JP3785126B2

JP3785126B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP3785126B2
Application number: JP2002264014A
Authority: JP
Inventors: 昭光長岡; 隆大友; 秀明加藤; 哲男野本
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2022-09-10
Also published as: JP2004103842A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子部品を搭載した複数の基板を有する半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、大電力電子部品モジュールとして使用される半導体装置には、パワートランジスタモジュールやスイッチング電源モジュール等がある。従来、このような半導体装置は、図３に示すように、箱状部材１００と、箱状部材１００の底部に配置され、下面に放熱部材との接続面を有するベース基板１０１と、ベース基板１０１の上面に実装された電子部品１０２と、ベース基板１０１の上方に箱状部材１００に支えられるように配置された制御基板１０４と、制御基板１０４の上面に実装された電子部品１０５とを備えている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ベース基板１０１の上面側には電子部品１０２を埋没させる第１の樹脂部１０７が形成されており、この第１の樹脂部１０７の上面側には第２の樹脂部１０８が形成されている。第１の樹脂部１０７としてはゲル状のシリコーン樹脂が使用され、第２の樹脂部１０８としてはエポキシ樹脂が使用されている。なお、ゲル状のシリコーン樹脂は、エポキシ樹脂と比較して熱膨張係数が大きい。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２１０７５８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体装置においては、シリコーン樹脂の熱膨張係数はエポキシ樹脂よりも大きく、また、シリコーン樹脂からなる第１の樹脂部１０７は、ベース基板１０１と第２の樹脂部１０８との間の空間に隙間なく満たされている。このため、モジュール全体の温度上昇に伴って第１の樹脂部１０７、第２の樹脂部１０８が膨張する場合には、この熱膨張係数の違いに基づいてベース基板１０１に応力が働き、ベース基板１０１に反りやクラックが発生して強度的信頼性が損なわれるという問題があった。
【０００６】
また、上記従来の半導体装置では、この種の応力を緩和するために、第１の樹脂部１０７の上部にその一部を収納する空間を設けていたが、シリコーン樹脂の上面にエポキシ樹脂を充填していたため、この空間から離れた位置では応力を有効に緩和できず、上記の問題を依然解決することができなかった。
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ベース基板のクラック、反りを防止して強度信頼性の向上を図ることができる半導体装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
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。
請求項１に係る発明は、エポキシ樹脂よりも熱膨張係数が大きいゲル状の樹脂部により被覆される半導体チップを搭載した第１の基板と、該第１の基板に電気的に接続される第２の基板と、これら第１、第２の基板を厚み方向に離した状態で固定するケース部材とを備え、該ケース部材は、前記第１および第２の基板間を仕切る板状の仕切壁を有し、該仕切壁と前記樹脂部との間に間隔をあけた状態で前記第１の基板を収容する凹部とを備え、前記第１の基板が、前記凹部の開口を閉塞し、前記ケース部材の外方の空間と、前記仕切壁と前記樹脂部との間に形成された内部空間とを連通する貫通孔が、前記ケース部材に設けられている半導体装置を提案している。
【０００８】
この発明に係る半導体装置によれば、樹脂部と仕切壁との間に空間が形成されているため、ヒートサイクルに起因して樹脂部が膨張収縮しても、第１の基板に応力が働くことがない。
