(57)【要約】【課題】  より放熱効率が向上した半導体装置を提供すること【解決手段】  半導体装置１は、半導体素子２と、リードフレーム３と、放熱ブロック４を備える。リードフレーム３は、導電性金属である銅により構成され、半導体素子２が載置される平面状の半導体載置面３１を有するとともに、半導体素子２を通過する導電経路を形成する。放熱ブロック４は、半導体素子２からリードフレーム３に伝達された熱を放熱する。リードフレーム３は、半導体載置面３１とは異なる面であって、凸状に湾曲して形成されるとともに、絶縁材料により構成される絶縁層５を介して放熱ブロック４の凹部４３の壁面に対面接触する凸状湾曲面３２を有する。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
導電性金属により構成され、前記半導体素子が載置される半導体載置面を有するとともに、前記半導体素子を通過する電流の導電経路を形成するリードフレームと、
前記半導体素子から前記リードフレームに伝達された熱を放熱するための放熱部材と、
を備え、
前記リードフレームは、前記半導体載置面とは異なる面であって、凸状に湾曲して形成されるとともに、絶縁材料により構成される絶縁層を介して前記放熱部材に接触する凸状湾曲面を有する、
半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記放熱部材は、前記リードフレームが配設される凹部が形成されたリードフレーム配設面を有し、
前記凹部を構成する壁面は、前記絶縁層を介して前記凸状湾曲面に対面接触するように凹状に湾曲して形成される凹状湾曲面を有する、
半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体装置において、
前記凸状湾曲面は、前記半導体載置面に平行な一方向から見たときに円弧形状を呈する、
半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記凸状湾曲面が、前記半導体載置面とは反対側の面に形成される、
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トランジスタ、コンデンサ、抵抗等の半導体素子は、リードフレームを通じて供給される電力を受けて作動する。このとき一般的に半導体素子が発熱する。半導体素子が過剰に発熱すると、半導体素子の正常な動作に支障をきたす。そのため、半導体素子の過剰な発熱を防止するために、半導体素子及びリードフレームを有する半導体装置には、半導体素子の熱を放熱するための放熱部材が備えられている。
【０００３】
特許文献１は、上アームユニット（１８０）及び下アームユニット（１８０）を有する半導体装置を開示する。特許文献１に記載の半導体装置の上アームユニット（１７０）は、半導体素子（１０，１１）と、金属板（３０）と、絶縁材（５０）と、放熱板（７０）と、冷却フィン（７１）とを有する。半導体素子（１０，１１）は、各々金属板（３０）上にはんだにより接合されている。また、金属板（３０）の下面には、絶縁材（５０）が張り付けられ、絶縁材（５０）の下面に放熱板（７０）が取り付けられる。放熱板（７０）の外側表面に冷却フィン（７１）が形成される。このような構成によれば、半導体素子（１０，１１）の熱は、金属板（３０）、絶縁材（５０）を介して放熱板（７０）に伝達される。そして、放熱板（７０）及び冷却フィン（７１）から外部に熱が放出される。なお、特許文献１に開示の下アームユニット（１８０）に備えられる半導体素子の放熱経路も、上記した経路に類似している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１１５１６７号公報
【発明の概要】
【０００５】
（発明が解決しようとする課題）
特許文献１によれば、半導体素子にて生じた熱は、平板状に形成された金属板及び平板状に形成された放熱板を経由して冷却フィンに伝達される。ここで、半導体素子は、平板状に形成された金属板の一部領域に位置しており、半導体素子からの熱は金属板及び放熱板のうち半導体素子の直下に位置する領域に主に伝達される。すなわち半導体素子の熱は半導体素子の直下方向に伝達される。半導体素子の熱が一方向に伝達された場合、放熱板に一様に設けられた冷却フィンの一部のみ（例えば半導体素子の直下に位置する冷却フィンのみ）が放熱に寄与することになり、それ以外の冷却フィンは放熱に寄与しない。つまり、特許文献１に記載の放熱構造によれば、半導体素子の熱が一方向に伝達されるので、金属板及び放熱板の全体に熱を拡散させることができず、それ故に、放熱効率が悪い。