JPH035663B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、一般的には改良された半導体デバイ
ス及びその製造方法に関するものであり、更に具
体的に云うと外部ヒートシンク（heet sink）と
熱的には結合されているが電気的には絶縁される
ように適合された絶縁熱放散器（spreader）を有
する高電力電気絶縁分離半導体パワーデバイス及
びその製造方法に関する。

背景技術 パワー半導体デバイスはかなりの量の熱を放散
させなければならない。このことを達成するため
に、代表的な場合にはそれらのデバイスには、外
部のヒートシンク（heat sink）に直接に結合さ
れるように適合された金属製熱放散器（スプレツ
ダ）（heet spreaders）が備えられている。デバ
イス内の半導体ダイは、外部のシンクヒートに最
も効率よく熱を伝送するために、通常は熱スプレ
ツダ上に直接に取り付けられている。この結果熱
スプレツダは電気的に半導体ダイに結合されてい
る。ここで用いられている“熱スプレツダ”とい
う語は熱源と外部ヒートシンクとの間の主要な熱
抽出路（heat extraction pathway）である導体
部材である。

多数の応用例において、半導体ダイは或る電位
になければならず、他方外部ヒートシンクはそれ
と異なる電位になければならない、先行技術にお
いては、半導体チツプの電気絶縁を行う一方で外
部ヒートシンクへの或る程度の熱的結合を維持す
るために２つの方法がとられてきた。これらの方
法とは、(1)半導体チツプと熱スプレツダとの間に
薄いセラミツクアイソレータ（iso lator）を挿
入するか、又は(2)熱スプレツダと外部ヒートシン
クとの間に雲母又はプラスチツクの薄いシートを
入れることである。これらの方法のうちの第１の
方法は、(a)最大熱束（thermal flux）点におい
て半導体ダイとヒートシンクとの間にかなりの熱
インピーダンスを導入し、(b)生産費を著しく増加
させるという短所を有する。第２の方法は、雲母
又はプラスチツクシートが(a)外部ヒートシンクに
完成したデバイスを取りつける間に扱わねばなら
ない別個の部分品であり、そのために利用者に対
する総体的価格が上昇し、(b)取り扱い易くするた
め電気的目的に必要な厚さより一般に厚くなり、
それにより熱インピーダンスが大きくなるという
短所を有する。従つて、熱効率をあまり犠性にせ
ずに熱伝達面が半導体チツプから電気的に絶縁分
離されており、デバイスを外部ヒートシンクに取
りつけるのに外部アイソレータを用いる必要のな
い安価なパワー半導体デバイスおよびパワー半導
体デバイスパツケージに対する必要性が依然とし
て存在する。

従つて、本発明の目的は、外郭熱伝達面が半導
体ダイから電気的に絶縁されている改良された電
気絶縁分離半導体パワーデバイス及びその製造方
法を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、半導体チツプと熱
スプレツタとの間に誘電体スペーサを使用せずに
外郭熱伝達面が半導体チツプから電気的に絶縁分
離されている改良された電気絶縁分離半導体パワ
ーデバイス及びその製造方法を提供することであ
る。

本発明のもう１つの目的は、別個の外郭絶縁手
段を用いずに半導体ダイと外郭ヒートシンクとの
間を電気的に絶縁するように適合された改良され
た電気絶縁分離半導体パワーデバイス及びその製
造方法を提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は、熱スプレツダ
の外側の熱伝達面に密接に結合された絶縁層によ
つて電気絶縁が達成される改良された電気絶縁分
離半導体パワーデバイス及びその製造方法を提供
することである。

本発明の更にもう１つの目的は、伝熱達面がほ
ぼ平滑な上記の改良された電気絶縁分離パワーデ
バイス及びその製造方法を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、最少数の部分品で
構成される改良された電気絶縁分離半導体パワー
デバイス及びその製造方法を提供することであ
る。

本発明のもう１つの目的は、組立てを容易にす
るため部分品が最初はほぼ平らな改良された電気
絶縁分離半導体パワーデバイス及びその製造方法
を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、機械的に頑丈であ
り工業的環境に十分適合した改良された電気絶縁
分離半導体パワーデバイス及びその製造方法を提
供することである。

本発明のもう１つの目的は、上記の改良された
諸特徴を有する電気絶縁分離半導体パワーデバイ
スおよび電気絶縁分離半導体パワーデバイスパツ
ケージを製造するための改良された製造方法を提
供することである。

発明の要約 上述した、およびその他の目的および利点は、
第１の厚さのベース（base）部分および第２の
厚さのリード（lead）部分を有する金属製熱スプ
レツダを備えた本発明によつて達成される。ベー
ス部分は第１表面、第１表面の反対側にある第２
表面、および第１表面と第２表面とに結合してい
る側面を有する。第１表面上にはデバイス取付け
部位とリード取付け部位とがある。側面および第
２表面は、所定の最小半径を有する実質的に滑ら
かに彎曲した表面によつて結合されている。11つ
又はそれ以上のリードは、熱スプレツダのベース
部分の第１表面のリード取付け部位へ機械的に結
合されているが、その部位から電気的には絶縁さ
れている。耐火性誘電体被覆（refractory
dielectric coating）はベース部分の第２表面お
よび第２表面を側面に結合させている実質的に滑
らかな彎曲表面に密接に結合されている。ほゞ滑
らかな彎曲表面の曲率半径は少くとも耐火性誘電
体被覆の厚さに等しいか又はその厚さよりも大き
くなければならず、その厚さの少くとも２〜３倍
であることが望ましい。

更に別の実施例では、側面が、その長さに沿つ
てその長さの方向に曲り（binds）および／又は
角度を有し、それらの曲りおよび／又は角のいづ
れもが耐火性誘電体被覆の厚さより小さい曲率半
径を有せず、曲率半径がこの厚さの値の数倍であ
ることが好ましい上述したデバイスが備えられて
いる。

