JP5124330B2 - 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、例えば図４に示すように、ヒートシンク５１０と、その表面５１１側に固定された半導体チップ５２０と、これらヒートシンク５１０及び半導体チップ５２０を封止するモールド樹脂５６０とを備えているものがある（特許文献１参照）。
ヒートシンク５１０には、その側面５１３から突出してモールド樹脂５６０に食い込む突起５１４が形成されており、これによってヒートシンク５１０とモールド樹脂５６０との密着性を高めている。また、ヒートシンク５１０の裏面５１２は、半導体チップ５２０において発生した熱を放熱するために外方に露出している。
特開平２００６−２２２４０６号公報

一般に、このような構成の半導体装置を製造する場合には、ヒートシンク５１０の裏面５１２以外をモールド樹脂５６０によって封止する際に、互いに固定された半導体チップ５２０及びヒートシンク５１０を所定の金型内に配置した状態において、ヒートシンク５１０の表面５１１上方から樹脂を流し込む。
この際、樹脂は、ヒートシンク５１０の表面５１１の周縁から裏面５１２側に向かうようにヒートシンク５１０の厚さ方向に流れるが、単純に突起５１４が張り出しているだけでは、突起５１４の上側において突起５１４の突出方向に向かう樹脂の流れが強くなり、樹脂が突起５１４の下側に回り込みにくくなる、という問題がある。この場合、突起５１４の下側においてモールド樹脂５６０内、あるいは、ヒートシンク５１０とモールド樹脂５６０との間にボイド（空洞）が生じる虞がある。

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、ヒートシンクがモールド樹脂から剥離することを防止できると共に、前述のボイドの発生を防止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、その表面側に固定される半導体チップと、前記ヒートシンクの裏面が露出するように前記ヒートシンク及び前記半導体チップを封止するモールド樹脂とを備え、前記ヒートシンクには、その表面に沿う前記ヒートシンクの一方向の両側部から内側に窪む第１凹部と、前記表面に沿って前記一方向に直交する直交方向に沿う前記第１凹部の両端において、前記一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一対の第２凹部とが形成され、厚さ方向に延びる前記ヒートシンクの側面をなす前記第１凹部及び前記第２凹部の内面が、前記モールド樹脂によって覆われ、前記第１凹部及び前記第２凹部のうち少なくとも前記第２凹部の内面に、該内面から前記表面に沿って延びる突起が、前記ヒートシンクの表面及び裏面との間に段差を有して形成され、前記ヒートシンクの表面と同じ方向に面する前記突起の上端面側に、前記内面から前記表面に沿って窪む窪み部を形成することで、前記上端面の面積が前記ヒートシンクの裏面と同じ方向に面する前記突起の下端面よりも広く形成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、外方に露出するヒートシンクの裏面との間に段差を有するようにヒートシンクの側面に突起を形成することで、ヒートシンクの裏面と同じ方向に面する突起の下端面側にモールド樹脂が充填されることになる。すなわち、突起は、モールド樹脂に対してヒートシンクがその裏面側に抜けないように、モールド樹脂と係合することになる。したがって、ヒートシンクとモールド樹脂との密着性を高めて、ヒートシンクがモールド樹脂から剥離することを防止できる。

また、ヒートシンクの表面との間にも段差を有するように突起を形成することにより、突起の下端面側においてモールド樹脂内、あるいは、ヒートシンクとモールド樹脂との間にボイドが生じることも防止できる。すなわち、この種の半導体装置において半導体チップ及びヒートシンクをモールド樹脂により封止する際には、ヒートシンク表面の上方から樹脂を流し込むが、ヒートシンクの表面と突起との段差によって突起の突出方向に向かう樹脂の流れが緩められるため、樹脂を突起の下端面側に回し込みやすくすることができ、結果として、ボイドの発生を防止することが可能となる。
また、突起の上端面側に窪み部を形成して、突起の上端面の面積を下端面よりも広く形成しているため、上端面に向かう樹脂の流れを特に効果的に緩めることができる。

そして、前記半導体装置においては、前記突起を前記ヒートシンクの側面の長手方向に分割して形成してもよい。
この場合には、相互に隣り合う突起の間に隙間が形成されるため、モールド樹脂で封止する際には、ヒートシンクの上方から流れてくる樹脂が、この隙間を通じて簡単に各突起の下端面側に回り込むことができる。したがって、突起の下端面側に樹脂のボイドが発生することを確実に防止することが可能となる。
さらに、突起をヒートシンクの側面の長手方向に分割して形成した場合には、相互に隣り合う突起の隙間にモールド樹脂が充填されるため、モールド樹脂と複数の突起とが長手方向に噛み合うことになる。したがって、ヒートシンクが長手方向に移動してモールド樹脂から剥離することも防止できる。

また、前記半導体装置においては、前記直交方向に面する前記第１凹部の内側面が、前記第２凹部の一方の内側面と同一平面をなすように連ねて形成され、前記突起が、前記第１凹部及び前記第２凹部の内側面にわたって一体に形成されてもよい。

