JP4254487B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の両面に一対の放熱板を接合し、半導体素子の両面から放熱するように構成した半導体装置に関するものである。

この種の半導体装置は、使用時の発熱が大きい高耐圧・大電流用のパワー素子、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等のトランジスタやダイオードなどに適している。上記構成の半導体装置の一例として、特許文献１が知られている。この特許文献１の構成では、図８に示すように、半導体装置１は、一対のヒートシンク（放熱板）２、３の間に半導体チップ（半導体素子）４とヒートシンクブロック５を挟んで構成されている。ヒートシンク２と半導体チップ４の間、半導体チップ４とヒートシンクブロック５の間、ヒートシンクブロック５とヒートシンク３の間は、それぞれ半田６により接合されている。そして、このような構成の半導体装置１は、全体が樹脂７でモールドされている。
特開２００３ー６８９５９号公報

上記構成の半導体装置１の場合、半田付けするときに、ヒートシンク２、３が傾くことがあり（図９参照）、その傾きのばらつきがある。また、ヒートシンク２、３の寸法の製品ばらつきもある。このため、ヒートシンク２、３に一体に形成さえたリード２ａ、３ａの傾きや寸法等がばらつくという傾向があった。
そして、ヒートシンク２、３のリード２ａ、３ａの傾きや寸法等がばらつくと、樹脂モールドを行うときに、図１０及び図１１に示すように、成形型の型締めによって、上記リード部２ａ、３ａが変形したりすることがあった。この場合、リード２ａ、３ａからヒートシンク２、３を通じて半導体チップ４に機械的応力が作用するおそれがあった。

そこで、本発明の目的は、樹脂モールドを実行するときに、型締めにより半導体素子に機械的応力が作用することを防止できる半導体装置を提供するにある。

本発明の半導体装置は、半導体素子と、この半導体素子の両面から放熱するための一対の放熱板とを備え、装置のほぼ全体を樹脂モールドするように構成したものにおいて、少なくとも一方の放熱板から突設された接続用の突片部と、リードとを、前記樹脂の中の埋没部分において、電気的に接続するように構成したことを特徴とするものである。上記構成によれば、一方の放熱板から突設された接続用の突片部と、リードとを接続する接続部分が樹脂の中に埋没する部分に設けられているので、樹脂モールドの実行時の型締めにより、リードが上記接続部分で比較的自由に変形する。このため、半導体素子に機械的応力が作用しなくなる。

この構成の場合も、前記一対の放熱板の各外面を前記樹脂から露出させるように構成することが好ましい。また、樹脂モールドを実行したときには、少なくとも一方の放熱板は前記樹脂中に埋没するように構成され、樹脂モールド後、切削や研磨等により前記放熱板の外面を前記樹脂から露出させるように構成することもより一層好ましい構成である。

以下、本発明の第１の実施例について、図１ないし図６を参照しながら説明する。まず、図１に示すように、本実施例の半導体装置１１は、半導体チップ（半導体素子）１２と、下側ヒートシンク（放熱板）１３と、上側ヒートシンク（放熱板）１４と、ヒートシンクブロック１５とを備えて構成されている。
この構成の場合、半導体チップ１２の下面と下側ヒートシンク１３の上面との間は、接合部材である例えば半田１６によって接合されている。そして、半導体チップ１２の上面とヒートシンクブロック１５の下面との間も、半田１６によって接合されている。更に、ヒートシンクブロック１５の上面と上側ヒートシンク１４の下面との間も、半田１６によって接合されている。これにより、上記構成においては、半導体チップ１２の両面からヒートシンク１３、１４（即ち、一対の放熱板）を介して放熱される構成となっている。

尚、上記半導体チップ１２は、例えばＩＧＢＴやサイリスタ等のパワー半導体素子から構成されている。半導体チップ１２の形状は、本実施例の場合、図２に示すように、例えば矩形状の薄板状である。
また、下側ヒートシンク１３、上側ヒートシンク１４及びヒートシンクブロック１５は、例えばＣｕやＡｌ等の熱伝導性及び電気伝導性の良い金属で構成されている。この構成の場合、下側ヒートシンク１３及び上側ヒートシンク１４は、半導体チップ１２の各主電極（例えばコレクタ電極やエミッタ電極等）に半田１６を介して電気的にも接続されている。

そして、下側ヒートシンク１３は、図２に示すように、全体として例えばほぼ長方形状の板材であり、所定の幅寸法がある板状のリード１３ａが図２中右方へ向けて延びるように一体に突設されている。また、ヒートシンクブロック１５は、図２に示すように、半導体チップ１２よりも一回り小さい程度の大きさの矩形状の板材である。
更に、上側ヒートシンク１４は、図２に示すように、全体として例えばほぼ長方形状の板材で構成されており、リード１４ａが図２中右方へ向けて延びるように一体に突設されている。上記リード１４ａは、上側ヒートシンク１４と同電位のリードである。そして、上記リード１４ａの付け根部分（後述する樹脂１７の中に埋没する部分）には、屈曲部１４ｂが形成されている。尚、下側ヒートシンク１３のリード１３ａと、上側ヒートシンク１４のリード１４ａは、互いの位置がずれるように、即ち、対向しないように構成されている。

