JP4455488B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、熱可塑性樹脂をインジェクションモールド成形することにより得られる樹脂パッケージの反りを抑制できる半導体装置に関する。

これまでのパワーモジュールなどの電力用半導体装置は、一般に、半導体チップをケース内の絶縁基板上に実装した後、ゲル封止するケースタイプのものと、絶縁基板上に実装された半導体チップを樹脂でモールド成形するモールドタイプのものに大別される。また、モールドタイプの電力用半導体装置は、熱硬化性樹脂をトランスファモールド成形して構成されるものと、熱可塑性樹脂をインジェクションモールド成形して実現されるものに分類される。

モールドタイプの半導体装置は、ケースタイプの半導体装置と異なり、ケースを絶縁基板に固定する工程やゲル封止する工程を省略することができる反面、樹脂パッケージの線膨張率（熱膨張率）が、これに被われる放熱板および半導体チップなどの構成部品の線膨張率とは異なる（大きい）ことに起因して、樹脂パッケージが硬化する際に、反りが生じるといった問題が生じ得る。このため、樹脂パッケージ内で封止された絶縁層が破壊されるか、あるいは放熱板と外部ヒートシンクとの間に間隙が生じ、放熱性の低下を招くことがあった。

特許文献１は、これらの従来式の半導体装置の中でも、熱可塑性樹脂をインジェクションモールド成形して構成される混成集積回路装置を開示している。さらに、特許文献１は、ガラス繊維（グラスファイバ）を入れた熱可塑性樹脂でインジェクション封止する場合には、ゲートの注入方向が重要であって、樹脂パッケージが左右に細長い場合、短辺に設けたゲートから長辺方向に沿って樹脂を注入することにより、基板や装置の反りを防止することができると示唆している。すなわち、特許文献１は、熱可塑性樹脂にガラス繊維を配合し、特に熱収縮変形量の大きい長辺方向にガラス繊維を配向させることにより、熱可塑性樹脂の長辺方向の機械的強度を向上させ、長辺方向の反りを抑制することを示唆している。

一方、特許文献２は、熱硬化性樹脂をトランスファモールド成形して構成される混成集積回路装置を開示している。特許文献２の絶縁性樹脂の上面に溝を形成することにより、金属基板の反り上がりを防止することが示唆されている。その理由として、金属基板の上面部では薄く形成された部分が早期に充填され早く硬化し基板と一体となる点、および絶縁性樹脂の上面には金属基板の実装面に対してさまざまな角度をなす面を有している点が挙げられている。
特開平１１−３３０３１７号公報 特開２００３−３１８３３３公報

しかしながら、特許文献１によれば、ガラス繊維が長辺方向に配向されるように樹脂パッケージを形成することにより、樹脂パッケージの長辺方向の反りを抑制することが可能となったものの、ガラス繊維の配向方向とは直交する方向（すなわち短辺方向）における熱可塑性樹脂の線膨張率は、長辺方向の線膨張率に比して実質的に大きく、短辺方向の樹脂パッケージおよび基板の反りが生じ、短辺方向における絶縁層の破壊および放熱性の低下（放熱板と外部ヒートシンクとの間の間隙）を抑制することはできなかった。

また、特許文献２は、上述のように、樹脂を溝部付近で早期に充填し硬化させることにより、樹脂パッケージを反り上がらせる応力に対抗できるように樹脂剛性を高めることを期待したものであるが、本発明のような熱可塑性樹脂をインジェクションモールド成形する場合に比して、特許文献２に記載の熱硬化性樹脂をトランスファモールド成形するときのキュア温度はより高く、キュア時間はより長いので、絶縁性樹脂の上面に溝を形成することによって同様に機械的強度を向上させることはできない。なお、特許文献２は、熱可塑性樹脂をインジェクションモールド成形して得られた樹脂パッケージについて何ら言及していない。

そこで本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、長辺方向のみならず、短辺方向（ガラス繊維の配向方向とは直交する方向）においても樹脂パッケージの反りを抑制することができる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの態様によれば、放熱板と、絶縁層を介して放熱板上に固着された配線パターン層と、配線パターン層上に実装された、少なくとも１つの表面電極を含む半導体素子と、半導体素子の表面電極上に電気的に接続された導電性リード板と、線膨張率の異方性を有する熱可塑性樹脂からなり、放熱板の少なくとも一部、配線パターン層、半導体素子、および導電性リード板を包囲するように成形された樹脂パッケージとを備え、導電性リード板は、樹脂パッケージの線膨張率が最大となる方向に沿って延びることを特徴とする半導体装置を提供することができる。

本発明の１つの態様に係る半導体装置によれば、長辺方向および短辺方向における樹脂パッケージの反りを抑制することができる。

以下、添付図面を参照して本発明に係る半導体装置の実施の形態を説明する。各実施の形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば、「Ｘ方向」、「Ｙ方向」、「Ｚ方向」、「上方」および「下方」など）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。

実施の形態１．
図１〜図６を参照しながら、本発明に係るモールドタイプの半導体装置の実施の形態１について以下に説明する。図１に示す実施の形態１の半導体装置１は、概略、熱可塑性樹脂をインジェクションモールド成形して得られる樹脂パッケージ１０と、樹脂パッケージ１０上に配設された複数の主電極１２と、樹脂パッケージ１０の上面１４から突出する複数の信号電極１６とを有する。本発明による半導体装置１の樹脂パッケージ１０は、好適には、ガラス繊維などの強化材を配合した、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの熱可塑性樹脂を用いて成形されるが、この他にもポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）および液晶ポリマ（ＬＣＰ）などの他の熱可塑性樹脂を用いて成形してもよい。