また、第１の基板が凹部の開口を閉塞しているため、第１の基板に形成されるゲル状の樹脂部が凹部の開口からケース部材の外方に漏れ出すことがない。
また、この発明に係る半導体装置によれば、仕切壁と樹脂部との間に形成された内部空間が、ケース部材の外側の空間に連通しているため、ヒートサイクルに起因して樹脂部が膨張収縮したり、内部空間内の温度が変化したりしても、この内部空間内の気圧がケース部材外側の空間の気圧と等しい状態に保持され、第１の基板に応力が働くことがない。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の半導体装置において、前記貫通孔が、前記樹脂部に対向する前記凹部の底面に開口している半導体装置を提案している。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、前記第１の基板が金属板からなり、該第１の基板に、放熱部材が直接取り付けられている半導体装置を提案している。
この発明に係る半導体装置によれば、半導体装置の内部、特に、第１の基板に搭載された半導体チップから発生した熱は、金属板を備えた第１の基板を介して放熱部材から外方に放熱することになるため、効率よく外部に放熱することが可能となる。
【００１１】
また、請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置において、前記第２の基板を被覆すると共に、該第２の基板を前記ケース部材に一体的に固定する前記樹脂部よりも硬度の高い樹脂からなる硬質樹脂部を備える半導体装置を提案している。
この発明によれば、第２の基板が硬質樹脂部により被覆されているため、外方からの衝撃に対して第２の基板の損傷を防止できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１および図２はこの発明に係る一実施形態を示す。この実施の形態に係る半導体装置１は、図１に示すように、箱状部材（ケース部材）２と、ベース基板（第１の基板）３と、制御基板（第２の基板）４とを備えている。
箱状部材２は、ポリブチレンテレフタレートから形成されており、図２に示すように、平面視略矩形の薄板状に形成された薄板壁部（仕切壁）５と、薄板壁部５の周囲を取り囲む４つの側壁部６とを備えている。対向に配置された一対の側壁部６の間には、薄板壁部５の裏面５ａ側に突出する突出壁部７が形成されている。これら薄板壁部５と、側壁部６と、突出壁部７とにより、第１の凹部（凹部）９が形成されている。また、薄板壁部５の表面５ｂ側には、薄板壁部５と側壁部６とにより第２の凹部１１が形成されている。
【００１３】
第１の凹部９を形成する側壁部６および突出壁部７の下端部には切欠部１２が形成されている。この切欠部１２にベース基板３を嵌め込むことにより、ベース基板３により第１の凹部９の開口９ｂを閉塞すると共に、箱状部材２に対するベース基板３の位置決めが行われることになる。
薄板壁部５の表面５ｂには、１つの側壁部６の内面６ａから延在する段部１３が形成されている。また、側壁部６に隣接する別の側壁部６の内面６ａから突出する突出部１４が形成されており、突出部１４の上面１４ａは、段部１３の上面１３ａと同じ高さに位置している。制御基板４は、箱状部材２に取り付けられる際に、これら段部１３および突出部１４の上面１３ａ，１４ａに当接するように配置されることになる。
【００１４】
段部１３および薄板壁部５には、その表面１３ａから裏面５ａまで貫通する複数の貫通孔１５が形成されており、これら貫通孔１５は、ベース基板３と制御基板４とを電気的に接続するための接続導線を挿通させるためのものである。
また、薄板壁部５のうち、第１の凹部９を構成する部分には、裏面５ａから表面５ｂに貫通する貫通孔３１が形成されている。この貫通孔３１は、ベース基板３を第１の凹部９の切欠部１２に嵌めた状態で後述するシリコーン樹脂を流し込むためのものである。なお、この貫通孔３１は、図１に示す状態においては、粘着テープ等のシール部材３２により閉塞されている。
さらに、段部１３、薄板壁部５およびこれらに隣接する側壁部６には、第１の凹部９の底面９ａから外面６ｂに貫通する貫通孔１６が形成されている。
【００１５】