更に、追加のリードがガラス状又は重合体誘電
体によりベース部分に機械的に結合されている。
追加のリードがベース部分の縁を通過する箇所に
おいて、曲げ具が容易に通れるようにするために
ベース部分に切り欠きがつけられているので、重
合体又はガラス状取付け手段又はベース部分の耐
火性誘電体被覆を傷つけることなしにカプセル封
入をする前に追加リードを曲げることができる。
ベース部分は、それがベースリード部分と結合さ
れる箇所に隣接する箇所においても切り欠き
（notch）がつけられ、起伏（relieve）が与えら
れている。処理および組立てを容易にするため、
ベース部分、ベースリード部分および追加リード
は最初はほゞ平らになつている。

半導体ダイを受け入れるのに適合した電気絶縁
分離半導体パワーデバイスを製造する方法は、半
導体ダイを受け入れるように適合された第１表
面、第１表面の反対側にあつて耐火性誘電体被覆
を受け入れるように適合された第２表面、および
第１表面と第２表面に結合された側面とをもつベ
ース部分を有する金属製熱スプレツダを形成し、 ベース部分から延び第１端末部分に終る第１伸
長部分を有するベースリード部分を与え、 ベース部分が第１厚さを有しベースリード部分
が第２厚さを有するように金属製熱スプレツダを
形成し、 所定の最小曲率半径を有するほゞ滑らかな表面
によつて側面部分と第２表面とを結合し、 第２端末部分に終る第２伸長部分を有する少く
とも１つの追加リードをベース部分の第１表面に
取付け 所定の最小曲率半径より小さい所定の厚さの化
学的に結合した耐火性誘導体材料によつて第２表
面およびほゞ滑らかな表面の一部を被覆すること
からなる、方法が提供されている。

更に別の実施例においては、この方法は、ガラ
ス形成材料を適用し、それと同時に又はその後に
そのガラス形成材料を溶かしてそれを第２表面お
よびほゞ滑らかな彎曲部の一部に密接に結合させ
ることによつて被覆ステツプを実行することを含
む。更に、成形（forming）、形削り（shoping）、
構成（configurating）および生成（creating）
ステツプは任意選択で、 ほゞ平らで平行しているベース部分、ベースリ
ード部分および少くとも１つの追加リードを形成
し、 １つ又はそれ以上の追加リードが取付けられる
縁のところでベース部分に切り欠きをつくつて曲
げ具が容易に通れるようにし、 少くとも１つの半導体チツプを取付けて接続
し、 カプセル封入をするのに先立つてリードを曲
げ、および／又は 側面、第１表面、半導体チツプおよびリードの
一部分の周りに所定の制御された収縮の保護カプ
セル封入材料（encapsulant）を成形してベース
部分の第２表面およびリードの端末部分が露出さ
れたまゝにしておくことを含む。

以上をまとめると本発明の構成は下記に示す通
りとなる。即ち、本発明は、第１の所定の厚さの
ベース部分と第２の所定の厚さのベースリード部
分とを有し、前記ベース部分は、第１表面、前記
第１表面の反対側の第２表面、および前記第１お
よび第２表面の一部へ接合された側面とを有し、
前記第１表面は、デバイス実装部分とリード実装
部分を有し、前記側面および前記第２表面は、所
定の最小曲率半径を有する実質的に滑らかな彎曲
面によつて結合されている金属製熱スプレツダ
と、 前記金属製スプレツダの前記ベース部分の前記
第１表面の前記リード実装部分に結合されている
が電気的に絶縁分離されている少くとも１つの追
加のリードと、 前記第２表面と前記実質的に滑らかな彎曲面に
密接に接合し、前記第２表面上に前記所定の最小
曲率半径より小さい第３の所定の厚さを有し、前
記金属製熱スプレツダの前記ベース部分の前記第
２表面を外部ヒートシンクに対して電気的には絶
縁分離されているが熱的には結合されるように適
合された耐火性誘導体手段と、から構成されるこ
とを特徴とする前記外部ヒートシンク上に実装す
るのに適合した電気絶縁分離半導体パワーデバイ
スに関する構成であり、 或いはまた、第１の所定の厚さのベース部分と
第２の所定の厚さのベースリード部分とを有し、
前記ベース部分は第１表面、前記第１表面の反対
側の第２表面、および前記第１および第２表面の
一部へ接合された側面とを有し、前記第１表面
は、デバイス実装部分とリード実装部分を有し、
前記側面および前記第２表面は、所定の最小曲率
半径を有する実質的に滑らかな彎曲面によつて結
合されている金属製熱スプレツダと、 前記金属製熱スプレツタの前記ベース部分の前
記第１表面の前記リード実装部分に結合されてい
るが電気的には絶縁分離されている少なくとも１
つの追加のリードと、 前記デバイス実装部分の上に実装され、前記少
なくとも１つの追加のリードに電気的に接続され
ている少なくとも１つの半導体デバイスと、 前記第２表面と前記実質的に滑らかな彎曲面に
密接に接合し、前記第２表面上に第３の所定の厚
さを有し、前記金属製熱スプレツダの前記ベース
部分の前記第２表面を外部ヒートシンクに対して
電気的には絶縁分離されているが熱的には結合さ
れるように適合された耐火性誘導体手段とから構
成され、前記所定の最小曲率半径が前記第３の所
定の厚さ以上であることを特徴とする、前記外部
ヒートシンクに上に実装するのに適合した電気絶
縁分離半導体パワーデバイスに関する構成を有
し、 更にまた、半導体ダイを受け入れるように適合
された第１表面と、耐火性誘導体被覆を受け入れ
るように適合された前記第１表面の反対側の第２
表面と、および前記第１及び第２表面に結合され
た側面部分とを有するベース部分を具備する金属
製熱スプレツダを形成する工程と、 前記金属製熱スプレツダの前記ベース部分から
延びているベースリード部分を形成する工程と、 前記ベース部分が第１の厚さを有し前記ベース
リード部分が第２の厚さを有するように前記金属
製熱スプレツダを形成する工程と、 前記ベースリード部分が第１端末部分に終わる
第１延長部分を有するように前記ベースリード部
分を形成する工程と、 所定の最小曲率半径を有し、前記側面部分と前
記第２表面を結合する実質的に滑らかな彎曲面を
形成する工程と、 前記第２表面および前記実質的に滑らかな彎曲
面に対して化学的に結合した所定の厚さの耐火性
誘電体で前記第２表面および前記実質的に滑らか
な彎曲面の一部を被覆する工程と、 前記耐火性誘電体被覆の前記厚さが前記所定の
最小曲率半径以下になるように調節する工程と、 第２端末部分に終る第２延長部分を有する少な
くとも１つの追加のリードを、電気的絶縁手段に
よつて、前記ベース部分の前記第１表面に付着さ
せる工程とから構成されたことを特徴とする少く
とも１つの半導体ダイを受け入れるように適合さ
れた電気絶縁分離半導体パワーデバイスの製造方
法の構成を有するものである。

