JP2022045413A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ヒートシンクを備えた半導体装置において、封止樹脂とヒートシンクとの間の界面の剥離がヒートシンクの上面に設けられた絶縁層とヒートシンクとの界面へ進展することを抑制可能な技術を提供することを目的とする。【解決手段】半導体装置100は、ヒートシンク5と、ヒートシンク5の上面に設けられた絶縁層4と、絶縁層4の上面に固定されたリードフレーム1と、リードフレーム1の上面に搭載された半導体素子2と、ヒートシンク5の底面10を露出させた状態で、ヒートシンク5および半導体素子2を封止する封止樹脂6とを備えている。ヒートシンク5の底面10における周縁部には、段差状に凹む底面段差部7が形成され、底面段差部7には上方に凹み、封止樹脂6から露出しない凹部11が形成され、ヒートシンク5の上面には下方に凹む凹部12が形成されている。【選択図】図1

Description

本開示は、ヒートシンクを備えた半導体装置に関するものである。
ヒートシンクと、半導体素子と、ヒートシンクの底面を露出させた状態でヒートシンクおよび半導体素子を封止する封止樹脂とを備えた半導体装置がある。このような半導体装置では、ヒートシンクの底面に段差部が設けられている。
例えば、特許文献1には、段差部に回り込んだ封止樹脂が硬化することで樹脂フックが形成され、ヒートシンクが封止樹脂から抜け落ちることを防止する技術が開示されている。樹脂フックとは、硬化した樹脂がフックのように、部材の凹凸に引っ掛かり、部材の抜け落ちを防止する構造をいう。一般に、ヒートシンクはAlまたはCu等の優れた放熱性を持つ材料を用いて形成されている。
特開2003-7933号公報
しかしながら、従来の半導体装置では、ヒートシンクの底面に設けられた段差部の角部に熱ストレス等がかかる際に応力集中し易く、封止樹脂とヒートシンクとの間の界面の剥離の起点になりやすかった。剥離がヒートシンクの側面に沿ってヒートシンクの上面に設けられた絶縁層とヒートシンクとの間の界面へ進展した場合、半導体装置の絶縁特性が悪化するという問題があった。
そこで、本開示は、ヒートシンクを備えた半導体装置において、封止樹脂とヒートシンクとの間の界面の剥離がヒートシンクの上面に設けられた絶縁層とヒートシンクとの界面へ進展することを抑制可能な技術を提供することを目的とする。
本開示に係る半導体装置は、ヒートシンクと、前記ヒートシンクの上面に設けられた絶縁層と、前記絶縁層の上面に固定されたリードフレームと、前記リードフレームの上面に搭載された半導体素子と、前記ヒートシンクの底面を露出させた状態で、前記ヒートシンクおよび前記半導体素子を封止する封止樹脂とを備え、前記ヒートシンクの底面における周縁部には、段差状に凹む底面段差部が形成され、前記底面段差部には上方に凹み、前記封止樹脂から露出しない第1凹部が形成され、前記ヒートシンクの上面には下方に凹む第2凹部が形成されたものである。
本開示によれば、高温時に、第1凹部に充填された封止樹脂がヒートシンクの過度の反り返りを抑制できるため、底面段差部の角部を起点に封止樹脂とヒートシンクとの間の界面の剥離が進展することを抑制できる。さらに、封止樹脂とヒートシンクとの間の界面の剥離が進展した場合であっても、第2凹部により、封止樹脂とヒートシンクとの間の界面の剥離が絶縁層とヒートシンクとの間の界面へ進展することを抑制できる。
実施の形態1に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態1に係る半導体装置が備えるヒートシンクの底面図である。 実施の形態2に係る半導体装置が備えるヒートシンクの底面図である。 実施の形態2の変形例1に係る半導体装置が備えるヒートシンクの底面図である。 実施の形態2の変形例2に係る半導体装置が備えるヒートシンクの底面図である。 実施の形態3に係る半導体装置の拡大断面図である。 底面段差部に凹部が形成されていない場合における半導体装置の反り返りを示す断面図である。
<実施の形態1>
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100の断面図である。図2は、半導体装置100が備えるヒートシンク5の底面図である。
図1に示すように、半導体装置100は、ヒートシンク5と、絶縁層4と、複数のリードフレーム1と、複数の半導体素子2と、封止樹脂6とを備えている。
