JP4735446B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子を搭載した絶縁基板を放熱板に搭載した半導体装置に関し、特に安価で長寿命の半導体装置に関するものである。
図５は、従来の半導体装置を示す断面図であり、図６は、この半導体装置の要部を拡大した断面図である。絶縁基板１１は、上面に上部導体１２が形成され、下面に下部導体１３が形成されている。そして、半導体素子１４が、絶縁基板１１上に素子下はんだ１５を介して搭載されている。また、絶縁基板１１は、基板下はんだ１７を介して放熱板１６に搭載されている。そして、放熱板１６の外周にはケース１８が接着剤１９により取り付けられ、その内部には絶縁性確保のためシリコーンゲル２０が注入されている。
また、半導体チップ及びヒートシンクが収納された放熱ケース内に、熱伝導性良好な絶縁性の液を充填して、半導体チップの放熱性を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６３−０９６９４５号公報
半導体素子１４の動作による発熱／冷却の繰返しによって、絶縁基板１１と放熱板１６とが膨張／収縮する。このため、半導体装置を長期間使用すると、基板下はんだ１７にクラック２１が入る。このクラック２１の部分は空気層となり熱伝導率が非常に小さくなるため、半導体素子１４から放熱板１６への熱伝達が低下する。これにより、半導体素子１４が異常過熱して半導体装置が破壊され、半導体装置の寿命が短くなるという問題があった。また、特許文献１の技術では、絶縁性の液を用いなければならず、放熱性が高い導電性の物質を用いることはできなかった。このため、放熱性が十分ではなかった。
これに対し、長寿命が必要な場合には、放熱板の材料として一般に使用される銅（Ｃｕ）の代わりに、アルミシリコンカーバイド（ＡｌＳｉＣ）や銅モリブデン（ＣｕＭｏ）などの低線膨張材料を使用していた。この場合、基板下はんだにクラックが入り難いが、材料価格が高いという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、安価で長寿命の半導体装置を得るものである。
本発明に係る半導体装置は、上面に上部導体が形成され、下面に下部導体が形成された絶縁基板と、絶縁基板上に素子下はんだを介して搭載された半導体素子と、絶縁基板が基板下はんだを介して搭載された放熱板と、半導体素子、素子下はんだ及び上部導体を覆うシリコーンゲルと、半導体素子、素子下はんだ及び上部導体を覆うことなく、下部導体及び基板下はんだを覆う、空気よりも熱伝導率が大きく、シリコーンゲルよりも流動性が高い充填剤とを有する。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
本発明により、基板下はんだにクラックが発生しても、充填剤がクラックの内部に入り込むことにより、半導体素子から放熱板への熱伝達があまり低下しない。従って、長寿命が必要な場合でも、安価な銅（Ｃｕ）材料からなる放熱板を用いることができる。よって、安価で長寿命の半導体装置を得ることができる。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図であり、図２は、この半導体装置の要部を拡大した断面図である。
絶縁基板１１は、上面に上部導体１２が形成され、下面に下部導体１３が形成されている。そして、半導体素子１４が、絶縁基板１１の上部導体１２上に素子下はんだ１５を介して搭載されている。また、絶縁基板１１の下部導体１３は、基板下はんだ１７を介して放熱板１６に接続されている。そして、放熱板１６の外周にはケース１８が接着剤１９により取り付けられている。
また、ケース１８の内部に注入された充填剤２２が下部導体１３及び基板下はんだ１７を覆い、充填剤２２の上に注入されたシリコーンゲル２０が半導体素子１４、素子下はんだ１５及び上部導体１２を覆っている。
ただし、充填剤２２として、空気よりも熱伝導率が大きく、シリコーンゲル２０よりも流動性が高いものを用いる。このような充填剤２２として、例えばフッ素系不活性液体を用いることができる。具体的には、住友スリーエム社のフロリナートＦＣ−４０（製品名）を使用した場合、空気の熱伝導率０．０２４Ｗ／ｍＫに対して、フロリナートの熱伝導率は０．０６７Ｗ／ｍＫである。また、フロリナートは、シリコーンゲルよりも流動性が高い。
