JP5263189B2

JP5263189B2 - 半導体パッケージの防水構造

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Publication number: JP5263189B2
Application number: JP2010019364A
Authority: JP
Inventors: 明佐香木村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2030-01-29
Also published as: JP2011159743A

Description

本発明は、パワー素子を内蔵する半導体パッケージの防水構造に関する。

従来から、ヒートシンクの上面に絶縁樹脂層、接着樹脂層を介してリードフレームを配置するとともにその上に半導体素子を搭載し、ヒートシンクの下面を除く全体を樹脂モールドした半導体パッケージが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この半導体パッケージは、ヒートシンクの下面を放熱フィン等の他の部材に接触させた状態で実装され、半導体素子で発生した熱をヒートシンクを介して他の部材に伝達することで冷却される。

特許第３８４６６９９号明細書

ところで、特許文献１に開示された半導体パッケージは、ヒートシンクの下面を放熱フィン等に接触させることで半導体素子の熱を伝達することで冷却しているため、ヒートシンクと放熱フィンとの間に隙間があると、ヒートシンクから放熱フィン等への伝熱が阻害され、十分な冷却性を得られないという問題があった。特に、この隙間に水が浸入すると、腐食の発生を助長してこれらの間の伝熱性がさらに低下するため好ましくない。このため、この半導体パッケージの周囲を他の部材で覆って被水から保護する場合が考えられるが、この場合には冷却性向上のために半導体パッケージ周辺に冷却風を導入することができなくなるため、冷却性改善が難しくなる。また、冷却性向上のためにヒートシンクと放熱フィン等の間に伝熱材を介在させる場合も考えられるが、伝熱材まで水が浸入するとこの伝熱材が削り取られたり、剥がれたりするおそれがあり、良好な冷却性が維持できなくなる。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、露出したヒートシンク表面に水等が浸入することを防止することができ、良好な冷却性を確保することができる半導体パッケージの防水構造を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の半導体パッケージの防水構造は、ヒートシンクとヒートシンクの一方の面に搭載された半導体素子とを有して半導体素子が搭載された面を少なくとも含んで樹脂モールドされた半導体パッケージと、半導体素子が搭載された面と反対側のヒートシンクの他方の面に伝熱材を介して配置された放熱部材とを備え、放熱部材はヒートシンクに当接する凸部を有し、凸部に半導体パッケージを嵌合させている。具体的には、半導体パッケージは、凸部に対応する凹部を有する。

放熱部材の凸部の先端において放熱部材とヒートシンクとの接触を伝熱材を介して行っているため、これらの間の伝熱性を高め、良好な冷却性を確保することができる。また、凸部の段差部分があるため、伝熱材近傍まで水等の異物が浸入することを防止することができ、伝熱材が削り取られたり、剥離することがなく、良好な冷却性を維持することができる。また、上述したようにして伝熱材近傍への水の浸入を防止することができることから、半導体パッケージを他の部材で覆う場合であっても、この他の部材に形成された吸入窓から冷却風を導入して半導体パッケージを冷却することが可能になり、さらに冷却性を向上させることが可能となる。さらに、放熱部材の凸部に半導体パッケージの凹部を嵌め込んで半導体パッケージの実装を行うことができるため、位置決めがしやすく、組み付け作業が容易となる。

また、上述した凹部は、ヒートシンクに形成されている。放熱部材の凸部の先端面および両側面にヒートシンクを接触させることができるため、ヒートシンクの放熱性をさらに良好にした高い冷却性を確保することが可能となる。

また、上述した凹部を形成するヒートシンクの側面とモールド樹脂の側面とが段差のない面を形成する。半導体パッケージはヒートシンク側面まで樹脂モールドされており、段差のない側面形状を有するため、浸入した水が段差部分で滞留することがなく、さらに高い防水効果を得ることができる。

また、上述したヒートシンクは、放熱部材にネジ固定するためのつば部を有することが望ましい。半導体パッケージをネジ固定することができるため、取り付けおよび取り外しが容易となる。また、半導体パッケージを放熱部材の凸部に嵌め込んだ状態でネジ固定するため、ネジの締め付け方向だけでなくこれと垂直な方向の固定強度を容易に確保することができ、電気接続用に用いられる端子に作用する応力を低減することが可能となる。

