JP2014154688A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Yoshimichi Hara
芳道 原
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秀樹 湊
Yuji Kobayashi
裕次 小林
Koji Kameyama
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Abstract

【課題】回路基板に搭載された半導体部品の放熱面に高さばらつきがあっても、十分な放熱性を確保することのできる小型の半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】端子の露出面と反対側を放熱面とするパッケージの半導体部品を、複数個、回路基板に搭載し、前記複数個の半導体部品が発生する熱を前記放熱面と対向する金属材に逃がす構造を有した半導体装置であって、半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈの放熱面に、回路基板２ａ，２ｂへの搭載後において成形可能で、柔軟性を有する第１熱伝導材５ａより高い熱伝導率を有した第２熱伝導材６ａが配置されてなり、複数個の半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈにおいて、第２熱伝導材６ａと金属材４の隙間ＣＬが一定に確保されてなり、該隙間ＣＬに、第１熱伝導材５ａを介在させる構造を有してなる半導体装置１０ａ，１０ｂとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、端子の露出面と反対側を放熱面とするパッケージ（以下、背面放熱ＰＫＧと呼ぶ）の半導体部品を回路基板に複数個搭載し、該半導体部品が発生する熱を放熱面と対向する金属材に逃がす構造の半導体装置に関する。
高さの異なる複数の半導体チップを基板上に搭載し、単一の放熱部材に一括して熱伝導放熱させる構造が、例えば特開平７−２４５３６２号公報（特許文献１）と特開平１１−１２１６６２号公報（特許文献２）に開示されている。
特許文献１に開示されているマルチチップ型半導体装置では、半導体チップの高さばらつきを吸収するため、半導体チップと放熱部材の間に金属スポンジを介在させて熱伝導放熱するようにしている。また、特許文献２に開示されている半導体装置では、半導体チップと放熱部材の間にグリースを充填した微細フィンを有する伝熱部材を介在させて熱伝導放熱するようにしている。これらの構造により、マルチチップ型で、上記した背面放熱ＰＫＧの半導体部品を構成することができる。
次に、上記したマルチチップ型に限らず、パワー半導体素子等の背面放熱ＰＫＧの半導体部品は、さらにプリント基板等の回路基板に複数個搭載され、金属等からなる筐体に入れられて各種の半導体装置として使用される。
特開平７−２４５３６２号公報 特開平１１−１２１６６２号公報
従来、プリント基板等に搭載される背面放熱ＰＫＧの半導体部品の放熱は、放熱フィンや冷却ファンを用いて熱を大気中に逃がし、各半導体部品で個別に行うのが一般的である。しかしながら、これらプリント基板に搭載される複数個の背面放熱ＰＫＧの半導体部品についても、特許文献１，２のように単一の放熱部材に一括して熱伝導放熱させる構造が、放熱性の確保や小型化する上でより好ましい構造である。特に、自動車で用いられる電子制御装置（ＥＣＵ）やモータと駆動制御装置が一体的に組みつけられる機電一体型の駆動装置の場合には、各半導体部品の発熱量が大きく、筐体等の金属材に一括して熱伝導放熱させる構造が望ましい。
一方、プリント基板等に搭載される複数個の背面放熱ＰＫＧの一括熱伝導による放熱については、前述した特許文献１，２の半導体チップの場合と異なり、複数個の背面放熱ＰＫＧの半導体部品を搭載するプリント基板が大きくなる。このため、全て同一部品からなり、同じ高さを有する半導体部品をプリント基板に搭載する場合であっても、次のような問題が発生する。
図９は、上記問題点を説明する模式的な断面図で、（ａ）は、同じ背面放熱ＰＫＧの半導体部品１ａ〜１ｄをプリント基板２ａへ搭載する際に、半田３による接続部にばらつきがある場合である。また、（ｂ）は、半導体部品１ｅ〜１ｈのプリント基板２ｂへの半田３による接続部は均一でも、プリント基板２ｂに反りが発生した場合である。尚、両図において、符号１１は、背面放熱ＰＫＧのモールド樹脂部である。符号１２は、背面放熱ＰＫＧの金属からなる放熱板で、図の上面が放熱面となっている。
図９（ａ）の例では、半田３によるプリント基板２ａへの接続部のばらつきによって、半導体部品１ａ〜１ｄの放熱面高さが、図のＨａの範囲でばらついている。図９（ｂ）の例では、プリント基板２ｂに反りが発生し、半導体部品１ｅ〜１ｈの放熱面高さが、図のＨｂの範囲でばらついている。量産時においては、図９に例示したようなプリント基板へ搭載される背面放熱ＰＫＧの放熱面高さばらつきは、製造コストを抑制するため、ある程度許容する必要がある。
図１０は、図９（ｂ）に示した半導体部品１ｅ〜１ｈを搭載するプリント基板２ｂを例にして、ヒートシンクとなる筐体等の金属材４に一括熱伝導させて放熱する場合の問題点を説明する模式的な断面図である。（ａ）は、半導体部品１ｅ〜１ｈを搭載するプリント基板２ｂを金属材４に直接接触させる場合であり、（ｂ）は、各半導体部品１ｅ〜１ｈの放熱面と金属材４の間に、放熱ゲル５ａを介在させる場合である。