好ましい実施例の詳細な説明 第１図Ａおよび第１図Ｂは、電気絶縁分離層の
いろいろな場所に対する半導体チツプ１１と外部
ヒートシンク１９との間の熱径路を先行技術に従
つて概略的な形式で示す。第１図Ａにおいて、デ
バイス部分１０ａは、セラミツクアイソレータ１
３によつて熱伝達面１１ａを伝導性熱スプレツダ
１７に結合させている半導体チツプを有する。構
造体を一緒に結合させるためには、セラミツクア
イソレータ１３は、その上に金属層１２および１
４を形成してセラミツク層１３に固着させる必要
がある。はんだ層１５によつて金属被覆したセラ
ミツクアイソレータ１３を付着させる便宜上熱ス
プレツダ１７はその上にめつき層１６をオプシヨ
ンとして有する。治金学的および化学的結合がそ
れぞれ金属層１２，１４，１５および１６によつ
て半導体デバイス１１、セラミツクアイソレータ
１３および熱スプレツダ１７の間に形成される。
次には熱スプレツダ１７が外部ヒートシンク１９
に機械的に固定されるデバイス部分分１０ａの熱
伝達面１７ａも外部ヒートシンク１９の熱受け面
１９ａも完全に平らではないので、熱スプレツダ
１７と外部ヒートシンク１９の間にはインタフエ
ース層１８が存在すると、ヒートシンクに機械的
方法だけで結合されているすべてのデバイスにイ
ンタフエース層１８が存在する。熱伝導性グリー
スは、インタフエース層１８の熱インピーダンス
を低下させるのに使用することはできるが、それ
を除去することはできない。

インタフエース１７ａを横切つて外部ヒートシ
ンク１９の受け面１９ａへ流れる熱量と同量の熱
が半導体チツプ１１からインタフエース１１ａを
横切つて流れることは当業技術者には容易に判る
であろう。破線２８は、熱が数層のデバイスおよ
び伝導性熱スプレツダ１７を通過するにつれて熱
が拡散するおおよその外郭を示す。矢印２７は半
導体チツプ１１からインタフエース１１ａを横切
つて流れる熱を示す。矢印２９はインタフエース
１７ａを横切つて外部ヒートシンク１９へ流れる
同量の熱を示す。熱束（単位面積あたりの熱の流
れ）はインタフエース１１ａにおける方が大であ
ることは容易に判るであろう。セラミツクアイソ
レータ１３は伝導性熱スプレツダ１７又は金属層
１２および１４−１６よりかなり大きい熱抵抗を
有するので、半導体チツプ１１と熱スプレツダ１
７の間にセラミツクアイソレータ１３を置くと、
一定度の電気絶縁に対し最大の熱抵抗を生じる。
これは第１図Ａの構造で組立てられた多くの先行
技術デバイスの重大な短所である。

デバイス部分１０ｂを示す第１図Ｂにおいて
は、セラミツクアイソレータ１３は取り除かれて
おり、半導体デバイス１１は熱スプレツダ１７の
オプシヨンによるめつき層１６に直接に結合され
ている。電気絶縁を行うため、柔軟な誘電体２０
が熱スプレツダ１７と外部ヒートシンク１９との
間に機械的に挿入されている。層２０に用いられ
る材料の例としては雲母および絶縁性プラスチツ
クがある。層２０と熱スプレツダ１７の間には治
金学的又は化学的結合が存在しないので、熱スプ
レツダ１７と絶縁層２０との間には追加のインタ
フエース層２１が存在する。絶縁層２０と熱スプ
レツダの間および絶縁層と外部ヒートシンク１９
の間には有機グリースを用いるのが普通である。
第１図Ｂの構成は第１図Ａの構成の熱効率に等し
いか又はそれ以上の熱効率を与えるが、第１図Ｂ
の構成は、使用者が外部ヒートシンク１９上にデ
バイス１０ｂを取りつける際に層２０を設けなけ
ればならないという欠点を有する。薄いプラスチ
ツク又は雲母シートは比較的もろいので、これは
望ましい特徴ではない。

デバイス部分１０ｃを示す第２図においては、
半導体デバイス１１はオプシヨンによるめつき層
１６によつて熱スプレツダ１７に結合されてい
る。熱スプレツダ１７はセラミツクアイソレータ
２３の結合を促進するためオプシヨンによるめつ
き層２６を有する。セラミツクアイソレータ２３
は、はんだ層２５によるアイソレータ２３の熱ス
プレツダ１７への治金学的結合を促進するため金
属被覆２４を有する。従つてセラミツクアイソレ
ータ２３は熱スプレツダ１７に永久的に結合さ
れ、インタフエース２３ａは完成したデバイスの
熱伝達面を形成する。第２図の構成は、使用者が
別個の絶縁層を扱わなくてもすむという点で第１
図Ｂの構成より優れており、最大熱束の箇所にで
はなく最小熱束の箇所において熱回路にセラミツ
クアイソレータを置くという点で第１Ａ図の構成
より優れている。しかし、第２図の構造は複雑で
製造するのに高価となる。また熱スプレツダ１７
の面積がより大きく作られているので、破損しな
いようにするためにセラミツクアイソレータ２３
の厚さを増さなければならない。このことはパツ
ケージの熱インピーダンスを大きくする。