また、この実施の形態による半導体装置１は、図２に示すように、放熱板（ベース板）２０と、絶縁層２２を介して放熱板２０上に固着された配線パターン層２４と、半田層（図示せず）を介して配線パターン層２４上に実装された少なくとも１つの半導体チップを有する。なお、以下の実施の形態では、半導体チップとして、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタチップ２６およびフリーホイールダイオードチップ２８（以下、それぞれ単に「ＩＧＢＴチップ」および「ＦＷＤチップ」という。）を例示して説明するが、その他の半導体チップを有していてもよいし、単一のまたは３つ以上の半導体チップを有していてもよい。図２を分かりやすくするために、熱可塑性樹脂からなる樹脂パッケージ１０は、ハッチングを省略して図示されている。

上記構成部品の構成材料は、本発明を限定するものではないが、例えば、放熱板２０は良好な熱伝導性を有するアルミニウムなどの金属からなり、絶縁層２２はシリカなどの熱伝導フィラを混合したエポキシ樹脂（接着剤）からなり、配線パターン層２４は絶縁層２２により放熱板２０上に一体に固着される。

図３を参照すると、放熱板２０は、長辺方向（Ｙ方向）および短辺方向（Ｘ方向）に延びる２組の端面３０，３２で規定される矩形の平面形状を有し、上述のように、放熱板２０上に絶縁層２２が形成され、絶縁層２２上に一対の島状パターン層３４、細長いリードパターン層３６、および複数の端子パターン層３８からなる配線パターン層２４が形成されている。実施の形態１による半導体装置は、単相の高電位側および低電位側のインバータ回路（すなわちＩＧＢＴチップ２６およびＦＷＤチップ２８）を有し、各島状パターン層３４は、各インバータ回路を構成する半導体チップ２６，２８を実装するためのものであり、各端子パターン層３８は、ＩＧＢＴチップ２６の制御電極２７（図４）と電気的に接続される。
また、放熱板２０は、シリコーングリス（図示せず）を介して、半導体装置１を外部のヒートシンクに固定するためのねじを受容するための一対の貫通孔４０を有する。

図４において、ＩＧＢＴチップ２６とＦＷＤチップ２８は、半田層（図示せず）を介して、島状パターン層３４の上に実装されている。ＩＧＢＴチップ２６は、島状パターン層３４に面する（下向きの）裏面上にコレクタ電極（図示せず）を有し、これに対向する（上向きの）エミッタ電極２５と、およびゲート電極および電流センス電極などの制御電極２７とを有する。ＦＷＤチップ２８は、島状パターン層３４に面する（下向きの）裏面上にカソード電極（図示せず）と、これに対向する（上向きの）アノード電極２９とを有する。コレクタ電極とカソード電極は、半田層（図示せず）を介して上述の島状パターン層３４と電気的に接続されている。ここでは、エミッタ電極２５、制御電極２７およびアノード電極２９を総称して表面電極という。

本実施の形態によれば、エミッタ電極２５とアノード電極２９は、図４に示すような銅などからなる板状部材を折り曲げて形成された導電性リード板（「ダイレクトリード」とも云う）４２および半田層（図示せず）を介して、リードパターン層３６と電気的に接続されている。このように、ＩＧＢＴチップ２６およびＦＷＤチップ２８は、互いに逆並列に接続され、インバータ回路を構成する。また、ＩＧＢＴチップ２６の制御電極２７は、同様に、別の導電性リード板４３および半田層（図示せず）を介して、絶縁層２２の端子パターン層３８と電気的に接続されている。なお、上述の図示しない半田層は、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田を用いて構成されるが、Ｓｎを基材とする通常の半田やＡｕ−Ｓｎ系の高耐熱性半田など、その他の任意の導電性接着剤を用いて形成してもよい。

こうして構成された半導体装置１の動作時において、ＩＧＢＴチップ２６およびＦＷＤチップ２８で生じた熱は、配線パターン層２４、絶縁層２２および放熱板２０に伝わり、シリコーングリスを介して外部ヒートシンク（ともに図示せず）に効率よく放熱される。

上記構成部品の寸法は、本発明を限定するものではないが、例えば、図３に示す放熱板２０はＸ方向が４０ｍｍ、Ｙ方向が７０ｍｍ、Ｚ方向が２ｍｍの寸法を有する。また、図４に示すＩＧＢＴチップ２６は、Ｘ方向が７．５ｍｍ、Ｙ方向が９ｍｍ、Ｚ方向が２５０μｍの寸法を有し、ＦＷＤチップ２８はＸ方向が４ｍｍ、Ｙ方向が９ｍｍ、Ｚ方向が２５０μｍの寸法を有する。さらに、エミッタ電極２５およびアノード電極２９とを接続する導電性リード板４２は、Ｙ方向が７．５ｍｍ、Ｚ方向が３００μｍの寸法を有する。

上述のように組み立てられた放熱板２０、絶縁層２２、配線パターン層２４、および半導体チップ２６，２８は、図２に示すように、放熱板２０の底面２１（Ｚ方向とは反対方向に面した表面）が露出するように、熱可塑性樹脂を用いてインジェクションモールド成形することにより、樹脂パッケージ１０を形成する。また、樹脂パッケージ１０は、上面１４と、これに対向する下面１５とを有し（図２）、図１に示すように、長辺方向（Ｙ方向）および短辺方向（Ｘ方向）に延びる２組の側面１１，１３で規定される矩形の平面形状を有し、短辺方向（Ｘ方向）に延びる一方の側面１３上の樹脂注入口１５から長辺方向（Ｙ方向）に樹脂を注入することにより成形される。

このとき、本実施の形態で用いられる熱可塑性樹脂は、上記のとおり、ガラス繊維などの強化材を配合したポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの熱可塑性樹脂であり、熱可塑性樹脂が長辺方向（Ｙ方向）に平行に注入されたとき、この熱可塑性樹脂に含まれる細長いガラス繊維は、長辺方向（Ｙ方向）に配向する特性を有する。

