JP2012174734A - ヒートシンク及び当該ヒートシンクを備えた半導体パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】耐圧力性能を向上させたヒートシンクの形状を提供する。
【解決手段】第１の実施形態に係るヒートシンク１０は、平板の一部を窪ませて、上面側が凸部に下面側が凹部になるドーム１１ａを形成した天板１１と、天板１１の下面側に平行に設けられた冷却用の複数のフィン１２とで構成される。このドーム１１ａは、天板１１の上面側に受ける圧力を内部応力に変換して、天板１１の変形を防ぐ役割を果たす。従って、本発明のヒートシンク１０は、天板１１の上面側にモールド注入圧を受けても変形し難くなるため、従来では不可能であったモールド樹脂による半導体チップとヒートシンクとの接合が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートシンク及び当該ヒートシンクを備えた半導体パッケージに関し、より特定的には、耐圧力性能を向上させた特徴的な形状を有したヒートシンク、及びこのヒートシンクを備えた半導体パッケージに関する。

発熱する半導体素子等を含んだ半導体チップをパッケージングする場合、高放熱型の半導体パッケージが必要である。この高放熱型の半導体パッケージとしては、例えば、半導体素子が発生する熱を放出するフィンを有したヒートシンク（金属部材）が備え付けられたものがある。例えば、特許文献１を参照。

このヒートシンクを備えた半導体パッケージは、一般的には、半導体素子を含んだ半導体チップをモールド樹脂で覆ってパッケージ化する工程と、この半導体パッケージに半田（又は接着剤）でヒートシンクを接合する工程との、２つの工程で主に製造される。

しかしながら、上述のように２つの工程に分けてヒートシンクを備えた半導体パッケージを製造する場合、時間もコストもかかるという問題がある。また、ヒートシンクを後付けにすると、半導体パッケージとヒートシンクの接合強度が弱くなるという問題がある。特に半導体パッケージとヒートシンクとを半田で接合させる場合には、半導体素子に使用した半田の再溶融による接触不良に注意しなければならないため、管理や検査が必要になるという問題がある。

そのため、これら２つの工程を１つの工程に集約してヒートシンクを備えた半導体パッケージを製造することが望まれている。

特開２０１０−１１４２５７号公報

ところが、上述したヒートシンクを備えた半導体パッケージを１つの工程で一体成形して完成させようとした場合、一般的な天板がフラットなヒートシンクを用いると次のような問題が発生する。

ヒートシンクを備えた半導体パッケージを一体成形する場合、図１１に示すように、モールド樹脂６４を注入するモールド用金型６１内にヒートシンク１１０を予め入れておく必要がある（図１１（ａ））。従って、ピストン６２でモールド用金型６１内にモールド樹脂６４を注入するときのモールド注入圧（成型圧）が、半導体チップ１３やヒートシンク１１０にかかる。そのため、このモールド注入圧がそのままヒートシンク１１０の曲げ応力となって、ヒートシンク１１０の天板やフィンが折れたり変形したりしてしまうおそれがある（図１１（ｂ））。この折れたり変形したりした天板やフィンは、ヒートシンク１１０の冷却性能を低下させる。

この問題は、ヒートシンクの放熱性能がフィンの数やフィンの表面積に依存することから、サイズ一定のまま放熱性能を上げるべく天板やフィンの金属厚みを薄くしているために生じる。つまり、ヒートシンクの放熱性能と剛性度とが背反の関係にあることが原因となっている。

なお、この天板の変形を防ぐ対策としては、ヒートシンクの天板やフィンが折れたり変形したりしなくなるまでモールド注入圧を下げるか、高いモールド注入圧でも耐えられる十分に厚い天板にするか等が容易に考えられる。しかし、前者の場合、モールド樹脂を押し出す力が弱くなるためモールド用金型内におけるモールド樹脂の回りが悪くなり、樹脂が未充填の空洞が生じるという新たな問題が発生する。この空洞は、熱伝導効率を低下させるだけでなく、半導体素子からヒートシンクが剥離してしまう危険がある。また、後者の場合、ヒートシンクが大きくかつ重くなるため、部品の実装スペースを確保することが難しくなること、材料コストが高くなること、車両への搭載にあたっては燃費が悪化すること等が、問題として残る。

それ故に、本発明の目的は、耐圧力性能を向上させたヒートシンクの形状を提供すること、及び当該ヒートシンクを備えることで１つの工程で一体成形することができる半導体パッケージを提供することである。

