JP5534999B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、ヒートシンクを備えた半導体装置に関するものである。

従来、半導体チップなどが絶縁体でトランスファーモールドされた半導体装置が用いられている。この半導体装置では放熱のためのヒートシンクが備えられている場合がある。この場合、半導体装置のヒートシンクに放熱フィンが取り付けられている場合がある。

半導体装置の一例としてパワーモジュールがある。パワーモジュールでは電力を制御するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）などのパワーチップが搭載されている。パワーモジュールでは、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳなどのパワーチップがトランスファーモールドされたタイプが主流である。

トランスファーモールドタイプのパワーモジュールでは、放熱フィンにヒートシンクを対向させた状態で放熱フィンにヒートシンクがネジで取り付けられている。放熱フィンへのネジ締めの際にネジ、ワッシャ、放熱フィンなどがトランスファーモールドされた絶縁体に接触する。

絶縁体にはネジを取り付けるための取付孔が設けられている。取付孔の周辺の絶縁体にボイドが存在する場合、ネジ締め付け時の締め付けトルクが大きい場合、２回締めが推奨されているが片締め（１回締め）が実施されている場合、通常のネジではなくタッピングネジが使用された場合などにおいて、取付孔の欠け、絶縁体のクラックなどが発生するおそれがある。したがって、取付孔の欠け、絶縁体のクラックなどの発生を抑制するために、締め付け耐量を強すぎないで適度になるように締め付けトルク規格および締め付け方法が制限されている。

締め付けトルク規格および締め付け方法の制限の対策として、たとえば特開平８−１６２５７２号公報（特許文献１）に記載された半導体装置が提案されている。この公報に記載された半導体装置では、絶縁樹脂製のケース枠の四隅においては樹脂肉薄部である取付座部が形成されている。取付座部には一体成形（インサート成形）で通しボルトを通すための金属製筒状カラーが埋め込まれている。このため、通しボルトの締め付け力によって通し孔周辺の取付座部を通しボルトのボルト頭とベース板で挟み付けても金属製筒状カラーが補強しているので取付座部の割れなどが防止され得る。

特開平８−１６２５７２号公報

しかしながら、上記公報に記載された半導体装置では、以下の問題がある。すなわち、金属製筒状カラーがケース枠の絶縁樹脂とは別に用意され、インサート成形されるため、製造工程の増加および複雑化という問題がある。また金属製筒状カラーの部材、製造工程の増加によるコストアップが避けられないという問題がある。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、製造工程を増加させずに簡素な構造の半導体装置を提供することである。

本発明の半導体装置は、ヒートシンクと、ヒートシンク上に配置された半導体チップと、半導体チップを半導体チップの上面を覆うように封止する絶縁体とを備えている。ヒートシンクは、半導体チップの上面よりも上に位置する絶縁体の上面以上の高さに半導体チップが配置された方向に突出する突起部を含んでいる。突起部は、突起部が突出する方向に沿って突起部を貫通する取付孔を有している。突起部は、半導体チップの側に設けられた内側部と、内側部の外側に設けられた外側部とを含んでいる。内側部は、内側部の全面において絶縁体と接触しており、かつ外側部は絶縁体から露出している。

本発明の半導体装置によれば、ヒートシンクの突起部は突起部が突出する方向に沿って突起部を貫通する取付孔を有しているため、ヒートシンクの取付孔にネジ部材などを挿入することができる。そのため、ヒートシンクと別体で金属性筒状カラーを準備する必要がない。したがって、製造工程を増加させずに簡素な構造の半導体装置を提供することができる。

また、ヒートシンクの突起部に取付孔を設けるだけであるので、製造工程の増加および複雑化を避けることができる。またヒートシンクの突起部に取付孔を設けるだけであるので、部材、製造工程の増加によるコストアップを避けることができる。

また取付孔はヒートシンクと一体であるため、従来の金属性筒状カラーが埋め込まれた場合と比較して取付孔の強度が高くなる。そのため、半導体装置の耐クラック性を向上することができる。

本発明の実施の形態１における半導体装置の概略上面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の概略底面図である。 本発明の実施の形態１における放熱フィンを備えた半導体装置の概略斜視図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿う概略断面図である。 比較例の半導体装置の概略上面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う概略断面図である。 比較例の半導体装置の概略底面図である。 放熱フィンを備えた比較例の半導体装置の概略斜視図である。 図９のＸ−Ｘ線に沿う概略断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体装置の概略上面図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う概略断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体装置の概略底面図である。 本発明の実施の形態２における放熱フィンを備えた半導体装置の概略斜視図である。 図１４のＸＶ−ＸＶ線に沿う概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
最初に本発明の実施の形態１の半導体装置について説明する。

