JPWO2016162991A1 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

第１主面である素子搭載面３０Ａと、素子搭載面３０Ａに対向する第２主面である裏面３０Ｂとを備えた絶縁性基板３１と、背面３０Ｂに形成され、配線部３５Ｃと放熱部３５Ｈとを含む配線層３５と、を備えた配線基板３０と、配線基板３０の素子搭載面３０Ａ上に搭載され、配線部３５Ｃに接続された半導体素子であるパワー素子１０と、パワー素子１０と配線基板３０の素子搭載面３０Ａとの間に介装され、背面側放熱部３５Ｈに接続されるスペーサ４０と、スペーサ４０との間にパワー素子１０を挟持し、スペーサ４０に固定されたヒートシンク２０とを具備した。

Description

本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に係り、特にパワー素子の放熱構造に関する。

従来、制御装置においては、パワー素子などの高発熱素子の放熱のためにヒートシンク、あるいはスペーサが用いられている。例えば特許文献１では、ヒートシンクを取付けた素子の下にスペーサを配置した構成が開示されている。特許文献１では、スペーサは素子の放熱面高さを揃える為に使用しており、放熱は、素子の上面側に配されるヒートシンクからのみ行う構成となっている。

また、特許文献２では、発熱素子を冷却するためのベース部と、ヒートシンクを構成するホルダー部とで挟み込みながらプリント基板に固定した装置も開示されている。

特開２００４−９５６９７号公報 特開２０１１−１９９０４４号公報

しかしながら、上記特許文献１では素子の上面側に固定したヒートシンクから放熱を行っているのみであった。また特許文献２ではパワー素子を上下から挟みこんで固定するベース部とヒートシンクから放熱を行っていた。特許文献１および特許文献２の技術では、パワー素子の上面側に固定したヒートシンクからの放熱を主としており、パワー素子の下面側である基板側に実装したスペーサあるいはベース部からの放熱は期待をしていないか、ベース部は放熱を効率良く行える構造となっていなかった。そのため放熱をより効率的に行うためには上面側のヒートシンクのフィンを大きくしなければならなかった。また、大型化したヒートシンクを支えるための構造が必要となったり、ユニットの振動でヒートシンクが揺れることでパワー素子に力が加わり、パワー素子のリードが破断したりはんだ付け部分が破損したりするおそれがあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、半導体素子の下面側からの放熱効率を向上し、上面側のヒートシンクを大きくすることなく、良好な放熱特性を得ることのできる半導体装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し目的を達成するために、本発明の半導体装置は、配線部と背面側放熱部とを含む配線層とを備えた配線基板と、配線基板の第１主面上に搭載され、配線部に接続された半導体素子と、半導体素子と配線基板の第１主面との間に介装され、背面側放熱部に接続されるスペーサと、スペーサとの間に半導体素子を挟持し、スペーサに固定されたヒートシンクとを具備する。配線基板は、第１主面と第１主面に対向する第２主面とを備えた絶縁性基板と、第２主面に形成され配線部と背面側放熱部とを含む配線層とを備える。

本発明によれば、半導体素子の下面側からの放熱効率を向上し、上面側のヒートシンクを大きくすることなく、良好な放熱特性を得ることができるという効果を奏する。

実施の形態１の半導体装置を示す分解斜視図 実施の形態１の半導体装置の断面説明図 実施の形態１の半導体装置のスペーサを示す斜視図 実施の形態１の半導体装置で放熱されるパワーモジュールを示す斜視図 実施の形態１の半導体装置のヒートシンクを示す斜視図 実施の形態１の半導体装置の配線基板の断面説明図 実施の形態２の半導体装置を示す分解斜視図 実施の形態２の半導体装置の断面説明図 実施の形態２の半導体装置の配線基板の断面説明図

以下に、本発明の実施の形態に係る半導体装置および半導体装置の製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため各層あるいは各部材の縮尺が現実と異なる場合があり、各図面間においても同様である。また、断面図であっても、図面を見易くするためにハッチングを付さない場合がある。さらにまた平面図であっても、図面を見易くするためにハッチングを付す場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１の半導体装置である制御装置を示す分解斜視図、図２は、同半導体装置の断面説明図、図３は、実施の形態１の半導体装置のスペーサを示す斜視図である。また、図４は、実施の形態１の半導体装置で放熱されるパワーモジュールを示す斜視図、図５は、実施の形態１の半導体装置のヒートシンクを示す斜視図、図６は、実施の形態１の半導体装置の配線基板の断面説明図である。実施の形態１の制御装置１００は、パワー素子１０の下部に設けたスペーサ４０から放熱を行うと共にスペーサ４０から配線基板３０のはんだ形成面である背面３０Ｂ側に設けた配線層３５からなる放熱部３５Ｈに熱が伝わるようにし、配線基板３０のはんだ形成面側のパターンからも放熱を行えるようにしたものである。配線基板３０の背面３０Ｂとは、パワー素子１０を実装する素子搭載面３０Ａと反対側の面である。

