JP2008098584A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体素子を樹脂ケース内に封入した半導体装置において、熱衝撃に強く、良好な放熱特性が得られ、信頼性が向上するようにする。
【解決手段】回路基板１５上に搭載された半導体チップ１，２の上下に放熱用基板としてそれぞれヒートスプレッダー１６，１７と放熱用金属ベース板２１を配置し、半導体チップ１，２を収容した密閉型のプラスチックケース９内に液体の絶縁油１０を充填して封止する。また絶縁油１０として、半導体チップ１，２の駆動時の発熱温度より高い高耐熱性を有し、吸湿剤及び、絶縁油１０より熱伝導率が高い伝熱粒子が混入されたものを使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を樹脂ケース内に封入した半導体装置、特に半導体素子の放熱対策を施した半導体装置に関する。
基板上に装着された半導体素子を樹脂で封入したパッケージ構造の電子回路装置が従来より知られている（例えば、特許文献１参照）。図９はこのようにパッケージ化された従来の半導体装置の構造を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面断面図である。この半導体装置は、機密性や成型性、高放熱性などを考慮したもので、多層配線基板１０１に、マイコン１０２などの制御素子やトランジスタ１０３、抵抗１０４，ダイオード１０５，コンデンサ１０６などの受動素子、あるいは図示しない記憶素子が金のワイヤ１０７やアルミニウムのワイヤ１０８によって接続され、この多層配線基板１０１がアルミニウム製の支持材料１０９に搭載され、さらに多層配線基板１０１と支持材料１０９の一部が封止用樹脂組成物１１０によってモールドされて、一体成型されている。また、多層配線基板１０１と支持材料１０９との間には複合金属材料１１１が固着されている。１１２は多層配線基板１０１と複合金属材料１１１との接合部、１１３は複合金属材料１１１と支持材料１０９との接合部であり、１１４は外部導出端子である。
上記多層配線基板１０１は６層のガラスＢＴレジン基板からなり、最外層面はベタパターンの銅に５μｍのニッケルめっきが施されている。また、複合金属材料１１１は銀粉と酸化銅粉を混合した後、冷間プレスして９５０℃、３時間焼結したもので、７０Ｖｏｌ％Ａｇ−３０Ｖｏｌ％Ｃｕ2Ｏである。
上記の半導体装置の製造に際しては、まず、支持材料１０９上に複合金属材料１１１を溶接し、その複合金属材料１１１の上にＳｎ３．５Ｗｔ％Ａｇ０．３Ｗｔ％Ｃｕの半田を印刷する。次に、多層配線基板１０１の所定位置に銀ペーストを塗布して、マイコン１０２、トランジスタ１０３及びダイオード１０５を装着し、１５０℃で１時間硬化させて接着させる。そして、マイコン１０２と多層配線基板１０１の所定のランドとを金のワイヤ１０７で電気的に接続する。また、多層配線基板１０１の他のランドにＳｎ３．５Ｗｔ％Ａｇ０．３Ｗｔ％Ｃｕの半田ペーストを塗布し、抵抗１０４、コンデンサ１０６などの電子部品を装着し、先に形成した支持材料１０９と複合金属材料１１１との接合部１１３上の半田印刷面に搭載する。その後、赤外線リフロー装置を用いて半田を２７０℃で加熱溶融し、再び固化させることで、電子部品と多層配線基板１０１とを電気的に接続する。
次に、マイコン１０２、トランジスタ１０３及びダイオード１０５と多層配線基板１０１とを、室温にてアルミニウムのワイヤ１０８を超音波ボンディングすることにより電気的に接続する。その後、１８０℃におけるゲル化時間が３０秒である無機充填材としてシリカフィラーを６３体積％充填した封止用樹脂組成物１１０を用いて、金型温度１８０℃、トランスファー圧力７ＭＰａ、成型時間３分で低圧トランスファーモールド成形を行う。その際、封止用樹脂組成物１１０は、硬化後特性が室温で弾性率３ＧＰａ、室温の線膨張係数が１６ｐｐｍ／℃、ガラス転移温度が１５０℃のものを使用する。
このようにして製造された半導体装置は、耐オイル性を確認するために、例えば、１４０℃のエンジンオイル中に浸漬し、２０００時間経過後の剥離や動作不良の有無を確認する。
また、樹脂ケースと封止樹脂との剥離を防止するようにした半導体装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。図１０はこのような他の従来の半導体装置の構造を示す断面図である。この半導体装置は、半導体パワーモジュールなどで採用されている構造を有しており、金属放熱板２０１にパワー半導体素子２０２、制御用集積回路素子２０３などの電子部品及び外部リード２０４を搭載し、封止用樹脂２０５を充填して保護したものである。そして、コネクタを兼ねた樹脂ケース２０６内に収容している。