本実施の形態では、半導体装置について、パワーモジュールを一例として説明する。
図１および図２を参照して、半導体装置１０は、ヒートシンク１と、半導体チップ２と、絶縁体３と、パワー側端子６と、制御側端子７と、リードフレーム８とを主に有している。

ヒートシンク１は半導体チップ２の熱を放熱するためのものである。ヒートシンク１は熱伝導率の高い材料からなっており、たとえば金属からなっている。半導体チップ２はヒートシンク１上に配置されている。半導体チップ２は、ヒートシンク１と絶縁体３を挟んで配置されたリードフレーム８に取り付けられている。半導体チップ２は、たとえばＩＧＢＴ、パワーＭＯＳなどを搭載したパワーチップである。半導体チップ２は絶縁体３によって封止されている。絶縁体３は、たとえばトランスファーモールドされた樹脂である。

ヒートシンク１は、半導体チップ２が配置された側のヒートシンク１の表面から半導体チップ２が配置された方向（図中矢印Ａ方向）に突出する突起部４を有している。突起部４は半導体チップ２を挟むように半導体チップ２の両側に配置されている。２つの突起部４の各々は、突起部４が突出する方向（図中矢印Ａ方向）に沿って突起部４を貫通する取付孔５を有している。突起部４は、絶縁体３の上面３ａと同程度の高さに設けられている。突起部４は、絶縁体３の上面３ａ以上の高さに突出していてもよい。

突起部４は、半導体チップ２の側（半導体チップ２に対向する側）に設けられた内側部４ａを有している。突起部４は、内側部４ａの外側（裏面側）に設けられた外側部４ｂを含んでいる。内側部４ａと外側部４ｂとは取付孔５を挟んで対向するように配置されている。内側部４ａは、内側部４ａの全面において絶縁体３と接触している。外側部４ｂは、絶縁体３と接触しておらず絶縁体３から露出している。

絶縁体３の一方面から複数のパワー側端子６が突出している。絶縁体３の一方面と対向する他方面から複数の制御側端子７が突出している。複数のパワー側端子６および複数の制御側端子７はそれぞれ半導体チップ２と電気的に接続されている。

図２および図３を参照して、ヒートシンク１は、半導体チップ２が配置された側の面１ａと反対の側の面１ｂが絶縁体３から露出している。ヒートシンク１の反対の側の面１ｂは、半導体装置１０の長手方向において一端から他端まで連続して露出している。なお、ヒートシンク１の反対の側の面１ｂは、半導体装置１０の長手方向において一端から他端まで連続して設けられていなくてもよい。

次に、放熱フィンがヒートシンクに取り付けられた半導体装置について説明する。
図４および図５を参照して、半導体装置１０は、放熱フィン１１と、ネジ部材１２とを有している。放熱フィン１１は、半導体装置１０の半導体チップ２から発生する熱を放熱するためのものである。放熱フィン１１は熱伝導率の高い材料からなっており、たとえば金属からなっている。放熱フィン１１には表面積を増やすための凹凸が設けられている。

ネジ部材１２は、放熱フィン１１をヒートシンク１に取り付けるためのものである。ネジ部材１２は、ネジ１３と、ワッシャ１４とを有している。ネジ部材１２は、熱伝導率の高い材料からなっており、たとえば金属からなっている。

ヒートシンク１は放熱フィン１１の凹凸が設けられていない側の面と対向するように配置されている。取付孔５にネジ部材１２が挿入された状態で、ネジ部材１２が放熱フィン１１のネジ孔１５にネジ締めされることにより放熱フィン１１にヒートシンク１が取り付けられている。この状態において、ネジ部材１２のネジ１３およびワッシャ１４はヒートシンク１の突起部４上に配置されている。つまり、ネジ部材１２は、絶縁体３には接触していない。

次に、本実施の形態の作用効果について比較例と比較して説明する。
図６および図７を参照して、比較例の半導体装置１０では、取付孔５が絶縁体３に設けられている。図７および図８を参照して、ヒートシンク１は、取付孔５を避けるように設けられている。

