JP2015185835A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】体格の増大及び放熱性の低下を抑制しつつ、固定の長期安定性が確保された樹脂封止型の半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置は、電子部品（２０，２０ａ，２０ｂ）と、モールド樹脂部（３０）と、電子部品の生じた熱を放熱するヒートシンク（４０，４０ａ，４０ｂ）と、モールド樹脂部にインサートされたカラー（５０，５０ａ，５０ｂ）と、を備える。ヒートシンクは、カラーの内部空間（５３，５３ａ，５３ｂ）と連通し、雄ねじが挿通される貫通孔（４８，４８ａ，４８ｂ）を有する。ヒートシンクの放熱面（４１，４１ａ，４１ｂ）が、モールド樹脂部の一面から露出されている。カラーは、モールド樹脂部よりも剛性の高い材料を用いて形成されるとともに、開口端の一方（５１，５１ａ，５１ｂ）がヒートシンクに密着し、他方（５２，５２ａ，５２ｂ）がモールド樹脂部の一面と反対の裏面から露出されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、樹脂封止型の半導体装置及びその製造方法に関し、特にヒートシンクとカラーを備える半導体装置及びその製造方法に関する。

従来、特許文献１に記載のように、樹脂封止型の半導体装置が知られている。半導体装置（電子回路装置）は、電子部品（半導体素子）と、電子部品を封止するモールド樹脂部と、電子部品に積層され、電子部品の生じた熱を放熱するヒートシンクと、を備えている。

特開２０１３−２２５５５６号公報

上記した半導体装置は、たとえば、冷却器にねじ締めにより固定されて冷却される。モールド樹脂部に貫通孔や切り欠き部を設け、ねじを挿通させることで、半導体装置を冷却器に固定する場合、モールド樹脂部のクリープにより、半導体装置を長期にわたって安定的に冷却器に固定することが困難である。そこで、モールド樹脂部の一部として、電子部品及びヒートシンクと干渉しない位置にブラケット部を設け、このブラケット部にカラーをインサートすることで、固定の長期安定性を確保することが考えられる。しかしながら、半導体装置の体格が増大してしまう。

また、上記半導体装置として、電子部品の一面側のみにヒートシンクが配置された片面放熱構造の半導体装置と、電子部品の両面側にヒートシンクが配置された両面放熱構造の半導体装置と、が知られている。片面放熱構造の半導体装置の場合、モールド樹脂部を成形する際に、型のキャビティを構成する壁面にヒートシンクを密着させることができない。換言すれば、型によってヒートシンクを強く押すことができない。したがって、ヒートシンクの放熱面、特に外周縁部にバリが生じてしまう。両面放熱構造の半導体装置の場合も、ヒートシンクの間に、ＩＧＢＴなどの電子部品を介在させているため、型によってヒートシンクを強く押すことができない。したがって、ヒートシンクの放熱面、特に外周縁部に樹脂バリが生じてしまう。

このように樹脂バリが生じると、ねじ締結構造において、樹脂バリ部分のクリープにより、固定の長期安定性を確保することが困難となる。また、放熱面積が減少すること、さらには、樹脂バリの分、放熱面と冷却器との隙間が大きくなり、熱抵抗が増大することにより、放熱性が低下する虞がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、体格の増大及び放熱性の低下を抑制しつつ、固定の長期安定性が確保された樹脂封止型の半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲及びこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

開示された発明のひとつは、冷却器（１００，１０６，１０７）にねじ締めにより固定されて冷却される半導体装置であって、電子部品（２０，２０ａ，２０ｂ）と、電子部品を封止するモールド樹脂部（３０）と、電子部品の厚み方向において電子部品に積層され、電子部品の生じた熱を放熱するヒートシンク（４０，４０ａ，４０ｂ）と、一方向に延設された筒状をなし、モールド樹脂部にインサートされ、ねじ締めの雄ねじ（１０４，１０９，１１０）が挿通されるカラー（５０，５０ａ，５０ｂ）と、を備えている。

そして、ヒートシンクは、カラーの内部空間（５３，５３ａ，５３ｂ）と連通し、雄ねじが挿通される貫通孔（４８，４８ａ，４８ｂ）を有している。ヒートシンクにおいて、電子部品との対向面と反対の面がモールド樹脂部の一面から露出された放熱面（４１，４１ａ，４１ｂ）とされている。加えて、カラーは、モールド樹脂部よりも剛性の高い材料を用いて形成されるとともに、開口端の一方（５１，５１ａ，５１ｂ）がヒートシンクの対向面に密着し、他方（５２，５２ａ，５２ｂ）がモールド樹脂部の一面と反対の裏面から露出されていることを特徴とする。

これによれば、カラーの内部空間とヒートシンクの貫通孔が連通するように、カラーとヒートシンクが積層配置されている。したがって、電子部品及びヒートシンクと干渉しない位置にカラーを配置する構成に較べて、半導体装置の体格の増大を抑制することができる。

また、ヒートシンクの放熱面がモールド樹脂部の一面から露出されている。加えて、カラーの開口端の一方がヒートシンクに密着しており、開口端の他方がモールド樹脂部の裏面から露出されている。このような半導体装置は、モールド樹脂部の成形において、型によってヒートシンク及びカラーを挟んで、キャビティの相対する壁面の一方にヒートシンクの放熱面を密着させるとともに、壁面の他方にカラーにおけるヒートシンクと反対側の開口端を密着させることで、得ることができる。相対する壁面間に、カラー及びヒートシンクが介在されるため、型によって強く押すことができる。