このように、ガラス繊維などの強化材を配合した熱可塑性樹脂を用いてインジェクションモールド成形された樹脂パッケージ１０は、一般に、線膨張率の異方性を有する。すなわち、短辺方向に延びる側面１３上の樹脂注入口１５から長辺方向（Ｙ方向、図５の矢印方向）に樹脂を注入するとき、ガラス繊維Ｇは、理想的には、図５（ａ）に示すように配向する。実際には、長辺方向（Ｙ方向）に注入された熱可塑性樹脂は、樹脂パッケージ１０内に配設される半導体チップ２６，２８および導電性リード板４２などの構成部品に衝突して、ガラス繊維の配向方向が若干乱れる。ただし、樹脂パッケージ１０全体の線膨張率の異方性は、長辺方向（Ｙ方向）において最大となる。

このように、樹脂パッケージ１０の線膨張率は、通常、ガラス繊維Ｇが配向する方向（Ｙ方向）において小さく、配向方向と直交する方向（Ｘ方向）において大きい。具体的には、樹脂パッケージ１０の線膨張率は、配向方向（Ｙ方向）において約２０×１０^−６／Ｋで、これと直交する方向（Ｘ方向）で約４０×１０^−６／Ｋとなる。

一方、放熱板２０を構成するアルミニウムの線膨張率は約２３×１０^−６／Ｋであり、長辺方向（Ｙ方向）における樹脂パッケージ１０の線膨張率と近似している。すなわち、樹脂パッケージ１０と放熱板２０は、長辺方向（Ｙ方向）における線膨張率が近似しており、周囲温度に依存して同様に収縮・膨張するので、図５（ｂ）に示すように、樹脂パッケージ１０および放熱板２０の長辺方向（Ｙ方向）における反りは極めて小さい。しかしながら、樹脂パッケージ１０の線膨張率が最大となる方向、すなわちガラス繊維Ｇの配向方向と直交する方向（Ｘ方向）においては、樹脂パッケージ１０の線膨張率が放熱板２０の線膨張率に比して実質的に大きく、熱可塑性樹脂の硬化・冷却過程で、樹脂パッケージ１０の収縮の度合いが放熱板２０の収縮の度合いに比べて非常に大きいため、図５（ｃ）に示すように、樹脂パッケージ１０および放熱板２０は反り返ってしまう。
なお、放熱板２０を銅で構成した場合でも、銅の線膨張率は約１７×１０^−６／Ｋであるので、同様に、樹脂パッケージ１０は短辺方向（Ｘ方向）において反りが生じる。

本発明者らは、図５（ｃ）において、短辺方向（Ｘ方向）に沿ったほぼ中央部の３０ｍｍの間隔（ｌ）で８０〜１００μｍの反り（ｄ）が発生することを確認した。このような樹脂パッケージ１０の反りを放置すると、樹脂パッケージ１０内で封止された絶縁層２２が破壊され、放熱板２０と外部ヒートシンクとの間に間隙が生じ、放熱性が低下するといった問題が生じる。

しかし本実施の形態によれば、図２および図４に示すように、銅などの線膨張率の低い導電性リード板４２が、樹脂パッケージ１０の上面１４の近傍において、樹脂パッケージ１０の線膨張率が最大となる方向（Ｘ方向）に延びるように配設されている。これにより、導電性リード板４２が、熱可塑性樹脂の硬化・冷却過程において、樹脂パッケージ１０が収縮しようとする短辺方向（Ｘ方向）の応力に対抗する力を与え、樹脂パッケージ１０の収縮の度合いを低減し、樹脂パッケージ１０の反りの度合いを抑制することができる。

本発明者らは、この実施の形態に従い、導電性リード板４２を短辺方向（Ｘ方向）に延びるように配設した場合、樹脂パッケージ１０の反りを３０ｍｍの間隔（ｌ）で約４０μｍ以下に抑制できることを確認した。

以上説明したように、樹脂パッケージ１０の反りの度合いを抑制するという観点から、導電性リード板４２は、放熱板２０を構成する金属（例えば、銅およびアルミニウム）より線膨張率の小さい材料を用いて構成し、樹脂パッケージ１０の上面１４により近傍に配置されることが好ましい。

例えば、導電性リード板４２を構成する材料として、放熱板２０より線膨張率の低い４２アロイ（４２Ｎｉ−５８Ｆｅ、線膨張率：４１×１０^−７／Ｋ）およびインバー（３６Ｎｉ−６４Ｆｅ、線膨張率：１３×１０^−７／Ｋ）などのニッケル鋼合金を用いてもよい。ただし、ニッケル鋼合金材料は、銅に比して電気伝導率が劣るため、導電性リード板４２の表面にクラッド材として銅膜を形成することにより、導電性リード板４２の電気伝導率を改善してもよい。

また、樹脂パッケージ１０の反りの度合いをさらに抑制するために、例えば図２において、樹脂パッケージ１０の上面１４から導電性リード板４２までの間隔を、樹脂パッケージ１０の上面１４から放熱板２０までの距離の１／３以下となるように、導電性リード板４２を樹脂パッケージ１０の上面１４の直近に配置してもよい。

上記説明では、導電性リード板４２，４３は、図２の断面図における断面積が極力小さくなるように、板状部材を折り曲げて形成され（図４）、長辺方向（Ｙ方向）に平行に注入される熱可塑性樹脂に配合されるガラス繊維の配向の乱れを最小限に抑え、長辺方向（Ｙ方向）における樹脂パッケージ１０の低い線膨張率を実現している。
これに対し、図６に示すように、導電性リード板４２は、ＩＧＢＴチップ２６のエミッタ電極２５およびＦＷＤチップ２８のアノード電極２９付近において、熱可塑性樹脂が注入される長辺方向（Ｙ方向）に直交する面（Ｘ−Ｚ平面）に延びる壁面４４を有するように形成してもよい。こうした導電性リード板４２の壁面４４は、熱可塑性樹脂に配合されるガラス繊維の配向を攪乱し、樹脂パッケージ１０の線膨張率の異方性を局在的に平均化する。すなわち、樹脂パッケージ１０全体の線膨張率が最大となる方向は依然として短辺方向（Ｘ方向）であるが、エミッタ電極２５およびアノード電極２９付近における樹脂パッケージ１０の局部的領域では、ガラス繊維の配向が乱れるために、樹脂パッケージ１０が長辺方向（Ｙ方向）に反り返る程度が増大し、短辺方向（Ｘ方向）に反る程度を抑制することができる。半導体チップ２６，２８の周囲における樹脂パッケージ１０の線膨張率の異方性を均質化することにより、半導体チップ２６，２８に加わる短辺方向（Ｘ方向）に加わる応力を低減して、半導体チップ２６，２８の破壊を防止することができる。

