JP2017191904A - 半導体装置の放熱構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】表面実装用の薄型半導体装置に適用できる優れた放熱性を備える半導体装置の放熱構造、好ましくは優れた絶縁信頼性も兼ね備える半導体装置の放熱構造を提供する。
【解決手段】基板２０と電気的に接続される電気的接合面１１ａと、その反対側の放熱面１１ｂとを有する半導体デバイス１０の放熱構造１０１であって、放熱面１１ｂが非絶縁部品３２を介してヒートスプレッダ３１に接合または接触するとともに、このヒートスプレッダ３１が絶縁部品４１を介してヒートシンク３０に接合または接触している。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面実装型の半導体装置（半導体デバイス）の放熱構造（冷却構造ともいう）に関し、特に、薄型パッケージの半導体装置に適用できる放熱性や絶縁信頼性を備える放熱構造に関する。
図４（ａ）は従来のリードタイプのディスクリート部品１を例示する概略斜視図であり、図４（ｂ）は近年開発されている表面実装型の半導体デバイス１０を例示する概略斜視図である。
半導体スイッチングデバイスの高速化に伴って、デバイス自体の寄生インダクタンスを小さくすることが必要となる。図４（ａ）に示すような従来のディスクリート部品１（例えば、リードタイプのＩＧＢＴ）とは異なり、例えば、図４（ｂ）に示すような半導体デバイス１０では、スイッチング速度が非常に高速であるため、可能な限り小さい寄生インダクタンスを実現するためにデバイスパッケージの薄型化が進んでいる。
このような半導体デバイス１０は、図４（ｂ）に示すように、超薄型のパッケージ１１に収められており、例えば、基板と電気的に接続される１以上の電極（端子）１２が配置された電気的接合面１１ａと、その反対側に広い放熱電極１３が配置された放熱面１１ｂとを有している。この半導体デバイス１０の実装時には、優れた放熱性や絶縁信頼性を備える必要があり、例えば、特許文献１〜３などの技術が提案されている。
特開２０１４−２４１３４０号公報 特開２０００−３１１９７１号公報 特開２００８−０２８１６３号公報
図５（ａ）は従来の放熱構造２０１の概略を例示する断面図であり、図５（ｂ）はその変形例である放熱構造２０１Ａの概略を例示する断面図である。
図５（ａ）に示す放熱構造２０１では、導電性を有する放熱・冷却部品（以下では単に「放熱部品」という）の一例であるヒートシンク３０上に、絶縁部品４１を介して半導体デバイス１０がその放熱面１１ｂを下にして接合または接触するように搭載されるとともに、その電気的接合面１１ａの電極１２が基板２０の下面パターン２２にはんだ付けされている。
このような放熱構造２０１によれば、半導体デバイス１０で発生した熱は、その放熱面１１ｂから絶縁部品４１を介してヒートシンク３０に伝わる。
また、図５（ｂ）に示す放熱構造２０１Ａでは、ヒートシンク３０上に絶縁部品４１を介して基板２０の下面パターン２２が接触するとともに、基板２０の上面パターン２１と半導体デバイス１０の電気的接合面１１ａの電極１２とがはんだ付けされている。
このような放熱構造２０１Ａによれば、半導体デバイス１０で発生した熱は、その電気的接合面１１ａの電極１２から基板２０に設けられたサーマルビアまたはインレイと絶縁部品４１とを介してヒートシンク３０に伝わる。
これらの放熱構造２０１、２０１Ａには、次のような課題があるが、少なくとも１）の課題の解消、すなわち、発熱体である半導体デバイス１０とヒートシンク３０との間の熱抵抗を最小にすることが必要である。さらに、２）〜４）の課題も解消できることが好ましい。
１）発熱体（半導体デバイス１０）の放熱（冷却）性能（絶縁部品４１の熱伝導）
２）パッケージ１１上の上面電極と下面電極の絶縁
３）パッケージ１１と放熱部品との絶縁
４）基板２０の電気配線と放熱部品との絶縁
従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、表面実装用の薄型半導体装置に適用できる優れた放熱性を備える半導体装置の放熱構造、好ましくは優れた絶縁信頼性も兼ね備える半導体装置の放熱構造を提供することである。
