JP7615834B2

JP7615834B2 - 半導体装置及び放熱器組立体並びに半導体装置及び放熱器の組立方法

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Publication number: JP7615834B2
Application number: JP2021057100A
Authority: JP
Inventors: 優西尾; 規正和田
Original assignee: Sansha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Sansha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2025-01-17
Anticipated expiration: 2041-03-30
Also published as: JP2022154192A

Description

本発明は、基板が封止部材により封止された構造を有する半導体装置に関する。

従来の半導体装置に関する発明としては、例えば、特許文献１に記載の半導体装置が知られている。この半導体装置は、素子等が搭載された基板を、両側面にネジ孔が形成された樹脂パッケージで封止し、半導体装置のネジ孔にネジを通し、放熱器に半導体装置をネジ止めすることにより、半導体装置を放熱器に密着させて取り付けて、放熱性を高めている。

特開２００６－２３７３０５号公報

図１は、従来の半導体装置の構造を示す。

図1（Ａ）に示すように、半導体素子等の電子部品が搭載された基板１００にリード端子１０１が半田付け固定され、その後、全体が樹脂パッケージ１０２で封止されて半導体装置１０３が形成される。次に、図1（Ｂ）に示すように、半導体装置１０３が、ネジ１０４で放熱器１０５に固定される。

ところで、パワー半導体を使用する半導体装置においては、放熱効果を良くするために放熱器１０５と半導体装置１０３とを完全に密着させることが要請される。放熱器１０５と半導体装置１０３とが完全に平らであれば、ネジ１０４でネジ止めして両者を密着させることができる。しかし、そのように完全に取付面を平らに製造することは困難である。そこで、図１（Ａ）に示すように、半導体装置１０３の取付面を僅かに下に凸に、放熱器１０５の取付面を僅かに上に凸に反るように形成し、ネジ止めにて半導体装置１０３と放熱器１０５を密着させることが一般に行われている。図１（Ｂ）は、ネジ止め後に、半導体装置１０３と放熱器１０５が密着している状態を示している。図１（Ｂ）では、金属材料の放熱器１０５より半導体装置１０３の硬度が小さいため放熱器１０５の取付面に沿って、半導体装置１０３の取付面が撓む。なお、図１は、理解を容易にするため、放熱器１０５と半導体装置１０３が凸に反っている状態を少し誇張して示している。

しかしながら、図１（Ｂ）に示すように、半導体装置１０３と放熱器１０５の密着は出来るが、放熱器１０５の面に合わせて半導体装置１０３が上に凸になるように撓む。このとき、樹脂パッケージ１０２の硬度は大きくないため、半導体装置１０３のＬで示す中央部に大きな応力が発生する。具体的には、半導体装置１０３のＬで示す中央部に実質的にＦ×Ａの曲げモーメント力が生じる。そして、このモーメント力により基板１００内の中央部に過大な応力が発生し、これにより基板１００にクラック１０６が生じることがあった。

そこで、本発明の目的は、ネジ止め時の撓みによる応力から破損を抑制できる半導体装置を提供することである。

本発明の一形態に係る半導体装置及び放熱器組立体は、上面が上方に僅かに凸となるように形成された放熱器と、半導体装置と、を備え、前記半導体装置は、素子及びパターンを上面に有する矩形の基板と、前記基板に電気的に接続され且つ前記基板の上に固定された板状の第１及び第２リードフレームと、封止部材と、を備え、前記第１リードフレームは、前記基板の上面に沿って前記基板の長手方向の一方の側から他方の側に延びる第１補強部と、当該第１補強部に接続された第１端子と、上端が当該第１補強部に接続され下端が前記基板に固定された第１固定部と、を有し、前記第２リードフレームは、前記基板の上面に沿って前記基板の長手方向の前記他方の側から前記一方の側に延びる第２補強部と、当該第２補強部に接続された第２端子と、上端が当該第２補強部に接続され下端が前記基板に固定された第２固定部とを有し、前記第１補強部と前記第２補強部とは、当該第１補強部の一部と当該第２補強部の一部とが前記基板の短手方向から見て互いに重なるようにして、互いに間隔を有しており、前記封止部材は、前記第１リードフレームと前記第２リードフレームと前記基板との一体物の外周面及び上面を、前記第１端子及び前記第２端子を除くようにして覆うとともに、全体として板状の直方体状の形状を有し、前記封止部材の長手方向の両端部に前記封止部材を前記放熱器の上面にネジ止めするためのネジ孔が形成されており、前記封止部材が、当該封止部材の下面が前記放熱器の上面に当接するようにして、前記ネジ止め孔に挿通されたネジによって前記放熱器にネジ止めされている。

