JP5446454B2 - 半導体装置の実装構造 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の実装構造に関し、特に樹脂でモールドされた半導体装置の実装構造に関する。

半導体素子を封止する樹脂モールドから露出する放熱部およびリード部を有する半導体装置が公知である。このような半導体装置の場合、放熱部と半導体装置を搭載する冷却部との間の電位が異なるとき、例えば特許文献１または特許文献２に開示されているように、半導体装置と冷却部との間は絶縁する必要がある。特許文献１の場合、半導体装置と冷却部の間は、これらを接着する絶縁ビーズを混入した接着剤によって絶縁されている。また、特許文献２の場合、半導体装置の樹脂モールドは冷却部側へ突出する突起を有している。半導体装置と冷却部との間は、突起によって形成される隙間によって絶縁が図られている。

しかしながら、例えばモータなどを制御するために大電流が流れる半導体装置の場合、流れる電流の増大にしたがって発熱量も増大する。そのため、放熱部の大型化にともない、半導体装置の体格の大型化を招くという問題がある。また、例えばＰＷＭ制御のようにスイッチング周波数の高い制御信号を利用する場合、スイッチングによるノイズや外部からのノイズの影響を受けやすく、誤作動を招くおそれもある。

特開平６−２４４３３４号公報 特開２００５−３２７７９１号公報

そこで、本発明の目的は、大型化を招くことなく冷却性能が向上し、ノイズの影響も低減される半導体装置の実装構造を提供することにある。

請求項１記載の発明では、冷却部材と導電部材との間は固定部材によって接続されている。固定部材は、導電性および伝熱性を有している。そのため、半導体装置から発生した熱は、絶縁層部を経由して冷却部材に放熱されるとともに、冷却部材から固定部材を経由して導電部材からも放熱される。すなわち、固定部材で導電部材と冷却部材とを接続することにより、冷却部材だけでなく導電部材も放熱面を形成し、放熱面積が増大する。したがって、放熱部などの面積の増大にともなう大型化を招くことなく、冷却性能を高めることができる。また、導電性の固定部材で導電部材と冷却部材とを接続することにより、導電部材と冷却部材との間の電位は等しくなる。例えば接地電極である導電部材と冷却部材とを接続することにより、半導体装置は接地電位の導電部材と冷却部材とに覆われる。したがって、半導体装置が受けるノイズの影響を低減することができる。

請求項２記載の発明では、半導体装置の導体部と導電部材とは一点接地されている。そのため、導体部と導電部材との間に電流経路を形成することなく、導体部と導電部材との間の電位を同一にすることができる。
請求項３記載の発明では、導電部材は冷却部材との間に半導体装置を収容する収容空間を形成している。そのため、半導体装置は、導電部材と冷却部材とが形成する容器状の収容空間に収容される。これにより、外部からのノイズは、導電部材および冷却部材によって遮蔽される。したがって、半導体装置が受けるノイズの影響を低減することができる。

請求項４記載の発明では、半導体装置は接地部材によって冷却部材と電気的に接続される。これにより、半導体装置は、確実に接地される。したがって、半導体装置が受けるノイズの影響を低減することができる。
請求項５記載の発明では、樹脂モールドには冷却部材側に突出する突出部が設けられている。突出部は、樹脂モールドと冷却部材との間に隙間を形成する。これにより、半導体装置と冷却部材との間は、突出部によって形成される隙間によって絶縁される。したがって、半導体装置の放熱部と冷却部材との間に電位差があるときでも、半導体装置と冷却部材との間を絶縁することができる。

請求項６記載の発明では、絶縁部材は筒状の本体と本体から環状に突出する鍔部を有している。絶縁部材の筒状の本体は、放熱部と固定部材との間を絶縁する。絶縁部材の鍔部は、放熱部と導電部材との間を絶縁する。これにより、固定部材により半導体装置を導電部材とともに冷却部材に固定する場合でも、放熱部と導電部材との間、および放熱部と固定部材との間の絶縁が図られる。したがって、半導体装置と冷却部材との間を絶縁することができる。

