JP2001127074A

JP2001127074A - 半導体装置及びそれを用いた全波整流装置

Info

Publication number: JP2001127074A
Application number: JP30796699A
Authority: JP
Inventors: Yasutoshi Kurihara; 保敏栗原; Kazuhiro Suzuki; 和弘鈴木; Tadao Kushima; 忠雄九嶋; Takumi Ueno; 巧上野; Tsutomu Nakajima; 力中島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2001-05-11

Abstract

(57)【要約】【課題】ろう材層の耐熱疲労性を向上させ、安全かつ安
定に動作させ得る半導体装置及びそれを用いた全波整流
装置を提供する。【解決手段】半導体チップは互いに平行な２つの第１及
び第２の主面と外周部に端面を有し、第１の主面と端面
のなす角度が鋭角そして第２の主面と端面のなす角度が
鈍角であり、第１の主面とこれに連なって配置された第
１ろう材層の外周部端面とのなす角度が直角又は鈍角、
そして第２の主面とこれに連なって配置された第２ろう
材層の外周部端面とのなす角度が直角又は鋭角である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ろう材による接続
部の耐熱疲労信頼性が向上した半導体装置及びそれを用
いた全波整流装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、車両用交流発電機の全波整流装置
は、複数個の半導体装置を取り付ける凹状加工を施した
一対の放熱板に、放熱板内では整流方向を揃え、放熱板
相互間では整流方向が異なるように、３個ずつ固着した
半導体装置と、異なる放熱板に固着された半導体装置相
互を接続する３個の交流側端子とから構成されている。
そして、この全波整流装置は、交流発電機のブラケット
に取り付けられる。このような技術は、特開平8−20549
8 号公報に開示されている。

【０００３】また、全波整流装置は、車両のエンジン近
傍に配置されて使用されている。この際、周辺部品の高
密度実装化により全波整流装置の搭載環境は高温化され
てきており、この装置の最大許容温度を高めることへの
対応が強く求められている。これにともない、全波整流
装置の寿命に直接影響を与える、半導体装置のろう材接
続部の耐熱疲労信頼性のさらなる向上が必要となってい
る。この要求に対応可能な半導体装置の構造として、特
開平9−139462 号公報に、金属容器の底部に固着された
半導体チップ、半導体チップ上に接着層を介して固着さ
れたリードの外周先端に、接着層に加わる応力を軽減す
る応力軽減体を有する構造が開示されている。

【０００４】全波整流装置は比較的大きな電流を扱う装
置であり、この中に収納されている半導体装置を安全か
つ安定に動作させるためには、半導体装置の稼働時に発
生する熱をパッケージの外へ効率良く放散させる必要が
ある。この熱放散は通常、発熱源である半導体基体から
これに接着された各部材を通じて気中へ熱伝達されるこ
とで達成される。全波整流装置では、この熱伝達経路中
に半導体基体を接着する部分等に用いられるろう材層を
含む。全波整流装置の稼働時及び停止時に伴う半導体装
置の昇温及び降温の繰り返しは、その構成部材間の熱膨
張率差に基づく歪を、繰り返しろう材層に作用させる。
この結果、ろう材層は疲労破壊を生ずることとなり、放
熱路の遮断に伴って半導体装置を安定に動作させること
が困難になる。このような不都合を回避する方法とし
て、半導体装置の構成部材間に熱膨張緩和材を配置する
構造がある。例えば、“半導体基板用クラッド材ＣＩ
Ｃ”：日立電線株式会社カタログ（ＣＡＴ．Ｎo.Ｂ₁−
１０５),(１９９３年４月）には、インバ層の両面にＣ
ｕ層をクラッドした複合材（以下、クラッド材と言う、
４.０〜１０.６ppm／℃)からなる半導体基板用パワート
ランジスタ用ヒートシンク材が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のように、リード
が応力軽減体を有する構造や、放熱路の部材間の熱膨張
率が整合された構造によれば、信頼性の増した半導体装
置が得られ、全波整流装置の安定動作に寄与するところ
が大きい。

【０００６】しかしながら、半導体基体の両主面に設け
られるろう材層の耐熱疲労性は、単に該半導体基体とこ
れに直接接合される部材の間の熱膨張率の整合のみでは
決定づけられないという問題点がある。

【０００７】本発明は、上記の問題点を考慮しなされた
ものであり、ろう材層の耐熱疲労性を向上させた半導体
装置及びそれを用いた全波整流装置を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者の得た新規な知
見によれば、ろう材層の耐熱疲労性は、半導体基体の露
出端面の形状とろう材層の露出端面の形状とに影響され
る。

【０００９】本知見に基づく、本発明による半導体装置
は、金属容器と、金属容器の底部に直接又は熱膨張緩和
材を介して第１ろう材層により固着された半導体チップ
と、半導体チップ上に第２ろう材層を介して固着された
リードと、とを含む。さらに、半導体チップは互いに平
行な２つの第１及び第２の主面と外周部に端面を有し、
第１の主面と端面のなす角度が鋭角そして第２の主面と
端面のなす角度が鈍角であり、第１の主面とこれに連な
って配置された第１ろう材層の外周部端面とのなす角度
が直角又は鈍角、そして第２の主面とこれに連なって配
置された第２ろう材層の外周部端面とのなす角度が直角
又は鋭角である。