第３図に示すように、本発明によると、セラミ
ツクアイソレータ２３および関連金属結合層２４
−２６を、熱スプレツダ１７のインタフエース１
７ａに直接に結合されているガラス状誘電体層４
１に置き換えることによつて大幅により簡単な構
造４０を作ることができる。しかし、ガラス状誘
電体材料を直接に従来の熱スプレツダ１７に適用
すると、ガラス状材料の隆起（ridge）が従来の
熱スプレツダ１７の辺縁部１７ｄに生じることが
見出された。隆起４３はかなりの面積にわたつて
熱伝達面４１ａが外部ヒートシンク１９の熱受け
面１９ａと接触するのを妨げる。熱伝達面４１ａ
と熱受け面１９ａとの間にかなりの厚さのギヤツ
プ４２ができる。直接的な熱接触は隆起４３の先
端４４に対応する線においてのみ存在する。熱は
矢印４６によつて示されるように比較的小さい部
分４５を通つて外部ヒートシンク１９に直接に結
合される。熱はまたギヤツプ４２を横切つても流
れるが余り効果的ではない。

この障害は熱スプレツダ構成を第４図に示す構
成に変えることによつて克服される。本発明によ
る第４図のデバイス部分５０は、熱スプレツダ５
７のオプシヨンによるめつき層１６上に直接取り
つけられた半導体ダイ１１を有する。熱スプレツ
ダ５７は、第３図の熱スプレツダ１７の熱伝達面
１７ａと側面部分１７ｃとの間の辺縁部の角１７
ｄが、改良された熱スプレツダ５７の熱伝達面５
７ａと側面部分５７ｃを接続するほゞ滑らかな彎
曲面５７ｄによつて置き換えられているという点
で第３図の熱スプレツダ１７と異なつている。
ほゞ滑らかな彎曲面５７ｄは最小曲率半径５１を
有する。ガラス状誘電体膜５２は改良された熱ス
プレツダ５７の表面５７ａおよび滑らかな彎曲面
５７ｄにほゞ適用されている。ガラス状誘電体５
２は厚さ５３および外部熱伝達面５２ａを有す
る。ほぼ滑らかな彎曲面５７ｄは１つだけの曲率
半径を有する必要はない、即ち１つの円の弧を有
する必要はない。それは或る範囲の曲率半径を有
するより複雑な曲線であつてもよく、その場合に
は曲率半径５１はほゞ滑らかな彎曲線５７ｄの任
意の最小曲率半径を表わす。

最小曲率半径をガラス状誘電体層５２の厚さと
等しくするか、又はそれより大きくすると、隆起
４３は殆んど形成されない。最小曲率半径５１は
少くとも厚さ５３に等しくなければならないか、
それより大きい半径を用いることが望ましく、厚
さ５３の２〜３倍にすると便利である。それより
大きい値も有用である。半径５１を厚さ５３と等
しくするか、又はそれより大きくしても彎曲面５
７ｄ上のガラス状誘電体層のチツプ抵抗は大きく
なる。という訳は、そのより大きな半径はより広
い面積の上に衝撃力（force of impact blow）
を分配するからである。これは機械的起伏（ラツ
ギドネス、ruggedness）を改善する。

ほゞ滑らかな彎曲面５７ｄは機械加工、圧延、
スタンピング、圧印加工（coining）、エツチング
又はそれらに相等する方法などの便利な方法によ
つて形成してもよい。第４図の構造は先行技術の
構造より簡単かつ安価であり、いくつかの層が省
かれているので同等又はより優れた熱効率を与え
る。更に、第４図のガラス状誘電体層５２は、自
由な固定形式（free standing form）で扱う必
要がないので、第２２図のセラミツクアイソレー
タ２３又は第１図Ｂのプラスチツクアイソレータ
２０より大幅に薄くすることができる。他の点が
同じであつても、この点はパツケージの熱効率を
更に改善させる。

第５図Ａおよび第５図Ｂは本発明によるパワー
デバイスパツケージの内部構造の詳細と最初の部
分品配置を示す。金属製熱スプレツダおよび部分
品６０は第１の所定の厚さ６５のベース部分６１
および第２の所定の厚さ６６のベースリード部分
６２を有する。ベース部分６１は第２表面の反対
側にある第１表面６１ａ、および第１表面６１ａ
と第２表面６１ｂをほゞ結合させる側面部分６１
ｃを有する。側面部分６１ｃと第２表面６１ｂ
は、ほゞ滑らかな彎曲面６１ｄによつて結合され
ている。第４図の表面５７ｄの場合と同様に、第
５図Ａおよび第５図Ｂのほゞ滑らかな彎曲面６１
ｄは所定の最小曲率半径６１ｅを有する。第５Ａ
図および第５Ｂ図の第２表面６１ｂおよびほゞ滑
らかな彎曲面６１ｄはその上に所定の厚さ６７の
ガラス状誘電体層６８によつて被覆されている。
厚さ６７は所望の量の電気絶縁を与えるのに十分
なものでなければならない。最高数千ボルトまで
の絶縁電圧定格を有するデバイスには100−300μ
ｍの範囲の厚さが有利である。電圧定格に応じて
それよりも薄い層およびそれよりも厚い層を用い
てもよい。しかし、熱インピーダンスは厚さを増
すにつれて増大する。