実施の形態１の制御装置は、図１に示すように発熱するパワー素子１０が、上面側から熱を逃がすためのヒートシンク２０と、パワー素子１０の下面側から配線基板３０の表面からの高さを一定に保つスペーサ４０とで挟み込まれ、ヒートシンク固定用ネジ５０で緊締され加圧状態で固定されている。この状態でヒートシンク２０とスペーサ４０を固定したパワー素子１０を配線基板３０に実装しはんだ層６０で固定する。配線基板３０にはパワー素子実装用の穴３２とスペーサ実装用の穴３３とがあいている。また、ヒートシンク固定用ネジ５０を通すためのネジ用穴３４を設けておくことで、パワー素子１０とスペーサ４０をはんだ層６０で固定した後でヒートシンク２０をヒートシンク固定用ネジ５０で固定することが可能となる。この制御装置１００では、パワー素子１０の熱を上面に放熱するヒートシンク２０と、下面に導くスペーサ４０とで放熱装置を構成するが、特にスペーサ４０からの放熱パスを確立する。

ここでスペーサ４０は、図２および図３に示すように、はんだ層６０が形成可能な金属板で製作される。例えば銅板にニッケルめっき層あるいは金めっきを形成したもの等が適用可能である。そしてこのスペーサ４０は、スペーサ本体４１と、スペーサ本体４１の中央部で両側に折り曲げられ起立された起立片４２とを有し、高さが調整可能となっている。起立片４２の先端に突出部４３が形成されている。そしてこの突出部４３が配線基板３０のスペーサ実装用の穴３３から背面３０Ｂ側に導かれ、背面３０Ｂ側に形成された配線層３５の放熱部３５Ｈとはんだ層６０で固定されている。この突出部４３により、配線基板３０上での位置を固定すると共に、第１主面である素子搭載面３０Ａに搭載されるパワー素子１０から受けた熱を配線基板３０の第２主面である背面３０Ｂ側に形成された銅箔の配線パターン３５からなる放熱部３５Ｈに逃がす。またスペーサ本体４１の自由端４１Ｔはパワー素子１０の側方に突出して、側方への放熱作用を持たせることもできる。またスペーサ本体４１には取付け穴４４が設けられている。

パワー素子１０は、図４に示すように、図示しないパワー半導体チップが封止された樹脂パッケージからなる素子本体１１と、素子本体１１から導出された複数のリード端子１２とを備え、リード端子導出面と直交する面に、位置合わせ用の切り欠き１３が形成されている。この切り欠き１３に、ヒートシンク２０とスペーサ４０とを貫通するヒートシンク固定用ネジ５０を両側から当接させて、パワー素子１０が挟み込まれて固定される。

ヒートシンク２０は、図５に示すように、パワー素子１０に当接されるヒートシンク本体２１と、ヒートシンク本体２１から伸長する複数のフィン２２とを備え、ヒートシンク本体２１に設けられた取付け穴２３とを有する。この取付け穴２３を貫通し、ヒートシンク固定用ネジ５０が装着される。

また、図６に示すように、このパワー素子１０および放熱装置が実装される配線基板３０は、エポキシ基板などの絶縁性基板３１に、素子実装領域にパワー素子実装用の穴３２とスペーサ実装用の穴３３とがあいている。そして絶縁性基板３１の背面３０Ｂ側には配線層３５のパターンが形成されている。配線層３５は、銅箔をパターニングして形成されたもので、パワー素子１０の直下では、べたパターンからなる放熱部３５Ｈを構成している。放熱部３５Ｈについても配線層３５のリード端子１２との接続を行うための領域である配線部３５Ｃとともにはんだめっき層を形成しておくことで、より放熱性が向上する。また、ヒートシンク固定用ネジ５０を通すためのネジ用穴３４を設けておくことで、パワー素子１０とスペーサ４０をはんだ層６０で固定した後で、ヒートシンク２０をヒートシンク固定用ネジ５０で固定することが可能となる。

