JP2004247396A

JP2004247396A - 半導体装置の実装構造

Info

Publication number: JP2004247396A
Application number: JP2003033571A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Honda; 本田　　匡宏
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: JP4085831B2

Abstract

【課題】ヒートシンクを有する半導体装置を基板へ実装するにあたって、ヒートシンクの基板への接合面積を低減することで、ヒートシンク下部における基板の配線形成領域を広くする。
【解決手段】半導体装置Ｓ１は、ヒートシンク１０一面１１に搭載された半導体チップ２０とリード３０とをワイヤ４０で電気的に接続したものをモールド樹脂５０にて封止するとともに、ヒートシンク１０の他面１２がモールド樹脂５０から露出している。半導体装置Ｓ１は、リード３０がプリント基板１００に接続された状態でプリント基板１００に搭載されており、ヒートシンク１０は、その他面１２の周辺部である出っ張り部１３のみにてプリント基板１００に対してはんだ等の接続部材７０を介して接続されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートシンクの一面に搭載された半導体チップをリードと電気的に接続するとともにこれらヒートシンク、半導体チップおよびリードを樹脂でモールドしてなる半導体装置を備え、リードおよびヒートシンクが基板に接続された状態で半導体装置が基板に搭載されてなる半導体装置の実装構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子装置の小型化・高集積化に伴い、１デバイス当たりの発熱量が増大し、熱設計が問題となっている。そこで、半導体チップの熱をヒートシンクで放熱させる半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
このようなヒートシンクを有する半導体装置の基板への実装構造について一般的な断面構成を図４に示す。
【０００４】
この半導体装置においては、ヒートシンク１０の一面１１に半導体チップ２０が搭載されており、半導体チップ２０とリード３０とがワイヤ４０を介して電気的に接続されている。そして、ヒートシンク１０、半導体チップ２０およびリード３０がモールド樹脂５０によって包み込まれるように封止されている。
【０００５】
ここで、ヒートシンク１０における一面１１、すなわちチップ搭載面とは反対側の他面１２が、モールド樹脂５０から露出した形となっており、半導体チップ２０の熱はヒートシンク１０の他面１２から外部へ放熱可能となっている。
【０００６】
そして、このような半導体装置は、図４に示すように、モールド樹脂５０から露出するリード３０をプリント基板１００にはんだ６０を介して接続した状態で、プリント基板１００に搭載される。
【０００７】
このような半導体装置においては、半導体チップ２０からの熱は、モールド樹脂５０から露出するヒートシンク１０の他面１２から外部に放熱される。特に、図４に示すように、ヒートシンク１０の他面１２をはんだや接着剤またはゲル等からなる接続部材７０を介してプリント基板１００に接続すれば、より放熱性が向上する。
【０００８】
従来では、図４に示すように、ヒートシンク１０の他面１２の全域に接続部材７０を配設し、プリント基板１００に接続している。また、この接続部材７０の配設形態としては、図５に示すように、ヒートシンク１０の他面１２の全域において、接続部材７０をストライプ状に配設する方法も行われている。図５では、接続部材７０は、図中の紙面垂直方向に延びるストライプ状に配設されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平５−８２６７２号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開平８−１３０２７３号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来では、上記図４や図５に示したように、ヒートシンク１０の他面１２とプリント基板１００との間において、ヒートシンク１０の他面１２全域に渡って接続部材７０を配設しているため、ヒートシンク１０の他面１２に対面するプリント基板１００の領域には配線を形成することができなかった。
【００１２】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、ヒートシンクを有する半導体装置を基板へ実装するにあたって、半導体装置におけるヒートシンクの基板への接合面積を低減することで、ヒートシンク下部における基板の配線形成領域を広くすることを目的とする。
【００１３】
【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、ヒートシンク（１０）と、ヒートシンクの一面（１１）に搭載された半導体チップ（２０）と、半導体チップと電気的に接続されたリード（３０）と、ヒートシンク、半導体チップおよびリードを包み込むように封止するモールド樹脂（５０）とを有し、ヒートシンクにおける一面とは反対側の他面（１２）がモールド樹脂から露出している半導体装置（Ｓ１）を備えており、モールド樹脂から露出するリードが基板（１００）に接続された状態で半導体装置が基板に搭載されてなる半導体装置の実装構造において、ヒートシンクは、その他面の周辺部（１３、１４）のみにて基板に対して接続部材（７０）を介して接続されていることを特徴とする。
【００１４】
それによれば、ヒートシンクは熱伝導性に優れているため、半導体チップの熱はヒートシンクの全体に拡がる。そして、ヒートシンク全体に拡がった熱はヒートシンクの周辺部から接続部材を介して基板へ効率よく逃がすことができるため、放熱性は十分に確保することが可能である。