【００１０】また、本発明による全波整流装置は、複数
個の半導体装置が一対の放熱板に取り付けられ、放熱板
内では整流方向が揃えられ、放熱板相互間では整流方向
が異なるように取り付けられる半導体装置は、金属容器
と、金属容器の底部に直接又は熱膨張緩和材を介して第
１ろう材層により固着された半導体チップと、半導体チ
ップ上に第２ろう材層を介して固着されたリードと、と
を含む。さらに、半導体チップは互いに平行な２つの第
１及び第２の主面と外周部に端面を有し、第１の主面と
端面のなす角度が鋭角そして第２の主面と端面のなす角
度が鈍角であり、第１の主面とこれに連なって配置され
た第１ろう材層の外周部端面とのなす角度が直角又は鈍
角、そして第２の主面とこれに連なって配置された第２
ろう材層の外周部端面とのなす角度が直角又は鋭角であ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明による半導体装置は、図１
に示す断面図のような形態を有している。１は金属容器
であり、金属容器１の底部にろう材２により熱膨張緩和
部材３が取り付けられており、熱膨張緩和部材３上に第
１ろう材層４により固着された半導体チップ５と、半導
体チップ５上に第２ろう材層６を介してＣｕからなるリ
ード７が固着される。そして、熱膨張緩和部材３，リー
ド７及び半導体チップ５の露出端面５Ｃを被覆するシリ
コーン樹脂からなる保護層８とを含んでいる。ここで、
半導体チップ５は互いに平行な２つの第１の主面５Ａ及
び第２の主面５Ｂと外周部に露出端面５Ｃを有し、第１
の主面５Ａと露出端面５Ｃのなす角度が鋭角、そして第
２の主面５Ｂと露出端面５Ｃのなす角度が鈍角である。
第１の主面５Ａとこれに連なって配置された第１ろう材
層４の外周部端面４Ｃとのなす角度が直角又は鈍角、そ
して第２の主面５Ｂとこれに連なって配置された第２ろ
う材層６の外周部端面６Ｃとのなす角度が直角又は鋭角
になるように調整されている。なお、９は熱膨張緩和部
材３，第１ろう材層４，半導体チップ５，第２ろう材層
６そしてリード７に至る端面領域を表わす。

【００１２】図２は端面領域を詳細に説明するための拡
大断面図を示す。端面領域９は、熱膨張緩和部材３，第
１ろう材層４，半導体チップ５，第２ろう材層６のそれ
ぞれ露出端面から構成されている。この中で、半導体装
置３０の信頼性に重要な影響を及ぼす因子は、第１ろう
材層４の外周部端面４Ｃ，半導体チップ５の露出端面５
Ｃ、そして第２ろう材層６の外周部端面６Ｃが、半導体
チップ５の主面５Ａ，５Ｂとの間でなす角度である。こ
の点について、より詳細に説明する。

【００１３】半導体チップ５は互いに平行な２つの第１
の主面５Ａと第２の主面５Ｂと外周部に露出端面５Ｃを
有し、第１の主面５Ａと露出端面５Ｃのなす角度が鋭角
（例えば、６０゜）であり、そして、第２の主面５Ｂと
露出端面５Ｃのなす角度が鈍角（例えば、１２０゜）で
あることが、第１に重要な点である。

【００１４】第２に重要な事項は、第１の主面５Ａとこ
れに連なって配置された第１ろう材層４の外周部端面４
Ｃとのなす角度θが直角又は鈍角であり、そして、第２
の主面５Ｂとこれに連なって配置された第２ろう材層６
の外周部端面６Ｃとのなす角度φが直角又は鋭角である
点である。

【００１５】半導体装置３０の温度サイクル試験によれ
ば、熱応力の発生に基づくろう材層の疲労破壊は、図２
に示したように、第１の主面５Ａとこれに連なって配置
された第１ろう材層４の外周部（クラック起点）１０
と、第２の主面５Ｂとこれに連なって配置された第２ろ
う材層６の外周部（クラック起点）１１を起点にしたク
ラックとして観測される。

【００１６】図３はシミュレーションによるクラック起
点の応力を示すグラフである。ここで、半導体チップ５
の形状は、（ｂ）に示したように、第１の主面５Ａと露
出端面５Ｃのなす角度が６０゜、そして、第２の主面５
Ｂと露出端面５Ｃのなす角度が１２０゜に設定されてい
る。また、グラフ（ａ）における横軸はθ又はφの角度
であり、縦軸はクラック起点１０と１１における応力で
ある。ただし、応力はθ又はφが９０゜の時を１とし、
その倍数で表わす。クラック起点１０における応力は、
θが２０゜から９０゜へ向かう過程で５.５倍から１倍
へと低減され、９０゜から１７０゜へ向かう過程で１倍
から０.７５倍へと低減される。これを言い替えると、
θが９０゜以上の場合に、すなわち直角または鈍角の場
合に、低い応力が維持される。一方、クラック起点１１
における応力は、φが２０゜から９０゜へ向かう過程で
０.７５倍から１倍へと増加し、９０゜から１７０゜へ
向かう過程で１倍から５.５倍へと増加する。これを言
い替えると、φが９０゜以下の場合に、すなわち直角ま
たは鋭角の場合に、低い応力が維持される。

【００１７】なお、図１及び図２においては、第１の主
面５Ａと露出端面５Ｃのなす角度が鋭角であるため、ク
ラック起点１０の近傍において半導体チップ先端部の厚
さが半導体チップ中央部の厚さよりも薄くなっている。
従って、クラック起点１０近傍の半導体チップ先端部の
見かけの剛性が小さくなる。このため、金属容器１と半
導体チップ５の間で温度変化によって生じる曲げモーメ
ントに対して、半導体チップの先端部はフレキシブルに
変形できる。したがって、クラック起点１０に発生する
応力が緩和される。

