JP2012248700A - Semiconductor device - Google Patents

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heat
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Kazuo Aoki
一雄 青木
Hiromichi Yasugata
廣通 安形
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Aisin AW Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the reliability of a bonding part between a substrate and a heat sink configured by different materials.SOLUTION: A semiconductor device 1, 2, 3 has: a heat sink 40, 40' having a heat dissipation surface 40b and a bonding surface 40a substantially parallel to the heat dissipation surface on an opposite side to the heat dissipation surface, and comprising a recessed part 46 on the bonding surface; a substrate 20, 20' bonded to the heat sink and having a semiconductor element 10 arranged on an opposite side to the bonding side of the heat sink, having a thermal expansion coefficient smaller than that of the heat sink, and arranged in the recessed part 46 of the heat sink so as to be separated from the recessed part 46 of the heat sink in a direction parallel to the bonding surface; and an insulation resin part 70 formed by filling an insulation resin in the recessed part 46 and formed between a lateral face 20a of the substrate and a lateral face 46a in the recessed part 46 of the heat sink in the direction parallel to the bonding surface.

Description

本発明は、基板とヒートシンクが接合される半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device in which a substrate and a heat sink are joined.

従来から、この種の半導体装置は知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、銅、アルミニウム等からなるヒートスプレッダ(基板)上に半導体チップが配置され、ヒートスプレッダとヒートシンクとが熱伝導シートを介して接合されている。   Conventionally, this type of semiconductor device is known (see, for example, Patent Document 1). In Patent Document 1, a semiconductor chip is disposed on a heat spreader (substrate) made of copper, aluminum, or the like, and the heat spreader and the heat sink are bonded via a heat conductive sheet.

特開２００５−２６８５１４号公報JP 2005-268514 A

ところで、基板とヒートシンクが熱膨張係数の異なる異種材料で構成される場合、これらの異種材料間の熱膨張係数差に起因して、基板とヒートシンクの間の接合部の信頼性が損なわれる虞がある。例えば、基板を銅で構成し、ヒートシンクをアルミで構成した場合、アルミの熱膨張係数が銅の熱膨張係数よりも有意に大きいことに起因して、基板とヒートシンクの間の接合部に熱応力が生じることで、当該接合部に剥離が生じ、信頼性が損なわれる虞がある。   By the way, when the substrate and the heat sink are made of different materials having different thermal expansion coefficients, the reliability of the joint between the substrate and the heat sink may be impaired due to the difference in the thermal expansion coefficients between these different materials. is there. For example, if the board is made of copper and the heat sink is made of aluminum, the thermal stress at the joint between the board and the heat sink is caused by the fact that the thermal expansion coefficient of aluminum is significantly larger than that of copper. As a result, peeling occurs at the joint, and reliability may be impaired.

これに対して、基板とヒートシンクの間の接合に使用する樹脂接着剤や樹脂シートの改良や、接着層の厚みの調整、接合表面の改質などにより接合信頼性を向上させることも可能である。しかしながら、このようなアプローチの対策では、接合部での熱抵抗が増加して熱伝導性が悪化することやサイズ(厚み)が大きくなる等の弊害が生じうる。   On the other hand, it is possible to improve the bonding reliability by improving the resin adhesive and resin sheet used for bonding between the substrate and the heat sink, adjusting the thickness of the adhesive layer, and modifying the bonding surface. . However, the countermeasures of such an approach may cause adverse effects such as an increase in thermal resistance at the joint and deterioration of thermal conductivity and an increase in size (thickness).

そこで、本発明は、異種材料で構成された基板とヒートシンクの間の接合部の信頼性が向上された半導体装置の提供を目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device in which the reliability of a joint portion between a substrate and a heat sink made of different materials is improved.

上記目的を達成するため、本発明の一局面によれば、放熱面を有し、前記放熱面とは逆側に前記放熱面に略平行な接合面を備え、該接合面に凹部を備えたヒートシンクと、
前記ヒートシンクに接合され、前記ヒートシンクの接合側とは逆側に半導体素子が配置された基板であって、前記ヒートシンクよりも熱膨張係数が小さく、前記接合面に平行な方向で前記ヒートシンクの凹部内の側面に対して離間する態様で、前記ヒートシンクの凹部内に配置される基板と、
前記凹部内に絶縁樹脂を充填して形成され、前記接合面に平行な方向で前記基板の側面と前記ヒートシンクの凹部内の側面との間に形成される絶縁樹脂部と、を備えることを特徴とする半導体装置が提供される。 In order to achieve the above object, according to one aspect of the present invention, a heat radiating surface is provided, a joint surface substantially parallel to the heat radiating surface is provided on a side opposite to the heat radiating surface, and a concave portion is provided on the joint surface. A heat sink,
A substrate bonded to the heat sink and having a semiconductor element disposed on the opposite side to the bonding side of the heat sink, having a smaller coefficient of thermal expansion than the heat sink, and in the recess of the heat sink in a direction parallel to the bonding surface A substrate disposed in the recess of the heat sink in a manner spaced from the side surface of the heat sink;
An insulating resin portion is formed by filling the recess with an insulating resin, and is formed between a side surface of the substrate and a side surface in the recess of the heat sink in a direction parallel to the bonding surface. A semiconductor device is provided.

