JP2008166642A - Semiconductor device with radiating member - Google Patents
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Description
本発明は、リードを有する半導体デバイスのパッケージの放熱面に放熱部材の受熱面が接触する構造の放熱部材付き半導体デバイスに関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device with a heat radiating member having a structure in which a heat receiving surface of a heat radiating member is in contact with a heat radiating surface of a package of a semiconductor device having leads.
一般に、DIP−IPM(Dual Inline Package Intelligent Power Module)などの大電力を扱う高電圧用の半導体デバイスは、樹脂によりパッケージ化されている。そして、このような半導体デバイスは、その作動に伴い発熱するため、その樹脂パッケージには、冷却フィンやヒートシンクなどと呼称される金属製の放熱部材が付設される(例えば特許文献1参照)。 In general, a high-voltage semiconductor device that handles large power such as a DIP-IPM (Dual Inline Package Intelligent Power Module) is packaged with resin. Since such a semiconductor device generates heat with its operation, a metal heat dissipating member called a cooling fin or a heat sink is attached to the resin package (see, for example, Patent Document 1).
この種の放熱部材付き半導体デバイスは、一般に、生産性およびコストの都合から、用途の別に拘わらず樹脂パッケージが同一サイズとされている。このため、用途によっては、樹脂パッケージに外部接続端子として突設されているリードから接地された放熱部材に高電圧がリークする経路である空間距離や沿面距離が不足することがある。この場合、温度や湿度などの使用環境条件によっては、リードから放熱部材に高電圧がリークして放熱部材付き半導体デバイスに絶縁劣化が発生する虞がある。 In general, this type of semiconductor device with a heat radiating member has a resin package of the same size regardless of the application because of productivity and cost. For this reason, depending on the application, there may be a shortage of a spatial distance and a creepage distance that are paths through which a high voltage leaks from a lead projecting as an external connection terminal to the resin package to a grounded heat dissipation member. In this case, depending on the use environment conditions such as temperature and humidity, a high voltage may leak from the lead to the heat radiating member, and insulation deterioration may occur in the semiconductor device with the heat radiating member.
そこで、特許文献1には、外部端子(リード)と冷却フィン(放熱部材)との間の沿面距離を長くするための突出部を電力用半導体装置の本体部(樹脂パッケージ)に設けることにより、絶縁性を向上させる技術が開示されている。
ところで、特許文献1に記載された従来技術においては、電力用半導体装置の本体部(樹脂パッケージ)の放熱面に接触する冷却フィン(放熱部材)の受熱面の幅が放熱面の幅に較べて小さく設定されているため、電力用半導体装置の本体部(樹脂パッケージ)から冷却フィン(放熱部材)への放熱性能が低下するという問題がある。
By the way, in the prior art described in
そこで、本発明は、放熱性能を損なうことなく絶縁性能を向上させることができる放熱部材付き半導体デバイスを提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the semiconductor device with a heat radiating member which can improve insulation performance, without impairing heat radiating performance.
本発明に係る放熱部材付き半導体デバイスは、リードを有する半導体デバイスのパッケージの放熱面に放熱部材の受熱面が接触する構造の放熱部材付き半導体デバイスであって、放熱部材は、リードに対面する部分からパッケージの放熱面の周縁部に対面する部分にわたる肩部に一体に設けられた絶縁性伝熱部材を有し、絶縁性伝熱部材は、放熱部材より絶縁性が高く、かつ、パッケージより熱伝導性が高い材料で構成されており、この絶縁性伝熱部材には、パッケージの放熱面の周縁部に接触する受熱面が設けられていることを特徴とする。 The semiconductor device with a heat radiating member according to the present invention is a semiconductor device with a heat radiating member having a structure in which the heat receiving surface of the heat radiating member is in contact with the heat radiating surface of the package of the semiconductor device having a lead, and the heat radiating member is a portion facing the lead The insulating heat transfer member is integrally provided on a shoulder portion extending from a portion facing the peripheral portion of the heat radiating surface of the package, and the insulating heat transfer member is higher in insulation than the heat radiating member and is more heated than the package. The insulating heat transfer member is made of a material having high conductivity, and is characterized in that a heat receiving surface is provided in contact with the peripheral portion of the heat radiating surface of the package.
