(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導体と、
前記熱伝導体の一方の面に設けられた半導体チップと、
前記熱伝導体の他方の面に、自身の接続平面が対向するように配された放熱部材と、
前記熱伝導体の一方の面、および前記半導体チップを封止するモールド樹脂と、
前記熱伝導体の他方の面と前記放熱部材の前記接続平面との間に設けられた熱伝導性グリスと、を備え、
前記熱伝導体の他方の面は、前記接続平面から離間した中央領域と、前記中央領域を囲うとともに前記接続平面に少なくとも一部が当接した縁領域とを有し、
前記縁領域は、
縁平面と、
前記縁平面から突出する複数の縁側突出部と、によって形成され、
隣り合う前記縁側突出部の間には、隙間が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記中央領域は、前記縁平面とともに同一平面をなす平面状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記縁側突出部は、球面を有するドーム状に形成されている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。
【請求項４】
前記縁側突出部は、球面を有するドーム状に形成され、
前記中央領域は、
前記縁平面とともに同一平面をなす中央平面と、
前記中央平面から突出する複数の中央側突出部と、によって形成され、
前記中央側突出部は、球面を有するドーム状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記縁側突出部は、円錐台状に形成されている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。
【請求項６】
前記縁側突出部は、円柱状に形成されている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。
【請求項７】
前記縁側突出部は、角柱状に形成されている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。
【請求項８】
前記縁側突出部は、角錐台状に形成されていることを特徴とする請求項１また２に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップを埃や水分などから保護するために、半導体チップをリードと電気的に接続した状態で、リードの一部と半導体チップとを樹脂封止することが行われている。また、半導体チップで発生する熱が増加するのにともない、近年は、半導体チップで発生する熱の伝導経路を樹脂封止せずに露出させ、放熱効率を高めることが行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載された半導体装置では、放熱基板（熱伝導体）の一方の主面に封止樹脂により封止されたダイオードチップ（半導体チップ）が配置されるとともに、放熱基板の他方の主面に、アルミ箔などで形成された薄膜を挟んで放熱フィン（放熱部材）が配置されている。放熱基板は、放熱性の優れた金属などで形成されている。
また、従来では、この薄膜に代えて、容易に変形可能な熱伝導性グリスを用いることもある。この場合には、特許文献２に記載された半導体装置の接合材のように、互いに対向するように配置された一対の平面間に熱伝導性グリスを配して用いることが考えられる。熱伝導性グリスを用いることで、平面に凹凸があっても熱伝導性グリスがその凹凸形状に追従して、一対の平面間で熱を効果的に伝えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平６−７２２４７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１０３３１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１の半導体装置のように、放熱基板と封止樹脂との間に線膨張率の差があると、これらの温度が変化したときに放熱基板が反ることがある。放熱基板が放熱フィンに近づくように反った場合には、放熱基板と放熱フィンとの隙間が小さくなる。