JP2009231743A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップにおいて生じる熱を外方に放熱させるヒートシンクを備える半導体装置において、ヒートシンクの剥離防止及び半導体チップの保護を図り、さらに、容易に製造できるようにする。
【解決手段】略板状に形成されたヒートシンク３の表面３ａに基板５及び半導体チップ７を順次重ねて固定されると共に、ヒートシンク３の裏面３ｂが外方に露出するように、ヒートシンク３、基板５及び半導体チップ７をモールド樹脂９により埋設して構成され、基板５は、ヒートシンク３の表面３ａに沿う基板５の少なくとも一方向の長さ寸法が前記一方向に沿うヒートシンク３の長さ寸法よりも長くなるように形成され、基板５は、その一方向の端部５５がヒートシンク３の表面３ａの周縁から突出するように配されている半導体装置１を提供する。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体チップにおいて生じる熱を外方に放熱させるヒートシンクを備える半導体装置に関する。

従来の半導体装置としては、例えば図３に示すように、放熱性の高い材料からなる略板状のベース基板５０１（ヒートシンク）の表面にセラミック基板５０２（基板）及び半導体チップ５０３を重ねて配置すると共に、これらベース基板５０１、セラミック基板５０２及び半導体チップ５０３を半田等により接合したものがある（特許文献１参照）。
さらに、この半導体装置では、ベース基板５０１の側面及び裏面が外方に露出するように、ベース基板５０１、セラミック基板５０２及び半導体チップ５０３をモールド樹脂５０４により埋設しており、これらベース基板５０１及びモールド樹脂５０４の側面がケース５０５によって囲まれている。
従来では、より大きな放熱性能を確保するためにベース基板５０１の容積を大きく形成することが好ましいことから、ベース基板５０１をセラミック基板５０２よりも大きく形成している。すなわち、セラミック基板５０２はベース基板５０１の表面の周縁よりも内側に配されている。
そして、この半導体装置は、予め、ベース基板５０１、セラミック基板５０２及び半導体チップ５０３を重ね合わせた状態で半田等により接合した後に、モールド樹脂５０４を形成して製造される。
特開２００６−５４２２７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の半導体装置では、ベース基板５０１の表面のみがモールド樹脂に接触しており、ベース基板５０１の裏面はモールド樹脂５０４によって支持されていない。すなわち、ベース基板５０１とモールド樹脂５０４との接着は、ベース基板５０１の表面、あるいは、ベース基板５０１に接合されたセラミック基板５０２や半導体チップ５０３の表面及び側面にだけ依存しているため、ベース基板５０１がその裏面側に剥離する虞がある。
また、半導体装置を使用する環境によっては、ベース基板５０１の表面とモールド樹脂５０４との隙間が生じ、この隙間に水が浸入することがあるが、水が隙間を通って半導体チップ５０３に到達すると電気的な不具合が発生するため、水の侵入経路を延長して、半導体チップ５０３を保護することが望まれている。なお、ケース５０５はベース基板５０１の表面から側面にかけて覆っているが、接着はされていないため、前述した水の侵入経路には含まれない。

さらに、ベース基板５０１及びセラミック基板５０２を接合する際には、ベース基板５０１及びセラミック基板５０２の相対的な位置決めが面倒となる問題もある。すなわち、セラミック基板５０２はベース基板５０１表面の周縁よりも内側に配置されるため、接合の際に同一の冶具にベース基板５０１及びセラミック基板５０２を重ねて配置しても、この冶具によりベース基板５０１及びセラミック基板５０２の相対的な位置決めを行うことができない。なお、従来では、ベース基板５０１及びセラミック基板５０２の位置決め方法として、例えばベース基板５０１及びセラミック基板５０２をその重ねあわせ方向から挟み込むことで相対的な位置を固定する方法もあるが、この場合には、挟み込みの際にベース基板５０１に対するセラミック基板５０２の位置ずれが発生する虞があり、高精度に位置決めすることが困難となる。したがって、半導体装置の製造が面倒となる。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであって、ヒートシンクの剥離を防止でき、また、半導体チップの保護も図り、さらに、容易に製造することも可能な半導体装置を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の半導体装置は、略板状に形成されたヒートシンクの表面に基板及び半導体チップを順次重ねて固定されると共に、前記ヒートシンクの裏面が外方に露出するように、前記ヒートシンク、基板及び半導体チップをモールド樹脂により埋設して構成され、前記基板は、前記ヒートシンクの表面に沿う前記基板の少なくとも一方向の長さ寸法が前記一方向に沿う前記ヒートシンクの長さ寸法よりも長くなるように形成され、さらに、前記基板は、その一方向の端部が前記ヒートシンクの表面の周縁から突出するように配されていることを特徴としている。

