KR20120038370A - 반도체장치 - Google Patents

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KR20120038370A
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쓰요시 타카야마
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 간단한 방법으로 반도체 패키지부와 방열 핀 사이의 밀착성을 높여, 방열성을 높일 수 있는 반도체장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 관한 반도체장치는, 방열 핀(13, 14)과, 방열 핀(13, 14) 윗면의 일부를 노출하여 해당 윗면에 접합된 절연 시이트(4)와, 절연 시이트(4) 위에 배치된 히트 스프레더(2)와, 히트 스프레더(2) 위에 배치된 파워 소자(1)와, 방열 핀(13, 14) 윗면의 일부를 포함하는 소정의 면과, 절연 시이트(4)와, 히트 스프레더(2)와, 파워 소자(1)를 덮어 형성된 트랜스퍼 몰드 수지(8)를 구비하고, 방열 핀(13, 14) 윗면은, 절연 시이트(4)의 단부를 구속하기 위해 형성된 볼록 형상 및/또는 오목 형상을 갖는다.

Description

반도체장치{SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 파워 모듈형의 반도체장치의 구조에 관한 것이다.
종래의 파워 모듈형의 반도체장치는, 파워 소자가 구비되는 반도체 패키지부와, 파워 소자로부터 발생하는 열을 방열하기 위해 구비되는 방열 핀이 각각 구비되어 있었다.
이 반도체 패키지부, 방열 핀의 각각을 밀착?접합하기 위해, 예를 들면 특허문헌 1에서는, 양자 사이에 그리스 등을 도포하고 있었다. 또한, 반도체 패키지부에 체결용의 구멍을 설치하여, 방열 핀과 밀착?접합하고 있었다.
일본국 특개 2008-42039호 공보
상기한 것과 같은 구성의 반도체장치라도, 반도체 패키지부와 방열 핀 사이의 밀착성을 충분히 높은 것으로 할 수는 없어, 결과적으로 방열성을 충분히 얻는 것이 곤란하였다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로, 반도체 패키지부와 방열 핀 사이의 밀착성을 충분히 높여, 방열성을 높일 수 있는 반도체장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 반도체장치는, 방열 핀과, 상기 방열 핀 윗면의 일부를 노출하여 해당 윗면에 접합된 절연 시이트와, 상기 절연 시이트 위에 배치된 히트 스프레더(heat spreader)와, 상기 히트 스프레더 위에 배치된 파워 소자와, 상기 방열 핀 윗면의 상기 일부를 포함하는 소정의 면과, 상기 절연 시이트와, 상기 히트 스프레더와, 상기 파워 소자를 덮어 형성된 트랜스퍼 몰드 수지를 구비하고, 상기 방열 핀 윗면은, 상기 절연 시이트의 단부를 구속하기 위해 형성된 볼록 형상 및/또는 오목 형상을 갖는다.
본 발명에 관한 반도체장치에 따르면, 방열 핀과, 상기 방열 핀 윗면의 일부를 노출하여 해당 윗면에 접합된 절연 시이트와, 상기 절연 시이트 위에 배치된 히트 스프레더와, 상기 히트 스프레더 위에 배치된 파워 소자와, 상기 방열 핀 윗면의 상기 일부를 포함하는 소정의 면과, 상기 절연 시이트와, 상기 히트 스프레더와, 상기 파워 소자를 덮어 형성된 트랜스퍼 몰드 수지를 구비하고, 상기 방열 핀 윗면은, 상기 절연 시이트의 단부를 구속하기 위해 형성된 볼록 형상 및/또는 오목 형상을 가짐으로써, 반도체 패키지부와 방열 핀 사이의 밀착성을 높여, 방열성을 높일 수 있다.
도 1은 실시형태 1에 관한 반도체장치의 단면도다.
도 2는 실시형태 1에 관한 반도체장치의 단면도다.
도 3은 실시형태 1에 관한 반도체장치의 부분 단면도다.
도 4는 실시형태 1에 관한 반도체장치의 단면도다.
도 5는 실시형태 1에 관한 반도체장치의 부분 단면도다.
도 6은 실시형태 2에 관한 반도체장치의 부분 형상을 도시한 도면이다.
