JP2019062122A - パッケージ実装体 - Google Patents

Abstract

【課題】背面放熱型の半導体パッケージを備えるパッケージ実装体において、高放熱性を実現する。
【解決手段】半導体パッケージ２０が放熱ゲル３０を介して筐体部品４０に熱的に接続されているパッケージ実装体であって、モールド樹脂２６から露出するアイランド２１の裏面２１ｂと放熱ゲル３０との間に、放熱接着剤２７を介して裏面２１ｂよりも面積が広いヒートシンク２８が配置された構造とする。これにより、放熱ゲル３０において筐体部品４０へ熱を伝える部分の面積が広くなり、放熱ゲル３０の熱抵抗、ひいてはパッケージ実装体全体の熱抵抗が小さくなって、従来よりも放熱性の高い構造となる。また、放熱ゲル３０の厚みが部材の寸法誤差などによって厚くなっても、放熱性の低下が抑制される構造となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、背面放熱型のパッケージ実装体に関する。

従来より、この種のパッケージ実装体としては、例えば特許文献１に記載のものが挙げられる。特許文献１に記載のパッケージ実装体は、配線基板の一面上に半導体パッケージが搭載され、半導体パッケージのうち配線基板の一面と反対側の面が放熱ゲルを介して冷却部材である筐体部品に接続された構成とされている。つまり、特許文献１に記載のパッケージ実装体は、半導体パッケージと筐体部品との隙間を放熱ゲルで埋めた構造とされている。

ここで、上記の半導体パッケージは、金属製のアイランドの一面上に半導体素子がはんだなどを介して搭載され、該一面の反対側の他面が露出するように、モールド樹脂で封止された、いわゆる背面放熱型のハーフモールドタイプの構造とされている。そして、アイランドの他面は、放熱ゲルを介して筐体部品に接続されている。

また、半導体パッケージは、モールド樹脂で一部が覆われると共に、モールド樹脂で覆われる部分においてワイヤを介して半導体素子と電気的に接続されるリードを備えている。半導体素子は、リードのうちモールド樹脂より露出した部分であるアウターリードがはんだなどを介して配線基板上に接続されることで、配線基板と電気的に接続されている。

これにより、上記のパッケージ実装体は、半導体パッケージが配線基板とリードを介して電気的なやりとりが可能とされると共に、半導体素子から生じた熱がアイランドの他面側から放熱ゲルを介して筐体部品へと放熱される構成となる。

特開２０１７−０２８１３１号公報

ところで、放熱ゲルを介して上記のような半導体パッケージを筐体部品に接続する際、パッケージ実装体の各部品の厚み公差や配線基板との接続における公差等の制約によって、放熱ゲルの厚みが制御できない場合がある。

具体的には、放熱ゲルの厚みは、筐体部品のうち配線基板の一面上に搭載された半導体パッケージと向き合う面と配線基板の一面との該一面に対する法線方向における寸法から、半導体パッケージの該法線方向における寸法を引いて得られる寸法となる。そのため、半導体パッケージや筐体部品などの部品自体の寸法の公差や半導体パッケージを配線基板上にはんだ等により搭載する際の位置ズレなどによって、放熱ゲルの厚みが変動してしまう。このような理由により放熱ゲルの厚みが厚くなると、半導体素子の熱を半導体素子側から筐体部品側へ放熱するに際して、放熱ゲルから筐体部品への放熱が律速となり、半導体パッケージ全体の熱抵抗が大きくなってしまう。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、背面放熱型の半導体パッケージの背面が冷却部材と熱的に接続された構造であって、従来よりも熱抵抗が小さく、放熱性の高いパッケージ実装体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載のパッケージ実装体は、半導体パッケージ（２０）と、放熱ゲル（３０）と、放熱ゲルを介して半導体パッケージと接続された筐体部品（４０）と、を備えるパッケージ実装体であって、半導体パッケージは、表面（２１ａ）と裏面（２１ｂ）とを有するアイランド（２１）と、表面上に搭載された半導体素子（２３）と、半導体素子と電気的に接続された複数のリード（２４）と、アイランドの一部、半導体素子およびリードの一部を覆うモールド樹脂（２６）と、裏面と向き合う一面（２８ａ）を有し、放熱接着剤（２７）を介してアイランドと接続されたヒートシンク（２８）と、を備える。このような構成において、アイランドの裏面は、モールド樹脂より露出しており、ヒートシンクは、放熱ゲルを介して筐体部品と接続されると共に、一面の面積が該裏面の面積よりも広い。

これにより、半導体素子から生じた熱がヒートシンクにおいてアイランドの面積より広い面積に拡散した後に、放熱ゲルを介して筐体部品に熱が伝導される構造、すなわち放熱ゲルにおいて筐体部品へ熱を伝える面積が広くなる構造のパッケージ実装体となる。つまり、アイランドと筐体部品との間にヒートシンクを備えない従来のパッケージ実装体（以下、単に「従来のパッケージ実装体」という）よりも放熱ゲルの熱抵抗が下がり、パッケージ実装体全体での熱抵抗が低い、すなわち放熱性の高いパッケージ実装体となる。また、放熱ゲルにおいて筐体部品へ熱を伝える面積が広くなるため、寸法公差により放熱ゲルの厚みが厚くなったとしても放熱ゲルの熱抵抗が大きくなることが抑制される構造となる。

