JP3110862B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に係り、特に
放熱部材を有する半導体装置に関する。

【０００２】半導体素子は作動中に発熱するが、消費電
力が大きい半導体素子は効率良く冷却を行う必要があ
る。このため、半導体素子を封止するパッケージに半導
体素子を冷却するための放熱部材（例えば放熱フィン）
を設けた構成の半導体装置がある。

【０００３】この放熱部材は機能面からは高い放熱特性
を有することが望まれ、また製造面からは簡単にかつ低
コストで製造できることがのぞまれている。

【０００４】一方、近年では半導体装置の小型薄型化が
望まれており、放熱部材を設けた半導体装置において
も、装置の小型薄型化が望まれている。

【０００５】

【従来の技術】図８及び図９は従来における半導体装置
１を示している。半導体装置１は、大略するとパッケー
ジ２と放熱フィン３とにより構成されており、パッケー
ジ２はアルミナ・セラミックにより、また放熱フィン３
は放熱効率の良いアルミニウム等の金属により構成され
ている。

【０００６】パッケージ２は、金−スズ等と軟ロー材に
より半導体素子を封止したものであり、半導体素子はこ
のパッケージ２により保護されている。またパッケージ
２には、パッケージ２の内部において半導体素子と接続
されると共に、パッケージ２より外部に延出した部位が
回路基板等と接続される複数のリード４が設けられてい
る。

【０００７】放熱フィン３は放熱効率を向上させるた
め、同図に示すように表面積を広くした形状とされてい
る。この放熱フィン３をパッケージ２に取り付けるに
は、熱伝導性の良いエポキシ系樹脂よりなる接着剤を用
い、この接着剤により放熱フィン３をパッケージ２に接
着することが行われていた。

【０００８】上記のように従来では、放熱性を向上させ
たパッケージ構造としてはＰＧＡ（Pin Grid Array Pac
kage）が一般であった。しかるに、近年の表面実装化の
動きに伴い、高放熱の表面実装型パッケージが要求され
るようになってきている。また、近年半導体装置の小型
薄型化がより強く望まれるようになってきており、形状
の大きな放熱フィン３を用いることなく放熱性を向上さ
せたパッケージ構造が要求されている。

【０００９】図１０に示す半導体装置５は、上記の各要
求を満たすために開発されたものである。この半導体装
置５は、放熱部材としてアルミニウムフィン６を用い、
パッケージ７の上面に接着剤８を用いて接合した構成と
されていた。この構成とすることにより、ＰＧＡを用い
た場合より装置の小型化及び高密度実装を図りつつ放熱
性の向上をも図ることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図１０に示す半導体装
置５では、ＰＧＡに対して表面実装型とすることによ
り、小型化・薄型化を達成することができたが、放熱フ
ィン６を接合しているため依然として取り付け高さが高
く、チップマウンターでのプリント板への高速搭載が困
難であったり、隣のプリント板上の搭載部品と重なり合
うため、両面実装が出来ないという問題点があった。

【００１１】本発明は上記の点に鑑みてなされたもので
あり、薄型化を図りつつ放熱性を向上することができる
半導体装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題は、半導体素子
を封止するパッケージと、該パッケージより外部に延出
した部位を有し該半導体素子と外部回路とを電気的に接
続するリードとを具備する装置本体と、 該パッケージ
の表面部に接合剤を介して接合された放熱板と、により
構成される半導体装置において、該放熱板の該パッケー
ジと接合される面に接合部を形成すると共に該接合部と
異なる面に放熱部を形成し、かつ、該放熱板に、該放熱
部の外周縁に該装置本体側に向け突出した鍔部を形成し
たことを特徴とする半導体装置により解決することがで
きる。

【００１３】また、上記放熱板としてアルミニウムまた
はアルミニウム合金を用いることにより、また、上記接
合剤として高熱伝導を有するシリコーン樹脂系の接着剤
を用いることにより、更に、上記パッケージとして窒化
アルミニウムを用いることにより、より効果的に解決す
ることができる。

【００１４】

【作用】上記構成とすることにより、接合部の面積に比
べて実際に放熱処理を行う放熱部の面積が大きくなるた
め、放熱効率を向上することができる。

【００１５】

【００１６】

【００１７】また、放熱板に放熱部の外周縁より装置本
体側に向け突出した鍔部を形成することにより、この鍔
部が装置本体の外周縁と係合することにより放熱板の装
置本体に対する位置決めを行うことができ、組立て性を
向上することができる。

