JP6352583B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。

ＧａＡｓＦＥＴや、ＧａＮＨＥＭＴを用いたマイクロ波半導体回路のうちパワーアンプ等の増幅器で使用される半導体部品は、高出力であることから発熱量も大きい。そのため、高出力の半導体パッケージは、放熱のためヒートシンクに取り付けて使用される。このヒートシンクとマイクロ波半導体パッケージとの間は、できるだけ低熱抵抗で接続できることが望ましい。しかしながら、ヒートシンクとマイクロ波半導体パッケージとをねじ等で直接固定すると、ヒートシンクの反りや、微小な凹凸による隙間の影響で熱抵抗が増加してしまう。このため通常は、ヒートシンクの表面を微小な凹凸が無くなるように切削加工をしたり、ヒートシンクとマイクロ波半導体パッケージとの間の隙間に放熱グリスや、放熱シート（軟金属やグラファイト）等を介設することで、ヒートシンクとマイクロ波半導体パッケージとの間の隙間を塞ぎ、熱抵抗を下げている。

特開２００５−１８３５８２号公報 特開平１１−２０４７００号公報

ヒートシンク表面の微小な凹凸を無くすためにヒートシンク表面を切削加工する場合は、加工費の増加を招く。さらに、ヒートシンクとマイクロ波半導体パッケージとの間に放熱グリスを介設させる場合は、周囲が高温になると、放熱グリスの油分が半導体パッケージ内のマイクロ波半導体回路に流れ、特性が変化してしまう可能性がある。

また、ヒートシンクとマイクロ波半導体パッケージとの間に放熱シートを介設する場合は、半導体パッケージの底面の形状に合わせた大きさに放熱シートを切断して使用している。そして、半導体パッケージの底面全体に放熱シートを重ねた状態でネジ等でヒートシンクとマイクロ波半導体パッケージとの間を固定する場合には、半導体パッケージによっては、反りのためにネジを締めた部分しかヒートシンクと接触せず、肝心の発熱部分がヒートシンクの表面から浮いてしまう可能性がある。この場合は、マイクロ波半導体の発生する熱を高効率でヒートシンクに伝えることができず、半導体装置の性能と信頼性を図るうえで問題がある。

本実施形態は上記事情に着目してなされたもので、半導体パッケージが発生する熱を高効率でヒートシンクに伝え、低コストでマイクロ波増幅器などの性能と信頼性を向上することができる半導体装置を提供することにある。

実施形態によれば、半導体素子とその周辺要素を含む発熱部材を収容した半導体パッケージがヒートシンクに実装され、前記半導体パッケージと前記ヒートシンクとの間に伝熱性の高いシート状の放熱スぺーサを介在させた半導体装置である。前記半導体パッケージは、ベースプレート上に前記発熱部材が配置された発熱領域を有し、前記ベースプレートにおける前記発熱領域から外れたフランジ部分に前記ヒートシンクとのねじ止め用の固定部が設けられている。前記放熱スぺーサは、軟金属（Ｉｎ，Ｐｂ等）やグラファイトで形成され、厚さは０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲内で設定される。前記半導体パッケージが前記ヒートシンクにねじ止め固定される際に、前記放熱スぺーサを前記半導体パッケージの外形寸法よりも小さく、前記発熱領域をカバーする大きさにした状態で前記半導体パッケージの前記発熱領域と前記ヒートシンクとの間に組み付けられることで、前記ヒートシンクと前記半導体パッケージの前記発熱領域との接触面間が浮き上がることを防止する。前記ヒートシンクは、前記放熱スぺーサを収める凹み加工がない。

第１の実施の形態の半導体装置の全体の概略構成を示す平面図。 第１の実施の形態の半導体パッケージの内部構成を示す模式的な平面パターンの構成図。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。 第１の実施の形態の半導体パッケージとヒートシンクとの固定部分を分離した状態を説明するための平面図。 第２の実施の形態の半導体装置の全体の概略構成を示す平面図。 第２の実施の形態の半導体パッケージとヒートシンクとの間の放熱スぺーサを示す平面図。 図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図。 第２の実施の形態の放熱スぺーサの第１の変形例を示す縦断面図。 第２の実施の形態の放熱スぺーサの第２の変形例を示す縦断面図。

［第１の実施の形態］
（構成）
図１乃至図４は、第１の実施の形態を示す。図１は半導体装置１の全体の概略構成を示す。本実施の形態の半導体装置１は、放熱体であるヒートシンク２に半導体パッケージ３が実装されて構成されている。さらに、前記半導体パッケージ３と前記ヒートシンク２との間には、伝熱性の高いシート状の後述する放熱スぺーサ４が介在されている。