このため、放熱基板と放熱フィンとの間に熱伝導性グリスが配されていても、この熱伝導性グリスが外部に押し出されてしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、熱伝導体が放熱部材に近づくように反った場合であっても、熱伝導体と放熱部材との間から熱伝導性グリスが外部に押し出されるのを抑え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】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の半導体装置は、熱伝導体と、前記熱伝導体の一方の面に設けられた半導体チップと、前記熱伝導体の他方の面に、自身の接続平面が対向するように配された放熱部材と、前記熱伝導体の一方の面、および前記半導体チップを封止するモールド樹脂と、前記熱伝導体の他方の面と前記放熱部材の前記接続平面との間に設けられた熱伝導性グリスと、を備え、前記熱伝導体の他方の面は、前記接続平面から離間した中央領域と、前記中央領域を囲うとともに前記接続平面に少なくとも一部が当接した縁領域とを有し、前記縁領域は、縁平面と、前記縁平面から突出する複数の縁側突出部と、によって形成され、隣り合う前記縁側突出部の間には、隙間が形成されていることを特徴としている。
【０００８】
また、上記の半導体装置において、前記中央領域は、前記縁平面とともに同一平面をなす平面状に形成されていることがより好ましい。
また、上記の半導体装置において、前記縁側突出部は、球面を有するドーム状に形成されていることがより好ましい。
【０００９】
また、上記の半導体装置において、前記縁側突出部は、球面を有するドーム状に形成され、前記中央領域は、前記縁平面とともに同一平面をなす中央平面と、前記中央平面から突出する複数の中央側突出部と、によって形成され、前記中央側突出部は、球面を有するドーム状に形成されていることがより好ましい。
また、上記の半導体装置において、前記縁側突出部は、円錐台状に形成されていることがより好ましい。
また、上記の半導体装置において、前記縁側突出部は、円柱状に形成されていることがより好ましい。
また、上記の半導体装置において、前記縁側突出部は、角柱状に形成されていることがより好ましい。
【００１０】
また、上記の半導体装置において、前記縁側突出部は、角錐台状に形成されていることがより好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体装置によれば、熱伝導体が放熱部材に近づくように反った場合であっても、熱伝導体と放熱部材との間から熱伝導性グリスが外部に押し出されるのを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態の半導体装置の側面の断面図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】同半導体装置の斜視図である。
【図４】同半導体装置の動作を説明する側面の断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態の変形例における半導体装置の側面の断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態の変形例における半導体装置の縁側突出部の斜視図である。
【図７】本発明の第１実施形態の変形例における半導体装置の縁側突出部の斜視図である。
【図８】本発明の第１実施形態の変形例における半導体装置の縁側突出部の斜視図である。
【図９】本発明の第１実施形態の変形例における半導体装置の縁側突出部の斜視図である。
【図１０】本発明の第２実施形態の半導体装置の側面の断面図である。
【図１１】同半導体装置の斜視図である。
【図１２】本発明の第３実施形態の半導体装置の側面の断面図である。
【図１３】同半導体装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１実施形態）
以下、本発明に係る半導体装置の第１実施形態を、図１から図９を参照しながら説明する。
図１に示すように、本半導体装置１は、熱伝導シート（熱伝導体）１０と、熱伝導シート１０の一方の面１１上に設けられた半導体チップ２１と、熱伝導シート１０の他方の面１２に配された放熱フィン（放熱部材）２２と、熱伝導シート１０の一方の面１１および半導体チップ２１を封止するモールド樹脂２３と、熱伝導シート１０の他方の面１２と放熱フィン２２との間に設けられた熱伝導性グリス２４とを備えている。