図１０（ａ）に示すように、高さばらつきが発生しているプリント基板２ｂに搭載された半導体部品１ｅ〜１ｈについては、金属材４に直接押し当てて伝熱させると、プリント基板２ｂへの半田付け部に応力が集中して、接続寿命の劣化が発生する。（ａ）では、半導体部品１ｈの半田３による接続部に応力集中が起きる。従って、高さばらつきを許容した上で応力集中を発生させることなく金属材４に伝熱させるため、図１０（ｂ）に示すように、隙間の空気層を無くす熱伝導材として柔軟性を有する放熱ゲル５ａを介在させて、金属材４に伝熱させる構造が一般的に採用される。しかしながら、上記した自動車で用いられるＥＣＵや機電一体型の駆動装置では、各半導体部品の発熱量が大きいため、セラミックスフィラーや金属フィラーを含有するゲル状物質の放熱ゲルであっても熱抵抗が大きく、十分な放熱性を確保することが困難である。（ｂ）では、半導体部品１ｆの放熱性が十分でなくなる。
図９（ａ）に示した半導体部品１ａ〜１ｄを搭載するプリント基板２ａについても、金属材４に一括熱伝導させて放熱する場合には、上記した半導体部品１ｅ〜１ｈを搭載するプリント基板２ｂと同様の問題が起きる。
以上のことから、本発明は、回路基板に複数個の背面放熱ＰＫＧの半導体部品を搭載し、柔軟性を有する熱伝導材を介してヒートシンクに逃がす構造を有した半導体装置およびその製造方法を対象としている。そして、本発明の目的は、回路基板に搭載された複数個の半導体部品の放熱面に高さばらつきがあっても、十分な放熱性を確保することのできる小型の半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
本発明に係る半導体装置は、背面放熱ＰＫＧの半導体部品を、複数個、回路基板に搭載し、複数個の半導体部品が発生する熱を、柔軟性を有する第１熱伝導材を介して、半導体部品の放熱面と対向する金属材に逃がす構造を有した半導体装置である。半導体部品の放熱面には、回路基板への搭載後において成形可能で、第１熱伝導材より高い熱伝導率を有した第２熱伝導材が配置される。そして、複数個の半導体部品において、第２熱伝導材と金属材の隙間が一定に確保され、該隙間に第１熱伝導材を介在させる構造を有した半導体装置となっている。
上記半導体装置は、パワー半導体素子等の半導体部品（背面放熱ＰＫＧ）がプリント基板等の回路基板に複数個搭載され、金属等からなる筐体に入れられて、各種の半導体装置として使用可能である。
上記半導体装置において、回路基板に搭載される複数個の背面放熱ＰＫＧの放熱は、単一のヒートシンクである金属材に一括して熱伝導させる構造が採用されている。これによって、各背面放熱ＰＫＧにおいて個別に熱を大気中に逃がす従来の放熱構造に較べて、より高い放熱性が確保できると共に、小型化が可能となる。従って、例えば自動車で用いられる各種のＥＣＵや電動パワーステアリング（ＥＰＳ）のモータと駆動制御装置が一体的に組みつけられる機電一体型の駆動装置の場合には、各半導体部品の発熱量が大きい。このため、筐体等の金属材に一括熱伝導させる上記半導体装置の構造が、特に適している。
一方、回路基板に搭載される複数個の背面放熱ＰＫＧの一括熱伝導による放熱については、回路基板が大きくなるため、前述したように、回路基板へ半田付けする際のばらつきや回路基板の反りによって各背面放熱ＰＫＧの放熱面高さがばらついてしまう。量産時においては、プリント基板へ搭載される背面放熱ＰＫＧの放熱面の高さばらつきは、製造コストを抑制するため、ある程度許容する必要がある。このため、上記半導体装置においては、半導体部品の放熱面に、半導体部品の回路基板への搭載後において成形可能で、第１熱伝導材より高い熱伝導率を有した第２熱伝導材が配置されている。そして、複数個の半導体部品において第２熱伝導材と金属材の隙間が一定に確保され、該隙間に、放熱ゲル等の柔軟性を有する第１熱伝導材を介在させる構造が採用されている。
上記半導体装置における第２熱伝導材は、次のような機能を有している。すなわち、放熱面の高さばらつきが発生している回路基板に搭載された各半導体部品について、放熱面に配置される高い熱伝導率を有した第２熱伝導材を精度良く成形し、金属材との隙間が一定となるように高さを揃えることである。これによって、該隙間を小さくすることができるため、柔軟性を有しているが熱伝導率の低い第１熱伝導材を、できるだけ薄くすることができる。このため、半導体部品の放熱面上に第２熱伝導材が配置された上記半導体装置は、第１熱伝導材による半田付け部への応力集中の防止機能だけでなく、放熱面と金属材の間を第１熱伝導材だけで伝熱させる場合に較べて、高い放熱性を確保することができる。
上記半導体装置において、半導体部品の放熱面が金属からなる場合、第２熱伝導材として、半導体部品の最高許容温度より融点が高く、半導体部品の端子を回路基板に接続する半田より融点が低い、低融点半田を用いることが好ましい。
上記低融点半田は、熱によって簡単に精度良く成形することができ、金属からなる半導体部品の放熱面への接合も良好で、半導体部品の端子を回路基板に接続する半田より融点が低いため、回路基板への搭載後においても、問題なく成形が可能である。また、柔軟性を有する放熱ゲル等の第１熱伝導材に較べて格段に高い熱伝導率を有しているため、高い放熱性を確保することができる。
また、回路基板への搭載後において成形可能で、第１熱伝導材より高い熱伝導率を有した第２熱伝導材として、導電性接着剤を採用することもできる。導電性接着剤は、金属フィラーを多く含んだ樹脂系接着剤であり、固化するまでに簡単に成形することができる。また、先の低融点半田より熱伝導率は低いものの、放熱ゲル等の柔軟性を有する第１熱伝導材に較べて、高い熱伝導率を有している。さらに、導電性接着剤は、低融点半田と異なり、半導体部品（背面放熱ＰＫＧ）の放熱面が金属でなく、ＰＫＧのモールド樹脂そのものであっても配置可能である。従って、金属材と電気絶縁性を保ったままで熱だけ金属材へ逃がしたい場合等にも、この構成を採用することができる。
