JP2013143408A - 半導体パッケージ及び半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
本実施形態は、半導体チップを両面から冷却可能な半導体パッケージ及び半導体装置を提供することである。
【解決手段】
本実施形態の半導体パッケージは、半導体チップと、前記半導体チップと対向する側に放熱部が設けられた主電極と、前記半導体チップに設けられたリードフレームと、前記半導体チップ、前記主電極及び前記リードフレームの一部を収容する絶縁性封止材とを有する。
また、本実施形態の半導体装置は、半導体パッケージが設けられる半導体パッケージ設置部を有する冷却装置と、前記半導体パッケージ設置部に設けられた、請求項1乃至4のいずれか一に記載の半導体パッケージとを有する。
【選択図】図1
本実施形態は、半導体チップを両面から冷却可能な半導体パッケージ及び半導体装置を提供することである。
【解決手段】
本実施形態の半導体パッケージは、半導体チップと、前記半導体チップと対向する側に放熱部が設けられた主電極と、前記半導体チップに設けられたリードフレームと、前記半導体チップ、前記主電極及び前記リードフレームの一部を収容する絶縁性封止材とを有する。
また、本実施形態の半導体装置は、半導体パッケージが設けられる半導体パッケージ設置部を有する冷却装置と、前記半導体パッケージ設置部に設けられた、請求項1乃至4のいずれか一に記載の半導体パッケージとを有する。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、半導体パッケージ及び半導体装置に関する。
パワー半導体パッケージ等は、今後、より一層の省スペース化、ハイパワー化、ローコスト化等が要求される。従って、半導体パッケージから生じる使用熱を抑える機構や、冷却装置をコンパクトに設けた半導体装置は必要不可欠である。
本実施形態は、半導体チップを両面から冷却可能な半導体パッケージ及び半導体装置を提供することである。
本実施形態の半導体パッケージは、半導体チップと、前記半導体チップと対向する側に放熱部が設けられた主電極と、前記半導体チップに設けられたリードフレームと、前記半導体チップ、前記主電極及び前記リードフレームの一部を収容する絶縁性封止材とを有する。
また、本実施形態の半導体装置は、半導体パッケージが設けられる半導体パッケージ設置部を有する冷却装置と、前記半導体パッケージ設置部に設けられた、請求項1乃至4のいずれか一に記載の半導体パッケージとを有する。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。なお、本実施形態は、本発明を限定するものではない。
(第1の実施形態)
第1の実施形態に係る半導体装置1a及び半導体パッケージ2aについて説明する。
第1の実施形態に係る半導体装置1a及び半導体パッケージ2aについて説明する。
1.半導体装置1a及び半導体パッケージ2aの構成
図1は第1の実施形態に係る半導体装置1aの斜視図、図2の(a)は第1の実施形態に係る半導体パッケージ2aの構造を示す平面図、(b)は断面構造を示す横断面図、及び図3は第1の実施形態に係るエミッタ電極13aの斜視図を示している。
図1は第1の実施形態に係る半導体装置1aの斜視図、図2の(a)は第1の実施形態に係る半導体パッケージ2aの構造を示す平面図、(b)は断面構造を示す横断面図、及び図3は第1の実施形態に係るエミッタ電極13aの斜視図を示している。
図示するように、第1の実施形態の半導体装置1aは半導体パッケージ2aと水冷式冷却装置30a(冷却装置)を有する。
半導体パッケージ2aは、まず各部品を固定する基板の役割を有するリードフレーム10a、10bを有する。第1の実施形態では、リードフレーム10aには半導体チップ12が載置され、コレクタ電極16が接続される。また、リードフレーム10bにはエミッタ取り出し電極14が接続される。さらに、第1の実施形態において、リードフレーム10aは半導体チップ12のコレクタ電極16としての役割も有している。リードフレーム10a、10bは、例えば、銅(Cu)等の導電性と熱伝導性の両方を有する金属等で構成されるが、導電性と熱伝導性を有していればその他の材料でも実施は可能である。
まず、リードフレーム10a上に、はんだ11を介して半導体チップ12が設けられる。この半導体チップ12は、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor,以下、IGBT)やダイオード等のパワー半導体チップが載置されるが、他の半導体チップでも実施は可能であり、特に限定はされない。図2に示すように、第1の実施形態では半導体チップ12が2枚載置されており、これはIGBTとダイオードを想定しているが、あくまで一例である。また、はんだ11はリードフレーム10aと半導体チップ12を固定させ、電気的に接続する役割をなしており、その他の材料でも実施は可能である。