上記目的を達成するため、本発明の半導体装置の放熱構造は、基板と電気的に接続される電気的接合面と、その反対側の放熱面とを有する半導体装置の放熱構造であって、前記放熱面が非絶縁部材を介して導電性高熱伝導部材に接合または接触するとともに、この導電性高熱伝導部材が第１絶縁部材を介して放熱部品に接合または接触していることを特徴とする。
ここで、前記導電性高熱伝導部材の厚みは、前記半導体装置の厚みよりも大きく、前記導電性高熱伝導部材は、平面視で前記放熱部品よりも小さいことが好ましい。前記半導体装置および前記導電性高熱伝導部材が、例えば平面視でいずれも略矩形状とした場合、前記導電性高熱伝導部材の各辺の長さは、前記導電性高熱伝導部材の厚みの２倍と前記半導体装置の各辺の長さとの和よりも大きいことが好ましい。ただし、前記導電性高熱伝導部材は、平面視で略矩形状に限るわけではなく、例えば略円形状であってもよいし、その大きさは、略矩形状の場合に準じて定めればよい。また、前記第１絶縁部材は、平面視で前記導電性高熱伝導部材よりも大きいことが好ましい。
このような構成の半導体装置の放熱構造によれば、半導体装置で発生した熱は、その放熱面から非絶縁部材を介して導電性高熱伝導部材に伝わって拡散され、さらに第１絶縁部材を介して放熱部品に伝わるので、優れた放熱性を備える。
本発明の半導体装置の放熱構造において、前記基板と前記導電性高熱伝導部材との間で前記半導体装置の外周および前記基板のパターンの少なくとも一部を覆うように第２絶縁部材が配置されてもよい。さらに、前記第２絶縁部材が前記基板と前記放熱部品との間の空間を占めるように配置されてもよい。
ここで、前記第２絶縁部材は、前記放熱部品への固定用の貫通穴を有してもよい。前記第２絶縁部材は、例えば、絶縁耐熱性樹脂による成形もしくは切削加工品、絶縁耐熱性のテープ、絶縁耐熱性の樹脂による封止、またはこれらのいずれか２つ以上の組み合わせによって配置されてもよい。
このような構成の半導体装置の放熱構造によれば、優れた放熱性を備えるとともに、絶縁破壊の発生も回避することができる。
本発明の半導体装置の放熱構造によれば、半導体装置で発生した熱は、その放熱面から非絶縁部材を介して導電性高熱伝導部材に伝わって拡散され、さらに第１絶縁部材を介して放熱部品に伝わるので、優れた放熱性を備える。
さらに、前記基板と前記導電性高熱伝導部材との間で前記半導体装置の外周および前記基板のパターンの少なくとも一部を覆うように第２絶縁部材が配置されている場合には、優れた放熱性を備えるとともに、絶縁破壊の発生も回避することができる。
本発明の第１実施形態に係る放熱構造１０１の概略を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る放熱構造１０２の概略を示す断面図である。 本発明の第２実施形態の変形例に係る放熱構造１０２Ａの概略を示す断面図である。 （ａ）は従来のリードタイプのディスクリート部品１を例示する概略斜視図であり、（ｂ）は近年開発されている表面実装型の半導体デバイス１０を例示する概略斜視図である。 （ａ）は従来の放熱構造２０１の概略を例示する断面図であり、（ｂ）はその変形例である放熱構造２０１Ａの概略を例示する断面図である。
以下、本発明のいくつかの実施形態を、図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態に係る放熱構造１０１の概略を示す断面図である。
図１に示すように、この放熱構造１０１では、導電性を有する放熱部品の一例であるヒートシンク３０（例えば熱伝導率１９０Ｗ／ｍｋ以上）上に、薄いシート状の絶縁部品４１を介して、非絶縁の熱拡散素子（導電性を有する高熱伝導部品）の一例であるヒートスプレッダ３１が接合または接触するように搭載されている。このヒートスプレッダ３１上には、薄い非絶縁部品３２を介して、発熱体の一例であって超薄型のパッケージ１１に収められた半導体デバイス１０がその放熱面１１ｂを下にして接合または接触するように搭載されている。その電気的接合面１１ａの電極１２は、基板２０の下面パターン２２にはんだ付けなどによって電気的に接続されている。
