JP6937845B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置に関し、特に、半導体装置を構成する電子部品から発生する熱の放熱性を向上させた半導体装置に関する。
自動車および産業用建機などに搭載される車載用半導体装置、鉄道車両などに搭載される車両用半導体装置、加工機、ロボットおよび産業用インバータなどに搭載される産業機器用半導体装置、家庭用電子機器に用いられる半導体装置を総称して、以下、半導体装置と呼称する。このような半導体装置においては、高出力化、薄型化および小型化の要請が強く、これに起因して、半導体装置に実装される電子部品の単位体積当たりの発熱量は大きく上昇する傾向にあり、高い放熱性を有した半導体装置が強く望まれている。
電子部品から発生する熱を放熱する半導体装置は、例えば特許文献１および特許文献２に開示されている。これらの特許文献においては、プリント基板の上面に電子部品が実装され、プリント基板の下面にヒートシンクが接合された構成となっている。プリント基板には、その上面から下面まで貫通するように熱伝導チャネルが設けられたている。この熱伝導チャネルにより、電子部品から発生する熱が、熱伝導チャネルを経由してヒートシンクに伝わり、ヒートシンクから外部に放熱される構成となっている。
特許文献１に開示の半導体装置においてはプリント基板のうち電子部品の真下から離れたところのみに熱伝導チャネルが設けられており、特許文献２に開示の半導体装置においてはプリント基板のうち電子部品の真下のみに熱伝導用の孔部が設けられている。このため、何れもプリント基板における熱伝導可能な領域の面積が小さく、電子部品から伝導できる熱量が少ないため、電子部品から、その下方のヒートシンクまでの領域の放熱性が充分ではない。また、特許文献１に開示の半導体装置は、締結プレートによりプリント基板に取り付けられるが、取り付けにはネジなどの締結具が使用され、プリント基板とヒートシンクとの間に空気層が生じ、放熱性が良好ではない可能性がある。
また、特許文献３においては、熱伝導用孔部が電子部品の真下以外の部分にも設けられているが、電子部品で発生する熱の大部分が電子部品の真下の熱伝導用孔部から伝熱しており、プリント基板での熱抵抗が大きく放熱性が充分ではない。
特開平６−７７６７９号公報 特開平１１−３４５９２１号公報 国際公開第２０１７／０９４６７０号
以上説明したように、従来の半導体装置においては、放熱性が充分とは言えなかった。本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、半導体装置を構成する電子部品から発生する熱の放熱性を向上させた半導体装置を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体装置は、プリント基板と、前記プリント基板の第１の主面上に第１の接合材を介して接合された熱拡散部と、前記熱拡散部の上に第２の接合材を介して接合された放熱板を有する電子部品と、前記プリント基板の第２の主面上に密着して配置された放熱部と、を備え、前記プリント基板は、絶縁層と、前記絶縁層の第１および第２の主面の上にそれぞれ配置された第１および第２の導体層と、前記絶縁層上の前記第１の導体層から前記第２の導体層まで貫通する複数の放熱用ビアと、前記複数の放熱用ビアの内壁を覆う導体膜と、を有し、前記複数の放熱用ビアは、前記プリント基板の前記第１の主面側からの平面視において前記熱拡散部と重なると共に、前記電子部品とも重なる位置に設けられ、前記放熱部は、前記プリント基板の前記第２の主面側からの平面視において、前記複数の放熱用ビアの少なくとも一部と重なるように配置され、電気絶縁性および熱伝導性を有する放熱部材と、熱伝導性を有する冷却体と、を含み、前記放熱部材および前記冷却体は、前記プリント基板の前記第２の導体層上に積層され、前記熱拡散部は、平面視での大きさが前記電子部品よりも大きく、前記電子部品は、前記熱拡散部の一端に片寄って配置され、前記熱拡散部の前記一端側以外の方向に前記電子部品で発生した熱が放射状に拡散する。
本発明に係る半導体装置によれば、電子部品から発生する熱を熱拡散部により拡散し、かつ電子部品と重なる放熱用ビアを介して電子部品の真下へも放熱させることができるので、電子部品から発生する熱の放熱性を向上させることができる。
本発明に係る実施の形態１の半導体装置の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１のプリント基板の構成を示す平面図である。 電子部品の一例を示す平面図である。 電子部品の一例を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の他の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の他の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置の他の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置における電子部品からの伝熱経路を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体装置における電子部品からの伝熱経路を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１と比較例の半導体装置における熱抵抗値の比較結果を示す図である。 熱抵抗値の比較に用いた、モデルの寸法を示す平面図である。 熱抵抗値の比較に用いた、モデルを示す平面図である。 電子部品の端縁部から、熱拡散板の端縁部の放熱用ビアまでの間隔と、半導体装置の熱抵抗との関係を示す図である。 本発明に係る実施の形態２の半導体装置の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態２の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態２のプリント基板の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態２のプリント基板の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態３の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態３の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態３の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態３の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態４の半導体装置の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態４の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態４の半導体装置の変形例１の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態４の半導体装置の変形例２の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態４の半導体装置の変形例３の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態４の半導体装置の変形例３の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態５の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態５の半導体装置の変形例１の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態５の半導体装置の変形例２の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態５の半導体装置の変形例３の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態６の半導体装置の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態６の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態６の半導体装置の変形例１の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態６の半導体装置の変形例１の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態７の半導体装置の構成を示す部分断面図である。 本発明に係る実施の形態７の半導体装置の構成を示す部分拡大図である。 本発明に係る実施の形態８の半導体装置の構成を示す部分平面図である。 本発明に係る実施の形態８の半導体装置の構成を示す部分断面図である。 本発明に係る実施の形態９の半導体装置の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態１０の半導体装置の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態１０の半導体装置の変形例の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態１１の半導体装置の構成を示す回路図である。 本発明に係る実施の形態１１の半導体装置の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態１１の半導体装置の変形例１の構成を示す回路図である。 本発明に係る実施の形態１１の半導体装置の変形例１の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態１２の半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１２の半導体装置の変形例１の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１２の半導体装置の変形例２の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１２の半導体装置の変形例３の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１３の半導体装置の構成を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。なお、図１以降の図面においては、同一または相当する部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、各図は模式的なものであり、示された構成要素の正確な大きさなどを反映するものではない。
＜実施の形態１＞
＜装置構成＞
図１は、本発明に係る実施の形態１の半導体装置１００の構成を示す平面図であり、半導体装置１００を上方から見た上面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線での矢視断面図である。なお、以下においては、プリント基板１の電子部品２を搭載する面を上面、その反対側を下面とし、半導体装置１００の上方とは電子部品２を搭載した上面側とする。
なお、図１および図２においては半導体装置１００の特徴部を示しており、必ずしも半導体装置１００の全体構成を示すものではないが、この特徴部だけで半導体装置１００を構成することも可能である。
図１および図２に示される半導体装置１００は、ハイブリッド自動車、電気自動車、電化製品および産業機器などに搭載される電力変換装置に用いることができる。これは、他の実施の形態の半導体装置においても同じである。
図１および図２に示されるように、半導体装置１００は、プリント基板１の上面側に設けられた熱拡散部３の上に電子部品２が搭載され、プリント基板１の下面側に放熱部４が設けられている。
半導体装置１００は、電子部品２で発生した熱がその真下の熱拡散部３により拡散され、プリント基板１を厚み方向に貫通するように設けられた複数の放熱用ビア１５を介してプリント基板１の下面側に設けた放熱部４に伝わり、放熱部４から外部に放熱される。
以下、半導体装置１００の構成について図１および図２を用いて詳細に説明する。まずプリント基板１について説明する。
プリント基板１は、例えば平面視において矩形状を有する平板状の部材であり、半導体装置１００全体の土台となる。図２に示すように、プリント基板１は、上側導体層１２（第１の導体層）、下側導体層１３（第２の導体層）および内部導体層１４などの複数の導体層と、複数の導体層の間に挟まれた絶縁層１１とを有して階層構造をなしている。すなわち、プリント基板１の上面には上側導体層１２が設けられ、プリント基板１の下面には下側導体層１３が設けられ、プリント基板１の内部には複数の内部導体層１４が上下方向に互いに間隔をあけて階層的に設けられ、上側導体層１２と内部導体層１４との間、内部導体層１４と内部導体層１４との間、および内部導体層１４と下側導体層１３との間には絶縁層１１が設けられている。また、複数の放熱用ビア１５の内壁には導体膜１０が設けられており、放熱用ビア１５の内壁に露出する上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４の端面は導体膜１０に覆われ、互いに熱的に導通する構成となっている。このように、プリント基板１の内部に複数の内部導体層１４を有し、それらは導体膜１０を介して熱的に導通し、また上側導体層１２および下側導体層１３とも熱的に導通するので、プリント基板１の熱伝導率を向上させることができる。
絶縁層１１は、プリント基板１全体の母材であり、本実施の形態においては平面視形状が矩形の平板形状を有し、例えばガラス繊維とエポキシ樹脂とで構成されている。なお、これに限定されるものではなく、アラミド樹脂とエポキシ樹脂とで構成されていても良い。
プリント基板１においては、母材となる絶縁層１１の上側主面１１ａ（第１の主面）に上側導体層１２が設けられ、下側主面１１ｂ（第２の主面）に下側導体層１３が設けられている。なお、プリント基板１の最上面をプリント基板１の上側主面１１ａと呼称し、プリント基板１の最下面をプリント基板１の下側主面１１ｂと呼称することもできる。
内部導体層１４は、上側導体層１２および下側導体層１３のそれぞれとほぼ平行となるように対向して配置されている。すなわち内部導体層１４は、絶縁層１１の上側主面１１ａおよび下側主面１１ｂのそれぞれとほぼ平行となるように対向して配置されている。なお、図２においては、内部導体層１４を２層配置した例を示しているが。内部導体層１４の層数はこれに限定されるものではなく、さらに多くの層数を有していても良いし、より少なくても良いし、内部導体層１４を設けなくても良い。ただし、内部導体層１４は絶縁層１１よりも熱伝導率が高いため、内部導体層１４を配置した方が配置しない場合に比べてプリント基板１全体の熱伝導率を高めることができる。
