JP2001156219A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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豊 福田
Yoshimi Nakase
中瀬　　好美
Kazuhito Nomura
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体チップの両面を放熱部材で挟んでなる
構成を有する半導体装置において、放熱性を改善し、半
導体チップの搭載位置のばらつきを抑えた半導体装置を
提供する。 【解決手段】 第１の放熱部材３の凸部６はＳｉチップ
１ａ、１ｂの一面５ａ側の主電極と半田２を介して接合
されており、第２の放熱部材４の凹部８にＳｉチップ１
ａ、１ｂが嵌め合わされて半田２を介して接合されてい
る。また、第１の放熱部材３の突起部７ａにはスペーサ
１３をかませた状態で、第１および第２の放熱部材３、
４に形成されたＳｉチップ１ａ、１ｂ側に突出した突起
部７ａ、７ｂが、リードフレーム９に形成された穴１２
ａ、１２ｂに、嵌め合わされてかしめられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップの上
下から放熱する構成を有する半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体チップの上下から放熱を行ってい
る半導体装置には、例えば、特開平４−２７１４５号公
報に記載の発明がある。図１１は、この公報に記載の半
導体装置の概略断面図である。図１１に示すように、半
導体チップＪ１が下面放熱板Ｊ２に直接接着されてお
り、下面および上面放熱板Ｊ２、Ｊ３が、これらの放熱
板Ｊ２、Ｊ３に複数配列された結合ピンＪ４により接合
されている。また、半導体チップＪ１とリードフレーム
Ｊ５とがワイヤボンドにより形成されたワイヤＪ６によ
り電気的に接続されている。そして、これらの部材Ｊ１
〜Ｊ６が樹脂Ｊ７により封止されている。
【０００３】上記、従来公報に記載の半導体装置では、
半導体チップＪ１の上下両側から放熱を行うようにして
いるものの、半導体チップＪ１の上面と上面放熱板Ｊ３
とが直接接着されていない。そのため、半導体チップＪ
１の上面から直接、上面放熱板Ｊ３に熱が伝わるのでは
なく、モールド樹脂Ｊ７を介して伝わることになり、半
導体チップＪ１の上面からの放熱性が良くない。
【０００４】それに対して、特開昭６１−１６６０５１
号公報に記載の発明では、半導体チップの上下からモー
ルド樹脂を介すことなく放熱を行っている。図１２は、
この公報に記載の半導体装置の概略断面図である。図１
２に示すように、半導体チップＪ１１がダイパッドＪ１
２に固着されており、半導体チップＪ１１の上面に接着
剤Ｊ１３を用いてチップ側放熱板Ｊ１４が接着されてい
る。また、外部リードＪ１５と半導体チップＪ１１とが
ワイヤボンドにより形成されたワイヤＪ１６により電気
的に接続されている。また、ダイパッドＪ１２における
半導体チップＪ１１の搭載面とは反対側の面には、ダイ
パッド側放熱板Ｊ１７が接触しており、これらの部材Ｊ
１１〜Ｊ１７が樹脂Ｊ１８により封止されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】この後述の公報に記載
の半導体装置は、前者公報に記載の半導体装置と比較し
て、半導体チップの上側に対しても放熱部材をモールド
樹脂を介すことなく接触させているため放熱性が向上し
ている。しかし、この後述の公報に記載の半導体装置で
は放熱板を接着剤Ｊ１３のみでチップに対して固定して
いるため、半導体チップを搭載する際に位置ずれ、即
ち、半導体チップの搭載位置のばらつきが起こり易いと
いう問題がある。
【０００６】そのため、例えば、放熱板を電極として兼
用し、特に半導体チップとしてパワー素子を用いる場合
には、半導体チップの搭載位置がずれることにより、半
導体チップの絶縁すべき領域において通電してしまう等
の不具合がある。
【０００７】本発明は、上記問題点に鑑み、半導体チッ
プの両面を放熱部材で挟んでなる構成を有する半導体装
置において、放熱性を改善し、半導体チップの搭載位置
のばらつきを抑えた半導体装置を提供することを目的と
する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、半導体チップ（１ａ、
１ｂ）と、半導体チップ（１ａ、１ｂ）の両面を挟むよ
うに熱伝導性を有する接合部材（２）を介して接合した
一対の放熱部材（３、４）とを備え、一対の放熱部材
（３、４）は第１の放熱部材（３）と、半導体チップ
（１ａ、１ｂ）と対向する面に凹部（８）を形成した第
２の放熱部材（４）とよりなり、この凹部（８）内に半
導体チップ（１ａ、１ｂ）を嵌め合わしていることを特
徴としている。
【０００９】本発明では、熱伝導性を有する接合部材
（２）を介して、一対の放熱部材（３、４）を半導体チ
ップ（１ａ、１ｂ）の両面と接合しているため、放熱性
を改善することができる。また、第２の放熱部材（４）
の凹部（８）に半導体チップ（１ａ、１ｂ）を嵌め合わ
せるため、半導体チップ（１ａ、１ｂ）の平面方向にお