図２および図３に示すように半導体パッケージ３には、熱伝導性に優れた銅合金等の金属材料製の取付ベースであるほぼ矩形状のベースプレート５が設けられている。このベースプレート５上には、素子収容部を構成する矩形枠状のフレーム部材６が配設されている。このフレーム部材６内には、発熱体である例えばＦＥＴチップなどの半導体素子７とその周辺要素（例えばマイクロ波回路などの入力回路基板８および出力回路基板９など）を含む発熱部材１０が収容されている。なお、フレーム部材６の上面開口部は蓋体６ａでカバーされている。これにより、半導体パッケージ３は、ベースプレート５上のフレーム部材６内の部分に前記発熱部材１０が配置された発熱領域１１を有する。

さらに、ベースプレート５には、フレーム部材６の外側部分である図２中で左右の両側のフランジ部分５ａ、５ｂに２つの例えば凹溝状の取付用切欠き部（ねじ止め用の固定部）１２がそれぞれ形成されている。ベースプレート５の切欠き部１２の存在しない対向する両側壁の一方側に半導体素子７の入力リード端子１３、他方側に半導体素子７の出力リード端子１４がそれぞれ設けられている。入力リード端子１３の内端部は入力回路基板８に接続され、同様に出力リード端子１４の内端部は、出力回路基板９に接続されている。

また、図３および図４に示すようにヒートシンク２には、半導体パッケージ３の実装面側に４つのねじ穴１５が形成されている。これら４つのねじ穴１５は、半導体パッケージ３の４つの取付用切欠き部１２と対応する位置に配置されている。そして、半導体パッケージ３の４つの取付用切欠き部１２には、それぞれ固定部材であるねじ１６が挿入され、各ねじ１６の先端がヒートシンク２のねじ穴１５に螺着されている。ここで、半導体パッケージ３の取付用切欠き部１２の溝幅は、ねじ１６の頭部１６ａ、または座金１６ｂの外径よりも小さな寸法に設定されている。これにより、４つのねじ１６により、半導体パッケージ３がヒートシンク２にねじ止め固定されている。

前記放熱スぺーサ４は、材質が軟金属（Ｉｎ、Ｐｂ等）や、グラファイト等で、厚さ０．３ｍｍ以下程度に形成されている。ここで、放熱スぺーサ４の厚さを０．３ｍｍよりも厚くした場合には、半導体パッケージ３が放熱スぺーサ４を挟んでヒートシンク２にねじ止め等による半導体パッケージ３へのストレスが大きくなり、半導体パッケージ３内の半導体素子７が割れたり、熱抵抗が増えたりするなどの可能性があり、好ましくない。また、放熱スぺーサ４の厚さを０．０５ｍｍよりも薄くした場合には、ヒートシンク２の平面の凹凸や、半導体パッケージ３の反りなどが生じた場合にこれを放熱スぺーサ４によって吸収できなくなる可能性がある。そのため、放熱スぺーサ４の厚さは０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲内で設定することが好適である。特に、実用上は、放熱スぺーサ４の厚さを０．１ｍｍ程度に設定することが好ましい。

さらに、前記放熱スぺーサ４は、前記半導体パッケージ３が前記ヒートシンク２にねじ止め固定される際に、前記ヒートシンク２と前記半導体パッケージ３の前記発熱領域１１との接触面間が浮き上がることを防止する浮き上がり防止手段１７を有する。本実施の形態では、浮き上がり防止手段１７は、放熱スぺーサ４を半導体パッケージ３の底面全体の外形寸法よりも小さく、前記発熱領域１１をカバーする大きさにカットした状態で前記半導体パッケージ３の前記発熱領域１１と前記ヒートシンク２との間に組み付けたものである。

（作用・効果）
そこで、上記構成のものにあっては次の効果を奏する。すなわち、本実施の形態の半導体装置１では、放熱スぺーサ４を半導体パッケージ３の底面全体の外形寸法よりも小さく、前記発熱領域１１をカバーする大きさにカットした状態で前記半導体パッケージ３の前記発熱領域１１と前記ヒートシンク２との間に組み付けた浮き上がり防止手段１７を設けている。そのため、放熱スぺーサ４を半導体パッケージ３とヒートシンク２との間に正しくセットすることにより、４つのねじ１６により、半導体パッケージ３を放熱スぺーサ４を挟んでヒートシンク２にねじ止め固定した際に、半導体パッケージ３の反りや、ヒートシンク２の表面の微小な凹凸などは放熱スぺーサ４によって吸収させることができる。その結果、放熱スぺーサ４の全面を半導体パッケージ３の発熱部材１０が収容されている発熱領域１１に隙間なく接触させることができる。放熱スぺーサ４は、半導体パッケージ３の発熱部材１０が収容されている発熱領域１１の直下に位置しているため、半導体パッケージ３の発熱部材１０の熱を効率良くヒートシンク２に伝えることができる。その結果、半導体パッケージ３内の発熱部材１０が発生する熱を高効率でヒートシンク２に伝えることができる。