半導体デバイス１０は、各電極１２および放熱電極１３がいずれもパッケージ１１の外形より内側に配置されており、ほぼパッケージの厚みＴ１におさまっている。パッケージ厚みＴ１は、例えば２ｍｍ以下が好ましい。
ヒートスプレッダ３１は、その厚みＴ２が例えば２ｍｍ以上が好ましく、そのサイズは半導体デバイス１０よりも大きく、ヒートシンク３０より小さい。ヒートスプレッダ３１の各辺の長さＬ２は、半導体デバイス１０の１辺の長さをＬ１とすると、Ｌ１＋２×Ｔ２以上とすることが好ましい。その材料としては、例えば熱伝導率１９０Ｗ／ｍｋ以上の高熱伝導性金属、具体的には銅またはアルミが挙げられるが、これらに限らない。
非絶縁部品３２としては、例えば熱伝導率２０Ｗ／ｍｋ以上の材料、具体的にははんだまたはグラファイトが挙げられるが、これらに限らない。
絶縁部品４１としては、例えば熱伝導率が１〜１０Ｗ／ｍｋで耐電圧が１５００V以上の部材とするとともに、絶縁距離を確保するためにヒートスプレッダ３１より大きいことが好ましい。
このような放熱構造１０１によれば、半導体デバイス１０の放熱面１１ｂが非絶縁でヒートスプレッダ３１に接触するとともに、このヒートスプレッダ３１がヒートシンク３０と絶縁で接触している。これにより、半導体デバイス１０で発生した熱は、その放熱面１１ｂから非絶縁部品３２を介してヒートスプレッダ３１に伝わって拡散され、さらに絶縁部品４１を介してヒートシンク３０に伝わるので、優れた放熱性を備える。
＜第２実施形態＞
図２は本発明の第２実施形態に係る放熱構造１０２の概略を示す断面図である。なお、第１実施形態と同じ構成部材には同じ参照符号を付し、以下では主として相違点について説明する。
図２に示すように、この放熱構造１０２では、第１実施形態の放熱構造１０１の構成に加えて、基板２０とヒートスプレッダ３１との間で、半導体デバイス１０の外周および基板２０のパターン（少なくともヒートスプレッダ３１と高電圧差になり得るパターン）を覆うように断面横Ｌ字状の絶縁部品４２が挿入されている。ただし、このような絶縁部品４２の挿入に限らず、同じ絶縁材料の塗布などによって、半導体デバイス１０の外周にこの絶縁材料が存在するように配置すればよい。つまり、半導体デバイス１０の外周上の基板２０とヒートスプレッダ３１に挟まれた空間に絶縁材料による絶縁層を有する構造とする。
絶縁部品４２としては、例えば絶縁耐熱性樹脂（例えばＰＰＳ）による成形もしくは切削加工品、絶縁耐熱性のテープ、絶縁耐熱性の樹脂（例えばエポキシやシリコーンなど）による封止、またはいずれか２つ以上の組み合わせが挙げられるが、これらに限らない。
ヒートスプレッダ３１は、半導体デバイス１０のパッケージ１１との接合または接触部が周囲よりも高くなっていることが好ましい。
このような放熱構造１０２によれば、半導体デバイス１０の放熱面１１ｂが非絶縁でヒートスプレッダ３１に接触するとともに、このヒートスプレッダ３１がヒートシンク３０と絶縁で接触しており、さらに、半導体デバイス１０の外周および基板２０のパターンが絶縁部品４２によって覆われる。これにより、優れた放熱性を備えるとともに、絶縁破壊の発生も回避することができる。
＜第２実施形態の変形例＞
図３は本発明の第２実施形態の変形例に係る半導体デバイス１０の放熱構造１０２Ａの概略を示す断面図である。なお、第２実施形態と同じ構成部材には同じ参照符号を付し、以下では主として相違点について説明する。
図３に示すように、この放熱構造１０２Ａでは、第２実施形態の放熱構造１０２の構成における絶縁部品４２に代えて、基板２０とヒートシンク３０との間で残りの空間を占めるような絶縁部品４２Ａが挿入され、ヒートシンク３０上に設けられたネジ穴３０ａにネジ５０で固定されている。この絶縁部品４２Ａは、基板２０とヒートシンク３０との間で半導体デバイス１０だけでなく、基板２０の下面（下面パターン２２も含む）、非絶縁部品３２、ヒートスプレッダ３１および絶縁部品４１も含めた全体の外周を覆う。
