JP4218184B2

JP4218184B2 - 半導体装置の実装構造

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Publication number: JP4218184B2
Application number: JP2000148459A
Authority: JP
Inventors: 雅央山田; 真市近田; 武利佐藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2020-05-19
Also published as: US6337796B2; JP2001332670A; US20010042638A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置を放熱部材に実装してなる半導体装置の実装構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の実装構造の一般的な断面構成を、図３に模式的に示す。半導体装置２０は、パワーＭＯＳＦＥＴ等の発熱を伴う半導体チップ２１を樹脂でモールドしてなるパッケージとして構成されている。この半導体装置２０は、銅やアルミ等の熱伝導性に優れた材料よりなる放熱部材（フィン）１０の一面に、ネジ１００を用いてネジ止めされ固定されている。また、半導体装置２０から延びるリード２２は、図示しないプリント基板（回路基板）に電気的に接続されている。
【０００３】
そして、半導体装置２０と放熱部材１０との間には、熱伝導性に優れたグリスやシート材等の介在部材３０が介在しており、半導体チップ２１から発生する熱は、介在部材３０を伝って放熱部材１０から外部へ放熱されるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記図３に示す従来の実装構造においては、半導体装置２０を放熱部材１０へネジ止めする構造であるが、このようなネジ止め構造の場合、放熱部材１０の材質、平面度、ネジ締め付けトルクの影響を受けやすく、効率の良い安定した放熱性（熱抵抗）を得ることができない。
【０００５】
これは、図４に示す様に、ネジ止め位置が、発熱源（主として半導体チップ２１）の直上から放熱部材１０に対して押さえつける位置に無いため、ネジ１００を締め付けたときに、半導体装置２０における発熱源の下側部分が放熱部材１０から浮いてしまい、熱抵抗を挙げる可能性があるためである。
【０００６】
また、このネジ止め構造は、放熱部材１０における半導体装置搭載面の平面度の影響を受けやすい構造である。さらに、放熱部材１０が柔らかい材質（銅等）である場合においては、ネジ１００を締め付けたときに、放熱部材１０の接触面が変形し、発熱源の下側部分を浮かせてしまう可能性もある。
【０００７】
また、上記図３に示す従来の実装構造においては、半導体装置２０の上方に、リード２２と接続される図示しない回路基板が配置されている。そのため、放熱部材１０に搭載された半導体装置２０が、放熱部材１０と該回路基板との間に介在する形となり、半導体装置２０から発生する輻射熱の影響が、この回路基板に影響することも懸念される。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑み、互いに対向配置された放熱部材の一面と回路基板との間で、半導体装置を、回路基板に電気的に接続しつつ放熱部材の一面に搭載するようにした半導体装置の実装構造において、安定した放熱性を確保しつつ、半導体装置の輻射熱による回路基板への影響を抑制できる新規な構成を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、放熱部材（１０）と、この放熱部材の一面（１１）に対向して配置された回路基板（４０）と、放熱部材の一面と回路基板との間で回路基板に電気的に接続されつつ放熱部材の一面に搭載された半導体装置（２０）とを備え、半導体装置と回路基板との間に、半導体装置を放熱部材の一面に押圧するように弾性力を発揮する板状バネ部材（５０）を介在させ、この板状バネ部材を、その回路基板側の面に断熱材（５２）を一体に設け、板状バネ部材を半導体装置に接するものとし、半導体装置から発生した熱の一部が、板状バネ部材から放熱部材を伝って外部に放出されるようにしたことを特徴としている。
【００１０】
本発明によれば、半導体装置と回路基板との間に板状バネ部材を介在させることによって、このバネ部材の弾性力が、半導体装置の発熱源から放熱部材の一面に対して垂直な方向へ加わるようにすることができる。そのため、半導体装置の発熱源に対応する部位が、放熱部材の一面から浮くことを極力抑えることが可能となる。
【００１１】
また、板状バネ部材のうち回路基板側の面には、断熱材が一体に設けられているため、半導体装置からの輻射熱は、この断熱材によって遮られる。また、単純には、半導体装置と回路基板との間に何らかの断熱部材を介在させることでも、上記輻射熱の影響は抑制できるが、本発明では、断熱材を板状バネ部材に一体化したものとしているため、部品点数の削減や組付の容易化等の効果がある。