また、本発明の他の一形態に係る半導体装置及び放熱器の組立方法は、上面が上方に僅かに凸となるように形成された放熱器を準備する工程と、半導体装置を準備する工程と、前記半導体装置を前記放熱器に取る付ける工程と、を含み、前記半導体装置は、素子及びパターンを上面に有する矩形の基板と、前記基板に電気的に接続され且つ前記基板の上に固定された板状の第１及び第２リードフレームと、封止部材と、を備え、前記第１リードフレームは、前記基板の上面に沿って前記基板の長手方向の一方の側から他方の側に延びる第１補強部と、当該第１補強部に接続された第１端子と、上端が当該第１補強部に接続され下端が前記基板に固定された第１固定部と、を有し、前記第２リードフレームは、前記基板の上面に沿って前記基板の長手方向の前記他方の側から前記一方の側に延びる第２補強部と、当該第２補強部に接続された第２端子と、上端が当該第２補強部に接続され下端が前記基板に固定された第２固定部とを有し、前記第１補強部と前記第２補強部とは、当該第１補強部の一部と当該第２補強部の一部とが前記基板の短手方向から見て互いに重なるようにして、互いに間隔を有しており、前記封止部材は、前記第１リードフレームと前記第２リードフレームと前記基板との一体物の外周面及び上面を、前記第１端子及び前記第２端子を除くようにして覆うとともに、全体として、下面が僅かに下方に凸に反っている板状の直方体状の形状を有し、前記封止部材の長手方向の両端部に前記封止部材を前記放熱器の上面にネジ止めするためのネジ孔が形成されており、前記半導体装置を前記放熱器に取る付ける工程が、前記封止部材の下面が前記放熱器の上面に当接するようにして、前記封止部材を、前記ネジ止め孔に挿通されたネジによって前記放熱器にネジ止めする工程である。

本発明に係る半導体装置によれば、半導体装置をネジ止めする際に加わる撓み力による、半導体装置の破損を抑制できる。

（Ａ）、（Ｂ）は従来の半導体装置のネジ止め後の課題を説明するための断面図である。（Ａ）、（Ｂ）本発明の実施形態の半導体装置の上面図及び左面図である。実施形態の半導体装置のリードフレームの構造を示す上面図である。第１補強部１３ｄ及び第２補強部１３ｅの斜視図である。（Ａ）、（Ｂ）は実施形態の半導体装置のネジ止め後の効果を説明するための断面図である。変形例の半導体装置のリードフレームの構造を示す上面図である。

（実施形態）
以下に、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０について図２、図３を参照しながら説明する。図２（Ａ）、（Ｂ）本発明の実施形態の半導体装置の上面図及び左面図である。図３は、実施形態の半導体装置のリードフレームの構造を示す上面図である。

なお、これらの図において、半導体装置１０の長手方向を左右方向、短手方向を上下方向と称することがある。

半導体装置１０の外観は、長辺と短辺を有する直方体状の封止部材１５を有し、封止部材１５から複数の入出力端子１４が突出している。これら複数の入出力端子１４は、本例では下方向に折り曲げられている。なお、入出力端子１４は、必ずしも折り曲げられている必要はない。

半導体装置１０は、例えば、電力の制御や供給を行うパワー半導体を備える。半導体装置１０は、パワー半導体等の素子が搭載され、パターンが形成された基板１２を備えている。半導体装置１０は、入力側リードフレーム１１ａと、第１出力側リードフレーム１１ｄと第２出力側リードフレーム１１ｅとで配線されている。入力側リードフレーム１１ａは、一つの金属板を打ち抜き、折り曲げ加工することにより形成されている。同様に、第１、第２出力側リードフレーム１１ｄ、１１ｅも、一つの金属板を、打ち抜き、折り曲げ加工することにより形成されている。第１出力側リードフレーム１１ｄは、本発明の第１リードフレームに対応している。第２出力側リードフレーム１１ｅは、本発明の第２リードフレームに対応している。