そこで、本発明は、より放熱効率が向上した半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る半導体装置（１）は、半導体素子（２）と、リードフレーム（３）と、放熱部材（４）を備える。リードフレームは、導電性金属により構成され、半導体素子が載置される半導体載置面（３１）を有するとともに、半導体素子を通過する導電経路を形成する。放熱部材は、半導体素子からリードフレームに伝達された熱を放熱する。そして、リードフレームは、半導体載置面とは異なる面であって、凸状に湾曲して形成されるとともに、絶縁材料により構成される絶縁層（５）を介して放熱部材に接触する凸状湾曲面（３２）を有する。
【０００７】
本発明によれば、半導体素子を載置するリードフレームは、凸状に湾曲形成されるとともに、絶縁層を介して放熱部材に接触する凸状湾曲面を有する。このため、半導体素子からリードフレームに伝達された熱は、凸状湾曲面から絶縁層を介して放熱部材に伝達される。凸状湾曲面から放熱部材に伝達された熱は、放射状に広がるように放熱部材内を伝達する。こうして放熱部材内部で放射状に広がるように熱が伝達されるため、放熱部材の広い領域に半導体素子の熱を伝達することができる。このため放熱部材のほぼ全体を利用して放熱することができ、それ故に、放熱効率が向上する。このように、本発明によれば、放熱効率が向上した半導体装置を提供することができる。
【０００８】
放熱部材は、リードフレームが配設される凹部（４３）が形成されたリードフレーム配設面（４１）を有するのがよい。そして、凹部を構成する壁面は、絶縁層を介して凸状湾曲面に対面接触するように凹状に湾曲して形成される凹状湾曲面（４３１）を有するのがよい。これによれば、リードフレームを放熱部材のリードフレーム配設面に形成された凹部に埋め込むように配設することができる。また、リードフレームが放熱部材の凹部に配設されたときに、リードフレームの凸状湾曲面が、凹部の壁面を構成する凹状湾曲面に絶縁層を介して対面接触されるため、リードフレームから放熱部材に伝達された熱を、放熱部材の凹状湾曲面から放熱部材の内部に放射状に伝達させることができる。
【０００９】
リードフレームの凸状湾曲面は、リードフレームの半導体載置面に平行な一方向から見たときに円弧形状を呈するのがよい。これによれば、リードフレームの凸状湾曲面を円弧状に形成することにより、この凸状湾曲面から放熱部材に伝達された熱を、放熱部材内に一様に分散（拡散）させることができる。
【００１０】
また、リードフレームの凸状湾曲面が、リードフレームの半導体載置面とは反対側の面に形成されるとよい。これによれば、半導体素子の熱を、リードフレームの半導体載置面側からその反対側の凸状湾曲面に効率的に伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る半導体装置の概略斜視図である。
【図２】リードフレームの概略斜視図である。
【図３】図２のＡ方向矢視図である。
【図４】放熱ブロックの概略斜視図である。
【図５】図４のV−V断面図である。
【図６】図４のVI−VI断面図である。
【図７】図１のVII−VII断面図である。
【図８】図１のVIII−VIII断面図である。
【図９】比較例１に係る半導体装置の概略斜視図である。
【図１０】図９のX−X断面図である。
【図１１】図９のXI−XI断面図である。
【図１２】比較例２に係る半導体装置の概略斜視図である。
【図１３】図１２のXIII−XIII断面図である。
【図１４】各例における半導体素子の温度変化を表すグラフであある。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態に係る半導体装置について、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る半導体装置１の概略斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、略直方体状に形成される。ここで、略直方体状に形成された半導体装置１の構造を方向を用いて説明する場合、それぞれ直交する３方向を、図１に示すように、「長さ方向」、「幅方向」、「高さ方向」と定義する。また、図１以外の図面に示される各方向は、図１に示す「長さ方向」、「幅方向」、「高さ方向」、に、それぞれ一致する方向である。
【００１４】
図１に示すように、半導体装置１は、半導体素子２と、リードフレーム３と、放熱ブロック４とを備える。
【００１５】
