(57)【要約】【課題】  本実施形態は、半導体チップを両面から冷却可能な半導体パッケージ及び半導体装置を提供することである。【解決手段】  本実施形態の半導体パッケージは、半導体チップと、前記半導体チップと対向する側に放熱部が設けられた主電極と、前記半導体チップに設けられたリードフレームと、前記半導体チップ、前記主電極及び前記リードフレームの一部を収容する絶縁性封止材とを有する。  また、本実施形態の半導体装置は、半導体パッケージが設けられる半導体パッケージ設置部を有する冷却装置と、前記半導体パッケージ設置部に設けられた、請求項１乃至４のいずれか一に記載の半導体パッケージとを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、
前記半導体チップと対向する側に放熱部が設けられた主電極と、
前記半導体チップに設けられたリードフレームと、
前記半導体チップ、前記主電極及び前記リードフレームの一部を収容する絶縁性封止材と、
を有する半導体パッケージ。
【請求項２】
前記半導体チップと前記放熱部の間に熱伝導性を有する導電体が設けられた請求項１に記載の半導体パッケージ。
【請求項３】
前記リードフレームは、セラミック基板を導電膜で挟み込むようにしてなる絶縁性セラミック基板で構成され、前記絶縁性封止材は前記絶縁性セラミック基板の一部を露出するように設けられた請求項１または２に記載の半導体パッケージ。
【請求項４】
前記放熱部は、前記絶縁性セラミック基板で構成され、前記絶縁性封止材は前記絶縁性セラミック基板の一部を露出するように設けられた請求項１乃至３のいずれか一に記載の半導体パッケージ。
【請求項５】
半導体パッケージが設けられる半導体パッケージ設置部を有する冷却装置と、
前記半導体パッケージ設置部に設けられた、請求項１乃至４のいずれか一に記載の半導体パッケージと、
を有する半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体パッケージ及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体パッケージ等は、今後、より一層の省スペース化、ハイパワー化、ローコスト化等が要求される。従って、半導体パッケージから生じる使用熱を抑える機構や、冷却装置をコンパクトに設けた半導体装置は必要不可欠である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１９０９７２号公報
【特許文献２】特開２００９−２１２３０２号公報
【特許文献３】特開２００８−１２４４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本実施形態は、半導体チップを両面から冷却可能な半導体パッケージ及び半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本実施形態の半導体パッケージは、半導体チップと、前記半導体チップと対向する側に放熱部が設けられた主電極と、前記半導体チップに設けられたリードフレームと、前記半導体チップ、前記主電極及び前記リードフレームの一部を収容する絶縁性封止材とを有する。
【０００６】
また、本実施形態の半導体装置は、半導体パッケージが設けられる半導体パッケージ設置部を有する冷却装置と、前記半導体パッケージ設置部に設けられた、請求項１乃至４のいずれか一に記載の半導体パッケージとを有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る半導体装置１ａの斜視図。
【図２】（ａ）は第１の実施形態に係る半導体パッケージ２ａの構造を示す平面図、（ｂ）は断面構造を示す横断面図。
【図３】第１の実施形態に係るエミッタ電極１３ａの斜視図。
【図４】比較例に係る半導体装置１ｂの斜視図。
【図５】図４のＡ−Ａ’線における断面を示す縦断面図。
【図６】比較例に係る半導体パッケージ２ｂの断面を示す横断面図。
【図７】第１の実施形態の変形例１に係る半導体装置１ｃの斜視図。
【図８】（ａ）は第１の実施形態の変形例２に係る半導体パッケージ２ａの構造を示す平面図、（ｂ）は断面構造を示す横断面図。
【図９】第１の実施形態の変形例２に係るエミッタ電極１３ｃの斜視図。
【図１０】第２の実施形態に係る半導体パッケージ２ｄの構造を示す平面図。
【図１１】第２の実施形態に係るエミッタ電極１３ｄ及びヒートパイプ４０を示す斜視図。
