JP4204993B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関するものであり、特に、複数の半導体チップおよびリードフレームを有する半導体装置の構造に関する。

電子デバイスの一つとして、例えばエアコン、洗濯機などのインバータ用スイッチング素子として用いられる電力用半導体装置がある。一般的な電力用半導体装置は、複数の半導体チップ、それぞれの半導体チップと電気的に接続する複数のリードフレーム並びに放熱用ヒートシンクを備えており、これらの各部品がモールド樹脂（樹脂パッケージ）によって一体的に保持されている（例えば特許文献１）。

特許文献１では、半導体装置の放熱性能を向上させるために、リードフレームあるいは半導体チップに直接ヒートシンクを設けている。ヒートシンクは、銅やアルミニウムといった熱伝導度の高い金属で構成される。従って、複数の半導体チップを搭載する装置においては、少なくとも絶縁単位ごとにヒートシンクを分割して相互の絶縁を確保する必要があるため、ヒートシンクを複数個備えることになる。

特開２００３−２８９０８５号公報

従来の半導体装置においてはヒートシンクによる放熱を助長するために、ヒートシンクにおける樹脂パッケージからの露出部分に外部放熱器（放熱フィン）が取り付けられる。そのため樹脂パッケージには放熱フィンをネジ止めするための取り付け穴を形成するための部位を設ける必要があり、パッケージの大型化を招いていた。

また、複数のヒートシンクを有する装置では、各ヒートシンクの露出面の高さのばらつきや露出面に生じた傷により、放熱フィンを全てのヒートシンクに対して接触良く取り付けることが困難であった。特にパッケージ中央部付近に位置するヒートシンクと放熱フィンとの接触が悪くなり、その部分の放熱性が劣化するケースが多い。複数のヒートシンクを有する半導体装置では、各ヒートシンク間の絶縁を保つ目的で放熱フィンとヒートシンクの間に比較的放熱性の低い絶縁シートを介在させるため、この問題は大きくなる。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、半導体装置が備えるヒートシンクの放熱性を高めることを第１の目的とし、ヒートシンクと放熱フィンとの接触の劣化を解消することを第２の目的とし、パッケージの小型化に寄与することを第３の目的とする。

本発明に係る半導体装置は、複数の半導体チップと、各々が少なくとも１つの前記半導体チップと電気的に接続する複数のリードフレームと、各々が少なくとも１つの前記半導体チップに対応して設けられ、放熱作用を有する複数のヒートシンクと、前記半導体チップ、前記リードフレームおよび前記ヒートシンクに一体的に成形された絶縁性のモールドとを備える半導体装置であって、それぞれの前記ヒートシンクは、一部が前記モールド内に埋め込まれており、且つ、前記モールド内から突出した突出部を有し、前記ヒートシンクの前記突出部における隣接する他のヒートシンクに面する方向の厚さは、当該ヒートシンクの前記モールド内部分の同方向の厚さよりも薄いものである。

本発明によれば、ヒートシンクがモールド内から突出した突出部を有しているので、当該突出部が放熱フィンの機能を果たし、高い放熱効果が得られる。またその突出部の厚さは、当該ヒートシンクのモールド内部分の厚さよりも薄いので、突出部同士の間隔が広くなり、その間の通気性が良くなるので、ヒートシンクの熱が外周雰囲気に効率良く放熱され、高い放熱性を得ることができる。また、外付けの放熱フィンを別途用意する必要がなくなるので、結果的にヒートシンクと放熱フィンとの接触不良が問題になることはない。

