JP2002329804A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発熱素子と放熱板との接合部にかかるストレ
スを緩和して、熱応力による劣化を極力防止する。 【解決手段】 本発明の半導体装置１１は、放熱板１３
に発熱素子１２を収容する凹部１３ｂを形成し、発熱素
子１２に下面電極１６を設け、発熱素子１２に上面外周
電極１９を設け、放熱板１３の上と発熱素子１２の上面
外周電極１９の上とに載置される金属製の環状部材１５
を備え、そして、放熱板１３の凹部１３ｂと発熱素子１
２の下面電極１６とを半田付けすると共に、放熱板１３
及び発熱素子１２の上面外周電極１９と環状部材１５と
を半田付けするように構成したものである。この場合、
発熱素子１２のほぼ全体を放熱板１３と環状部材１５に
半田付けする構成となるので、発熱素子１２の拘束力が
大幅に強くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば高耐圧・大
電流用のパワーＩＣに好適する半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のパワーＩＣの半導体チップ（発
熱素子）は、使用時の発熱が大きいため、チップからの
放熱性を向上させるための構成が必要になる。この構成
の一例として、チップの両面に一対の放熱板を例えば半
田層を介して接合する構成が、従来より、考えられてお
り、この構成によれば、チップの両面から放熱できるの
で、放熱性が向上する。

【０００３】ここで、本発明者は、上記した構成の半導
体装置を実際に試作してみた。この試作した半導体装置
は、図７に示すように、一対の例えばＣｕ製のヒートシ
ンク（放熱板）１、２の間に２個の半導体チップ３、４
を挟んで構成されている。この構成の場合、半導体チッ
プ３、４と上側のヒートシンク２との間には、Ｃｕ製の
ヒートシンクブロック５、６が設けられている。

【０００４】そして、ヒートシンク１と半導体チップ
３、４の間、半導体チップ３、４とヒートシンクブロッ
ク５、６の間、ヒートシンクブロック５、６とヒートシ
ンク２の間は、半田７を介して接合されている。また、
上記一対のヒートシンク１、２の隙間、並びに、半導体
チップ３、４及びヒートシンクブロック５、６の外周部
は、樹脂８によってモールドされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記構成の場合、ヒー
トシンク１、２及びヒートシンクブロック５、６が高熱
伝導性且つ高電気伝導性の部材であることから、高い放
熱性が得られると共に、接続抵抗が低減される。しか
し、半導体チップ３、４とヒートシンク１、２の熱膨脹
係数の差が大きいため、両者の接合部に大きな熱応力、
即ち、ストレスが作用するという問題がある。これに対
して、樹脂８で半導体チップ３、４とヒートシンク１、
２をモールドして一体化することにより、樹脂８で両者
を互いに拘束している。これによって、両者の接合部の
ストレスを緩和している。

【０００６】しかし、上記構成の半導体装置において、
樹脂８の密着強度よりも大きい熱応力が発生すると、樹
脂８が剥離してしまう。樹脂８が剥離した部分を、図７
において、符号Ａで示す。そして、樹脂８が剥離する
と、前記拘束関係が崩れることから、接合部に大きなス
トレスがかかるようになり、急激に劣化する。この傾向
は、半導体装置に加わる加熱・冷却の温度差が大きいほ
ど顕著である。

【０００７】さて、樹脂８の剥離を防止する対策とし
て、熱応力を小さくする対策と、樹脂の密着力を強くす
る対策とが考えられる。そして、熱応力を小さくする対
策としては、ヒートシンクを薄くしてその剛性を下げる
方法と、半導体チップと熱膨脹係数が近い材料のヒート
シンクを使用する方法とがある。

【０００８】しかし、パワーＩＣの場合、放熱性や電流
容量を十分確保する必要があるため、ヒートシンクを薄
くできないという事情がある。また、半導体チップと熱
膨脹係数が近い材料としては、ＭｏやＷや、これらを含
む合金等があるが、これらの材料は、熱伝導性や電気伝
導性がＣｕやＡｌに劣るという問題がある。また、樹脂
の密着力を強くしようとしても、それには限界があり、
また、樹脂と金属の結合の場合、本質的に高い密着強度
を期待できないという事情がある。