図１１は他の従来の半導体装置の構造を示す断面図である。この半導体装置は、自動車もしくは民生用の電子回路装置で採用されているもので、上面と前面が開口されて左右に取り付け部を持つ樹脂ケース３０１と、電子部品を搭載した樹脂製の回路基板３０２と、外部接続端子を有するコネクタ３０３とからなり、回路基板３０２は封止用樹脂３０４で保護されている。封止用樹脂３０４は、電子部品及び回路基板３０２を外部の湿気から保護するためと、振動に対する固定のための保護層となっている。製造に際しては、電子部品を搭載した回路基板３０２とコネクタ３０３の外部接続端子とは半田付けなどにより接続し、回路基板３０２を樹脂ケース３０１に位置決めして取り付けた後、液状の封止用樹脂３０４を注入、加熱硬化させて保護層を形成する。
また、放熱機能と封止機能を合わせ持つようにした他の半導体装置も知られている（例えば、特許文献３参照）。図１２はこのような他の従来の半導体装置の構造を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面断面図である。この半導体装置は、パワー半導体素子などの電子部品４０１、主端子４０２、制御系端子４０３、絶縁性の回路基板４０４及び放熱板４０５と、これらの部品を搭載する位置決め穴付き板４０６とからなり、それらをレジン４０７で覆ったモジュール品となっている。製造に際しては、電子部品４０１は回路基板４０４上に構成した電気回路４０８の所定位置に半田付けにて接合する。また主端子４０２及び制御系端子４０３は、電気回路４０８のパッド４０９に半田４１０にて接合する。
上記電子部品４０１、電気回路４０８、主端子４０２及び制御系端子４０３は、金属ワイヤ４１１により接続された回路基板４０４を形成している。この回路基板４０４は位置決め穴付き板４０６上に搭載され、これらは半田付けにて接合されている。また、放熱板４０５には、放熱フィンなどの部品を取り付けるための取り付け穴４１２が設けられている。この取り付け穴４１２は、位置決め穴付き板４０６を貫通している。そして、その実装面は、主端子４０２及び制御系端子４０３の一部並びに位置決め穴付き板４０６の裏面を除き、レジン４０７にて封止した形態となっている。
また、金属ワイヤ４１１としては例えばＡｌ（アルミニウム）線を用い、放熱板４０５としては例えば銅合金やＡｌ合金を用いる。位置決め穴付き板４０６は例えば銅合金や鉄−ニッケル合金を用いる。放熱板４０５と位置決め穴付き板４０６は、膨張率の同じ金属の組み合わせあるいは放熱板４０５に対して膨張率の小さい位置決め穴付き板４０６の組み合わせがよく、モジュール品の反り変形を低減することができる。
図１３は他の従来の半導体装置の構造を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのａ−ａ線断面図である。この半導体装置は、半導体チップ５０１，５０２を有し、外部導出端子５０３，５０４及び制御端子５０５が金属ワイヤ５０６，５０７，５０８により接続され、これらが樹脂ケース５０９内でシリコンゲル５１０により封止、保護されたパッケージ構造となっている。
また、半導体チップ５０１，５０２は、それぞれセラミック基板５１１に銅電極５１２，５１３がＤＣＢ（Direct Copper Bonding）法でメタライズされた回路基板５１４に搭載されている。５１５，５１６はヒートスプレッダー、５１７，５１８，５１９は半田層、５２０は放熱用金属ベース板、５２１は半導体チップ５０１の電極端子であり、５２２は樹脂ケース５０９の取り付け用のねじ穴を示している。
図１４は他の従来の半導体装置の構造を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのｂ−ｂ線断面図である。この半導体装置は、図１３に示す半導体装置において、外部導出端子５０４がリードフレーム５２３により接続され、制御端子５０５が金属ワイヤ５０８により接続されたものである。リードフレーム５２３は半田層５２４により接続されており、その他は図１３の半導体装置と同様の構造である。
また、上記の他に、半導体チップを効率的に冷却可能な半導体装置も提案されている（例えば、特許文献４参照）。この半導体装置は、外壁に囲まれた空間内に絶縁基板を設置し、この絶縁基板上に上下を電極板に挟まれた半導体チップを配置し、上記外壁に囲まれた空間を絶縁体で満たすようにしたものである。
特開２００５−５６９４４号公報 特開平９−４５８５１号公報 特開平１０−１１６９６２号公報 特開２００５−１９８４９号公報
ところで、上記のような半導体装置においては、パッケージ内の半導体素子のジャンクション温度が１２５℃以下で高信頼性の製品が供給されており、パワー半導体の接合分野では鉛入り共晶半田を用いてきていたが、環境問題の観点から鉛フリー半田に移行しつつあり、半田リフロー温度の上昇、ヒートサイクル、熱衝撃などによる劣化を抑制する必要がでてきている。
また、例えば自動車用の半導体装置では、パッケージ内の半導体素子のジャンクション温度が実用的には高いことが要求されており、半導体素子の駆動温度が上昇しても放熱対策や放熱構造を好適にすることで、半導体素子の信頼性を確保する必要がある。
