JP5957866B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
この半導体装置においては、放熱板の下面に接合された伝熱部材とヒートシンクとの間で充填材を押し広げ、充填材に含まれたボイドを、余剰分の充填材とともに空隙である充填材逃し部に排出している。
例えば、図11(a)に示した半導体装置100において、放熱板103の表面には、はんだ102を介して半導体素子101が接合されており、放熱板103の裏面には充填材104を介してヒートシンク105が接続されている。当該半導体装置100において、半導体素子101による発熱が充填材104へと伝わると、その粘度が低下して、充填材104に含まれていたボイドが表面に現れてくる。
放熱板またはヒートシンク上に滞留したボイド(ボイド一つの面積)が大きい場合、大幅な放熱性能の低下につながり、半導体装置の冷却性を妨げる要因の一つであることは、よく知られているところである(特開2009―164203号公報(第3頁)参照)。
特許文献2に開示された半導体装置においては、半導体素子とヒートシンクとの間の空間内が真空になった後に、充填材を流し込むため、充填材へのボイドの混入をなくして、半導体装置の放熱性の低下を防ぐことができる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却性に優れ低コストの半導体装置を提供することにある。
請求項5に係る半導体装置の発明の構成は、半導体素子と、半導体素子の裏面に接続された放熱構造体と、放熱構造体に対し、充填材を介して接続されたヒートシンクと、半導体素子の表面を覆う封止体と、を備え、放熱構造体およびヒートシンクの少なくとも一方における充填材との当接面には、周囲が取り囲まれ互いに分離された複数の凹部が形成され、各々の凹部の断面形状は、正方形状、三角形状および長円状のうちのいずれかであることである。
尚、最低放熱性能とは、半導体装置が、ボイドにより妨げられることなく、半導体素子による発熱を最低限放出することができる能力をいう。
また、複数の凹部はハニカム形状を形成していることにより、放熱構造体またはヒートシンクの限られた表面積において、所定面積を有する凹部を多数形成することができる。
図1乃至図7に基づき、本発明の実施形態1による半導体装置1について説明する。本実施形態による半導体装置1の用途は特定のものに限られず、あらゆる電子回路に適用することが可能である。尚、説明中において、図1における上方を半導体装置1の上方とし、下方を半導体装置1の下方とする。また、半導体チップ2の上方の面を半導体チップ2の表面とし、下方の面を半導体チップ2の裏面として説明する。
導体回路付絶縁基板4は略平板状を呈しており、銅、アルミニウム等の導電性の金属板5とセラミックス板6とが、Al-Si系ロウ材またはAg-Cu系ロウ材もしくは接着剤により接合されて形成されている。導体回路付絶縁基板4において、金属板5は上方に配置され、上述したように半導体チップ2がはんだ付けされている。
また、樹脂筐体8の上面には、平板状の固定用治具11が載置されている。固定用治具11には、上方より複数の取付ボルト12が貫通し、取付ボルト12がヒートシンク10の周縁部に締め付けられることにより、樹脂筐体8がヒートシンク10に固定されている。
最初に、金属板5とセラミックス板6とが予め接合されて形成された導体回路付絶縁基板4の上面(金属板5側)に、はんだボンディングにより半導体チップ2の裏面電極を接合する(ダイボンディング工程)。
次に、半導体チップ2の表面の電極パッドを、それぞれリード端子に対し金属ワイヤによって接続する(ワイヤボンディング工程)。
次に、半導体チップ2、リード端子および導体回路付絶縁基板4を覆うとともに、導体回路付絶縁基板4の放熱平面4aが露出するように、合成樹脂材料を充填して樹脂筐体8を形成する(封止工程)。
最後に、放熱平面4aにサーマルグリス9を塗布し、ヒートシンク10を接合した後、固定用治具11および取付ボルト12により、樹脂筐体8とヒートシンク10とを固定する(ヒートシンク取付工程)。
また、グラフの縦軸は、半導体装置1の熱抵抗比を示しており、サーマルグリス9にボイドが混入していない場合の熱抵抗比の値を1としている。熱抵抗比は、半導体チップ2の温度をTjとし、ヒートシンク10の温度をTaとした場合、式[(Tj−Ta)/半導体チップ2による発熱量]〔℃/W〕にて表され、熱抵抗比の値が小さいほど半導体装置1の放熱性が優れていることになる。また、グラフに示した最小凹部サイズとは、導体回路付絶縁基板4の放熱平面4aの全面積に対する、一つ一つの凹部7によって占められる放熱平面4a上の面積比を示している。
