JP2009516907A - 半導体素子および半導体素子を製造する方法 - Google Patents

半導体素子および半導体素子を製造する方法 Download PDF

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Abstract

基板に実装可能な半導体素子は、半導体ダイと、第1の取り付け表面および第2の取り付け表面を有し、第1の取り付け表面は半導体ダイと電気的に導通するように配置される、導電性取り付け領域と、第1の界面および第2の界面を有する界面材料であって、第1の界面は導電性取り付け領域の第2の取り付け表面に接する、界面材料と、第2の界面に接する熱伝導性要素と、少なくとも部分的に半導体ダイを囲み、熱伝導性要素に固定される筐体と、を備える。熱伝導性要素および筐体は、半導体素子の外装パッケージを形成する。熱は、導電性取り付け領域、界面材料、および熱伝導性要素により形成される熱伝導路を介して半導体ダイから半導体素子の外装パッケージに除去される。
【選択図】図2

Description

本発明の態様は、包括的には半導体素子および半導体素子を製造する方法に関し、特に、外装パッケージの部分を形成するヒートシンクを有する半導体素子およびその半導体素子を製造する方法に関する。
整流器等の半導体素子の効率低減の主な原因は、通常動作中の不適切な冷却である。図1は、Vishay Intertecnology,Inc.製の、4つの半導体ダイ(図示せず)を内部に有する、Vishay(登録商標)半導体ブランドの単相インラインブリッジ整流器素子10の斜視図である。素子10はリード線14を介してスルーホールに実装可能であり、半導体ダイを保護する外装エポキシ筐体12を備え、素子10の動作中、半導体ダイが発する熱は、リード線14および筐体12を通して伝わる。図1Bは素子10の側面図であり、基板11(例えば、回路基板)への素子10のスルーホイール実装を示すとともに、ヒートシンク(フィン付きアルミニウム板等)13をどのように使用して、筐体12の放熱性能を増大させることができるかをさらに示し、筐体12内のダイが発する熱は、リード14を介して基板11へ、また筐体12を通してヒートシンク13および/または周囲環境に伝わる。素子10、基板11、およびヒートシンク13は、自然または強制の空気対流等の冷却技法を用いて冷却される。しかし、エポキシ筐体12の熱伝導率はヒートシンク13の熱伝導率よりもはるかに低く、往々にして、放熱性能の不良な素子10の原因になる。
さらなる冷却機構を組み込んだ半導体素子パッケージ設計が提案されている。例えば、International Rectifier Corporationは、DirectFET(商標)と呼ばれる表面実装可能な酸化金属半導体電界効果トランジスタ(「MOSFET」)チップセットを作成した。特定のDirectFET(商標)素子は、両面冷却を可能にすると宣伝される銅缶構造を有する。特許文献1(「’522号特許」)および特許文献2(「’540号特許」には、DirectFET(商標)素子等の表面実装可能な半導体素子の構造および/または製造の特定の態様が記載されている。
特許文献1および特許文献2には、特に、銅缶パッケージを形成する導電性ダイクリップ(他の放熱構造を含み得る)が開示されている。ダイクリップは表面実装可能なダイのヒートシンクとして機能し、通常動作中に回路基板から熱を散逸させる。しかし、銅缶は絶縁性ではなく、外装ヒートシンクに実装するには絶縁要素(例えば、セラミック絶縁版、ゴム絶縁板、または絶縁性アングリース(isolation an grease))を使用する必要があり、これは追加費用および構成複雑性を追加する。銅缶も、アルミニウム等の他の金属を使用する素子よりも重量および費用を素子に追加し得る。
米国特許第6624522号 米国特許第6784540号
したがって、表面実装可能用途およびスルーホール実装可能用途の両方に使用可能であり、場合によっては、半導体素子を実装可能な基板への路以外の路を通して、半導体素子からの有意な熱の除去を提供する、電気的に絶縁され、軽量で安価なヒートシンクを組み込んだパッケージ設計を有する半導体素子(およびその製造方法)が必要である。