上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４は、何れも、プリント基板１の上側主面１１ａおよび下側主面１１ｂにほぼ平行となるように設けられ、何れも銅などの熱伝導性の良い材料により構成され、厚さは１５μｍ以上５００μｍ以下の範囲である。なお、プリント基板１は、上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４により区画される複数の絶縁層１１を含んでいると定義することもできる。
以上説明したように、図２に示したプリント基板１には複数の導体層として、上側導体層１２、下側導体層１３および２層の内部導体層１４との合計４層の導体層を有しているが、この構造に限定されるものではなく、内部導体層１４を設けない場合もある。このことは以降の各実施の形態においても同様である。
複数の放熱用ビア１５は、プリント基板１の上側主面１１ａから下側主面１１ｂに達するように設けられた貫通孔である。複数の放熱用ビア１５は、プリント基板１の上側主面１１ａから見た平面視において、電子部品２と重なる領域、および電子部品２とは重ならないが熱拡散部３と重なる領域に、平面視的に互いに間隔をあけて設けられている。
ここで、複数の放熱用ビア１５の配設領域を第１の領域と第２の領域とに分ける。すなわち、第１の領域とは、平面視において電子部品２と重なる領域であり、第２の領域とは第１の領域の周囲の領域、すなわち平面視において第１の領域の外側の領域である。この分類において、複数の放熱用ビア１５は、第１の領域に配設された複数の第１の放熱用ビア１５ａと、第２の領域に配設された複数の第２の放熱用ビア１５ｂとに分類される。すなわち、複数の放熱用ビア１５は、平面視において電子部品２と重なる第１の放熱用ビア１５ａと、平面視において電子部品２とは重ならず、熱拡散部３と重なる第２の放熱用ビア１５ｂとに分類される。
第１の放熱用ビア１５ａおよび第２の放熱用ビア１５ｂは、場合に応じて絶縁層１１を貫通する孔部と、その内壁に設けられた導体膜１０の双方を含むものとしても良いし、孔部または導体膜１０の一方のみを示すものとしても良い。
また、図２においては、第１の放熱用ビア１５ａおよび第２の放熱用ビア１５ｂは、導体膜１０で囲まれた孔部（中空部）として示しているが、この孔部に、熱伝導性の良い材料、例えば銀フィラーを混入させた導電性接着剤または、はんだにより当該孔部内が充填されたものであっても良い。この場合、孔部内に充填された導電性接着剤などの部材を放熱用ビア１５の構成要素に含めることができる。
このように導電性接着剤などを充填させた放熱用ビア１５は、孔部が中空である放熱用ビア１５に比べて放熱性を向上することができる。これは、空気に比べて導電性接着剤などの導電性部材は熱伝導性が高いためである。なお、放熱用ビア１５の孔部内をはんだで充填した半導体装置は後述の実施の形態３として説明する。
なお、放熱用ビア１５の孔部は、平面視において例えば直径が０．６ｍｍの円形の開口を有する円柱形状であり、その内壁面上の導体膜１０の厚さは例えば０．０５ｍｍである。ただし当該孔部は円柱形状に限らず、例えば四角柱であっても良く、また、平面視における開口形状が多角形状であっても良い。
第１の放熱用ビア１５ａおよび第２の放熱用ビア１５ｂは、プリント基板１の上側主面１１ａおよび下側主面１１ｂに直交するように交差している。また、上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４は、何れもプリント基板１の第１の領域および第２の領域に平面状に拡がるように配置され、プリント基板１の上側主面１１ａおよび下側主面１１ｂに沿うように、すなわちほぼ平行するように設けられている。このため第１の放熱用ビア１５ａおよび第２の放熱用ビア１５ｂは、何れも上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４と交差接続する。換言すれば、上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４は、複数の放熱用ビア１５のそれぞれと交差接続している。より具体的には、放熱用ビア１５の孔部の内壁面上に設けられた導体膜１０と、上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４とが、互いに交差接続されている。ここで交差接続とは、導体どうしが接続されており、電気的にも熱的にも接続されているものと定義する。
上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４は、プリント基板１と重なる領域、正確にはプリント基板１のうち放熱用ビア１５の孔部を除いたプリント基板１の全体に平面状に広がるように設けも良い。
また、上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４は、第１および第２の領域のうち特に放熱用ビア１５が設けられる領域、正確には隣り合う１対の放熱用ビア１５に挟まれた領域に少なくとも設けられ、放熱用ビア１５と交差接続されていれば良い。すなわち、例えば図１の領域１Ａなどのように、放熱用ビア１５が形成されない領域には設けられず、放熱用ビア１５が設けられた領域、正確には隣り合う１対の放熱用ビア１５に挟まれた領域上にのみに配置された構成であっても良い。
ここで、プリント基板１の上側主面１１ａ上における領域１Ａは、電子部品２のリード端子２１が接続されるための図示されない配線が設けられる領域であり、この配線は、電子部品２と他の部品とを電気的に接続するための配線である。また、領域１Ａには、上側導体層１２と同一の導体層として形成された複数の電極１９が設けられている。この電極１９に、電子部品２のリード端子２１が、例えば、はんだなどの接合材７ｃにより接合されている。ここで接合とは、はんだなどにより複数の部材が繋ぎ合わせられることと定義する。
図３は、後述する電子部品２および熱拡散部３が実装される前のプリント基板１を上側主面１１ａ上から見た平面図である。図３に示されるように、放熱用ビア１５は、プリント基板１の全領域に形成されているものではなく、図３に示す領域１Ａ、すなわち図１に示した電子部品２のリード端子２１が接続される領域においては放熱用ビア１５は設けられていない。しかし、上側導体層１２および図示されない下側導体層１３および内部導体層１４は、領域１Ａ以外の放熱用ビア１５が形成された領域と、その周辺の領域、すなわち、破線で囲まれた領域１Ｂに平面状に広がるように設けることが好ましい。これにより、電子部品２から発生する熱を各導体層において拡散させる効果が高くなる。
再び、図１および図２を用いた説明に戻り、電子部品２および熱拡散部３について説明する。電子部品２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＰＮＰトランジスタ、ＮＰＮトランジスタ、ダイオードおよび制御ＩＣ（Integrated Circuit）などから選択される何れか１つ以上を含む半導体チップ２２が、樹脂モールド部２３で封止されたパッケージである。
電子部品２は、例えば矩形の平面視形状を有しており、半導体チップ２２を含むために、電子部品２の発熱量は非常に大きい。このため図２に示すように電子部品２は放熱板２４を有した構成が多い。この放熱板２４が、例えば、はんだなどの金属の接合材７ｂにより、熱拡散板３１の主面３１１上に接合されている。このようにすれば、電子部品２の半導体チップ２２からの発熱を、放熱板２４を介して効率的に放熱することができる。このように、電子部品２は、リード端子２１、半導体チップ２２、樹脂モールド部２３および放熱板２４を有している。
ここで、電子部品２の具体例としては、ＭＯＳＦＥＴなどのパッケージとしてＴＯ−２６３が挙げられる。図４にはＴＯ−２６３を上面側から見た平面図を示す。このパッケージは表面実装タイプであり、下面側に放熱板を有し、リード端子ＬＴは、樹脂モールド部ＭＲの１つの側面から突出し、下面側に折れ曲がり、その長さは放熱板と同一面上に達する長さしかないので、本実施の形態のように放熱板２４が熱拡散板３１上に接合され、リード端子２１がプリント基板１上に接合される構成においては、プリント基板１に達するように、リード端子を長くすることとなる。
一方、図５に示すＴＯ−２２０のようにリード端子ＬＴが長いスルーホール実装タイプのパッケージについては、リード端子ＬＴを曲げて加工することで、本実施の形態のように放熱板２４が熱拡散板３１上に接合された構成にも対応でき、汎用品が使用できるので、製造コストを低減できる。
ここで再び図２の説明に戻る。図２に示されるように、放熱板２４は、その上面の一部およびリード端子２１側の側面が樹脂モールド部２３で覆われている。これにより放熱板２４は樹脂モールド部２３に対して固定される。ただしこれは一例であり、これに限定されるものではなく、放熱板２４の下面以外の全てが樹脂モールド部２３で覆われた構成であっても良い。
半導体チップ２２の一部の端子部と電気的かつ熱的に接続されている放熱板２４が電子部品２にあることにより、熱拡散板３１との接合が容易となる。例えば、半導体チップ２２のみを有しており放熱板２４がないベアのチップのみである電子部品２を熱拡散板３１に接合させる場合は、ゲート端子やソース端子、ドレイン端子などの一部の端子からワイヤボンディングなどを用いて端子からの電気的接続をしなければならない。プリント基板実装上の工程では、通常ではワイヤボンディング工程が入っていないため、別の工程でボンディングワイヤなどを接続する必要があり、高コストとなる。また、熱拡散板３１に半導体チップ２２を直接配置する場合、熱拡散板３１の表面の平坦性が高くなければ、チップがチップ２２に傾きが生じ、不良となるケースが増える。また、半導体チップ２２の熱を放熱板２４により広げてから熱拡散板３１へさらに熱を広げることを行わずに、半導体チップ２２から直接、熱拡散板３１に熱を広げる場合は、両者の間にわずかなボイドがあれば、著しく伝熱性を低下させてしまう。従って、実装上の信頼性の面からも、電子部品２は、半導体チップ２２と放熱板２４を有し、放熱板２４が熱拡散板３１と接合されていることが望ましい。
樹脂モールド部２３は、接合材、例えば、はんだによる接合が難しいので、当該接合材と接触するように密着した構成となっている。電子部品２の樹脂モールド部２３は少なくとも接合材と接触した状態を有すれば、ある程度そこからプリント基板１側への放熱性を確保できる。ここで密着とは、複数の部材間が互いに接触し、接合よりも弱い吸着力を互いに及ぼしあうことと定義する。また放熱板２４と熱拡散板３１とは接合材７ｂにより接合されている。なお、樹脂モールド部２３が、接合材７ｂに密着していなくても良い。
熱拡散部３は、電子部品２から発生する熱を平面視で外側に放射状に拡散させる機能を有している。このため、電子部品２は、矩形の電子部品２のリード端子２１側、すなわち熱拡散部３の図１に向かって左側の側面以外の三方の側面の方向に熱が拡散するように熱拡散部３の左端に片寄って配置されている。このような配置とすることにより、熱拡散部３は、電子部品２から発生する熱を放射状に拡散させる効率を高めることができる。なお、電子部品２の配置は、これに限定されるものではなく、熱拡散部３の平面視形状も矩形に限定されるものではない。
熱拡散部３は、熱拡散板３１を備えており、熱拡散板３１は、例えば銅により形成されることが好ましい。このようにすれば、熱拡散板３１の熱伝導性すなわち放熱性を高めることができる。熱拡散板３１は、表面に銅などの金属膜が形成された酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムなどの熱伝導性の良いセラミック材料で構成されても良い。
また、熱拡散板３１は、銅合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金などの群から選択される何れかの合金材料の表面に、ニッケルめっき膜および金めっき膜が施された金属材料で構成されても良い。この熱拡散板３１は、例えば、はんだなどの接合材７ａ（第１の接合材）により、プリント基板１の上側主面１１ａ上の上側導体層１２に接合されている。
電子部品２と熱拡散部３の熱拡散板３１とは、例えば、はんだなどの接合材７ｂ（第２の接合材）により接合されている。より具体的には、電子部品２の放熱板２４と熱拡散部３の熱拡散板３１とは、接合材７ｂを介して接合されている。電子部品２内の半導体チップ２２の下面から放熱板２４に向けて電流が流れるような場合、熱拡散板３１を例えば金属材料のような導電性材料とすれば、電子部品２とはんだなどの接合材７ｂで接合される熱拡散板３１には電気が通るため、プリント基板１の上側導体層１２における電気抵抗を下げることができる。これにより熱拡散板３１は、電子部品２からの熱を拡散するだけでなく、プリント基板１に設けられた上側導体層１２などの導通損失を低減することもできる。
熱拡散板３１は、電気配線として使用される導体のバスバーを用いても良い。バスバーは、銅などの材料が用いられることが多く、電気伝導度が高く、熱伝導率が高いので、汎用的に使用されているバスバーを熱拡散板３１として用いることができる。また、バスバーは、熱拡散板として用いるだけでなく、プリント基板どうしを接続する場合にも応用できる。
以上説明したように、熱拡散部３は、はんだなどの接合材７ｂにより電子部品２と接合されると共に、はんだなどの接合材７ａによりプリント基板１の上側主面１１ａに接合される。これにより、電子部品２から発する熱を接合材７ａおよび７ｂを介して熱拡散部３に放射状に伝え、上側主面１１ａの方向に拡散させることができる。このため電子部品２から熱拡散部３に熱を拡散させた後、熱拡散部３から下方の放熱部４への伝熱が可能となる。
また、熱拡散板３１は、プリント基板１の複数の放熱用ビア１５の孔部の上方を覆うように接合材７ａにより、プリント基板１の上側主面１１ａに接合される。一方、電子部品２の放熱板２４は、接合材７ｂにより、熱拡散板３１の主面３１１に接合される。
なお、図１および図２においては領域１Ａには放熱用ビア１５が形成されないため、熱拡散板３１も配置されていないが、複数の電極１９等との電気的な接触を回避できるのであれば、領域１Ａに熱拡散板３１を配置しても良い。
また、各導体部材間を接合する接合材としてはんだを用いた場合、接合材とこれに接合される電子部品２、上側導体層１２および熱拡散板３１のそれぞれとの接合界面で金属間化合物が形成され、当該接合界面における接触熱抵抗を小さくできる。このため接合材としては、はんだが用いられることが好ましいが、導電性接着剤またはナノ銀ペーストなどのはんだ以外の熱伝導性の良好な材料を用いても良い。
熱拡散部３は、プリント基板１よりも曲げ剛性が高い、すなわちヤング率と断面の２次モーメントとの積が大きいことが好ましい。これにより、半導体装置１００におけるプリント基板１と熱拡散板３１とで構成される構造体の剛性を高め、固定および振動などの外力に対してプリント基板１を変形しにくくすることができ、プリント基板１の表面実装タイプの抵抗、コンデンサなどが割れることによる不良率が減り、信頼性が向上する。