また、上記構成の場合、下側ヒートシンク１３の上面と上側ヒートシンク１４の下面との間の距離は、例えば１〜２ｍｍ程度になるように構成されている。尚、コーティング樹脂である例えばポリアミド樹脂（図示しない）が、一対のヒートシンク１３、１４の表面、並びに、チップ１２及びヒートシンクブロック１５の周囲部分に塗布されている。
更に、図１に示すように、一対のヒートシンク１３、１４の隙間、並びに、チップ１２及びヒートシンクブロック１５の周囲部分には、樹脂（例えばエポキシ樹脂）１７が充填封止されている。この場合、ヒートシンク１３、１４等を樹脂１７でモールドするに当たっては、図４に示すような構成の成形型１８を使用している。この成形型１８は、上下型であり、下型１９と、上型２０とから構成されている。

尚、前記ポリアミド樹脂は、樹脂１７とヒートシンク１３、１４との密着力、樹脂１７とチップ１２との密着力、並びに、樹脂１７とヒートシンクブロック１５との密着力を強くするためのコーティング層（樹脂）である。また、半導体チップ１２の制御電極（例えばゲート電極等）は、図１及び図２に示すように、リードフレーム２１、２２にワイヤボンディングされている。

次に、上記した構成の半導体装置１１の製造方法（即ち、製造工程）について、図２ないし図６を参照して説明する。まず、図２に示すように、下側ヒートシンク１３の上面に、半導体チップ１２とヒートシンクブロック１５を半田付けする工程を実行する。この場合、下側ヒートシンク１３の上面に半田箔を介してチップ１２を積層すると共に、このチップ１２の上に半田箔を介してヒートシンクブロック１５を積層する。この後、加熱装置（リフロー装置）によって上記半田箔を溶融させてから、硬化させる。

続いて、半導体チップ１２の制御電極（例えばゲートパッド等）とリードフレーム２１、２２とをワイヤーボンディングする工程を実行する。これにより、例えばＡｌやＡｕ等製のワイヤー２３によってチップ１２の制御電極とリードフレーム２１、２２とが接続される。
次いで、ヒートシンクブロック１５の上に上側ヒートシンク１４を半田付けする工程を実行する。この場合、ヒートシンクブロック１５の上に半田箔２４を介して上側ヒートシンク１４を載せ、それから、加熱装置によって上記半田箔２４を溶融させてから硬化させる。

このとき、上側ヒートシンク１４の上に例えば重りを載置することにより、上側ヒートシンク１４を下方へ向けて加圧するように構成されている。これと共に、上側ヒートシンク１４と下側ヒートシンク１３との間に、スペーサ治具を取り付けることにより、上側ヒートシンク１４と下側ヒートシンク１３との間の距離を設定距離に保持するように構成している。これにより、半導体チップ１２とヒートシンク１３、１４とヒートシンクブロック１５の接合及び電気的接続が完了する。

ここで、上記半田付けするときに、ヒートシンク１３、１４が傾くことがあり（図３参照）、その傾きのばらつきがある。また、ヒートシンク１３、１４の寸法の製品ばらつきもある。このため、上記半田付け後の構成において、ヒートシンク１３、１４に一体に形成されたリード１３ａ、１４ａの傾きや寸法等がばらつくという傾向があった。
さて、上記半田付けの後は、ポリアミド樹脂を、一対のヒートシンク１３、１４の表面、並びに、チップ１２及びヒートシンクブロック１５の周囲部分等に塗布する工程を実行する。この場合、例えば、ポリアミド樹脂の液中に上記半田付けした構成（一対のヒートシンク１３、１４及びチップ１２等）をディッピングする方法を使用している。

この後、上記半田付け（並びにポリアミド樹脂を塗布）した後の構成を、図４に示すように、成形型１８、即ち、上型２０及び下型１９により構成されたキャビティ２５の内部に収容し、樹脂１７を注入（充填）する工程を実行する。これにより、図５に示すように、一対のヒートシンク１３、１４の隙間、並びに、チップ１２及びヒートシンクブロック１５の周囲部分等に、樹脂１７が充填される。

ここで、上記した成形型１８の型締めを行う場合、従来構成の半導体装置１（図８ないし図１１参照）においては、ヒートシンク２、３のリード２ａ、３ａの傾きや寸法等がばらついているために、上記リード２ａ、３ａが変形したりすることがあった。この場合、リード２ａ、３ａからヒートシンク２、３を通じて半導体チップ４に機械的応力が作用するおそれがあった。