いて、第２の放熱部材（４）と半導体チップ（１ａ、１
ｂ）との相対位置を固定することができ、半導体チップ
（１ａ、１ｂ）の搭載位置のばらつきを抑えた半導体装
置を提供することができる。
【００１０】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、第１の放熱部材（３）における半導
体チップ（１ａ、１ｂ）と対向する部位に、半導体チッ
プ（１ａ、１ｂ）側に突出した凸部（６）を形成し、こ
の凸部（６）を半導体チップ（１ａ、１ｂ）と接合部材
（２）を介して接合することを特徴としている。
【００１１】本発明によれば、第２の放熱部材（４）の
凹部（８）により半導体チップ（１ａ、１ｂ）の位置決
めを行った状態で、第１の放熱部材（３）に凸部（６）
を形成しているため、凸部（６）の形状を調節すること
により、第１の放熱部材（３）を半導体チップ（１ａ、
１ｂ）の所望の領域のみと適切に接合させることができ
る。
【００１２】請求項３に記載の発明では、請求項２に記
載の発明において、半導体チップ（１ａ）における第１
の放熱部材（３）と対向する面に制御電極を形成し、制
御電極と電気的に接続するリードフレーム（９）を設け
たことを特徴としている。
【００１３】本発明の様に半導体チップ（１ａ）に制御
電極が形成されていても、凸部（６）の形状を調節する
ことにより、第１の放熱部材（３）と制御電極とが接触
しない様にすることができる。
【００１４】請求項４に記載の発明では、請求項３に記
載の発明において、一対の放熱部材（３、４）における
半導体チップ（１ａ、１ｂ）との対向面の少なくとも一
方には突起部（７ａ、７ｂ）を形成し、リードフレーム
（９）に形成した穴（１２ａ、１２ｂ）と突起部（７
ａ、７ｂ）とを嵌め合わせることにより、一対の放熱部
材（３、４）の少なくとも一方をリードフレーム（９）
に固定することを特徴としている。
【００１５】本発明によれば、リードフレーム（９）に
対して一対の放熱部材（３、４）の少なくとも一方を固
定して位置決めでき、放熱部材（３、４）の位置決め精
度を向上させることができるため、半導体チップ（１
ａ、１ｂ）の平面方向における搭載位置のばらつきを、
さらに抑えた半導体装置を提供することができる。特
に、一対の放熱部材（３、４）の両方をリードフレーム
（９）に対して固定する場合は、このばらつきを確実に
抑えることができる。
【００１６】なお、この固定は、かしめにより行っても
良いし、その他、半田などにより固定しても良い。
【００１７】請求項５に記載の発明では、請求項３に記
載の発明において、一対の放熱部材（３、４）における
半導体チップ（１ａ、１ｂ）との対向面の少なくとも一
方に突起部（７ａ、７ｂ）を形成し、当該放熱部材
（３、４）とリードフレーム（９）との間にスペーサ
（１３）を介在した状態で、リードフレーム（９）に形
成した穴（１２ａ、１２ｂ）と突起部（７ａ、７ｂ）と
を嵌め合わせて固定し、スペーサ（１３）によって当該
放熱部材（３、４）と半導体チップ（１ａ、１ｂ）と
の、半導体チップ（１ａ、１ｂ）の厚み方向における位
置決めをしていることを特徴としている。
【００１８】これにより、半導体チップ（１ａ、１ｂ）
の平面方向に加えて厚み方向にも位置を固定できるた
め、半導体チップ（１ａ、１ｂ）の搭載位置のばらつき
を、より確実に抑えた半導体装置を提供することができ
る。
【００１９】請求項６に記載の発明では、半導体チップ
（１ａ、１ｂ）と、半導体チップ（１ａ、１ｂ）の両面
を挟むように熱伝導性を有する接合部材（２）を介して
接合した一対の放熱部材（３、４）とを設け、一対の放
熱部材（３、４）は、半導体チップ（１ａ、１ｂ）と対
向する部位に、半導体チップ（１ａ、１ｂ）側に突出し
た凸部（６）を形成した第１の放熱部材（３）と、第２
の放熱部材（４）とよりなり、この凸部（６）が、接合
部材（２）を介して半導体チップ（１ａ、１ｂ）に接合
し、半導体チップ（１ａ）における第１の放熱部材
（３）と対向する面に形成した制御電極と電気的に接続
するリードフレーム（９）を設け、一対の放熱部材
（３、４）における半導体チップ（１ａ、１ｂ）との対
向面の少なくとも一方には突起部（７ａ、７ｂ）を形成
していることを特徴としている。
【００２０】さらに、リードフレーム（９）に形成した
穴（１２ａ、１２ｂ）と、突起部（７ａ、７ｂ）とを嵌
め合わせて固定することにより、一対の放熱部材（３、
４）の少なくとも一方をリードフレーム（９）に固定
し、一対の放熱部材（３、４）とリードフレーム（９）
との間に生じる隙間にスペーサ（１３）を介在し、この
スペーサ（１３）によって一対の放熱部材（３、４）と
半導体チップ（１ａ、１ｂ）との、半導体チップ（１
ａ、１ｂ）の厚み方向における位置決めをすることを特
徴としている。
【００２１】本発明の様に、第１の放熱部材（３）に形
成した凸部（６）を半導体チップ（１ａ、１ｂ）に接合
するようにすると、半導体チップ（１ａ、１ｂ）に接続
されるリードフレーム（９）と一対の放熱部材（３、
４）との間には、凸部（６）の段差によって隙間が生じ
るが、この隙間にスペーサ（１３）を介在させてリード
フレームに形成した穴（１２ａ、１２ｂ）と一対の放熱
部材（３、４）の突起部（７ａ、７ｂ）とを嵌め合わせ
