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自動車用チップオンチップスマート MOSFET 技術
富士時報 Vol.76 No.10 2003 自動車用チップオンチップスマート MOSFET 技術 竹内 茂行（たけうち しげゆき） 小山 正晃（こやま まさあき） 大栗 克実（おおぐり かつみ） まえがき ニーズに対応した低発生損失の表面実装タイプに移行し， 現在に至っている。このような中で，自動車の環境保護， 富士電機は自動車分野向けの半導体デバイスとしてス 安全性および性能の向上に伴い，車載用電子部品の自動車 マート MOSFET を 1991 年から供給してきている。これ に占める割合は年々増加する傾向にある。しかしながら， までの市場要求は，油圧ソレノイドバルブ制御のように比 ECU に搭載する機能の増加は ECU の小型化を阻害するた 較的電流の小さい用途であり，製品ラインアップは電流定 め，ECU 制御基板に搭載する半導体には限られたエリア 格 1 ∼ 6 A 程度のスマート MOSFET であった。また，自 内で目標性能を達成させる必要があり，トレードオフの関 動車搭載システムの電子化が進むに従い，8 ∼ 40 A 定格 係にある「搭載機能および性能」と「小型化」の改善が急 程度のパワー MOSFET や負荷短絡機能，過熱保護機能が 務である。 搭載されたスマート MOSFET が採用されてきている。さ スマート MOSFET は，上記ニーズに応えるべく微細加 らなる電子制御ユニット（ECU）の小型・低損失化を目 工化により出力段パワー MOSFET のオン抵抗改善と制御 指し，昨今は大電流で使用可能な低オン抵抗（10 mΩ以 回路の小型化を進めてきているが，特に小型パッケージで 下）を特徴とした製品の開発が望まれている。この低オン 大電流あるいは低オン抵抗のニーズに対しワンチップ構成 抵抗を達成するために，富士電機ではチップオンチップ構 では限界がある。 造を用いたスマート MOSFET の開発に取り組んでいる。 この限界を打破するために富士電機では，チップオン チップ構造を選択した。図２はチップオンチップ構造によ 本稿ではその内容を紹介する。 る効果を模式的に表した図であり，限られたパッケージサ 背 景 図２ 搭載チップサイズと出力段オン抵抗 富士電機における車載用スマート MOSFET 用パッケー ジの変遷を 図１ に示す。1990 年初頭，リード端子タイプ 出力段R ・ は同一 A on の製品を市場に送り出し，プリント基板上へ自立実装し使 ワンチップタイプ 機能追加により相関ラインは 右へシフトする（低オン抵抗 化できない） 。 機能を減らしてもチップオン チップレベルの低オン抵抗は 達成できない。 用された。その後，プリント基板の実装効率を高める市場 1995年 2000年 2005年 搭載チップサイズ 図１ 富士電機のスマート MOSFET パッケージの変遷 パッケージ小型化 特 集 1 リード部品 SMD化 パッケージ 最大搭載チップサイズ チップオンチップタイプ 上下破線エリア内であれば 機能追加可能 低オン抵抗，多機能搭載の 設計で効果を発揮 オンチップ 搭載可能ライン パワーSOP/QFP化 チップオンチップ化 低 R on・小型化 超小型化 出力段オン抵抗 626（40） 竹内 茂行 小山 正晃 スマートパワーデバイスの開発・ ディスクリートパッケージの設 半導体の封止樹脂およびパッケー 設計に従事。現在，富士電機デバ 計・開発に従事。現在，富士電機 ジ技術の開発に従事。現在，富士 大栗 克実 イステクノロジー （株） 自動車電装 デバイステクノロジー （株） デバイ 電機デバイステクノロジー （株） デ 品開発部。 ス開発部。腐食防食協会会員。 バイス開発部。 富士時報 自動車用チップオンチップスマート MOSFET 技術 Vol.76 No.10 2003 イズの場合，搭載機能が増加するほど，換言すれば制御回 路部分のサイズが増加するほどチップオンチップ構造の効 ３.２ 接着フィルム材の検証 果が増加することが分かる。さらにチップオンチップ構造 熱膨張率，弾性率，ガラス転移温度の異なる 3 種類の接 では制御回路を載せた IC チップとパワー MOSFET チッ 着フィルム材の候補とし比較評価を行った。各供試材の特 プが分離されているため，豊富な組合せの選択が可能とな 性を表２に示す。 次 に IC チ ッ プ裏 面の フ ィ ル ム材 が パ ワ ー MOSFET る。 以下では，高信頼性なチップオンチップ構造を実現する チップ表面にどのように影響するか，応力シミュレーショ ンを実施した。解析モデルを図３および表３に示す。