半導体素子２は、電力が供給されることによって作動するとともに、作動時に発熱するものであれば、どのような半導体素子であってもよい。半導体素子２として、例えば、インバータに用いられるＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ダイオード、等を例示することができるが、この限りでない。
【００１６】
リードフレーム３は、半導体素子２を支持及び固定するとともに、半導体素子２を通過する電流の導電経路の一部を構成する。このリードフレーム３は、ダイパッドとも呼ばれる。リードフレーム３は導電性材料により構成される。本実施形態では、リードフレーム３は銅により構成される。
【００１７】
図２は、半導体装置１に備えられるリードフレーム３の概略斜視図である。また、図３は図２のＡ方向矢視図である。図２及び図３に示すように、リードフレーム３は、半導体載置面３１、凸状湾曲面３２、一対の端面３３，３４、の４つの表面を有し、これらの表面によって外径形状が規定される略半円柱形状を呈する。
【００１８】
半導体載置面３１は、平面であり、本実施形態では略正方形状に形成される。半導体載置面３１は、その周縁を構成する４つの端辺３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄを有する。このうち、互いに平行な一対の端辺３１ａ，３１ｂは長さ方向に平行であり、互いに平行な端辺３１ｃ，３１ｄは幅方向に平行である。従って、リードフレーム３は、その半導体載置面３１が長さ方向及び幅方向により定義される平面に平行となるように、半導体装置１内に配設される。
【００１９】
また、半導体載置面３１に、半導体素子２が載置される。本実施形態では、略正方形状の半導体載置面３１の中央位置に半導体素子２が載置される。また、半導体載置面３１に載置された半導体素子２は、はんだ等の導電性接合部材により半導体載置面３１に接合される。
【００２０】
凸状湾曲面３２は、半導体載置面３１の４つの端辺のうち長さ方向に平行な一対の端辺３１ａ，３１ｂから、半導体載置面３１の背面側（反対側）に凸状に湾曲して形成される。端面３３は、半導体載置面３１の４つの端辺のうち幅方向に平行な一方の端辺３１ｃから凸状湾曲面３２の長さ方向における一方の端辺３２ａに至るまでの間の領域を形成する略半円状の平面である。端面３４は、半導体載置面３１の４つの端辺のうち幅方向に平行な他方の端辺３１ｄから凸状湾曲面３２の長さ方向における他方の端辺３２ｂに至るまでの間の領域を形成する略半円状の平面である。
【００２１】
図３に示すように、リードフレーム３を図２の矢印Ａ方向から見たとき、リードフレーム３の凸状湾曲面３２は、半導体載置面３１から見て凸の円弧状を呈する。ここで、図２の矢印Ａ方向は、長さ方向に平行であり、また、リードフレーム３の半導体載置面３１は、長さ方向に平行である。従って、矢印Ａ方向は、半導体載置面３１に平行な一方向である。つまり、リードフレーム３の凸状湾曲面３２は、リードフレーム３の半導体載置面３１に平行な一方向から見たとき、凸の円弧状を呈する。また、凸状湾曲面３２は、長さ方向に沿って同じ凸の円弧状の断面形状を有する。なお、凸状湾曲面３２は、半導体載置面３１に平行な複数の方向、例えば全方向から見たときに、凸の円弧状を呈するように形成されていてもよい。この場合、凸状湾曲面が、略半球面形状に形成されることになる。
【００２２】
上記の説明からわかるように、リードフレーム３の凸状湾曲面３２は、リードフレーム３の半導体載置面３１とは異なる面であって、凸状に湾曲して形成される。また、リードフレーム３の凸状湾曲面３２は、リードフレーム３の半導体載置面３１とは反対側の面に形成される。
【００２３】
放熱ブロック４は、図１からわかるように、直方体状に構成される。放熱ブロック４は、互いに平行な略正方形状の上面４１及び下面４２と、上面４１と下面４２との間に形成される４つの側面を有する。上面４１の周縁を構成する４つの端辺４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄのうち、端辺４１ａ及び端辺４１ｂは、長さ方向に平行であり、端辺４１ｃ及び端辺４１ｄは、幅方向に平行である。上面４１が、本発明のリードフレーム配設面に相当する。
【００２４】
図４は、放熱ブロック４の概略斜視図である。図４に示すように、放熱ブロック４の上面４１の中央部には、凹部４３が形成されている。凹部４３の上面４１への開口縁は、４つの端辺４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄにより略正方形状に形成される。これら４つの端辺４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄのうち、互いに平行な端辺４３ａ及び端辺４３ｂは、長さ方向に平行であり、互いに平行な端辺４３ｃ及び端辺４３ｄは、幅方向に平行である。