本発明によれば、異種材料で構成された基板とヒートシンクの間の接合部の信頼性が向上された半導体装置が得られる。   According to the present invention, it is possible to obtain a semiconductor device in which the reliability of a joint portion between a substrate made of a different material and a heat sink is improved.

本発明の一実施例（実施例１）による半導体装置１の要部を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a main part of a semiconductor device 1 according to an embodiment (Embodiment 1) of the present invention. 図１に示す半導体装置１のラインＡ−Ａに沿った断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of the semiconductor device 1 shown in FIG. 1. ヒートシンク４０の単品状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the single item state of the heat sink. 熱膨張時のヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の応力分散原理の説明図である。It is explanatory drawing of the stress dispersion | distribution principle of the junction part between the heat sink 40 and the heat spreader 20 at the time of thermal expansion. 本発明の他の一実施例（実施例２）による半導体装置２の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device 2 by other one Example (Example 2) of this invention. 本発明の他の一実施例（実施例３）による半導体装置３の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device 3 by other one Example (Example 3) of this invention.

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１は、本発明の一実施例（実施例１）による半導体装置１の要部を示す斜視図である。図２は、図１に示す半導体装置１のラインＡ−Ａに沿った断面図である。図３は、ヒートシンク４０の単品状態を示す斜視図である。尚、半導体装置１の上下方向は、半導体装置１の搭載状態に応じて上下方向が異なるが、以下では、便宜上、半導体装置１のヒートスプレッダ２０に対してチップ１０が存在する側を上方とする。半導体装置１は、例えば、ハイブリッド車又は電気自動車で使用されるモータ駆動用のインバータを構成するものであってよい。   FIG. 1 is a perspective view showing a main part of a semiconductor device 1 according to an embodiment (Embodiment 1) of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of the semiconductor device 1 shown in FIG. FIG. 3 is a perspective view showing a single product state of the heat sink 40. Although the vertical direction of the semiconductor device 1 varies depending on the mounting state of the semiconductor device 1, hereinafter, for convenience, the side where the chip 10 is present with respect to the heat spreader 20 of the semiconductor device 1 is referred to as the upper side. The semiconductor device 1 may constitute an inverter for driving a motor used in, for example, a hybrid vehicle or an electric vehicle.

半導体装置１は、図1及び図２に示すように、チップ１０と、ヒートスプレッダ２０と、絶縁層３０と、ヒートシンク４０と、絶縁樹脂部７０とを含む。   As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor device 1 includes a chip 10, a heat spreader 20, an insulating layer 30, a heat sink 40, and an insulating resin portion 70.

チップ１０は、パワー半導体素子を含み、本例ではＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を含む。尚、チップ１０が含むパワー半導体素子の種類や数は、任意である。チップ１０は、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field‐Effect Transistor)のような他のスイッチング素子を含んでもよい。チップ１０は、ヒートスプレッダ２０上に半田５０により接合される。図示の例では、チップ１０は、１つのヒートスプレッダ２０上に、ＩＧＢＴとＦＷＤ（Free Wheeling Diode）が１組設けられる。尚、ＩＧＢＴは、上面にエミッタ電極を備え、下面にコレクタ電極を備え、ＦＷＤは、上面にアノード電極を備え、下面にカソード電極を備える。チップ１０の各電極は、バスバ等の外部端子（図示せず）に接続されてよい。   The chip 10 includes a power semiconductor element, and in this example includes an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Note that the type and number of power semiconductor elements included in the chip 10 are arbitrary. The chip 10 may include another switching element such as a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) instead of the IGBT. The chip 10 is bonded onto the heat spreader 20 with solder 50. In the illustrated example, the chip 10 is provided with one set of IGBT and FWD (Free Wheeling Diode) on one heat spreader 20. The IGBT includes an emitter electrode on the upper surface and a collector electrode on the lower surface, and the FWD includes an anode electrode on the upper surface and a cathode electrode on the lower surface. Each electrode of the chip 10 may be connected to an external terminal (not shown) such as a bus bar.

ヒートスプレッダ２０は、チップ１０で発生する熱を吸収し拡散する部材である。ヒートスプレッダ２０は、例えば銅、アルミなどの熱拡散性の優れた金属から形成される。本例では、一例として、ヒートスプレッダ２０は、銅により形成される。銅としては、伝導率が銅材の中で最も高い無酸素銅(C1020)が好適である。銅は、典型的には、１７ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有する。図示の例では、ヒートスプレッダ２０は、６つ設けられている。この場合、６つのヒートスプレッダ２０上の各チップ１０は、モータ駆動用のインバータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各上アーム及び各下アームを構成するものであってよい。このように、１つの半導体装置１のモジュール内に任意の数のヒートスプレッダ２０を含んでもよい。   The heat spreader 20 is a member that absorbs and diffuses heat generated in the chip 10. The heat spreader 20 is formed from a metal having excellent thermal diffusibility, such as copper or aluminum. In this example, as an example, the heat spreader 20 is made of copper. As copper, oxygen-free copper (C1020) having the highest conductivity among copper materials is suitable. Copper typically has a coefficient of thermal expansion of 17 ppm / ° C. In the illustrated example, six heat spreaders 20 are provided. In this case, each chip 10 on the six heat spreaders 20 may constitute the U-phase, V-phase, and W-phase upper and lower arms of the motor drive inverter. Thus, an arbitrary number of heat spreaders 20 may be included in a module of one semiconductor device 1.