請求項５に記載のパッケージ実装体は、半導体パッケージ（８０）と、放熱ゲル（３０）と、放熱ゲルを介して半導体パッケージと接続された筐体部品（４０）と、を備えるパッケージ実装体であって、半導体パッケージは、一面（７０ａ）と他面（７０ｂ）とを有するアイランド（７０）と、一面上に搭載された半導体素子（２３）と、半導体素子と電気的に接続された複数のリード（７２）と、アイランドの一部、半導体素子およびリードの一部を覆うモールド樹脂（２６）と、を有する。このような構成において、アイランドは、一面に対する法線方向から見て、半導体素子に向かって凹んだ凹部（７１）が形成されており、他面は、モールド樹脂より露出すると共に、放熱ゲルを介して筐体部品と接続されており、リードのうち半導体素子側の一端（７２ａ）は、法線方向から見て、凹部に入り込む配置とされている。

上記によれば、半導体素子から生じた熱が従来のパッケージ実装体よりも広い面積とされたアイランドで拡散された後に、放熱ゲルを介して筐体部品に放熱される構造、すなわち放熱ゲルから筐体部品に熱が伝わる面積が広くなる構造のパッケージ実装体となる。これにより、従来のパッケージ実装体よりもパッケージ実装体全体での熱抵抗が低く、放熱性の高いパッケージ実装体となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

配線基板上に搭載された第１実施形態のパッケージ実装体を示す断面図である。 第１実施形態のパッケージ実装体のうち半導体パッケージを半導体素子側から見たときの平面模式図である。 熱抵抗のシミュレーションにおける第１実施形態のパッケージ実装体に相当するモデル構造を示す斜視図である。 熱抵抗のシミュレーションにおける従来のパッケージ実装体に相当するモデル構造を示す斜視図である。 第１実施形態のパッケージ実装体において、ヒートシンクが放熱接着剤から受けた熱を放熱ゲルへ伝える様子を示す模式図である。 配線基板上に搭載された第２実施形態のパッケージ実装体を示す断面図である。 第２実施形態のパッケージ実装体のうち半導体パッケージを半導体素子側から見たときの平面模式図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態のパッケージ実装体Ｐ１について、図１、図２を参照して述べる。パッケージ実装体Ｐ１は、例えば、自動車などの車両に搭載され、車両用の各種装置を駆動するためのパッケージ実装体として適用されるものである。図２では、平面レイアウトを分かり易くするため、後述する半導体パッケージ２０のうちアイランド２１、半導体素子２３、リード２４、ワイヤ２５およびモールド樹脂２６以外の構成要素を省略し、モールド樹脂２６を一点鎖線で示している。

パッケージ実装体Ｐ１は、図１に示すように、半導体パッケージ２０と、放熱ゲル３０と、筐体部品４０とを備える。パッケージ実装体Ｐ１は、例えば、図１に示すように、はんだなどによりなる接合材５０を介して配線基板１０などの上に搭載されて使用される。

なお、配線基板１０は、図示しない回路配線や電極パッドなどが設けられており、半導体パッケージ２０などの電子部品が搭載される基板である。

半導体パッケージ２０は、図１に示すように、アイランド２１と、接合材２２と、半導体素子２３と、リード２４と、ワイヤ２５と、モールド樹脂２６と、放熱接着剤２７と、ヒートシンク２８とを備える。

アイランド２１は、図１に示すように、表裏の関係にある表面２１ａと裏面２１ｂとを有する板状とされ、例えばＣｕ、Ｆｅなどの金属材料などにより構成される。アイランド２１の表面２１ａには、図１もしくは図２に示すように、接合材２２を介して半導体素子２３が搭載されている。アイランド２１の裏面２１ｂは、図１に示すように、モールド樹脂２６から露出している。

接合材２２は、アイランド２１上に半導体素子２３を搭載するためのもの、例えばダイボンディング材として一般的なはんだや銀ペーストなどが用いられる。

半導体素子２３は、例えばＭＯＳトランジスタやＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などであり、主としてＳｉなどの半導体材料によって構成される。半導体素子２３は、任意の半導体プロセスにより作製される。半導体素子２３は、図１もしくは図２に示すように、例えば矩形板状とされ、アイランド２１の反対側の一面２３ａに図示しない電極パッドが形成されており、ワイヤ２５を介してリード２４の一部と電気的に接続されている。なお、半導体素子２３は、図２に示すように、アイランド２１の表面２１ａ内に収まるように配置されている。

リード２４は、アイランド２１と共にリードフレームを構成するものであり、例えば、アイランド２１を構成する金属材料と同じ材料により構成される。リード２４は、例えば、アイランド２１を構成する金属材料よりなる金属板をプレス加工することによって、アイランド２１と共に複数成形される。

ワイヤ２５は、例えば、Ａｕなどの金属材料によりなるワイヤであり、図１もしくは図２に示すように、ワイヤボンディングにより半導体素子２３とリード２４とにそれぞれ接続される。

モールド樹脂２６は、例えば、モールド材料として典型的なエポキシ樹脂などによりなり、トランスファー成形等により形成される。モールド樹脂２６は、図１に示すように、アイランド２１のうち裏面２１ｂと異なる部分、接合材２２、半導体素子２３、リード２４の一部およびワイヤ２５を覆っている。

放熱接着剤２７は、図１に示すように、アイランド２１の裏面２１ｂとヒートシンク２８との間を埋めるように配置され、これらの部材を熱的に接続している。放熱接着剤２７は、アイランド２１とヒートシンク２８とを電気的に絶縁し、半導体パッケージ２０から筐体部品４０へのリーク電流が生じないようにする観点から、例えば絶縁性のシリコーン系接着剤によって構成されることが好ましい。