本発明に係る放熱部材付き半導体デバイスでは、半導体デバイスの作動による発熱時に、パッケージの放熱面から放熱部材の受熱面に熱伝導されると共に、パッケージより熱伝導性が高い材料で構成された絶縁性伝熱部材の受熱面にもパッケージの放熱面周縁部から熱伝導されるため、放熱性能が十分に確保される。そして、放熱部材より絶縁性が高い材料で構成された絶縁性伝熱部材がリードに対面する放熱部材の肩部に一体に設けられており、この絶縁性伝熱部材により、リードから放熱部材の肩部を除く露出面までの空間距離が増大するため、高電圧のリークに対する絶縁性能が十分に確保される。 In the semiconductor device with a heat radiating member according to the present invention, when heat is generated by the operation of the semiconductor device, the heat is conducted from the heat radiating surface of the package to the heat receiving surface of the heat radiating member, and the insulating property is made of a material having higher thermal conductivity than the package. The heat receiving surface of the heat transfer member is also thermally conducted from the peripheral portion of the heat radiating surface of the package, so that sufficient heat radiating performance is ensured. An insulating heat transfer member made of a material having a higher insulating property than the heat radiating member is integrally provided on the shoulder of the heat radiating member facing the lead. Since the spatial distance to the exposed surface excluding the shoulder is increased, sufficient insulation performance against high voltage leakage is ensured.
本発明の放熱部材付き半導体デバイスにおいては、パッケージの放熱面が平坦面で構成されており、放熱部材は、その肩部の絶縁性伝熱部材と同一面をなす突部を有し、この突部には、絶縁性伝熱部材の受熱面と連続した平坦面をなす受熱面が形成されているのが好ましい。この場合、パッケージの放熱面が平坦面で構成された汎用性の高い半導体デバイスを対象として、放熱性能および絶縁性能の高い放熱部材付き半導体デバイスを構成することができる。 In the semiconductor device with a heat radiating member of the present invention, the heat radiating surface of the package is a flat surface, and the heat radiating member has a protrusion on the shoulder that is flush with the insulating heat transfer member. It is preferable that a heat receiving surface that forms a flat surface continuous with the heat receiving surface of the insulating heat transfer member is formed in the part. In this case, a semiconductor device with a heat dissipation member having high heat dissipation performance and insulation performance can be configured for a highly versatile semiconductor device in which the heat dissipation surface of the package is a flat surface.
そして、この場合、放熱部材の突部の幅を小さく設定することにより、リードから突部までの沿面距離を増大して絶縁性能を一層向上させることが可能となる。また、放熱部材の突部の突出長を長く設定し、これに合わせて絶縁性伝熱部材の厚みを増大することにより、リードから放熱部材の肩部を除く露出面までの空間距離を増大して絶縁性能を一層向上させることが可能となる。 In this case, by setting the width of the protrusion of the heat radiating member to be small, it is possible to increase the creeping distance from the lead to the protrusion and further improve the insulation performance. Also, by setting the projection length of the protrusion of the heat dissipation member to be long and increasing the thickness of the insulating heat transfer member accordingly, the spatial distance from the lead to the exposed surface excluding the shoulder of the heat dissipation member is increased. Thus, the insulation performance can be further improved.
本発明の放熱部材付き半導体デバイスにおいて、絶縁性伝熱部材は、放熱部材の肩部の側面をリードから離間する方向にわたって覆うL字状の断面形状に形成されているのが好ましい。この場合、リードから放熱部材の肩部を除く露出面までの空間距離を大きく増大して絶縁性能を大幅に向上させることが可能となる。 In the semiconductor device with a heat radiating member of the present invention, the insulating heat transfer member is preferably formed in an L-shaped cross-sectional shape covering the side surface of the shoulder portion of the heat radiating member over the direction away from the lead. In this case, it is possible to greatly increase the insulation distance by greatly increasing the spatial distance from the lead to the exposed surface excluding the shoulder of the heat dissipation member.