熱拡散板３１は、その厚さが薄くなると熱伝導性が低下し、電子部品２に対する放熱性が充分でなくなる。一方、熱拡散板３１が厚すぎれば、電子部品２をプリント基板１に取り付ける装置（マウンタ）と同じマウンタを用いて熱拡散板３１をプリント基板１に実装することができなくなる。これは、熱拡散板３１の厚さが、当該マウンタが実装可能な部品の厚さの上限値を超えてしまったためである。このような場合、同じマウンタを用いて自動的に熱拡散板３１を実装ができなくなるため実装コストが増加する。従って、熱拡散板３１の厚さは、０．１ｍｍ以上１００ｍｍ以下とすることが好ましく、例えば０．５ｍｍ程度とすることが好ましい。
また、熱拡散板３１は、板状ではなくブロック状であっても良い。また、熱拡散部３は、複数の熱拡散板３１が重ね合わせられた構成であっても良い。汎用的に使用されている金属板を重ね合わせて金属材料で接合された熱拡散部３を形成することにより、熱拡散部３の製造コストを低減することができ、かつ熱拡散部３の放熱性を向上させることができる。
次に放熱部４について説明する。放熱部４はプリント基板１の下側主面１１ｂ上に、例えば全面に渡るように設けられており、放熱部材４１と冷却体４２とを有している。プリント基板１と放熱部４とは例えば接合材により互いに接合されても良いし、単に接触して密着するだけでも良い。図２の半導体装置１００においては、一例として、図２の上側から下側に向けて、電子部品２、熱拡散部３、プリント基板１、放熱部材４１、冷却体４２の順に積層されている。この場合、冷却体４２は、半導体装置１００の外側と電気的に接続されている場合が多いので、冷却体４２と下側導体層１３とは放熱部材４１を介して絶縁されていることが良い。しかし、図２の上側から下側に向けて冷却体４２、放熱部材４１の順に積層されている場合は、冷却体４２と下側導体層１３とは絶縁されていなくても良い。
放熱部４がプリント基板１の下側主面１１ｂ側の全面に渡るように設けられる場合、放熱部４はプリント基板１の全ての第１の放熱用ビア１５ａおよび第２の放熱用ビア１５ｂと平面視において重なるように配置される。ただし、複数の放熱用ビア１５のうち少なくとも一部が、平面視において放熱部４と重なるように配置される構成でも良い。換言すれば、放熱部４がプリント基板１の下側主面１１ｂの少なくとも一部のみと重なる構成であっても良い。例えば、電子部品２と平面視において重なる領域およびそれに隣接する領域に対応する下側主面１１ｂの領域のみに放熱部４が密着する構成であっても良い。
放熱部材４１は、電気絶縁性を有し、熱伝導性の良い材料により構成されることが好ましい。具体的には、放熱部材４１は、シリコーン樹脂に酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムなどの粒子を混入させたシートにより構成されることが好ましい。酸化アルミニウムおよび窒化アルミニウムは、熱伝導性が良く電気絶縁性を有する。また、放熱部材４１は、上記構成の代わりにシリコーン系グリスまたはシリコーン系接着剤であっても良い。この場合、放熱部材４１は、熱伝導性が高ければ非シリコーン系材料であっても良い。
放熱部材４１は、熱伝導率の良い導体層と電気絶縁層とで構成されていても良い。放熱部材４１は、電子部品２からの熱を熱拡散板３１を介して電子部品２の外側に拡散させ、拡散された熱を放熱用ビア１５により、プリント基板１の下側導体層１３に伝熱する。放熱部材４１が熱拡散できる導体層を有していれば、当該導体層において熱をさらに平面視において放射状に拡散させることができる。
冷却体４２は、例えば、熱伝導性の良い金属材料で構成される平面視形状が矩形の平板形状の部材である。具体的には、冷却体４２は、例えばアルミニウムにより構成されることが好ましいが、他に銅、アルミニウム合金、またはマグネシウム合金により構成されても良い。冷却体４２は放熱部材４１の真下または真上に配置される。図２においては、冷却体４２は、放熱部材４１を介してプリント基板１と熱的に接続されている。換言するなら、冷却体４２の上側または下側の主面上に放熱部材４１が接触し密着、または接合されていると言える。なお、冷却体４２は筐体であっても良い。
また、図示されないが、冷却体４２のさらに下側には、水冷または空冷の冷却機構、例えば、水冷パイプまたは放熱フィンが接触するように設けられている。
＜製造方法＞
次に、製造工程における断面図を示す図６〜図１０を用いて、電子部品２および熱拡散部３の実装工程を中心に半導体装置１００の製造方法を説明する。
図６に示す工程において、上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４などの複数の導体層と、複数の導体層の間に挟まれた絶縁層１１とを有して階層構造をなし、当該階層構造を厚み方向に貫通する複数の放熱用ビア１５を有するプリント基板１を準備する。このようなプリント基板１の製造には公知の技術を用いることができるので、説明は省略する。
そして、図６に示されるように、プリント基板１の上側主面１１ａ上、すなわち上側導体層１２上に、はんだペースト６ａを載置する。はんだペースト６ａは、例えばプリント基板１に設けられた互いに隣り合う放熱用ビア１５間の上側導体層１２上に、平面視においてドット状に供給されることが好ましい。より具体的には、はんだペースト６ａは、複数の放熱用ビア１５のそれぞれの孔部の外縁からプリント基板１の上側主面１１ａに沿う方向に１００μｍ以上離れた位置に、例えば公知のはんだ印刷法によりメタルマスクを用いた印刷により載置されることが好ましい。
次に、はんだペースト６ａの上に熱拡散部３を構成する熱拡散板３１を搭載し、その状態で公知の加熱リフロー処理を実施する。なお、熱拡散部３を搭載する工程は、先に説明したマウンタにより自動的に実施される。
また、プリント基板１上に、熱拡散板３１が配置される個所の周りの一部もしくは全部に凸部を形成して熱拡散板３１の移動を規制する構成とすることで、加熱リフロー処理中および搬送中に、熱拡散板３１が動くことを軽減することができ、実装不良を減らすことができる。凸部は、公知のレジスト印刷で使用されるソルダーレジストで構成することができる。また、公知のシルク印刷またはシンボル印刷で使用される、樹脂または銅などの金属で構成しても良い。これらを用いれば、一般的なプリント基板製造工程において凸部を形成できるため、特殊な工程を必要とせず安価に製造可能となる。また、凸部としては上述した印刷法により形成する以外に、凸部のパターンを有する樹脂シートをプリント基板１に貼付して形成しても良く、また、これらの形成方法を適宜組み合わせて形成しても良い。また、凸部の材料としては、はんだの接合材７ａに対して濡れにくい材料を用いても良い。
加熱リフロー処理によりはんだペースト６ａは溶融して上側導体層１２の表面すなわち上側主面１１ａに沿うように流動し、図７に示されるように層状の接合材７ａが形成される。なお、この場合、溶融して流動する接合材７ａは、第１の放熱用ビア１５ａおよび第２の放熱用ビア１５ｂ内には流入しない。これは、先に説明したように第１の放熱用ビア１５ａおよび第２の放熱用ビア１５ｂの孔部の外縁から離れた領域にはんだペースト６ａを印刷しているためである。また、各はんだペースト６ａの量も適量に計算されているためである。接合材７ａによる接合後は、その実装状態を検査する外観検査が実施される。
次に、図８に示す工程において、熱拡散板３１上およびプリント基板１の上側主面１１ａ上の電極１９上に、それぞれはんだペースト６ｂおよび６ｃを載置する。はんだペースト６ｂおよび６ｃは、例えば公知のはんだ印刷法によりメタルマスクを用いた印刷により載置されることが好ましい。
次に、はんだペースト６ｂの上に電子部品２を搭載し、はんだペースト６ｃの上に電子部品２のリード端子２１が接するようにする。その状態で公知の加熱リフロー処理を実施する。なお、電子部品２を搭載する工程は、先に説明したマウンタにより自動的に実施される。
加熱リフロー処理によりはんだペースト６ｂは溶融して熱拡散板３１の上側主面に沿うように流動し、図９に示されるように層状の接合材７ａとして形成される。なお、電子部品２の樹脂モールド部２３の下にも接合材７ｂは流入するが、樹脂材料に対しては接合せず、単に接合材７ｂが樹脂モールド部２３に接触し密着することとなる。
加熱リフロー処理では、同時にはんだペースト６ｃも溶融し、層状の接合材７ｃとなってリード端子２１と電極１９とを互いに接合する。接合材７ａおよび７ｃによる接合後、その実装状態を検査する外観検査工程が実施される。このように表面実装基板であるプリント基板１には、表面実装タイプの電子部品２を用いることで、電子部品２をマウンタにより自動的にプリント基板１に実装することができる。
次に、図１０に示す工程において、プリント基板１の下側導体層１３と接するように放熱部材４１を配置し、放熱部材４１に接するように冷却体４２を配置し、互いに密着させることで放熱部４が設けられる。なお、上記とは逆に冷却体４２を下側導体層１３と接するように配置し、冷却体４２に放熱部材４１が下側に配置されるように積層して放熱部４としても良い。なお、プリント基板１と放熱部４の各部材とは、例えば、はんだ等の接合材により互いに接合されても良い。以上の工程を経て、図２に示した半導体装置１００が得られる。
次に、製造工程における断面図を示す図１１〜図１３を用いて、電子部品２および熱拡散部３の実装工程を中心に半導体装置１００の他の製造方法を説明する。
図１１に示す工程において、電子部品２が接合された熱拡散板３１を準備する。熱拡散板３１に電子部品２を接合する際のはんだペーストは、後の工程で使用されるはんだペーストよりも高融点であり、熱拡散板３１と電子部品２とを接合する接合材７ｇは、後の加熱リフロー処理により再溶融することはない。
次に、図１２に示す工程において、上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４などの複数の導体層と、複数の導体層の間に挟まれた絶縁層１１とを有して階層構造をなし、当該階層構造を厚み方向に貫通する複数の放熱用ビア１５を有するプリント基板１を準備する。
そして、図１２に示されるように、プリント基板１の上側主面１１ａ上、すなわち上側導体層１２上に、はんだペースト６ａを載置する。はんだペースト６ａは、例えばプリント基板１に設けられた互いに隣り合う放熱用ビア１５間の上側導体層１２上に、平面視においてドット状に供給されることが好ましい。より具体的には、はんだペースト６ａは、複数の放熱用ビア１５のそれぞれの孔部の外縁からプリント基板１の上側主面１１ａに沿う方向に１００μｍ以上離れた位置に、例えば公知のはんだ印刷法によりメタルマスクを用いた印刷により載置されることが好ましい。また、プリント基板１の上側主面１１ａ上の電極１９上に、はんだペースト６ｃを載置する。はんだペースト６ｃは、例えば公知のはんだ印刷法によりメタルマスクを用いた印刷により載置されることが好ましい。
次に、図１３に示す工程において、はんだペースト６ａの上に電子部品２と接合された熱拡散板３１を搭載する。この場合、はんだペースト６ｃの上に電子部品２のリード端子２１が接するようにする。この状態で公知の加熱リフロー処理を実施する。なお、電子部品２と接合されている熱拡散板３１を搭載する工程は、先に説明したマウンタにより自動的に実施される。
加熱リフロー処理によりはんだペースト６ａは溶融して上側導体層１２の表面すなわち上側主面１１ａに沿うように流動し、図２に示したような層状の接合材７ａが形成される。なお、この場合、溶融して流動する接合材７ａは、第１の放熱用ビア１５ａおよび第２の放熱用ビア１５ｂ内には流入しない。これは、先に説明したように第１の放熱用ビア１５ａおよび第２の放熱用ビア１５ｂの孔部の外縁から離れた領域にはんだペースト６ａを印刷しているためである。また、各はんだペースト６ａの量も適量に計算されているためである。
また、加熱リフロー処理では、同時にはんだペースト６ｃも溶融し、図２に示したような層状の接合材７ｃとなってリード端子２１と電極１９とを互いに接合する。接合材７ａおよび７ｃによる接合後、その実装状態を検査する外観検査工程が実施される。
なお、加熱リフロー処理では、電子部品２と熱拡散板３１とを接合している接合材７ｇは再溶融しない。これは、熱拡散板３１に電子部品２を接合する際のはんだペーストは、はんだペースト６ａよりも高融点であり、また、加熱リフロー処理での温度設定を、はんだペースト６ａの融点よりも高く、接合材７ｇが溶融しない温度に設定するためである。
以上説明した製造方法を採る場合、製造工程上での加熱リフロー工程は１回で済み、製造効率が高くなり、製造コストを低減できる。
＜作用および効果＞
次に、図１４〜図１９を用いて、本実施の形態の作用および効果について説明する。図１４は、半導体装置１００を上方から見た平面図であり、熱の伝導経路を矢印で模式的に示している。図１５は、図１４におけるＡ−Ａ線での矢視断面図であり、熱の伝導経路を矢印で模式的に示している。
図１５に示されるように、電子部品２から発生した熱の一部は、図１５中に矢印で表された熱Ｈ１のように、電子部品２の下方の熱拡散板３１とプリント基板１中に設けられた第１の放熱用ビア１５ａを通って下方の放熱部４側に伝導する。これと共に、当該熱Ｈ１は熱拡散板３１、上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４を通ることにより、電子部品２の周囲（外側）に向けて放射状に拡散する。
また、電子部品２から発生した熱の一部は、図１４および図１５中に矢印で表された熱Ｈ２のように、プリント基板１の主面に沿う方向に熱拡散板３１中を伝導し、電子部品２の外側に向けて放射状に拡散される。これは電子部品２と熱拡散板３１とを接合する接合材７ａがはんだなどの導電材であり、熱伝導性に優れるためである。また熱拡散板３１に伝わった熱は、その下方のプリント基板１に形成された第２の放熱用ビア１５ｂを通って下方の放熱部４側に伝導する。第２の放熱用ビア１５ｂを通った熱Ｈ２についても、その一部は上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４を通ることにより、電子部品２の周囲（外側）に向けて放射状に拡散する。
このように本実施の形態においては、電子部品２の熱が第１の放熱用ビア１５ａを介して下方の放熱部４側に伝わるルートと、第２の放熱用ビア１５ｂを介して外側に伝わるルートとの２つのルートを経由して伝導できる。このように２つのルートで熱伝導できるのは、熱拡散板３１が電子部品２と同じく上側主面１１ａ上に接合されていることにより、電子部品２から発生した熱が接合材７ａおよび７ｂを経由して高効率に熱拡散板３１を伝わり、そこから高効率に放熱部４に伝導させることができるためである。また、プリント基板１の主面と交差する方向に延びる第１の放熱用ビア１５ａおよび第２の放熱用ビア１５ｂと、プリント基板１の主面に沿うように設けられた上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４とが、互いに交差接続しているためである。
この効果は、熱拡散板３１と、プリント基板１の下側主面１１ｂ上に配置される放熱部４の存在により、いっそう高められる。
