JP2016004941A - 半導体装置及びパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】空気が巻き込まれて放熱性が低下するのを抑制するとともに、絶縁板の割れを抑制できる樹脂封止型の半導体装置及びパワーモジュールを提供すること。
【解決手段】半導体装置１０は、半導体チップ１２，１４と、封止樹脂体２８と、放熱面１６ｂ，１８ｂ，２０ｂ，２２ｂが、封止樹脂体２８の一面２８ａ又は裏面２８ｂから露出されたヒートシンク１６，１８，２０，２２と、を備えている。放熱面１６ｂ、１８ｂは、一面２８ａと面一とされ、放熱面２０ｂ，２２ｂは裏面２８ｂと面一とされている。そして、封止樹脂体２８が、ヒートシンク１６，１８の側面１６ｃ，１８ｃに隣接して設けられるとともに、一面２８ａに開口する溝部２８ｄと、ヒートシンク２０，２２の側面２０ｃ、２２ｃに隣接するとともに、裏面２８ｂに開口する溝部２８ｄを有している。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体チップの熱を放熱するためのヒートシンクを有する樹脂封止型の半導体装置及び該半導体装置を備えるパワーモジュールに関する。

従来、特許文献１に記載のように、半導体チップの熱を放熱するためのヒートシンクを有する樹脂封止型の半導体装置を備えたパワーモジュールが知られている。

このパワーモジュールは、半導体装置（半導体モジュール）と、放熱用のグリスと、絶縁板（絶縁シート）と、冷却器（受熱部材）と、を備えている。半導体装置において、ヒートシンク（金属放熱板）の放熱面は、半導体チップを封止する封止樹脂体（樹脂封止部）の表面から露出されている。表面及び該表面から露出する放熱面と絶縁板との間にはグリスが介在されている。そして、半導体チップの熱が、グリス及び絶縁板を介して冷却器に伝達されるようになっている。

特開２００５−３１０９８７号公報

ところで、使用環境下において、半導体チップの発熱、冷却により、半導体装置は膨張と収縮を繰り返す。金属材料を用いて形成されるヒートシンクは特に熱膨張率が大きい。ヒートシンクが高温になると、ヒートシンクは膨張する。ヒートシンクの側面は封止樹脂体によって覆われており、封止樹脂体によって上記した厚み方向に直交する方向への膨張が規制される。したがって、ヒートシンクは厚み方向に膨張せざるを得ず、膨張挙動が厚み方向に集中する。この膨張によって、放熱面と絶縁板との対向距離が狭まり、放熱面上のグリスが放熱面の周囲に押し出される。一方、ヒートシンクが低温になると、ヒートシンクは収縮する。この収縮によって、放熱面と絶縁板との対向距離が広がり、放熱面の周囲から放熱面上にグリスが戻る。

しかしながら、上記したように膨張挙動が厚み方向に集中するため、たとえば、グリスの移動の繰り返しが生じると、冷却時にグリスが放熱面上に戻りきらなくなり、放熱面と絶縁板との間に空気が巻き込まれる虞がある。この場合、放熱性が低下してしまう。

また、絶縁板としては、通常、窒化ケイ素やアルミナなどのセラミックス製の絶縁板が用いられる。絶縁板には、冷却器と半導体装置とを電気的に絶縁する絶縁性と、半導体装置から冷却器へ良好に熱を伝達する熱伝導性が求められる。このため、絶縁性を確保できる範囲で、絶縁板の厚みをできるだけ薄くすることが好ましい。しかしながら、セラミックスが脆性材料であり、また、厚みも薄いため、半導体チップの厚み方向において、封止樹脂体の表面と、該表面から露出するヒートシンクの放熱面との位置に段差があると、局所的に応力が集中して、絶縁板に割れが生じる虞がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、空気が巻き込まれて放熱性が低下するのを抑制するとともに、絶縁板の割れを抑制できる樹脂封止型の半導体装置及びパワーモジュール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、半導体チップ（１２，１４）と、半導体チップを封止する封止樹脂体（２８）と、金属材料を用いて形成されており、半導体チップの厚み方向において半導体チップに積層配置され、半導体チップの生じた熱を放熱するために、半導体チップ側の面と反対の放熱面（１６ｂ，１８ｂ，２０ｂ，２２ｂ）が封止樹脂体の表面（２８ａ，２８ｂ）から露出されたヒートシンク（１６，１８，２０，２２）と、を備えている。そして、表面及び該表面から露出する放熱面とセラミックス製の絶縁板（５２）との間に放熱用のグリス（５４）が介在され、半導体チップの熱が、グリス及び絶縁板を介して冷却器（５６）に伝達される。

この樹脂封止型の半導体装置において、表面と該表面から露出する放熱面とが、厚み方向において面一とされている。そして、封止樹脂体が、ヒートシンクの側面（１６ｃ，１８ｃ，２０ｃ，２２ｃ）に隣接して設けられるとともに、該ヒートシンクの放熱面と面一とされた表面に開口する溝部（２８ｄ）を有することを特徴とする。