【０００９】そこで、本発明の目的は、発熱素子と放熱
板との接合部にかかるストレスを緩和することができ、
熱応力による劣化を極力防止することができる半導体装
置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明において
は、放熱板に発熱素子を収容する凹部を形成し、発熱素
子の下面に下面電極を設け、発熱素子の上面における外
周部に上面外周電極を設け、そして、放熱板の凹部に発
熱素子を収容した状態で、放熱板の上と発熱素子の上面
外周電極の上とに載置される金属製の環状部材を備え、
更に、放熱板の凹部と発熱素子の下面電極とを半田付け
すると共に、放熱板及び発熱素子の上面外周電極と環状
部材とを半田付けするように構成した。この構成によれ
ば、発熱素子のほぼ全体を上下から放熱板と環状部材に
半田付けする構成であるので、放熱板と環状部材による
発熱素子の拘束力が大幅に強くなる。従って、発熱素子
と放熱板との接合部にかかるストレスを緩和することが
でき、熱応力による劣化を極力防止することができる。

【００１１】請求項２の発明によれば、放熱板の凹部と
発熱素子の外周部との間の隙間に、半田を充填するよう
に構成したので、発熱素子をより一層強く拘束すること
ができる。

【００１２】請求項３の発明によれば、放熱板の凹部と
発熱素子の外周部との間の隙間に、樹脂を充填するよう
に構成したので、発熱素子をより一層強く拘束すること
ができる。

【００１３】請求項４の発明によれば、発熱素子の外周
面部に外周面電極を設けると共に、放熱板の凹部と発熱
素子の外周面電極とを半田付けするように構成したの
で、発熱素子を拘束する力を更に一層強くすることがで
きる。

【００１４】請求項５の発明によれば、放熱板に発熱素
子を収容するように形成され深さが発熱素子の厚みより
も大きい凹部を備え、発熱素子の下面に下面電極を設
け、発熱素子の上面における外周部に上面外周電極を設
け、発熱素子の外周面部に外周面電極を設け、そして、
放熱板の凹部と、発熱素子の下面電極、外周面電極及び
上面外周電極とを半田付けするように構成したので、請
求項１の環状部材がなくても、発熱素子の拘束力を十分
強くすることができ、請求項１の発明とほぼ同様な作用
効果を得ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施例につ
いて、図１及び図２を参照しながら説明する。まず、図
１に示すように、本実施例の半導体装置１１は、半導体
チップ（発熱素子）１２と、下側ヒートシンク（放熱
板）１３と、上側ヒートシンク１４と、拘束フレーム
（環状部材）１５とを備えて構成されている。

【００１６】上記半導体チップ１２は、例えばＩＧＢＴ
やサイリスタ等のパワー半導体素子から構成されてい
る。半導体チップ１２の形状は、本実施例の場合、図２
に示すように、例えば矩形状の薄板状である。半導体チ
ップ１２の下面の全面には、図１に示すように、主電極
（例えばコレクタ電極等）である例えば下面電極１６が
設けられている。半導体チップ１２の上面における中央
部分には、図１及び図２に示すように、主電極（例えば
エミッタ電極等）である例えば矩形状の上面電極１７が
設けられている。

【００１７】また、半導体チップ１２の上面における上
面電極１７の左方部位には、図１及び図２に示すよう
に、制御電極（例えばゲート電極等）である例えば小さ
い矩形状の上面制御電極１８が設けられている。更に、
半導体チップ１２の上面における外周部には、図１及び
図２に示すように、例えば矩形枠状の上面外周電極１９
が設けられている。上記各電極１６、１７、１８、１９
は、半田付け可能な電極であり、例えばＴｉ／Ｎｉ／Ａ
ｕ等で構成されている。

【００１８】また、下側ヒートシンク１３、上側ヒート
シンク１４及び拘束フレーム１５は、例えばＣｕやＡｌ
等の熱伝導性及び電気伝導性が高い金属で構成されてい
る。そして、下側ヒートシンク１３は、図２に示すよう
に、全体として例えば長方形状の板材であり、端子部１
３ａが後方へ向けて延びるように突設されている。この
下側ヒートシンク１３には、半導体チップ１２を収容す
る例えば矩形状の凹部１３ｂが形成されている。この凹
部１３ｂの深さ寸法は、半導体チップ１２の厚み寸法と
ほぼ同じである。

【００１９】そして、上側ヒートシンク１４は、図２に
示すように、全体として例えば長方形状の板材であり、
端子部１４ａが後方へ向けて延びるように突設されてい
る。この上側ヒートシンク１４の下面には、図１に示す
ように、例えば矩形状のブロック部１４ｂが下方に向け
て突設されており、このブロック部１４ｂの下面は、半
導体チップ１２の上面電極１７に半田付けされている。
また、拘束フレーム１５は、図１及び図２に示すよう
に、例えば矩形枠状の部材であり、半導体チップ１２の
上面外周電極１９と下側ヒートシンク１３の上面、即
ち、凹部１３ｂの開口縁部とにまたがって半田付けされ
ている。