ヒートシンク5は、AlまたはCu等の優れた放熱性を持つ材料を用いて形成されている。絶縁層4は、ヒートシンク5の上面全体に設けられている。リードフレーム1は、絶縁層4の上面に固定されている。半導体素子2は、リードフレーム1の上面にはんだ等の接合材3を用いて固定されている。また、半導体素子2は、金属ワイヤ14を用いてリードフレーム1または他の半導体素子2に接続されている。
封止樹脂6は、ヒートシンク5の底面10を露出させた状態で、ヒートシンク5および半導体素子2を封止している。また、絶縁層4および封止樹脂6は、エポキシ樹脂またはフェノール樹脂等の絶縁性に優れた樹脂と添加剤からなる。
次に、ヒートシンク5の構造について説明を行う。図1と図2に示すように、ヒートシンク5の底面10における周縁部には、段差状に凹む底面段差部7が周縁部に沿って連続的に形成されている。底面段差部7の外周部には、上方に凹む第1凹部としての溝状の凹部11が外周部に沿って連続的に形成されている。
凹部11には封止樹脂6が充填されており、凹部11は封止樹脂6から露出していない。凹部11が底面段差部7の外周部、つまり、底面段差部7の角部の周辺に形成されることで、凹部11に充填された封止樹脂6により、高温時にヒートシンク5の過度な反り返りを抑制することが可能となる。これにより、封止樹脂6とヒートシンク5との間の界面の剥離が進展することを抑制可能となる。
また、凹部11はパンチ加工により形成されている。パンチ加工により凹部11が形成される際、底面段差部7の外周部にパンチ加工を施すことにより、側面9におけるパンチ加工が施された箇所の周辺の部分が塑性変形し、膨らむよう変形する。側面9が平滑な場合、底面段差部7の角部で発生した剥離は平滑な側面9に沿って進展し易くなるが、実施の形態1では、側面9の形状が歪になることにより進展しにくくなる。
ヒートシンク5の上面には、下方に凹む第2凹部としての溝状の凹部12が上面の外周部に沿って連続的に形成されている。また、絶縁層4における凹部12に対向する部分は、凹部12に対応するように下方に突出する凸状に形成されている。凹部12がヒートシンク5の上面に形成されることで、封止樹脂6とヒートシンク5との間の界面の剥離が進展した場合に、絶縁層4へ進展することを抑制可能となる。すなわち、封止樹脂6とヒートシンク5との間の界面の剥離がヒートシンク5の側面9に沿って進展し、絶縁層4とヒートシンク5との間の界面の剥離につながる前に、封止樹脂6とヒートシンク5との間の界面の剥離が絶縁層4へ進展することを抑制可能となる。
凹部12は、連続的ではなく不連続的に複数形成されていても良い。また、凹部12は、ヒートシンク5の上面における中央部ではなく外周部に形成されている方が剥離の進展を抑制する効果が大きい。
次に、半導体装置100の作用・効果について、底面段差部7に凹部11が形成されていない場合と比較して説明を行う。図7は、底面段差部7に凹部11が形成されていない場合における半導体装置101の反り返りを示す断面図である。
一般に、ヒートシンク5は封止樹脂6に比べて線熱膨張係数が大きく、高温時には、図7に示すように、ヒートシンク5の底面10が凸状になるように半導体装置101全体が反り返る。
これに対して、実施の形態1に係る半導体装置100は、ヒートシンク5と、ヒートシンク5の上面に設けられた絶縁層4と、絶縁層4の上面に固定されたリードフレーム1と、リードフレーム1の上面に搭載された半導体素子2と、ヒートシンク5の底面10を露出させた状態で、ヒートシンク5および半導体素子2を封止する封止樹脂6とを備え、ヒートシンク5の底面10における周縁部には、段差状に凹む底面段差部7が形成され、底面段差部7には上方に凹み、封止樹脂6から露出しない凹部11が形成され、ヒートシンク5の上面には下方に凹む凹部12が形成されている。
したがって、高温時に、凹部11に充填された封止樹脂6がヒートシンク5の過度の反り返りを抑制できるため、底面段差部7の角部を起点に封止樹脂6とヒートシンク5との間の界面の剥離が進展することを抑制できる。さらに、封止樹脂6とヒートシンク5との間の界面の剥離が進展した場合であっても、凹部12により、封止樹脂6とヒートシンク5との間の界面の剥離が絶縁層4とヒートシンク5との間の界面へ進展することを抑制できる。以上より、半導体装置100の長期使用が可能となる。
また、凹部12は、ヒートシンク5の上面における外周部に形成されているため、剥離の進展を抑制する効果が大きくなる。
また、凹部11は、底面段差部7の外周部に沿って形成されているため、底面段差部7の外周部全域での剥離の発生を抑制することができる。