【図１２】第３の実施形態に係る半導体パッケージ２ｅの構造を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。なお、本実施形態は、本発明を限定するものではない。
【０００９】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る半導体装置１ａ及び半導体パッケージ２ａについて説明する。
【００１０】
１．半導体装置１ａ及び半導体パッケージ２ａの構成
図１は第１の実施形態に係る半導体装置１ａの斜視図、図２の（ａ）は第１の実施形態に係る半導体パッケージ２ａの構造を示す平面図、（ｂ）は断面構造を示す横断面図、及び図３は第１の実施形態に係るエミッタ電極１３ａの斜視図を示している。
【００１１】
図示するように、第１の実施形態の半導体装置１ａは半導体パッケージ２ａと水冷式冷却装置３０ａ（冷却装置）を有する。
【００１２】
半導体パッケージ２ａは、まず各部品を固定する基板の役割を有するリードフレーム１０ａ、１０ｂを有する。第１の実施形態では、リードフレーム１０ａには半導体チップ１２が載置され、コレクタ電極１６が接続される。また、リードフレーム１０ｂにはエミッタ取り出し電極１４が接続される。さらに、第１の実施形態において、リードフレーム１０ａは半導体チップ１２のコレクタ電極１６としての役割も有している。リードフレーム１０ａ、１０ｂは、例えば、銅（Ｃｕ）等の導電性と熱伝導性の両方を有する金属等で構成されるが、導電性と熱伝導性を有していればその他の材料でも実施は可能である。
【００１３】
まず、リードフレーム１０ａ上に、はんだ１１を介して半導体チップ１２が設けられる。この半導体チップ１２は、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，以下、ＩＧＢＴ）やダイオード等のパワー半導体チップが載置されるが、他の半導体チップでも実施は可能であり、特に限定はされない。図２に示すように、第１の実施形態では半導体チップ１２が２枚載置されており、これはＩＧＢＴとダイオードを想定しているが、あくまで一例である。また、はんだ１１はリードフレーム１０ａと半導体チップ１２を固定させ、電気的に接続する役割をなしており、その他の材料でも実施は可能である。
【００１４】
前記半導体チップ１２上に、はんだ１１を介して図３に示すようなエミッタ電極１３ａ（主電極）が設けられる。このエミッタ電極１３ａは、半導体チップ接続部５２ａと、リードフレーム接続部５３ａを有する。また、エミッタ電極１３ａは、それらの接続部分間等に、リードフレーム１０ａ、１０ｂと対向する側にエミッタ電極放熱主面５０ａ（放熱部）となる凸部を有している。エミッタ電極１３ａは、例えば、銅等の導電性と熱伝導性を有する金属で構成されるが、導電性と熱伝導性を有していればその他の材料でも実施は可能である。
【００１５】
そして、リードフレーム１０ｂにはエミッタ取り出し電極１４が、はんだ１１を介して接続される。リードフレーム１０ａには電極固定具１５とコレクタ取り出し電極１６が、はんだ１１を介して接続される。さらに半導体チップ１２には種々の役割を有する、ゲート取り出し電極１７、温度センスカソード取り出し電極１８、温度センスアノード取り出し電極１９、及び電流センス取り出し電極２０等がはんだ１１とボンディングワイヤ２１を介して接続される。エミッタ取り出し電極１４、電極固定具１５、コレクタ取り出し電極１６、ゲート取り出し電極１７、温度センスカソード取り出し電極１８、温度センスアノード取り出し電極１９、電流センス取り出し電極２０、及びボンディングワイヤ２１には、例えば、銅やアルミニウム（Ａｌ）等の金属が用いられるが、導電性材料であれば特に限定はされない。
【００１６】
そして、最終的に、エミッタ取り出し電極１４、コレクタ取り出し電極１６、ゲート取り出し電極１７、温度センスカソード取り出し電極１８、温度センスアノード取り出し電極１９、及び電流センス取り出し電極２０の一部を露出させながら、モールド樹脂２２（絶縁性封止材）によって封止される。なお、モールド樹脂２２はあくまで一例であり、絶縁性を有する封止材であればその他の材料でも実施は可能である。以上のように、半導体パッケージ２ａは構成される。
【００１７】