従来技術によれば、ＩＧＢＴチップ２６のエミッタ電極２５とＦＷＤチップ２８のアノード電極２９は、例えば直径が３００μｍの複数のアルミニウムワイヤ（図示せず）を介してリードパターン層３６に電気的に接続されていたが、この実施の形態では上述のように、導電性リード板４２を用いてリードパターン層３６に電気的に接続されるので、注入される熱可塑性樹脂により、アルミニウムワイヤが変形し、隣接するアルミニウムワイヤが短絡するといった不具合を解消することができる。ただし、ＩＧＢＴチップ２６の制御電極２７が１ｍｍ以上の間隔をもって配置されているので、制御電極２７と絶縁層２２の端子パターン層３８との間の電気的接続は、従来と同様に、アルミニウムワイヤ（導電性ワイヤ）を用いて行ってもよい。

さらに、本実施の形態の半導体装置１について、放熱板２０上に固着された絶縁層２２を介した配線パターン層２４が用いられるものとして上記説明したが、これに代わって、従来より一般的に使用されている、配線パターン層を表面および裏面に積層したアルミナおよび窒化アルミなどのセラミック材料からなる絶縁基板を用いてもよい（ともに図示せず）。この場合、本発明による樹脂パッケージ１０の反りを抑制する効果により、絶縁基板が割れることによる絶縁耐圧の低下の問題を解消することができる。
なお本発明は、大電流を制御することにより実質的な熱量を生じるＭＯＳＦＥＴモジュールおよびダイオードモジュールなどの任意の電力用半導体装置に適用することが可能である。

実施の形態２．
図７を参照しながら、本発明に係る半導体装置の実施の形態２について以下に説明する。実施の形態２の半導体装置２は、樹脂パッケージ１０がその上面１４に導電性リード板４２と平行に延びる平行リブ４６を有する点を除いて、実施の形態１と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。また、実施の形態１と同様の構成部品については、同様の符号を用いて説明する。

上述のように、実施の形態２の半導体装置２によれば、樹脂パッケージ１０の上面１４から突出し、導電性リード板４２と平行に（短辺方向に）延びる１つまたはそれ以上（図７では３本）の平行リブ４６が樹脂パッケージ１０と一体に形成されている。
樹脂パッケージ１０の平行リブ４６の寸法は、これに限定するものではないが、例えば、Ｙ方向（幅）が２ｍｍ、Ｚ方向（高さ）が２ｍｍの寸法を有する。

実施の形態２の樹脂パッケージ１０は、実施の形態１と同様、短辺方向に延びる一方の側面１３上の樹脂注入口１５から長辺方向に樹脂を注入することにより成形されるため、ガラス繊維は、概ね長辺方向（Ｙ方向）に配向される。しかし、短辺方向に延びる平行リブ４６に熱可塑性樹脂が流入して充填されるとき、ガラス繊維は、平行リブ４６が延びる方向に配向する傾向がある。その結果、平行リブ４６内における樹脂パッケージ１０の線膨張率は、樹脂パッケージ１０全体のそれとは異なり、長辺方向より短辺方向において大きくなる。したがって、平行リブ４６は、樹脂パッケージ１０が収縮しようとする短辺方向（Ｘ方向）の応力に対抗する抗力を与え、樹脂パッケージ１０の短辺方向（Ｘ方向）の反りを効率的に抑制することができる。

実施の形態３．
図８〜図１０を参照しながら、本発明に係る半導体装置の実施の形態３について以下に説明する。実施の形態３の半導体装置３は、放熱板２０が長辺方向および短辺方向に延びる２組の端面３０，３２で規定される矩形の平面形状を有し、長辺方向の端面３０近傍に配設された長辺方向に延びる一対の溝部４８を有し、樹脂パッケージ１０が放熱板２０の溝部４８を充填する点を除いて、実施の形態１と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。また、実施の形態１と同様の構成部品については、同様の符号を用いて説明する。

上記のように、図８および図９に示す半導体装置３においては、実施の形態１と同様、樹脂パッケージ１０の大部分のガラス繊維はＹ方向に配向し、これと直交する方向（Ｘ方向）において樹脂パッケージ１０の線膨張率が最大となる。そして、樹脂パッケージ１０より低い線膨張率を有する導電性リード板４２が、樹脂パッケージ１０の上面１４近傍において、短辺方向（Ｘ方向）に延びるように配設されている。

また実施の形態３の半導体装置３によれば、放熱板２０は、長辺方向（Ｙ方向）および短辺方向（Ｘ方向）に延びる２組の端面３０，３２で規定される矩形の平面形状を有し（図９）、長辺方向の端面３０の近傍において、長辺方向に延びる一対の溝部４８を有する。溝部４８は、図９に示すように、短辺方向（Ｘ方向）に延びる端面３２まで貫通することが好ましい。また、溝部４８の寸法は、特にこれに限定されるものではないが、幅（Ｘ方向）が１ｍｍで、深さ（Ｚ方向）が１ｍｍであってもよい。こうして形成された溝部４８に樹脂パッケージ１０を構成する熱可塑性樹脂を充填し、硬化させる。

