JP5413261B2

JP5413261B2 - 半導体パッケージの防水構造

Info

Publication number: JP5413261B2
Application number: JP2010057845A
Authority: JP
Inventors: 明佐香木村; 誉敏猪口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-03-15
Also published as: JP2011192806A

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、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、ヒートシンクとの接合面を覆う壁部を有している。

放熱部材とヒートシンクの間の接合面が壁部によって覆われているため、接合面に配置された伝熱材に直接水がかかることを防止することができ、埃やゴミが付着することもなく、良好な冷却性を確保することができる。また、放熱部材の形状を工夫することで防水構造を実現しているため、部品点数の増加を防止して、コスト増加を抑えることができる。

また、上述した放熱部材は、側面が壁部となる凹部を有する。放熱部材の凹部に半導体パッケージを埋め込むことができるため、組み付け後の半導体パッケージの高さを低くすることができる。また、放熱部材とヒートシンクの間の接合面の周囲全体が凹部の側面によって覆われるため、より高い防水効果を得ることができる。

また、上述した半導体パッケージは１組以上の対向する辺のそれぞれに固定用端子を有し、固定用端子を用いて、放熱部材に半導体パッケージをネジ固定する固定部を有する。半導体パッケージをネジ固定することにより、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る。また、ネジ固定を採用することにより、半導体パッケージが故障したときに取り外しが容易となる。さらに、ネジ固定によって強固な固定を行うことにより、ヒートシンクと放熱部材とをより強く密着させることができ、接合面の防水性をさらに高めることができる。

また、上述した放熱部材は、固定用端子を内包する段差部を有し、半導体パッケージを放熱部材にネジ固定する際に、段差部を固定用端子のガイドとして用いる。段差部内に固定用端子を収納することが可能となるため、固定用端子の高さを低くして他の部品と干渉することを防止することができる。また、段差部を固定用端子のガイドとして用いて放熱部材に半導体パッケージを取り付けることができるため、取り付けが容易となって組付性を向上させることができる。

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。図１に示す半導体パッケージの平面図である半導体パッケージの変形例を示す図である。図３に示す半導体パッケージの平面図である。放熱部材の変形例を示す図である。図５に示す放熱部材の平面図である。放熱部材の他の変形例を示す図である。図７に示す放熱部材の平面図である。図７に示す放熱部材の部分的な斜視図である。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。また、図２は図１に示す半導体パッケージの平面図である。

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の間に密着性を確保することができる。

図１に示すように、放熱部材２００は、側面が壁部２２０となる凹部２３０を有する。この壁部２２０によって、放熱部材２００とヒートシンク１１０との接合面（伝熱材２１０）が覆われる。また、半導体パッケージ１００は、放熱部材２００の上面に沿って水平に突出する固定用端子１５０を備えている。この固定用端子１５０は、長方形形状を有する半導体パッケージ１００の対向する２つの短辺の中央位置に設けられており、ネジを通すための穴が形成されている。半導体パッケージ１００は、固定用端子１５０の穴にネジを通して締め付けることにより、放熱部材２００にネジ固定される。

このように、本実施形態の半導体パッケージ１００では、放熱部材２００とヒートシンク１１０の間の接合面が壁部２２０によって覆われているため、接合面に配置された伝熱材２１０に直接水がかかることを防止することができ、埃やゴミが付着することもなく、良好な冷却性を確保することができる。また、放熱部材２００の形状を工夫することで防水構造を実現しているため、部品点数の増加を防止して、コスト増加を抑えることができる。

また、放熱部材２００の凹部２３０に半導体パッケージ１００を埋め込むことができるため、組み付け後の半導体パッケージ１００の高さ（放熱部材２００表面に対する高さ）を低くすることができる。また、放熱部材２００とヒートシンク１１０の間の接合面の周囲全体が凹部２３０の側面によって覆われるため、より高い防水効果を得ることができる。

また、固定用端子１５０を用いて放熱部材２００に半導体パッケージ１００をネジ固定することにより、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る。また、ネジ固定を採用することにより、半導体パッケージ１００が故障したときに取り外しが容易となる。さらに、ネジ固定によって強固な固定を行うことにより、ヒートシンク１１０と放熱部材２００とをより強く密着させることができ、接合面の防水性をさらに高めることができる。