【００２５】
図５は、図４のV−V断面を示す図であり、図６は、図４のVI−VI断面を示す図である。図５は、幅方向及び高さ方向により定義される平面であって且つ放熱ブロック４に形成された凹部４３の長さ方向における中央位置を通る平面によって放熱ブロック４を切断した場合における放熱ブロック４の断面図である。図６は、長さ方向及び高さ方向により定義される平面であって且つ放熱ブロック４に形成された凹部４３の幅方向における中央位置を通る平面によって放熱ブロック４を切断した場合における放熱ブロック４の断面図である。
【００２６】
図５及び図６に示すように、放熱ブロック４の上面４１に形成された凹部４３の壁面は、凹状湾曲面４３１及び一対の端面４３２，４３３により構成される。なお、図５には、凹部４３の壁面のうち凹状湾曲面４３１のみが示される。
【００２７】
凹状湾曲面４３１は、図５に示す方向から見たときに、幅方向に沿って凹状に湾曲した円弧形状を呈し、図６に示す方向から見たときに、長さ方向に沿って直線的な形状を呈する。また、図５からわかるように、凹状湾曲面４３１は、幅方向における中央位置にて最も凹部４３の開口平面から深くなるように、円弧状に形成される。この凹状湾曲面４３１の形状は、リードフレーム３の凸状湾曲面３２に対応した形状をなす。ここで、凹状湾曲面４３１に関し、「凸状湾曲面３２に対応した形状」とは、凸状湾曲面３２に一定の微小隙間をもって対面することができるような形状を言う。また、凹状湾曲面４３１は、その長さ方向における一方端から他方端までの距離（長さ）が、リードフレーム３の長さ方向における一方端から他方端までの距離（長さ）よりも僅かに長くなるように形成される。
【００２８】
また、凹部４３の壁面を構成する一対の端面４３２，４３３のうちの一方の端面４３２は、凹状湾曲面４３１の長さ方向における一方の端辺から凹部４３の開口縁を構成する端辺４３ｃに至るまでの領域を形成する略半円状の平面であり、他方の端面４３３は、凹状湾曲面４３１の長さ方向における他方の端辺から凹部４３の開口縁を構成する端辺４３ｄに至るまでの領域を形成する略半円状の平面である。
【００２９】
図７は、図１のVII−VII断面図であり、図８は、図１のVIII−VIII断面図である。図７は、長さ方向及び高さ方向により定義される平面であって且つ幅方向における半導体装置１の中央位置を通る平面によって半導体装置１を切断した場合における半導体装置１の断面図である。図８は、幅方向及び高さ方向により定義される平面であって且つ長さ方向における半導体装置１の中央位置を通る平面によって半導体装置１を切断した場合における半導体装置１の断面図である。
【００３０】
図７及び図８に良く示すように、放熱ブロック４の凹部４３内に、リードフレーム３が埋め込まれるように配設される。このとき、リードフレーム３の凸状湾曲面３２が放熱ブロック４の凹部４３の凹状湾曲面４３１に対面し、リードフレーム３の一方の端面３３が放熱ブロック４の凹部４３の一方の端面４３２に対面し、リードフレーム３の他方の端面３４が放熱ブロック４の凹部４３の他方の端面４３３に対面するように、リードフレーム３が凹部４３内に配設される。また、対面配置したリードフレーム３の表面（凸状湾曲面３２、端面３３、端面３４）と放熱ブロック４の凹部４３の壁面（凹状湾曲面４３１、端面４３２、端面４３３）との間に、絶縁層５が設けられる。従って、リードフレーム３は、絶縁層５に囲まれた状態で放熱ブロック４の凹部４３内に配設される。このとき、リードフレーム３の凸状湾曲面３２は、絶縁層５を介して放熱ブロック４（具体的には、放熱ブロック４の凹部４３の凹状湾曲面４３１）に対面接触する。
【００３１】
絶縁層５は、一般的に電気絶縁することができる材料として周知である材料を用いて構成することができる。例えば、絶縁樹脂に、ＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４等の熱伝導性の高い無機フィラーを添加した樹脂シートを絶縁層５として利用することができる。
【００３２】
また、図７及び図８に示すように、リードフレーム３が凹部４３に配設されたとき、リードフレーム３の半導体載置面３１が、放熱ブロック４の上面４１と同一平面上に位置する。さらに、図７からわかるように、リードフレーム３の凸状湾曲面３２は、リードフレーム３の半導体載置面３１に載置された半導体素子２の幅方向位置（すなわち幅方向における中央位置）にて最も高さ方向に突出するように、湾曲形成されている。