このように構成された半導体装置３のインジェクションモールド成形工程において、溝部４８は、その内部に樹脂パッケージ１０の一部が充填され、樹脂パッケージ１０が短辺方向（Ｘ方向）に収縮しようとする応力に対抗する抗力を与える（アンカ効果）。こうして、樹脂パッケージ１０の短辺方向（Ｘ方向）の反りを抑制するので、放熱板２０と外部ヒートシンクとの間に間隙を形成することなく、放熱性を維持するとともに、短辺方向における絶縁層２２の破壊を含む内部回路の故障を防止することができる。

また、インジェクションモールド成形プロセスの硬化・冷却工程において、樹脂パッケージ１０が短辺方向（Ｘ方向）に収縮しようとするので、放熱板２０の溝部４８は短辺方向（Ｘ方向）において樹脂パッケージ１０により密接に嵌合すること（かしめ効果）が期待される。一般に、樹脂パッケージ１０は、インジェクションモールド成形時、約１５０℃から常温まで冷却されるが、半導体装置３の動作駆動時、放熱板２０は、最大１２５℃程度までしか上昇しない。すなわち、放熱板２０の溝部４８内に係合した樹脂パッケージ１０は、動作駆動時においても、モールド成形時ほど拡張することはなく、放熱板２０以上に収縮した状態で維持されるので、上述のかしめ効果が維持される。
このように、溝部４８を形成したこと（アンカ効果およびかしめ効果）により、一対の溝部４８の間に配設された半導体チップ２６，２８の直下にある絶縁層２２が剥離し、樹脂パッケージ１０と放熱板２０の間から湿気が侵入することを防止することができる。

上記において、溝部４８は、図１０（ａ）に示すように、矩形の断面形状を有するものとして説明したが、Ｕ字状およびＶ字状（図１０（ｂ）および（ｃ））を含む任意の断面形状を有していてもよい。放熱板２０の端部３２の反りを効率的に吸収するためには、溝部４８は、Ｖ字状の断面形状を有することが好ましい。さらに、樹脂パッケージ１０と放熱板２０のかしめ効果を増大させるためには、放熱板２０の溝部４８は、図１０（ｄ）に示すように、その上面３１の近傍で平行に延びる断面形状を有することが好ましい。

加えて、特に図示しないが、長辺方向のみならず短辺方向の端面３２の近傍においても同様に、短辺方向に延びる一対の溝部４８を形成してもよい。短辺方向に延びる溝部により、長辺方向に延びる溝部４８と同様の効果を得ることができる。また、上述の絶縁基板を放熱板２０に半田付けする場合に、好適にも、短辺方向に延びる溝部を放熱板２０の位置決めマーカとして利用することもできる。

実施の形態４．
図１１および図１２を参照しながら、本発明に係る半導体装置の実施の形態４について以下に説明する。実施の形態４の半導体装置４は、長辺方向の端面３０の近傍に配設された長辺方向に沿って配設された複数の凹部５０を有し、樹脂パッケージ１０が放熱板２０の凹部５０を充填する点を除いて、実施の形態３と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。また、実施の形態３と同様の構成部品については、同様の符号を用いて説明する。

上記のように、図１１および図１２に示す半導体装置４においては、実施の形態３と同様、放熱板２０の長辺方向の端面３０の近傍に配設された長辺方向に延びる一対の溝部４８に加えて、放熱板２０の長辺方向の端面３０の近傍に配設された長辺方向に沿って配設された複数の凹部５０を有する。放熱板２０の凹部５０には、樹脂パッケージ１０を構成する熱可塑性樹脂を充填、硬化させることが好ましい。また、凹部５０は、例えば、直径（Ｘ方向およびＹ方向）が１ｍｍの円形の平面形状を有し、１ｍｍの深さ（Ｚ方向）を有していてもよい。

樹脂パッケージ１０を構成する熱可塑性樹脂は、一般に、熱硬化性樹脂とは異なり、金属（放熱板２０）の平坦な表面に対する密着力が弱い。すなわち、硬化・冷却工程における樹脂パッケージ１０と放熱板２０の線膨張率の差異に起因して、樹脂パッケージ１０は放熱板２０より大きく収縮しようとする傾向がある。また、上述のように、長辺方向に延びる一対の溝部４８は、主に、樹脂パッケージ１０の短辺方向（Ｘ方向）の反りを抑制するもので、長辺方向（Ｙ方向）の反りを十分に抑制することはできない。したがって、樹脂パッケージ１０は、ガラス繊維を長辺方向に配向することにより、長辺方向の反りが低減されるものの、とりわけ細長い平面形状を有する場合、短辺方向に延びる一対の側面１３付近において長辺方向の実質的な反りが生じ得る。しかし、この実施の形態４によれば、上述のような凹部５０により、樹脂パッケージ１０が長辺方向（Ｙ方向）に収縮しようとする応力に対抗する抗力が得られ、ひいては樹脂パッケージ１０の長辺方向（Ｙ方向）の反りを抑制することができる（Ｙ方向のアンカ効果）。その結果、溝部４８による短辺方向（Ｘ方向）のアンカ効果（反り抑制効果）を、長辺方向（Ｙ方向）に沿ってほぼ均等にすることができる。

当業者ならば容易に理解されるように、凹部５０は、長辺方向（Ｙ方向）および短辺方向（Ｘ方向）を含む任意の方向においてアンカ効果（反り抑制効果）を有する。したがって、上記においては、凹部５０は溝部４８に加えて配設されるものとしたが、溝部４８を形成することなく、複数の凹部５０だけを放熱板２０の長辺方向の端面３０の近傍に設けてもよい。この場合、好適には、凹部５０を例えば１ｍｍ間隔の狭小ピッチで形成することにより、溝部４８のかしめ効果と同様の効果を実現する。

また、本願の実施の形態では、放熱板２０の２組の端面３０，３２は、樹脂パッケージ１０により実質的に包囲されるものとして説明、図示しているが、上記凹部５０を形成することにより、アンカ効果（反り抑制効果）およびかしめ効果が実現されるので、放熱板２０の端面３０，３２を露出させるようにモールド成形してもよい。その結果、半導体装置４を小型化することができるとともに、放熱板２０による放熱効果を改善させることができる。