ここで、本発明の放熱部材付き半導体デバイスにおける絶縁性伝熱部材の材料としては、放熱部材より絶縁性が高く、かつ、パッケージより熱伝導性が高い特性を有する限り、セラミックスや、カーボンナノチューブと樹脂材料との複合材料など、適宜の材料が使用できるが、体積抵抗率が10〜12Ωm以上、熱伝導率が180W/m・K以上であることが好ましい。この点で、絶縁性伝熱部材の材料としては、窒化アルミニウムが好適である。 Here, as a material of the insulating heat transfer member in the semiconductor device with a heat radiating member of the present invention, as long as it has characteristics that are higher in insulation than the heat radiating member and higher in heat conductivity than the package, An appropriate material such as a composite material with a resin material can be used, but it is preferable that the volume resistivity is 10 to 12 Ωm or more and the thermal conductivity is 180 W / m · K or more. In this respect, aluminum nitride is suitable as the material for the insulating heat transfer member.
本発明に係る放熱部材付き半導体デバイスによれば、その作動による発熱時の放熱性能を十分に確保することができ、同時に、その作動による高電圧のリークに対する絶縁性能を十分に確保することができる。 According to the semiconductor device with a heat dissipation member according to the present invention, it is possible to sufficiently ensure the heat dissipation performance during heat generation due to its operation, and at the same time, it is possible to sufficiently ensure the insulation performance against high voltage leakage due to its operation. .
以下、図面を参照して本発明に係る放熱部材付き半導体デバイスの最良の実施形態を説明する。この説明において、同一または同様の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略することがある。ここで、参照する図面において、図1は一実施形態に係る放熱部材付き半導体デバイスの断面図、図2は図1に示した放熱部材付き半導体デバイスの要部の拡大断面図である。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a semiconductor device with a heat dissipation member according to the invention will be described with reference to the drawings. In this description, the same or similar components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted. Here, in the drawings to be referred to, FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device with a heat radiating member according to an embodiment, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the semiconductor device with a heat radiating member shown in FIG.
図1に示すように、一実施形態に係る放熱部材付き半導体デバイスは、半導体デバイス1の樹脂パッケージ1Aが平坦な放熱面1Bを有している。そして、この放熱面1Bと、これに対面する放熱部材2の受熱面2Aおよび一対の絶縁性伝熱片3,3の受熱面3A,3Aとが熱抵抗の小さい薄いシリコングリース層4を介して密着している。
As shown in FIG. 1, in a semiconductor device with a heat dissipation member according to an embodiment, a resin package 1A of a
