JP2004289028A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般的な自動車用オルタネータは、特開平7−161877号公報に記載されているように、オルタネータの出力を整流する素子である半導体チップを樹脂で封止した構造である。
【0003】
また、特開平7−221235号公報には、熱衝撃が多数回反復して加わる激しい環境でも電気的特性が長期間に渡って低下しない半導体装置を得るために、ケース電極と半導体チップとの間に多層構造となった金属板を介在させた構造が記載されている。特開平4−229639号公報では、半導体チップ部分をエポキシ系絶縁部材にて封止する構造が提案されている。特開平10−215552号公報では、絶縁部材を大気圧を超える高圧で充填しモールド成型して絶縁部材に残留圧縮応力を発生させる構造が提案されている。
【特許文献1】
特開平7−161877号公報
【特許文献2】
特開平7−221235号公報
【特許文献3】
特開平4−229639号公報
【特許文献4】
特開平10−215552号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記公知例では、亀裂などの欠陥の発生を抑制する形態について検討されているが、一旦欠陥が発生すると十分に進展防止をすることができる形態について検討されていない。
【0005】
半導体装置の搭載場所が自動車のエンジンルーム内であるため、高熱と、車両側電気負荷の変動により発電機の発熱量増大等の影響が極めて高い。また、特に自動車は、夏冬の温度差によって発生する、広範な温度範囲に及ぶ冷熱の繰り返しを受ける等の厳しい環境下にあるため、熱疲労に強い半導体装置が要求されている。
【0006】
半導体装置が熱衝撃を多数回反復して受けると、半導体装置を構成する技術の線膨張率の差に起因するひずみがはんだなどの接合部材に加わり、この接合部材にクラックが発生する。クラックが発生すると、通電経路である接合部材の断面積が減少し、電気抵抗が増大することで発熱が増加するとともに、接合部材を通した放熱量も低下し、半導体チップの温度が異常に上昇する。その結果、接合部材の溶融や半導体チップが耐熱限界に達することにより、整流機能が消失し、故障状態となる。
【0007】
このように半導体チップにはんだなどの接合部材を用いて半導体チップと大きく線膨張率の異なる部材を接合する構造は半導体チップにワイヤボンディングで接合を行う構造に比較し、半導体チップ両面で上記したひずみがはんだなどの接合部材に加わるため、対策が非常に困難であった。
【0008】
そこで、本発明の目的は、前記課題のいずれかを解決する半導体装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための形態として例えば、以下の形態をとることができる。
(1)周辺部に壁部を有するケース電極と、前記ケース電極に接合部材を介して設置される整流機能を有する半導体チップと、前記半導体チップに接合部材を介して接続され、リードに連絡するリード電極と、を有し、前記ケース電極の前記接合部材に接合される領域は凸部を有し、前記凸部は前記半導体チップの外周端よりも内側に上端端部が位置されるよう形成されることを特徴とする半導体装置である。
(2)リード電極の下部端部からのクラック発生及び進展防止を図るものである。例えば、周辺部に壁部を有するケース電極と、前記ケース電極に接合部材を介して設置される整流機能を有する半導体チップと、前記半導体チップに接合部材を介して接続され、リードに連絡するリード電極と、を有し、前記リード電極の前記半導体チップ側面における前記接合部材に接合される領域は、周囲より前記半導体チップ側に突出した凸部を有することを特徴とする半導体装置である。
(3)また、中間板を効果的に用いることができる。例えば、周辺部に壁部を有するケース電極と、前記ケース電極に接合部材を介して設置される整流機能を有する半導体チップと、前記半導体チップに接合部材を介して接続され、リードに連絡するリード電極と、を有し、前記ケース電極の前記接合部材に接合される領域は凸部を有し、前記半導体チップと前記ケース電極との間には、前記チップの熱線膨張係数より大きく前記ケース電極の熱線膨張係数より小さい材料から構成された中間板を備え、前記中間板の前記凸部に対向する面には前記凸部を収容する凹部を備えることを特徴とする半導体装置である。
【0010】