尚、前述したように、上記半導体装置における第１熱伝導材は、金属粒子を含有するゲル状物質の放熱ゲルが好適である。また、上記半導体装置においてヒートシンクとして機能する金属材は、回路基板を収容する筐体であってよく、熱伝達のための中間金属を排除することで、小型化が可能である。
以上のようにして、上記半導体装置は、回路基板に搭載された複数個の半導体部品（背面放熱ＰＫＧ）の放熱面に高さばらつきがあっても、十分な放熱性を確保することのできる小型の半導体装置とすることができる。従って、上記半導体装置は、機電一体で構成されるモータの制御装置としても好適である。前記モータは、特に小型化が要求される、車載用のモータであってよい。
また、上記半導体装置の製造方法として、第２熱伝導材として低融点半田を用いる場合には、例えば、以下の工程からなる製造方法を採用することができる。すなわち、半導体部品の端子を回路基板に半田で接続して、回路基板に複数個の半導体部品を搭載する部品搭載工程と、半導体部品の放熱面上に、低融点半田を塗布する半田塗布工程と、放熱面上に塗布された低融点半田を、金属材の伝熱面に倣った形状の面を有する加熱された型に接触させて溶融し、型の面に接触させたまま急冷して低融点半田を成形する半田成形工程と、成形後の低融点半田とヒートシンクである金属材の間に第１熱伝導材を介在させて、回路基板と金属材を組み付ける組み付け工程とを有してなる製造方法である。
上記製造方法によれば、回路基板へ搭載された複数個の半導体部品に塗布されている低融点半田に対して、金属材の伝熱面に倣った形状の加熱された型に接触させてその後に急冷する簡単な処理で、金属材の隙間が一定となるように成形可能である。
本発明に係る半導体装置の一例を示す図で、（ａ），（ｂ）は、それぞれ、半導体装置１０ａ，１０ｂの構造を示した模式的な断面図である。 図１（ｂ）に示した半導体装置１０ｂの製造方法の一例を示す図で、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、製造工程別の断面図である。 図１０（ｂ）で例示した従来の放熱構造と図１（ａ），（ｂ）で例示した本発明に係る放熱構造とで、各パラメータの代表的な値を適用し、放熱性能の試算結果を比較した図である。 （ａ），（ｂ）は、それぞれ、異なる放熱面の形状を有する背面放熱ＰＫＧの半導体部品Ｃ，Ｄを示した図である。 （ａ），（ｂ）は、それぞれ、図１に示した半導体装置１０ａ，１０ｂの変形例で、半導体装置１０ｃ，１０ｄの構造を示した模式的な断面図である。 （ａ）は、ＥＰＳのモータと駆動制御装置が一体的に組みつけられる、機電一体型の駆動装置１０ｅを簡略化して示した断面図である。また、（ｂ）は、ヒートシンクとなる金属材で、ＥＰＳのモータハウジング４ａの上面図である。 図６（ａ）の駆動装置１０ｅで用いられる複数個の半導体部品１ｑを搭載したプリント基板２ｅを示す図で、（ａ）は、上面図であり、（ｂ）は、図中のＣ−Ｃ断面図であり、（ｃ）は、下面図である。 図６（ａ）に示した駆動装置１０ｅの半導体部品１ｑの周りを拡大してより詳細に示した断面図で、（ａ）は、ＱＦＰ型の半導体部品１ｑａを用いた場合であり、（ｂ）は、ＢＧＡ型の半導体部品１ｑｂを用いた場合である。 （ａ）は、同じ背面放熱ＰＫＧの半導体部品１ａ〜１ｄをプリント基板２ａへ搭載する際に、半田接続部にばらつきがある場合である。また、（ｂ）は、プリント基板２ｂに反りが発生した場合である。 （ａ）は、半導体部品１ｅ〜１ｈを搭載するプリント基板２ｂを金属材４に直接接触させる場合であり、（ｂ）は、各半導体部品１ｅ〜１ｈの放熱板１２と金属材４の間に、柔軟性を有する放熱ゲル５ａを介在させる場合である。
以下、本発明に係る半導体装置およびその製造方法の実施形態を、図に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る半導体装置の一例を示す図で、（ａ），（ｂ）は、それぞれ、半導体装置１０ａ，１０ｂの構造を示した模式的な断面図である。尚、図１（ａ），（ｂ）は、それぞれ図９（ａ），（ｂ）に対応しており、半導体装置１０ａ，１０ｂにおいて半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈを搭載した各プリント基板２ａ，２ｂは、図９（ａ），（ｂ）で示したものと同じである。従って、図１（ａ），（ｂ）に示した半導体装置１０ａ，１０ｂの構造において、図９（ａ），（ｂ）と同様の部分については同じ符号を付した。
また、図２は、図１（ｂ）に示した半導体装置１０ｂの製造方法の一例を示す図で、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、製造工程別の断面図である。
図１（ａ），（ｂ）に示す半導体装置１０ａ，１０ｂは、それぞれ、複数個の背面放熱ＰＫＧの半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈを、所定の回路パターンが形成された回路基板としてのプリント基板２ａ，２ｂに搭載している。各半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈは、端子の露出面と反対側を放熱面とするパッケージ（背面放熱ＰＫＧ）の半導体部品である。そして、半導体装置１０ａ，１０ｂは、それぞれ、複数個の半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈが発生する熱を、柔軟性を有する第１熱伝導材としての放熱ゲル５ａを介して、半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈの放熱面と対向する筐体等の金属材４に逃がす構造を有している。
