半導体パッケージの種類・特徴から選定方法を解説

みなさん、こんにちは。営業部の塩谷です。

今回は半導体パッケージの種類や特徴から最終的にどのような半導体パッケージを選択すればいいかについて、「半導体パッケージの進化」、「半導体パッケージの種類」、「半導体パッケージの選定ガイド」の順に紹介しますので、パッケージ選定にお悩みの方は参考にしていただければ幸いです。

半導体パッケージは多機能化・小型化の要求に応じて進化してきた

半導体パッケージは、1つのパッケージにより多くの機能を持たせたいという要求を背景に、多機能化が進んできました。
その過程では搭載する機能の増加に伴い、パッケージサイズも大きくなる傾向がありました。一方で、製品全体の小型化が進むにつれて、半導体パッケージにも多機能でありながら小型であることが求められるようになりました。こうした相反する要求に対応するため、半導体パッケージは信頼性や放熱性とのバランスを取りながら進化してきた歴史があります。

半導体パッケージの種類と特徴を分類別にわかりやすく解説

半導体パッケージは大きく挿入実装型と表面実装型の2種類に分かれており、表面実装型にはリードフレームタイプとBGAタイプがあります。

挿入型パッケージの種類と代表的な特徴

挿入実装型は半導体パッケージの初期からある形状で、プリント基板やソケットに差し込むタイプのパッケージとなります。挿入実装型はリードフレームの足が出た形状が特徴で、単体のトランジスタやダイオードも同様の形状ですね。
挿入実装型でもSIP ⇒ DIP ⇒ PGAとPin数が多くなり複雑な形状になっていっていることが分かります。

SIP ： Single In-line Package
DIP ： Dual In-line Package
PGA ： Pin Grid Array

表面実装型リードフレームタイプパッケージの種類と代表的な特徴

市場からの「基板の両面に部品を搭載したい」、「基板を小さくしたいので半導体パッケージを小さくしてほしい」との要求から生まれた半導体パッケージが表面実装型のリードタイプです。
挿入実装型のDIPに比べパッケージを低背化したSOPや多ピン化するため4方向から足が出たQFP、さらに実装面積を小型化したQFJ、 QFNがあります。

SOP ： Small Outline Package
QFP ： Quad Flat Package
QFJ ： Quad Flat J-leaded Package
QFN ： Quad Flat Non-leaded package

表面実装型BGAタイプパッケージの種類と特徴

市場から「表面実装型リードフレームタイプよりもさらに半導体パッケージを小さくしてほしい」、「ピン数を増やしてほしい」との要求から生まれた半導体パッケージが表面実装型BGAタイプです。半導体パッケージの裏面に格子状にピンを配置しているのが特徴です。
表面実装型リードタイプに比べパッケージが小型化されピン数も格段に上がったパッケージです。
BGAタイプはパッケージの裏面にはんだボールが付いているパッケージが主流ですが、はんだボールを付けないLGAもあります。

今回は基本的なパッケージの紹介であり、これ以上の深堀はまた別の機会にします。

BGA ： Ball Grid Array
LGA ： Land Grid Array

半導体パッケージの選び方を観点別にわかりやすく解説

半導体パッケージを選ぶポイントとして「大きさ」、「外観検査のしやすさ」、「実装信頼性」の観点から解説します。

半導体パッケージの大きさの違いと比較

同じ機能、同じPin数で挿入型と表面実装型リードフレームタイプ（以降リードフレームタイプとする）、表面実装型BGAタイプ（以降BGAタイプとする）を比較したときに大きさの観点から考えてみると以下のようになります。

（大きい）　挿入型＞リードフレームタイプ＞ BGAタイプ　（小さい）

次にリードフレームタイプについてQFP、QFJ、QFNといったリードフレームの形状が異なる半導体パッケージを比較すると以下のようになります。

（大きい）　QFP ＞ QFJ ＞ QFN　（小さい）

ちょっとしたリード形状の違いですが、実装面積からすると大きな違いがあります。近年はプリント基板に実装する部品点数が増加しており、QFNの要望が高くなっています。

外観検査のしやすさと確認性の違い

大きさの観点からすればBGAタイプのみを使用していればいいということになりますが、プリント基板の外観検査の観点からすると、実装されたときにPinが接合されているかの検査が困難であり、一概にBGAタイプを選定しておけばいいということにはなりません。

（容易）挿入型＞リードフレームタイプ＞ BGAタイプ（困難）

リードフレームタイプのQFP、QFJ、QFNについても同じ傾向になります。

（容易） QFP ＞ QFJ ＞ QFN （困難）

実装された部品は製品として使用されるため、信頼性試験や各種評価が行われます。これらの過程において破損した半導体パッケージの確認を行うため、外観検査や交換のしやすさも選定の重要なポイントの一つになります。

半導体パッケージの実装信頼性評価に関する検討

温度サイクル試験など、はんだ接合部に負荷がかかる試験後の耐久性を考えたときには、はんだ接合形状やはんだ量によってパッケージが決まります。

（耐久性高い）挿入型＞リードフレームタイプ＞ BGAタイプ　（耐久性低い）

ここで重要なのは半導体パッケージによって信頼性が異なる点です。プリント基板は一見平面に見えますが、実際はプリント基板には反りやうねりがあり、部品実装時の熱でも変形が起こります。これら特徴から、部品実装時の熱によるプリント基板の変形が少ない中央付近にBGAタイプの半導体パッケージを配置し、周辺にリードフレームタイプ、プリント基板の端に近いほど挿入タイプの半導体パッケージを配置します。プリント基板の特徴を理解することで、プリント基板のどの部分にどのタイプの半導体パッケージを選定すればいいかがわかります。特にBGAタイプは近年大型化が進んでおり、BGAタイプの大きい半導体パッケージほどプリント基板の中央に配置されています。

今回は基本的な半導体パッケージの選び方でしたが、近年は半導体パッケージも構造の複雑化が進んでいます。どのような半導体パッケージ構造になっているかを確認の上、パッケージを選定し、使用することを推奨します。

当社には半導体パッケージに詳しいエンジニアが在籍しておりますので、お困りの際は何なりとお申し付けくださいませ。

最後までお読みいただき、ありがとうございました。