したがって、本発明によれば、ヒートシンクの放熱面上やカラーの開口端上に、樹脂バリが生じるのを抑制することができる。樹脂バリ部分のクリープの問題が生じないため、半導体装置を長期にわたって安定的に固定することができる。また、樹脂バリによる放熱面積の減少、熱抵抗の増大が生じないため、放熱性の低下を抑制することができる。

このように、電子部品の片側にヒートシンクが配置された片面放熱構造、両側にヒートシンクが配置された両面放熱構造、いずれの半導体装置においても、体格の増大及び放熱性の低下を抑制しつつ、固定の長期安定性を確保することができる。なお、片面放熱構造の場合、カラーにより、モールド樹脂部の裏面側にも放熱することができる。すなわち、従来の片面放熱構造の半導体装置よりも、放熱性を向上することもできる。

第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。 図１のII-II線に沿う断面図である。 図１に示す半導体装置を冷却器に固定した状態を示す図であり、図２に対応している。 半導体装置の製造工程のうち、成形工程を示す図であり、図２に対応している。 第１変形例を示す断面図であり、図２に対応している。 第２変形例を示す平面図である。 第３変形例を示す平面図である。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図であり、図４に対応している。 第３実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。 図９のX-X線に沿う断面図である。 図９のXI-XI線に沿う断面図である。 図９に示す半導体装置を冷却器に固定した状態を示す図である。 半導体装置の製造工程のうち、成形工程を示す図であり、図１０に対応している。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。また、半導体チップの厚み方向、換言すれば電子部品とヒートシンクの積層方向をＺ方向、Ｚ方向に直交し、各端子の延設方向をＹ方向と示す。また、Ｚ方向及びＹ方向の両方向に直交する方向をＸ方向と示す。上記したＸ方向及びＹ方向により規定されるＸＹ面が、Ｚ方向に直交する面であり、特に断わりのない限り、ＸＹ面に沿う形状を平面形状とする。

（第１実施形態）
先ず、図１及び図２に基づき、半導体装置の構成について説明する。図１及び図２に示すように、半導体装置１０は片面放熱構造をなしており、電子部品２０と、モールド樹脂部３０と、ヒートシンク４０と、カラー５０と、を備えている。この半導体装置１０は、三相インバータを構成する６つのアームのうち、１つのアームを有する所謂１ｉｎ１パッケージとして構成されている。半導体装置１０は、例えば車両走行用のモータを駆動させるためのインバータに組み入れられる。

半導体装置１０は、電子部品２０として、２つの半導体チップ２０ａ，２０ｂを有している。これら半導体チップ２０ａ，２０ｂはＹ方向に並んで配置されている。半導体チップ２０ａには、スイッチング素子としての絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が形成されている。一方、半導体チップ２０ｂには、転流ダイオード（ＦＷＤ）が形成されている。これら半導体チップ２０ａ，２０ｂは、Ｚ方向に電流が流れる所謂縦型構造をなしており、Ｚ方向両面に電極を有している。半導体チップ２０ａは、Ｚ方向における一方の面側にコレクタ電極を有し、反対の面側にエミッタ電極と制御用電極を有している。半導体チップ２０ｂは、上記したコレクタ電極と同じ側の面にカソード電極を有し、エミッタ電極と同じ側の面にアノード電極を有している。

モールド樹脂部３０は、電子部品２０（半導体チップ２０ａ，２０ｂ）を封止している。モールド樹脂部３０は、図示しない金型内に樹脂を注入し、成形してなるものである。たとえば、エポキシ系樹脂などの熱硬化性樹脂を用いてトランスファモールド法により成形することができる。本実施形態では、平面略矩形状をなしており、Ｚ方向における一面３１及び該一面３１と反対の裏面３２のうち、一面３１から、ヒートシンク４０の放熱面４１が露出されている。

ヒートシンク４０は、Ｚ方向において電子部品２０に積層配置（対向配置）され、電子部品２０の生じた熱を放熱するものである。本実施形態では、ヒートシンク４０が、半導体チップ２０ａのコレクタ電極形成面側（半導体チップ２０ｂのカソード電極形成面側）に配置されている。Ｚ方向において、ヒートシンク４０は、モールド樹脂部３０の一面３１から露出される放熱面４１と、放熱面４１と反対の対向面４２と、を有している。また、ヒートシンク４０は、本体部４３と、端子部４４と、を有しており、本体部４３が上記した放熱機能を果たす。一方、端子部４４は、電子部品２０を外部機器と電気的に接続するための中継機能を果たす。

本体部４３は、金属層４５と、絶縁層４６と、金属層４７と、を有している。金属層４５における絶縁層４６と反対の面が、上記した放熱面４１をなしている。本実施形態では、放熱面４１が、平坦な一面３１と略面一となっている。また、金属層４５には、放熱フィン６０がろう付けされている。なお、放熱フィン６０と金属層４５とを一体的に形成することもできる。