プリント基板１内を下方に移動した熱Ｈ１および熱Ｈ２は、電子部品２と熱拡散板３１との真下、およびその外側の領域に対応する下側導体層１３に到達する。次に熱Ｈ１および熱Ｈ２は、下側導体層１３下の放熱部材４１を通って冷却体４２に伝導される。冷却体４２に伝導された熱Ｈ１および熱Ｈ２は、図示されない水冷または空冷の冷却機構により冷却される。
以上のように本実施の形態の半導体装置１００は、第１の放熱用ビア１５ａを通るルートおよび第２の放熱用ビア１５ｂを通るルートを介して放熱させることが可能な構成を有している。このため、電子部品２の下方の第１の放熱用ビア１５ａのみから放熱可能な場合、または、電子部品２から離れた第２の放熱用ビア１５ｂのみから放熱可能な場合に比べて、下方への放熱の効率を大幅に高めることができる。
また、熱拡散板３１がプリント基板１の上側主面１１ａ上になく、プリント基板１の下側主面１１ｂ上にのみ配置される場合は、プリント基板１の下側主面１１ｂまでの熱抵抗が小さいのであれば熱拡散板３１の効果が高い。しかし、熱拡散板３１に熱が伝わる経路としては、電子部品２の下放の第１の放熱用ビア１５ａのみから放熱部４に熱が伝わるルートがメインとなり、熱抵抗が大きくなる。
特に、本実施の形態の半導体装置１００における第２の放熱用ビア１５ｂからの放熱効率を高める効果は、熱拡散板３１が配置されることによる寄与が非常に大きい。熱拡散板３１が配置されることにより、これが配置されない場合に比べて、放熱部材４１を介して冷却体４２に、より効率的に放熱することができる。
なお、本実施の形態の半導体装置１００においては、例えば、図１および図１４に示すように、熱拡散板３１の真下の領域だけでなく、熱拡散板３１の外側にも放熱用ビア１５を設けている。これにより、電子部品２から発生する熱を熱拡散板３１の真下の領域の放熱用ビア１５を通って下方に伝えるだけでなく、熱拡散板３１の外側に向けて拡散させた熱も、放熱用ビア１５を通って下方に伝えることができる。
なお、先に説明したように、上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４は、熱拡散板３１と同様に、電子部品２から発生する熱を外周側に向けて放射状に拡散させることができる。しかし、上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４の厚さは、３５μｍ程度であり熱抵抗が大きく充分に熱を放射状に拡散することができない。そこで、上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４の厚さを５００μｍ程度に厚くすることも考えられるが、製造コストが高くなり、配線パターンの微細化も困難となる。しかし、熱拡散板３１を用いることで、上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４の厚さは３５μｍ程度でも良く、製造コストを抑えた設計で、かつ配線パターンの微細化も可能となる。
また、放熱可能な領域の面積が大きくすれば、放熱性を高める効果がより大きくなるので、放熱用の冷却体４２とプリント基板１との接触面積をさらに大きくすれば、放熱性をさらに向上させることができる。
次に、放熱用ビア１５および熱拡散板３１を有することにより、放熱用ビア１５のみを有する場合に比べて放熱の効率がどの程度向上するかについて、図１６を用いて説明する。具体的には、半導体装置１００のように放熱用ビア１５および熱拡散板３１の双方を有する構成と、その比較例として第２の放熱用ビア１５ｂおよび熱拡散板３１を有さず第１の放熱用ビア１５ａのみを有する構成との熱伝導による放熱抵抗について、熱抵抗値を用いて考察した結果を図１６に示す。
ここで「熱抵抗」とは温度の伝えにくさを表す指標であり、単位発熱量当たりの温度上昇値で定義される。本実施の形態の半導体装置１００において、電子部品２から筐体３３までの上下方向の領域の熱抵抗（Ｒｔｈ）は、以下の数式（１）により表される。なお、数式（１）において、各部材の伝熱面積をＳｉ（ｍ２）、各部材の厚さをｌｉ（ｍ）、各部材の熱伝導率をλｉ（Ｗ／（ｍ・Ｋ））とし、通過熱量をＱ（Ｗ）、高温側および低温側の温度をそれぞれＴｈｉ（Ｋ）、Ｔｌｉ（Ｋ）とする。
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ここで、熱抵抗の計算に用いたモデルを説明する。プリント基板１の平面視における寸法は、２５×２５ｍｍ、厚さは１．６５ｍｍである。電子部品２の平面視における寸法は、１０×１０ｍｍであり、プリント基板１の中央部に配置されているものとする。すなわち、電子部品２を上方から見た場合の四方の各端縁部と、プリント基板１を上方から見た場合の四方の各端縁部との間隔は、何れもほぼ等しくなる。上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４は、何れも厚さが１０５μｍで、図２に示したように４層構造である。プリント基板１においては、上方からの平面視において電子部品２と重なる部分に２５個の第１の放熱用ビア１５ａが何れも等間隔に設けられ、その周囲に６３個の第２の放熱用ビア１５ｂが何れも等間隔に設けられている。放熱用ビア１５は円柱形状であり、その孔部を上方から見た直径は０．６ｍｍ、孔部の内壁面上の導体膜の厚さは０．０５ｍｍである。
また、上記モデルにおける熱拡散部３の熱拡散板３１は、平面視における外形寸法が２０×１５ｍｍ、厚さは１ｍｍであり、放熱用ビア１５を上方から覆っている。放熱部材４１の平面視における寸法は２０×１５ｍｍ、厚さは０．４ｍｍである。
また、上記モデルにおける上側導体層１２、下側導体層１３、内部導体層１４、導体膜１０および熱拡散板３１は銅で構成され、熱伝導率は３９８Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。また放熱部材４１の熱伝導率は２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
本実施の形態の半導体装置１００のモデルと比較例のモデルとは、放熱用ビア１５の数が、比較例では第１の放熱用ビア１５ａのみであるのに対し、本実施の形態では第１の放熱用ビア１５ａと第２の放熱用ビア１５ｂとを有することと、比較例では熱拡散板３１を有さず、本実施の形態では熱拡散板３１を有することのみが異なっており、上記の寸法を含む他の構成は全て同一となっている。
上記モデルを用いて、半導体装置１００と比較例とについて、数式（１）に基づく熱解析ソフトウェアを用いて熱抵抗値をシミュレーションした結果が図１６である。図１６における「比較例」は比較例のモデルによる熱抵抗値を示し、「実施の形態１」は本実施の形態の半導体装置１００のモデルによる熱抵抗値を示す。図１６において縦軸は熱抵抗を表す。
図１６に示されるように、本実施の形態の半導体装置１００のように第２の放熱用ビア１５ｂおよび熱拡散板３１を設けることにより、これらを設けない比較例に比べて、熱抵抗を約５３％低減することができる。熱抵抗が小さいことは放熱性が高いことを意味するため、この結果から、本実施の形態の半導体装置１００のように第２の放熱用ビア１５ｂおよび熱拡散板３１を設けることにより、これらを設けない比較例に比べて、放熱性を向上できることが判る。
次に、図１７〜図１９を用いて、熱拡散板３１に接合される放熱用ビア１５を配置すべき領域について検討した結果を説明する。図１７および図１８は、上述した熱抵抗の計算に用いた本実施の形態の半導体装置１００のモデルをほぼ体現しており、電子部品２を上方から見た場合の領域１Ａ側を除く三方の各端縁部と、熱拡散板３１を上方から見た場合の領域１Ａ側を除く三方の各端縁部との間隔をＬ１，Ｌ２，Ｌ３で示している。
上記のモデルにおいては、電子部品２を上方から見た場合の三方の各端縁部と、熱拡散板３１を上方から見た場合の三方の各端縁部との距離はほぼ等しいため、距離Ｌ１〜Ｌ３は何れもほぼ等しい。なお、半導体装置１００においては、基本的に領域１Ａには第２の放熱用ビア１５ｂが形成されず、図１７および図１８の領域１Ａには第２の放熱用ビア１５ｂが存在しないが、参考のため、領域１Ａの幅を距離Ｌ４で示している。
図１９は、横軸に電子部品２を上方から見た場合の各方向の端縁部と、熱拡散板３１を上方から見た場合の各方向の端縁部との距離Ｌ（Ｌ１〜Ｌ３に相当）を単位ｍｍで示し、縦軸は、当該距離を変えた場合の半導体装置１００の熱抵抗値（単位Ｋ／Ｗ）を示している。
図１９に示されるように、距離Ｌ（Ｌ１〜Ｌ３に相当）が大きくなるにつれて、すなわち熱拡散板３１および第２の放熱用ビア１５ｂが設けられる領域が広くなるにつれて、熱抵抗が小さくなり放熱効率が向上することが判る。しかし、距離Ｌの値が２０ｍｍになると熱抵抗値の低下が飽和するので、距離Ｌをこれ以上大きくして、距離Ｌ１〜Ｌ３が２０ｍｍ以上となった熱拡散板３１と放熱用ビア１５とを接合材７ａで接合させても、距離Ｌ１〜Ｌ３が２０ｍｍ以下の熱拡散板３１と放熱用ビア１５とを接合材７ａで接合させた場合に比べて、熱抵抗値の変化量が小さくなることが判る。
このことから、熱拡散板３１は、上記Ｌ１〜Ｌ３の距離が２０ｍｍ以内の大きさとし、第２の放熱用ビア１５ｂと接合されるように構成することが好ましいと言える。
なお、本実施の形態においては、プリント基板１の第１の放熱用ビア１５ａが設けられた第１の領域の周囲の第２の領域に第２の放熱用ビア１５ｂが設けられている。このため第２の放熱用ビア１５ｂを設けない場合に比べてプリント基板１の機械的な剛性が低下している。しかし、プリント基板１の上側主面１１ａ上の上側導体層１２に熱拡散板３１を接合材７ａで接合することにより、プリント基板１と熱拡散板３１とで構成される構造体の曲げ剛性は、プリント基板１単体の曲げ剛性よりも高くなる。このためプリント基板１の変形を抑制することができる。
また、特許文献３に開示の半導体装置の構成は、上方から電子部品、プリント基板、熱拡散板、放熱部となっており、熱拡散板がプリント基板の下にある。この構成では、熱拡散板を設けない場合に比べて熱抵抗が２５％低減している。一方、本実施の形態の半導体装置１００においては、熱抵抗は、熱拡散板がある場合はない場合に比べて、約５３％低減でき、特許文献３に開示の半導体装置よりも熱抵抗が半分以下となり、放熱性が非常に高くなっている。
放熱性が高いことで、放熱部品を小さくまたは削減することができるため、部品コストを低減することができる。また、特許文献３に開示の半導体装置の構成では、プリント基板の上側主面上に電子部品を配置し、下側主面上に熱拡散板を配置するので、製造工程において加熱リフロー工程が最低でも２回必要となり、製造コストが高くなる可能性がある。これに対して、本実施の形態の製造方法では、加熱リフロー工程を１回にすることもでき、製造コストを低減することができる。
＜実施の形態２＞
＜装置構成＞
図２０は、本発明に係る実施の形態２の半導体装置２００の構成を示す平面図であり、半導体装置１００を上方から見た上面図である。図２１は、図２０のＢ−Ｂ線での矢視断面図である。なお、以下においては、プリント基板１の電子部品２を搭載する面を上面、その反対側を下面とし、半導体装置２００の上方とは電子部品２を搭載した上面側とする。
なお、図２０および図２１においては半導体装置２００の特徴部を示しており、必ずしも半導体装置２００の全体構成を示すものではないが、この特徴部だけで半導体装置２００を構成することも可能である。
また、図２０および図２１においては、図１および図２を用いて説明した実施の形態１の半導体装置１００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図２０および図２１に示されるように、半導体装置２００においては、プリント基板１の上面側に設けられた熱拡散部３の上に電子部品２が搭載され、プリント基板１の下面側に放熱部４が設けられている。そして、上側導体層１２上の、平面視において第１の放熱用ビア１５ａおよび第２の放熱用ビア１５ｂに隣接する領域において、平面視で第１の放熱用ビア１５ａおよび第２の放熱用ビア１５ｂの孔部の周りを囲むように、例えば円形状の凸部８が形成されている。半導体装置２００は、この凸部８を有する点において実施の形態１の半導体装置１００と異なっている。
凸部８は例えばソルダーレジストにより構成されており、上側導体層１２の上面から上方に突出する形状を有している。このように、プリント基板１の上側主面１１ａ上に凸部８を設け、電子部品２および熱拡散部３は、プリント基板１の上方からの平面視において凸部８と重なるように配置されている。なお、図２１においては、凸部８の断面形状は台形状として示しているが、これは一例であり、断面形状は半円形状、半楕円形状、矩形状などでも良く、これら以外の断面形状であっても良い。
＜製造方法＞
次に、図２２および図２３を用いて、凸部８の製造工程を中心に半導体装置２００の製造方法を説明する。
凸部８は、例えばプリント基板の製造工程において公知のレジスト印刷で使用されるソルダーレジストで構成することができるが、公知のシルク印刷またはシンボル印刷で使用される、樹脂または銅などの金属で構成しても良い。これらを用いれば、一般的なプリント基板製造工程において凸部８を形成できるため、特殊な工程を必要とせず安価に製造可能となる。また、凸部８としては上述した印刷法により形成する以外に、凸部８のパターンを有する樹脂シートをプリント基板１に貼付して形成しても良く、また、これらの形成方法を適宜組み合わせて形成しても良い。また、凸部８の材料としては、はんだの接合材７ａに対して濡れにくい材料を用いても良い。
図２２は、上述した製造方法および材料を用いてプリント基板１の上側主面１１ａ上に凸部８を形成したプリント基板１を上方から見た上面図であり、図２３は、図２２のＢ−Ｂ線での矢視断面図である。
図２２および図２３で示されるように、プリント基板１の上側主面１１ａには、平面視で全ての第１の放熱用ビア１５ａおよび第２の放熱用ビア１５ｂの孔部の周りを囲むように円形状の凸部８が設けられている。
このような複数の凸部８が設けられたプリント基板１の上側主面１１ａ上に、複数の凸部８と重なるように、電子部品２および熱拡散板３１を搭載し接合することで、図２０および図２１に示される半導体装置２００を得る。なお、半導体装置２００の半導体装置の製造方法は、複数の凸部８が設けられたプリント基板１を準備する以外は、図６〜図１０および図１１〜図１３を用いて説明した実施の形態１の製造方法と同じである。
＜作用および効果＞
次に、本実施の形態の作用および効果について説明する。本実施の形態は実施の形態１と同様の効果に加え、以下に説明する作用効果を奏する。
第１の放熱用ビア１５ａおよび第２の放熱用ビア１５ｂの孔部の周りを囲むように円形状の凸部８が設けた場合、図６に示したように、上側導体層１２上にはんだペースト６ａを載置し、その上に熱拡散板３１を搭載して加熱リフロー処理を実施した場合、溶融したはんだペースト６ａが第１の放熱用ビア１５ａおよび第２の放熱用ビア１５ｂの孔部内に進入することを抑制する効果がある。