一実施形態の半導体パッケージの構成を示す断面図である。ヒートシンク単体の平面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図２のＩＶ−ＩＶ線断面図図である。半導体パッケージの変形例を示す図である。放熱部材変形例を示す図である。半導体パッケージが一部に用いられる車両用発電機の構成を示す図である。整流器モジュールの構成を示す図である。

以下、本発明を適用した一実施形態の半導体パッケージについて、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態の半導体パッケージの構成を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の半導体パッケージ１００は、ヒートシンク１１０、パワー素子（半導体素子）１１２、リードフレーム１１６、１１８、絶縁シート１２４、制御回路１２６、モールド樹脂１３０を含んで構成されている。

ヒートシンク１１０は、熱伝導性が良好な金属板によって構成され、樹脂モールドされた状態で下面が半導体パッケージ１００の外部に露出している。パワー素子１１２は、パワーＭＯＳＦＥＴ等の素子であって、制御回路１２６やその他の素子に比べて発熱量が大きい。パワー素子１１２はリードフレーム１１６上に搭載されており、このリードフレーム１１６は絶縁シート１２４を介してヒートシンク１１０上に搭載されている。パワー素子１１２は、リードフレーム１１６上に半田で接合（半田付け）されている。また、制御回路１２６は、パワー素子１１２と接続され、パワー素子１１２を駆動したり、パワー素子１１２周辺の温度検出を行うとともにその他の各種の処理を行う。この制御回路１２６はリードフレーム１１８上に搭載されており、このリードフレーム１１８は絶縁シート１２４を介してヒートシンク１１０上に搭載されている。制御回路１２６は、リードフレーム１１８上に半田で接合（半田付け）あるいは銀ペーストを用いて接合されている。

絶縁シート１２４は、絶縁性および接着性を有する。この絶縁シート１２４は、熱伝導率が良好（例えば、熱伝導率が７．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上）であって、パワー素子１１２で発生した熱を効率よくヒートシンク１１０に伝えることができる。また、絶縁シート１２４は、少なくとも、リードフレーム１１６、１１８の当接する下面を包含し、かつ、ヒートシンク１１０の上面より小さい。したがって、ヒートシンク１１０の上面の一部は、絶縁シート１２４によって遮蔽されずに絶縁シート１２４の周囲に露出している。

また、ヒートシンク１１０の上面であって絶縁シート１２４によって覆われていない領域（露出した領域）にはパッド１４０、１４２が形成されている。一方のパッド１４０は、パワー素子１１２のグランド端子とボンディングワイヤ１４１を用いて接続されており、他方のパッド１４２は、制御回路１２６のグランド端子とボンディングワイヤ１４３を用いて接続されている。また、パワー素子１１２と制御回路１２６はボンディングワイヤ１４４を用いて接続されている。

ところで、本実施形態のヒートシンク１１０は下面が外部に露出しており、このヒートシンク１１０と外部の放熱部材２００と伝熱材２１０を介して接触している。放熱部材２００は、ヒートシンク１１０の熱を効率よく伝達して放熱するためのものである。例えば、後述するように半導体パッケージ１００を車両用発電機に搭載する場合を考えると、車両用発電機のフレームやこのフレームとは別に設けられた放熱フィンが放熱部材２００に相当する。伝熱材２１０は、伝熱性、導電性に優れるシート部材あるいはペースト状部材が用いられる。伝熱材２１０を間に介在させることにより、放熱部材２００とヒートシンク１１０の間に隙間が生じることを防止することができる。

図１に示すように、放熱部材２００は、ヒートシンク１１０に当接する凸部２００Ａを有する。また、ヒートシンク１１０は、放熱部材２００の凸部２００Ａに対応する凹部１１０Ａを有する。図２は、ヒートシンク１１０単体の平面図である。図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図４は図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。放熱部材２００の凸部２００Ａにヒートシンク１１０の凹部１１０Ａを嵌合させることにより、半導体パッケージ１００の放熱部材２００へ実装が行われる。