本発明の第１実施形態による半導体装置の実装構造を示す模式図であって、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は（Ａ）の矢印Ｂ方向から見た矢視図において導電部材を破線で示した図 本発明の第１実施形態による半導体装置を示す模式図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は（Ａ）の矢印Ｂ方向から見た矢視図 図１（Ｂ）のIII−III線における固定ねじの近傍を拡大した断面図 本発明の第２実施形態による半導体装置の実装構造を示す図１（Ａ）相当図 本発明の第３実施形態による半導体装置の実装構造を示す図１（Ａ）相当図 本発明のその他の実施形態による半導体装置の実装構造を示す図１（Ａ）相当図 本発明の第４実施形態による半導体装置の実装構造を示す模式図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図 本発明の第４実施形態による半導体装置の実装構造の変形形態を示す図１（Ａ）相当図

以下、本発明による半導体装置の実装構造の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による半導体装置の実装構造を図１に示す。半導体装置１０は、例えばブロワモータのコントローラなどに適用される。半導体装置１０は、図２に示すように樹脂モールド１１および導体部１２を有している。導体部１２は、例えば銅などの金属または合金から板状に形成されている。導体部１２は、放熱部１３および搭載部１４を有している。導体部１２の放熱部１３には、ねじ穴１５が設けられている。導体部１２の搭載部１４には、半導体素子１６が搭載されている。この半導体素子１６は、例えばシリコン半導体などで形成されている半導体チップに半導体製造プロセスを用いてトランジスタなどの電子素子が形成されたものである。半導体素子１６は、例えばマイクロコンピュータや制御ＩＣなどの制御素子、およびパワーＭＯＳ素子やＩＧＢＴ素子などのパワー素子などから選択される。搭載部１４に搭載される半導体素子１６は、一つに限らず二つ以上であってもよい。

半導体素子１６は、例えば銀ペーストやはんだなどの導電性の接着剤を用いて導体部１２に接続されている。これにより、半導体素子１６の裏面すなわち搭載部１４側の面と搭載部１４とは同一の電位となる。半導体素子１６の導体部１２は、放熱部１３および搭載部１４に加え、放熱部１３と反対側に、複数のリード部２１、２２、２３、２４、２５を有している。リード部２１、２２、２３、２４、２５は、例えば銅やアルミニウムなどの導電性の金属や合金からなるリードフレームで形成されている。リード部２１、２２、２３、２４、２５は、例えば金やアルミニウムなどのボンディングワイヤ２６によって搭載部１４に搭載されている半導体素子１６と電気的に接続されている。

樹脂モールド１１は、これら導体部１２の少なくとも一部、半導体素子１６およびボンディングワイヤ２６を封止している。これにより、導体部１２は、放熱部１３、搭載部１４の半導体素子１６とは反対側の面、およびリード部２１、２２、２３、２４、２５が樹脂モールド１１から露出している。樹脂モールド１１は、一般的な半導体パッケージに用いられるエポキシ系の樹脂などで形成されている。樹脂モールド１１は、例えばトランスファーモールド法などによって所定の形状に形成される。
半導体装置１０は、図１に示すように冷却部材３０に搭載される。冷却部材３０は、例えばアルミニウムや銅などの放熱性の高い材料で形成され、図示しない冷却フィンなどを有している。半導体装置１０と冷却部材３０との間には、絶縁層部３１が設けられている。絶縁層部３１は、例えばシリコーン樹脂などのように絶縁性を有し、かつ伝熱性を有する材料などで形成されている。

半導体装置１０は、冷却部材３０とは反対側が導電部材３２によって覆われている。導電部材３２は、銅やアルミニウムなどの金属で形成されており、冷却部材３０との間に半導体装置１０を挟み込んでいる。導電部材３２は、端部３３において半導体装置１０のリード部２１、２５と電気的に接続されている。導電部材３２は、例えば溶接などにより半導体装置１０の接地電極であるリード部２１、２５と接続されている。これにより、導電部材３２は、半導体装置１０のリード部２１、２５と電位が等しい、すなわち接地電位となる。一方、搭載部１４とリード部２１、２５との間には、所定の電位差が形成される。