上述の従来のトランスファーモールドやエポキシ系レジン、シリコン系ゲルの封止構造では、半導体素子に発生した熱を金属材料、金属接合部、絶縁性金属複合基板、放熱用金属ベースなどにより下部方向へ放熱し、半導体素子と接合されたヒートスプレッダー、金属ワイヤ、リードフレームなどにより上部方向へ放熱している。さらに、封止材料であるシリコン系ゲルと半導体モジュールの接合面から熱伝導で一部放熱し、且つ外部からの水分などの浸入を防いでいる。
しかしながら、上記のシリコン系ゲルは熱伝導による放熱が主で、基本的にはその材料特性の熱伝導率により放熱性能が左右される。また、熱伝導率も１００％満足するものではない。したがって、複合的な放熱対策を講じなければならず、信頼性を向上させることが難しいという問題点がある。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、熱衝撃に強く、良好な放熱特性が得られ、信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とする。
本発明では上記課題を解決するために、半導体素子が密閉型の樹脂ケース内に収容された半導体装置において、前記半導体素子が収容された前記樹脂ケース内に絶縁油を充填して封止したことを特徴とする半導体装置が提供される。
このような半導体装置によれば、半導体素子が収容された樹脂ケース内が液体の絶縁油により封止されており、半導体素子の周辺の温度勾配が緩和され、熱衝撃に強く、良好な放熱特性が得られ、信頼性が向上する。
本発明の半導体装置は、半導体素子が収容された樹脂ケース内が液体の絶縁油により封止されており、半導体素子の周辺の温度勾配が緩和され、熱衝撃に強く、良好な放熱特性が得られ、信頼性が向上するという利点がある。
以下、本発明の実施の形態を図１〜図８を用いて説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態の半導体装置の構造を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。この半導体装置は、図１３に示す半導体装置と同様、半導体素子をチップ化した半導体チップ１，２を有し、外部と接続される外部導出端子３，４及び制御端子５がアルミニウムワイヤなどの金属ワイヤ６，７，８により接続されている。そして、これらが収容された密閉型の樹脂ケースであるプラスチックケース９内に液体である絶縁油１０が充填され、この絶縁油１０により半導体チップ１，２が封止及び保護されたパッケージ構造となっている。
半導体チップ１，２は、それぞれセラミック基板１１に銅電極１２，１３，１４がＤＣＢ法でメタライズされた回路基板１５に搭載されている。１６，１７は半導体チップ１，２の上側に配置されたヒートスプレッダー、１８，１９，２０は半田層、２１は半導体チップ１，２の下側に配置された放熱用金属ベース板、２２は半導体チップ１の電極端子であり、２３は絶縁油１０に混入された吸湿剤であるフィラーを示している。また、２４ａ，２４ｂはプラスチックケース９の取り付け用のねじ穴、２５は回路基板１５を位置決めするための段差部、２６は回路基板１５を固定する接着剤、２７ａ，２７ｂはプラスチックケース９内に絶縁油１０を注入するための注入口、２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄは絶縁油１０の通路、２９，２９ａ，２９ｂは絶縁油１０が注入された後に封止するための封止蓋、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは絶縁油１０の熱膨張を吸収する避難室である。
上記回路基板１５上に搭載された半導体チップ１，２の上下には、放熱用基板が配置されている。図示の例では、上側の放熱用基板は銅にニッケルめっきが施された上記のヒートスプレッダー１６，１７であり、下側の放熱用基板は上記の放熱用金属ベース板２１となっている。また絶縁油１０は、半導体チップ１，２の駆動時の発熱温度より高い高耐熱性を有しており、加熱することにより予めガス成分を除去したものが充填される。
上記の半導体装置の製造に際して、金属ワイヤ６，７，８は、超音波ボンディング装置により所定条件の下で接合される。その際、まず半導体チップ１の電極端子２２と回路基板１５の銅電極１２を接合し、次に半導体チップ１上のヒートスプレッダー１６と半導体チップ２上のヒートスプレッダー１７を金属ワイヤ７で接合し、次いで半導体チップ２上のヒートスプレッダー１７と回路基板１５の銅電極１２を金属ワイヤ８で接合する。また、封止蓋２９には、予め外部導出端子３，４と制御端子５を外部へ取り出すための穴を設けておき、半田リフロー後に垂直に立てられた外部導出端子３，４と制御端子５をその穴に通し、段差部２５に接着剤２６を塗布し、その接着面に封止蓋２９を載せ、加熱硬化させて固定する。
