JP5799857B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関するものである。
特許文献１において樹脂モールド用回路基板の製造方法が開示されている。ここで、図９に示すように、樹脂２００で金属板２０１を封止する場合において金属板２０１における封止する面とは逆の面での角部Ａに段差が設けられ、樹脂２００で封止する際に引っかかる構造になっている。
特許第４２２０６４１号公報
ところで、ヒートシンク（冷却器）を含めて樹脂でモールドする場合にはヒートシンクの周囲に樹脂を回りこませると樹脂の量が多くなりコストアップを招いてしまう。逆にヒートシンクの周囲に回りこませないと樹脂の強度が弱くなってしまう。
本発明の目的は、少ない封止樹脂でヒートシンクを強固に接着することができる半導体装置を提供することにある。
請求項１に記載の発明では、半導体素子と、一方の面に前記半導体素子が接合された第１の金属板と、一方の面に前記第１の金属板の他方の面が接合された絶縁板と、一方の面に前記絶縁板の他方の面が接合された第２の金属板と、一方の面に前記第２の金属板の他方の面が接合された応力緩和部材と、一面に前記応力緩和部材の他方の面が接合されたヒートシンクと、前記ヒートシンクにおける前記応力緩和部材の接合面に配され、前記半導体素子と前記第１の金属板と前記絶縁板と前記第２の金属板と前記応力緩和部材とを封止する封止樹脂と、を備えた半導体装置であって、前記応力緩和部材は、前記第２の金属板よりも大きく、かつ、前記応力緩和部材の応力緩和空間には前記封止樹脂が装填されていることを要旨とする。
請求項１に記載の発明によれば、ヒートシンクに接合された応力緩和部材は、第２の金属板よりも大きく、応力緩和部材における応力緩和空間には封止樹脂が装填されている。よって、アンカー効果を持たせることにより、少ない封止樹脂でヒートシンクを強固に接着することができる。
請求項２に記載の発明では、半導体素子と、一方の面に前記半導体素子が接合された金属板と、一方の面に前記金属板の他方の面が接合された絶縁板と、一方の面に前記絶縁板の他方の面が接合された応力緩和部材と、一面に前記応力緩和部材の他方の面が接合されたヒートシンクと、前記ヒートシンクにおける前記応力緩和部材の接合面に配され、前記半導体素子と前記金属板と前記絶縁板と前記応力緩和部材とを封止する封止樹脂と、を備えた半導体装置であって、前記応力緩和部材は、前記絶縁板よりも大きく、かつ、前記応力緩和部材の応力緩和空間には前記封止樹脂が装填されていることを要旨とする。
請求項２に記載の発明によれば、ヒートシンクに接合された応力緩和部材は、絶縁板よりも大きく、応力緩和部材における応力緩和空間には封止樹脂が装填されている。よって、アンカー効果を持たせることにより、少ない封止樹脂でヒートシンクを強固に接着することができる。
請求項３に記載の発明では、半導体素子と、一方の面に前記半導体素子が接合された第１の金属板と、一方の面に前記第１の金属板の他方の面が接合された絶縁板と、一方の面に前記絶縁板の他方の面が接合された第２の金属板と、一方の面に前記第２の金属板の他方の面が接合された応力緩和部材と、一面に前記応力緩和部材の他方の面が接合されたヒートシンクと、前記ヒートシンクにおける前記応力緩和部材の接合面に配され、前記半導体素子と前記第１の金属板と前記絶縁板と前記第２の金属板と前記応力緩和部材とを封止する封止樹脂と、を備えた半導体装置であって、前記ヒートシンクにおける前記応力緩和部材の接合面に第３の金属板が接合されるとともに前記第３の金属板に形成した空間には前記封止樹脂が装填されていることを要旨とする、
請求項３に記載の発明によれば、ヒートシンクに接合された第３の金属板において、第３の金属板に形成した空間には封止樹脂が装填されている。よって、アンカー効果を持たせることにより、少ない封止樹脂でヒートシンクを強固に接着することができる。