ベース基板３は、その表面３ａに半導体チップ２１がボンディングワイヤによりベース基板３の回路と電気的に接続されると共に、制御基板４の回路と電気的に接続するための金属製の接続導線２２がベース基板３の回路と電気的に接続されたものである。また、このベース基板３は、金属板の表面に絶縁シートを形成し、この絶縁シートの表面３ａに回路を形成したものであり、この金属板の裏面３ｂに直接放熱部材（図示せず）を設けることで、半導体チップ２１から発生する熱が、金属板を介して放熱部材から効率よく外方に放熱できるようになっている。
【００１６】
半導体チップ２１は、埃等から保護するために第１の樹脂部（樹脂部）２４の内部に埋没しており、この第１の樹脂部２４は、ゲル状のシリコーン樹脂から形成されている。
このベース基板３は、半導体チップ２１および第１の樹脂部２４を第１の凹部９の底面９ａに間隔を空けて対向させた状態で、第１の凹部９の開口９ｂを閉塞して箱状部材２に固定されている。この状態では、接続導線２２が、貫通孔１５に挿入されると共に、その先端部が段部１３の表面１３ａから突出することになる。そして、第１の凹部９の底面９ａと第１の樹脂部２４との間に内部空間Ｓ１が形成されることになり、この内部空間Ｓ１は、箱状部材２の外側の空間と貫通孔１６により連通している。
【００１７】
制御基板４は、その表面４ａおよび裏面４ｂに電子部品２５を半田により制御基板４の回路と電気的に接続したものである。この電子部品２５は、第２の凹部１１に充填された第２の樹脂部（硬質樹脂部）２６の内部に埋没している。第２の樹脂部２６は、電気的絶縁性の高いエポキシ樹脂から形成されており、制御基板４と箱状部材２とを一体化させている。
【００１８】
以下、上記のように構成された半導体装置１の製造方法について説明する。
はじめに、ベース基板３の表面３ａに半導体チップ２１および接続導線２２を装着する。次いで、切欠部１２にベース基板３を嵌め込んで、第１の凹部９の開口９ｂを閉塞させた状態で箱状部材２にベース基板３を固定すると共に、接続導線２２を貫通孔１５に挿入して段部１３の表面１３ａ側に貫通させる。この状態では、ベース基板３の裏面３ｂが箱状部材２の外側に向けて位置する。
【００１９】
そして、貫通孔３１から第１の凹部９の内部にシリコーン樹脂を流し込み、シリコーン樹脂によりベース基板３に搭載された半導体チップ２１をボンディングワイヤと共に埋没させる第１の樹脂部２４を形成する。その後、この貫通孔３１をシール部材３２により閉塞する。この状態では、第１の樹脂部２４の表面が第１の凹部９の底面９ａに当接しないようになっている。
【００２０】
そして、制御基板４の表面４ａおよび裏面４ｂに電子部品２５を装着する。その後、第２の凹部１１内に制御基板４を配置して、制御基板４の回路と接続導線２２とを半田等により固定して、ベース基板３と制御基板４とを電気的に接続する。最後に、第２の凹部１１内にエポキシ樹脂を充填することにより、制御基板４を埋没させると共に、箱状部材２と制御基板４とを一体化させる第２の樹脂部２６を形成する。以上により、半導体装置１の製造が終了する。
【００２１】
上記のように、この半導体装置１によれば、ベース基板３および制御基板４が薄板壁部５により仕切られた状態で箱状部材２に配置されるため、第１、第２の樹脂部２４，２６が互いに接触することがない。そして、第１の樹脂部２４と、第１の凹部９の底面９ａとの間に内部空間Ｓ１が形成されているため、ヒートサイクルに起因して第１の樹脂部２４が膨張収縮しても、ベース基板３に応力が働くことがない。
【００２２】
さらに、内部空間Ｓ１と箱状部材２の外側の空間とが貫通孔１６により連通されるため、ヒートサイクルに起因して第１の樹脂部２４が膨張収縮したり、内部空間Ｓ１内の温度が変化したりしても、この内部空間Ｓ１内の気圧が箱状部材２外側の空間の気圧と等しい状態に保持され、ベース基板３に応力が働くことがない。
以上のことから、ベース基板３のクラック、反りを防止して強度信頼性の向上を図ることができる。
【００２３】
また、ベース基板３が、ベース基板３は、金属板から構成されると共に、この金属板の裏面３ｂに直接放熱部材を設けるため、半導体装置１の内部、特に、ベース基板３に実装された半導体チップ２１からの発熱を効率よく外方に放熱することが可能となる。
さらに、第２の樹脂部２６が、薄板壁部５の表面５ｂ側に配置された制御基板４を被覆すると共に、制御基板４を箱状部材２に一体的に固定するため、外方からの衝撃に対して制御基板４の損傷を防止できる。
【００２４】
なお、上記の実施の形態においては、箱状部材２は、平面視略矩形状に形成されるとしたが、これに限ることはなく、少なくともベース基板３を設置するための第１の凹部９が形成された形状であればよい。また、第２の凹部１１を形成する必要はなく、制御基板４は、第２の樹脂部２６により箱状部材２と一体化されていればよい。