放熱接着剤２７は、パッケージ実装体全体の熱抵抗（単位：Ｋ／Ｗ）を下げる観点から、裏面２１ｂに対する法線方向（以下「裏面法線方向」という）における厚み（以下、単に「厚み」という）が、放熱ゲル３０の厚みよりも薄くされている。放熱接着剤２７の厚みが放熱ゲル３０の厚みよりも厚いと、放熱接着剤２７が放熱の律速となってしまうためである。例えば、限定するものではないが、放熱接着剤２７の厚みは、後述する放熱ゲル３０の厚みが０．５ｍｍ程度とされているのに対して、０．１ｍｍ程度とされる。

なお、ここでいう「熱抵抗」とは、半導体素子２３から筐体部品４０に向かう方向における熱伝導抵抗を意味する。以下の説明における「熱抵抗」についても同様である。

ヒートシンク２８は、例えば、図１に示すように、表裏の関係にある一面２８ａと他面２８ｂとを有する板状とされ、一面２８ａがアイランド２１の裏面２１ｂ側を向くように配置されている。ヒートシンク２８は、放熱性の向上の観点から、例えばＣｕなどの熱伝導率の高い金属材料またはその合金などによって構成される。ヒートシンク２８は、一面２８ａの面積がアイランド２１の裏面２１ｂの面積よりも広くされている。

ヒートシンク２８は、放熱ゲル３０が筐体部品４０へ熱を受け渡す面積を広くし、放熱ゲル３０ひいてはパッケージ実装体Ｐ１の熱抵抗を小さくするために用いられる部材である。具体的には、ヒートシンク２８は、半導体素子２３の駆動による熱をアイランド２１の裏面２１ｂの面積よりも広い面積に拡散させ、その熱が放熱ゲル３０に伝わる面積、ひいては放熱ゲル３０が筐体部品４０へその熱を伝える面積を大きくする機能を果たす。ヒートシンク２８による放熱ゲル３０の熱抵抗およびパッケージ実装体Ｐ１の熱抵抗の低減効果については、後ほど詳しく述べる。

なお、ヒートシンク２８は、裏面法線方向から見たときの平面方向における熱伝導に優れた材料により構成されていればよく、上記の例に限られず、他の金属材料やその合金などで構成されていてもよい。

ヒートシンク２８は、冷熱サイクルなどの環境における半導体パッケージ２０の信頼性向上の観点から、モールド樹脂２６の線膨張係数と同じもしくはそれに近い材料により構成されることが好ましい。具体的には、ヒートシンク２８、モールド樹脂２６の線膨張係数をそれぞれα、βとして、例えば、βが１４ｐｐｍ／Ｋである場合、αは、βと同じ１４ｐｐｍ／Ｋもしくはこれに近い１０〜１８ｐｐｍ／Ｋの範囲内とすることが好ましい。言い換えると、α／βは、０．７〜１．３の範囲内とされることが好ましい。

なお、モールド樹脂２６は、エポキシ樹脂などにＳｉＯ_２などの酸化物を含む構成とするなどの任意の方法により、ヒートシンク２８の線膨張係数αに対応して、その線膨張係数βが適宜調整されてもよい。

このような構成とされた半導体パッケージ２０は、図１に示すように、ヒートシンク２８が放熱ゲル３０を介して筐体部品４０に接続されている。なお、半導体パッケージ２０は、例えば、ＳＯＰ（Small Outline Packageの略）やＱＦＰ（Quad Flat Packageの略）のようなパッケージ構造とされるが、他のパッケージ構造とされてもよい。

放熱ゲル３０は、図１に示すように、ヒートシンク２８と筐体部品４０との間を埋めるように配置され、半導体素子２３からヒートシンク２８に伝わった熱を筐体部品４０に放熱するものであり、例えばシリコンゲルなどにより構成される。放熱ゲル３０は、例えばディスペンサーなどにより半導体パッケージ２０のうちヒートシンク２８上に塗布され、その後、筐体部品４０が載せられた結果、これらの部材を熱的に接続することとなる。そのため、放熱ゲル３０は、その厚みが配線基板１０の一面１０ａと筐体部品４０との寸法から、半導体パッケージ２０の厚みの寸法を引いて得られる寸法となる。つまり、放熱ゲル３０の厚みは、半導体パッケージ２０や筐体部品４０の寸法の公差などにより変動し、例えば０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の範囲内とされる。

筐体部品４０は、図１に示すように、放熱ゲル３０に接して配置されており、放熱ゲル３０から伝わった熱を外部へ放熱する冷却部材であり、例えば、主としてアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属材料もしくはその合金によって構成される。筐体部品４０は、必要に応じて表面積を広くして放熱性を高めるための放熱フィンが形成されてもよい。

以上が、パッケージ実装体Ｐ１の構成である。次に、パッケージ実装体Ｐ１の製造方法の一例について述べるが、下記に限られるものではない。また、パッケージ実装体Ｐ１の製造工程のうち放熱接着剤２７およびヒートシンク２８を用いること以外の工程については、任意のパッケージ実装体の製造工程を採用できるため、ここでは、簡単に説明する。

まず、例えば、銅などの金属材料によりなり、アイランド２１とリード２４とを備えるリードフレームと、ＭＯＳトランジスタなどを備える半導体素子２３とを用意し、はんだ付けにより半導体素子２３をアイランド２１の表面２１ａ上に搭載する。その後、例えば、Ａｕなどによりなるワイヤ２５を用いてワイヤボンディングにより、半導体素子２３とリード２４とを電気的に接続する。

