０に沿って、寄生インピーダンスＲ_ＯＵＴ（６７２）は約０．２ｍΩであり、寄生インダクタンスＬ_ＯＵＴ（６７１）は約０．４５ｎＨである。図６はさらに、スイッチノード６４０からリードフレームの対応するリードに接続される制御ＦＥＴのゲートリターンを示す。この接続は、ワイヤボンドによってなされるので、約１．５４ｎＨの寄生インダクタンス６４１及び約２２ｍΩの寄生インピーダンス６４２を与える。

【0048】

図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃに示すような例示同期降圧コンバータが動作中のとき、時間の関数としてのスイッチノード電圧Ｖ_ＳＷ７０１の開始の波形が、図７のようにグラフ化され得る。図７に示すように、この電圧は、最大１６．３Ｖまでの２、３回小さな変位を経て変動した後、その最終的な定常値１２Ｖまで急速に減衰する。この電圧のこの種のリンギング挙動は、１０〜１５ｎｓの間継続し、そのため、短くかつ穏やかである。

【0049】

他のシミュレーション及びデータにより、図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃに従ってアセンブリされる同期降圧コンバータの効率は８９．５％に達し得るが、図１に従ってアセンブリされるコンバータの効率は８８．５％に過ぎないことが示されている。これは、効率の損失がほぼ８％低減されることを示している。

【0050】

本発明の別の実施形態を図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃに示し、全体的に８００として表す。この実施形態は、制御ダイ８１０の面積に匹敵する程度に面積が小さくされたリードフレームパッド８０１によって特徴づけられる。図８Ｂの図５Ｂとの比較が示すように、パッド金属の量が減少しているので、より多い封入化合物８９０が用いられ得る。封入化合物の量が増えると、温度変動や湿気のある雰囲気におけるモジュール８００の堅固さが増す。これにより、化合物と金属の間の剥離の又は化合物の破壊のリスクが減少する。

【0051】

図８Ｂに示すように、第１のクリップ８４０は、その上側８４０ａのハンダ付け可能領域を拡張して大面積同期ダイ８２０が収まるように設計される。第１のクリップ８４０の好ましい製作方法が、リードフレームのリード集合８０２ｄへの第１のクリップ８４０の取付けが容易になるように第１のクリップ８４０の１辺から突出するビーム状リッジ８４０ｂの形成を可能にするハーフエッチング技術を含む。第２のクリップ８６０は、コンバータの動作の間生成される動作熱の大部分を基板内のヒートシンクに伝えるように設計される。そのため、この実施形態の第２のクリップ８６０は、ヒートスプレッダとして働く大きな金属領域と、好ましくはクリップの相対する側に沿った２つの細長いリッジ８６０ａを有し、それにより、熱をリード８０２ｂ及び８０２ｃに伝え、そこから基板内のヒートシンクまで伝えるようにする。他の実施形態において、クリップ８６０は、コンバータからの熱除去を向上させるために３つのリッジを有するように設計されるが、他の実施形態において１つのリッジで充分な場合もある。リッジ８６０ａは、これらがパッド８０１の相対する側のリード集合８０２ｂ及び８０２ｃにハンダ付けされ得るように充分高く形成される。リッジ８６０ａを備えた第２のクリップ８６０を製作する好ましい方法は、金属シートに適用されるハーフエッチング技術である。

【0052】

本発明のさらに別の実施形態を図９Ａ、図９Ｂ、及び図９Ｃに示し、全体的に９００で表す。この実施形態は、図８の実施形態のパッド領域に類似の面積のリードフレームパッド９０１を含むが、このパッド領域には窪んだ凹部９０３がある。ハーフエッチング技術によって、長方形凹部９０３が、深さ９０３ａ、横方向寸法９０３ｂ及び９０３ｃで生成され、そのため、長方形制御ダイ９１０をこの窪んだ凹部内に配置することができる。同期ダイを９２０で表す。その結果、第１のクリップ９４０は、リードフレームのリードに取り付けるための突出するリッジを必要とせず、実質的に平坦なプレートのままとし得、そのため、全体的なモジュールの厚さを薄くする現在の傾向に沿っている。封入化合物９９０を備えたモジュール９００では、厚さ９９１は、図５の例示モジュールの厚さ５９１が１．５ｍｍであるのに対し、１．３ｍｍに過ぎない。図９Ａ及び図９Ｃでは、第２のクリップ９６０は、動作するコンバータによって生成される熱の大部分を基板内のヒートシンクに伝えるように設計される。そのため、この実施形態の第２のクリップ９６０は、ヒートスプレッダとして働く大きな金属領域と、好ましくはクリップの相対する側に沿った２つの細長いリッジ９６０ａとを有し、それにより、熱をリード９０２ｂ及び９０２ｃに伝え、そこから基板内のヒートシンクまで伝えるようにする。リードの構成が異なる他の実施形態において、クリップ９６０は、コンバータからの熱除去を向上させるために３つのリッジを有するように、更に他の実施形態において１つのリッジを有するように、設計される。

【0053】

図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１０Ｃは、高デューティサイクル動作を意図した、さらに別の実施形態を示し、全体的に１０００で表す。実施形態１０００は、制御ダイ１０１０と同期ダイ１０２０の面積が実質的に等しいことによって特徴づけられる。例として、図１０Ｂにおいて横方向寸法１０１０ａ及び１０１０ｂはそれぞれ３．５ｍｍである。ｎ型導電性チャネルダイはドレインを下向きにしてより容易にリードフレームパッド１００１にアセンブリされるので、制御ダイ１０１０は、スタックされたアセンブリにおいて同期ダイ１０２０の垂直に下に配置され得る。そのため、制御ダイ１０１０のソースを同期ダイ１０２０のドレインと接続するスイッチクリップ（第１のクリップ）１０４０が、同期ダイ１０２０を収めるためのハンダ付け可能な表面１０４０ａ及び制御ダイ１０１０を収めるためのハンダ付け可能な表面１０４０ｃを有するように設計され得る。スイッチクリップ１０４０の好ましい製作方法が、リードフレームのリード集合１００２ｄへの第１のクリップ１０４０の取付けが容易になるように第１のクリップ１０４０の１辺から突出するビーム状リッジ（プロップ）１０４０ｂ（図１０Ｂ参照）、及び適切な表面領域の形成を可能にするハーフエッチング技術を含む。ドレインを下向きにしてスタックされるＦＥＴを備えたコンバータアセンブリでは、同期ダイ１０２０のソース端子は、このスタックの頂部上に配置され、そして、接地電位に電気的に接続されなければならない。接続用の第２のクリップ１０６０は、動作するコンバータによって生じる動作熱の大部分を基板内のヒートシンクに伝えるように設計される。そのため、この実施形態の第２のクリップ１０６０は、ヒートスプレッダとして働く大きな金属領域とクリップの相対する側に沿って２つ（或いは３つの場合もある）の細長いリッジ１０６０ａとを有し、熱をリード１００２ｂ及び１００２ｃに伝え、そこから基板内のヒートシンクまで伝えるようにする。

【0054】

本発明は、電界効果トランジスタだけでなく、他の適切なパワートランジスタにも適用される。さらに、第２のクリップがヒートシンクに、好ましくはハンダ付けによって、接続され得るように第２のクリップの頂部表面を封入せずに残すことによって、電源モジュールの大電流能力はさらに拡張され得、効率はさらに高められ得る。この構成では、モジュールはその熱をヒートシンクの両面から放散し得る。

【0055】

本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく、説明した実施形態に多くの他の改変をなし得ること、及び多くの他の実施形態が可能であることが当業者には理解されよう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図10A】

【図10B】

【図10C】