JP2013222870A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミック基板に形成された金属層に切り起こし法によってフィンが形成されてなる放熱モジュールを含む半導体装置で、そのフィンを覆う冷媒流路の形成用のケースを取り付けるためのケース取り付け部位を有するものを、簡易、合理的に得る。
【解決手段】ケース取り付け部位６６が、セラミック基板１０におけるヒートシンク２１の接合面と反対側の面（表面１４）に、その周囲に沿って重なる部位を有すると共に該基板１０の外周端及びヒートシンク２１の外周端よりも外方に突出する幅部位を有するフレーム６１によって形成されるようにした。フレーム６１は、その内周に沿う部位を、セラミック基板１０における表面１４の周囲に沿わせて配置されると共に、少なくとも該内周に沿う部位において形成された樹脂７０によってセラミック基板１０に固定した。このフレーム６１における前記突出する幅部位にて、ケース取り付け部位６６を形成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パワーモジュール等に使用される半導体装置に関し、詳しくは、セラミック基板のうち、金属層が形成された一方の面（表面）に半導体素子が搭載され、他方の面（裏面）にフィン付きのヒートシンク（放熱部材）の接合されてなる半導体装置に関する。

パワーモジュール等の半導体装置の小型化、高パワー化により、セラミック基板に接合されるフィン付きのヒートシンク（以下、フィン付きヒートシンクともいう）についても、小型で高い放熱性を有するものが要求されてきている。このような要請に応えるためにはフィンの厚さを薄くし、かつ、これを小さいピッチで多数形成することが必要となる。こうした要請に対しては、ヒートシンク形成用の金属材（アルミニウム若しくは銅、又はこれらの合金の板又は層）の表面に、刃物（切削工具の切れ刃）を斜めに切り込んでフィンを切り起こすことでヒートシンクを形成する切り起こし法が、形成法の１つとして適している（特許文献１）。この形成法では、切り込みを狭ピッチで順次行うことで、微小な間隔で平行状配置の多数のフィン（群）をややカールした状態で起立状に形成できる。一方、セラミック基板へのヒートシンクの取り付け状態において、より薄いフィンが得られるように、その基板にロウ付け等により金属層（金属板）を形成しておき、その金属層に多数のフィンを切り起し法により形成する技術も知られている（特許文献２）。切り起こし後のフィンを有するヒートシンクを、別工程でセラミック基板にロウ付けする場合には、ロウ付け時に必要となる加圧力により、薄いフィンが変形することから、その薄肉化には限界があるのに対し、前記技術（特許文献２）によればそのような変形がない。このため、切り起こし加工可能の範囲でフィンの薄肉化が図られる。

ところで、半導体装置の高パワー化が一層進んでいることに基づき、フィン付きのヒートシンクにおいて、フィンの形成手法や構成に関係なく、高い放熱性が要求されている。このためにそのフィンが、液体等の冷媒にて冷却されるようにすることがある。例えば、セラミック基板の裏面側に、フィンを覆うようにして冷媒流路を形成する凹部を有する冷媒流路形成体をシールを保持して取り付けるようにしたものがある。なお、冷媒流路形成体としては、上方が開口されたトレイ状のケース（容器）構造のものや、冷媒流路を形成する凹部が上面の部分において形成（凹設）された一又は複数の部材から成る基板構造のものなど各種の構造のもの知られているが、本願において冷媒流路形成体については、以下、単に、「ケース」ともいう。このようなケースでは、冷媒が、例えば、平行配置状態にある多数のフィンにおける各フィン相互間（冷媒の流路）を通って流れるように、ケースの対向する一方（フィンが延びる一方の端）の壁に、冷媒の流入口が設けられ、他方の壁には流出口（排出口）が設けられる。すなわち、冷媒（流体）を流入口からケース内に入れて流出口へ流して、これを循環させることでヒートシンクの冷却の促進を図るというものである。この場合、ヒートシンクの平面寸法が十分に大きい場合には、フィン（群）を包囲するヒートシンク自体の周囲の各辺に沿う部位（所定幅部位）を、ケースの取り付け部位（シール面）としておくことで、ケースの取り付けに対応できる。他方、このような冷却手段は、切り起こし法により形成されたフィンを有する小型のヒートシンクを備えた半導体装置においても、その適用が望まれている。

こうした中、本願出願人は、セラミック基板に接合された金属層に、切り起こし法によりフィンが形成されてなるヒートシンクを備えた半導体装置用の放熱モジュールにおいても、ケースの取り付けができるようにした技術を提案している（特許文献２）。すなわち、この放熱モジュールにおいても、ヒートシンクにおけるフィン（群）を包囲する、平面視、周囲の各辺に沿う部位（四角の枠状部位）を、所定の幅の平坦な面（枠状平坦面）に形成しておき、この枠状平坦面をケースの取り付け、及びシール確保のための面（部位）としておくというものである。このものでは、ケースを、フィンを覆うように被せると共に、その周囲の枠状平坦面に、ケースの周囲の周壁の先端部位を当接させ得ることから、その取り付けが可能となる。より具体的には、ケースの周壁の先端に、例えば外向きに突出するフランジを形成しておき、このフランジをヒートシンクの枠状平坦面に当接して、ねじ止め、又はロウ付け等の手段により取り付けるというものである。しかし、フィンを切り起こし法にて形成し、その周囲に四角の枠状平坦面を形成し、この枠状平坦面をシール面としてケースを取り付けるには、とくに小型のヒートシンクにおいてはその枠状平坦面の形成自体が容易でないという問題があるなど、次のような難点があった。