金属製熱スプレツダ６０はそこから延びている
ベースリード部分６２を有し、そのベースリード
部分６２は延長部分６３およびオプシヨンによる
接続穴６４ａを具える末端部分６４を有する。ベ
ースリード部分６２は熱スプレツダ６０と一体と
なつている一部でもよく、又は別個に作つてベー
ス部分６１に取りつけたものでもよいことは当業
技術者によつて認識されるであろう。金属製熱ス
プレツダ６０の上には、延長部分７１ａ−ｂおよ
びオプシヨンによる接続穴７３ａ−ｂを含む末端
部分７２ａ−ｂを有する追加のリード７０ａ−ｂ
が絶縁手段６９ａ−ｂによつて取りつけられてい
る。リード７０ａ−ｂはそれぞれ厚さ７４ａ−ｂ
を有する。厚さ７４ａ−ｂは同じである必要はな
い。絶縁手段６９ａ−ｂはそれぞれリード７０ａ
−ｂに関連した厚さ６９ａ−ｂを有する。２つの
追加リード７０ａ−ｂが図示されているが、それ
よりも多い、又は少ないリードを使用することが
当業技術者により認められるであろう。金属製熱
スプレツダ６０のベース部分６１の第１表面６１
ａはデバイス取付け部分７６を有する。

ベース部分６１にはいくつかの切り欠き７７ａ
−ｅがついている。切り欠き７７ｄ−ｅは、最終
的にカプセル封入されたデバイスを外部ヒートシ
ンクに固定する取付けねじの通路となる。完成し
たデバイスでは、取付けねじはベース部分６１又
はリード７０ａ−ｂに接触していない。幅７８ｃ
および深さ７８ｄを有する切り欠き７７ｃはベー
スリード部分６２を曲げやすくする。ベース部分
６１は７７ｆにおいて距離７９ｄだけ二番取り
（relieve）されていて曲げ具が近づけるようにな
つており、ベース部分６１の表面６１ｂおよび６
１ｂ上のガラス状誘電体被覆６８にひび割れを起
こさせずにベースリード部分６２を曲げることが
できる。距離７９ｄは少くとも厚さ６６の２倍は
あることが望ましい。寸法７８ｃ−ｄは少くとも
厚さ６６に等しいことが望ましい。切り欠き７７
ａ−ｂは追加リード７０ａ−ｂの延長部分７１ａ
−ｂの下に位置している。切り欠き７７ａ−ｂは
それぞれ幅７８ａ−ｂを有し、これらの幅は追加
リード７０ａ−ｂの延長部分７１ａ−ｂの幅７９
ａ−ｂに等しいか、又はそれよりも広い。切り欠
き７７ａ−ｂの厚さ７９ｃは、曲げ具が接近でき
るようになつているので、リード７０ａ−ｂをベ
ース部分６１に付着させる絶縁手段６９ａ−ｂを
傷つけずに延長部分７１ａ−ｂを曲げることがで
きる。厚さ７９ｃはそれぞれ追加リード７０ａ−
ｂの厚さ７４ａ又は７４ｂの少くとも２倍はある
ことが望ましい。

側面６１ｃはその長さに沿つて種々の角および
曲り８０を有し、それらの角および曲り８０は側
面６１ｃの長さ方向に最小曲率半径８１を有す
る。最小曲率半径８１はガラス状誘電体層６８の
厚さ６７に等しいか、又はそれより大きいことが
絶対に必要であり、大幅に大きいことが好まし
い。側面６１ｃの最小曲率半径８１は厚さ６５の
約１〜４倍であると便利なことが見出されてい
る。

第５図Ａおよび第５図Ｂの部分品集合体８２
は、先づ最初にベース部分６１とベースリード部
分６２からなる金属製熱スプレツダ部分６１およ
び追加リード部分品７０ａ−ｂを押抜きによつて
作つて組み立てるのが便利である。ベースリード
部分６２はベース部分６１と同じ操作によつて作
つてもよく、或いは別に作つて便利な導電性手段
によつて側面６１ａ又は表面６１ａに付着させて
もよい。熱スプレツダ部分品６０およびリード部
分品７０ａ−ｂは胴又は銅合金で作るのが便利で
ある。しかし、鉄、鋼鉄、アルミニウム、アルミ
ニウム合金およびそれらの組合せなど他の金属を
銅又は銅合金と一緒に、又は銅又は銅合金と一緒
にではなく、表面めつきをして、又は表面めつき
をせずに用いても十分に役立つ。その他の金属お
よび金属の組合せも有用である。

押抜き（punching）は、部分品６０および７
０ａ−ｂを切断し同時にそれを第５図Ａおよび第
５図Ｂの形状に仕上げる便利な方法であるが、エ
ツチング、機械加工、鋸引きなどの他の方法も十
分に役立つ。部分品６０の押抜きと同時に、又は
その後に、側面部分６１ｃと第２表面６１ｂとを
結合させるほゞ滑らかな彎曲面６１ｄを形成する
のが便利である。ほゞ滑らかな彎曲面６１ｄはス
タンピング、圧延、圧印加工（coining）、エツチ
ング、機械加工、研磨などの方法により形成して
もよい。ほゞ滑らかな彎曲面６１ｄは部分品６０
を作るのと同じ操作で作るのが便利である。押抜
き、成形、スタンピング、エツチング、機械加
工、鋸引き、圧延、圧印加工および／又は研磨の
方法は技術上周知である。切り欠き７７ａ−ｅお
よびレリーフ（relief）７７ｆは部分品６０の形
成と同時に、又はその後に作るのが便利である。
最小曲率半径８１を有する丸めた曲りおよび角８
０も同様な方法で作るのが便利である。ベース６
１の第２表面６１ｂがほゞ平らで滑らかになるよ
うに注意すべきである。第２表面６１ｂを研磨す
る必要はない。

金属製熱スプレツダ部分品６０を機械的に形造
つた後に、金属製熱スプレツダ６０のベース部分
６１の第２表面６１ｂおよびほゞ滑らかな彎曲面
６１ｄをガラス形成誘電体材料で被覆する。この
ガラス形成誘電体材料は表面６１ｂおよび６１ｄ
に密接に結合しなければならない。こゝで用いて
いる“密接に結合している”（密着）という語は、
比較的弱いフアンデルワールス結合とは反対の比
較的強力なイオンおよび／又は共有化学結合によ
つて化学的に結合していることを意味する。