本発明の実施の形態およびその参考例を示す。特許請求の範囲に記載の発明は、下記の実施の形態１，２において説明される発明に対応しており、参考例１，２を包含するものではない。
＜参考例１＞
図１は、本発明の参考例１に係る半導体装置の構成を示す図であり、ＤＩＰ−ＩＰＭ（Dual-In-Line Package Intelligent Power Module）と呼ばれるトランスファーモールド型のパワーモジュールの断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面に相当している。当該半導体装置は金属薄板より形成されるリードフレーム１１，１２を複数個有している。各リードフレーム１１上にはＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やＦＷＤ（フリーホイールダイオード）等の電力用半導体チップ（以下「パワーチップ」）２１がそれぞれ搭載されており、リードフレーム１２上にはパワーチップ２１を制御するための制御用ＩＣ２２がそれぞれ搭載されている。パワーチップ２１および制御用ＩＣ２２は、アルミワイヤ４を介して所定のリードフレーム１１，１２と電気的に接続している。パワーチップ２１は発熱量が大きいため、リードフレーム１１を介して、銅やアルミニウム等の金属製のヒートシンク３が設けられる。そして、以上の各部品が絶縁性のモールド樹脂５によって一体的に保持されている。

ヒートシンク３は、パワーチップ２１を搭載するリードフレーム１１に直接設けられる。つまり、ヒートシンク３は、それが対応するパワーチップ２１に対して、比較的熱導電性の低いモールド樹脂５を介することなく設けられる。それにより、パワーチップ２１で発生した熱が、リードフレーム１１を介してヒートシンク３へと効率的に伝達される。

モールド樹脂５は、ヒートシンク３におけるリードフレーム１１側とは反対側の面のみが露出するように形成される。つまり、ヒートシンク３は、一の面のみが露出するようにモールド樹脂５内に埋め込まれている。ヒートシンク３がモールド樹脂５から露出することにより放熱性が高められると共に、ヒートシンク３全体がモールド樹脂５に埋め込まれていることにより、当該ヒートシンク３に傷がつきにくくなるという利点も得られる。

上述のように、当該半導体装置はリードフレーム１１，１２、パワーチップ２１および制御用ＩＣ２２を複数個有している。ヒートシンク３は、パワーチップ２１のそれぞれに対応させて設けられている。このとき各ヒートシンク３は、絶縁単位（ここではリードフレーム１１単位）の相互の絶縁が確保されるように、図１（ｂ）の如く互いに間隔をあけて配設される。

なお、例えば２つ以上のパワーチップ２１を共通電位に設定する場合などには、図１（ｂ）の右側部分に示すように、１つのリードフレーム１１上に２つ以上のパワーチップ２１が搭載されるケースもある。図１（ｂ）においては、パワーチップ１個につき１つのヒートシンク３を設けた例を示しているが、リードフレーム１１ごとの絶縁を確保できれば半導体装置の機能に問題は生じないので、例えば１個のリードフレーム１１につき１つのヒートシンク３を設けてもよい。即ち、図１（ｂ）における右側３つのヒートシンク３を一体化してもよい。その場合、リードフレーム１１とヒートシンク３との接触面積およびヒートシンク３のモールド樹脂５からの露出面積が大きくなるので、ヒートシンク３とその周囲雰囲気との熱抵抗が小さくなり、放熱効果が向上する。

本参考例では、ヒートシンク３のモールド樹脂５からの露出面には窪み部としてのネジ穴６が形成される。それにより露出面の表面積が大きくなるので、放熱フィンを使用しない場合でも高い放熱効果が得られる。

また、放熱フィンを取り付ける必要がある場合には、ネジ穴６を利用して当該放熱フィンをヒートシンク３に直接ネジ止めすることができる。よって、パッケージ（モールド樹脂５）に、放熱フィンをネジ止めするための取り付け穴を形成するための部位を設ける必要なくなるので、パッケージの小型化に寄与できる。さらに、個々のヒートシンク３に設けられたネジ穴６を利用して放熱フィンをネジ止めすることにより、放熱フィンを全てのヒートシンクに対して接触良く取り付けることが可能になり、放熱フィンとヒートシンクとの接触不良による放熱性の劣化の問題を解消できる。

