JPH08204071A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 製品の歩留がよく、機器に組み込みを行った
際においても所定の性能が得られ、経時的な性能も良好
である半導体装置を提供する。 【構成】 固着された絶縁基板２１をケース３０を立設
して包囲し、充填部材３１及びターミナルホルダ３２を
設け封止部材３３で封止しするようにした放熱板２６
が、絶縁基板２１を固着した中間部とケース３０を立設
した部分との間に変形緩衝部である溝２８を有している
ので、封止を行った際に封止部材３３の固化にともなう
熱収縮で放熱板２６に反りが生じるが、反りは溝２８に
よって放熱板２６の外周部のみが変形して発生し、絶縁
基板２１を固着した中間部は変形しない。このため中間
部に固着した絶縁基板２１及び半導体素子２４は変形せ
ず、製品の歩留が向上し、機器への組み込みの際にも外
周部には強制的な力が作用するが中間部には力が作用せ
ず、基板及び半導体素子にひび割れ等が発生しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大電流をスイッチング
等する大電力用の半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知の通り、交流の直流変換や周波数変
換等の電力変換を行う半導体装置のうちの大電力用の装
置では、より高い電圧、より大きい電流のスイッチング
等が可能となるよう開発が進められている。そしてこれ
を実現するために、半導体素子をより大形化すること
と、また同時に複数の半導体素子を同一の基板上に載置
し１つのパッケージ内に収納しモジュール化することが
行われている。

【０００３】以下、モジュール化した半導体装置の従来
例を図９乃至図１１を参照して説明する。図９は斜視図
であり、図１０は断面図であり、図１１は放熱板の反り
状況を模式的に示す断面図である。

【０００４】図９乃至図１１において、１は比較的薄く
形成されたセラミック製の絶縁基板で、その両面に薄い
銅膜２，３が形成されており、４は絶縁基板１の上面側
の銅膜２上に搭載された複数の半導体素子であり、５は
同じく絶縁基板１の上面側の銅膜２上の中央部に片端が
固着されたターミナルである。また６は方形状の放熱板
であって、その上面には絶縁基板１が半田付けによって
固着されている。７は固着の際の半田層であり、８は放
熱板６の４隅部に形成された取着部を構成するねじ止め
用の取付け孔である。

【０００５】９は放熱板６の外周に絶縁基板１を取り囲
むように立設されたポリエステル系樹脂製のケースであ
り、このケース９の４角部には取付け孔８に対応して逃
げ部９ａが設けてある。また１０はケース９内の放熱板
６及び絶縁基板１上に半導体素子４を埋め尽くすように
設けられたシリコンレジンでなる充填部材であり、これ
は充填後に高温雰囲気で硬化されてゲル状となってい
る。

【０００６】さらに１１はターミナル５を貫通させて充
填部材１０上に設けられたポリエステル系樹脂製のター
ミナルホルダであり、１２はケース９の開口寸法より小
さく形成されたターミナルホルダ１１の外周とケース９
との間に充填され、高温雰囲気において固化されたエポ
キシ樹脂製の封止部材である。

【０００７】そして、このように構成された半導体装置
は、取着部のねじ止め用の取付け孔８を使い、図示しな
い組込み機器の取付板にねじを螺着することによって固
定される。なお、組込み機器の取付板は半導体装置から
の熱の放熱路を形成する。

【０００８】しかしながら上記の従来技術においては、
ケース９内に充填した充填部材１０を高温雰囲気で硬化
しゲル状にした後に封止部材１２を充填し、これを再び
高温雰囲気に置くことによって封止部材１２を固化す
る。この固化によって封止部材１２が熱収縮し、図１１
に示すようにケース９の上部は白抜き矢印Ｘの方向の力
が作用する。そして放熱板６には反りｘが生じ、この反
りｘは場合によっては約１００μｍ程度となる。

【０００９】このように放熱板６が反ったままの半導体
装置を組込み機器の取付け板の平坦面にねじ止めし固定
すると、反った放熱板６には強制的に平坦化する方向に
力が加わる。また、同時にケース９内の放熱板６上面に
固着され同様に反った絶縁基板１、さらに絶縁基板１上
面に搭載された半導体素子４にも平坦化する方向に力が
加わり、これにより絶縁基板１や半導体素子４がひび割
れしたり、破断したり等してしまう虞がある。