【００１５】
また、ヒートシンクの中央部には接続部材が配設されないので、ヒートシンクの中央部に対向する基板の部分においては配線を形成することができる。
【００１６】
よって、本発明によれば、半導体装置におけるヒートシンクの基板への接合面積を低減することができ、それによって、ヒートシンク下部における基板の配線形成領域を広くすることができる。
【００１７】
ここで、請求項２に記載の発明のように、ヒートシンク（１０）の他面（１２）のうち接続部材（７０）を介して基板（１００）と接続されている部分（１３、１４）の面積が、当該ヒートシンクの他面の全面積の１０％以上であることが好ましい。
【００１８】
本発明者の検討によれば、ヒートシンクの他面のうち接続部材を介した基板接続部分の面積を、当該他面の全面積の１０％以上とすることで、十分な放熱性を確保できることが確認されている。
【００１９】
また、請求項３に記載の発明では、ヒートシンク（１０）の他面（１２）における周辺部（１３）には、ヒートシンクの中央部よりも当該他面から突出した突出部（１４）が形成されており、この突出部の先端面は、モールド樹脂（５０）から露出するとともに、接続部材（７０）を介して基板（１００）に接続されていることを特徴とする。
【００２０】
ヒートシンクは一般に電気伝導性を有するが、本発明によれば、ヒートシンクの他面における中央部は、周辺部の突出部よりも凹んだ部分となるのでモールド樹脂の内部に位置させることができる。
【００２１】
そのため、ヒートシンクの他面における中央部と対面するプリント基板の部分に、電気伝導体を形成してもヒートシンクと短絡する可能性が少なくなり、好ましい。
【００２２】
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一例である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態相互において同一の部分には、図中、同一符号を付してある。また、各平面図には、識別化のため便宜上ハッチングを施してあるが、断面を示すものではない。
【００２４】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置Ｓ１の実装構造の概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）中の下方から見た半導体装置Ｓ１の平面構成図である。まず、半導体装置Ｓ１について述べる。
【００２５】
ヒートシンク１０は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ等の熱伝導性の良い金属材料をプレスや切削加工によって板形状としたものである。本例のヒートシンク１０は、その両端に出っ張り部１３が形成された略矩形板状をなしている。
【００２６】
ヒートシンク１０の一面１１は、チップ搭載面として構成されており、その一面１１の中央部には、シリコン等の半導体に種々の電気素子を形成してなる半導体チップ２０が搭載されている。
【００２７】
この半導体チップ２０の周囲には、複数本のリード３０が配設されている。これらリード３０はＣｕや４２アロイ等からなるものである。これら半導体チップ２０と各リード３０とはＡｕやＡｌ等からなるワイヤ４０によって結線され、電気的に接続されている。このワイヤ４０はワイヤボンディングによって形成することができる。
【００２８】
そして、これらヒートシンク１０、半導体チップ２０、リード３０の一部およびワイヤ４０は、図１に示すように、モールド樹脂５０によって包み込まれるように封止されている。このモールド樹脂５０はエポキシ樹脂等からなる。
【００２９】
ここで、ヒートシンク１０における一面１１とは反対側の他面１２が、モールド樹脂５０から露出しており、ヒートシンク１０の他面１２から外部への放熱が可能となっている。
【００３０】
このような半導体装置Ｓ１は、ヒートシンク１０の一面１１に半導体チップ２０を搭載し、リード３０と半導体チップ２０とをワイヤボンディングを行ってワイヤ４０にて接続した後、樹脂成形することでモールド樹脂５０による封止を行うことにより製造可能である。
【００３１】
そして、この半導体装置Ｓ１は、図１に示すような形でプリント基板１００に実装される。すなわち、プリント基板１００上に半導体装置Ｓ１を搭載し、モールド樹脂５０から露出するリード３０をプリント基板１００にはんだ６０を介して接続する。
【００３２】
また、ヒートシンク１０は、その他面１２の周辺部のみにてプリント基板１００に対して接続部材７０を介して接続されている。本例では、ヒートシンク１０の他面１２のうち両端に位置する２箇所の出っ張り部１３のみにて接続が行われている。
【００３３】
この接続部材７０としては、はんだ、接着剤、ゲル等を採用でき、本例では、リード３０と同様のはんだを採用している。ここで、図１（ｂ）では、ヒートシンク１０の他面１２の出っ張り部１３のうち接続部材７０が配設されている部分に斜線ハッチングが施してある。
【００３４】
本実施形態の放熱経路は、次の通りである。つまり、電気回路が動作することにより半導体チップ２０から発せられた熱は、チップ内部から熱伝導率の良いヒートシンク１０全体へ伝わる。その後は、ヒートシンク１０全体に拡がった熱はヒートシンク１０の周辺部である出っ張り部１３から接続部材７０を介してプリント基板１００へ効率よく放熱される。
【００３５】
このように、本実施形態によれば、放熱性を十分に確保することができる。それとともに、ヒートシンク１０の中央部には接続部材７０が配設されないので、ヒートシンク１０の中央部に対向するプリント基板１００の部分には配線を形成することができる。
【００３６】
よって、本実施形態の実装構造によれば、半導体装置Ｓ１におけるヒートシンク１０のプリント基板１００への接合面積を低減することができ、それによって、ヒートシンク１０の下部におけるプリント基板１００の配線形成領域を広くすることができる。