<実施の形態2>
次に、実施の形態2に係る半導体装置100について説明する。図3は、実施の形態2に係る半導体装置100が備えるヒートシンク5の底面図である。図4は、実施の形態2の変形例1に係る半導体装置100が備えるヒートシンク5の底面図である。図5は、実施の形態2の変形例2に係る半導体装置100が備えるヒートシンク5の底面図である。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。
図3に示すように、実施の形態2では、凹部11は不連続的に形成されている。具体的には、底面段差部7の4つの角部のみに溝状の凹部11が形成されている。
また、図4に示すように、凹部11は底面視にて円状に形成され、底面段差部7の外周部に沿って間隔をあけて複数設けられていても良い。
また、図5に示すように、円状の凹部11は、底面段差部7の4つの角部のみに設けられていても良い。
以上のように、実施の形態2では、凹部11は不連続的に形成されているため、剥離の進展を抑制する効果を得つつ、実施の形態1の場合よりも凹部11を形成する際の加工効率を向上させることができる。
<実施の形態3>
次に、実施の形態3に係る半導体装置100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100の拡大断面図である。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。
図6に示すように、実施の形態3では、凹部11は底面段差部7に形成されておらず、その代わりに、凹部13がヒートシンク5の側面9に形成されている。凹部13は、側面9の内周側に凹むように側面9の周方向に沿って形成され、封止樹脂6から露出していない。
以上のように、実施の形態3では、凹部13がヒートシンク5の側面9に形成されたため、底面段差部7の角部から発生した剥離が側面9に沿って進展することを抑制できる。これにより、剥離が絶縁層4とヒートシンク5との間の界面へ進展することを抑制できる。
なお、実施の形態3においてもヒートシンク5の上面に凹部12が設けられていても良い。これにより、凹部12が設けられていない場合よりも、剥離が絶縁層4とヒートシンク5との間の界面へ進展することを抑制できる。
なお、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。
1 リードフレーム、2 半導体素子、4 絶縁層、5 ヒートシンク、6 封止樹脂、7 底面段差部、11 凹部、12 凹部、13 凹部、100 半導体装置。

Claims (5)

  1. ヒートシンクと、
    前記ヒートシンクの上面に設けられた絶縁層と、
    前記絶縁層の上面に固定されたリードフレームと、
    前記リードフレームの上面に搭載された半導体素子と、
    前記ヒートシンクの底面を露出させた状態で、前記ヒートシンクおよび前記半導体素子を封止する封止樹脂と、を備え、
    前記ヒートシンクの底面における周縁部には、段差状に凹む底面段差部が形成され、
    前記底面段差部には上方に凹み、前記封止樹脂から露出しない第1凹部が形成され、
    前記ヒートシンクの上面には下方に凹む第2凹部が形成された、半導体装置。
  2. 前記第2凹部は、前記ヒートシンクの上面における外周部に形成された、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第1凹部は、前記底面段差部の外周部に沿って形成された、請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記第1凹部は不連続的に形成された、請求項3に記載の半導体装置。
  5. ヒートシンクと、
    前記ヒートシンクの上面に設けられた絶縁層と、
    前記絶縁層の上面に固定されたリードフレームと、
    前記リードフレームの上面に搭載された半導体素子と、
    前記ヒートシンクの底面を露出させた状態で、前記ヒートシンクおよび前記半導体素子を封止する封止樹脂と、を備え、
    前記ヒートシンクの底面における周縁部には、段差状に凹む底面段差部が形成され、
    前記ヒートシンクの側面には内周側に凹み、前記封止樹脂から露出しない凹部が形成された、半導体装置。
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