金属層４５における放熱面４１と反対の面には、金属層４５と金属層４７とを電気的に分離するための絶縁層４６が介在されている。金属層４７における絶縁層４６と反対の面は、ヒートシンク４０における電子部品２０との対向面４２をなしている。本実施形態では、半導体チップ２０ａのコレクタ電極形成面及び半導体チップ２０ｂのカソード電極形成面が金属層４７に対向配置され、コレクタ電極及びカソード電極が金属層４７にはんだ付けされている。また、金属層４７は、端子部４４と一体的に形成されている。

端子部４４は、平面矩形状をなす本体部４３の一辺からＹ方向に延設されている。そして、モールド樹脂部３０の側面３３から突出している。同じ側面３３から、主端子６１も突出している。この主端子６１もＹ方向に延設されている。半導体チップ２０ａ，２０ｂは、側面３３側からＹ方向に、半導体チップ２０ｂ、半導体チップ２０ａの順に配置されており、主端子６１は、半導体チップ２０ｂを跨いで、半導体チップ２０ａのエミッタ電極と対向するように配置されている。そして、主端子６１が、半導体チップ２０ｂのアノード電極及び半導体チップ２０ａのエミッタ電極にはんだ付けされている。

また、モールド樹脂部３０における側面３３と反対の側面３４から、制御端子６２が突出している。制御端子６２は、ボンディングワイヤ６３を介して、半導体チップ２０ａ（ＩＧＢＴ）の制御電極に電気的に接続されている。この制御端子６２もＹ方向に延設されている。

カラー５０は、ねじ締めの軸力がモールド樹脂部３０に作用するのを防ぐために、モールド樹脂部３０にインサートされた筒状の部材である。すなわち、モールド樹脂部３０は、カラー５０を配置するための孔を有している。このカラー５０は、モールド樹脂部３０よりも剛性の高い材料を用いて形成されており、一方向に延設されている。本実施形態では、モールド樹脂部３０を構成する熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）よりも剛性の高い金属材用を用いて、円筒状に形成されている。金属以外にも、たとえばフィラーの添加により、モールド樹脂部３０よりも剛性の高い樹脂材料を採用することもできる。

カラー５０は、その延設方向がＺ方向にほぼ一致するように配置されている。カラー５０の開口端５１，５２のうち、開口端５１は、ヒートシンク４０の対向面４２に密着している。本実施形態では、金属層４７に密着している。しかしながら、絶縁層４６及び金属層４７が、金属層４５の一部の領域上のみに配置され、開口端５１が金属層４５に密着する構成としても良い。一方、開口端５２は、モールド樹脂部３０の裏面３２から露出されている。本実施形態では、開口端５２が、平坦な裏面３２と略面一となっている。

また、カラー５０は、平面矩形状をなす本体部４３の四隅部にそれぞれ配置されている。すなわち、Ｘ方向及びＹ方向により規定される面内において、電子部品２０（半導体チップ２０ａ，２０ｂ）を取り囲むように、４つのカラー５０が配置されている。また、本体部４３の長手方向であるＹ方向において、電子部品２０を挟むように、カラー５０が配置されている。さらには、短手方向であるＸ方向においても、電子部品２０を挟むように、カラー５０が配置されている。

ねじ締めのために、ヒートシンク４０の本体部４３には貫通孔４８が形成されている。そして、この貫通孔４８と、筒状をなすカラー５０の内部空間５３とが連通している。すなわち、本体部４３の四隅部において、貫通孔４８と内部空間５３とがそれぞれ連通している。

次に、図３に基づき、上記した半導体装置１０の冷却器への取り付け構造について説明する。

図３に示す冷却器１００は、内部に流路１０１が形成されたケーシング１０２を有しており、流路１０１に、冷却水などの冷媒が流通されるようになっている。ケーシング１０２には、流路１０１と外部雰囲気とを繋ぐ貫通孔１０３が形成されており、この貫通孔１０３を介して放熱フィン６０が流路１０１内に配置され、冷媒によって冷やされる。

ケーシング１０２は、雄ねじ１０４と螺合するための雌ねじがきられた凹部１０５を有している。半導体装置１０の放熱面４１（又は一面３１）とケーシング１０２との間には、貫通孔１０３を取り囲むように、Ｏリング１０６が介在されている。そして、ヒートシンク４０の貫通孔４８が、凹部１０５に重なるように、半導体装置１０が冷却器１００に固定されている。雄ねじ１０４は、頭部１０４ａと、柱部１０４ｂと、を有しており、柱部１０４ｂが、カラー５０の内部空間５３、ヒートシンク４０の本体部４３の貫通孔４８、及び凹部１０５に挿入され、ねじ締結されている。ねじ締めによる雄ねじ１０４の軸力の大部分は、カラー５０に作用し、モールド樹脂部３０に過大な力が作用することはない。

次に、図４に基づき、上記した半導体装置１０の製造方法について説明する。

先ず、電子部品２０としての半導体チップ２０ａ，２０ｂ、貫通孔４８を有するヒートシンク４０、及びカラー５０をそれぞれ準備する。そして、実装工程を実施する。この実装工程では、図示を省略するが、ヒートシンク４０の対向面４２に半導体チップ２０ａ，２０ｂをはんだ付けするとともに、半導体チップ２０ａ，２０ｂに対し、主端子６１をはんだ付けする。また、ボンディングワイヤ６３を介して、制御端子６２を対応する制御電極に接続する。このようにして積層体を形成する。