ガラス形成誘電体材料は所定のほゞ均等な厚さ
のガラスフリツトのスラリーの形で適用してから
乾燥させるのが便利である。ガラスフリツトを加
熱して溶かし表面６１ｂおよび６１ｄに密接に結
合する。加熱は同時に行うことができるが、集合
体８２の組立ての一部として後で行う方がより便
利である。粘着性の密接に結合したガラス状誘電
体層を作る他の方法も使用できる。ガラス状誘電
体層６８の外側を向いている表面６８ａはほゞ平
らで滑らかであることが重要である。こゝで用い
られている“耐火性誘電体手段”という語は“ガ
ラス状誘電体”および“ガラス形成誘電体”を含
むが、これらの語は電気絶縁ガラス、セラミツク
ス、磁器およびその他の耐火誘電体を含むことが
意図されている。このガラス状誘電体材料は25℃
で約0.8W_n ^-1K^-1を超える熱伝導率を有すること
が望ましい。オハイオ州、クリープランドのフエ
ロ社が製造したガラスフリツトＬ−１型および／
又は1851型は、胴ビース部分を被覆するために有
用なガラス又は磁器誘電体材料である。その他の
銅封入用ガラスも役に立つ。熱スプレツダ５７又
は６０のような金属面へのガラス、磁器および／
又はセラミツク層の接着は酸化又はホウ酸塩処理
などの表面前処理によつて改善されることは当業
技術者によつて認められるであろう。これらの技
術は技術上周知である。表面６１ｂはガラス状誘
電体６８を適用する前に酸化又はホウ酸塩処理す
るのが便利である。

部分品集合体８２は、追加リード７０ａ−ｂを
ボード（bout）に入れ、絶縁付着手段６９ａ−
ｂ、代表的な場合にはガラス状誘電体材料のプレ
ホーム（pre−form）をリード７０ａ−ｂの部分
８３ａ−ｂ上において組立てるのが便利である。
次に金属製熱スプレツダ６０を同じボートに入れ
るので、表面６１ａは追加リード７０ａ−ｂの部
分８３ａ−ｂ上におかれたガラスプレホームと接
触し、ボートは必要なアラインメント
（alignment）を行つて部分品６０および７０ａ
−ｂを互に適当な位置におく。この構成では、ガ
ラス状誘電体層６８はもう一方の部分品と背中合
せになつている。次に、組立てた部分品を含むポ
ートを制御した雰囲気内で加熱する。非酸化雰囲
気が望ましく、窒素又は窒素生成ガスが適してい
る。600−1000℃の範囲の温度が有用であり、650
−900℃が好ましい。集合体を高くした温度に保
つてガラス状材料を溶かし部分品に密接に結合さ
せる。溶けたガラスプレホームは、リード７０ａ
−ｂをベース部分６１に結合させる絶縁手段６９
ａ−ｂとなる。表面６１ｂ−ｄ上の溶けたガラス
はほゞ均等な厚さ６７のガラス状誘電体被覆６８
を作る。第５図Ａおよび第５図Ｂのガラス状誘電
体層６８もまたほゞ滑らかな彎曲面６１ｄが側面
６１ｃに結合している箇所のあたりで厚さがほゞ
零になるように徐々に薄くなつているがこれは決
定的に重要なことではないことが第４図のガラス
状誘電体層５２を参照することによつて判るであ
ろう。

部分品集合体８２は取り扱いが容易なかなり剛
くて平らな構造物を形成するので、半導体チツプ
８４をベース部分６１の表面６１ａのデバイス結
合部分７６にオプシヨンによつて結合させてもよ
い。半導体ダイ８４はワイヤボンド８５により追
加リード７０ａ−ｂに接続される。非常に多種類
の手段が半導体チツプ８４をリード７０ａ−ｂに
接続するのに用いられることが当業技術者によつ
て認識されるであろう。同様に、非常に多種類の
手段が半導体ダイ８４をベース部分６１に付着す
るのに用いられる。炉はんだ付け（furnace
soldering）が便利なダイ付着手段であることが
判つている。

次に、リード延長部分６３および７１ａ−ｂが
ベース部分６１の面にほゞ直角に機械的に形成さ
れる。切り欠き７７ａ−ｂはリード部分７１ａ−
ｂを締めるための便利な通路となりレリーフ７７
ｆはリード部分６３を締めるための便利な通路と
なるので、絶縁手段６９ａ−ｂ又はガラス状誘電
体層６８を傷つけることなく形成することができ
る。形成された集合体８２を次に型（mold）に
入れカプセル封入するので、熱スプレツタ６０の
表面６１ｂ上のガラス状誘電体６８の表面６８ａ
および端末部分６４および７２ａ−ｂはカプセル
封入材料から露出されたまゝになつている（第６
図Ａおよび第６図Ｂ参照）。次に、カブセル封入
されたデバイスを検査するのが便利である。更に
端末部分６４および７２ａが第６図Ａに示すよう
に捕獲ナツト（capture nuts）９１ａ−ｂを保持
するように末端部分６４および７２ａを形成する
ことも便利である。

第６図Ａおよび第６図Ｂのデバイスはだいたい
矩形をしているが、その他の形状も可能である。
端末部分６４および７２ａはパツケージの対角線
上に配置され、互に、また端末部分７２ｂからも
十分に離れている。この配置は、工業的環境内で
用いるための部品について1979年８月19日付の定
期報告書UL508のなかでアンダーライターズラボ
ラトリーズによつて確立された最小端末間隔を設
けるのに便利である。

第６図Ａおよび第６図Ｂは、カプセル封入材料
９０によつてカプセル封入された本発明による第
５図Ａおよび第５図Ｂの部分品を使用してほゞ完
成したパワーデバイス９４を示す。第６図Ｂは、
第６図Ａの底面図であり、そこでは表面６１ｂ上
のガラス状誘電体層６８の露出した表面６８ａが
見られる。表面６８は完成したデバイスの熱伝達
面をなしている。ベース部分６１が成形
（molding）の期間中又はその後にカプセル封入
材料９０の収縮／膨張によつて殆んど変形しない
ようにするために、カプセル封入材料９０が所定
の制御された成形収縮および膨張係数を有するこ
とが重要である。0.25％以下の成形収縮率をもつ
た充填ポリイミド材料で申し分ない、0.2％以下
が好ましいことが見出されている。成形収縮係数
は、ASTM法D955−51（1969年に再認可）に具
体的に述べられている方法で測定した型寸法から
造型した寸法への収縮％に対応する。望ましい充
填材料は溶解した石英50−70％、ソーダガラス
（Ｅガラス）10−20％、合計60−80％で、残りは
ポリイミドである。その他の耐火性誘電体充填材
料も役に立つ。フランス、バリのローン・ブレー
ン社により供給されている600型ポリイミドが有
用である。その他のポリイミドもまた役に立つ。