導電部材３２は、固定部材としての固定ねじ３４によって冷却部材３０に固定されている。固定ねじ３４は、例えばアルミニウムや鉄などの導電性かつ伝熱性の金属または合金で形成されている。固定ねじ３４は、導電部材３２、および半導体装置１０の放熱部１３に形成されているねじ穴１５を貫いて冷却部材３０にねじ止めされている。図３に示すように、固定ねじ３４と放熱部１３との間、および放熱部１３と導電部材３２との間は、絶縁部材３５によって絶縁されている。絶縁部材３５は、例えばポリエチレンやポリアミドなどの絶縁性の樹脂から形成され、本体３６および鍔部３７を有している。本体３６は、筒状に形成され、半導体装置１０の放熱部１３に形成されているねじ穴１５に挿入されている。固定ねじ３４は、本体３６の内側に挿入されている。これにより、放熱部１３と固定ねじ３４との間には、絶縁部材３５の本体３６が挟み込まれる。鍔部３７は、本体３６の導電部材３２側において径方向外側へ円環状に突出している。これにより、導電部材３２と放熱部１３との間には、絶縁部材３５の鍔部３７が挟み込まれる。これらの結果、固定ねじ３４と放熱部１３との間、および放熱部１３と導電部材３２との間は、それぞれ絶縁部材３５によって絶縁される。

固定ねじ３４を冷却部材３０にねじ止めすることにより、導電部材３２および半導体装置１０は冷却部材３０に固定される。固定ねじ３４は導電性の金属で形成されているため、固定ねじ３４を冷却部材３０にねじ止めすることにより、冷却部材３０と導電部材３２とは電気的に接続され、電位が等しくなる。この結果、半導体装置１０は、電位の等しい冷却部材３０と導電部材３２との間に挟み込まれる。

以上のように、導電性および伝熱性を有する固定ねじ３４は、導電部材３２および半導体装置１０を冷却部材３０に固定している。半導体装置１０の発熱は、一部が導体部１２の放熱部１３から放熱される。半導体装置１０の発熱のうち他の一部は、樹脂モールド１１の冷却部材３０側に露出する導体部１２から絶縁層部３１を経由して冷却部材３０に放熱される。そして、冷却部材３０に放熱された半導体装置１０の熱は、固定ねじ３４を経由して導電部材３２にも伝達される。このように、固定ねじ３４で冷却部材３０と導電部材３２とを接続することにより、冷却部材３０だけでなく導電部材３２からも放熱される。すなわち、放熱面積が拡大し、半導体装置１０から発生する熱の放熱が促進される。また、冷却部材３０と導電部材３２とは、導電性の固定ねじ３４によって電位が等しくなっている。これにより、半導体装置１０は、電位の等しい冷却部材３０と導電部材３２との間に挟み込まれている。そのため、冷却部材３０および導電部材３２は、外部からの電磁ノイズを遮蔽するシールド効果を生じる。

以上説明したように、第１実施形態では、冷却部材３０と導電部材３２との間は固定ねじ３４によって接続されている。固定ねじ３４は、導電性および伝熱性を有している。そのため、半導体装置１０から発生した熱は、絶縁層部３１を経由して冷却部材３０に放熱されるとともに、冷却部材３０から固定ねじ３４を経由して導電部材３２からも放熱される。すなわち、固定ねじ３４で冷却部材３０と導電部材３２とを接続することにより、冷却部材３０だけでなく導電部材３２も放熱面を形成し、放熱面積が増大する。したがって、放熱部１３などの面積の増大にともなう大型化を招くことなく、冷却性能を高めることができる。