【００３３】
上記構成の半導体装置１において、電源から半導体素子２に電力が供給された場合、半導体素子２が作動する。このとき、リードフレーム３は、半導体素子２を通過する電流の導電経路の一部を形成する。例えば半導体素子２がインバータに用いられるＦＥＴ等のスイッチング素子である場合、リードフレーム３により、インバータ回路の上アーム又は下アームの一部を構成することができる。
【００３４】
半導体素子２が電力供給によって作動すると、半導体素子２が発熱する。発熱した半導体素子２の熱は、半導体素子２から、半導体素子２が接合されているリードフレーム３に伝達される。そして、リードフレーム３に伝達された熱が絶縁層５を介して放熱ブロック４に伝達される。具体的には、リードフレーム３に伝達された熱は、リードフレーム３の表面のうち、絶縁層５を介して放熱ブロック４に対面接触している面、つまり、リードフレーム３の凸状湾曲面３２及び一対の端面３３，３４から、放熱ブロック４（より詳細には、放熱ブロック４の凹部４３の壁面）に伝達される。そして、放熱ブロック４の凹部４３の壁面に伝達された熱は放熱ブロック４の内部に伝達され、さらに、放熱ブロック４の表面から外部に放出される。このようにして放熱ブロック４から放熱することで、半導体素子２の過剰な発熱が防止される。なお、以下の説明において、リードフレーム３の表面のうち絶縁層５を介して放熱ブロック４（凹部４３の壁面）に対面接触している面を、伝熱面と呼び、放熱ブロック４から外部に熱を放出する面を、放熱面と呼ぶ。
【００３５】
一般的に、半導体装置の放熱効率を向上させるために、放熱部材の放熱面の面積（放熱面積）は大きく設計される。従って、放熱部材の放熱面積は、リードフレームの伝熱面の面積（伝熱面積）よりも大きい。また、大きな放熱面積を有する放熱部材を効果的に利用するために、放熱面の全ての領域に、リードフレームからの熱が伝達されるのが好ましい。しかしながら、リードフレームの伝熱面から放熱部材に伝達された熱が放熱部材内で一方向に伝達されるような場合、放熱面の一部のみから放熱されることになり、放熱面の全てを有効に用いることができない。この場合、放熱効率が低下する。
【００３６】
この点に関し、本実施形態に係る半導体装置１においては、リードフレーム３の伝熱面（絶縁層５を介して放熱ブロック４の凹部４３の壁面に接触している表面）に、凸状湾曲面３２が含まれる。凸状湾曲面３２は、凸状に湾曲した形状（円弧状）を有する。ここで、リードフレーム３から放熱ブロック４に伝達された熱は、リードフレーム３の伝熱面に垂直な方向に進む傾向にあると考えられる。このため、凸状湾曲面３２から放熱ブロック４の凹部４３の壁面に伝達された熱は、図７の矢印で示すように放熱ブロック４内で放射状に伝達される。こうして放射状に広がるように熱が伝わることにより、リードフレーム３から放熱ブロック４に伝達された熱が放熱ブロック４のほぼ全体に伝達される。これにより、放熱ブロック４の放熱面を有効に利用することができ、放熱効率を向上させることができる。
【００３７】
（実施例）
図１に示す構造の半導体装置１を作製した。半導体素子２としてＴＥＧチップを用い、このＴＥＧチップをリードフレーム３の半導体載置面３１の中央位置に載置するとともにはんだにより接合した。また、放熱ブロック４の凹部４３に絶縁層５としての樹脂シート（熱伝導率：５Ｗ／ｍ・Ｋ、厚さ０．５ｍｍ）を介在させた状態でリードフレーム３を配設した。この場合において、リードフレーム３の半導体載置面３１が放熱ブロック４の上面４１と同一平面になるように、リードフレーム３を凹部４３内に埋め込み、ボルト・ナット等の締結部材により凹部４３にリードフレーム３を固定した。放熱ブロック４の形状及び外形寸法、リードフレーム３の形状及び外形寸法は、以下の通りである。
・放熱ブロック
形状：直方体
幅寸法Ａ１：４０ｍｍ
長さ寸法Ｂ１：４０ｍｍ
高さ寸法Ｃ１：１５ｍｍ
・リードフレーム
形状：半円柱状
幅寸法Ａ２：２５ｍｍ
長さ寸法Ｂ２：２５ｍｍ
高さ寸法Ｃ２：３．５ｍｍ
凸状湾曲面３２の半径：２４．０７ｍｍ
【００３８】
上記において、放熱ブロックの幅寸法Ａ１は、幅方向に沿った放熱ブロック４の長さであり、長さ寸法Ｂ１は、長さ方向に沿った放熱ブロック４の長さであり、高さ寸法Ｃ１は、高さ方向に沿った放熱ブロック４の長さである（図４参照）。また、リードフレーム３の幅寸法Ａ２は、幅方向に沿ったリードフレーム３の長さであり、長さ寸法Ｂ２は、長さ方向に沿ったリードフレーム３の長さである（図２参照）。また、リードフレームの高さ寸法Ｃ２は、高さ方向におけるリードフレーム３の最大長さ（すなわち半導体載置面３１からの突出量）である（図３参照）。