特開昭６２−１４２９９６号公報 特開２０１１−２３０９５４号公報

この問題は、フィンを切り起こし法にて形成することに基づいているため、セラミック基板に接合された金属層に切り起こし法によりフィンを形成する具体例について、まず説明する。この切り起し加工においては、ロウ付け等によりフィン形成用の金属層が形成されたセラミック基板（接合体）を、その金属層を上にして切り起こし加工機械のチャック装置（又はクランプ装置）の爪にて固定する。この固定は、基板の両側における所定の幅部分を、各側において上から金属層を押さえつける形で行うことになる。そしてこの固定の後、その金属層のうち、最初に切り起こしを行う刃物が送られる先方に位置する基板の辺の近傍部位から後方に向けて、順次、切り込み位置をずらしながらフィンを切り起す。すなわち、この切り起こしにおいては、その押え付け用の爪に干渉しないように設定された幅を有する刃物を、金属層の表面に対して先方に向けて斜めに切り込み、起こすことになる。このため、フィンは、金属層の両側の各所定幅部分を除いて形成される。したがって、両側には平坦面（未加工部位）が残存する形で形成される。また、この切り起こし法では、切り起こし開始側をなす先端（先方）の辺から、所定幅、後方に離間した位置に最初に切り込むことで、その先端の辺に沿って所定幅で平坦面が残存する。また、この加工で後端まで切り起こすと、その後端寄り部位ではフィンの高さは次第に低くなる。一方、後端に位置する辺から先方に向けて所定の幅の位置で、その切り起こしを止めることとすれば、この後端の辺に沿っても所定幅で平坦面が残存する形で形成される。これにより、ヒートシンクの周囲には、四角の枠状平坦面を残存させる形で形成することができる。

しかし、この四角の枠状平坦面を用いてケースを取り付けるためには、シール性の確保のため、この四角の枠状平坦面を高精度に平面研削（又は研磨）することを要する。とくに、後端に位置する辺、又はそれに近い位置まで切り起こす場合には、その辺に沿う所定幅部位は、フィンの切り起こしによる分、低位となってる。このため、両側や先端の辺に沿う平坦面の高さと、高度に一致させるためには、四角の枠状平坦面の全周の平面研削（又は研磨。以下、単に平面研削ともいう）を要する。ところが、このような平面研削は複雑な加工となり、したがって容易でなく、多大のコストを要する。

さらに、このような切り起し法により形成されるフィンは金属層の表面に切り込むことによって形成されるものであるから、フィンの根元は周囲の四角の枠状平坦面（所定幅部位）の表面よりも低位となる。すなわち、少なくとも各フィンの両サイドの端に位置する所定幅部位（平坦面）の表面は、フィンの根元より高位となる。このため、このようなフィン群を覆う形でケースを被せて、その平坦面にケースの周囲の壁の先端を当接させて、冷媒がその各フィンのすきまを通るように流す場合、フィンの端ではその所定幅部位が堤防（又は壁）となってしまう。すなわち、その所定幅部分が、冷媒の流れを低下させるという問題もある。

こうした問題解消のためにも、周囲の四角の枠状平坦面（所定幅部位）を平面研削する必要があるといえるが、上記したように、このような加工は容易でない上、コストアップも避けられない。しかも、冷媒の流れ性能のためには、フィンの根元よりその平坦面が低くなるまで平面研削する必要もある。一方、切り起こし方による小型の放熱モジュール（ヒートシンク）においては、元々、フィン形成用の金属層が薄く、したがって、そのように加工する場合には、薄い金属層が周囲においてさらに薄くなることを意味する。このため、接合されているセラミック基板の面全体における応力バランスが崩れてしまい、セラミック基板に反り等の影響がでることも考えられる。

前記したように、セラミック基板に形成された金属層に切り起こし法によってフィンが形成されてなる放熱モジュールを含む半導体装置においては、ヒートシンクに、冷媒流路を形成するケースを取り付けるための平坦面を形成することは、その構造上、とくに小型のものであるほど容易でない。この結果、かかるヒートシンク付きの半導体装置においては、それに該ケースを取り付けることは容易に実現できないという問題があった。

本発明は、セラミック基板に形成された金属層に切り起こし法によってフィンが形成されてなる放熱モジュールを含む半導体装置において、そのフィンを覆う冷媒流路の形成用の冷媒流路形成体（ケース）を取り付けるための取り付け部位（ケース取り付け部位）を有するものを、簡易、合理的に得られるようにすることにある。