また、ボイドを半導体装置1の外に排出することなく放熱性を確保することができるため、ボイドの排出不足等が発生することがなく、半導体装置1の冷却性を確実に維持することができる。
また、複数の凹部7はハニカム形状を形成していることにより、放熱平面4a上の限られた表面積において、所定面積を有する凹部7を多数形成することができる。
また、図7(c)は、実施形態1の第5変形実施形態による凹部75の形状を示している。本変形実施形態による凹部75は、凹部73と同様に導体回路付絶縁基板4の放熱平面4aに複数個形成されており、窪み方向に垂直な断面形状が略正三角形状を呈している。
次に、図8に基づき、本発明の実施形態2による半導体装置20について説明する。実施形態1の場合と同様に、説明中において、図8における上方を半導体装置20の上方とし、下方を半導体装置20の下方とする。
本実施形態による半導体装置20は、実施形態1の場合と同様に、はんだ3を介して半導体チップ2が接合された導体回路付絶縁基板4を備えている。導体回路付絶縁基板4の放熱平面(下面)4aには凹部7は形成されておらず、はんだ3を介して、放熱板14が接合されている。放熱板14は、銅、アルミニウム、モリブデン、タングステンおよびこれらの合金等のような、熱伝動性の良好な材料により形成されている。
放熱板14の下面には、サーマルグリス9を介して、ヒートシンク10が接合されている。ヒートシンク10は、半導体装置20をその下端面において冷却している。
放熱板14には、上方より複数の取付ボルト15が貫通し、取付ボルト15がヒートシンク10の周縁部に締め付けられることにより、放熱板14とヒートシンク10とが固定されている。
図10に示された本発明の実施形態3による半導体装置22は、実施形態1による半導体装置1と同様に、半導体チップ2が接合された導体回路付絶縁基板4、導体回路付絶縁基板4の放熱平面4aにサーマルグリス9を介して接続されたヒートシンク10、半導体チップ2等を封止する樹脂筐体8、樹脂筐体8とヒートシンク10とを固定する固定治具11および取付ボルト12を備えている。
また、実施形態1による半導体装置1と同様に、本実施形態においても、導体回路付絶縁基板4の放熱平面4aには多数の凹部7が形成されている。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。
図1または図8に示した半導体装置1、20において、ヒートシンク10の受熱平面10a上のみに、凹部17を形成してもよい。
また、図8および図9に示した半導体装置20、21において、放熱板14およびヒートシンク10の双方に、凹部16、17を形成してもよい。
Claims (5)
- 半導体素子と、
前記半導体素子の裏面に接続された放熱構造体と、
前記放熱構造体に対し、充填材を介して接続されたヒートシンクと、
前記半導体素子の表面を覆う封止体と、
を備え、
前記放熱構造体および前記ヒートシンクの少なくとも一方における前記充填材との当接面には、周囲が取り囲まれ互いに分離された複数の凹部が形成され、
複数の前記凹部はハニカム形状を形成している半導体装置。 - 前記放熱構造体は、
前記半導体素子の裏面に接合された絶縁基板と、
前記絶縁基板に接合されるとともに、前記ヒートシンクに対し前記充填材を介して接続された放熱板と、
により形成された請求項1記載の半導体装置。 - 前記凹部は、前記放熱構造体および前記ヒートシンクの双方に形成された請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記放熱構造体における前記充填材との当接面には、一個当たりの断面積が、前記放熱構造体の全面積に対して、微小である複数の前記凹部が形成されている請求項1乃至3のうちのいずれか一項に記載の半導体装置。
- 半導体素子と、
前記半導体素子の裏面に接続された放熱構造体と、
前記放熱構造体に対し、充填材を介して接続されたヒートシンクと、
前記半導体素子の表面を覆う封止体と、
を備え、
前記放熱構造体および前記ヒートシンクの少なくとも一方における前記充填材との当接面には、周囲が取り囲まれ互いに分離された複数の凹部が形成され、
各々の前記凹部の断面形状は、正方形状、三角形状および長円状のうちのいずれかである半導体装置。
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