図９および図１０を参照して、放熱フィン１１にヒートシンク１がネジ締めされた状態において、ネジ部材１２は絶縁体３上に配置されている。より具体的にはワッシャ１４が絶縁体３に接触した状態でネジ１３によってネジ締めされている。そのため、ネジ締め付けの際にネジ部材１２に加えられた力によって取付孔５の欠け、絶縁体３のクラックが発生するおそれがある。

それに対して、本実施の形態の半導体装置１０では、ヒートシンク１の突起部４は突起部４が突出する方向に沿って突起部４を貫通する取付孔５を有しているため、ヒートシンク１の取付孔５にネジ部材１２などが挿入された状態で突起部４において放熱フィン１１がネジ止めされる。この際、締め付けトルクはヒートシンク１にかかる。ヒートシンク１は絶縁体３より締め付けトルクに対する強度が高いため、締め付けトルクがの絶縁体３にかかる場合と比較して半導体装置１０の耐クラック性が向上する。

そして、本実施の形態の半導体装置１０によれば、ヒートシンク１の突起部４は突起部４が突出する方向に沿って突起部４を貫通する取付孔５を有しているため、ヒートシンク１の取付孔５にネジ部材１２などを挿入することができる。そのため、ヒートシンク１と別体で金属性筒状カラーを準備する必要がない。したがって、製造工程を増加させずに簡素な構造の半導体装置１０を提供することができる。

また、ヒートシンク１の突起部４に取付孔５を設けるだけであるので、製造工程の増加および複雑化を避けることができる。またヒートシンク１の突起部４に取付孔５を設けるだけであるので、部材、製造工程の増加によるコストアップを避けることができる。

また、取付孔５はヒートシンク１と一体であるため従来の金属性筒状カラーが埋め込まれた場合と比較して取付孔５の強度が高くなる。そのため、半導体装置１０の耐クラック性を向上することができる。

したがって、部材、製造工程を大幅に増加させることなく、簡素な構造で締め付けトルクに対する半導体装置１０の耐クラック性を向上することができる。

また、ヒートシンク１は半導体チップ２が配置された方向に突出する突起部４を含んでいるため、半導体装置１０を上面からみた面積を大きくすることなく、ヒートシンク１の体積を大きくすることができる。このため、突起部４が設けられていない場合と比較して、半導体装置１０を上面からみたサイズを大きくすることなく、ヒートシンク１の放熱量を大きくすることができる。

また、ヒートシンク１の突起部４の上面が絶縁体３から露出しているため、突起部４の上面で放熱することができる。このため、突起部４の上面が絶縁体３で覆われている場合と比較してヒートシンク１の放熱量を大きくすることができる。

本実施の形態の半導体装置１０では、突起部４は、絶縁体３の上面３ａ以上の高さに突出していてもよい。これにより、ネジ部材が絶縁体３の上面以上の高さで取り付けられる。そのため、ネジ締めの際、絶縁体３でネジ締めが妨げられないため、容易にネジ締めすることができる。

本実施の形態の半導体装置１０では、突起部４は、半導体チップ２の側に設けられた内側部４ａと、内側部４ａの外側に設けられた外側部４ｂとを含み、内側部４ａは絶縁体３と接触しており、かつ外側部４ｂは絶縁体３から露出していてもよい。内側部４ａが絶縁体３と接触することにより、ヒートシンク１が絶縁体３にしっかりと取り付けられる。また、外側部４ｂが絶縁体３から露出しているため、外側部４ｂで放熱することができる。したがって、絶縁体３にしっかりと取り付けられた状態でヒートシンク１の放熱量を大きくすることができる。

本実施の形態の半導体装置１０では、ヒートシンク１は、半導体チップ２が配置された側の面１ａと反対の側の面１ｂが絶縁体３から露出していてもよい。反対の側の面１ｂが絶縁体３から露出しているため、反対の側の面１ｂで放熱することができる。このため、反対の側の面１ｂが絶縁体３で覆われている場合と比較してヒートシンク１の放熱量を大きくすることができる。

本実施の形態の半導体装置１０では、放熱フィン１１と、放熱フィン１１をヒートシンク１に取り付けるためのネジ部材１２とをさらに備え、取付孔５にネジ部材１２が挿入された状態で、ネジ部材１２がネジ締めされることにより放熱フィン１１にヒートシンク１が取り付けられていてもよい。

