JP5124329B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体チップにおいて生じる熱を外方に放熱させるヒートシンクを備える半導体装置に関する。

従来の半導体装置としては、例えば特許文献１のように、リードフレーム５０１と、これを構成する素子載置板（基板）の表面に固着された半導体素子５０２，５０３（半導体チップ）と、素子載置板の裏面との間に隙間を有して配された板状のヒートシンク５０４と、これらリードフレーム５０１、半導体素子５０２，５０３及びヒートシンク５０４を封止する電気絶縁性の封止樹脂５０５とを備えているものがある。ここで、ヒートシンク５０４は、平面視略矩形に形成されており、その側面全体が封止樹脂５０５によって覆われている。
この半導体装置では、素子載置板に対向するヒートシンク５０４の上主面に溝５０６を形成したり、素子載置板とヒートシンク５０４との隙間に封止樹脂５０５が介在しているが、放熱性の向上を図るためには、溝５０６を形成したり封止樹脂５０５を介在させずにヒートシンク５０４を直接素子載置板に固着することが好ましい。また、放熱性の向上には、外方に露出するヒートシンク５０４裏面の面積を拡大することも有効である。ここで、ヒートシンク５０４裏面の面積を拡大する場合には、封止樹脂５０５の外方に突出する外部端子の突出方向に直交するように、ヒートシンク５０４をその長手方向に延ばして封止樹脂５０５から突出させることが好ましい。
特開平９−１５３５７１号公報

しかしながら、上記のように放熱性の向上を重視して半導体装置を構成すると、ヒートシンク５０４と封止樹脂５０５との密着性が低下することから、封止樹脂５０５に対してヒートシンク５０４をその長手方向に移動させるように外力が作用すると、ヒートシンク５０４が封止樹脂５０５から剥離しやすくなる、という問題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであって、放熱性の向上を重視しながらも、ヒートシンクの剥離を防止することができる半導体装置を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の半導体装置は、板状に形成されたヒートシンクと、その表面に順次重ねて固定される基板及び半導体チップと、前記ヒートシンク、基板及び半導体チップを封止するモールド樹脂とを備え、前記表面に沿う前記ヒートシンクの一方向の両端部が、前記モールド樹脂の外側に突出し、前記ヒートシンクに、その表面に沿う前記一方向の直交方向の両側部から当該直交方向に沿って内側に窪む第１凹部と、前記直交方向に面する前記第１凹部の底面からさらに内側に窪む複数の第２凹部とが形成され、前記第２凹部が、前記一方向に沿う前記第１凹部の両端に形成され、前記モールド樹脂が前記第１凹部及び前記第２凹部に充填されていることを特徴としている。

この半導体装置によれば、ヒートシンクと半導体チップとの間にモールド樹脂を介在させず、さらに、ヒートシンクの一方向の両端部をモールド樹脂から突出させることで、ヒートシンクの容積拡大を図り、放熱性を向上することができる。
そして、ヒートシンクに第１凹部及び第２凹部を形成しておくことで、モールド樹脂に対してヒートシンクを一方向に移動させるように外力が作用しても、第１凹部及び第２凹部に充填されたモールド樹脂が、一方向に面する第１凹部及び第２凹部の内側面に分散して押し付けられるため、ヒートシンクとモールド樹脂とが一方向に相対移動することを防止できる。すなわち、ヒートシンクの両端部がモールド樹脂の外側に突出していても、ヒートシンクが一方向に移動してモールド樹脂から剥離することを防止できる。
また、第１凹部及び第２凹部に充填されたモールド樹脂が、第１凹部及び複数の第２凹部の内側面に分散して押し付けられることで、当該押し付け力を複数箇所に分散させることができ、ヒートシンクの一部に応力が集中することも防止できる。

さらに、第２凹部が一方向に沿う第１凹部の両端に形成されることで、相互に対向する第１凹部の内側面に第２凹部の内側面を連ねて形成することができるため、前述した外力を面積の広い内側面において受けることができる。
また、第１凹部に連ねて形成される第２凹部の内側面が、前述した第１凹部の内側面と同様に傾斜している場合には、第１凹部に充填されたモールド樹脂だけではなく、第２凹部に充填されたモールド樹脂に生じる応力も確実に緩和することができ、モールド樹脂の割れ目発生をより確実に防止できる。

なお、前記半導体装置においては、前記一方向に面する前記第１凹部の内側面が、前記直交方向に沿うヒートシンクの外側にも向けられるように傾斜していてもよい。
この場合には、第１凹部内のモールド樹脂が第１凹部の内側面に押し付けられた際に、傾斜した内側面に沿ってヒートシンクの外側にスライドすることができるため、前述の押し付け力に基づいてモールド樹脂やヒートシンクに生じる応力を緩和することができる。
したがって、モールド樹脂に割れ目が生じることを防止できる。