放熱部材２００の凸部２００Ａにおいて放熱部材２００とヒートシンク１１０との接触を伝熱材２１０を介して行っているため、これらの間の伝熱性を高め、良好な冷却性を確保することができる。また、凸部２００Ａの段差部分があるため、伝熱材２１０近傍まで水等の異物が浸入することを防止することができ、伝熱材２１０が削り取られたり、剥離することがなく、良好な冷却性を維持することができる。また、上述したようにして伝熱材２１０近傍への水の浸入を防止することができることから、半導体パッケージ１００を他の部材で覆う場合であっても、この他の部材に形成された吸入窓から冷却風を導入して半導体パッケージ１００を冷却することが可能になり、さらに冷却性を向上させることが可能となる。さらに、放熱部材２００の凸部２００Ａにヒートシンク１１０の凹部１１０Ａを嵌め込んで半導体パッケージ１００の実装を行うことができるため、位置決めがしやすく、組み付け作業が容易となる。

また、図１に示すように、凹部１１０Ａを形成するヒートシンク１１０の側面部分１１０Ｂとモールド樹脂１３０の側面部分１３０Ｂとが段差のない面を形成している。このため、半導体パッケージ１００近傍に浸入した水が段差部分で滞留することがなく、さらに高い防水効果を得ることができる。

また、図２等に示すように、ヒートシンク１１０は、放熱部材２００にネジ固定するためのつば部１１０Ｃを有している。このつば部１１０Ｃには１あるいは複数（図２に示す例では２つ）の貫通穴１１０Ｄが形成されており、この貫通穴１１０Ｄにネジを通してヒートシンク１１０（半導体パッケージ１００）を放熱部材２００に締め付け固定する。なお、つば部１１０Ｃは、図２等に示すように全周に渡って形成するのではなく、貫通穴１１０Ｄの近傍のみについて設けるようにしてもよい。半導体パッケージ１００をネジ固定することにより、半導体パッケージ１００の取り付けおよび取り外しが容易となる。また、半導体パッケージ１００を放熱部材２００の凸部２００Ａに嵌め込んだ状態でネジ固定するため、ネジの締め付け方向だけでなくこれと垂直な方向の固定強度を容易に確保することができ、電気接続用に用いられる端子（リードフレーム１１６、１１８の端部（図示せず））に作用する応力を低減することが可能となる。

図５は、半導体パッケージの変形例を示す図である。図５に示す半導体パッケージ３００は、図１に示した半導体パッケージ１００に対して、ヒートシンクとモールド樹脂の形状が異なっている。図５に示す半導体パッケージ３００では、ヒートシンク３１０は凹部３００Ａ（凹部３００Ａの形状自体は図３等に示した凹部１１０Ａと同じである）の底面部分３００Ｃに対応する単純な長方形形状を有しており、この凹部３００Ａの側面部分３００Ｂがモールド樹脂３３０によって形成されている。また、この側面部分３００Ｂには、放熱部材２００にネジ固定するための貫通穴を有するつば部３３０Ｃが設けられている。このつば部３３０Ｃは、モールド樹脂３３０の一部を延長することで形成されているが、ネジ頭部が当接する部分の変形等を防止するために、インサート成形等によってこの当接部分に金属板を配置することが望ましい。

ヒートシンク３１０周辺にモールド樹脂３３０を延長することで凹部３００Ａやつば部３３０Ｃを形成することができるため、凹部３００Ａ等の形成が容易であって、樹脂モールドに用いられる成形型の形状を変更するだけで実施することができる。

ところで、凹部３００Ａの底面部分３００Ｃが地面に対して非平行（例えば垂直）となるように半導体パッケージ３００が配置される場合を考えると、凹部３００Ａの側面部分３００Ｂを形成するモールド樹脂３３０と対向する放熱部材２００に両端部を有し、これら両端部の間に高低差を有する通路２２０を放熱部材２００内部に形成するようにしてもよい。図５では、Ｖ字形状（円弧形状やその他の形状でもよい）の通路２２０が点線で示されている。例えば、通路２２０の右端が地面に対して上方に、左端が下方に配置されるものとすると、通路２２０の右端近傍に浸入した水をこの通路２２０を通して排出することが可能となり、伝熱材２１０近傍に水が浸入することをさらに防止することができる。