上記半導体パッケージ２ａは、水冷式冷却装置３０ａ（冷却装置）に設けられた半導体パッケージ設置部５１に複数配置される。なお、水冷式冷却装置３０ａには冷却媒流路３１が複数設けられており、半導体パッケージ設置部５１は冷却媒流路３１の間に設けられている。水冷式冷却装置３０ａは、例えば、アルミニウムによって構成されているが、その他の材料でも実施は可能であり、特に限定はされない。また、冷却媒流路３１内を流れる冷却媒には、例えば、水等が用いられるが、冷却効果を付与する物質であればその他の物質でも実施は可能である。
【００１８】
２．半導体装置１ａ及び半導体パッケージ２ａの効果
第１の実施形態の半導体装置１ａ及び半導体パッケージ２ａの効果について比較例を用いて説明する。
【００１９】
図４は比較例に係る半導体装置１ｂの斜視図、図５は図４のＡ−Ａ’線における断面を示す縦断面図、及び図６は比較例に係る半導体パッケージ２ｂの断面を示す横断面図を示している。
【００２０】
まず、比較例の半導体装置１ｂと半導体パッケージ２ｂの構成を述べる。半導体装置１ｂは半導体パッケージ２ｂと水冷式冷却装置３０ｂを有する。
【００２１】
図４及び５に示すように、水冷式冷却装置３０ｂ上に銅製基板２４がシリコングリス２３を介して設けられる。そして、その銅製基板２４上に絶縁樹脂シート２５を介して、半導体パッケージ２ｂと銅製バスバー２６が設けられている。その際、銅製バスバー２６はエミッタ電極及びコレクタ電極の役割を有しており、半導体パッケージ２ｂを挟み込むように設けられている。
【００２２】
半導体パッケージ２ｂは、図６に示すように、半導体チップ１２の両面に、はんだ１１を介してエミッタ電極１３ｂとコレクタ電極２７が接続される。次に、ゲート取り出し電極１７、温度センスカソード取り出し電極１８、温度センスアノード取り出し電極１９、及び電流センス取り出し電極２０等の信号電極等が適宜、半導体チップ１２に接続される。そして、エミッタ電極１３ｂとコレクタ電極２７の一部を露出して、モールド樹脂２２によって封止される。
【００２３】
上述したような構成を有する半導体装置１ｂの場合、半導体パッケージ２ｂのエミッタ電極１３ｂとコレクタ電極２７を露出させているため、絶縁樹脂シート２５や銅製バスバー２６を用いる必要がある。そのため、構成部材が多くなり、半導体装置１ｂを製造する際、量産性が悪いことやコストが上がるという問題点を有する。また、半導体パッケージ２ｂから水冷式冷却装置３０ｂまでの経路が長く、放熱効率が悪いという問題点も有している。
【００２４】
第１の実施形態の半導体パッケージ２ａの場合、エミッタ電極１３ａはエミッタ取り出し電極１４、コレクタ電極（リードフレーム１０ａ）はコレクタ取り出し電極１６によって、外部に電極を取り出し、それ以外の全体がモールド樹脂２２によって封止されて、電気的に絶縁されている。そのため、冷却装置に設置する際に絶縁材料を用いる必要が無い。
【００２５】
エミッタ電極１３ａはエミッタ電極放熱主面５０ａを有しており、電極としての役割だけでなく放熱板としての役割も果たしている。モールド樹脂２２で封止する際、エミッタ電極放熱主面５０ａに接するモールド樹脂２２の厚さを薄くすると、半導体パッケージ２ａの放熱作用は向上される。ただし、モールド樹脂２２は、絶縁性が確保できる厚さを保持することは必須である。
【００２６】
コレクタ電極（リードフレーム１０ａ）側においても、モールド樹脂２２によって絶縁性を確保しながら、コレクタ電極（リードフレーム１０ａ）と接するモールド樹脂２２の厚さを薄くすることで、半導体パッケージ２ａの放熱作用を向上させることができる。
【００２７】
以上の点から、まず、第１の実施形態は水冷式冷却装置３０ａに設置する際、構成部材が比較例の場合と比べて少なくて済み、量産性向上及びコスト削減できるという利点を有する。さらに、半導体装置１ａは、半導体パッケージ２ａのエミッタ電極１３ａ及びコレクタ電極（リードフレーム１０ａ）の両面側から冷却する機構となっており、各電極と水冷式冷却装置３０ｂの間にはモールド樹脂２２のみしかなく、各電極から水冷式冷却装置３０ｂまでの経路も短くなっているため、放熱効率の改善も可能となる。
【００２８】
ここで、第１の実施形態の変形例について２つ挙げる。
【００２９】
まず、変形例１について説明する。図７は第１の実施形態の変形例１に係る半導体装置１ｃの斜視図を示している。変形例１の半導体装置１ｃが第１の実施形態の半導体装置１ａと異なる点は、水冷式冷却装置３０ａを空冷式冷却装置３０ｃ（冷却装置）にした点である。
【００３０】