絶縁層３０は、樹脂接着剤や樹脂シートから構成されてよい。絶縁層３０は、例えばアルミナをフィラーとした樹脂で形成されてもよい。絶縁層３０は、図２に示すように、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０の間に設けられ、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０に接合する。絶縁層３０は、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０との間の電気的な絶縁性を確保しつつ、ヒートスプレッダ２０からヒートシンク４０への高い熱伝導性を確保する。   The insulating layer 30 may be composed of a resin adhesive or a resin sheet. The insulating layer 30 may be formed of a resin using alumina as a filler, for example. As shown in FIG. 2, the insulating layer 30 is provided between the heat spreader 20 and the heat sink 40 and is bonded to the heat spreader 20 and the heat sink 40. The insulating layer 30 ensures high thermal conductivity from the heat spreader 20 to the heat sink 40 while ensuring electrical insulation between the heat spreader 20 and the heat sink 40.

ヒートシンク４０は、熱伝導性の良い材料から形成され、例えば、アルミなどの金属により形成される。本例では、ヒートシンク４０は、アルミにより形成される。アルミは、典型的には、２４ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有する。   The heat sink 40 is formed of a material having good thermal conductivity, and is formed of a metal such as aluminum, for example. In this example, the heat sink 40 is made of aluminum. Aluminum typically has a coefficient of thermal expansion of 24 ppm / ° C.

ヒートシンク４０は、図２に示すように、上面側が接合面４０ａを画成し、上面側がヒートスプレッダ２０に接合される。ヒートシンク４０は、図２に示すように、下面側が放熱面４０ｂを画成し、下面側にフィン４２を備える。尚、接合面４０ａと放熱面４０ｂは、後述の凹部４６やフィン４２が存在するが、略平行である。フィン４２の数や配列態様は任意である。フィン４２は、図示のようなストレートフィンであってもよいし、その他、ピンフィンの千鳥配置等で実現されてもよい。半導体装置１の実装状態では、フィン４２は、冷却水や冷却油や空気のような冷却媒体と接触する。このようにして、半導体装置１の駆動時に生じるチップ１０からの熱は、ヒートスプレッダ２０、絶縁層３０を介して、ヒートシンク４０のフィン４２から冷却媒体へと伝達され、半導体装置１の冷却が実現される。   As shown in FIG. 2, the heat sink 40 has an upper surface side that defines a bonding surface 40 a and an upper surface side that is bonded to the heat spreader 20. As shown in FIG. 2, the heat sink 40 includes a heat radiation surface 40 b on the lower surface side and fins 42 on the lower surface side. The joining surface 40a and the heat radiating surface 40b are substantially parallel to each other although there are concave portions 46 and fins 42 described later. The number and arrangement of the fins 42 are arbitrary. The fins 42 may be straight fins as illustrated, or may be realized by staggered arrangement of pin fins. In the mounted state of the semiconductor device 1, the fins 42 are in contact with a cooling medium such as cooling water, cooling oil, or air. In this way, the heat from the chip 10 generated when the semiconductor device 1 is driven is transmitted to the cooling medium from the fins 42 of the heat sink 40 via the heat spreader 20 and the insulating layer 30, and cooling of the semiconductor device 1 is realized. The

ヒートシンク４０は、図２及び図３に示すように、接合面４０ａに凹部４６を備える。凹部４６は、例えばプレスや鋳造により形成されてもよい。凹部４６は、ヒートスプレッダ２０を内部に収容することができるように、上面視で、ヒートスプレッダ２０の外形よりも大きい外形を有する。図示の例では、凹部４６は、６つのヒートスプレッダ２０の全体としての外形よりも大きい外形を有する。尚、凹部４６は、ヒートシンク４０上に配置されるヒートスプレッダ２０毎に個別に形成されてもよい。６つのヒートスプレッダ２０は、図２に示すように、互いに離間して凹部４６内に配列される。また、ヒートスプレッダ２０は、接合面４０ａに平行な方向でヒートシンク４０の凹部４６内の側面４６ａに対して離間する。具体的には、図２に示すように、ヒートスプレッダ２０の側面２０ａは、ヒートシンク４０の凹部４６内の側面４６ａに対して所定距離離間される。凹部４６は、典型的には、図示の例のように一定の深さＤ４を有しているが、深さが変化してもよい。例えば、凹部４６内におけるヒートスプレッダ２０の位置決め用の段差が凹部４６の底面に形成されてもよい。また、凹部４６の底面は、平滑な表面であってもよいし、微小な凹凸（粗面化）が形成されてもよい。 As shown in FIGS. 2 and 3, the heat sink 40 includes a recess 46 in the joint surface 40 a. The recess 46 may be formed by pressing or casting, for example. The recess 46 has an outer shape larger than the outer shape of the heat spreader 20 in a top view so that the heat spreader 20 can be accommodated therein. In the illustrated example, the recess 46 has an outer shape larger than the overall outer shape of the six heat spreaders 20. The recess 46 may be formed individually for each heat spreader 20 arranged on the heat sink 40. As shown in FIG. 2, the six heat spreaders 20 are arranged in the recess 46 so as to be separated from each other. The heat spreader 20 is separated from the side surface 46a in the recess 46 of the heat sink 40 in a direction parallel to the bonding surface 40a. Specifically, as shown in FIG. 2, the side surface 20 a of the heat spreader 20 is separated from the side surface 46 a in the recess 46 of the heat sink 40 by a predetermined distance. Recess 46 is typically, but has a constant depth D 4 as in the example shown, it may vary the depth. For example, a step for positioning the heat spreader 20 in the recess 46 may be formed on the bottom surface of the recess 46. In addition, the bottom surface of the recess 46 may be a smooth surface or may be formed with minute irregularities (roughening).

