JP2018018952A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インバータ等の電力変換装置を構成する電力用半導体装置に関し、特に部分的に異なる厚みを有するリードフレームの構成に関するものである。 The present invention relates to a power semiconductor device that constitutes a power conversion device such as an inverter, and more particularly to a configuration of a lead frame having partially different thicknesses.
電力用半導体装置であるトランスファーモールド構造パッケージのDIPIPM(Dual Inline Package Intelligent Power Module)には、高い放熱性と絶縁性が要求される。放熱性を向上させるためには、接合材を介して接合されたチップ直下のリードフレームの厚みを増すことにより、熱伝導性が低い絶縁シートに熱が入力される前段階で熱広がりを促進させることが有効である。そのため、従来は放熱性が求められる品種では、リードフレーム全体の厚みを均一に厚くした設計が行われてきた。 DIPIPM (Dual Inline Package Intelligent Power Module), which is a transfer mold structure package, which is a power semiconductor device, requires high heat dissipation and insulation. In order to improve heat dissipation, by increasing the thickness of the lead frame directly under the chip bonded via the bonding material, the heat spread is promoted before heat is input to the insulating sheet having low thermal conductivity. It is effective. For this reason, conventionally, a variety of products that require heat dissipation have been designed with a uniform thickness of the entire lead frame.
また、例えば特許文献1では、パワーチップのみが搭載されるモジュールにおいて、部分的に異なる厚みを有するリードフレームを備えた構成が開示されており、チップ搭載部は全て厚肉部となっている。
Further, for example,
しかしながら、リードフレーム全体の厚みを均一に厚くした場合には材料コストが増加する。さらに、リードフレームの打ち抜き制約条件によるパターンレイアウトの拡大に起因して、パッケージサイズが増大する。以上のことから、製品コストが増加するという問題があった。 However, the material cost increases when the thickness of the entire lead frame is increased uniformly. Furthermore, the package size increases due to the expansion of the pattern layout due to the lead frame punching constraint. From the above, there is a problem that the product cost increases.
また、特許文献1に記載の技術を、パワーチップおよび、パワーチップを駆動するIC(Integrated Circuit)チップが搭載されるモジュールに採用した場合、パワーチップだけでなく温度制限の低いICチップについてもチップ搭載部としての厚肉部に搭載される。この場合、材料コストの増加を抑制するために厚肉部が形成される領域をできるだけ小さくする必要があることから、厚肉部におけるICチップが搭載された箇所とパワーチップが搭載された箇所との距離が近くなり、パワーチップからICチップへの熱干渉が大きくなるという問題があった。
Further, when the technique described in
そこで、本発明は、熱干渉を低減し、かつ、放熱性を向上させるとともに、製品コストの増加を抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that can reduce thermal interference, improve heat dissipation, and suppress an increase in product cost.
本発明に係る半導体装置は、パワーチップと、前記パワーチップを駆動するICチップと、薄肉部と、前記薄肉部の厚みよりも厚い厚肉部とを有するリードフレームとを備え、前記パワーチップは前記厚肉部に搭載され、前記ICチップは前記薄肉部に搭載されたものである。 A semiconductor device according to the present invention includes a power chip, an IC chip that drives the power chip, a thin portion, and a lead frame that is thicker than a thickness of the thin portion, The IC chip is mounted on the thin part, and the IC chip is mounted on the thin part.
本発明によれば、半導体装置は、パワーチップと、パワーチップを駆動するICチップと、薄肉部と、薄肉部の厚みよりも厚い厚肉部とを有するリードフレームとを備え、パワーチップは厚肉部に搭載され、ICチップは薄肉部に搭載された。 According to the present invention, a semiconductor device includes a power chip, an IC chip that drives the power chip, a thin portion, and a lead frame that has a thick portion thicker than the thin portion, and the power chip is thick. It was mounted on the meat part, and the IC chip was mounted on the thin part.