本発明の形態により、効果的にクラックの進展を防止して信頼性の高い半導体装置を提供することができる。車載電子部品として用いる場合は、近年の電子部品増加などによる環境温度上昇があった場合でも、部品点数の増加を抑止して、簡易な構成で寿命を増加することができる。また、本発明によって、製造上の組み立て位置ずれを抑制でき高性能の製品を効率的に製造することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。本発明は、交流発電機の交流出力を直流出力に変換する半導体装置に関する。
【0012】
図1に示す第1実施形態の半導体装置では、リードに連絡するリード電極1aと、周辺部に凸壁部を有するケース電極5aと、リード電極1aと接合部材2aを介して配置される整流機能を有する半導体チップ3とケース電極5a間に接合部材を介して金属板6aと、半導体チップ3と接合部材2aを介して接合されるリード電極面の端部が薄い第一領域1bを有し、ケース電極5aは、金属板6aが配置される領域の第二の領域5dと、第二の領域より薄い第三の領域5bを有し、第二の領域面5bの凸と金属板下面が凹関係になるように金属板端部より薄い金属板中央部の第四の領域6eとを形成されている構造になっている。ケース電極と金属板間の線膨張率差により接合部材に生じるひずみは部材の長さの関係でケース電極側の方が大きい。従って接合部材のケース側に生じるクッラクの進展をケース電極の凸の方で防止できる。また、半導体チップと接合部材を介して接合されるリード電極面の端部が薄い第一領域によって半導体チップと接合部材を介して接合されるリード電極面端部に集中するひずみを分布させひずみ低減に効果があるとともにリード電極面の凸がクラック進展を防止できる。具体的に説明すると、以下のようになる。
【0013】
通常、リード電極1aとケース電極5aと金属板は銅系、あるいは鉄系の金属で形成されている。これらの電極体が例えば銅系で形成されている場合はその線膨張係数が17ppm/℃程度であり、一方、半導体チップの線膨張係数は3ppm/℃である。ここで、半導体チップ3とケース電極5a間の線膨張率はが大きく、半導体チップ3とケース電極5a間の接合部材はケース電極5a側ではケース電極と共に変形するが、半導体チップ3側では半導体チップ3によってその変形は押さえられるようになり、接合部材の端部に大きくひずみが発生する。そのために半導体チップとケース電極の線膨張率の中間値を持つ鉄系の金属板6aを中間板として、ケース電極5と半導体チップ3の間に配置する。熱荷重を繰返し受ける場合に熱ひずみは増加してクラックが発生することを抑制するために、ケース電極5aを金属板6aが配置される領域の第二の領域5dと、第二の領域より薄い第三の領域5bに形成させる。また、第二の領域面5bの凸と金属板下面が凹関係になるように金属板端部より薄い金属板中央部の第四の領域6eを形成し、クラックの進展が第二領域面5bの凸角の所で停止できるようにしている。この事により通電の機能を維持できると共に熱疲労寿命が向上できる。
【0014】
また、本実施例では、周辺部に壁部を有するケース電極5と、ケース電極5に接合部材を介して設置される整流機能を有する半導体チップ3と、半導体チップ3に接合部材を介して接続され、リードに連絡するリード電極1aと、を有し、ケース電極5の前記接合部材に接合される領域は凸部を有し、前記凸部は半導体チップ3の外周端よりも内側に上端端部が位置されるよう形成されることを特徴とする。また、凸の径はペレットの径よりも小さくなる。なお、ペレット形状は円、四角、六角、などであってもよい。ベース形状は、ペレットに対応した形状であればよい。これにより、クラックの進展を凸部側壁で止めることができ、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【0015】
または、前記凸部の上部面及び側壁面に前記接合部材が配置されるよう形成されるようにすることもできる。なお、凸の径は前述同様に、ペレットの径よりも小さくなる。
【0016】
また、ケース電極5は第一の厚さの凸状領域と前記凸状領域の周囲に形成される前記第一の厚さより薄い第二の領域とを有し、前記凸状領域の幅は半導体チップより小さくなるよう形成することもできる。
【0017】
或は、リード電極の下部端部からのクラック発生及び進展防止を図る構造を備える点を特徴とする。特徴点としては、リード電極5の半導体チップ3側面における前記接合部材に接合される領域は、周囲より前記半導体チップ3側に突出した凸部を有する点である。
【0018】
或は、半導体チップ3と第一の間隔に配置される第一の領域と前記第一の領域の周囲に第一の距離よりも大きい第二の間隔に配置される第二の領域を有する点である。
【0019】
これにより、接合部材と接する領域複数の凸部が形成されるので応力集中を抑制し、クラックの進展を抑制することができる。
【0020】