도 7은 전제기술에 관한 반도체장치의 단면도다.
도 8은 전제기술에 관한 반도체장치의 단면도다.
도 9는 전제기술에 관한 반도체장치의 단면도다.
본 발명의 전제기술로서의 제1 반도체장치의 단면도를, 도 7에 나타낸다.
이 반도체 장치에서는, 파워 소자(1)가 히트 스프레더(2) 위에 복수 구비되고, 각각 알루미늄 와이어(3)를 거쳐 신호 단자(7) 및 주단자(12)에 접속되어 있다. 히트 스프레더(2)는, 절연 시이트(4) 위에 배치되고, 더구나 절연 시이트(4)는, 그리스(5)를 개재하여 방열 핀(6)과 접합되어 있다.
파워 소자(1), 히트 스프레더(2), 알루미늄 와이어(3), 절연 시이트(4) 및 그리스(5)는, 트랜스퍼 몰드 수지(8)(에폭시 수지)로 덮어진다. 더구나, 트랜스퍼 몰드 수지(8)에 설치된 나사 구멍 및 판 스프링(11)을 통해, 나사(9)가 트랜스퍼 몰드 수지(8)를 관통해서 방열 핀(6)에 이르고, 트랜스퍼 몰드 수지(8)로 덮인 반도체 패키지부와, 방열 핀(6)을 밀착시키고 있다.
상기한 구조에 나타낸 것과 같이, 반도체 패키지부와 방열 핀(6)의 접합에는, 그리스(5) 및 나사(9)가 사용된다. 또한, 접합면에는 높은 평면도가 요구된다.
또한, 본 발명의 전제기술로서의 제2 반도체장치의 단면도를, 도 8에 나타낸다.
도 7에 나타낸 반도체장치의 구조와 다른 점은, 절연 시이트(4)와 방열 핀(6)의 접속면에 그리스(5)를 구비하지 않고 있는 것, 또한, 트랜스퍼 몰드 수지(8)와 방열 핀(6)이 직접 접합되는 영역이 존재하는 것이다. 이때, 방열 핀(6)으로서는, 도 7에 나타낸 경우와 마찬가지로, 비교적 저렴한 공냉식의 방열 핀을 사용하고 있다.
그리스(5)를 사용하지 않고 접합함으로써 부재를 삭감하고, 그리스에 있어서의 보이드 발생의 리스크를 없애고, 또한 그리스(5)를 도포하는 공정을 생략할 수 있어, 장치의 소형화, 코스트 다운이 가능해진다. 또한, 트랜스퍼 몰드 수지(8)와 방열 핀(6)을 압접 등에 의해, 일체로 형성할 수 있다. 더구나, 열저항이 낮고, 고온동작 가능한 반도체장치를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 전제기술로서의 제3 반도체장치의 단면도를, 도 9에 나타낸다.
도 8에 나타낸 반도체장치의 구조와 다른 점은, 방열 핀(10)이 수냉식의 방열 핀으로 되어 있는 것이다.
수냉식의 방열 핀(10)을 사용함으로써, 장치의 소형화가 가능해진다. 이때, 공냉식인지 수냉식인지는, 반도체장치의 용도 등에 의해 적절히 변경가능하다.
상기한 것과 같은 구성의 반도체장치에서도, 반도체 패키지부(파워 소자(1)와, 파워 소자(1)에 접합 등이 이루어진 히트 스프레더(2), 절연 시이트(4) 등)와 방열 핀 사이의 밀착성을 충분히 높은 것으로 할 수 없어, 결과적으로 방열성을 충분히 얻는 것이 곤란하였다.
이하의 실시형태는, 간단한 방법으로 반도체 패키지부와 방열 핀 사이의 밀착성을 높여, 방열성을 충분히 높일 수 있는 반도체장치를 나타낸 것이다.