請求項４に記載の発明では、半導体素子と、一方の面に前記半導体素子が接合された第１の金属板と、一方の面に前記第１の金属板の他方の面が接合された絶縁板と、一方の面に前記絶縁板の他方の面が接合された応力緩和部材と、一面に前記応力緩和部材の他方の面が接合されたヒートシンクと、前記ヒートシンクにおける前記応力緩和部材の接合面に配され、前記半導体素子と前記第１の金属板と前記絶縁板と前記応力緩和部材とを封止する封止樹脂と、を備えた半導体装置であって、前記ヒートシンクにおける前記応力緩和部材の接合面に第２の金属板が接合されるとともに前記第２の金属板に形成した空間には前記封止樹脂が装填されていることを要旨とする。
請求項４に記載の発明によれば、ヒートシンクに接合された第２の金属板において、第２の金属板に形成した空間には封止樹脂が装填されている。よって、アンカー効果を持たせることにより、少ない封止樹脂でヒートシンクを強固に接着することができる。
本発明によれば、少ない封止樹脂でヒートシンクを強固に接着することができる。
（ａ）は実施形態における半導体装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。 （ａ）は半導体装置の要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。 別例の半導体装置の要部縦断面図。 別例の半導体装置の要部縦断面図。 別例の半導体装置の要部縦断面図。 別例の半導体装置の縦断面図。 別例の半導体装置の縦断面図。 別例の半導体装置の縦断面図。 背景技術を説明するための縦断面図。
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、半導体装置１０は、半導体素子２０と、第１の金属板３０と、絶縁板４０と、第２の金属板５０と、応力緩和部材６０と、ヒートシンク（冷却器）７０と、封止樹脂（モールド樹脂）８０を備えている。絶縁板４０はセラミック基板よりなる。第１の金属板３０は、アルミ板よりなる。第２の金属板５０は、アルミ板よりなる。応力緩和部材６０は、アルミ板よりなる。ヒートシンク７０はアルミよりなり、扁平なる四角箱型をなしている。ヒートシンク７０はその内部に冷媒が流れている。
絶縁板４０の上面（一方の面）には第１の金属板３０が接合されるとともに絶縁板４０の下面（他方の面）には第２の金属板５０が接合されている。第１の金属板３０および第２の金属板５０は配線層となる。
第１の金属板３０の上面には半導体素子２０が接合されている。また、第２の金属板５０の下面には、板状の応力緩和部材６０がろう付けにより接合されている。さらに、応力緩和部材６０の下面にはヒートシンク７０がろう付けにより接合されている。つまり、ヒートシンク７０の上面において板状の応力緩和部材６０がろう付けされ、板状の応力緩和部材６０の上面には第２の金属板５０がろう付けされている。
ヒートシンク７０の上面において、応力緩和部材６０、第２の金属板５０、絶縁板４０、第１の金属板３０および半導体素子２０を封止するように封止樹脂８０が形成されている。封止樹脂８０にはエポキシ樹脂が用いられている。封止樹脂８０はヒートシンク７０の上面にのみ配置されている。よって、ヒートシンク７０の回りに封止樹脂８０を回りこませる場合に比べ、封止樹脂の量は少ない。
図１（ａ）の平面図に示すように、応力緩和部材６０は、ヒートシンク７０に対してろう付けされているが、面積が第２の金属板５０よりも大きくなっている。つまり、第２の金属板５０の外周側に応力緩和部材６０が存在している。
また、図２に示すように、応力緩和部材６０には、応力緩和空間６１が多数形成されている。応力緩和空間６１は、応力緩和部材６０において上下面に貫通する貫通孔であり、断面が円形、かつ、上下方向において同一径で直線的に延びる貫通孔である。
そして、このような応力緩和部材６０により絶縁板（セラミック基板）４０の線膨張係数とアルミ製ヒートシンク７０の線膨張係数との差により生じる応力を緩和することができる。
また、応力緩和部材６０における第２の金属板５０の外周側の部位において、応力緩和空間６１には封止樹脂８０が装填（充填）されている。この応力緩和空間（貫通孔）６１に入り込んだ封止樹脂８０により強いアンカー効果を持たせることができる。
次に、このように構成した半導体装置１０の作用について説明する。
