半導体装置
【課題】 対向する両金属体の間に２個以上の半導体素子を介在させ、これらを樹脂でモールドしてなる半導体装置において、応力的なバランスをとる。
【解決手段】 対向して配置された第１の金属体２０および第２の金属体３０と、これら両金属体２０、３０の間に設けられ両金属体２０、３０と熱的に接続された第１の半導体素子１０と、これら両金属体２０、３０の間に設けられ両金属体２０、３０と熱的に接続された第２の半導体素子１１と、これら両金属体２０、３０の間に充填され第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１を封止するモールド樹脂７０とを備える半導体装置１００において、両金属体２０、３０が隔てられている方向における両金属体２０、３０の間隔の中心部に対して、第１の半導体素子１０は第１の金属体２０に寄った位置に配置され、第２の半導体素子１１は第２の金属体３０に寄った位置に配置されている。
【解決手段】 対向して配置された第１の金属体２０および第２の金属体３０と、これら両金属体２０、３０の間に設けられ両金属体２０、３０と熱的に接続された第１の半導体素子１０と、これら両金属体２０、３０の間に設けられ両金属体２０、３０と熱的に接続された第２の半導体素子１１と、これら両金属体２０、３０の間に充填され第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１を封止するモールド樹脂７０とを備える半導体装置１００において、両金属体２０、３０が隔てられている方向における両金属体２０、３０の間隔の中心部に対して、第１の半導体素子１０は第１の金属体２０に寄った位置に配置され、第２の半導体素子１１は第２の金属体３０に寄った位置に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、向する両金属体の間に２個以上の半導体素子を介在させ、これらを樹脂でモールドしてなる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、この種の半導体装置としては、一般に、対向して配置された第１の金属体および第２の金属体と、第１の金属体と前記第２の金属体の間に設けられ当該両金属体と熱的に接続された第１の半導体素子および第２の半導体素子と、当該両金属体の間に充填され第１の半導体素子および第２の半導体素子を封止するモールド樹脂とを備えて構成されたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、この種の半導体装置の一般的な断面構成を具体的に示す図である。第１の金属体２０および第２の金属体３０は、放熱性に優れた金属などのヒートシンク材料からなる板材であり、これら両金属体２０、３０は対向して配置されている。
【０００４】
第１の金属体２０と第２の金属体３０との間には、第１の半導体素子１０と第２の半導体素子１１が、平面的に並列に配置されている。そして、第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１の下面と下側の第１の金属体２０の上面との間は、第１の導電性接合部材５１によって熱的に接合されている。
【０００５】
また、両半導体素子１０、１１の上面とヒートシンクブロックなどからなる第３の金属体４０の下面との間は、第２の導電性接合部材５２によって熱的に接合されている。さらに、第３の金属体４０の上面とその上側の第２の金属体３０の下面との間は、第３の導電性接合部材５３によって熱的に接合されている。
【０００６】
そして、第１の金属体２０と第２の金属体３０との間には、モールド樹脂７０が充填され、このモールド樹脂７０によって、第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１、さらに第３の金属体４０が封止されている。
【０００７】
また、図５に示されるように、モールド樹脂７０の内部において第１の半導体素子１０の周囲には、リードフレーム６０が設けられており、図示しないボンディングワイヤなどを介して、リードフレーム６０と第１の半導体素子１０とが電気的に接続されている。
【０００８】
このリードフレーム６０は、その先端部がモールド樹脂７０から露出しており、第１の半導体素子１０と外部とを電気的に接続可能としている。
【０００９】
そして、このような半導体装置においては、第１および第２の半導体素子１０、１１の上面では、第２の導電性接合部材５２、第３の金属体３０、第３の導電性接合部材５３および第２の金属体３０を介して放熱が行われ、第１および第２の半導体素子１０、１１の下面では、第１の導電性接合部材５１から第１の金属体２０を介して放熱が行われる構成となっている。
【特許文献１】特開２００４−６９６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明者らの検討によれば、上記図５に示されるような半導体装置においては、次のような問題が生じることがわかった。
【００１１】
本発明者らは、従来では、図５に示されるように、第１の半導体素子１０と第２の半導体素子１１が、両金属体２０、３０が隔てられている方向（図５中の上下方向すなわち半導体装置の厚さ方向）における両金属体２０、３０の間隔の中心部に対して、下側の第１の金属体２０に寄った位置に配置されていることに着目した。
【００１２】
なお、従来では、第１の半導体素子１０が複数個の半導体素子、第２の半導体素子１１が複数個の半導体素子からなるものであってもよい。その場合でも、従来の半導体装置では、これら複数個の半導体素子１０、１１の全てが、一方の金属体に寄った位置に配置されたものとなっていた。
【００１３】
このように、複数個の半導体素子１０、１１が第１の金属体２０に偏って配置されていると、応力の集中点が第１の金属体２０側に偏る。ここで、この応力とは、たとえば、温度サイクルが印加された場合において、金属体、半導体、モールド樹脂の間の熱膨張係数の差などに起因して発生する熱応力などである。
【００１４】
このように、両金属体２０、３０との間において一方の金属体、上記図５では第１の金属体２０側に応力集中が偏ることにより、モールド樹脂７０のクラックや界面剥離が進展し、パッケージとして機能不良に陥る。また、このように応力集中が偏ることにより、パッケージすなわち半導体装置に反りが生じ、当該半導体装置を他部材への組み付けることが困難となる。
【００１５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、対向する両金属体の間に２個以上の半導体素子を介在させ、これらを樹脂でモールドしてなる半導体装置において、応力的なバランスをとることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、対向して配置された第１の金属体（２０）および第２の金属体（３０）と、第１の金属体（２０）と第２の金属体（３０）の間に設けられ、これら両金属体（２０、３０）と熱的に接続された第１の半導体素子（１０）と、第１の金属体（２０）と第２の金属体（３０）の間に設けられ、これら両金属体（２０、３０）と熱的に接続された第２の半導体素子（１１）と、第１の金属体（２０）と第２の金属体（３０）の間に充填され、第１の半導体素子（１０）および第２の半導体素子（１１）を封止するモールド樹脂（７０）とを備える半導体装置において、両金属体（２０、３０）が隔てられている方向における両金属体（２０、３０）の間隔の中心部に対して、第１の半導体素子（１０）は、第１の金属体（２０）に寄った位置に配置され、第２の半導体素子（１１）は、第２の金属体（３０）に寄った位置に配置されていることを特徴としている。
【００１７】
それによれば、第１の半導体素子（１０）と第２の半導体素子（１１）とをそれぞれの金属体（２０、３０）に側へ分散させた配置構成となるため、従来のように、第１の半導体素子および第２の半導体素子をともに、一方の金属体、たとえば第１の金属体側に偏って配置した構成よりも、熱応力など応力の集中点が分散する。
【００１８】
よって、本発明によれば、対向する両金属体（２０、３０）の間に２個以上の半導体素子（１０、１１）を介在させ、これらを樹脂（７０）でモールドしてなる半導体装置において、応力的なバランスをとることができる。
【００１９】
そして、本発明によれば、応力的なバランスをとれることから、モールド樹脂（７０）のクラックや、モールド樹脂（７０）の界面剥離の進展や、モールドパッケージすなわち装置本体の反りなどの問題を、極力抑制することができる。
【００２０】
ここで、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の半導体装置においては、第１の半導体素子（１０）は、第１の金属体（２０）に対して導電性接合部材（５１）を介して直接接合され、第２の半導体素子（１１）は、第２の金属体（３０）に対して導電性接合部材（５３）を介して直接接合されているものにできる。
【００２１】
また、請求項３に記載の発明のように、請求項１または請求項２に記載の半導体装置においては、第１の金属体（２０）に寄った位置に配置されている第１の半導体素子（１０）は、第３の金属体（４０）を介して第２の金属体（３０）と熱的に接続されており、第２の金属体（３０）に寄った位置に配置されている第２の半導体素子（１１）は、第３の金属体（４０）を介して第１の金属体（２０）と熱的に接続されていることを特徴とするものにできる。
【００２２】
また、請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３に記載の半導体装置において、第１の半導体素子（１０）および第２の半導体素子（１１）は、それぞれ複数個の半導体素子からなり、両金属体（２０、３０）の間において、１個の第１の半導体素子（１０）と１個の第２の半導体素子（１１）とが隣り合った形で繰り返し配列されていることを特徴としている。