なお、凹部５０の平面形状は、円に限らず、三角形、四角形、などの任意の多角形であってもよい。また、凹部５０を底面２１まで貫通する貫通孔として形成してもよく、放熱板５０の加工方法に適した形状に加工することができる。

実施の形態５．
図１３を参照しながら、本発明に係る半導体装置の実施の形態５について以下に説明する。実施の形態５の半導体装置５は、樹脂パッケージ１０がその上面１４に導電性リード板４２に対して垂直な方向に延びる垂直リブ５４を有する点を除いて、実施の形態２と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。また、実施の形態２と同様の構成部品については、同様の符号を用いて説明する。

上述のように、実施の形態５の半導体装置５によれば、樹脂パッケージ１０の上面１４から突出し、導電性リード板４２が延びる方向に対して垂直な方向（長辺方向またはＹ方向に）延びる１つまたはそれ以上（図１３では２本）の垂直リブ５４が樹脂パッケージ１０と一体に形成されている。

実施の形態５の樹脂パッケージ１０は、実施の形態１と同様、短辺方向（Ｘ方向）に延びる一方の側面１３上の樹脂注入口１５から長辺方向（Ｙ方向）に樹脂を注入することにより成形されるため、樹脂パッケージ１０の大部分のガラス繊維は長手方向（Ｙ方向）に配向し、これと直交する方向（Ｘ方向）において樹脂パッケージ１０の線膨張率が最大となる。ところが、特に、半導体装置５がＩＧＢＴチップ２６やＦＷＤチップ２８および制御端子などの数多くの部品から構成される場合、樹脂注入口１５から注入される熱可塑性樹脂がこれらの構成部品にぶつかり、ガラス繊維の配向が局所的に乱れ、構成部品付近における樹脂パッケージ１０の長手方向における線膨張率が放熱板２０に比して実質的に大きくなり、長手方向（Ｙ方向）における反りを矯正する必要が生じる場合がある。

この実施の形態において、長辺方向に延びる垂直リブ５４に熱可塑性樹脂が流入して充填されるとき、ガラス繊維が垂直リブ５４の延びる方向に配向しやすくなる。したがって、樹脂パッケージ１０の上面１４付近において、長手方向の線膨張率を減少させることにより、樹脂パッケージ１０の長手方向の反りを効率よく矯正することができる。

実施の形態６．
図１４および図１５を参照しながら、本発明に係る半導体装置の実施の形態６について以下に説明する。実施の形態１〜５による半導体装置１〜５が単相の高電位側および低電位側のインバータ回路を有するのに対し、実施の形態６〜８による半導体装置６〜８が３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の高電位側および低電位側のインバータ回路を有する点が異なるが、基本的な構成は実施の形態１と同様であるので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。また、実施の形態１と同様の構成部品については、同様の符号を用いて説明する。

図１４を参照すると、実施の形態６による半導体装置６は、放熱板２０と、全体をモールド成形された樹脂パッケージ１０と、樹脂パッケージ１０の上面１４から上方に突出する複数の直流電源電極１２ａ、交流駆動電極１２ｂ、および信号電極１６とを有する。実施の形態６による半導体装置６の樹脂パッケージ１０は、ガラス繊維を配合した熱可塑性樹脂を、樹脂パッケージ１０の長辺方向（Ｙ方向）に延びる側面１１上の樹脂注入口１５から短辺方向（Ｘ方向）に平行に注入することにより成形される。

図１５を参照すると、放熱板２０は、シリコーングリスを介して、半導体装置６を外部のヒートシンクに固定するためのねじなどの固定部材（ともに図示せず）を受容するための貫通孔４０を有し、絶縁層（または絶縁基板）２２上に固着された配線パターン層２４を有する。配線パターン層２４は、６つの島状パターン層３４を有し、各島状パターン層３４上に半田層（図示せず）を介して、３相の高電位側および低電位側のインバータ回路（すなわちＩＧＢＴチップ２６およびＦＷＤチップ２８）がそれぞれ実装される（図１５では単一のＩＧＢＴチップ２６およびＦＷＤチップ２８が島状パターン層３４の上方に図示されている）。
さらに、実施の形態６の半導体装置６は、ＩＧＢＴチップ２６の制御電極２７と電気的に接続されるコネクタ電極５６を含むコネクタ５２を有し、同様に放熱板２０に固定される。

島状パターン層３４上に実装されたＩＧＢＴチップ２６のエミッタ電極２５およびＦＷＤチップ２８のアノード電極２９とリードパターン層３６との間の電気的接続は、図４または図６に示すような導電性リード板４２を用いて実現されるか、択一的には従来式のアルミニウムワイヤを用いて行われる。なお、アルミニウムワイヤ（図示せず）を用いて電気的接続が実現される場合には、モールド成形される熱可塑性樹脂の高温および高圧からアルミニウムワイヤを保護するために、イオン成分の少ない樹脂をアルミニウムワイヤの上方に事前にコーティングしておくことが好ましい。

上述のように、実施の形態６の樹脂パッケージ１０は、図１４において、ガラス繊維を含む熱可塑性樹脂を、樹脂パッケージ１０の長辺方向に延びる側面１１上の樹脂注入口１５から短辺方向（Ｘ方向）に平行に注入することにより成形されるので、樹脂パッケージ１０の大部分のガラス繊維は短辺方向（Ｘ方向）に配向し、これと直交する方向（Ｙ方向、長辺方向）において樹脂パッケージ１０の線膨張率が最大となる。したがって、実施の形態６の樹脂パッケージ１０は、線膨張率の異方性の観点からは、長辺方向（Ｙ方向）においてより大きい反りが発生する。

