JPH07170086A - 半導体装置の実装構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】金属板１６に搭載された半導体素子４をリード
３をワイヤ１５により電気的に接続し、これを樹脂封止
してパッケージ本体４とする。各パッケージ本体４に
は、夫々複数板の樹脂製フィン１ｋを各パッケージに一
体成形してある。そして各基板１６のパッケージ本体２
は夫々のフィン１ｋが対向するように実装基板を対向配
置している。 【効果】対向するパッケージのフィン先端間の空気流路
損失が増大するので、放熱効果が上がる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の実装構造に
係り、特に熱抵抗を小さくするのに好適な樹脂封止型半
導体装置の実装構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】樹脂封止型半導体装置の熱抵抗を低減す
る上で最も一般的な手段は、特開昭５５−１０５３５４
号公報、同６０−６３９５２号公報に開示されているよ
うに、金属製の放熱フィンを接着剤等によりパッケージ
に取り付ける方法である。しかしこの方法は、フィンの
性能に応じた効果が期待できるものの、フィンの接着面
の信頼性や生産性において問題がある。

【０００３】この問題点を解決する手段として、パッケ
ージ本体と一体成形した樹脂製のフィンを設ける方法が
特開昭５６−１２９３５０号公報、同６２−８１７３５
号公報、実開昭６１−１０４５５３号公報、同６３−８
４９５８号公報に開示されている。

【０００４】また、パッケージ表面の伝熱面積を増やし
て熱抵抗を低減させる目的で、パッケージ表面に多数の
凹凸部を設ける方法が実開昭６３−３１５４１号公報に
開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のうち、
パッケージにフィンを接着する方法は、既に述べたよう
に、接着面の信頼性に問題がある。すなわち、一般にフ
ィン材料（主に金属）とパッケージを封止する樹脂の線
膨張係数は異なっており、このことに起因して接着層に
発生する熱応力のため、接着層が破壊し易い。

【０００６】更に近年需要が拡大している面付実装型パ
ッケージでは、リードと基板をはんだ付する際に、２０
０℃以上に加熱されるが、このような高温では接着剤の
強度は著しく低下するため、より一層信頼性の確保が困
難である。また、このような構造のパッケージでは、部
品点数が増え、生産工程も増加するため、生産性が低下
する。

【０００７】上記の技術の欠点を克服するため、パッケ
ージ本体と一体成形した樹脂性製のフィンを設ける技術
が前述の如く知られている。この構造は、冷却性能は金
属性のフィンを用いる構造に比べて劣るものの、接着層
がないため、前述の信頼性の低下がなく、また生産工程
の増加もないので、生産性にも優れている。しかしこの
構造のパッケージを実装する構造については未だ実用化
されておらず、その実現が待望されていた。

【０００８】そこで本発明の目的は、生産性と信頼性に
優れかつ熱抵抗低減効果の大きい樹脂封止型半導体装置
を組み込んだ実装構造を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】発明に係る実装構造は、
複数のフィン付きの樹脂封止型半導体装置を２枚の基板
に夫々複数個実装し、各基板のフィンが対向するように
実装基板を対向配置してなることを特徴とする。この場
合、互いに対向するフィン先端間の距離を、フィン高さ
の１／２の位置における隣接フィン間距離の３倍以下と
することが好ましい。

【００１０】

【作用】一般にフィンを設けたパッケージを広い空間に
実装すると、空気がフィンの間をよけて流れるため、放
熱効果が上がらない。ところが本発明のように、対向す
るパッケージのフィン先端どうしの距離を小さくして実
装すると、この部分の空気の流路抵抗が増大するため、
フィンの間にも空気が流れ易くなり、放熱効果が向上す
る。換言すれば、本発明によるパッケージは、高密度実
装置により適したパッケージであると言える。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図に従って説明す
る。◆本発明の実施例によるパッケージの実装方法を示
す断面図を図１に示す。図１では、本発明によるパッケ
ージと従来のパッケージの比較を容易にするため、上方
に従来、下方に本発明によるパッケージを示した。どち
らのパッケージとも、金属板１６に搭載された素子４と
リード３をワイヤ１５により電気的に接続し、これを樹
脂封止してパッケージ本体４を形成した。本発明による
パッケージでは、パッケージ本体４に、樹脂フィン１ｋ
を一体成形して設けた。

【００１２】本実施例のパッケージは、基板表面からフ
ィン先端までの寸法が、従来パッケージの基板表面から
パッケージの反基板側表面までの距離と同一になってお
り、また、パッケージの幅、長さ等の外形寸法が従来パ
ッケージと同一になっている。従って本実施例のパッケ
ージは、従来の基板実装装置をそのまま用いることがで
きるという利点も備えている。