【００３９】
作製した半導体装置１のＴＥＧチップに所定の電圧を印加した。そして、電圧の印加を開始した時点から１２０秒経過後までのＴＥＧチップの温度を経時的に計測した。
【００４０】
（比較例１）
図９に示す構造の半導体装置１Ａを作製した。この半導体装置１Ａは、半導体素子２としてのＴＥＧチップ、リードフレーム３Ａ、放熱ブロック４Ａを備える。リードフレーム３Ａの形状は平板形状であり、幅寸法Ａ２が２５ｍｍ、長さ寸法Ｂ２が２５ｍｍ、高さ寸法Ｃ２が１．５ｍｍである。従って、このリードフレーム３Ａには、実施例に係るリードフレーム３に形成されているような、凸状に湾曲した面（凸状湾曲面３２）が形成されていない。この平板状のリードフレーム３Ａの一方の面３１Ａの中央位置にＴＥＧチップを載置するとともに、はんだによりＴＥＧチップを接合した。また、放熱ブロック４Ａの形状及び外形寸法は、実施例に係る半導体装置１が備える放熱ブロック４の形状及び外形寸法と同じである。また、放熱ブロック４Ａの上面４１Ａには、平板状のリードフレーム３Ａの外形形状に対応した矩形空間が形成される凹部が設けられる。
【００４１】
図１０は図９のX−X断面図であり、図１１は図９のXI−XI断面図である。図１０は、長さ方向及び高さ方向により定義される平面であって且つ幅方向における半導体装置１Ａの中央位置を通る平面によって半導体装置１Ａを切断した場合における半導体装置１Ａの断面図である。図８は、幅方向及び高さ方向により定義される平面であって且つ長さ方向における半導体装置１Ａの中央位置を通る平面によって半導体装置１Ａを切断した場合における半導体装置１Ａの断面図である。
【００４２】
図１０及び図１１に示すように、放熱ブロック４Ａの上面４１Ａに形成された凹部４３Ａに、絶縁層５を介して、リードフレーム３Ａを配設した。絶縁層５として、実施例にて用いた樹脂シートと同じ材質及び厚みの樹脂シートを用いた。このとき、リードフレーム３Ａの一方の面３１Ａと、放熱ブロック４Ａの上面４１Ａが同一平面上に位置するように、リードフレーム３Ａを凹部４３Ａ内に配設した。また、ボルト・ナット等の締結手段により、リードフレーム３Ａを凹部４３Ａ内に固定した。
【００４３】
上記のように作製された半導体装置１ＡのＴＥＧチップ（半導体素子２）に所定の電圧を印加した。そして、電圧の印加を開始した時点から１２０秒経過後までのＴＥＧチップの温度を経時的に計測した。
【００４４】
（比較例２）
図１２に示す半導体装置１Ｂを作製した。この半導体装置１Ｂは、半導体素子２としてのＴＥＧチップ、リードフレーム３Ｂ、放熱ブロック４Ｂを備える。リードフレーム３Ｂは、比較例１に係る半導体装置１Ａが備えるリードフレーム３Ａと同一の平板形状である。この平板状のリードフレーム３Ｂの一方の面３１Ｂの中央位置にＴＥＧチップを載置するとともに、はんだによりＴＥＧチップ（半導体素子２）を接合した。また、放熱ブロック４Ｂの形状及び外形寸法は、実施例に係る半導体装置１が備える放熱ブロック４の形状及び外形寸法と同じである。ただし、放熱ブロック４Ｂの上面４１Ｂには、凹部が形成されていない。
【００４５】
図１３は、図１２のXIII−XIII断面図である。図１３は、長さ方向及び高さ方向により定義される平面であって且つ幅方向における半導体装置１Ｂの中央位置を通る平面によって半導体装置１Ｂを切断した場合における半導体装置１Ｂの断面図である。図１３に示すように、半導体装置１Ｂが備えるリードフレーム３Ｂは、放熱ブロック４Ｂに埋め込まれておらず、絶縁層５を介して放熱ブロック４Ｂの上面４１Ｂ上の略中央位置に載置される。また、絶縁層５として、実施例にて用いた樹脂シートと同じ材質及び厚みの樹脂シートを用いた。
【００４６】
上記のように作製された半導体装置１ＢのＴＥＧチップに所定の電圧を印加した。そして、電圧の印加を開始した時点から１２０秒経過後までのＴＥＧチップの温度を計測した。
【００４７】
なお、いずれの例においても、放熱ブロック４，４Ａ，４Ｂはアルミニウム合金製（ＪＩＳアルミ合金番号Ａ５０５２）であり、リードフレーム３，３Ａ，３Ｂは銅製（銅合金番号Ｃ１１００（タフピッチ銅））である。
【００４８】
図１４は、各例における半導体素子２の温度変化を表すグラフである。また、表１に、各例における半導体素子２の飽和温度、周囲温度、及び熱抵抗を示す。ここで、半導体素子２の飽和温度とは、半導体素子２の温度変化が極めて微小な状態、又は変化しない状態になった場合における半導体素子２の温度である。周囲温度とは、半導体装置の周囲の空気温度である。熱抵抗とは、単位熱量当たりにおける半導体素子２の温度変化量である。熱抵抗の値が小さいほど、半導体素子の温度上昇率が小さく、放熱効率が高い。