第７図Ａ、第７図Ｂおよび第７図Ｃは本発明に
よるパワーデバイスパツケージの別の実施例を示
す。第７図Ａにおいて、部分品サブアセンブリ９
５は、ワイヤボンド８５によつて外部リード９７
ａ−ｃに結合されている半導体ダイ８４がその上
に取りつけられている第１表面９８ａを有する金
属製熱スプレツダ９８を含む。リード９７ａ−ｃ
は絶縁手段９９ｂによつて金属製熱スプレツダ９
８から分離されている。金属製熱スプレツダ９８
（第７図Ｃ）は第２表面９８ｂ、側面９８ｃ、お
よび側面９８ｃを第２表面９８ｂに結合させる
ほゞ滑らかな彎曲面９８ｄを有する。ほゞ滑らか
な彎曲面９８ｄおよび第２表面９８ｂはガラス状
誘電体層９９ａによつてほゞ被覆されている。部
分品集合体９５はカプセル封入材料手段１００に
よつてほゞ被覆されて、第７図Ｂおよび第７図Ｃ
のほゞ完成したデバイスを作る。熱伝達面９９ｃ
は所定の量１０１だけカプセル封じ材料手段１０
０から突き出ているので、面９９ｃはカプセル封
入材料手段１００からの干渉を受けずに外部ヒー
トシンクと係合する（engage）ことができる。

第７図Ａ、第７図Ｂおよび第７図Ｃのデバイス
はリード９７ａ−ｃをボート又は容器（holder）
に入れ、カラス状（又はガラス形成）層９９ａ−
ｂで予め被覆した熱スプレツダ９８を加え、第５
図Ａ、第５図Ｂ、第６図Ａおよび第６図Ｂのデバ
イスに関連して記述した方法とだいたい同じ方法
で加熱することによつて形成される。

本発明は、外部熱伝達面が半導体チツプと熱ス
プレツダとの間に誘電体スペーサを用いずに半導
体チツプから電気的に絶縁されている改良された
電気絶縁分離半導体パワーデバイスパツケージお
よび改良された電気絶縁分離半導体パワーデバイ
スを提供するものであることは当業技術者には明
らかであろう。更に、この改良されたデバイスは
熱スプレツダの外側の熱伝達面に密接に結合され
た絶縁層によつて達成されること、またこの構造
および方法は別個の外部絶縁手段を必要とせず最
少数の部分品を利用することが明らかであろう。
完成したデバイスはほゞ平らで滑らかな熱伝達面
を有し、機械的に頑丈であり、工業的環境に十分
に適合していることが更に明らかであろう。部分
品の平らな形状およびほゞ平行している初期の関
係は、電気絶縁分離半導体パワーデバイスパツケ
ージと電気絶縁分離半導体パワーデバイスの改良
された製造にとつて特に便利な配置を提供するも
のであることが更に明らかであろう。こゝに記述
した所望の構造上の特徴を有する電気絶縁分離半
導体パワーデバイスパツケージおよび電気絶縁分
離半導体パワーデバイスを製造するための改良さ
れた方法が提供されていることが明らかであろ
う。

本発明を特定の構造および材料について記述し
たが、これらの考え方は広い範囲にわたるデバイ
スおよび構造、特に部分品用の種々の金属の使
用、誘電体層用の種々のガラス状材料および調製
方法（例えばプラズマスプレーイング）の使用、
所望の制御された収縮係数を有する他のカプセル
封入材料の使用、および部分品を形造り組立てる
ための種々の機械的技術の使用に適用されること
が当業技術者には明らかであろう。従つて、本発
明の精神および範囲に入るそのようなすべての変
形を含むことが意図されている。

本発明の目的は前述のような電気絶縁分離半導
体パワーデバイス及びその製造方法を提供するこ
とであつたが、セラミツク又は磁器或いはそれと
同等のものを耐火性（高融点）誘電体手段とし
て、ガラスの代りに使用した時にも何ら変わりが
ない。即ち、耐火性誘電体手段としてセラミツク
ス、磁器等を用いた場合にも本件発明の目的に何
ら変わりはない。

異なつた材料を用いる場合の本件発明の効果
は、耐火性（高融点）誘電体材料を特定的に選択
した場合のその材料の物理的な性質に依存してい
る。例えば、その誘電体材料の熱伝導率と電気抵
抗率は、耐火性（高融点）誘電体被覆膜層の熱的
及び電気的特性に影響を与える。耐火性（高融
点）誘電体手段がガラス、磁器或いはセラミツク
として特徴づけられるかどうかにかかわらず、本
件発明において上記の誘電体材料を適用する過程
におけるスラリー（slurry）の粘性率、軟化温
度、熱膨張係数及び他の物理的特性に関しても同
様に耐火性（高融点）誘電体被膜層の熱的及び電
気的特性に影響を与える。当業技術者達は、誘電
体材料を選択することとその結果としての誘電体
としての特性との間のこの原因と結果（効果）と
の関連性を理解できるであろう。