【００２３】
それによれば、第１の半導体素子（１０）および第２の半導体素子（１１）が、それぞれ複数個の半導体素子からなる場合において、応力的なバランスがよりとりやすくなり、好ましい。
【００２４】
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を示す一例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
【００２６】
［構成等］
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置１００の概略断面構成を示す図である。
【００２７】
図１に示されるように、本半導体装置１００は、大きくは、第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１と、これら半導体素子１０、１１を挟むように半導体素子１０、１１の両面に配置された一対の放熱板としてのヒートシンク２０および３０と、この一対のヒートシンク２０、３０間に充填され第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１を封止するモールド樹脂７０とを備えて構成されている。
【００２８】
ここで、本半導体装置１００においては、このモールド樹脂７０の封止は、一対のヒートシンク２０、３０の放熱面であるそれぞれの外側の主表面２０ａ、３０ａがモールド樹脂７０から露出するように行われている。
【００２９】
これら一対のヒートシンク２０、３０のうち図１において下側に位置するものを下側ヒートシンク２０ということとし、上側に位置するものを上側ヒートシンク３０ということとする。図１に示される半導体装置１００では、下側ヒートシンク２０が第１の金属体２０として、上側ヒートシンク３０が第２の金属体３０として構成されている。
【００３０】
そして、図１に示される半導体装置１００では、各半導体素子１０、１１は、第３の金属体４０としてのヒートシンクブロック４０および各導電性接合部材５１、５２、５３を介して、下側ヒートシンク２０と上側ヒートシンク３０とに挟み付けられている。
【００３１】
また、図１に示される例では、第１の半導体素子１０と第２の半導体素子２０とは、平面的に並列に配置されている。ここで、図１において、左側に位置するものが第１の半導体素子１０であり、右側に位置するものが第２の半導体素子２０である。
【００３２】
このように、本例では、第１の半導体素子１０、第２の半導体素子１１はそれぞれ１個ずつ、計２個設けられているが、本実施形態の半導体装置１００において、一対のヒートシンク２０、３０に挟まれる第１の半導体素子１０が複数個の半導体素子からなり、第２の半導体素子１１が複数個の半導体素子からなるものであってもよい。
【００３３】
つまり、本実施形態の半導体装置１００においては、対向して配置された下側ヒートシンク２０と上側ヒートシンク３０との間に２個以上の半導体素子１０、１１が挟まれた形となっている。
【００３４】
そして、本実施形態においては、図１に示されるように、下側および上側のヒートシンク２０、３０が隔てられている方向（図１中の上下方向すなわち半導体装置１００の厚さ方向）における両ヒートシンク２０、３０の間隔の中心部に対して、左側の第１の半導体素子１０は、下側ヒートシンク２０に寄った位置に配置され、右側の第２の半導体素子１１は、上側ヒートシンク３０に寄った位置に配置されている。
【００３５】
なお、第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１が、それぞれ複数個の半導体素子からなる場合、本実施形態においては、下側ヒートシンク２０に寄った位置に配置された複数個の半導体素子が、第１の半導体素子１０として構成され、上側ヒートシンク３０に寄った位置に配置された複数個の半導体素子が、第２の半導体素子１１として構成される。
【００３６】
また、このように第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１が、それぞれ複数個の半導体素子からなる場合、下側および上側のヒートシンク２０、３０の間において、１個の第１の半導体素子１０と１個の第２の半導体素子１１とが隣り合った形で繰り返し配列されていることが好ましい。
【００３７】
このことは、具体的に言うならば、次のようなことである。たとえば、図１において、下側および上側のヒートシンク２０、３０の間に、左側から右側に向かって４個の半導体素子が並列に配置されているとする。
【００３８】
このとき、左側の２個が、第１の金属体としての下側ヒートシンク２０側に偏った第１の半導体素子１０であり、右側の２個が、第２の金属体としての上側ヒートシンク３０側に偏った第２の半導体素子１１であってもよい。
【００３９】
しかしながら、好ましい形態としては、図１の左側から右側にかけて、下側ヒートシンク２０側に偏った第１の半導体素子１０、上側ヒートシンク３０側に偏った第２の半導体素子１１、下側ヒートシンク２０側に偏った第１の半導体素子１０、上側ヒートシンク３０側に偏った第２の半導体素子１１というように、４個の半導体素子が配置されることが望ましい。
【００４０】
このように、本実施形態の半導体装置１００は、第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１について独自の構成を有している。
【００４１】
そして、図１に示されるように、このような半導体素子の配置構成において、具体的には、第１の半導体素子１０の下面と下側ヒートシンク２０の上面との間は、第１の導電性接合部材５１によって接合されている。
【００４２】
また、第１の半導体素子１０の上面とヒートシンクブロック４０の下面との間は、第２の導電性接合部材５２によって接合されている。さらに、このヒートシンクブロック４０の上面と上側ヒートシンク３０の下面との間は、第３の導電性接合部材５３によって接合されている。
【００４３】
一方、図１に示されるように、第２の半導体素子１１の上面と上側ヒートシンク３０の下面との間は、第３の導電性接合部材５３によって接合されている。また、第２の半導体素子１１の下面とヒートシンクブロック４０の上面との間は、第２の導電性接合部材５２によって接合され、さらに、このヒートシンクブロック４０の下面と下側ヒートシンク２０の上面との間は、第１の導電性接合部材５１によって接合されている。
【００４４】
このように、第１の半導体素子１０は、下側ヒートシンク２０に対して導電性接合部材５１を介して直接接合され、第２の半導体素子１１は、上側ヒートシンク３０に対して導電性接合部材５３を介して直接接合されている。
【００４５】
そして、下側ヒートシンク２０に寄った位置に配置されている第１の半導体素子１０は、第３の金属体としてのヒートシンクブロック４０を介して上側ヒートシンク３０と熱的に接続されており、上側ヒートシンク３０に寄った位置に配置されている第２の半導体素子１１は、第３の金属体としてのヒートシンクブロック４０を介して下側ヒートシンク２０と熱的に接続されている。
【００４６】
ここで、これら第１、第２、第３の導電性接合部材５１、５２、５３としては、はんだや導電性接着剤等を採用することができる。具体的な例として、本半導体装置１００においては、これら第１、第２、第３の導電性接合部材５１、５２、５３としては、たとえばＳｎ（すず）系はんだを用いることができる。
【００４７】
これにより、上記した構成においては、第１の半導体素子１０の上面では、第２の導電性接合部材５２、ヒートシンクブロック４０、第３の導電性接合部材５３および上側ヒートシンク３０を介して放熱が行われ、第１の半導体素子１０の下面では、第１の導電性接合部材５１から下側ヒートシンク２０を介して放熱が行われる構成となっている。
【００４８】
一方、第２の半導体素子１１の上面では、第３の導電性接合部材５３から上側ヒートシンク３０を介して放熱が行われ、第２の半導体素子１１の下面では、第２の導電性接合部材５２、ヒートシンクブロック４０、第１の導電性接合部材５１および下側ヒートシンク２０を介して放熱が行われる構成となっている。
【００４９】
このように、本実施形態の第１の金属体としての下側ヒートシンク２０および第２の金属体としての上側ヒートシンク３０は、第１および第２の半導体素子１０、１１と熱的に接続されることにより、これら各半導体素子１０、１１からの熱を伝達して放熱する放熱板として構成されている。
【００５０】
そして、下側ヒートシンク２０においては、図１中の下面が放熱面２０ａとして構成され、上側ヒートシンク３０においては、図１中の上面が放熱面３０ａとして構成されている。そして、図１に示されるように、各放熱面２０ａ、３０ａは、モールド樹脂７０から露出している。
【００５１】
これら各ヒートシンク２０、３０の放熱面２０ａ、３０ａは、板状の放熱板としてのヒートシンク２０、３０における最も広い面すなわち板面であり、半導体素子１０、１１を挟んで対向して配置されている一対のヒートシンク２０、３０におけるそれぞれの外側の主表面２０ａ、３０ａのことである。
【００５２】
ここで、第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１としては、特に限定されるものではなく、シリコン半導体基板などを用いて通常の半導体製造技術を用いて製造される素子等を採用することができる。
【００５３】
具体的に、本実施形態において半導体素子として用いることのできる上記第１の半導体素子１０は、たとえばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やサイリスタ等のパワー半導体素子から構成することができる。