すなわち、凸部８を設けることにより、凸部８が上側導体層１２から突出する高さの分だけ、上側導体層１２と熱拡散板３１との上下方向の間隔が広くなり、上側導体層１２と放熱板２４との上下方向の間隔が広くなる。このため、はんだペースト６ａが溶融して形成された接合材７ａは、上側、すなわち放熱板２４および熱拡散板３１側に引っ張られるように応力を受けながら熱拡散板３１に接合される。この結果、図２１に示されるように、接合材７ａの断面形状は放熱用ビア１５の孔部の上方ではアーチ状となる。
このため上側導体層１２と熱拡散板３１との間の領域において、接合材７ａが放熱用ビア１５内に流入し、放熱用ビア１５の内壁面を流動する可能性を低減することができる。この結果、接合材７ａが上側導体層１２とその真下の冷却体４２と電気的に短絡する可能性を低減することができ、半導体装置２００全体の信頼性を高めることができる。
また、上側導体層１２上において凸部８と重なるように熱拡散板３１を搭載することで、上側導体層１２と、放熱板２４および熱拡散板３１との上下方向の間隔を制御することが容易にできる。すなわち、プリント基板１に接合される熱拡散板３１の下面と、上側導体層１２の上面との間隔は、凸部８を構成するソルダーレジストなどの印刷厚さ、または印刷位置を変更することにより制御することができる。この結果、上側導体層１２上における接合材７ａの厚さを管理することができ、接合材７ａによるはんだ付けの品質を向上させることができる。
また、先に説明したように、接合材７ａは上側導体層１２と熱拡散板３１との間の領域において熱拡散板３１の主面に沿って拡がるが、放熱用ビア１５内には流入せず、下側導体層１３側には接合材７ａが到達しない。このため接合材７ａにより、熱拡散部３の熱拡散板３１と、プリント基板１との接合部分が良好なフィレットを形成することとなる。この結果、外観検査により接合材７ａの接合状態の良否を容易に判定できるようになり、特に、マウンタなどの自動機により電子部品２などを搭載する場合において、その実装状態を検査する外観検査の効率を大幅に向上させることができる。
また、上側導体層１２の放熱用ビア１５に隣接する領域に、放熱用ビア１５の周囲を囲むように小径の凸部８をソルダーレジストで形成すると、凸部８は撥水撥油性を発揮する。このようなレジストは、接合材７ａとしてのはんだに対する濡れ性の良好な放熱板２４、熱拡散板３１および上側導体層１２に比べて、はんだに濡れないためである。放熱用ビア１５を取り囲む凸部８がはんだに濡れないことによっても、溶融されたはんだである接合材７ａが放熱用ビア１５内に流入することを抑制できる。これにより、はんだによる冷却体４２との電気的な短絡を抑制できる。また、放熱用ビア１５の孔部の周囲に凸部８が残存することで、接合材７ａに含まれるフラックスガスを放熱用ビア１５から外部にスムーズに排出することができる。このため接合材７ａ内におけるフラックスガスに起因するボイドの発生を抑制できる。
なお、凸部８は、放熱用ビア１５に隣接するだけでなく、例えば熱拡散板３１と上側導体層１２との間における任意の位置に形成しても良い。これにより、プリント基板１上に実装される熱拡散部３のプリント基板１に対する実装高さを一定に保つことができる。
また、プリント基板１の上側主面１１ａ上からの平面視において、熱拡散部３が実装される領域の四隅に凸部８をシンボルマークとして設けることにより、プリント基板１の上側導体層１２と熱拡散板３１のそれぞれの主面が互いにほぼ平行となるように配置し、実装することができる。また、熱拡散板３１を配置する際に重要となる位置決めの目印にすることも可能である。
また、凸部８をソルダーレジストまたは樹脂で構成する場合は、熱伝導率が接合材７ａよりも低くなるが、熱拡散板３１と上側導体層１２は、接合材７aにより金属接合されているので、熱伝導に関して凸部８の影響を受けることはない。
＜実施の形態３＞
＜装置構成＞
図２４は、本発明に係る実施の形態３の半導体装置３００の構成を示す断面図である。なお、半導体装置３００を上方から見た上面図は、図１に示した半導体装置１００と同じであり、図２４は、図１のＡ−Ａ線での矢視断面図に相当する。
なお、以下においては、プリント基板１の電子部品２を搭載する面を上面、その反対側を下面とし、半導体装置３００の上方とは電子部品２を搭載した上面側とする。
なお、図２４においては半導体装置３００の特徴部を示しており、必ずしも半導体装置３００の全体構成を示すものではないが、この特徴部だけで半導体装置３００を構成することも可能である。
また、図２４においては、図１および図２を用いて説明した実施の形態１の半導体装置１００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図２４に示されるように、実施の形態３の半導体装置３００においては、電子部品２と重なる複数の第１の放熱用ビア１５ａおよび熱拡散板３１と重なる複数の第２の放熱用ビア１５ｂの少なくとも一部の内部に、その内部の容積の１／３程度を占めるように接合材７ｄが設けられている。なお、電子部品２および熱拡散板３１の何れとも重ならない第２の放熱用ビア１５ｂの内部にも同様に接合材７ｄが設けられていても良い。半導体装置３００は、放熱用ビア１５の内部にも接合材７ｄを有する点において実施の形態１の半導体装置１００と異なっている。
＜製造方法＞
次に、製造工程における断面図を示す図２５〜図２７を用いて、電子部品２および熱拡散部３の実装工程を中心に半導体装置３００の製造方法を説明する。
図２５に示す工程において、上側導体層１２、下側導体層１３および内部導体層１４などの複数の導体層と、複数の導体層の間に挟まれた絶縁層１１とを有して階層構造をなし、当該階層構造を厚み方向に貫通する複数の放熱用ビア１５を有するプリント基板１を準備する。
そして、図２５に示されるように、プリント基板１の上側主面１１ａ上、すなわち上側導体層１２上に、はんだの酸化膜を除去するフラックス（図示せず）を介して、はんだ板６ｄを載置する。はんだ板６ｄを載置することで、放熱用ビア１５を真上から覆うこととなる。なお、はんだ板６ｄは、少なくともプリント基板１の第１の領域および第２の領域の少なくとも一部を覆う大きさを有してしている。
また、少なくともプリント基板１の第１の領域および第２の領域に対応する下側導体層１３上に、ポリイミドなどの耐熱テープ９を貼付する。耐熱テープ９は、少なくとも放熱用ビア１５の孔部を下側主面１１ｂ側から塞ぐように貼り付けられる。
次に、はんだ板６ｄの上に熱拡散部３を構成する熱拡散板３１を搭載し、その状態で公知の加熱リフロー処理を実施する。なお、熱拡散部３を搭載する工程は、先に説明したマウンタにより自動的に実施される。
加熱リフロー処理によりはんだ板６ｄは溶融して上側導体層１２の表面すなわち上側主面１１ａに沿うように流動し、図２６に示されるように放熱用ビア１５内にも侵入し、接合材７ｂが形成される。これは、はんだ板６ｄを放熱用ビア１５の孔部を覆うように配置したので、孔部上のはんだ板６ｄが溶融して放熱用ビア１５に侵入したためである。一方、第１および第２の領域における下側導体層１３上には耐熱テープ９が貼られているため、溶融したはんだ板６ｄは耐熱テープ９を越えて漏出することはなく、接合材７ｄは放熱用ビア１５の内部に止まる。なお、放熱用ビア１５内の全体に接合材７ｄが充填されても良いが、図２６に示すように、放熱用ビア１５内部の容積の１／３程度の体積分の接合材７ｄが充填されることが好ましい。
ここで、はんだ板６ｄを溶融させる加熱リフロー処理においては、プリント基板１の加熱によりはんだ板６ｄが溶融すれば、その溶融したはんだは放熱用ビア１５の内壁面に沿って流動し、加熱後、当該溶融はんだが塊状はんだとなって放熱用ビア１５内を塞ぐ。また供給するはんだ量が少なければ、放熱用ビア１５内のはんだの割合が少なくなるので、はんだ板６ｄの厚さを調整することで、放熱用ビア１５内部の接合材７ｄの体積を調整することができる。
次に、熱拡散板３１上に、はんだ板６ｅを載置する。また、プリント基板１の上側主面１１ａ上の電極１９上に、はんだの酸化膜を除去するフラックス（図示せず）を介して、はんだ板６ｆを載置する。そして、はんだ板６ｅ上に電子部品２を搭載し、はんだ板６ｆ上に電子部品２のリード端子２１が接するようにする。その状態で公知の加熱リフロー処理を実施する。なお、電子部品２を搭載する工程は、先に説明したマウンタにより自動的に実施される。
加熱リフロー処理によりはんだ板６ｅは溶融して熱拡散板３１の上側主面に沿うように流動し、図２４に示されるように層状の接合材７ｅとして形成される。なお、電子部品２の樹脂モールド部２３の下にも接合材７ｅは流入するが、樹脂材料に対しては接合せず、単に接合材７ｅが樹脂モールド部２３に接触し密着することとなる。
加熱リフロー処理では、同時にはんだ板６ｆも溶融し、層状の接合材７ｆとなってリード端子２１と電極１９とを互いに接合する。接合材７ｄ〜７ｆによる接合後、その実装状態を検査する外観検査工程が実施される。
放熱用ビア１５内のはんだが固化した後に耐熱テープ９を除去する。その後、プリント基板１の下側導体層１３と接するように放熱部材４１を配置し、放熱部材４１に接するように冷却体４２を配置し、互いに密着させることで放熱部４が設けられる。なお、プリント基板１と放熱部４の各部材とは、例えば、はんだ等の接合材により互いに接合されても良い。以上の工程を経て、図２４に示した半導体装置３００が得られる。
＜作用および効果＞
次に、本実施の形態の作用および効果について説明する。本実施の形態は実施の形態１と同様の効果に加え、以下に説明する作用効果を奏する。
半導体装置３００のように放熱用ビア１５の内部に接合材７ｄが設けられた構成とすることで、電子部品２から発する熱を第１の放熱用ビア１５ａおよび第２の放熱用ビア１５ｂを介して熱拡散板３１側に伝える際の伝熱量を増加することができる。これは、放熱用ビア１５内が中空状態である場合よりも、はんだなどの導電性部材が放熱用ビア１５内に充填されている方が、高い熱伝導性を持つためである。特に、放熱用ビア１５の延在方向に交差する断面において、高い熱伝導性を持つ接合材７ｄの面積が増加するように接合材７ｄを設けることができれば、より効果的となる。換言すれば、放熱用ビア１５内で接合材７ｄが円柱状になっている部分の体積が増えるほど伝熱量を増加することになる。
さらに説明すると、図２４および図２７に示すように、少なくとも上側導体層１２と下側導体層１３との間に存在する接合材７ｄにおいて、接合材７ｄで充填されている部分においては接合材７ｄが円柱状になっており、放熱用ビア１５の延在方向に交差する断面が、全てはんだの断面となっているので、熱伝導性が高くなっている。
熱伝導性を向上させるには、放熱用ビア１５内で接合材７ｄが円柱状になっている部分の長さが、放熱用ビア１５の延在方向の長さの１／３以上であることが好ましい。このことは、上側導体層１２側または下側導体層１３側の何れか一方のみに接合材７ｄが円柱状になった部分が存在する場合も、上側導体層１２側および下側導体層１３側の双方に接合材７ｄが円柱状になった部分が存在する場合も同様である。すなわち、放熱用ビア１５内に、その内部の容積の１／３以上を占めるように接合材７ｄが円柱状になった部分が存在することが好ましい。
なお、放熱用ビア１５内が完全に接合材７ｄで充填されると、上側導体層１２と冷却体４２とが電気的に短絡する可能性が生じるので、放熱用ビア１５内で接合材７ｄが円柱状になっている部分の長さは、放熱用ビア１５の延在方向の長さの９０％以下の長さとすることで、半導体装置３００の信頼性を高めることができる。
従って、放熱用ビア１５内で接合材７ｄが円柱状になっている部分の長さは、半導体装置３００の放熱性を高めるために、放熱用ビア１５の延在方向の長さの３０％以上、半導体装置３００の信頼性を高めるために、放熱用ビア１５の延在方向の長さの９０％以下の長さとする。
このように、放熱用ビア１５内で接合材７ｄが円柱状になっている部分の長さを制御するには、はんだ板６ｄの厚さを調整すると共に、耐熱テープ９により放熱用ビア１５内の下側の孔部を塞ぐことが重要となる。耐熱テープ９により下側の孔部が塞がれた状態ではんだが放熱用ビア１５内に流入すると、放熱用ビア１５内の空気は下側の孔部から抜けることができず、放熱用ビア１５の下部には空気溜まりができて、はんだが下側の孔部まで到達せず、図２４に示したように、放熱用ビア１５の底部にまで達することはない。放熱用ビア１５内のはんだが固化した後に耐熱テープ９を除去するのはこのためである。
＜実施の形態４＞
＜装置構成＞
図２８は、本発明に係る実施の形態４の半導体装置４００の構成を示す平面図であり、半導体装置４００を上方から見た上面図である。図２９は、図２８のＤ−Ｄ線での矢視断面図である。なお、以下においては、プリント基板１の電子部品２を搭載する面を上面、その反対側を下面とし、半導体装置４００の上方とは電子部品２を搭載した上面側とする。
なお、図２８および図２９においては半導体装置４００の特徴部を示しており、必ずしも半導体装置４００の全体構成を示すものではないが、この特徴部だけで半導体装置４００を構成することも可能である。
また、図２８および図２９においては、図２０および図２１を用いて説明した実施の形態２の半導体装置２００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図２８および図２９に示されるように、半導体装置４００においては、電子部品２のリード端子２１がプリント基板１に設けられた端子孔ＨＬ内に挿入され、接合材７ｈにより端子孔ＨＬ内で接合されている。このように、半導体装置４００においてはプリント基板１がスルーホール実装基板である点において、プリント基板１が表面実装基板であった実施の形態２の半導体装置２００と異なっている。
図２８および図２９に示される電子部品２は、図５を用いて説明したＴＯ−２２０のようなＭＯＳＦＥＴのパッケージ品を想定しており、放熱板２４には開口部ＯＰを有している。実施の形態２の半導体装置２００では、リード端子２１をプリント基板１上に実装する際に、加熱リフロー処理を実施していたが、本実施の形態の半導体装置４００においては、リード端子２１のプリント基板１への実装がフローによる処理で可能となる。
また、半導体装置２００のように、熱拡散板３１を加熱リフロー処理でプリント基板１に接合した後、電子部品２の放熱板２４の熱拡散板３１への接合およびリード端子２１の電極１９への接合を加熱リフロー処理により行うが、この際、熱拡散板３１をプリント基板１に接合している接合材７ａが再溶融し、熱拡散板３１と電子部品２との位置がずれやすく、歩留まりが下がる可能性がある。
一方、本実施形態では、電子部品２のリード端子２１をプリント基板１の端子孔ＨＬ内に挿入することで位置が決まり、実装の歩留まりが上がり、低コストでの製造が可能となる。また、位置ずれが起こりにくいので、接合材７ａおよび７ｂを１回の加熱リフローで形成することも可能となり、さらに低コストでの製造が可能となる。
＜変形例１＞
図３０は、実施の形態４の変形例１の半導体装置４０１の構成を示す平面図であり、半導体装置４０１を上方から見た上面図である。図３０に示されるように、半導体装置４０１においては、電子部品２の３本のリード端子２１ａ、２１ｂおよび２１ｃのうち、中央のリード端子２１ｂの長さが他のリード端子よりも短く、プリント基板１に接触しない構成となっている点において実施の形態４の半導体装置４００と異なっている。