本件発明の第３図において図示され、前述の発
明の目的において記載されている課題はまたガラ
ス、磁器、セラミツク或いはその混合物に関して
も同様に生ずる課題である。この課題は、これら
の材料が、液体の浮遊物状か、もしくは少なくと
も部分的に柔軟性があり溶解している時に熱スプ
レツダー４１を適用中もしくは適用した後に生ず
るものである。このような問題点が本件発明によ
つて同様に克服された。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａおよび第１図Ｂは、電気絶縁分離誘電
体層の２つの場所に対する金属製熱スプレツダを
通る半導体チツプと外部ヒートシンクとの間の熱
経路を先行技術に従つて概略的な形式にて示す。
第２図は、ヒートシンクの外面にろう付け又はは
んだ付けされたセラミツクアイソレータに対する
半導体チツプと外部ヒートシンクとの間の熱径路
を本発明に従つて概略的な形式にて示す。第３図
は、ガラス状セラミツク又は磁器層を本発明に従
つて通常の金属製熱スプレツダの外面上に使用し
電気絶縁を行う場合の半導体ダイと外部ヒートシ
ンクとの間の内部構造および熱径路を概略的な形
式にて示す。第４図は、改良された設計の金属製
熱スプレツダ上の電気絶縁分離を与えるためガラ
ス状セラミツク又は磁器層を用いた場合の半導体
ダイと外部ヒートシンクとの間の本発明による内
部構造および熱径路を概略な形式に示す。第５図
Ａおよび第５図Ｂは、本発明によるパワーデバイ
スの内部構造の詳細および最初の部分品配置を示
す。第６図Ａおよび第６図Ｂは、本発明によるカ
プセル封入後の第４図Ａおよび第４図Ｂの部分品
を用いたパワーデバイスを示す。第７図Ａ、第７
図Ｂおよび第７図Ｃは、本発明によるパワーデバ
イスパツケージおよびパワーデバイスの別の実施
例を示す。 第４図において、５０はデバイス部分、５７は
熱スプレツダ、１１は半導体ダイ、５７ｄは彎曲
面、５２はガラス状誘電体膜、１８はインターフ
エイス層、１９はヒートシンク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の所定の厚さのベース部分と第２の所定
   の厚さのベースリード部分とを有し、前記ベース
   部分は、第１表面、前記第１表面の反対側の第２
   表面、および前記第１および第２表面の一部へ接
   合された側面とを有し、前記第１表面は、デバイ
   ス実装部分とリード実装部分を有し、前記側面お
   よび前記第２表面は、所定の最小曲率半径を有す
   る実質的に滑らかな彎曲面によつて結合されてい
   る金属製熱スプレツダと、 前記金属製熱スプレツダの前記ベース部分の前
   記第１表面の前記リード実装部分に結合されてい
   るが電気的に絶縁分離されている少くとも１つの
   追加のリードと、 前記第２表面と前記実質的に滑らかな彎曲面に
   密接に結合し、前記第２表面上に前記所定の最小
   曲率半径より小さい第３の所定の厚さを有し、前
   記金属製熱スプレツダの前記ベース部分の前記第
   ２表面を外部ヒートシンクに対して電気的には絶
   縁分離されているが熱的には結合されるように適
   合された耐火性誘電体手段と、から構成されるこ
   とを特徴とする前記外部ヒートシンク上に実装す
   るのに適合した電気絶縁分離半導体パワーデバイ
   ス。 ２ 第１の所定の厚さのベース部分と第２の所定
   の厚さのベースリード部分とを有し、前記ベース
   部分は第１表面、前記第１表面の反対側の第２表
   面、および前記第１および第２表面の一部へ結合
   された側面とを有し、前記第１表面は、デバイス
   実装部分とリード実装部分を有し、前記側面およ
   び前記第２表面は、所定の最小曲率半径を有する
   実質的に滑らかな彎曲面によつて結合されている
   金属製熱スプレツダと、 前記金属製熱スプレツダの前記ベース部分の前
   記第１表面の前記リード実装部分に結合されてい
   るが電気的には絶縁分離されている少なくとも１
   つの追加のリードと、 前記デバイス実装部分の上に実装され、前記少
   なくとも１つの追加のリードに電気的に接続され
   ている少なくとも１つの半導体デバイスと、 前記第２表面と前記実質的に滑らかな彎曲面に
   密接に結合し、前記第２表面上に第３の所定の厚
   さを有し、前記金属製熱スプレツダの前記ベース
   部分の前記第２表面を外部ヒートシンクに対して
   電気的には絶縁分離されているが熱的には結合さ
   れるように適合された耐火性誘電体手段とから構
   成され、前記所定の最小曲率半径が前記第３の所
   定の厚さ以上であることを特徴とする、前記外部
   ヒートシンクの上に実装するのに適合した電気絶
   縁分離半導体パワーデバイス。 ３ 半導体ダイを受け入れるように適合された第
   １表面と、耐火性誘電体被覆を受け入れるように
   適合された前記第１表面の反対側の第２表面と、
   および前記第１及び第２表面に結合された側面部
   分とを有するベース部分を具備する金属製熱スプ
   レツダを形成する工程と、 前記金属製熱スプレツダの前記ベース部分から
   延びているベースリード部分を形成する工程と、 前記ベース部分が第１の厚さを有し前記ベース
   リード部分が第２の厚さを有するように前記金属
   製熱スプレツダを形成する工程と、 前記ベースリード部分が第１端末部分に終わる
   第１延長部分を有するように前記ベースリード部
   分を形成する工程と、 所定の最小曲率半径を有し、前記側面部分と前
   記第２表面を結合する実質的に滑らかな彎曲面を
   形成する工程と、 前記第２表面および前記実質的に滑らかな彎曲
   面に対して化学的に結合した所定の厚さの耐火性
   誘電体で前記第２表面および前記実質的に滑らか
   な彎曲面の一部を被覆する工程と、 前記耐火性誘電体被覆の前記厚さが前記所定の
   最小曲率半径以下になるように調節する工程と、 第２端末部分に終る第２延長部分を有する少な
   くとも１つの追加のリードを、電気的絶縁手段に
   よつて、前記ベース部分の前記第１表面に付着さ
   せる工程とから構成されたことを特徴とする、少
   くとも１つの半導体ダイを受け入れるように適合
   された電気絶縁分離半導体パワーデバイスの製造
   方法。