【表１】
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【００４９】
表１及び図１４に示すように、実施例に係る半導体装置１に備えられる半導体素子２の飽和温度（５４．１℃）は、比較例１及び比較例２に係る半導体装置１Ａ，１Ｂに備えられる半導体素子２の飽和温度（５９．４℃）よりも、５℃程度低い。また、実施例に係る半導体装置の熱抵抗は、比較例１及び比較例２に係る半導体装置の熱抵抗よりも小さい。従って、実施例に係る半導体装置１によれば、半導体素子２の放熱効率が向上していることがわかる。
【００５０】
また、実施例及び比較例１において、放熱ブロックへのリードフレームの伝熱面積は、リードフレームの表面積のうち、放熱ブロックの凹部に絶縁層を介して対面接触している部分の面積である。実施例に係るリードフレームの伝熱面積も、比較例１に係るリードフレームの伝熱面積も、ともに、約７７５ｍｍ２である。実施例と比較例１とを比較した場合、リードフレームの伝熱面積が同じであるにも関わらず、実施例に係る半導体素子２の飽和温度が、比較例１に係る半導体素子２の飽和温度よりも低い。このことから、リードフレームの伝熱面に凸状に湾曲した面（凸状湾曲面３２）が形成されていることにより、放熱効率が向上することがわかる。
【００５１】
また、実施例に係る半導体装置において、リードフレーム３の幅方向長さ（幅寸法Ａ２）が２５ｍｍであり、リードフレーム３の高さ方向長さ（高さ寸法Ｃ２）が３．５ｍｍである。リードフレーム３の幅方向長さは、リードフレーム３の凸状湾曲面３２の幅方向長さを表す。また、リードフレーム３の高さ方向長さは、凸状湾曲面３２の高さ方向長さを表す。従って、実施例に係るリードフレーム３は、凸状湾曲面３２の幅方向長さに対する高さ方向長さの比率が１４％であるように構成される。従って、この比率が１４％以上であれば、放熱効率が向上すると考えられる。また、凸状湾曲面３２の幅方向長さは、半円柱状のリードフレーム３の軸方向に垂直な平面（以下、湾曲平面）内における凸状湾曲面３２の両端間の距離であり、凸状湾曲面３２の高さ方向長さは、湾曲平面内における凸状湾曲面３２の両端間を結ぶ線分からの凸状湾曲面３２の最大突出量である。従って、凸状湾曲面３２は、湾曲平面内における両端間の距離に対する突出量が１４％以上であるように形成されていれば、放熱効果が向上すると考えられる。
【００５２】
また、各例に係る半導体装置１，１Ａ，１Ｂについて、同一の発熱条件で半導体素子２が発熱したと仮定した場合における半導体装置内の定常時における温度分布をシミュレーション解析した。その結果、実施例に係る半導体装置１においては、半導体素子２から放射状に熱が伝達されること、及び、実施例に係る半導体装置１の伝熱面（リードフレーム３の表面のうち絶縁層５に対面接触している面）の温度分布が、各比較例に係る半導体装置１Ａ，１Ｂの伝熱面の温度分布よりも小さいことがわかった。このことからも、実施例に係る半導体装置１の構成により、伝熱面から一様に半導体素子２の熱が放熱ブロック４に拡散されること、及び、それにより放熱効率が向上することがわかる。
【００５３】
以上のように、本実施形態に係る半導体装置１は、半導体素子２と、リードフレーム３と、放熱部材としての放熱ブロック４を備える。リードフレーム３は、導電性金属である銅により構成され、半導体素子２が載置される平面状の半導体載置面３１を有するとともに、半導体素子２を通過する電流の導電経路を形成する。放熱ブロック４は、半導体素子２からリードフレーム３に伝達された熱を放熱する。そして、リードフレーム３は、半導体載置面３１とは異なる面であって、凸状に湾曲して形成されるとともに、絶縁材料により構成される絶縁層５を介して放熱ブロック４の凹部４３の壁面（凹状湾曲面４３１）に対面接触する凸状湾曲面３２を有する。
【００５４】
本実施形態によれば、リードフレーム３に、凸状に湾曲形成されるとともに絶縁層５を介して放熱ブロック４に対面接触する凸状湾曲面３２が形成される。この凸状湾曲面３２が伝熱面として機能することにより、リードフレーム３から放熱ブロック４の凹部４３の壁面に伝達された熱が放射状に広がるように、放熱部材内に伝達される。このため半導体素子２の熱を放熱ブロック４の広い領域を用いて放熱することができる。これにより、放熱効率が向上する。
【００５５】