【００１３】また、本実施例のパッケージは、素子４を
搭載する金属板１６の下部の樹脂が薄いため、金属板１
６と樹脂の接着強度が高い。このため、樹脂が吸湿した
後にはんだ付加熱した時に生じる樹脂クラックを防止す
ることができるという効果もある。

【００１４】一般にフィンを設けたパッケージを広い空
間に実装すると、空気がフィンの間をよけて流れるた
め、放熱効果が上がらない。ところが本実施例のよう
に、対向するパッケージのフィン先端どうしの距離を小
さくして実装すると、この部分の空気の流路抵抗が増大
するため、フィンの間にも空気が流れ易くなり、放熱効
果が向上する。換言すれば、本発明によるパッケージ
は、高密度実装により適したパッケージであると言え
る。尚、対向するパッケージのフィン先端間距離は、フ
ィン間距離の３倍以下であることが望ましい。

【００１５】更に、この実装構造に採用するのに好適な
樹脂封止型半導体装置は、このパッケージの少なくとも
一表面（通常は背面側、以下同じ。）に複数枚の樹脂製
フィンを設け、該各フィンは長手方向が互いに平行にな
るように複数列かつ複数行に配列されているものであ
り、或いは、パッケージの少なくとも一表面に封止樹脂
と同一材料にて突起を形成し、この突起はパッケージ表
面の直交する２方向に適宜分割されて複数列かつ複数行
のフィンを形成し、各フィンの最大長さは最大厚さの２
倍よりも大きくしたものであり、或いは、パッケージの
少なくとも一表面に複数枚のフィンを千鳥配列したもの
であって、これらの各半導体装置における好ましい態様
は次の通りである。

【００１６】（１）各フィンはパッケージ表面から外方
に向けて先細りとなる形状をしており、各フィンの側面
と前記パッケージ表面とのなす角度を９５度以上１０５
度以下の鈍角とする。◆ （２）各フィン側面の付け根部（フィンの側面とフィン
が設けられたパッケージ表面の交差部分）がわん曲面を
形成している。

【００１７】（３）各フィンは、パッケージ表面に平行
な平面で切った断面が一端で円弧、他端で刃先形状の流
線型（翼形）を呈している。◆ （４）各フィンの高さの１／２の位置におけるフィン間
距離と、同位置におけるフィン厚さの比が１以上２以下
である。

【００１８】（５）封止樹脂及びフィンの材質が、熱伝
導率が１．０Ｗ／ｍ・℃以上の樹脂である。◆ （６）パッケージ表面上及び／またはフィン先端にマー
キングを施こす。◆ （７）上記（１）〜（６）の態様を適宜組み合わせる。

【００１９】板状の樹脂フィンを２方向に分割すると、
トランスファーモールド時においてリードフレームの上
方の空間には樹脂が流れる方向にもフィンの存在しない
箇所が現れる。それ故、この部分が流路抵抗になり、リ
ードフレーム上下の流路抵抗のバランスがとれ、リード
フレーム下方の空間にも樹脂が流れる。また、リードフ
レーム上方のフィン間の部分にも樹脂が充填される。

【００２０】上記構造では、モールド後に樹脂が収縮し
ても、上下アンバランスな部分がフィンを分割した数だ
け分割されるので、全体的な反りは生じず、このため樹
脂や素子のクラック、樹脂とリードフレームの剥離は生
じない。

【００２１】そのようなパッケージの第１例の斜視図を
図３に示す。素子（図では省略）とリード３を電気的に
接続した後、トランスファーモールドにより樹脂封止
し、パッケージ本体２と樹脂フィンを成形する。本実施
例では樹脂フィンは５列用意されており、夫々が１ｂ，
１ｃ，１ｄの３つのブロックに分割され、フィンのない
部分１７ａ，１７ｂ（パッケージ表面）が存在する。