図３は上述の実施の形態における半導体チップ１の実装モジュールの放熱構造の要部を示す断面図である。半導体チップ１の上側と下側には電極３１，３２が設けられている。まず、放熱用金属ベース板２１の上に半田を載せて回路基板１５を載置し、この回路基板１５の銅電極１２の所定位置に半田を載せて半導体チップ１を載置し、その上に半田を載せてヒートスプレッダー１６を載置する。そして、外部リードとなる外部導出端子３，４と制御端子５を垂直に立てて、その下側の銅電極１２に半田を載せ、それぞれが治具により固定された状態で、半田リフロー装置で半田リフローして電気的に接合する。半導体チップ２の実装モジュールも同様の構造である。
図４は実施の形態におけるプラスチックケース９の成型品を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＣ−Ｃ線断面図である。図中、４１はケース本体、４２は封止蓋２９を位置決めするための段差部、４３は空間部である。このプラスチックケース９は、半導体モジュールを下部から収納するための空間部４３、回路基板１５を収納固定するための段差部２５、上記封止蓋２９を収納固定するための段差部４２、避難室３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄとなる空間部、通路２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ、及びパッケージ取り付け用のねじ穴２４を有しており、これらは金型で成型加工される。そして、加工後に、適宜穴あけ加工により注入口２７ａ，２７ｂを形成し、ケース本体４１の表面より突き出るように絶縁油１０の注入管を接着剤を用いて加熱硬化により固定する。その後、ケース本体４１に、段差部２５に接着剤を付けて図３に示す半導体モジュールを収納し、加熱硬化させて固定する。
図５は実施の形態における絶縁油１０の充填工程を示す図であり、プラスチックケース９に半導体モジュールを収納固定した状態の断面図を示している。図中、４４ａ，４４ｂは上述の注入管、４５は注入用空間部であり、また、５１は真空ホース、５２は切替えバルブ、５３は絶縁油１０の貯留タンク、５４はヒーター、５５は温度制御器である。
プラスチックケース９と半導体モジュールを固定した後（ａ）、フィラー２３を注入するとともに、絶縁油１０を不図示の真空ポンプにより注入する（ｂ）。
このフィラー２３を注入する工程は、例えば次の２通りのどちらかで行えばよい。
（１）フィラー２３の注入を封止蓋２９ａ，２９ｂの接着前に行う。予め加熱乾燥機で脱ガスしたフィラー２３を注入管４４ａ，４４ｂから所定量を注入する。フィラー２３を注入後、封止蓋２９ａ，２９ｂを接着し、接着剤を硬化させて密閉構造を形成し、真空ポンプにより密閉構造内の脱ガスを行う。これにより、フィラー２３やプラスチックケース９と半導体モジュールなどに吸着されていたガスを除去することができる。
（２）封止蓋２９を接着硬化後、さらに注入管を接着硬化させ、フィラー２３を注入管の注入口より注入する。フィラー２３の注入は絶縁油の注入前に行う。この状態で、フィラーは避難室に充填されるため、プラスチックケース９を傾けて、半導体モジュールが固定されている室（封止蓋２９によって密閉された空間）に移動させる。そのあと、真空ポンプにより密閉構造内の脱ガスを行う。これにより、フィラー２３やプラスチックケース９と半導体モジュールなどに吸着されていたガスを除去することができる。
その後、密閉構造の中で開いている注入管４４ａ，４４ｂに真空ホース５１を接続し、予め前処理（脱ガス処理）を行った絶縁油１０を注入する（ｃ）。
また、ヒーター５４、温度制御器５５及び上記の真空ポンプを用いて真空加熱を行い、絶縁油１０中の揮発性の高い低分子量成分と絶縁油１０に混入している初期水分（１００〜２００ｐｐｍ）を例えば１０ｐｐｍ以下になるまで除去し、パッケージ内を真空排気する。そして、所定の真空状態になってから切替えバルブ５２を切替え、脱ガス処理の終わった上記絶縁油１０を真空脱泡しながら接触させて、注入管４４ａ，４４ｂ、避難室３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄとなる空間部４５及び通路２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄを通して絶縁油１０を大気圧で注入する。
絶縁油１０は、例えばシリコンオイルを用いる。シリコンオイルは粘度が３０〜２００ＣＰ程度のものが適用可能であるが、ここでは粘度５０ＣＰのものを用いた。
吸湿剤であるフィラー２３としては、シリカゲル、ゼオライト、活性アルミナ、などを用いる。使用に当たっては、予め脱ガス処理を行っておく。また、絶縁油１０としては、耐熱性、電気絶縁性、高沸点、引火点、粘度、分子量、流動性、耐腐食性などを考慮し、シリコンオイル、フッ素系オイル、変圧器用オイルなどを用いる。
