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JP5700092B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。
特許文献１には、電子部品を搭載した基板を封止樹脂でトランスファーモールドする技術が開示されている。特許文献１に開示の半導体装置は、複数の基板を有しており、複数の基板の少なくとも１つが両面に電子部品を搭載している。複数の基板は隙間をあけて積層配置されている。また、この半導体装置は、基板と基板の間隔を一定に固定する支持構造を有している。
特開２０１０−０５６３５５号公報
特許文献１の技術では、複数の基板を封止樹脂でトランスファーモールドしたときに、基板と基板の間の支持構造が封止樹脂でモールドされる。封止樹脂は基板や支持構造を覆い、これらに密着する。しかしながら、放熱板が樹脂注入時に圧力を受けてはんだ部に力がかかり、はんだが割れることがある。また、密着していた封止樹脂が熱収縮すると、基板や支持構造から封止樹脂が剥離することがある。
そこで本明細書は、前述のはんだ割れおよび封止樹脂の剥離を抑制することができる半導体装置を提供することを目的とする。
本明細書に開示する半導体装置は、表裏面を有する半導体素子と、半導体素子を挟むように対向配置され、半導体素子の表裏面に対してそれぞれはんだを介して取り付けられた一対の放熱板と、一対の放熱板を対向方向に締結する絶縁性の締結ネジと、を備えている。一対の放熱板の間において締結ネジの軸方向の少なくとも一部にネジ山が形成されている。
このような構成によれば、半導体素子を封止するための封止樹脂が一対の放熱板の間に充填されると、この封止樹脂が締結ネジのネジ山に密着する。これにより封止樹脂が熱収縮したとしても、封止樹脂が締結ネジから剥がれることがなく、封止樹脂の剥離を抑制することができる。また、放熱板にかかる圧力をネジ部で受けることができ、はんだのストレスを軽減し、割れを防ぐことができる。
また、上記の半導体装置において、一対の放熱板の間に封止樹脂が充填されており、前記封止樹脂が締結ネジのネジ山に密着していてもよい。
本実施形態に係る半導体装置の縦断面図である。 封止樹脂を充填する方法を説明する図である。 他の実施形態に係る半導体装置の縦断面図である。
以下、実施形態について添付図面を参照して説明する。図１に示すように、半導体装置１は、表裏面を有する半導体素子２と、半導体素子２を挟むように対向配置された一対の放熱板３と、一対の放熱板３を対向方向（一対の放熱板３が互いに近接する方向）に締結する絶縁性の締結ネジ４とを備えている。
半導体素子２は、縦型の半導体素子（例えば、パワー半導体素子）であり、その表面に表面電極が形成され、その裏面に裏面電極が形成されている。半導体素子２としては例えばＩＧＢＴやＦＷＤ等を用いることができる。半導体素子２は一対の放熱板３の間に配置されている。半導体素子２はボンディングワイヤ２５を介して信号用リード２６に電気的に接続されている。
上下一対の放熱板（本実施形態ではリードフレームとしても機能）３は平行に配置されている。放熱板３は半導体素子２の表面側および裏面側にそれぞれ配置されている。各放熱板３の一方面は半導体素子２側を向いており、他方面は外方を向いて露出している。放熱板３の外方を向いている他方面には、冷却器８を取り付けることができる。冷却器８によって放熱板３を介して半導体素子２を冷却する。半導体素子２は、その表面側および裏面側から冷却される。冷却器８としては水冷式あるいは空冷式の公知の構成を用いることができる。放熱板３は例えば銅やアルミニウム等の金属から形成されており、その厚みは例えば数ｍｍ程度である。一対の放熱板３は半導体素子２の表裏面に対してそれぞれはんだ２１を介して取り付けられている。上下の放熱板３の間には封止樹脂６が充填される。各放熱板３には、締結ネジ４のネジ山４１と螺合するネジ溝４２が形成されている。
半導体素子２と表面側（上側）の放熱板３との間にはスペーサー２２が配置されている。スペーサー２２は、例えば銅等の金属から形成されており、導電性を有している。
はんだ２１は、裏面側（下側）の放熱板３と半導体素子２との間、半導体素子２とスペーサー２２との間、およびスペーサー２２と表面側（上側）の放熱板３との間にそれぞれ充填されている。これにより、一対の放熱板３、半導体素子２およびスペーサー２２がはんだ２１により固定される。
締結ネジ４には軸方向の全体にネジ山４１が形成されている。一対の放熱板３の間に位置する部分においても締結ネジ４にネジ山４１が形成されている。ネジ山４１は締結ネジ４の外周面に螺旋状に形成されている。締結ネジ４は一対の放熱板３が対向する方向（一対の放熱板３が近接又は離間する方向）に延びており、上下の放熱板３に螺合している。これにより締結ネジ４は、一対の放熱板３を対向方向（図１の上下方向）に締結している。本実施形態では３本の締結ネジ４で一対の放熱板３を締結している。締結ネジ４の端部は放熱板３に螺合し、中央部は封止樹脂６により覆われている。締結ネジ４の中央部のネジ山４１は封止樹脂６に密着している。締結ネジ４は絶縁性の材料から形成されている。例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の熱可塑性樹脂により締結ネジ４が形成されている。これにより一対の放熱板３は、締結ネジ４により締結されても絶縁された状態になっている。