このように、封止樹脂体が溝部を有するため、ヒートシンクのうち、溝部が隣接する部分は、封止樹脂体によって拘束されておらず、膨張が可能である。このため、半導体チップの熱によってヒートシンクが高温になり、ヒートシンクが膨張する際に、厚み方向だけでなく、厚み方向に直交する方向にも膨張することができる。したがって、従来に較べて、厚み方向へのヒートシンクの膨張量を低減し、ひいては、ヒートシンクの膨張にともなって放熱面の周囲へ押し出されるグリスの量を低減することができる。これにより、冷却時にグリスが放熱面上に戻りやすいため、放熱面と絶縁板との間に空気が巻き込まれ、放熱性が低下するのを抑制することができる。

また、封止樹脂体の表面とヒートシンクの放熱面とが面一とされており、表面と放熱面により、グリスを介して、絶縁板を支持することができる。このように、封止樹脂体の表面とヒートシンクの放熱面に段差がないため、溝部を設けることでヒートシンクを厚み方向に直交する方向にも膨張可能としつつ、絶縁板において局所的に応力が集中するのを抑制することができる。すなわち、絶縁板に割れが生じるのを抑制することができる。

本実施形態の半導体装置が適用される電力変換装置の概略構成を示す図である。 本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。 半導体装置を図２と反対側から見た平面図である。 図２のIV-IV線に沿う断面図である。 半導体装置を備えるパワーモジュールの概略構成を示す断面図である。 比較例において、ヒートシンクの膨張収縮を示す断面図である。 図５に破線で示すVII領域において、ヒートシンクの膨張収縮を示す断面図である。 第１変形例を示す平面図である。 第２変形例を示す平面図である。

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をＺ方向、Ｚ方向に直交し、上アームを構成する半導体チップと下アームを構成する半導体チップの並び方向をＸ方向と示す。また、Ｚ方向及びＸ方向の両方向に直交する方向をＹ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。

先ず、図１に基づき、半導体装置が適用される電力変換装置の一例について説明する。

図１に示す電力変換装置１００は、直流電源１０２から供給される直流電圧を、３相交流に変換して、三相交流方式のモータ１０４に出力するように構成されている。このような電力変換装置１００は、例えば電気自動車やハイブリッド車に搭載される。なお、電力変換装置１００は、モータ１０４により発電された電力を、直流に変換して直流電源１０２（バッテリ）に充電することもできる。図２に示す符号１０６は、平滑コンデンサである。

電力変換装置１００は、三相インバータを有している。三相インバータは、直流電源１０２の正極（高電位側）に接続された高電位電源ライン１０８と、負極（低電位側）に接続された低電位電源ライン１１０との間に設けられた三相分の上下アームを有している。そして、各相の上下アームが、それぞれ半導体装置１０によって構成されている。

半導体装置１０は、ＩＧＢＴ素子と、該ＩＧＢＴ素子に逆並列に接続された還流用のＦＷＤ素子と、を備えている。本実施形態では、後述するように、半導体チップ１２，１４に、ＩＧＢＴ素子及びＦＷＤ素子がそれぞれ構成されている。しかしながら、ＩＧＢＴ素子とＦＷＤ素子が別チップに構成されても良い。本実施形態では、ｎチャネル型のＩＧＢＴ素子を採用している。ＦＷＤ素子のカソード電極は、コレクタ電極と共通化され、アノード電極はエミッタ電極と共通化されている。

半導体装置１０において、上アーム側のＩＧＢＴ素子のコレクタ電極は、高電位電源ライン１０８と電気的に接続され、エミッタ電極は、モータ１０４への出力ライン１１２に接続されている。一方、下アーム側のＩＧＢＴ素子のコレクタ電極は、モータ１０４への出力ライン１１２に接続され、エミッタ電極は、低電位電源ライン１１０と電気的に接続されている。

なお、電力変換装置１００は、上記した三相インバータに加えて、直流電源１０２から供給される直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ、三相インバータや昇圧コンバータを構成するスイッチング素子の動作を制御する制御部を有してもよい。

次に、図２〜図４に基づき、半導体装置１０の構成について説明する。

図２〜図４に示すように、半導体装置１０は、２つの半導体チップ１２，１４と、ヒートシンク１６，１８，２０，２２と、ターミナル２４，２６と、封止樹脂体２８と、を備えている。加えて、本実施形態の半導体装置１０は、外部接続用の端子として、高電位電源端子３０、低電位電源端子３２、出力端子３４、及び制御端子３６を備えている。以下、高電位電源端子３０をＰ端子、低電位電源端子３２をＮ端子、出力端子３４をＯ端子と示す。なお、これらＰ端子３０、Ｎ端子３２、Ｏ端子３４を、端子３０，３２，３４とも示す。

各半導体チップ１２，１４は、シリコンやシリコンカーバイドなどの半導体基板に、縦型のＩＧＢＴ素子及びＦＷＤ素子が形成されてなる。これら半導体チップ１２，１４により、一相分の上下アームが形成されており、本実施形態では、半導体チップ１２が上アーム、半導体チップ１４が下アームを構成している。半導体チップ１２，１４のＺ方向における同じ側の面に、コレクタ電極が形成され、コレクタ電極形成面と反対の面に、エミッタ電極が形成されている。なお、エミッタ電極形成面のうち、エミッタ電極が形成されたアクティブ領域とは異なる周辺領域には、ゲート電極に電気的に接続されたパッドを含む複数のパッドが設けられている。これら半導体チップ１２，１４は、ほぼ同じ形状（平面略矩形状）及び大きさを有するとともに、Ｚ方向においてほぼ同じ高さに位置し、Ｘ方向において横並びで配置されている。

