JP2000174196A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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仁志 佐々木
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Takeshi Ueda
武司 上田
Yoshinari Tsukada
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    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/491Disposition
    • H01L2224/4911Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain
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Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体チップが搭載される基板がヒートシンク
上に載せられる半導体装置において、熟練した技術を不
要として組付作業工数を低減した上で、効果的な放熱を
可能とする。 【解決手段】基板5の裏面が伝熱グリース10を介して
ヒートシンク7に当接される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップが搭
載される基板がヒートシンク上に載せられる半導体装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】窒化アルミニウム製の基板上に半導体チ
ップが搭載される構造は、たとえば特開平1−2208
53号公報等により既に知られているが、このような基
板をヒートシンク上に載せるにあたって従来では、ヒー
トシンク上に設けられる銅ベース上に、基板が半田接合
されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記銅ベー
ス上への基板の接合にあたっては、基板の裏面にも銅ベ
ースとの接合のための銅板がメタライズ接合されてお
り、ヒートシンク上への基板の搭載が多段構造でなされ
ている。ところが、上記従来のような多段構造では各段
界面での熱抵抗が比較的大きくなり、放熱に時間がかか
ってしまう。特に半導体チップが電力制御用のものであ
る場合には半導体チップでの発熱が大きいので充分な放
熱性を確保する必要があるが、放熱性が不充分となる可
能性がある。しかも上記多段構造に起因して半導体装置
の組付作業工数が多くなってしまう。また基板の裏面の
銅板と、銅ベースとは比較的大きな面積にわたる半田接
合により接合されることになり、そのような大面積の半
田接合では品質を安定、向上させるのに熟練した技術が
必要となる。
【0004】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、熟練した技術を不要として組付作業工数を低
減した上で、効果的な放熱を可能とした半導体装置を提
供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1記載の発明は、銅板による導電回路が表面
に形成される窒化アルミニウム製の基板と、前記導電回
路に電気的に接続されて前記基板上に固定される半導体
チップと、前記基板が搭載されるヒートシンクとを備え
る半導体装置において、前記基板の裏面が伝熱グリース
を介してヒートシンクに当接されることを特徴とする。
【0006】このような請求項1記載の発明の構成によ
れば、基板の裏面が伝熱グリースを介してヒートシンク
に当接されるので、基板およびヒートシンク間に銅板、
半田層および銅ベースが介在していた従来のものと比べ
て、基板およびヒートシンク間の熱抵抗が小さくなり、
半導体チップが電力制御用のものであったとしても十分
な放熱性を得ることができる。しかも広い面積にわたる
半田接合が不要であるので、熟練した技術は不要であ
り、銅ベースのヒートシンクへの取付け、ならびに銅ベ
ースへの基板の接合が不要となるので組付作業工数も低
減されることになる。
【0007】また請求項2記載の発明は、上記請求項1
記載の発明の構成に加えて、前記基板の表面の導電回路
に接触する電極板が前記ヒートシンクに固定され、電極
板およびヒートシンクに対して制限された範囲で基板が
相対摺動することを可能として、前記基板が電極板およ
びヒートシンク間に挟持されることを特徴とする。
【0008】このような請求項2記載の発明の構成によ
れば、基板の導電回路に電極板を接触させた状態で、電
極板およびヒートシンク間に挟まれた基板が制限された
範囲で移動し得るので、電極板、基板およびヒートシン
クの熱膨張率の差に伴なう機械的ストレスや、振動によ
る機械的ストレスを吸収しつつ、導電回路への電極板の
電気的な接続を確実に維持することができる。しかも電
極板および導電回路の相互接触部は、電極板および基板
の相対摺動に伴うセルフクリーニング作用により清浄化
されることになり、電極板の導電回路への導通状態を良
好に維持しつつ良好な熱伝導を得ることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面に示した本発明の一実施例に基づいて説明する。
【0010】図1〜図3は本発明の一実施例を示すもの
であり、図1は半導体装置の縦断面図であって図3の1
−1線断面図、図2は半導体装置の分解斜視図、図3は
図1の3矢視平面図である。
【0011】先ず図1において、この半導体装置は、三
相のモータ用のパワーモジュールとして構成されるもの
であり、前記モータにおけるU,V,Wの各相に個別に
対応した窒化アルミニウム製の3つの基板5…と、各基
板5…上にたとえば6個ずつ固定される半導体チップ6