フィ ために開発した新技術について紹介する。 ルム材Ｃはフィルム材 A と類似した特性を持つので，シ チップマウント技術 ミュレーションでは，A と B で比較した。ヒートサイク ル試験において最もストレスの大きい冷却時のチップ表面 の応力プロファイルを図４および図５に示す。 ３.１ チップマウント方法の選定 従来，富士電機における半導体チップのマウント方法は， モデル条件であるチップとモールド樹脂との界面接着・ パワー半導体には放熱性のよいはんだを用いたマウント方 非接着の影響は，若干変動はあるが全体では認められない。 式，IC のような自己発熱しない半導体にはエポキシ樹脂 フィルム材 A の場合（モデル 1，3） ，チップ表面では比 をベースに導電性銀（Ag）フィラを含有した Ag ペース 較的フラットな応力分布を示すが，フィルム材 B の場合 トによるマウント方式であった。今回のパワー MOSFET （モデル 2，4），チップ外周から 0.4 mm 程度内側で応力 と IC チップの接着には Ag ペーストのような有機材料を ピークが見られた。 用いたマウント技術が必要である。しかしながら，チップ オンチップでペースト材を使用した場合，下記の懸念点が 表２ フィルム材特性比較表 予想される。 （1） キュア時に発生するガス付着による耐湿性の低下 フィルム材 （2 ） 接着剤の位置ずれや染み出しによるワイヤ接合性の低 下 A B C 特 徴 標準 低弾性 高T g （3） ペースト供給時のベースチップへのダメージ 線 膨 張 率 1 2 1 （4 ） プロセス管理などの作業負荷の増大 弾 性 率 1 0.3 1.5 ガラス転移温度（ Tg ） 1 1 1.5 タックドパッケージの開発が進められ，ペースト材に代わ 吸 水 率 1 0.67 0.67 るフィルム材の接着剤が使われ始めている。詳細は割愛す アウトガス量 1 0.1 4 銅 板 反 り 量 1 0.4 4 高密度実装化の方法として複数のチップを積載したス るが，ペースト材とフィルム材の特性・作業性比較調査を 行った結果を表１に示す。 ™フィルム材Aの特性を1とした場合の相対比較表 フィルム材の材料コストが高いが生産量が増えた場合， 作業コスト，管理コストなどを考慮するとコスト面でも遜 色（そんしょく）なく，また耐湿性，作業性の観点から 図３ シミュレーションモデル図 フィルム材が有利であると考え，フィルム材を選択するこ ととした。 モールド 拡大 IC チップ 項 目 フィルム材 ペースト材 作 業 性 高 低 材 料 保 管 室温 冷凍 材料常温戻し 不要 必要 使用中の調整 不要 必要 後硬化時間 短 長 粘 度 変 化 なし あり 耐リフロー性 JEDECレベル1 JEDECレベル1 （アクリル系） 吸 水 率 小 大 アウトガス 少 多 材料コスト 1 1/2 はんだ MOSチップ Cuフレーム 表１ フィルム材とペースト材との比較表 接着材 表３ シミュレーションモデル表 フィルム材 チップ表面接着 初期設定 α1 モデル1 A 界面接着 1 1 1 モデル2 B 界面接着 2 1.2 0.3 モデル3 A 界面非接着 1 1 1 モデル4 B 界面非接着 2 1.2 0.3 モデル5 B’ 界面接着 1 1 0.3 α2 弾性率 ™フィルム材Aの特性を1とした場合の相対比較表 ™界面非接着とは，樹脂ーチップ間にはく離が発生した場合を想定した シミュレーション 627（41） 特 集 1 富士時報 自動車用チップオンチップスマート MOSFET 技術 Vol.76 No.10 2003 図４ モデル 1 ∼ 4 水平方向応力分布図 図６ モデル 5 水平方向応力分布図（線膨張変更品） 10サイクル目冷却時：チップ表面の水平方向応力分布図 10サイクル目冷却時：チップ表面の水平方向応力分布図 50 モデル3 100 水平方向応力（N/mm2） 水平方向応力（N/mm2） 200 モデル2 0 モデル4 −100 モデル2，4 モデル1 −200 −300 モデル1，3 0 −50 −100 −150 モデル2 −200 モデル5 −250 −300 モデル1 −350 −400 −400 0 1 2 3 0 4 1 水平方向位置（mm） 3 4 図７ モデル 5 板厚方向応力分布図（線膨張変更品） 10サイクル目冷却時：チップ表面の板厚方向応力分布図 10サイクル目冷却時：チップ表面の板厚方向応力分布図 150 150 モデル3 50 モデル2 100 モデル1 板厚応力（N/mm2） 100 モデル2，4 0 モデル4 モデル1，3 −50 モデル2 −100 50 0 モデル5 モデル1 −50 −100 −150 −200 −150 −200 2 水平方向位置（mm） 図５ モデル 1 ∼ 4 板厚方向応力分布図 板厚応力（N/mm2） 特 集 1 −250 0 1 2 3 0 4 水平方向位置（mm） 1 2 3 4 水平方向位置（mm） 図４に水平方向の応力分布図を示す。