変形例１においても、半導体パッケージ２ａを両面から冷却することが可能であり、空冷式冷却装置３０ｃの半導体パッケージ設置部５１に半導体パッケージ２ａを設置する際に、絶縁シート等の構成部品を設置する必要が無く、半導体装置１ｃを製造することができる。さらに、半導体パッケージ２ａのエミッタ電極１３ａ及びコレクタ電極（リードフレーム１０ａ）と空冷式冷却装置３０ｃの間にはモールド樹脂２２のみしかなく、各電極から空冷式冷却装置３０ｃまでの経路も短くなっているため、放熱効率の改善も可能となる。以上の点から、量産性向上、コスト削減、及び半導体パッケージ２ａの効率的な冷却が可能となる。
【００３１】
次に、変形例２について説明する。図８の（ａ）は第１の実施形態の変形例２に係る半導体パッケージ２ｃの構造を示す平面図、（ｂ）は断面構造を示す横断面図、図９は第１の実施形態の変形例２に係るエミッタ電極１３ｃの斜視図を示している。変形例２の半導体パッケージ２ｃが第１の実施形態の半導体パッケージ２ａと異なる点は、エミッタ電極放熱主面５０ａよりも相対的に広い面積であるエミッタ電極放熱主面５０ｂを有するエミッタ電極１３ｃを使用している点である。半導体パッケージ２ｃは半導体チップ接続部５２ｂに半導体チップ１２が接続される点は、半導体パッケージ２ａと同様である。また、相対的に広く設けたエミッタ電極放熱主面５０ｂにエミッタ取り出し電極１４が直接接続されるため、リードフレーム１０ｂを用いる必要が無く、半導体パッケージ２ｃを製造する際の量産性やコスト削減に寄与している。
【００３２】
変形例２においても、半導体パッケージ２ｃを水冷式冷却装置３０ａまたは空冷式冷却装置３０ｃに設置することで、半導体パッケージ２ｃの両面から冷却することが可能である。また、水冷式冷却装置３０ａまたは空冷式冷却装置３０ｃの半導体パッケージ設置部５１に半導体パッケージ２ｃを設置する際に、絶縁シート等の構成部品を設置する必要が無く、半導体装置１ａを製造することができる。さらに、半導体パッケージ２ｃのエミッタ電極１３ａ及びコレクタ電極（リードフレーム１０ａ）と水冷式冷却装置３０ａまたは空冷式冷却装置３０ｃの間には、モールド樹脂２２のみしかなく、各電極から水冷式冷却装置３０ａまたは空冷式冷却装置３０ｂまでの経路も短くなっているため、放熱効率の改善も可能となる。以上の点から、量産性向上、コスト削減、及び半導体パッケージ２ｃの効率的な冷却が可能となる。
【００３３】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る半導体パッケージ２ｄについて説明する。
【００３４】
１．半導体パッケージ２ｄの構成
図１０は第２の実施形態に係る半導体パッケージ２ｄの構造を示す平面図、図１１は第２の実施形態に係るエミッタ電極１３ｄ及びヒートパイプ４０を示す斜視図を示している。
【００３５】
第２の実施形態の半導体パッケージ２ｄが、第１の実施形態の半導体パッケージ２ａと異なる点は、半導体チップ１２とエミッタ電極１３ｄの間にヒートパイプ４０（導電体）が設けられている点である。そして、エミッタ電極１３ｄとリードフレーム１０ｂは、リードフレーム接続部５３ｂにおいて接続されている。そのヒートパイプ４０は、半導体チップ１２とエミッタ電極１３ｄの両方に接触している。なお、ヒートパイプ４０は例えば、銅等の良伝導性と良熱伝導性を有する金属等が用いられるが、伝導性と熱伝導性を有していれば実施は可能であり、その材料は特に限定されない。また、図１０、１１ではヒートパイプ４０が円柱状に示されているが、あくまで一例であり、半導体チップ１２とエミッタ電極１３ｄに接触していれば、その形状は特に限定されない。
【００３６】
２．半導体パッケージ２ｄの効果
第２の実施形態においても、半導体パッケージ２ｄを水冷式冷却装置３０ａまたは空冷式冷却装置３０ｃに設置することで、半導体パッケージ２ｄの放熱面の両面から冷却することが可能である。また、水冷式冷却装置３０ａまたは空冷式冷却装置３０ｃの半導体パッケージ設置部５１に半導体パッケージ２ｄを設置する際に、絶縁シート等の構成部品を設置する必要が無く、半導体装置を製造することができる（図示略）。さらに、半導体パッケージ２ｄのエミッタ電極１３ｄ及びコレクタ電極（リードフレーム１０ａ）と水冷式冷却装置３０ａまたは空冷式冷却装置３０ｃの間には、モールド樹脂２２のみしかないため、放熱効率の相対的な改善も期待できる。以上の点から、量産性向上、コスト削減、及び半導体パッケージ２ｃの効率的な冷却が可能となる。