図３は、半導体パッケージの変形例を示す図である。図４は、図３に示す半導体パッケージの平面図である。図３および図４に示す半導体パッケージ１００Ａは、図１に示した半導体パッケージ１００に対して、固定用端子１５０を固定用端子１６０に置き換えた点が異なっている。固定用端子１６０は、半導体パッケージ１００Ａの外周を包囲するつば形状を有している。固定用端子１６０の各辺中央位置には穴が設けられており、この穴にネジを通して締め付けることより、放熱部材２００への半導体パッケージ１００Ａのネジ固定が行われる。半導体パッケージ１００Ａの側面と放熱部材２００の壁部２２０との境界部が、このつば形状の固定用端子１６０によって覆われる。これにより、この境界部への水や埃等の侵入を確実に排除することができる。

図５は、放熱部材の変形例を示す図である。図６は、図５に示す放熱部材の平面図である。図５および図６に示す放熱部材２００Ａは、図１および図２に示した放熱部材２００に対して、半導体パッケージ１００の固定用端子１５０を内包する段差部２４０を有する点が異なっている。この段差部２４０は、固定用端子１５０の形状に合わせて、放熱部材２００Ａの壁部２２０Ａの高さを階段状に部分的に低くしたものである。この段差部２４０は、半導体パッケージ１００を放熱部材２００Ａにネジ固定する際に、固定用端子１５０のガイドとして機能する。

段差部２４０内に固定用端子１５０を収納することが可能となるため、固定用端子１５０の高さを低くして他の部品と干渉することを防止することができる。また、段差部２４０を固定用端子１５０のガイドとして用いて放熱部材２００Ａに半導体パッケージ１００を取り付けることができるため、取り付けが容易となって組付性を向上させることができる。

図７は、放熱部材の他の変形例を示す図である。図８は、図７に示す放熱部材の平面図である。図９は、図７に示す放熱部材の部分的な斜視図である。これらの図に示す放熱部材２００Ｂは、図１および図２に示した放熱部材２００に対してリブ２５０を有する点が異なっている。このリブ２５０は、半導体パッケージ１００の側面形状に沿ってその周囲を包囲する壁部である。また、このリブ２５０は、半導体パッケージ１００の側面から突出している固定用端子１５０に対応する位置を切り欠いた形状を有しており、この切り欠き形状部分において、固定用端子１５０を用いたネジ固定が行われる。

リブ２５０によってその内側に凹部を形成しているため、リブ２５０の外側と内側の面の高さを同じにすることができ、しかもその間にリブ２５０が配置されるため、放熱部材２００Ｂの表面を辿って流れ込んでくる水が半導体パッケージ１００と放熱部材２００Ｂの接合面に直接かかることを防止することができる。また、リブ２５０内部に水が侵入した場合であっても、リブ２５０の切り欠き形状部分からリブ内部の水を排出することが可能となる。

次に、上述した半導体パッケージ１００、１００Ａの好適な適用例を説明する。図１０は、半導体パッケージ１００、１００Ａ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１０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、１００Ａによって実現される。

図１１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１１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、１００Ａ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、１１０Ａ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、１００Ａ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、１００Ａ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、上述した実施形態では、長方形形状のヒートシンク１１０を用いたが、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１００等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１００等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１１０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とヒートシンク１１０の間の接合面が壁部２２０によって覆われているため、接合面に配置された伝熱材２１０に直接水がかかることを防止することができ、埃やゴミが付着することもない。また、放熱部材２００の形状を工夫することで防水構造を実現しているため、部品点数の増加を防止して、コスト増加を抑えることができる。

１００、１００Ａ半導体パッケージ
１１０ヒートシンク
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モールド樹脂
１５０、１６０固定用端子
２００、２００Ａ、２００Ｂ放熱部材
２１０伝熱材
２２０壁部
２３０凹部
２４０段差部
２５０リブ

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、側面が前記ヒートシンクとの接合面を覆う壁部となる凹部を有するとともに、前記半導体パッケージは、１組以上の対向する辺のそれぞれに固定用端子を有し、
前記固定用端子を用いて前記放熱部材に前記半導体パッケージをネジ固定する固定部を有し、
前記放熱部材は、前記固定用端子を内包する段差部を有し、
前記半導体パッケージを前記放熱部材にネジ固定する際に、前記段差部を前記固定用端子のガイドとして用いることを特徴とする半導体パッケージの防水構造。