半導体装置１０の製作過程は、１枚の金属板を切り抜き加工と折り曲げ加工でリードフレーム用金属板を所定の形状に成形する第１工程と、リードフレーム用金属板を基板１２へ固定する第２工程と、封止部材１５で封止する第３工程と、リードフレーム用金属板の連結部を切断して端子を形成する第４工程とを含む。

第１工程では、入力側リードフレーム１１ａを含む入力側リードフレーム用金属板、第１出力側リードフレーム１１ｄと第２出力側リードフレーム１１ｅを含む出力側リードフレーム用金属板が所定の形状に成形される。入力側リードフレーム用金属板は、入力側リードフレーム１１ａの全ての入力端子１４aが連結されている。出力側リードフレーム用金属板においては、第１出力側リードフレーム１１ｄの第１出力端子１4ｄと、第２出力側リードフレーム１１ｅの第２出力端子１４ｅとが連結されている。第１出力側リードフレーム１１ｄは、さらに、３つの第１固定部２０ｄを備えている。第２出力側リードフレーム１１ｅは、さらに、３つの第２固定部２０ｅを備えている。

第１出力端子１4ｄは本発明の第１端子、第２出力端子１４ｅは本発明の第２端子に対応している。

第２工程では、入力側リードフレーム用金属板の固定部２０ａが基板１２の所定の箇所に固定される。また、出力側リードフレーム用金属板の第１固定部２０ｄと第２固定部２０ｅが基板１２の所定の箇所に固定される。

第３工程では、各リードフレーム用金属板が封止部材１５で封止される。なお、このとき、入力側リードフレーム用金属板の入力端子１４ａと出力側リードフレーム用金属板の第１出力端子１４ｄ、第２出力端子１４ｅは露出されている。

第４工程では、入力側リードフレーム用金属板の連結部を切断することで３つの入力側リードフレーム１１ａが形成される。すなわち、それぞれ分離した３つの入力端子１４ａが形成される。同様に、出力側リードフレーム用金属板の連結部を切断することで、第１出力側リードフレーム１１ｄと第２出力側リードフレーム１１ｅが形成される。すなわちそれぞれ分離した２つの第１出力端子１４ｄ、第２出力端子１４ｅが形成される。

以上の工程で、３つの入力側リードフレーム１１ａと、第１出力側リードフレーム１１ｄと、第２出力側リードフレーム１１ｅが形成される。そして、複数の入出力端子１４が必要に応じて折り曲げられることで、半導体装置１０が完成する。

以下、完成した半導体装置１０の構造を、図３を用いて説明する。

入力側リードフレーム１１ａは、封止部材１５から露出した３つの入力端子１４ａを有している。第１出力側リードフレーム１１ｄは、封止部材１５から露出した第１出力端子１４ｄを有している。第２出力側リードフレーム１１ｅは、封止部材１５から露出した第２出力端子１４ｅを有している。

また、入力側リードフレーム１１ａは、基板１２の上方から下方の基板１２側に向けて折り曲げられた固定部２０ａを有している。同様に、第１出力側リードフレーム１１ｄは、基板１２の上方から下方の基板１２側に向けて折り曲げられた第１固定部２０ｄを有している。第２出力側リードフレーム１１ｅは、基板１２の上方から下方の基板１２側に向けて折り曲げられた第２固定部２０ｅを有している。

入力側リードフレーム１１ａの固定部２０ａは、基板１２のパターンに固定される。第１出力側リードフレーム１１ｄの第１固定部２０ｄは、素子の上面に接合される。第２出力側リードフレーム１１ｅの第２固定部２０ｅは、素子の上面に接合される。

入力端子１４ａ、第１出力端子１４ｄ、第２出力端子１４ｅは、封止部材１５から露出し、入力側リードフレーム１１ａ、第１出力側リードフレーム１１ｄ、第２出力側リードフレーム１１ｅは、それらの固定部と一緒に封止部材１５で封止される。