前記半導体チップ12上に、はんだ11を介して図3に示すようなエミッタ電極13a(主電極)が設けられる。このエミッタ電極13aは、半導体チップ接続部52aと、リードフレーム接続部53aを有する。また、エミッタ電極13aは、それらの接続部分間等に、リードフレーム10a、10bと対向する側にエミッタ電極放熱主面50a(放熱部)となる凸部を有している。エミッタ電極13aは、例えば、銅等の導電性と熱伝導性を有する金属で構成されるが、導電性と熱伝導性を有していればその他の材料でも実施は可能である。
そして、リードフレーム10bにはエミッタ取り出し電極14が、はんだ11を介して接続される。リードフレーム10aには電極固定具15とコレクタ取り出し電極16が、はんだ11を介して接続される。さらに半導体チップ12には種々の役割を有する、ゲート取り出し電極17、温度センスカソード取り出し電極18、温度センスアノード取り出し電極19、及び電流センス取り出し電極20等がはんだ11とボンディングワイヤ21を介して接続される。エミッタ取り出し電極14、電極固定具15、コレクタ取り出し電極16、ゲート取り出し電極17、温度センスカソード取り出し電極18、温度センスアノード取り出し電極19、電流センス取り出し電極20、及びボンディングワイヤ21には、例えば、銅やアルミニウム(Al)等の金属が用いられるが、導電性材料であれば特に限定はされない。
そして、最終的に、エミッタ取り出し電極14、コレクタ取り出し電極16、ゲート取り出し電極17、温度センスカソード取り出し電極18、温度センスアノード取り出し電極19、及び電流センス取り出し電極20の一部を露出させながら、モールド樹脂22(絶縁性封止材)によって封止される。なお、モールド樹脂22はあくまで一例であり、絶縁性を有する封止材であればその他の材料でも実施は可能である。以上のように、半導体パッケージ2aは構成される。
上記半導体パッケージ2aは、水冷式冷却装置30a(冷却装置)に設けられた半導体パッケージ設置部51に複数配置される。なお、水冷式冷却装置30aには冷却媒流路31が複数設けられており、半導体パッケージ設置部51は冷却媒流路31の間に設けられている。水冷式冷却装置30aは、例えば、アルミニウムによって構成されているが、その他の材料でも実施は可能であり、特に限定はされない。また、冷却媒流路31内を流れる冷却媒には、例えば、水等が用いられるが、冷却効果を付与する物質であればその他の物質でも実施は可能である。
2.半導体装置1a及び半導体パッケージ2aの効果
第1の実施形態の半導体装置1a及び半導体パッケージ2aの効果について比較例を用いて説明する。
第1の実施形態の半導体装置1a及び半導体パッケージ2aの効果について比較例を用いて説明する。
図4は比較例に係る半導体装置1bの斜視図、図5は図4のA−A’線における断面を示す縦断面図、及び図6は比較例に係る半導体パッケージ2bの断面を示す横断面図を示している。
まず、比較例の半導体装置1bと半導体パッケージ2bの構成を述べる。半導体装置1bは半導体パッケージ2bと水冷式冷却装置30bを有する。
図4及び5に示すように、水冷式冷却装置30b上に銅製基板24がシリコングリス23を介して設けられる。そして、その銅製基板24上に絶縁樹脂シート25を介して、半導体パッケージ2bと銅製バスバー26が設けられている。その際、銅製バスバー26はエミッタ電極及びコレクタ電極の役割を有しており、半導体パッケージ2bを挟み込むように設けられている。
半導体パッケージ2bは、図6に示すように、半導体チップ12の両面に、はんだ11を介してエミッタ電極13bとコレクタ電極27が接続される。次に、ゲート取り出し電極17、温度センスカソード取り出し電極18、温度センスアノード取り出し電極19、及び電流センス取り出し電極20等の信号電極等が適宜、半導体チップ12に接続される。そして、エミッタ電極13bとコレクタ電極27の一部を露出して、モールド樹脂22によって封止される。
上述したような構成を有する半導体装置1bの場合、半導体パッケージ2bのエミッタ電極13bとコレクタ電極27を露出させているため、絶縁樹脂シート25や銅製バスバー26を用いる必要がある。そのため、構成部材が多くなり、半導体装置1bを製造する際、量産性が悪いことやコストが上がるという問題点を有する。また、半導体パッケージ2bから水冷式冷却装置30bまでの経路が長く、放熱効率が悪いという問題点も有している。