電子部品２は、ＭＯＳＦＥＴのＴＯ−２２０のパッケージ品を想定している。本変形例では、リード端子２１ｂがドレイン端子であり、放熱板２４と同電位となる場合について説明する。この場合、リード端子２１ｂを使用せずに、リード端子より低抵抗な放熱板２４と熱拡散板３１を使用して主電流を流すことができる。主電流経路の低抵抗化により導通損失を減らすことができる。また、リード端子２１ｂが不要となるので短く切断しておくことで、ソース端子２１ｃおよびゲート端子２１ａからドレイン端子２１ｂまでの空間距離が長くなるので、電子部品２の高耐圧化に対応する設計が可能となる。また本変形例では、リード端子２１ｂだけを実装しない例を示したが、これに限定されず、リード端子２１ａおよび２１ｃの一方も実装しない構成を採る場合もある。
＜変形例２＞
図３１は、実施の形態４の変形例２の半導体装置４０２の構成を示す平面図であり、半導体装置４０２を上方から見た上面図である。図３１に示されるように、半導体装置４０２においては、電子部品２の３本のリード端子２１ａ、２１ｂおよび２１ｃのうち、中央のリード端子２１ｂの長さが他のリード端子よりも長く、リード端子２１ｂだけをプリント基板１の領域１Ａに設けた電極１９に平面実装される点において変形例１の半導体装置４０１と異なっている。
電子部品２は、ＭＯＳＦＥＴのＴＯ−２２０パッケージ品を想定している。本変形例では、高耐圧化のために端子間距離を離したい場合、リード端子２１ｂの長さを他のリード端子長よりも長くして、プリント基板１上の電極１９に平面実装している。これにより端子間の空間距離および沿面距離が長くなり、高耐圧化により適している。
また、全てのリード端子をプリント基板１上のそれぞれ異なる電極１９に平面実装しても良いし、また全てのリード端子をプリント基板１に設けたそれぞれ異なる端子孔内に挿入してスルーホール実装しても良い。
＜変形例３＞
図３２は、実施の形態４の変形例３の半導体装置４０３の構成を示す平面図であり、半導体装置４０３を上方から見た上面図である。図３３は、図３２のＥ−Ｅ線での矢視断面図である。図３２および図３３に示されるように、半導体装置４０３においては、放熱板２４に設けられた円形の開口部ＯＰを利用して、電子部品２を放熱板２４を介してプリント基板１にねじ２０により固定する構成となっている点において変形例１の半導体装置４０１と異なっている。この構成により電子部品２のプリント基板１への実装時の位置ずれを確実に防止できる。
ねじ２０は、プリント基板１、放熱部材４１および冷却体４２を貫通しており、冷却体４２に設けたねじ穴に係合することで固定されるの、放熱板２４と冷却体４２とが同電位でない場合、ねじ２０は冷却体４２と電気的に絶縁するようにする。この場合、冷却体４２を加工して、ねじ２０と直接に接触しない構成とするか、プラスティックねじなどの絶縁ねじを使用する。これであれば、冷却体４２との絶縁のための構成を設ける必要が不要となり、製造コストを抑えることができる。また、ねじ２０の代わりに、リベットなどで固定しても良い。この場合も冷却体４２との電気的な絶縁を行う。
＜実施の形態５＞
＜装置構成＞
図３４は、本発明に係る実施の形態５の半導体装置５００の構成を示す断面図である。なお、半導体装置５００を上方から見た上面図は、図２０に示した半導体装置２００と同様であり、図３４は、図２０のＢ−Ｂ線での矢視断面図に相当する。
なお、以下においては、プリント基板１の電子部品２を搭載する面を上面、その反対側を下面とし、半導体装置５００の上方とは電子部品２を搭載した上面側とする。
なお、図３４においては半導体装置５００の特徴部を示しており、必ずしも半導体装置５００の全体構成を示すものではないが、この特徴部だけで半導体装置５００を構成することも可能である。
また、図３４においては、図２０および図２１を用いて説明した実施の形態２の半導体装置２００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図３４に示すように半導体装置５００においては、熱拡散部３の熱拡散板３１が、第１の部分３１ａと、第２の部分３１ｂとの２つの部分を有している。すなわち、第１の部分３１ａはプリント基板１の上側主面１１ａに沿って設けられ、上側主面１１ａに接合される平板状の部分であり、第２の部分３１ｂは、第１の部分３１ａの電子部品２が搭載された側とは反対側の端縁部において、第１の部分３１ａに交差する方向であってプリント基板１とは反対側、プリント基板１の上方に向けて延在する平板状の部分であり、第１の部分３１ａと一体で設けられている。従って、第２の部分３１ｂはプリント基板１の上側主面１１ａとは接合されていない。
なお、第２の部分３１ｂは、第１の部分３１ａとの境界部において約９０°の角度で屈曲しているが、これに限定されるものではない。例えば、第１の部分３１ａと第２の部分３１ｂとのなす角度が９０°未満であっても９０°を超えても良い。
このように、半導体装置５００の熱拡散板３１は、その一部の領域が上側主面１１ａに接合され、上側主面１１ａに接合されていない領域は、上側主面１１ａに対して９０°前後の角度で屈曲している点において実施の形態２の半導体装置２００とは異なっている。
また、図３４に示す断面構成においては、熱拡散板３１以外の構成は図２１に示した半導体装置２００の断面構成と同じものとしたが、図２に示した半導体装置１００の断面構成と同じとしても良い。すなわち、図３４に示す断面構成における上側導体層１２上の凸部８を設けない構成としても良い。
＜作用および効果＞
次に、本実施の形態の作用および効果について説明する。本実施の形態は実施の形態１と同様の効果に加え、以下に説明する作用効果を奏する。
熱拡散板３１が第２の部分３１ｂを有することにより、熱拡散効果だけでなく、放熱効果も高くなる。すなわち、プリント基板１に接合された第１の部分３１ａが熱拡散効果を奏し、表面全体が外気に触れる第２の部分３１ｂが放熱効果を奏する。従って、電子部品２が発する熱を外部に放出する効果を、より高めることができる。
また、電子部品２が例えばＭＯＳＦＥＴのようなスイッチングデバイスを含む場合は、スイッチング時に放射ノイズ（電磁波）を出すが、熱拡散板３１の第２の部分３１ｂにより遮蔽され、外部への放射ノイズを低減させることができる。
また、電子部品２が例えば制御ＩＣまたは微小信号を処理するＩＣなどの場合は、熱拡散板３１の第２の部分３１ｂが外部からの放射ノイズを低減させる効果があり、ＩＣの誤作動を防ぐことができる。
また、熱拡散板３１の第２の部分３１ｂは、外部からの粉塵などの防塵効果を有する。また、熱拡散板３１が第２の部分３１ｂを有することで、熱拡散板３１の剛性が高まり、プリント基板１に応力が加わった場合でも、第２の部分３１ｂが吸収し、プリント基板１の強度が増して、プリント基板１が反りにくくなる。
また、熱拡散板３１が第２の部分３１ｂを有することで、接合材７ａのヒートサイクル性も高めることができ、半導体装置５００の信頼性が向上する。
なお、熱拡散板３１の第２の部分３１ｂには、例えば空冷のためのフィンを取り付けてヒートシンクとしても良い。
また、熱拡散板３１の第１の部分３１ａの電子部品２が設けられていない領域にフィンを取り付けてヒートシンクとしても良い。一般的にヒートシンクは、ＴＯ−２２０のようなスルーホール実装タイプの電子部品と共にプリント基板に対して鉛直方向に立てて使用されるのが通例であるが、水平方向に横向きにして使用しても良い。なお、汎用的に使用されているフィンを使用することで、製造コストを削減することができる。
＜変形例１＞
図３５は、実施の形態５の変形例１の半導体装置５０１の構成を示す断面図である。図３５に示されるように、半導体装置５０１においては、熱拡散板３１の第１の部分３１ａの水平方向の長さが短くなっている点において実施の形態５の半導体装置５００と異なっている。
熱拡散板３１は第２の部分３１ｂを有するので、第１の部分３１ａの平面視での面積が小さくなっても、放熱性が低下することが抑制できるので、半導体装置５０１の平面方向寸法を小さくして小型化できる。
また、図３５に示されるように、熱拡散板３１の第１の部分３１ａの水平方向の長さを電子部品２の長さと同程度とすることで、電子部品２の実装時の位置ずれを低減できる。
＜変形例２＞
図３６は、実施の形態５の変形例２の半導体装置５０２の構成を示す断面図である。なお、半導体装置５０２を上方から見た上面図は、図２０に示した半導体装置２００と同様であり、図３６は、図２０のＣ−Ｃ線での矢視断面図に相当する。
図３６に示されるように、半導体装置５０２においては、熱拡散部３の熱拡散板３１が、第１の部分３１ａと、第２の部分３１ｃとの２つの部分を有している。すなわち、第１の部分３１ａはプリント基板１の上側主面１１ａに沿って設けられ、上側主面１１ａに接合される平板状の部分であり、第２の部分３１ｃは、第１の部分３１ａの電子部品２が搭載された側の端縁部とは直交する２つの端縁部において、第１の部分３１ａに交差する方向であって、プリント基板１とは反対側、すなわちプリント基板１の上方に向けて延在する平板状の部分であり、第１の部分３１ａと一体で設けられている。従って、第２の部分３１ｃはプリント基板１の上側主面１１ａとは接合されていない。
なお、第２の部分３１ｃは、第１の部分３１ａとの境界部において約９０°の角度で屈曲しているが、これに限定されるものではない。例えば、第１の部分３１ａと第２の部分３１ｃとのなす角度が９０°未満であっても９０°を超えても良い。
このように、半導体装置５０２の熱拡散板３１は、その一部の領域が上側主面１１ａに接合され、上側主面１１ａに接合されていない領域は、上側主面１１ａに対して９０°前後の角度で屈曲している点において実施の形態２の半導体装置２００とは異なっている。
熱拡散板３１が２つの第２の部分３１ｃを有することにより、熱拡散効果だけでなく、放熱効果がさらに高くなる。また、電子部品２が放射ノイズ（電磁波）を発する場合には、外部への放射ノイズを低減させる効果がさらに高まる。また、外部からの粉塵などの防塵効果も高くなる。
なお、図３４に示した半導体装置５００の第２の部分３１ｂのように、半導体装置５０２の熱拡散板３１が第１の部分３１ａの電子部品２が搭載された側とは反対側の端縁部において、第１の部分３１ａに交差する方向であってプリント基板１の上方に向けて延在する平板状の部分をさらに有する構成としても良い。この場合、第２の部分３１ｃは、第３の部分３１ｃと呼称される。電子部品２が三方において熱拡散板で囲まれるので、放熱効果、外部への放射ノイズを低減させる効果および防塵効果が飛躍的に高まる。
＜変形例３＞
図３７は、実施の形態５の変形例３の半導体装置５０３の構成を示す断面図である。半導体装置５０３においては、熱拡散部３の熱拡散板３１の電子部品２が搭載された側とは反対側の部分の厚みが他の部分よりも厚くなった段差部３１ｄを有している。電子部品２の放熱板２４は、その端面がこの段差部３１ｄに係合する大きさを有しており、電子部品２の実装時の位置ずれを低減できる。なお、熱拡散板３１の段差部３１ｄの高さは、熱拡散板３１上に電子部品２を搭載した場合に、放熱板２４の上面までの高さと、段差部３１ｄの上面までの高さとが、ほぼ等しくなる高さに設定される。
熱拡散板３１が段差部３１ｄを有することで、電子部品２の位置が正確に決まり、製造時の歩留まりを高めることができる。なお、電子部品２の放熱板２４に開口部が設けられている場合、熱拡散板３１にその開口部に適合する大きさの凸部を設け、電子部品２の実装時には開口部に凸部を挿入することで電子部品２の位置をさらに正確に決めようにしても良い。
＜実施の形態６＞
＜装置構成＞
図３８は、本発明に係る実施の形態６の半導体装置６００の構成を示す平面図であり、半導体装置６００を上方から見た上面図である。図３９は、図３８のＦ−Ｆ線での矢視断面図である。なお、以下においては、プリント基板１の電子部品２を搭載する面を上面、その反対側を下面とし、半導体装置６００の上方とは電子部品２を搭載した上面側とする。
なお、図３８および図３９においては半導体装置６００の特徴部を示しており、必ずしも半導体装置６００の全体構成を示すものではないが、この特徴部だけで半導体装置６００を構成することも可能である。
また、図３８および図３９においては、図２０および図２１を用いて説明した実施の形態２の半導体装置２００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図３８および図３９に示されるように、半導体装置６００においては、熱拡散板３１が電子部品２の上面の一部を覆うように構成されている。半導体装置６００の熱拡散板３１は、図３９に示されるように、プリント基板１に接合される第１の部分３１ａと、第１の部分３１ａの電子部品２が搭載された側の端縁部とは直交する２つの端縁部において、第１の部分３１ａに交差する方向であってプリント基板１の上方に向けて延在する第２の部分３１ｇと、２つの第２の部分３１ｇの上部から、それぞれ電子部品２の側に向けて上側主面１１ａに沿う方向に延在する２つの第３の部分３１ｆとを有している。
第２の部分３１ｇの高さは、プリント基板１上に電子部品２を搭載した場合に、電子部品２の上面を越える高さであり、２つの第３の部分３１ｆは、電子部品２に接することなく、電子部品２の上方を部分的に覆うように設けられ、対向する２つの第３の部分３１ｆ間は開口部ＯＰ１となっており、図３８に示されるように、半導体装置６００の上方から電子部品２の一部を見ることができる。
＜作用および効果＞
次に、本実施の形態の作用および効果について説明する。本実施の形態は実施の形態１と同様の効果に加え、以下に説明する作用効果を奏する。
熱拡散板３１は、電子部品２の上面の一部を覆い、電子部品２の上面の一部と重なる第３の部分３１ｆとを有している点において実施の形態２の半導体装置２００と異なっている。
熱拡散板３１が第２の部分３１ｇおよび第３の部分３１ｆを有することで、電子部品２が熱拡散板３１で半包囲された状態となり、放熱効果、外部への放射ノイズを低減させる効果および防塵効果が飛躍的に高まる。
なお、第２の部分３１ｇおよび第３の部分３１ｆを有する熱拡散板３１は、例えば、銅板を公知のプレス加工することにより、少ない製造コストで形成できる。また、例えば、公知の削り出し加工または押し出し加工により銅板を加工することで形成できる。銅を使用することで、電子部品２と熱拡散板３１との間の熱抵抗を小さくすることができ、熱拡散板３１の熱拡散効率をより高めることができる。
また、図３９においては熱拡散板３１の第３の部分３１ｆと電子部品２の樹脂モールド部２３の上面２３ｅとが接触せず、両者の間に空間を有しているが、両者が密着するように構成される場合には、樹脂モールド部２３と第３の部分３１ｆとの間で熱が伝わり、電子部品２から発生する熱の放熱効率が高まる。
＜変形例＞
図４０は、実施の形態６の変形例の半導体装置６０１の構成を示す平面図であり、半導体装置６０１を上方から見た上面図である。図４１は、図４０のＧ−Ｇ線での矢視断面図である。