本発明によれば、放熱性の向上を重視しながらも、ヒートシンクの剥離を防止することができる。さらに、モールド樹脂に対してヒートシンクを一方向に移動させるように外力が作用しても、ヒートシンクの一部に応力が集中することも防止できる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１〜３に示すように、この実施形態に係る半導体装置１は、厚板状のヒートシンク３の表面３ａに、セラミック基板（基板）５及び半導体チップ７を順次重ねて配すると共に、ヒートシンク３の裏面３ｂ全体が外方に露出するように、ヒートシンク３、セラミック基板５及び半導体チップ７をモールド樹脂９により封止して構成されている。また、セラミック基板５の表面５ａには、半導体チップ７と同様に、複数（図１においては４つ）の外部接続リード１１が配されており、一部（図１においては２つ）の外部接続リード１１Ｂは、導電性を有する板状の接続板１３を介して半導体チップ７と電気接続されている。

ヒートシンク３は、例えば、銅（Ｃｕ）、タングステン、モリブデン等のように、放熱性の高い材料によって厚板状に形成されているが、これに加えて例えばＮｉメッキを施したものでもよい。このヒートシンク３を平面視した形状は、その表面３ａに沿う長手方向（一方向、図１〜３におけるＹ軸方向）の寸法の方がこれに直交する幅方向（直交方向、図１〜３におけるＸ軸方向）の寸法よりも長い略長方形状に形成されている。このヒートシンク３の表面３ａに沿う長手方向の両端部３１，３２は、モールド樹脂９の外方に突出している。また、ヒートシンク３の両端部３１，３２には、半導体装置１を固定するためのマウント部３３，３４が形成されている。

さらに、ヒートシンク３には、その幅方向（Ｘ軸方向）の両側部から内側に窪む第１凹部３５が形成されている。すなわち、ヒートシンク３には２つの第１凹部３５が形成されている。また、長手方向（Ｙ軸方向）に沿う第１凹部３５の両端には、幅方向外側に面する第１凹部３５の底面３５ａからさらに内側に窪む第２凹部３６が形成されている。すなわち、このヒートシンク３においては、同一の第１凹部３５に２つの第２凹部３６が形成されている。
ここで、図２における第１凹部３５の領域は、ヒートシンク３の幅方向の両側部（仮想線Ｌ１）から底面３５ａに至るまでの領域であり、図２における第２凹部３６の領域は、底面３５ａの長手方向の両端部分（仮想線Ｌ２）からヒートシンク３の幅方向内側に窪んだ領域である。すなわち、図２においては、仮想線Ｌ２が第１凹部３５の領域と第２凹部３６の領域との境界を示している。

そして、ヒートシンク３の厚さ方向（図１〜３におけるＺ軸方向）に延びる第１凹部３５の底面３５ａは、ヒートシンク３の長手方向に沿って形成されている。また、ヒートシンク３の長手方向に面する第１凹部３５の内側面３５ｂは、第２凹部３６の一方の内側面３６ｂと同一平面をなすように連ねて形成されており、これら第１凹部３５及び第２凹部３６の内側面３５ｂ，３６ｂは、幅方向に沿ってヒートシンク３の外側にも向けられるように傾斜して形成されている。なお、傾斜する内側面３６ｂに対向する第２凹部３６の内側面３６ｃは、ヒートシンク３の長手方向に対して直交している。
以上のように傾斜される第１凹部３５及び第２凹部３６には、モールド樹脂９が充填されている。

図３に示すように、セラミック基板５は、電気的な絶縁性を有するセラミック板５１の表面５１ａ及び裏面５１ｂに、導電性を有する配線パターン５２，５３，５４を形成して構成されている。ここで、セラミック板５１の表面５１ａには複数の配線パターン５２，５３が形成されているが、これらは互いに電気的に絶縁されている。
この構成されるセラミック基板５は、その裏面５ｂをなす第３配線パターン５４を介して、ヒートシンク３の表面３ａに配されており、具体的には半田（不図示）を介してセラミック板５１の裏面５１ｂに形成された第３配線パターン５４に固定されている。
半導体チップ７は、このセラミック基板５の表面５ａの中央部分に配されており、半田（不図示）を介してセラミック板５１の表面５１ａの中央部分から周縁部分の一端にわたって形成された第１配線パターン５２に固定されている。すなわち、半導体チップ７は、ヒートシンク３と同様にセラミック基板５に固定されているが、セラミック基板５によってヒートシンク３と電気的に絶縁されている。