封止部材１５の左右両端部にはネジ孔１６ａ、１６ｂが形成されている。

次に、第１出力側リードフレーム１１ｄ、第２出力側リードフレーム１１ｅの形状について図３を参照して詳細に説明する。図３において、封止部材１５の上下の長辺の中点を結ぶ線を中心線Ｌとする。

第１出力側リードフレーム１１ｄは、図２の封止部材１５上辺の長辺に沿って左端部から中心線Ｌを超える右方向に延びている第１補強部１３ｄを有している。第１出力端子１４ｄ及び第１固定部２０ｄが、この第１補強部１３ｄで連結されている。

第２出力側リードフレーム１１ｅは、封止部材１５の上辺右端部から基板１２の中央付近まで延びて、さらにこの部分から第１出力端子１４ｄ方向に延びている第２補強部１３ｅを有している。つまり、第２出力側リードフレーム１１ｅは、封止部材１５の上辺右端部から図の下方に延び、さらに封止部材１５上辺の長辺に沿って中心線Ｌを超えて左方向に延びている第２補強部１３ｅを有している。第２補強部１３ｅは全体として逆Ｌ字形状である。第２出力端子１４ｅ及び第２固定部２０ｅが、この第２補強部１３ｅで連結されている。

上記の形状であることから、第１補強部１３ｄ及び第２補強部１３ｅは、前記封止部材の中心線Ｌから左右に広がる幅Ｗで重なっている。

図４は、第１補強部１３ｄ及び第２補強部１３ｅの斜視図を示している。

図示のように、第１補強部１３ｄ及び第２補強部１３ｅは中心線Ｌから左右に広がる所定幅Ｗで重なっている。したがって、第１補強部１３ｄ及び第２補強部１３ｅは、封止部材１５の中心線Ｌを超えてオーバーラップした状態で、封止部材１５に埋め込まれている。第１補強部１３ｄ及び第２補強部１３ｅは、第１出力側リードフレーム１１ｄ、第２出力側リードフレーム１１ｅの一部から構成されており、別部材や、別途の工程を追加することなく形成される。

図５（Ａ）、（Ｂ）は、半導体装置１０のネジ止め前後の状態を説明するための断面図である。この断面図は、図３のＡ－Ａ矢視断面を示す。

図５（Ａ）に示すように、半導体装置１０のネジ止め前の状態では、半導体装置１０の取付面を僅かに下に凸に、放熱器２０の取付面を僅かに上に凸に反るように形成している。なお、図５は、理解を容易にするため、放熱器１０５と半導体装置１０３が凸に反っている状態を少し誇張して示している。この状態で、ネジｊ３０を封止部材１５のネジ孔に通してネジ止めし、半導体装置１０と放熱器２０とを密着させる。図５（Ｂ）は、ネジ止め後に、半導体装置１０と放熱器２０が密着している状態を示している。図５（Ｂ）では、放熱器２０より半導体装置１０の硬度が小さいため放熱器２０の取付面に沿って、半導体装置１０の取付面が撓む。このとき、ネジ３０の締め付けによる力Ｆが加わるため、ネジ３０から中心線Ｌの範囲において曲げモーメント力が生じ、このモーメント力により基板１２内に応力が発生する。なお、中心線Ｌの左右において同様な応力が発生する。

しかし、図４のように、第１補強部１３ｄ及び第２補強部１３ｅが中心線Ｌから左右に広がる幅Ｗで重なっているため、基板１２の強度が補強され、上記応力は上記中心線Ｌの中央部に集中することはない。応力は第１補強部１３ｄ及び第２補強部１３ｅに分散される。この結果、図５（Ｂ）に示すように、基板１２の中心線Ｌ付近に過大な応力が集中してクラックが発生することを防ぐことができる。

ここで、重要なことは、第１補強部１３ｄと第２補強部１３ｅとが中心線Ｌから左右に広がる幅Ｗで重なっていることである。仮に、第１補強部１３ｄまたは第２補強部１３ｅだけで基板１２を補強した場合、第１出力側リードフレーム１１と第２出力側リードフレーム１１ｅの左右方向において補強部分が欠落するスペースが生じる。すると、半導体装置１０のネジ止め時には、基板１２においてこのスペースに対応する部分に過度な応力が加わることになる。実施例では、第１補強部１３ｄと第２補強部１３ｅとが中心線Ｌから左右に広がる幅Ｗで重なっているため、第１出力側リードフレーム１１と第２出力側リードフレーム１１ｅの左右方向において補強部分が欠落するスペースがない。したがって、半導体装置１０のネジ止め時には、基板１２内に、応力により脆弱となる部分が生じない。