さらに、ヒートシンク３は導電性を有する金属であるので、リードフレーム１１の代わりにそれを外部接続端子として利用することも可能である。例えば、半導体装置を取り付ける実装基板上のスペースが小さく、リードフレーム１１を使用しての実装が困難なときに有効である。その場合は、外部接続端子としてのヒートシンク３を実装基板上の端子にネジ穴６を使用してネジ止めすることで、ヒートシンク３と実装基板との間の接触抵抗を低く抑えることができる。

なお、本参考例においては、半導体装置の製造工程における装置内部の各要素間の配線を容易にするために、パワーチップ２１をリードフレーム１１上に搭載した構成を示した。しかし、ヒートシンク３は導電性であり、リードフレーム１１と同様に機能させることが可能であるので、図２のようにパワーチップ２１およびリードフレーム１１をヒートシンク３上に搭載させてもよい。パワーチップ２１をヒートシンク３上に直接搭載させることにより、パワーチップ２１で発生した熱が直接ヒートシンク３に伝わるので、さらに高い放熱性が得られる。

＜参考例２＞
図３は、本発明の参考例２に係る半導体装置の構成を示す図であり、トランスファーモールド型のパワーモジュールの断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面に相当している。図３において、図１に示したものと同様の機能を有する要素には同一符号を付してあるので、ここでの詳細な説明は省略する。

参考例１と同様に、個々のヒートシンク３は、パワーチップ２１を搭載しているリードフレーム１１に直接設けられる。つまり、ヒートシンク３は、それが対応するパワーチップ２１に対してモールド樹脂５を介することなく設けられる。ヒートシンク３は、図３（ｂ）の如くその一部がモールド樹脂５内に埋め込まれることで、モールド樹脂５に保持されている。そして本参考例においては、ヒートシンク３が、モールド樹脂５から突出した突出部３１を有している。それによりヒートシンク３の露出面の表面積が大きくなるので、ヒートシンク３とその周囲雰囲気との熱抵抗が小さくなり、高い放熱効果が得られる。言い換えれば、突出部３１が放熱フィンの機能を果たすため、外付けの放熱フィンを別途用意する必要がなくなる。よって、結果的にヒートシンクと放熱フィンとの接触不良が問題になることはない。

さらに本参考例では、図３（ａ）に示すように、ヒートシンク３の突出部３１の幅Ｗ２を、当該ヒートシンク３のモールド内部分の幅Ｗ１よりも広くしている。突出部３１の幅Ｗ２を広くすることで、ヒートシンク３の露出面の表面積を大きくして、高い放熱効果を得ている。また、ヒートシンク３のモールド内部分の幅Ｗ１は、従来の半導体装置と同じ程度の大きさが保たれるので、装置内の集積度を低下させることはない。

本参考例によれば、ヒートシンク３が突出部３１を有するため半導体装置自体の形状は大きくなってしまうが、外付けの放熱フィンの取り付けが必要なくなる。そのため、パッケージに放熱フィンをネジ止めするための取り付け穴を形成するための部位が不要になるので、結果的にはパッケージの小型化にも寄与できる。

なお、本参考例においても、パワーチップ２１をリードフレーム１１上に搭載した構成を示したが、参考例１において図２を用いて説明したように、パワーチップ２１およびリードフレーム１１をヒートシンク３上に直接搭載させ、ヒートシンク３をリードフレーム１１の一部として機能させてもよい。それにより、パワーチップ２１で発生した熱が直接ヒートシンク３に伝わるので、さらに高い放熱性が得られる。

＜実施の形態１＞
図４は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す図であり、トランスファーモールド型のパワーモジュールの断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面に相当している。図４において、図３に示したものと同様の機能を有する要素には同一符号を付してあるので、ここでの詳細な説明は省略する。