前記の目的を達成するため、請求項１記載の発明は、セラミック基板の裏面にフィン付きのヒートシンクが接合され、該セラミック基板の表面に半導体素子が搭載されてなる半導体装置であって、前記フィンはセラミック基板に接合又は形成された金属層において切り起こし法によって形成されてなるものであり、しかも、該フィンを覆う形で冷媒流路形成体を取り付けるための取り付け部位、又は該フィンが覆われる形で冷媒流路形成体に取り付けるための取り付け部位を有してなる半導体装置において、
該取り付け部位が、前記セラミック基板の表面に、平面視、その周囲に沿って重なる部位を有すると共に該セラミック基板の外周端及び前記ヒートシンクの外周端よりも外方に突出する幅部位を有するフレームによって形成されるように、該フレームが、その内周に沿う部位を、前記セラミック基板の表面の周囲に沿わせて配置されると共に、少なくとも該内周に沿う部位において形成された樹脂によって前記セラミック基板に固定され、
該フレームにおける前記突出する幅部位が前記取り付け部位を形成していることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、前記樹脂は、射出成形により、前記半導体装置に加えて、該フレームもインサート品として、前記半導体素子を後で封止するための樹脂の枠体も兼ねて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である。請求項３記載の発明は、前記樹脂は、射出成形により、前記半導体装置に加えて、該フレームもインサート品として、前記半導体素子の封止も兼ねて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である。

請求項４記載の発明は、前記フレームの内周に沿う部位が、前記セラミック基板の表面に、樹脂層、又は該フレームより低硬度のメタル層を介して配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置である。請求項５記載の発明は、前記取り付け部位には、前記冷媒流路形成体を取り付けるためのネジ部材挿通穴が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置である。

請求項６記載の発明は、前記取り付け部位には、前記ネジ部材挿通穴よりも内方においてシール用パッキン装填用の凹溝が、前記セラミック基板の外周に沿う形で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置である。

請求項１に記載の本発明の半導体装置では、前記冷媒流路形成体の取り付け（固定ないし固着）を、ヒートシンクとは別の部品であるフレームを樹脂で固定し、そのフレームにおいて突出する幅部位をなす前記取り付け部位で行うものとしている。このため、セラミック基板に形成された金属層に切り起こし法によってフィンが形成されてなるものにおいて、フィンを含むヒートシンクの周囲の所定幅部位を平面研削等することに比べると、前記取り付け部位が簡易、合理的に形成できる。すなわち、本発明では、フレームは必要となるものの、ヒートシンク自体の周囲にケースなどの冷媒流路形成体を取り付けるための取り付け面を形成する場合に比べると、その周囲の平面研削等は要せず、単に切除する（切り落とす、又は削り取る）ことでよいため、その加工が格段と容易となるし、冷媒の流れの問題も簡易に解消できる。

本発明では、上記したことから、トータルとしての加工コストの低減が図られる結果、フィンが切り起こし法によって形成されてなるヒートシンクが接合されてなる半導体装置でありながら、冷媒流路の形成用のケースなどの冷媒流路形成体を取り付けるための取り付け部位を有するものを簡易、合理的に得られる。また、フィンの切り起こし形成後には、ヒートシンクの周囲を基板と共に研削等により切除することができる。このため、ヒートシンクにおけるフィン形成領域をセラミック基板（面）と同一にできるから、放熱効果を高められると共に、装置全体の小型化が図られる。

しかも、本発明では、フレームは、樹脂によってセラミック基板に固定されている。一方、この種の半導体装置においては、搭載された半導体素子の封止に樹脂が使用されることが多い。このため、フレームの固定のための樹脂を、請求項２又は３に記載のものとすることで、フレームの固定に、半導体素子の封止用の樹脂形成用の枠部として、又は、半導体素子自身の封止部材として、それぞれ成形することができる。このような場合において射出成形する際には、成形用金型にフレームもインサート品として加えるだけですむから、格別のコストアップもない。

本発明において、フレームを構成する素材（材料）は、適度の強度（剛性）、耐熱性があればよく、したがって、ＳＵＳ材（ステンレス鋼）、Ａｌ等の金属から適宜に選択して設定すればよい。ただし、このフレームを直接セラミック基板に重ねる形で配置すると、インサート後、射出成形の金型の型締め時等に、セラミックに対する押え付け力、或いは衝撃が付与されることから、セラミックにワレ等の損傷が及ぶことがある。これに対し、請求項４に記載の発明のように、セラミック基板とフレームとの間に、相対的な軟質層をなす樹脂層、又は該フレームより低硬度のメタル層を介して、フレームを配置する場合には、外力や緩衝が緩和されるため、そのような損傷の発生防止効果が得られる。なお、該樹脂層は、事前にセラミック基板に塗布等して形成しておいてもよいが、モールドする樹脂をセラミック基板とフレームとの間に回り込ませるようにしてもよい。また、金属層は、セラミック基板の表面（半導体素子の搭載面）に形成される回路用金属層（アルミニウム、若しくは銅又はこれらの合金からなる）を回路パターン形成のためのエッチング時に残存させるようにしてもよい。

前記取り付け部位は、相手方（部材）であるケースなどの冷媒流路形成体の取り付け手段に応じてシールの確保ができるように形成しておけばよい。例えば、フレーム及び冷媒流路形成体をなすケース共に金属であり、そのケースの開口側の周壁の先端を前記取り付け部位に当接させて、ロウ付け、又は溶接等により取り付けることでシールを保持する設定では、それらに適するように形成しておけばよい。

一方、前記冷媒流路形成体をネジ止めにて取り付ける場合には、請求項５記載の発明のように、ネジ部材挿通穴を形成しておくとよい。また、シール性を高めるため、両者間にゴム等のパッキンを介在させるような場合には、請求項６記載の発明のように、その装填用の凹溝を形成しておくとよい。