【００１０】こうした放熱板等の反りのために製品の歩
留が悪く、また、半導体装置を組込み機器に取り付けた
際に所定の性能が得られなかったり、経時的に性能が劣
化する等する虞があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の半
導体装置では、製造過程での固化で封止部材が熱収縮し
て放熱板に反りが生じると共に絶縁基板及び半導体素子
にも反りが生じ、製品の歩留が悪く、また、こうした半
導体装置を機器に組み込んだ際に、絶縁基板や半導体素
子がひび割れしたり、破断したり等して所定の性能が得
られなかったり、経時的に性能が劣化する等する虞があ
った。このような状況に鑑みて本発明はなされたもの
で、その目的とするところは製品の歩留が向上すると共
に、機器に組み込みを行った際においても所定の性能が
得られ、経時的な性能も良好である半導体装置を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
放熱板と、この放熱板の外周部に設けられた取着部と、
半導体素子を搭載して放熱板の中間部に固着された基板
と、この基板を包囲するよう放熱板の外周に沿うと共に
取着部と中間部との間に立設されたケースと、このケー
ス内に基板を封止するよう設けられた合成樹脂製の封止
部材とを備える半導体装置において、放熱板が、基板を
固着した中間部とケースを立設した部分との間に変形緩
衝部を有することを特徴とするものであり、さらに、変
形緩衝部が、放熱板に削設された溝によって形成したも
のであることを特徴とするものであり、さらに、変形緩
衝部が、放熱板の外周部の厚さを中間部よりも薄くする
ことによって形成したものであることを特徴とするもの
であり、さらに、放熱板が方形状をなしていると共に、
取着部が該放熱板の４隅部に取付け孔を有していること
を特徴とするものであり、さらに、放熱板が長方形状を
なしていると共に、取着部が該放熱板の短辺側の外周部
に取付け孔を有していることを特徴するものである。

【００１３】

【作用】上記のように構成された半導体装置は、固着さ
れた基板をケースを立設して包囲し封止部材で封止しす
るようにした放熱板が、基板を固着した中間部とケース
を立設した部分との間に変形緩衝部を有しているので、
封止を行った際に封止部材の固化にともなう熱収縮で放
熱板に反りが生じるが、反りは変形緩衝部によって放熱
板の外周部のみが変形して発生し、基板を固着した中間
部は変形しない。このため中間部に固着した基板及びこ
れに搭載した半導体素子は変形せず、製品の歩留が向上
し、また機器に組み込みを行う際に反っている外周部に
は強制的な力が作用するものの中間部には力が作用せ
ず、基板及び半導体素子にひび割れ等の発生がなく、確
実に所定の性能が得られ、経時的な性能も良好なものと
なる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１５】先ず、第１の実施例であるモジュール化し
た半導体装置を図１乃至図４により説明する。図１は斜
視図であり、図２は断面図であり、図３は放熱板の斜視
図であり、図４は放熱板の反り状況を模式的に示す断面
図である。

【００１６】図１乃至図４において、２１は窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）等で形成された比較的薄いセラミック
製の絶縁基板で、その両面に薄い銅膜２２，２３が形成
されている。この絶縁基板２１には、その片面側の銅膜
２２の表面に複数の半導体素子２４が搭載されており、
さらに片面側の銅膜２２の表面には中央部にターミナル
２５の片端が固着されている。なお、このターミナル２
５の固定位置は銅膜２２の中央部でなくてもよく、端部
でもよい。

【００１７】そして絶縁基板２１は、Ｎｉめっきが施さ
れた銅製の方形状の放熱板２６の片面に半田付けによっ
て固着されている。なお、２７は固着の際の半田層であ
る。

【００１８】また放熱板２６の片面には、各辺に沿って
変形緩衝部を構成する断面形状が矩形の４本の溝２８
が、固着された絶縁基板２１を取り囲むように井桁状に
削設されている。さらに放熱板２６の４隅部には、溝２
８よりも外方側に取着部を構成するねじ止め用の取付け
孔２９が形成されている。

【００１９】またさらに放熱板２６の片面の外周には、
溝２８よりも外方側の位置で絶縁基板２１を包囲するよ
うに、ポリエステル系樹脂等でなる略方形のケース３０
が各辺縁に沿って立設するよう接着剤によって固着され
ている。そしてこのケース３０には、その４角部に取付
け孔２９に対応して逃げ部３０ａが設けてある。

【００２０】このように立設されたケース３０で囲まれ
た中の放熱板２６の片面には、絶縁基板２１及び半導体
素子２４を埋め尽くすように、シリコンレジンでなる充
填部材３１がケース３０の深さの途中にまで充填されて
いる。そして充填部材３１は、充填後に高温雰囲気で硬
化処理されゲル状となっている。