したがって、主な発熱源であるパワーチップに対して、放熱体としてのリードフレームにおけるパワーチップ直下の部分の厚みが増すことにより熱広がりを促進させることができる。これにより、半導体装置の放熱性を向上させることができる。 Therefore, the heat spread can be promoted by increasing the thickness of the portion immediately below the power chip in the lead frame as the heat radiating element with respect to the power chip as the main heat source. Thereby, the heat dissipation of the semiconductor device can be improved.
また、温度制限の低いICチップは薄肉部に搭載されるため、リードフレームにおけるICチップが搭載された箇所とパワーチップが搭載された箇所との距離を離すことができる。これにより、パワーチップからICチップへの熱干渉を低減できる。 Further, since the IC chip having a low temperature limit is mounted on the thin portion, the distance between the position where the IC chip is mounted on the lead frame and the position where the power chip is mounted can be separated. Thereby, thermal interference from the power chip to the IC chip can be reduced.
さらに、リードフレームにおけるパワーチップの搭載箇所のみに厚肉部が設けられるため、厚肉部が形成される領域を小さくすることができる。これにより、材料コストおよびパッケージサイズの増加を抑制できるため、製品コストの増加を抑制できる。 Furthermore, since the thick portion is provided only at the power chip mounting location in the lead frame, the region where the thick portion is formed can be reduced. Thereby, since the increase in material cost and package size can be suppressed, the increase in product cost can be suppressed.
<実施の形態1>
本発明の実施の形態1について、図面を用いて以下に説明する。図1は、実施の形態1に係る半導体装置1の平面図である。図2は、半導体装置1の断面図であり、より具体的には、図1のII-II線断面図である。ここで、図1はタイバーカット工程前を示す図面である。なお、図1の紙面に向かって左右方向をX軸方向、上下方向をY軸方向として説明する。
<
図1と図2に示すように、半導体装置1は、例えばパワーモジュールであり、パワーチップ8,9と、ICチップ10と、リードフレーム2と、モールド樹脂15と、絶縁層6と、ヒートシンク7とを備えている。リードフレーム2は、モールド樹脂15により封止されるインナーリード2aと、インナーリード2aと繋がるアウターリード2bと、アウターリード2bと繋がる外枠部2cとを備えている。インナーリード2aは、薄肉部3,3aと、薄肉部3,3aの厚みよりも厚い厚肉部4とを複数ずつ備えている。また、各薄肉部3の一部と各厚肉部4はそれぞれ繋がっている。各薄肉部3aの一部と各厚肉部4はそれぞれ繋がっている。なお、アウターリード2bおよび外枠部2cは、薄肉部3,3aと同じ厚みを有している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
パワーチップ8,9は、例えばSiCを材料として形成されたSiCチップであり、接合材16(図3参照)を介して厚肉部4に搭載されている。なお、パワーチップ8,9はSiCチップに限定されることなく、例えばSiを材料として形成されたSiチップであってもよい。ICチップ10は、パワーチップ8,9を駆動するための電子部品であり、薄肉部3aに搭載されている。パワーチップ8はワイヤ11を介して薄肉部3と電気的に接続されるとともに、ワイヤ12を介してパワーチップ9と電気的に接続されている。パワーチップ9は、ワイヤ13を介してICチップ10と電気的に接続されている。ICチップ10は、ワイヤ14を介して薄肉部3aと電気的に接続されている。
The
リードフレーム2の一部であるインナーリード2a、パワーチップ8,9、ICチップ10、絶縁層6、およびヒートシンク7の下面を除く部分は、モールド樹脂15により封止されている。モールド樹脂15としては、例えばエポキシ樹脂が用いられる。アウターリード2bおよび外枠部2cは、モールド樹脂15から露出しており、アウターリード2bは、モールド樹脂15から第1の方向に突出する端子5,5aを構成している。外枠部2cは、タイバーカット工程にてアウターリード2bから切断され除去される。ここで、第1の方向とはY軸方向である。