【００１８】また、接合剤として高熱伝導を有するシリ
コーン系樹脂の接着剤を用いることにより、シリコーン
系樹脂は硬化後もエポキシ系樹脂程の硬さとはならず所
定の緩衝効果を奏するため、熱膨張係数差に起因する応
力を接合剤で吸収でき、パッケージ割れ等の発生を防止
できる。

【００１９】また、放熱板としてアルミニウムまたはア
ルミニウム合金を用いることにより、またパッケージと
して窒化アルミニウムを用いることにより、熱伝導性を
向上でき放熱効率を向上することができる。

【００２０】

【実施例】次に本発明の実施例について図面と共に説明
する。図１及び図２は本発明の第１実施例である半導体
装置１０を示している。図１（Ａ）は半導体装置１０の
側面図、同図（Ｂ）はその右側部を拡大して示す図であ
る。また、図２（Ａ）は半導体装置１０の分解断面図、
同図（Ｂ）は（Ａ）における左側部を拡大して示す図、
更に同図（Ｃ）は組立て状態の半導体装置の左側部を拡
大して示す断面図である。

【００２１】本実施例では半導体装置１０の構造として
サークワッドを例として以下説明する。サークワッド
は、表面実装型のパッケージであり、プラスチックＱＦ
Ｐ（Quad Flat Package)よりも放熱性が優れた低融点ガ
ラスシールタイプのパッケージ構造として注目されてい
る。尚、本発明はサークワッドに限定されるものではな
く、他のパッケージ構造においても広く適用できるもの
である。

【００２２】半導体装置１０は、大略すると装置本体１
１と放熱板１２とにより構成されている。また、半導体
装置１０は、サークワッドの代表であるＳＱＦＰ２０８
ピンを例として示している。

【００２３】装置本体１１は、半導体素子１３と、この
半導体素子１３を封止するパッケージ１４と、半導体素
子１３と外部回路とを電気的に接続するためのリード１
５とにより構成されている。

【００２４】図２に示されるように、パッケージ１４
は、例えば放熱性の良好な窒化アルミニウムにより形成
されたパッケージベース１４ａと、ローコストなムライ
トにより形成されたキャップ１４ｂとにより構成されて
いる。半導体素子１３は、上部のパッケージベース１４
ａに形成された凹部にフェイスダウン構造でダイ付材１
６により接合されている。また、パッケージベース１４
ａとキャップ１４ｂはリード１５を挟持した状態でガラ
ス材１７（梨地で示す）により接合され、よって半導体
素子１３は外部に対し封止された構造となっている。

【００２５】また、リード１５のインナーリード部１５
ａはワイヤ１９により半導体素子１３と電気的に接続さ
れ、またアウターリード部１５ｂはパッケージ１４の外
部に延出しガルウイング状に成形されている。

【００２６】放熱板１２は、本発明の要部となるもので
あり、上記した装置本体１１の上面に接着材１８により
接着される。この放熱板１２は、例えば厚さ0.5mm のア
ルミニウム板により構成されており、その上部に形成さ
れた放熱部１２ａと下部に形成された接合部１２ｂの面
積が異なるよう構成されている。具体的には、放熱板１
２の下部約0.2mm の部分に段差部１２ｃを形成すること
により、放熱部１２ａを平面的にみた場合における面積
（平面的面積）が接合部１２ｂの平面的面積に対して大
きくなるよう構成している。また、本実施例において
は、放熱部１２ａの平面的面積が装置本体１１の上面の
平面的面積と略等しくなるよう構成されており、接合部
１２ｂに配設される接着材１８が外観上見えない構成と
なっている。

【００２７】上記のように、半導体素子１３の放熱を行
う放熱部材を放熱板１２とすることにより半導体装置１
０の低背化を図ることができ、近年半導体装置に要求さ
れている薄型化に対応することができる。また、放熱板
１２の材料として放熱効率の高いアルミニウムを用いる
ことにより放熱特性を向上でき、またアルミニウムは軽
量であるため半導体装置１０の軽量化を図ることがで
き、更にアルミニウムは加工性が良いため上記放熱部１
２ａ及び接合部１２ｂの形成を容易に行うことがきる。

【００２８】また、放熱板１２の下部に段差部１２ｃを
形成し、放熱部１２ａと接合部１２ｂの平面的面積を異
なるよう構成することにより、放熱板１２全体としての
放熱面積は増大し、放熱効率を向上させることができ
る。