【００１２】
このように、本発明の実装構造によれば、上記した種々の作用効果を奏し、安定した放熱性を確保しつつ、半導体装置の輻射熱による回路基板への影響を抑制できる新規な構成を提供することができる。
【００１３】
また、請求項２の発明では、放熱部材（１０）と、この放熱部材の一面に対向して配置された回路基板（４０）と、発熱素子（２１）を有するものであって、放熱部材の一面と回路基板との間で、回路基板に電気的に接続されつつ放熱部材の一面に搭載された半導体装置（２０）と、半導体装置と回路基板との間に配置され、半導体装置を放熱部材の一面に押圧するように弾性力を発揮する板状バネ部材（５０）とを備え、板状バネ部材を、発熱素子を通る放熱部材の一面の垂線上にて半導体装置に接触させることにより、半導体装置を押圧するようにし、板状バネ部材における回路基板側の面に断熱材（５２）を一体に設け、半導体装置から発生した熱の一部が、板状バネ部材から放熱部材を伝って外部に放出されるようにしたことを特徴としている。本発明によれば、請求項１の発明と同様の作用効果が得られる。
【００１４】
ここで、請求項３及び請求項４の発明は、板状バネ部材の具体的な構成を提供するものである。板状バネ部材（５０）は、請求項３の発明のように、板材に切り込みを入れて板材の一部を半導体装置（２０）側に折り曲げ、この折り曲げ部（５３）にて半導体装置を押圧するようにしたものにできる。また板状バネ部材（５０）は、請求項４の発明のように、その一部が放熱部材（１０）に形成された溝部に圧入されることにより放熱部材に支持されたものにできる。
【００１５】
また、請求項５及び請求項６の発明では、断熱材（５２）が電気絶縁性を有するものであることを特徴としており、具体的には断熱性樹脂材料よりなるものを採用することができる。それによれば、板状バネ部材と回路基板との間の電気的な絶縁を確保することができる。
【００１６】
特に、請求項４の発明のように、板状バネ部材が放熱部材に支持された構造の場合、半導体装置と接する放熱部材は、ある電位を持ち、この電位が板状バネ部材にも発生する可能性がある。このような場合、断熱材が電気絶縁性を有すれば、当該電位による回路基板への影響を防止することができ、より効果的である。
【００１７】
また、請求項７の発明では、板状バネ部材（５０）の面積を、回路基板（４０）から半導体装置（２０）を覆い隠すことの可能な大きさとしたことを特徴としている。それによれば、半導体装置の輻射熱による回路基板への影響を、より効果的に抑制することができる。
【００１８】
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一例である。
【００１９】
【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半導体装置の実装構造の概略断面構成を示す図である。限定するものではないが、本実装構造は、例えば、デイタイムランニングライト（ＤＲＬ）等、自動車の点灯装置等に適用することができる。
【００２０】
図１において、１０は放熱部材（放熱板、フィン）であり、この放熱部材１０は、例えば、銅やアルミ等の熱伝導性に優れた材料を型加工や切削加工する等により形成される。放熱部材１０の一面１１には、半導体装置２０が、熱伝導性に優れたグリスやシート材等よりなる介在部材３０を介して搭載されている。この半導体装置２０は、パワーＭＯＳＦＥＴ等の発熱を伴う半導体チップ（本発明でいう発熱素子）２１を樹脂等でモールドしてなるパッケージとして構成されている。
【００２１】
また、半導体装置２０の上方には、プリント基板やセラミック基板等より構成される回路基板４０が、放熱部材１０の一面１１に対向して配置されている。また、放熱部材１０は、その一面１１より上方へ突出する側壁部１２を有しており、この側壁部１２に形成された段差部１３に、回路基板４０は接着剤やネジ等により固定され支持されている。
【００２２】
そして、半導体装置２０には、回路基板４０の方へ延びるリード２２が設けられており、このリード２２は回路基板４０に半田等により電気的に接続されている。なお、放熱部材１０の側壁部１２の上端には、蓋４１が取り付けられており、この蓋４１により放熱部材１０内に配置された各部が保護されている。
【００２３】
このように、半導体装置２０は、放熱部材１０の一面１１と回路基板４０との間で、回路基板４０に電気的に接続されつつ放熱部材１０の一面１１に搭載されている。そして、半導体装置２０と回路基板４０との間には、半導体装置２０を放熱部材１０の一面１１に押圧するように弾性力を発揮する板状バネ部材５０が介在している。この板状バネ部材５０の押圧によって、半導体装置２０は半導体チップ（発熱素子）２１の直上から押さえつけられ、放熱部材１０の一面１１に固定されている。