上記絶縁油１０の注入レベルは、半導体チップ１，２の駆動時の発熱による熱膨張を考慮して決定され、図４に示す空間部４３と注入口２７ａ，２７ｂの中で絶縁油１０はある高さ以下に保たれている。また、熱膨張による体積増減分を吸収するため、一部の空間部は絶縁油１０を注入しない避難室３０ｂ，３０ｃとして残されている。よって、避難室の絶縁油１０が注入されない容積は、絶縁油１０の熱膨張による体積増加分を吸収できるだけの大きさがあればよい。
ここで、絶縁油１０に、図示しない伝熱粒子を混入してもよい。伝熱粒子には、絶縁油１０よりも熱伝導率が高いものを用いる。例えば、シリカ、アルミナ、窒化アルミ、炭化珪素などを用いるとよい。伝熱粒子は、上記の吸湿材とともに用いてもよいし、絶縁油１０中の水分の除去が十分に行われている場合は、吸湿剤に変えて混合してもよい。
このように、絶縁油１０に、絶縁油１０よりも熱伝導率の高い伝熱粒子を添加したことにより、半導体チップ１，２の駆動時の発熱をいちはやく外部へ放出することが可能となる。
特に、絶縁油１０に混入する伝熱粒子が、隣接する伝熱粒子同士が接触するようにすることで、熱の伝導を、絶縁油１０を介さずに行えるため、より有効に放熱をすることができる。ここで、伝熱粒子は、少なくとも半導体チップ１，２を覆う程度には混入した方がよく、伝熱粒子を絶縁油１０の充填容積の８０〜９５％程度とすると、隣接する伝熱粒子同士を確実に接触させることができる。
伝熱粒子は粒径が３０〜１００μｍ程度のものであればよく、微粒子（粒径が１〜３０μｍ）を用いてもよい。微粒子を用いると、ケース本体４１内部の凹凸や半導体チップと回路基板との段差などにも追従して、伝熱（微）粒子を隅々まで充填することができるため、放熱効率を高めることができる。
また、伝熱粒子に吸湿作用がある物質を用いると、伝熱粒子と吸湿剤とを同時に混入する必要がない。吸湿作用がある物質にはシリカ、アルミナなどがある。
絶縁油１０の注入が完了すると、真空ホース５１を取り外し、注入管４４のケース本体４１から突き出た部分を切断する（ｄ）。また、その表面に付着した絶縁油１０成分を拭い取って洗浄した後、接着剤を塗布し、その接着面に封止蓋２９ａ，２９ｂを載せて、紫外線もしくは加熱により硬化させる。封止蓋２９ａ，２９ｂの接着は、接着面の全面（封止蓋の外周全域）に接着剤を塗布し、ケース４１の内部（空間部等）を気密に封止するものとする。また、封止蓋２９ａ，２９ｂの外部導出端子３，４、制御端子５の貫通部には、封止蓋２９ａ，２９ｂと外部導出端子３，４、制御端子５との間に接着剤を塗布するか図示しないシール部材を設けるなどして、この部分においても気密に封止するものとする。以下の他の実施形態においても同様である。
その後、外部リードである外部導出端子３，４と制御端子５を垂直から水平になるように曲げる（ｅ）。
上記の液体の絶縁油１０を充填する図４の空間部４３と、絶縁油１０の加熱膨張や蒸発などによる体積変化を吸収する避難室３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、予め形成されており、半導体モジュールを空間部４３に接着固定した後（図５の（ａ）参照）、空間部４３と避難室３０ａ，３０ｄにフィラー２３を挿入する（図５の（ｂ）参照）。その後、封止蓋２９ａを接着固定し、注入口２７ａ，２７ｂに注入管４４ａ，４４ｂを接着固定し、予め真空脱ガスしておいた絶縁油１０を真空ポンプにより注入する。その際、絶縁油１０中の水分濃度は１０ｐｐｍ以下にしておき、真空ホースを注入管４４ａ，４４ｂに接続し、真空排気して所定レベルの真空度に達したら、切替えバルブ５２にて真空加熱した絶縁油１０を導入し、貯留タンク５３に設けたバルブを徐々に開放して大気圧で絶縁油１０を圧入する。
このとき、空間部４３と避難室３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは真空状態になっているので、それらの空間全体が隙間なく絶縁油１０で充填される。そして、このままでは避難室３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは絶縁油１０の加熱膨張時に機能しないため、上記の絶縁油１０の注入工程で時間制御を行い、半導体モジュールの使用時に発熱から熱伝導で高温になる箇所（金属ワイヤ６，７，８など）が絶縁油１０に浸漬するように、空間部４３の所定のレベルまで絶縁油１０を注入する。その際、ほぼ通路２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄの位置までは確実に絶縁油１０を注入する。