また、中間板である金属板6aを効果的な形態にすることも特徴の一つである。具体的には、ケース電極5の前記接合部材に接合される領域は凸部を有し、半導体チップ3とケース電極5との間には、前記チップの熱線膨張係数より大きく前記ケース電極の熱線膨張係数より小さい材料から構成された中間板を備え、前記中間板の前記凸部に対向する面には前記凸部を収容する凹部を備える点である。
【0021】
これにより、リード電極と中間板を接合した後にケース電極と接合しようとする場合のように、中間板をケース電極に接合する場合両者の位置ずれを抑制できる構成にでき、これによる位置ばらつき抑制できる。ひいては寿命のばらつきを抑制できる。
【0022】
図1に示す第1実施形態の半導体装置では、金属板が銅/インバー(35%Ni−Feの合金)/銅の三層構造の金属板の場合も同じく疲労寿命向上が期待できる。銅/インバー/銅の三層構造の場合、加工が容易である。このように、半導体チップとケース電極の線膨張率の差をカーバできる両部材の線膨張率の中間値にすることで、ひずみ低減に効果があると共に、凹形状に形成するのに加工しやすいので、製造工程を効率化することができる。
【0023】
また、金属板が銅モリブデンの場合は熱伝導率が良く熱抵抗の低減と同時に疲労寿命向上が期待できる。
【0024】
図1に示すように第1実施形態の半導体装置の半導体チップ3が配置される領域が凸壁部の高さ以下の位置に形成されることが好ましい。これにより、凸となった壁部は放熱板6aに接触されているので凸壁部5dの高さ以下の位置することによって放熱性が向上できる。
【0025】
図1に示すように第1実施形態のケース電極5a第三領域の幅5dは、金属板上面の幅6dの30%以上100%未満に形成されることが好ましい。これにより、クラック進展が進むと通電経路である接合部材の断面積が減少し、電気抵抗が増大することで発熱が増加するとともに、接合部材2を通した放熱量も低下し、半導体チップ3の温度が異常に上昇することを抑制することができる。そして、その結果、接合部材の溶融や半導体チップ3が耐熱限界に達することにより、整流機能が消失し、故障状態となるのを早い時期に防ぐことができる。このため、ケース電極の第三領域の幅(5d)を大きくし、第三領域凸角でクラック始点近傍を防止できる。また幅が小さいとケース電極の剛性と通電容量に影響及ぼす恐れがあるので、幅は凸の加工可能な範囲で大きく決めることが好ましい。
【0026】
図3に示すグラフはクラックが進展長さ率[(5d/6d)×100%]と半導体チップ3の最大温度との関係を示している。これによると第三領域の幅5d凸の角でクラック進展が防止できるので第三領域の幅5dは半導体チップの耐熱限界と接合部材の溶融を考えると35%が最下限値であることがわかる。クラックが面積の1/2以上進展することを抑制することが好ましい。
【0027】
図1に示すように第1実施形態の半導体装置であって、金属板6aの第四領域の幅6eは、ケース電極5a第三領域の幅5dの100%未満(具体的には、たとえば、90%未満程度であってよい)に形成されることが好ましい。金属板6aを凹に形成することでケース電極5aに接合部材2cを介して金属板6aに配置する際のずれ防止なるので組み立てプロセスが容易である。
【0028】
図1第1実施形態の半導体装置ではケース電極5の凸壁部で囲まれた領域に絶縁部材4充填された領域を有する。例えば、前記絶縁部材4はゴム材からなる。ゴム材としては例えば、軟質性ゴムが好ましく、軟質性ゴム材は常温(25℃)での剛性が1MPa〜3MPaであることが好ましい。また、高温(200℃)でも2MPa〜4MPaと高温でも物性値の低下はなく、長時間の使用に耐えることができる。また絶縁部材自身の剛性が低いので、絶縁部材によってケース電極の外周部と放熱板を機械的に固定する際にケース電極の変形によって半導体チップに与える応力を低くすことができる。例えば、前記軟質性ゴム材としてシリコンゴムが挙げられる。憂さらに常温ではシリコーンゴムより優れた機械的強度をもつ樹脂などの有機ゴムも、多くは高温下(150〜200℃以上)で強度が低下し、その優劣が逆転じることを考えると、軟質性ゴム材は樹脂などに比べ、絶縁部材の寿命を長くできる。
【0029】
図1第1実施形態の半導体装置のケース電極はジルコン銅から形成している。これによると、通常,ジルコン銅の降伏応力値427MPaで純銅の降伏応力値207MPaと2倍以上高いのでケース電極5の外周部5aと放熱板6を圧入方式で機械的に固定する際にケース電極5の変形が半導体チップ3の変形に及ぼす影響を低減することができる。
【0030】
