JP5511621B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、パワーモジュール型の半導体装置の構造に関する。
従来のパワーモジュール型の半導体装置は、パワー素子が備えられる半導体パッケージ部と、パワー素子から発生する熱を放熱する為に備えられる放熱フィンとが別々に備えられていた。
この半導体パッケージ部、放熱フィンのそれぞれを密着・接合する為に、例えば特許文献１では、両者間にグリス等を塗布していた。また、半導体パッケージ部に締付け用の穴を設け、放熱フィンと密着・接合していた。
特開２００８−４２０３９号公報
上記のような構成の半導体装置であっても、半導体パッケージ部と放熱フィンとの間の密着性を十分に高いものとすることはできず、結果として放熱性を十分に得ることが困難であった。
本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、半導体パッケージ部と放熱フィンとの間の密着性を十分に高め、放熱性を高めることができる半導体装置を提供する事を目的とする。
本発明にかかる半導体装置は、放熱フィンと、前記放熱フィン上面の一部を露呈して当該上面に接合された絶縁シートと、前記絶縁シート上に配置されたヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダ上に配置されたパワー素子と、前記放熱フィン上面の前記一部を含む所定の面と、前記絶縁シートと、前記ヒートスプレッダと、前記パワー素子とを覆って形成されたトランスファーモールド樹脂とを備え、前記放熱フィン上面は、前記絶縁シートの端部を拘束すべく形成された、凸形状および凹形状のうちの少なくとも一方を有する。
本発明にかかる半導体装置によれば、放熱フィンと、前記放熱フィン上面の一部を露呈して当該上面に接合された絶縁シートと、前記絶縁シート上に配置されたヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダ上に配置されたパワー素子と、前記放熱フィン上面の前記一部を含む所定の面と、前記絶縁シートと、前記ヒートスプレッダと、前記パワー素子とを覆って形成されたトランスファーモールド樹脂とを備え、前記放熱フィン上面は、前記絶縁シートの端部を拘束すべく形成された、凸形状および凹形状のうちの少なくとも一方を有することにより、半導体パッケージ部と放熱フィンとの間の密着性を高め、放熱性を高めることができる。
実施の形態１にかかる半導体装置の断面図である。 実施の形態１にかかる半導体装置の断面図である。 実施の形態１にかかる半導体装置の部分断面図である。 実施の形態１にかかる半導体装置の断面図である。 実施の形態１にかかる半導体装置の部分断面図である。 実施の形態２にかかる半導体装置の部分形状を示す図である。 前提技術にかかる半導体装置の断面図である。 前提技術にかかる半導体装置の断面図である。 前提技術にかかる半導体装置の断面図である。
本発明の前提技術としての第１の半導体装置の断面図を、図７に示す。
この半導体装置では、パワー素子１がヒートスプレッダ２上に複数備えられ、それぞれアルミワイヤ３を介して信号端子７、主端子１２に接続されている。ヒートスプレッダ２は、絶縁シート４上に配置され、さらに絶縁シート４は、グリス５を介して放熱フィン６と接合されている。
パワー素子１、ヒートスプレッダ２、アルミワイヤ３、絶縁シート４、グリス５は、トランスファーモールド樹脂８（エポキシ樹脂）に覆われる。さらに、トランスファーモールド樹脂８に設けられたネジ穴、板バネ１１を介して、ネジ９がトランスファーモールド樹脂８を貫通して放熱フィン６に達し、トランスファーモールド樹脂８で覆われた半導体パッケージ部と、放熱フィン６とを密着させている。
上記の構造に示されるように、半導体パッケージ部と放熱フィン６との接合には、グリス５およびネジ９が使用される。また、接合面には高い平面度が要求される。
また、本発明の前提技術としての第２の半導体装置の断面図を、図８に示す。
図７に示す半導体装置の構造と異なるのは、絶縁シート４と放熱フィン６との接続面にグリス５を備えていないこと、また、トランスファーモールド樹脂８と放熱フィン６とが直接接合される領域が存在することである。なお、放熱フィン６としては、図７に示す場合と同様に、比較的安価な空冷式の放熱フィンを用いている。
グリス５を用いず接合することで部材を削減し、グリスにおけるボイド発生のリスクをなくし、またグリス５を塗布する工程を省略でき、装置の小型化、コストダウンが可能となる。また、トランスファーモールド樹脂８と放熱フィン６とを圧接等によって、一体的に形成することができる。さらに、熱抵抗の低い、高温動作可能な半導体装置を得ることができる。
また、本発明の前提技術としての第３の半導体装置の断面図を、図９に示す。
図８に示す半導体装置の構造と異なるのは、放熱フィン１０が水冷式の放熱フィンとなっていることである。
水冷式の放熱フィン１０を用いることで、装置の小型化が可能となる。なお、空冷式か水冷式かは、半導体装置の用途等によって適宜変更可能である。
上記のような構成の半導体装置であっても、半導体パッケージ部（パワー素子１と、パワー素子１に接合等されたヒートスプレッダ２、絶縁シート４等）と放熱フィンとの間の密着性を十分に高いものとすることはできず、結果として放熱性を十分に得ることが困難であった。
以下の実施の形態は、簡易な方法で半導体パッケージ部と放熱フィンとの間の密着性を高め、放熱性を十分に高めることができる半導体装置を示すものである。
＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．構成＞
図１に示すのは、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の断面図である。図１に示すように半導体装置は、パワー素子１がヒートスプレッダ２上に備えられ、それぞれアルミワイヤ３を介して信号端子７、主端子１２に接続されている。パワー素子１は、以下の実施の形態でも同様に、例えばワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣを用いることが可能である。ヒートスプレッダ２は、絶縁シート４上に配置され、さらに絶縁シート４は、放熱フィン１３と直接接合されている。絶縁シート４は、放熱フィン１３上面の一部を露呈してその上面に接合される。
放熱フィン１３上面の一部を含む所定の面、パワー素子１、ヒートスプレッダ２、アルミワイヤ３、絶縁シート４は、トランスファーモールド樹脂８（エポキシ樹脂）に覆われる。
放熱フィン１３上面は、絶縁シート４端部を拘束すべく、囲むように形成された凸形状を有している。
このように、放熱フィン１３上面に凸形状を有することで、絶縁シート４を仮固定することが可能となり、放熱フィン１３とトランスファーモールド樹脂８との位置決めの精度を向上させることができる。従って、絶縁シート４周囲で正確に放熱フィン１３とトランスファーモールド樹脂８を接合・固定させることができる。よって、半導体パッケージ部と放熱フィンとの間の密着性を高め、放熱性を高めることができる。
図２に示すのは、本発明にかかる半導体装置の断面図である。図１に示す場合と異なるのは、放熱フィン１４の絶縁シート４と直接接合する表面が凹形状となっており、絶縁シート４がその凹形状内に埋まった状態となっていることである。
このように絶縁シート４を埋める凹形状を有することで、絶縁シート４を仮固定することが可能となり、放熱フィン１４とトランスファーモールド樹脂８との位置決めの精度を向上させることができる。従って、絶縁シート４周囲で正確に放熱フィン１４とトランスファーモールド樹脂８を接合・固定させることができる。よって、半導体パッケージ部と放熱フィンとの間の密着性を高め、放熱性を高めることができる。
なお、図２に示す放熱フィン１４に、図１に示す凸形状がさらに備えられる場合であってもよい。
図３に示すのは、本発明にかかる半導体装置の部分断面図である。図２に示す場合と異なるのは、放熱フィン１５の絶縁シート４と直接接合する表面（上面）が凹形状となっており、さらに、トランスファーモールド樹脂８と接合する内側面が凹凸形状となっていることである。ここで当該構造が、放熱フィン１５上面において凸形状が形成されている場合であってもよい。
このようにトランスファーモールド樹脂８と接合する放熱フィン１５の内側面が凹凸形状となっていることで、放熱フィン１５とトランスファーモールド樹脂８との密着性を高め、放熱性を高めることができる。
図４に示すのは、本発明にかかる半導体装置の断面図である。図２に示す場合と異なるのは、放熱フィン１６のトランスファーモールド樹脂８と接合する外側面が凸形状となっており、さらに、放熱フィン１６の側面をトランスファーモールド樹脂８で覆っていることである。すなわち、トランスファーモールド樹脂８の幅が放熱フィン１６の幅より大きく、放熱フィン１６の両側面を覆うような構造となっている。ここで当該構造が、放熱フィン１６上面において凸形状が形成されている場合、または凹凸形状が形成されている場合であってもよい。
このようにトランスファーモールド樹脂８の幅が放熱フィン１６の幅より大きくすることで、沿面距離・空間距離（絶縁距離）の確保が容易となると共に、トランスファーモールド樹脂８と放熱フィン１６との接合を確実なものとし、高信頼性・高寿命の半導体装置を得る事が可能となる。
なお、図４に示す構造において、さらに図３に示す放熱フィン１５のように内側面に凹凸形状等が形成される場合であってもよい。
図５に示すのは、本発明にかかる半導体装置の部分断面図である。図１に示す場合と異なるのは、放熱フィン１７のトランスファーモールド樹脂８と接合する表面に穴が形成され、この穴にトランスファーモールド樹脂８を注入して両者が接合されることである。
このようにトランスファーモールド樹脂８と接合する表面に穴を形成し、両者を接合させることで、放熱フィン１７とトランスファーモールド樹脂８との密着性を高め、放熱性を高めることができる。なお、放熱フィンの側面に凹凸形状を形成するか、上面に凹凸形状を形成するかは、適宜選択可能である。
また、図５においては、放熱フィン１７は水冷式のものが示されているが、空冷式であってもよい。
＜Ａ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態１によれば、半導体装置において、放熱フィン１３、放熱フィン１４と、放熱フィン１３、放熱フィン１４上面の一部を露呈して当該上面に接合された絶縁シート４と、絶縁シート４上に配置されたヒートスプレッダ２と、ヒートスプレッダ２上に配置されたパワー素子１と、放熱フィン１３、放熱フィン１４上面の一部を含む所定の面と、絶縁シート４と、ヒートスプレッダ２と、パワー素子１とを覆って形成されたトランスファーモールド樹脂８とを備え、放熱フィン１３、放熱フィン１４上面は、絶縁シート４の端部を拘束すべく形成された凸形状および／又は凹形状を有することで、絶縁シート４を仮固定することが可能となり、放熱フィン１３とトランスファーモールド樹脂８との位置決め、固定の精度を向上させることができる。よって、半導体パッケージ部と放熱フィンとの間の密着性を高め、放熱性を高めることができる。