【００５４】
また、同じく本実施形態において半導体素子として用いることのできる第２の半導体素子１１は、たとえば、ＦＷＤ（フリーホイールダイオード）等からなるものにできる。また、具体的には、上記第１および第２の半導体素子１０、１１の形状は、たとえば矩形状の薄板状とすることができる。
【００５５】
ここで、第１および第２の半導体素子１０、１１の表面（図１中の上面）はトランジスタなどの素子が形成された素子形成面であり、第１および第２の半導体素子１０、１１の裏面（図１中の下面）はそのような素子が形成されていない非形成面として構成されている。
【００５６】
また、本実施形態の第１および第２の半導体素子１０、１１の表面および裏面には、図示しない電極が形成されている。この電極は、たとえばアルミニウムなどから形成されたものであり、それぞれの面において各導電性接合部材５１、５２、５３と電気的に接続されている。
【００５７】
このように、本実施形態においては、第１および第２の半導体素子１０、１１の表面側の電極および裏面側の電極は、下側ヒートシンク２０および上側ヒートシンク３０に対して、導電性接合部材５１〜５３およびヒートシンクブロック４０を介して電気的に接続されている。
【００５８】
ここで、下側ヒートシンク２０、上側ヒートシンク３０およびヒートシンクブロック４０は、たとえば、銅合金もしくはアルミ合金等の熱伝導性および電気伝導性の良い金属で構成されている。また、ヒートシンクブロック４０としては、一般的な鉄合金を用いてもよい。
【００５９】
また、ヒートシンクブロック４０は、各半導体チ素子１０、１１のそれぞれに対応して設けられているが、このヒートシンクブロック４０としては、たとえば、それぞれの半導体素子１０、１１よりも１回り小さい程度の大きさを有する矩形状の板材を採用することができる。
【００６０】
このヒートシンクブロック４０は、各半導体素子１０、１１と各ヒートシンク２０、３０との間に介在することによって、それぞれの半導体素子１０、１１と各ヒートシンク２０、３０とを熱的および電気的に接続するとともに、上述した第１および第２の半導体素子１０、１１の位置を規定するためのスペーサとしての役割を有している。
【００６１】
こうして、本実施形態では、下側ヒートシンク２０および上側ヒートシンク３０は、それぞれ、電極と放熱体とを兼ねる金属体として構成されており、半導体装置１００において半導体素子１０、１１からの放熱を行う機能を有するとともに半導体素子１０、１１の電極としての機能も有する。
【００６２】
また、図１に示されるように、モールド樹脂７０の内部において第１の半導体素子１０の周囲には、リードフレーム６０が設けられている。このリードフレーム６０は、銅や４２アロイなどの導電材料からなるものである。
【００６３】
このリードフレーム６０は、図１に示されるように、本例では複数本設けられており、第１の半導体素子１０の主表面に設けられている信号電極（たとえばゲート電極）などと導通する端子や基準端子となるものである。
【００６４】
そして、図示しないが、各リードフレーム６０は、モールド樹脂７０の内部にて、第１の半導体素子１０と、金やアルミニウムなどからなるボンディングワイヤなどにより結線され、電気的に接続されている。
【００６５】
ここで、リードフレーム６０における上記ボンディングワイヤとの接続部は、インナーリードとしてモールド樹脂７０の内部に封止され、リードフレーム６０は、モールド樹脂７０の外部に突出した部位すなわちアウターリードにて、外部と電気的な接続が可能となっている。
【００６６】
こうして、本実施形態の半導体装置１００においては、各半導体素子１０、１１は、上記ボンディングワイヤ、リードフレーム６０や各ヒートシンク２０、３０を介して外部と電気的な接続がなされ、信号のやりとりなどが可能になっている。
【００６７】
さらに、本実施形態の半導体装置１００においては、装置１００のほぼ全体がモールド樹脂７０によりモールドされ封止されている。そして、下側および上側のヒートシンク２０、３０の放熱面２０ａ、３０ａがモールド樹脂７０から露出するように、当該放熱面２０ａ、３０ａを除いて装置１００がモールド樹脂７０により包み込まれるように封止されている。
【００６８】
具体的には、図１に示されるように、一対のヒートシンク２０、３０の隙間、並びに、各半導体素子１０、１１およびヒートシンクブロック４０の周囲部分に、モールド樹脂７０が充填封止されている。
【００６９】
このモールド樹脂７０は、たとえばエポキシ樹脂等の通常のモールド材料を採用することができる。また、各ヒートシンク２０、３０等をモールド樹脂７０で封止するにあたっては、成形型を使用したトランスファーモールド法やポッティングなどによって容易に行うことができる。
【００７０】
［製造方法等］
次に、上記した構成の半導体装置１００の製造方法について説明する。
【００７１】
まず、下側ヒートシンク２０の上面に、第１の半導体素子１０、およびその上のヒートシンクブロック４０、ならびに、第２の半導体素子１１の下側のヒートシンクブロック４０およびその上の第２の半導体素子２０をはんだ付けする工程を実行する。
【００７２】
この場合、下側ヒートシンク２０とその上の第１の半導体素子１０との間、第１の半導体素子１０とその上のヒートシンクブロック４０との間、下側ヒートシンク２０と第２の半導体素子１１側のヒートシンクブロック４０との間、第２の半導体素子１１とその上のヒートシンクブロック４０との間に、たとえばＳｎ系はんだからなるはんだ箔を介して、これらを積層する。
【００７３】
この後、加熱装置（リフロー装置）によって、はんだの融点以上に昇温することにより、上記はんだ箔を溶融させてから、硬化させる。
【００７４】
続いて、第１の半導体素子１０とリードフレーム６０とをワイヤボンディングする工程を実行する。これにより、上記ボンディングワイヤによって第１の半導体素子１０とリードフレーム６０とが結線され電気的に接続される。
【００７５】
次いで、第１の半導体素子１０側のヒートシンクブロック４０および第２の半導体素子１１の上に、上側ヒートシンク３０をはんだ付けする工程を実行する。この場合も、これらの上にはんだ箔を介して上側ヒートシンク３０を載せ、加熱装置によって上記はんだ箔を溶融させてから、硬化させる。
【００７６】
こうして、溶融した各々のはんだ箔が硬化すれば、硬化したはんだが、第１の導電性接合部材５１、第２の導電性接合部材５２、第３の導電性接合部材５３として構成されることになる。
【００７７】
そして、これら導電性接合部材５１〜５３を介して、下側ヒートシンク２０、第１および第２の半導体素子１０、１１、各ヒートシンクブロック４０、上側ヒートシンク３０間の接合および電気的・熱的接続を実現することができる。
【００７８】
なお、第１、第２および第３の導電性接合部材５１、５２、５３として導電性接着剤を用いた場合にも、上記工程において、はんだを導電性接着剤に置き換え、導電性接着剤の塗布や硬化を行うことにより、下側ヒートシンク２０、第１および第２の半導体素子１０、１１、各ヒートシンクブロック４０、上側ヒートシンク３０間の接合および電気的・熱的接続を実現することができる。
【００７９】
しかる後、トランスファーモールド法により、下側ヒートシンク２０と上側ヒートシンク３０の隙間および外周部等にモールド樹脂７０を充填する工程を実行する。これにより、上記図１に示されるように、下側ヒートシンク２０と上側ヒートシンク３０の隙間および外周部等に、モールド樹脂７０が充填封止される。こうして、半導体装置１００が完成する。
【００８０】
［効果等］
ところで、本実施形態によれば、対向して配置された第１の金属体としての下側ヒートシンク２０および第２の金属体としての上側ヒートシンク３０と、これら下側および上側ヒートシンク２０、３０の間に設けられ当該両ヒートシンク２０、３０と熱的に接続された第１の半導体素子１０と、これら下側および上側ヒートシンク２０、３０の間に設けられ当該両ヒートシンク２０、３０と熱的に接続された第２の半導体素子１１と、これら下側および上側ヒートシンク２０、３０の間に充填され第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１を封止するモールド樹脂７０とを備える半導体装置において、下側および上側ヒートシンク２０、３０が隔てられている方向における当該両ヒートシンク２０、３０の間隔の中心部に対して、第１の半導体素子１０は、下側ヒートシンク２０に寄った位置に配置され、第２の半導体素子１１は、上側ヒートシンク３０に寄った位置に配置されていることを特徴とする半導体装置１００が提供される。
【００８１】
それによれば、第１の半導体素子１０と第２の半導体素子１１とをそれぞれのヒートシンク２０、３０に側へ分散させた配置構成となるため、従来のように、第１の半導体素子および第２の半導体素子をともに、一方の金属体側に偏って配置した構成よりも、熱応力など応力の集中点が分散する。
【００８２】
よって、本実施形態によれば、対向する両ヒートシンク２０、３０の間に２個以上の半導体素子１０、１１を介在させ、これらを樹脂７０でモールドしてなる半導体装置１００において、応力的なバランスをとることができる。
【００８３】
そして、本実施形態の半導体装置１００によれば、応力的なバランスをとれることから、モールド樹脂７０のクラックや、モールド樹脂７０の界面剥離の進展や、モールドパッケージすなわち装置本体の反りなどの問題を、極力抑制することができる。
【００８４】
ここで、本実施形態の半導体装置１００においては、第１の半導体素子１０は、第１の金属体としての下側ヒートシンク２０に対して導電性接合部材５１を介して直接接合され、第２の半導体素子１１は、第２の金属体としての上側ヒートシンク３０に対して導電性接合部材５３を介して直接接合されていることも特徴のひとつである。