この半導体装置によれば、ヒートシンク表面の周縁から突出する基板の端部は、ヒートシンク及び基板を重ね合わせた方向からモールド樹脂によって挟み込まれるため、この基板に一体に固定されたヒートシンクが、モールド樹脂に対して露出する裏面側から重ね合わせ方向に剥離することを防止できる。
また、ヒートシンクの裏面側において、モールド樹脂との間から半導体装置の内部に水分が浸入したとしても、半導体チップに到達するまでの水分の侵入経路は、ヒートシンクとモールド樹脂との隙間だけではなく、ヒートシンクから突出する基板の裏面及び表面とモールド樹脂との隙間も含むことになる。したがって、水分の侵入経路をより長く形成することが可能となる。
さらに、この半導体装置の製造において、ヒートシンクに基板を接合する際には同一の冶具によってヒートシンク及び基板の相対的な位置決めを容易におこなうことができる。すなわち、冶具上にヒートシンク及び基板を重ねて配した際には、基板の端部がヒートシンクの面方向に突出するため、この基板の端部を利用することで、ヒートシンク及び基板をそれぞれ冶具に対して高精度に位置決めすることが可能となる。

そして、前記ヒートシンクは、その表面に沿う前記一方向の直交方向の長さ寸法が同直交方向に沿う基板の長さ寸法よりも長くなるように形成されることで、その容積をより大きく形成することが可能となるため、高い放熱性を確保することができる。

本発明によれば、ヒートシンクに一体に固定される基板の端部を突出させることで、ヒートシンクの剥離を防止できる。また、半導体装置内部における水分の侵入経路を延長して半導体チップを確実に保護することができる。さらに、半導体装置の製造に際して、ヒートシンクに対する基板の相対的な位置決めを容易に行うことができるため、半導体装置を容易に製造することも可能となる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１，２に示すように、この実施形態に係る半導体装置１は、厚板状のヒートシンク３の表面３ａに、セラミック基板（基板）５及び半導体チップ７を順次重ねて配すると共に、ヒートシンク３の裏面３ｂが外方に露出するように、ヒートシンク３、セラミック基板５及び半導体チップ７をモールド樹脂９により埋設して構成されている。また、セラミック基板５の表面５ａには、半導体チップ７と同様に、複数（図１においては２つ）の外部接続リード１１が配されており、一部（図１においては１つ）の外部接続リード１１Ｂは、導電性を有する板状の接続板１３を介して半導体チップ７と電気接続されている。

ヒートシンク３は、例えば、銅（Ｃｕ）、タングステン、モリブデン等のように、放熱性の高い材料によって厚板状に形成されているが、これに加えて例えばＮｉメッキを施したものでもよい。このヒートシンク３を平面視した形状は、その表面３ａに沿う幅方向（一方向、図２におけるＸ軸方向）の寸法の方がこれに直交する長手方向（直交方向、図２におけるＹ軸方向）の寸法よりも長い略長方形状に形成されている。
このヒートシンク３の表面３ａに沿う長手方向（図２におけるＹ軸方向）の両端部３１，３２は、モールド樹脂９の外方に突出している。また、このヒートシンク３の両端部３１，３２には、半導体装置１を固定するためのマウント部３３，３４が形成されている。