次いで、成形工程を実施する。貫通孔４８と内部空間５３とが連通するように、カラー５０がヒートシンク４０の対向面４２に接触配置された積層体を、図４に示すように、モールド樹脂部３０を成形するための金型７０内に配置する。本実施形態では、実装工程で、カラー５０をヒートシンク４０に接合せず、ヒートシンク４０上にカラー５０を配置した状態で金型７０内に配置する。

金型７０は、Ｚ方向に開閉可能とされた上型７０ａ及び下型７０ｂを有しており、これら型７０ａ，７０ｂのキャビティ７１内に、カラー５０を含む積層体を位置決め配置する。なお、金型７０が、特許請求の範囲に記載の型に相当する。そして、金型７０をＺ方向、すなわち積層体の積層方向に型締めし、上型７０ａと下型７０ｂとによってヒートシンク４０及びカラー５０を挟む。このとき、ヒートシンク４０は下型７０ｂから力を受け、カラー５０は上型７０ａから力を受ける。図４中の白抜き矢印はこの力を示している。したがって、キャビティ７１を構成する壁面のうち、下型７０ｂの壁面７２にヒートシンク４０の放熱面４１が密着し、上型７０ａの壁面７３にカラー５０の開口端５２が密着する。なお、壁面７２，７３はＺ方向において互いに対向する壁面である。この密着状態（型締め状態）で、キャビティ７１内に樹脂を注入してモールド樹脂部３０を成形する。以上により、半導体装置１０を得ることができる。

なお、上記した例では、カラー５０をヒートシンク４０に固定せずに、キャビティ７１に配置する例を示した。しかしながら、実装工程において、予めカラー５０をヒートシンク４０に固定（接合）しておき、接合されたヒートシンク４０及びカラー５０を、上型７０ａと下型７０ｂとによって挟んでも良い。

次に、本実施形態に係る半導体装置１０の効果について説明する。

本実施形態の半導体装置１０では、ヒートシンク４０の貫通孔４８とカラー５０の内部空間５３とが連通するように、カラー５０がヒートシンク４０に積層配置されている。したがって、電子部品及びヒートシンクと干渉しない位置にカラーを配置する構成に較べて、Ｚ方向に直交する方向における半導体装置１０の体格の増大を抑制することができる。

また、ヒートシンク４０の放熱面４１がモールド樹脂部３０の一面３１から露出されている。加えて、カラー５０の開口端５１がヒートシンク４０の対向面４２に密着し、開口端５２がモールド樹脂部３０の裏面３２に露出されている。このような半導体装置１０は、上記したように、モールド樹脂部３０の成形において、金型７０によりヒートシンク４０及びカラー５０を挟み、キャビティ７１の壁面７２に放熱面４１を密着させ、壁面７３にカラー５０の開口端５２を密着させ、開口端５１をヒートシンク４０の対向面４２密着させることで、得ることができる。

カラー５０は、スペーサとして機能するため、カラー５０とともにヒートシンク４０を金型７０によって強く押すことができる。したがって、ヒートシンク４０の放熱面４１上やカラー５０の開口端５２上に、樹脂バリが生じるのを抑制することができる。これにより、樹脂バリ部分のクリープの問題が生じないため、半導体装置１０を長期にわたって安定的に固定することができる。また、樹脂バリによる放熱面積の減少、熱抵抗の増大が生じないため、放熱性の低下を抑制することができる。

このように、本実施形態によれば、電子部品２０に対してヒートシンク４０が片側に配置された片面放熱構造の半導体装置１０において、体格の増大及び放熱性の低下を抑制しつつ、固定の長期安定性を確保することができる。なお、カラー５０により、モールド樹脂部３０の裏面３２側にも放熱することができる。すなわち、従来の片面放熱構造の半導体装置１０よりも、放熱性を向上することもできる。

加えて、本実施形態では、カラー５０の開口端５２が、モールド樹脂部３０の裏面３２と略面一となっている。したがって、金型７０の構造を簡素化することができる。また、座金を用いたねじ締めが可能であり、これにより、モールド樹脂部３０に作用する力を抑制することができる。なお、ヒートシンク４０の放熱面４１も、モールド樹脂部３０の一面３１と略面一となっているため、これによっても、金型７０の構造を簡素化することができる。

また、本実施形態では、複数のカラー５０を有するとともに、ヒートシンク４０がカラー５０に対応して同数の貫通孔４８を有し、Ｘ方向及びＹ方向により規定される面内において、電子部品２０を間に挟むように、カラー５０が配置されている。したがって、モールド樹脂部３０の収縮にともない、半導体装置１０に反りが生じても、反りを低減するように半導体装置１０を冷却器１００にねじ締結することができる。これにより、放熱性を確保することができる。

特に本実施形態では、ヒートシンク４０（本体部４３）の長手方向において、電子部品２０を間に挟むように、カラー５０が配置されている。長手方向は反りが生じやすいが、この構成により、冷却器１００への組み付け時に反りを低減し、放熱性を確保することができる。さらには、本体部４３の四隅にカラー５０が配置されているため、いずれの方向に反っても、放熱性を確保することができる。

なお、本実施形態では、半導体装置１０が放熱フィン６０を備える例を示したが、図５に示す第１変形例のように、放熱フィン６０を備えない構成としても良い。この場合、内部に冷媒が流通する冷却器と、放熱面４１との間に、図示しない絶縁シートや電気絶縁性の放熱ゲルが介在され、半導体装置１０の熱が冷却器側に放熱される。放熱面４１上には樹脂バリが生じないので、冷却器との間の隙間を所定の間隔とすることができる。すなわち、放熱性を向上することができる。