ここで、半導体モジュール使用時の発熱による絶縁油１０の挙動は、空間部（空間部４３と避難室３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）に隙間なく充填された場合と空間部に所定の予備空間がある場合とで、２つのパターンに分かれる。空間部に隙間なく充填された場合は、内部発熱及び蒸発ガスによる膨張でパッケージが破損し、絶縁油１０が外へ漏れる。空間部に所定の予備空間がある場合は、内部発熱及び蒸発ガスによる膨張がその予備空間で吸収され、膨張の圧力が軽減されてパッケージの破損が防止され、内部の熱サイクルによる圧縮膨張変化に対応することができる。また、パッケージ取り付け状態に傾斜がある場合でも、加熱膨張用の避難室３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄがコーナー４箇所に分散しているので、何れかの避難室３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの上部に空間が残り、そこで内部発熱及び蒸発ガスによる膨張が緩和される。
すなわち、上記の通路２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄは、空間部４３と常に１箇所以上の空間を通して何れかの避難室３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄとを？ぐ機能を有しており、絶縁油１０の加熱膨張を緩和させている。
上記の絶縁油１０を入れる目的は熱伝導と熱対流による冷却効果を上げることであり、そのため、半導体モジュールより熱伝達によって温度上昇する場所が冷却の対象となる。図１の構成では、１番高い位置にあるのが金属ワイヤ６，７，８であるので、実用時には必ず金属ワイヤ６，７，８が絶縁油１０に浸漬していなければならない。したがって、通路２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄは金属ワイヤ６，７，８の上部より高い位置あることが必要である。
また、避難室３０ａ，３０ｄと注入口２７ａ，２７ｂが同じ場合、上述のように、予め真空加熱処理して水分濃度を所定値以下に除去した絶縁油１０を、真空引きした空間部（空間部４３と避難室３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）に大気圧で圧入すると、全ての空間部が充填されるが、避難室３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの機能を保持するため、次のように制御している。すなわち、時間制御を行って、絶縁油１０の注入レベルを所定の高さにし、空気もしくは不活性ガスのための空間を残して封止する。あるいは、一旦空間部を隙間なく充填しておいて、後から２箇所の注入口２７ａ，２７ｂの真空ホースを外し、露出状態となった２箇所の注入口２７ａ，２７ｂから内部の絶縁油１０を油紙や布などで適量吸い取り、避難室３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄに所定の空間（隙間）を確保する。
フィラー２３については、基本的には絶縁油１０の充填前の避難室３０ａと封止蓋２９ａとを接着する前に挿入しておく。そして、封止蓋２９ａを接着した後、避難室３０ａの注入口２７ａに注入管４４ａを接着する。その後、絶縁油１０を注入する。また、フィラー２３は、主に吸収材料や吸着材料などからなり、セラミック系の材料を用いた小さいサイズのため、絶縁油１０と一緒に動く。このため、必ずしも下部に固定されたようなものではなく、例えば加熱すると絶縁油１０の粘度により動く挙動を示す。温度が上がると粘性が下がるが、温度が下がると粘性が上がるので、フィラー２３が溜まり易い。
半導体モジュールの使用時は、汎用的な用途で１２５℃になるので、絶縁油１０の温度ははるかにその下の温度である。しかし、発熱部の半導体チップ１，２にも接触しているので、その箇所ではフィラー２３も動き易い環境となり、動く可能性が高い。
フィラー２３の大きさと通路２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄの関係については、フィラー２３自体はもともと数ｍｍ以下の小さなサイズであり、これに対し通路２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄは１ｍｍ以上の大きなサイズである。フィラー２３の行き来のできる通路２８ａ，２８ｄではあるが、フィラー２３の行き来が目的の通路２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄではなく、あくまでも発熱部の加熱による絶縁油１０の膨張した圧力を避難室３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄへ逃がすことが目的であるので、フィラー２３との直接の関係は不要である。但し、フィラー２３が動いて通路２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄを通過しても、通路２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄを封鎖しない限り問題はない。