<A. 실시형태 1>
<A-1. 구성>
도 1에 도시된 것은, 본 발명의 실시형태 1에 관한 반도체장치의 단면도다. 도 1에 나타낸 것과 같이, 반도체장치는, 파워 소자(1)가 히트 스프레더(2) 위에 구비되고, 각각 알루미늄 와이어(3)를 거쳐 신호 단자(7) 및 주단자(12)에 접속되어 있다. 파워 소자(1)는, 이하의 실시형태에서도 마찬가지로, 예를 들면 와이드 밴드갭 반도체인 SiC을 사용하는 것이 가능하다. 히트 스프레더(2)는, 절연 시이트(4) 위에 배치되고, 더구나 절연 시이트(4)는, 방열 핀(13)과 직접 접합되어 있다. 절연 시이트(4)는, 방열 핀(13) 윗면의 일부를 노출하여 그것의 윗면에 접합된다.
방열 핀(13) 윗면의 일부를 포함하는 소정의 면, 파워 소자(1), 히트 스프레더(2), 알루미늄 와이어(3) 및 절연 시이트(4)는, 트랜스퍼 몰드 수지(8)(에폭시 수지)로 덮인다.
방열 핀(13) 윗면은, 절연 시이트(4) 단부를 구속하기 위해, 둘러싸도록 형성된 볼록 형상을 갖고 있다.
이와 같이, 방열 핀(13) 윗면에 볼록 형상을 가짐으로써, 절연 시이트(4)를 임시로 고정하는 것이 가능해져, 방열 핀(13)과 트랜스퍼 몰드 수지(8)의 위치 결정의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 절연 시이트(4) 주위에서 정확하게 방열 핀(13)과 트랜스퍼 몰드 수지(8)를 접합?고정시킬 수 있다. 따라서, 반도체 패키지부와 방열 핀 사이의 밀착성을 높여, 방열성을 높일 수 있다.
도 2에 도시된 것은, 본 발명에 관한 반도체장치의 단면도다. 도 1에 나타낸 경우와 다른 점은, 방열 핀(14)의 절연 시이트(4)과 직접 접합하는 표면이 오목 형상으로 되어 있고, 절연 시이트(4)가 그 오목 형상 내부에 매립된 상태로 되어 있는 것이다.
이와 같이 절연 시이트(4)를 매립하는 오목 형상을 가짐으로써, 절연 시이트(4)를 임시로 고정하는 것이 가능해져, 방열 핀(13)과 트랜스퍼 몰드 수지(8)의 위치 결정의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 절연 시이트(4) 주위에서 정확하게 방열 핀(13)과 트랜스퍼 몰드 수지(8)를 접합?고정시킬 수 있다. 따라서, 반도체 패키지부와 방열 핀 사이의 밀착성을 높여, 방열성을 높일 수 있다.
이때, 도 2에 나타낸 방열 핀(14)에, 도 1에 나타낸 볼록 형상이 더 구비되는 경우이어도 된다.
도 3에 도시된 것은, 본 발명에 관한 반도체장치의 부분 단면도다. 도 2에 나타낸 경우와 다른 점은, 방열 핀(15)의 절연 시이트(4)와 직접 접합하는 표면(윗면)이 오목 형상으로 되어 있고, 더구나, 트랜스퍼 몰드 수지(8)와 접합하는 내측면이 요철 형상으로 되어 있는 것이다. 여기에서 해당 구조가, 방열 핀(15) 윗면에 있어서 볼록 형상으로 형성되어 있는 경우이어도 된다.
이와 같이 트랜스퍼 몰드 수지(8)와 접합하는 방열 핀(15)의 내측면이 요철 형상으로 되어 있음으로써, 방열 핀(15)과 트랜스퍼 몰드 수지(8)와의 밀착성을 높여, 방열성을 높일 수 있다.
도 4에 도시된 것은, 본 발명에 관한 반도체장치의 단면도다. 도 2에 나타낸 경우와 다른 점은, 방열 핀(16)의 트랜스퍼 몰드 수지(8)와 접합하는 외측면이 볼록 형상으로 되어 있고, 더구나, 방열 핀(16)의 측면을 트랜스퍼 몰드 수지(8)로 덮고 있는 것이다. 즉, 트랜스퍼 몰드 수지(8)의 폭이 방열 핀(16)의 폭보다 커서, 방열 핀(16)의 양측면을 덮는 것과 같은 구조로 되어 있다. 여기에서 해당 구조가, 방열 핀(15) 윗면에 있어서 볼록 형상이 형성되어 있는 경우, 또는 요철 형상이 형성되어 있는 경우이어도 된다.