また、カラー５０の配置もヒートシンク４０の本体部４３の四隅に限定されるものではない。図６に示す第２変形例のように、本体部４３の長手方向であるＹ方向において、電子部品２０を間に挟むように、２箇所にカラー５０を配置しても良い。さらには、図７に示す第３変形例のように、本体部４３の短手方向であるＸ方向において、電子部品２０を間に挟むように、２箇所にカラー５０を配置しても良い。図６及び図７は、いずれも図１を簡素化して図示している。

また、片面放熱構造の半導体装置１０としては、上記例に限定されるものではない。たとえば、ヒートシンク４０の構造など、上記例に限定されない。電子部品２０と、電子部品２０を封止するモールド樹脂部３０と、電子部品２０の少なくとも一面側に配置され、電子部品２０の生じた熱を放熱するヒートシンク４０と、カラー５０と、を備え、ヒートシンク４０の放熱面４１が、モールド樹脂部３０から露出されるものであれば適用することができる。

（第２実施形態）
本実施形態において、第１実施形態に示した半導体装置１０及びその製造方法と共通する部分についての説明は割愛する。

本実施形態に係る半導体装置１０は、第１実施形態に示した半導体装置１０と同じである。異なる点は、その製造方法にある。

本実施形態では、図８に示すように、金型７０が、キャビティ７１を構成する壁面のうち、上型７０ａの壁面７３から突出する突起部７４を有している。この突起部７４は、Ｚ方向に延設されている。そして、突起部７４が、開口端５２側からカラー５０の内部空間５３に挿入された状態で、モールド樹脂部３０の成形がなされる。

これによれば、突起部７４によって所定位置にカラー５０が保持される。したがって、カラー５０の内部空間５３と本体部４３の貫通孔４８とを、位置精度良く連通させることができる。また、カラー５０がヒートシンク４０に固定されていなくとも、樹脂の注入圧などによって、カラー５０に位置ずれが生じるのを抑制することができる。

図８に示す例では、金型７０が、下型７０ｂの壁面７２から突出する突起部７５を有している。この突起部７５も、Ｚ方向に延設されており、突起部７５が、放熱面４１側から貫通孔４８に挿入された状態で、モールド樹脂部３０の成形がなされる。突起部７４，７５は、Ｘ方向及びＹ方向により規定される面内において、互いに重なるように設けられている。したがって、カラー５０がヒートシンク４０に固定されていなくとも、キャビティ７１内で、内部空間５３と貫通孔４８とを、位置精度良く連通させることができる。しかしながら、突起部７５を有さず、突起部７４を有する金型７０を採用することもできる。

（第３実施形態）
本実施形態において、第１実施形態に示した半導体装置１０及びその製造方法と共通する部分についての説明は割愛する。

本実施形態に係る半導体装置１０は、両面放熱構造をなしている。それ以外の点は、第１実施形態と同じである。

先ず、図９〜図１１に基づき、半導体装置１０の構成について説明する。図９〜図１１に示す半導体装置１０も、電子部品２０として、１つのアーム部を構成する半導体チップ２０ａ，２０ｂを有している。そして、半導体チップ２０ａ，２０ｂがモールド樹脂部３０によって一体的に封止された１ｉｎ１パッケージとなっている。半導体チップ２０ａ，２０ｂは、Ｘ方向に並んで配置されている。

半導体装置１０は、Ｚ方向において半導体チップ２０ａ，２０ｂの両面側に配置された一対のヒートシンク４０ａ，４０ｂを備えている。各ヒートシンク４０ａ，４０ｂは、本体部４３ａ，４３ｂと、本体部４３ａ，４３ｂから延設された端子部４４ａ，４４ｂと、有している。本体部４３ａ，４３ｂは、本体部４３同様に放熱機能を果たし、端子部４４ａ，４４ｂは、端子部４４同様に、電子部品２０を外部機器と電気的に接続するための中継機能を果たす。

本体部４３ａ，４３ｂは、第１実施形態に示した本体部４３のような絶縁層４６を有しておらず、銅などの金属材料を用いて形成されている。ヒートシンク４０ａの本体部４３ａにおける電子部品２０と反対の面が放熱面４１ａをなしており、モールド樹脂部３０の一面３１から露出されている。同じく、ヒートシンク４０ｂの本体部４３ｂにおける電子部品２０と反対の面が放熱面４１ｂをなしており、モールド樹脂部３０の裏面３２から露出されている。本実施形態では、放熱面４１ａが平坦な一面３１と略面一とされ、放熱面４１ｂが平坦な裏面３２と略面一とされている。

本体部４３ａ，４３ｂにおける放熱面４１ａ，４１ｂと反対の面は、電子部品２０との対向面４２ａ，４２ｂをなしている。本実施形態では、半導体チップ２０ａのコレクタ電極形成面及び半導体チップ２０ｂのカソード電極形成面が対向面４２ａに対向配置され、コレクタ電極及びカソード電極が本体部４３ａにはんだ付けされている。また、半導体チップ２０ａのエミッタ電極形成面及び半導体チップ２０ｂのアノード電極形成面が対向面４２ｂに対向配置され、エミッタ電極及びアノード電極が本体部４３ｂにはんだ付けされている。