【００３７】
加えて、半導体パッケージ２ｄのようにヒートパイプ４０を設けることにより、半導体チップ１２とエミッタ電極１３ｄの接触面積を実質的に増やすことと、ヒートパイプ４０とエミッタ電極放熱主面５０ｃの面積を相対的増やすことの両方を両立させることができる。従って、放熱効率の更なる向上が可能である。
【００３８】
（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る半導体パッケージ２ｅについて説明する。
【００３９】
１．半導体パッケージ２ｅの構成
図１２は第３の実施形態に係る半導体パッケージ２ｅの構造を示す平面図を示している。
【００４０】
第３の実施形態の半導体パッケージ２ｅが、第１の実施形態の半導体パッケージ２ａと異なる点は、放熱作用を有するエミッタ電極１３ａ及びコレクタ電極（リードフレーム１０ａ）の代わりに、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄ  Ｃｕｐｐｅｒ；ＤＢＣ）基板６０（熱伝導性セラミック基板）が設けられている点である。
【００４１】
ＤＢＣ基板６０は、セラミック基板２９の一方の面と他方の面の両面に、銅膜２８（導電膜）を直接接合した基板であり、絶縁層の高熱伝導化が求められる基板に用いられている。セラミック基板２９には酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられるが、特に限定はされない。
【００４２】
また、図１２ではエミッタ電極１３ａとコレクタ電極（リードフレーム１０ａ）の両方をＤＢＣ基板６０に置き換えているが、どちらか一方のみでも実施は可能である（図示略）。
【００４３】
２．半導体パッケージ２ｅの効果
第３の実施形態においても、半導体パッケージ２ｅを水冷式冷却装置３０ａまたは空冷式冷却装置３０ｃに設置することで、半導体パッケージ２ｅの放熱面の両面から冷却することが可能である。また、水冷式冷却装置３０ａまたは空冷式冷却装置３０ｃの半導体パッケージ設置部５１に半導体パッケージ２ｅを設置する際に、絶縁シート等の構成部品を設置する必要が無く、半導体装置を製造することができる（図示略）。
【００４４】
さらに、ＤＢＣ基板６０は絶縁性基板であるため、その表面をモールド樹脂２２で封止する必要がなく、直接冷却することができる。すなわち、半導体パッケージ２ｅを直接、水冷式冷却装置３０ａまたは空冷式冷却装置３０ｃによって冷却することが可能であり、放熱効率の更なる改善が期待できる。以上の点から、量産性向上、コスト削減、及び半導体パッケージ２ｅの効率的な冷却が可能となる。
【００４５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許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ものである。
【符号の説明】
【００４６】
１ａ，１ｂ，１ｃ…半導体装置、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ…半導体パッケージ、１０ａ，１０ｂ…リードフレーム、１１…はんだ、１２…半導体チップ、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ…エミッタ電極（主電極）、１４…エミッタ取り出し電極、１５…電極接合具、１６…コレクタ取り出し電極、１７…ゲート取り出し電極、１８…温度センスカソード取り出し電極、１９…温度センスアノード取り出し電極、２０…電流センス取り出し電極、２１…ボンディングワイヤ、２２…モールド樹脂（絶縁性封止材）、２３…シリコングリス、２４…銅製基板、２５…絶縁樹脂シート、２６…銅製バスバー、２７…コレクタ電極、２８…銅膜（導電膜）、２９…セラミック基板、３０ａ，３０ｂ…水冷式冷却装置（冷却装置）、３０ｃ…空冷式冷却装置（冷却装置）、３１…冷却媒流路、４０…ヒートパイプ（導電体）、５０ａ，５０ｂ，５０ｃ…エミッタ電極放熱主面（放熱部）、５１…半導体パッケージ設置部、５２ａ，５２ｂ…半導体チップ接続部、５３ａ，５３ｂ…リードフレーム接続部、６０…ＤＢＣ基板（絶縁性セラミック基板）
【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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