て固定することにより、半導体チップ（１ａ、１ｂ）の
平面方向にも厚み方向にも、半導体チップ（１ａ、１
ｂ）と一対の放熱部材（３、４）との相対位置のばらつ
きを抑えた半導体装置を提供することができる。
【００２２】請求項７に記載の発明では、請求項１ない
し６のいずれか１つに記載の発明において、一対の放熱
部材（３、４）として、半導体チップ（１ａ、１ｂ）に
線膨張率が近似した金属を用いることを特徴としてい
る。
【００２３】これにより、半導体チップ（１ａ、１ｂ）
と各々の放熱部材（３、４）との線膨張率が異なること
に起因する熱応力の発生を抑制することができ、接合部
材（２）に対する歪みの集中を防止することができる。
【００２４】請求項８に記載の発明では、請求項１ない
し７のいずれか１つに記載の発明において、一対の放熱
部材（３、４）として、銅の内部において、インバーお
よびモリブデンのうちの少なくとも１つが、部分的に複
数配置されているものを用いることを特徴としている。
【００２５】本発明によれば、銅の内部にインバーやモ
リブデンを配置した金属は、半導体チップ（１ａ、１
ｂ）と線膨張率が近似しているため、請求項７に記載の
発明と同様の効果を発揮することができる。また、イン
バーやモリブデンは銅と比較すると放熱性が劣るが、銅
の内部に部分的に配置することにより、放熱性も十分に
確保することができる。
【００２６】請求項９に記載の発明では、請求項１ない
し８のいずれか１つに記載の発明において、一対の放熱
部材（３、４）の各々の面のうち、半導体チップ（１
ａ、１ｂ）と対向する面とは反対側の面が露出した状態
で、一対の放熱部材（３、４）および半導体チップ（１
ａ、１ｂ）を樹脂封止していることを特徴としている。
【００２７】これにより、一対の放熱部材（３、４）を
構成する第１の放熱部材（３）と第２の放熱部材（４）
との絶縁を確実に行うことができる。また、露出した面
を冷却することにより、的確に放熱を行うことができ
る。
【００２８】請求項１０に記載の発明では、請求項１な
いし９のいずれか１つに記載の発明において、一対の放
熱部材（３、４）が、半導体チップ（１ａ、１ｂ）の電
極として用いられることを特徴としている。
【００２９】一対の放熱部材（３、４）を電極として利
用し、各々の放熱部材（３、４）の間の電位差が大きい
場合には、各々の放熱部材（３、４）と半導体チップ
（１ａ、１ｂ）との相対位置がずれることにより、絶縁
されるべき部分が通電してしまう恐れがある。しかし、
本発明では、半導体チップ（１ａ、１ｂ）と各々の放熱
部材（３、４）との相対位置のばらつきが抑えられてい
るため、各々の放熱部材（３、４）を電極として用いて
も好適である。
【００３０】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。
【００３１】
【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１は、第１実
施形態の半導体装置を上面から見た模式図であり、図２
（ａ）は、図１におけるＢ−Ｂ断面を模式的に示す図で
あり、図２（ｂ）は、図１におけるＤ−Ｄ断面を模式的
に示す図である。図１および図２に示すように、平面的
に配置された２つの半導体チップとしてのＳｉチップ１
ａ、１ｂに対して、それらのＳｉチップ１ａ、１ｂの両
面を挟む様にして、熱伝導性を有する接合部材２を介し
て一対の放熱部材である第１および第２の放熱部材３、
４が接合されている。
【００３２】Ｓｉチップ１ａのワイヤボンドされている
側の面である一面５ａに対しては、第１の放熱部材３が
接合されており、Ｓｉチップ１ａ、１ｂにおける一面５
ａの反対側の面である他面５ｂに対しては、第２の放熱
部材４が接合されている。この第２の放熱部材４は、図
１においては、一部、他の部材と重なっている部分を二
点鎖線で示してある。また、Ｓｉチップ１ａ、１ｂは、
図１において他の部材と重なっている部分を一点鎖線で
示してある。
【００３３】ここで、Ｓｉチップ１ａ、１ｂとしては、
本例では、図１においてワイヤボンドされているＳｉチ
ップがＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transisto
r）チップ１ａであり、もう一方のＳｉチップがフライ
ホイールダイオードチップ１ｂである。ＩＧＢＴチップ
１ａにおいては、それぞれ、第１の放熱部材３がエミッ
タ端子、第２の放熱部材４がコレクタ端子となってい
る。また、ＩＧＢＴチップ１ａにおける第１の放熱部材
３と対向する面には、外部との電気的な信号の授受を行
うための制御電極（図示せず）がゲートとして形成され
ており、インナーリード１０とワイヤボンドされてい
る。
【００３４】ＩＧＢＴチップ１ａの等価回路は、例えば
図３に示すようにコレクタＣ、エミッタＥ、ゲートＧ、
電流検出用端子Ｉｓ、感温のためのダイオード端子であ
るアノードＡおよびカソードＫからなる。
【００３５】図１および図２に示すように、第１の放熱
部材３は平面形状は略矩形であり、その対角から相反す
る方向へ短冊状に伸びている短冊部３ａ、３ｂが２個所
設けられている。一方、厚み方向には、各々のＳｉチッ
プ１ａ、１ｂの一面５ａ側の主電極と対向する部位に、
