JP4120101B2

JP4120101B2 - 樹脂封止型半導体装置

Info

Publication number: JP4120101B2
Application number: JP19775699A
Authority: JP
Inventors: 久宜竹中; 伸一広瀬
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2019-07-12
Also published as: JP2001024110A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱板（ヒートスプレッダ）を内蔵する樹脂封止型半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ロジック回路とパワー素子の混在するチップの普及およびロジック回路の規模の増大等に伴う消費電力の上昇により、多ピンタイプのモールドパッケージの低熱抵抗化が望まれている。この目的のため、従来より半導体装置の樹脂成形を行う際に、熱伝導率のよいＡｌやＣｕ等の金属からなる放熱板（ヒートスプレッダ）を金型内に投げ込み、樹脂で同時に成形するタイプの樹脂封止型半導体装置がある。この樹脂封止型半導体装置について図５、図６に基づいて説明する。図５（ａ）は樹脂封止型半導体装置の概略構成を示す平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ断面図であり、図６（ａ）は放熱板の平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。なお、図５（ａ）では半導体チップ２とインナリード３ｂとを接続するワイヤ６を省略している。
【０００３】
図５（ａ）（ｂ）に示すように、この種の樹脂封止型半導体装置１００は、一般に、パワーＭＯＳＦＥＴ等を含んだ半導体チップ２と、この半導体チップ２を搭載するアイランド部３ａを有するリードフレーム３と、半導体チップ２の放熱を促進するための放熱板１０′とをモールド樹脂５で封止したパッケージ形態を採用している。金型内に半導体チップ２、リードフレーム３、放熱板１０′を配置した状態で、樹脂５を注入、充填することにより形成される。
【０００４】
このような放熱板１０′を内蔵する半導体装置１００は、放熱板１０′とリードフレーム３とが独立した別個の部品であり、放熱板１０′は他の部品と固着しておらず、成形金型７に投げ込んだだけの構造であることから、「ドロップイン方式」のヒートスプレッダ内蔵型パッケージと呼ばれている。
【０００５】
放熱板１０′は、図６（ａ）（ｂ）に示すように、半導体チップ２から発生した熱がリードフレーム３のアイランド部３ａを介して伝達される熱伝達部１０ａ′と、熱をパッケージ全体に広げて熱抵抗を下げる熱拡散部１０ｂ′と、放熱板が樹脂成形時に外部に露出しないように支える突出部１０ｃ′とから構成されている。図５（ｂ）に示すように、通常はリードフレーム３のアイランド部３ａをダウンセットすることによって、インナリード３ｂと放熱板１０′との接触（ショート）を防止している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の製造方法は、樹脂封止型半導体装置を簡便で安価に作成することができるが、以下のような問題があった。すなわち、金型内への樹脂注入時には、放熱板１０′が固定されていないため、樹脂成形時に放熱板１０′が著しく傾くとインナリード３ｂと放熱板１０′とが接触し、ショート不良を発生させる場合がある。また、インナリード３ｂと放熱板１０′との接触を防ぐためにリードフレーム３の下方空間を大きくした場合には、図７に示すように、放熱板１０′とアイランド部３ａとの隙間が大きくなり熱抵抗が大きくなってしまい放熱性が悪くなるという問題があった。
【０００７】
このような問題を防ぐため、特開平８−７００１６号公報に記載の半導体装置では、樹脂成形金型に凹部を設け、その部分に放熱板をはめ込むことにより樹脂注入時の放熱板の位置ずれを防止している。しかしながら、この方法では金型内での放熱板の浮き上がりを防止することはできず、放熱板がインナリードと接触してショートする可能性があった。また、金型に切り込みを作るため、成形物の型離れが悪くなるという問題がある。
【０００８】
一方、特開昭６１−１９４８６１号公報に記載の半導体装置では、半導体チップが配置されるアイランド部と、その下方の放熱板に突出部を設けることによって放熱板を固定しているが、この方法ではアイランド部周辺に突出部を設けるためにインナリードの形状に大きな制約が生じるという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は上記点に鑑みて、金型を用いて樹脂を注入することにより形成される放熱板を内蔵型の樹脂封止型半導体装置において、放熱板とインナリードとのショートを防止するとともにインナリードからの熱伝達を効果的に行うことを可能とすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来においては、放熱板が平板形状であったため、金型内への樹脂注入時における挙動が不安定であるため上記問題が発生する点に着目してなされたものであり、請求項１に記載の発明では、放熱板（１０）は、リードフレーム（３）の配置側の反対方向に折り曲げられ、先端に行くに従いリードフレーム（３）から離れるように形成された外縁部（１０ｂ）と、リードフレーム（３）の配置側の反対方向に突出した突出部（１０ｃ）を備え、外縁部（１０ｂ）の先端部より、突出部（１０ｃ）の先端部の方が、リードフレーム（３）から離れていることを特徴としている。