非絶縁部品３２としては、例えば、はんだやグラファイトシートなどが挙げられるが、これらに限らない。
ヒートスプレッダ３１としては、例えば、銅製のものが挙げられるが、これに限らない。その厚みＴ２は、例えば２ｍｍ以上が好ましい。そのサイズ（各辺の長さをＬ２とする）は、半導体デバイス１０の１辺の長さをＬ１とすると、Ｌ１＋２×Ｔ２より大きく、ヒートシンク３０よりは小さくすることが好ましい。
絶縁部品４１としては、例えば、絶縁シート（例えば熱伝導率が５Ｗ／ｍｋ）が挙げられるが、これに限らない。
ヒートシンク３０としては、例えば、アルミ製のものが挙げられるが、これに限らない。
このような放熱構造１０２Ａによれば、第２実施形態の放熱構造１０２と同様に、半導体デバイス１０の放熱面１１ｂが非絶縁でヒートスプレッダ３１に接触するとともに、このヒートスプレッダ３１がヒートシンク３０と絶縁で接触しており、さらに、半導体デバイス１０の各電極１２の周囲が絶縁部品４２Ａによって覆われる。これにより、優れた放熱性を備えるとともに、絶縁破壊の発生を回避することができる。
以上で説明した各実施形態およびその変形例などの各構成は、阻害要因などが特に無い限り、相互に組み合わせてもよい。
なお、本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の各実施形態や各実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
１０ 半導体デバイス
１１ パッケージ
１２ 電極
１３ 放熱電極
２０ 基板
３０ ヒートシンク
３１ ヒートスプレッダ
３２ 非絶縁部品
４１ 絶縁部品
４２ 絶縁部品
４２Ａ 絶縁部品
５０ ネジ

Claims (7)

  1. 基板と電気的に接続される電気的接合面と、その反対側の放熱面とを有する半導体装置の放熱構造であって、
    前記放熱面が非絶縁部材を介して導電性高熱伝導部材に接合または接触するとともに、
    この導電性高熱伝導部材が第１絶縁部材を介して放熱部品に接合または接触していることを特徴とする、半導体装置の放熱構造。
  2. 請求項１に記載の半導体装置の放熱構造において、
    前記導電性高熱伝導部材の厚みは、前記半導体装置の厚みよりも大きく、
    前記導電性高熱伝導部材は、平面視で前記放熱部品よりも小さく、
    前記半導体装置および前記導電性高熱伝導部材が平面視でいずれも略矩形状とした場合、前記導電性高熱伝導部材の各辺の長さは、前記導電性高熱伝導部材の厚みの２倍と前記半導体装置の各辺の長さとの和よりも大きいことを特徴とする、半導体装置の放熱構造。
  3. 請求項１または２に記載の半導体装置の放熱構造において、
    前記第１絶縁部材は、平面視で前記導電性高熱伝導部材よりも大きいことを特徴とする、半導体装置の放熱構造。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の放熱構造において、
    前記基板と前記導電性高熱伝導部材との間で前記半導体装置の外周および前記基板のパターンの少なくとも一部を覆うように第２絶縁部材が配置されていることを特徴とする、半導体装置の放熱構造。
  5. 請求項４に記載の半導体装置の放熱構造において、
    前記第２絶縁部材が前記基板と前記放熱部品との間の空間を占めるように配置されていることを特徴とする、半導体装置の放熱構造。
  6. 請求項５に記載の半導体装置の放熱構造において、
    前記第２絶縁部材は、前記放熱部品への固定用の貫通穴を有することを特徴とする、半導体装置の放熱構造。
  7. 請求項４〜６のいずれか１項に記載の半導体装置の放熱構造において、
    前記第２絶縁部材は、絶縁耐熱性樹脂による成形もしくは切削加工品、絶縁耐熱性のテープ、絶縁耐熱性の樹脂による封止、またはこれらのいずれか２つ以上の組み合わせによって配置されることを特徴とする、半導体装置の放熱構造。
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