Ｓｉチップ１ａ、１ｂ側に突出した凸部６が形成されて
いる。そして、凸部６の先端は平面あるいはＳｉチップ
１ａ、１ｂとの接合に支障を来さない程度に平面であ
り、この平面部の形状は対向するＳｉチップ１ａ、１ｂ
の主電極の平面形状に対応している。
【００３６】また、第１の放熱部材３のＳｉチップ１
ａ、１ｂとの対向面における各々の短冊部３ａ、３ｂ、
および矩形部の各辺のうち短冊部３ａ、３ｂが伸びてい
る方向に平行な辺の内側の計３個所において、Ｓｉチッ
プ１ａ、１ｂ側に突出した突起部７ａが形成されてい
る。
【００３７】第２の放熱部材４は、平面形状は第１の放
熱部材３とほぼ同じである。ただし、第２の放熱部材４
における２つの短冊部４ａ、４ｂは、第１の放熱部材３
の各々の短冊部３ａ、３ｂと異なる位置に設けられてい
る。一方、厚み方向には、Ｓｉチップ１ａ、１ｂと対向
する部分においてＳｉチップ１ａ、１ｂが嵌まるような
凹部８が形成されている。この凹部８の深さは、例え
ば、０．１〜０．３ｍｍ程度にすることができる。
【００３８】また、第２の放熱部材４のＳｉチップ１
ａ、１ｂとの対向面における各々の短冊部４ａ、４ｂ、
および矩形部の各辺のうち短冊部４ａ、４ｂが伸びてい
る方向に平行な辺の内側の計３個所において、Ｓｉチッ
プ１ａ、１ｂ側に突出した突起部７ｂが形成されてい
る。ただし、これらの第２の放熱部材４に形成された突
起部７ｂは第１の放熱部材３に形成された突起部７ａと
上面方向から見た場合に重ならないような位置にある。
【００３９】また、第１および第２の放熱部材３、４
は、例えばＣｕ（銅）等を用いている。接合部材２とし
ては、高熱伝導接着部材を用いており、その様な部材と
しては、例えば半田やろう材などがある。
【００４０】そして、各々のＳｉチップ１ａ、１ｂの他
面５ｂ側が、第２の放熱部材４に形成された凹部８内に
接合部材２を介して嵌め合わされて接合され、各々のＳ
ｉチップ１ａ、１ｂの一面５ａ側の主電極には、接合部
材２を介して第１の放熱部材３に形成された凸部６が接
合されている。
【００４１】また、Ｓｉチップ１ａ、１ｂの制御電極と
リードフレーム９のインナーリード１０とがワイヤボン
ドによって形成されたワイヤ１１によって電気的に接続
されている。リードフレーム９は図１においては、一
部、他の部材と重なっている部分が点線で示されてい
る。
【００４２】また、リードフレーム９においては、後述
のように、第１および第２の放熱部材３、４の突起部７
ａ、７ｂと嵌め合わせるための穴１２ａ、１２ｂを有す
る固定部９ａ、９ｂが６個所に設けられている。ここ
で、ワイヤ１１としては、Ａｌ（アルミニウム）やＡｕ
（金）等を用いることができ、リードフレーム９として
は、例えばＣｕやＣｕ合金または４２合金等を用いるこ
とができる。
【００４３】そして、図２（ｂ）に示すように、第２の
放熱部材４に形成された突起部７ｂとリードフレーム９
の固定部９ｂに形成された穴１２ｂとが嵌め合わされて
かしめられている。また、第１の放熱部材３に形成され
た突起部７ａの全てには、第１の放熱部材３とリードフ
レーム９の固定部９ａとの間にスペーサ１３が介在され
ており、この状態で、この固定部９ａに形成された穴１
２ａと、第１の放熱部材３に形成された突起部７ａとが
嵌め合わされてかしめられている。
【００４４】ここで、スペーサ１３は、例えばＣｕ等か
らなる円柱や角柱の金属であって、突起部７ａが貫通す
るための穴を有するものである。また、このスペーサ１
３はＳｉチップ１ａ、１ｂと第１の放熱部材３との、Ｓ
ｉチップ１ａ、１ｂの厚み方向における位置決めを行う
ためのものである。このスペーサ１３の大きさは、例え
ば、角柱の場合には、断面が一辺２ｍｍの正方形で厚み
が０．６ｍｍ程度のものにすることができる。
【００４５】そして、図１および図２に示すように、第
１および第２の放熱部材３、４の各々の面のうちＳｉチ
ップ１ａ、１ｂと対向する面とは反対側の面が露出した
状態で、上述のように固定された各々のＳｉチップ１
ａ、１ｂと各々の放熱部材３、４とが樹脂１４により封
止されている。図１において、この樹脂１４の外枠が破
線で示されている。ここで、第１および第２の放熱部材
３、４における各々の短冊部３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの
うち、インナーリード１０が形成された方向とは反対の
方向に設けられている短冊部３ａ、４ａが樹脂１４の外
部に出ており、この外部に出た短冊部３ａ、４ａがＳｉ
チップ１ａ、１ｂの外部電極となっている。
【００４６】次に、上記半導体装置の製造方法について
述べる。初めに、上述の図１および図２に示すような、
リードフレーム９、第１および第２の放熱部材３、４を
用意する。リードフレーム９は、例えばパンチング等に
より所望の形状に加工する。
【００４７】図４は、第１および第２の放熱部材３、４
の形成方法の模式図である。図４（ａ）に示すように、
Ｃｕ等よりなるリール形状の部材１５から、プレス加工
用のパンチ１６とダイ１７を用いて、パンチ１６を矢印
Ｆの方向に動かしてプレス加工することにより第１およ
び第２の放熱部材３、４を切り出し、第１の放熱部材３
に対しては凸部６を、第２の放熱部材４に対しては凹部
８をそれぞれ形成する。