【００２１】さらにゲル状となっ充填部材３１の表面に
は、ターミナル２５を貫通させたポリエステル系樹脂等
でなる略方形平板状のターミナルホルダ３２が設けられ
ている。このターミナルホルダ３２はケース３０の開口
寸法より小さく形成されており、ターミナルホルダ３２
の外周とケース３０との間にはエポキシ樹脂等でなる封
止部材３３が充填されている。そして、封止部材３３は
充填後に高温雰囲気において固化処理され、充填部材３
１を介し絶縁基板２１及び半導体素子２４を放熱板２６
の表面上に封止する。

【００２２】この固化処理によって封止部材３３は熱収
縮し、図４に示すようにケース３０の開口端部には、封
止部材３３が固着することによって白抜き矢印Ｙの方向
の力が作用する。この力により放熱板２６は、その各辺
に沿って削設された変形緩衝部の溝２８部分が変形して
反りｙが生じる。

【００２３】放熱板２６の反りｙは、溝２８より外方側
の取着部が設けられた外周部が反ることによって生じた
もので、絶縁基板２１が固着された溝２８よりも内方側
の放熱板２６の中間部が反るまでに至っていない。すな
わち、放熱板２６の中間部は平坦なままであり、このた
め中間部に固着された絶縁基板２１やこれに搭載されて
いる半導体素子２４は反ることなく平坦なままとなって
いる。

【００２４】そして、このような半導体装置を図示しな
い組込み機器の取付け板の平坦面に固定する場合、放熱
板２６の外周部に形成された取付け孔２９を使いねじ止
めにより行われる。この放熱板２６の取り付けの際に、
取付け板へねじを螺着していくことにより取付け孔２９
が形成された外周部は反りｙを修正し取付け板に密着す
るよう強制的に平坦化される。

【００２５】これに対し放熱板２６の中間部は、その他
面側が平坦であるためそのまま取付け板の平坦面に密着
し、強制的な形状修正が行われない。それ故、中間部に
固着された絶縁基板２１や半導体素子２４にも形状修正
を行うための強制的な力が加わることがなく、絶縁基板
２１や半導体素子２４がひび割れしたり、破断したり等
してしまうことがない。

【００２６】この結果、放熱板に生じる反りをその外周
部だけにとどめ、中間部に固着された絶縁基板２１や半
導体素子２４に及ばないようにしているので製品の歩留
が向上し、また、組込み機器に取り付けた際にも所定通
りの性能が得られ、経時的にも性能が劣化する等の虞が
ない。

【００２７】次に、第２の実施例であるモジュール化し
た半導体装置を図５及び図６により説明する。図５は断
面図であり、図６は放熱板の斜視図である。

【００２８】図５及び図６において、４１は窒化アルミ
ニウム等で形成された比較的薄いセラミック製の絶縁基
板で、その両面に薄い銅膜４２，４３が形成されてい
る。この絶縁基板４１には、その片面側の銅膜４２の表
面に複数の半導体素子２４が搭載されており、さらに片
面側の銅膜４２の表面には中央部にターミナル２５の片
端が固着されている。また絶縁基板４１は、Ｎｉめっき
が施された銅製の長方形状の放熱板４４の片面に半田付
けによって固着されている。

【００２９】この絶縁基板４１が固着された放熱板４４
は、その他面側に両短辺に沿って変形緩衝部を構成する
断面形状が矩形の２本の溝４５が削設されている。この
溝４５は固着された絶縁基板４１と短辺縁との間に設け
られたものであり、さらに放熱板４４の短辺縁と溝４５
との間の外周部には、取着部を構成するねじ止め用の取
付け孔２９が形成されている。

【００３０】またさらに放熱板４４の片面の外周には、
ポリエステル系樹脂等でなる略長方形のケース４６が各
辺縁に沿って立設するよう接着剤によって固着され、短
辺側では溝４５よりも外方側に位置するようにして絶縁
基板４１を包囲している。そしてこのケース４６には、
その短辺側の外周部に取付け孔２９に対応する図示しな
い逃げ部が設けてある。

【００３１】このように立設されたケース４６で囲まれ
た中の放熱板４４の片面には、絶縁基板４１及び半導体
素子２４を埋め尽くすように、シリコンレジンでなる充
填部材４７がケース４６の深さの途中にまで充填されて
いる。そして充填部材４７は、充填後に高温雰囲気で硬
化処理されゲル状となっている。