Portions other than the inner leads 2 a, the
絶縁層6は、厚肉部4の下面に配置されている。ヒートシンク7は、例えば熱伝導性の高い銅などの金属を材料として形成され、絶縁層6の下面に配置されている。
The
次に、図3を用いて、厚肉部4での熱広がりについて説明する。ここでは、パワーチップ8について説明するが、パワーチップ9の場合もこれと同様である。図3は、厚肉部4での熱広がりを説明するための図である。
Next, the heat spread in the
図3に示すように、パワーチップ8は厚肉部4に搭載されているため、主な発熱源であるパワーチップ8に対して、放熱体としてのリードフレーム2におけるパワーチップ8直下の部分の厚みが増すことにより熱広がりを促進させることができる。これにより、放熱性の向上と熱抵抗の低減が可能となる。なお、図3における点線Cは熱広がりを示している。
As shown in FIG. 3, since the
また、チップ端−搭載フレーム端距離、すなわち、パワーチップ8の端と、当該パワーチップ8の当該端側に対応する厚肉部4の端との距離をaとし、フレーム厚み、すなわち、厚肉部4の厚みをtとすると、厚肉部4の厚みは、パワーチップ8の4辺のうち少なくとも1辺でt≧aを満たすように設定されている。これにより、厚肉部4の端まで熱が広がることで、更なる放熱性の向上が可能となる。ここで、当該パワーチップ8の当該端側に対応する厚肉部4の端とは、パワーチップ8および厚肉部4において、図3の紙面に向かって同じ側の端のことである。
Further, the distance between the chip end and the mounting frame end, that is, the distance between the end of the
次に、図4を用いて、厚肉部4が形成される位置について説明する。図4は、厚肉部4の形成位置を説明するための図である。
Next, the position where the
図4に示すように、各厚肉部4は、コイル材を使用した順送型の打ち抜き加工により形成されることを考慮して、第1の方向に直交する第2の方向に沿って一直線上に設けられている。ここで、第1の方向とはY軸方向であり、第2の方向とはX軸方向である。
As shown in FIG. 4, each
以下、詳細に説明する。平板状のコイル材がX軸方向に沿って順送りされて順番に打ち抜き加工が行われることで、部分的に異なる厚みを有するリードフレーム2、すなわち、複数の薄肉部3,3aと複数の厚肉部4とを有するインナーリード2aと、アウターリード2bと、外枠部2cとを有するリードフレーム2が製造される。各薄肉部3,3aと、各薄肉部3,3aに繋がる各厚肉部4は、X軸方向に間隔をあけて形成される。より具体的には、各厚肉部4は、X軸方向に沿って一直線上に形成された2つの点線で囲まれた領域に、X軸方向に互いに間隔をあけて設けられている。また、各薄肉部3は、2つの点線で囲まれた領域の外側の領域、換言すると2つの点線で囲まれた領域に対して−Y方向に隣接する領域に、X軸方向に互いに間隔をあけて設けられている。各薄肉部3aは、2つの点線で囲まれた領域の外側の領域、換言すると2つの点線で囲まれた領域に対して+Y方向に隣接する領域に、X軸方向に互いに間隔をあけて設けられている。また、アウターリード2bは、2つの点線で囲まれた領域の外側の領域、換言すると2つの点線で囲まれた領域に対してY軸方向に隣接する領域に、X軸方向に互いに間隔をあけて設けられている。ここで、+Y方向とは図4の紙面に向かって上方向、−Y方向とは図4の紙面に向かって下方向である。
Details will be described below. A
以上のように、実施の形態1に係る半導体装置1は、パワーチップ8,9と、パワーチップ8,9を駆動するICチップ10と、薄肉部3,3aと、薄肉部3,3aの厚みよりも厚い厚肉部4とを有するリードフレーム2とを備え、パワーチップ8,9は厚肉部4に搭載され、ICチップ10は薄肉部3aに搭載された。
As described above, the
したがって、主な発熱源であるパワーチップ8,9に対して、放熱体としてのリードフレーム2におけるパワーチップ8,9直下の部分の厚みが増すことにより熱広がりを促進させることができる。これにより、半導体装置1の放熱性を向上させることができる。
Therefore, the heat spread can be promoted by increasing the thickness of the portion immediately below the
また、温度制限の低いICチップ10は薄肉部3aに搭載されるため、リードフレーム2におけるICチップ10が搭載された箇所とパワーチップ8,9が搭載された箇所との距離を離すことができる。これにより、パワーチップ8,9からICチップ10への熱干渉を低減できる。