本発明の半導体装置を具体化した実施の形態例を説明するための模式的断面図。 図１において、樹脂でフレームをセラミック基板に固定する前の平面図。 図１の半導体装置において、冷媒の流れ方向を説明する図２における模式的中央縦断面図。 図１の半導体装置におけるフレームを固定する前までの各製造工程を説明する模式的断面図。 図１の半導体装置におけるフレームの固定する各工程以降を説明する模式的断面図。 本発明の半導体装置を具体化した実施の形態の別例（変形例）を説明するための模式的断面図。 樹脂によるフレームの固定構造の変形例を示した模式的部分断面図。 樹脂によるフレームの固定構造のさらなる変形例を示した模式的部分断面図。

本発明の実施の形態例（第１実施形態例）を、図１〜図３を参照しながら詳細に説明する。図中、１０１は、本例の半導体装置を示したもので、セラミック基板（以下、単に基板とも言う）１０を挟んで、その裏面（図示下）１２にはヒートシンク２１がそのベース部位２３を介して接合されており、その表面（図示上）１４には、半導体素子３１がロウ付け等により搭載されている。ヒートシンク２１は切り起こし法によって形成された多数のフィン２５を有するものである。また、半導体素子３１は、基板１０の表面（図示上）１４に形成された金属層（回路用金属層）４１の上に、ロウ（又はハンダ）５１を介して（ロウ付け（又はハンダ付け）により）搭載されている。また、セラミック基板１０におけるヒートシンク２１の接合面をなす裏面（図示下面）１２と反対側の面（表面。図示上面）１４には、基板１０の周方向に沿って本発明の要旨をなすところのフレーム６１が、樹脂７０で固定されている。以下、これらの詳細について説明する。なお、フィン２５は切り起こし法によって形成されたものであるため、実際には断面視、カールが付いた形態を呈するのが普通であるが、図１の模式的断面図では直線で簡略化して図示している。また、説明の容易化のため、セラミック基板１０等の厚さ等は誇張して図示している。

本例においてセラミック基板１０は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）のセラミックからなり、一定厚さで、平面視、矩形（又は正方形）のものである。なお、セラミック基板１０は、アルミナに限定されず、窒化アルミ（ＡＬＮ）、窒化珪素（ＳｉＮ）等、適宜のものを選択して使用できる。ヒートシンク２１のフィン２５は、セラミック基板１０に接合（又は形成）された金属層（例えばアルミニウム板）の状態において切り起こし法によって形成されたものである。ヒートシンク２１は、フィン２５の切り起こし加工後、同基板１０と共に周囲の四辺の各辺に沿って所定の幅部分が切除されて仕上げられている。これにより、フィン２５群は、ヒートシンク２１の略全面に、すなわち、ベース部位２３の略全面に対して起立するように形成されている。なお、半導体素子３１を接合している基板１０の表面１４の回路用金属層４１は、金属薄板（例えばアルミニウム薄板）からなり、詳細は後述するが、例えば、ヒートシンク２１が形成される前の金属層をなす金属板（アルミニウム板）と同時に、図示しないロウ（アルミ系合金（Ａｌ−Ｓｉ合金）ロウ）にて圧着され、その後、フィン２５の切り起こし加工前に、エッチングにより所定のパターンに形成されたものである。

フレーム６１は、図２に示したように、概略矩形の板枠を呈しており、その縦横の各辺に沿って、それぞれ所定の幅を有している。ただし、本例におけるフレーム６１は、その外周寄り部位が、図１に示したように、セラミック基板１０の外周に外嵌状態となる矩形の内周を有する矩形外枠部６３をなしており、基板１０の外周端より外方に、各辺において、それぞれ所定幅で突出している。また、この矩形外枠部６３の内周に沿い、図１において、この矩形外枠部６３の上方に、内周が、セラミック基板１０の外周に沿う矩形よりも一回り小さい矩形に形成されてなる矩形内枠部６５を有しており、矩形外枠部６３と一体的に形成されている。しかして、図１において、フレーム６１は、矩形外枠部６３に対して矩形内枠部６５が高位をなす断面段違い形状をなしている。こうしてフレーム６１は、矩形外枠部６３の内周でもって基板１０に、隙間嵌めの外嵌め状とされ、矩形内枠部６５を基板１０の表面（図１の上面）１４に、図１、図２に示したように、平面視、所定幅Ｗ１でもって重なる配置で載置状とされている。このように、本例におけるフレーム６１は、その内周に沿う各辺寄り部位が、セラミック基板１０における外周に沿う各辺に沿って、それぞれ平行で、所定幅Ｗ１で重なる配置をなして載置されている。すなわち、本例では矩形内枠部６５のうち、矩形外枠部６３の内周より内側に位置する内周に沿う部位（所定幅Ｗ１の部位）を、基板１０の表面１４の周囲に沿わせて配置されている。これにより、矩形外枠部６３が、基板１０、及びヒートシンク２１の外周端より外方に所定の幅Ｗ２で突出した幅部位をなし、この幅部位が冷媒流路形成体の取り付け部位（以下、ケース取り付け部位、又は単に取り付け部位ともいう）６６を形成するものとされている。ただし、後で詳細に述べるが、幅Ｗ２で突出した幅部位における内方（基板１０の外周面に接する側）には、その上下面に樹脂７０が接合された状態をなしているため、ケース取り付け部位６６をなすのは、その幅Ｗ２の幅部位より狭く、幅部位の幅Ｗ２とは一致しない。なお、フレーム６１は本例ではＳＵＳ製とされるが、Ａｌ，Ｃｕなど、適度の強度を有する金属材で形成することができるなど、その材質は適宜に選択すればよい。