チップ表層に多大 なスライド方向の圧縮応力が発生しており，パッケージ応 ワイヤボンディング技術 力の主成分と考えられる。図５にチップ板厚方向の引張応 力を示す。このスライド方向と引張応力の合力で発生する 今回，チップオンチップの選択理由として，大電流化 モーメント力により，チップコーナー部へは多大なストレ （低オン抵抗化）およびパッケージの小型化による高密度 スの発生が予想される。組立品での確認評価を実施したが， 実装可能な製品を提供できることを目標としている。この フィルム材 B の IC コーナー部に，はく離が発生し，今回 目標を達成するためには，出力側端子へのアルミワイヤ結 のシミュレーションが正しいことを裏づける結果となった。 線は太線化・多数掛け化が必要である。一方，制御用 IC 今回の応力分布の違いがフィルム材 B の弾性率の影響 からの結線は，搭載チップサイズなどの制約上，細線化が か，線膨張係数の違いによるものかを検証した結果を図６ 必要である。また，IC チップとパワー MOSFET チップ および 図 ７ に示す。モデル 5 はフィルム材 B の弾性率を を直接接続することも必要である。さらにパッケージの小 変えずに，線膨張係数をフィルム材 A の値に変更したも 型化に伴い，アルミワイヤ結線のループ高さ，形状のコン のである。応力ピークはなくなり，モデル 1 の応力分布に トロールも重要な課題となっている。 近い結果となった。したがって，チップ外周内側の応力 富士電機はこれら課題に対し，各結線ごとのアルミワイ ピークは線膨張係数が高いための影響であるという結論が ヤ長を一定に保つことを可能にし，安定した結線状態の維 導かれた。 持を実現化した。 ガラス転移温度の高いフィルム材 C に関しては， 表 ２ 図８に今回検討に用いたアルミワイヤボンディングを例 に示す銅板の反り量が大きく，ワイヤボンディング不良や として示す。図８のパッケージでは太線のアルミワイヤ 4 チップはがれの問題が懸念される結果となった。以上の結 本掛けにより，パッケージ抵抗 0.4 mΩ以下（常温）を達 果から，線膨張係数の低いフィルム材 A を選定した。 成した。 628（42） 富士時報 自動車用チップオンチップスマート MOSFET 技術 Vol.76 No.10 2003 図８ ワイヤボンディング例 とした太線のアルミワイヤの多数掛けを実施している。こ れにより水分浸入経路の増加による耐湿性の低下が懸念さ れる。 部材選定およびパッケージ構造により，この問題を解決 し ， 目 標 耐 湿 性 を 達 成 し た （ 85 ℃ /85 ％ 温 湿 度 試 験 ， 1,000 時間以上） 。 ５.３ チップ−チップ間絶縁性 チップ−チップ間の絶縁性については，フィルム材によ る接着を選択したことにより，目標となる絶縁性を確保す ることができた。以下が具体的な実施内容である。 （1） チップ間距離の均一確保 （2 ） フィルム材の材質 以上により，チップオンチップ構造体としての信頼性目 標を達成した。 あとがき 信頼性確保 富士電機では，以上の内容を取り込んだ製品の開発に着 ５.１ 温度ストレス耐量 チップオンチップ構造の選択により，モールドパッケー ジ内部材の段差部が増加し，これに伴う応力集中の発生に 手しており，2004 年には発表の予定である。従来製品群 に今回の製品群を新たに追加し，市場ニーズに対応してい く所存である。 よる温度ストレス耐量の低下が懸念されたが，新規部材と なるフィルム材の検証の実施および部材間の接着性のよい 材料の選定，低応力樹脂の選定，チップやはんだなどの材 料サイズのシミュレーションによる条件出しにより，目標 とする温度ストレス耐量（−55 ∼＋150 ℃，1,000 サイクル 以上）を達成した。 参考文献 （1） 古 畑 昌 一 ほ か ． 自 動 車 用 ハ イ サ イ ド IPS． 富 士 時 報 ． vol.65, no.3, 1992, p.176- 180. （2 ） 木内伸ほか．インテリジェントパワー MOSFET．富士時 報．vol.70, no.4, 1997, p.222- 226. （3） 木内伸ほか．SOP- 8 パッケージハイサイド IPS．富士時 ５.２ 耐湿性 報．vol72, no.3, 1999, p.168- 171. 今回，電気的特性面の目標として，低オン抵抗化を目的 629（43） 特 集 1