本発明は、半導体パッケージ及びその半導体パッケージに用いられるヒートシンクに向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明の半導体パッケージは、半導体チップと、モールド樹脂によって半導体チップと一体成形されたヒートシンクとを含んでいる。このヒートシンクは、半導体チップが接合される側である上面から受ける圧力を内部応力に変換する形状を有する天板と、天板の下面に設けられた複数のフィンとを備えている。
かかる構成により、天板の上面側から圧力を受けても、天板やフィンの変形を防ぐことができる。

なお、この半導体チップが接合される側である上面から受ける圧力を内部応力に変換する形状は、上面側が凸部に下面側が凹部になるドームを設けた形状であってもよいし、上面側が平面で下面側が凹部になるドームを設けた形状であってもよい。この形状にすれば、ドーム上面側からのヒートシンクの耐圧力性能が向上する。

また、この半導体チップが接合される側である上面から受ける圧力を内部応力に変換する形状は、上面側にフランジを設けた形状であってもよい。この形状にすれば、フランジ上面側からのヒートシンクの耐圧力性能が向上する。この場合、フランジの一部の断面をＴ字形状にすれば、モールド樹脂の接着面積が増大するため剥離問題を改善することができる。

上記本発明によれば、ヒートシンクの天板上面側からの耐圧力性能が向上するため、モールド用金型内におけるモールド注入圧の影響によるヒートシンクの変形を防ぐことができる。従って、ヒートシンクを備えた半導体パッケージを１つの工程で一体成形して完成させることが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係るヒートシンク１０を説明する図 ヒートシンク１０の天板１１の変形が防げる原理を説明する図 ヒートシンク１０を用いて半導体パッケージ１９を一体成形する手法を説明する図 本発明の第２の実施形態に係るヒートシンク２０を説明する図 ヒートシンク２０を一体成形した第２の実施形態に係る半導体パッケージ２９を示す図 本発明の第３の実施形態に係るヒートシンク３０を説明する図 ヒートシンク３０を一体成形した第３の実施形態に係る半導体パッケージ３９を示す図 ヒートシンク３０のフランジ３１ａに使用可能な他の形状を説明する図 本発明の第４の実施形態に係るヒートシンク４０を説明する図 ヒートシンク４０を一体成形した第４の実施形態に係る半導体パッケージ４９を示す図 従来の半導体パッケージの製造方法において生じる問題を説明する図

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係るヒートシンク１０を説明する図である。図１（ａ）は、ヒートシンク１０の上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
以下、本発明の第１の実施形態に係るヒートシンク１０の特徴的な形状、及びヒートシンク１０を用いた半導体パッケージ１９を順に説明する。

第１の実施形態に係るヒートシンク１０は、高い熱放出性能を有した金属部材である。このヒートシンク１０は、図１に示すように、平板の一部を窪ませて、上面側が凸部に下面側が凹部になるドーム１１ａを形成した天板１１と、天板１１の下面側に平行に設けられた冷却用の複数のフィン１２とで構成される。

このドーム１１ａは、天板１１の上面側に受ける圧力を内部応力に変換して、天板１１の変形を防ぐ役割を果たす。図２は、天板１１の変形が防げる原理を説明する図である。
図２（ａ）に示した平板の場合、平板の中心部が受ける圧力Ｘは、その大きさのまま曲げ応力として平板にかかる。これに対して、図２（ｂ）に示したドーム状板の場合、ドーム状板の中心部が上面（凸部）側から受ける圧力Ｘは、大半がドーム状板の圧縮応力に変換され、曲げ応力はほとんど生じない。つまり、ドーム形状は、受ける圧力Ｘを天板１１の曲げ変形が生じる内部応力だけに集中させないで、天板１１の曲げ変形が生じない内部応力に分散させる作用を有している。このため、同じ大きさの圧力Ｘを受けた場合、ドーム状板は平板よりも変形し難くなるのである。

上述した形状により、第１の実施形態に係るヒートシンク１０は、天板１１の上面側に受ける圧力に対する強度が、従来の平板に比べて格段に向上する。すなわち、このヒートシンク１０は、天板１１の上面側にモールド注入圧を受けても変形し難くなる。このため、本発明では、従来では不可能であったモールド樹脂による半導体チップとヒートシンクとの接合が、次のように可能となる。