長辺方向（Ｙ方向）における樹脂パッケージ１０の反りに対処するため、実施の形態６の放熱板２０は、図１５に示すように、長辺方向（Ｙ方向）に延びる端面３０の一部を切り起こすことにより形成される折曲部５８を有する。
こうして形成された放熱板２０の折曲部５８により、樹脂パッケージ１０が長辺方向に（Ｙ方向）に収縮しようとする応力に対抗する抗力を得ることができる。すなわち、樹脂パッケージ１０の長辺方向（Ｙ方向）の反りを抑制できるため、放熱板２０と外部ヒートシンクとの間に間隙を形成することなく、放熱性を維持するとともに、長辺方向における絶縁層２２の破壊を含む内部回路の故障を防止することができる。

なお、放熱板２０の折曲部５８の代わりに、少なくとも長辺方向（Ｙ方向）において樹脂パッケージ１０よりも小さい線膨張率を有する材料からなり、長辺方向（Ｙ方向）に延びる応力緩衝部材を別部材として構成して、放熱板２０に固定しても、同様の効果を得ることができる。ただし、より容易にかつ安価に半導体装置６を提供するためには、上述の折曲部５８を用いることが構成部品の数を増やす必要がないので好ましい。

また、放熱板２０の折曲部５８は、図１６に示すような切り欠き部６０を有していてもよい。このように切り欠き部６０内に樹脂が充填されるため、樹脂パッケージ１０と放熱板２０の折曲部５８との間の接触面積が増大し、両者間の密着性およびこれに起因する反り抑制効果（アンカ効果）を向上させることができる。さらに、密着性を向上させるためには、折曲部５８の切り欠き部６０は、図１７に示すように、短辺方向から見て（Ｙ−Ｚ平面において）放熱板２０に対して傾斜したテーパ部６２を有することが好ましい。

択一的には、放熱板２０の折曲部５８は、図１８に示すような複数の貫通孔６４を有していてもよい。上記の切り欠き部６０と同様、貫通孔６４内に樹脂が充填されるため、樹脂パッケージ１０と放熱板２０の折曲部５８との間の接触面積が増大し、両者間の密着性（アンカ効果）を改善することができる。

上記説明では、樹脂パッケージ１０は、その長辺方向に延びる一方の側面１１上の樹脂注入口１５から短辺方向（Ｙ方向）に平行に注入することにより成形されるものとしたが、短辺方向に延びる側面１３上の樹脂注入口から長辺方向（Ｘ方向）に平行に注入することにより成形してもよい。ただし、この場合、放熱板２０の折曲部５８は、短辺方向（Ｙ方向）に延びる端面３２の一部を切り起こすことにより形成される。

実施の形態７．
図１９を参照しながら、本発明に係る半導体装置の実施の形態７について以下に説明する。実施の形態７は実施の形態６と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。また、実施の形態６と同様の構成部品については、同様の符号を用いて説明する。

実施の形態７の樹脂パッケージ１０は、実施の形態６とは異なり、短辺方向に延びる側面１３上の樹脂注入口（図示せず）から長辺方向（Ｙ方向）に平行に注入することにより成形される。
また、ＩＧＢＴチップ２６の制御電極２７とコネクタ５２のコネクタ電極５６との間の電気的接続、ならびにＩＧＢＴチップ２６のエミッタ電極２５およびＦＷＤチップ２８のアノード電極２９とリードパターン層３６との間の電気的接続は、従来式の複数の導電性リードワイヤ（図示せず）を介して実現され、このとき導電性リードワイヤは実質的に短辺方向（Ｘ方向）に延びる。

したがって、長辺方向（Ｙ方向）に注入される熱可塑性樹脂が、短辺方向（Ｘ方向）に延びる導電性リードワイヤを横から押圧して、隣接する異なる電位の導電性リードワイヤが接触し、ショート不良が発生することがある。そこで、実施の形態７によれば、樹脂注入口と導電性リードワイヤの間において、図１９に示すような突起部６６を形成する。これにより、注入される熱可塑性樹脂による導電性リードワイヤの押圧、ひいては導電性リードワイヤの変形を防止することができる。

突起部６６は、少なくとも短辺方向（Ｘ方向）において樹脂パッケージ１０よりも小さい線膨張率を有する材料からなり、短辺方向（Ｘ方向）に延び、放熱板２０から高さ方向（Ｚ方向）に突出する任意の別部材として構成してもよいが、好適には、部品点数を削減するために、実施の形態６の折曲部５８と同様、放熱板２０の一部を切り起こして形成される。

実施の形態８．
図２０を参照しながら、本発明に係る半導体装置の実施の形態８について以下に説明する。実施の形態８の半導体装置８は、概略、ＩＧＢＴチップ２６のエミッタ電極２５およびＦＷＤチップ２８のアノード電極２９とリードパターン層３６の間の電気的接続を導電性リード板６８により実現し、ＩＧＢＴチップ２６の制御電極２７とコネクタ５２のコネクタ電極５６の間の電気的接続を導電性リードワイヤ７０で構成する点を除いて、実施の形態７と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。また、実施の形態７と同様の構成部品については、同様の符号を用いて説明する。

図２０に示す実施の形態８において、熱可塑性樹脂は長辺方向（Ｙ方向）に注入される。上述のように、ＩＧＢＴチップ２６の制御電極２７とコネクタ電極５６は、実質的にＹ方向に延びる導電性リードワイヤ７０を介して電気的に接続される。一方、ＩＧＢＴチップ２６のエミッタ電極２５およびＦＷＤチップ２８のアノード電極２９は、図２０に示すような導電性リード板６８（およびそのＵ字湾曲部７２）を介して、リードパターン層３６に電気的に接続されている。

また、本実施の形態による導電性リード板６８は、導電性リードワイヤ７０の少なくとも一部を包囲し、注入される熱可塑性樹脂の長辺方向（Ｘ方向）の流れに対して、導電性リードワイヤ７０を保護するための一対の延長部７４を有する。こうして、導電性リードワイヤ７０は、熱可塑性樹脂の長辺方向（Ｘ方向）の流れにより変形することなく、不具合の発生を未然に防止することができる。