【００８５】
また、本実施形態の半導体装置１００においては、下側ヒートシンク２０に寄った位置に配置されている第１の半導体素子１０は、第３の金属体としてのヒートシンクブロック４０を介して上側ヒートシンク３０と熱的に接続されており、上側ヒートシンク３０に寄った位置に配置されている第２の半導体素子１１は、ヒートシンクブロック４０を介して下側ヒートシンク２０と熱的に接続されていることも特徴のひとつである。
【００８６】
また、本実施形態の半導体装置においては、好ましい形態として、上述したが、第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１が、それぞれ複数個の半導体素子からなる場合、両ヒートシンク２０、３０の間において、１個の第１の半導体素子１０と１個の第２の半導体素子１１とが隣り合った形で繰り返し配列されているものとしてもよい。このことも、本実施形態の特徴のひとつである。
【００８７】
それによれば、第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１が、それぞれ複数個の半導体素子からなる場合において、応力的なバランスが、より均一にとりやすくなるため、好ましい。
【００８８】
ここで、本実施形態の半導体装置１００による具体的な応力バランスの効果について、上記図５に示される従来の半導体装置と比較して示す。
【００８９】
ここでは、本実施形態の半導体装置１００と従来の半導体装置とについて、装置における各部について、モールド樹脂７０と第１の金属体２０との界面におけるせん断応力、モールド樹脂７０と第２の金属体３０との界面におけるせん断応力を、ＦＥＭ（有限要素法）解析を行い、調査した。
【００９０】
図２は、このモールド樹脂／金属体界面のせん断応力の調査の軸方向を示す図である。本実施形態および従来の半導体装置において、第１および第２の金属体２０、３０が隔てられている方向（すなわち半導体装置の厚さ方向）とは直交する方向（すなわち半導体素子１０、１１の配列方向）を、ｘ軸方向とする。
【００９１】
そして、図２において、本実施形態および従来の半導体装置におけるｘ軸方向の左端部を、座標０とし、ここから、ｘ軸方向の右側に向かって離れていく各部における上記せん断応力を調査した。
【００９２】
図３は、従来構造の半導体装置について上記せん断応力を調査した結果を示す図であり、図４は、本実施形態の半導体装置１００について上記せん断応力を調査した結果を示す図である。
【００９３】
これら図３、図４においては、横軸には上記図２に示されるｘ軸方向の距離（単位：ｍｍ）が示されており、縦軸には、モールド樹脂／金属体界面のせん断応力（単位：ＭＰａ）が示されている。
【００９４】
また、従来の図３においては、白四角プロットは第１の金属体２０の界面、黒四角プロットは第２の金属体３０の界面についての結果であり、本実施形態の図４においては、白丸プロットは第１の金属体２０の界面、黒丸プロットは第２の金属体３０の界面についての結果である。
【００９５】
図３と図４との比較から、従来構造の半導体装置では、本実施形態の半導体装置１００に比べて第１の金属体２０側に大きな応力が負荷されるが、本実施形態の半導体装置１００は、従来のものに比べて、両方の金属体２０、３０に均一に応力が負荷されることがわかる。
【００９６】
また、図３、図４に示される結果から、応力集中部すなわち応力が急激に大きくなっている部位における応力は、従来のものに比べて、本実施形態の半導体装置１００では小さく抑えられている。
【００９７】
このように、本実施形態によれば、応力の集中を分散させ応力的なバランスをとることができ、また、その応力も比較的小さいものに抑えることができる。そのため、樹脂クラック、界面剥離の進展、パッケージの反りなどを極力防止することができる。
【００９８】
（他の実施形態）
なお、金属体としてのヒートシンク２０、３０の形状は、上記した略板状のものに限定されるものではなく、それ以外にも、適宜設計変更された形状としてもよい。
【００９９】
また、各半導体素子１０、１１としては、上記したＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やサイリスタ等のパワー半導体素子やＦＷＤ（フリーホイールダイオード）などに限定されるものではない。
【０１００】
また、上記図１に示される半導体装置１００においては、第１の半導体素子１０の電気的な取り出し構成として、半導体素子１０とリードフレーム６０とをボンディングワイヤなどにより結線した構成を採用しているが、それ以外に、半導体装置の分野で用いられている他の構成を採用してもよい。また、第２の半導体素子１１の電気的な取り出し構成としても、適宜、半導体装置の分野で用いられている種々の構成を採用してもよいことはもちろんである。
【０１０１】
また、上記実施形態では、ヒートシンクブロック４０を介在させることにより、上記した第１の半導体素子１０と第２の半導体素子１１との位置関係を実現しているが、ヒートシンクブロック４０を用いずに、当該位置関係を実現してもよい。
【０１０２】
たとえば、図１において、ヒートシンクブロック４０を省略し、その代わりに、上側ヒートシンク３０において、その下の第１の半導体素子１０に突出する凸部を形成するとともに、下側ヒートシンク２０において、その上の第２の半導体素子１１に突出する凸部を形成し、各凸部を、導電性接合部材を介して、対向する各半導体素子１０、１１に接合すればよい。
【０１０３】
また、上記図１に示される例では、第１の半導体素子１０が下側ヒートシンク２０に寄っており、第２の半導体素子１１が上側ヒートシンク３０に寄った位置となっており、下側ヒートシンク２０が第１の金属体２０として、上側ヒートシンク３０が第２の金属体３０として構成されている。
【０１０４】
これに対して、たとえば、上記図１に示されるヒートシンク２０、３０の位置関係と同様の位置関係において、上記図１に示される半導体素子１０、１１の位置関係とは反対に、第１の半導体素子１０が上側ヒートシンク３０に寄っており、第２の半導体素子１１が下側ヒートシンク３０に寄った位置となっていてもよい。
【０１０５】
この場合、上側ヒートシンク３０が第１の金属体として、下側ヒートシンク２０が第２の金属体として構成される。つまり、本発明で言う金属体および半導体素子に付される第１、第２とは、一方、他方としての意味を持つ程度のものである。
【０１０６】
要するに、本発明は、対向して配置された第１の金属体および第２の金属体と、これら両金属体の間に設けられ両金属体と熱的に接続された第１の半導体素子と、これら両金属体の間に設けられ両金属体と熱的に接続された第２の半導体素子と、これら両金属体の間に充填され第１の半導体素子および第２の半導体素子を封止するモールド樹脂とを備える半導体装置において、両金属体が隔てられている方向における当該両金属体の間隔の中心部に対して、第１の半導体素子は第１の金属体に寄った位置に配置され、第２の半導体素子は第２の金属体に寄った位置に配置されていることを要部とするものである。そして、その他の細部については、適宜設計変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。
【図２】モールド樹脂／金属体界面のせん断応力の調査の軸方向を示す図である。
【図３】従来構造の半導体装置についてモールド樹脂／金属体界面のせん断応力を調査した結果を示す図である。
【図４】上記実施形態の半導体装置についてモールド樹脂／金属体界面のせん断応力を調査した結果を示す図である。
【図５】従来の一般的な半導体装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０…第１の半導体素子、１１…第２の半導体素子、
２０…第１の金属体としての下側ヒートシンク、
３０…第２の金属体としての上側ヒートシンク、
４０…第３の金属体としてのヒートシンクブロック、
５１、５３…導電性接合部材、７０…モールド樹脂。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、向する両金属体の間に２個以上の半導体素子を介在させ、これらを樹脂でモールドしてなる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、この種の半導体装置としては、一般に、対向して配置された第１の金属体および第２の金属体と、第１の金属体と前記第２の金属体の間に設けられ当該両金属体と熱的に接続された第１の半導体素子および第２の半導体素子と、当該両金属体の間に充填され第１の半導体素子および第２の半導体素子を封止するモールド樹脂とを備えて構成されたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、この種の半導体装置の一般的な断面構成を具体的に示す図である。第１の金属体２０および第２の金属体３０は、放熱性に優れた金属などのヒートシンク材料からなる板材であり、これら両金属体２０、３０は対向して配置されている。
【０００４】
第１の金属体２０と第２の金属体３０との間には、第１の半導体素子１０と第２の半導体素子１１が、平面的に並列に配置されている。そして、第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１の下面と下側の第１の金属体２０の上面との間は、第１の導電性接合部材５１によって熱的に接合されている。
【０００５】
また、両半導体素子１０、１１の上面とヒートシンクブロックなどからなる第３の金属体４０の下面との間は、第２の導電性接合部材５２によって熱的に接合されている。さらに、第３の金属体４０の上面とその上側の第２の金属体３０の下面との間は、第３の導電性接合部材５３によって熱的に接合されている。