【００２０】上記構成においては、下側ヒートシンク１
３の凹部１３ｂの中に半導体チップ１２を収容した状態
で、半導体チップ１２の下面電極１６と下側ヒートシン
ク１３の凹部１３ｂの内底面との間は、半田２０によっ
て接合されている。そして、半導体チップ１２の上面外
周電極１９と拘束フレーム１５の下面との間、並びに、
下側ヒートシンク１３の上面と拘束フレーム１５の下面
との間が半田２０によって接合されている。

【００２１】また、図１に示すように、半導体チップ１
２の上面制御電極１８と、リードフレーム２１とが半田
２０によって接合されている。更に、半導体チップ１２
の上面電極１７と上側ヒートシンク１４のブロック部１
４ｂの下面との間が、半田２０によって接合されてい
る。

【００２２】これにより、上記構成の半導体装置１１に
おいては、半導体チップ１２の両面から下側ヒートシン
ク１３及び上側ヒートシンク１４を介して良好に放熱さ
れる構成となっている。そして、上記構成の場合、半導
体チップ１２のほぼ全体（の上下）を下側ヒートシンク
１３と拘束フレーム１５に半田付けする構成であるの
で、下側ヒートシンク１３と拘束フレーム１５による半
導体チップ１２を拘束する力が大幅に強くなる。また、
この構成では、下側ヒートシンク１３及び上側ヒートシ
ンク１４は、半導体チップ１２の各電極（パッド）１
６、１７に電気的にも接続されている。

【００２３】更に、図１に示すように、ヒートシンク１
３、１４の隙間及び外周部には、樹脂（例えばエポキシ
樹脂）２２がモールドされており、上記隙間等は樹脂封
止されている。尚、樹脂２２とヒートシンク１３、１４
との密着力、並びに、樹脂２２と半導体チップ１２との
密着力を強くするために、上記樹脂２２をモールドする
前に、コーティング樹脂である例えばポリアミド樹脂
（図示しない）をヒートシンク１３、１４及びチップ１
２の表面に塗布するように構成している。

【００２４】次に、上記した構成の半導体装置１１の製
造方法（即ち、製造工程）について、図２を参照して簡
単に説明する。まず、図２に示すように、下側ヒートシ
ンク１３の凹部１３ｂ内に、半田箔２３を介してチップ
１２を収容する。これと共に、下側ヒートシンク１３と
チップ１２の上に、拘束フレーム１５の形状とぼぼ同じ
形状の半田箔（図示しない）を介して拘束フレーム１５
を載置する。この後、加熱装置（例えばリフロー装置）
によって上記半田箔２３を溶融させてから、硬化させ
る。これにより、下側ヒートシンク１３とチップ１２と
拘束フレーム１５とが互いに半田付けされて接合され
る。

【００２５】続いて、図１及び図２に示すように、チッ
プ１２の上面制御電極１８とリードフレーム２１とを半
田付けする。この場合、チップ１２の上面制御電極１８
の上に半田箔（図示しない）を介してリードフレーム２
１を載せ、加熱装置によって上記半田箔を溶融させてか
ら、硬化させる。これにより、チップ１２の上面制御電
極１８とリードフレーム２１とが接続される。

【００２６】次いで、チップ１２の上に上側ヒートシン
ク１４を半田付けする。この場合、図２に示すように、
チップ１２の上面制御電極１８の上に半田箔２３を介し
て上側ヒートシンク１４（のブロック部１４ｂ）を載
せ、加熱装置によって上記半田箔２３を溶融させてか
ら、硬化させる。このとき、下側ヒートシンク１３と上
側ヒートシンク１４の間の距離を設定距離とすると共
に、両ヒートシンク１３、１４が傾斜しないようにする
ために、両ヒートシンク１３、１４間にスペーサ治具
（図示しない）をセットすることが好ましい。

【００２７】この後、ポリアミド樹脂を、ヒートシンク
１３、１４の表面、並びに、チップ１２の上面等に塗布
する工程を実行する。この場合、例えばディッピングに
より塗布しても良いし、ポリアミド樹脂塗布用のディス
ペンサのノズルから滴下（または噴霧）することにより
塗布しても良い。尚、ポリアミド樹脂は必要に応じて塗
布すれば良く、ポリアミド樹脂の塗布を省略しても良
い。