【００３７】
ここで、十分な放熱性を実現するためには、ヒートシンク１０の他面１２のうち接続部材７０を介してプリント基板１００と接続されている部分の面積が、ヒートシンク１０の他面１２の全面積の１０％以上であることが好ましい。このことは、次に述べるような検討結果を根拠とするものである。
【００３８】
本発明者は、ヒートシンク１０の他面１２のうち接続部材７０を介した基板接続部分の面積の割合を、ヒートシンクの基板接合面積率とし、放熱性としては、半導体チップ２０→ヒートシンク１０→プリント基板１００という放熱経路における熱抵抗を用い、検討した。その結果を図２に示す。
【００３９】
図２は、上記ヒートシンクの基板接合面積率（％）と上記熱抵抗との関係を示す図である。ここで、熱抵抗は、ヒートシンクの基板接合面積率が１００％である場合、すなわちヒートシンク１０の他面１２の全域を接続部材７０を介してプリント基板１００に接続した場合を１と規格化して示している。
【００４０】
図２からわかるように、ヒートシンクの基板接合面積率をヒートシンク１０の他面１２の全面積の１０％以上とすることで、当該他面１２の全域を接続した場合とほぼ同等の放熱性が確保される。そして、ヒートシンクの基板接合面積率が１０％よりも小さくなると、急激に放熱性が低下している。
【００４１】
このような検討結果から、ヒートシンク１０の他面１２のうち接続部材７０を介してプリント基板１００と接続されている部分の面積が、ヒートシンク１０の他面１２の全面積の１０％以上であることが好ましい。
【００４２】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置Ｓ２の実装構造の概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）中の下方から見た半導体装置Ｓ２の平面構成図である。上記第１実施形態との相違点を中心に述べる。
【００４３】
本実施形態では、図３に示すように、ヒートシンク１０の他面１２における周辺部すなわち出っ張り部１３には、ヒートシンク１０の中央部よりも当該他面１２から突出した突出部１４が形成されている。そして、この突出部１４の先端面がモールド樹脂５０から露出し、接続部材７０を介してプリント基板１００に接続されている。
【００４４】
本実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、半導体チップ２０から発せられた熱は、ヒートシンク１０全体へ伝わり、ヒートシンク１０の周辺部である出っ張り部１３、突出部１４から接続部材７０を介してプリント基板１００へ効率よく放熱される。
【００４５】
また、本実施形態においても、ヒートシンク１０の他面１２のうち接続部材７０を介してプリント基板１００と接続されている部分の面積が、ヒートシンク１０の他面１２の全面積の１０％以上であることが好ましい。
【００４６】
さらに、本実施形態によれば、次に述べるような効果を奏する。ヒートシンク１０は上述したように金属製であり、電気伝導性を有するが、本実施形態によれば、ヒートシンク１０の他面１２における中央部は、周辺部の突出部１４よりも凹んだ部分となっているため、モールド樹脂５０の内部に位置した形となっている。
【００４７】
そのため、ヒートシンク１０の他面１２における中央部と対面するプリント基板１００の部分に、Ｃｕ配線等の電気伝導体を形成しても、第１実施形態に比べればヒートシンク１０と短絡する可能性が少なくなり、好ましい。
【００４８】
また、ヒートシンク１０の他面１２全域がモールド樹脂５０から露出する第１実施形態に比べて、ヒートシンクの他面１２の露出面積が小さくなることから、モールド樹脂５０とヒートシンク１０との界面のうち外部に露出する部分の長さを短くすることができる。
【００４９】
そのため、モールド樹脂５０の内部への水分や不純物等の侵入を抑制しやすくでき、半導体装置Ｓ２の信頼性を向上させることができる。
【００５０】
また、第１実施形態に比べて、半導体装置の体格全体に対するヒートシンク１０の体格の割合が小さくなるため、モールド樹脂５０とヒートシンク１０との熱膨張係数の差に起因するクラックの発生を抑制しやすくできる。
【００５１】
（他の実施形態）
なお、ヒートシンク１０の他面１２のうち接続部材７０を介してプリント基板１００と接続されている部分は、上記実施形態のように２箇所でなくても良く、３箇所以上でも良い。さらには、ヒートシンク１０の周辺部において環状になっていても良い。また、基板としてはプリント基板１００に限定されず、例えばセラミック基板等であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体装置の実装構造の概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）中の下方から見た半導体装置の平面構成図である。
【図２】ヒートシンクの基板接合面積率と放熱経路における熱抵抗率との関係を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る半導体装置の実装構造の概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）中の下方から見た半導体装置の平面構成図である。
【図４】一般的な半導体装置の実装構造を示す概略断面図である。
【図５】もう一つの一般的な半導体装置の実装構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１０…ヒートシンク、１１…ヒートシンクの一面、
１２…ヒートシンクの他面、
１３…ヒートシンクの周辺部としての出っ張り部、１４…突出部、
２０…半導体チップ、３０…リード、５０…モールド樹脂、
７０…接続部材、１００…プリント基板、Ｓ１…半導体装置。