次に、実施の形態１の半導体装置の実装方法について説明する。この方法では、まず、図６に示した配線基板３０を用意し、この配線基板３０の素子搭載面３０Ａである第１主面に、スペーサ４０と、半導体素子であるパワー素子１０と、ヒートシンク２０とを順次積層する。

まず、スペーサ４０の突出部４３を、配線基板３０のスペーサ実装用の穴３３に挿通する。必要に応じて突出部４３の先端を配線基板３０の背面３０Ｂで内側にまげ、放熱部３５Ｈに当接させ、はんだ層６０で接続する。

そして、パワー素子１０のリード端子１２をパワー素子実装用の穴３２に挿通し、背面３０Ｂに形成され配線部３５Ｃを構成する配線層３５にはんだ層６０で接続する。放熱部３５Ｈとリード端子１２が接続される領域とは、電気的に分離されているが、リード端子１２の１本を放熱部３５Ｈに接続し、放熱部３５Ｈをグランドプレートの一部として用いることも可能である。パワー素子１０のリード端子１２をはんだ層６０で配線部３５Ｃに接続する工程と、スペーサ４０の突出部４３を放熱部３５Ｈに接続する工程とは、はんだ供給後一括加熱を行うことにより、同一の熱工程で実施することも可能である。また、放熱部３５Ｈと、配線層３５のリード端子１２との接続部とをはんだめっき層で被覆しておくことで、はんだ供給を行うことなく、熱工程によってはんだ接続を行うことが可能となる。

そしてヒートシンク２０をパワー素子１０の第１主面１０Ａ側に搭載し、スペーサ４０のスペーサ本体４１をパワー素子１０の背面側放熱部に熱的に接続する。この接続は、ヒートシンク固定用ネジ５０を通すためのネジ用穴３４からヒートシンク固定用ネジ５０を、スペーサ４０のスペーサ本体４１に設けられた取付け穴４４を貫通し、さらにパワー素子１０の切り欠き１３に当接し、さらにヒートシンク２０のヒートシンク本体２１に設けられた取付け穴２３まで貫通させ、ヒートシンク２０の取付け穴２３に形成されたネジ溝と螺合させて固定する。

パワー素子１０はヒートシンク２０とスペーサ４０で挟み込まれてヒートシンク固定用ネジ５０で固定される。また、パワー素子１０からヒートシンク２０及びスペーサ４０への熱の伝導効率を上げるため各接触面の間に熱伝導用シート７０が介在せしめられている。

なお、熱伝導用シート７０に代えて、熱伝導用グリースを注入してもよい。また、ヒートシンク２０の取付け穴２３にはネジ溝を形成したが、図示しないナットで固定するようにしてもよい。

スペーサ４０はスペーサ本体４１の自由端４１Ｔがパワー素子１０の側方に突出するようにして、側方への放熱作用を持たせている。この構成により空気に触れる面積を増やすことで放熱効果を上げることが可能となる。

パワー素子１０からスペーサ４０に伝わった熱ははんだ層６０を介して配線基板３０の背面３０Ｂに形成された配線層３５に伝わるのでこの熱が伝わる配線基板３０の配線層３５からなる放熱部３５Ｈの面積を広くすることで放熱効果を高めることができる。

以上のように、実施の形態１の制御装置１００によれば、スペーサ４０から配線基板３０の背面３０Ｂに形成された配線層３５からなる放熱部３５Ｈに効率良く熱を伝えて放熱することができるため、ヒートシンク２０の大型化を防ぐことが可能となる。従って、ヒートシンクのコストアップ、大型化したヒートシンクを保持するための構造物の追加を防ぐことが可能となる。

以上のように、実施の形態１の制御装置１００では、配線基板３０の背面３０Ｂ側の配線層側に放熱部３５Ｈを持たせ、この放熱部３５Ｈからも放熱を行えるようにしているため、放熱のための専用部品の追加が必要なく、容易に効率よく放熱がなされる。また、ヒートシンク２０からの放熱に加え、配線基板３０の素子搭載面３０Ａとは反対側の背面３０Ｂにパワー素子１０の熱を導き、放熱部３５Ｈで放熱する放熱パスを設けているため、パワー素子１０の両面から効率よく放熱がなされる。そしてさらにコストの高騰を招くことなく制御装置の放熱効率を上げることができ、ヒートシンクの大型化を防ぐことができるという効果を奏する。

なお、実施の形態１では、配線基板の配線層は背面側にのみ設けられた片面パターンで構成したが、片面に限定されることなく、両面パターンでもよく、また多層配線基板でもよい。多層配線基板を用いることにより、中間導体を用いて、例えば基板の周縁部に熱を搬送する放熱パスを形成することも可能である。実施の形態１では、パワー素子のリード端子の配線層への接続は、配線層の存在面に応じて素子搭載面側で行うことも可能であり、適宜変形可能である。