また、本例におけるフレーム６１は、平面視（図２参照）、セラミック基板１０の４つの角と、その長辺における中間部位において、円弧状の切欠き（凹部）６７を有している。そして、この円弧状の切欠き６７内のうち、平面視、外周寄り部位には、フレーム６１とセラミック基板１０との重なりが部分的に存在しないように設定されている。したがって、フレーム６１の基板１０に対する載置状態において、この切欠き６７内の外周寄り部位（図２中、ダブルハッチング部）は、フレーム６１の厚み方向に貫通する貫通部（貫通穴）６０とされている。本例では、半導体装置１０１、及びフレーム６１をインサート品として、樹脂７０を、フレーム６１の内周に沿って基板１０上の外周寄り部位に射出成形することで、フレーム６１を基板１０に対し、いわば鋳ぐるみ状にモールド成形して固定する設定とされている。このため、樹脂７０自体の基板１０に対する接着力が小さい場合にはフレーム６１の固定が不安定となることから、この貫通部６０を通って樹脂７０を基板１０、及びフレーム６１の裏面、又はヒートシンク２１の外周面（側面）にも回り込ませることで、フレーム６１の固定をする構成としている。したがって、樹脂７０を基板１０に射出成形すること自体で、樹脂７０の基板１０に対する十分な接着力が得られる場合には、このような貫通部は要しない。

また、本例では、フレーム６１の矩形外枠部６３には、その外周の４つの角と、平面視、長辺の中間部位における、それぞれ外周寄り部位に、円形の貫通穴６８を有している。この貫通穴は、冷媒流路形成体（以下、ケースという）をねじ止めして取り付ける際のネジ部材挿通穴（以下、ネジ部材挿通穴６８）である。すなわち、このネジ部材挿通穴６８は、セラミック基板１０の外周端、及びフレーム６１の表、裏両面側に回り込ませる樹脂７０より外方に位置されており、矩形外枠部６３におけるケース取り付け部位６６に設けられている。さらに、本例では、フレーム６１のケース取り付け部位６６における図１の下面６６ａのうち、ネジ部材挿通穴６８より内方（図２の平面視における基板１０の中心に向かう方）であり、セラミック基板１０の外周端、フレーム６１の裏両面側に回り込ませる樹脂７０より外方に位置する部位に、基板１０の外周、フレーム６１の内周の四角の辺に沿って、シール用パッキン装填用の凹溝６９が形成されている。

このような本例の半導体装置１０１においては、セラミック基板１０の外周端より若干外方であり、フレーム６１の矩形内枠部６５の上面において、該矩形内枠部６５の外側（矩形外枠部６３の内周端近傍。凹溝６９より内方）を外周とし、矩形内枠部６５の内周端より適量内方に入り込んだ位置を内周とする、内外所定幅Ｗ３（図１，２参照）の部位に、樹脂７０が、セラミック基板１０の外周の四辺に沿って、断面概略矩形をなすように射出成形で形成されている。すなわち、樹脂７０は、平面視、図２において２点鎖線で示したように、半導体素子３１を包囲する四角の枠体をなすように所定幅Ｗ３の部位で射出成形で形成され、セラミック基板１０に対し、フレーム６１を固定している。なお、本例では、上記もしたように、フレーム６１の裏面のうち、ヒートシンク２１におけるベース部位２３の周囲に沿って、そのベース部位２３の厚みと略同じ厚みで、上記樹脂７０が上記した貫通部６０を介して回り込んでいる。なお、このように形成された樹脂７０は、セラミック基板１０の外周と、フレーム６１における矩形外枠部６３の内周と間を、基板１０の裏面１２側から表面１４側（半導体素子３１側）へ冷媒がリークして入り込むのが確実に防止されるよう、その間の気密封止が図られている。なお、樹脂７０自体で、セラミック基板１０及びフレーム６１に対する十分な密着性、乃至、接合強度が得られる場合には、上記もしたように本例におけるような貫通部６０は要しない。そして、このような場合には、例えばセラミック基板１０の表面１４側においてのみで、樹脂７０によってフレーム６１を基板１０に接着、固定すればよい。

上記した構成の本例の半導体装置１０１においては、ヒートシンク２１とは別の部品であるフレーム６１を樹脂７０で基板１０に固定し、そのフレーム６１において樹脂７０より外方に突出する幅部位であるケース取り付け部位６６で、ケースの取り付けを行うことができる。しかも、本例の半導体装置１０１においては、セラミック基板１０に形成された金属層に切り起こし法によってフィン２５が形成されてなるものであるが、上記構成に基づき、そのフィン２５を覆う冷媒流路の形成用のケースを取り付けるためのケース取り付け部位６６を、簡易、合理的に得られる。すなわち、本例では、ヒートシンク２１とは別の部品であるフレーム６１を樹脂７０で基板１０に固定し、そのフレーム６１において樹脂７０より外方に突出する幅部位がケース取り付け部位６６を形成するものとなっている。このため、切り起し法によりフィン２５を形成してなるヒートシンク２１の周囲を、所定幅にて平面研削等することによりケース取り付け部位を形成する場合に比べると、ケース取り付け部位６６が簡易、合理的に形成できる。これにより、切り起し法によりフィン２５を形成してなる小型のヒートシンク２１付きの半導体装置１０１においても、容易にケースを取り付けることができるため、放熱性に優れた半導体装置１０１を得ることができる。