【００２９】一方、放熱板１２を装置本体１１に接合す
る接着剤１８に注目すると、本発明では、接着剤１８と
して高熱伝導性を有するシリコーン系樹脂よりなる接着
剤を使用している。接着剤１８の具体例としては、例え
ばトーレ・シリコーン社製のSE4450，SE4400或いは信越
化学社製のKE1862（共に商品名）が挙げられる。

【００３０】これらのシリコーン系樹脂よりなる接着剤
１８は、図３に示すように、従来放熱部材の接着剤とし
て用いられていたエポキシ系樹脂よりなる接着剤に比べ
てヤング率が小さく、かつ熱伝導率は同程度か或いは向
上している。このように、シリコーン系樹脂よりなる接
着剤１８はエポキシ系樹脂よりなる接着剤に比べてヤン
グ率が小さいため、接着剤１８が硬化した後における硬
度が小さくなる。よって、接着剤１８は装置本体１１と
放熱板１２との間における緩衝部材としても機能する。

【００３１】即ち、パッケージ１４を構成する窒化アル
ミニウムと、放熱板１２を構成するアルミニウムは、そ
の熱線膨張係数を異にするものである。従って、半導体
装置１０をリード１５の外部基板と半田付けする時等に
おいて加熱処理が実施されると、上記熱線膨張係数差に
起因して放熱板１２とパッケージ１４との間に応力が発
生することが考えられる。この応力がそのまま放熱板１
２とパッケージ１４との間に作用するとパッケージ割れ
が発生するおそれがある。しかるに半導体装置１０で
は、上記のように緩衝部材として機能する接着剤１８が
装置本体１１と放熱板１２との間に介在するため、熱線
膨張係数差に起因した応力をこの接着剤１８で吸収する
ことが可能となり、パッケージ割れの発生を有効に防止
することが可能となる。

【００３２】図４は本発明の第２実施例である半導体装
置２０を、また図５は本発明の第３実施例である半導体
装置３０を夫々示している。尚、図４及び図５におい
て、図１及び図２を用いて説明した第１実施例の半導体
装置１０と同一構成部分については同一符号を附してそ
の説明を省略する。

【００３３】第２及び第３実施例に係る半導体装置２
０，３０は、第１実施例に係る半導体装置１０に対し、
放熱板２１，３１（正確にいえば、放熱部２１ａ，３１
ａ）の側方に対する延出長さを長くし、更に放熱面積を
増大させたものである。

【００３４】図４に示す半導体装置２０は、放熱部２１
ａの側縁端部がガルウイング状に成形されたリード１５
の装置本体側折り曲げ部１５ｂ-1の上部位置まで延出し
た構成とされている。また図５に示す半導体装置３０
は、放熱部３１ａの側縁端部がリード１５の先端部１５
ｂ-2の上部位置まで延出した構成とされている。

【００３５】上記の各実施例のように、放熱板１２，２
１，３１の側方向に対する延出長さは特に限定されるも
のではなく、半導体素子１３の発熱量に応じて適宜選定
することができる。またこのように放熱板１２，２１，
３１の側方向に対する延出長さを長くしても、半導体装
置１０，２０，３０の薄型化を妨げるものではない。

【００３６】しかるに、図５で示した半導体装置３０の
構成よりも更に放熱板３１の長さを長くした場合、即ち
放熱部３１ａの側縁端部がリード１５の先端部１５ｂ-2
を越えて装置本体１１の外部へ延出した構成とした場
合、半導体装置３０が大型化してしまい、回路基板に実
装された状態において隣接する半導体装置３０同士で干
渉が生じるおそれ（放熱部３１ａ同士が当接してしまう
おそれ）がある。従って、装置の小型化及び実装性を向
上させる面からは放熱部３１ａの側縁端部がリード１５
の先端部１４ｂ-2より内側にあることが望ましい。

【００３７】続いて、上記した第１〜第３実施例の各半
導体装置１０，２０，３０の熱抵抗について本発明者が
行った実験結果について図６を用いて説明する。同図に
示す実験結果は、上記した各実施例に係る半導体装置１
０，２０，３０と放熱板が配設されていない装置本体３
１のみの構成（同図に対照例と示す）とに対し、冷却風
として風速０，１，３，５，８ｍ／ｓの風を送風した場
合における各総合熱抵抗（Ｒｊａ）を求めたものであ
る。