本発明の一態様によれば、基板に実装可能な半導体素子は、半導体ダイと、第1の取り付け表面および第2の取り付け表面を有し、第1の取り付け表面は半導体ダイと電気的に導通するように配置される、導電性取り付け領域(銅パッド、はんだボール、リード線、リードフレーム、またはリードフレーム端子)と、第1の界面表面および第2の界面表面を有する界面材料(グリース、エラストマーパッド、サーモテープ、流体、ゲル、または接着剤等の誘電性熱伝導性材料)であって、第1の界面表面は導電性取り付け領域の第2の取り付け表面に接する、界面材料と、第2の界面表面に接する熱伝導性要素(アルミニウム板等の金属板)と、少なくとも部分的に半導体ダイを囲み、熱伝導性要素に固定される筐体(成形材料等)と、を備える。熱伝導性要素および筐体は、(例えば、成形により)半導体素子の外装パッケージを形成するように配置される。熱は、導電性取り付け領域、界面材料、および熱伝導性要素により形成される熱伝導路を介して半導体ダイから半導体素子の外装パッケージに除去される。
半導体素子は、整流器(例えば、ブリッジ整流器)等の電力半導体素子または集積回路(例えば、チップスケールパッケージ)であることができ、表面実装可能またはスルーホール実装可能のいずれかであることができる。熱伝導性要素および界面材料はヒートシンクを構成し、ヒートシンクは導電性取り付け領域から電気的に絶縁される。熱伝導路は、熱を半導体ダイから、半導体素子を実装可能な基板に向かわない方向に除去することができる。
本発明の別の態様によれば、基板に実装可能な半導体素子を製造する方法は、導電性取り付け領域の第1の取り付けエリアと電気的に導通するように半導体ダイを配置すること、ヒートシンクを提供することであって、ヒートシンクは、第1の界面表面および第2の界面表面を有する界面材料および界面材料の第2の界面表面に接する熱伝導性要素を備える、提供すること、導電性取り付け領域の第2の取り付けエリアと界面材料の第1の界面表面とが接するように配置することであって、第1の界面表面は、少なくとも部分的に、導電性取り付け領域と熱伝導性要素とを電気的に絶縁する、配置すること、ダイを少なくとも部分的に囲む筐体を提供することであって、筐体は、半導体素子の外装パッケージが筐体およびヒートシンクの熱伝導性要素により提供され、導電性取り付け領域およびヒートシンクにより形成される熱伝導路を介して、熱を半導体ダイから半導体素子の外装パッケージに除去可能なようにヒートシンクに固定される、提供すること、とを含む。
この方法は、筐体をヒートシンクに向けて成形して、半導体素子の外装パッケージを形成することをさらに含むことができる。
これより、同様の符号が同様の構成要素を指す図面を参照すると、図2は、本発明の態様による半導体素子の外装パッケージの形成に使用可能なヒートシンク設計200の平面図である。ヒートシンク設計200は、熱伝導性要素202および界面材料206を含む。
さらに後述するように、熱導電性要素202は、半導体素子の外装パッケージの少なくとも部分を形成する。熱導電性要素202は、比較的軽量、安価であり、製造が容易であり、かつ高い熱伝導率を有する、アルミニウム等の金属で作られてもよく、または銅、黄銅、鋼、セラミック、または金属化プラスチック等の現在既知の、または後に開発される別の材料で作られてもよい。熱伝導性要素202は、特にキャスティングおよび機械加工等の種々の周知の方法により任意の所望の構成/形状に形成することができる。図示のように、熱伝導性要素202は、図1に示す半導体素子の外装筐体12に適合可能なように設計された穴208を内部に有する、およそ0.8mm厚(であるが、これより厚くてもよく、または薄くてもよい)で略矩形のアルミニウム板である。
界面材料206は、熱伝導性要素202を通しての放熱を最大にしながら、界面材料206と熱伝導性要素202との間の熱的絶縁ギャップを最小に抑えるとともに、半導体素子と熱伝導性要素202との間に電気的な絶縁を提供するように機能する誘電性熱伝導性材料である。界面材料206は、グリース、エラストマーパッド、サーモテープ、流体、ゲル、接着剤、または現在既知の、または後に開発される任意の他の伝熱界面材料であってよい。図示のように、界面材料206は熱伝導性要素202と略同様の構成/形状を有するが、任意の所望の構成/形状に形成することが可能である。図示のように、界面材料206は、図1に示す半導体素子の外装筐体12に適合可能なように設計される穴(図示せず)を内部に有する、およそ0.1m厚の、両面感圧性接着テープを有するガラス繊維ゴム層である