応力緩和部材６０の応力緩和空間６１は、上面が封止樹脂８０側に開口し、下面はヒートシンク７０の上面に開口し、応力緩和空間６１の内部に封止樹脂８０が装填（充填）されている。よって、封止樹脂８０で封止する際、この応力緩和空間６１に入り込んだ封止樹脂８０が硬化すると、強いアンカーとなる。そのため、封止樹脂８０により封止した後の封止樹脂８０とヒートシンク７０の接着信頼性が向上する。
つまり、応力緩和部材６０には応力緩和空間６１が複数あり、かつ、第２の金属板５０よりも大きいので、この応力緩和部材６０が封止樹脂８０で保護したい部分（金属板３０，５０、絶縁板４０の下）に存在する。よって、応力緩和部材６０は、応力を緩和する作用と樹脂接着性を向上する作用がある。
このように、直冷式のヒートシンク７０における半導体素子２０が搭載される上部分を封止樹脂８０で封止する構成において信頼性が確保できる。
また、図９で示したように、段差で引っ掛かる構造とすると、本実施形態のように直冷式ヒートシンクの場合においては、金属板３０の下には絶縁板４０があり、その下には冷媒が流れるヒートシンクがくるため、ヒートシンクの周囲に封止樹脂を回りこませるのはヒートシンクが大きいため、封止樹脂の量が多くなりコストアップを招く。また、形状の制限を受ける。
これに対し、本実施形態では、応力緩和部材６０を第２の金属板５０よりも大きく形成して応力緩和空間６１に封止樹脂８０を装填（充填）することにより、ヒートシンク７０にろう付けされた応力緩和部材６０に対して封止樹脂８０が良好に接着する。よって、応力緩和部材６０は、応力緩和機能を有するとともに封止樹脂の補強機能を有しており、封止樹脂のヒートシンクへの接着強度を向上でき、封止樹脂をヒートシンクの周囲に回りこませる必要がなく封止樹脂の量を少なくできコスト低減を図ることができる。
以上のごとく本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）半導体装置１０の構成として、半導体素子２０と、第１の金属板３０と、絶縁板４０と、第２の金属板５０と、応力緩和部材６０と、ヒートシンク７０と、封止樹脂８０と、を備える。第１の金属板３０の一方の面に半導体素子２０が接合され、絶縁板４０の一方の面に第１の金属板３０の他方の面が接合され、第２の金属板５０の一方の面に絶縁板４０の他方の面が接合されている。応力緩和部材６０の一方の面に第２の金属板５０の他方の面が接合され、ヒートシンク７０の一面に応力緩和部材６０の他方の面が接合されている。封止樹脂８０は、ヒートシンク７０における応力緩和部材６０の接合面に配され、半導体素子２０と第１の金属板３０と絶縁板４０と第２の金属板５０と応力緩和部材６０とを封止している。ここで、応力緩和部材６０は、第２の金属板５０よりも大きく、かつ、応力緩和部材６０の応力緩和空間６１に封止樹脂８０が装填されている。
このようにして、ヒートシンク７０にろう付けにより接合された応力緩和部材６０は、第２の金属板５０よりも大きく、応力緩和部材６０における応力緩和空間６１には封止樹脂８０が装填されている。よって、アンカー効果を持たせることにより、少ない封止樹脂でヒートシンク７０を強固に接着することができる。
（２）応力緩和部材６０は応力の緩和の効果だけでなく、封止樹脂８０の接着性向上の効果も増えるため、第２の金属板５０よりも大きな応力緩和部材６０が応力緩和機能を有するとともに補強機能を有しており、これにより、補強用部品の点数の増加無く封止樹脂の接着性向上が得られる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・応力緩和部材６０における応力緩和空間６１の構成として、図２に代わり、図３に示す構成としてもよい。図３において、応力緩和空間６２は断面円形の貫通孔であるとともに、内側面の上側には段差部が形成されている。詳しくは、下側の拡径部６２ａに対し上側は縮径部６２ｂとなっており、貫通孔の側面に段差が設けられている。つまり、平面視において貫通孔の面積（直径）が貫通孔の上側より下側の方が大きくなっている。この応力緩和空間６２に封止樹脂８０が入り込み、樹脂硬化後において引っかかり部分が形成される。