半導体デバイス1は、例えばDIP−IPMなどの大電力を扱う高電圧用の半導体デバイスであって、その作動に伴い発熱する。この半導体デバイス1は、樹脂パッケージ1Aの両側面から突出する複数のリード1C,1Cを有し、各リード1C,1Cは、それぞれハンダ5Aによりプリント基板5の導電層5Bに接続されている。
The
放熱部材2は、熱伝導率の高いアルミニウム合金や銅合金により、半導体デバイス1の樹脂パッケージ1Aより幅の広いブロック状に形成されており、その図示しない部分には複数の放熱フィンが形成されている。この放熱部材2は、図2に示すように、半導体デバイス1のリード1C,1Cに対面する部分から樹脂パッケージ1Aの放熱面1Bの周縁部に対面する部分にわたる両肩部がそれぞれL字状に薄く切り欠かれることで、その両肩部の間に受熱面2Aを有する突部2Bが形成されている。
The
絶縁性伝熱片3,3は、本発明の絶縁性伝熱部材に相当するものであり、放熱部材2より絶縁性が高く、かつ、樹脂パッケージ1Aより熱伝導性が高い材料、すなわち、体積抵抗率が10〜12Ωm以上で熱伝導率が180W/m・K以上の特性を有する窒化アルミニウムを材料として、L字状の断面形状に形成されている。
The insulating
この絶縁性伝熱片3,3は、放熱部材2の両肩部のL字状に薄く切り欠かれた部分に埋め込んで一体に接合されており、その一片3B,3Bは、放熱部材2の突部2Bと同一面をなして突部2Bに連続することで放熱部材2の肩部の上面を覆っている。そして、この絶縁性伝熱片3,3の一片3B,3Bに形成された受熱面3B,3Bが樹脂パッケージ1Aの放熱面1Bの周縁部にシリコングリース層4を介して密着している。
These insulative
一方、絶縁性伝熱片3,3の他片3C,3Cは、放熱部材2の肩部の側面をリード1C,1Cから離間する方向に長く覆っており、この他片3C,3Cは、放熱部材2の側面の露出面2Cと同一面をなしている。
On the other hand, the
以上のように構成された一実施形態の放熱部材付き半導体デバイスでは、半導体デバイス1の作動による発熱時に、樹脂パッケージ1Aの放熱面1Bからシリコングリース層4を介して放熱部材2の突部2Bの受熱面2Aに熱伝導されると共に、その両側に連続する絶縁性伝熱片3,3の一片3B,3Bの受熱面3A,3Aにも樹脂パッケージ1Aの放熱面1Bの周縁部からシリコングリース層4を介して熱伝導されるため、放熱性能が十分に確保される。
In the semiconductor device with a heat radiating member of the embodiment configured as described above, when the
ここで、絶縁性伝熱片3,3の一片3B,3Bが樹脂パッケージ1Aの放熱面1Bの周縁部に対面する部分まで放熱部材2の肩部の上面を覆っており、しかも、絶縁性伝熱片3,3の他片3C,3Cが放熱部材2の肩部の側面をリード1C,1Cから離間する方向に長く覆っているため、リード1C,1Cから放熱部材2に向けて高電圧がリークする空間距離は、リード1C,1Cから放熱部材2の肩部を除く側面の露出面2Cまでの大きな距離となっている。また、リード1C,1Cから放熱部材2に向けて高電圧がリークする沿面距離も、放熱部材2の幅の狭い突部2Bまでの大きな距離となっている。このため、高電圧のリークに対する絶縁性能が十分に確保される。
Here, the upper surface of the shoulder portion of the
従って、一実施形態の放熱部材付き半導体デバイスによれば、樹脂パッケージ1Aの放熱面1Bが平坦面で構成された汎用性の高い半導体デバイスを対象として、その作動による発熱時の放熱性能を十分に確保することができ、同時に、その作動による高電圧のリークに対する絶縁性能を十分に確保することができる。
Therefore, according to the semiconductor device with a heat radiating member of one embodiment, the heat radiating performance at the time of heat generation due to its operation is sufficient for a highly versatile semiconductor device in which the
本発明に係る放熱部材付き半導体デバイスは、前述した一実施形態に限定されるものではなく、その要部の構造は、図3〜図5に示すような構造に変更することができる。 The semiconductor device with a heat radiating member according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the structure of the main part thereof can be changed to a structure as shown in FIGS.