図６は、放熱部材２００の変形例を示す図である。図６に示す放熱部材４００は、図５に示した放熱部材２００に対して凸部２００Ａに隣接する位置に凹部４００Ａが追加されている。これらの凸部２００Ａと凹部４００Ａによって形成される凹凸部に、半導体パッケージ３００を嵌合させることにより、半導体パッケージ３００の取り付けが行われる。これにより、伝熱材２００に至るまでの水の浸入路をさらに複雑な形状とすることができ、伝熱材２００に水等の異物が浸入することを確実に防止することができる。なお、図６に示した例では、図５に示した例と比べると、半導体パッケージ３００のつば部３３０Ｃの位置が放熱部材４００に設けられた凹部４００Ａの形状に合わせて若干変更されている。

次に、上述した半導体パッケージ１００、３００の好適な適用例を説明する。図７は、半導体パッケージ１００、３００が一部に用いられる車両用発電機の構成を示す図である。図７に示す車両用発電機１は、２つの固定子巻線２、３、界磁巻線４、２つの整流器モジュール群５、６、発電制御装置７を含んで構成されている。

一方の整流器モジュール群５は、一方の固定子巻線２に接続されており、全体で三相全波整流回路が構成されている。この整流器モジュール群５は、固定子巻線２の相数に対応する数（三相巻線の場合には３個）の整流器モジュール５Ｘ、５Ｙ、５Ｚを備えている。整流器モジュール５Ｘは、固定子巻線２に含まれるＸ相巻線に接続されている。整流器モジュール５Ｙは、固定子巻線２に含まれるＹ相巻線に接続されている。整流器モジュール５Ｚは、固定子巻線２に含まれるＺ相巻線に接続されている。

他方の整流器モジュール群６は、一方の固定子巻線３に接続されており、全体で三相全波整流回路が構成されている。この整流器モジュール群６は、固定子巻線３の相数に対応する数（三相巻線の場合には３個）の整流器モジュール６Ｕ、６Ｖ、６Ｗを備えている。整流器モジュール６Ｕは、固定子巻線３に含まれるＵ相巻線に接続されている。整流器モジュール６Ｖは、固定子巻線３に含まれるＶ相巻線に接続されている。整流器モジュール６Ｗは、固定子巻線３に含まれるＷ相巻線に接続されている。

発電制御装置７は、界磁巻線４に流す励磁電流を制御することにより、車両用発電機１の発電電圧（各整流器モジュールの出力電圧）を制御する。また、発電制御装置７は、通信端子および通信線を介してＥＣＵ８（外部制御装置）と接続されており、ＥＣＵ８との間で双方向のシリアル通信（例えば、ＬＩＮ（Local Interconnect Network）プロトコルを用いたＬＩＮ通信）を行い、通信メッセージを送信あるいは受信する。

車両用発電機１はこのような構成を有しており、この中に含まれる整流器モジュール５Ｘ等のそれぞれが半導体パッケージ１００、３００によって実現される。

図８は、整流器モジュール５Ｘの構成を示す図である。なお、他の整流器モジュール５Ｙ、５Ｚ、６Ｕ、６Ｖ、６Ｗも同じ構成を有している。図８に示すように、整流器モジュール５Ｘは、３つのＭＯＳトランジスタ５０、５１、５２、電流検出素子５３、制御回路５４を備えている。ＭＯＳトランジスタ５０は、ソースが固定子巻線２のＸ相巻線に接続され、ドレインがＭＯＳトランジスタ５２を介してバッテリ９の正極端子に接続されたハイサイド側のスイッチ素子である。ＭＯＳトランジスタ５１は、ドレインがＸ相巻線に接続され、ソースが電流検出素子５３を介してバッテリ９の負極端子（アース）に接続されたローサイド側のスイッチ素子である。