【００３８】同図より、第１〜第３実施例の各半導体装
置１０，２０，３０は、対照例に対して熱抵抗が低い値
となっており、放熱効率が向上していることが判る。ま
た、各実施例同士を比べると放熱部の平面的面積の大き
い第３実施例に係る半導体装置３０が最も熱抵抗が低い
値となっており、放熱部の平面的面積が大きくなる程放
熱効率が向上することが判る。尚、当然のことながら冷
却風の風速を大きくした方が各例において熱抵抗は低下
する。

【００３９】図７は本発明の第４実施例である半導体装
置４０を示している。同図においても図１及び図２で示
した第１実施例に係る半導体装置１０と同一構成部分に
ついては同一符号を附してその説明を省略する。

【００４０】同図に示す半導体装置４０は、放熱板４１
に放熱部４１ａの外周縁に装置本体１１に向け下方に突
出した鍔部４１ｃを形成したことを特徴とするものであ
る。この鍔部４１ｃを形成することにより、放熱板４１
はその装置本体１１と対向する面に凹部が形成された形
状となり、この凹部の底部が接合部４１ｂとなる。

【００４１】この構成とすることにより、上記鍔部４１
ｃが装置本体１１の外周縁と係合することにより放熱板
４１の装置本体１１に対する位置決めを行うことがで
き、半導体装置４０の組立て性を向上することができ
る。また、放熱板４１の放熱面積を増大させることがで
きるため、放熱効率を向上させることもできる。

【００４２】尚、上記した各実施例においては放熱板１
２，２１，３１，４１の材質としてアルミニウムを用い
た例を示したが、放熱性が良好で加工性に優れた材料で
あれば、他の材質を用いることも可能であることを付記
しておく。

【００４３】

【発明の効果】上述の如く本発明によれば、放熱板は板
材であるため半導体装置の薄型化を実現することができ
る。また、放熱板に放熱部の外周縁より装置本体側に向
け突出した鍔部を形成することにより、この鍔部が装置
本体の外周縁と係合することにより放熱板の装置本体に
対する位置決めを行うことができ、組立て性を向上する
ことができる。

【００４４】

【００４５】

【００４６】

【００４７】また、接合剤として高熱伝導を有するシリ
コーン系樹脂の接着剤を用いることにより、シリコーン
系樹脂は硬化後もエポキシ系樹脂程の硬さとはならず所
定の緩衝効果を奏するため、熱膨張係数差に起因する応
力を接合剤で吸収でき、パッケージ割れ等の発生を防止
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である半導体装置の側面図
である。

【図２】本発明の第１実施例である半導体装置の断面図
である。

【図３】シリコーン系樹脂の特性をエポキシ系樹脂と対
比して示す図である。

【図４】本発明の第２実施例である半導体装置の側面図
である。

【図５】本発明の第３実施例である半導体装置の側面図
である。

【図６】各実施例の総合熱抵抗を対比し示す図である。

【図７】本発明の第４実施例である半導体装置の側面図
である。

【図８】従来の半導体装置の一例を示す斜視図である。

【図９】従来の半導体装置の一例を示す側面図である。

【図１０】従来の半導体装置の一例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１０，２０，３０，４０ 半導体装置 １１ 装置本体 １２，２１，３１，４１ 放熱板 １２ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａ 放熱部 １２ｂ，２１ｂ，３１ｂ，４１ｂ 接合部 １２ｃ 段差部 １３ 半導体素子 １４ パッケージ １４ａ パッケージベース １４ｂ キャップ １５ リード １５ａ インナーリード部 １５ｂ アウターリード部 １７ ガラス材 １８ 接着材 ４１ｃ 鍔部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 若林 哲史 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−162452（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−307251（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−98648（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/40 H01L 23/36

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体素子を封止するパッケージと、該
   パッケージより外部に延出した部位を有し該半導体素子
   と外部回路とを電気的に接続するリードとを具備する装
   置本体と、 該パッケージの表面部に接合剤を介して接合された放熱
   板と、 により構成される半導体装置において、 該放熱板の該パッケージと接合される面に接合部を形成
   すると共に該接合部と異なる面に放熱部を形成し、 かつ、該放熱板に、該放熱部の外周縁に該装置本体側に
   向け突出した鍔部を形成した ことを特徴とする半導体装
   置。
2. 【請求項２】 該放熱板としてアルミニウムまたはアル
   ミニウム合金を用いたことを特徴とする請求項１記載の
   半導体装置。
3. 【請求項３】 該接合剤として高熱伝導を有するシリコ
   ーン樹脂系の接着剤を用いたことを特徴とする請求項１
   または２記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 該パッケージとして窒化アルミニウムを
   用いたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記
   載の半導体装置。