次いで、例えば、上型と下型によりなる金型を用意し、当該金型内に半導体素子２３が搭載され、リード２４とワイヤボンディングされた上記のリードフレームをセットする。その後、例えば、アイランド２１の裏面２１ｂを当該金型のキャビティの内壁面に接触させたまま、当該金型内にモールド樹脂２６の原料であるエポキシ樹脂を流し込み、当該エポキシ樹脂を加熱硬化させてモールド樹脂２６を形成する。そして、当該金型からモールド樹脂２６が形成されたワークを離型することで、裏面２１ｂがモールド樹脂２６から露出したハーフモールド構造となる。

その後、上記のワークのうちアイランド２１の裏面２１ｂに、例えば、ディスペンサーなどにより放熱接着剤２７としてシリコーン系樹脂を塗布し、この上に銅などの金属材料によりなるヒートシンク２８を載せ、ワークとヒートシンク２８とを接着させる。これにより、半導体パッケージ２０を作製することができる。

続けて、半導体パッケージ２０のうちヒートシンク２８上に、例えば、放熱ゲル３０としてシリコンゲルをディスペンサーなどにより塗布し、アルミニウムなどの金属材料によりなる筐体部品４０をこの上に載せる。これにより、放熱ゲル３０を介して半導体パッケージ２０が筐体部品４０と熱的に接続される。このようにして、パッケージ実装体Ｐ１を製造することができる。

次に、本実施形態のパッケージ実装体Ｐ１に至った経緯について説明する。本発明者らによる従来のパッケージ実装体における熱抵抗低減の検討によれば、実装体の熱抵抗は、半導体素子を搭載するアイランドの面積が該半導体素子の面積と同じである場合、該アイランドの面積が該発熱体の面積より大きい場合よりも大きかった。この現象を踏まえ、本発明者らは、鋭意検討をしたところ、放熱ゲルがアイランドから熱を受ける面積、ひいては当該熱を筐体部品に伝える面積が小さくなることで、放熱ゲルの熱抵抗、ひいてはパッケージ実装体全体の熱抵抗が大きくなることを突き止めた。

ここで、熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）がλ、熱が伝わる長さ、すなわち厚み（ｍ）がｔ、他の部材や空気などに熱を伝える部分の面積（ｍ^２）がＡである任意の部材における熱抵抗Ｒは、下記の式（１）により求められる。

Ｒ＝ｔ／（λ×Ａ）・・・式（１）
熱抵抗Ｒは、任意の部材における熱の伝わりにくさを示す指標であり、その数値が小さいほど放熱性が高いことを意味する。そのため、式（１）によれば、任意の部材における熱抵抗Ｒは、厚みｔが厚くなるほど大きくなり、他の部材等に熱を伝える面積Ａが広いほど小さくなる。熱伝導率λは、物質固有の値であるため、任意の部材を構成する材料に依存する。以上を踏まえ、本発明者らは、放熱ゲル３０の厚みが寸法公差により厚くなったとしてもその熱抵抗が大きくなることを抑制するため、放熱ゲル３０が筐体部品４０に熱を伝える面積が広くなる構造のパッケージ実装体Ｐ１を考案するに至った。

次に、パッケージ実装体Ｐ１における熱抵抗の低減効果について、実施例１、２および比較例１、２並びに図３、図４を参照して説明する。

図３、図４に示すモデル構造Ｍ１、Ｍ２は、後述するシミュレーションにおける熱抵抗の計算に寄与しないリード２４、ワイヤ２５およびモールド樹脂２６もしくはこれらに相当する構成要素を有しない構成である。また、図３、図４では、断面を示すものではないが、その構成要素同士を区別しやすくするため、一部の構成要素にハッチングを施している。さらに、図３、図４では、説明の簡素化のため、便宜的に、紙面の左右方向をＸ方向とし、半導体素子の一面のなす平面と平行な平面上においてＸ方向と直交する方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向のなす平面に対して直交する方向をＺ方向としている。

なお、モデル構造Ｍ２は、図４に示すように、半導体素子６０と、接合材６１と、アイランド６２と、放熱ゲル６３と、筐体部品６４とを備える。モデル構造Ｍ２は、図４に示すように、放熱接着剤２７およびヒートシンク２８を有しておらず、アイランド６２と筐体部品６４とが放熱ゲル６３を介して接続され、放熱ゲル６３の面積がアイランド６２のそれと同じとされている。

まず、熱抵抗のシミュレーションにおける実施例１、２および比較例１、２の寸法を表１に示す。以下の説明において、便宜的に、Ｘ方向の寸法を「幅」、Ｙ方向の寸法を「奥行」、Ｚ方向の寸法を「厚み」という。

なお、表１では、各構成要素の寸法を「幅×奥行×厚み」の形式で示しており、その単位はｍｍである。

表１に示すように、実施例１および比較例１、並びに実施例２および比較例２は、相違する構造の部分を除き、その幅、奥行きおよび厚みが同一とされている。実施例２および比較例２は、実施例１および比較例１よりも各構成要素の寸法が一回り大きくされている。また、実施例１、２は、ヒートシンク２８が介在したことに伴い、放熱ゲル３０の幅と奥行きが、比較例１、２の放熱ゲル６３の幅と奥行よりも大きくされている。

次に、実施例１、２および比較例１、２について、各部材およびパッケージ実装体全体の熱抵抗のシミュレーションを行った結果を表２に示す。

なお、シミュレーションにおいては、半導体素子２３、６０がシリコン、接合材２２、６１がはんだ、アイランド２１、６２およびヒートシンク２８が銅、放熱接着剤２７がシリコーン系樹脂で構成された場合を想定している。また、シミュレーションにおいては、放熱ゲル３０、６３がシリコンゲル、筐体部品４０、６４がアルミニウムで構成された場合を想定している。また、表２の熱抵抗のうち「−」との記載は、比較例１、２に放熱接着剤２７およびヒートシンク２８に相当する部材がなく、その熱抵抗が存在しないことを意味する。