本実施の形態では、参考例２の半導体装置に対し、図４（ｂ）に示すようにヒートシンク３の突出部３１の厚さＴ２を、当該ヒートシンク３のモールド樹脂５内部分の厚さＴ１よりも薄くする。それにより突出部３１同士の間隔が広くなって、当該突出部３１間の通気性（いわゆる「風通し」）が良くなるので、ヒートシンク３の熱が外周雰囲気に効率良く放熱され、高い放熱性を得ることができる。また、ヒートシンク３のモールド樹脂５内部分の厚さＴ１は、参考例２と同じ程度に厚く保たれているので、リードフレーム１１とヒートシンク３との間の熱抵抗の劣化は伴わない。なお本実施の形態でも、突出部３１が放熱フィンの機能を果たすため、外付けの放熱フィンを別途を用意する必要がなくなる。

また本実施の形態でも、図４（ａ）に示すように、ヒートシンク３の突出部３１の幅Ｗ２を、当該ヒートシンク３のモールド内部分の幅Ｗ１よりも広くすることで、装置内の集積度を維持しつつ、ヒートシンク３の露出面の表面積を大きくして高い放熱効果を得ることができる。

上述のように、ヒートシンク３は、半導体装置内の絶縁単位（ここではリードフレーム１１単位）の相互の絶縁を確保するように、互いに間隔をあけて配設される。参考例２のように突出部３１同士の比較的間隔が狭い場合、ヒートシンク３間におけるモールド樹脂５の最小外部沿面距離（クリページ）が小さいため、ヒートシンク３間でモールド樹脂５表面を伝わって漏れ電流が生じることが懸念される。それに対し、本実施の形態では、突出部３１同士の間隔が広くなるので、ヒートシンク３間におけるモールド樹脂５の最小外部沿面距離が大きなり、ヒートシンク３間における漏れ電流の発生を抑制することができる。

＜実施の形態２＞
図５は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す図であり、トランスファーモールド型のパワーモジュールの断面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＤ−Ｄ線に沿った断面に相当している。図５において図３に示したものと同様の機能を有する要素には同一符号を付してあるのでここでの詳細な説明は省略する。

本実施の形態では、実施の形態１の半導体装置に対し、ヒートシンク３の突出部３１間におけるモールド樹脂５表面に、凹凸部５１を形成している。そのことを除いては実施の形態１と同様である。図６は、図５（ｂ）に示す領域Ｅの拡大図であり、凹凸部５１の例を示す図である。凹凸部５１は、例えば図６（ａ）のような凹部５１１でもよいし、図６（ｂ）のような凸部５１２でもよい。また、凹部５１１および凸部５１２の組合せからなるものであってもよい。

本実施の形態によれば、実施の形態１で得られる効果に加え、ヒートシンク３間におけるモールド樹脂５の最小外部沿面距離を大きくすることができ、ヒートシンク３間における漏れ電流の発生を実施の形態１よりもさらに抑制することができる。

参考例１に係る半導体装置の構成を示す図である。 参考例１の変形例を示す図である。 参考例２に係る半導体装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す図である。 実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す図である。 実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す図である。

符号の説明

３ ヒートシンク、４ アルミワイヤ、５ モールド樹脂、６ ネジ穴、１１ リードフレーム、１２ リードフレーム、２１ パワーチップ、２２ 制御用ＩＣ、３１ 突出部、５１ 凹凸部。

Claims (2)

1. 複数の半導体チップと、
   各々が少なくとも１つの前記半導体チップと電気的に接続する複数のリードフレームと、
   各々が少なくとも１つの前記半導体チップに対応して設けられ、放熱作用を有する複数のヒートシンクと、
   前記半導体チップ、前記リードフレームおよび前記ヒートシンクに一体的に成形された絶縁性のモールドとを備える半導体装置であって、
   それぞれの前記ヒートシンクは、一部が前記モールド内に埋め込まれており、且つ、前記モールド内から突出した突出部を有し、
   前記ヒートシンクの前記突出部における隣接する他のヒートシンクに面する方向の厚さは、当該ヒートシンクの前記モールド内部分の同方向の厚さよりも薄い
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記突出部間の前記モールド表面に、凹凸部を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

Images