したがって、通路２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄの大きさの制約は、機能的な理由より製造上の制約が大きい。このため、プラスチックケース９の射出成型などにおける通路用の孔径は大きいほどよいので、通常は金型製造の時点で１ｍｍ以上に加工される。
図１５は、第１の実施の形態の変形例を示す断面図であり、断面を模式的に示した図である。
図１５において、９ｅは樹脂ケース、２９ｅは封止蓋、３０ｅは避難室、３３ｅはリードフレームである。
この変形例の製造工程について説明する。まず、リードフレーム３３ｅの所定位置に半導体チップ１、ヒートスプレッダー１６を半田接合する。また、半導体チップ１とリードフレーム３３ｅとの間にワイヤボンディングを行う。
続いて、半導体チップ１が接合され、配線が施されたリードフレーム３３ｅを図示しない封止型に嵌め込む。封止型に溶融した樹脂を注入して樹脂ケース９ｅを形成する。
絶縁油１０を注入する工程は上記の例と同様であるので詳細な説明は省略する。また、避難室は３０ｅの一箇所のみを図示したが、必要に応じて設ければよい。
絶縁油１０を注入した後、封止蓋２９ｅにて気密に封止する。なお、リードフレーム３３ｅを外部へ導出する際、リードフレーム３３ｅと樹脂ケース９ｅとが気密に接合されていればそのままでもよいが、気密が十分に確保できない場合は、図１５に示すように、シール部材３５を設け、リードフレーム３３ｅの外部導出部の気密を確保する。シール部材としては、耐熱・耐油性のある弾性部材（ゴムなど）からなるパッキンを用いてもよいし、リードフレーム３３ｅの外部導出部分に接着剤を塗布してもよい。
図２は本発明の第２の実施の形態の半導体装置の構造を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図である。この半導体装置は、図１４に示す半導体装置と同様、外部導出端子４がリードフレーム３３により接続され、制御端子５が金属ワイヤ６により接続されたものである。その他は図１の半導体装置と同様の構造であるが、図２の構成では、１番高い位置にあるのがリードフレーム３３であるので、実用時には必ずリードフレーム３３が絶縁油１０に浸漬していなければならない。したがって、通路２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄはリードフレーム３３の高い方の水平部より高い位置あることが必要である。３４，３５は半田層である。
図６は上述の実施の形態における絶縁油１０の作用を示す図であり、ここでは図１に示す半導体装置の場合を示しているが、図２に示す半導体装置の場合でも同様である。同図の（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＤ−Ｄ線断面図である。半導体チップ１，２付近の絶縁油１０は高温であるが、液体の絶縁油１０の熱伝導及び熱対流による放熱作用によって周辺部の絶縁油１０は低温となる。図中の矢印は絶縁油１０の熱対流を示している。
従来では、半導体チップをトランスファーモールド、シリコンゲル、エポキシレジンなどにより封止してきたが、これらは熱伝導により熱放散させるものであり、全体の熱伝達量は少ない。例えば、シリコンゲルの熱伝導率は０．１〜０．２Ｗ／ｍ・Ｋである。しかし、実施の形態の絶縁油１０は、熱伝導率は同程度であるが、油入変圧器、油入開閉器、油浸コンデンサなど各種電気機器に使用され、電気絶縁性、難燃性が要求されているものであり、冷却効果が高く、水分含有量も少なく、熱衝撃に強く、良好な放熱特性が得られるとともに、信頼性の高いものである。
図７は半導体チップ１，２を収容したプラスチックケース９内の態様を示す図である。（ａ）は封止なし、（ｂ）はシリコンゲル封止、（ｃ）は実施の形態の絶縁油封止の場合をそれぞれ示している。図８は図７の（ａ）に示す封止なしの場合の半導体チップ１，２及びその周辺の温度分布を示す図であり、Ｘ軸方向（横方向）とＹ軸方向（縦方向）について示している。半導体チップ１，２付近の高温部と周辺の低温部との温度差は大きく、温度勾配も急であることがわかる。また、従来の固形の封止材料を用いた構成では、熱伝導のみの熱放散しか得られない。
実施の形態では、封止剤に液体の絶縁油１０を用いることで、熱伝導と熱対流による熱放散を実現している。駆動時に高温となる半導体チップ１，２は、上下の厚さ方向にそれぞれ放熱用基板としてヒートスプレッダー１６，１７と放熱用金属ベース板２１が設けられており、放熱用金属ベース板２１の熱伝導で放熱する放熱経路と、絶縁油１０と接触するヒートスプレッダー１６，１７の表面、半田層１８，１９の側面、半導体チップ１，２の側面、それらの接合面以外の表面、及び回路基板１５の露出した表面を通して熱伝導で放熱する放熱経路を有している。更に、半導体チップ１，２の駆動時の発熱により液体の絶縁油１０の中で高温部と低温部が生じ、これにより熱対流が発生して高温部の絶縁油１０が低温部（プラスチックケース９の内壁及び回路基板１５の露出部表面）へ移動し、低温部が温度上昇して外部へ放熱される。