【００２２】図３は、本実施例のパッケージのトランス
ファーモールド時の樹脂の流れを模式的に描いた平面図
であり、（１）から（９）へ時間的に進行する。（１）
はモールド開始直後であり、ゲート１０から樹脂６が流
れ込む。この樹脂は、扇形に広がって流れるが、フィン
１ｄが形成される部分は流路が広いため、抵抗が小さ
く、（２）に示すように樹脂はこの部分を選択的に流
れ、（３）に示すようにこの部分が最初に充填される。
ところが、フィンの部分１ｄの前方には、フィンの形成
されない部分１７ｂがあって、この部分は薄いため流路
抵抗が大きい。このため樹脂は（４）に示すようにフィ
ンの間を流れ始め、図３の紙面裏側に相当するリードフ
レームの下部にも流れる。そして、フィン間を完全に充
填した樹脂（（５）の状態）は、フィン１ｃの部分を選
択的に流れる（（６）の状態）。このような挙動を繰り
返し、（６），（７），（８）の過程を経て、（９）に
示すように、未充填部を残さず、パッケージ全体を完全
に封止することができる。

【００２３】尚、フィンの樹脂が流れる方向の長さとフ
ィンの厚さの比が２より小さいと、フィン断面が正方形
に近くなる。本願発明者の確認したところではこのよう
な断面形状では樹脂がフィン先端まで流れ込まない。従
ってフィンの長さと厚さの比は２より大とすることが必
要である。こうしてパッケージを構成することにより、
未充填箇所を残すことなく完全に樹脂をモールドするこ
とが可能となる。

【００２４】図２に示す例では、フィンが長手方向に３
つに分割されているため、分割部では樹脂の収縮による
力が伝達されずパッケージの反りが極めて小さくなる。
従って樹脂や素子のクラックを防止することができる。

【００２５】更に本例では、フィンの側面はパッケージ
表面に対して垂直ではなく、フィンが先細り形状となる
よう、角度をつけてある。このようにすることにより、
トランスファーモールドでフィンを形成した後、フィン
が金型から抜け易くなる。フィンがパッケージ表面とな
す角度は、９５度は必要であり、１０５度以上で十分で
あるという知見を従来のモールド技術開発から得てい
る。あまり角度をつけ過ぎると、先端部におけるフィン
の断面積が減小し、フィン効率が低下するので、この角
度は９５度以上１０５度以下が望ましい。

【００２６】尚、本実施例では示さなかったが、この角
度はフィンの側面ばかりではなく、フィンの前縁および
後縁にも設ける方が生産性の上で優れている。またこの
ようにすることは樹脂を確実にフィン内に流れ込ませる
上でも必要である。最適なパッケージの第２例の斜視図
を図４に示す。第１例の場合と同様に、パッケージ本体
２の側面にリード３が設けられており、本体２の上面に
は一体成形した樹脂フィンが設けられている。このフィ
ンは１ｂ，１ｅ，１ｄの３つのブロックに分割されてい
る。本実施例では、フィンが千鳥配列になっている。

【００２７】このようにフィンを配列することにより、
フィン１ｄ側面の表面を流れ、温度が上昇した空気は、
フィン１ｅのフィン間中央部を通り、逆にフィン１ｄの
フィン間中央部を流れ、温度上昇の少ない空気は、フィ
ン１ｅではフィンの表面を流れる。このように、本実施
例では、熱が均一に空気に放出されるため、放熱効率が
向上し、第１例以上に熱抵抗を小さくすることができ
る。

【００２８】更にパッケージの第３例の斜視図を図５に
示す。本実施例のパッケージでは、風は紙面左下から右
上の向き（矢印方向）に流す。本実施例では、前述の第
１，第２例と同様に、フィン１ｆが３分割されていて、
フィン上流側前縁は円弧状、フィン下流では刃先状の翼
形状（流線形）となっている。このようなフィン形状に
することにより、フィンの流体抵抗が低減するので、フ
ィン間に空気が流れ易くなり、その結果、熱抵抗を低減
することができる。本例では、フィンをパッケージ本体
と一体成形なるすめため、どのような形状のフィンであ
っても、生産性は全く変わらず、本例のような特殊形状
のフィンも容易に得ることができる。

【００２９】更に、先に述べた千鳥配列のフィンを本例
に適用することにより、より一層熱抵抗を低減すること
ができる。

【００３０】パッケージの第４例の斜視図を図６に示
す。本例では、パッケージ本体２の２つの表面に、３つ
に分割されたフィン１ｇ，１ｈを設けた。このようにパ
ッケージを構成することにより、素子で発生した熱がパ
ッケージの２つの面から効率よく放散するため、熱抵抗
を著しく低減することができる。尚、本例は、パッケー
ジを基板に対して垂直に立てて実装する形式のもの（例
えば、ジグザグインラインパッケージ）に対してのみ有
効であり、基板と平行に実装するパッケージでは、片側
のフィンがパッケージと基板に挟まれ、空気が流れにく
いので、あまり効果がない。