ヒートシンク(図2に示す)の方向3−3での側面図である図3に示すように、界面材料206は2つの表面302および304−第1の側302および第2の側304を有する。しかし、表面302および304の形状および/または構成は、界面材料206の形状および/または構成に従って様々であってよい。さらに後述するように、第1の側302は、半導体素子に関連する導電性領域に接するように構成される。第2の側304は、界面材料206と熱伝導性要素202との間の熱的絶縁ギャップを最小に抑えるように選択された材料に適した任意の方法で熱伝導性要素202に固定される。例えば、第2の側304は、界面材料206を熱伝導性要素202に接着する両面感圧性接着テープであってよい。
図4は、本発明の特定の態様による、図2に示すヒートシンクが外装パッケージを形成するスルーホール実装可能な半導体素子400の内部断面の側面図である。例示を目的として、半導体素子400は、スルーホール実装可能な半導体素子10(図1に示す)と同様のフットプリントおよびダイ配置(素子400は4つのダイを備え、図4では2つが示される)を有するが、素子400は全く異なる外形寸法または幾何学的形状を有してもよい。半導体素子400は、整流器等の電力半導体素子であってもよく、または別の種類の集積回路であってもよい。
銅パッド、はんだボール、リード線、リードフレーム、またはリードフレーム端子等の導電性取り付け領域404はそれぞれ、半導体ダイ406(2つのダイが図示されるが、例示のために片側のみを参照する)との電気的な導通を提供するように配置される1つの表面403を有する。ダイ406は、例えば、ダイオード、MOSFET、または別の種類のダイ/集積回路であることができる。表面403は、はんだ付け等の任意の適した方法でダイ406に取り付けることができる。スルーホール実装可能リード線408(1つが図示される)も、半導体ダイ406および/または導電性取り付け領域404に電気的に導通することができる。導電性取り付け領域404の別の表面405は、接着に適した圧力により界面材料206の第1の側302に接する。
筐体410は、少なくとも部分的にダイ406を囲み、熱伝導性要素202および/または界面材料206に固定され、筐体および熱伝導性要素は、半導体素子400の外装パッケージを形成するように配置される。筐体410は、熱伝導性要素202および/または界面材料206に向けて成形される、プラスチック等の成形材料であってよい。筐体410は、オーバーモールドまたは射出成形等の種々の周知の方法により任意の所望の構成/形状に形成することができる。図示のように、筐体410は、およそ3.5mm厚であり、半導体素子10(図1に示す)の外装筐体12の部分と同様の構成を有する。
図5は、半導体素子400(図4に示す)の矢印5−5の方向での平面図である。本発明の特定の態様によれば、熱伝導性要素202は、筐体410と共に半導体素子400の外装パッケージを形成するように配置される。半導体素子400の外装パッケージを、半導体素子400(図5に示す)の矢印6−6の方向での側面図である図6にさらに示す。
図7は、本発明の特定の他の態様による、図2に示す要素を有するヒートシンクが外装パッケージを形成する別のスルーホール実装可能な半導体素子7000(整流器等の電力半導体素子または別の種類の集積回路等)の別の内部断面の側面図である。銅パッド、はんだオール(solder alls)、リード線、リードフレーム、またはリードフレーム端子等の導電性取り付け領域7004(1つが図示される)はそれぞれ、1つまたは複数の半導体ダイ7006との電気的な導通を提供するように配置される。導電性取り付け領域7004はヒートシンク7007にも接し、ヒートシンク7007は界面材料部分(界面材料206等)および熱伝導性要素(熱伝導性要素202等)を含む。成形プラスチック材料等の筐体材料7010は、少なくとも部分的に、ダイ7006を囲み、ヒートシンク7007の熱伝導性要素および/または界面材料に固定される。
図8は、図7に示す半導体素子の矢印8−8の方向での底面図である。シートシンク7007は、筐体7010と共に半導体素子7000の外装パッケージを形成するように配置される。