また、第１実施形態では、導電性の固定ねじ３４で冷却部材３０と導電部材３２とを接続することにより、冷却部材３０と導電部材３２との間の電位は等しくなる。接地電極であるリード部２１、２５と接続された導電部材３２を冷却部材に接続することにより、半導体装置１０は接地電位の冷却部材３０と導電部材３２との間に挟み込まれる。そのため、半導体装置１０は、冷却部材３０および導電部材３２によって外部からのノイズが遮蔽される。したがって、半導体装置１０が受けるノイズの影響を低減することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による半導体装置の実装構造を図４に示す。
第２実施形態では、導電部材３２は、半導体装置１０を覆っており、端部３８が冷却部材３０に接続されている。導電部材３２は、第１実施形態と同様に半導体装置１０の接地電極であるリード部２１、２５と電気的に接続されている。また、導電部材３２の端部３８を冷却部材３０に接続することにより、半導体装置１０はほぼ全体が導電部材３２と冷却部材３０とに覆われている。すなわち、半導体装置１０は、冷却部材３０と導電部材３２との間に形成された収容空間３９に収容されている。導電部材３２は、端部３８が冷却部材３０と接続されているとともに、固定ねじ３４を通して接続されている。これにより、導電部材３２は、電気的および熱的に冷却部材３０と接続されている。

第２実施形態では、半導体装置１０はほぼ全体が導電部材３２によって覆われている。そのため、半導体装置１０は、冷却部材３０と導電部材３２とが形成する収容空間３９に収容されている。したがって、外部からのノイズがより遮蔽され、半導体装置１０が受けるノイズの影響をさらに低減することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による半導体装置の実装構造を図５に示す。
第３実施形態では、半導体装置１０は、樹脂モールド１１から突出する接地部材４１を有している。接地部材４１は、半導体装置１０の接地電極であるリード部２１、２５と電気的に接続されている。接地部材４１は、半導体装置１０と反対側の端部が直接またはボンディングワイヤなどを経由して冷却部材３０に接続されている。冷却部材３０と導電部材３２とは、第１実施形態と同様に固定ねじ３４を経由して電気的に接続している。これらの結果、冷却部材３０および導電部材３２は、半導体装置１０の接地電極であるリード部２１、２５と電位が等しくなっている。

第３実施形態では、半導体装置１０の接地部材４１を冷却部材３０に接続している。これにより、半導体装置１０の接地部材４１と冷却部材３０とは同一の電位となる。そのため、半導体装置１０は、冷却部材３０および導電部材３２によって外部のノイズから遮蔽される。また、半導体装置１０から発生する熱の一部は、接地部材４１を経由して冷却部材３０に放熱される。したがって、放熱性能を高めつつ、半導体装置１０が受けるノイズの影響を低減することができる。

（その他の実施形態）
以上説明した複数の実施形態では、樹脂モールド１１の冷却部材３０側が平坦な例について説明した。しかし、図６に示すように樹脂モールド１１の冷却部材３０側の端部に冷却部材３０側へ突出する突出部４２を設けてもよい。突出部４２は、樹脂モールド１１と同一の樹脂により一体に形成されている。このように突出部４２を設けることにより、半導体装置１０を冷却部材３０に搭載したとき、突出部４２に対応して半導体装置１０と冷却部材３０との間に隙間が形成される。この隙間は、空気が存在することにより、半導体装置１０と冷却部材３０との間を絶縁する絶縁層部として機能する。したがって、簡単な構造で半導体装置１０と冷却部材３０との間の絶縁を図ることができる。
また、複数の実施形態では、半導体装置１０が五本のリード部２１、２２、２３、２４、２５を有し、このうちリード部２１、２５を接地電極とする例について説明した。しかし、リード部の数は五本に限らず一本以上であればよく、接地電極もリード部の総数に応じて一本以上設ければよい。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態による半導体装置の実装構造を図７に示す。
図７に示す半導体装置１０は、樹脂モールド１１および導体部５０を有している。導体部５０は、放熱部５３、搭載部５４およびリード部６１、６２、６３、６４、６５を有している。導体部５０は、放熱部５３、搭載部５４およびリード部６１、６２、６３、６４が導電性の金属などにより一体、すなわち一つの部材で形成されている。導体部５０のうちリード部６５は、一体となっている放熱部５３などと別体に形成されている。このリード部６５は、接地電極に設定されている。半導体素子１６は、搭載部５４に搭載されている。導体部５０は、少なくとも一部が樹脂モールド１１から露出している。具体的には、放熱部５３およびリード部６１、６２、６３、６４および６５が樹脂モールド１１から露出している。また、導体部５０の冷却部材３０側の面が樹脂モールド１１から露出していてもよい。