In addition, since the
さらに、リードフレーム2におけるパワーチップ8,9の搭載箇所のみに厚肉部4が設けられるため、厚肉部4が形成される領域を小さくすることができる。これにより、材料コストおよびパッケージサイズの増加を抑制できるため、製品コストの増加を抑制できる。
Furthermore, since the
パワーチップ8,9の端と、当該パワーチップ8,9の当該端側に対応する厚肉部4の端との距離をaとし、厚肉部4の厚みをtとすると、パワーチップ8,9の4辺のうち少なくとも1辺でt≧aを満たす。したがって、厚肉部4の端まで熱が広がることで、更なる放熱性の向上が可能となる。
When the distance between the end of the
厚肉部4は複数であり、半導体装置1は、リードフレーム2の一部、パワーチップ8,9およびICチップ10を封止するモールド樹脂15をさらに備え、リードフレーム2は、モールド樹脂15からY軸方向に突出する端子5,5aをさらに有し、各厚肉部4は、Y軸方向に直交するX軸方向に沿って一直線上に設けられた。したがって、リードフレーム2の製造工程において、コイル材を使用した順送型の打ち抜き加工を採用することができるため、製造効率の向上を図ることができる。また、絶縁層6は、図4の点線で囲まれた領域で示される矩形状に形成されるため、絶縁層6の形状が簡単になり、絶縁層6の面積縮小が可能となる。
The
パワーチップ8,9はSiCを材料として形成されたため熱抵抗が増加するものの、厚肉部4を設けたことにより放熱性が向上するため、熱抵抗の増加分を吸収することができる。
Since the
なお、厚肉部4にめっきが施されていてもよい。この場合、パワーチップ8,9直下の厚肉部4と接合材16(図3参照)との界面の接触熱抵抗を低減させることができる。これにより、熱抵抗の悪化を抑制することが可能となる。
Note that the
<実施の形態2>
次に、実施の形態2に係る半導体装置1Aについて説明する。図5は、実施の形態2に係る半導体装置1Aの断面図である。なお、実施の形態2において、実施の形態1で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。また、図5以降では、モールド樹脂15の図示を省略している。
<
Next, a
図5に示すように、実施の形態2では、厚肉部4を下方に沈めた構成を採用している。より具体的には、薄肉部3における厚肉部4との接続部分を下方に折り曲げた状態で固定することで、厚肉部4の上面は、薄肉部3,3aの上面の高さ位置よりも低い高さ位置に設けられている。
As shown in FIG. 5, in
さらに、厚肉部4の沈め寸法と厚肉部4の厚みとの和、すなわち、薄肉部3,3aの上面の高さ位置と厚肉部4の上面の高さ位置との差と、厚肉部4の厚みとの和をAとし、絶縁層6の厚みとヒートシンク7の厚みとの和をBとすると、厚肉部4の沈め寸法および厚肉部4の厚みは、A>Bを満たすように設定されている。
Furthermore, the sum of the sinking dimension of the
以上のように、実施の形態2に係る半導体装置1Aでは、厚肉部4の上面は、薄肉部3,3aの上面の高さ位置よりも低い高さ位置に設けられているため、外形の絶縁高さを容易に確保することができる。ここで、外形の絶縁高さとは、ヒートシンク7の裏面から端子5,5aの下面までの高さである。また、ICチップ10の搭載部としての薄肉部3aと、厚肉部4との距離を容易に確保することができることから、パワーチップ8,9から温度制限の低いICチップ10への熱干渉を抑制することが容易である。
As described above, in the
薄肉部3,3aの上面の高さ位置と厚肉部4の上面の高さ位置との差と、厚肉部4の厚みとの和をAとし、絶縁層6の厚みとヒートシンク7の厚みとの和をBとすると、A>Bを満たす。したがって、ヒートシンク7の材料コストを抑えつつパワーチップ8,9直下の厚肉部4の厚みを確保することができるため、半導体装置1の絶縁性の向上および熱抵抗の低減が可能となる。
The sum of the difference between the height position of the upper surface of the
<実施の形態3>
次に、実施の形態3に係る半導体装置1Bについて説明する。図6は、実施の形態3に係る半導体装置1Bの断面図である。なお、実施の形態3において、実施の形態1,2で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
<
Next, a
図6に示すように、実施の形態3では、厚肉部4と薄肉部3,3aとは別部材により形成され、厚肉部4は、薄肉部3,3aよりも高い熱伝導特性を有する部材により形成されている。より具体的には、厚肉部4は、薄肉部3の下面に配置される第1部材4aと、第1部材4aの下面に配置される第2部材4bとを備えている。ここで、第1部材4aは例えば銀、第2部材4bは例えば純銅により形成されている。または、第1部材4aは例えば純銅、第2部材4bは例えば銀により形成されていてもよい。打ち抜き加工前に、コイル材における厚肉部4となる部分を含む領域の下面に第1部材4aが接合され、第1部材4aの下面に第2部材4bが接合される。そして、順送型の打ち抜き加工が行われることで、薄肉部3と厚肉部4が形成される。なお、厚肉部4となる部分を含む領域とは、X軸方向に隣接する厚肉部4同士の間の部分を含む領域である。