図１の半導体装置１０ａ，１０ｂにおいて、半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈを搭載した各プリント基板２ａ，２ｂは、上記したように、図９（ａ），（ｂ）で示したものと同じである。すなわち、図１（ａ）の半導体装置１０ａでは、同じ背面放熱ＰＫＧの半導体部品１ａ〜１ｄをプリント基板２ａへ搭載する際に、半田３による接続部にばらつきが発生している。このため、各半導体部品１ａ〜１ｄのモールド樹脂部１１から露出する放熱板１２の放熱面の高さは、図９（ａ）に示したように、Ｈａの範囲でばらついている。また、図１（ｂ）の半導体装置１０ｂでは、半導体部品１ｅ〜１ｈをプリント基板２ｂへ搭載する際に、プリント基板２ｂに反りが発生している。このため、各半導体部品１ｅ〜１ｈのモールド樹脂部１１から露出する放熱板１２の放熱面の高さは、図９（ｂ）に示したように、Ｈｂの範囲でばらついている。
例えば、各半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈをプリント基板２ａ，２ｂへ搭載する際の半田３には、融点２２０℃の錫−銀−銅（Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ）合金からなる半田が用いられる。また、直径が８０ｍｍ程度のプリント基板２ａ，２ｂに搭載される半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈの放熱面の高さばらつきは、最大１．０ｍｍ程度になる。
一方、図１に示した各半導体装置１０ａ，１０ｂは、図９と図１０で例示した従来の放熱構造と、以下の点で異なる放熱構造を有している。すなわち、図１の各半導体装置１０ａ，１０ｂでは、半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈの金属からなる放熱面（放熱板１２上）に、プリント基板２ａ，２ｂへの搭載後において成形可能で、放熱ゲル５ａより高い熱伝導率を有した、第２熱伝導材としての低融点半田６ａが配置されている。低融点半田６ａは、半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈの最高許容温度より融点が高く、半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈの端子をプリント基板２ａ，２ｂに接続する半田３より融点が低い半田材料である。
また、図１の各半導体装置１０ａ，１０ｂでは、複数個の半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈにおいて、低融点半田６ａと金属材４の隙間ＣＬが一定に確保されている。そして、該隙間ＣＬに、放熱ゲル５ａを介在させる構造を有している。
低融点半田６ａには、例えば、融点１５０℃の錫−ビスマス（Ｓｎ−Ｂｉ）系合金からなる半田を用いることができる。また、半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈの動作時の温度が１５０℃程度になる場合には、例えば、低融点半田６ａとして融点１８３℃の鉛（Ｐｂ）共晶半田を用いることができる。プリント基板２ａ，２ｂへの各半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈの実装は、融点２２０℃のＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金からなる半田３が用いられているため、後述するように熱で低融点半田６ａを溶融しても、半田３の接合部には影響が及ばない。尚、放熱ゲル５ａの熱伝導率は、１〜３（Ｗ／ｍＫ）程度であり、低融点半田６ａの熱伝導率は、５０（Ｗ／ｍＫ）程度である。
次に、図１（ｂ）に示した半導体装置１０ｂを例にして、その製造方法を、図２を用いて説明する。
最初に、図９（ｂ）に示すように、部品搭載工程において、半導体部品１ｅ〜１ｈの各端子をプリント基板２ｂの回路パターンに半田３で接続して、プリント基板２ｂに複数個の半導体部品１ｅ〜１ｈを搭載する。例えば、半田３として融点２２０℃の錫−銀−銅（Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ）合金からなる半田を用いる場合には、半田付け時において、全体が２２０℃以上に加熱される。図９（ｂ）に示す例は、前述したように、半導体部品１ｅ〜１ｈのプリント基板２ｂへの半田付け時において、プリント基板２ｂに反りが発生した場合の例である。プリント基板２ｂの反りに起因して、半導体部品１ｅ〜１ｈの放熱面高さが、図のＨｂの範囲でばらついている。
次に、図２（ａ）に示す半田塗布工程において、高さばらつきが発生している各半導体部品１ｅ〜１ｈの放熱面上に、スクリーン印刷等により、低融点半田６ａを塗布する。低融点半田６ａとしては、例えば、融点１５０℃の錫−ビスマス（Ｓｎ−Ｂｉ）系合金からなる半田を用いることができる。尚、低融点半田６ａは、溶融時に各半導体部品１ｅ〜１ｈの金属からなる放熱板１２からはみ出ない程度の量であれば、プリント基板２ｂへ搭載する前の各半導体部品１ｅ〜１ｈの放熱面上に、予め塗布しておいてもよい。
次に、図２（ｂ）に示す半田成形工程において、放熱面上に塗布された低融点半田６ａを、金属材４の伝熱面に倣った形状の面を有する加熱された型７に接触させて溶融し、型７の面に接触させたまま急冷凝固させて、低融点半田６ａを成形する。例えば、融点１５０℃の低融点半田６ａを用いる場合には、型７の加熱温度を１７０℃とし、低融点半田６ａを型７に接触させて溶融した後、接触部周りを１３０℃まで急冷して凝固させる。これによって、図２（ｂ）に示すように金属材４の伝熱面に倣った形状の型７の面が平面である場合、各半導体部品１ｅ〜１ｈの成形後における低融点半田６ａの上面高さが、同一平面上に位置するように揃えられる。