このように、実施の形態では熱伝導と熱対流で放熱されるので、放熱面積が大きく、且つ熱移動量が大きくなり、半導体チップ１，２及びその周辺の温度勾配が緩やかになる。したがって、熱衝撃に強く、良好な放熱特性が得られ、信頼性が向上する。また、絶縁油１０は、半導体チップ１，２の駆動時の発熱温度より高い高耐熱性を持ち、高絶縁性のものを用いることで、劣化を防止できるとともに、高い信頼性が得られる。
また、実施の形態では、プラスチックケース９に避難室３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを設けているので、絶縁油１０の熱膨張を吸収することができる。さらに、絶縁油１０には吸湿剤のフィラー２３が混入されているので、外部からプラスチックケース９を経て進入する水分の影響を抑制することができる。
本発明の第１の実施の形態の半導体装置の構造を示す図である。 本発明の第２の実施の形態の半導体装置の構造を示す図である。 実施の形態における半導体チップの実装モジュールの放熱構造の要部を示す断面図である。 実施の形態におけるプラスチックケースの成型品を示す図である。 実施の形態における絶縁油の充填工程を示す図である。 実施の形態における絶縁油の作用を示す図である。 半導体チップを収容したプラスチックケース内の態様を示す図である。 封止なしの場合の半導体チップ及びその周辺の温度分布を示す図である。 パッケージ化された従来の半導体装置の構造を示す図である。 他の従来の半導体装置の構造を示す断面図である。 他の従来の半導体装置の構造を示す断面図である。 他の従来の半導体装置の構造を示す図である。 他の従来の半導体装置の構造を示す図である。 他の従来の半導体装置の構造を示す図である。 第１の実施の形態の変形例を示す断面図である。
符号の説明
１，２ 半導体チップ
３，４ 外部導出端子
５ 制御端子
６，７，８ 金属ワイヤ
９ プラスチックケース
１０ 絶縁油
１１ セラミック基板
１２，１３，１４ 銅電極
１５ 回路基板
１６，１７ ヒートスプレッダー
１８，１９，２０，３４，３５ 半田層
２１ 放熱用金属ベース板
２２ 電極端子
２３ フィラー
２４，２４ａ，２４ｂ ねじ穴
２５ 段差部
２６ 接着剤
２７ａ，２７ｂ 注入口
２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ 通路
２９，２９ａ，２９ｂ 封止蓋
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ 避難室
３１，３２ 電極
３３ リードフレーム
４４ａ，４４ｂ 注入管

Claims (8)

  1. 半導体素子が密閉型の樹脂ケース内に収容された半導体装置において、
    前記半導体素子が収容された前記樹脂ケース内に絶縁油を充填して封止したことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記絶縁油は、前記半導体素子の駆動時の発熱温度より高い高耐熱性を有していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記絶縁油は、吸湿剤が混入されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  4. 前記絶縁油は、該絶縁油より熱伝導率が高い伝熱粒子が混入されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  5. 前記伝熱粒子は、少なくとも前記半導体素子を覆う領域において、隣接する伝熱粒子同士が接触することを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
  6. 前記絶縁油は、加熱によりガス成分が除去されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  7. 前記樹脂ケースは、前記絶縁油の熱膨張を吸収する避難室を有していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  8. 前記樹脂ケースは、前記絶縁油が注入された後に封止するための封止蓋を備えていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
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