本発明に係る実施の形態１による半導体装置の斜視図である。 図１のII−II線で切断された断面図である。 実施の形態１の放熱板の斜視図である。 図３に示す放熱板上にアセンブリされる半導体チップおよび導電性リード板の斜視図である。 ガラス繊維を配合した熱可塑性樹脂からなる樹脂パッケージの樹脂注入口と反りを示す平面図、側面図および正面図である。 図４と同様の斜視図であって、異なる導電性リード板を示す。 本発明に係る実施の形態２による半導体装置の斜視図である。 本発明に係る実施の形態３による半導体装置を示す、図２と同様の断面図である。 実施の形態３の放熱板を示す、図３と同様の斜視図である。 図９に示す溝部のさまざまな変形例を示す拡大断面図である。 本発明に係る実施の形態４による半導体装置を示す、図２と同様の断面図である。 実施の形態４の放熱板を示す、図３と同様の斜視図である。 本発明に係る実施の形態５による半導体装置の斜視図である。 本発明に係る実施の形態６による半導体装置の斜視図である。 実施の形態６の放熱板の斜視図である。 実施の形態６の変形例による放熱板の斜視図である。 図１６の折曲部の拡大側面図である。 実施の形態６の別の変形例による放熱板の斜視図である。 本発明に係る実施の形態７の放熱板の斜視図である。 実施の形態８の導電性リード板の斜視図である。

符号の説明

１〜８：半導体装置、１０：樹脂パッケージ、１１，１３：樹脂パッケージの側面、１２：主電極、１２ａ：直流電源電極、１２ｂ：交流駆動電極、１４：上面、１５：樹脂注入口、１６：信号電極、２０：放熱板（ベース板）、２２：絶縁層、２４：配線パターン層、２５：ＩＧＢＴチップのエミッタ電極、２６：ＩＧＢＴチップ、２７：ＩＧＢＴチップの制御電極、２８：ＦＷＤチップ、２９：ＦＷＤチップのアノード電極、３０，３２：放熱板の端面、３４：島状パターン層、３６：リードパターン層、３８：制御端子、４０：貫通孔、４２：導電性リード板、４４：導電性リード板の壁面、４６：平行リブ、４８：溝部、５０：凹部、５２：コネクタ、５４：垂直リブ、５６：コネクタ電極、５８：折曲部、６０：切り欠き部、６２：テーパ部、６４：貫通孔、６６：突起部、６８：導電性リード板、７０：導電性リードワイヤ、７２：Ｕ字湾曲部、７４：延長部。

Claims (13)

1. 放熱板と、
   絶縁層を介して前記放熱板上に固着された配線パターン層と、
   前記配線パターン層上に実装された、少なくとも１つの表面電極を含む半導体素子と、
   前記半導体素子の表面電極上に電気的に接続された導電性リード板と、
   線膨張率の異方性を有する熱可塑性樹脂からなり、前記放熱板の少なくとも一部、前記配線パターン層、前記半導体素子、および前記導電性リード板を包囲するように成形された樹脂パッケージとを備え、
   前記導電性リード板は、前記樹脂パッケージの線膨張率が最大となる方向に沿って延びることを特徴とする半導体装置。
2. 前記樹脂パッケージは、長辺方向および短辺方向に延びる２組の側面を有し、短辺方向に延びる一方の該側面上の樹脂注入口から長辺方向に樹脂を注入することにより成形され、
   前記導電性リード板は、短辺方向に延びることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記導電性リード板の線膨張率は、前記放熱板の線膨張率以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記樹脂パッケージは、前記放熱板に隣接する下面と、これに対向する上面とを含み、前記導電性リード板と平行に延びる該上面上の平行リブを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記放熱板は、長辺方向および短辺方向に延びる２組の端面を有し、長辺方向に延びる該端面近傍に配設された長辺方向に延びる一対の溝部を有し、
   前記放熱板の溝部は、前記樹脂パッケージにより充填されることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
6. 前記放熱板は、長辺方向および短辺方向に延びる２組の端面を有し、長辺方向に延びる該端面に沿って配設された複数の凹部を有し、
   前記放熱板の凹部は、前記樹脂パッケージにより充填されることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
7. 前記樹脂パッケージは、前記放熱板に隣接する下面と、これに対向する上面とを含み、前記導電性リード板と直交する方向に延びる該上面上に形成された垂直リブを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
8. 放熱板と、
   絶縁層を介して前記放熱板上に固着された配線パターン層と、
   前記配線パターン層上に実装された、少なくとも１つの表面電極を含む半導体素子と、
   前記半導体素子の表面電極上に電気的に接続された導電性リード部と、
   線膨張率の異方性を有する熱可塑性樹脂からなり、前記放熱板の少なくとも一部、前記配線パターン層、前記半導体素子、および前記導電性リード部を包囲するように成形された樹脂パッケージとを備え、
   前記放熱板は、前記樹脂パッケージの線膨張率が最大となる方向に沿って延びる折曲部を有することを特徴とする半導体装置。
9. 前記樹脂パッケージは、長辺方向および短辺方向に延びる２組の側面を有し、短辺方向に延びる一方の該側面上の樹脂注入口から長辺方向に樹脂を注入することにより成形され、
   前記導電性リード部は、短辺方向に延びる導電性リードワイヤからなり、
   前記放熱板は、前記樹脂注入口と前記導電性リード部の間に突起部を有することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
10. 前記放熱板の前記折曲部は切り欠き部を有することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
11. 前記放熱板の前記折曲部は貫通孔を有することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
12. 前記導電性リード部は、導電性リード板および導電性リードワイヤを有し、
    前記導電性リード板は、前記導電性リードワイヤの少なくとも一部を包囲する延長部を有することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
13. 前記樹脂パッケージは、ガラス繊維を配合した熱可塑性樹脂から成形されたことを特徴とする請求項１または８に記載の半導体装置。
    
    

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