【００４８】図４（ｂ）は突起部７ａ、７ｂを形成する
工程図であるが、この図に示すように、突起部７ａ、７
ｂ形成用のパンチ１８と中央に凹部が形成されたダイ１
９を用いて、パンチ１８を矢印Ｈの方向に動かすことに
より、押し出し加工を行い突起部７ａ、７ｂを形成す
る。
【００４９】次に、Ｓｉチップ１ａ、１ｂと上述の様に
して加工したリードフレーム９と第１および第２の放熱
部材３、４とを組み付ける。図５は、この組み付けの際
に側面方向から見た各々の部材１ａ、１ｂ、２〜４、９
の構成を模式的に示す図である。図５に示すように、第
２の放熱部材４の突起部７ｂにリードフレーム９の固定
部９ｂの穴１２ｂを嵌め合わせてかしめ、各々の凹部８
には接合部材としての半田箔２を介してＳｉチップ１
ａ、１ｂの他面５ｂ側を嵌め合わせる。
【００５０】また、各々のＳｉチップ１ａ、１ｂの一面
５ａ上に主電極形状に対応した半田箔２を載せ、第１の
放熱部材３の突起部７ａにはスペーサ１３をかませて、
この突起部７ａとリードフレーム９の固定部９ａの穴１
２ａとを嵌め合わせてかしめる。なお、図５は模式図で
あるため、第１の放熱部材３における凸部６は省略して
いる。
【００５１】ここで、この組み付けの際のかしめ固定に
ついて詳しく述べる。図６はかしめ固定の工程を模式的
に示す図である。図６に示すように、第１および第２の
放熱部材３、４の突起部７ａ、７ｂとリードフレーム９
の固定部９ａ、９ｂの穴１２ａ、１２ｂとを嵌め合わせ
た後、パンチ２０を矢印Ｉの方向に動かすことにより穴
１２ａ、１２ｂから出た突起部７ａ、７ｂをつぶし、第
１および第２の放熱部材３、４とリードフレーム９とを
固定する。
【００５２】続いて、上述の様にかしめ固定したＳｉチ
ップ１ａ、１ｂ、各々の放熱部材３、４およびリードフ
レーム９を、水素炉等に通して半田リフローすることに
より、各々の部材１ａ、１ｂ、３、４を半田付け固定す
る。その後、ＩＧＢＴチップ１ａの一面５ａ側の制御電
極とリードフレーム９とのワイヤボンディングを行った
後、トランスファーモールドで樹脂１４により封止する
ことにより、第１の放熱部材３と第２の放熱部材４との
絶縁を行い、本実施形態の半導体装置が完成する。
【００５３】ところで、本実施形態によれば、第１およ
び第２の放熱部材３、４を接合部材２を介して、Ｓｉチ
ップ１ａ、１ｂの一面５ａおよび他面５ｂに直接接合さ
せているため放熱性を改善することができる。また、前
述の、特開昭６１−１６６０５１号公報に記載の発明で
は、半導体チップとチップ側の放熱板とが、ポリイミド
樹脂やシリコーン樹脂などの樹脂性の接着剤のみで固定
されており、この様な接着剤は熱伝導性が悪いため放熱
性を阻害するという問題があった。しかし、本実施形態
では、接合部材２として半田やろう材などの高熱伝導接
着部材を用いているため、放熱性を改善することができ
る。
【００５４】また、第２の放熱部材４の凹部８にＳｉチ
ップ１ａ、１ｂを嵌め合わせることにより第２の放熱部
材４に対してＳｉチップ１ａ、１ｂを固定し、第１およ
び第２の放熱部材３、４の各々の突起部７ａ、７ｂとリ
ードフレーム９の固定部９ａ、９ｂの穴１２ａ、１２ｂ
とを嵌め合わせてかしめることにより、各々の放熱部材
３、４とリードフレーム９とを固定することができる。
その結果、Ｓｉチップ１ａ、１ｂの平面方向におけるこ
れらの部材の相対位置を固定することができる。
【００５５】また、第１の放熱部材３の突起部７ａに対
してスペーサ１３を介在した状態で、第１の放熱部材３
の突起部７ａとリードフレーム９の固定部９ａの穴１２
ａとを嵌め合わせてかしめているため、Ｓｉチップ１
ａ、１ｂの搭載空間を確保した状態で第１の放熱部材３
をリードフレーム９に固定することができ、Ｓｉチップ
１ａ、１ｂの厚み方向にも相対位置を固定できる。従っ
て、Ｓｉチップ１ａ、１ｂの平面方向にも厚み方向にも
各々の部材の相対位置を固定でき、半導体チップの搭載
位置のばらつきを抑えた半導体装置を提供することがで
きる。
【００５６】また、本実施形態の様に、半導体チップと
してＩＧＢＴなどのパワー素子を用いる場合は、以下に
示す絶縁に関する問題がある。図７は、ＩＧＢＴの一例
を示す部分断面図である。
【００５７】図７に示すように、例えばＩＧＢＴ（Insu
lated Gate Bipolar Transistor）等のパワー素子に
は、その端部においてガードリング２１やＥＱＲ（同電
位リング）２２が形成されているが、これらはコレクタ
電極２３とほぼ同電位となっている。ガードリング２１
やＥＱＲ２２はパワー素子のエミッタ電極２４側の面に
形成されており、エミッタ電極２４の近傍にコレクタ電
極２３と同電位であるガードリング２１やＥＱＲ２２が
存在することになる。
【００５８】従って、エミッタ電極２４とコレクタ電極
２３間の電位差が、例えば６００Ｖ程度となるようなパ
ワー素子の場合、ガードリング２１やＥＱＲ２２とエミ
ッタ電極２４との電位差が６００Ｖ程度となる。そのた
め、半田付けエリアが周囲部におよぶ、例えば、放熱部
材２５が図７の白抜き矢印Ｊに示すように、通常の位置
よりもガードリング２１やＥＱＲ２２側にずれる等する
ことにより、半田等の接合部材２６や放熱部材２５を介
して、直接、あるいは放電によりガードリング２１やＥ