絶縁樹脂部７０は、図１及び図２に示すように、ヒートシンク４０の凹部４６内に形成される。具体的には、ヒートシンク４０の凹部４６は、上述のように絶縁層３０を介して接合されたヒートスプレッダ２０を内部に含む状態で、樹脂が充填される。樹脂は、好ましくは、ヒートシンク４０の凹部４６内のみに充填され、上面視でヒートシンク４０の凹部４６の外形よりも外側に広がらないように充填される。これにより、凹部４６内に充填される樹脂により凹部４６内に絶縁樹脂部７０が形成される。このように、本実施例によれば、ヒートシンク４０の凹部４６内に樹脂を充填して絶縁樹脂部７０を形成するので、樹脂の流動が凹部４６内に規制され、凹部４６以外のヒートシンク４０の上面への樹脂の望ましくない流動（広がり）を防止することができ、作業性が良好となる。絶縁樹脂部７０は、図２に示すように、接合面４０ａに平行な方向で、凹部４６内の側面４６ａとヒートスプレッダ２０の側面２０ａとの間や、各隣接するヒートスプレッダ２０の側面２０ａ間に形成される。これにより、凹部４６内の側面４６ａとヒートスプレッダ２０の側面２０ａとが絶縁樹脂部７０を介して接合される。尚、絶縁樹脂部７０を構成する樹脂は、任意の樹脂材料であってよく、例えばエポキシ樹脂が使用されてもよい。   As shown in FIGS. 1 and 2, the insulating resin portion 70 is formed in the recess 46 of the heat sink 40. Specifically, the recess 46 of the heat sink 40 is filled with resin in a state in which the heat spreader 20 bonded through the insulating layer 30 as described above is included. The resin is preferably filled only in the recess 46 of the heat sink 40 so as not to spread outside the outer shape of the recess 46 of the heat sink 40 in a top view. Thereby, the insulating resin part 70 is formed in the recessed part 46 by the resin with which the recessed part 46 is filled. As described above, according to the present embodiment, the resin is filled in the recess 46 of the heat sink 40 to form the insulating resin portion 70, so that the resin flow is restricted in the recess 46 and the heat sink 40 other than the recess 46 is Undesirable flow (spreading) of the resin to the upper surface can be prevented, and workability is improved. As shown in FIG. 2, the insulating resin portion 70 is formed between the side surface 46a in the recess 46 and the side surface 20a of the heat spreader 20 or between the side surfaces 20a of the adjacent heat spreaders 20 in a direction parallel to the bonding surface 40a. Is done. Thereby, the side surface 46 a in the recess 46 and the side surface 20 a of the heat spreader 20 are joined via the insulating resin portion 70. In addition, resin which comprises the insulating resin part 70 may be arbitrary resin materials, for example, an epoxy resin may be used.

絶縁樹脂部７０の厚さＤ７は、凹部４６の深さＤ４と同一又はそれ以下であってよい。また、絶縁樹脂部７０の厚さＤ７は、好ましくは、凹部４６内の側面４６ａとヒートスプレッダ２０の側面２０ａとの間の絶縁樹脂部７０を介した接合範囲を大きくするため、ヒートスプレッダ２０の厚さＤ２の半分よりも大きく設定される。例えば、絶縁樹脂部７０の厚さＤ７は、ヒートスプレッダ２０の厚さＤ２の半分と絶縁層３０の厚さとを足した合計厚さよりも大きく設定される。尚、図示の例では、ヒートスプレッダ２０の上側の一部（厚みＤ２の半分以下の部分）が絶縁樹脂部７０から露出しているが、絶縁樹脂部７０の上面がヒートスプレッダ２０の上面と面一になるように、又は、絶縁樹脂部７０ヒートスプレッダ２０の上面を覆うように、凹部４６の深さＤ４を更に深くすると共に絶縁樹脂部７０の厚さＤ７を更に厚くしてもよい。尚、凹部４６以外のヒートシンク４０の上面、絶縁樹脂部７０の上面、チップ１０、ヒートスプレッダ２０等は、絶縁樹脂部７０を構成する樹脂以外の樹脂で更に被覆されてもよい。例えば、シリコンゲルのようなゲル材料が、半導体装置１全体を封止するように付与されてもよい。 The thickness D 7 of the insulating resin portion 70 may be equal to or less than the depth D 4 of the recess 46. In addition, the thickness D 7 of the insulating resin portion 70 is preferably set to a thickness of the heat spreader 20 in order to increase a bonding range between the side surface 46 a in the recess 46 and the side surface 20 a of the heat spreader 20 via the insulating resin portion 70. It is set to be larger than half of D 2 is. For example, the thickness D 7 of the insulating resin portion 70 is set to be larger than the total thickness obtained by adding half the thickness D 2 of the heat spreader 20 and the thickness of the insulating layer 30. In the example shown, the upper portion of the heat spreader 20 (less than half portion of the thickness D 2) is exposed from the insulating resin portion 70, the upper surface of the upper surface of the insulating resin portion 70 is heat spreader 20 flush Alternatively, the depth D 4 of the recess 46 may be further deepened and the thickness D 7 of the insulating resin portion 70 may be further increased so as to cover the upper surface of the insulating resin portion 70 heat spreader 20. Note that the upper surface of the heat sink 40 other than the recess 46, the upper surface of the insulating resin portion 70, the chip 10, the heat spreader 20, and the like may be further covered with a resin other than the resin constituting the insulating resin portion 70. For example, a gel material such as silicon gel may be applied so as to seal the entire semiconductor device 1.