封止樹脂６は半導体素子２を封止している。また、封止樹脂６は締結ネジ４に密着している。封止樹脂６は例えばエポキシ樹脂などの封止用の公知の樹脂を用いることができる。封止樹脂６を充填するときは、図２に示すように、半導体装置１を金型９内に配置した状態で、金型９内に矢印で示すように封止樹脂６を注入する（図２ではボンディングワイヤ２５及び信号用リード２６を省略して示している。）。金型９内に注入された封止樹脂６は一対の放熱板３の間に流入してゆき、半導体素子２が封止樹脂６によって封止される。このとき、一対の放熱板３が締結ネジ４により締結されているので、封止樹脂６の押圧力で引き離されることがない。また、封止樹脂６が締結ネジ４のネジ山４１に密着する。すなわち、封止樹脂６がネジ山４１の間にも充填される。
金型９は上面９１及び下面９２を有している。上面９１及び下面９２は、金型９の内部に配置された半導体装置１と対向している。各放熱板３と金型９の上面９１及び下面９２との隙間９５は、封止樹脂６が流入しない程度の隙間であることが好ましい。これにより、放熱板３の他方面側（上側の放熱板３の上面側、および、下側の放熱板３の下面側）に封止樹脂６が充填されることがなく、半導体装置１を金型９から取り出したときに、放熱板３の他方面が外部に露出する。露出した放熱板３の他方面には冷却器８を配置することができる。なお、各放熱板３と金型９の上面９１及び下面９２との隙間９５の大きさは特に限定されるものではない。隙間９５を大きくすることにより放熱板３の他方面側に封止樹脂６が流入した場合は、封止樹脂６が固化した後に、封止樹脂６を研削して除去する。
上述の説明から明らかなように、本実施形態の半導体装置１では一対の放熱板３が締結ネジ４により締結されているので、一対の放熱板３を対向方向に締め付けることができる。この締め付けの力により、封止樹脂６を一対の放熱板３の間に充填するときに、封止樹脂６の押圧力に抵抗することができる。したがって、封止樹脂６を充填するときに、一対の放熱板３が封止樹脂６の押圧力で引き離されることがなく、放熱板３が半導体素子２から剥がれ落ちることがない。また、一対の放熱板３の間において締結ネジ４にネジ山４１が形成されているので、封止樹脂６がネジ山４１を介して締結ネジ４に密着する。これにより、封止樹脂６が熱収縮したとしても、封止樹脂６が締結ネジ４に密着しているので締結ネジ４から剥がれることを抑制できる。すなわち、特許文献１の技術では、一対の放熱板の間において封止樹脂と密着するネジ山が存在しないので、封止樹脂が熱収縮したときに、封止樹脂が支持構造から剥離することがある。本実施形態では、締結ネジ４のネジ山４１が一対の放熱板３の間にも形成されているため、締結ネジ４と封止樹脂６との結合力が増大し、封止樹脂６の剥がれを抑制することができる。
以上、一実施形態について説明したが、具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では一対の放熱板３の間の位置において、締結ネジ４の軸方向の全体にネジ山４１が形成されていたが、この構成に限定されず、締結ネジ４の軸方向の一部にネジ山４１が形成されていればよい。このような構成によっても封止樹脂６がネジ山４１に密着し、封止樹脂６の剥がれを抑制することができる。
また上記実施形態では、締結ネジ４の全体が熱可塑性樹脂により形成されていたが、締結ネジ４により締結された一対の放熱板３が絶縁される構成であれば、必ずしも締結ネジ４の全体を熱可塑性樹脂で形成する必要はない。例えば、金属の軸心の外周面に絶縁性の熱可塑性樹脂からなるネジ山４１が形成された構成でもよい。また、締結ネジ４の数は特に限定されるものではない。
また締結ネジ４は、図３に示すように、表面側（上側）の放熱板３を支持するストッパー４３を備えていてもよい。ストッパー４３は、締結ネジ４の軸方向に直交する方向に延びている。ストッパー４３の高さ位置は、半導体素子２の表面側（上側）のはんだ２１の高さ位置とほぼ同じである。これにより、表面側（上側）の放熱板３が、ストッパー４３により支持されると共に、はんだ２１によりはんだ付けされる。締結ネジ４の上端部にはナット４４が螺合するネジ山４５が形成されている。ストッパー４３とナット４４の間に放熱板３が挟まれ、ナット４４がネジ山４５に螺合することにより放熱板３が固定される。このような構成によれば、ストッパー４３により表面側の放熱板３の高さ位置を確定することができる。したがって、放熱板３の位置決めを確実に行うことができる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
１；半導体装置
２；半導体素子
３；放熱板
４；締結ネジ
６；封止樹脂
８；冷却器
９；金型
２１；はんだ
２２；スペーサー
４１；ネジ山
４２；ネジ溝
４３；ストッパー
４４；ナット

Claims (1)

  1. 表裏面を有する半導体素子と、
    半導体素子を挟むように対向配置され、半導体素子の表裏面に対してそれぞれはんだを介して取り付けられた一対の放熱板と、
    一対の放熱板を対向方向に締結する絶縁性の締結ネジと、を備え、
    一対の放熱板の間において締結ネジの軸方向の少なくとも一部にネジ山が形成されており、
    一対の放熱板の間に封止樹脂が充填されており、前記封止樹脂が締結ネジのネジ山に密着している、半導体装置。
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