【００１４】
以下では、まず、放熱フィン２２、熱伝導シート１０、および熱伝導性グリス２４について説明する。
放熱フィン２２は、アルミニウムや銅などの熱伝導率の高い材料によって形成されている。放熱フィン２２としては、図示はしないが、熱伝導シート１０に接合される板状の基板部と、この基板部における熱伝導シート１０に接合される面とは反対側の面から立設された複数のフィン部材とで構成されたものを用いることができる。
放熱フィン２２は、基板部の主面となる接続平面２２ａが、熱伝導シート１０の他方の面１２に対向するように配置されている。
【００１５】
本実施形態では、熱伝導シート１０はアルミニウムにより形成され、その厚さは、例えば、３００μｍに設定されている。熱伝導シート１０は、数ｍｍ程度に厚く形成してもよい。熱伝導シート１０の厚さ方向Ｄに見たときに、熱伝導シート１０は、ほぼ矩形状に形成されている。
熱伝導シート１０としては、アルミニウム以外にも、銅などの熱伝導率の高い金属や樹脂などを適宜用いることができる。
【００１６】
熱伝導シート１０の他方の面１２は、図１および図２に示すように、放熱フィン２２の接続平面２２ａから離間した中央領域１３と、中央領域１３を囲うとともに接続平面２２ａに当接した縁領域１４とを有している。
図２および図３に示すように、縁領域１４は、縁平面１６と、縁平面１６から突出する複数の縁側突出部１７と、によって形成されている。なお、図３および、後述する図１１、図１３においては、放熱フィン２２および熱伝導性グリス２４は説明の便宜のため示していない。
【００１７】
半導体装置１が加熱されていない常温（例えば、２５℃）の状態においては、熱伝導シート１０は、縁平面１６が接続平面２２ａに対して平行となるように配置されている。
縁側突出部１７は、本実施形態では、球面を有するドーム状に形成されている。縁側突出部１７が縁平面１６から突出する高さＨ１は、縁側突出部１７の半径Ｒ１より小さく設定されている。縁側突出部１７における厚さ方向Ｄの先端は、接続平面２２ａに当接している。
縁側突出部１７は、縁平面１６に２列となるように配置され、隣り合う縁側突出部１７の間には、隙間Ｓ１が形成されている。すなわち、中央領域１３と接続平面２２ａとの間に配置された熱伝導性グリス２４が隙間Ｓ１を通して外部に出て行くときに、２つの縁側突出部１７に当たるように構成されている。
中央領域１３は、縁平面１６とともに同一平面をなす平面状に形成されている。すなわち、常温の状態においては、中央領域１３は接続平面２２ａに対して平行となっている。
【００１８】
熱伝導性グリス２４としては、ゲル状などの粘性の大きな液状のものを好適に用いることができる。熱伝導性グリス２４には、シリコーングリスなどの、熱伝導率が高いものを用いることが好ましい。
【００１９】
本実施形態では、熱伝導シート１０と半導体チップ２１との間には、図１に示すように、絶縁シート２６、金属箔２７、およびリード２８が、熱伝導シート１０側から絶縁シート２６、金属箔２７、リード２８の順で積層されている。
絶縁シート２６には、例えば、エポキシ樹脂や、フィラー入りのエポキシ樹脂を用いることができるが、絶縁シート２６を薄く形成するには、ポリイミドで形成することが好ましい。絶縁シート２６がポリイミドで形成されている場合には、その厚さは、例えば、２５μｍ以上１５０μｍ以下に設定することができる。
絶縁シート２６および熱伝導シート１０は、厚さ方向Ｄに見たときに、同じ形状になるように形成されている。
【００２０】
金属箔２７は、例えば、銅箔などのような、熱伝導率の高い金属材料を薄膜状に形成したものである。金属箔２７の厚さは、例えば、１８μｍ以上３００μｍ未満に設定される。厚さ方向Ｄに見たときに、金属箔２７は絶縁シート２６より小さく形成されている。
リード２８は、例えば、銅などのように電気抵抗が少なく、かつ、熱伝導率の高い金属材料を帯板状に形成して構成されている。リード２８の一端部２８ａは、モールド樹脂２３内に埋設された状態で金属箔２７に接合されている。リード２８の他端部２８ｂは、モールド樹脂２３から外部に露出している。半導体装置１には、複数のリード２８が設けられている。
【００２１】