【０００６】
そして、第１の金属体２０と第２の金属体３０との間には、モールド樹脂７０が充填され、このモールド樹脂７０によって、第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１、さらに第３の金属体４０が封止されている。
【０００７】
また、図５に示されるように、モールド樹脂７０の内部において第１の半導体素子１０の周囲には、リードフレーム６０が設けられており、図示しないボンディングワイヤなどを介して、リードフレーム６０と第１の半導体素子１０とが電気的に接続されている。
【０００８】
このリードフレーム６０は、その先端部がモールド樹脂７０から露出しており、第１の半導体素子１０と外部とを電気的に接続可能としている。
【０００９】
そして、このような半導体装置においては、第１および第２の半導体素子１０、１１の上面では、第２の導電性接合部材５２、第３の金属体３０、第３の導電性接合部材５３および第２の金属体３０を介して放熱が行われ、第１および第２の半導体素子１０、１１の下面では、第１の導電性接合部材５１から第１の金属体２０を介して放熱が行われる構成となっている。
【特許文献１】特開２００４−６９６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明者らの検討によれば、上記図５に示されるような半導体装置においては、次のような問題が生じることがわかった。
【００１１】
本発明者らは、従来では、図５に示されるように、第１の半導体素子１０と第２の半導体素子１１が、両金属体２０、３０が隔てられている方向（図５中の上下方向すなわち半導体装置の厚さ方向）における両金属体２０、３０の間隔の中心部に対して、下側の第１の金属体２０に寄った位置に配置されていることに着目した。
【００１２】
なお、従来では、第１の半導体素子１０が複数個の半導体素子、第２の半導体素子１１が複数個の半導体素子からなるものであってもよい。その場合でも、従来の半導体装置では、これら複数個の半導体素子１０、１１の全てが、一方の金属体に寄った位置に配置されたものとなっていた。
【００１３】
このように、複数個の半導体素子１０、１１が第１の金属体２０に偏って配置されていると、応力の集中点が第１の金属体２０側に偏る。ここで、この応力とは、たとえば、温度サイクルが印加された場合において、金属体、半導体、モールド樹脂の間の熱膨張係数の差などに起因して発生する熱応力などである。
【００１４】
このように、両金属体２０、３０との間において一方の金属体、上記図５では第１の金属体２０側に応力集中が偏ることにより、モールド樹脂７０のクラックや界面剥離が進展し、パッケージとして機能不良に陥る。また、このように応力集中が偏ることにより、パッケージすなわち半導体装置に反りが生じ、当該半導体装置を他部材への組み付けることが困難となる。
【００１５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、対向する両金属体の間に２個以上の半導体素子を介在させ、これらを樹脂でモールドしてなる半導体装置において、応力的なバランスをとることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、対向して配置された第１の金属体（２０）および第２の金属体（３０）と、第１の金属体（２０）と第２の金属体（３０）の間に設けられ、これら両金属体（２０、３０）と熱的に接続された第１の半導体素子（１０）と、第１の金属体（２０）と第２の金属体（３０）の間に設けられ、これら両金属体（２０、３０）と熱的に接続された第２の半導体素子（１１）と、第１の金属体（２０）と第２の金属体（３０）の間に充填され、第１の半導体素子（１０）および第２の半導体素子（１１）を封止するモールド樹脂（７０）とを備える半導体装置において、両金属体（２０、３０）が隔てられている方向における両金属体（２０、３０）の間隔の中心部に対して、第１の半導体素子（１０）は、第１の金属体（２０）に寄った位置に配置され、第２の半導体素子（１１）は、第２の金属体（３０）に寄った位置に配置されていることを特徴としている。
【００１７】
それによれば、第１の半導体素子（１０）と第２の半導体素子（１１）とをそれぞれの金属体（２０、３０）に側へ分散させた配置構成となるため、従来のように、第１の半導体素子および第２の半導体素子をともに、一方の金属体、たとえば第１の金属体側に偏って配置した構成よりも、熱応力など応力の集中点が分散する。
【００１８】
よって、本発明によれば、対向する両金属体（２０、３０）の間に２個以上の半導体素子（１０、１１）を介在させ、これらを樹脂（７０）でモールドしてなる半導体装置において、応力的なバランスをとることができる。
【００１９】
そして、本発明によれば、応力的なバランスをとれることから、モールド樹脂（７０）のクラックや、モールド樹脂（７０）の界面剥離の進展や、モールドパッケージすなわち装置本体の反りなどの問題を、極力抑制することができる。
【００２０】
ここで、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の半導体装置においては、第１の半導体素子（１０）は、第１の金属体（２０）に対して導電性接合部材（５１）を介して直接接合され、第２の半導体素子（１１）は、第２の金属体（３０）に対して導電性接合部材（５３）を介して直接接合されているものにできる。
【００２１】
また、請求項３に記載の発明のように、請求項１または請求項２に記載の半導体装置においては、第１の金属体（２０）に寄った位置に配置されている第１の半導体素子（１０）は、第３の金属体（４０）を介して第２の金属体（３０）と熱的に接続されており、第２の金属体（３０）に寄った位置に配置されている第２の半導体素子（１１）は、第３の金属体（４０）を介して第１の金属体（２０）と熱的に接続されていることを特徴とするものにできる。
【００２２】
また、請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３に記載の半導体装置において、第１の半導体素子（１０）および第２の半導体素子（１１）は、それぞれ複数個の半導体素子からなり、両金属体（２０、３０）の間において、１個の第１の半導体素子（１０）と１個の第２の半導体素子（１１）とが隣り合った形で繰り返し配列されていることを特徴としている。
【００２３】
それによれば、第１の半導体素子（１０）および第２の半導体素子（１１）が、それぞれ複数個の半導体素子からなる場合において、応力的なバランスがよりとりやすくなり、好ましい。
【００２４】
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を示す一例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
【００２６】
［構成等］
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置１００の概略断面構成を示す図である。
【００２７】
図１に示されるように、本半導体装置１００は、大きくは、第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１と、これら半導体素子１０、１１を挟むように半導体素子１０、１１の両面に配置された一対の放熱板としてのヒートシンク２０および３０と、この一対のヒートシンク２０、３０間に充填され第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１を封止するモールド樹脂７０とを備えて構成されている。
【００２８】
ここで、本半導体装置１００においては、このモールド樹脂７０の封止は、一対のヒートシンク２０、３０の放熱面であるそれぞれの外側の主表面２０ａ、３０ａがモールド樹脂７０から露出するように行われている。
【００２９】
これら一対のヒートシンク２０、３０のうち図１において下側に位置するものを下側ヒートシンク２０ということとし、上側に位置するものを上側ヒートシンク３０ということとする。図１に示される半導体装置１００では、下側ヒートシンク２０が第１の金属体２０として、上側ヒートシンク３０が第２の金属体３０として構成されている。
【００３０】
そして、図１に示される半導体装置１００では、各半導体素子１０、１１は、第３の金属体４０としてのヒートシンクブロック４０および各導電性接合部材５１、５２、５３を介して、下側ヒートシンク２０と上側ヒートシンク３０とに挟み付けられている。
【００３１】
また、図１に示される例では、第１の半導体素子１０と第２の半導体素子２０とは、平面的に並列に配置されている。ここで、図１において、左側に位置するものが第１の半導体素子１０であり、右側に位置するものが第２の半導体素子２０である。
【００３２】
このように、本例では、第１の半導体素子１０、第２の半導体素子１１はそれぞれ１個ずつ、計２個設けられているが、本実施形態の半導体装置１００において、一対のヒートシンク２０、３０に挟まれる第１の半導体素子１０が複数個の半導体素子からなり、第２の半導体素子１１が複数個の半導体素子からなるものであってもよい。
【００３３】
つまり、本実施形態の半導体装置１００においては、対向して配置された下側ヒートシンク２０と上側ヒートシンク３０との間に２個以上の半導体素子１０、１１が挟まれた形となっている。
【００３４】
そして、本実施形態においては、図１に示されるように、下側および上側のヒートシンク２０、３０が隔てられている方向（図１中の上下方向すなわち半導体装置１００の厚さ方向）における両ヒートシンク２０、３０の間隔の中心部に対して、左側の第１の半導体素子１０は、下側ヒートシンク２０に寄った位置に配置され、右側の第２の半導体素子１１は、上側ヒートシンク３０に寄った位置に配置されている。