As shown in FIG. 6, in
第1部材4aおよび第2部材4bは、薄肉部3,3aよりも高い熱伝導特性を有する部材である。なお、厚肉部4は必ずしも2種類の部材により形成される必要はなく、薄肉部3,3aよりも高い熱伝導特性を有する1種類の部材により形成されてもよいし、3種類以上の部材により形成されてもよい。
The
以上のように、実施の形態3に係る半導体装置1Bでは、厚肉部4と薄肉部3,3aとは別部材により形成され、厚肉部4は、薄肉部3,3aよりも高い熱伝導特性を有する部材により形成されたため、更なる放熱性の向上が可能となる。
As described above, in the
<実施の形態4>
次に、実施の形態4に係る半導体装置1Cについて説明する。図7は、実施の形態4に係る半導体装置1Cの断面図である。なお、実施の形態4において、実施の形態1〜3で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
<
Next, a semiconductor device 1C according to the fourth embodiment will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view of a semiconductor device 1C according to the fourth embodiment. Note that in the fourth embodiment, the same components as those described in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
図7に示すように、実施の形態4では、厚肉部4は2種類の異なる厚みを有している。より具体的には、例えばパワーチップ8の一端部側に対応する領域において、厚肉部4はその他の領域よりも厚みが薄く形成されている。なお、厚肉部4は2種類の異なる厚みに限定されることなく、3種類以上の異なる厚みを有していてもよい。
As shown in FIG. 7, in the fourth embodiment, the
実施の形態4に係る半導体装置1Cでは、厚肉部4は少なくとも2種類の異なる厚みを有するため、厚肉部4における各部位毎に必要な熱抵抗値に調整することができる。厚肉部4において異なる厚みを持たせることで、熱抵抗値の調整を容易に行うことができるため、製品コストの上昇を低減することが可能となる。
In the
<実施の形態5>
次に、実施の形態5に係る半導体装置1Dについて説明する。図8は、実施の形態5に係る半導体装置1Dの断面図である。なお、実施の形態5において、実施の形態1〜4で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
<
Next, a semiconductor device 1D according to the fifth embodiment will be described. FIG. 8 is a cross-sectional view of a semiconductor device 1D according to the fifth embodiment. Note that in the fifth embodiment, the same components as those described in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図8に示すように、実施の形態5では、厚肉部4は、ワイヤ11を介してパワーチップ8と接続されるリードフレーム2のワイヤボンド箇所にさらに設けられている。これにより、通電時にワイヤ11から発せられる熱についても、厚肉部4を介して絶縁層6側へ放熱することが可能となる。
As shown in FIG. 8, in the fifth embodiment, the
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
1,1A,1B,1C,1D 半導体装置、2 リードフレーム、3,3a 薄肉部、4 厚肉部、5,5a 端子、6 絶縁層、7 ヒートシンク、8,9 パワーチップ、10 ICチップ、11 ワイヤ、15 モールド樹脂。 1, 1A, 1B, 1C, 1D Semiconductor device, 2 Lead frame, 3, 3a Thin portion, 4 Thick portion, 5, 5a Terminal, 6 Insulating layer, 7 Heat sink, 8, 9 Power chip, 10 IC chip, 11 Wire, 15 Mold resin.