各外部接続リード１１は、導電性を有する板材を２箇所において屈曲させて断面視クランク形状に形成して構成されており、セラミック基板５の配線パターン５２，５３に固定される平板状の内部接続部１１０と、第１屈曲部１１１を介して内部接続部１１０に連ねて形成された平板状の垂直板部１１２と、第２屈曲部１１３を介して垂直板部１１２に連ねて形成された平板状の突出部１１４とを備えている。なお、内部接続部１１０、第１屈曲部１１１、垂直板部１１２及び第２屈曲部１１３は、モールド樹脂９内に埋設される埋設部１１５を構成している。
垂直板部１１２は、外部接続リード１１をセラミック基板５に固定した状態において、セラミック基板５の表面５ａから上方に延びるように配される。また、突出部１１４は、セラミック基板５の面方向に沿ってセラミック基板５から離れるように延出すると共に、モールド樹脂９の外方に突出している。

ここで、一の外部接続リード１１Ａは、セラミック基板５の表面５ａのうち周縁部分の一端に配されており、半田（不図示）を介して第１配線パターン５２に接合されている。すなわち、半導体チップ７と一の外部接続リード１１Ａとは、第１配線パターン５２を介して相互に電気接続されている。また、他の外部接続リード１１Ｂは、セラミック基板５の表面５ａのうち周縁部分の他端に配されており、半田（不図示）を介してセラミック板５１の表面５１ａのうち周縁部分の他端に形成された第２配線パターン５３に固定されている。
すなわち、これら複数の外部接続リード１１は、いずれもヒートシンク３と同様にセラミック基板５に固定されているが、セラミック基板５によってヒートシンク３と電気的に絶縁されている。

接続板１３の両端は、それぞれ半田（不図示）を介して半導体チップ７の表面７ａ、及び、他の外部接続リード１１Ｂの内部接続部１１０の表面に接合されており、これによって、半導体チップ７と他の外部接続リード１１Ｂとが電気接続されることになる。なお、図示例のように、半導体チップ７の表面７ａ及び内部接続部１１０の表面の高さ位置が互いに異なる場合には、接続板１３の中途部に屈曲した段差部１３ａを形成しておけばよい。これにより、半導体チップ７の表面７ａ及び内部接続部１１０の表面の両方に対して接続板１３を安定して接合することができる。

以上のように構成された半導体装置１を製造する際には、はじめに、ヒートシンク３の表面３ａにセラミック基板５、半導体チップ７、外部接続リード１１及び接続板１３を順次重ねて配置する。そして、この配置状態において、リフローにより半田を溶融、固化させることで、ヒートシンク３、セラミック基板５、半導体チップ７、外部接続リード１１及び接続板１３が一体に接合、固定される。
その後、一体固定されたヒートシンク３、セラミック基板５、半導体チップ７、外部接続リード１１及び接続板１３をモールド樹脂９成形用の金型内に入れ、金型内に溶融した樹脂を流し込む。これにより、モールド樹脂９が形成され、半導体装置１の製造が完了する。

以上説明したように、上記実施形態による半導体装置１によれば、ヒートシンク３と半導体チップ７との間にモールド樹脂９を介在させず、さらに、ヒートシンク３の両端部３１，３２をモールド樹脂９から突出させることで、ヒートシンク３の容積拡大を図り、放熱性を向上することができる。
そして、ヒートシンク３に第１凹部３５及び第２凹部３６を形成しておくことで、モールド樹脂９に対してヒートシンク３をその長手方向に移動させるように外力が作用しても、第１凹部３５及び第２凹部３６に充填されたモールド樹脂９が、前記長手方向に面する第１凹部３５及び第２凹部３６の内側面３５ｂ，３６ｂ，３６ｃに分散して押し付けられるため、ヒートシンク３とモールド樹脂９とが長手方向に相対移動することを防止できる。すなわち、ヒートシンク３の両端部３１，３２がモールド樹脂９の外側に突出していても、ヒートシンク３がその長手方向に移動してモールド樹脂９から剥離することを防止できる。

また、第１凹部３５及び第２凹部３６に充填されたモールド樹脂９が、第１凹部３５及び複数の第２凹部３６の内側面３５ｂ，３６ｂ，３６ｃに分散して押し付けられることで、当該押し付け力を複数箇所（図示例では６箇所）に分散させることができ、ヒートシンク３の一部に応力が集中することも防止できる。
さらに、第１凹部３５の内側面３５ｂ及びこれに連なる第２凹部３６の内側面３６ｂが幅方向に沿うヒートシンク３の外側にも向けられるように傾斜しているため、第１凹部３５内及び第２凹部３６内のモールド樹脂９が第１凹部３５及び第２凹部３６の内側面３５ｂ，３６ｂに押し付けられた際に、傾斜した内側面３５ｂ，３６ｂに沿ってヒートシンク３の外側にスライドすることができる。したがって、前述の押し付け力に基づいてモールド樹脂９やヒートシンク３に生じる応力を緩和することができる。したがって、モールド樹脂９に割れ目が生じることを防止できる。
なお、第１凹部３５の内側面３５ｂ及び第２凹部３６の内側面３６ｂが同一平面を形成するように連ねて形成されていることで、前述した外力を面積の大きい内側面３５ｂ，３６ｂにおいて受けることができる。