【００３１】パッケージの第５例の平面図を図７に示
す。本例では、フィン１ｉの一部を取り除いてパッケー
ジ表面に平坦部を設け、この部分に商標製品番号などの
マーキングを施した。符号１３はマーキングエリアであ
る。このようにパッケージを構成することにより、放熱
効率は若干減少するが、従来のパッケージと同様なマー
キングを行うことができる。尚、このマーキングは、本
例のようにフィンの一部を取り除かず、フィン間のパッ
ケージ表面に平坦部を設けて行っても良い。また、フィ
ン先端を平坦にしてマーキングを行っても良い。

【００３２】パッケージの第６例の側面図を図８に示
す。本例では、フィン１ｊの側面とパッケージ本体２の
表面の交差部分に、なめらかにわん曲した曲面を成形し
た。フィン側面とパッケージ表面の交差部分は、応力集
中が生じ易く、樹脂の収縮等により交差部分にクラック
が生じる恐れがある。本実施例のように、交差部分をな
めらかな曲面とすることにより、応力集中が低減し、ク
ラックの発生を防ぐことができる。この部分の曲率半径
は大きい方が良いが、計算した結果では０．５mm以上あ
れば十分である。

【００３３】図９は、樹脂フィンを用いた場合のフィン
の熱抵抗Ｒｆと、フィン間距離Ｂとフィン厚さＴの比の
関係を計算した結果を示す。図中に示したＸ寸法を３種
類に振って計算を行った。図からわかるように、どの場
合でも、フィン間距離とフィン厚さの比が１以上２以下
の場合に熱抵抗が最小となる。この傾向は、フィンの厚
さにはほとんど依存しなかった。従って、本発明で採用
するような樹脂フィンを設けたパッケージでは、フィン
間距離とフィン厚さの比を１以上２以下にとることが望
ましい。尚、フィン厚さがフィンの高さ方向で変化する
場合は、フィン間距離、フィン厚さともフィン高さの１
／２の位置における値を用いれば良い。

【００３４】図１０は、フィンの熱抵抗Ｒｆとフィンに
用いる樹脂の熱伝導率λｆの関係を計算した結果示す。
図中に示したＸ，Ｙ寸法を３種類に振って計算した。図
からわかるように、λｆが１Ｗ／ｍ・℃より小さくなる
と、急激に熱抵抗Ｒｆが大きくなる。従って、本発明に
よる樹脂フィンを設けたパッケージでは、熱伝導率が１
Ｗ／ｍ・℃以上の樹脂を用いることが望ましい。尚、通
常のトランスファーモールド用樹脂の熱伝導率は、０．
５から０．８Ｗ／ｍ・℃であるので、いわゆる高熱伝導
樹脂を用いることにより、本発明の効果が増大する。

【００３５】

【発明の効果】本発明の実装構造によれば、空気の流路
抵抗が増大するので放熱効果が増大し、よって高密度実
装を可能とするという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実装構造の一例を示す断面図である。

【図２】本発明に採用する好適な半導体装置例の斜視図
である。

【図３】図２の装置のトランスファーモールド時の樹脂
流れの説明図である。

【図４】本発明に採用するに好適な半導体装置例の斜視
図である。

【図５】本発明に採用するに好適な半導体装置例の斜視
図である。

【図６】本発明に採用するに好適な半導体装置例の斜視
図である。

【図７】本発明に採用するに好適な半導体装置例の平面
図である。

【図８】本発明に採用するに好適な半導体装置例の側面
図である。

【図９】フィンの熱抵抗とフィン間距離Ｋフィン厚さの
比の関係の計算結果を示し特性図である。

【図１０】フィンの熱抵抗とフインの熱伝導率の関係の
計算結果を示す特性図である。

【符号の説明】

２…パッケージ本体、４…半導体素子、１５…ワイヤ、
１６…金属板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 米田 奈柄 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 河野 竜治 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 河合 末男 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 村上 元 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所武蔵工場内 (72)発明者 清水 一男 群馬県高崎市西横手町111番地 株式会社 日立製作所高崎工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のフィン付きの樹脂封止形半導体装置
   を２枚の基板に夫々複数個実装し、各基板のフィンが対
   向するように該実装基板を対向配置してなることを特徴
   とする半導体装置の実装構造。
2. 【請求項２】請求項１において、互いに対向する前記フ
   ィン先端間の距離を、フィン高さの１／２の位置におけ
   る隣接フィン間距離の３倍以下とすることを特徴とする
   半導体装置の実装構造。