【００３５】
なお、第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１が、それぞれ複数個の半導体素子からなる場合、本実施形態においては、下側ヒートシンク２０に寄った位置に配置された複数個の半導体素子が、第１の半導体素子１０として構成され、上側ヒートシンク３０に寄った位置に配置された複数個の半導体素子が、第２の半導体素子１１として構成される。
【００３６】
また、このように第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１が、それぞれ複数個の半導体素子からなる場合、下側および上側のヒートシンク２０、３０の間において、１個の第１の半導体素子１０と１個の第２の半導体素子１１とが隣り合った形で繰り返し配列されていることが好ましい。
【００３７】
このことは、具体的に言うならば、次のようなことである。たとえば、図１において、下側および上側のヒートシンク２０、３０の間に、左側から右側に向かって４個の半導体素子が並列に配置されているとする。
【００３８】
このとき、左側の２個が、第１の金属体としての下側ヒートシンク２０側に偏った第１の半導体素子１０であり、右側の２個が、第２の金属体としての上側ヒートシンク３０側に偏った第２の半導体素子１１であってもよい。
【００３９】
しかしながら、好ましい形態としては、図１の左側から右側にかけて、下側ヒートシンク２０側に偏った第１の半導体素子１０、上側ヒートシンク３０側に偏った第２の半導体素子１１、下側ヒートシンク２０側に偏った第１の半導体素子１０、上側ヒートシンク３０側に偏った第２の半導体素子１１というように、４個の半導体素子が配置されることが望ましい。
【００４０】
このように、本実施形態の半導体装置１００は、第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１について独自の構成を有している。
【００４１】
そして、図１に示されるように、このような半導体素子の配置構成において、具体的には、第１の半導体素子１０の下面と下側ヒートシンク２０の上面との間は、第１の導電性接合部材５１によって接合されている。
【００４２】
また、第１の半導体素子１０の上面とヒートシンクブロック４０の下面との間は、第２の導電性接合部材５２によって接合されている。さらに、このヒートシンクブロック４０の上面と上側ヒートシンク３０の下面との間は、第３の導電性接合部材５３によって接合されている。
【００４３】
一方、図１に示されるように、第２の半導体素子１１の上面と上側ヒートシンク３０の下面との間は、第３の導電性接合部材５３によって接合されている。また、第２の半導体素子１１の下面とヒートシンクブロック４０の上面との間は、第２の導電性接合部材５２によって接合され、さらに、このヒートシンクブロック４０の下面と下側ヒートシンク２０の上面との間は、第１の導電性接合部材５１によって接合されている。
【００４４】
このように、第１の半導体素子１０は、下側ヒートシンク２０に対して導電性接合部材５１を介して直接接合され、第２の半導体素子１１は、上側ヒートシンク３０に対して導電性接合部材５３を介して直接接合されている。
【００４５】
そして、下側ヒートシンク２０に寄った位置に配置されている第１の半導体素子１０は、第３の金属体としてのヒートシンクブロック４０を介して上側ヒートシンク３０と熱的に接続されており、上側ヒートシンク３０に寄った位置に配置されている第２の半導体素子１１は、第３の金属体としてのヒートシンクブロック４０を介して下側ヒートシンク２０と熱的に接続されている。
【００４６】
ここで、これら第１、第２、第３の導電性接合部材５１、５２、５３としては、はんだや導電性接着剤等を採用することができる。具体的な例として、本半導体装置１００においては、これら第１、第２、第３の導電性接合部材５１、５２、５３としては、たとえばＳｎ（すず）系はんだを用いることができる。
【００４７】
これにより、上記した構成においては、第１の半導体素子１０の上面では、第２の導電性接合部材５２、ヒートシンクブロック４０、第３の導電性接合部材５３および上側ヒートシンク３０を介して放熱が行われ、第１の半導体素子１０の下面では、第１の導電性接合部材５１から下側ヒートシンク２０を介して放熱が行われる構成となっている。
【００４８】
一方、第２の半導体素子１１の上面では、第３の導電性接合部材５３から上側ヒートシンク３０を介して放熱が行われ、第２の半導体素子１１の下面では、第２の導電性接合部材５２、ヒートシンクブロック４０、第１の導電性接合部材５１および下側ヒートシンク２０を介して放熱が行われる構成となっている。
【００４９】
このように、本実施形態の第１の金属体としての下側ヒートシンク２０および第２の金属体としての上側ヒートシンク３０は、第１および第２の半導体素子１０、１１と熱的に接続されることにより、これら各半導体素子１０、１１からの熱を伝達して放熱する放熱板として構成されている。
【００５０】
そして、下側ヒートシンク２０においては、図１中の下面が放熱面２０ａとして構成され、上側ヒートシンク３０においては、図１中の上面が放熱面３０ａとして構成されている。そして、図１に示されるように、各放熱面２０ａ、３０ａは、モールド樹脂７０から露出している。
【００５１】
これら各ヒートシンク２０、３０の放熱面２０ａ、３０ａは、板状の放熱板としてのヒートシンク２０、３０における最も広い面すなわち板面であり、半導体素子１０、１１を挟んで対向して配置されている一対のヒートシンク２０、３０におけるそれぞれの外側の主表面２０ａ、３０ａのことである。
【００５２】
ここで、第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１としては、特に限定されるものではなく、シリコン半導体基板などを用いて通常の半導体製造技術を用いて製造される素子等を採用することができる。
【００５３】
具体的に、本実施形態において半導体素子として用いることのできる上記第１の半導体素子１０は、たとえばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やサイリスタ等のパワー半導体素子から構成することができる。
【００５４】
また、同じく本実施形態において半導体素子として用いることのできる第２の半導体素子１１は、たとえば、ＦＷＤ（フリーホイールダイオード）等からなるものにできる。また、具体的には、上記第１および第２の半導体素子１０、１１の形状は、たとえば矩形状の薄板状とすることができる。
【００５５】
ここで、第１および第２の半導体素子１０、１１の表面（図１中の上面）はトランジスタなどの素子が形成された素子形成面であり、第１および第２の半導体素子１０、１１の裏面（図１中の下面）はそのような素子が形成されていない非形成面として構成されている。
【００５６】
また、本実施形態の第１および第２の半導体素子１０、１１の表面および裏面には、図示しない電極が形成されている。この電極は、たとえばアルミニウムなどから形成されたものであり、それぞれの面において各導電性接合部材５１、５２、５３と電気的に接続されている。
【００５７】
このように、本実施形態においては、第１および第２の半導体素子１０、１１の表面側の電極および裏面側の電極は、下側ヒートシンク２０および上側ヒートシンク３０に対して、導電性接合部材５１〜５３およびヒートシンクブロック４０を介して電気的に接続されている。
【００５８】
ここで、下側ヒートシンク２０、上側ヒートシンク３０およびヒートシンクブロック４０は、たとえば、銅合金もしくはアルミ合金等の熱伝導性および電気伝導性の良い金属で構成されている。また、ヒートシンクブロック４０としては、一般的な鉄合金を用いてもよい。
【００５９】
また、ヒートシンクブロック４０は、各半導体チ素子１０、１１のそれぞれに対応して設けられているが、このヒートシンクブロック４０としては、たとえば、それぞれの半導体素子１０、１１よりも１回り小さい程度の大きさを有する矩形状の板材を採用することができる。
【００６０】
このヒートシンクブロック４０は、各半導体素子１０、１１と各ヒートシンク２０、３０との間に介在することによって、それぞれの半導体素子１０、１１と各ヒートシンク２０、３０とを熱的および電気的に接続するとともに、上述した第１および第２の半導体素子１０、１１の位置を規定するためのスペーサとしての役割を有している。
【００６１】
こうして、本実施形態では、下側ヒートシンク２０および上側ヒートシンク３０は、それぞれ、電極と放熱体とを兼ねる金属体として構成されており、半導体装置１００において半導体素子１０、１１からの放熱を行う機能を有するとともに半導体素子１０、１１の電極としての機能も有する。
【００６２】
また、図１に示されるように、モールド樹脂７０の内部において第１の半導体素子１０の周囲には、リードフレーム６０が設けられている。このリードフレーム６０は、銅や４２アロイなどの導電材料からなるものである。
【００６３】
このリードフレーム６０は、図１に示されるように、本例では複数本設けられており、第１の半導体素子１０の主表面に設けられている信号電極（たとえばゲート電極）などと導通する端子や基準端子となるものである。
【００６４】
そして、図示しないが、各リードフレーム６０は、モールド樹脂７０の内部にて、第１の半導体素子１０と、金やアルミニウムなどからなるボンディングワイヤなどにより結線され、電気的に接続されている。
【００６５】
ここで、リードフレーム６０における上記ボンディングワイヤとの接続部は、インナーリードとしてモールド樹脂７０の内部に封止され、リードフレーム６０は、モールド樹脂７０の外部に突出した部位すなわちアウターリードにて、外部と電気的な接続が可能となっている。