Claims

ヒートシンク（１０）と、前記ヒートシンクの一面（１１）に搭載された半導体チップ（２０）と、前記半導体チップと電気的に接続されたリード（３０）と、前記ヒートシンク、前記半導体チップおよび前記リードを包み込むように封止するモールド樹脂（５０）とを有し、前記ヒートシンクにおける前記一面とは反対側の他面（１２）が前記モールド樹脂から露出している半導体装置（Ｓ１）を備えており、
前記モールド樹脂から露出する前記リードが基板（１００）に接続された状態で半導体装置が前記基板に搭載されてなる半導体装置の実装構造において、
前記ヒートシンクは、その他面の周辺部（１３、１４）のみにて前記基板に対して接続部材（７０）を介して接続されていることを特徴とする半導体装置の実装構造。
前記ヒートシンク（１０）の他面（１２）のうち前記接続部材（７０）を介して前記基板（１００）と接続されている部分（１３、１４）の面積は、当該他面の全面積の１０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の実装構造。
前記ヒートシンク（１０）の他面（１２）における周辺部（１３）には、前記ヒートシンクの中央部よりも当該他面から突出した突出部（１４）が形成されており、
この突出部の先端面は、前記モールド樹脂（５０）から露出するとともに、前記接続部材（７０）を介して前記基板（１００）に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の実装構造。