本発明によれば、ヒートシンクにその側面から延びる突起を形成し、この突起とヒートシンクの表面及び裏面との間に段差を形成することで、ヒートシンクの剥離を防止することができ、さらに、モールド樹脂中にボイドが発生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１，２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２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１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に沿う幅方向（一方向、図１，２におけるＸ軸方向）の寸法の方がこれに直交する長手方向（直交方向、図１，２におけるＹ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一対の第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）に沿う各第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一対の第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（側面）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１，２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（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。

また、厚さ方向（Ｚ軸方向）に延びるヒートシンク３の側面のうち、モールド樹脂９によって覆われる部分には、当該側面からヒートシンク３の表面３ａに沿って延びる突起３７，３８が、ヒートシンク３の表面３ａ及び裏面３ｂとの間に段差を有するように形成されている。
具体的には、ヒートシンク３の側面をなす第１凹部３５の底面３５ａには第１突起３７が形成されている。そして、各底面３５ａに形成される第１突起３７は、複数（図２においては各底面３５ａに２つずつ、図２全体では合計４つ）に分割して形成されており、ヒートシンク３の表面３ａに沿う底面３５ａの長手方向に配列されている。これによって、相互に隣り合う底面３５ａの突起３７の間に隙間が形成されている。
また、ヒートシンク３の側面をなす第１凹部３５及び第２凹部３６の内側面３５ｂ，３６ｂには、第２突起３８が形成されている。この第２突起３８は、これら２つの内側面３５ｂ，３６ｂにわたって一体に形成されている。

上述した位置に形成されている突起３７，３８は、図３に示すように、第１凹部３５や第２凹部３６（以下、各凹部３５，３６とも呼ぶ。）の底面３５ａや内側面３５ｂ，３６ｂから表面３ａに沿って延びている、すなわち、底面３５ａや内側面３５ｂ，３６ｂに対して垂直に突出している。
ここで、ヒートシンク３の表面３ａと同じ方向に面する突起３７，３８の上端面３７ａ，３８ａ側には、各凹部３５，３６の底面３５ａや内側面３５ｂ，３６ｂから（ヒートシンク３の表面３ａに沿って）さらに内側に窪む窪み部３９Ａ，３９Ｂが形成されている。この窪み部３９Ａ，３９Ｂによって、上端面３７ａ，３８ａが底面３５ａや内側面３５ｂ，３６ｂよりも内側に延長され、その結果、突起３７，３８の上端面３７ａ，３８ａの面積がヒートシンク３の裏面３ｂと同じ方向に面する突起３７，３８の下端面３７ｂ，３８ｂよりも広く形成されることになる。
以上のように形成される突起３７，３８の下端面３７ｂ，３８ｂ側には、モールド樹脂９が充填されている。すなわち、突起３７，３８は、モールド樹脂９に対してヒートシンク３がその裏面３ｂ方向に抜けないようにモールド樹脂９と係合することになる。

図１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に形成された第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、後述する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み、モールド樹脂９を形成する。

この際には、ヒートシンク３の表面３ａの上方から樹脂を流し込む。このため、樹脂はヒートシンク３の表面３ａの周縁から裏面３ｂに向かうようにヒートシンク３の厚さ方向に流れることになる。ここで、ヒートシンク３の表面３ａと突起３７，３８との間には段差が形成されているため、樹脂はヒートシンク３の上方から突起３７，３８の上端面３７ａ，３８ａに向けて流れ、この流れは上端面３７ａ，３８ａにおいて堰き止められる。その結果、上端面３７ａ，３８ａにおいて突起３７，３８の突出方向に向かう樹脂の流れが緩められ、突起３７，３８の先端に到達した樹脂は、ヒートシンク３の裏面３ｂ側に向けて緩やかに流れることになる。なお、突起３７，３８の上端面３７ａ，３７ｂの面積は、窪み部３９Ａによって拡大されているため、ヒートシンク３の上方から上端面３７ａ，３７ｂに向かう樹脂の流れを特に効果的に緩めることができる。したがって、突起３７，３８によって樹脂が突起３７，３８の下端面３７ｂ，３８ｂ側に回り込みやすくなる。

また、上述のように樹脂を流し込む際には、ヒートシンクの上方から流れてくる樹脂が、同一の底面３５ａに配列された２つの突起３７の隙間を通じて各突起３７の下端面３７ｂ側に回り込むことができる。
このように樹脂が流れることで、突起３７，３８の下端面３７ｂ，３８ｂ側にはモールド樹脂９が充填され、突起３７，３８が、モールド樹脂９に対してヒートシンク３がその裏面３ｂ方向に抜けないようにモールド樹脂９と係合することになる。
以上のように樹脂を流し込むことでモールド樹脂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、突起３７，３８の下端面３７ｂ，３８ｂ側にモールド樹脂９が充填されることで、モールド樹脂９に対してヒートシンク３がその裏面３ｂ側に抜けることを防止できる。すなわち、ヒートシンク３とモールド樹脂９との密着性を高めて、ヒートシンク３がモールド樹脂９から剥離することを防止できる。
また、ヒートシンク３の表面３ａとの間にも段差を有するように突起３７，３８が形成されると共に、窪み部３９Ａ，３９Ｂによって突起３７，３８の上端面３７ａ，３８ａの面積が下端面３７ｂ，３８ｂよりも広く形成されることで、樹脂を流し込む際に、樹脂が突起３７，３８の下端面３７ｂ，３８ｂ側に回し込みやすくなるため、突起３７，３８の下端面３７ｂ，３８ｂ側においてモールド樹脂９内、あるいは、ヒートシンク３とモールド樹脂９との間にボイドが発生することを防止できる。