表２に示すように、放熱接着剤２７およびヒートシンク２８を有しない構造である比較例１は、放熱ゲル６３の熱抵抗が１３．１５Ｋ／Ｗであった。これに対して、実施例１は、放熱ゲル３０の熱抵抗が４．７３Ｋ／Ｗであり、比較例１の放熱ゲル６３よりもその熱抵抗が小さかった。また、比較例１のモデル構造Ｍ２全体の熱抵抗が１６．９６Ｋ／Ｗであるのに対して、実施例１のモデル構造Ｍ１全体の熱抵抗は、１０．５４Ｋ／Ｗであった。

熱抵抗の低減効果として、半導体素子２３、６０の消費電力および筐体部品４０、６４のうち半導体素子２３、６０と反対側の面における表面温度を所定の値にした際の半導体素子２３、６０の表面温度をシミュレーションにて算出した。具体的には、筐体部品４０、６４の表面温度１２５℃とし、半導体素子２３、６０の消費電力を２Ｗとして、実施例１および比較例１の半導体素子２３、６０のうち筐体部品４０、６４の反対側の面における温度を算出した。その結果、比較例１の半導体素子６０の温度が１５８℃であるのに対して、実施例１の半導体素子２３の温度が１４６℃であったことから、実施例１のパッケージ実装体は、比較例１に比べて放熱性が高い構造であることが判明した。

また、表２に示すように、比較例２は、放熱ゲル６３の熱抵抗が３．５６Ｋ／Ｗであった。これに対して、実施例２は、放熱ゲル３０の熱抵抗が１．３５Ｋ／Ｗであり、比較例２の放熱ゲル６３の熱抵抗よりもその熱抵抗が小さかった。また、比較例２のモデル構造Ｍ２全体の熱抵抗が３．８１Ｋ／Ｗであるのに対して、実施例２のモデル構造Ｍ１全体の熱抵抗は、２．２８Ｋ／Ｗであった。

また、筐体部品４０、６４の表面温度１２５℃とし、半導体素子２３、６０の消費電力を５．５Ｗとして、実施例２および比較例２の半導体素子２３、６０の温度を算出した。その結果、比較例２の半導体素子６０の温度が１４６℃であるのに対して、実施例２の半導体素子２３の温度は１３７℃であった。

この結果から、実施例１よりも一回り寸法が大きい実施例２についても、放熱接着剤２７およびヒートシンク２８を備えることで、放熱ゲル３０、ひいてはパッケージ実装体Ｐ１全体の熱抵抗が小さくなり、その放熱性を高めることができることが判明した。

これらの結果は、アイランド２１と放熱ゲル３０との間に放熱接着剤２７およびヒートシンク２８が配置された構造とされることによって放熱ゲル３０の熱抵抗を小さくでき、ひいてはパッケージ実装体Ｐ１全体の熱抵抗が下がる構造となることを示している。言い換えると、半導体パッケージ２０全体の熱抵抗が放熱接着剤２７およびヒートシンク２８の熱抵抗により大きくなっても、その増加分以上に放熱ゲル３０の熱抵抗を小さくでき、パッケージ実装体Ｐ１全体の熱抵抗を小さくできることを示している。実施例１、２の放熱ゲル３０の熱抵抗が小さくなった要因は、ヒートシンク２８により放熱ゲル３０が熱を受ける面積、ひいては放熱ゲル３０が筐体部品４０へ熱を伝える面積が広くなったことによると考えられる。

次に、放熱ゲル３０の熱抵抗が小さくなった要因の詳細について、実施例１および比較例１を例に表３を参照して説明する。

なお、表３における「受熱面積」（単位：ｍｍ^２）とは、パッケージ実装体のうちある構成要素が、半導体素子側において隣接する他の構成要素から半導体素子で生じた熱を受け取る面積をいう。表３における「伝熱面積」（単位：ｍｍ^２）とは、パッケージ実装体のうちある構成要素が、筐体部品側において隣接する他の構成要素へ半導体素子で生じた熱を伝える面積をいう。例えば、アイランド２１の場合、当該アイランド２１が半導体素子２３側において隣接する接合材２２から熱を受け取る面積が受熱面積となり、筐体部品４０側において隣接する放熱接着剤２７へ熱を伝える面積が伝熱面積となる。

実施例１および比較例１は、半導体素子、接合材およびアイランドの材質や寸法等が同一であるため、表３に示すように、アイランドの受熱面積および伝熱面積が同じである。実施例１は、アイランド２１と放熱ゲル３０との間に放熱接着剤２７およびヒートシンク２８を介しており、アイランド２１の熱がヒートシンク２８により広げられることとなる。その結果、実施例１は、放熱ゲル３０の受熱面積および伝熱面積が８１ｍｍ^２となり、放熱ゲル３０の熱抵抗が４．７３Ｋ／Ｗとなる。

これに対して、比較例１は、放熱ゲル６３の受熱面積および伝熱面積が２９．１６ｍｍ^２と狭く、その熱抵抗が大きい。これは、比較例１では、アイランド６２と放熱ゲル６３とが直接接続されており、アイランド６２の面積以上に半導体素子６０の熱が広がらないためである。

