JP7136367B2

JP7136367B2 - 半導体パッケージ

Info

Publication number: JP7136367B2
Application number: JP2021563499A
Authority: JP
Inventors: 英夫河面
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2039-12-10
Also published as: DE112019007953T5; DE112019007953B4; WO2021117145A1; CN114762109B; US12463107B2; JPWO2021117145A1; US20220262700A1; CN114762109A

Description

本発明は、電力制御機器等に使用される半導体パッケージに関する。

冷却板の上に絶縁層を介してヒートスプレッダが設けられた半導体パッケージが用いられている。従来は、冷却板とヒートスプレッダの絶縁距離を確保するために、絶縁層の面積を大きくして絶縁層がヒートスプレッダからサイドにはみ出すようにしていた（例えば、特許文献１参照）。

日本特開２０１４－１８３０５８号公報

絶縁層の面積を大きくするのに伴って冷却板の面積も大きくなる。このため、半導体パッケージのサイズが大きくなるという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は絶縁性を確保しつつサイズを小型化できる半導体パッケージを得るものである。

本発明に係る半導体パッケージは、冷却板と、前記冷却板の上面に絶縁層を介して設けられたヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの上に設けられた半導体チップと、前記冷却板の前記上面、前記ヒートスプレッダ及び前記半導体チップを封止するモールド樹脂とを備え、前記絶縁層は前記ヒートスプレッダからサイドにはみ出しておらず、前記ヒートスプレッダの外周部の下方において前記冷却板の前記上面に溝部が設けられ、前記絶縁層は前記溝部の上方をオーバーハングするように設けられていることを特徴とする。

本発明では、絶縁層がヒートスプレッダからサイドにはみ出していないため、冷却板の面積を大きくする必要が無い。また、ヒートスプレッダの外周部の下方において冷却板の上面に溝部が設けられている。絶縁層は溝部の上方をオーバーハングするように設けられている。これにより、冷却板とヒートスプレッダとの間の絶縁距離を確保することができる。よって、絶縁性を確保しつつ半導体パッケージのサイズを小型化できる。

実施の形態１に係る半導体パッケージを示す断面図である。冷却板の上面を示す平面図である。冷却板の上にヒートスプレッダ等を設けた状態を示す平面図である。比較例に係る半導体パッケージを示す断面図である。実施の形態２に係る半導体パッケージを示す断面図である。実施の形態３に係る半導体パッケージを示す断面図である。実施の形態４に係る半導体パッケージを示す断面図である。実施の形態５に係る半導体パッケージを示す断面図である。テーパの無い溝部を有する冷却板を示す断面図である。実施の形態６に係る半導体パッケージを示す断面図である。実施の形態７に係る半導体パッケージを示す断面図である。実施の形態８に係る半導体パッケージを示す断面図である。

実施の形態に係る半導体パッケージについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体パッケージを示す断面図である。冷却板１は、下面側に複数の放熱フィンを持つピンフィン型である。冷却板１は銅又はアルミニウムなどの金属からなる。冷却板１の上面に絶縁層２を介してヒートスプレッダ３が設けられている。ヒートスプレッダ３は、銅などの金属からなり、導電性を有している。絶縁層２はフィラーが充填されたエポキシ樹脂である。絶縁層２の厚みは０．１５ｍｍ～０．２ｍｍ程度である。

ヒートスプレッダ３の上に半導体チップ４が設けられている。半導体チップ４はＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ又はダイオードなどである。半導体チップ４の下面電極はヒートスプレッダ３にはんだ５により接合されている。半導体チップ４が発生した熱は、はんだ５、ヒートスプレッダ３及び絶縁層２を通って冷却板１に伝えられる。

半導体チップ４の上面電極にリード６がはんだ７により接合されている。ヒートスプレッダ３にリード８がはんだ９により接合されている。モールド樹脂１０が冷却板１の上面、ヒートスプレッダ３、半導体チップ４、及びリード６，８の一部を封止する。モールド樹脂１０はエポキシ樹脂である。モールド樹脂１０は冷却板１の溝部１１に充填される。

ヒートスプレッダ３は絶縁層一体型ヒートスプレッダである。平面視において絶縁層２の外形形状とヒートスプレッダ３の外形形状は同じである。即ち、絶縁層２の面積はヒートスプレッダ３の面積と同じである。このため、絶縁層２はヒートスプレッダ３からサイドにはみ出していない。

ヒートスプレッダ３の外周部の下方において冷却板１の上面に溝部１１が設けられている。溝部１１の深さは０．５ｍｍ～１．０ｍｍ程度である。溝部１１の幅は２．０ｍｍ～３．０ｍｍ程度である。絶縁層２は溝部１１の上方をオーバーハングするように設けられている。絶縁層２が溝部１１の上方をオーバーハングする長さは１．０ｍｍ～１．５ｍｍ程度である。

図２は、冷却板の上面を示す平面図である。図３は、冷却板の上にヒートスプレッダ等を設けた状態を示す平面図である。溝部１１はヒートスプレッダ３の全周を囲むように四角い枠状に設けられている。ただし、溝部１１はヒートスプレッダ３の一部のみを囲むように設けられていてもよい。