図４０および図４１に示されるように、半導体装置６０１においては、熱拡散部３の熱拡散板３１は、実施の形態６と同様にプリント基板１に接合される第１の部分３１ａと、第１の部分３１ａの電子部品２が搭載された側の端縁部とは直交する２つの端縁部において、第１の部分３１ａに交差する方向であってプリント基板１の上方に向けて延在する第２の部分３１ｇを有すると共に、２つの第２の部分３１ｇ間を跨ぐように設けられた第３の部分３１ｈとを有している。
第３の部分３１ｈは電子部品２の上方を完全に覆うので、電子部品２は筒状の熱拡散板３１で四方を囲まれることとなる。しかし、図４１に示されるように、電子部品２の対向する２つの側面方向は熱拡散板３１で覆われていないので、そこから空気を吹き込むことで熱拡散板３１内に風路が形成され電子部品２を効率的に冷却することができる。
なお、第２の部分３１ｇおよび第３の部分３１ｈを有する熱拡散板３１は、例えば、銅板を公知のプレス加工することにより、少ない製造コストで形成できる。また、例えば、公知の削り出し加工または押し出し加工により銅板を加工することで形成できる。銅を使用することで、電子部品２と熱拡散板３１との間の熱抵抗を小さくすることができ、熱拡散板３１の熱拡散効率をより高めることができる。
また、図４１においては熱拡散板３１の第３の部分３１ｈと電子部品２の樹脂モールド部２３の上面２３ｅとが接触せず、両者の間に空間を有しているが、両者が密着するように構成される場合には、樹脂モールド部２３と第３の部分３１ｈとの間で熱が伝わり、電子部品２から発生する熱の放熱効率が高まる。
＜実施の形態７＞
＜装置構成＞
図４２は、本発明に係る実施の形態７の半導体装置７００の構成を示す断面図である。なお、半導体装置７００を上方から見た上面図は、図１に示した半導体装置１００と同じであり、図４２はプリント基板１の一部の領域を拡大して示している。また、図４３は、図４２中の破線で囲まれた領域Ｘ、すなわち絶縁層１１の１つの区画を拡大して示す断面図である。
なお、以下においては、プリント基板１の電子部品２を搭載する面を上面、その反対側を下面とし、半導体装置７００の上方とは電子部品２を搭載した上面側とする。
また、図４２および図４３においては、図１および図２を用いて説明した実施の形態１の半導体装置１００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図４２に示されるように、実施の形態７の半導体装置７００においては、プリント基板１の絶縁層１１が、フィラー１６を有している点において、実施の形態１の半導体装置１００と異なっている。
図４３に示すように、絶縁層１１は、上側導体層１２と内部導体層１４との間がガラス繊維の仕切り板１７で仕切られ、仕切られた空間内にフィラー１６とエポキシ樹脂１８とが充填されている。この構造は、内部導体層１４と内部導体層１４との間、内部導体層１４と下側導体層１３との間においても同じである。
フィラー１６は無機フィラー粒子であり、酸化アルミニウム粒子が用いられることが好ましいが、これに限らず、窒化アルミニウムまたは窒化ホウ素などのセラミック粒子であっても良い。またフィラー１６は数種類の粒子が混ぜられた構成であっても良く、例えば酸化アルミニウムに水酸化アルミニウムを混合した構成であっても良い。
このように半導体装置７００においては、プリント基板１に含まれる複数の絶縁層１１のそれぞれが無機フィラー粒子を含んでいる。このようにすれば、絶縁層１１の熱伝導性および耐熱性を向上させることができる。絶縁層１１がフィラー１６として無機フィラー粒子を含むことにより、フィラー１６を経由して熱を伝導させることができる。このため絶縁層１１での熱伝導を大きくすることができ、プリント基板１の熱抵抗を小さくすることができる。
ここで、酸化アルミニウムのフィラー１６を７０重量％含有した絶縁層１１を含むプリント基板１を有した半導体装置７００に対して、先に説明した数式（１）および実施の形態１で説明したモデルを用いて熱抵抗値をシミュレーションした結果、図１６に示した「「実施の形態１」の熱抵抗値に比べて熱抵抗値がさらに約５％低減することが判った。
なお、このシミュレーションのモデルにおいては、フィラー１６の存在を除き全て実施の形態１の半導体装置１００のモデルと同一の寸法および構成を採用した。
なお、絶縁層１１での熱伝導を大きくするためには、絶縁層１１が含有するフィラー１６の充填密度を大きくすることが重要である。具体的には、フィラー１６の充填密度を８０重量％まで大きくすることがより好ましい。このためフィラー１６の形状は図４３に示されるような球形に近い形状に限らず、四面体または六方晶のような多角形を基にした立体形状であっても良い。
さらに、絶縁層１１内に充填されるフィラー１６のサイズは一定でなくても良い。すなわち、例え絶縁層１１内に単一種類の粒子のみでフィラー１６が構成されても良く、複数種類のサイズの粒子の混合によりフィラー１６が構成されていても良い。この場合には、サイズの大きい複数の粒子に挟まれた領域に、よりサイズの小さいフィラー粒子が入り込むため、フィラー１６をより高密度で充填することができ。絶縁層１１での熱伝導をさらに向上させることができる。
＜実施の形態８＞
＜装置構成＞
図４４は、本発明に係る実施の形態８の半導体装置８００の構成を示す平面図であり、プリント基板１の第１の領域の部分を示し、電子部品２、電極１９およびリード端子２１等は便宜的に破線で示し、熱拡散板３１は省略している。また、図４５は、図４４のＨ−Ｈ線での矢視断面図であり、プリント基板１の一部の領域のみを示している。
なお、以下においては、プリント基板１の電子部品２を搭載する面を上面、その反対側を下面とし、半導体装置８００の上方とは電子部品２を搭載した上面側とする。
また、図４４および図４５においては、図１および図２を用いて説明した実施の形態１の半導体装置１００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図４４に示されるように、実施の形態８の半導体装置８００においては、上側導体層１２における互いに隣り合う第１の放熱用ビア１５ａの間に挟まれた領域において、第１の放熱用ビア１５ａの孔部間に渡るように溝１５ｄが設けられており、この点において実施の形態１の半導体装置１００と異なっている。また、図４４においては、電子部品２の位置決めのための４つのアライメントマークＡＬが、電子部品２の４隅に対応する位置にそれぞれ設けられた例を示しているが、これは、実施の形態２において説明した凸部８などで設けることができる。なお、放熱用ビア１５の回りの凸部８は省略している。
溝１５ｄは、図４５に示されるように、上側導体層１２と内部導体層１４との間の絶縁層１１のうち、上側導体層１２の一部を除去することで設けられている。
なお、溝１５ｄは、プリント基板１の上側導体層１２を公知の写真製版技術およびエッチングによりパターニングする際に、同時に形成することができる。
上記のような溝１５ｄを設けることにより、半導体装置８００においては、その製造時にはんだを溶融するための加熱により、第１の放熱用ビア１５ａ内の膨張した空気を、溝１５ｄを経由して外部に放出することができる。このため第１の放熱用ビア１５ａ内の圧力の上昇を抑えることにより、はんだの充填を容易に実現することができる。
なお、図４４および図４５においては、溝１５ｄは第１の領域のみに設けられているが、これに限定されるものではなく、第２の領域においても互いに隣り合う放熱用ビア１５の孔部間に渡るように溝１５ｄを設けても良い。換言すれば、半導体装置８００のプリント基板１には、複数の放熱用ビア１５のうち、プリント基板１の上側主面１１ａの上方からの平面視において、互いに隣り合う放熱用ビア１５間に渡るように溝１５ｄが設けられた構成となっている。
＜実施の形態９＞
＜装置構成＞
図４６は、本発明に係る実施の形態９の半導体装置９００の構成を示す平面図であり、半導体装置９００を上方から見た上面図である。なお、以下においては、プリント基板１の電子部品２を搭載する面を上面、その反対側を下面とし、半導体装置９００の上方とは電子部品２を搭載した上面側とする。
なお、図４６においては半導体装置９００の特徴部を示しており、必ずしも半導体装置９００の全体構成を示すものではないが、この特徴部だけで半導体装置９００を構成することも可能である。
また、図４６においては、図２０および図２１を用いて説明した実施の形態２の半導体装置２００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図４６に示されるように、半導体装置９００においては、プリント基板１の上側主面１１ａからの平面視において、電子部品２の下側に配置される熱拡散板３１が、２つの熱拡散板３１ｘおよび３１ｙで構成され、電子部品２は、２つの熱拡散板３１ｘおよび３１ｙ間に渡るように配設されている点において実施の形態２の半導体装置２００と異なっている。
熱拡散板３１ｘおよび３１ｙは互いに間隔をあけて配置されることが好ましいが、これに限定されるものではなく、端面どうしが互いに接触して配置されても良い。
例えば、実施の形態１の半導体装置１００の熱拡散板３１のように、その平面視でのサイズが大きくなると、これをマウンタで実装することが困難となる。また、熱拡散板３１が中心と重心が同じ位置である長方形または正方形の平面視形状である方が、熱拡散板３１が非対称な平面視形状である場合に比べて、マウンタでの実装工程の不良率が減少する。このため本実施の形態のように熱拡散板３１を複数の長方形の熱拡散板に分割して配置することで、マウンタを用いた熱拡散板３１の実装が容易となり、実装コストを低減できる。このように、本実施の形態によれば、熱拡散板３１を自動実装に適した形状、大きさとすることで、実装コストを低減できる。
なお、図４６においては、一例として熱拡散板３１を２つに分割した構成を示したが、熱拡散板３１の分割数はこれに限定されず、例えば３つまたは４つに分割しても良いが、分割した熱拡散板３１のそれぞれは、少なくとも一部が、電子部品２と接合材を介して接合されていることが好ましい。
＜実施の形態１０＞
＜装置構成＞
図４７は、本発明に係る実施の形態１０の半導体装置１０００の構成を示す平面図であり、半導体装置１０００を上方から見た上面図である。なお、以下においては、プリント基板１の電子部品２を搭載する面を上面、その反対側を下面とし、半導体装置１０００の上方とは電子部品２を搭載した上面側とする。
なお、図４７においては半導体装置１０００の特徴部を示しており、必ずしも半導体装置１０００の全体構成を示すものではないが、この特徴部だけで半導体装置１０００を構成することも可能である。
また、図４７においては、図２０および図２１を用いて説明した実施の形態２の半導体装置２００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図４７に示されるように、半導体装置１０００においては、プリント基板１の上方からの平面視において、４個の電子部品２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄが、平面視形状が細長い熱拡散板３１の一方の長辺に沿って互いに間隔をあけて配置されている。このように半導体装置１０００においては、４個の電子部品２ａ〜２ｄが図に向かって左右方向に１列に並ぶように配置されている点において、実施の形態２の半導体装置２００とは異なっている。
このように、１つの半導体装置内に複数の電子部品２を含む場合、電子部品２の内部抵抗などのばらつきにより、発熱量もばらつく可能性がある。４個の電子部品２ａ〜２ｄを並列接続する場合、電子部品２ａ〜２ｄのそれぞれに対して、それぞれ個別の熱拡散板上に配置すると、発熱量の大きい電子部品が、自らの発熱による温度上昇でさらに発熱量を増して熱暴走する可能性がある。しかし、本実施の形態のように、電子部品２ａ〜２ｄを共通の熱拡散板３１上に配置することで、電子部品２ａ〜２ｄのそれぞれの温度がばらつくことがなく、熱暴走しにくくなり、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。これは、電子部品２ａ〜２ｄを共通の熱拡散板３１に配置されることにより、電子部品２ａ〜２ｄのそれぞれから発生する熱の放熱が、均一化されるためである。
なお、熱拡散板３１上に搭載される電子部品の個数は４個に限定されないことは言うまでもない。
＜変形例＞
図４８は、実施の形態１０の変形例の半導体装置１００１の構成を示す平面図であり、半導体装置１００１を上方から見た上面図である。
図４８に示されるように、半導体装置１００１においては、プリント基板１の上方からの平面視において、４個の電子部品２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄが、平面視形状が矩形の熱拡散板３１の対向する２辺に沿って、それぞれ２個ずる互いに間隔をあけて配置されている。
このような配置とすることで、電子部品２ａ〜２ｄから発生する熱が、熱拡散板３１上で偏ることが抑制され、熱拡散板３１での熱拡散が均一となり、放熱性が向上する。
＜実施の形態１１＞
＜装置構成＞
図４９は、本発明に係る実施の形態１１の半導体装置１１００の構成を示す回路図であり、図５０は、半導体装置１１００の構成を示す平面図であり、半導体装置１１００を上方から見た上面図である。以下においては、プリント基板１の電子部品を搭載する面を上面、その反対側を下面とし、半導体装置１１００の上方とは電子部品を搭載した上面側とする。
なお、図５０においては半導体装置１１００の特徴部を示しており、必ずしも半導体装置１１００の全体構成を示すものではないが、この特徴部だけで半導体装置１１００を構成することも可能である。
また、図５０においては、図２０および図２１を用いて説明した実施の形態２の半導体装置２００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図４９に示されるように半導体装置１１００は、ハーフブリッジ回路であり、高電位端子ＨＶと低電位端子ＬＶとの間に電子部品２ａと電子部品２ｃとが直列に接続されている。すなわち、ハイサイド側の電子部品２ａのソース端子とローサイド側の電子部品２ｃのドレイン端子が接続されており、接続ノードＮＤがハーフブリッジ回路の出力ノードとなる。なお、電子部品２ａおよび２ｃは、一例として、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴにダイオードが逆並列に接続された構成を示しているが、これに限定されるものではない。
このようなハーフブリッジ回路をプリント基板１に実装した状態の上面図が図５０である。図５０に示すように、半導体装置１１００においては、プリント基板１の上方からの平面視において、電子部品２ａが熱拡散板３ａに配置されており、電子部品２ｃが熱拡散板３ｂに配置されており、電子部品２ａのソース端子２１ｃの一部が熱拡散板３ｂに接続されている。すなわち、熱拡散板３ａと３ｂとは電気的な絶縁を保つためにプリント基板１上で離間されて配置されているが、熱拡散板３ｂの一部が熱拡散板３ａの近くまで突出する形状となっており、この突出部分に電子部品２ａのソース端子２１ｃの一部が接続されている。そして、電子部品２ｃのリード端子２１ｂはドレイン端子としては使用せず、リード端子より低抵抗な放熱板２４と熱拡散板３ｂを使用して主電流を流す構成となっているので、電子部品２ａのソース端子から電子部品２ｃのドレイン端子には、熱拡散板３ｂを介して主電流が流れることとなる。
