JP7407679B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本開示は、ヒートシンクを備えた半導体装置に関するものである。
ヒートシンクと、半導体素子と、ヒートシンクの底面を露出させた状態でヒートシンクおよび半導体素子を封止する封止樹脂とを備えた半導体装置がある。このような半導体装置では、ヒートシンクの底面に段差部が設けられている。
例えば、特許文献１には、段差部に回り込んだ封止樹脂が硬化することで樹脂フックが形成され、ヒートシンクが封止樹脂から抜け落ちることを防止する技術が開示されている。樹脂フックとは、硬化した樹脂がフックのように、部材の凹凸に引っ掛かり、部材の抜け落ちを防止する構造をいう。一般に、ヒートシンクはＡｌまたはＣｕ等の優れた放熱性を持つ材料を用いて形成されている。
特開２００３－７９３３号公報
しかしながら、従来の半導体装置では、ヒートシンクの底面に設けられた段差部の角部に熱ストレス等がかかる際に応力集中し易く、封止樹脂とヒートシンクとの間の界面の剥離の起点になりやすかった。剥離がヒートシンクの側面に沿ってヒートシンクの上面に設けられた絶縁層とヒートシンクとの間の界面へ進展した場合、半導体装置の絶縁特性が悪化するという問題があった。
そこで、本開示は、ヒートシンクを備えた半導体装置において、封止樹脂とヒートシンクとの間の界面の剥離がヒートシンクの上面に設けられた絶縁層とヒートシンクとの界面へ進展することを抑制可能な技術を提供することを目的とする。
本開示に係る半導体装置は、ヒートシンクと、前記ヒートシンクの上面に設けられた絶縁層と、前記絶縁層の上面に固定されたリードフレームと、前記リードフレームの上面に搭載された半導体素子と、前記ヒートシンクの底面を露出させた状態で、前記ヒートシンクおよび前記半導体素子を封止する封止樹脂とを備え、前記ヒートシンクの底面における周縁部には、段差状に凹む底面段差部が形成され、前記底面段差部には上方に凹み、前記封止樹脂から露出しない第１凹部が形成され、前記ヒートシンクの上面には下方に凹む第２凹部が形成され、前記第１凹部は不連続的に前記底面段差部の４つの角部のみに形成されたものである。
本開示によれば、高温時に、第１凹部に充填された封止樹脂がヒートシンクの過度の反り返りを抑制できるため、底面段差部の角部を起点に封止樹脂とヒートシンクとの間の界面の剥離が進展することを抑制できる。さらに、封止樹脂とヒートシンクとの間の界面の剥離が進展した場合であっても、第２凹部により、封止樹脂とヒートシンクとの間の界面の剥離が絶縁層とヒートシンクとの間の界面へ進展することを抑制できる。
実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置が備えるヒートシンクの底面図である。 実施の形態２に係る半導体装置が備えるヒートシンクの底面図である。 実施の形態２の変形例１に係る半導体装置が備えるヒートシンクの底面図である。 実施の形態２の変形例２に係る半導体装置が備えるヒートシンクの底面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の拡大断面図である。 底面段差部に凹部が形成されていない場合における半導体装置の反り返りを示す断面図である。
＜実施の形態１＞
実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置１００の断面図である。図２は、半導体装置１００が備えるヒートシンク５の底面図である。
図１に示すように、半導体装置１００は、ヒートシンク５と、絶縁層４と、複数のリードフレーム１と、複数の半導体素子２と、封止樹脂６とを備えている。
ヒートシンク５は、ＡｌまたはＣｕ等の優れた放熱性を持つ材料を用いて形成されている。絶縁層４は、ヒートシンク５の上面全体に設けられている。リードフレーム１は、絶縁層４の上面に固定されている。半導体素子２は、リードフレーム１の上面にはんだ等の接合材３を用いて固定されている。また、半導体素子２は、金属ワイヤ１４を用いてリードフレーム１または他の半導体素子２に接続されている。
封止樹脂６は、ヒートシンク５の底面１０を露出させた状態で、ヒートシンク５および半導体素子２を封止している。また、絶縁層４および封止樹脂６は、エポキシ樹脂またはフェノール樹脂等の絶縁性に優れた樹脂と添加剤からなる。
次に、ヒートシンク５の構造について説明を行う。図１と図２に示すように、ヒートシンク５の底面１０における周縁部には、段差状に凹む底面段差部７が周縁部に沿って連続的に形成されている。底面段差部７の外周部には、上方に凹む第１凹部としての溝状の凹部１１が外周部に沿って連続的に形成されている。
凹部１１には封止樹脂６が充填されており、凹部１１は封止樹脂６から露出していない。凹部１１が底面段差部７の外周部、つまり、底面段差部７の角部の周辺に形成されることで、凹部１１に充填された封止樹脂６により、高温時にヒートシンク５の過度な反り返りを抑制することが可能となる。これにより、封止樹脂６とヒートシンク５との間の界面の剥離が進展することを抑制可能となる。
また、凹部１１はパンチ加工により形成されている。パンチ加工により凹部１１が形成される際、底面段差部７の外周部にパンチ加工を施すことにより、側面９におけるパンチ加工が施された箇所の周辺の部分が塑性変形し、膨らむよう変形する。側面９が平滑な場合、底面段差部７の角部で発生した剥離は平滑な側面９に沿って進展し易くなるが、実施の形態１では、側面９の形状が歪になることにより進展しにくくなる。
ヒートシンク５の上面には、下方に凹む第２凹部としての溝状の凹部１２が上面の外周部に沿って連続的に形成されている。また、絶縁層４における凹部１２に対向する部分は、凹部１２に対応するように下方に突出する凸状に形成されている。凹部１２がヒートシンク５の上面に形成されることで、封止樹脂６とヒートシンク５との間の界面の剥離が進展した場合に、絶縁層４へ進展することを抑制可能となる。すなわち、封止樹脂６とヒートシンク５との間の界面の剥離がヒートシンク５の側面９に沿って進展し、絶縁層４とヒートシンク５との間の界面の剥離につながる前に、封止樹脂６とヒートシンク５との間の界面の剥離が絶縁層４へ進展することを抑制可能となる。