絶縁樹脂部７０は、絶縁層３０をヒートシンク４０の上面に上方から押さえつけることで、ヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の信頼性を高めると共に、以下で詳説するように、熱膨張又は熱収縮時のヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の熱応力を低減する機能を有する。   The insulating resin portion 70 presses the insulating layer 30 against the upper surface of the heat sink 40 from above, thereby improving the reliability of the joint between the heat sink 40 and the heat spreader 20 and, as will be described in detail below, thermal expansion or heat It has the function of reducing the thermal stress at the joint between the heat sink 40 and the heat spreader 20 during shrinkage.

図４は、熱膨張時のヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の応力分散原理の説明図である。尚、ここでは、熱膨張時の応力分散原理を説明するが、熱収縮時も同様である。   FIG. 4 is an explanatory diagram of the principle of stress distribution at the joint between the heat sink 40 and the heat spreader 20 during thermal expansion. In addition, although the stress dispersion | distribution principle at the time of thermal expansion is demonstrated here, it is the same also at the time of thermal contraction.

ここでは、前提として、上述の如く、ヒートシンク４０の熱膨張係数は、ヒートスプレッダ２０の熱膨張係数よりも大きいものとする。従って、同じ温度上昇したとき、その膨張係数の差に起因して、ヒートシンク４０の方がヒートスプレッダ２０よりも大きく膨張しようとするので、ヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部に熱応力が生じる。しかしながら、本実施例では、凹部４６内の側面４６ａとヒートスプレッダ２０の側面２０ａとが絶縁樹脂部７０を介して接合されているので、図４に模式的に示すように、熱膨張時にヒートシンク４０が方向Ｅに熱膨張すると、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０の間の膨張係数の差に起因して、ヒートスプレッダ２０には、絶縁樹脂部７０を介して膨張方向に力Ｆがかかる。これにより、ヒートスプレッダ２０には、自身の熱膨張による膨張に加えて、力Ｆより膨張方向に変形する。換言すると、ヒートシンク４０は、力Ｆの反作用としてヒートスプレッダ２０から絶縁樹脂部７０を介して収縮方向に力を受け、熱膨張が抑制される。これにより、ヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の熱膨張差が抑制され、ヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の熱応力が緩和（分散）される。このようにして、本実施例によれば、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０の間の膨張係数の差に起因したヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の熱応力を低減し、ヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の信頼性を高めることができる。   Here, as a premise, it is assumed that the thermal expansion coefficient of the heat sink 40 is larger than the thermal expansion coefficient of the heat spreader 20 as described above. Therefore, when the same temperature rises, the heat sink 40 tends to expand more than the heat spreader 20 due to the difference in expansion coefficient, so that thermal stress is generated at the joint between the heat sink 40 and the heat spreader 20. . However, in this embodiment, since the side surface 46a in the recess 46 and the side surface 20a of the heat spreader 20 are joined via the insulating resin portion 70, as schematically shown in FIG. When thermally expanded in the direction E, due to the difference in expansion coefficient between the heat spreader 20 and the heat sink 40, a force F is applied to the heat spreader 20 through the insulating resin portion 70 in the expansion direction. As a result, the heat spreader 20 is deformed in the expansion direction by the force F in addition to expansion due to its own thermal expansion. In other words, the heat sink 40 receives a force in the contraction direction from the heat spreader 20 via the insulating resin portion 70 as a reaction of the force F, and thermal expansion is suppressed. Thereby, the thermal expansion difference between the heat sink 40 and the heat spreader 20 is suppressed, and the thermal stress at the joint between the heat sink 40 and the heat spreader 20 is relaxed (dispersed). In this manner, according to the present embodiment, the thermal stress at the joint between the heat sink 40 and the heat spreader 20 due to the difference in expansion coefficient between the heat spreader 20 and the heat sink 40 is reduced, and the heat sink 40 and the heat spreader 20 are reduced. The reliability of the joint between the two can be increased.