また、第１補強部１３ｄ及び第２補強部１３ｅが中心線Ｌから左右に広がる幅Ｗで重なっていることから、基板１２の中心線Ｌ付近の過大な応力を一層防止できる。

なお、幅Ｗは、半導体装置１０の左右の長さを含む大きさや、半導体装置１０のネジ止め時の撓みの程度などにより実験的に最適値に設計される。また、幅Ｗは中心線Ｌを中心にして左右に同寸法だけ広がる値が望ましいが、左右の寸法の多少のズレは許容される。

以上のような構造で、半導体装置１０の短辺側に形成された図示しないネジ孔１６ａ、１６ｂを介してネジ３０により、半導体装置１０を放熱器２０に密着させて固定することができる。半導体装置１０では、第１補強部１３ｄ及び第２補強部１３ｅにより基板１２の強度が大きくなり基板１２内に生じる応力は第１補強部１３ｄ及び第２補強部１３ｅに分散される。このため、上記応力による基板１２の破損、特に基板１２の中心線Ｌ付近でクラックが生じることを抑制できる。このように、半導体装置１０の基板１２が第１補強部１３ｄ及び第２補強部１３ｅにより補強される結果、最大の応力が発生しやすい半導体装置１０の中心線Ｌ付近のクラックを防ぐことができる。

（変形例）
以下に、変形例に係る半導体装置１０ａについて図面を参照しながら説明する。図６は、変形例の半導体装置のリードフレームの構造を示す上面図である。

半導体装置１０ａは、半導体装置１０と外形が同一である。半導体装置１０ａ内部での配線、つまり第１出力側リードフレーム１１ｄ、第２出力側リードフレーム１１ｅの形状が半導体装置１０と異なっている。具体的には、半導体装置１０ａは、半導体装置１０と比較して、素子の数がより少なく、第１出力側リードフレーム１１ｄの第１固定部２０ｄ、第２出力側リードフレーム１１ｅの第２固定部２０ｅの数がより少ない。

図６に示す半導体装置１０ａは、第１補強部１３ｄ及び第２補強部１３ｅが、左右方向に一列に並んでいる点において、それらが二列に並んでいる図２の半導体装置１０と相違する。

第１出力側リードフレーム１１ｄは、封止部材１５の左上端部からその上辺に沿って右方向に伸びる第１補強部１３ｄを備えている。第１補強部１３ｄは第１出力端子１４ｄを連結する。第１補強部１３ｄは、中心線Ｌの少し左側から中心線Ｌを超えて、右側の第２補強部１３ｅに向けて延びる第１幅細部１３ｄ－１を有している。

第２出力側リードフレーム１１ｅは、封止部材１５の右上端部からその上辺に沿って左方向に伸びる第２補強部１３ｅを備えている。第２補強部１３ｅは第２出力端子１４ｅを連結する。第２補強部１３ｅは、中心線Ｌの少し右側から中心線Ｌを超えて、左側の第１補強部１３ｄに向けて延びる第２幅細部１３ｅ－１を有している。

第１幅細部１３ｄ－１は第２幅細部１３ｅ－１の上方に位置している。第１幅細部１３ｄ－１と第２幅細部１３ｅ－１とは、上下方向に所定の幅の絶縁クリアランスを挟んで中心線Ｌから左右に広がる幅Ｗで重なっている。所定の幅の絶縁クリアランスは、第１幅細部１３ｄ－１と第２幅細部１３ｅ－１間で絶縁が保たれる長さに設定される。この幅は、第１幅細部１３ｄ－１は第２幅細部１３ｅ－１に流れる電流の大きさによって決められる。

以上の構成において、第１補強部１３ｄ及び第２補強部１３ｅが中心線Ｌから左右に広がる幅Ｗ´で重なっているため、基板１２の強度が補強され、上記応力は上記中心線Ｌの中央部に集中することはない。応力は第１補強部１３ｄ及び第２補強部１３ｅに分散される。この結果、図５（Ｂ）に示す実施例と同様に、基板１２の中心線Ｌ付近に過大な応力が集中してクラックが発生することを防ぐことができる。