【００１８】図４は他の構造を有する半導体装置のシミ
ュレーションによるクラック起点の応力を示すグラフで
ある。ここで、半導体チップ５の形状は、（ｂ）に示し
たように、第１の主面５Ａと露出端面５Ｃのなす角度が
１２０゜、そして、第２の主面５Ｂと露出端面５Ｃのな
す角度が６０゜に設定されている。また、グラフ(ａ)に
おける横軸はθ又はφの角度であり、縦軸はクラック起
点１０と１１における応力である。ただし、応力はθ又
はφが９０゜の時を１とし、その倍数で表わす。クラッ
ク起点１０における応力は、θが２０゜から９０゜へ向
かう過程で5.5倍から１倍へと減少し、９０゜から１７
０゜へ向かう過程で１倍から５.５倍へと増加する。こ
れを言い替えると、θが９０゜以下でも以上でも応力低
減は図れない。一方、クラック起点１１における応力
は、φが２０゜から９０゜へ向かう過程で０.７５倍か
ら１倍へと増加し、９０゜から１７０゜へ向かう過程で
も１倍から１.５倍へと増加する。これを言い替える
と、φの広い範囲で低い応力が維持される。以上のよう
に、第１の主面５Ａと露出端面５Ｃのなす角度が120
゜、そして、第２の主面５Ｂと露出端面５Ｃのなす角度
が６０゜に調整されている場合は、クラック起点１１に
おける応力は広い範囲のφに対して低い値を維持でき
る。しかし、クラック起点１０における応力は、θが９
０゜に近い範囲以外では応力低減を図ることはできな
い。

【００１９】図５は半導体チップと金属容器との間に配
置される熱膨張緩和部材の一例を説明する断面図であ
る。熱膨張緩和部材３は、第１金属板３１の両面にサン
ドウイッチ状に第２金属板３２を接合してなるものであ
る。ここで、第１金属板３１は熱膨張緩和部材３の固着
面に平行な方向の熱膨張率を小さい値に保つためのもの
で、インバ（Ｆｅ−３６ｗｔ％Ｎｉ，１.５ppm／℃），
４２アロイ（Ｆｅ−４２ｗｔ％Ｎｉ，７ppm／℃），フ
ェルニコ(Ｆｅ−３１ｗｔ％Ｎｉ−１５ｗｔ％Ｃｏ，５p
pm／℃），Ｍｏ(５ppm／℃），Ｗ（４ppm／℃）等のよ
うに低熱膨張率の材料が望ましい。一方、第２金属板３
２は熱膨張緩和部材３の固着面に平行な方向の熱伝導率
を大きい値に保つためのもので、Ｃｕ（４０３Ｗ／ｍ・
Ｋ），Ａｌ（２３６Ｗ／ｍ・Ｋ），青銅（１８０Ｗ／ｍ
・Ｋ），黄銅（１０６Ｗ／ｍ・Ｋ）等のように熱伝導率
の高い材料が望ましい。熱膨張緩和部材３の熱伝導率や
熱膨張率は、第１金属板３１と第２金属板３２の厚さ比
率を調整することにより制御される。例えば、第１金属
板３１が厚さ０.２mm のインバで、両側の第２金属板３
２が各厚さ０.２mm のＣｕである場合は、熱伝導率は２
６２Ｗ／ｍ・Ｋそして熱膨張率は１０.６ppm／℃であ
る。第１金属板３１と第２金属板３２の一体化物にはＮ
ｉめっき３３（厚さ：３〜７μｍ）が施されている。Ｎ
ｉめっき３３は一体化物の表面の品質を保ち、欠陥の少
ないろう付けを実現するために設けられる。Ｎｉめっき
はＡｕ，Ａｇによって代替されてもよい。しかし、一体
化物の品質が良好な状態に管理される場合は、めっき３
３を設けることを必須としない。

【００２０】また、上述の説明では図１に示したよう
に、半導体装置３０は金属容器１の底部にろう材２によ
り熱膨張緩和部材３が取り付けられており、熱膨張緩和
部材３上に第１ろう材層４により半導体チップ５を固着
した構造を有している。しかし、図６に示す他の形態の
本発明による半導体装置の断面模式図のように、熱膨張
緩和部材３上に半導体チップ５を搭載することを必須と
しない。すなわち、半導体装置３０が金属容器１の底部
に第１ろう材層４により直接半導体チップ５を固着した
構造の場合であっても、本発明の効果を享受できる。こ
のような場合であっても、半導体チップ５は互いに平行
な２つの第１の主面５Ａ及び第２の主面５Ｂと外周部に
露出端面５Ｃを有し、第１の主面５Ａと露出端面５Ｃの
なす角度が鋭角、そして第２の主面５Ｂと該露出端面５
Ｃのなす角度が鈍角であり、第１の主面５Ａとこれに連
なって配置された第１ろう材層４の外周部端面４Ｃとの
なす角度（θ）が直角又は鈍角、そして第２の主面５Ｂ
とこれに連なって配置された第２ろう材層６の外周部端
面６Ｃとのなす角度（φ）が直角又は鋭角になるように
調整されている。なお、９は第１ろう材層４，半導体チ
ップ５，第２ろう材層６そしてリード７に至る端面領域
を表わす。

【００２１】更に、図６に示した他の形態の本発明によ
る半導体装置３０の場合であっても、図３及び図４に示
したθ又はφの角度とクラック起点１０，１１に生ずる
応力の関係は、定性的には変らない。