이와 같이 트랜스퍼 몰드 수지(8)의 폭을 방열 핀(16)의 폭보다 크게 함으로써. 연면거리(沿面距離: creepage distance)?공간거리(절연 거리)의 확보가 용이하게 되는 동시에, 트랜스퍼 몰드 수지(8)와 방열 핀(16)의 접합을 확실한 것으로 하여, 고신뢰성?고수명의 반도체장치를 얻는 것이 가능해진다.
이때, 도 4에 나타낸 구조에 있어서, 도 3에 나타낸 방열 핀(15)과 같이 내측면에 요철 형상 등이 더 형성되는 경우이어도 된다.
도 5에 도시된 것은, 본 발명에 관한 반도체장치의 부분 단면도다. 도 1에 나타낸 경우와 다른 점은, 방열 핀(17)의 트랜스퍼 몰드 수지(8)와 접합하는 표면에 구멍이 형성되고, 이 구멍에 트랜스퍼 몰드 수지(8)를 주입해서 양자가 접합되는 것이다.
이와 같이 트랜스퍼 몰드 수지(8)와 접합하는 표면에 구멍을 형성하고, 양자를 접합시킴으로써, 방열 핀(17)과 트랜스퍼 몰드 수지(8)의 밀착성을 높여, 방열성을 높일 수 있다. 이때, 방열 핀의 측면에 요철 형상을 형성할지, 윗면에 요철 형상을 형성할지는, 적절히 선택가능하다.
또한, 도 5에 있어서는, 방열 핀(17)은 수냉식의 것이 표시되어 있지만, 공냉식이어도 된다.
<A-2. 효과>
본 발명에 관한 실시형태 1에 따르면, 반도체장치에 있어서, 방열 핀 13, 방열 핀 14와, 방열 핀 13 및 방열 핀 14 윗면의 일부를 노출하여 해당 윗면에 접합된 절연 시이트(4)와, 절연 시이트(4) 위에 배치된 히트 스프레더(2)와, 히트 스프레더(2) 위에 배치된 파워 소자(1)와, 방열 핀(13) 및 방열 핀(14) 윗면의 일부를 포함하는 소정의 면과, 절연 시이트(4)와, 히트 스프레더(2)와, 파워 소자(1)를 덮어 형성된 트랜스퍼 몰드 수지(8)를 구비하고, 방열 핀(13) 및 방열 핀(14) 윗면은, 절연 시이트(4)의 단부를 구속하기 위해 형성된 볼록 형상 및/또는 오목 형상을 가짐으로써, 절연 시이트(4)를 임시로 고정하는 것이 가능해져, 방열 핀(13)과 트랜스퍼 몰드 수지(8)의 위치 결정, 고정의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 반도체 패키지부와 방열 핀 사이의 밀착성을 높여, 방열성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 실시형태 1에 따르면, 반도체장치에 있어서, 방열 핀 15 및 방열 핀 16은, 트랜스퍼 몰드 수지(8)에 덮이는 내측면 및/또는 외측면을 갖고, 해당 측면에 있어서, 볼록 형상 및/또는 오목 형상을 가짐으로써, 방열 핀과 트랜스퍼 몰드 수지(8)의 위치 결정, 고정의 정밀도를 앵커 효과로 향상시킬 수 있다. 따라서, 반도체 패키지부와 방열 핀 사이의 밀착성을 높여, 방열성을 높일 수 있다. 또한, 신뢰성을 향상시켜, 장치 수명을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 실시형태 1에 따르면, 반도체장치에 있어서, 방열 핀 17은, 수냉식의 방열 핀이므로, 장치의 소형화, 초박형화가 가능해진다.
또한, 본 발명에 관한 실시형태 1에 따르면, 반도체장치에 있어서, 트랜스퍼 몰드 수지(8)는, 방열 핀(16)보다도 큰 폭을 갖는 것에 의해 방열 핀(16)의 양측면을 덮음으로써, 주단자(12)로부터 방열 핀(16)까지의 연면거리?공간거리(절연 거리)의 확보가 용이하게 되는 동시에, 트랜스퍼 몰드 수지(8)와 방열 핀(16) 접합을 확실한 것으로 하여, 고신뢰성?고수명의 반도체장치를 얻는 것이 가능해진다.