図9は、図7に示す半導体素子の矢印9−9の方向での上面図である。筐体7010が、熱伝導性を高めるために、ヒートシンク7007の部分が筐体7010を通して見えるように構成されることが分かる。半導体素子7000の外装パッケージを、半導体素子7000(図9に示す)の矢印10−10の方向での側面図である図10にさらに示す。
図11は、通常動作中、熱が半導体素子400(図4に示す半導体素子を矢印7の方向に90度回転したもの)から除去される熱伝導路を示す図である。図示のように、熱はダイ406から矢印702で示す路に沿い、リード線408(1つが図示される)を通り、リード線408を実装可能な基板(図示せず)に入るとともに、ダイ406から矢印706で示す路に沿い、筐体410を通って周囲環境に伝わる。相当量の熱が、リード線408が実装される基板に向かわない方向に、ダイ406から導電性取り付け領域404、界面材料206、および熱伝導性要素202(さらに特定の用途では外部ヒートシンク)を通る矢印704で示す別の路にも伝わる。
こうして、半導体ダイと電気的に絶縁されたヒートシンク(軽量かつ安価であることができ、例えば、アルミニウム)との接触により作られる相当な熱除去路を含む半導体素子について説明した。実装基板から離れて熱を伝えることは、各基板で構成要素密度が高く、ひいては熱流速密度が高いことを特徴とする製品設計で望ましく、一般に単一動作温度が比較的広い表面面積に提供されることになる、基板に提供される冷却が、電気的に絶縁された半導体素子パッケージにより補助される。半導体素子は、フットプリントを大幅に変更することなく、かつ絶縁要件を追加することなくより望ましい温度で動作することができ、製品を再設計する必要性を低減する。
スルーホール実装可能な半導体素子に関連して上述した本発明の態様は、表面実装可能な半導体素子にも適用することが可能である。図12は、本発明の他の態様による、ヒートシンク(図2に示す熱伝導性要素202および界面材料206により形成され、図2に示す半導体素子のフットプリントに適するように構成されるヒートシンク等)が外装パッケージを形成する表面実装可能な半導体素子(例えば、チップスケール素子)の内部断面の正面図である。
図示のように、MOSFETダイ800は、ゲート800’’、ソース800’およびドレイン800’’’を備える。第1のリードフレーム820が第1の端子820’および第2の端子820’’を有する。第1の端子820’は、はんだ810を通してソース800’に接続される。第2のリードフレーム840も第1の端子840’および第2の端子840’’を有する。第1の端子840’は、銀ペースト890を通してゲート800’’に接続される。導電板(例えば、銅板)860が、はんだ850を通してドレイン800’’’に接続される。パッケージ材料880が、ダイ800、第1および第2のリードフレーム820および840の第1の端子802’および840’のそれぞれ、銀ペースト890、はんだ810、830、および850、ならびに熱伝導性要素202および/または界面材料206の少なくとも部分の封入に使用される。
熱伝導路により、熱をダイ800(ドレイン800’’’、ゲート800’’、および/またはソース800’)から、半導体素子を実装可能が基板(図示せず)に向かう方向888に伝えることができる。相当量の熱が、ダイ800から第1および第2のリードフレーム820および840(および/または第1の端子820’および840’のそれぞれ)、界面材料206、および熱伝導性要素202等の導電性取り付け領域を通り、矢印889で示す(半導体素子が実装される基板に向かわない)方向に別の熱伝導路にも伝えられる。
図13は、本発明のさらなる態様による、ヒートシンク1307および成形材料等の筐体1310が外装パッケージを形成する別の表面実装可能な半導体素子1300の底部外観図である。ヒートシンク1307は、図2に示すような熱伝導性要素202および界面材料206により形成されるヒートシンクであることができ、半導体素子1300のフットプリントに適合可能なように構成することができる。熱は、リード線7003およびヒートシンク1307を介して、半導体素子1300を実装可能な基板(図示せず)に向かう方向に向けられる。筐体1310の構成を示す、半導体素子1300の上部外観図を図14に示す。