また、放熱ブロック４は、リードフレーム３が配設される凹部４３が形成された上面４１（リードフレーム配設面）を有する。そして、凹部４３を構成する壁面は、絶縁層５を介してリードフレーム３の凸状湾曲面３２に対面接触するように凹状に湾曲して形成される凹状湾曲面４３１を有する。このような構成により、リードフレーム３を放熱ブロック４の上面４１に形成された凹部４３に埋め込むように配設することができる。また、リードフレーム３が放熱ブロック４の凹部４３に配設されたときに、リードフレーム３の凸状湾曲面３２が、凹部４３の壁面を構成する凹状湾曲面４３１に絶縁層５を介して対面接触されるため、リードフレーム３から放熱ブロック４に伝達された熱を、放熱ブロック４の凹状湾曲面４３１から放熱ブロック４の内部に放射状に伝達させることができる。
【００５６】
また、リードフレーム３の凸状湾曲面３２は、リードフレーム３の半導体載置面３１に平行な一方向（図２のＡ方向）から見たときに円弧形状を呈する。このため、半導体素子２からリードフレーム３に伝達された熱を、リードフレーム３の円弧状の凸状湾曲面３２から放熱ブロック４内に一様に分散させることができる。
【００５７】
また、リードフレーム３の伝熱面である凸状湾曲面３２は、半導体載置面３１とは反対側の面に構成される。このため、半導体素子２の熱を、リードフレーム３の半導体載置面３１側からその反対側の凸状湾曲面３２に効率的に伝達することができる。
【００５８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定して解釈されるべきものではない。例えば、上記実施形態においては、直方体状の半導体装置１を示したが、半導体装置１の外形形状は、用途及び周辺部品の配置構造等の制約条件に応じて適宜変形することができる。また、上記実施形態においては、放熱部材として直方体状の放熱ブロック４を示したが、放熱部材の外形形状も、様々な形状に適宜変形することができる。また、上記実施形態においては、略半円柱形状のリードフレーム３を例示したが、リードフレームの外形形状も、半導体載置面及び凸状湾曲面を有する限りにおいて、適宜変形することができる。
【００５９】
また、上記実施形態においてはリードフレーム３の全体が放熱ブロック４の凹部４３に埋め込まれるような構造について説明したが、リードフレーム３の一部分のみ（特に凸状湾曲面を構成する部分のみ）が凹部４３内に配設されるように、半導体装置を構成することができる。また、上記実施形態では、リードフレーム３の凸状湾曲面３２が、半導体素子２の半導体載置面３１とは反対側の面に構成される例について説明したが、例えば、リードフレームに放熱部材から露出する部分（埋設されていない部分）を形成しておき、その露出部分の例えば側面部に、半導体素子を接合してもよい。また、上記実施形態では放熱部材として放熱ブロック４を例示したが、例えばこの放熱ブロック４の下面４２側の部分を放熱フィンにすることができる。或いは、放熱ブロック４の下面４２側に放熱フィンを取り付けることができる。また、上記実施形態では、凸状湾曲面３２が半導体載置面３１に平行な一方向から見たときに円弧形状を有するように、リードフレーム３を略半円柱状に形成した例について説明したが、凸状湾曲面３２は、複数の方向から見て円弧形状に形成されるように構成されていてもよい。例えば、凸状湾曲面が、略半球表面状に形成されていてもよい。
【００６０】
また、本実施形態に係る半導体装置１の製造方法は、特に制限されない。例えば、半導体装置１の各部品をそれぞれ作製し、その後にこれらを組み付けることにより半導体装置１を製造してもよい。或いは、リードフレームを金型内にインサートし、金型内にアルミニウム溶湯を充填することにより、リードフレームに放熱部材を一体的に成形し、その後にリードフレームに半導体素子を取り付けても良い。この場合、絶縁層は、金型内にリードフレームとともに予めインサートしておいても良いし、また、アルミニウム溶湯が充填されたときにリードフレームとアルミニウムの界面で反応を起こさせることによって、絶縁反応膜をリードフレームと放熱部材との間に形成しても良い。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、変形可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１…半導体装置、２…半導体素子、３…リードフレーム、３１…半導体載置面、３２…凸状湾曲面、４…放熱ブロック（放熱部材）、４１…上面（リードフレーム配設面）、４２…下面、４３…凹部、４３１…凹状湾曲面、５…絶縁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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