<B. 실시형태 2>
<B-1. 구성>
도 6에 도시된 것은, 본 발명의 실시형태 2에 관한 반도체장치의 부분 단면도다. 도 6에 부분적으로 도시한 것과 같이 반도체장치는, 제1핀으로서의 방열 핀 18을 구비하고, 방열 핀 18에 코킹 형상(caulked shape)에 의해 고정되어 추가된, 제2핀으로서의 방열 핀 19를 더 구비한 구조로 되어 있다. 다른 구성에 관해서는 실시형태 1에 나타낸 것과 같으므로, 상세한 설명을 생략한다.
여기에서, 방열 핀 18은 예를 들면 공냉식이며, 도 6에 나타낸 것과 같은, 코킹 형상의 핀을 갖고 있다. 따라서, 방열 기능을 증대시키기 위해 방열 핀을 더 추가할 필요가 생긴 경우에도, 코킹 형상으로 끼워 넣음으로써 용이하게 방열 핀 19를 접합하여, 방열 기능의 실현이 가능하다.
<B-2. 효과>
본 발명에 관한 실시형태 2에 따르면, 반도체장치에 있어서, 방열 핀은, 제1핀으로서의 방열 핀 18과, 방열 핀 18에 코킹 형상에 의해 고정된 제2핀으로서의 방열 핀 19를 구비함으로써, 방열 기능을 증대시키기 위해서 방열 핀을 더 추가할 필요가 생긴 경우에도, 코킹 형상으로 끼워 넣음으로써 용이하게 방열 핀 19를 접합하여, 방열 기능의 실현이 가능하다.
본 반도체장치는 몰드 장치의 금형으로 장치외형이 제약되는 것이다. 따라서, 한층 더 높은 방열화의 시장 요구가 있어도, 시장 요구를 만족하는 열특성이 좋은 반도체장치를 얻기 위해서는 장치 외형을 변경하는 것은 곤란하다. 그와 같은 경우, 본 발명과 같은 구조이면, 더욱 더 높은 방열화도 용이하게 실현할 수 있다.
본 발명의 실시형태에서는, 각 구성요소의 재질, 재료, 실시의 조건 등에 대해서도 기재하고 있지만, 이것들은 예시이며 기재한 것에 한정되는 것이 아니다.
1 파워 소자, 2 히트 스프레더, 3 알루미늄 와이어, 4 절연 시이트, 5 그리스, 6, 10, 13?19 방열 핀, 7 신호 단자, 8 트랜스퍼 몰드 수지, 9 나사, 11 판 스프링, 12 주단자.

Claims (6)

  1. 방열 핀과,
    상기 방열 핀 윗면의 일부를 노출하여 해당 윗면에 접합된 절연 시이트와,
    상기 절연 시이트 위에 배치된 히트 스프레더와,
    상기 히트 스프레더 위에 배치된 파워 소자와,
    상기 방열 핀 윗면의 상기 일부를 포함하는 소정의 면과, 상기 절연 시이트와, 상기 히트 스프레더와, 상기 파워 소자를 덮어 형성된 트랜스퍼 몰드 수지를 구비하고,
    상기 방열 핀 윗면은, 상기 절연 시이트의 단부를 구속하기 위해 형성된 볼록 형상 및 오목 형상 중 적어도 한쪽을 갖는 반도체장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 방열 핀은, 상기 트랜스퍼 몰드 수지로 덮이는 내측면 및 외측면 중 적어도 한쪽을 갖고, 해당 측면에 있어서, 볼록 형상 및 오목 형상 중 적어도 한쪽을 갖는 반도체장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 방열 핀은, 수냉식의 방열 핀인, 반도체장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 파워 소자는, 와이드 밴드갭 반도체를 사용한 소자인, 반도체장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 방열 핀은, 제1핀과, 상기 제1핀에 코킹 형상에 의해 고정된 제2핀을 구비한, 반도체장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 트랜스퍼 몰드 수지는, 상기 방열 핀보다도 큰 폭을 가짐으로써 상기 방열 핀의 양 측면을 덮는, 반도체장치.
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