さらに、ヒートシンク３には、その幅方向（Ｘ軸方向）の両側部から内側に窪む第１凹部３５が形成されている。すなわち、ヒートシンク３には２つの第１凹部３５が形成されている。また、長手方向（Ｙ軸方向）に沿う第１凹部３５の両端には、幅方向外側に面する第１凹部３５の底面３５ａからさらに内側に窪む第２凹部３６が形成されている。すなわち、このヒートシンク３においては、同一の第１凹部３５に２つの第２凹部３６が形成されている。
なお、図２における第１凹部３５の領域は、ヒートシンク３の幅方向の両側部（仮想線Ｌ１）から底面３５ａに至るまでの領域であり、図２における第２凹部３６の領域は、底面３５ａの長手方向の両端部分（仮想線Ｌ２）からヒートシンク３の幅方向内側に窪んだ領域である。すなわち、図２においては、仮想線Ｌ２が第１凹部３５の領域と第２凹部３６の領域との境界を示している。

セラミック基板５は、電気的な絶縁性を有する平面視長方形状のセラミック板５１の表面５１ａ及び裏面５１ｂに、導電性を有する配線パターン５２，５３，５４を形成して構成されている。ここで、セラミック板５１の表面５１ａには複数の配線パターン５２，５３が形成されているが、これらは互いに電気的に絶縁されている。
以上のように構成されるセラミック基板５は、その裏面５ｂをなす第３配線パターン５４を介して、ヒートシンク３の表面３ａに配されており、具体的には半田（不図示）を介してセラミック板５１の裏面５１ｂに形成された第３配線パターン５４に固定されている。ここで、セラミック基板５の配置についてさらに詳述すると、セラミック基板５は、ヒートシンク３の長手方向の中間部分に配されている。また、セラミック基板５は、その幅方向（Ｘ軸方向）の側端部（端部）５５が、幅方向に沿うヒートシンク３の両側部の縁から外側に突出するように配されている。

具体的に、セラミック基板５は、その長辺がヒートシンク３の幅方向に沿うように、また、短辺がヒートシンク３の長手方向に沿うように配されている。
ここで、セラミック基板５の短辺の長さ寸法は、前述の長手方向に沿う第１凹部３５の長さ寸法よりも短く設定されており、セラミック基板５は、長手方向に沿う第１凹部３５の両端よりも内側に配されている。なお、さらに詳述すると、セラミック基板５は、長手方向に沿う第１凹部３５の両端に形成された２つの第２凹部３６よりもさらに内側に配されている。
そして、セラミック基板５の長辺の長さ寸法は、第１凹部３５の形成部分におけるヒートシンク３の幅方向の長さ寸法よりも長く形成されているため、セラミック基板５の幅方向の両側端部５５が第１凹部３５の底面３５ａよりも幅方向の外側に突出している。

半導体チップ７は、このセラミック基板５の表面の中央部分に配されており、半田（不図示）を介してセラミック板５１の表面５１ａの中央部分から一方の側端部５５（図２においては右側の側端部５５）にわたって形成された第１配線パターン５２に固定されている。すなわち、半導体チップ７は、ヒートシンク３と同様にセラミック基板５に固定されているが、セラミック基板５によってヒートシンク３と電気的に絶縁されている。

各外部接続リード１１は、導電性を有する板材を２箇所において屈曲させて断面視クランク形状に形成して構成されており、セラミック基板５の配線パターン５２，５３に固定される平板状の内部接続部１１０と、第１屈曲部１１１を介して内部接続部１１０に連ねて形成された平板状の垂直板部１１２と、第２屈曲部１１３を介して垂直板部１１２に連ねて形成された平板状の突出部１１４とを備えている。なお、内部接続部１１０、第１屈曲部１１１、垂直板部１１２及び第２屈曲部１１３は、モールド樹脂９内に埋設される埋設部１１５を構成している。
垂直板部１１２は、外部接続リード１１をセラミック基板５に固定した状態において、セラミック基板５の表面５ａから上方に延びるように配される。また、突出部１１４は、セラミック基板５の面方向に沿ってセラミック基板５から離れるように延出すると共に、モールド樹脂９の外方に突出している。