【００２４】
ここで、板状バネ部材５０の構成や製造方法等の詳細について、図２も参照して述べる。図２は、板状バネ部材５０の製造方法を示す説明図であり、ワークを斜視図で示してある。板状バネ部材５０は、ステンレス等よりなるバネ材５１と、ウレタンや発泡材（フォーム材）等の断熱性樹脂材料等よりなる断熱材５２とをシール材等により接着し、これら両材５１、５２が一体に貼り合わせられた２層構造の板材を加工することにより形成されたものである。
【００２５】
具体的には、図２（ａ）に示す様に、上記２層構造の板材に対して、抜き加工等により、略コの字形状の切り込みＫを入れる。そして、図２（ｂ）に示す様に、切り込みＫの内側部分を曲げ加工等によって折り曲げることにより、半導体装置２０を押圧するための折り曲げ部５３を形成する。また、この折り曲げ部５３以外の部位にて、板材全体をＬ字形状となるように折り曲げることにより、板状バネ部材５０を放熱部材１０へ取り付けるための取付部５４を形成する。
【００２６】
こうして、出来上がった板状バネ部材５０は、バネ材５１を半導体装置２０側、断熱材５２を回路基板４０側に位置させた状態で、取付部５４を、放熱部材１０に形成された溝部に圧入する。これにより、板状バネ部材５０は、放熱部材１０に支持され、半導体装置２０と回路基板４０とが、板状バネ部材５０により遮蔽された状態となる。なお、板状バネ部材５０の支持は何らかの別部材にて行っても良い。
【００２７】
この板状バネ部材５０の放熱部材１０への取り付けに伴い、板状バネ部材５０の折り曲げ部５３の先端は、放熱部材１０の一面１１の垂線のうち半導体チップ（発熱素子）２１を通る垂線上にて半導体装置２０に接触した形となる。それにより、半導体装置２０は、折り曲げ部５３によって半導体チップ２１の真上部分から放熱部材１０の一面１１に押圧される。
【００２８】
かかる実装構造においては、半導体装置２０及び回路基板４０等により、例えば上記点灯装置の制御回路が構成されるようになっている。また、半導体装置２０の発熱源（半導体チップ２１）から発生した熱は、介在部材３０から放熱部材１０を伝って外部に放出され、また、当該熱の一部は、発熱源の真上にて接触する板状バネ部材５０のバネ材５１から、放熱部材１０を伝って外部に放出されるようになっている。
【００２９】
ところで、上記実装構造によれば、半導体装置２０と回路基板４０との間に板状バネ部材５０を介在させることによって、このバネ部材５０の弾性力が、半導体装置２０の発熱源（半導体チップ２１）から放熱部材１０の一面１１に対して垂直な方向へ加わるようにすることができる。そのため、半導体装置２０の発熱源に対応する部位が、放熱部材１０の一面１１から浮くことを極力抑えることが可能となる。
【００３０】
また、板状バネ部材５０のうち回路基板４０側の面には、断熱材５２が一体に設けられているため、半導体装置２０からの輻射熱は、この断熱材５２によって遮られる。ここで、単純には、半導体装置２０と回路基板４０との間に何らかの断熱部材を介在させることでも、上記輻射熱の影響は抑制できると考えられる。
【００３１】
例えば、回路基板４０における半導体装置２０との対向面に直接断熱材を貼り付けることによって、耐熱性の低い回路基板（回路基板がプリント基板である場合）４０や、この回路基板４０に組み付けられた耐熱性の低い他のＳＭＤ部品（表面実装部品）等を、半導体装置２０の輻射熱から守る方法が考えられる。
【００３２】
しかし、この場合、断熱材単独で１個の部品となり、部品点数が増えてしまう。また、組付工程において、断熱材を回路基板に貼り付ける工程が増える。その点、本実施形態では、断熱材５２を板状バネ部材５０に一体化したものとしているため、部品点数の削減や組付の容易化等の効果がある。
【００３３】
また、上記実装構造においては、半導体装置２０と板状バネ部材５０の折り曲げ部５３との接触部や、放熱部材１０と板状バネ部材５０の取付部５４との接触部には、熱伝導性の良いグリスを介在させることにより、接触面積を大きくすれば、放熱効果を更に向上させることができる。
【００３４】
また、上記実装構造において、板状バネ部材５０の断熱材５２は、ウレタンや発泡材等の断熱性樹脂材料等よりなるが、これらの材料は電気絶縁性を有する。そのため、板状バネ部材５０と回路基板４０との間で、熱的な絶縁に加えて電気的な絶縁も確保することができる。
【００３５】
図１に示す半導体装置２０は、半導体チップ２１の全体を樹脂でモールドしたフルモールド構造であるが、半導体チップ２１の放熱性を更に良くするため、半導体チップ２１の裏面を樹脂から露出させたハーフモールド構造を採用し、介在部材３０として、より熱抵抗の小さいグリスを採用して、半導体チップ２１の裏面と放熱部材１０の一面１１とを接触させる場合がある。この場合、パワーＭＯＳＦＥＴよりなる半導体チップ２１においては、その裏面にドレイン電位が発生し、この電位が放熱部材１０から放熱部材１０に支持されている板状バネ部材５０にも生じる。