図2に第2実施形態の半導体装置を示す。基本的には第1実施形態で説明したのと同様の形態をとることができる。第2実施形態では、ケース電極と半導体チップが接合部材を介して隣接している点が特徴である。具体的には、リード1aに連絡するリード電極と、周辺部に凸壁部を有するケース電極5aと、リード電極と接合部材2aを介して配置される整流機能を有する半導体チップ3と、半導体チップ3と接合部材2aを介して接合されるリード電極面の端部1cより厚い第一領域1bを形成し、ケース電極5aは、半導体チップ3が配置される領域の第二の領域5dと、第二の領域5dより薄い厚さ5fを持つ第三の領域を形成する。第二の領域の幅5dは半導体チップの幅3a40%以上100%未満に形成されている。この実施形態は熱抵抗を低減させるために半導体チップ3と接合部材2aを介して金属板6aを設けずにケース電極5aに直接接合しているので第1実施形態の接合部材に発生するひずみより発生ひずみは大きくなるが、接合部材のケース側に生じるクッラクの進展をケース電極の凸の方で防止できるので熱抵抗の低減とともに熱疲労寿命の向上が期待できる。
【0031】
また図4に示すグラフはクラックが進展長さ率[(5d/3a)×100%]と半導体チップ3の最大温度との関係を示している。これによると第二領域の幅5d凸の角でクラック進展が防止できるので第二領域の幅5dは半導体チップの耐熱限界と接合部材の溶融を考えると40%が最下限値であることがわかる。従って、第2実施形態の第二の領域の幅5dを半導体チップの幅3a40%以上100%未満に定量的に形成している。
【0032】
図2第2実施形態の半導体装置も第1実施形態と同じく、ケース電極の凸壁部で囲まれた領域に絶縁部材充填し、ケース電極はジルコン入り銅で形成され、絶縁部材は軟質性ゴム材からなるように形成している。これによって第1実施形態同じ効果が得られる。
【0033】
図5、図6は第1の実施形態、第2実施形態の半導体装置それぞれが放熱フィンに圧入された後の形態表している。半導体装置の放熱板7と接触しているローレット部分5cの凸壁の高さ(Hb)は、半導体装置の外周側に設置されるための放熱板の厚さ(Ha)以下に形成されることを特徴としている。これによると、半導体装置の搭載場所が自動車のエンジンルーム内の場合、外部からの衝撃などにより放熱板7と固定されている半導体装置が抜けることを防止できる。
【0034】
図7、図8に示す第3実施形態、第4実施形態の半導体装置では、図1と図2に示す第1実施形態、第2実施形態の半導体装置を放熱板7に固定する際にケース電極5aと放熱板7を、接合部材2dを介して固定している。図5、図6のように半導体装置をケース電極5の径より小さい径の放熱板7穴に圧入方式で固定する場合よりも半導体チップに加わる応力の低減が期待できる。
【0035】
図7に示す第6実施形態の半導体装置では、請求項1の半導体装置の放熱板6と接触している部分(6a)の凸壁の高さ(Hb)は、半導体装置の外周側に設置されるための放熱板の厚さ(Ha)以下に形成されることを特徴としている。これによると、半導体装置の搭載場所が自動車のエンジンルーム内の場合、外部からの衝撃などにより放熱板6と固定されているケース電極5が抜けることを防止できる。
【0036】
図8に示す第7実施形態の半導体装置では、図1に示す第1実施形態の半導体装置のケース電極はジルコン銅から形成している。これによると、通常,ジルコン銅の降伏応力値427MPaで純銅の降伏応力値207MPaと2倍以上高いのでケース電極5の外周部5aと放熱板6を圧入方式で機械的に固定する際にケース電極5の変形が半導体チップ3の変形に及ぼす影響を低減することができる。
【0037】
図9第2実施形態の半導体装置を上から見た図を示す。なお、半導体チップ3とケース電極との関係について見れば、第1実施形態に適応することもできる。図9aは図2に示した形態に適応した例であり、リード1aに連絡するリード電極と、周辺部に凸壁部を有するケース電極5aと、リード電極と接合部材2aを介して配置される整流機能を有する半導体チップ3と、半導体チップ3と接合部材2aを介して接合されるリード電極面の端部1cより厚い第一領域1bを形成し、ケース電極5aは、半導体チップ3が配置される領域の第二の領域5dと、第二の領域5dより薄い厚さ5fを持つ第三の領域を形成する。第二の領域の幅5dは円型の半導体チップの幅3aの40%以上100%未満に形成されている。
【0038】
この実施形態は熱抵抗を低減させるために半導体チップ3と接合部材2aを介して金属板6aを設けずにケース電極5aに直接接合しているので第1実施形態の接合部材に発生するひずみより発生ひずみは大きくなるが、接合部材のケース側に生じるクッラクの進展をケース電極の凸の方で防止できるので熱抵抗の低減とともに熱疲労寿命の向上が期待できる。
【0039】