図15は、本発明の態様による、図4に示す半導体素子400、図7に示す半導体素子700、図12に示す半導体素子800、または図13に示す半導体素子1300等の半導体素子を製造する方法のフローチャートである。方法はブロック900において始まり、ブロック902に続き、半導体ダイが、銅パッド、リードフレーム、または端子等の導電性取り付け領域の第1の取り付けエリアと電気的に導通するように配置される。
次に、ブロック904において、ヒートシンクが提供される。ヒートシンクは、第1の界面表面および第2の界面表面を有する、界面材料206等の界面材料を含む。ヒートシンクは、界面材料の第2の界面表面に接する熱伝導性要素202等の熱伝導性要素も含む。
ブロック906において、界面材料の第1の界面表面と導電性取り付け領域の第2の取り付けエリアとが接するように配置される。
ブロック908において、ダイを少なくとも部分的に囲む、プラスチック等の材料で構成することができる筐体が提供される。筐体は、半導体素子の外装パッケージが筐体およびヒートシンクの熱伝導性要素により提供されるように(例えば、成形により)ヒートシンクに固定される。ブロック910に示すように、熱が、導電性取り付け領域、界面材料、および熱伝導性要素により形成される熱伝導路を介して、半導体ダイから半導体素子の外装パッケージに除去される。
このように、種々の素子フットプリントに適合し、かつ多くの場合に半導体素子を実装可能な基板に向かう以外の路を通して相当量の熱除去を提供するように作ることができる、軽量、安価であり、電気的に絶縁されたヒートシンクを組み込んだパッケージ設計を有するスルーホール実装可能および表面実装可能な半導体素子およびその製造方法について説明した。
添付の特許請求の範囲の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書において述べた態様の他のおよびさらなる形態を考案できることが明らかであり、本発明の態様が上述した特定の実施形態に制限されないことが理解されよう。
スルーホール実装可能な半導体素子の汎用パッケージの斜視図である。 回路基板にスルーホール実装された、図1Aに示す半導体素子の側面図である。 本発明の態様による半導体素子の外装パッケージの形成に使用可能なヒートシンク設計の斜視図である。 図2に示すヒートシンクの矢印3−3の方向での側面図である。 本発明の特定の態様による、図2に示すヒートシンクが外装パッケージを形成するスルーホール実装可能な半導体素子の内部断面の側面図である。 図4に示す半導体素子の矢印5−5の方向での平面図である。 図5に示す半導体素子の矢印6−6の方向での側面図である。 本発明の特定の他の態様による、図2に示すヒートシンクが外装パッケージを形成する別のスルーホール実装可能な半導体素子の内部断面の側面図である。 図7に示す半導体素子の矢印8−8の方向での底面図である。 図7に示す半導体素子の矢印9−9の方向での上面図である。 図9に示す半導体素子の矢印10−10の方向での側面図である。 半導体素子の通常動作中、熱が図4に示す半導体素子(矢印7の方向に90度回転されている)から除去される特定の熱伝導路を示す図である。 本発明の他の態様による、ヒートシンクが外装パッケージを形成する表面実装可能な半導体素子の内部断面の側面図である。 本発明のさらなる態様による、ヒートシンクが外装パッケージを形成する別の表面実装可能な半導体素子の底部外観図である。 図13に示す表面実装可能な半導体素子の上部外観図である。 本発明の態様による半導体素子を製造する方法のフローチャートである。
符号の説明
10、400、800、7000、1300 半導体素子
11 基板
12、7010、1310 筐体
13、7007、1307 ヒートシンク
14、408、7003 リード線
200 ヒートシンク設計
202 熱伝導性要素
206 界面材料
302、304 界面表面
403、405 表面
800、7006 半導体ダイ
800’ ソース
800’’ ゲート
800’’’ ドレイン
810、830、850 はんだ
820 第1のリードフレーム
820’、840’ 第1の端子
820’’、840’’ 第2の端子
840 第2のリードフレーム
860 導電板
880 パッケージ
890 銀ペースト
7004 導電性取り付け領域

Claims (20)

  1. 基板に実装可能な半導体素子であって、