ＱＲ２２とエミッタ電極２４との間で通電してしまう可
能性がある。
【００５９】また、通電を妨げるために、ガードリング
２１やＥＱＲ２２の上面にポリイミド等からなる保護膜
２７を被覆しても、その膜の厚さは１〜２μｍ程度であ
り、６００Ｖもの絶縁耐圧は確保できない。
【００６０】しかし、本実施形態の半導体装置では、上
述の様に、Ｓｉチップ１ａ、１ｂ、リードフレーム９、
および、第１および第２の放熱部材３、４の相対位置を
固定した状態で、第１の放熱部材３に凸部６を設け、こ
の凸部６をＳｉチップ１ａ、１ｂの一面５ａの主電極に
接合している。そのため、凸部６の形状を調節して第１
の放熱部材３を主電極のみと接合させることができ、さ
らに、上述のようなＳｉチップ１ａ、１ｂと第１の放熱
部材３との相対位置がずれることに起因する絶縁に関す
る問題も解決することができる。
【００６１】なお、本実施形態では、スペーサ１３は第
１の放熱部材３に形成された突起部７ａにかませる例に
ついて示したが、例えば、各々の放熱部材３、４に対し
て突起部７ａ、７ｂを形成する際に、図４（ｂ）に示す
押し出し加工用のダイ１９の凹部を段状にしておく等し
て、段状の突起部を形成して、スペーサを一体で形成し
ても良い。
【００６２】また、スペーサ１３は、第１の放熱部材３
の突起部７ａに設けることに限定するものではなく、必
要であれば第２の放熱部材４の突起部７ｂに設け、Ｓｉ
チップ１ａ、１ｂの厚み方向におけるＳｉチップ１ａ、
１ｂ、各々の放熱部材３、４およびリードフレーム９の
相対位置を決定しても良い。
【００６３】また、本実施形態のように、第１および第
２の放熱部材３、４の両方をそれぞれリードフレーム９
に対してかしめ固定すれば、確実に半導体チップの搭載
位置のばらつきを抑えることができるが、第１および第
２の放熱部材３、４のうち、どちらか一方のみをかしめ
固定し、この放熱部材３、４の位置決め精度を向上さ
せ、半導体チップの搭載位置のばらつきを改善できるの
であれば、一方の放熱部材３、４のみかしめ固定しても
良い。
【００６４】また、各々の放熱部材３、４のうちのＳｉ
チップ１ａ、１ｂと対向する面が樹脂１４から露出して
いるが、例えば、この露出している部分を冷却部材に接
触させるなどして放熱を促すことができる。
【００６５】また、本実施形態では、半導体チップとし
てＩＧＢＴチップ１ａを用いる例について示しており、
上述のような絶縁に関する問題を解決するために、本実
施形態の様な半導体チップの搭載位置のばらつきを抑え
ることができる構成にすると、その効果が特に発揮され
るが、各々の放熱部材３、４を電極として使用しない場
合も、放熱性を改善したり、半導体チップの搭載位置の
ばらつきを抑えるためには、本実施形態の構成が好適で
ある。
【００６６】また、第１の放熱部材３に形成された突起
部７ａの全て（本例では３個所）にスペーサ１３を設け
る例について示したが、最低２個所に設ければＳｉチッ
プ１ａ、１ｂの厚み方向における、第１の放熱部材３と
Ｓｉチップ１ａ、１ｂとの相対位置を固定することがで
きる。また、接合部材２として半田箔を用いる例につい
て示したが、半田ペースト等を用いても良い。また、半
導体チップ１ａ、１ｂは１つでも良い。
【００６７】（第２実施形態）ＩＧＢＴチップ１ａは電
流容量が１００Ａ以上のものになるとチップサイズが大
きくなり、１０〜１６ｍｍ程度となるものがある。この
場合、各々の放熱部材３、４としてＣｕを用いている場
合は、Ｃｕの線膨張率がＩＧＢＴチップ１ａを構成する
Ｓｉの線膨張率の５〜６倍であるため、冷熱サイクルに
おいて接合部材２である半田が熱疲労し、亀裂が発生し
て熱抵抗が増大し、熱放散性（放熱性）が悪化すること
が懸念される。
【００６８】そこで、この様な不具合を改善するための
実施形態が第２実施形態である。図８は、第２実施形態
の半導体装置の概略断面図である。本実施形態は、第１
および第２の放熱部材３、４として用いられる材料が第
１実施形態と異なるものである。以下、主として、図２
（ａ）と異なるところについて述べ、同一部分には図８
中、同一符号を付して説明を簡略化する。
【００６９】図８に示すように、第１および第２の放熱
部材３、４として、Ｓｉチップ１ａ、１ｂと線膨張率が
近似した金属を用い、その一例としてインバーよりなる
部材（以下、インバー部材という）２８をＣｕよりなる
部材（以下、Ｃｕ部材という）２９で挟んだ構成をなす
クラッド材（以下、ＣＩＣという）を用いるものであ
る。そして、ＣＩＣのインバー部材２８とＣｕ部材２９
の厚さの比や全体の厚さを調節して、可能な限りＳｉの
線膨張率に近くなるようにしている。その他の各々の部
材や部材の形状等は、上記、第１実施形態に示すものと
同様である。
【００７０】本実施形態によれば、各々の放熱部材３、
４の線膨張率がＳｉチップ１ａ、１ｂの線膨張率に近似
しているため、Ｓｉチップ１ａ、１ｂのサイズが大きい
場合にも、Ｓｉチップ１ａ、１ｂと各々の放熱部材３、
４との線膨張率が異なることに起因する熱応力の発生を
抑制することができ、接合部材２に対する歪みの集中を
防止することができる。その結果、各々の放熱部材３、
４とＳｉチップ１ａ、１ｂとの接合性の低下を防ぐこと
ができるため、放熱性の低下や、各々の放熱部材３、４