続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図４は、比較例に係る半導体パッケージを示す断面図である。比較例では、冷却板１の上面に溝部１１が設けられていない。従って、冷却板１とヒートスプレッダ３との間の絶縁距離を確保するために、絶縁層２の面積を大きくして絶縁層２がヒートスプレッダ３からサイドにはみ出すようにしている。これに伴って冷却板１の面積が大きくなるため、半導体パッケージのサイズが大きくなるという問題がある。

これに対して、本実施の形態では、絶縁層２がヒートスプレッダ３からサイドにはみ出していない。従って、絶縁層２の面積が小さいため、冷却板１の面積を大きくする必要が無い。また、ヒートスプレッダ３の外周部の下方において冷却板１の上面に溝部１１が設けられている。絶縁層２は溝部１１の上方をオーバーハングするように設けられている。これにより、冷却板１とヒートスプレッダ３との間の絶縁距離を確保することができる。よって、絶縁性を確保しつつ半導体パッケージのサイズを小型化できる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る半導体パッケージを示す断面図である。ヒートスプレッダ３の側面に切り欠き１２が設けられている。切り欠き１２を利用することで製造時においてヒートスプレッダ３の搬送が容易となる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係る半導体パッケージを示す断面図である。溝部１１の外側の側面に、冷却板１の中心方向に向かって傾斜するテーパ１３が設けられている。樹脂封止の際にテーパ１３の上側からモールド樹脂１０が注入される。このモールド樹脂１０がテーパ１３に沿って流れるため、モールド樹脂１０が溝部１１内に回り込み易くなる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。

実施の形態４．
図７は、実施の形態４に係る半導体パッケージを示す断面図である。冷却板１の上面には、絶縁層２との接触面以外の領域にディンプル１４が設けられている。ディンプル１４の深さは０．１ｍｍ程度、大きさはφ０．２５ｍｍ程度である。ディンプル１４を設けることで冷却板１とモールド樹脂１０との密着性が向上する。また、絶縁層２との接触面にディンプル１４を設けないことで放熱性を確保することができる。なお、溝部１１の中だけにディンプル１４を設けてもよい。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。

実施の形態５．
図８は、実施の形態５に係る半導体パッケージを示す断面図である。溝部１１の内側の側面にテーパ１５が設けられている。図９は、テーパの無い溝部を有する冷却板を示す断面図である。テーパ１５の無い溝部１１を切削で成形する場合、溝部１１の端にバリ１６が発生する可能性がある。溝部１１の内側部分は絶縁層２及びヒートスプレッダ３の実装部であるため、バリ１６が存在すると実装の妨げになる。これに対して、溝部１１の内側の側面にテーパ１５を設けることで、実装部でのバリ１６の発生を抑制することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。

実施の形態６．
図１０は、実施の形態６に係る半導体パッケージを示す断面図である。溝部１１の外側の側面に、冷却板１の中心方向に向かって傾斜する逆テーパのアンカー構造１７が設けられている。このアンカー構造１７の隙間にモールド樹脂１０が入り込むことによって、冷却板１とモールド樹脂１０との密着性が向上する。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。

実施の形態７．
図１１は、実施の形態７に係る半導体パッケージを示す断面図である。溝部１１は冷却板１の外端部まで延在する。このため、冷却板１の上面において、絶縁層２及びヒートスプレッダ３の実装部だけが突出して段差がある単純な構造となる。冷却板１の構造を単純化することで、冷却板１の製造工程を簡略化することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。

実施の形態８．
図１２は、実施の形態８に係る半導体パッケージを示す断面図である。実施の形態１－７の冷却板１はピンフィン型であるが、本実施の形態の冷却板１は放熱フィンを有しないベース板である。この場合でも実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、半導体チップ４は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたパワー半導体チップは、耐電圧性と許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体チップを用いることで、この半導体チップを組み込んだ半導体モジュールも小型化できる。また、半導体チップの耐熱性が高いため、ヒートシンクの冷却板を小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体モジュールを更に小型化できる。また、半導体チップの電力損失が低く高効率であるため、半導体モジュールを高効率化できる。

１冷却板、２絶縁層、３ヒートスプレッダ、４半導体チップ、１０モールド樹脂、１１溝部、１２切り欠き、１３テーパ、１４ディンプル、１５テーパ、１７アンカー構造

Claims

冷却板と、
前記冷却板の上面に絶縁層を介して設けられたヒートスプレッダと、
前記ヒートスプレッダの上に設けられた半導体チップと、
前記冷却板の前記上面、前記ヒートスプレッダ及び前記半導体チップを封止するモールド樹脂とを備え、
前記絶縁層は前記ヒートスプレッダからサイドにはみ出しておらず、
前記ヒートスプレッダの外周部の下方において前記冷却板の前記上面に溝部が設けられ、
前記絶縁層は前記溝部の上方をオーバーハングするように設けられていることを特徴とする半導体パッケージ。
前記ヒートスプレッダの側面に切り欠きが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
前記溝部の外側の側面にテーパが設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体パッケージ。
前記冷却板の前記上面には、前記絶縁層との接触面以外の領域にディンプルが設けられていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の半導体パッケージ。
前記溝部の内側の側面にテーパが設けられていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の半導体パッケージ。
前記溝部の外側の側面にアンカー構造が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体パッケージ。
前記溝部は前記冷却板の外端部まで延在することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体パッケージ。
前記冷却板はベース板であることを特徴とする請求項１～７の何れか１項に記載の半導体パッケージ。
前記半導体チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１～８の何れか１項に記載の半導体パッケージ。