図３を参照して、このヒートシンク１０を用いて半導体パッケージを一体成形する手法を説明する。図３は、本発明の第１の実施形態に係るヒートシンク１０を用いた半導体パッケージ１９の製造手順を説明する図である。

発熱する半導体素子等を含んだ半導体チップ１３は、ヒートスプレッダ１４及びリードフレーム１６と、半田で接合されている。この半導体チップ１３が半田接合されたヒートスプレッダ１４は、ヒートシンク１０の天板１１の上面に接合される。この接合は、例えば絶縁性のある接合剤１５等を用いて行われる（図３（ａ））。次に、ヒートスプレッダ１４を介して半導体チップ１３が接合されたヒートシンク１０は、モールド用金型６１に設置される（図３（ｂ））。この設置は、モールド用金型６１の支持部６１ａに、ヒートシンク１０の天板１１の縁を載置することで行われる。ヒートスプレッダ１４を介して半導体チップ１３が接合されたヒートシンク１０がモールド用金型６１に設置されると、ピストン６２によって注入口６３からモールド樹脂６４が注入され、半導体チップ１３がモールドされると共に、半導体チップ１３、ヒートスプレッダ１４、及びヒートシンク１０が相互に接着される（図３（ｃ））。このとき、従来と同様にモールド注入圧がヒートシンク１０にかかるが、天板１１のドーム１１ａによって耐圧力が高くなっており天板１１及びフィン１２が変形することを防いでいる。
これにより、天板１１及びフィン１２の変形がない、半導体パッケージ１９が一体成形で完成する（図３（ｄ））。

以上のように、本発明の第１の実施形態によれば、ヒートシンク１０が天板１１にドーム１１ａを有しているため、ドーム１１ａの上面（凸部）側からのヒートシンク１０の耐圧力性能が向上する。従って、このヒートシンク１０を半導体チップ１３等と共にモールド用金型６１に設置して、ヒートシンク１０を備えた半導体チップ１３をモールド工程において一体成形することができる。また、このヒートシンク１０は、ドーム１１ａによって下面（凹部）側の表面積が大きくなるため、従来の平板ヒートシンクよりも冷却性能が向上する。

なお、上記第１の実施形態では、ヒートシンク１０のドーム１１ａが、円形であり、かつ天板１１の中央部分に形成される一例を説明した（図１（ａ）の上面図を参照）。しかしながら、ドーム１１ａの形状や位置は、これに限るものではなく、ドーム状板が凸部側から受ける圧力を圧縮応力に変換できる構造であれば、ヒートシンク１０の形状やフィン１２の位置等に基づいて任意に設計することが可能である。

＜第２の実施形態＞
図４は、本発明の第２の実施形態に係るヒートシンク２０を説明する図である。図４（ａ）は、ヒートシンク２０の上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
以下、本発明の第２の実施形態に係るヒートシンク２０の特徴的な形状、及びヒートシンク２０を用いた半導体パッケージ２９を順に説明する。

第２の実施形態に係るヒートシンク２０は、高い熱放出性能を有した金属部材である。このヒートシンク２０は、図４に示すように、平板の上面側が平面で下面側が凹部になるドーム２１ａを形成した天板２１と、天板２１の下面側に平行に設けられた冷却用の複数のフィン２２とで構成される。

このドーム２１ａも、上記第１の実施形態で説明したドーム１１ａと同様に、ドーム状板の中心部が上面側から受ける圧力は、大半がドーム状板の圧縮応力に変換され、曲げ応力はほとんど生じない。つまり、ドーム２１ａは、受ける圧力Ｘを天板１１の曲げ変形が生じる内部応力だけに集中させないで、天板１１の曲げ変形が生じない内部応力に分散させる作用を有している。

従って、第２の実施形態に係るヒートシンク２０は、天板２１の上面側に受ける圧力に対する強度が、従来の平板に比べて格段に向上する。すなわち、このヒートシンク２０は、天板２１の上面側にモールド注入圧を受けても変形し難くなるため、上記第１の実施形態で述べた製造工程（図３を参照）を用いて、半導体チップ１３等とヒートシンク２０との一体成形が可能となる。この一体成形で完成した第２の実施形態に係る半導体パッケージ２９を、図５に示す。