【００２２】以下、本発明を実施例により更に詳細に説
明する。

【００２３】（実施例）本実施例の半導体装置３０は、
図１の断面図に示す形態を有している。１はＣｕからな
る金属容器であり、その表面にＮｉめっき層（厚さ：３
〜７μｍ、図示を省略）を形成している。金属容器１の
底部にろう材２により熱膨張緩和部材３が取り付けられ
ており、熱膨張緩和部材３上に第１ろう材層４により固
着された半導体チップ５と、半導体チップ５上に第２ろ
う材層６を介してリード７が固着され、そして熱膨張緩
和部材３，リード７及び半導体チップ５の露出端面５Ｃ
を被覆する保護層８とを含んでいる。熱膨張緩和部材３
は異種金属板の積層構造体〔Ｃｕ（厚さ：０.２mm）−
インバ（０.２mm）−Ｃｕ(０.２mm）〕で、直径５mmの
円盤状に加工されている。この部材３の横方向熱膨張率
は１０.６ppm／℃であり、熱伝導率は３０.３Ｗ／ｍ・
Ｋ(縦方向)そして２６２Ｗ／ｍ・Ｋ(横方向)を有する。
円盤加工された熱膨張緩和部材３の表面には、Ｎｉめっ
き層（厚さ：３〜７μｍ、図示を省略）が形成されてい
る。半導体チップ５はＳｉからなるダイオードで、厚さ
３００μｍそして最大直径４mmの円形に加工されてい
る。

【００２４】図７は円形加工された半導体チップの断面
模式図を示す。（ａ）に示す第１の形態では、半導体チ
ップ５はｐ型Ｓｉをベース５１とし、この両面からｐ⁺
層５２とｎ⁺層５３を不純物の拡散により設けている。
半導体チップ５は、主面５Ａ及び５Ｂと、露出端面５Ｃ
とを有している。主面５Ａと露出端面５Ｃのなす角度は
６０゜、そして主面５Ｂと露出端面５Ｃのなす角度は１
２０゜にそれぞれ調整されている。ここで、主面５Ａと
露出端面５Ｃのなす角度は６０゜に限定される必要はな
く、鋭角である範囲で任意の角度を選択することができ
る。また、主面５Ｂと露出端面５Ｃのなす角度は１２０
゜に限定される必要はなく、鈍角である範囲で任意の角
度を選択することができる。一方、（ｂ）に示す第２の
形態では、半導体チップ５はｐ型Ｓｉをベース５１と
し、この両面からｐ⁺層５２とｎ⁺層５３を不純物の拡
散により設けている。半導体チップ５は、主面５Ａ及び
５Ｂと、露出端面５Ｃとを有している。主面５Ａと露出
端面５Ｃのなす角度は６０゜、そして主面５Ｂと露出端
面５Ｃのなす角度は１２０゜にそれぞれ調整されてい
る。ここで、主面５Ａと露出端面５Ｃのなす角度は６０
゜に限定される必要はなく、鋭角である範囲で任意の角
度を選択することができる。また、主面５Ｂと露出端面
５Ｃのなす角度は１２０゜に限定される必要はなく、鈍
角である範囲で任意の角度を選択することができる。更
に、主面５Ａや５Ｂには、はんだぬれ性を付与するとと
もに、ｐ⁺層５２やｎ⁺層５３に対するオーム接触を得
るための金属層（図示を省略）が形成されている。この
金属層は、Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｇ，Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｇ，Ｃｒ
−Ｎｉ−Ａｕ，Ｃｒ−Ｐｔ−Ａｇの如き積層金属層（例
えば、蒸着法，スパッタリング法などによる）のような
もの、あるいは、めっきによるＮｉ層の如きものであれ
ばよい。

【００２５】熱膨張緩和部材３は金属容器１の底部にろ
う材２により取り付けられ、熱膨張緩和部材３上には第
１ろう材層４により半導体チップ５が搭載され、そし
て、半導体チップ５上には第２ろう材層６によりリード
７が接続されている。半導体チップ５としては、上述し
た第１形態及び第２形態の両方が適用されている。

【００２６】ここで、ろう材２，第１ろう材層４そして
第２ろう材層６として、組成Ｐｂ−５ｗｔ％Ｓｎ−１.
５ｗｔ％Ａｇなる合金材が用いられ、水素雰囲気中で
３５０℃の温度で熱処理により各部材を一体化してい
る。ろう材２，第１ろう材層４そして第２ろう材層６と
してのＰｂ−５ｗｔ％Ｓｎ−１.５ｗｔ％Ａｇ合金材の
代替物質は、(１）他の組成のＰｂ−Ｓｎ系合金材(例え
ば、Ｐｂ−１０ｗｔ％Ｓｎ，Ｐｂ−５０ｗｔ％Ｓｎ，Ｐ
ｂ−６３ｗｔ％Ｓｎ等）、あるいは、（２）Ｓｎからな
る金属、又は(３)Ｓｎ，Ｓｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｐ，
Ｂｉ，Ｚｎ，ＡｕそしてＩｎの群から選択された少なく
とも２種を含む合金材を挙げることができる。特に、合
金材として、Ｓｎ−３.５ｗｔ％Ａｇ，Ｓｎ−３ｗｔ％
Ａｇ−０.８ｗｔ％Ｃｕで代表されるようなＳｎ−Ａｇ
系、Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ，Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ−０.６
ｗｔ％Ｎｉ−０.０５ｗｔ％Ｐで代表されるようなＳｎ
−Ｓｂ系，Ｓｎ−５８ｗｔ％Ｂｉで代表されるようなＳ
ｎ−Ｂｉ系,Ｓｎ−０.７ｗｔ％Ｃｕで代表されるような
Ｓｎ−Ｃｕ系，Ｓｎ−５２ｗｔ％Ｉｎで代表されるよう
なＳｎ−Ｉｎ系，Ｓｎ−９ｗｔ％Ｚｎで代表されるよう
なＳｎ−Ｚｎ系，Ｉｎ−１０ｗｔ％Ａｇで代表されるよ
うなＩｎ−Ａｇ系、そして、Ａｕ−２０ｗｔ％Ｓｎで代
表されるようなＡｕ−Ｓｎ系を挙げることができる。こ
れらのＳｎ−Ａｇ系，Ｓｎ−Ｓｂ系，Ｓｎ−Ｂｉ系，Ｓ
ｎ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ系，Ｉｎ−Ａｇ
系，Ａｕ−Ｓｎ系の各合金材は、任意の組成に組み合わ
せて使用することもできる。