次に、図２（ｃ）に示す組み付け工程において、伝熱面に放熱ゲル５ａを塗布した金属材４を成形後の低融点半田６ａの上方から近づけ、低融点半田６ａと金属材４の間に第１熱伝導材である放熱ゲル５ａを介在させて、プリント基板２ｂとヒートシンクとして機能する金属材４を組み付ける。この組み付けにおいては、先の図２（ｂ）に示す工程で、各半導体部品１ｅ〜１ｈの成形後における低融点半田６ａの上面高さが、同一平面上に位置するように揃えられている。このため、金属材４と組み付けた場合には、金属材４との隙間ＣＬを一定にすることができる。
以上の各工程で、図１（ｂ）に示した半導体装置１０ｂを製造することができる。
上記製造方法によれば、プリント基板２ｂへ搭載された複数個の半導体部品１ｅ〜１ｈの放熱面上に塗布されている低融点半田６ａに対して、金属材４の伝熱面に倣った形状の面を有する加熱された型７に接触させてその後に急冷する簡単な処理で、金属材４との隙間ＣＬが一定となるように成形可能である。尚、図１（ａ）に示した半導体装置１０ａについても、同様に製造することが可能である。
図１に例示した半導体装置１０ａ，１０ｂは、パワー半導体素子等の半導体部品（背面放熱ＰＫＧ）１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈが、回路基板としてのプリント基板２ａ，２ｂに複数個搭載されている。そして、金属等からなる筐体に入れられて、各種の半導体装置として使用可能である。
前述したように、従来、回路基板に搭載される背面放熱ＰＫＧの半導体部品の放熱は、放熱フィンや冷却ファンを用いて熱を大気中に逃がし、各半導体部品で個別に行うのが一般的である。しかしながら、図１の各半導体装置１０ａ，１０ｂにおいて、プリント基板２ａ，２ｂに搭載される複数個の半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈの放熱は、単一のヒートシンクである金属材４に一括して熱伝導放熱させる構造が採用されている。これによって、各背面放熱ＰＫＧの半導体部品において個別に熱を大気中に逃がす従来の放熱構造に較べて、より高い放熱性が確保できると共に、小型化が可能となる。従って、図１に例示した半導体装置１０ａ，１０ｂの構造は、半導体部品の発熱量が大きい自動車で用いられる各種のＥＣＵや後述するＥＰＳのモータと駆動制御装置が一体的に組みつけられる機電一体型の駆動装置に、特に適している。
一方、図９（ａ），（ｂ）で説明したように、回路基板に搭載される複数個の背面放熱ＰＫＧの一括熱伝導による放熱については、回路基板が大きくなるため、回路基板へ半田付けする際のばらつきや回路基板の反りによって各背面放熱ＰＫＧの放熱面高さがばらついてしまう。量産時においては、プリント基板へ搭載される背面放熱ＰＫＧの放熱面の高さばらつきは、製造コストを抑制するため、ある程度許容する必要がある。
しかしながら、図１０（ａ）で説明したように、放熱面の高さばらつきが発生している回路基板に搭載された各背面放熱ＰＫＧについては、直接ヒートシンクに押し当てて伝熱させると、回路基板への半田付け部に応力が集中して、応力劣化が発生する。このため、図１に例示した半導体装置１０ａ，１０ｂにおいては、複数個の半導体部品（背面放熱ＰＫＧ）１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈが発生する熱を、柔軟性を有する第１熱伝導材としての放熱ゲル５ａを介して、金属材４に逃がすようにしている。
また、上記した自動車で用いられるＥＣＵや機電一体型の駆動装置では、各半導体部品の発熱量が大きいため、セラミックスフィラーや金属フィラーを含有するゲル状物質の放熱ゲルであっても熱抵抗が大きく、十分な放熱性を確保することが困難である。このため、図１に例示した半導体装置１０ａ，１０ｂでは、以下の点で、図１０（ｂ）で説明した放熱構造と異なる構造が採用されている。すなわち、図１の半導体装置１０ａ，１０ｂでは、半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈの放熱面に、プリント基板への搭載後において成形可能で、放熱ゲル５ａより高い熱伝導率を有した第２熱伝導材としての低融点半田６ａが配置されている。また、各半導体装置１０ａ，１０ｂでは、複数個の半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈにおいて、低融点半田６ａと金属材４の隙間ＣＬが一定に確保されている。そして、該隙間ＣＬに、放熱ゲル５ａを介在させる構造が採用されている。
上記半導体装置１０ａ，１０ｂにおける第２熱伝導材としての低融点半田６ａは、次のような機能を有している。すなわち、放熱面の高さばらつきが発生しているプリント基板２ａ，２ｂに搭載された各半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈについて、放熱面に配置される高い熱伝導率を有した低融点半田６ａを精度良く成形し、金属材４との隙間ＣＬが一定となるように高さを揃えることである。これによって、該隙間ＣＬを小さくすることができるため、柔軟性を有しているが熱伝導率の低い第１熱伝導材としての放熱ゲル５ａを、できるだけ薄くすることができる。このため、第１熱伝導材によるプリント基板２ａ，２ｂへの半田付け部への応力集中の防止機能だけでなく、半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈの放熱面と金属材４の間を放熱ゲル５ａだけで伝熱させる場合に較べて、高い放熱性を確保することができる。