Ｚ方向において、半導体チップ１２，１４におけるコレクタ電極形成面側には、ヒートシンク１６，１８が配置され、エミッタ電極形成面側には、ヒートシンク２０，２２が配置されている。すなわち、ヒートシンク１６，２０の間に上アーム側の半導体チップ１２が配置され、ヒートシンク１８，２２の間に下アーム側の半導体チップ１４が配置されている。

これらヒートシンク１６，１８，２０，２２は、対応する半導体チップ１２，１４の熱を半導体装置１０の外部に放熱する機能を果たすとともに、配線としての機能も果たす。このため、熱伝導性及び電気伝導性を確保すべく、少なくとも金属材料を用いて形成される。また、本実施形態では、各ヒートシンク１６，１８，２０，２２が平面略矩形状をなしており、ＸＹ面内において、対応する半導体チップ１２，１４を内包するように設けられている。

ヒートシンク１６は、半導体チップ１２のコレクタ電極形成面に対向配置され、ヒートシンク１６の対向面１６ａと半導体チップ１２のコレクタ電極とが、はんだなどの接合部材３８を介して電気的に接続されている。なお、対向面１６ａと反対の面が、封止樹脂体２８の一面２８ａから露出される放熱面１６ｂとされ、この放熱面１６ｂと対向面１６ａが側面１６ｃによって連結されている。側面１６ｃは、Ｚ方向に略平行とされている。

Ｐ端子３０は、上記した高電位電源ライン１０８と電気的に接続される。このＰ端子３０は、ヒートシンク１６と電気的に接続されており、Ｙ方向に延設されて、封止樹脂体２８の一面２８ａ及び該一面２８ａと反対の裏面２８ｂを連結する側面２８ｃから外部に突出している。

ヒートシンク１８は、Ｘ方向においてヒートシンク１６と並設されている。このヒートシンク１８は、半導体チップ１４のコレクタ電極形成面に対向配置され、ヒートシンク１８の対向面１８ａと半導体チップ１４のコレクタ電極とが、接合部材３８を介して電気的に接続されている。なお、対向面１８ａと反対の面が、放熱面１６ｂと同じ一面２８ａから露出される放熱面１８ｂとされ、この放熱面１８ｂと対向面１８ａが側面１８ｃによって連結されている。側面１８ｃは、Ｚ方向に略平行とされている。

ヒートシンク１８は、図４に示すように、継ぎ手部１８ｄを有している。継ぎ手部１８ｄは、ヒートシンク１８の他の部分（本体部）よりも薄く設けられている。また、継ぎ手部１８ｄは、Ｙ方向において、ヒートシンク１８の一部分から、屈曲部を２箇所有してヒートシンク２０側に延設されている。

Ｏ端子３４は、上記した出力ライン１１２と電気的に接続される。このＯ端子３４は、ヒートシンク１８と電気的に接続されており、Ｙ方向に延設されて、封止樹脂体２８におけるＰ端子３０と同じ側面２８ｃから外部に突出している。

一方、半導体チップ１２のエミッタ電極形成面には、ヒートシンク２０が対向配置されている。半導体チップ１２とヒートシンク２０の間には、ターミナル２４が介在されている。

ターミナル２４により、制御端子３６と半導体チップ１２のエミッタ形成面に形成されたパッドとを、図示しないボンディングワイヤにより接続するための高さが確保される。このターミナル２４は、半導体チップ１２のエミッタ電極とヒートシンク２０とを熱的及び電気的に中継するために、熱伝導性及び電気伝導性を確保すべく、少なくとも金属材料を用いて形成される。ターミナル２４は、半導体チップ１２のエミッタ電極形成面のうち、エミッタ電極に対向配置され、接合部材３８を介して、エミッタ電極と電気的に接続されている。

ヒートシンク２０は、ＸＹ面内において、その大部分がヒートシンク１６と重なるように設けられている。このヒートシンク２０は、ターミナル２４における半導体チップ１２と反対の面に対向配置されており、ヒートシンク２０の対向面２０ａとターミナル２４とが、接合部材３８を介して電気的に接続されている。なお、対向面２０ａと反対の面が、封止樹脂体２８の裏面２８ｂから露出される放熱面２０ｂとされ、この放熱面２０ｂと対向面２０ａが側面２０ｃによって連結されている。側面２０ｃは、Ｚ方向に略平行とされている。

ヒートシンク２０は、継ぎ手部２０ｄを有している。継ぎ手部２０ｄは、ヒートシンク２０の他の部分（本体部）よりも薄く設けられている。また、継ぎ手部２０ｄは、Ｙ方向において、ヒートシンク２０の一部分からＸ方向に延設されている。そして、継ぎ手部２０ｄの先端部分と継ぎ手部１８ｄの先端部分とがＺ方向において対向し、接合部材３８を介して電気的に接続されている。

同様に、半導体チップ１４のエミッタ電極形成面には、ヒートシンク２２が対向配置されている。半導体チップ１４とヒートシンク２２の間には、ターミナル２６が介在されている。