【００６６】
こうして、本実施形態の半導体装置１００においては、各半導体素子１０、１１は、上記ボンディングワイヤ、リードフレーム６０や各ヒートシンク２０、３０を介して外部と電気的な接続がなされ、信号のやりとりなどが可能になっている。
【００６７】
さらに、本実施形態の半導体装置１００においては、装置１００のほぼ全体がモールド樹脂７０によりモールドされ封止されている。そして、下側および上側のヒートシンク２０、３０の放熱面２０ａ、３０ａがモールド樹脂７０から露出するように、当該放熱面２０ａ、３０ａを除いて装置１００がモールド樹脂７０により包み込まれるように封止されている。
【００６８】
具体的には、図１に示されるように、一対のヒートシンク２０、３０の隙間、並びに、各半導体素子１０、１１およびヒートシンクブロック４０の周囲部分に、モールド樹脂７０が充填封止されている。
【００６９】
このモールド樹脂７０は、たとえばエポキシ樹脂等の通常のモールド材料を採用することができる。また、各ヒートシンク２０、３０等をモールド樹脂７０で封止するにあたっては、成形型を使用したトランスファーモールド法やポッティングなどによって容易に行うことができる。
【００７０】
［製造方法等］
次に、上記した構成の半導体装置１００の製造方法について説明する。
【００７１】
まず、下側ヒートシンク２０の上面に、第１の半導体素子１０、およびその上のヒートシンクブロック４０、ならびに、第２の半導体素子１１の下側のヒートシンクブロック４０およびその上の第２の半導体素子２０をはんだ付けする工程を実行する。
【００７２】
この場合、下側ヒートシンク２０とその上の第１の半導体素子１０との間、第１の半導体素子１０とその上のヒートシンクブロック４０との間、下側ヒートシンク２０と第２の半導体素子１１側のヒートシンクブロック４０との間、第２の半導体素子１１とその上のヒートシンクブロック４０との間に、たとえばＳｎ系はんだからなるはんだ箔を介して、これらを積層する。
【００７３】
この後、加熱装置（リフロー装置）によって、はんだの融点以上に昇温することにより、上記はんだ箔を溶融させてから、硬化させる。
【００７４】
続いて、第１の半導体素子１０とリードフレーム６０とをワイヤボンディングする工程を実行する。これにより、上記ボンディングワイヤによって第１の半導体素子１０とリードフレーム６０とが結線され電気的に接続される。
【００７５】
次いで、第１の半導体素子１０側のヒートシンクブロック４０および第２の半導体素子１１の上に、上側ヒートシンク３０をはんだ付けする工程を実行する。この場合も、これらの上にはんだ箔を介して上側ヒートシンク３０を載せ、加熱装置によって上記はんだ箔を溶融させてから、硬化させる。
【００７６】
こうして、溶融した各々のはんだ箔が硬化すれば、硬化したはんだが、第１の導電性接合部材５１、第２の導電性接合部材５２、第３の導電性接合部材５３として構成されることになる。
【００７７】
そして、これら導電性接合部材５１〜５３を介して、下側ヒートシンク２０、第１および第２の半導体素子１０、１１、各ヒートシンクブロック４０、上側ヒートシンク３０間の接合および電気的・熱的接続を実現することができる。
【００７８】
なお、第１、第２および第３の導電性接合部材５１、５２、５３として導電性接着剤を用いた場合にも、上記工程において、はんだを導電性接着剤に置き換え、導電性接着剤の塗布や硬化を行うことにより、下側ヒートシンク２０、第１および第２の半導体素子１０、１１、各ヒートシンクブロック４０、上側ヒートシンク３０間の接合および電気的・熱的接続を実現することができる。
【００７９】
しかる後、トランスファーモールド法により、下側ヒートシンク２０と上側ヒートシンク３０の隙間および外周部等にモールド樹脂７０を充填する工程を実行する。これにより、上記図１に示されるように、下側ヒートシンク２０と上側ヒートシンク３０の隙間および外周部等に、モールド樹脂７０が充填封止される。こうして、半導体装置１００が完成する。
【００８０】
［効果等］
ところで、本実施形態によれば、対向して配置された第１の金属体としての下側ヒートシンク２０および第２の金属体としての上側ヒートシンク３０と、これら下側および上側ヒートシンク２０、３０の間に設けられ当該両ヒートシンク２０、３０と熱的に接続された第１の半導体素子１０と、これら下側および上側ヒートシンク２０、３０の間に設けられ当該両ヒートシンク２０、３０と熱的に接続された第２の半導体素子１１と、これら下側および上側ヒートシンク２０、３０の間に充填され第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１を封止するモールド樹脂７０とを備える半導体装置において、下側および上側ヒートシンク２０、３０が隔てられている方向における当該両ヒートシンク２０、３０の間隔の中心部に対して、第１の半導体素子１０は、下側ヒートシンク２０に寄った位置に配置され、第２の半導体素子１１は、上側ヒートシンク３０に寄った位置に配置されていることを特徴とする半導体装置１００が提供される。
【００８１】
それによれば、第１の半導体素子１０と第２の半導体素子１１とをそれぞれのヒートシンク２０、３０に側へ分散させた配置構成となるため、従来のように、第１の半導体素子および第２の半導体素子をともに、一方の金属体側に偏って配置した構成よりも、熱応力など応力の集中点が分散する。
【００８２】
よって、本実施形態によれば、対向する両ヒートシンク２０、３０の間に２個以上の半導体素子１０、１１を介在させ、これらを樹脂７０でモールドしてなる半導体装置１００において、応力的なバランスをとることができる。
【００８３】
そして、本実施形態の半導体装置１００によれば、応力的なバランスをとれることから、モールド樹脂７０のクラックや、モールド樹脂７０の界面剥離の進展や、モールドパッケージすなわち装置本体の反りなどの問題を、極力抑制することができる。
【００８４】
ここで、本実施形態の半導体装置１００においては、第１の半導体素子１０は、第１の金属体としての下側ヒートシンク２０に対して導電性接合部材５１を介して直接接合され、第２の半導体素子１１は、第２の金属体としての上側ヒートシンク３０に対して導電性接合部材５３を介して直接接合されていることも特徴のひとつである。
【００８５】
また、本実施形態の半導体装置１００においては、下側ヒートシンク２０に寄った位置に配置されている第１の半導体素子１０は、第３の金属体としてのヒートシンクブロック４０を介して上側ヒートシンク３０と熱的に接続されており、上側ヒートシンク３０に寄った位置に配置されている第２の半導体素子１１は、ヒートシンクブロック４０を介して下側ヒートシンク２０と熱的に接続されていることも特徴のひとつである。
【００８６】
また、本実施形態の半導体装置においては、好ましい形態として、上述したが、第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１が、それぞれ複数個の半導体素子からなる場合、両ヒートシンク２０、３０の間において、１個の第１の半導体素子１０と１個の第２の半導体素子１１とが隣り合った形で繰り返し配列されているものとしてもよい。このことも、本実施形態の特徴のひとつである。
【００８７】
それによれば、第１の半導体素子１０および第２の半導体素子１１が、それぞれ複数個の半導体素子からなる場合において、応力的なバランスが、より均一にとりやすくなるため、好ましい。
【００８８】
ここで、本実施形態の半導体装置１００による具体的な応力バランスの効果について、上記図５に示される従来の半導体装置と比較して示す。
【００８９】
ここでは、本実施形態の半導体装置１００と従来の半導体装置とについて、装置における各部について、モールド樹脂７０と第１の金属体２０との界面におけるせん断応力、モールド樹脂７０と第２の金属体３０との界面におけるせん断応力を、ＦＥＭ（有限要素法）解析を行い、調査した。
【００９０】
図２は、このモールド樹脂／金属体界面のせん断応力の調査の軸方向を示す図である。本実施形態および従来の半導体装置において、第１および第２の金属体２０、３０が隔てられている方向（すなわち半導体装置の厚さ方向）とは直交する方向（すなわち半導体素子１０、１１の配列方向）を、ｘ軸方向とする。
【００９１】
そして、図２において、本実施形態および従来の半導体装置におけるｘ軸方向の左端部を、座標０とし、ここから、ｘ軸方向の右側に向かって離れていく各部における上記せん断応力を調査した。
【００９２】
図３は、従来構造の半導体装置について上記せん断応力を調査した結果を示す図であり、図４は、本実施形態の半導体装置１００について上記せん断応力を調査した結果を示す図である。
【００９３】
これら図３、図４においては、横軸には上記図２に示されるｘ軸方向の距離（単位：ｍｍ）が示されており、縦軸には、モールド樹脂／金属体界面のせん断応力（単位：ＭＰａ）が示されている。
【００９４】
また、従来の図３においては、白四角プロットは第１の金属体２０の界面、黒四角プロットは第２の金属体３０の界面についての結果であり、本実施形態の図４においては、白丸プロットは第１の金属体２０の界面、黒丸プロットは第２の金属体３０の界面についての結果である。
【００９５】
図３と図４との比較から、従来構造の半導体装置では、本実施形態の半導体装置１００に比べて第１の金属体２０側に大きな応力が負荷されるが、本実施形態の半導体装置１００は、従来のものに比べて、両方の金属体２０、３０に均一に応力が負荷されることがわかる。
【００９６】
また、図３、図４に示される結果から、応力集中部すなわち応力が急激に大きくなっている部位における応力は、従来のものに比べて、本実施形態の半導体装置１００では小さく抑えられている。