この結果は、アイランド２１と放熱ゲル３０との間にヒートシンク２８を介在させ、放熱ゲル３０の伝熱面積を広げることで、放熱ゲル３０の熱抵抗を小さくできることを示している。この傾向は、実施例２および比較例２についても同様であった。

ここで、受熱面積から伝熱面積を算出する方法の一例について、図５を参照して説明する。

図５では、一例としてヒートシンク２８における熱の広がりを示しているが、分かり易くするため、パッケージ実装体Ｐ１のうちアイランド２１、放熱接着剤２７およびヒートシンク２８以外の構成要素については省略している。図５では、放熱接着剤２７から受けた熱が放熱ゲル３０に向けて広がる角度をθとし、ヒートシンク２８内において熱が角度θに沿って広がる部分の辺、すなわち斜辺の長さをＬとしている。また、図５では、ヒートシンク２８のＺ方向における厚みをｔ１とし、ヒートシンク２８のうち一面２８ａの反対面である他面２８ｂにおいて熱が広がった部分の長さをΔＸとしている。さらに、図５では、紙面左右方向をＸ方向とし、紙面平面上にてＸ方向と直交する方向をＺ方向とし、ＸＺ平面に直交する方向をＹ方向としている。

図５に示すように、ヒートシンク２８は、放熱接着剤２７から一面２８ａに熱を受け、この一面２８ａにて熱を受けた部分、すなわち受熱部からその熱を他面２８ｂ側に拡散しながら伝達する。一面２８ａで受けた熱は、ヒートシンク２８内で拡散して他面２８ｂに到達するため、他面２８ｂでは受熱部の面積、すなわち受熱面積以上に広範囲に広がっている。図５に示すように、他面２８ｂのうちＸ方向において受熱部以上に熱が広がった部分がΔＸであり、このΔＸを算出することでヒートシンク２８が放熱ゲル３０に熱を伝える部分の面積、すなわち伝熱面積を求めることができる。なお、シミュレーションでは材質が均一である条件で行っており、Ｙ方向における熱の広がりがＸ方向におけるそれと同じとして、ヒートシンク２８や他の部材の伝熱面積を算出している。

ヒートシンク２８におけるΔＸを算出するには、図５に示す斜辺の長さＬを算出する必要がある。この斜辺の長さＬは、ヒートシンク２８を構成する材料の熱伝導率によって左右されるが、ヒートシンク２８の厚みｔ１に熱伝導率と熱の拡散係数とを乗じて得られた数値を足すことで得られる。こうして得られた斜辺の長さＬと厚みｔ１とのなすarccosθを算出することにより、図５に示す熱の広がる角度θを求めることができる。そして、厚みｔ１にtanθを乗じることにより、ΔＸを算出できる。

実施例１を例に挙げると、ヒートシンク２８の熱伝導率が２６１Ｗ／ｍＫ、熱の拡散係数が０．０３５５、厚みｔ１が０．５ｍｍである場合、上記の算出法によれば、熱の広がる角度θは８４．４°となる。そして、ΔＸは、厚みｔ１（０．５ｍｍ）と熱の広がる角度θ（８４．４°）とにより、５．１３ｍｍとなる。

ヒートシンク２８の受熱部のＸ方向における寸法にΔＸを足したものが、伝熱部のＸ方向における寸法である。伝熱部のＹ方向における寸法についても上記と同様の算出法により得ることができる。そして、ヒートシンク２８の一面２８ａにおける受熱部の寸法は、表１に示す放熱接着剤２７のＸＹ寸法と同じであり、幅が４．７ｍｍ、奥行が４．０ｍｍである。ただ、ヒートシンク２８の伝熱部の寸法は、計算上では幅が９．８３ｍｍ、奥行が９．１３ｍｍとなるが、ヒートシンク２８の他面２８ｂのＸＹ寸法が上限のため、実際には幅および奥行が９．０ｍｍとなる。そのため、ヒートシンク２８の伝熱面積は、８１ｍｍ^２となる。他の部材についても上記と同様に算出することができる。

なお、ヒートシンク２８は、上記の伝熱面積のシミュレーションによれば、放熱ゲル３０における熱抵抗を低減する観点から、幅：奥行：厚みの寸法比率が１０：１０：１とされることが好ましい。

ところで、従来のパッケージ実装体において、裏面法線方向から見た筐体部品６４の面積を広くすれば、パッケージ実装体全体の熱抵抗が小さくなり、その放熱性が大きく高まるように思える。しかしながら、この場合、放熱ゲル６３がアイランド６２から半導体素子６０からの熱を受ける面積が大きくなるわけではため、放熱ゲル６３の熱抵抗は小さくならない。また、筐体部品６４は、表２に示すように、その熱抵抗が放熱ゲル６３の熱抵抗に比べて１／１００未満であるため、これ以上その熱抵抗を小さくしても、パッケージ実装体全体の熱抵抗低減に対する寄与が小さい。

これに対して、パッケージ実装体Ｐ１は、アイランド２１と放熱ゲル３０との間に放熱接着剤２７およびヒートシンク２８をあえて介在させ、放熱ゲル３０の熱抵抗を大きく低減できる構造とされている。そのため、パッケージ実装体Ｐ１は、従来のパッケージ実装体よりも全体の熱抵抗が小さくなり、その放熱性が高い。

本実施形態によれば、ヒートシンク２８により半導体素子２３からの熱を受ける面積が広くなることで、パッケージ実装体全体の熱抵抗が従来よりも小さくなり、放熱性が高い構造となる。また、仮に放熱ゲル３０の厚みが寸法公差等により厚くなった場合であっても、ヒートシンク２８がアイランド２１と放熱ゲル３０との間に介在しているため、放熱ゲル３０が厚くなることによるパッケージ実装体全体の熱抵抗が大きくなることが抑制される。