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、半導体装置において、放熱フィン１５、放熱フィン１６は、トランスファーモールド樹脂８に覆われる内および／又は外側面を有し、当該側面において、凸形状および／又は凹形状を有することで、放熱フィンとトランスファーモールド樹脂８との位置決め、固定の精度をアンカー効果で向上させることができる。よって、半導体パッケージ部と放熱フィンとの間の密着性を高め、放熱性を高めることができる。また、信頼性を向上させ、装置寿命を向上させることができる。
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、半導体装置において、放熱フィン１７は、水冷式の放熱フィンであることで、装置の小型化、薄型化が可能となる。
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、半導体装置において、トランスファーモールド樹脂８は、放熱フィン１６よりも大きい幅を有することにより放熱フィン１６の両側面を覆うことで、主端子１２から放熱フィン１６までの沿面距離・空間距離（絶縁距離）の確保が容易となると共に、トランスファーモールド樹脂８と放熱フィン１６との接合を確実なものとし、高信頼性・高寿命の半導体装置を得る事が可能となる。
＜Ｂ．実施の形態２＞
＜Ｂ−１．構成＞
図６に示すのは、本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の部分断面図である。図６に部分的に示すように半導体装置は、第１フィンとしての放熱フィン１８を備え、さらに放熱フィン１８にかしめ形状により固定され追加された、第２フィンとしての放熱フィン１９を備えた構造となっている。他の構成については実施の形態１に示すものと同様であるので、詳細な説明を省略する。
ここで、放熱フィン１８は例えば空冷式であって、図６に示すような、かしめ形状のフィンを有している。よって、放熱機能を増大させるためにさらに放熱フィンを追加する必要が生じた場合にも、かしめ形状に嵌め込むことで容易に放熱フィン１９を接合し、放熱機能の実現が可能である。
＜Ｂ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態２によれば、半導体装置において、放熱フィンは、第１フィンとしての放熱フィン１８と、放熱フィン１８にかしめ形状により固定された第２フィンとしての放熱フィン１９とを備えることで、放熱機能を増大させるためにさらに放熱フィンを追加する必要が生じた場合にも、かしめ形状に嵌め込むことで容易に放熱フィン１９を接合し、放熱機能の実現が可能である。
本半導体装置はモールド装置の金型で装置外形が制約されるものである。よって、さらなる高放熱化の市場要求があっても、市場要求を満足する熱特性のよい半導体装置を得るためには装置外形を変更することは困難である。そのような場合、本発明のような構造であれば、さらなる高放熱化も容易に実現しうる。
本発明の実施の形態では、各構成要素の材質、材料、実施の条件等についても記載しているが、これらは例示であって記載したものに限られるものではない。
１ パワー素子、２ ヒートスプレッダ、３ アルミワイヤ、４ 絶縁シート、５ グリス、６，１０，１３〜１９ 放熱フィン、７ 信号端子、８ トランスファーモールド樹脂、９ ネジ、１１ 板バネ、１２ 主端子。

Claims (5)

  1. 放熱フィンと、
    前記放熱フィン上面の一部を露呈して当該上面に接合された絶縁シートと、
    前記絶縁シート上に配置されたヒートスプレッダと、
    前記ヒートスプレッダ上に配置されたパワー素子と、
    前記放熱フィン上面の前記一部を含む所定の面と、前記絶縁シートと、前記ヒートスプレッダと、前記パワー素子とを覆って形成されたトランスファーモールド樹脂とを備え、
    前記放熱フィン上面は、前記絶縁シートの端部を拘束すべく形成された、凸形状および凹形状のうちの少なくとも一方を有する、
    半導体装置。
  2. 前記放熱フィンは、前記トランスファーモールド樹脂に覆われる内側面および外側面のうちの少なくとも一方を有し、当該側面において、凸形状および凹形状のうちの少なくとも一方を有する、
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記パワー素子は、ワイドバンドギャップ半導体を用いた素子である、
    請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記放熱フィンは、第１フィンと、前記第１フィンにかしめ形状により固定された第２フィンとを備える、
    請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記トランスファーモールド樹脂は、前記放熱フィンよりも大きい幅を有することにより前記放熱フィンの両側面を覆う、
    請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
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