ここで、一の外部接続リード１１Ａは、セラミック基板５の表面５ａのうち一方の側端部５５に配されており、半田（不図示）を介して第１配線パターン５２に接合されている。すなわち、半導体チップ７と一の外部接続リード１１Ａとは、第１配線パターン５２を介して相互に電気接続されている。また、他の外部接続リード１１Ｂは、セラミック基板５の表面５ａのうち他方の側端部５５に配されており、半田（不図示）を介してセラミック板５１の表面５１ａのうち他方の側端部５５に形成された第２配線パターン５３に固定されている。
すなわち、これら複数の外部接続リード１１は、いずれもヒートシンク３と同様にセラミック基板５に固定されているが、セラミック基板５によってヒートシンク３と電気的に絶縁されている。

接続板１３の両端は、それぞれ半田（不図示）を介して半導体チップ７の表面７ａ、及び、他の外部接続リード１１Ｂの内部接続部１１０の表面に接合されており、これによって、半導体チップ７と他の外部接続リード１１Ｂとが電気接続されることになる。なお、図示例のように、半導体チップ７の表面７ａ及び内部接続部１１０の表面の高さ位置が互いに異なる場合には、接続板１３の中途部に屈曲した段差部１３ａを形成しておけばよい。これにより、半導体チップ７の表面７ａ及び内部接続部１１０の表面の両方に対して接続板１３を安定して接合することができる。

以上のように構成された半導体装置１を製造する際には、はじめに、ヒートシンク３の表面３ａにセラミック基板５、半導体チップ７、外部接続リード１１及び接続板１３を順次重ねて配置する。そして、この配置状態において、リフローにより半田を溶融、固化させることで、ヒートシンク３、セラミック基板５、半導体チップ７、外部接続リード１１及び接続板１３が一体に接合、固定される。
その後、一体固定されたヒートシンク３、セラミック基板５、半導体チップ７、外部接続リード１１及び接続板１３をモールド樹脂９成形用の金型内に入れ、金型内に溶融した樹脂を流し込む。これにより、モールド樹脂９が形成され、半導体装置１の製造が完了する。

以上説明したように、上記実施形態による半導体装置１によれば、ヒートシンク３の両側部の縁から突出するセラミック基板５の両側端部５５は、ヒートシンク３及びセラミック基板５の重ね合わせ方向（Ｚ軸方向）からモールド樹脂９によって挟み込まれるため、このセラミック基板５に一体に固定されたヒートシンク３が、モールド樹脂９に対して露出する裏面３ｂ側から重ね合わせ方向に剥離することを防止できる。
また、ヒートシンク３の裏面３ｂ側において、モールド樹脂９との間から半導体装置１の内部に水分が浸入したとしても、半導体チップ７に到達するまでの水分の侵入経路は、ヒートシンク３とモールド樹脂９との隙間だけではなく、ヒートシンク３の縁から突出するセラミック基板５の裏面５ｂ及び表面５ａとモールド樹脂９との隙間も含むことになる。したがって、水分の侵入経路をより長く形成することが可能となり、結果として、半導体チップ７を確実に保護することができる。

さらに、ヒートシンク３、セラミック基板５、半導体チップ７、外部接続リード１１及び接続板１３を一体に固定する工程においては、同一の冶具（不図示）を用いてヒートシンク３及びセラミック基板５の相対的な位置決めを容易に行うことができる。
すなわち、ヒートシンク３上にセラミック基板５を重ねて配置する際には、セラミック基板５の両側端部５５がヒートシンク３の両側部から突出するように、セラミック基板５が配されるため、ヒートシンク３を支持する冶具に、セラミック基板５の両側端部５５に接触してセラミック基板５をその面方向から挟み込む形状を容易に形成することができる。このように、セラミック基板５の両側端部５５を利用することで、ヒートシンク３及びセラミック基板５をそれぞれ冶具に対して高精度に位置決めすることが可能となる。その結果、半導体装置１を容易に製造することができる。

また、ヒートシンク３は、その長手方向（一方向の直交方向）の長さ寸法が同長手方向に沿うセラミック基板５の長さ寸法よりも長くなるように形成されているため、すなわち、ヒートシンク３の長手方向の両端部３１，３３をセラミック基板５の短辺方向（Ｙ軸方向）の端部から突出させているため、ヒートシンク３の容積をより大きく形成することができる。したがって、ヒートシンク３による高い放熱性を確保することができる。