ターミナル２６により、制御端子３６と半導体チップ１４のエミッタ形成面に形成されたパッドとを、図示しないボンディングワイヤにより接続するための高さが確保される。このターミナル２４は、半導体チップ１４のエミッタ電極とヒートシンク２２とを熱的及び電気的に中継するために、熱伝導性及び電気伝導性を確保すべく、少なくとも金属材料を用いて形成される。ターミナル２６は、半導体チップ１４のエミッタ電極形成面のうち、エミッタ電極に対向配置され、接合部材３８を介して、エミッタ電極と電気的に接続されている。

ヒートシンク２２は、ＸＹ面内において、その大部分がヒートシンク１８と重なるように設けられている。このヒートシンク２２は、ターミナル２６における半導体チップ１４と反対の面に対向配置されており、ヒートシンク２２の対向面２２ａとターミナル２６とが、接合部材３８を介して電気的に接続されている。なお、対向面２２ａと反対の面が、裏面２８ｂから露出される放熱面２２ｂとされ、この放熱面２２ｂと対向面２２ａが側面２２ｃによって連結されている。側面２２ｃは、Ｚ方向に略平行とされている。

Ｎ端子３２は、上記した低電位電源ライン１１０と電気的に接続される。このＮ端子３２は、ヒートシンク２２と電気的に接続されており、Ｙ方向に延設されて、封止樹脂体２８におけるＰ端子３０及びＯ端子３４と同じ側面２８ｃから外部に突出している。なお、Ｐ端子３０、Ｎ端子３２、及びＯ端子３４における封止樹脂体２８からの突出部分は、Ｚ方向において互いにほぼ同じ位置に配置されている。また、Ｙ方向において、Ｐ端子３０、Ｎ端子３２、Ｏ端子３４の順に並んで配置されている。

制御端子３６は、対応する半導体チップ１２，１４のパッドに、ボンディングワイヤを介して電気的に接続されている。制御端子３６は、Ｙ方向に延設されており、封止樹脂体２８の側面２８ｃのひとつから外部に突出している。

封止樹脂体２８は、半導体チップ１２，１４、ヒートシンク１６，１８，２０，２２の一部、ターミナル２４，２６、及び各端子３０，３２，３４，３６の一部を一体的に封止している。この封止樹脂体２８は、たとえば、エポキシ系樹脂からなり、トランスファモールド法により成形されている。図２及び図３に示すように、封止樹脂体２８が平面矩形状をなしており、Ｘ方向に略平行な側面２８ｃの一方から、主端子であるＰ端子３０、Ｎ端子３２、及びＯ端子３４が引き出されている。また、Ｘ方向に略平行な側面２８ｃの他方から、制御端子３６が引き出されている。

本実施形態において、ヒートシンク１６，１８，２０，２２は、封止樹脂体２８とともに切削加工されている。そして、ヒートシンク１６，１８の放熱面１６ｂ，１８ｂが、同一面内に位置するとともに、封止樹脂体２８の一面２８ａと略面一となっている。同じく、ヒートシンク２０，２２の放熱面２２ｂ，２２ｂが、同一面内に位置するとともに、封止樹脂体２８の裏面２８ｂと略面一となっている。なお、半導体装置１０において、半導体チップ１２，１４に形成された素子が駆動していない、すなわち発熱していない冷却状態において、放熱面１６ｂ、１８ｂが一面２８ａと略面一とされ、放熱面２０ｂ、２２ｂが裏面２８ｂと略面一とされる。

さらに封止樹脂体２８は、溝部２８ｄと切り欠き２８ｅを有している。溝部２８ｄは、ヒートシンク１６，１８，２０，２２の側面１６ｃ，１８ｃ，２０ｃ，２２ｃに隣接しつつ、放熱面１６ｂ，１８ｂ，２０ｂ，２２ｂの面一とされた封止樹脂体２８の表面、すなわち、一面２８ａ又は裏面２８ｂに開口している。このように、側面１６ｃ，１８ｃ，２０ｃ，２２ｃが、溝部２８ｄを構成する壁面の一部となっている。たとえば、ヒートシンク１６の側面１６ｃに隣接して設けられた溝部２８ｄは、封止樹脂体２８の一面２８ａに開口している。この溝部２８ｄは、側面１６ｃを壁面の一部として構成されている。

溝部２８ｄの深さが対向面１６ａ，１８ａ，２０ａ，２２ａと同じか、それよりも深くなると、対向面１６ａ，１８ａ，２０ａ，２２ａと封止樹脂体２８との界面が、溝部２８ｄに露出することとなる。したがって、溝部２８ｄの深さとしては、対向面１６ａ，１８ａ，２０ａ，２２ａよりも浅いほうが好ましい。本実施形態では、図４に示すように、溝部２８ｄが、対向面１６ａ，１８ａ，２０ａ，２２ａよりも浅い位置まで設けられており、各溝部２８ｄは互いにほぼ同じ深さ、ほぼ同じ幅を有している。なお、溝部２８ｄの幅は、ヒートシンク１６，１８，２０，２２におけるＸ方向の長さ、Ｙ方向の長さに較べて十分に小さい長さ、たとえば１／５以下の長さとなっている。