半導体装置１０は、上述の実施形態と同様に冷却部材３０に搭載されている。半導体装置１０と冷却部材３０との間には、絶縁層部３１が設けられている。絶縁層部３１は、絶縁性かつ伝熱性を有する材料で形成されている。半導体装置１０の冷却部材３０とは反対側には導電部材３２が設けられている。半導体装置１０のリード部６１〜６５は、放熱部５３と反対側の端部がコネクタ６６に接続している。コネクタ６６は、外部の電気回路に接続される。半導体装置１０、冷却部材３０および導電部材３２は、一部または全部が例えば樹脂製のカバー６７によって覆われている。

導電部材３２は、固定ねじ３４によって冷却部材３０に固定されている。固定ねじ３０は、導電部材３２、および半導体装置１０の放熱部５３に形成されているねじ穴５５を貫いて冷却部材３０にねじ止めされている。固定ねじ３４と放熱部５３との間、および放熱部５３と導電部材３２との間は、絶縁部材３５によって絶縁されている。絶縁部材３５は、上述の実施形態と同様に本体３６および鍔部３７を有している。これにより、固定ねじ３４と放熱部５３との間、放熱部１３と導電部材３２との間、および放熱部１３と冷却部材３０との間は、それぞれ絶縁部材３５によって絶縁される。

固定ねじ３４を冷却部材３０にねじ止めすることにより、導電部材３２および半導体装置１０は冷却部材３０に固定される。固定ねじ３４は導電性の金属で形成されているため、固定ねじ３４を冷却部材３０にねじ止めすることにより、冷却部材３０と導電部材３２とは電気的に接続され、電位が等しくなる。その結果、半導体装置１０は、電位の等しい冷却部材３０と導電部材３２との間に挟み込まれる。

導電部材３２は、接地されているリード部６５と接続している。具体的には、導電部材３２とリード部６５とは、接続部７１において一点接地により電気的に接続されている。このように接続部７１において一点接地することにより、仮に導電部材３２とリード部６５との間に電位差が生じた場合でも、導電部材３２とリード部６５との間が電流経路を形成せず、発熱が回避される。また、接続部７１において導電部材３２とリード部６５とを電気的に接続することにより、冷却部材３０、導電部材３２およびリード部６５は、いずれも等しい接地電位となる。そのため、半導体装置１０は、等電位である冷却部材３０と導電部材３２とによって覆われる。その結果、冷却部材３０および導電部材３２は、外部からの電磁ノイズを遮蔽するシールド効果を生じる。

第４実施形態の場合、半導体装置１０は、等電位である冷却部材３０と導電部材３２によって覆われる。そのため、上記の複数の実施形態と同様に、冷却部材３０および導電部材３２は、シールド効果を生じる。したがって、半導体装置１０を外部の電磁ノイズから遮蔽することができる。
また、第４実施形態の場合、導電部材３２とリード部６５とは、接続部において一点接地により電気的に接続されている。そのため、仮に導電部材３２とリード部６５との間に電位差が生じたときでも、二点接地する場合と異なり、導電部材３２とリード部６５との間に電流経路が形成されない。したがって、導電部材３２とリード部６５との間に流れる電流による発熱を招くことなく、導電部材３２とリード部６５とを同一の電位にすることができる。