本体部４３ａ，４３ｂには、本体部４３に形成された貫通孔４８同様、貫通孔４８ａ，４８ｂが形成されている。本体部４３ａ，４３ｂは、Ｘ方向を長手とする平面略矩形状をなすとともに、ほとんどの部分が互いに対向している。また、互いに重ならない部分（対向しない部分）として延設部４９ａ，４９ｂを有している。本体部４３ａは、長手辺それぞれの中央付近からＹ方向に延設された延設部４９ａを有している。本体部４３ｂは、短手辺それぞれの中央付近からＹ方向に延設された延設部４９ｂを有している。これら延設部４９ａ，４９ｂは、対応するカラー５０ａ，５０ｂが密着する部分である。

なお、半導体チップ２０ａのエミッタ電極形成面及び半導体チップ２０ｂのアノード電極形成面と、ヒートシンク４０ｂの対向面４２ｂとの間に、電気的な中継部材（金属ターミナル）がそれぞれ介在されることで、各電極形成面と対向面４２ｂとの間に所定の間隔が確保される構成としても良い。

端子部４４ａ，４４ｂは、平面略矩形状をなす本体部４３ａ，４３ｂの長手辺のひとつからＹ方向にそれぞれ延設されている。そして、モールド樹脂部３０の側面３３から突出している。

また、半導体装置１０は、ヒートシンク４０ａに密着するカラー５０ａと、ヒートシンク４０ｂに密着するカラー５０ｂと、を有している。カラー５０ａの開口端５１ａは、対向面４２ａ側において、ヒートシンク４０ａの延設部４９ａに密着し、反対の開口端５２ａは、モールド樹脂部３０の裏面３２から露出されている。同じく、カラー５０ｂの開口端５１ｂは、対向面４２ｂ側において、ヒートシンク４０ｂの延設部４９ｂに密着し、反対の開口端５２ｂは、モールド樹脂部３０の一面３１から露出されている。

カラー５０ａは、短手方向であるＹ方向において、電子部品２０を挟むように配置されている。カラー５０ｂは、本体部４３ａ，４３ｂの長手方向であるＸ方向において、電子部品２０を挟むように配置されている。すなわち、Ｘ方向及びＹ方向により規定される面内において、電子部品２０（半導体チップ２０ａ，２０ｂ）を取り囲むように、４つのカラー５０ａ，５０ｂが配置されている。

また、カラー５０ａの内部空間５３ａは、ヒートシンク４０ａの貫通孔４８ａに連通し、カラー５０ｂの内部空間５３ｂは、ヒートシンク４０ｂの貫通孔４８ｂに連通している。

次に、図１２に基づき、冷却器への取り付け構造について説明する。図１２では、便宜上、端子部４４ａ，４４ｂ、制御端子６２などを省略して図示している。

図１２に示す例では、Ｚ方向において、半導体装置１０の両面側に冷却器１０７，１０８が配置されている。この冷却器１０７，１０８の内部には、冷媒が流通している。そして、放熱面４１ａと冷却器１０７との間に、図示しない絶縁シートや電気絶縁性の放熱ゲルが介在され、半導体装置１０の熱が冷却器１０７側に放熱されるようになっている。また、放熱面４１ｂと冷却器１０８との間に、図示しない絶縁シートや電気絶縁性の放熱ゲルが介在され、半導体装置１０の熱が冷却器１０８側に放熱されるようになっている。なお、符号１０９は、半導体装置１０を冷却器１０７に固定するための雄ねじを示し、符号１１０は、半導体装置１０を冷却器１０８に固定するための雄ねじを示している。雄ねじ１０９は、カラー５０ａ及び貫通孔４８ａに挿入され、雄ねじ１１０は、カラー５０ｂ及び貫通孔４８ｂに挿入されている。

次に、図１３に基づき、上記した半導体装置１０の製造方法について説明する。図１３では、図１０に対応する断面について例示している。

先ず、電子部品２０としての半導体チップ２０ａ，２０ｂ、ヒートシンク４０ａ，４０ｂ、及びカラー５０ａ，５０ｂをそれぞれ準備する。そして、実装工程を実施する。この実装工程では、図示を省略するが、ヒートシンク４０ａ，５０ａの間に電子部品２０を介在させるとともに、電子部品２０を各ヒートシンクにはんだ付けして積層体を形成する。また、はんだ付けする際に、貫通孔４８ａと内部空間５３ａとが連通するように、ヒートシンク４０ａの対向面４２ａにカラー５０ａを固定し、貫通孔４８ｂと内部空間５３ｂとが連通するように、ヒートシンク４０ｂの対向面４２ｂにカラー５０ｂを固定する。このように、カラー５０ａ，５０ｂが固定（接合）された積層体を形成する。

次いで、成形工程を実施する。この成形工程では、図１３に示すように、カラー５０ａ，５０ｂを含む積層体を、モールド樹脂部３０を成形するための金型７０のキャビティ７１内に位置決め配置する。そして、金型７０をＺ方向、すなわち積層体の積層方向に型締めし、上型７０ａと下型７０ｂとによって、ヒートシンク４０ａとカラー５０ａ、及び、ヒートシンク４０ｂとカラー５０ｂを挟む。