また図4に示すグラフはクラックが進展長さ率[(5d/3a)×100%]と半導体チップ3の最大温度との関係を示している。これによると第二領域の幅5d凸の角でクラック進展が防止できるので第二領域の幅5dは半導体チップの耐熱限界と接合部材の溶融を考えると40%が最下限値であることがわかる。従って、第2実施形態の第二の領域の幅5dを半導体チップの幅3a40%以上100%未満に定量的に形成している。
【0040】
図9bの半導体装置ではリード1aに連絡するリード電極と、周辺部に凸壁部を有するケース電極5aと、リード電極と接合部材2aを介して配置される整流機能を有する半導体チップ3と、半導体チップ3と接合部材2aを介して接合されるリード電極面の端部1cより厚い第一領域1bを形成し、ケース電極5aは、半導体チップ3が配置される領域の第二の領域5dと、第二の領域5dより薄い厚さ5fを持つ第三の領域を形成する。第二の領域の幅5dは四角型の半導体チップの対角方向幅3aの40%以上半導体チップの辺方向幅3a‘の100%未満に形成されている。これは最長幅に基いて規定しても良い。
【0041】
この実施形態は熱抵抗を低減させるために半導体チップ3と接合部材2aを介して金属板6aを設けずにケース電極5aに直接接合しているので第1実施形態の接合部材に発生するひずみより発生ひずみは大きくなるが、接合部材のケース側に生じるクッラクの進展をケース電極の凸の方で防止できるので熱抵抗の低減とともに熱疲労寿命の向上が期待できる。
【0042】
図9cの半導体装置ではリード1aに連絡するリード電極と、周辺部に凸壁部を有するケース電極5aと、リード電極と接合部材2aを介して配置される整流機能を有する半導体チップ3と、半導体チップ3と接合部材2aを介して接合されるリード電極面の端部1cより厚い第一領域1bを形成し、ケース電極5aは、半導体チップ3が配置される領域の第二の領域5dと、第二の領域5dより薄い厚さ5fを持つ第三の領域を形成する。第二の領域の幅5dは六角型の半導体チップの最長方辺向幅3aの40%以上半導体チップの最短辺方向幅3a‘の100%未満に形成されている。この実施形態は熱抵抗を低減させるために半導体チップ3と接合部材2aを介して金属板6aを設けずにケース電極5aに直接接合しているので第1実施形態の接合部材に発生するひずみより発生ひずみは大きくなるが、接合部材のケース側に生じるクッラクの進展をケース電極の凸の方で防止できるので熱抵抗の低減とともに熱疲労寿命の向上が期待できる。
【0043】
また、本発明によれば、接合部材により電気的に接合されたリード電極と半導体チップ、半導体チップと金属板、および金属板とケース電極、部材間の相互の熱変形差から生じる熱疲労によるクラックの進展を防止し熱疲労寿命を向上させると共に、さらに放熱性を考慮した実施形態を形成することで、熱伝達と熱疲労寿命が高い半導体装置を提供できる。
【0044】
【発明の効果】
本発明により、効果的にクラックの進展を防止して信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の第1実施形態を示す半導体装置の要部縦断面図である。
【図2】図2は、本発明の第2実施形態を示す半導体装置の要部縦断面図である。
【図3】図3は、半導体装置において、クラックが進展長さ率と半導体チップに生じる最大温度との関係を示しているグラフ図である。
【図4】図4は、半導体装置において、クラックが進展長さ率と半導体チップに生じる最大温度との関係を示しているグラフ図である。
【図5】図5は、本発明の第1実施形態を示す半導体装置の放熱フィンへの圧入後の縦断面図である。
【図6】図6は、本発明の第2実施形態を示す半導体装置の放熱フィンへの圧入後の縦断面図である。
【図7】図7は、本発明の第3実施形態を示す半導体装置の要部縦断面図である。
【図8】図8は、本発明の第4実施形態を示す半導体装置の要部縦断面図である。
【図9】図9は、本発明の第2実施形態を示す半導体装置を上から見た概要図である。
【符号の説明】
1a…リード電極、1b…リード電極の第一領域の幅、1c…リード電極端部の厚さ、2a、2b、2c、2d…接合部材(部材がはんだ)3…半導体チップ、3a…半導体チップの幅、4…絶縁部材(部材が軟質性ゴム材)、5a…ケース電極、5b…ケース電極の第三領域、5c…ケース電極の外周部(ローレット部)、5d…ケース電極の第二領域の幅、5e…ケース電極の第二領域の厚さ、5f…ケース電極の第三領域の厚さ、6a…金属板、6b…金属板の第四領域の厚さ、6c…金属板端部の厚さ、6d…金属板の幅、6d…金属板の第四領域の幅、7…放熱板、8…絶縁部材(部材が樹脂)、Ha…ケース電極の高さ、Hb…放熱フィンの高さ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