以上のように、本発明の第２の実施形態によれば、ヒートシンク２０が天板２１の下面にドーム２１ａを有しているため、ヒートシンク２０上面側からのヒートシンク２０の耐圧力性能が向上する。従って、このヒートシンク２０を半導体チップ１３等と共にモールド用金型６１に設置して、ヒートシンク２０を備えた半導体チップ１３をモールド工程において一体成形することができる。また、このヒートシンク２０は、ドーム２１ａによって下面側の表面積が大きくなるため、従来の平板ヒートシンクよりも冷却性能が向上する。さらに、このヒートシンク２０は、上面を平面にしているため、天板２１の上面に半導体チップ１３やヒートスプレッダ１４等を接合する際における、作業性の向上や接合剤１５の流れ防止等の効果を発揮する。

＜第３の実施形態＞
図６は、本発明の第３の実施形態に係るヒートシンク３０を説明する図である。図６（ａ）は、ヒートシンク３０の上面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
以下、本発明の第３の実施形態に係るヒートシンク３０の特徴的な形状、及びヒートシンク３０を用いた半導体パッケージ３９を順に説明する。

第３の実施形態に係るヒートシンク３０は、高い熱放出性能を有した金属部材である。このヒートシンク３０は、図６に示すように、平板の上面側にフランジ３１ａを形成した天板３１と、天板３１の下面側に平行に設けられた冷却用の複数のフィン３２とで構成される。フランジ３１ａは、ヒートシンク３０の外周に沿った矩形とヒートシンク３０の中心を通過して領域を４等分する十字形とを組み合わせた形状である。このフランジ３１ａは、天板３１の上面側に受ける圧力を強固に支持して、天板３１の変形を防ぐいわゆる梁の役割を果たす。

上述した形状により、第３の実施形態に係るヒートシンク３０は、天板３１の上面側に受ける圧力に対する強度が、従来の平板に比べて格段に向上する。すなわち、このヒートシンク３０は、天板３１の上面側にモールド注入圧を受けても変形し難くなるため、上記第１の実施形態で述べた製造工程（図３を参照）を用いて、半導体チップ１３等とヒートシンク３０との一体成形が可能となる。この一体成形で完成した第３の実施形態に係る半導体パッケージ３９を、図７に示す。

以上のように、本発明の第３の実施形態によれば、ヒートシンク３０が天板３１の上面にフランジ３１ａを有しているため、ヒートシンク３０上面側からのヒートシンク３０の耐圧力性能が向上する。従って、このヒートシンク３０を半導体チップ１３等と共にモールド用金型６１に設置して、ヒートシンク３０を備えた半導体チップ１３をモールド工程において一体成形することができる。また、このヒートシンク３０は、フランジ３１ａによって上面側の表面積が大きくなるため、従来の平板ヒートシンクよりも冷却性能が向上する。

なお、上記第３の実施形態では、フランジ３１ａの形状として、ヒートシンク３０の各辺と平行な直線で領域を４等分する十字形を用いた一例を説明したが、例えば図８（ａ）に示すようにヒートシンク３０の対角線で領域を４等分する十字形を用いたフランジ３１ａを形成してもよい。また、このヒートシンク３０のフランジ３１ａは、十字形の部分だけで形成しても（図８（ｂ）及び（ｃ））、また矩形の部分はヒートシンク３０の外周よりも内側に形成しても（図８（ｄ））よく、この場合でも従来の平板構造と比べて耐圧力性能が向上する。

＜第４の実施形態＞
図９は、本発明の第４の実施形態に係るヒートシンク４０を説明する図である。図９（ａ）は、ヒートシンク４０の上面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
以下、本発明の第４の実施形態に係るヒートシンク４０の特徴的な形状、及びヒートシンク４０を用いた半導体パッケージ４９を順に説明する。

第４の実施形態に係るヒートシンク４０は、高い熱放出性能を有した金属部材である。このヒートシンク４０は、図９に示すように、平板の上面側にフランジ４１ａを形成した天板４１と、天板４１の下面側に平行に設けられた冷却用の複数のフィン４２とで構成される。フランジ４１ａは、ヒートシンク４０の外周形状に合わせた矩形とヒートシンク４０の中心を通過して領域を４等分する十字形とを組み合わせた形状であり、外周形状に合わせた矩形の断面がＴ字形状となっている。このフランジ４１ａは、天板４１の上面側に受ける圧力を強固に支持して、天板４１の変形を防ぐいわゆる梁の役割を果たす。それと同時に、このフランジ４１ａは、外周形状に合わせた矩形が持つＴ字形状によってモールド樹脂と接する面積を広げている。