第1の実施形態の半導体パッケージ2aの場合、エミッタ電極13aはエミッタ取り出し電極14、コレクタ電極(リードフレーム10a)はコレクタ取り出し電極16によって、外部に電極を取り出し、それ以外の全体がモールド樹脂22によって封止されて、電気的に絶縁されている。そのため、冷却装置に設置する際に絶縁材料を用いる必要が無い。
エミッタ電極13aはエミッタ電極放熱主面50aを有しており、電極としての役割だけでなく放熱板としての役割も果たしている。モールド樹脂22で封止する際、エミッタ電極放熱主面50aに接するモールド樹脂22の厚さを薄くすると、半導体パッケージ2aの放熱作用は向上される。ただし、モールド樹脂22は、絶縁性が確保できる厚さを保持することは必須である。
コレクタ電極(リードフレーム10a)側においても、モールド樹脂22によって絶縁性を確保しながら、コレクタ電極(リードフレーム10a)と接するモールド樹脂22の厚さを薄くすることで、半導体パッケージ2aの放熱作用を向上させることができる。
以上の点から、まず、第1の実施形態は水冷式冷却装置30aに設置する際、構成部材が比較例の場合と比べて少なくて済み、量産性向上及びコスト削減できるという利点を有する。さらに、半導体装置1aは、半導体パッケージ2aのエミッタ電極13a及びコレクタ電極(リードフレーム10a)の両面側から冷却する機構となっており、各電極と水冷式冷却装置30bの間にはモールド樹脂22のみしかなく、各電極から水冷式冷却装置30bまでの経路も短くなっているため、放熱効率の改善も可能となる。
ここで、第1の実施形態の変形例について2つ挙げる。
まず、変形例1について説明する。図7は第1の実施形態の変形例1に係る半導体装置1cの斜視図を示している。変形例1の半導体装置1cが第1の実施形態の半導体装置1aと異なる点は、水冷式冷却装置30aを空冷式冷却装置30c(冷却装置)にした点である。
変形例1においても、半導体パッケージ2aを両面から冷却することが可能であり、空冷式冷却装置30cの半導体パッケージ設置部51に半導体パッケージ2aを設置する際に、絶縁シート等の構成部品を設置する必要が無く、半導体装置1cを製造することができる。さらに、半導体パッケージ2aのエミッタ電極13a及びコレクタ電極(リードフレーム10a)と空冷式冷却装置30cの間にはモールド樹脂22のみしかなく、各電極から空冷式冷却装置30cまでの経路も短くなっているため、放熱効率の改善も可能となる。以上の点から、量産性向上、コスト削減、及び半導体パッケージ2aの効率的な冷却が可能となる。
次に、変形例2について説明する。図8の(a)は第1の実施形態の変形例2に係る半導体パッケージ2cの構造を示す平面図、(b)は断面構造を示す横断面図、図9は第1の実施形態の変形例2に係るエミッタ電極13cの斜視図を示している。変形例2の半導体パッケージ2cが第1の実施形態の半導体パッケージ2aと異なる点は、エミッタ電極放熱主面50aよりも相対的に広い面積であるエミッタ電極放熱主面50bを有するエミッタ電極13cを使用している点である。半導体パッケージ2cは半導体チップ接続部52bに半導体チップ12が接続される点は、半導体パッケージ2aと同様である。また、相対的に広く設けたエミッタ電極放熱主面50bにエミッタ取り出し電極14が直接接続されるため、リードフレーム10bを用いる必要が無く、半導体パッケージ2cを製造する際の量産性やコスト削減に寄与している。
変形例2においても、半導体パッケージ2cを水冷式冷却装置30aまたは空冷式冷却装置30cに設置することで、半導体パッケージ2cの両面から冷却することが可能である。また、水冷式冷却装置30aまたは空冷式冷却装置30cの半導体パッケージ設置部51に半導体パッケージ2cを設置する際に、絶縁シート等の構成部品を設置する必要が無く、半導体装置1aを製造することができる。さらに、半導体パッケージ2cのエミッタ電極13a及びコレクタ電極(リードフレーム10a)と水冷式冷却装置30aまたは空冷式冷却装置30cの間には、モールド樹脂22のみしかなく、各電極から水冷式冷却装置30aまたは空冷式冷却装置30bまでの経路も短くなっているため、放熱効率の改善も可能となる。以上の点から、量産性向上、コスト削減、及び半導体パッケージ2cの効率的な冷却が可能となる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態に係る半導体パッケージ2dについて説明する。