…と、各基板5…が共通に搭載されるアルミニウム合金
製のヒートシンク7とを備える。
【0012】図2および図3を併せて参照して、窒化ア
ルミニウムによって2〜5mmの厚みを有して長方形状
に形成される基板5の表面には、銅板のメタライズ接合
によりパターン化された導電回路8が形成されており、
該導電回路8の所定位置に各半導体チップ6…が高融点
の半田により接合される。しかも各半導体チップ6…お
よび導電回路8の電気的接続を果すべく、アルミワイヤ
等の導電線9…の両端が各半導体チップ6…および導電
回路8にボンディング接合される。
【0013】各基板5…の裏面は、伝熱グリース10…
を介してヒートシンク7の上面に当接される。ヒートシ
ンク7の上面には、各基板5…の幅よりもわずかに大き
な間隔をあけた4つの規制ピン11…が1列に並んで植
設されており、各基板5…は、各規制ピン11…相互間
で、伝熱グリース10…を介してヒートシンク7の上面
に当接するように配置される。
【0014】ヒートシンク7上には、開口部13を有し
て合成樹脂等の絶縁材料から成る枠体12が締結される
ものであり、前記開口部13は、一列に配列された4つ
の前記規制ピン11…を長手方向両端に配置するように
して長方形状に形成されており、各規制ピン11…の配
列方向と直交する方向の開口部13の長さは、各基板5
…の長手方向長さよりもわずかに長く形成される。すな
わち各基板5…は、各規制ピン11…と、開口部13と
で制限される範囲でヒートシンク7に対して摺動するこ
とを可能として枠体12内に配置される。
【0015】3つの基板5…のうち両側の基板5…の導
電回路8…において電源のプラス側に接続される部分
と、真ん中の基板5の導電回路8において電源のプラス
側に接続される部分とには、隣接する基板5,5間にわ
たる長方形状の電極板14,14が当接され、両側の基
板5…の導電回路8…において電源のプラス側に接続さ
れる部分に一端が当接される長方形状の電極板15,1
5の他端は両側の基板5,5から側方に突設される。ま
た3つの基板5…のうち両側の基板5…の導電回路8…
において電源のマイナス側に接続される部分と、真ん中
の基板5の導電回路8において電源のマイナス側に接続
される部分とには、隣接する基板5,5間にわたって前
記電極板14,14と平行に配置される長方形状の電極
板16,16が当接され、両側の基板5…の導電回路8
…において電源のマイナス側に接続される部分に一端が
当接されて前記電極板15,15と平行に配置される長
方形状の電極板17,17の他端は両側の基板5,5か
ら側方に突設される。さらに各基板5…の導電回路8…
の出力部分に一端を個別に当接せしめる3つの電極板1
8…の他端が、各基板5…の長手方向一端から外方に突
出される。しかも各基板5…からの電極板15…,17
…,18…の突出端部には、ピン状の端子を嵌合、接続
するための円筒状の接続部15a…,17a…,18a
…が設けられる。
【0016】上記各電極板14…,15…,16…,1
7…,18…は、絶縁紙等の絶縁材料で長方形状に形成
される絶縁シート19の裏面に接着されており、電極板
15…,17…,18…の他端は、該絶縁シート19か
ら外方に突出される。
【0017】一方、枠体12には、各規制ピン11…の
配列方向に沿う方向での開口部13の両端に連なる段部
20,20が、電極板15…,17…の一部を載せると
ともにそれらの電極板15…,17…の絶縁シート19
からの突出部を嵌合せしめる形状で形成されるととも
に、各規制ピン11…の配列方向に直交する方向での開
口部13の一側に連なる3つの段部21…が、電極板1
8…の絶縁シート19からの突出部を嵌合、載置せしめ
る形状で形成される。
【0018】絶縁シート19には、各基板5…の大部分
を臨ませる3つの窓22…が設けられており、各窓22
…を相互間に挟むようにして4つの金属製押さえ板23
…が絶縁シート19の表面に接着される。これらの押さ
え板23…には、各規制ピン11…を相互間に挟む位置
に一対ずつの挿通孔24,25…が設けられており、一
方の挿通孔24…に挿通されて絶縁シート19を貫通す
るボルト26…が、電極板15,17間および電極板1
4,16間でヒートシンク7に螺合され、また他方の挿
通孔25…に挿通されて絶縁シート19を貫通するボル
ト27…が、前記規制ピン11…を前記ボルト26…と
の間に挟む位置でヒートシンク7に螺合される。
【0019】また絶縁シート19の裏面には、図3にお
いて各ボルト27…の左側に配置される金属製のスペー
サ28…が接着されており、各スペーサ28…の厚み
は、各電極板14…,15…,16…,17…,18…
と同一に設定される。而して図3において最も右側のボ
ルト28を除く3つのボルト28…は、電極板18…お
よびスペーサ28…間に配置されることになり、図3に
おいて最も左側のスペーサ28は枠体12の段部20に
当接するが、他のスペーサ28…は、各基板5…の表面
の導電回路8…に、電気的な接続機能を果すことのない
ようにして当接される。
【0020】このようにして各基板5…の表面の導電回
路8…に接触する電極板14…,15…,16…,17
…,18…がヒートシンク7に固定されることになり、
各電極板14…,15…,16…,17…,18…およ
びヒートシンク7間に各基板5…が挟持され、各基板5
…は、各規制ピン11…および枠体12の開口部13に
よって制限される範囲で各電極板14…,15…,16
…,17…,18…およびヒートシンク7に対して相対
摺動することが可能となる。
【0021】次にこの実施例の作用について説明する
と、銅板による導電回路8…が表面に形成される窒化ア
ルミニウム製の基板5…の裏面が、伝熱グリース10…
を介してヒートシンク7に当接されるので、基板および
ヒートシンク間に銅板、半田層および銅ベースが介在し
ていた従来のものと比べると、基板5…およびヒートシ
ンク7間の熱抵抗が小さくなる。したがって基板5…上