以上、本発明の実施形態である半導体装置について説明したが、本発明の技術的範囲はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、同一の第１凹部３５に形成された複数の第２凹部３６は、第１凹部３５の長手方向の両端に形成されるとしたが、少なくとも相互に間隔をあけて形成されていればよい。したがって、同一の第１凹部３５に形成される第２凹部３６は、２つに限らず、３つ以上であっても構わない。
また、ヒートシンク３の裏面３ｂ全体が外方に露出するとしたが、例えばヒートシンク３の両端部３１，３２を除く裏面３ｂの一部あるいは全体がモールド樹脂９によって覆われていてもよい。

さらに、外部接続リード１１は、屈曲部１１１，１１３を形成して構成されるとしたが、特に屈曲部１１１，１１３を形成せずに、少なくともモールド樹脂９内に埋設される埋設部とモールド樹脂９から外方に突出する突出部とを備えていればよい。すなわち、外部接続リード１１は例えば平板状に形成されていてもよい。

また、半導体チップ７と他の外部接続リード１１Ｂとは、接続板１３によって電気接続されるとしたが、半導体チップ７と他の外部接続リード１１Ｂとの間に流れる電流が小さい場合には、例えばワイヤによって電気接続されてもよい。
さらに、セラミック基板５は、配線パターン５２〜５４を形成して構成されるとしたが、少なくともヒートシンク３や半導体チップ７、外部接続リード１１を固定できるように構成されていればよく、例えばセラミック板５１のみによって構成されてもよいし、あるいは、導電性を有する基板としてもよい。
なお、配線パターン５２〜５４を形成しない場合、半導体チップ７の一の外部接続リード１１Ａとの電気接続には、例えば上記実施形態の接続板１３のように別途導電性の板部材を用いてもよい。また、セラミック基板５が導電性を有する基板である場合には、例えば、電気絶縁性を有する接着剤等を介して半導体チップ７やヒートシンク３、外部接続リード１１を基板に接着すればよい。

また、ヒートシンク３と半導体チップ７とは、基板５を間に介在させて相互に固定されるとしたが、少なくともこれらの間にモールド樹脂９が介在しなければよく、例えば直接固定されてもよい。この場合には、電気絶縁性を有する接着剤等を介してヒートシンク３と半導体チップ７とを接着すればよい。

さらに、上記実施形態においては、基板５の表面５ａに外部接続リード１１を配置した半導体装置１について説明したが、本発明は、ヒートシンク３の裏面３ｂが外方に露出するように、ヒートシンク３、基板５及び半導体チップ７をモールド樹脂９により埋設して構成される半導体装置に適用することができる。本発明は、例えば、外部接続リード１１が基板５から離れた位置に配される構成、言い換えれば、基板５と外部接続リード１１とを同一のリードフレームによって構成した半導体装置に適用することも可能である。

本発明の一実施形態である半導体装置をヒートシンクの表面側から見た状態を示す概略平面図である。 図１の半導体装置をヒートシンクの裏面側から見た状態を示す概略平面図である。 図１，２のＡ−Ａ矢視断面図である。 従来の半導体装置の一例を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 半導体装置
３ ヒートシンク
３ａ 表面
５ セラミック基板（基板）
７ 半導体チップ
９ モールド樹脂
３１，３２ 端部
３５ 第１凹部
３６ 第２凹部
３５ａ 底面
３５ｂ，３６ｂ 内側面

Claims (2)

1. 板状に形成されたヒートシンクと、その表面に順次重ねて固定される基板及び半導体チップと、前記ヒートシンク、基板及び半導体チップを封止するモールド樹脂とを備え、
   前記表面に沿う前記ヒートシンクの一方向の両端部が、前記モールド樹脂の外側に突出し、
   前記ヒートシンクに、その表面に沿う前記一方向の直交方向の両側部から当該直交方向に沿って内側に窪む第１凹部と、前記直交方向に面する前記第１凹部の底面からさらに内側に窪む複数の第２凹部とが形成され、
   前記第２凹部が、前記一方向に沿う前記第１凹部の両端に形成され、
   前記モールド樹脂が前記第１凹部及び前記第２凹部に充填されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記一方向に面する前記第１凹部の内側面が、前記直交方向に沿うヒートシンクの外側にも向けられるように傾斜し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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