図３は、図１０（ｂ）で例示した従来の放熱構造と図１（ａ），（ｂ）で例示した本発明に係る放熱構造とで、各パラメータの代表的な値を適用し、放熱性能の試算結果を比較した図である。
図３に示す従来の放熱構造と本発明に係る放熱構造において、半導体部品Ａ，Ｂは、同じ０．６ｍｍの放熱面の高さばらつきがある。
一方、従来の放熱構造では、半導体部品Ａ，Ｂの放熱面と金属材４の間は、それぞれ厚さが０．８ｍｍと０．２ｍｍで面積が２５ｍｍ２、熱伝導率が２Ｗ／ｍＫの放熱ゲル５ａで埋められている。これに対して、本発明に係る放熱構造では、半導体部品Ａ，Ｂの放熱面上に、それぞれ厚さが０．７ｍｍと０．１ｍｍで面積が２５ｍｍ２、熱伝導率が４７Ｗ／ｍＫの低融点半田６ａが配置されている。そして、低融点半田６ａと金属材４の間に薄くて均一な０．１ｍｍの隙間ＣＬが形成され、この隙間ＣＬに放熱ゲル５ａを介在させている。
各部の熱抵抗Ｒ（℃／Ｗ）は、熱伝導材の厚さがｔ（ｍ）、熱伝導材の面積がＳ（ｍ２）、熱伝導材の熱伝導率をλ（Ｗ／ｍＫ）とした時、以下の数式１で表すことができる。
（数１） Ｒ＝ｔ／（λ・Ｓ）
図３に示す従来の放熱構造では、半導体部品Ａの上方における熱抵抗が１６℃／Ｗになり、半導体部品Ｂの上方における熱抵抗が４℃／Ｗになる。これに対して、本発明の放熱構造では、半導体部品Ａの上方における全熱抵抗が２．６℃／Ｗになり、半導体部品Ｂの上方における熱抵抗が２．０９℃／Ｗになる。このように、本発明の放熱構造は、従来の放熱構造に較べて、熱抵抗を１／５以下に低減できるだけでなく、半導体部品Ａ，Ｂの上方における熱抵抗のばらつきも低減することができる。
以上のようにして、図１の半導体装置１０ａ，１０ｂで例示したように、本発明に係る半導体装置は、回路基板に搭載された複数個の半導体部品（背面放熱ＰＫＧ）の放熱面に高さばらつきがあっても、十分な放熱性を確保することのできる小型の半導体装置とすることができる。
次に、本発明に係る半導体装置の細部について、より詳細に説明する。
図１の半導体装置１０ａ，１０ｂのように、半導体部品の放熱面が金属からなる場合には、第２熱伝導材として、半導体部品の最高許容温度より融点が高く、半導体部品の端子を回路基板に接続する半田より融点が低い、低融点半田を用いることが好ましい。
上記低融点半田は、熱によって簡単に精度良く成形することができ、金属からなる半導体部品の放熱面への接合も良好である。また、半導体部品の端子を回路基板に接続する半田より融点が低いため、回路基板への搭載後においても、問題なく成形が可能である。さらに、柔軟性を有する放熱ゲル等の第１熱伝導材に較べて格段に高い熱伝導率を有しているため、高い放熱性を確保することができる。
上記低融点半田を第２熱伝導材として用いる場合において、金属からなる背面放熱ＰＫＧの放熱面は、例えばＰＫＧの背面に合わせて広い面積をカバーする長方形状であってもよいし、該長方形の各辺に凹部を有する形状であってもよい。
図４（ａ），（ｂ）は、それぞれ、上記した異なる放熱面の形状を有する背面放熱ＰＫＧの半導体部品Ｃ，Ｄを示した図である。（ａ）の半導体部品Ｃは、モールド樹脂部１１Ｃから露出する放熱板１２Ｃの放熱面が長方形状であり、（ｂ）の半導体部品Ｄは、モールド樹脂部１１Ｄから露出する放熱板１２Ｄの放熱面が長方形の各辺に凹部Ｋを有する形状である。図４（ａ），（ｂ）では、それぞれ、低融点半田塗布前の状態を示した上面図、低融点半田塗布後の状態を示した断面図、低融点半田溶融時の状態を示した断面図を記載してある。
図４に示す各半導体部品Ｃ，Ｄでは、図の中段に示した低融点半田６ａＣ，６ａＤが同じ分量で放熱面上に塗布されている。しかしながら、図の下段に示す低融点半田６ａＣ，６ａＤの溶融時には、モールド樹脂部１１Ｃ，１１Ｄに対して濡れ性がないため、半導体部品Ｃの低融点半田６ａＣの高さに較べて、半導体部品Ｄの低融点半田６ａＤの高さを高くすることができる。このため、図４（ｂ）に示す背面放熱ＰＫＧの放熱面の形状を有した半導体部品Ｄは、図４（ａ）に示す半導体部品Ｃに較べて、各背面放熱ＰＫＧの放熱面高さのより広範囲のばらつきに対して、低融点半田を第２熱伝導材として適用することが可能である。尚、両者の放熱面の熱伝達性能については、長方形の対角線長さが同じであるため、ほとんど変わることはない。
図５（ａ），（ｂ）は、それぞれ、図１に示した半導体装置１０ａ，１０ｂの変形例で、半導体装置１０ｃ，１０ｄの構造を示した模式的な断面図である。
図５に示す半導体装置１０ｃ，１０ｄも、図１に示した半導体装置１０ａ，１０ｂと同様で、各半導体部品１ｉ〜１ｌ，１ｍ〜１ｐが発生する熱を、第１熱伝導材としての柔軟性を有する放熱ゲル５ａを介して、金属材４に逃がす構造となっている。また、図５（ａ）の半導体装置１０ｃでは、同じ背面放熱ＰＫＧの半導体部品１ｉ〜１ｌをプリント基板２ｃへ搭載する際に、半田３による接続部にばらつきが発生している。また、図５（ｂ）の半導体装置１０ｄでは、半導体部品１ｍ〜１ｐをプリント基板２ｄへ搭載する際に、プリント基板２ｄに反りが発生している。
一方、図１の半導体装置１０ａ，１０ｂでは、プリント基板に搭載されている各半導体部品１ａ〜１ｄ，１ｅ〜１ｈの背面放熱ＰＫＧは、金属からなる放熱板１２の放熱面がモールド樹脂部１１から露出する構造を有していた。これに対して、図５の半導体装置１０ｃ，１０ｄでは、プリント基板に搭載されている各半導体部品１ｉ〜１ｌ，１ｍ〜１ｐの背面放熱ＰＫＧは、金属からなる放熱板を有しておらず、モールド樹脂部１１の背面自体が放熱面となる構造である。