【００２７】ろう材２，第１ろう材層４そして第２ろう
材層６の厚さは、２０〜３００μｍの範囲であればよい
が、半導体装置３０に要求される信頼性，作業性，歩留
り等を考慮すると、より好ましくは５０〜２００μｍの
範囲が望ましい。

【００２８】リード７としては、Ｃｕを母材にした金属
又は合金が用いられる。この際、はんだぬれ性付与の観
点から、表面にＮｉ，Ａｇ，Ａｕ等の金属をめっきして
おくことは好ましいことである。

【００２９】上記の構成によって得られた半導体装置３
０では、θは１１０゜そしてφは６５゜に調整されてい
る。θやφはこれらの角度に限定される必要はなく、θ
は直角又は鈍角そしてφは直角又は鋭角になるように調
整されていればよい。

【００３０】図８は、以上の構成により得られた半導体
装置３０の温度サイクル試験における熱抵抗の推移を示
すグラフである。図において、Ａは半導体チップ５が第
１形態の場合、Ｂは半導体チップ５が第２形態の場合、
そしてＣは比較例半導体装置の場合である。比較例半導
体装置については後述する。縦軸の初期値に対する熱抵
抗増加量は、（試験後の熱抵抗／初期熱抵抗）比で表わ
す。試料Ａ及びＢとも、１万回までの試験で、熱抵抗増
加は示していない。この結果は、本実施例半導体装置３
０における半導体チップ５が第１形態及び第２形態のい
ずれの場合でも、ろう材層４及び６のいずれもクラック
等の破壊を生じていないことを示唆する。

【００３１】半導体装置３０がこのように優れた信頼性
を示したのは、次の理由に基づく。すなわち、信頼性向
上のため本発明者が見い出した第１の条件（半導体チッ
プ５が互いに平行な２つの第１の主面５Ａと第２の主面
５Ｂ及び外周部に露出端面５Ｃを有し、第１の主面５Ａ
と露出端面５Ｃのなす角度が鋭角であり、そして、第２
の主面５Ｂと露出端面５Ｃのなす角度が鈍角であるこ
と）と、第２の条件（第１の主面５Ａとこれに連なって
配置された第１ろう材層４の外周部端面４Ｃとのなす角
度θが直角又は鈍角であり、そして、第２の主面５Ｂと
これに連なって配置された第２ろう材層６の外周部端面
４Ｃとのなす角度φが直角又は鋭角であること）が、と
もに満たされているためである。この結果、第１ろう材
層４の特にクラック起点１０と第２ろう材層６の特にク
ラック起点１１に作用する応力が低減され、これらろう
材層の疲労破壊が軽減されるためである。一方、Ｃの比
較例半導体装置の場合は、１０００回あたりから熱抵抗
の増大を生じている。

【００３２】図９は比較例半導体装置の断面模式図を示
す。この半導体装置の場合は、半導体チップ５が互いに
平行な２つの第１の主面５Ａと第２の主面５Ｂ及び外周
部に露出端面５Ｃを有し、第１の主面５Ａと露出端面５
Ｃのなす角度が“鈍角”であり、そして、第２の主面５
Ｂと露出端面５Ｃのなす角度が“鋭角”である。すなわ
ち、信頼性向上のため本発明者が見い出した前述の第１
条件が満たされていない（第２条件は満たされているけ
れども）。したがって、図８におけるＣ（比較例半導体
装置）の熱抵抗増大が早められたのは、上記第１条件が
満たされない結果、第１ろう材層４の特にクラック起点
１０に作用する応力が増加し、このろう材層の疲労破壊
が促進されたためである。

【００３３】図１０は、本実施例半導体装置３０のパワ
ーサイクル試験における熱抵抗の推移を示すグラフであ
る。この試験においては、金属容器１の温度が３０〜１
２５℃の変化を生ずるように、半導体装置３０に間欠通
電を施す。図におけるＡ，Ｂ，Ｃの内容は、図８に示し
た温度サイクル試験の場合と同様である。また、縦軸の
見方も図８の場合と同様である。試料Ａ及びＢとも、約
５万回までは初期値と同等の熱抵抗を示している。熱抵
抗増加は５万回を越えてから生じている。これに対し、
Ｃの場合は、５０００回を越えた段階で熱抵抗増加を生
じている。このように、本実施例半導体装置３０が優れ
たパワーサイクル耐量を示すのは、上述した第１条件と
第２条件がともに満たされ、これに基づく効果が作用す
るためである。この結果、第１ろう材層４の特にクラッ
ク起点１０と第２ろう材層６の特にクラック起点１１に
作用する応力が低減され、これらろう材層の疲労破壊が
軽減される。一方、Ｃの比較例半導体装置が不十分なパ
ワーサイクル耐量を示すのは、第２条件は満たされてい
るけれども、第１条件が満たされていないことによる。
したがって、第１ろう材層４の特にクラック起点１０に
作用する応力が増加し、このろう材層の疲労破壊が促進
されるためである。