ヒートシンク１の取付孔５にネジ部材１２が挿入された状態でネジ部材１２がネジ締めされるため、ヒートシンク１と別体で金属性筒状カラーを準備する必要がない。したがって、製造工程を増加させずに簡素な構造の半導体装置１０を提供することができる。

（実施の形態２）
本実施の発明の実施の形態２の半導体装置は、実施の形態１の半導体と比較して、取付孔の形状が主に異なっている。

図１１および図１２を参照して、ヒートシンク１の突起部４を上から見て、取付孔５は長孔状で片側が開口するように設けられている。なお、ヒートシンク１の突起部４を上から見て、取付孔５は、半円状で片側が開口するように設けられていてもよい。

取付孔５は、突起部４が突出する方向の長さ全体でヒートシンク１の外縁の一部を開口するように設けられている。つまり、取付孔５は、突起部４の外側部４ｂまで連続的に設けられている。突起部４の外側部４ｂにおいて開口部５ａが設けられている。

図１２および図１３を参照して、取付孔５は突起部４が突出する方向の長さ全体で同様の径に形成されている。半導体装置１０の上面側および底面側において、開口部５ａから取付孔５までの距離は同様である。

図１４および図１５を参照して、開口部５ａはネジ部材１２のネジ１３を挿通可能に設けられている。開口部５ａから取付孔５にネジ部材１２のネジ１３が挿通されるため、取付孔５にネジ部材１２が容易に挿入される。なお、半導体装置１０の上面側および底面側において、開口部５ａから取付孔５までの距離が同様であるため、開口部５ａからネジ１３が挿入されてもネジ１３は取付孔５に沿って配置される。そのため、ネジ１３は取付孔５に対して傾かずにネジ締めされる。

また、開口部５ａから放熱フィン１１のネジ孔１５が視認される。そのため、ネジ孔１５にネジ部材１２のネジ１３が容易に位置決めされる。したがって、ネジ孔１５にネジ１３が容易にネジ締めされる。

なお、本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態１と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態の半導体装置１０によれば、取付孔５は、突起部４が突出する方向の長さ全体でヒートシンク１の外縁の一部を開口するように設けられているため、取付孔５に開口からネジ部材１２を容易に挿入することができる。これにより、取付孔５にネジ部材１２を挿入する際の作業性を向上することができる。

また開口から放熱フィン１１のネジ孔１５を視認しながら、ネジ孔１５にネジ部材１２のネジ１３を位置合わせすることができる。そのため、ネジ孔１５にネジ１３を容易にネジ締めすることができる。これにより、放熱フィン１１にヒートシンク１を取り付ける際の作業性を向上することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ヒートシンク、１ａ 半導体チップが配置された側の面、１ｂ 反対の側の面、２ 半導体チップ、３ 絶縁体、３ａ 上面、４ 突起部、４ａ 内側部、４ｂ 外側部、５ 取付孔、５ａ 開口部、６ パワー側端子、７ 制御側端子、８ リードフレーム、１０ 半導体装置、１１ 放熱フィン、１２ ネジ部材、１３ ネジ、１４ ワッシャ、１５ ネジ孔。

Claims (4)

1. ヒートシンクと、
   前記ヒートシンク上に配置された半導体チップと、
   前記半導体チップを前記半導体チップの上面を覆うように封止する絶縁体とを備え、
   前記ヒートシンクは、前記半導体チップの前記上面よりも上に位置する前記絶縁体の上面以上の高さに前記半導体チップが配置された方向に突出する突起部を含み、
   前記突起部は、前記突起部が突出する方向に沿って前記突起部を貫通する取付孔を有し、
   前記突起部は、
   前記半導体チップの側に設けられた内側部と、
   前記内側部の外側に設けられた外側部とを含み、
   前記内側部は、前記内側部の全面において前記絶縁体と接触しており、かつ前記外側部は前記絶縁体から露出している、半導体装置。
2. 前記ヒートシンクは、前記半導体チップが配置された側の面と反対の側の面が前記絶縁体から露出している、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記取付孔は、前記突起部が突出する方向の長さ全体で前記ヒートシンクの外縁の一部を開口するように設けられている、請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 放熱フィンと、
   前記放熱フィンを前記ヒートシンクに取り付けるためのネジ部材とをさらに備え、
   前記取付孔に前記ネジ部材が挿入された状態で、前記ネジ部材がネジ締めされることにより前記放熱フィンに前記ヒートシンクが取り付けられている、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。

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