（変形形態）
以上説明した第４実施形態では、半導体装置１０と冷却部材３０との間に絶縁層部３１を設ける例について説明した。しかし、図８に示すように、半導体装置１０と導電部材３２との間にも、絶縁層部７０を設けてもよい。すなわち、半導体装置１０は、絶縁層部３１を経由して冷却部材３０へ放熱するだけでなく、絶縁層部７０を経由して導電部材３２側へ放熱する構成としてもよい。このように、絶縁層部３１または絶縁層部７０は、半導体装置１０と冷却部材３０との間、または半導体装置１０と導電部材３２との間の少なくともいずれか一方に設けられる。これにより、半導体装置１０、冷却部材３０および導電部材３２の構成に応じて、半導体装置１０の冷却部材３０側もしくは導電部材３２側から、すなわち半導体装置１０の片面からの放熱、または半導体装置１０の両面からの放熱が図られる。したがって、半導体装置１０の構成に応じて放熱を促進することができる。
なお、半導体装置１０と導電部材３２との間に設ける絶縁層部７０は、図８に示す第４実施形態の変形に限らず、第１実施形態から第３実施形態の半導体装置１０に適用してもよい。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

図面中、１０は半導体装置、１１は樹脂モールド、１２、５０は導体部、１６は半導体素子、３０は冷却部材、３１、７０は絶縁層部、３２は導電部材、３４は固定ねじ（固定部材）、３５は絶縁部材、３６は本体、３７は鍔部、３９は収容空間、４１は接地部材、４２は突出部を示す。

Claims (6)

1. 半導体素子（１６）を封止している樹脂モールド（１１）と、前記半導体素子（１６）を挟んで一方の端部側に放熱部（１３）、および他方の端部側に前記半導体素子（１６）と電気的に接続されているリード部（２１〜２５）を有し前記樹脂モールド（１１）から前記放熱部（１３）および前記リード部（２１〜２５）の少なくとも一部が露出する導体部（１２）と、を有する半導体装置（１０）と、
   前記半導体装置（１０）が搭載され、前記半導体装置（１０）の放熱を促進する冷却部材（３０）と、
   前記半導体装置（１０）の前記冷却部材（３０）と反対側に設けられ、前記リード部（２１〜２５）の少なくともいずれかと電気的に接続されている導電部材（３２）と、
   前記半導体装置（１０）と前記冷却部材（３０）との間、または前記半導体装置の前記放熱部（１３）と前記導電部材（３２）との間の少なくともいずれか一方に設けられ、それぞれの間を絶縁している絶縁層部（３１）と、
   前記導電部材（３２）および前記放熱部（１３）を貫いて前記導電部材（３２）と前記冷却部材（３０）とを電気的に接続するように前記導電部材（３２）および前記冷却部材（３０）のそれぞれに電気的に接続され、前記導電部材（３２）の前記放熱部（１３）側において前記半導体装置（１０）を前記冷却部材（３０）に固定する導電性かつ伝熱性の材料からなる固定部材（３４）と、
   前記固定部材（３４）が内部を貫き、前記放熱部（１３）と前記導電部材（３２）との間、および前記放熱部（１３）と前記固定部材（３４）との間に設けられ、前記放熱部（１３）と前記導電部材（３２）との間、および前記放熱部（１３）と前記固定部材（３４）との間をそれぞれ絶縁するとともに、前記固定部材（３４）とともに前記導体部（１２）の前記放熱部（１３）および前記導電部材（３２）を前記冷却部材（３０）に支持する絶縁部材（３５）と、
   を備えることを特徴とする半導体装置（１０）の実装構造。
   
2. 前記導体部と前記導電部材とは、一点接地されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の実装構造。
3. 前記導電部材は、前記冷却部材との間に前記半導体装置を収容する収容空間を形成していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の実装構造。
4. 前記半導体装置は、前記冷却部材と電気的に接続されて前記半導体素子を接地する接地部材をさらに有することを特徴とする請求項１、２または３記載の半導体装置の実装構造。
5. 前記樹脂モールドと一体に形成され、前記樹脂モールドから前記冷却部材側へ突出して前記半導体装置と前記冷却装置との間に隙間を形成する突出部をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体装置の実装構造。
6. 前記絶縁部材は、前記固定部材を内側に収容する筒状の本体と、前記本体から径方向外側に環状に突出して前記導体部と前記導電部材との間に挟み込まれる鍔部とを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の半導体装置の実装構造。

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