ＸＹ面内における溝部２８ｄの形成位置は、特に限定されるものではない。溝部２８ｄは、ヒートシンク１６，１８，２０，２２の少なくとも１つに隣接して設けられれば良い。また、側面１６ｃ，１８ｃ，２０ｃ，２２ｃの少なくとも１つに対して、その一部に隣接して設けられれば良い。本実施形態では、上記したように、各ヒートシンク１６，１８，２０，２２に対して溝部２８ｄが設けられている。また、図２及び図３に示すように、平面略矩形状をなす各ヒートシンク１６，１８，２０，２２において、矩形の連続する３辺に隣接して平面略コの字状に設けられている。詳しくは、Ｘ方向において並んで配置されたヒートシンク１６，１８において、互いに対向する辺を除く３辺に隣接して溝部２８ｄが設けられている。同じく、ヒートシンク２０，２２において、互いに対向する辺を除く３辺に隣接して溝部２８ｄが設けられている。

切り欠き２８ｅは、封止樹脂体２８において、側面２８ｃに開口しつつ一面２８ａから裏面２８ｂにわたって設けられている。図２及び図３に示すように、切り欠き２８ｅは、端子３０，３２，３４が引き出された側面２８ｃと、制御端子３６が引き出された側面２８ｃに設けられている。切り欠き２８ｅは、Ｐ端子３０とＮ端子３２の間の位置、Ｎ端子３２とＯ端子３４の間の位置にそれぞれ設けられている。また、制御端子３６と吊りリード４０との間の位置に、切り欠き２８ｅが設けられている。なお、吊りリード４０は、リードフレームのうち、ヒートシンク１６，１８を、外周リードに固定するため部分である。

このように構成される半導体装置１０は、２つの半導体チップ１２，１４（ＩＧＢＴ素子）を備える所謂２ｉｎ１パッケージとなっている。また、半導体チップ１２，１４のＺ方向両側にヒートシンク１６，１８，２０，２２が存在し、半導体チップ１２，１４の熱を両側に放熱できるようになっている。

また、上アームを構成する部分において、Ｚ方向の配置が、一面２８ａ側から、ヒートシンク１６、接合部材３８、半導体チップ１２、接合部材３８、ターミナル２４、接合部材３８、ヒートシンク２０の順となっている。一方、下アームを構成する部分において、Ｚ方向の配置が、一面２８ａ側から、ヒートシンク１８、接合部材３８、半導体チップ１４、接合部材３８、ターミナル２６、接合部材３８、ヒートシンク２２の順となっている。すなわち、上アームと下アームとで、Ｚ方向の並びが同じとなっている。

次に、上記した半導体装置１０の製造方法の一例について簡単に説明する。

先ず、半導体チップ１２，１４、ヒートシンク１６，１８，２０，２２、ターミナル２４，２６をそれぞれ準備する。この準備工程では、Ｐ端子３０が連結されたヒートシンク１６を準備する。また、継ぎ手部１８ｄを備えるとともに、Ｏ端子３４が連結されたヒートシンク１８を準備する。また、継ぎ手部２０ｄを備えたヒートシンク２０を準備する。また、ヒートシンク２２を準備する。

次いで、封止樹脂体２８を成形する前の接続工程を実施する。この接続工程では、上アームを構成する各要素を電気的に接続し、下アームを構成する各要素を電気的に接続し、上アームと下アームとを、継ぎ手部１８ｄ，２０ｄにて接続する接続工程である。この工程としては、特開２０１２−２３５０８１号公報に記載された工程を参照することができる。なお、ヒートシンク２２とＮ端子３２も、この接続工程で接続する。

次いで、上記接続工程を経て形成された構造体を、金型に配置し、金型のキャビティ内に樹脂を注入して、封止樹脂体２８を成形する。この成形工程では、エポキシ樹脂を用いたトランスファモールド法により、封止樹脂体２８を成形する。このとき、各ヒートシンク１６，１８，２０，２２が放熱面１６ｂ，１８ｂ，２０ｂ，２２ｂも含めて完全に被覆されるように、封止樹脂体２８を成形する。

次いで、切削工程を実施する。この切削工程では、封止樹脂体２８の側面２８ｃを、図示しない押さえ治具により真空チャックしつつ、Ｘ方向両側から封止樹脂体２８を押圧する。そして、この状態で、封止樹脂体２８の一面２８ａ側を、ヒートシンク１６，１８とともに切削する。次いで、裏面２８ｂ側を、ヒートシンク２０，２２とともに切削する。

この切削により、ヒートシンク１６，１８，２０，２２の放熱面１６ｂ，１８ｂ，２０ｂ，２２ｂが封止樹脂体２８から露出される。また、本実施形態では、放熱面１６ｂ，１８ｂが周囲の一面２８ａと略面一となり、放熱面２０ｂ，２２ｂが周囲の裏面２８ｂと略面一となる。なお、金属材料を用いて形成されたヒートシンク１６，１８，２０，２２と封止樹脂体２８とでは、構成材料の硬さが異なるため、切削量に多少の差ができ、実際には、放熱面１６ｂ，１８ｂ，２０ｂ，２２ｂと一面２８ａ及び裏面２８ｂとの間に、数μｍ以下（たとえば２μｍ以下）の段差が生じる。しかしながら、数μｍ以下であり、このような極微小な段差のある状態については、略面一にあるとする。