【００３２】さらにゲル状となっ充填部材４７の表面に
は、ターミナル２５を貫通させたポリエステル系樹脂等
でなる略長方形平板状のターミナルホルダ４８が設けら
れている。このターミナルホルダ４８はケース４６の開
口寸法より小さく形成されており、ターミナルホルダ４
８の外周とケース４６との間にはエポキシ樹脂等でなる
封止部材４９が充填されている。そして、封止部材４９
は充填後に高温雰囲気において固化処理され、充填部材
４７を介し絶縁基板４１及び半導体素子２４を放熱板４
４の表面上に封止する。

【００３３】この固化処理によって封止部材４９は熱収
縮し、封止部材４９が固着したケース４６の開口端部に
は内方に向かう力が作用する。そして、この力によって
放熱板４４に反りが生じるが、長辺と短辺の差が大きい
本実施例の場合には短辺に平行な方向の反りは小さく、
主として長辺に平行な方向に大きな反りを生じる。この
長辺に平行な方向の反りは、放熱板４４の短辺に沿って
削設された変形緩衝部の溝４５部分が変形して生じる。

【００３４】このため放熱板４４は、溝４５より外方側
の取着部が設けられた外周部が反っているものの、絶縁
基板４１が固着された溝４５よりも内方側の放熱板４４
の中間部が反るまでに至っていない。すなわち、放熱板
４４の中間部は平坦なままであり、このため中間部に固
着された絶縁基板４１やこれに搭載されている半導体素
子２４は反ることなく平坦なままとなっている。

【００３５】そして、このような半導体装置を図示しな
い組込み機器の取付け板の平坦面に固定する場合、放熱
板４４の外周部に形成された取付け孔２９を使いねじ止
めにより行われる。この放熱板４４の取り付けの際に、
取付け板へねじを螺着していくことにより取付け孔２９
が形成された外周部は反りを修正し取付け板に密着する
よう強制的に平坦化される。

【００３６】これに対し放熱板４４の中間部は、その他
面側が平坦であるためそのまま取付け板の平坦面に密着
し、強制的な形状修正が行われない。それ故、中間部に
固着された絶縁基板４１や半導体素子２４にも形状修正
を行うための強制的な力が加わることがない。従って、
本実施例においても第１の実施例と同様の作用、効果が
得られる。なお、第１及び第２の実施例においては溝２
８，４５の断面形状を矩形としたがこれに限るものでは
なく、部分円弧状やＶ字状、Ｕ字状等であってもよい。

【００３７】次に、第３の実施例であるモジュール化し
た半導体装置を図７及び図８により説明する。図７は断
面図であり、図８は放熱板の斜視図である。

【００３８】図７及び図８において、５１は窒化アルミ
ニウム等で形成された比較的薄いセラミック製の絶縁基
板で、その両面に薄い銅膜５２，５３が形成されてい
る。この絶縁基板５１には、その片面側の銅膜５２の表
面に複数の半導体素子２４が搭載されており、さらに片
面側の銅膜５２の表面には中央部にターミナル２５の片
端が固着されている。また絶縁基板５１は、Ｎｉめっき
が施された銅製の矩形状の放熱板５４の片面に半田付け
によって固着されている。

【００３９】この絶縁基板５１が固着された放熱板５４
は、その片面の各辺に沿った外周部に段差５５を形成す
ることで変形緩衝部を構成する薄肉部５６が設けられて
おり、薄肉部５６はその厚さが中間部に比べて薄いもの
となっている。さらに放熱板５４の薄肉部５６の４隅部
には、取着部を構成するねじ止め用の取付け孔２９が形
成されている。

【００４０】また放熱板５４の薄肉部５６の片面側に
は、段差５５よりも外方側の位置に絶縁基板５１を包囲
するように、ポリエステル系樹脂等でなる略矩形のケー
ス５７が各辺縁に沿って立設するよう接着剤によって固
着されている。そしてこのケース５７には、その４角部
に取付け孔２９に対応して図示しない逃げ部が設けてあ
る。

【００４１】このように立設されたケース５７で囲まれ
た中の放熱板５４の片面には、絶縁基板５１及び半導体
素子２４を埋め尽くすように、シリコンレジンでなる充
填部材５８がケース５７の深さの途中にまで充填されて
いる。そして充填部材５８は、充填後に高温雰囲気で硬
化処理されゲル状となっている。