【００２８】そして、ポリアミド樹脂を塗布した後は、
図示しない成形型を使用して、ヒートシンク１３、１４
の隙間及び外周部に樹脂２２を充填する工程（モールド
工程）を実行する。これにより、図１に示すように、ヒ
ートシンク１３、１４の隙間及び外周部等に、樹脂２２
が充填封止される。そして、樹脂２２が硬化した後、成
形型内から半導体装置１１を取り出せば、半導体装置１
１が完成する。尚、上記構成の場合、下側ヒートシンク
１３の下面及び上側ヒートシンク１４の上面は、それぞ
れ露出するように樹脂モールドされている。

【００２９】このような構成の本実施例においては、下
側ヒートシンク１３に半導体チップ１２を収容する凹部
１３ｂを形成し、半導体チップ１２の下面に下面電極１
６を設け、半導体チップ１２の上面における外周部に上
面外周電極１９を設け、そして、下側ヒートシンク１３
の凹部１３ｂに半導体チップ１２を収容した状態で、下
側ヒートシンク１３の上と半導体チップ１２の上面外周
電極１９の上とに載置される金属製の拘束フレーム１５
を備え、更に、上記凹部１３ｂとチップ１２の下面電極
１６とを半田付けすると共に、下側ヒートシンク１３及
びチップ１２の上面外周電極１９と拘束フレーム１５の
下面とを半田付けするように構成した。

【００３０】この構成によれば、チップ１２のほぼ全体
を上下から下側ヒートシンク１３と拘束フレーム１５に
半田付けする構成であるので、下側ヒートシンク１３と
拘束フレーム１５によるチップ１２を拘束する力が大幅
に強くなる。従って、従来構成（図７参照）とは異な
り、チップ１２と下側ヒートシンク１３との接合部にか
かるストレスを緩和することができ、熱応力による劣化
を極力防止することができる。

【００３１】また、上記実施例においては、図１に示す
ように、下側ヒートシンク１３の凹部１３ｂと半導体チ
ップ１２の外周部との間の隙間に、樹脂２２を充填する
ように構成したので、半導体チップ１２をより一層強く
拘束することができる。

【００３２】尚、下側ヒートシンク１３の凹部１３ｂと
半導体チップ１２の外周部との間の隙間に、樹脂２２に
代えて半田を充填するように構成しても良い。この構成
の場合も、半導体チップ１２をより一層強く拘束するこ
とができる。

【００３３】図３は、本発明の第２の実施例を示すもの
である。尚、第１の実施例と同一部分には同一符号を付
している。上記第２の実施例では、半導体チップ１２の
外周面部に外周面電極２４を設けると共に、下側側ヒー
トシンク１３の凹部１３ｂと半導体チップ１２の外周面
電極２４とを半田付けするように構成したので、半導体
チップ１２を拘束する力を更に一層強くすることができ
る。

【００３４】尚、上述した以外の第２の実施例の構成
は、第１の実施例と同じ構成となっている。従って、第
２の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効
果を得ることができる。特に、第２の実施例では、半導
体チップ１２の外周面部に外周面電極２４を設けると共
に、下側側ヒートシンク１３の凹部１３ｂと半導体チッ
プ１２の外周面電極２４とを半田付けしたので、半導体
チップ３５を拘束する力を更に一層強くすることができ
る。

【００３５】図４は、本発明の第３の実施例を示すもの
である。尚、第２の実施例と同一部分には同一符号を付
している。上記第３の実施例では、拘束フレーム１５の
上面に、絶縁材製の接着剤２５を介してリードフレーム
２１を接着するように構成したものである。尚、絶縁材
製のシート（図示しない）を介装させて、拘束フレーム
１５の上面にリードフレーム２１を接着するように構成
しても良い。

【００３６】また、上述した以外の第３の実施例の構成
は、第２の実施例と同じ構成となっている。従って、第
３の実施例においても、第２の実施例とほぼ同じ作用効
果を得ることができる。特に、第３の実施例では、拘束
フレーム１５の上面にリードフレーム２１を接着するよ
うに構成したので、リードフレーム２１を確実に位置決
めすることができる。

【００３７】図５は、本発明の第４の実施例を示すもの
である。尚、第２の実施例と同一部分には同一符号を付
している。上記第４の実施例では、下側ヒートシンク１
３の凹部１３ｂの深さ寸法を、半導体チップ１２の厚み
寸法よりも大きく構成した。そして、下側ヒートシンク
１３の凹部１３ｂと、半導体チップ１２の下面電極１
６、外周面電極２４及び上面外周電極１９とを半田２０
を介して接合するように構成したものである。更に、拘
束フレーム１５は省略した。この構成の場合、図５に示
すように、半田２０が半導体チップ１２の上面外周電極
１９の上にオーバハング状に接合されている。