なお、パッケージ実装体Ｐ１は、従来の半導体パッケージを寸法などの規格を変えることなく、放熱接着剤２７およびヒートシンク２８を後付けしたものを半導体パッケージ２０として用いられてもよい。つまり、パッケージ実装体Ｐ１は、従来の半導体パッケージを活用して製造されることもできる構造のため、寸法等の規格を必要以上に変えることなく製造しやすい利点も期待される。また、半導体素子２３と筐体部品４０との間にヒートシンク２８を配置した構造であるため、半導体素子２３を駆動させる際に生じるノイズがヒートシンク２８に遮蔽されることで低減され、耐ノイズ性が向上する効果も期待される。

（第２実施形態）
第２実施形態のパッケージ実装体Ｐ２について、図６、図７を参照して述べる。図７は、パッケージ実装体Ｐ２の構成要素の１つである半導体パッケージ８０を、後述する該半導体パッケージ８０の構成要素であるアイランド７０の一面７０ａに対する法線方向から見たときの平面模式図である。図７では、構成を分かり易くするため、リード７２の数を少なくデフォルメした半導体パッケージ８０を示すと共に、モールド樹脂２６の外郭線を一点鎖線で示している。

パッケージ実装体Ｐ２は、図６に示すように、半導体パッケージ８０と、放熱ゲル３０と、放熱ゲル３０を介して半導体パッケージ８０と熱的に接続された筐体部品４０と、を備え、例えば配線基板１０などの上に搭載されて使用される。パッケージ実装体Ｐ２は、半導体パッケージ８０の構成が上記第１実施形態で述べた半導体パッケージ２０の構成と一部異なっている。

具体的には、半導体パッケージ８０は、図６に示すように、一面７０ａを有するアイランド７０と、複数のリード７２と、接合材２２と、接合材２２を介して一面７０ａ上に搭載された半導体素子２３と、ワイヤ２５と、モールド樹脂２６と、を備える。半導体パッケージ８０は、アイランド７０の他面７０ｂがモールド樹脂２６から露出すると共に、他面７０ｂが放熱ゲル３０を介して筐体部品４０と熱的に接続されている。また、アイランド７０の他面７０ｂの面積は、上記第１実施形態におけるアイランド２１の裏面２１ｂの面積よりも広くされている。

つまり、本実施形態のパッケージ実装体Ｐ２は、半導体パッケージ８０が放熱接着剤２７およびヒートシンク２８を有しない構成とされると共に、アイランド７０が放熱ゲル３０を介して筐体部品４０と接続されている点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。

アイランド７０は、複数のリード７２と共にリードフレームを構成するものであり、図６もしくは図７に示すように、表裏の関係にある一面７０ａと他面７０ｂとを有し、例えば略矩形板状とされている。アイランド７０は、図６に示すように、一面７０ａ上に接合材２２を介して半導体素子２３が搭載されている。アイランド７０は、図７に示すように、一面７０ａに対する法線方向（以下「一面法線方向という」）から見て、四辺のそれぞれにアイランド７０の中心側に向かって凹んだ凹部７１が形成されている。

アイランド７０は、図６に示すように、他面７０ｂがモールド樹脂２６から露出すると共に、他面７０ｂが放熱ゲル３０を介して筐体部品４０と熱的に接続されている。アイランド７０は、図６に示すように、パッケージ実装体Ｐ２全体の熱抵抗を下げる観点から、他面７０ｂの面積が、半導体素子２３の他面２３ｂの面積よりも広く、上記第１実施形態でいうヒートシンク２８と同程度の面積とされている。

凹部７１は、一面法線方向から見て、複数のリード７２のうちアイランド７０の外郭線から半導体素子２３側へ突き出した部分である一端７２ａに対応しており、該一端７２ａの寸法と同じもしくはそれ以上に凹んだ部分である。凹部７１は、アイランド７０とリード７２とが一枚の金属板にプレスなどによる打ち抜きおよび押出しの加工を施すことにより成形される際に形成される。

具体的には、一面法線方向から見て、アイランド７０の外郭線の外側にリード７２を配置する場合において、アイランド７０の面積を単に広くしたとき、リード７２は、必要以上に半導体素子２３から遠い位置に配置されてしまう。この場合、半導体パッケージ８０が必要以上に大きくなってしまうため、パッケージ実装体Ｐ２を有するデバイス全体の小型化や高機能化の観点から好ましくない。そこで、リード７２は、一面法線方向から見て、凹部７１が形成されない場合におけるアイランド７０の外郭線となる部分から内側に一端７２ａが突き出るように配置されるように、打ち抜き加工により形成される。凹部７１は、このようにしてアイランド７０に形成される。

なお、アイランド７０は、図７に示すように、一面法線方向から見て、角に相当する部分にアイランド７０とリード７２とを半導体パッケージ８０の形成工程の途中まで繋ぐ吊りリードが形成されている。この吊りリードは、モールド樹脂２６の形成後に、プレス打ち抜き加工などによりモールド樹脂２６の外郭に沿って切断され、最終的にはリード７２と分離される。

リード７２は、図７に示すように、一面法線方向から見て半導体素子２３の周囲に複数配置され、ワイヤ２５を介して半導体素子２３と電気的に接続されている。リード７２は、アイランド７０が広面積となるように形成されたことに伴って、一面法線方向から見てアイランド７０の四辺の内側に一部が突き出た配置とされている。言い換えると、リード７２のうち一端７２ａは、一面法線方向から見て、アイランド７０の外郭線のうち凹部７１を除く部分に囲まれた領域の内側に配置されている。