【００４２】さらにゲル状となっ充填部材５８の表面に
は、ターミナル２５を貫通させたポリエステル系樹脂等
でなる略矩形平板状のターミナルホルダ５９が設けられ
ている。このターミナルホルダ５９はケース５７の開口
寸法より小さく形成されており、ターミナルホルダ５９
の外周とケース５７との間にはエポキシ樹脂等でなる封
止部材６０が充填されている。そして、封止部材６０は
充填後に高温雰囲気において固化処理され、充填部材５
８を介し絶縁基板５１及び半導体素子２４を放熱板５４
の表面上に封止する。

【００４３】この固化処理によって封止部材６０は熱収
縮し、封止部材６０が固着したケース５７の開口端部に
は内方に向かう力が作用する。この力により放熱板５４
は、その外周部に設けられた段差５５より外方の変形緩
衝部を構成している薄肉部５６が変形して反りが生じ
る。

【００４４】この放熱板５４の反りは、段差５５より外
方側の取付け孔２９が形成された外周部が反ることによ
って生じたもので、絶縁基板５１が固着された段差５５
よりも内方側の放熱板５４の中間部が反るまでに至って
いない。すなわち、放熱板５４の中間部は平坦なままで
あり、このため中間部に固着された絶縁基板５１やこれ
に搭載されている半導体素子２４は反ることなく平坦な
ままとなっている。

【００４５】そして、このような半導体装置を図示しな
い組込み機器の取付け板の平坦面に固定する場合、放熱
板５４の外周部に形成された取付け孔２９を使いねじ止
めにより行われる。この放熱板５４の取り付けの際に、
取付け板へねじを螺着していくことにより取付け孔２９
が形成された外周部は反りを修正し取付け板に密着する
よう強制的に平坦化される。

【００４６】これに対し放熱板５４の中間部は、その他
面側が平坦であるためそのまま取付け板の平坦面に密着
し、強制的な形状修正が行われない。それ故、中間部に
固着された絶縁基板５１や半導体素子２４にも形状修正
を行うための強制的な力が加わることがない。従って、
本実施例においても第１の実施例と同様の作用、効果が
得られる。

【００４７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明
は、固着された基板をケースを立設して包囲し封止部材
で封止しするようにした放熱板が、基板を固着した中間
部とケースを立設した部分との間に変形緩衝部を有する
構成としたことにより、製品の歩留が向上し、機器に組
み込みを行った際においても所定の性能が得られ、経時
的な性能も良好なものとなる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す斜視図である。

【図２】本発明の第１の実施例の断面図である。

【図３】本発明の第１の実施例の放熱板の斜視図であ
る。

【図４】本発明の第１の実施例における放熱板の反り状
況を模式的に示す断面図である。

【図５】本発明の第２の実施例を示す断面図である。

【図６】本発明の第２の実施例の放熱板の斜視図であ
る。

【図７】本発明の第３の実施例を示す断面図である。

【図８】本発明の第３の実施例の放熱板の斜視図であ
る。

【図９】従来例を示す斜視図である。

【図１０】従来例の断面図である。

【図１１】従来例におけるの放熱板の反り状況を模式的
に示す断面図である。

【符号の説明】

２１，４１，５１…絶縁基板 ２４…半導体素子 ２６，４４，５４…放熱板 ２８，４５…溝 ２９…取付け孔 ３０，４６，５７…ケース ３３，４９，６０…封止部材 ５６…薄肉部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放熱板と、この放熱板の外周部に設けら
   れた取着部と、半導体素子を搭載して前記放熱板の中間
   部に固着された基板と、この基板を包囲するよう前記放
   熱板の外周に沿うと共に前記取着部と前記中間部との間
   に立設されたケースと、このケース内に前記基板を封止
   するよう設けられた合成樹脂製の封止部材とを備える半
   導体装置において、前記放熱板が、前記基板を固着した
   中間部と前記ケースを立設した部分との間に変形緩衝部
   を有することを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 変形緩衝部が、放熱板に削設された溝に
   よって形成したものであることを特徴とする請求項１記
   載の半導体装置。
3. 【請求項３】 変形緩衝部が、放熱板の外周部の厚さを
   中間部よりも薄くすることによって形成したものである
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 放熱板が方形状をなしていると共に、取
   着部が該放熱板の４隅部に取付け孔を有していることを
   特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 【請求項５】 放熱板が長方形状をなしていると共に、
   取着部が該放熱板の短辺側の外周部に取付け孔を有して
   いることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。