半導体チップ２１は、ダイオードやトランジスタなどのように、通電することによって発熱する半導体素子である。半導体チップ２１は、平面視で矩形の板状に形成されていて、自身の外面に設けられた不図示の電極パッドにより、リード２８の一端部２８ａと電気的に接続されている。
【００２２】
モールド樹脂２３は、厚さ方向Ｄに見たときに絶縁シート２６および熱伝導シート１０と同じ形状になるように形成されている。モールド樹脂２３としては、公知のエポキシ樹脂などを用いることができる。
モールド樹脂２３は、金属箔２７、リード２８の一端部２８ａ、および半導体チップ２１を封止している。
【００２３】
次に、以上のように構成された半導体装置１の製造方法の一例について説明する。
予め互いに接合されて一体に形成された、厚さ方向Ｄに見て同一形状の金属箔、絶縁シート２６、および熱伝導シート１０からなる放熱部材を用意する。この放熱部材のうち、金属箔について、リード２８の一端部２８ａを搭載する領域を残すようにエッチング加工を施し、金属箔２７を形成する。
金属箔２７上にハンダペーストを塗布してリード２８の一端部２８ａを載置し、さらに、リード２８の一端部２８ａ上の所定の領域にハンダペーストを塗布して半導体チップ２１を載置する。
この状態で、リフローを実施することにより、溶融するハンダを介して、リード２８の一端部２８ａが金属箔２７に固定され、半導体チップ２１がリード２８の一端部２８ａに固定される。
以上の手順により、半導体チップ２１に関する電気的接続が完了する。
【００２４】
続いて、リード２８の他端部２８ｂを露出させた状態で、金属箔２７、リード２８の一端部２８ａ、および半導体チップ２１をモールド樹脂２３により封止する。
熱伝導シート１０の中央領域１３に所定の量の熱伝導性グリス２４を配置し、熱伝導シート１０の他方の面１２に放熱フィン２２の接続平面２２ａを当接させる。このとき、中央領域１３と接続平面２２ａとの間に空気が入らないように熱伝導性グリス２４を充填させることが好ましい。
なお、熱伝導シート１０と放熱フィン２２とは、不図示のネジ部材などにより接続されてもよい。
以上の工程により、半導体装置１が製造される。
【００２５】
次に、以上のように構成された半導体装置１の動作について説明する。
複数のリード２８の一部から所定の電圧波形などを入力すると、その電圧波形は半導体チップ２１で整流などが行われて、リード２８の残部から出力される。整流などが行われるときに、半導体チップ２１で熱が発生する。半導体チップ２１で発生した熱の一部は、リード２８の一端部２８ａ、金属箔２７、絶縁シート２６、熱伝導シート１０、および熱伝導性グリス２４を介して放熱フィン２２に伝導され、放熱フィン２２の複数のフィン部材から外部に伝達される。
また、半導体チップ２１で発生した熱の残りの一部は、モールド樹脂２３を加熱する。
【００２６】
このように半導体装置１が加熱されると、半導体装置１の温度が常温から上昇する。このとき、樹脂で形成されたモールド樹脂２３、金属で形成されたリード２８の一端部２８ａ、および熱伝導シート１０の線膨張率の違いや、厚さの違いにより、図４に示すように、熱伝導シート１０が放熱フィン２２に近づくように反ることがある。この場合には、中央領域１３と接続平面２２ａとの間の容積が減るため、熱伝導性グリス２４は中央領域１３と接続平面２２ａとの間から押し出される。
押し出された熱伝導性グリス２４は、縁側突出部１７に当たることで移動を遮られるが、熱伝導性グリス２４の一部は、隣り合う縁側突出部１７の間の隙間Ｓ１を通して、熱伝導シート１０と放熱フィン２２との間から外部に押し出される。
【００２７】
そして、リード２８の一部に電圧波形が入力されなくなると、半導体チップ２１による処理が行われなくなり、半導体チップ２１で熱が発生しなくなる。すると、温度が上昇していた半導体装置１は常温まで冷却される。モールド樹脂２３や熱伝導シート１０は反りの無い元の形状に戻り、接続平面２２ａに対して縁平面１６および中央領域１３が平行になり、中央領域１３と接続平面２２ａとの間の容積が増えて元の形状に戻る。
このとき、縁側突出部１７の表面と外部に押し出された熱伝導性グリス２４との間に作用する表面張力によって熱伝導性グリス２４が表面積が最小になるように変形することで、外部に押し出された熱伝導性グリス２４は縁側突出部１７側に移動し、隣り合う縁側突出部１７の間の隙間Ｓ１を通して再び中央領域１３と接続平面２２ａとの間に配される。
【００２８】