これに対して、本実施例の場合、ヒートシンク１３、１４のリード１３ａ、１４ａの傾きや寸法等がばらついていても、リード１４ａにおける樹脂の中に埋没する部分に屈曲部１４ｂが設けられているので、樹脂モールドの実行時の型締めにより、リード１４ａが上記屈曲部１４ｂで比較的自由に変形する。このため、従来構成とは異なり、半導体チップ１２に機械的応力が作用しなくなる。

次に、樹脂１７が硬化した後、成形型１８内から半導体装置１１を取り出すと、図５に示すような構成の半導体装置１１が製造される。この半導体装置１１においては、図５に示すように、一方の放熱板である上側ヒートシンク１４が傾いているために、該上側ヒートシンク１４は樹脂１７中に埋没した形態となっている。そこで、本実施例では、図６に示すように、樹脂モールド後、切削や研磨等を行うことにより、破線で示す部分を除去し、もって、上側ヒートシンク１４の外面を樹脂１７から露出させる工程を実行する。これにより、図１に示すような構成の半導体装置１１が完成する。

このような構成の本実施例によれば、上側ヒートシンク１４（一方の放熱板）に一体に形成されたリード１４ａにおける樹脂１７の中に埋没する部分に、屈曲部１４ｂを設けたので、樹脂モールド実行時に型締めを行っても、上記リード１４ａは上記屈曲部１４ｂで比較的自由に変形するようになる。このため、半導体チップ１２に機械的応力が作用しなくなり、半導体チップ１２が割れたり損傷したりすることをほぼ確実に防止できる。

また、上記実施例では、一対のヒートシンク１３、１４（放熱板）の各外面を樹脂１７から露出させるように構成したので、半導体チップ１２で発生する熱をヒートシンク１３、１４を介して良好に放熱することができる。
更に、上記実施例においては、樹脂モールドを実行したときには、上側ヒートシンク１４が樹脂１７中に埋没するように構成し、樹脂モールド後、切削や研磨等により上記上側ヒートシンク１４の外面が樹脂１７から露出するように構成したので、傾いた上側ヒートシンク１４の外面を容易に露出させることができる。

尚、上記実施例においては、リード１４ａの屈曲部１４ｂの形状を、例えば溝状（断面形状が凹部状）としたが、これに限られるものではなく、機械的応力を吸収（緩和）可能な形状であれば、どのような形状であっても良い。
図７は、本発明の第２の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一構成には、同一符号を付している。上記第２の実施例においては、上側ヒートシンク１４から一体に突設された接続用の突片部１４ｃと、別体のリード２６とを、樹脂１７の中の埋没部分において、例えば半田付けすることにより電気的に接続するように構成している。そして、上記突片部１４ｃは、リード２６と接続し易くするために、リード２６の板厚分の段差ができるように折り曲げられている。これにより、突片部１４ｃとリード２６の接続部分２７は、第１の実施例の屈曲部１４ｂとほぼ同じ機能を有する構成となっている。

上述した以外の第２の実施例の構成は、前記第１の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第２の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
尚、上記各実施例においては、上側ヒートシンク１４側に屈曲部１４ｂ、または、突片部１４ｃとリード２６の接続部分２７を設けるように構成したが、これに限られるものではなく、下側ヒートシンク１３側に設けるように構成しても良いし、両ヒートシンク１３、１４にそれぞれ設けるように構成しても良い。

本発明の第１の実施例を示す半導体装置の断面図 半導体装置の製造工程を示す図 樹脂モールド前の半導体装置の断面図 成形型内に樹脂モールド前の半導体装置を収容する状態を示す断面図 樹脂モールド後の半導体装置の断面図 切削等を行う部位を示す半導体装置の断面図 本発明の第２の実施例を示す図１相当図 従来構成を示す半導体装置の断面図 樹脂モールド前の半導体装置の断面図 成形型内に樹脂モールド前の半導体装置を収容する状態を示す断面図 半導体装置の断面図

符号の説明

図面中、１１は半導体装置、１２は半導体チップ（半導体素子）、１３は下側ヒートシンク（放熱板）、１３ａはリード、１４は上側ヒートシンク（放熱板）、１４ａはリード、１４ｂは屈曲部、１５はヒートシンクブロック、１７は樹脂、１８は成形型、２１、２２はリードフレーム、２３はワイヤー、２６はリード、２７は接続部分を示す。

Claims (3)

1. 半導体素子と、この半導体素子の両面から放熱するための一対の放熱板とを備え、装置のほぼ全体を樹脂モールドするように構成した半導体装置において、
   少なくとも一方の放熱板から突設された接続用の突片部と、リードとを、前記樹脂の中の埋没部分において、電気的に接続するように構成したことを特徴とする半導体装置。
2. 前記一対の放熱板の各外面を前記樹脂から露出させるように構成したことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 樹脂モールドを実行したときには、少なくとも一方の放熱板は前記樹脂中に埋没するように構成され、
   樹脂モールド後、切削や研磨等により前記放熱板の外面を前記樹脂から露出させるように構成したことを特徴とする請求項２記載の半導体装置。

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