以上、本発明の実施形態である半導体装置について説明したが、本発明の技術的範囲はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、セラミック基板５の幅方向の両側端部５５がヒートシンク３の表面３ａの両側部の縁から突出するとしたが、少なくともセラミック基板５の一部（端部）がヒートシンク３の表面３ａの周縁から突出していればよい。したがって、例えば、セラミック基板５の両側端部５５の一方（端部）のみがヒートシンク３の両側部の一方の縁から突出していてもよい。
また、ヒートシンク３やセラミック基板５の平面視形状は、上記実施形態の形状に限らず、少なくともセラミック基板５の一部がヒートシンク３の表面３ａの周縁から突出する形状に形成されていればよく、任意の形状とすることが可能である。したがって、例えばヒートシンク３の平面視形状を第１凹部３５や第２凹部３６の無い単純な矩形状としたり、セラミック基板５の平面視形状を正方形状としたりしてもよい。

さらに、外部接続リード１１は、屈曲部１１１，１１３を形成して構成されるとしたが、特に屈曲部１１１，１１３を形成せずに、少なくともモールド樹脂９内に埋設される埋設部とモールド樹脂９から外方に突出する突出部とを備えていればよい。すなわち、外部接続リード１１は例えば平板状に形成されていてもよい。

また、半導体チップ７と他の外部接続リード１１Ｂとは、接続板１３によって電気接続されるとしたが、半導体チップ７と他の外部接続リード１１Ｂとの間に流れる電流が小さい場合には、例えばワイヤによって電気接続されてもよい。
さらに、セラミック基板５は、配線パターン５２〜５４を形成して構成されるとしたが、少なくともヒートシンク３や半導体チップ７、外部接続リード１１を固定できるように構成されていればよく、例えばセラミック板５１のみによって構成されてもよいし、あるいは、導電性を有する基板としてもよい。
なお、配線パターン５２〜５４を形成しない場合、半導体チップ７の一の外部接続リード１１Ａとの電気接続には、例えば上記実施形態の接続板１３のように別途導電性の板部材を用いてもよい。また、セラミック基板５が導電性を有する基板である場合には、例えば、電気絶縁性を有する接着剤等を介して半導体チップ７やヒートシンク３、外部接続リード１１を基板に接着すればよい。

上記実施形態においては、基板５の表面５ａに外部接続リード１１を配置した半導体装置１について説明したが、本発明は、ヒートシンク３の裏面３ｂが外方に露出するように、ヒートシンク３、基板５及び半導体チップ７をモールド樹脂９により埋設して構成される半導体装置に適用することができる。本発明は、例えば、外部接続リード１１が基板５から離れた位置に配される構成、言い換えれば、基板５と外部接続リード１１とを同一のリードフレームによって構成した半導体装置に適用することも可能である。

本発明の一実施形態である半導体装置を示す断面図である。 図１の半導体装置を構成するヒートシンク上にセラミック基板および半導体チップを重ねた状態を示す概略平面図である。 従来の半導体装置の一例を示す概略斜視図である。

符号の説明

１ 半導体装置
３ ヒートシンク
３ａ 表面
３ｂ 裏面
５ セラミック基板（基板）
７ 半導体チップ
９ モールド樹脂
５５ 側端部（端部）

Claims (2)

1. 略板状に形成されたヒートシンクの表面に基板及び半導体チップを順次重ねて固定されると共に、前記ヒートシンクの裏面が外方に露出するように、前記ヒートシンク、基板及び半導体チップをモールド樹脂により埋設して構成され、
   前記基板は、前記ヒートシンクの表面に沿う前記基板の少なくとも一方向の長さ寸法が前記一方向に沿う前記ヒートシンクの長さ寸法よりも長くなるように形成され、
   前記基板は、その一方向の端部が前記ヒートシンクの表面の周縁から突出するように配されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記ヒートシンクは、その表面に沿う前記一方向の直交方向の長さ寸法が前記直交方向に沿う前記基板の長さ寸法よりも長くなるように形成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。
   
   

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