【００９７】
このように、本実施形態によれば、応力の集中を分散させ応力的なバランスをとることができ、また、その応力も比較的小さいものに抑えることができる。そのため、樹脂クラック、界面剥離の進展、パッケージの反りなどを極力防止することができる。
【００９８】
（他の実施形態）
なお、金属体としてのヒートシンク２０、３０の形状は、上記した略板状のものに限定されるものではなく、それ以外にも、適宜設計変更された形状としてもよい。
【００９９】
また、各半導体素子１０、１１としては、上記したＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やサイリスタ等のパワー半導体素子やＦＷＤ（フリーホイールダイオード）などに限定されるものではない。
【０１００】
また、上記図１に示される半導体装置１００においては、第１の半導体素子１０の電気的な取り出し構成として、半導体素子１０とリードフレーム６０とをボンディングワイヤなどにより結線した構成を採用しているが、それ以外に、半導体装置の分野で用いられている他の構成を採用してもよい。また、第２の半導体素子１１の電気的な取り出し構成としても、適宜、半導体装置の分野で用いられている種々の構成を採用してもよいことはもちろんである。
【０１０１】
また、上記実施形態では、ヒートシンクブロック４０を介在させることにより、上記した第１の半導体素子１０と第２の半導体素子１１との位置関係を実現しているが、ヒートシンクブロック４０を用いずに、当該位置関係を実現してもよい。
【０１０２】
たとえば、図１において、ヒートシンクブロック４０を省略し、その代わりに、上側ヒートシンク３０において、その下の第１の半導体素子１０に突出する凸部を形成するとともに、下側ヒートシンク２０において、その上の第２の半導体素子１１に突出する凸部を形成し、各凸部を、導電性接合部材を介して、対向する各半導体素子１０、１１に接合すればよい。
【０１０３】
また、上記図１に示される例では、第１の半導体素子１０が下側ヒートシンク２０に寄っており、第２の半導体素子１１が上側ヒートシンク３０に寄った位置となっており、下側ヒートシンク２０が第１の金属体２０として、上側ヒートシンク３０が第２の金属体３０として構成されている。
【０１０４】
これに対して、たとえば、上記図１に示されるヒートシンク２０、３０の位置関係と同様の位置関係において、上記図１に示される半導体素子１０、１１の位置関係とは反対に、第１の半導体素子１０が上側ヒートシンク３０に寄っており、第２の半導体素子１１が下側ヒートシンク３０に寄った位置となっていてもよい。
【０１０５】
この場合、上側ヒートシンク３０が第１の金属体として、下側ヒートシンク２０が第２の金属体として構成される。つまり、本発明で言う金属体および半導体素子に付される第１、第２とは、一方、他方としての意味を持つ程度のものである。
【０１０６】
要するに、本発明は、対向して配置された第１の金属体および第２の金属体と、これら両金属体の間に設けられ両金属体と熱的に接続された第１の半導体素子と、これら両金属体の間に設けられ両金属体と熱的に接続された第２の半導体素子と、これら両金属体の間に充填され第１の半導体素子および第２の半導体素子を封止するモールド樹脂とを備える半導体装置において、両金属体が隔てられている方向における当該両金属体の間隔の中心部に対して、第１の半導体素子は第１の金属体に寄った位置に配置され、第２の半導体素子は第２の金属体に寄った位置に配置されていることを要部とするものである。そして、その他の細部については、適宜設計変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。
【図２】モールド樹脂／金属体界面のせん断応力の調査の軸方向を示す図である。
【図３】従来構造の半導体装置についてモールド樹脂／金属体界面のせん断応力を調査した結果を示す図である。
【図４】上記実施形態の半導体装置についてモールド樹脂／金属体界面のせん断応力を調査した結果を示す図である。
【図５】従来の一般的な半導体装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０…第１の半導体素子、１１…第２の半導体素子、
２０…第１の金属体としての下側ヒートシンク、
３０…第２の金属体としての上側ヒートシンク、
４０…第３の金属体としてのヒートシンクブロック、
５１、５３…導電性接合部材、７０…モールド樹脂。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して配置された第１の金属体（２０）および第２の金属体（３０）と、
前記第１の金属体（２０）と前記第２の金属体（３０）の間に設けられ、これら両金属体（２０、３０）と熱的に接続された第１の半導体素子（１０）と、
前記第１の金属体（２０）と前記第２の金属体（３０）の間に設けられ、これら両金属体（２０、３０）と熱的に接続された第２の半導体素子（１１）と、
前記第１の金属体（２０）と前記第２の金属体（３０）の間に充填され、前記第１の半導体素子（１０）および前記第２の半導体素子（１１）を封止するモールド樹脂（７０）とを備える半導体装置において、
前記両金属体（２０、３０）が隔てられている方向における前記両金属体（２０、３０）の間隔の中心部に対して、前記第１の半導体素子（１０）は、前記第１の金属体（２０）に寄った位置に配置され、前記第２の半導体素子（１１）は、前記第２の金属体（３０）に寄った位置に配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の半導体素子（１０）は、前記第１の金属体（２０）に対して導電性接合部材（５１）を介して直接接合され、前記第２の半導体素子（１１）は、前記第２の金属体（３０）に対して導電性接合部材（５３）を介して直接接合されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１の金属体（２０）に寄った位置に配置されている前記第１の半導体素子（１０）は、第３の金属体（４０）を介して前記第２の金属体（３０）と熱的に接続されており、
前記第２の金属体（３０）に寄った位置に配置されている前記第２の半導体素子（１１）は、第３の金属体（４０）を介して前記第１の金属体（２０）と熱的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の半導体素子（１０）および前記第２の半導体素子（１１）は、それぞれ複数個の半導体素子からなり、
前記両金属体（２０、３０）の間において、１個の前記第１の半導体素子（１０）と１個の前記第２の半導体素子（１１）とが隣り合った形で繰り返し配列されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項１】
対向して配置された第１の金属体（２０）および第２の金属体（３０）と、
前記第１の金属体（２０）と前記第２の金属体（３０）の間に設けられ、これら両金属体（２０、３０）と熱的に接続された第１の半導体素子（１０）と、
前記第１の金属体（２０）と前記第２の金属体（３０）の間に設けられ、これら両金属体（２０、３０）と熱的に接続された第２の半導体素子（１１）と、
前記第１の金属体（２０）と前記第２の金属体（３０）の間に充填され、前記第１の半導体素子（１０）および前記第２の半導体素子（１１）を封止するモールド樹脂（７０）とを備える半導体装置において、
前記両金属体（２０、３０）が隔てられている方向における前記両金属体（２０、３０）の間隔の中心部に対して、前記第１の半導体素子（１０）は、前記第１の金属体（２０）に寄った位置に配置され、前記第２の半導体素子（１１）は、前記第２の金属体（３０）に寄った位置に配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の半導体素子（１０）は、前記第１の金属体（２０）に対して導電性接合部材（５１）を介して直接接合され、前記第２の半導体素子（１１）は、前記第２の金属体（３０）に対して導電性接合部材（５３）を介して直接接合されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１の金属体（２０）に寄った位置に配置されている前記第１の半導体素子（１０）は、第３の金属体（４０）を介して前記第２の金属体（３０）と熱的に接続されており、
前記第２の金属体（３０）に寄った位置に配置されている前記第２の半導体素子（１１）は、第３の金属体（４０）を介して前記第１の金属体（２０）と熱的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の半導体素子（１０）および前記第２の半導体素子（１１）は、それぞれ複数個の半導体素子からなり、
前記両金属体（２０、３０）の間において、１個の前記第１の半導体素子（１０）と１個の前記第２の半導体素子（１１）とが隣り合った形で繰り返し配列されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−１９６５９５（Ｐ２００６−１９６５９５Ａ）
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５３２６（Ｐ２００５−５３２６）
【出願日】平成１７年１月１２日（２００５．１．１２）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月１２日（２００５．１．１２）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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