そして、図５の半導体装置１０ｃ，１０ｄでは、半導体部品１ｉ〜１ｌ，１ｍ〜１ｐの放熱面に、プリント基板への搭載後において成形可能で、放熱ゲル５ａより高い熱伝導率を有した、第２熱伝導材としての導電性接着剤６ｂが配置されている。そして、各半導体装置１０ｃ，１０ｄでは、複数個の半導体部品１ｉ〜１ｌ，１ｍ〜１ｐにおいて、導電性接着剤６ｂと金属材４の隙間ＣＬが一定に確保され、該隙間ＣＬに放熱ゲル５ａを介在させる構造を有している。
図５に示した半導体装置１０ｃ，１０ｄのように、回路基板への搭載後において成形可能で、柔軟性を有する第１熱伝導材より高い熱伝導率を有した第２熱伝導材として、導電性接着剤を採用することも可能である。導電性接着剤は、金属粒子を多く含んだ樹脂系接着剤であり、固化するまでに簡単に成形することができる。また、先の低融点半田より熱伝導率は低いものの、放熱ゲル等の柔軟性を有する第１熱伝導材に較べて高い熱伝導率を有している。さらに、導電性接着剤は、低融点半田と異なり、半導体部品（背面放熱ＰＫＧ）の放熱面が金属でなく、ＰＫＧのモールド樹脂そのものであっても配置可能である。従って、金属材と電気絶縁性を保ったままで、熱だけ金属材へ逃がしたい場合等にも、この構成を採用することができる。
上記した半導体装置では、いずれも、柔軟性を有する第１熱伝導材として、放熱ゲルが用いられていた。上記した半導体装置の構造において、第１熱伝導材の機能は、半導体部品が発生する熱をヒートシンクの金属材に伝えると共に、半導体部品と回路基板の接合部に応力集中を起こさせないことにある。従って、この両機能を果たすうえで、セラミックスフィラーや金属フィラーを含有するゲル状物質の放熱ゲルは、好適な材料である。一般的に放熱ゲルのフィラーの使い分けは、絶縁性を要求する場合はセラミックスフィラーを選択し、絶縁性を要求しない場合は高熱伝導率の金属フィラーを用いる。しかしながら、これに限らず、例えば熱伝導率のよいゴム材であっても、両機能を果たすことができる。
上記半導体装置において、回路基板に搭載される複数の半導体部品は、例示したように、同一部品であってよい。また、これに限らず、高さの異なる半導体部品が混在していてもよい。
背面放熱ＰＫＧの半導体部品の代表例は、例えば、発熱量の大きいパワー半導体素子である。また、これに限らず、例えば、発熱量の大きいＩＣ等が混在していてもよい。
上記半導体装置における回路基板は、例示したように、安価であるが反り等が発生し易い、絶縁性の樹脂基板上に銅箔で回路パターンを形成したプリント基板であってよい。しかしながらこれに限らず、樹脂絶縁基材に配線層が多層に形成された多層回路基板や、セラミックを絶縁基材とするセラミック基板であってもよい。
また、上記半導体装置においてヒートシンクとして機能する金属材は、回路基板を収容する筐体であってよく、熱伝達のための中間金属を排除することで小型化が可能である。
以上のようにして、上記半導体装置は、回路基板に搭載された複数個の半導体部品（背面放熱ＰＫＧ）の放熱面に高さばらつきがあっても、十分な放熱性を確保することのできる小型の半導体装置とすることができる。
図６〜図８は、図１に示した半導体装置１０ａ，１０ｂの具体的な適用例として、ＥＰＳのモータと駆動制御装置が一体的に組みつけられる、機電一体型の駆動装置への適用例を示した図である。
図６（ａ）は、ＥＰＳのモータと駆動制御装置が一体的に組みつけられる、機電一体型の駆動装置１０ｅを簡略化して示した断面図である。また、図６（ｂ）は、ヒートシンクとなる金属材で、ＥＰＳのモータハウジング４ａの上面図である。尚、図６（ａ）に示す駆動装置１０ｅの構造と、図１に示した半導体装置１０ａ，１０ｂの構造とでは、図の上下方向の関係が逆転している。
図７は、図６（ａ）の駆動装置１０ｅで用いられる複数個の半導体部品１ｑを搭載したプリント基板２ｅを示す図で、図７（ａ）は、上面図であり、図７（ｂ）は、図中のＣ−Ｃ断面図であり、図７（ｃ）は、下面図である。
また、図８は、図６（ａ）に示した駆動装置１０ｅの半導体部品１ｑの周りを拡大して、より詳細に示した断面図である。図８（ａ）は、ＱＦＰ（Quad Flat Package）型の半導体部品１ｑａを用いた場合であり、図８（ｂ）は、ＢＧＡ（Ball Grid Array）型の半導体部品１ｑｂを用いた場合である。
図６（ａ）に示す機電一体型の駆動装置１０ｅにおいては、図７に示すように、発熱量の大きいパワー半導体素子（ＭＯＳトランジスタ）からなる同じ背面放熱ＰＫＧの半導体部品１ｑが、複数（図の例では１２）個、プリント基板２ｅの下面側に搭載されている。プリント基板２ｅの直径は、８０ｍｍ程度であり、半導体部品１ｑは、ピーク時において５Ｗ／個の発熱量がある。同じくプリント基板２ｅの下面側には、丈の低いセンサＩＣ部品Ｄ４が搭載される。一方、プリント基板２ｅの上面側には、制御用のＩＣ部品Ｄ１および丈の高い電解コンデンサＤ２やコネクタＤ３が搭載される。
より詳細には、図８（ａ）のＱＦＰ型の半導体部品１ｑａや図８（ｂ）のＢＧＡ型の半導体部品１ｑｂに示すように、背面放熱ＰＫＧの半導体部品は、半導体チップＳＣが金属からなる放熱板１２ｑａ，１２ｑｂ、リードフレームＬＦおよびボンディングワイヤＢＷと共に樹脂モールドされている。ＱＦＰ型の半導体部品１ｑａおよびＢＧＡ型の半導体部品１ｑｂのいずれにおいても、半導体チップＳＣは、放熱板１２ｑａ，１２ｑｂに接合（例えば高温半田付け）されている。そして、半導体チップＳＣの発生する熱は、放熱板１２ｑａ，１２ｑｂを介して、パッケージの外へ伝熱される。また、モールド樹脂部１１ｑａ，１１ｑｂから露出するリードフレームＬＦの端子が、半田３でプリント基板２ｅａ，２ｅｂに形成された配線パターンＰａ，Ｐｂに接続され、半導体部品１ｑａ，１ｑｂが、プリント基板２ｅａ，２ｅｂに搭載される。