図3に示す第1変形例の要部構造では、図2に示した要部構造における絶縁性伝熱片3,3が一片3B,3Bのみの平板状に形成されている。そして、この一片3B,3Bの受熱面3A,3Aに対面する樹脂パッケージ1Aの放熱面1Bの周縁部には、絶縁性伝熱片3,3と同様の材料からなる平板状の絶縁性伝熱片6,6が埋め込まれている。
In the main part structure of the first modification shown in FIG. 3, the insulating
図4に示す第2変形例の要部構造では、図3に示した要部構造における放熱部材2の上面が突部2Bをなくした平坦面に形成されている。そして、樹脂パッケージ1Aの下面には、平板状の絶縁性伝熱片6,6の間に突出する突部1Dが形成されている。この変形例では、樹脂パッケージ1Aの突部1Dの周面から絶縁性伝熱片6,6の側面にも熱伝導されるため、その分、放熱性能が向上する。
In the main part structure of the second modification shown in FIG. 4, the upper surface of the
図5に示す第3変形例の要部構造では、半導体デバイス1の樹脂パッケージ1Aより幅の広いブロック状の放熱部材2の両肩部を大きく切り欠くことで、放熱部材2には、突出長の長い突部2Bが形成されている。そして、放熱部材2の大きく切り欠かれた両肩部には、その上面から突部2Bの周面に沿うL字状の断面形状に形成された絶縁性伝熱片7,7が一体に接合されている。これに対応して、樹脂パッケージ1Aの下面には、放熱部材2の突部2Bと共に絶縁性伝熱片7,7の一片7A,7Aが嵌まり込む凹部1Eが形成されている。
In the main structure of the third modified example shown in FIG. 5, both the shoulder portions of the block-shaped
この第3変形例の要部構造では、樹脂パッケージ1Aの凹部1Eの周面から絶縁性伝熱片7,7の一片7A,7Aの側面にも熱伝導されるため、その分、放熱性能が向上する。また、リード1C,1Cから放熱部材2の突部2Bに向けて高電圧がリークする沿面距離が樹脂パッケージ1Aの凹部1Eに沿って増大するため、その分、絶縁性能が向上する。
In the main structure of the third modification, heat conduction is performed from the peripheral surface of the
また、本発明に係る放熱部材付き半導体デバイスにおいて、前述した絶縁性伝熱片3,3、6,6、7,7は、放熱部材2が水冷される場合、その結露を防止するために、通電により発熱するよう構成することができる。
Moreover, in the semiconductor device with a heat radiating member according to the present invention, the insulating
1…半導体デバイス、1A…樹脂パッケージ、1B…放熱面、1C…リード、1D…突部、1E…凹部、2…放熱部材、2A…受熱面、2B…突部、2C…露出面、3…絶縁性伝熱片、3A…受熱面、3B…一片、3C…他片、4…シリコングリース層、5…プリント基板、5A…ハンダ、5B…導電層、6…絶縁性伝熱片、7…絶縁性伝熱片。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記放熱部材は、前記リードに対面する部分から前記パッケージの放熱面の周縁部に対面する部分にわたる肩部に一体に設けられた絶縁性伝熱部材を有し、
前記絶縁性伝熱部材は、前記放熱部材より絶縁性が高く、かつ、前記パッケージより熱伝導性が高い材料で構成されており、
前記絶縁性伝熱部材には、前記パッケージの放熱面の周縁部に接触する受熱面が設けられていることを特徴とする放熱部材付き半導体デバイス。 A semiconductor device with a heat dissipation member having a structure in which a heat receiving surface of a heat dissipation member is in contact with a heat dissipation surface of a package of a semiconductor device having a lead,
The heat dissipating member has an insulating heat transfer member provided integrally on a shoulder portion extending from a portion facing the lead to a portion facing a peripheral portion of the heat dissipating surface of the package,
The insulating heat transfer member is made of a material having higher insulation than the heat dissipation member and higher thermal conductivity than the package,
A semiconductor device with a heat radiating member, wherein the insulating heat transfer member is provided with a heat receiving surface in contact with a peripheral portion of the heat radiating surface of the package.
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JP2012244026A (en) * | 2011-05-23 | 2012-12-10 | Fuji Electric Co Ltd | Insulating substrate, method for the same, semiconductor module and semiconductor device |
JP2018082113A (en) * | 2016-11-18 | 2018-05-24 | 三菱電機株式会社 | Semiconductor device and manufacturing method of the same |
US10074585B2 (en) | 2015-01-20 | 2018-09-11 | Mitsubishi Electric Corporation | Power module with dummy terminal structure |
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- 2007-01-04 JP JP2007000180A patent/JP2008166642A/en not_active Withdrawn
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