さらに、放熱スぺーサ４を０．３ｍｍ以下の厚さに薄く設定することで、半導体パッケージ３の実装高さを調節するためのヒートシンク２へのざぐり加工を無くすことができる。そのため、ネジ止め等による半導体パッケージ３へのストレスを減らし、内部にある半導体チップなどの半導体素子７の割れを防ぐことができる。その結果、半導体パッケージ３内の発熱部材１０が発生する熱を高効率でヒートシンク２に伝え、低コストでマイクロ波増幅器などの性能と信頼性を向上することができる半導体装置を提供することができる。

［第２の実施の形態］
（構成）
図５乃至図７は、第２の実施の形態を示す。本実施の形態は、第１の実施の形態（図１乃至図４参照）の半導体装置１の構成を次の通り変更した変形例である。なお、図５乃至図７中で、図５乃至図７と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

すなわち、本実施の形態では、前記半導体パッケージ３と前記ヒートシンク２との間に、半導体パッケージ３の底面全体の外形寸法と同じ大きさよりも若干大きい大きさの放熱スぺーサ２１が介在されている。本実施の形態の放熱スぺーサ２１は、第１の実施の形態の放熱スぺーサ４と同様に、材質が軟金属（Ｉｎ、Ｐｂ等）や、グラファイト等で、厚さ０．３ｍｍ以下程度に形成されている。

また、本実施の形態の放熱スぺーサ２１では、ベースプレート５の切欠き部１２の周辺部分と対応する第１部分２２のシートの厚さを他の部分である第２部分２３よりも小さくする状態に変えた厚さ変化部２４を有する。ここで、第２部分２３は、半導体パッケージ３の発熱領域１１と対応する部分に配置されている。また、第１部分２２は、半導体パッケージ３の発熱領域１１から外れた部分と対応する部分に配置されている。そして、図７に示すように第１部分２２は、放熱スぺーサ２１における半導体パッケージ３の底面との対向面側のシート面の一部を切除することで第２部分２３よりもシートの厚さを小さくしたものである。この厚さ変化部２４により、本実施の形態の浮き上がり防止手段２５が形成されている。

また、放熱スぺーサ２１の第１部分２２には、ヒートシンク２の４つのねじ穴１５と対応する部分に同様に４つのねじ挿通孔２６が形成されている。そして、半導体パッケージ３の４つの取付用切欠き部１２には、それぞれねじ１６が挿入されたのち、続いて各ねじ１６の先端が放熱スぺーサ２１の４つのねじ挿通孔２６に挿通された状態で、ヒートシンク２のねじ穴１５に螺着されている。

（作用・効果）
本実施の形態の半導体装置１では、放熱スぺーサ２１に半導体パッケージ３のねじ止め用の固定部である取付用切欠き部１２（半導体パッケージ３の発熱領域１１から外れた部分）と対応する第１部分２２のシートの厚さを半導体パッケージ３の発熱領域１１と対応する第２部分２３のシートの厚さよりも小さくする状態に変えた厚さ変化部２４を有する浮き上がり防止手段２５を設けている。本実施の形態でも４つのねじ１６により、半導体パッケージ３を放熱スぺーサ２１を挟んでヒートシンク２にねじ止め固定した際に、半導体パッケージ３の反りや、ヒートシンク２の表面の微小な凹凸などは放熱スぺーサ２１によって吸収させることができる。その結果、放熱スぺーサ２１の第２部分２３の全面を半導体パッケージ３の発熱部材１０が収容されている発熱領域１１に隙間なく接触させることができる。放熱スぺーサ２１の第２部分２３は、半導体パッケージ３の発熱部材１０が収容されている発熱領域１１の直下に位置しているため、半導体パッケージ３の発熱部材１０の熱を効率良くヒートシンク２に伝えることができる。その結果、半導体パッケージ３内の発熱部材１０が発生する熱を高効率でヒートシンク２に伝えることができる。