実施の形態２．
実施の形態１では、スペーサ４０と配線基板３０の配線層３５のパターンをはんだ層６０で接続して熱が伝達されるようにしたが、配線基板３０の両面に配線層３５が形成されている場合はスペーサ４０と配線基板３０の配線層３５をはんだ層６０で固定しなくても熱を伝導させることが可能となる。図７は、実施の形態２の半導体装置である制御装置１００を示す分解斜視図、図８は、同半導体装置の断面説明図、図９は、実施の形態２の半導体装置の配線基板の断面説明図である。

図９に示すように配線基板３０のパワー基板１０を実装する素子搭載面３０Ａにスペーサ４０と接触する配線層３５Ａのパターンを設ける。この配線層３５Ａには複数のスルーホール３６が設けられており配線基板３０のパワー素子１０を実装する素子搭載面３０Ａの配線層３５Ａと背面３０Ｂ側の配線層３５Ｂをつないでおり、熱を伝導させることができる。またスペーサ４０は、実施の形態１のスペーサ４０と同様であるが、配線基板３０上での位置を固定するための突出部４３を有している。また配線基板３０に、ヒートシンク固定用ネジ５０を通すためのネジ用穴３４を設けている。このスペーサ４０は配線基板３０にはんだ層６０で固定しないのではんだの付着しにくい金属、たとえばアルミニウムで製作することができる。

また、実装後は、図８に断面図を示すように、スペーサ４０の上面はパワー素子１０と接触し、下面は配線基板３０の配線層３５Ａと接触する。スペーサ４０と接触している配線基板３０の配線層３５Ａと配線基板３０の反対側の面の配線層３５Ｂは多くのスルーホール３６でつながっておりスペーサ４０側から反対側の面に熱が伝導する。

実装方法については、実施の形態１の制御装置１００の実装方法と同様であるが、実施の形態２の制御装置１００では、配線基板３０の素子搭載面３０Ａ側の配線層３５Ａからなる表面側放熱部にスペーサ４０を当接させる。そしてスペーサ４０と配線基板３０との間で熱を効率良く伝えるためヒートシンク２０と配線基板３０でパワー素子１０とスペーサ４０を挟み込んでヒートシンク固定用ネジ５０で固定する。また、実施の形態２の制御装置１００においてもパワー素子１０からヒートシンク２０及びスペーサ４０への熱の伝導効率を上げるため各接触面の間に熱伝導用シート７０が介在せしめられている。

実施の形態２の制御装置１００では、実施の形態１に比べて、配線基板３０の素子搭載面３０Ａ側の配線層３５Ａからなる表面側放熱部でスペーサ４０の熱を受け、スルーホール３６を介して背面３０Ｂ側の放熱部３５Ｈに導く放熱パスが増えることになる。従って、実施の形態１の制御装置１００に比べてさらに放熱性が向上するという効果を奏する。

なお、熱伝導用シート７０に代えて、熱伝導用グリースを入れてもよい。また、実施の形態２の制御装置１００においてもヒートシンク２０の取付け穴２３にはネジ溝を形成したが、図示しないナットで固定するようにしてもよい。

また、スペーサ４０は、配線基板３０を貫通させても良いし、素子搭載面３０Ａ側で固定してもよい。固定は熱伝導性の良好な接着剤を用いるあるいはかしめなどにより行うことができるが、素子搭載面３０Ａ側で固定する場合は、接着剤で固定するのが望ましい。

なお、実施の形態２では、配線基板３０の配線層３５は素子搭載面３０Ａ側および背面３０Ｂ側の両面に設けられた両面パターンで構成したが、両面に限定されることなく、片面パターンで構成してもよい。少なくとも配線層３５Ａで構成される表面側放熱部あるいは配線層３５Ｂで構成される背面側放熱部のいずれかに熱的に接触していればよく、両面間の放熱部の熱的接続は、放熱パスを形成するためのスルーホール３６によって実現し、配線基板３０の背面３０Ｂ側にスペーサ４０からの熱を導くようにすればよい。また多層配線基板でもよい。本実施の形態においても、多層配線基板を用いることにより、中間導体を用いて、例えば基板の周縁部に熱を搬送する放熱パスを形成することも可能である。パワー素子１０のリード端子１２の配線層３５への接続は、素子搭載面３０Ａ側で行うことも可能である。