なお、図１では、ケース９１が、フィン２５を覆うようにして、ヒートシンク２１におけるケース取り付け部位６６に取り付けられている状態を示している。このケース９１は、ケース取り付け部位６６に対応する取り付け部として、周壁９３の先端において外向きに突出するフランジ９５を有している。そして、このフランジ９５には、上記凹溝６９とネジ部材挿通穴６８に対応して設けられた溝、ネジ穴が設けられている。これにより、このケース９１の取り付けにおいては、その溝にゴムからなるシール用パッキン（Ｏリング）９７を装填して、そのフランジ９５をケース取り付け部位６６にあてがい、ネジ部材挿通穴６８からネジ部材９８をねじ込むことで、ケース９１はシールを保持しつつ取り付けられる。かくして、セラミック基板１０に形成された金属層に切り起こし法によってフィン２５が形成されてなるヒートシンク２１を含む半導体装置１０１でありながら、液体を冷媒としてケース９１内に循環させることができる構成を得ることができる。なお、このケース９１には、図３に示したように、例えば、その周壁９３の一方に冷媒の流入口９３ａが設けられ、対向する周壁に冷媒の流出口９３ｂが設けられている。図３においては、これら流入口９３ａ、流出口９３ｂは、冷媒がフィン２５の面に沿って（フィン２５相互の間を）流れるように、フィン２５の各端２５ａ，２５ｂ側に位置するように設けられている。

また、本例においては、半導体素子３１に外部取り出し用のリードフレーム５５を取り付け、さらには、回路基板１０とのワイヤボンデイング等の後において、フレーム６１を固定している平面視、四角の枠体をなす樹脂７０の内側に、別途、柔軟な樹脂７０（例えば、シリコン樹脂７０）を充填することで、そのワイヤに影響を及ぼすことなく半導体素子３１を封止できる。本例では、射出成形により半導体素子３１を封止すると、ボンデイングされたワイヤに断線等の危険があるような場合に好適である。すなわち、フレーム６１を固定している平面視、四角の枠体をなす樹脂７０が、半導体素子３１の封止用樹脂充填時における型枠を兼ねるものとなっている。なお、断線の危険がないような場合には、フレーム６１を固定する樹脂７０が、半導体素子３１の封止をも兼ねるものとすることで、モールド工程の増加も防止できる。これについては後述する。

上記例では、ケース取り付け部位６６にケース９１をネジ部材９８で取り付ける場合を例示したが、フレーム６１とケース９１の材質次第では、ロウ付け、又は溶接によって取り付けることもできる。もちろん、そのような場合には、ネジ部材挿通用穴６８やシール用パッキン装填用の凹溝６９は不要である。これより理解されるが、ケース取り付け部位６６の形状、構造は、取り付けるべき相手方をなすケース９１の取り付け方、又は、その取り付け部の形状、構造に応じて設定すればよい。

ここで上記半導体装置１０１の製造工程例の概要等について、図４、図５に基づいて説明する。図４−Ａに示したように、セラミック基板１０の表面１４、裏面１２に、それぞれ、回路用、及び切り起し法によるフィン形成用の金属層４０、２０を形成する。これには、それぞれ金属板をロウ付けで圧着するか、コールドスプレー法など、所定の金属層が形成できる公知の方法を用いればよい。次に、図４−Ｂに示したように、基板１０の表面１４の金属層４０に、エッチングにより回路パターンを形成し回路用金属層４１を得る。そして、図４−Ｃに示したように、フィン２５を切り起こし法により形成する。次に、図４−Ｄに示したように、セラミック基板１０の外周に沿って、フィン２５形成後の金属層（ベース部位）２３の周囲の少なくとも、切り起こし加工におけるチャック部位（両側の部位）を、フィン２５の両端において確実にフィン２５の根元が、端面に露出するように研削等により切除する。このように本発明においては、ヒートシンク２１自身により、ケース９１の取り付けを考慮する必要がないため、フィン２５の切り起こし形成後は、要すれば、上記したように周囲を単に切除すればよい。このとき、周囲の四辺に沿って切除することで、フィン２５の形成領域をセラミック基板１０（面）と同一にできるため、放熱性の高い小型、軽量なフィン２５群を有する半導体装置１０１を得ることができる。こうして得られた放熱モジュールにおける表面（セラミック基板１０の表面１４）の回路用金属層４１に、図４−Ｅに示したように、半導体素子３１をロウ付けにより実装して半導体装置（仕掛品）１０１ａを得る。