【００１１】
放熱板（１０）をこのような形状にすることにより、樹脂注入時における放熱板（１０）の挙動を積極的に制御することができる。すなわち、樹脂の流れが放熱板（１０）に対して下向きに働くことになり、樹脂成形の際に放熱板（１０）の傾きや上昇を防止することができる。また、インナリード（３ｂ）と放熱板（１０）との間隔が大きくなるので、これらの接触を容易に防止できる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明では、放熱板（１０）は、リードフレーム（３）を介して半導体素子（２）に接触している熱伝達部（１０ａ）を備えることを特徴としている。さらに、請求項３に記載の発明では、熱伝達部（１０ａ）は、リードフレーム（３）側に突出する凸形状に構成されていることを特徴としている。
【００１３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、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る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態に係る樹脂封止型半導体装置（以下、半導体装置という）１の断面図である。本例の半導体装置１は、ＱＦＰ（ＱｕａｄＦｌａｔＰａｃｋａｇｅ）であり、例えば、自動車におけるエンジン制御ＥＣＵ、ＡＢＳ用ＥＣＵ等に用いられるドライバＩＣあるいは電源ＩＣのような電力用半導体装置に用いられる。
【００１５】
ここで、図１に示す半導体装置１は、上記図５に示した半導体装置１００において、放熱板の構成を変えたのみであるため、上記図５と同一部分については、図中、同一符号を付する。また、図２（ａ）は放熱板１０の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。半導体装置１は平面矩形状となっている。
【００１６】
半導体装置１は、放熱板１０と、この放熱板１０の上面に配置されたリードフレーム３と、半導体チップ（半導体素子）２とが収納され、これらの部材は、例えばエポキシ樹脂等からなるモールド樹脂５にて薄型矩形状に封止され一体化されている。
【００１７】
リードフレーム３は、半導体チップ２を搭載するアイランド部３ａと、アイランド部３ａ周囲からモールド樹脂５外部に引き出された複数本のリード部３ｂ、３ｃとから構成されている。リード部３ｂ、３ｃは、モールド樹脂５内に位置する部分であるインナリード３ｂと、モールド樹脂５外部に引き出された部分であるアウタリード３ｃとからなる。なお、アイランド部３ａは、リードフレーム３のうちモールド樹脂５外部の図示しない部分と連結されている。
【００１８】
そして、リードフレーム３のアイランド部３ａには、半導体チップ２が、Ａｇペースト等の導電性樹脂もしくは半田等の接着部材（図示せず）を介して搭載されている。半導体チップ２は、各インナリード３ｂとワイヤボンディングにより接続され、リード部３ｂ、３ｃ及びワイヤ６を介して、半導体チップ２と外部との電気信号のやり取りが可能となっている。
【００１９】
上記放熱板１０は、０．１〜０．５ｍｍ程度の板厚を有するアルミニウム合金あるいは銅合金等の熱伝導性に優れた材料から形成される。放熱板１０は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、半導体チップ２から発生した熱がリードフレーム３のアイランド部３ａを介して伝達される熱伝達部１０ａと、熱をパッケージ全体に広げて熱抵抗を下げる熱拡散部１０ｂと、放熱板が樹脂成形時に外部に露出しないように支える突出部１０ｃとから構成されている。熱拡散部１０ｂは本発明でいう外縁部を構成する。
【００２０】
放熱板１０はプレス加工等にて形成される。熱伝達部１０ａは平板形状に形成され、熱拡散部１０ｂは、パッケージ全体への熱の伝導性を高めるとともに、樹脂成形時に放熱板１０下方への樹脂充填性を高めるために放射形状に形成され、突出部１０ｃは、放熱板１０が樹脂成形時に外部に露出しないように支持するため、熱伝達部１０ａからリードフレーム３が配置された側の反対方向（図１、図２（ｂ）中下方）に突出形成されている。本実施形態では突出部１０ｃの突出量を０．５ｍｍ程度としている。
【００２１】
図１、図２（ｂ）に示すように、熱拡散部１０ｂは熱伝達部１０ａからリードフレーム３が配置された側の反対方向に折り曲げられている。このとき、熱拡散部１０ｂの先端部が突出部１０ｃより下方にならないようにする必要がある。上記のように本実施形態では、突出部１０ｃの突出量は０．５ｍｍ程度なので、熱拡散部１０ｂの折曲量は熱伝達部１０ａから０．１〜０．３ｍｍ程度としている。
【００２２】
次に、上記構成の半導体装置１の製造方法について、金型７内への樹脂注入時の樹脂５の流れを示す図３を参照して述べる。なお、図３ではワイヤ６を省略している。まず、所定の温度に加熱された金型（成形金型）７の下型７ｂに放熱板１０単体を落とし込む。その後、半導体チップ２が搭載され且つワイヤボンディングされたリードフレーム３を、アイランド部３ａと放熱板１０の熱伝達部１０ａとを当接させて、下型７ｂにセットする。
【００２３】