さらに、放熱スぺーサ２１を０．３ｍｍ以下の厚さに薄く設定することで、半導体パッケージ３の実装高さを調節するためのヒートシンク２へのざぐり加工を無くすことができる。そのため、ネジ止め等による半導体パッケージ３へのストレスを減らし、内部にある半導体チップなどの半導体素子７の割れを防ぐことができる。その結果、半導体パッケージ３内の発熱部材１０が発生する熱を高効率でヒートシンク２に伝え、低コストでマイクロ波増幅器などの性能と信頼性を向上することができる半導体装置を提供することができる。

また、本実施の形態の放熱スぺーサ２１の第１部分２２には、ヒートシンク２の４つのねじ穴１５と対応する部分に同様に４つのねじ挿通孔２６が形成されている。そのため、４つのねじ１６により、半導体パッケージ３を放熱スぺーサ２１を挟んでヒートシンク２にねじ止め固定した際に、４つのねじ１６を放熱スぺーサ２１の４つのねじ挿通孔２６に貫通させて取り付けることができることから、放熱スぺーサ２１の位置ずれを防止して放熱スぺーサ２１の組み付け位置を高精度にセットすることができる。その結果、本実施の形態では第１実施形態の効果に加え、浮き上がり防止手段２５を一層、安定に動作させることができ、品質を向上できる効果がある。

［第２の実施の形態の変形例］
（構成）
図８は、第２の実施の形態の半導体装置１の放熱スぺーサ２１における浮き上がり防止手段２５の第１の変形例を示す。本変形例は、放熱スぺーサ２１におけるヒートシンク２との対向面側の第１部分２２のシート面の一部を切除することで第２部分２３よりもシートの厚さを小さくした厚さ変化部３１を設けたものである。

また、図９は、第２の実施の形態の半導体装置１の放熱スぺーサ２１における浮き上がり防止手段２５の第２の変形例を示す。本変形例は、放熱スぺーサ２１における第１部分２２のシート面の両面を切除することで第２部分２３よりもシートの厚さを小さくした厚さ変化部３２を設けたものである。

（作用・効果）
放熱スぺーサ２１は、半導体パッケージ３の前記発熱領域１１と対応する第２部分２３を厚く、ベースプレート５の切欠き部１２の周辺部分（ねじ止め固定部分）と対応する第１部分２２を薄くすれば良いので、第１の変形例や、第２の変形例の構成でも効果は第２の実施の形態と同等である。さらに、放熱スぺーサ２１の総厚さを０．３ｍｍ以下にすることによって、ネジ止め等による半導体パッケージ３へのストレスを減らし、半導体パッケージ３内の半導体素子７の割れを防ぐことができる。また、放熱スぺーサ２１は、ヒートシンク２の４つのねじ穴１５と対応する部分に同様に４つのねじ挿通孔２６が形成されている。そのため、４つのねじ１６を放熱スぺーサ２１の４つのねじ挿通孔２６に貫通させて取り付けることができることから、放熱スぺーサ２１の位置ずれや、挟み忘れを防ぐことができ、品質を向上できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２…ヒートシンク、３…半導体パッケージ、４…放熱スぺーサ、５…ベースプレート、５ａ、５ｂ…フランジ部分、７…半導体素子、１０…発熱部材、１１…発熱領域、１２…ねじ止め用の取付用切欠き部（固定部）、１７…浮き上がり防止手段。

Claims (1)

1. 半導体素子とその周辺要素を含む発熱部材を収容した半導体パッケージがヒートシンクに実装され、前記半導体パッケージと前記ヒートシンクとの間に伝熱性の高いシート状の放熱スぺーサを介在させた半導体装置であって、
   前記半導体パッケージは、ベースプレート上に前記発熱部材が配置された発熱領域を有し、
   前記ベースプレートにおける前記発熱領域から外れたフランジ部分に前記ヒートシンクとのねじ止め用の固定部が設けられ、
   前記放熱スぺーサは、軟金属（Ｉｎ，Ｐｂ等）やグラファイトで形成され、厚さは０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲内で設定され、前記半導体パッケージが前記ヒートシンクにねじ止め固定される際に、前記放熱スぺーサを前記半導体パッケージの外形寸法よりも小さく、前記発熱領域をカバーする大きさにした状態で前記半導体パッケージの前記発熱領域と前記ヒートシンクとの間に組み付けられることで、前記ヒートシンクと前記半導体パッケージの前記発熱領域との接触面間が浮き上がることを防止し、
   前記ヒートシンクは、前記放熱スぺーサを収める凹み加工がない
   ことを特徴とする半導体装置。

Images