電子部品２ａと２ｃ間の配線距離が短い方が寄生インダクタンス成分を小さくできるため、図５０のようにソース端子とドレイン端子とを接続することで、電子部品２ａおよび２ｃのスイッチング時の電圧および電流の発振を抑制することができ、回路的信頼性を向上できる。また、電子部品２ａおよび２ｃにおいて大電流を流す場合に、熱拡散板３ｂを配線として使用することで導通損失も低減することができるので、電力損失を減らすことが可能となる。
図４９に示したハーフブリッジ回路においては、熱容量および電流容量が足りない場合には、複数の電子部品を並列接続することで全体としての容量を増やすことができる。
＜変形例＞
図５１は、実施の形態１１の変形例の半導体装置１１０１の構成を示す回路図であり、電子部品２ａおよび２ｃで構成されるハーフブリッジ回路に、電子部品２ｂおよび２ｄで構成されるハーフブリッジ回路が並列接続された構成を示しており、それぞれのハーフブリッジ回路の接続ノードＮＤが共通の出力ノードとなっている。なお、図５１では２並列のハーフブリッジ回路を示しているが、これは一例であり、並列数は限定されない。
このような２並列のハーフブリッジ回路をプリント基板１に実装した状態の上面図が図５２である。図５２に示すように、半導体装置１１０１においては、プリント基板１の上方からの平面視において、電子部品２ａおよび２ｂが熱拡散板３ａに配置されており、電子部品２ｃおよび２ｄが熱拡散板３ｂに配置されており、電子部品２ａおよび２ｂのソース端子２１ｃの一部が熱拡散板３ｂに接続されている。そして、電子部品２ｃおよび２ｄのリード端子２１ｂはドレイン端子としては使用せず、リード端子より低抵抗な放熱板２４と熱拡散板３ｂを使用して主電流を流す構成となっているので、電子部品２ａおよび２ｂのソース端子から電子部品２ｃおよび２ｄのドレイン端子には、熱拡散板３ｂを介して主電流が流れることとなる。このような構成による効果は、実施の形態１１の半導体装置１１００と同じである。
＜実施の形態１２＞
＜装置構成＞
図５３は、本発明に係る実施の形態１２の半導体装置１２００の構成を示す断面図である。なお、以下においては、プリント基板１の電子部品２を搭載する面を上面、その反対側を下面とし、半導体装置１２００の上方とは電子部品２を搭載した上面側とする。
なお、図５３においては半導体装置１２００の特徴部を示しており、必ずしも半導体装置１２００の全体構成を示すものではないが、この特徴部だけで半導体装置１２００を構成することも可能である。
また、図５３においては、図２０および図２１を用いて説明した実施の形態２の半導体装置２００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図５３に示されるように、半導体装置１２００においては、図４０および図４１を用いて説明した実施の形態６の変形例１の半導体装置６０１において、熱拡散板３１の第３の部分３１ｈ上に筐体５１が密着するように配置されている。
このように筐体５１が熱拡散板３１の第３の部分３１ｈ上に配置される点において、実施の形態６の半導体装置６００とは異なっている。
筐体５１は、半導体装置１２００全体を外側から保護する箱状の部材であり、図５３にはその一部分である平板状の部分が例示されている。筐体５１は、例えばアルミニウムにより構成されることが好ましい。熱伝導性の良いアルミニウムは、半導体装置の内部の熱を外部に伝えることができ、かつ銅などよりも軽いためである。また、筐体５１は、表面に銅などの金属膜が形成された酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムなどの熱伝導性の良いセラミック材料で構成されても良い。さらに筐体５１は、銅合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金などから選択される何れかの合金の表面に、ニッケルめっき膜および金めっき膜を形成した構成としても良い。これらの熱伝導性の良い材料で筐体５１を構成することで、半導体装置１２００の熱伝導性（放熱性）を高めることができる。
このように本実施の形態においては、電子部品２が発する熱を、熱拡散板３１から第２の放熱用ビア１５ｂを経由して放熱部４側に放熱させるルートに加え、熱拡散板３１から筐体５１を経由して外部へ放熱させるルートを有する。このため筐体５１を有さない構成に比べて、さらに放熱性が優れることとなる。
＜変形例１＞
図５４は、実施の形態１２の変形例１の半導体装置１２０１の構成を示す断面図である。図５４に示されるように、半導体装置１２０１においては、図４０および図４１を用いて説明した実施の形態６の変形例１の半導体装置６０１において、熱拡散板３１の第３の部分３１ｈを取り除いた構成において、２つの第２の部分３１ｇ上を跨ぐように筐体５１配置されている。
このため、筐体５１が電子部品２により近くなり、電子部品２から発生する熱を輻射熱として受けることができ、第３の部分３１ｈを介して熱伝導で受ける場合よりも、放熱性を高めることができる。
＜変形例２＞
図５５は、実施の形態１２の変形例２の半導体装置１２０２の構成を示す断面図である。図５５に示されるように、半導体装置１２０２においては、図３４を用いて説明した実施の形態５の半導体装置５００において、熱拡散板３１の第２の部分３１ｂの電子部品２とは反対側の面に、筐体５１が密着するように配置されている点において、実施の形態５の半導体装置５００とは異なっている。なお、筐体５１は箱状の部材であり、図５５にはその一部分である平板状の部分が例示されている。
熱拡散板３１の第２の部分３１ｂに筐体５１を密着させて配置することで、実施の形態５の効果に加えて、放熱性がさらに向上するという効果がある。
＜変形例３＞
図５６は、実施の形態１２の変形例３の半導体装置１２０３の構成を示す断面図である。図５６に示されるように、半導体装置１２０３においては、図３４を用いて説明した実施の形態５の半導体装置５００において、熱拡散板３１の第２の部分３１ｂの電子部品２とは反対側の面に、放熱部材５２および筐体５１が、この順で積層されている点において、実施の形態５の半導体装置５００とは異なっている。
放熱部材５２は熱拡散板３１の第２の部分３１ｂおよび筐体５１の双方に密着するように配置されている。放熱部材５２は放熱部材４１と同様の材質により構成された電気絶縁性を有し、熱伝導性の良いシート状部材であることが好ましい。
熱拡散板３１と筐体５１との電位が異なる場合は、両者の間に電気絶縁性を有する放熱部材５２を挟むことで、熱拡散板３１と筐体５１との電気的な短絡を防ぎつつ、電子部品２が発する熱を熱拡散板３１および筐体５１からその外側に、より高効率に放熱することができる。
なお、筐体５１は、上記では説明していない各実施の形態の半導体装置において、熱拡散板３１に密着するように配置しても良い。
＜実施の形態１３＞
図５７は本発明に係る実施の形態１３の半導体装置１３００の構成を示す断面図である。図５７に示されるように、半導体装置１３００においては、電子部品２と熱拡散部３の少なくとも一部を覆うように設けられた熱拡散材料６０を有している。なお、図５７においては、図３５を用いて説明した半導体装置５０１と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
熱拡散材料６０としては、電気的特性および機械的特性に優れており、熱伝導率が高く発熱量が高い部位の熱放散性に優れる材料が好ましい。また熱膨張係数が低く、耐クラック性に優れていて、低粘度で作業性が良好であること。また、加熱硬化時の低応力化により基板等の反り量を低減でき、高温保存下での重量減少率が少なく、耐熱性に優れ、不純物イオン濃度が少なく、信頼性に優れるなどの効果を有する材料から選定する。
一例として、エポキシ系樹脂のポッティング材などが挙げられる。また、アクリル樹脂、シリコン樹脂、ウレタン樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂なども挙げられる。また、上記の材料の代わりに、グリスまたは接着剤、放熱シートであっても良い。また、これらに限定されるものでもない。
熱拡散材料６０を設けて電子部品２と熱拡散部３の少なくとも一部を覆うことで、電子部品２からの発熱をより効率よく熱拡散部３へ伝達させることができるだけでなく、熱拡散材料６０による放熱性を向上させることもでき、かつ、覆った部分のプリント基板１および電子部品２の絶縁性、防湿性、防水性、耐塩素性および耐油性を向上する効果、およびごみの混入などを防ぐ効果が得られる。
図５７の断面図においては、熱拡散板３１の第１の部分３１ａと第２の部分３１ｂとの境界部においてその延在方向が約９０°変わるように屈曲しており、樹脂モールド部２３に覆われている電子部品２の上部に熱拡散材料６０が充填されている。また、第２の部分３１ｂにより、熱拡散材料６０が充填したくない部分に流出することを防ぐことができる。また、電子部品２の特定の部分または全部を最小限の熱拡散材料６０により覆うことが可能となる。このように熱拡散板３１を利用して、電子部品２を熱拡散材料６０で覆うことにより、低コストで高い放熱性を得ることができる。
また、以上に説明した各実施の形態およびそれらに含まれる各変形例を、技術的に矛盾のない範囲内で適宜組み合わせるようにしても良い。
今回開示された実施の形態は全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請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

Claims (16)

  1. プリント基板と、
    前記プリント基板の第１の主面上に第１の接合材を介して接合された熱拡散部と、
    前記熱拡散部の上に第２の接合材を介して接合された放熱板を有する電子部品と、
    前記プリント基板の第２の主面上に配置された放熱部と、を備え、
    前記プリント基板は、
    絶縁層と、
    前記絶縁層の第１および第２の主面の上にそれぞれ配置された第１および第２の導体層と、
    前記絶縁層上の前記第１の導体層から前記第２の導体層まで貫通する複数の放熱用ビアと、
    前記複数の放熱用ビアの内壁を覆う導体膜と、を有し、
    前記複数の放熱用ビアは、
    前記プリント基板の前記第１の主面側からの平面視において前記熱拡散部と重なると共に、前記電子部品とも重なる位置に設けられ、
    前記放熱部は、
    前記プリント基板の前記第２の主面側からの平面視において、前記複数の放熱用ビアの少なくとも一部と重なるように配置され、
    電気絶縁性および熱伝導性を有する放熱部材と、
    熱伝導性を有する冷却体と、を含み、
    前記放熱部材および前記冷却体は、前記プリント基板の前記第２の導体層上に積層され、
    前記熱拡散部は、平面視での大きさが前記電子部品よりも大きく、
    前記電子部品は、
    前記熱拡散部の一端に片寄って配置され、前記熱拡散部の前記一端側以外の方向に前記電子部品で発生した熱が放射状に拡散する、半導体装置。
  2. 前記プリント基板は、
    前記第１の導体層上に設けられ、少なくとも前記複数の放熱用ビアを囲む凸部をさらに有し、
    前記熱拡散部は、前記凸部が設けられた前記複数の放熱用ビア上に配置される、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 少なくとも一部の前記複数の放熱用ビアの内部には、その容積の１／３以上の体積分の前記第１の接合材が充填されている、請求項１記載の半導体装置。
  4. 前記第２の接合材の融点は、前記第１の接合材の融点より高い、請求項１記載の半導体装置。
  5. 前記電子部品は、
    表面実装タイプの電子部品を含み、リード端子の少なくとも１つが、前記第１の導体層と同一の層として前記プリント基板の前記第１の主面上に設けられた電極に接合される、請求項１記載の半導体装置。
  6. 前記電子部品は、
    スルーホール実装タイプの電子部品を含み、リード端子の少なくとも１つが、前記プリント基板の前記第１の主面から前記第２の主面を貫通する端子孔内に挿入されて接合される、請求項１記載の半導体装置。
  7. 前記熱拡散部は、熱拡散板を有し、
    前記熱拡散板は、
    第１の部分および第２の部分を含み、
    前記第１の部分は、
    前記プリント基板の前記第１の主面に沿って設けられ、前記第１の主面に前記第１の接合材を介して接合され、
    前記第２の部分は、
    前記第１の部分と一体で設けられ、前記第１の部分の少なくとも１つの端縁部から前記プリント基板とは反対側に延在する、請求項１記載の半導体装置。
  8. 前記熱拡散部は、熱拡散板を有し、
    前記熱拡散板は、
    その一部が他の部分よりも厚くなった段差部を有し、
    前記電子部品は、その１つの端面が前記段差部に係合する、請求項１記載の半導体装置。
  9. 前記熱拡散部は、熱拡散板を有し、
    前記熱拡散板は、
    第１の部分、第２の部分および第３の部分を含み、
    前記第１の部分は、
    前記プリント基板の前記第１の主面に沿って設けられ、前記第１の主面に前記第１の接合材を介して接合、
    前記第２の部分は、
    前記第１の部分と一体で設けられ、前記第１の部分の対向する２つの端縁部からそれぞれ前記プリント基板とは反対側に延在し、
    前記第３の部分は、
    それぞれの前記第２の部分の上部から、それぞれ前記電子部品の側に向けて前記第１の主面に沿う方向に延在し、前記電子部品の上方の少なくとも一部を覆う、請求項１記載の半導体装置。
  10. 前記プリント基板の前記絶縁層は、
    フィラーと樹脂とを含む、請求項１記載の半導体装置。
  11. 前記プリント基板の前記第１の導体層は、
    前記プリント基板の前記第１の主面側からの平面視において、互いに隣り合う放熱用ビア間に渡るように設けられた溝を有する、請求項１記載の半導体装置。
  12. 前記熱拡散部は、複数の熱拡散板を有し、
    前記電子部品は、複数の熱拡散板間上に渡るように配設される、請求項１記載の半導体装置。
  13. 前記電子部品とは別の複数の他の電子部品を備え、
    前記電子部品および複数の他の電子部品は、
    前記プリント基板の前記第１の主面側からの平面視において、互いに間隔をあけて前記熱拡散部上に配置される、請求項１記載の半導体装置。
  14. 前記熱拡散板の前記第３の部分の上部に接するように設けられ、前記半導体装置全体を保護する熱伝導性を有する筐体をさらに備える、請求項９記載の半導体装置。
  15. 前記熱拡散板の前記第２の部分の、前記電子部品とは反対側の面に接するように設けられた、熱伝導性を有する筐体をさらに備える、請求項７記載の半導体装置。
  16. 前記電子部品は、
    電力変換用のパワー半導体素子を含む、請求項１記載の半導体装置。
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