を電極として用いている場合には電気伝導性の低下も防
ぐことができる。
【００７１】なお、インバーの代わりにＭｏ（モリブデ
ン）を用いても、同様の効果を発揮することができる。
また、各々の放熱部材３、４において、Ｃｕ部材２９の
間に挟む材料をインバー部材２８あるいはＭｏよりなる
部材（以下、Ｍｏ部材という）に統一しなくても、異な
っていても良い。また、特に各々の放熱部材３、４とし
てクラッド材を用いることに限定するものではなく、Ｃ
ｕ−Ｍｏの合金など、Ｓｉと線膨張率が近似した部材を
用いれば良い。
【００７２】ところで、上記、第２実施形態は、各々の
放熱部材３、４として線膨張率がＳｉに近似した金属を
用いる例について示しており、その一例としてＣＩＣ等
のクラッド材を用いている。しかし、インバーやＭｏは
Ｃｕと比較して熱伝導性が劣るため、Ｓｉチップ１ａ、
１ｂの厚み方向におけるインバー部材２８やＭｏ部材の
存在により放熱性が低下するという問題がある。そこ
で、この問題を改善するための変形例を以下に示す。
【００７３】本変形例は、ＣＩＣのインバー部材２８を
部分的に複数内層させるものである。図９は、このイン
バー部材２８を部分的に複数内層させたＣＩＣの模式的
な図であり、（ａ）はＣＩＣをインバー部材２８を含む
部分において層に対して平行に切断した断面図であり、
（ｂ）はＣＩＣをインバー部材２８を含む部分において
層に対して垂直に切断した断面図である。
【００７４】図９に示すように、本変形例では、Ｃｕ部
材２９の内部においてインバー部材２８を部分的に複数
配置しており、本例では、Ｃｕ部材２９の内部の４個所
に、インバー部材２８を配置させている。これにより、
各々の放熱部材３、４の厚み方向においてＣｕ部材２９
のみからなる部分を設けることができるため、各々の放
熱部材３、４の厚み方向における熱伝導性を犠牲にする
ことはない。従って、放熱性を確保した上でＳｉと線膨
張率が近似した放熱部材を提供することができる。
【００７５】なお、本変形例では、Ｃｕ部材２９の内部
の４個所にインバー部材２８を設けているが、各々の寸
法が小さいインバー部材を数多く設ける等して、細かい
メッシュ状にしても良い。また、インバー部材の代わり
にＭｏ部材を用いても良い。また、インバー部材とＭｏ
部材とを併用しても良い。
【００７６】（他の実施形態）図１０は、他の実施形態
の半導体装置の概略断面図である。上記、第１および第
２実施形態においては、ＩＧＢＴチップ１ａの一面５ａ
側の制御電極とインナーリード１０との電気的な接続を
ワイヤボンドにより行っているが、図１０に示すよう
に、半田等のバンプ形状の接合部材３０により行っても
良い。
【００７７】これにより、第１および第２の放熱部材
３、４とＳｉチップ１ａ、１ｂとを半田付けする際に、
このインナーリード１０と制御電極との接続も一括して
行うことができるため、製造工程を短縮することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の半導体装置を上面から見た模式
図である。
【図２】第１実施形態の半導体装置の概略断面図であ
る。
【図３】ＩＧＢＴチップの等価回路を示す図である。
【図４】各々の放熱部材の形成方法の模式図である。
【図５】半導体装置の製造過程において側面方向から見
た構成を模式的に示す図である。
【図６】かしめ固定の工程を模式的に示す図である。
【図７】ＩＧＢＴチップの一例を示す部分断面図であ
る。
【図８】第２実施形態の半導体装置の概略断面図であ
る。
【図９】第２実施形態の変形例で用いる放熱部材の模式
的な断面図である。
【図１０】他の実施形態の半導体装置の概略断面図であ
る。
【図１１】従来公報に記載の半導体装置の概略断面図で
ある。
【図１２】他の従来公報に記載の半導体装置の概略断面
図である。
【符号の説明】 １ａ、１ｂ…半導体チップ、２…接合部材、３…第１の
放熱部材、４…第２の放熱部材、６…凸部、７ａ、７ｂ
…突起部、８…凹部、９…リードフレーム、１２ａ、１
２ｂ…穴、１３…スペーサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野村 和仁 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 4M109 AA01 BA01 CA21 DB02 DB03 5F036 AA01 BB01 BB08 BC05 BC17 BE01

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体チップ（１ａ、１ｂ）と、 前記半導体チップ（１ａ、１ｂ）の両面を挟むように熱
    伝導性を有する接合部材（２）を介して接合された一対
    の放熱部材（３、４）とを備え、 前記一対の放熱部材（３、４）は、第１の放熱部材
    （３）と、前記半導体チップ（１ａ、１ｂ）と対向する
    面に凹部（８）が形成された第２の放熱部材（４）とよ
    りなり、 この凹部（８）内に前記半導体チップ（１ａ、１ｂ）が
    嵌め合わされていることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】 前記第１の放熱部材（３）における前記