凹部１２は、連続的ではなく不連続的に複数形成されていても良い。また、凹部１２は、ヒートシンク５の上面における中央部ではなく外周部に形成されている方が剥離の進展を抑制する効果が大きい。
次に、半導体装置１００の作用・効果について、底面段差部７に凹部１１が形成されていない場合と比較して説明を行う。図７は、底面段差部７に凹部１１が形成されていない場合における半導体装置１０１の反り返りを示す断面図である。
一般に、ヒートシンク５は封止樹脂６に比べて線熱膨張係数が大きく、高温時には、図７に示すように、ヒートシンク５の底面１０が凸状になるように半導体装置１０１全体が反り返る。
これに対して、実施の形態１に係る半導体装置１００は、ヒートシンク５と、ヒートシンク５の上面に設けられた絶縁層４と、絶縁層４の上面に固定されたリードフレーム１と、リードフレーム１の上面に搭載された半導体素子２と、ヒートシンク５の底面１０を露出させた状態で、ヒートシンク５および半導体素子２を封止する封止樹脂６とを備え、ヒートシンク５の底面１０における周縁部には、段差状に凹む底面段差部７が形成され、底面段差部７には上方に凹み、封止樹脂６から露出しない凹部１１が形成され、ヒートシンク５の上面には下方に凹む凹部１２が形成されている。
したがって、高温時に、凹部１１に充填された封止樹脂６がヒートシンク５の過度の反り返りを抑制できるため、底面段差部７の角部を起点に封止樹脂６とヒートシンク５との間の界面の剥離が進展することを抑制できる。さらに、封止樹脂６とヒートシンク５との間の界面の剥離が進展した場合であっても、凹部１２により、封止樹脂６とヒートシンク５との間の界面の剥離が絶縁層４とヒートシンク５との間の界面へ進展することを抑制できる。以上より、半導体装置１００の長期使用が可能となる。
また、凹部１２は、ヒートシンク５の上面における外周部に形成されているため、剥離の進展を抑制する効果が大きくなる。
また、凹部１１は、底面段差部７の外周部に沿って形成されているため、底面段差部７の外周部全域での剥離の発生を抑制することができる。
＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体装置１００について説明する。図３は、実施の形態２に係る半導体装置１００が備えるヒートシンク５の底面図である。図４は、実施の形態２の変形例１に係る半導体装置１００が備えるヒートシンク５の底面図である。図５は、実施の形態２の変形例２に係る半導体装置１００が備えるヒートシンク５の底面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
図３に示すように、実施の形態２では、凹部１１は不連続的に形成されている。具体的には、底面段差部７の４つの角部のみに溝状の凹部１１が形成されている。
また、図４に示すように、凹部１１は底面視にて円状に形成され、底面段差部７の外周部に沿って間隔をあけて複数設けられていても良い。
また、図５に示すように、円状の凹部１１は、底面段差部７の４つの角部のみに設けられていても良い。
以上のように、実施の形態２では、凹部１１は不連続的に形成されているため、剥離の進展を抑制する効果を得つつ、実施の形態１の場合よりも凹部１１を形成する際の加工効率を向上させることができる。
＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係る半導体装置１００について説明する。図６は、実施の形態３に係る半導体装置１００の拡大断面図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
図６に示すように、実施の形態３では、凹部１１は底面段差部７に形成されておらず、その代わりに、凹部１３がヒートシンク５の側面９に形成されている。凹部１３は、側面９の内周側に凹むように側面９の周方向に沿って形成され、封止樹脂６から露出していない。
以上のように、実施の形態３では、凹部１３がヒートシンク５の側面９に形成されたため、底面段差部７の角部から発生した剥離が側面９に沿って進展することを抑制できる。これにより、剥離が絶縁層４とヒートシンク５との間の界面へ進展することを抑制できる。
なお、実施の形態３においてもヒートシンク５の上面に凹部１２が設けられていても良い。これにより、凹部１２が設けられていない場合よりも、剥離が絶縁層４とヒートシンク５との間の界面へ進展することを抑制できる。
なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ リードフレーム、２ 半導体素子、４ 絶縁層、５ ヒートシンク、６ 封止樹脂、７ 底面段差部、１１ 凹部、１２ 凹部、１３ 凹部、１００ 半導体装置。

Claims (2)

  1. ヒートシンクと、
    前記ヒートシンクの上面に設けられた絶縁層と、
    前記絶縁層の上面に固定されたリードフレームと、
    前記リードフレームの上面に搭載された半導体素子と、
    前記ヒートシンクの底面を露出させた状態で、前記ヒートシンクおよび前記半導体素子を封止する封止樹脂と、を備え、
    前記ヒートシンクの底面における周縁部には、段差状に凹む底面段差部が形成され、
    前記底面段差部には上方に凹み、前記封止樹脂から露出しない第１凹部が形成され、
    前記ヒートシンクの上面には下方に凹む第２凹部が形成され、
    前記第１凹部は不連続的に前記底面段差部の４つの角部のみに形成された、半導体装置。
  2. 前記第２凹部は、前記ヒートシンクの上面における外周部に形成された、請求項１に記載の半導体装置。
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