上述した形状により、第４の実施形態に係るヒートシンク４０は、天板４１の上面側に受ける圧力に対する強度が、従来の平板に比べて格段に向上する。すなわち、このヒートシンク４０は、天板４１の上面側にモールド注入圧を受けても変形し難くなるため、上記第１の実施形態で述べた製造工程（図３を参照）を用いて、半導体チップ１３等とヒートシンク４０との一体成形が可能となる。さらに、Ｔ字形状の矩形のフランジ４１ａを形成しているので、ヒートシンク４０にモールド樹脂が接着する面積が増える。この一体成形で完成した第４の実施形態に係る半導体パッケージ４９を、図１０に示す。

以上のように、本発明の第４の実施形態によれば、ヒートシンク４０が天板４１の上面にフランジ４１ａを有しているため、ヒートシンク４０上面側からのヒートシンク４０の耐圧力性能が向上する。従って、このヒートシンク４０を半導体チップ１３等と共にモールド用金型６１に設置して、ヒートシンク４０を備えた半導体チップ１３をモールド工程において一体成形することができる。また、このヒートシンク４０は、Ｔ字形状の矩形のフランジ４１ａによってモールド樹脂との接着面積が大きくなるため、従来の平板ヒートシンクよりも剥離発生の問題を改善させることができる。

なお、この第４の実施形態のフランジ４１ａにおいても、上記第３の実施形態のフランジ３１ａと同様に、ヒートシンク４０の中心を通過して領域を４等分する十字形状は、図８（ａ）に示す形状であってもよい。また、

本発明は、発熱する半導体素子等を含んだ半導体チップをパッケージングする場合等に利用可能であり、特にヒートシンクを備えた半導体パッケージを１つの工程で一体成形して完成させたい場合等に有用である。

１０、２０、３０、４０、１１０ ヒートシンク
１１、２１、３１、４１ 天板
１１ａ、２１ａ ドーム
１２、２２、３２、４２ フィン
１３ 半導体チップ
１４ ヒートスプレッダ
１５ 接合剤
１６ リードフレーム
１９、２９、３９、４９ 半導体パッケージ
３１ａ、４１ａ フランジ
６１ モールド用金型
６１ａ 支持部
６２ ピストン
６３ 注入口
６４ モールド樹脂

Claims (10)

1. 半導体パッケージであって、
   半導体チップと、
   モールド樹脂によって前記半導体チップと一体成形されたヒートシンクとを含み、
   前記ヒートシンクは、
   前記半導体チップが接合される側である上面から受ける圧力を内部応力に変換する形状を有する天板と、
   前記天板の下面に設けられた複数のフィンとを備える、半導体パッケージ。
2. 前記半導体チップが接合される側である上面から受ける圧力を内部応力に変換する形状は、上面側が凸部に下面側が凹部になるドームを設けた形状であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体パッケージ。
3. 前記半導体チップが接合される側である上面から受ける圧力を内部応力に変換する形状は、上面側が平面で下面側が凹部になるドームを設けた形状であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体パッケージ。
4. 前記半導体チップが接合される側である上面から受ける圧力を内部応力に変換する形状は、上面側にフランジを設けた形状であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体パッケージ。
5. 前記フランジの一部は、断面がＴ字形状であることを特徴とする、請求項４に記載の半導体パッケージ。
6. 半導体パッケージに用いられるヒートシンクであって、
   半導体チップが接合される側である上面から受ける圧力を内部応力に変換する形状を有する天板と、
   前記天板の下面に設けられた複数のフィンとを備える、ヒートシンク。
7. 前記半導体チップが接合される側である上面から受ける圧力を内部応力に変換する形状は、上面側が凸部に下面側が凹部になるドームを設けた形状であることを特徴とする、請求項６に記載のヒートシンク。
8. 前記半導体チップが接合される側である上面から受ける圧力を内部応力に変換する形状は、上面側が平面で下面側が凹部になるドームを設けた形状であることを特徴とする、請求項６に記載のヒートシンク。
9. 前記半導体チップが接合される側である上面から受ける圧力を内部応力に変換する形状は、上面側にフランジを設けた形状であることを特徴とする、請求項６に記載のヒートシンク。
10. 前記フランジの一部は、断面がＴ字形状であることを特徴とする、請求項９に記載のヒートシンク。

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