なお、熱伝導シート１０が、放熱フィン２２から遠ざかるように反る場合には、中央領域１３と接続平面２２ａとの間の容積が増えるため、熱伝導性グリス２４が外部に押し出されることはない。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態の半導体装置１によれば、熱伝導シート１０が放熱フィン２２に近づくように反ったときに、熱伝導性グリス２４の一部は、熱伝導シート１０と放熱フィン２２との間から外部に移動する際に、縁領域１４の縁側突出部１７に移動を遮られる。したがって、熱伝導性グリス２４が熱伝導シート１０と放熱フィン２２との間から外部に押し出されるのを抑制することができる。
【００３０】
熱伝導シート１０が放熱フィン２２に近づくように反ることで外部に押し出された熱伝導性グリス２４は、熱伝導シート１０が反りの無い元の形状に戻ったときに、縁側突出部１７の表面と熱伝導性グリス２４との間に作用する表面張力により縁側突出部１７側に移動し、隣り合う縁側突出部１７の間の隙間Ｓ１を通して再び中央領域１３と接続平面２２ａとの間に配される。したがって、実質的に、熱伝導シート１０と放熱フィン２２との間から外部に押し出されて残留する熱伝導性グリス２４の量を低減させることができる。
中央領域１３は平面状に形成されているため、中央領域１３と接続平面２２ａとの間に熱伝導性グリス２４を充填するときに、中央領域１３近傍に空気が残るのを抑えることができる。
【００３１】
なお、本実施形態の半導体装置１は、以下に説明するようにその構成を様々に変形させることができる。
例えば、図５に示す半導体装置１Ａのように、中央領域３１が、縁平面１６とともに同一平面をなす中央平面３２と、中央平面３２から突出する複数の中央側突出部３３と、によって形成されてもよい。
この例では、中央側突出部３３は、球面を有するドーム状に形成されているとともに、中央側突出部３３が中央平面３２から突出する高さＨ２は、前述の高さＨ１より小さく設定されている。このため、中央側突出部３３は接続平面２２ａに当接しない。
このように構成された半導体装置１Ａによれば、本実施形態の半導体装置１よりも中央領域３１の面積を増加させることで、半導体チップ２１で発生した熱を熱伝導シート１０から熱伝導性グリス２４に効果的に伝達させることができる。
【００３２】
本実施形態では、縁側突出部１７はドーム状に形成されているとしたが、図６に示すように、縁側突出部３６は円錐台状に形成されていてもよいし、図７に示すように、縁側突出部３７は角錐台状に形成されていてもよい。縁側突出部３７は四角錐台状に形成されているが、これに限ることなく、三角錐台状や五角錐台状などでもよい。
また、図８に示すように、縁側突出部３８は円柱状に形成されていてもよいし、図９に示すように、縁側突出部３９は角柱状に形成されていてもよい。縁側突出部３９は四角柱状に形成されているが、これに限ることなく、三角柱状や五角柱状などでもよい。
縁側突出部３８は、隣り合う縁側突出部３８の間に隙間Ｓ２が形成されるように、互いに離間した状態に配置されている（図８参照。）。隣り合う縁側突出部３９の間にも、隙間Ｓ３が形成される（図９参照。）。
【００３３】
以上のように構成された縁側突出部３６〜３９を備える半導体装置においても、本実施形態の半導体装置１と同様の効果を奏することができる。
また、縁側突出部の形状を円錐台状から円柱状にすることで、縁側突出部における接続平面２２ａ側の表面積が増加する。このため、外部に押し出された熱伝導性グリス２４を、中央領域１３と接続平面２２ａとの間において、より接続平面２２ａ側に戻すことができる。縁側突出部を円柱状にすることで、縁側突出部が接続平面２２ａに面接触するため、半導体チップ２１で発生した熱を縁側突出部から放熱フィン２２に直接伝導させやすくすることができる。
縁側突出部の形状を角錐台状から角柱状にすることでも、同様の効果を奏することができる。
【００３４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図１０および図１１を参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図１０および図１１に示すように、本実施形態の半導体装置２は、第１実施形態の半導体装置１の中央領域１３および縁領域１４に代えて、中央領域４１および縁領域４２を備えている。