図７（ｃ）と図８（ａ），（ｂ）に示すように、背面放熱ＰＫＧの半導体部品１ｑ，１ｑａ，１ｑｂは、金属からなる放熱板１２ｑ，１２ｑａ，１２ｑｂの放熱面がモールド樹脂部１１ｑ，１１ｑａ，１１ｑｂから露出する構造を有している。そして、図６（ａ）と図８（ａ），（ｂ）に示すように、各半導体部品１ｑ，１ｑａ，１ｑｂの放熱面には、前述した第２熱伝導材として、低融点半田６ａが配置されている。そして、放熱面上の低融点半田６ａとヒートシンクとして機能するモータハウジング４ａの間の隙間ＣＬが、複数個の半導体部品１ｑ，１ｑａ，１ｑｂに亘って一定に確保され、該隙間ＣＬに、前述した第１熱伝導材として、放熱ゲル５ａを介在させている。
図６（ａ）に示すように、複数個の半導体部品１ｑを搭載したプリント基板２ｅは、モータハウジング４ａに組み付けられて金属からなるカバー８が被せられ、モータハウジング４ａとカバー８とでプリント基板２ｅを収容する筐体が構成されている。
上記構造を有する図６〜図８に例示した機電一体型の駆動装置１０ｅについても、図１に示した半導体装置１０ａ，１０ｂと同様に、プリント基板２ｅ，２ｅａ，２ｅｂに搭載された複数個の半導体部品１ｑ，１ｑａ，１ｑｂに高さばらつきがあっても、十分な放熱性を確保できることは言うまでもない。このように、上記半導体装置は、機電一体で構成されるモータの制御装置としても好適である。また、前記モータは、特に小型化が要求される、車載用のモータであってよい。
１０ａ〜１０ｅ 半導体装置（駆動装置）
１ａ〜１ｑ，１ｑａ，１ｑｂ，Ａ〜Ｄ 半導体部品（背面放熱ＰＫＧ）
２ａ〜２ｅ，２ｅａ，２ｅｂ プリント基板（回路基板）
５ａ 放熱ゲル（第１熱伝導材）
６ａ 低融点半田（第２熱伝導材）
６ｂ 導電性接着剤（第２熱伝導材）
４，４ａ 金属材（ヒートシンク）
ＣＬ 隙間

Claims (13)

  1. 端子の露出面と反対側を放熱面とするパッケージの半導体部品（１ａ〜１ｑ）を、複数個、回路基板（２ａ〜２ｅ）に搭載し、
    前記複数個の半導体部品が発生する熱を、柔軟性を有する第１熱伝導材（５ａ）を介して、前記放熱面と対向する金属材（４，４ａ）に逃がす構造を有した半導体装置（１０ａ〜１０ｅ）であって、
    前記半導体部品の放熱面に、回路基板への搭載後において成形可能で、前記第１熱伝導材より高い熱伝導率を有した第２熱伝導材（６ａ，６ｂ）が配置されてなり、
    前記複数個の半導体部品において、前記第２熱伝導材と前記金属材の隙間（ＣＬ）が一定に確保されてなり、
    前記隙間に、前記第１熱伝導材を介在させる構造を有してなることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記放熱面が、金属からなり、
    前記第２熱伝導材が、前記半導体部品の最高許容温度より融点が高く、前記半導体部品の端子を前記回路基板に接続する半田（３）より融点が低い、低融点半田（６ａ）であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記放熱面が、長方形状であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記放熱面が、長方形の各辺に凹部（Ｋ）を有する形状であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  5. 前記第２熱伝導材が、導電性接着剤（６ｂ）であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  6. 前記第１熱伝導材が、セラミックスフィラーまたは金属フィラーを含有するゲル状物質の放熱ゲル（５ａ）であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記複数の半導体部品が、同一部品からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記半導体部品が、パワー半導体素子であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記回路基板が、絶縁性の樹脂基板上に銅箔で回路パターンを形成した、プリント基板（２ａ〜２ｅ）であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置。
  10. 前記金属材が、前記回路基板を収容する筐体であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の半導体装置。
  11. 前記半導体装置が、機電一体で構成されるモータの制御装置（１０ｅ）であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の半導体装置。
  12. 前記モータが、車載用のモータであることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
  13. 請求項２に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記半導体部品の端子を前記回路基板に半田で接続して、回路基板に前記複数個の半導体部品を搭載する部品搭載工程と、
    前記半導体部品の放熱面上に、前記低融点半田を塗布する半田塗布工程と、
    前記放熱面上に塗布された低融点半田を、前記金属材の伝熱面に倣った形状の面を有する加熱された型に接触させて溶融し、前記型の面に接触させたまま急冷して低融点半田を成形する半田成形工程と、
    前記成形後の低融点半田と前記金属材の間に前記第１熱伝導材を介在させて、前記回路基板と金属材を組み付ける組み付け工程とを有してなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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