図５は、本発明の他の一実施例（実施例２）による半導体装置２の断面図である。図５は、図１のラインＡ−Ａに沿った断面図に対応する。本実施例による半導体装置２は、上述した実施例１による半導体装置１に対して、ヒートスプレッダ２０’の側面の構成のみが異なる。本実施例２において、上述の実施例１と実質的に同一であってよい構成については、同一の参照符号を付して説明を省略する。   FIG. 5 is a cross-sectional view of a semiconductor device 2 according to another embodiment (embodiment 2) of the present invention. FIG. 5 corresponds to a cross-sectional view along line AA in FIG. The semiconductor device 2 according to the present embodiment differs from the semiconductor device 1 according to the first embodiment described above only in the configuration of the side surface of the heat spreader 20 '. In the second embodiment, components that may be substantially the same as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

本実施例２では、ヒートスプレッダ２０’の側面には、アンカー部２２が形成される。アンカー部２２は、図５に示すように、ヒートスプレッダ２０’の側面に凹部として形成されてもよい。アンカー部２２は、ヒートスプレッダ２０’の全周に亘って設けられてもよい。或いは、アンカー部２２は、ヒートスプレッダ２０’の全周に対して離散的に設けられてもよい。例えば、アンカー部２２は、ヒートスプレッダ２０’の対の対向する２辺の側面のみ設けられてもよい。アンカー部２２の断面形状は、図５に示す例では矩形であるが、楔形等を含む任意の断面形状を有してよい。   In the second embodiment, an anchor portion 22 is formed on the side surface of the heat spreader 20 '. As shown in FIG. 5, the anchor portion 22 may be formed as a recess on the side surface of the heat spreader 20 ′. The anchor portion 22 may be provided over the entire circumference of the heat spreader 20 '. Alternatively, the anchor portion 22 may be provided discretely with respect to the entire circumference of the heat spreader 20 '. For example, the anchor part 22 may be provided only on the side surfaces of the two opposing sides of the pair of heat spreaders 20 '. The cross-sectional shape of the anchor portion 22 is rectangular in the example shown in FIG. 5, but may have any cross-sectional shape including a wedge shape.

アンカー部２２には、図５に示すように、絶縁樹脂部７０が入り込む。即ち、絶縁樹脂部７０は、アンカー部２２内に充填された樹脂からなる部位を含む。   As shown in FIG. 5, the insulating resin portion 70 enters the anchor portion 22. That is, the insulating resin portion 70 includes a portion made of resin filled in the anchor portion 22.

本実施例２によれば、上述した実施例１と同様の効果に加えて以下のような効果が奏される。即ち、ヒートスプレッダ２０’のアンカー部２２が形成されるので、アンカー効果によりヒートスプレッダ２０’と絶縁樹脂部７０との間の密着性を高めることができ、ひいてはヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の信頼性を高めることができる。   According to the second embodiment, the following effects can be obtained in addition to the same effects as those of the first embodiment. That is, since the anchor part 22 of the heat spreader 20 ′ is formed, the adhesion between the heat spreader 20 ′ and the insulating resin part 70 can be enhanced by the anchor effect, and as a result, the joint between the heat sink 40 and the heat spreader 20. Can improve the reliability.

図６は、本発明の他の一実施例（実施例３）による半導体装置３の断面図である。図６は、図１のラインＡ−Ａに沿った断面図に対応する。本実施例による半導体装置３は、上述した実施例２による半導体装置２に対して、ヒートシンク４０’の構成のみが異なる。本実施例３において、上述の実施例１又は実施例２と実質的に同一であってよい構成については、同一の参照符号を付して説明を省略する。   FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor device 3 according to another embodiment (embodiment 3) of the present invention. 6 corresponds to a cross-sectional view taken along line AA in FIG. The semiconductor device 3 according to the present embodiment is different from the semiconductor device 2 according to the second embodiment described above only in the configuration of the heat sink 40 '. In the third embodiment, components that may be substantially the same as those in the first embodiment or the second embodiment described above are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

本実施例３では、ヒートシンク４０’の上面（接合面）には、図６に示すように、アンカー部４８が形成される。アンカー部４８は、上面視で、絶縁層３０よりも外周側に形成される。例えば、アンカー部４８は、図６に示すように、凹部４６の底面の外周縁に形成されてもよい。アンカー部４８は、凹部４６の底面の外周縁の全周に亘って形成されてもよいし、凹部４６の底面の外周縁の全周に対して離散的に形成されてもよい。同様に、アンカー部４８の断面形状は、図６に示す例では矩形であるが、楔形等を含む任意の断面形状を有してよい。   In the third embodiment, an anchor portion 48 is formed on the upper surface (bonding surface) of the heat sink 40 'as shown in FIG. The anchor portion 48 is formed on the outer peripheral side of the insulating layer 30 in a top view. For example, the anchor portion 48 may be formed on the outer peripheral edge of the bottom surface of the recess 46 as shown in FIG. The anchor portion 48 may be formed over the entire circumference of the outer peripheral edge of the bottom surface of the recess 46, or may be formed discretely with respect to the entire periphery of the outer peripheral edge of the bottom surface of the recess 46. Similarly, the cross-sectional shape of the anchor portion 48 is rectangular in the example shown in FIG. 6, but may have any cross-sectional shape including a wedge shape.