第2の実施形態に係る半導体パッケージ2dについて説明する。
1.半導体パッケージ2dの構成
図10は第2の実施形態に係る半導体パッケージ2dの構造を示す平面図、図11は第2の実施形態に係るエミッタ電極13d及びヒートパイプ40を示す斜視図を示している。
図10は第2の実施形態に係る半導体パッケージ2dの構造を示す平面図、図11は第2の実施形態に係るエミッタ電極13d及びヒートパイプ40を示す斜視図を示している。
第2の実施形態の半導体パッケージ2dが、第1の実施形態の半導体パッケージ2aと異なる点は、半導体チップ12とエミッタ電極13dの間にヒートパイプ40(導電体)が設けられている点である。そして、エミッタ電極13dとリードフレーム10bは、リードフレーム接続部53bにおいて接続されている。そのヒートパイプ40は、半導体チップ12とエミッタ電極13dの両方に接触している。なお、ヒートパイプ40は例えば、銅等の良伝導性と良熱伝導性を有する金属等が用いられるが、伝導性と熱伝導性を有していれば実施は可能であり、その材料は特に限定されない。また、図10、11ではヒートパイプ40が円柱状に示されているが、あくまで一例であり、半導体チップ12とエミッタ電極13dに接触していれば、その形状は特に限定されない。
2.半導体パッケージ2dの効果
第2の実施形態においても、半導体パッケージ2dを水冷式冷却装置30aまたは空冷式冷却装置30cに設置することで、半導体パッケージ2dの放熱面の両面から冷却することが可能である。また、水冷式冷却装置30aまたは空冷式冷却装置30cの半導体パッケージ設置部51に半導体パッケージ2dを設置する際に、絶縁シート等の構成部品を設置する必要が無く、半導体装置を製造することができる(図示略)。さらに、半導体パッケージ2dのエミッタ電極13d及びコレクタ電極(リードフレーム10a)と水冷式冷却装置30aまたは空冷式冷却装置30cの間には、モールド樹脂22のみしかないため、放熱効率の相対的な改善も期待できる。以上の点から、量産性向上、コスト削減、及び半導体パッケージ2cの効率的な冷却が可能となる。
第2の実施形態においても、半導体パッケージ2dを水冷式冷却装置30aまたは空冷式冷却装置30cに設置することで、半導体パッケージ2dの放熱面の両面から冷却することが可能である。また、水冷式冷却装置30aまたは空冷式冷却装置30cの半導体パッケージ設置部51に半導体パッケージ2dを設置する際に、絶縁シート等の構成部品を設置する必要が無く、半導体装置を製造することができる(図示略)。さらに、半導体パッケージ2dのエミッタ電極13d及びコレクタ電極(リードフレーム10a)と水冷式冷却装置30aまたは空冷式冷却装置30cの間には、モールド樹脂22のみしかないため、放熱効率の相対的な改善も期待できる。以上の点から、量産性向上、コスト削減、及び半導体パッケージ2cの効率的な冷却が可能となる。
加えて、半導体パッケージ2dのようにヒートパイプ40を設けることにより、半導体チップ12とエミッタ電極13dの接触面積を実質的に増やすことと、ヒートパイプ40とエミッタ電極放熱主面50cの面積を相対的増やすことの両方を両立させることができる。従って、放熱効率の更なる向上が可能である。
(第3の実施形態)
第3の実施形態に係る半導体パッケージ2eについて説明する。
第3の実施形態に係る半導体パッケージ2eについて説明する。
1.半導体パッケージ2eの構成
図12は第3の実施形態に係る半導体パッケージ2eの構造を示す平面図を示している。
図12は第3の実施形態に係る半導体パッケージ2eの構造を示す平面図を示している。
第3の実施形態の半導体パッケージ2eが、第1の実施形態の半導体パッケージ2aと異なる点は、放熱作用を有するエミッタ電極13a及びコレクタ電極(リードフレーム10a)の代わりに、DBC(Direct Bond Cupper;DBC)基板60(熱伝導性セラミック基板)が設けられている点である。
DBC基板60は、セラミック基板29の一方の面と他方の面の両面に、銅膜28(導電膜)を直接接合した基板であり、絶縁層の高熱伝導化が求められる基板に用いられている。セラミック基板29には酸化アルミニウム(Al2O3)や窒化アルミニウム(AlN)が用いられるが、特に限定はされない。
また、図12ではエミッタ電極13aとコレクタ電極(リードフレーム10a)の両方をDBC基板60に置き換えているが、どちらか一方のみでも実施は可能である(図示略)。
2.半導体パッケージ2eの効果