【００３４】本実施例において、半導体チップ５と金属
容器１との間に固着される熱膨張緩和部材３は、その被
固着面と平行な方向の熱膨張率が７〜１３.５ppm／℃、
そして熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上に調整されてい
る。このような条件を満たし得る材料は図５に示した第
１金属板３１の両面にサンドウイッチ状に第２金属板３
２を接合してなるものだけに限らない。

【００３５】図１１は熱膨張緩和部材の代替材料を説明
する断面図である。（ａ）は第１金属板３１としてのイ
ンバと第２金属板３２としてのＣｕとを交互にストライ
プ状に接合した２枚のアッセンブリを、ストライプ方向
が互いに直角になるように配置して接合したものであ
る。この場合の熱膨張率や熱伝導率は、第１金属板３１
と第２金属板３２の配置量比率、アッセンブリの重ね
数、厚さ等により調整される。この観点から、アッセン
ブリは１枚でもよいし、２枚以上でもよい。（ｂ）は第
１金属３１としてのインバ粒が第２金属３２としてのＣ
ｕマトリックス中に分散された状態のものである。この
場合の熱伝導率や熱膨張率は、第１金属３１や第２金属
３２の配合比率や、厚さ等により調整される。（ｃ）は
第１金属３１としてのＭｏ粒と第２金属３２としてのＣ
ｕ粒との混合体が焼結された状態のものである。この場
合の熱伝導率や熱膨張率は、第１金属３１と第２金属３
２の配合比率や、厚さ等により調整される。以上の
（ａ)〜(ｃ）における第１金属３１は熱膨張緩和部材３
の熱膨張率を小さい値に保つためのもので、インバ（Ｆ
ｅ−３６ｗｔ％Ｎｉ，１.５ppm／℃)，４２アロイ（Ｆ
ｅ−４２ｗｔ％Ｎｉ，７ppm／℃），フェルニコ（Ｆｅ
−３１ｗｔ％Ｎｉ−１５ｗｔ％Ｃｏ，５ppm／℃）,Ｍｏ
（５ppm／℃），Ｗ（４ppm／℃）等が選択される。ま
た、第２金属３２は熱膨張緩和部材３の固着面に平行な
方向の熱伝導率を大きい値に保つためのもので、Ｃｕ
(４０３Ｗ／ｍ・Ｋ），Ａｌ(２３６Ｗ／ｍ・Ｋ）,青銅
(１８０Ｗ／ｍ・Ｋ），黄銅（１０６Ｗ／ｍ・Ｋ）等が
選択される。（ｄ）は第１金属３１と同様の役割を持つ
ＳｉＣ粉末３１′が第２金属３２としてのＡｌマトリッ
クス中に分散された状態のものである。この場合の熱伝
導率や熱膨張率は、ＳｉＣ粉末３１′と第２金属３２の
配合比率により調整される。（ｅ）は第１金属３１と同
様の役割を持つＳｉＣ繊維クロス３１″が第２金属３２
としてのＣｕマトリックス中に埋め込まれた状態のもの
である。この場合の熱伝導率や熱膨張率は、ＳｉＣ繊維
クロス３１″と第２金属３２の配合比率により調整され
る。上記（ｄ）及び（ｅ）において、第２金属３２とし
ては、Ｃｕ（４０３Ｗ／ｍ・Ｋ）やＡｌ（２３６Ｗ／ｍ
・Ｋ）を用いることができる。第１金属３１と同様の役
割を持つＳｉＣ粉末３１′やＳｉＣ繊維クロス３１″
は、炭素，窒化アルミニウム，アルミナ，窒化シリコン
からなる材料で代替できる。上記（ａ）〜（ｅ）におい
ては、いずれにもＮｉめっき３３が施されている。これ
はＡｕやＡｇによって代替されてもよい。しかし、品質
が良好に保たれる場合は、めっき３３を設けることは必
須としない。

【００３６】表１は熱膨張緩和部材としての各種代替材
料の物性値の例を示す。ここに掲げる熱膨張率及び熱伝
導率は、熱膨張緩和部材３の被固着面と平行な方向の値
である。いずれの材料も本発明の効果を奏するような熱
膨張率(７〜１３.５ppm／℃)及び熱伝導率（１５０Ｗ／
ｍ・Ｋ以上）に調整されている。熱膨張緩和部材３がこ
のような物性値を有することにより、半導体装置３０の
ろう材層４，６の疲労破壊が軽減され、そして半導体装
置３０の良好な放熱性が保たれる。