・同じく応力緩和部材６０における応力緩和空間６１の構成として、図２に代わり、図４に示す構成としてもよい。図４において、応力緩和部材６０の厚さ方向において貫通孔の中央部分において縮径部が形成された段付形状であってもよい。詳しくは、下側が拡径部６３ａに、中央が縮径部６３ｂに、上側が拡径部６３ｃになっており、貫通孔の上下中央部での側面に段差が設けられている（応力緩和部材６０の厚さ方向の中間部だけ面積が小さくなっている）。この応力緩和空間６３に封止樹脂８０が入り込み、樹脂硬化後において引っかかり部分が形成される。
・同じく応力緩和部材６０における応力緩和空間６１の構成として、図２に代わり、図５に示す構成としてもよい。図５において、応力緩和空間６４は下側（ヒートシンク７０側）ほど幅広なテーパ形状をなしている。
・他にも、応力緩和部材６０の応力緩和空間の断面形状は円形でも角形（三角、四角等）であってもよく、形状は問わない。
・図１に代わり図６に示す構成としてもよく、図６の半導体装置１１は、図１の半導体装置１０での金属板５０がなく、絶縁板４０が応力緩和部材６０と接合されている構成であってもよい。
つまり、半導体素子２０と、一方の面に半導体素子２０が接合された金属板３０と、一方の面に金属板３０の他方の面が接合された絶縁板４０と、一方の面に絶縁板４０の他方の面が接合された応力緩和部材６０と、を備える。また、一面に応力緩和部材６０の他方の面が接合されたヒートシンク７０と、ヒートシンク７０における応力緩和部材６０の接合面に配され、半導体素子２０と金属板３０と絶縁板４０と応力緩和部材６０とを封止する封止樹脂８０と、を備える。応力緩和部材６０は、絶縁板４０よりも大きく、かつ、応力緩和部材６０の応力緩和空間６１（図２参照）には封止樹脂８０が装填されている。
このようにして、ヒートシンク７０に接合された応力緩和部材６０は、絶縁板４０よりも大きく、応力緩和部材６０における応力緩和空間６１には封止樹脂８０が装填されている。よって、アンカー効果を持たせることにより、少ない封止樹脂でヒートシンクを強固に接着することができる。
・図１に代わり、図７に示す構成としてもよい。図７において、ヒートシンク７０の上面において金属板１００が、ろう付けにより接合され、金属板１００には空間６１が多数形成されている。この空間６１には封止樹脂８０が装填（充填）されている。空間６１は図２で示した貫通孔と同様な構造である。他にも、図３，４，５等で示した構造であってもよい。
つまり、半導体装置１２は、半導体素子２０と、一方の面に半導体素子２０が接合された第１の金属板３０と、一方の面に第１の金属板３０の他方の面が接合された絶縁板４０と、一方の面に絶縁板４０の他方の面が接合された第２の金属板５０と、一方の面に第２の金属板５０の他方の面が接合された応力緩和部材９０と、を備える。また、一面に応力緩和部材９０の他方の面が接合されたヒートシンク７０と、ヒートシンク７０における応力緩和部材９０の接合面に配され、半導体素子２０と第１の金属板３０と絶縁板４０と第２の金属板５０と応力緩和部材９０とを封止する封止樹脂８０と、を備える。ヒートシンク７０における応力緩和部材９０の接合面に金属板（第３の金属板）１００が接合されるとともに金属板（第３の金属板）１００に形成した空間６１には封止樹脂８０が装填されている。応力緩和部材９０はアルミ板よりなり、応力緩和空間を有する。
このようにして、ヒートシンク７０に接合された金属板（第３の金属板）１００において、金属板（第３の金属板）１００に形成した空間６１には封止樹脂８０が装填されている。よって、アンカー効果を持たせることにより、少ない封止樹脂でヒートシンクを強固に接着することができる。
・図７に代わり図８に示す構成としてもよく、図８の半導体装置１３は、図７の半導体装置１２での金属板５０がなく、絶縁板４０が応力緩和部材９０と接合されている構成であってもよい。
つまり、半導体素子２０と、一方の面に半導体素子２０が接合された第１の金属板３０と、一方の面に第１の金属板３０の他方の面が接合された絶縁板４０と、一方の面に絶縁板４０の他方の面が接合された応力緩和部材９０と、を備える。また、一面に応力緩和部材９０の他方の面が接合されたヒートシンク７０と、ヒートシンク７０における応力緩和部材９０の接合面に配され、半導体素子２０と第１の金属板３０と絶縁板４０と応力緩和部材９０とを封止する封止樹脂８０と、を備える。ヒートシンク７０における応力緩和部材９０の接合面に金属板（第２の金属板）１００が接合されるとともに金属板（第２の金属板）１００に形成した空間６１には封止樹脂８０が装填されている。