ＭＯＳトランジスタ５２は、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０とバッテリ９の正極端子との間に挿入され、ドレインがＭＯＳトランジスタ５０のドレイン側に接続されたスイッチ素子であり、バッテリ逆接続時およびロードダンプサージ抑止のための保護用に用いられる。ＭＯＳトランジスタ５０、５１のみが備わった構成では、バッテリ９が逆接続されたときに、ＭＯＳトランジスタ５０、５１のボディーダイオードを介して大電流が流れるが、逆接続時にこの保護用のＭＯＳトランジスタ５２をオフすることにより、ＭＯＳトランジスタ５０、５１のボディダイオードを介して流れる電流を阻止することができる。また、車両用発電機１に接続されたバッテリ９が外れた場合に固定子巻線２のＸ相巻線に大きなロードダンプサージが発生するが、このときにＭＯＳトランジスタ５２をオフすることにより、車両用発電機１から電気負荷１０、１２等に大きなサージ電圧が印加されることを阻止することができる。上述したＭＯＳトランジスタ５０、５１、５２が半導体パッケージ１００のパワー素子１１２に対応し、制御回路５４が半導体パッケージ１００、３００の制御回路１２６に対応する。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、整流器モジュール５Ｘ等を半導体パッケージ１００、３００を用いて実現する適用例について説明したが、発電制御装置７にも、界磁巻線４に流れる励磁電流を断続するパワー素子と、その断続タイミング等を制御する制御回路が備わっているため、発電制御装置７を半導体パッケージ１００、３００の構造を用いて実現するようにしてもよい。また、半導体パッケージ１００、３００の適用例は車両用発電機に限定されず、パワー素子を含むものであればその他の装置であってもよい。

また、図５や図６に示す半導体パッケージ３００では、ヒートシンク３１０は凹部３００Ａの底面部分３００Ｃに対応する単純な長方形形状を有していたが、台形形状としてもよい。台形形状にすることにより、半導体パッケージ３００を円周方向に配置しても内径側で隣接する半導体パッケージ３００と干渉することなくかつ隙間を少なく配置することが可能となる。その結果、ヒートシンク３１０を大きくすることが可能となり、冷却性の向上を図ることができる。

上述したように、本発明によれば、放熱部材２００の凸部２００Ａの先端において放熱部材２００とヒートシンク１１０との接触を伝熱材２１０を介して行っているため、これらの間の伝熱性を高め、良好な冷却性を確保することができる。また、凸部２００Ａの段差部分があるため、伝熱材２１０近傍まで水等の異物が浸入することを防止することができ、伝熱材２１０が削り取られたり、剥離することがなく、良好な冷却性を維持することができる。

１００、３００半導体パッケージ
１１０、３１０ヒートシンク
１１０Ａ、３００Ａ、４００Ａ凹部
１１０Ｂ、１３０Ｂ、３００Ｂ側面部分
１１０Ｃ、３３０Ｃつば部
１１０Ｄ貫通穴
１１２パワー素子
１１６、１１８リードフレーム
１２４絶縁シート
１２６制御回路
１３０、３３０モールド樹脂
２００、４００放熱部材
２００Ａ凸部
２１０伝熱材
２２０通路

Claims

ヒートシンクと、前記ヒートシンクの一方の面に搭載された半導体素子とを有し、前記半導体素子が搭載された面を少なくとも含んで樹脂モールドされた半導体パッケージと、
前記半導体素子が搭載された面と反対側の前記ヒートシンクの他方の面に伝熱材を介して配置された放熱部材と、
を備え、前記放熱部材は前記ヒートシンクに当接する凸部を有し、
前記半導体パッケージは、前記凸部に対応するとともに前記ヒートシンクに形成された凹部を有し、
前記凸部に前記半導体パッケージを嵌合させるとともに、
前記凹部を形成する前記ヒートシンクの側面とモールド樹脂の側面とが段差のない面を形成することを特徴とする半導体パッケージの防水構造。
請求項１において、
前記ヒートシンクは、前記放熱部材にネジ固定するためのつば部を有することを特徴とする半導体パッケージの防水構造。