【００２５】
さらに、箱状部材２に突出壁部７を設けるとしたが、突出壁部７を設けなくてもよい。この場合には、４つの側壁部６および薄板壁部５により第１の凹部９を形成し、第１の樹脂部２４を第１の凹部９の底面９ａに間隔を空けて対向させた状態で、第１の凹部９に嵌め込むことができる大きさのベース基板３を用意すればよい。
【００２６】
また、内部空間Ｓ１と箱状部材２の外側の空間とを連通する貫通孔１６は、第１の凹部９の底面９ａから側壁部６ｂの外面６ｂに貫通しているとしたが、これに限ることはなく、例えば、側壁部６ｂの内面６ａから外面６ｂに貫通するとしてもよい。ただし、この場合には、貫通孔１６が内部空間Ｓ１を画定する側壁部の内面６ａに開口している必要がある。
【００２７】
さらに、シリコーン樹脂を流し込むための貫通孔３１を薄板壁部５に形成するとしたが、形成しなくてもよい。この場合には、半導体チップ２１を搭載したベース基板３を箱状部材２に固定する前に、シリコーン樹脂をベース基板３の表面３ａに塗布して、半導体チップ２１をボンディングワイヤと共に埋没させる第１の樹脂部２４を形成しておけばよい。
以上、本発明の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設計変更等も含まれる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、ヒートサイクルに起因して樹脂部が膨張収縮しても、第１の基板に応力が働くことがないため、第１の基板のクラック、反りを防止して強度信頼性の向上を図ることができる。
【００２９】
また、請求項２に係る発明によれば、内部空間とケース部材外側の空間とが連通する貫通孔が形成されているため、内部空間内の気圧がケース部材外側の空間の気圧と等しい状態に保持されて、第１の基板に応力が働くことがない。したがって、第１の基板の強度信頼性向上をさらに図れる。
【００３０】
また、請求項３に係る発明によれば、第１の基板の表面に放熱部材が設けられているため、半導体装置の内部、特に、第１の基板に搭載された半導体チップから発生した熱を効率よく外部に放熱することが可能となる。
【００３１】
また、請求項４に係る発明によれば、硬質樹脂部により仕切壁の他面側に配置された第２の基板を被覆すると共に、第２の基板をケース部材に一体的に固定するため、外方からの衝撃に対して第２の基板の損傷を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態に係る半導体装置の側断面図である。
【図２】図１の半導体装置において、箱状部材を示す斜視図である。
【図３】従来の半導体装置の一例を示す側断面図である。
【符号の説明】
１半導体装置
２箱状部材（ケース部材）
３ベース基板（第１の基板）
４制御基板（第２の基板）
５薄板壁部（仕切壁）
９第１の凹部（凹部）
９ｂ開口
１６貫通孔
２１半導体チップ
２４第１の樹脂部（樹脂部）
２６第２の樹脂部（硬質樹脂部）
Ｓ１内部空間

Claims

エポキシ樹脂よりも熱膨張係数が大きいゲル状の樹脂部により被覆される半導体チップを搭載した第１の基板と、
該第１の基板に電気的に接続される第２の基板と、
これら第１、第２の基板を厚み方向に離した状態で固定するケース部材とを備え、
該ケース部材は、前記第１および第２の基板間を仕切る板状の仕切壁を有し、該仕切壁と前記樹脂部との間に間隔をあけた状態で前記第１の基板を収容する凹部とを備え、
前記第１の基板が、前記凹部の開口を閉塞し、
前記ケース部材の外方の空間と、前記仕切壁と前記樹脂部との間に形成された内部空間とを連通する貫通孔が、前記ケース部材に設けられている半導体装置。
前記貫通孔が、前記樹脂部に対向する前記凹部の底面に開口している請求項１に記載の半導体装置。
前記第１の基板が金属板からなり、
該第１の基板に、放熱部材が直接取り付けられている請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
前記第２の基板を被覆すると共に、該第２の基板を前記ケース部材に一体的に固定する前記樹脂部よりも硬度の高い樹脂からなる硬質樹脂部を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。