次いで、溝部２８ｄの形成工程を実施する。本実施形態では、ヒートシンク１６，１８，２０，２２の側面１６ｃ，１８ｃ，２０ｃ，２２ｃに隣接するように、エンドミル加工により、所定深さの溝部２８ｄを形成する。なお、切削工程後の形成方法としては、上記に限定されず、たとえばレーザ加工や刃具を用いた加工を採用してもよい。

そして、リードフレームにおける図示しないタイバーの切断などを経て、半導体装置１０を得ることができる。

次に、図５に基づき、上記した半導体装置１０を備えるパワーモジュールの構成について説明する。

図５に示すように、パワーモジュール７０は、上記した半導体装置１０に加え、絶縁板５２と、グリス５４，５８と、冷却器５６と、を備えている。

絶縁板５２は、半導体装置１０と冷却器５６とを電気的に絶縁する絶縁性を有するとともに、半導体装置１０から冷却器５６へ良好に熱を伝達する熱伝導性を有している。このような絶縁板５２は、窒化ケイ素やアルミナなどのセラミックスを用いて形成され、上記した絶縁性、熱伝導性を確保すべく、所定厚さを有している。この絶縁板５２は、封止樹脂体２８の一面２８ａと対向するように、Ｚ方向において一面２８ａ側に配置されるとともに、裏面２８ｂと対向するように、Ｚ方向において裏面２８ｂ側にも配置されている。

グリス５４，５８は、半導体装置１０と冷却器５６との間の接触熱抵抗の低減のために、半導体装置１０と冷却器５６との間に介在されている。このようなグリス５４，５８としては、電気絶縁性と良好な熱伝導性を有する者が好ましく、たとえば、シリコーングリスを採用することができる。

グリス５４は、半導体装置１０と絶縁板５２との間に介在され、封止樹脂体２８の一面２８ａ及び裏面２８ｂ、放熱面１６ｂ，１８ｂ，２０ｂ，２２ｂ、及び絶縁板５２に密着している。なお、図５に示すように、封止樹脂体２８の溝部２８ｄにも、グリス５４が配置されている。グリス５８は、絶縁板５２と冷却器５６の間に介在され、絶縁板５２及び冷却器５６に密着している。

冷却器５６は、たとえば内部に冷媒が流通されるものであり、半導体装置１０からの熱を効果的に放熱するようにした一般的なものを採用できる。

次に、図６及び図７に基づき、本実施形態に係る半導体装置１０及びパワーモジュール５０の効果について説明する。図７は、図５に破線で示す領域VIIに対応している。図６は、図７に対応している。なお、図７では、ヒートシンク２０（図６では対応するヒートシンク２２０）について説明するが、それ以外のヒートシンク１６，１８，２２についても同様である。

先ず、図６に基づき、溝部を有さない参考例におけるヒートシンクの膨張収縮と、グリスの移動について説明する。図６に示す参考例では、本実施形態と対応する要素に、２００を加算して表記している。

図６の半導体装置は、従来構成を示しており、封止樹脂体２２８が溝部を有していない。図６（ａ）は冷却状態、すなわち、ヒートシンク２２０の低温状態を示しており、ヒートシンク２２０の放熱面２２０ｂが、封止樹脂体２２８の裏面２２８ｂと略面一となっている。この状態において、放熱面２２０ｂと絶縁板２５２とのＺ方向の最短距離はＬ１となっている。

素子が駆動して、図示しない半導体チップが発熱すると、この熱を受けてヒートシンク２２０が高温となり、膨張する。金属材料を用いて形成されるヒートシンク２２０は特に熱膨張率が大きい。参考例では、図６（ｂ）に示すように、ヒートシンク２２０の側面２２０ｃ全体に対し、封止樹脂体２２８が接触配置されている。すなわち、側面２２０ｃ全体が封止樹脂体２２８によって拘束されている。このため、封止樹脂体２２８により、Ｚ方向に直交する方向への膨張が規制される。したがって、ヒートシンク２２０はＺ方向に膨張せざるを得ず、膨張挙動がＺ方向に集中する。この膨張によって、放熱面２２０ｂと絶縁板２５２との対向距離が狭まり、放熱面２２０ｂと絶縁板２５２とのＺ方向の最短距離は、冷却状態よりも短いＬ２（＜Ｌ１）となる。したがって、放熱面２２０ｂ上のグリス２５４が放熱面２２０ｂの周囲、すなわち封止樹脂体２２８の裏面２２８ｂ上に押し出される。

上記した発熱状態を経て、再度冷却状態になると、図６（ｃ）に示すように、ヒートシンク２２０は収縮し、この収縮によって、放熱面２２０ｂが、図６（ａ）同様、裏面２２８ｂと略面一の状態になる。したがって、放熱面２２０ｂと絶縁板２５２との対向距離が広がり、放熱面２２０ｂの周囲から放熱面２２０ｂ上にグリス２５４が戻る。