アンカー部４８には、図６に示すように、絶縁樹脂部７０が入り込む。即ち、絶縁樹脂部７０は、アンカー部４８内に充填された樹脂からなる部位を含む。   As shown in FIG. 6, the insulating resin portion 70 enters the anchor portion 48. That is, the insulating resin portion 70 includes a portion made of resin filled in the anchor portion 48.

本実施例３によれば、上述した実施例２と同様の効果に加えて以下のような効果が奏される。即ち、ヒートシンク４０’のアンカー部４８が形成されるので、アンカー効果によりヒートシンク４０’と絶縁樹脂部７０との間の密着性を更に高めることができ、ひいてはヒートシンク４０とヒートスプレッダ２０との間の接合部の信頼性を更に高めることができる。   According to the third embodiment, in addition to the same effects as those of the second embodiment described above, the following effects are achieved. That is, since the anchor portion 48 of the heat sink 40 ′ is formed, the adhesion between the heat sink 40 ′ and the insulating resin portion 70 can be further enhanced by the anchor effect, and consequently the bonding between the heat sink 40 and the heat spreader 20. The reliability of the part can be further increased.

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. Can be added.

例えば、上述の実施例では、ヒートシンク４０は、一部材で構成されていたが、２つ以上の部材で構成されてもよい。例えば、ヒートシンク４０は、第１の金属板と、フィン４２を備えた第２の金属板とを結合して構成されてもよい。この場合、第１の金属板に凹部４６を形成し、凹部４６内にヒートスプレッダ２０を配置して同様の絶縁樹脂部７０を形成すればよい。   For example, in the above-described embodiment, the heat sink 40 is composed of one member, but may be composed of two or more members. For example, the heat sink 40 may be configured by combining a first metal plate and a second metal plate including the fins 42. In this case, the recess 46 is formed in the first metal plate, and the heat spreader 20 is disposed in the recess 46 to form the same insulating resin portion 70.

また、上述の実施例において、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０の間の接合に使用する樹脂接着剤や樹脂シートの改良や、接着層の厚みの調整、接合表面の改質などによって、ヒートスプレッダ２０とヒートシンク４０の間の接合部の信頼性を向上させることも可能である。即ち、本発明は、これらのアプローチと相容れない関係ではなく、必要な効果を得るために組み合わせることは可能である。   In the above-described embodiment, the heat spreader 20 and the heat sink 40 are improved by improving the resin adhesive or the resin sheet used for bonding between the heat spreader 20 and the heat sink 40, adjusting the thickness of the adhesive layer, modifying the bonding surface, or the like. It is also possible to improve the reliability of the joint between the two. That is, the present invention is not incompatible with these approaches, and can be combined to obtain the required effects.

また、上述の実施例では、ヒートスプレッダ２０の材料が銅であり、ヒートシンク４０の材料がアルミであったが、本発明は、ヒートシンク４０の熱膨張係数がヒートスプレッダ２０（基板）の熱膨張係数よりも大きい限り、他の任意の材料で構成された組み合わせに対しても適用可能である。また、ヒートスプレッダ２０は、溶射によりヒートシンク４０の凹部４６内に直接形成（接合）されてもよい。   In the above-described embodiment, the material of the heat spreader 20 is copper and the material of the heat sink 40 is aluminum. However, in the present invention, the thermal expansion coefficient of the heat sink 40 is higher than the thermal expansion coefficient of the heat spreader 20 (substrate). As long as it is large, the present invention can be applied to a combination composed of any other material. The heat spreader 20 may be directly formed (joined) in the recess 46 of the heat sink 40 by thermal spraying.

また、上述の実施例では、チップ１０が配置される基板は、ヒートスプレッダ２０、２０’であったが、ヒートシンク４０，４０’の熱膨張係数が基板の熱膨張係数よりも大きい限り、本発明は、他の任意の基板にも適用可能である。例えば、チップ１０が配置される基板は、高い熱伝導性を有するセラミック基板の両面にアルミ板を備えたＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板や、セラミック基板の両面に銅板を備えたＤＢＣ（Direct Brazed Copper）基板により構成されてもよい。この場合、チップ１０が配置される基板は、ヒートシンク４０，４０’に半田により接合されてもよい。この場合も、ＤＢＡやＤＢＣの熱膨張係数とヒートシンク４０，４０’の熱膨張係数の差に起因して熱応力が生じることで、接合部（半田）にクラック等が発生し、基板とヒートシンク４０，４０’の間の接合部の信頼性が損なわれる虞があるためである。   In the above embodiment, the substrate on which the chip 10 is disposed is the heat spreader 20, 20 ′. However, as long as the thermal expansion coefficient of the heat sinks 40, 40 ′ is larger than the thermal expansion coefficient of the substrate, the present invention It can be applied to any other substrate. For example, the substrate on which the chip 10 is disposed is a DBA (Direct Brazed Aluminum) substrate having aluminum plates on both sides of a ceramic substrate having high thermal conductivity, or a DBC (Direct Brazed Copper) having copper plates on both sides of the ceramic substrate. ) It may be constituted by a substrate. In this case, the substrate on which the chip 10 is disposed may be joined to the heat sinks 40 and 40 'by soldering. Also in this case, a thermal stress is generated due to the difference between the thermal expansion coefficient of DBA or DBC and the thermal expansion coefficient of the heat sinks 40 and 40 ′, so that a crack or the like occurs in the joint (solder), and the substrate and the heat sink 40 , 40 ′, the reliability of the joint portion may be impaired.