なお、実施の形態１，２では、ヒートシンク固定用ネジ５０を２本で構成し、パワー素子１０の素子本体１１の両サイドに設けた切り欠き１３に２本のヒートシンク固定用ネジ５０が符合するようにして、位置決めしつつ固定したが、この構造に限定されるものではない。例えば、素子本体１１の中央に１本の貫通穴を形成し、この貫通穴にヒートシンク固定用ネジ５０を挿通させて、固定してもよい。これにより、実装がより容易となる。

本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、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。これら新規な実施の形態は、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。これら実施の形態およびその変形は、発明の範囲に含まれるとともに、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。

１０ パワー素子、１１ 素子本体、１２ リード端子、１３ 切り欠き、２０ ヒートシンク、２１ ヒートシンク本体、２２ フィン、２３ 取付け穴、３０ 配線基板、３０Ａ 素子搭載面、３０Ｂ 背面、３１絶縁性基板、３２ パワー素子実装用の穴、３３ スペーサ実装用の穴、３４ ネジ用穴、３５，３５Ａ，３５Ｂ 配線層、３５Ｈ 放熱部、３６ スルーホール、４０ スペーサ、４１ スペーサ本体、４２ 起立片、４３ 突出部、４４ 取付け穴、５０ ヒートシンク固定用ネジ、６０ はんだ層、７０ 熱伝導用シート。

Claims (12)

1. 第１主面と、前記第１主面に対向する第２主面とを備えた絶縁性基板と、前記第２主面に形成され、配線部と背面側放熱部とを含む配線層と、を備えた配線基板と、
   前記配線基板の前記第１主面上に搭載され、前記配線部に接続された半導体素子と、
   前記半導体素子と前記配線基板の前記第１主面との間に介装され、前記背面側放熱部に接続されるスペーサと、
   前記スペーサとの間に前記半導体素子を挟持し、前記スペーサに固定されたヒートシンクとを具備したことを特徴とする半導体装置。
2. 前記スペーサは、前記配線基板を貫通して前記第２主面側に突出する突出部を有し、
   前記突出部が前記背面側放熱部に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記配線層は、前記半導体素子との電気的接続を行う配線部とは電気的に分離された表面側放熱部を有し、
   前記スペーサは、前記表面側放熱部上に当接されたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記背面側放熱部と前記表面側放熱部は、前記配線基板に形成されたスルーホールを介して接続されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
5. 前記スペーサは、前記半導体素子を挟持し、前記ヒートシンクまで貫通する貫通ネジによって固定されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記スペーサは、前記半導体素子の背面に当接し、前記半導体素子の相対向する２つの側面を囲む位置に設けられた１対の位置決め穴を有するスペーサ本体と、前記スペーサ本体から前記配線基板側に起立された起立片とを備え、前記起立片の先端が前記第２主面側に突出して前記突出部を構成することを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記スペーサと前記ヒートシンクとは、前記半導体素子を挟んで前記１対の位置決め穴から前記ヒートシンクまで貫通する１対の貫通ネジで固定されたことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記スペーサと前記ヒートシンクとは、前記半導体素子を挟み、かつ前記配線基板の前記第２主面側から、前記配線基板および前記スペーサの前記１対の位置決め穴を貫通し、前記ヒートシンクまで貫通する１対の貫通ネジで固定されたことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
9. 前記半導体素子は、相対向する２側面から導出されたリード端子と、
   前記リード端子導出面を除いて、相対向する２側面で、前記位置決め穴に対応する領域に凹部を有し、
   前記貫通ネジが前記２側面に当接することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
10. 第１主面と、前記第１主面に対向する第２主面とを備えた絶縁性基板と、前記第２主面に形成され、配線部と背面側放熱部とを含む配線層と、を備えた配線基板の前記第１主面上に、スペーサと、半導体素子と、ヒートシンクとを積層する工程と、
    前記半導体素子を前記配線部に接続する工程と、
    前記スペーサを前記背面側放熱部に熱的に接続する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
11. 前記スペーサを前記背面側放熱部に熱的に接続する工程は、
    前記スペーサの一部を前記配線基板を貫通して裏面側に導出し、前記背面側放熱部に接続する工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記配線層は、前記配線部とは電気的に分離された表面側放熱部を有し、前記背面側放熱部と前記表面側放熱部は、前記配線基板に形成されたスルーホールを介して接続されており、
    前記スペーサを前記背面側放熱部に熱的に接続する工程は、
    前記スペーサを前記表面側放熱部に当接させる工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。

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