しかしながら、参考例では、上記したようにヒートシンク２２０の膨張挙動がＺ方向に集中するため、膨張に伴うグリス２５４の押し出し量が大きい。たとえば、グリス２５４の移動の繰り返しが生じると、冷却時において、図６（ｃ）に示すように、グリス２５４が放熱面２２０ｂ上に戻りきらなくなり、放熱面２２０ｂと絶縁板２５２との間に空気が巻き込まれる。図６（ｃ）では、空気が巻き込まれて、放熱面２２０ｂとグリス２５４との界面に空気層２６０が形成されている。このように、空気層２６０が形成されると、半導体装置と冷却器との間の熱抵抗が大きくなり、放熱性が低下してしまう。

これに対し、本実施形態では、上記したように封止樹脂体２８が溝部２８ｄを有している。図７（ａ）に示すように、ヒートシンク２０の側面２０ｃのうち、溝部２８ｄが隣接する部分は封止樹脂体２８によって拘束されていない。図７（ａ）に示す冷却状態では、図６（ａ）同様、ヒートシンク２０の放熱面２０ｂが、封止樹脂体２８の裏面２８ｂと略面一となっている。この状態において、放熱面２０ｂと絶縁板５２とのＺ方向の最短距離はＬ３となっている。最短距離Ｌ３は最短距離Ｌ１と等しい値となっている。

次いで、素子が駆動し、半導体チップ１４が発熱すると、ヒートシンク２０が高温となる。ヒートシンク２０は膨張する際、図７（ｂ）に示すように、Ｚ方向だけでなく、Ｚ方向に直交する方向（図中ではＸ方向）にも膨張する。詳しくは、Ｚ方向に直交する方向において、溝部２８ｄに膨張する。これにより、上記した参考例に較べて、Ｚ方向へのヒートシンク２０の膨張量が小さくなる。したがって、ヒートシンク２０の膨張にともなって放熱面２０ｂの周囲へ押し出されるグリス５４の量を低減することができる。なお、溝部２８ｄを有するため、グリス５４の移動に対する摩擦抵抗が高まり、これによっても、裏面２８ｂに押し出されるグリス５４の量を低減することができる。

図７（ｂ）に示す発熱状態を経て、再度冷却状態になると、図７（ｃ）に示すように、ヒートシンク２０は収縮し、この収縮によって、放熱面２０ｂが、裏面２８ｂと略面一の状態に戻る。そして、放熱面２０ｂの周囲から放熱面２０ｂ上にグリス５４が戻る。本実施形態では、図７（ｂ）に示したように、Ｚ方向へのヒートシンク２０の膨張量が小さく、これによりグリス５４の押し出し量も小さいため、冷却時にグリス５４が放熱面２０ｂ上に戻りやすい。したがって、放熱面２０ｂと絶縁板５２との間に空気が巻き込まれ、放熱性が低下するのを抑制することができる。

また、封止樹脂体２８の一面２８ａとヒートシンク１６，１８の放熱面１６ｂ，１８ｂとが略面一とされている。したがって、一面２８ａと放熱面１６ｂ、１８ｂとにより、グリス５４を介して、絶縁板５２を支持することができる。冷却状態で、封止樹脂体２８の一面２８ａとヒートシンク１６，１８の放熱面１６ｂ，１８ｂに段差がないため、溝部２８ｄを設けることでヒートシンク１６，１８をＺ方向に直交する方向にも膨張可能としつつ、絶縁板５２において局所的に応力が集中するのを抑制することができる。すなわち、絶縁板５２に割れが生じるのを抑制することができる。特に、パワーモジュール５０を形成する際に絶縁板５２に局所的な応力が集中するのを抑制することができる。なお、封止樹脂体２８の裏面２８ｂとヒートシンク２０，２２の放熱面２０ｂ、２２ｂについても同様である。

特に本実施形態では、図２及び図３に示すように、Ｙ方向において、各ヒートシンク１６，１８，２０，２２の両側に溝部２８ｄが形成されている。したがって、片側のみに溝部２８ｄが設けられる構成に較べて、ヒートシンク１６，１８，２０，２２がＹ方向に膨張しやすい。これにより、Ｚ方向へのヒートシンク１６，１８，２０，２２の膨張量をさらに小さくすることができる。なお、本実施形態では、Ｙ方向において相対する側面１６ｃ，１８ｃ，２０ｃ，２２ｃに溝部２８ｄが設けられる例を示したが、Ｘ方向において、相対する側面１６ｃ，１８ｃ，２０ｃ，２２ｃに溝部２８ｄを設けても同等の効果を奏することができる。

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。一相分のアームを有する２ｉｎ１パッケージの例を示したが、上下アームを三相分有する６ｉｎ１パッケージ、上下アームの一方のみ、たとえば、半導体チップ１２のみ有する１ｉｎ１パッケージにも適用することができる。

溝部２８ｄの配置としては、上記例に限定されるものではない。たとえば、図８の第１変形例に示すように、ヒートシンク１６，１８の側面１６ｃ，１８ｃ全周に隣接して、溝部２８ｄが設けられてもよい。これによれば、Ｚ方向に直交するいずれの方向においても、ヒートシンク１６，１８をさらに膨張しやすくできる。なお、図８では、一面２８ａ側のヒートシンク１６，１８について示しているが、裏面２８ｂ側のヒートシンク２０，２２についても同様である。