本発明に係る半導体装置は、半導体装置１０、１０ａに限らず、その要旨の範囲内において変更可能である。また、半導体装置１０、１０ａの構成を任意に組み合わせてもよい。半導体装置１０、１０ａの長辺の中心線Ｌ付近でオーバーラップする補強部により、リードフレームを素子或いは基板に実装する固定部が連結されていればよく、本例の入力側と出力側に限定されることはない。

１０、１０ａ：半導体装置
１１ｄ：第１出力側リードフレーム
１１ｅ：第２出力側リードフレーム
１２：基板

Claims

上面が上方に僅かに凸となるように形成された放熱器と、
半導体装置と、を備え、
前記半導体装置は、素子及びパターンを上面に有する矩形の基板と、前記基板に電気的に接続され且つ前記基板の上に固定された板状の第１及び第２リードフレームと、封止部材と、を備え、
前記第１リードフレームは、前記基板の上面に沿って前記基板の長手方向の一方の側から他方の側に延びる第１補強部と、当該第１補強部に接続された第１端子と、上端が当該第１補強部に接続され下端が前記基板に固定された第１固定部と、を有し、
前記第２リードフレームは、前記基板の上面に沿って前記基板の長手方向の前記他方の側から前記一方の側に延びる第２補強部と、当該第２補強部に接続された第２端子と、上端が当該第２補強部に接続され下端が前記基板に固定された第２固定部とを有し、
前記第１補強部と前記第２補強部とは、当該第１補強部の一部と当該第２補強部の一部とが前記基板の短手方向から見て互いに重なるようにして、互いに間隔を有しており、
前記封止部材は、前記第１リードフレームと前記第２リードフレームと前記基板との一体物の外周面及び上面を、前記第１端子及び前記第２端子を除くようにして覆うとともに、全体として板状の直方体状の形状を有し、
前記封止部材の長手方向の両端部に前記封止部材を前記放熱器の上面にネジ止めするためのネジ孔が形成されており、
前記封止部材が、当該封止部材の下面が前記放熱器の上面に当接するようにして、前記ネジ止め孔に挿通されたネジによって前記放熱器にネジ止めされている、半導体装置及び放熱器組立体。
上面が上方に僅かに凸となるように形成された放熱器を準備する工程と、
半導体装置を準備する工程と、
前記半導体装置を前記放熱器に取る付ける工程と、を含み、
前記半導体装置は、素子及びパターンを上面に有する矩形の基板と、前記基板に電気的に接続され且つ前記基板の上に固定された板状の第１及び第２リードフレームと、封止部材と、を備え、
前記第１リードフレームは、前記基板の上面に沿って前記基板の長手方向の一方の側から他方の側に延びる第１補強部と、当該第１補強部に接続された第１端子と、上端が当該第１補強部に接続され下端が前記基板に固定された第１固定部と、を有し、
前記第２リードフレームは、前記基板の上面に沿って前記基板の長手方向の前記他方の側から前記一方の側に延びる第２補強部と、当該第２補強部に接続された第２端子と、上端が当該第２補強部に接続され下端が前記基板に固定された第２固定部とを有し、
前記第１補強部と前記第２補強部とは、当該第１補強部の一部と当該第２補強部の一部とが前記基板の短手方向から見て互いに重なるようにして、互いに間隔を有しており、
前記封止部材は、前記第１リードフレームと前記第２リードフレームと前記基板との一体物の外周面及び上面を、前記第１端子及び前記第２端子を除くようにして覆うとともに、全体として、下面が僅かに下方に凸に反っている板状の直方体状の形状を有し、
前記封止部材の長手方向の両端部に前記封止部材を前記放熱器の上面にネジ止めするためのネジ孔が形成されており、
前記半導体装置を前記放熱器に取る付ける工程が、前記封止部材の下面が前記放熱器の上面に当接するようにして、前記封止部材を、前記ネジ止め孔に挿通されたネジによって前記放熱器にネジ止めする工程である、半導体装置及び放熱器の組立方法。