Claims (10)
前記パワーチップを駆動するICチップと、
薄肉部と、前記薄肉部の厚みよりも厚い厚肉部とを有するリードフレームと、
を備え、
前記パワーチップは前記厚肉部に搭載され、前記ICチップは前記薄肉部に搭載された、半導体装置。 A power chip,
An IC chip for driving the power chip;
A lead frame having a thin portion and a thick portion thicker than the thickness of the thin portion;
With
The power chip is mounted on the thick part, and the IC chip is mounted on the thin part.
前記パワーチップの4辺のうち少なくとも1辺でt≧aを満たす、請求項1記載の半導体装置。 When the distance between the end of the power chip and the end of the thick part corresponding to the end side of the power chip is a, and the thickness of the thick part is t,
The semiconductor device according to claim 1, wherein t ≧ a is satisfied on at least one side of the four sides of the power chip.
前記半導体装置は、前記リードフレームの一部、前記パワーチップおよび前記ICチップを封止するモールド樹脂をさらに備え、
前記リードフレームは、前記モールド樹脂から第1の方向に突出する端子をさらに有し、
各前記厚肉部は、前記第1の方向に直交する第2の方向に沿って一直線上に設けられた、請求項1記載の半導体装置。 The thick part is plural,
The semiconductor device further includes a mold resin that seals a part of the lead frame, the power chip, and the IC chip,
The lead frame further includes a terminal protruding from the mold resin in a first direction,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein each of the thick portions is provided on a straight line along a second direction orthogonal to the first direction.
前記厚肉部は、前記薄肉部よりも高い熱伝導特性を有する部材により形成された、請求項1記載の半導体装置。 The thick part and the thin part are formed by separate members,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the thick portion is formed of a member having higher heat conduction characteristics than the thin portion.
前記薄肉部の上面の高さ位置と前記厚肉部の上面の高さ位置との差と、前記厚肉部の厚みとの和をAとし、前記絶縁層の厚みと前記ヒートシンクの厚みとの和をBとすると、
A>Bを満たす、請求項3記載の半導体装置。 An insulating layer disposed on the lower surface of the thick portion; and a heat sink disposed on the lower surface of the insulating layer,
The sum of the difference between the height position of the upper surface of the thin portion and the height position of the upper surface of the thick portion and the thickness of the thick portion is A, and the thickness of the insulating layer and the thickness of the heat sink If the sum is B,
The semiconductor device according to claim 3, wherein A> B is satisfied.
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