    半導体チップ（１ａ、１ｂ）と対向する部位に、前記半
    導体チップ（１ａ、１ｂ）側に突出した凸部（６）が形
    成されており、この凸部（６）が前記半導体チップ（１
    ａ、１ｂ）と前記接合部材（２）を介して接合されてい
    ることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 【請求項３】 前記半導体チップ（１ａ）における前記
    第１の放熱部材（３）と対向する面には制御電極が形成
    されており、前記制御電極と電気的に接続されるリード
    フレーム（９）が備えられていることを特徴とする請求
    項２に記載の半導体装置。
  4. 【請求項４】 前記一対の放熱部材（３、４）における
    前記半導体チップ（１ａ、１ｂ）との対向面の少なくと
    も一方には突起部（７ａ、７ｂ）が形成されており、 前記リードフレーム（９）に形成された穴（１２ａ、１
    ２ｂ）と前記突起部（７ａ、７ｂ）とを嵌め合わせるこ
    とにより、前記一対の放熱部材（３、４）の少なくとも
    一方が前記リードフレーム（９）に固定されていること
    を特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  5. 【請求項５】 前記一対の放熱部材（３、４）における
    前記半導体チップ（１ａ、１ｂ）との対向面の少なくと
    も一方には突起部（７ａ、７ｂ）が形成されており、当
    該放熱部材（３、４）と前記リードフレーム（９）との
    間にスペーサ（１３）を介在させた状態で、前記リード
    フレーム（９）に形成された穴（１２ａ、１２ｂ）と前
    記突起部（７ａ、７ｂ）とが嵌め合わされて固定されて
    おり、前記スペーサ（１３）によって当該放熱部材
    （３、４）と前記半導体チップ（１ａ、１ｂ）との、前
    記半導体チップ（１ａ、１ｂ）の厚み方向における位置
    決めがなされていることを特徴とする請求項３に記載の
    半導体装置。
  6. 【請求項６】 半導体チップ（１ａ、１ｂ）と、前記半
    導体チップ（１ａ、１ｂ）の両面を挟むように熱伝導性
    を有する接合部材（２）を介して接合された一対の放熱
    部材（３、４）とを備え、前記一対の放熱部材（３、
    ４）は、前記半導体チップ（１ａ、１ｂ）と対向する部
    位に、前記半導体チップ（１ａ、１ｂ）側に突出した凸
    部（６）が形成された第１の放熱部材（３）と、第２の
    放熱部材（４）とよりなり、この凸部（６）が、前記接
    合部材（２）を介して前記半導体チップ（１ａ、１ｂ）
    に接合されており、前記半導体チップ（１ａ）における
    前記第１の放熱部材（３）と対向する面に形成された制
    御電極と電気的に接続されるリードフレーム（９）を備
    えており、前記一対の放熱部材（３、４）における前記
    半導体チップ（１ａ、１ｂ）との対向面の少なくとも一
    方には突起部（７ａ、７ｂ）が形成されており、前記リ
    ードフレーム（９）に形成された穴（１２ａ、１２ｂ）
    と、前記突起部（７ａ、７ｂ）とを嵌め合わせて固定す
    ることにより、前記一対の放熱部材（３、４）の少なく
    とも一方が前記リードフレーム（９）に固定されてお
    り、前記一対の放熱部材（３、４）と前記リードフレー
    ム（９）との間に生じる隙間にスペーサ（１３）を介在
    させ、前記スペーサ（１３）によって前記一対の放熱部
    材（３、４）と前記半導体チップ（１ａ、１ｂ）との、
    前記半導体チップ（１ａ、１ｂ）の厚み方向における位
    置決めがなされていることを特徴とする半導体装置。
  7. 【請求項７】 前記一対の放熱部材（３、４）として、
    前記半導体チップ（１ａ、１ｂ）に線膨張率が近似した
    金属を用いることを特徴とする請求項１ないし６のいず
    れか１つに記載の半導体装置。
  8. 【請求項８】 前記一対の放熱部材（３、４）として、
    銅の内部において、インバーおよびモリブデンのうちの
    少なくとも１つが、部分的に複数配置されているものを
    用いることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１
    つに記載の半導体装置。
  9. 【請求項９】 前記一対の放熱部材（３、４）の各々の
    面のうち、前記半導体チップ（１ａ、１ｂ）と対向する
    面とは反対側の面が露出した状態で、前記一対の放熱部
    材（３、４）および前記半導体チップ（１ａ、１ｂ）が
    樹脂封止されていることを特徴とする請求項１ないし８
    のいずれか１つに記載の半導体装置。
  10. 【請求項１０】 前記一対の放熱部材（３、４）が、前
    記半導体チップ（１ａ、１ｂ）の電極として用いられる
    ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記
    載の半導体装置。
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