次に、半導体装置１０１ａ（仕掛品）を、射出成形用の図示しない金型内にインサート品として配置すると共に、別途、製造された上記フレーム６１も、上記した配置（図５−Ｆ参照）となるようにしてインサート品として配置する。金型は、型閉じした時、上記したようなフレーム６１の上面や裏面に樹脂７０が成形され得るキャビティを有する設定とされている。これにより、型閉じ後、射出成形することにより、図５−Ｇに示したように、上記した半導体装置１０１（ただし、ワイヤボンディング前、リードフレーム５５接合前）が得られる。かくては、上記したように、ワイヤボンディング、及びリードフレーム５５を接合し、その後、フレーム６１を固定している四角の枠体をなす樹脂７０の内側に、別途、柔軟な樹脂８０（例えば、シリコン樹脂）を充填して半導体素子３１を封止する（図５−Ｈ参照）。このようにして得られた半導体装置１０１に対し、上記したようにしてケース９１を取り付けることで、図１の半導体装置１０１が得られる。なお、図１では、半導体素子３１を封止する樹脂８０を省略している。また、この樹脂８０は、ケース９１の取り付後に行ってもよい。

上記したように、本例の半導体装置１０１では、ケース９１の取り付けを、ヒートシンク２１とは別の部品であるフレーム６１を樹脂７０でセラミック基板１０に固定し、そのフレーム６１において突出する幅部位がケース取り付け部位６６を形成するものとされている。このため、その製造工程においては、切り起こし法でフィン２５を形成した後、フィン２５の根元を端面に露出させるためには、周囲の所定幅部位を切除するだけでよい。したがって、ヒートシンク２１の周囲にそれ自体によってケース取り付け部位を設ける場合のように、その周囲を、所定幅部位で低位となるように平面研削してケース取り付け部位を形成してフィンの根元を端面に露出させる場合に比べると、加工がきわめて容易となる。それ故、本発明では、セラミック基板に形成された金属層に切り起こし法によってフィンが形成されてなるヒートシンクを含む小型の半導体装置でありながら、ケース取り付け部位を有するものが低コストで得られるのである。

次に、上記例の変形例について図６に基づいて説明する。ただし、この半導体装置２０１は、上記例とは、樹脂７０の成形において、半導体素子３１も同時に封止するようにした点のみが異なるのみのため、同一の部位には、同一の符号を付すに止め、詳細な説明は省略する。すなわち、このものは、ワイヤボンデングを用いることなく、強度のあるリードフレーム５５による接続方式の端子取り出し構造とされているため、樹脂７０によるフレーム６１の基板１０への固定において、半導体素子３１の封止も兼ねている。ただし、リードフレーム５５には、要すれば、アンダーフィル材による局所的な絶縁強化を確保した上で、樹脂７０を射出成形するのが好ましい。上記例のように本発明においてフレーム６１を固定する樹脂７０は、半導体素子３１の封止とは別に、フレーム６１の固定のみのためのものとしてもよい。しかし、射出成形で配線等に支障が出ない本例のような場合には、半導体素子３１の封止も兼ねるものとするのが好ましい。もっとも、本発明では、樹脂７０にてフレーム６１がセラミック基板１０に固定され、しかも、フレーム６１のケース取り付け部位６６にケース９１を取り付けて冷媒を循環させる際に、その冷媒が、フレーム６１とセラミック基板１０との接合界面を通って半導体素子３１側（配線側）にリーク（侵入）するのが防止できればよい。したがって、フレーム６１を基板１０に固定する樹脂７０は、適宜の形状、構造のものとして具体化できる。

なお、上記例では、フレーム６１が、セラミック基板１０の表面１４に直接、当接状態とされて載置され、その状態において樹脂７０が成形されて固定される構造を例示したが、射出成形型へのフレーム６１のインサート時においては、図７に示したように、このフレーム６１の矩形内枠部６５とセラミック基板１０の表面１４との間には隙間（空隙）Ｋがあり、この隙間Ｋに、フレーム６１の固定用の樹脂７０が入り込む形で、射出成形されるようにしてもよい。フレーム６１は、セラミック基板１０に樹脂７０を介して、半導体素子３１側に冷媒のリークがないように固定されていればよいためである。しかも、射出成形前、このように隙間Ｋがある場合には、フレーム６１がインサート品として金型内に配置されたときには、セラミックに接触させないようにすることができる。よって、セラミックのワレ等の損傷の発生防止に有効であるし、射出成形後の樹脂７０の接着面積の増大が図られる分、接着面間の気密性が高められる。

またセラミック基板１０のワレ等の損傷の発生防止のためには、図８に示したように、フレーム６１が、別の樹脂層８３（又は、フレーム６１材より低硬度のメタル層８３）を介してセラミック基板１０の表面１４に重ねられるように配置するのがよい。すなわち、セラミックの基板１０の表面１４のうち、フレーム６１が重ねられる部位に、事前に樹脂層８３をコーティングして形成しておくか、樹脂シートを接着等により配置しておくなどにより、樹脂層８３を形成しておくとよい。このようにしておけば、フレーム６１がＳＵＳ製である場合のように高硬度材からなる場合でも、セラミック基板１０にワレ等の損傷の発生防止が図られる。なお、樹脂層８３に代えて、フレーム６１より低硬度の（柔らかい）金属層を介在させておくこととしてもよい。そして、このような金属層は、回路用金属層４１のパターン形成のためのエッチング時に同時に形成するとよい。