半導体装置１０として、半導体チップ１２，１４の両側にヒートシンク１６，１８，２０，２２に配置される例を示した。しかしながら、半導体チップ１２，１４の片側のみにヒートシンクが配置される片面放熱構造の半導体装置にも適用することが可能である。

溝部２８ｄの形成方法は上記例に限定されない。たとえば、封止樹脂体２８の成形時に、型内に突出するピンなどによって、溝部２８ｄを形成してもよい。切削によっても溝部２８ｄが残る深さとすればよい。

半導体装置１０と絶縁板５２の間に空気が巻き込まれて放熱性が低下するのを抑制するとともに、絶縁板５２の割れを抑制できる構成として、本実施形態では、側面１６ｃ，１８ｃ，２０ｃ，２２ｃに隣接して溝部２８ｄが設けられる例を示した。しかしながら、図９の第２変形例に示すように、封止樹脂体２８が、グリス５４の配置領域に連通しないように、側面１６ｃ，１８ｃ，２０ｃ，２２ｃに隣接する空洞部６０を有してもよい。たとえば、ヒートシンク１６の側面１６ｃに隣接して空洞部６０が設けられ、この空洞部６０は、一面２８ａに開口せず、封止樹脂体２８内に設けられている。

空洞部６０を有すると、ヒートシンク１６，１８，２０，２２が高温となって膨張する際に、空洞部６０の空間内に膨張したヒートシンク１６，１８，２０，２２を収容することができる。したがって、溝部２８ｄと同等の効果を奏することができる。このような空洞部６０は、たとえば、エンドミル加工などによって溝部を形成した後、樹脂の充填などによって溝部における一面２８ａ又は裏面２８ｂの開口部分を蓋することで、形成することができる。また、樹脂成型品をヒートシンク１６，１８，２０，２２の側面１６ｃ，１８ｃ，２０ｃ，２２ｃに接着固定して予め空洞部６０を形成しておき、その後、樹脂成型品を覆うように、封止樹脂体２８を成形してもよい。

１０…半導体装置、１２，１４…半導体チップ、１６，１８，２０，２２…ヒートシンク、１６ａ，１８ａ，２０ａ，２２ａ…対向面、１６ｂ，１８ｂ，２０ｂ，２２ｂ…放熱面、１６ｃ，１８ｃ，２０ｃ，２２ｃ…側面、１８ｄ，２０ｄ…継ぎ手部、２４，２６…ターミナル、２８…封止樹脂体、２８ａ…一面、２８ｂ…裏面、２８ｃ…溝部、２８ｄ…切り欠き、３０…高電位電源端子、３２…低電位電源端子、３４…出力端子、３６…制御端子、３８…接合部材、４０…吊りリード、５０…パワーモジュール、５２…絶縁板、５４，５８…グリス、５６…冷却器、１００…電力変換装置、１０２…直流電源、１０４…モータ、１０６…平滑コンデンサ、１０８…高電位電源ライン、１１０…低電位電源ライン、１１２…出力ライン

Claims (5)

1. 半導体チップ（１２，１４）と、
   前記半導体チップを封止する封止樹脂体（２８）と、
   金属材料を用いて形成されており、前記半導体チップの厚み方向において前記半導体チップに積層配置され、前記半導体チップの生じた熱を放熱するために、前記半導体チップ側の面と反対の放熱面（１６ｂ，１８ｂ，２０ｂ，２２ｂ）が前記封止樹脂体の表面（２８ａ，２８ｂ）から露出されたヒートシンク（１６，１８，２０，２２）と、
   を備え、
   前記表面及び該表面から露出する前記放熱面とセラミックス製の絶縁板（５２）との間に放熱用のグリス（５４）が介在され、前記半導体チップの熱が、前記グリス及び前記絶縁板を介して冷却器（５６）に伝達される樹脂封止型の半導体装置であって、
   前記表面と該表面から露出する前記放熱面とが、前記厚み方向において面一とされ、
   前記封止樹脂体が、前記ヒートシンクの側面（１６ｃ，１８ｃ，２０ｃ，２２ｃ）に隣接して設けられるとともに、該ヒートシンクの前記放熱面と面一とされた前記表面に開口する溝部（２８ｄ）を有することを特徴とする半導体装置。
2. 前記溝部は、前記厚み方向に直交する面内において、同一の前記ヒートシンクの相対する前記側面に設けら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. 前記溝部は、前記ヒートシンクの側面全周に隣接して設けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記厚み方向において、前記半導体チップの両側に前記ヒートシンクがそれぞれ配置され、
   各ヒートシンクに隣接して前記溝部が設けられていることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の半導体装置。
5. 請求項１〜４いずれか１項に記載の半導体装置（１０）と、
   互いに面一とされた前記表面及び前記放熱面に対向配置されたセラミックス製の絶縁板（５２）と、
   面一とされた前記表面及び前記放熱面と、前記絶縁板との間に介在された放熱用のグリス（５４）と、
   前記絶縁板に対して前記半導体装置と反対側に配置され、前記半導体チップの熱が、前記グリス及び前記絶縁板を介して伝達される冷却器（５６）と、
   を備えることを特徴とするパワーモジュール。

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