このようにして、ヒートシンク７０に接合された金属板（第２の金属板）１００において、金属板（第２の金属板）１００に形成した空間６１には封止樹脂８０が装填されている。よって、アンカー効果を持たせることにより、少ない封止樹脂でヒートシンクを強固に接着することができる。
・応力緩和空間として貫通孔を用いたが、応力緩和空間として貫通していないもの、例えば、凹部を用いてもよい。
１０…半導体装置、２０…半導体素子、３０…金属板、４０…絶縁板、５０…金属板、６０…応力緩和部材、６１…応力緩和空間、６２…応力緩和空間、６３…応力緩和空間、６４…応力緩和空間、７０…ヒートシンク、８０…封止樹脂、９０…応力緩和部材、１００…金属板。

Claims (4)

  1. 半導体素子と、
    一方の面に前記半導体素子が接合された第１の金属板と、
    一方の面に前記第１の金属板の他方の面が接合された絶縁板と、
    一方の面に前記絶縁板の他方の面が接合された第２の金属板と、
    一方の面に前記第２の金属板の他方の面が接合された応力緩和部材と、
    一面に前記応力緩和部材の他方の面が接合されたヒートシンクと、
    前記ヒートシンクにおける前記応力緩和部材の接合面に配され、前記半導体素子と前記第１の金属板と前記絶縁板と前記第２の金属板と前記応力緩和部材とを封止する封止樹脂と、
    を備えた半導体装置であって、
    前記応力緩和部材は、前記第２の金属板よりも大きく、かつ、前記応力緩和部材の応力緩和空間には前記封止樹脂が装填されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 半導体素子と、
    一方の面に前記半導体素子が接合された金属板と、
    一方の面に前記金属板の他方の面が接合された絶縁板と、
    一方の面に前記絶縁板の他方の面が接合された応力緩和部材と、
    一面に前記応力緩和部材の他方の面が接合されたヒートシンクと、
    前記ヒートシンクにおける前記応力緩和部材の接合面に配され、前記半導体素子と前記金属板と前記絶縁板と前記応力緩和部材とを封止する封止樹脂と、
    を備えた半導体装置であって、
    前記応力緩和部材は、前記絶縁板よりも大きく、かつ、前記応力緩和部材の応力緩和空間には前記封止樹脂が装填されていることを特徴とする半導体装置。
  3. 半導体素子と、
    一方の面に前記半導体素子が接合された第１の金属板と、
    一方の面に前記第１の金属板の他方の面が接合された絶縁板と、
    一方の面に前記絶縁板の他方の面が接合された第２の金属板と、
    一方の面に前記第２の金属板の他方の面が接合された応力緩和部材と、
    一面に前記応力緩和部材の他方の面が接合されたヒートシンクと、
    前記ヒートシンクにおける前記応力緩和部材の接合面に配され、前記半導体素子と前記第１の金属板と前記絶縁板と前記第２の金属板と前記応力緩和部材とを封止する封止樹脂と、
    を備えた半導体装置であって、
    前記ヒートシンクにおける前記応力緩和部材の接合面に第３の金属板が接合されるとともに前記第３の金属板に形成した空間には前記封止樹脂が装填されていることを特徴とする半導体装置。
  4. 半導体素子と、
    一方の面に前記半導体素子が接合された第１の金属板と、
    一方の面に前記第１の金属板の他方の面が接合された絶縁板と、
    一方の面に前記絶縁板の他方の面が接合された応力緩和部材と、
    一面に前記応力緩和部材の他方の面が接合されたヒートシンクと、
    前記ヒートシンクにおける前記応力緩和部材の接合面に配され、前記半導体素子と前記第１の金属板と前記絶縁板と前記応力緩和部材とを封止する封止樹脂と、
    を備えた半導体装置であって、
    前記ヒートシンクにおける前記応力緩和部材の接合面に第２の金属板が接合されるとともに前記第２の金属板に形成した空間には前記封止樹脂が装填されていることを特徴とする半導体装置。
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