【００３７】

【表１】

【００３８】以上で説明した半導体装置３０は、全波整
流装置に適用される。図１２は全波整流装置を説明する
平面図及び断面図である。（ａ）は全波整流装置６０の
平面図、そして（ｂ）はＡ−Ａ′断面図である。以下、
両図面を用いて全波整流装置６０について説明する。図
において、半導体装置３０は前述したように、Ｃｕから
なる金属容器１，金属容器１の底部にろう材２により固
着された熱膨張緩和部材３，熱膨張緩和部材３上に第１
ろう材層４により固着された半導体チップ５，半導体チ
ップ５上に第２ろう材層６を介して固着されたリード
７、そして熱膨張緩和部材３，リード７及び半導体チッ
プ５の露出端面５Ｃを被覆する保護層８とを含んでい
る。３個の半導体装置３０の金属容器１が、接着層１２
を介して第１放熱板１３に接着される。すなわち、複数
個の半導体装置３０が互いに対をなす第１放熱板１３及
び第２放熱板１４上に搭載され、各放熱板内では整流方
向が揃えられ、放熱板相互間では整流方向が異なるよう
に取り付けられている。ここで搭載されている半導体チ
ップ５は図７(ａ)の形態のものである。また、図７(ｂ)
の形態の半導体チップ５を搭載した３個の半導体装置３
０が、接着層１２を介して第２放熱板１４に接着され
る。ここで、第１放熱板１３及び第２放熱板１４には、
Ｃｕからなる材料が用いられている。放熱板１３及び１
４の役割は、半導体装置３０が放出する熱を効率よく外
部へ伝達すること及び電力を効率よく伝達することにあ
る。この観点から、放熱板１３及び１４には、Ａｌから
なる材料を用いることも可能である。第１放熱板１３と
第２放熱板１４は互いに対をなしており、エポキシ樹脂
等からなる端子台１７に、取り付け部材１８を介して取
り付けられている。リード７は、はんだ材１６を介して
あらかじめ端子台１７に埋め込まれたＣｕからなる金属
端子１５に接合されている。はんだ材１６や接着層１２
には、Ｓｎ−９ｗｔ％Ｚｎ合金が適用されている。この
合金は、（１）Ｐｂ−５ｗｔ％Ｓｎ−１.５ｗｔ％Ａ
ｇ，Ｐｂ−１０ｗｔ％Ｓｎ,Ｐｂ−５０ｗｔ％Ｓｎ,Ｐｂ
−６３ｗｔ％Ｓｎの如きＰｂ−Ｓｎ系合金材、（２）Ｓ
ｎからなる金属、又は(３)Ｓｎ，Ｓｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｎ
ｉ，Ｐ，Ｂｉ，Ｚｎ，ＡｕそしてＩｎの群から選択され
た少なくとも２種を含む合金材で代替してもよい。特
に、合金材として、Ｓｎ−３.５ｗｔ％Ａｇ，Ｓｎ−３
ｗｔ％Ａｇ−０.８ｗｔ％Ｃｕで代表されるようなＳｎ
−Ａｇ系，Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ,Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ−
０.６ｗｔ％Ｎｉ−０.０５ｗｔ％Ｐで代表されるような
Ｓｎ−Ｓｂ系,Ｓｎ−５８ｗｔ％Ｂｉで代表されるよう
なＳｎ−Ｂｉ系，Ｓｎ−０.７ｗｔ％Ｃｕで代表される
ようなＳｎ−Ｃｕ系，Ｓｎ−５２ｗｔ％Ｉｎで代表され
るようなＳｎ−Ｉｎ系，Ｓｎ−９ｗｔ％Ｚｎで代表され
るようなＳｎ−Ｚｎ系，Ｉｎ−１０ｗｔ％Ａｇで代表さ
れるようなＩｎ−Ａｇ系、そして、Ａｕ−２０ｗｔ％Ｓ
ｎで代表されるようなＡｕ−Ｓｎ系を用いてもよい。更
に、これらのＳｎ−Ａｇ系，Ｓｎ−Ｓｂ系，Ｓｎ−Ｂｉ
系，Ｓｎ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ｉｎ系，Ｓｎ−Ｚｎ系，Ｉｎ
−Ａｇ系，Ａｕ−Ｓｎ系の各合金材は、任意の組成に組
み合わせて使用することもできる。以上に説明した全波
整流装置６０は、図１３に示す全波整流回路を構成して
いる。この全波整流装置６０は、車両用三相交流発電機
に取り付けられる。車両のエンジンによる回転動力がロ
ータに伝達され、このロータに取り付けられたロータコ
イルが励磁巻線の発生する界磁と鎖交することにより、
ロータコイルに交流が発生する。全波整流装置６０の
Ｕ，Ｖ，Ｗ端子は、前記ロータコイルと接続されてい
る。したがって、Ｕ，Ｖ，Ｗ端子を経由した交流は各半
導体装置３０により直流に変換され、端子Ａ及びＢを通
して負荷に直流電力として供給される。

【００３９】全波整流装置６０は、これが取り付けられ
た三相交流発電機とともに自動車のエンジンルーム内に
搭載される。三相交流発電機及び全波整流装置６０は、
３２万ｋｍの走行試験期間中、常に稼働状態にしても、
電気的機能は初期状態と同等に維持される。このように
優れた耐久性能が得られる理由の１つとして、半導体装
置３０が前述した第１の条件を共に満たす構造になって
いる点が挙げられる。この結果、走行試験期間中の発熱
と冷却の繰り返し熱変化に伴って作用する半導体装置３
０のクラック起点１０及び１１の応力が低い水準に維持
される。したがって、ろう材層４及び６における熱疲労
破壊が軽減され、半導体装置３０及び全波整流装置６０
の優れた性能が維持される。

【００４０】図１４は他の形態の全波整流装置を説明す
る断面模式図である。図において、半導体装置３０は前
述したように、Ｃｕからなる金属容器１，金属容器１の
底部にろう材２により固着された熱膨張緩和部材３，熱
膨張緩和部材３上に第１ろう材層４により固着された半
導体チップ５，半導体チップ５上に第２ろう材層６を介
して固着されたリード７、そして熱膨張緩和部材３，リ
ード７及び半導体チップ５の露出端面５Ｃを被覆する保
護層８とを含んでいる。半導体装置３０は、第１放熱板
１３と第２放熱板１４の貫通孔にそれぞれはめ込まれて
いる。第１放熱板１３と第２放熱板１４の間には、シリ
コーン樹脂からなる絶縁シート１９が挟まれている。す
なわち、複数個の半導体装置３０が互いに対をなす第１
放熱板１３及び第２放熱板１４上に搭載され、各放熱板
内では整流方向が揃えられ、放熱板相互間では整流方向
が異なるように取り付けられている。