【００３６】
従って、板状バネ部材５０の断熱材５２は、断熱性を有することが必須ではあるが、更に電気絶縁性も有すれば、上記のように板状バネ部材５０が電位を持ったとしても、回路基板４０や回路基板４０に組み付けられた他のＳＭＤ部品等に電気的な影響や電気的な短絡を防止でき、好ましい。そして、この場合、図１中に示すような板状バネ部材５０と回路基板４０との間のクリアランスＹを０としても良く、実装構造の小型化にも好適である。
【００３７】
また、断熱材５２が電気絶縁性を有する場合、断熱材５２の回路基板４０と対向する面に接着剤や接着シート等のシール材を配するようにすれば、回路基板４０を板状バネ部材５０に貼り付けて回路基板４０の位置を固定することができるため、各部相互の位置決めが簡単になり、組み付け工程を削減することも可能である。
【００３８】
また、上記実装構造においては、板状バネ部材５０の面積は、回路基板４０からみて半導体装置２０を覆い隠すことの可能な大きさとすることが好ましい。それによって、回路基板４０や回路基板４０に組み付けられた他の部品等への半導体装置２０の輻射熱の影響を、より効果的に抑制できる。
【００３９】
以上述べてきたように、本実施形態の実装構造によれば、上記した種々の作用効果を奏し、安定した放熱性を確保しつつ、半導体装置２０の輻射熱による回路基板４０への影響を抑制できる新規な構成を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の実装構造の概略断面図である。
【図２】板状バネ部材の製造方法を示す説明図である。
【図３】従来の半導体装置の実装構造の一般的な概略断面構成を示す図である。
【図４】従来の実装構造における発熱源の浮きの問題を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…放熱部材、２０…半導体装置、４０…回路基板、５０…板状バネ部材、５２…断熱材、５３…折り曲げ部。

Claims

放熱部材（１０）と、
この放熱部材の一面に対向して配置された回路基板（４０）と、
前記放熱部材の一面と前記回路基板との間で、前記回路基板に電気的に接続されつつ前記放熱部材の一面に搭載された半導体装置（２０）とを備え、
前記半導体装置と前記回路基板との間には、前記半導体装置を前記放熱部材の一面に押圧するように弾性力を発揮する板状バネ部材（５０）が介在しており、
この板状バネ部材における前記回路基板側の面には、断熱材（５２）が一体に設けられており、
前記板状バネ部材は前記半導体装置に接しており、前記半導体装置から発生した熱の一部は、前記板状バネ部材から前記放熱部材を伝って外部に放出されるようになっていることを特徴とする半導体装置の実装構造。
放熱部材（１０）と、
この放熱部材の一面に対向して配置された回路基板（４０）と、
発熱素子（２１）を有するものであって、前記放熱部材の一面と前記回路基板との間で、前記回路基板に電気的に接続されつつ前記放熱部材の一面に搭載された半導体装置（２０）と、
前記半導体装置と前記回路基板との間に配置され、前記半導体装置を前記放熱部材の一面に押圧するように弾性力を発揮する板状バネ部材（５０）とを備え、
前記板状バネ部材は、前記発熱素子を通る前記放熱部材の一面の垂線上にて前記半導体装置に接することにより、前記半導体装置を押圧しており、
前記板状バネ部材における前記回路基板側の面には、断熱材（５２）が一体に設けられており、
前記半導体装置から発生した熱の一部は、前記板状バネ部材から前記放熱部材を伝って外部に放出されるようになっていることを特徴とする半導体装置の実装構造。
前記板状バネ部材（５０）は、板材に切り込みを入れて前記板材の一部を前記半導体装置（２０）側に折り曲げ、この折り曲げ部（５３）にて前記半導体装置を押圧するようになっているものであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の実装構造。
前記板状バネ部材（５０）は、その一部が前記放熱部材（１０）に形成された溝部に圧入されることにより、前記放熱部材に支持されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置の実装構造。
前記断熱材（５２）は、電気絶縁性を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置の実装構造。
前記断熱材（５２）は、断熱性樹脂材料よりなることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の実装構造。
前記板状バネ部材（５０）の面積は、前記回路基板（４０）から前記半導体装置（２０）を覆い隠すことの可能な大きさとなっていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の半導体装置の実装構造。