A general automotive alternator has a structure in which a semiconductor chip, which is an element for rectifying the output of the alternator, is sealed with a resin, as described in JP-A-7-161877.
[0003]
Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-212235 discloses that a semiconductor device whose electrical characteristics do not deteriorate over a long period of time even in a severe environment where a thermal shock is repeatedly applied many times is provided between a case electrode and a semiconductor chip. Describes a structure in which a metal plate having a multilayer structure is interposed. Japanese Patent Application Laid-Open No. H4-222939 proposes a structure in which a semiconductor chip portion is sealed with an epoxy-based insulating member. Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-215552 proposes a structure in which an insulating member is filled at a high pressure exceeding atmospheric pressure and molded to generate a residual compressive stress in the insulating member.
[Patent Document 1]
JP-A-7-161877 [Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-221235 [Patent Document 3]
Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-22939 [Patent Document 4]
JP-A-10-215552
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-mentioned known example, a mode for suppressing the generation of a defect such as a crack is studied, but a mode for preventing the progress once the defect is generated is not studied.
[0005]
Since the mounting location of the semiconductor device is in the engine room of the automobile, the effect of high heat and an increase in the calorific value of the generator due to the fluctuation of the electric load on the vehicle side is extremely high. In particular, since automobiles are in a severe environment such as being subjected to repeated cold and heat over a wide temperature range due to a temperature difference between summer and winter, a semiconductor device that is resistant to thermal fatigue is required.