【００４１】第１放熱板１３と第２放熱板１４は互いに
対をなしている。各半導体装置３０は、リード７をあら
かじめ端子台１７に取り付けられた金属端子１５とはん
だ材１６を介して接合されている。以上の構造の全波整
流装置６０は、図１３に示した全波整流回路を構成して
いる。この全波整流装置６０は、車両用三相交流発電機
に取り付けられて使用できる。

【００４２】なお、図１２〜図１４の実施例において
は、図６に示したような熱膨張緩和部材を持たない構成
を用いてもよい。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、ろう材層の耐熱疲労性
を向上させ、半導体装置及びそれを用いた全波整流装置
を安全かつ安定に動作させることに寄与することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体装置の断面図である。

【図２】図１の端面領域を詳細に説明するための拡大断
面図である。

【図３】シミュレーションによるクラック起点の応力を
示すグラフである。

【図４】他の構造の半導体装置のシミュレーションによ
るクラック起点の応力を示すグラフである。

【図５】半導体チップと金属容器との間に配置される熱
膨張緩和材の一例を説明する断面図である。

【図６】他の形態の本発明による半導体装置を説明する
断面模式図である。

【図７】円形加工された半導体チップの断面模式図であ
る。

【図８】温度サイクル試験における熱抵抗の推移を示す
グラフである。

【図９】比較例半導体装置の断面模式図である。

【図１０】パワーサイクル試験における熱抵抗の推移を
示すグラフである。

【図１１】熱膨張緩和部材の代替材料を説明する断面図
である。

【図１２】全波整流装置を説明する平面図及び断面図で
ある。

【図１３】全波整流回路である。

【図１４】他の形態の全波整流装置を説明する断面模式
図である。

【符号の説明】

１…金属容器、２…ろう材、３…熱膨張緩和材、４…第
１ろう材層、４Ｃ…外周部端面、５…半導体チップ、５
Ａ…第１の主面、５Ｂ…第２の主面、５Ｃ…露出端面、
６…第２ろう材層、６Ｃ…外周部端面、７…リード、８
…保護層、９…端面領域、１０…第１ろう材層のクラッ
ク起点、１１…第２ろう材層のクラック起点、１２…接
着層、１３…第１放熱板、１４…第２放熱板、１５…金
属端子、１６…はんだ材、１７…端子台、１８…取り付
け部材、１９…絶縁シート、３０…半導体装置、３１…
第１金属板，第１金属、３１′…ＳｉＣ粉末、３１″…
ＳｉＣ繊維クロス、３２…第２金属板，第２金属、３３
…めっき、５１…ベース、Ｐ型層、５２…ｎ⁺層、５３
…ｐ⁺層、６０…全波整流装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者九嶋忠雄茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者上野巧茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者中島力茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立事業所内Ｆターム(参考） 5F047 AA13 BA06 BA18 BA19 BA52

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属容器と、該金属容器の底部に直接又は
熱膨張緩和材を介して第１ろう材層により固着された半
導体チップと、前記半導体チップ上に第２ろう材層を介
して固着されたリードと、を含む半導体装置において、
前記半導体チップは互いに平行な２つの第１及び第２の
主面と外周部に端面を有し、前記第１の主面と前記端面
のなす角度が鋭角そして前記第２の主面と前記端面のな
す角度が鈍角であり、前記第１の主面とこれに連なって
配置された前記第１ろう材層の外周部端面とのなす角度
が直角又は鈍角、そして前記第２の主面とこれに連なっ
て配置された前記第２ろう材層の外周部端面とのなす角
度が直角又は鋭角であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】請求項１において、前記第１ろう材層又は
／及び第２ろう材層がＰｂとＳｎを主成分として含むＰ
ｂ−Ｓｎ系合金、又はＳｎからなる金属、又はＳｎ，Ｓ
ｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｐ，Ｂｉ，Ｚｎ，ＡｕそしてＩ
ｎの群から選択された少なくとも２種を含む合金である
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】請求項１において、前記熱膨張緩和材の前
記金属容器の底部と固着される面又は前記半導体チップ
と固着される面と平行な方向の熱膨張率が７〜１３.５p
pm／℃、そして熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】複数個の半導体装置が一対の放熱板に取り
付けられ、前記放熱板内では整流方向が揃えられ、前記
放熱板相互間では整流方向が異なるように取り付けられ
た全波整流装置において、前記半導体装置は、金属容器
と、前記金属容器の底部に直接又は熱膨張緩和材を介し
て第１ろう材層により固着された半導体チップと、前記
半導体チップ上に第２ろう材層を介して固着されたリー
ドと、を含む半導体装置であり、前記半導体チップは互
いに平行な２つの第１及び第２の主面と外周部に端面を
有し、前記第１の主面と前記端面のなす角度が鋭角そし
て前記第２の主面と前記端面のなす角度が鈍角であり、
前記第１の主面とこれに連なって配置された前記第１ろ
う材層の外周部端面とのなす角度が直角又は鈍角、そし
て前記第２の主面とこれに連なって配置された前記第２
ろう材層の外周部端面とのなす角度が直角又は鋭角であ
ることを特徴とする全波整流装置。
【請求項５】請求項４において、前記第１ろう材層又は
／及び第２ろう材層がＰｂとＳｎを主成分として含むＰ
ｂ−Ｓｎ系合金、又はＳｎからなる金属、又はＳｎ，Ｓ
ｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｐ，Ｂｉ，Ｚｎ，ＡｕそしてＩ
ｎの群から選択された少なくとも２種を含む合金である
ことを特徴とする全波整流装置。
【請求項６】請求項４において、前記熱膨張緩和材の前
記金属容器の底部と固着される面又は前記半導体チップ
と固着される面と平行な方向の熱膨張率が７〜１３.５p
pm／℃、そして熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である
ことを特徴とする全波整流装置。