縁領域４２は、他方の面１２の縁に全周にわたり設けられていて、接続平面２２ａに当接している。この例では、縁領域４２は線状に形成されている。
中央領域４１は、縁領域４２に向かうにしたがって接続平面２２ａに近づく傾斜面４３〜４７を有している。
【００３５】
このように構成された半導体装置２によれば、熱伝導シート１０が放熱フィン２２に近づくように反った場合であっても、熱伝導シート１０と放熱フィン２２との間から熱伝導性グリス２４が外部に押し出されるのを抑えることができる。
さらに、縁領域４２は、他方の面１２の全周にわたり接続平面２２ａに当接しているため、熱伝導シート１０と放熱フィン２２との間から熱伝導性グリス２４が外部に押し出されるのを、より確実に抑えることができる。
【００３６】
なお、本実施形態では、中央領域４１を５つの傾斜面４３〜４７で構成した。しかし、中央領域を、縁領域４２に向かうにしたがって接続平面２２ａに近づくように形成された１つの曲面により構成してもよい。
【００３７】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１２および図１３を参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図１２および図１３に示すように、本実施形態の半導体装置３は、第１実施形態の半導体装置１の中央領域１３および縁領域１４に代えて、中央領域５１および縁領域５２を備えている。
縁領域５２は、他方の面１２の縁部に全周にわたり設けられていて、接続平面２２ａに当接している。縁領域５２の幅は、第２実施形態の縁領域４２の幅より広く設定されている。
中央領域５１は、接続平面２２ａに平行に形成された底面５１ａを有する凹部として構成されている。
【００３８】
このように構成された半導体装置３によれば、熱伝導シート１０と放熱フィン２２との間から熱伝導性グリス２４が外部に押し出されるのを抑えることができる。
さらに、縁領域５２の幅が第２実施形態の縁領域４２の幅より広く設定されているため、熱伝導性グリス２４が外部に押し出されるのを、さらに確実に抑えることができる。
中央領域５１が底面５１ａを有する凹部として構成されているため、中央領域５１と接続平面２２ａとの間に収容される熱伝導性グリス２４の厚さが等しくなる。これにより、中央領域５１全体にわたり、熱伝導性グリス２４を介して熱伝導シート１０から放熱フィン２２に伝導される経路の熱抵抗をほぼ等しくすることができる。
【００３９】
以上、本発明の第１実施形態から第３実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更なども含まれる。さらに、各実施形態で示した構成のそれぞれを適宜組み合わせて利用できることは、言うまでもない。
【符号の説明】
【００４０】
１、１Ａ、２、３  半導体装置
１０  熱伝導シート（熱伝導体）
１１  一方の面
１２  他方の面
１３、３１、４１、５１  中央領域
１４、４２、５２  縁領域
１６  縁平面
１７、３６、３７、３８、３９  縁側突出部
２１  半導体チップ
２２  放熱フィン（放熱部材）
２２ａ  接続平面
２３  モールド樹脂
２４  熱伝導性グリス
３２  中央平面
３３  中央側突出部
４３、４４、４５、４６、４７  傾斜面
５１ａ  底面
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３  隙間
【図１】
0005783865.tif 000002
【図２】
0005783865.tif 000003
【図３】
0005783865.tif 000004
【図４】
0005783865.tif 000005
【図５】
0005783865.tif 000006
【図６】
0005783865.tif 000007
【図７】
0005783865.tif 000008
【図８】
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【図９】
0005783865.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
0005783865.tif 000012
【図１２】
0005783865.tif 000013
【図１３】
0005783865.tif 000014