【００３８】また、上述した以外の第４の実施例の構成
は、第２の実施例と同じ構成となっている。従って、第
４の実施例においても、第２の実施例とほぼ同じ作用効
果を得ることができる。

【００３９】尚、上記第４の実施例においては、下側ヒ
ートシンク１３の凹部１３ｂの深さ寸法を深く構成した
が、これに代えて、上記凹部１３ｂの深さ寸法を半導体
チップ１２の厚み寸法と同程度としても良い。即ち、第
２の実施例において、拘束フレーム１５を省略した構
成、つまり、図６に示すような構成としても良い。この
図６に示す第５の実施例においても、上記第４の実施例
とほぼ同じ作用効果を得ることができる。尚、上記第５
の実施例において、半導体チップ１２の上面に、上面外
周電極１９を設けることをやめて、半田２０が半導体チ
ップ１２の上面外周部に接合されないように構成しても
良く、この構成の場合も、ほぼ同様な効果を得ることが
できる。

【００４０】また、上記各実施例では、ヒートシンク１
３、１４と半導体チップ１２と拘束フレーム１５とを接
合する接合部材として半田箔２３を用いたが、これに代
えて、半田ペースト等を用いるように構成しても良い。
更に、上記各実施例においては、ヒートシンク１３、１
４間にチップ（放熱素子）１２を１個挟むように構成し
たが、これに限られるものではなく、２個以上のチップ
（または２種類以上のチップ）を挟むように構成しても
良い。

【００４１】更にまた、上記各実施例においては、ヒー
トシンク１３、１４と拘束フレーム１５を同じ金属で構
成したが、これに限られるものではなく、拘束フレーム
１５だけを他の金属で構成しても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す半導体装置の縦断
面図

【図２】半導体装置の分解斜視図

【図３】本発明の第２の実施例を示す図１相当図

【図４】本発明の第３の実施例を示す図１相当図

【図５】本発明の第４の実施例を示す図１相当図

【図６】本発明の第５の実施例を示す図１相当図

【図７】従来構成を示す図１相当図

【符号の説明】

１１は半導体装置、１２は半導体チップ（発熱素子）、
１３は下側ヒートシンク（放熱板）、１３ｂは凹部、１
４は上側ヒートシンク、１５は拘束フレーム（環状部
材）、１６は下面電極、１７は上面電極、１８は上面制
御電極、１９は上面外周電極、２０は半田、２１はリー
ドフレーム、２２は樹脂、２３は半田箔、２４は外周面
電極を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放熱板と、この放熱板の上に載置された
   発熱素子とを備えて成る半導体装置において、 前記放熱板に前記発熱素子を収容するように形成された
   凹部と、 前記発熱素子の下面に設けられた下面電極と、 前記発熱素子の上面における外周部に設けられた上面外
   周電極と、 前記放熱板の凹部に前記発熱素子を収容した状態で、前
   記放熱板の上と前記発熱素子の上面外周電極の上とに載
   置される金属製の環状部材とを備え、 前記放熱板の凹部と前記発熱素子の下面電極とを半田付
   けすると共に、前記放熱板及び前記発熱素子の上面外周
   電極と前記環状部材とを半田付けしたことを特徴とする
   半導体装置。
2. 【請求項２】 前記放熱板の凹部と前記発熱素子の外周
   部との間の隙間に、半田を充填するように構成したこと
   を特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 【請求項３】 前記放熱板の凹部と前記発熱素子の外周
   部との間の隙間に、樹脂を充填するように構成したこと
   を特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 前記発熱素子の外周面部に設けられた外
   周面電極を備え、 前記放熱板の凹部と前記発熱素子の外周面電極とを半田
   付けしたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 【請求項５】 放熱板と、この放熱板の上に載置された
   発熱素子とを備えて成る半導体装置において、 前記放熱板に前記発熱素子を収容するように形成され、
   深さが前記発熱素子の厚みよりも大きい凹部と、 前記発熱素子の下面に設けられた下面電極と、 前記発熱素子の上面における外周部に設けられた上面外
   周電極と、 前記発熱素子の外周面部に設けられた外周面電極とを備
   え、 前記放熱板の凹部と、前記発熱素子の下面電極、外周面
   電極及び上面外周電極とを半田付けしたことを特徴とす
   る半導体装置。