このとき、ヒートシンク４０ａは下型７０ｂから力を受け、カラー５０ａは上型７０ａから力を受ける。図１３中の白抜き矢印はこの力を示している。したがって、キャビティ７１を構成する壁面のうち、下型７０ｂの壁面７２にヒートシンク４０ａの放熱面４１ａが密着し、上型７０ａの壁面７３にカラー５０ａの開口端５２ａが密着する。さらに、カラー５０ａの開口端５１ａがヒートシンク４０ａの対向面４２ａに密着する。図示しないが、カラー５０ｂは下型７０ｂから力を受け、ヒートシンク４０ｂは上型７０ａから力を受ける。したがって、キャビティ７１を構成する壁面のうち、下型７０ｂの壁面７２にカラー５０ｂの開口端５２ｂが密着し、上型７０ａの壁面７３にヒートシンク４０ｂの放熱面４１ｂが密着する。さらに、カラー５０ｂの開口端５１ｂがヒートシンク４０ｂの対向面４２ｂに密着する。このように、カラー５０ａ，５０ｂを介在させるため、カラー５０ａ，５０ｂがスペーサとして機能し、カラーがヒートシンクに積層されない構成に較べて、一対のヒートシンク４０ａ，４０ｂを金型７０によって強く押すことができる。

この密着状態（型締め状態）で、キャビティ７１内に樹脂を注入してモールド樹脂部３０を成形する。以上により、半導体装置１０を得ることができる。

次に、本実施形態に係る半導体装置１０の効果について説明する。

本実施形態の半導体装置１０では、カラー５０ａの内部空間５３ａとヒートシンク４０ａの貫通孔４８ａが連通し、カラー５０ｂの内部空間５３ｂとヒートシンク４０ｂの貫通孔４８ｂが連通するように、カラー５０ａ，５０ｂが配置されている。したがって、電子部品及びヒートシンクと干渉しない位置にカラーを配置する構成に較べて、Ｚ方向に直交する方向において、半導体装置１０の体格の増大を抑制することができる。

また、カラー５０ａの開口端５１ａがヒートシンク４０ａの対向面４２ａに密着しており、開口端５２ａがモールド樹脂部３０の裏面３２から露出され、放熱面４１ａが一面３１から露出されている。同じく、カラー５０ｂの開口端５１ｂがヒートシンク４０ｂの対向面４２ｂに密着しており、開口端５２ｂがモールド樹脂部３０の一面３１から露出され、放熱面４１ｂが裏面３２から露出されている。このような半導体装置１０は、ヒートシンク４０ａ上にカラー５０ａを配置し、ヒートシンク４０ｂ上にカラー５０ｂを配置した状態で型締めをする。すなわち、キャビティ７１の壁面７２にヒートシンク４０ａの放熱面４１ａを密着させるとともに、壁面７３にカラー５０ａの開口端５２ａを密着させる。また、キャビティ７１の壁面７２にカラー５０ｂの開口端５２ｂを密着させるとともに、壁面７３にヒートシンク４０ｂの放熱面４１ｂを密着させることで、得ることができる。本実施形態では、カラー５０ａ，５０ｂがスペーサとして機能するため、カラーがヒートシンクに積層されない構成に較べて、一対のヒートシンク４０ａ，４０ｂを金型７０によって強く押すことができる。

したがって、ヒートシンク４０ａ，４０ｂの放熱面４１ａ，４１ｂ上、カラー５０ａ，５０ｂの開口端５２ａ，５２ｂ上に樹脂バリが生じるのを抑制することができる。これにより、樹脂バリ部分のクリープの問題が生じないため、半導体装置１０を長期にわたって安定的に固定することができる。また、樹脂バリによる放熱面積の減少、熱抵抗の増大が生じないため、放熱性の低下を抑制することができる。

このように、本実施形態によれば、両面放熱構造の半導体装置１０において、体格の増大及び放熱性の低下を抑制しつつ、固定の長期安定性を確保することができる。

加えて、本実施形態では、ヒートシンク４０ａの放熱面４１ａ及びカラー５０ｂの開口端５２ｂが、モールド樹脂部３０の一面３１と略面一とされ、ヒートシンク４０ｂの放熱面４１ｂ及びカラー５０ａの開口端５２ａが裏面３２と略面一とされている。したがって、金型７０の構造を簡素化することができる。また、座金を用いたねじ締めが可能であり、これにより、モールド樹脂部３０に作用する力を抑制することができる。

また、本実施形態でも、第１実施形態のカラー５０同様、カラー５０ａ，５０ｂをそれぞれ複数有するとともに、ヒートシンク４０ａ，４０ｂがカラー５０ａ，５０ｂに対応して同数の貫通孔４８ａ，４８ｂを有し、Ｘ方向及びＹ方向により規定される面内において、電子部品２０を間に挟むように、カラー５０ａ，５０ｂが配置されている。さらには、本体部４３ａ，４３ｂの長手方向において、電子部品２０を間に挟むように、カラー５０ａ，５０ｂが配置されている。したがって、第１実施形態同様の効果を奏することができる。

なお、本実施形態では、半導体装置１０が放熱フィンを備えない例を示したが、たとえば、ヒートシンク４０ａに放熱フィンが固定された構成を採用することもできる。カラー５０ａ，５０ｂの配置も上記例に限定されるものではない。