また、上述の実施例１では、半導体装置１は、他の構成（例えば、走行モータ駆動用のＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータの素子の一部）を含んでよいし、また、半導体装置１は、チップ１０と共に、他の素子（コンデンサ、リアクトル等）を含んでもよい。また、半導体装置１は、車両用のインバータに適用されるものであったが、半導体装置１は、他の用途（鉄道、エアコン、エレベータ、冷蔵庫等）で使用されるインバータに使用されてもよい。更に、半導体装置１は、インバータ以外の装置、例えば、コンピューター用のＭＰＵ（Microprocessor Unit）や、無線通信機の送信部の電力増幅回路に使用される高周波パワーモジュールに使用されてもよい。これらは、上述の実施例２，３においても同様である。   In the above-described first embodiment, the semiconductor device 1 may include another configuration (for example, a part of a DC / DC boost converter element for driving the traction motor), and the semiconductor device 1 may be a chip. 10 may include other elements (capacitor, reactor, etc.). Moreover, although the semiconductor device 1 was applied to the inverter for vehicles, the semiconductor device 1 may be used for the inverter used for other purposes (railway, air conditioner, elevator, refrigerator, etc.). . Further, the semiconductor device 1 may be used in a device other than an inverter, for example, an MPU (Microprocessor Unit) for a computer or a high-frequency power module used in a power amplification circuit of a transmission unit of a wireless communication device. The same applies to the second and third embodiments.

１，２，３ 半導体装置
１０ チップ
２０，２０’ ヒートスプレッダ
２０ａ ヒートスプレッダの側面
２２ アンカー部
３０ 絶縁層
４０，４０’ ヒートシンク
４０ａ 接合面
４０ｂ 放熱面
４２ フィン
４６ 凹部
４６ａ 凹部内の側面
４８ アンカー部
５０ 半田
７０ 絶縁樹脂部 1, 2, 3 Semiconductor device 10 Chip 20, 20 ′ Heat spreader 20a Side surface of heat spreader 22 Anchor portion 30 Insulating layer 40, 40 ′ Heat sink 40a Bonding surface 40b Heat radiation surface 42 Fin 46 Recess 46a Side surface in recess 48 Anchor portion 50 Solder 70 Insulating resin part

Claims (4)

放熱面を有し、前記放熱面とは逆側に前記放熱面に略平行な接合面を備え、該接合面に凹部を備えたヒートシンクと、
前記ヒートシンクに接合され、前記ヒートシンクの接合側とは逆側に半導体素子が配置された基板であって、前記ヒートシンクよりも熱膨張係数が小さく、前記接合面に平行な方向で前記ヒートシンクの凹部内の側面に対して離間する態様で、前記ヒートシンクの凹部内に配置される基板と、
前記凹部内に絶縁樹脂を充填して形成され、前記接合面に平行な方向で前記基板の側面と前記ヒートシンクの凹部内の側面との間に形成される絶縁樹脂部と、を備えることを特徴とする半導体装置。 A heat sink having a heat dissipating surface, provided on the opposite side of the heat dissipating surface with a joint surface substantially parallel to the heat dissipating surface, and having a recess on the joint surface;
A substrate bonded to the heat sink and having a semiconductor element disposed on the opposite side to the bonding side of the heat sink, having a smaller coefficient of thermal expansion than the heat sink, and in the recess of the heat sink in a direction parallel to the bonding surface A substrate disposed in the recess of the heat sink in a manner spaced from the side surface of the heat sink;
An insulating resin portion is formed by filling the recess with an insulating resin, and is formed between a side surface of the substrate and a side surface in the recess of the heat sink in a direction parallel to the bonding surface. A semiconductor device. 前記接合面に垂直方向の前記絶縁樹脂部の厚さは、前記接合面に垂直方向の前記基板の厚さの半分よりも大きい、請求項１に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the insulating resin portion in a direction perpendicular to the bonding surface is greater than half of a thickness of the substrate in a direction perpendicular to the bonding surface. 前記接合面に平行な方向の前記基板の側面、及び、前記ヒートシンクの接合面、のうちの少なくともいずれか一方に、前記絶縁樹脂部が入り込むアンカー部を備える、請求項１又は２に記載の半導体装置。   The semiconductor according to claim 1, further comprising an anchor portion into which the insulating resin portion enters at least one of a side surface of the substrate in a direction parallel to the bonding surface and a bonding surface of the heat sink. apparatus. 前記絶縁樹脂部は、前記接合面に対して垂直に視たときに前記基板を四方から囲む態様で設けられる、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の半導体装置。   4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating resin portion is provided in such a manner as to surround the substrate from four directions when viewed perpendicularly to the bonding surface. 5.
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