    半導体ダイと、
    第1の取り付け表面および第2の取り付け表面を有し、前記第1の取り付け表面は前記半導体ダイと電気的に導通するように配置される、導電性取り付け領域と、
    第1の界面表面および第2の界面表面を有する界面材料であって、前記第1の界面表面は前記導電性取り付け領域の前記第2の取り付け表面に接する、界面材料と、
    前記第2の界面表面に接する熱伝導性要素と、
    少なくとも部分的に前記半導体ダイを囲み、前記熱伝導性要素に固定される筐体と、
    を備え、
    前記熱伝導性要素および前記筐体は、該半導体素子の外装パッケージを形成するように配置され、熱は、前記導電性取り付け領域、前記界面材料、および前記熱伝導性要素により形成される熱伝導路を介して前記半導体ダイから該半導体素子の前記外装パッケージに除去される、半導体素子。
  2. 電力半導体素子を含む、請求項1に記載の半導体素子。
  3. 前記電力半導体素子は整流器を含む、請求項2に記載の半導体素子。
  4. 前記整流器はブリッジ整流器を含む、請求項3に記載の半導体素子。
  5. 表面実装可能素子を含む、請求項1に記載の半導体素子。
  6. スルーホール実装可能素子を含む、請求項1に記載の半導体素子。
  7. 集積回路を含む、請求項1に記載の半導体素子。
  8. 前記集積回路はチップスケールパッケージを含む、請求項7に記載の半導体素子。
  9. 前記導電性取り付け領域は、銅パッド、はんだボール、リード線、リードフレーム、およびリードフレーム端子のうちの1つを含む、請求項8に記載の半導体素子。
  10. 前記界面材料は誘電性熱導電性材料を含む、請求項9に記載の半導体素子。
  11. 前記誘電性熱伝導性材料は、グリース、エラストマーパッド、サーモテープ、流体、ゲル、および接着剤のうちの1つを含む、請求項10に記載の半導体素子。
  12. 前記熱伝導性要素は金属板を含む、請求項10に記載の半導体素子。
  13. 前記金属板はアルミニウム板を含む、請求項12に記載の半導体素子。
  14. 前記金属板および前記誘電性熱伝導性界面材料はヒートシンクを構成し、該ヒートシンクは、前記導電性取り付け領域から電気的に分離される、請求項12に記載の半導体素子。
  15. 熱は、該半導体素子を実装可能な前記基板に向かわない方向に、前記熱伝導路を介して前記半導体ダイから除去される、請求項14に記載の半導体素子。
  16. 前記筐体は成形材料を含む、請求項1に記載の半導体素子。
  17. 前記成形材料はヒートシンクに成形されて、該半導体素子の外装パッケージを形成する、請求項16に記載の半導体素子。
  18. 基板に実装可能な半導体素子を製造する方法であって、
    導電性取り付け領域の第1の取り付けエリアと電気的に導通するように半導体ダイを配置すること、
    ヒートシンクを提供することであって、前記ヒートシンクは、
    第1の界面表面および第2の界面表面を有する界面材料、および
    該界面材料の前記第2の界面表面に接する熱伝導性要素
    を備える、提供すること、
    前記導電性取り付け領域の第2の取り付けエリアと前記界面材料の前記第1の界面表面とが接するように配置することであって、前記第1の界面表面は、少なくとも部分的に、前記導電性取り付け領域と前記熱伝導性要素とを電気的に絶縁する、配置すること、
    前記ダイを少なくとも部分的に囲む筐体を提供することであって、前記筐体は、前記半導体素子の外装パッケージが該筐体および前記ヒートシンクの前記熱伝導性要素により提供され、前記導電性取り付け領域および前記ヒートシンクにより形成される熱伝導路を介して、熱を前記半導体ダイから前記半導体素子の前記外装パッケージに除去可能なように前記ヒートシンクに固定される、提供すること、
    とを含む方法。
  19. 前記筐体を前記ヒートシンクに成形して、前記半導体素子の外装パッケージを形成することをさらに含む、請求項18に記載の半導体素子を製造する方法。
  20. 熱が、前記半導体素子を実装可能な前記基板に向かわない方向に前記熱伝導路を介して前記半導体ダイから除去される、請求項18に記載の半導体素子を製造する方法。
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