上記例では、１つのセラミック基板１０に１つの半導体素子３１を搭載した半導体装置１０１において本発明を具体化した場合で説明したが、１つのセラミック基板に複数の半導体素子３１を搭載した半導体装置においても同様に具体化できる。また、フレームの形状は、セラミック基板の外周に重ねられて、樹脂でシールが確保されるようにして固定され得ると共に、その外周にケース取り付け部位が突出して形成されるものであればよい。したがって、フレームの平面形状は適宜のものとして具体化できる。また、このフレームは横断面が一定の平板において形成することもできる。さらに、図１の例のように、ケース取り付け部位６６をなす面（下面）６６ａは、セラミック基板１０の裏面１２と面一とすることもできるし、図７、図８に示したように、その裏面１２と異なる面として具体化することもできる。また、フレームを横断面が一定の平板からなるものとする場合には、ケース取り付け部位をなす面は、セラミック基板の表面と同じとし得る。また、上記各例ではケース取り付け部位をなす面は、シール用パッキン装填用の凹溝を除けば平面のものとして具体したが、その面は平面でなくともよい。

さらに、ケース取り付け部位をなす面は、相手方をなすケースの取り付け構造との関係で、適宜の構造に設定すればよい。また、上記例では、フレーム６１におけるケース取り付け部位６６の図示、下面６６ａにおいて、ケース９１を取り付けるものとして説明したが、ケース９１は、ケース取り付け部位６６における図示上面、又はその両面において、ケースとの必要なシールが確保されるように、相手方ケースに応じて取り付けるようにすればよい。そして、上記例では、フィンを覆う形で取り付ける冷媒流路形成体として、上方が開口されたトレイ状のケースを例示したが、本発明の半導体装置において取り付けられる対象の冷媒流路形成体はこれに限られるものではなく、冷媒流路を形成する凹部を有するものであれば広く適用できる。すなわち、冷媒流路形成体は、冷媒流路を形成する凹部が上面（片面）の部分において形成された一又は複数の部材から成る基板構造のものであってもよい。また、上記例では、冷媒流路形成体をなすケースを、上記半導体装置に対し、そのフィンを覆う形で取り付ける場合で説明したが、逆に、フィンが覆われる形で冷媒流路形成体に取り付けることとしてもよい。

なお、本発明におけるフレームを固定するための樹脂は、電気的絶縁性に優れ、かつ耐熱、耐水、耐油等の耐久性に優れた素材で、特に、高温時の強度に優れ、弾性係数の大きい材料を用いるのがよい。例示的には、ＰＰＳ樹脂、ＰＣ樹脂、ＰＢＴ樹脂が例示される。また、本発明におけるフレームを固定するための樹脂には、ガラス繊維やカーボン繊維等の強化材を含んだものも含まれる。さらに、本発明におけるセラミック基板は、アルミナの他、チッカ珪素などを用いることもできる。また、金属層としては銅（銅合金）を用いることもできるなど、適宜の公知素材を用いることができる。

１０ セラミック基板
１２ セラミック基板の裏面
１４ セラミック基板の表面
２１ ヒートシンク
２５ フィン
３１ 半導体素子
６１ フレーム
６６ ケース取り付け部位（取り付け部位）
６８ ネジ部材挿通穴
６９ シール用パッキン装填用の凹溝
７０ 樹脂
８３ 樹脂層
９１ ケース（冷媒流路形成体）
１０１、２０１ 半導体装置
Ｗ２ 基板の外周端及びヒートシンクの外周端よりも外方に突出する幅部位の幅

Claims (6)

1. セラミック基板の裏面にフィン付きのヒートシンクが接合され、該セラミック基板の表面に半導体素子が搭載されてなる半導体装置であって、前記フィンはセラミック基板に接合又は形成された金属層において切り起こし法によって形成されてなるものであり、しかも、該フィンを覆う形で冷媒流路形成体を取り付けるための取り付け部位、又は該フィンが覆われる形で冷媒流路形成体に取り付けるための取り付け部位を有してなる半導体装置において、
   該取り付け部位が、前記セラミック基板の表面に、平面視、その周囲に沿って重なる部位を有すると共に該セラミック基板の外周端及び前記ヒートシンクの外周端よりも外方に突出する幅部位を有するフレームによって形成されるように、該フレームが、その内周に沿う部位を、前記セラミック基板の表面の周囲に沿わせて配置されると共に、少なくとも該内周に沿う部位において形成された樹脂によって前記セラミック基板に固定され、
   該フレームにおける前記突出する幅部位が前記取り付け部位を形成していることを特徴とする半導体装置。
2. 前記樹脂は、射出成形により、前記半導体装置に加えて、該フレームもインサート品として、前記半導体素子を後で封止するための樹脂の枠体も兼ねて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。
3. 前記樹脂は、射出成形により、前記半導体装置に加えて、該フレームもインサート品として、前記半導体素子の封止も兼ねて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。
4. 前記フレームの内周に沿う部位が、前記セラミック基板の表面に、樹脂層、又は該フレームより低硬度のメタル層を介して配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記取り付け部位には、前記冷媒流路形成体を取り付けるためのネジ部材挿通穴が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記取り付け部位には、前記ネジ部材挿通穴よりも内方においてシール用パッキン装填用の凹溝が、前記セラミック基板の外周に沿う形で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。

Images