これにより、基板下はんだ１７にクラック２１が発生しても、充填剤２２がクラック２１の内部に入り込むことにより、半導体素子１４から放熱板１６への熱伝達特性の低下が、従来のシリコンゲルの場合より抑制される。従って、長寿命が必要な場合でも、安価な銅（Ｃｕ）材料からなる放熱板１６を用いることができる。よって、安価で長寿命の半導体装置を得ることができる。
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の要部を拡大した断面図である。充填剤２２は、充填剤２２自身よりも熱伝導率が高い微粒子２３を含有する。その他の構成は実施の形態１と同様である。これにより、充填剤２２の熱伝導が向上するため、半導体装置の寿命が実施の形態１よりも長くなる。
微粒子２３として、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属や、カーボンナノチューブ等を用いることができる。ここで、充填剤２２として用いられるフロリナートの熱伝導率が０．０６７Ｗ／ｍＫであるのに対し、銅の熱伝導率は４００Ｗ／ｍＫ、カーボンナノチューブの熱伝導率は６０００Ｗ／ｍＫである。
また、フロリナートにカーボンナノチューブを０．７％以上含有させると、その熱伝導率ははんだ（３８Ｗ／ｍＫ）を上回る。この場合、基板下はんだ１７にクラックが入っても、そのクラック２１に充填剤２２が入り込むことにより、放熱性は逆に良くなる。そして、カーボンナノチューブは、直径が１ｎｍ以下で長さ１０ｎｍ以下と小さいため、カーボンナノチューブを含有する充填剤２２の流動性は良く、高さ数十μｍのクラック２１にも入り込むことができる。
また、導電性の微粒子２３を含有した充填剤２２は絶縁性ではない。しかし、充填剤２２は下部導体１３及び基板下はんだ１７のみを覆い、半導体素子１４、素子下はんだ１５及び上部導体１２はシリコーンゲル２０で覆われているため、下部導体１３等と半導体素子１４等が短絡することはない。
実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の要部を拡大した断面図である。図に示すように、充填剤２２は、その最上部に硬化層２４が形成されている。そして、この硬化層２４は、例えば、紫外線等を照射することで硬化する充填剤２２を用いたり、また、熱硬化性の樹脂（シリコンゲルなども含む）を充填剤２２の表面に薄く塗布し、加熱処理を加えることなどにより形成することができる。その他の構成は実施の形態１又は２と同様である。これにより、実施の形態１又は２と同様の効果を奏するだけでなく、充填剤の高さを安定させることができ、半導体素子１４や素子下はんだ１５及び上部半導体１２を覆うシリコンゲル２０の注入作業を容易なものとすることができる。従って、半導体装置の品質及び信頼性を向上させることができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の要部を拡大した断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の要部を拡大した断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の要部を拡大した断面図である。 従来の半導体装置を示す断面図である。 従来の半導体装置の要部を拡大した断面図である。
符号の説明
１１ 絶縁基板
１２ 上部導体
１３ 下部導体
１４ 半導体素子
１５ 素子下はんだ
１６ 放熱板
１７ 基板下はんだ
２０ シリコーンゲル
２２ 充填剤
２３ 微粒子
２４ 硬化層

Claims (3)

  1. 上面に上部導体が形成され、下面に下部導体が形成された絶縁基板と、
    前記絶縁基板上に素子下はんだを介して搭載された半導体素子と、
    前記絶縁基板が基板下はんだを介して搭載された放熱板と、
    前記半導体素子、前記素子下はんだ及び前記上部導体を覆うシリコーンゲルと、
    前記半導体素子、前記素子下はんだ及び前記上部導体を覆うことなく、前記下部導体及び前記基板下はんだを覆う、空気よりも熱伝導率が大きく、前記シリコーンゲルよりも流動性が高い充填剤とを有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記充填剤は、前記充填剤自身よりも熱伝導率が高い微粒子を含有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記充填剤は最上部に硬化層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
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