第3の実施形態においても、半導体パッケージ2eを水冷式冷却装置30aまたは空冷式冷却装置30cに設置することで、半導体パッケージ2eの放熱面の両面から冷却することが可能である。また、水冷式冷却装置30aまたは空冷式冷却装置30cの半導体パッケージ設置部51に半導体パッケージ2eを設置する際に、絶縁シート等の構成部品を設置する必要が無く、半導体装置を製造することができる(図示略)。
第3の実施形態においても、半導体パッケージ2eを水冷式冷却装置30aまたは空冷式冷却装置30cに設置することで、半導体パッケージ2eの放熱面の両面から冷却することが可能である。また、水冷式冷却装置30aまたは空冷式冷却装置30cの半導体パッケージ設置部51に半導体パッケージ2eを設置する際に、絶縁シート等の構成部品を設置する必要が無く、半導体装置を製造することができる(図示略)。
さらに、DBC基板60は絶縁性基板であるため、その表面をモールド樹脂22で封止する必要がなく、直接冷却することができる。すなわち、半導体パッケージ2eを直接、水冷式冷却装置30aまたは空冷式冷却装置30cによって冷却することが可能であり、放熱効率の更なる改善が期待できる。以上の点から、量産性向上、コスト削減、及び半導体パッケージ2eの効率的な冷却が可能となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
1a,1b,1c…半導体装置、2a,2b,2c,2d,2e…半導体パッケージ、10a,10b…リードフレーム、11…はんだ、12…半導体チップ、13a,13b,13c,13d…エミッタ電極(主電極)、14…エミッタ取り出し電極、15…電極接合具、16…コレクタ取り出し電極、17…ゲート取り出し電極、18…温度センスカソード取り出し電極、19…温度センスアノード取り出し電極、20…電流センス取り出し電極、21…ボンディングワイヤ、22…モールド樹脂(絶縁性封止材)、23…シリコングリス、24…銅製基板、25…絶縁樹脂シート、26…銅製バスバー、27…コレクタ電極、28…銅膜(導電膜)、29…セラミック基板、30a,30b…水冷式冷却装置(冷却装置)、30c…空冷式冷却装置(冷却装置)、31…冷却媒流路、40…ヒートパイプ(導電体)、50a,50b,50c…エミッタ電極放熱主面(放熱部)、51…半導体パッケージ設置部、52a,52b…半導体チップ接続部、53a,53b…リードフレーム接続部、60…DBC基板(絶縁性セラミック基板)
Claims (5)
- 半導体チップと、
前記半導体チップと対向する側に放熱部が設けられた主電極と、
前記半導体チップに設けられたリードフレームと、
前記半導体チップ、前記主電極及び前記リードフレームの一部を収容する絶縁性封止材と、
を有する半導体パッケージ。 - 前記半導体チップと前記放熱部の間に熱伝導性を有する導電体が設けられた請求項1に記載の半導体パッケージ。
- 前記リードフレームは、セラミック基板を導電膜で挟み込むようにしてなる絶縁性セラミック基板で構成され、前記絶縁性封止材は前記絶縁性セラミック基板の一部を露出するように設けられた請求項1または2に記載の半導体パッケージ。
- 前記放熱部は、前記絶縁性セラミック基板で構成され、前記絶縁性封止材は前記絶縁性セラミック基板の一部を露出するように設けられた請求項1乃至3のいずれか一に記載の半導体パッケージ。
- 半導体パッケージが設けられる半導体パッケージ設置部を有する冷却装置と、
前記半導体パッケージ設置部に設けられた、請求項1乃至4のいずれか一に記載の半導体パッケージと、
を有する半導体装置。
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JP2012001706A JP2013143408A (ja) | 2012-01-07 | 2012-01-07 | 半導体パッケージ及び半導体装置 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2015093169A1 (ja) * | 2013-12-19 | 2015-06-25 | 富士電機株式会社 | 半導体モジュールおよび電気駆動車両 |
-
2012
- 2012-01-07 JP JP2012001706A patent/JP2013143408A/ja active Pending
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CN105308743A (zh) * | 2013-12-19 | 2016-02-03 | 富士电机株式会社 | 半导体模块及电驱动车辆 |
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