また、同一の底面３５ａに形成された突起３７を分割して形成することで、樹脂を流し込む際には、樹脂が相互に隣り合う突起３７の隙間を通じて簡単に各突起３７の下端面３７ｂ側に回り込むことも可能となり、突起３７の下端面３７ｂ側に樹脂のボイドが発生することをより確実に防止できる。
さらに、同一の底面３５ａに形成された突起３７を分割して形成すると、相互に隣り合う突起３７の隙間にもモールド樹脂９が充填されるため、モールド樹脂９と複数の突起３７とがヒートシンク３の長手方向に噛み合うことになる。したがって、ヒートシンク３が長手方向に移動してモールド樹脂９から剥離することも防止できる。

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、窪み部３９Ａ，３９Ｂによって突起３７，３８の上端面３７ａ，３８ａの面積は下端面３７ｂ，３８ｂよりも広く形成されているが、この窪み部は特に形成されなくてもよい。すなわち、突起３７，３８の上端面３７ａ，３８ａの面積は下端面３７ｂ，３８ｂと同等であってもよく、この場合でも、モールド樹脂９中にボイドが発生することを防止できる。

また、ヒートシンク３の突起３７，３８は、第１凹部３５の底面３５ａや相互に連なる第１凹部３５及び第２凹部３６の内側面３５ｂ，３６ｂに形成されるとしたが、少なくとも厚さ方向に延びて形成されるヒートシンク３の側面のうち、モールド樹脂９によって覆われる部分に形成されていればよい。したがって、ヒートシンク３の突起３７，３８は、例えば、第２凹部３６の底面や、一方の内側面３６ｂに対向する第２凹部３６の他方の内側面に形成されてもよい。
さらに、上述したように、突起３７，３８の形成位置が上記実施形態に限定されないことから、ヒートシンク３の平面視形状は、上記実施形態の形状に限らず、任意の形状に形成することができ、例えば第１凹部３５や第２凹部３６の無い単純な矩形状に形成されていてもよい。

また、ヒートシンク３やセラミック基板５の平面視形状は、上記実施形態の形状に限らず、少なくともセラミック基板５の一部がヒートシンク３の表面３ａの周縁から突出する形状に形成されていればよく、任意の形状とすることが可能である。したがって、例えばヒートシンク３の平面視形状を第１凹部３５や第２凹部３６の無い単純な矩形状としたり、セラミック基板５の平面視形状を正方形状としたりしてもよい。

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、セラミック基板５を間に介在させて相互に固定されるとしたが、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。

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示す断面図である。 図１の半導体装置を構成するヒートシンクを示す概略平面図である。 図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
３ｂ 裏面
７ 半導体チップ
９ モールド樹脂
３５ａ 底面（側面）
３５ｂ，３６ｂ 内側面（側面）
３７，３８ 突起
３７ａ，３８ａ 上端面
３７ｂ，３８ｂ 下端面
３９Ａ，３９Ｂ 窪み部

Claims (3)

1. 板状に形成されたヒートシンクと、その表面側に固定される半導体チップと、前記ヒートシンクの裏面が露出するように前記ヒートシンク及び前記半導体チップを封止するモールド樹脂とを備え、
   前記ヒートシンクには、その表面に沿う前記ヒートシンクの一方向の両側部から内側に窪む第１凹部と、前記表面に沿って前記一方向に直交する直交方向に沿う前記第１凹部の両端において、前記一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一対の第２凹部とが形成され、
   厚さ方向に延びる前記ヒートシンクの側面をなす前記第１凹部及び前記第２凹部の内面が、前記モールド樹脂によって覆われ、
   前記第１凹部及び前記第２凹部のうち少なくとも前記第２凹部の内面に、該内面から前記表面に沿って延びる突起が、前記ヒートシンクの表面及び裏面との間に段差を有して形成され、
   前記ヒートシンクの表面と同じ方向に面する前記突起の上端面側に、前記内面から前記表面に沿って窪む窪み部を形成することで、前記上端面の面積が前記ヒートシンクの裏面と同じ方向に面する前記突起の下端面よりも広く形成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記突起が、複数に分割されて前記表面に沿う前記側面の長手方向に配列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。
3. 前記直交方向に面する前記第１凹部の内側面が、前記第２凹部の一方の内側面と同一平面をなすように連ねて形成され、
   前記突起が、前記第１凹部及び前記第２凹部の内側面にわたって一体に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
   

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