に搭載される半導体チップ6…が、本実施例のように電
力制御用のものであったとしても、基板5…からヒート
シンク7への充分な放熱性を得ることができる。しかも
基板5…の裏面の銅板と、銅ベースとを比較的大きな面
積にわたる半田接合により接合するものに比べると、広
い面積にわたる半田接合が不要であるので、熟練した技
術は不要であり、組付作業工数も低減されることにな
る。
【0022】ところで、ヒートシンク上に設けられる銅
ベース上に窒化アルミニウム製の基板が半田接合されて
いた従来のものでは、基板の厚みが0.2〜0.3mm
程度であったのに対し、基板5…の厚みは2〜5mmに
設定されるものであり、このように基板5…を厚板化す
ることにより基板5…の熱容量を高めることができる。
これにより、ヒートマスの機能を果たしていた銅ベース
を廃止して、伝熱グリース10…を介して基板5…をヒ
ートシンク7上に取付けても、半導体チップ6…で発生
した熱を、銅ベースを用いた従来のものと同等に放散す
ることができるのである。
【0023】また基板5…の表面の導電回路8…に接触
する電極板14…,15…,16…,17…,18…が
ヒートシンク7に固定され、電極板14…,15…,1
6…,17…,18…およびヒートシンク7に対して制
限された範囲で基板5…が相対摺動することを可能とし
て、基板5…が電極板14…,15…,16…,17
…,18…およびヒートシンク7間に挟持されるので、
電極板14…,15…,16…,17…,18…、基板
5…およびヒートシンク7の熱膨張率の差に伴なう機械
的ストレスや、振動による機械的ストレスを吸収しつ
つ、導電回路8…への電極板14…,15…,16…,
17…,18…の電気的な接続を確実に維持することが
できる。
【0024】しかも電極板14…,15…,16…,1
7…,18…および導電回路8…の相互接触部は、電極
板14…,15…,16…,17…,18…および基板
5…の相対摺動に伴うセルフクリーニング作用により清
浄化されるので、電極板14…,15…,16…,17
…,18…の導電回路8…への導通状態を良好に維持し
つつ良好な熱伝導を得ることができる。
【0025】以上、本発明の実施例を詳述したが、本発
明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の
範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計
変更を行なうことが可能である。
【0026】
【発明の効果】以上のように請求項1記載の発明によれ
ば、基板およびヒートシンク間の熱抵抗を小さくして充
分な放熱性を得ることができ、熟練した技術を不要とし
て組付作業工数を低減することができる。
【0027】また請求項2記載の発明によれば、電極
板、基板およびヒートシンクの熱膨張率の差に伴なう機
械的ストレスや、振動による機械的ストレスを吸収し
て、導電回路への電極板の電気的な接続を確実に維持す
ることができ、電極板の導電回路への導通状態を良好に
維持しつつ良好な熱伝導を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】半導体装置の縦断面図であって図3の1−1線
断面図である。
【図2】半導体装置の分解斜視図である。
【図3】図1の3矢視平面図である。
【符号の説明】
5・・・基板 6・・・半導体チップ 7・・・ヒートシンク 8・・・導電回路 10・・・伝熱グリース 14,15,16,17,18・・・電極板
フロントページの続き (72)発明者 岩澤 克彦 埼玉県狭山市新狭山1丁目10番地1 ホン ダエンジニアリング株式会社内 (72)発明者 上田 武司 埼玉県狭山市新狭山1丁目10番地1 ホン ダエンジニアリング株式会社内 (72)発明者 塚田 能成 埼玉県狭山市新狭山1丁目10番地1 ホン ダエンジニアリング株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 銅板による導電回路(8)が表面に形成
    される窒化アルミニウム製の基板(5)と、前記導電回
    路(8)に電気的に接続されて前記基板(5)上に固定
    される半導体チップ(6)と、前記基板(5)が搭載さ
    れるヒートシンク(7)とを備える半導体装置におい
    て、前記基板(5)の裏面が伝熱グリース(10)を介
    してヒートシンク(7)に当接されることを特徴とする
    半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記基板(5)の表面の導電回路(8)
    に接触する電極板(14,15,16,17,18)が
    前記ヒートシンク(7)に固定され、電極板(14〜1
    8)およびヒートシンク(7)に対して制限された範囲
    で基板(5)が相対摺動することを可能として、前記基
    板(5)が電極板(14〜18)およびヒートシンク
    (7)間に挟持されることを特徴とする請求項1記載の
    半導体装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006147658A (ja) * 2004-11-16 2006-06-08 Yaskawa Electric Corp パワーモジュール
JP2011071550A (ja) * 2010-12-21 2011-04-07 Denso Corp 電子装置
US20190230780A1 (en) * 2018-01-25 2019-07-25 Nec Corporation Electronic component, electronic component manufacturing method, and mechanical component

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