また、第２実施形態に示した突起部７４，７５を有する金型７０を用いても良い。たとえば、突起部７４が、内部空間５３ａに挿入されることで、突起部７４によって所定位置にカラー５０ａが保持される。同じく、突起部７５が、内部空間５３ｂに挿入されることで、突起部７５によって所定位置にカラー５０ｂが保持される。したがって、カラー５０ａ，５０ｂの内部空間５３ａ，５３ｂと本体部４３ａ，４３ｂの貫通孔４８ａ，４８ｂとを、位置精度良く連通させることができる。また、カラー５０ａ，５０ｂがヒートシンク４０ａ，４０ｂに固定されていなくとも、樹脂の注入圧などによって、カラー５０ａ，５０ｂに位置ずれが生じるのを抑制することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

半導体装置１０の構成は上記例に限定されるものではない。アームを１つのみ有する１ｉｎ１パッケージの例を示したが、上下アームを一相分有する２ｉｎ１パッケージ、三相分の上下アームを有する６ｉｎ１パッケージにも適用することができる。

１０・・・半導体装置、２０・・・電子部品、２０ａ，２０ｂ・・・半導体チップ、３０・・・モールド樹脂部、３１・・・一面、３２・・・裏面、３３，３４・・・側面、４０，４０ａ，４０ｂ・・・ヒートシンク、４１，４１ａ，４１ｂ・・・放熱面、４２，４２ａ，４２ｂ・・・対向面、４３，４３ａ，４３ｂ・・・本体部、４４，４４ａ，４４ｂ・・・端子部、４５・・・金属層、４６・・・絶縁層、４７・・・金属層、４８，４８ａ，４８ｂ・・・貫通孔、４９ａ，４９ｂ・・・延設部、５０，５０ａ，５０ｂ・・・カラー、５１，５１ａ，５１ｂ・・・開口端、５２，５２ａ，５２ｂ・・・開口端、５３，５３ａ，５３ｂ・・・内部空間、６０・・・放熱フィン、６１・・・主端子、６２・・・制御端子、６３・・・ボンディングワイヤ、７０・・・金型、７０ａ・・・上型、７０ｂ・・・下型、７１・・・キャビティ、７２，７３・・・壁面、７４，７５・・・突起部、１００，１０７，１０８・・・冷却器、１０１・・・流路、１０２・・・ケーシング、１０３・・・貫通孔、１０４，１０９，１１０・・・雄ねじ、１０４ａ・・・頭部、１０４ｂ・・・柱部、１０５・・・凹部、１０６・・・Ｏリング

Claims (6)

1. 冷却器（１００，１０６，１０７）にねじ締めにより固定されて冷却される半導体装置であって、
   電子部品（２０，２０ａ，２０ｂ）と、
   前記電子部品を封止するモールド樹脂部（３０）と、
   前記電子部品の厚み方向において前記電子部品に積層され、前記電子部品の生じた熱を放熱するヒートシンク（４０，４０ａ，４０ｂ）と、
   一方向に延設された筒状をなし、前記モールド樹脂部にインサートされ、前記ねじ締めの雄ねじ（１０４，１０９，１１０）が挿通されるカラー（５０，５０ａ，５０ｂ）と、
   を備え、
   前記ヒートシンクは、前記カラーの内部空間（５３，５３ａ，５３ｂ）と連通し、前記雄ねじが挿通される貫通孔（４８，４８ａ，４８ｂ）を有するとともに、前記ヒートシンクにおいて、前記電子部品との対向面と反対の面が前記モールド樹脂部の一面から露出された放熱面（４１，４１ａ，４１ｂ）とされ、
   前記カラーは、前記モールド樹脂部よりも剛性の高い材料を用いて形成されるとともに、開口端の一方（５１，５１ａ，５１ｂ）が前記ヒートシンクの前記対向面に密着し、他方（５２，５２ａ，５２ｂ）が前記モールド樹脂部の前記一面と反対の裏面から露出されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記カラーにおいて、前記ヒートシンクに対して遠い側の開口端（５２，５２ａ，５２ｂ）が、前記モールド樹脂部と面一となっ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. 複数の前記カラーを有するとともに、該カラーに対応して同数の前記貫通孔を有し、
   前記厚み方向に直交する方向において、前記電子部品を間に挟むように、複数の前記カラーが配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記ヒートシンクの長手方向において、前記電子部品を間に挟むように、複数の前記カラーが配置されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記電子部品と前記貫通孔を有する前記ヒートシンクとを積層し、前記ヒートシンクに前記電子部品を実装して積層体を形成する実装工程と、
   前記貫通孔に前記内部空間が連通するように、前記カラーが前記ヒートシンクに接触配置された前記積層体を、型（７０）のキャビティ（７１）内に配置して前記積層体の積層方向に型締めをし、前記型によって前記ヒートシンク及び前記カラーを積層方向に挟んで、前記キャビティの壁面の一方に前記ヒートシンクの放熱面（４１，４１ａ，４１ｂ）を密着させるとともに、前記壁面の他方に前記カラーにおける前記ヒートシンクと反対側の開口端（５２，５２ａ，５２ｂ）を密着させた状態で、前記キャビティ内に樹脂を注入して前記モールド樹脂部を成形する成形工程と、
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 前記成形工程では、
   前記キャビティの壁面から突出する突起部を備えた前記型を用い、
   前記カラーの内部空間に前記突起部を挿入した状態で、樹脂を注入することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。

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