以上が、半導体パッケージ８０の主な特徴点、すなわち上記第１実施形態で述べた半導体パッケージ２０との主な相違点である。

次に、アイランド７０および放熱ゲル３０の面積と半導体素子２３の面積との関係およびその効果について説明する。

アイランド７０は、一面法線方向から見て、放熱ゲル３０への伝熱面積を広げて放熱ゲル３０の熱抵抗を小さくし、放熱性の高いパッケージ実装体Ｐ２とするため、他面７０ｂの面積が半導体素子２３の他面２３ｂの面積よりも広くされている。また、放熱ゲル３０は、他面７０ｂの面積と同等もしくはそれ以上の面積とされている。

具体的には、半導体素子２３の他面２３ｂの面積を１とした場合、アイランド７０の他面７０ｂの面積は、少なくとも３以上とされることが好ましい。また、この場合、アイランド７０の厚みは、０．１５ｍｍ以上とされることが好ましい。これにより、アイランド７０を広く、かつ所定以上の厚みとしない場合に比べて、放熱ゲル３０の受熱面積が２倍以上、放熱ゲル３０の熱抵抗が６割以下となってパッケージ実装体全体の放熱性が高くなるためである。なお、放熱ゲル３０は、アイランド７０の他面７０ｂにおける伝熱面積以上に当該他面７０ｂと接触させることは言うまでもない。

本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様に、放熱ゲル３０の熱抵抗が小さく、放熱性の高いパッケージ実装体となる。

（他の実施形態）
なお、上記した各実施形態に示したパッケージ実装体は、本発明の一例を示したものであり、上記の各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記各実施形態において、ヒートシンク２８は、放熱接着剤２７との密着性向上の観点から、一面２８ａのうち放熱接着剤２７と接触する部分の少なくとも一部に粗化部が形成されてもよい。ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーの凹凸形状とされた粗化部が形成されることにより、ヒートシンク２８に放熱接着剤２７が入り込む隙間ができてアンカー効果が生じ、放熱接着剤２７とヒートシンク２８との密着性が向上するためである。

粗化部を形成する場合、この粗化部は、例えば、レーザ照射、ブラスト加工、研磨、薬液処理やプラズマ処理などの任意の方法により形成される。また、当該凹凸形状は、アンカー効果によって密着性の向上効果が得られる程度の粗さ、例えば限定するものではないが、日本工業規格（ＪＩＳ規格）にて規定する算術平均粗さである表面粗さＲａが数ｎｍ〜数百μｍ、とされていればよい。

１０ 配線基板
２０ 半導体パッケージ
２１ アイランド
２２ 接合材
２３ 半導体素子
２７ 放熱接着剤
２８ ヒートシンク
３０ 放熱ゲル
４０ 筐体部品

Claims (5)

1. 半導体パッケージ（２０）と、放熱ゲル（３０）と、前記放熱ゲルを介して前記半導体パッケージと接続された筐体部品（４０）と、を備えるパッケージ実装体であって、
   前記半導体パッケージは、
   表面（２１ａ）と裏面（２１ｂ）とを有するアイランド（２１）と、
   前記表面上に搭載された半導体素子（２３）と、
   前記半導体素子と電気的に接続された複数のリード（２４）と、
   前記アイランドの一部、前記半導体素子および前記リードの一部を覆うモールド樹脂（２６）と、
   前記裏面と向き合う一面（２８ａ）を有し、放熱接着剤（２７）を介して前記アイランドと接続されたヒートシンク（２８）と、を備え、
   前記裏面は、前記モールド樹脂より露出しており、
   前記ヒートシンクは、前記放熱ゲルを介して前記筐体部品と接続されると共に、前記一面の面積が前記裏面の面積よりも広いパッケージ実装体。
2. 前記放熱接着剤の前記裏面に対する法線方向における厚みは、前記放熱ゲルの前記法線方向における厚みよりも薄い請求項１に記載のパッケージ実装体。
3. 前記ヒートシンクは、前記一面のうち前記放熱接着剤と接する部分にナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーの凹凸形状とされた粗化部が形成されている請求項１または２に記載のパッケージ実装体。
4. 前記ヒートシンクは、該ヒートシンクを構成する材料の線膨張係数をαとし、前記モールド樹脂の線膨張係数をβとして、α／βが０．７〜１．３の範囲内である請求項１ないし３のいずれか１つに記載のパッケージ実装体。
5. 半導体パッケージ（８０）と、放熱ゲル（３０）と、前記放熱ゲルを介して前記半導体パッケージと接続された筐体部品（４０）と、を備えるパッケージ実装体であって、
   前記半導体パッケージは、
   一面（７０ａ）と他面（７０ｂ）とを有するアイランド（７０）と、
   前記一面上に搭載された半導体素子（２３）と、
   前記半導体素子と電気的に接続された複数のリード（７２）と、
   前記アイランドの一部、前記半導体素子および前記リードの一部を覆うモールド樹脂（２６）と、を有し、
   前記アイランドは、前記一面に対する法線方向から見て、前記半導体素子に向かって凹んだ凹部（７１）が形成されており、
   前記他面は、前記モールド樹脂より露出すると共に、前記放熱ゲルを介して前記筐体部品と接続されており、
   前記リードのうち前記半導体素子側の一端（７２ａ）は、前記法線方向から見て、前記凹部に入り込む配置とされているパッケージ実装体。

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