そして、金型７の上型７ａをセットし、金型７内にモールド樹脂５を軟化状態で注入、充填することで樹脂封止を行なう。まず、金型７の熱により粘度の下がったモールド樹脂５が、金型７の下型７ｂに設けられたゲート（注入口）８からキャビティ９内に注入、充填される。このとき、本実施形態の放熱板１０は熱拡散部１０ｂが下方に折り曲げられているので、樹脂の流れ方向は図３中矢印に示すように放熱板１０に対して下向きになる。樹脂硬化後、アウタリード３ｃに半田を付ける表面処理等を行い、最後に、このアウタリード３ｃを所定の形状に加工することにより、半導体装置１が完成する。
【００２４】
以上のように本実施形態の放熱板によれば、樹脂注入時における放熱板の挙動を積極的に制御することが可能となる。すなわち、通常、放熱板１０とインナリード３ａとの接触は、金型内への樹脂注入時に放熱板１０が傾いたり上昇することにより発生する。これに対し、本実施形態のように放熱板１０の熱拡散部１０ｂを下方に折り曲げることによって、図３に示すように、金型内での樹脂の流れが放熱板１０に対して下向きになり、放熱板の下方に樹脂が入り込む際にも放熱板には確実に下向きの力が働くことになる。従って、本実施形態の放熱板では、従来の平面形状の放熱板のように金型内で傾いたり上昇することを防止できる。
【００２５】
また、放熱板１０が何らかの原因で傾いたまま金型内にセットされた場合であっても、上記のような形状であれば突出部１０ｃと熱拡散部１０ｂの先端部が金型内で移動を制限されることになり、従来の平面形状の放熱板に比較して金型内での傾きを大幅に小さくすることができる。
【００２６】
また、放熱板１０とインナリード３ｂとの接触（ショート）は、放射状形状の熱拡散部１０ｂの先端部で最も発生しやすいが、本実施形態では、熱拡散部１０ｂの先端に行くに従いインナリード３ｂから離れるように形成されているので、放熱板１０とインナリード３ｂとの接触を容易に防止できる。
【００２７】
また、半導体装置１の樹脂の厚さは薄い方が熱抵抗を低下させることができるので、放熱板１０を配置する下型７ｂは、可能な限り薄くすることが求められる。しかし、樹脂厚を薄くした場合に、アイランド部３ａと放熱板１０との間隔を大きくすることのみでインナリード３ｂとのショートを防止すると、放熱板１０下方の樹脂厚が薄くなってしまい、樹脂の未充填等の成形不良を起こしやすい。これに対し、本実施形態のように熱拡散部１０ｂの先端を下方に折り曲げ加工した場合は、アイランド部３ａと放熱板１０との隙間を小さくすることができるので、放熱板１０下方において樹脂厚が薄い部分を最小限にすることができ、樹脂の未充填等を防止できる。さらに、アイランド部３ａと放熱板１０との間隔を小さくできることは、熱抵抗低下の観点からも有効である。
【００２８】
（他の実施形態）
なお、リードフレームのアイランド部に接する熱伝達部を上記実施形態の放熱板のように平板形状でなく、図４に示すような凸形状にして、さらに熱拡散部１０ｂの下方への折り曲げを組み合わせることにより、樹脂厚の厚い半導体装置にも容易に対応することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の半導体装置の断面図である。
【図２】（ａ）は図１の半導体装置における放熱板の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１の半導体装置の製造時における樹脂の流れを示す断面図である。
【図４】本実施形態の半導体装置の変形例を示す断面図である。
【図５】（ａ）は従来の半導体装置の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】（ａ）は図５の半導体装置における放熱板の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図７】従来の半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１…半導体装置、２…半導体チップ、３…リードフレーム、３ａ…アイランド部、３ｂ…インナリード、３ｃ…アウタリード、１０…放熱板、１０ａ…熱伝達部、１０ｂ…熱拡散部（外縁部）、１０ｃ…突出部。

Claims

放熱板（１０）の一面に、半導体素子（２）が搭載されたリードフレーム（３）が配置され、これら放熱板（１０）、半導体素子（２）及びリードフレーム（３）が樹脂（５）で封止されてなる樹脂封止型半導体装置において、
前記放熱板（１０）は、前記リードフレーム（３）の配置側の反対方向に折り曲げられ、先端に行くに従い前記リードフレーム（３）から離れるように形成された外縁部（１０ｂ）と、前記リードフレーム（３）の配置側の反対方向に突出した突出部（１０ｃ）を備え、
前記外縁部（１０ｂ）の先端部より前記突出部（１０ｃ）の先端部の方が、前記リードフレーム（３）から離れていることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
前記放熱板（１０）は、前記リードフレーム（３）を介して前記半導体素子（２）に接触している熱伝達部（１０ａ）を備えることを特徴とする請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置。
前記熱伝達部（１０ａ）は、前記リードフレーム（３）側に突出する凸形状に構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の樹脂封止型半導体装置。