[0006]
When a semiconductor device is repeatedly subjected to thermal shock many times, a strain caused by a difference in linear expansion coefficient of a technology constituting the semiconductor device is applied to a joining member such as solder, and a crack occurs in the joining member. When cracks occur, the cross-sectional area of the joining member, which is the current path, decreases, and the electrical resistance increases, which increases heat generation, reduces the amount of heat dissipated through the joining member, and abnormally increases the temperature of the semiconductor chip. I do. As a result, the rectifying function is lost due to the melting of the joining member and the heat resistance of the semiconductor chip reaching the heat resistance limit, resulting in a failure state.
[0007]
In this way, the structure in which the semiconductor chip is joined to a member having a large linear expansion coefficient by using a joining member such as solder to the semiconductor chip is compared with the structure in which the semiconductor chip is joined by wire bonding. Was added to the joining members such as solder, so that it was very difficult to take countermeasures.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that solves any of the above problems.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
For example, the following modes can be adopted as modes for solving the above-mentioned problems.
(1) A case electrode having a peripheral wall portion, a semiconductor chip having a rectifying function installed on the case electrode via a bonding member, and connected to the semiconductor chip via a bonding member to communicate with a lead. A lead electrode; and a region of the case electrode joined to the joining member has a convex portion, and the convex portion is formed such that an upper end is located inside an outer peripheral end of the semiconductor chip. A semiconductor device.
(2) Cracks are generated and prevented from spreading from the lower end of the lead electrode. For example, a case electrode having a wall in a peripheral portion, a semiconductor chip having a rectifying function installed on the case electrode via a bonding member, and a lead connected to the semiconductor chip via a bonding member and connected to a lead A region of the lead electrode that is joined to the joining member on the side surface of the semiconductor chip, and has a protrusion protruding from the periphery toward the semiconductor chip.
(3) Further, the intermediate plate can be used effectively. For example, a case electrode having a wall in a peripheral portion, a semiconductor chip having a rectifying function installed on the case electrode via a bonding member, and a lead connected to the semiconductor chip via a bonding member and connected to a lead And a region of the case electrode that is joined to the joining member has a convex portion, and a space between the semiconductor chip and the case electrode that is larger than the linear thermal expansion coefficient of the chip. A semiconductor device comprising: an intermediate plate made of a material having a smaller coefficient of linear thermal expansion; and a concave portion for accommodating the convex portion on a surface of the intermediate plate facing the convex portion.
[0010]
According to the embodiment of the present invention, a highly reliable semiconductor device can be provided by effectively preventing cracks from developing. When used as an in-vehicle electronic component, even if there is an increase in the environmental temperature due to an increase in electronic components in recent years, an increase in the number of components can be suppressed, and the life can be increased with a simple configuration. Further, according to the present invention, it is possible to suppress a displacement of an assembling position in manufacturing and efficiently manufacture a high-performance product.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention relates to a semiconductor device that converts an AC output of an AC generator into a DC output.
[0012]
In the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. 1, a
[0013]
Usually, the
[0014]
Further, in this embodiment, the
[0015]
Alternatively, the joining member may be formed on the upper surface and the side wall surface of the protrusion. In addition, the diameter of the protrusion is smaller than the diameter of the pellet as described above.
[0016]
The
[0017]
Alternatively, it is characterized in that it has a structure for preventing crack generation and propagation from the lower end of the lead electrode. As a characteristic point, a region of the
[0018]
Alternatively, a point having a first region disposed at a first distance from the
[0019]
Thereby, since a plurality of convex portions are formed in a region in contact with the joining member, stress concentration can be suppressed, and the development of cracks can be suppressed.
[0020]
Another feature is that the
[0021]
Thus, when joining the intermediate plate to the case electrode, as in the case where the lead electrode and the intermediate plate are joined to the case electrode after joining, the position shift between the two can be suppressed, thereby suppressing the positional variation. . As a result, variation in life can be suppressed.
[0022]
In the semiconductor device of the first embodiment shown in FIG. 1, the improvement of the fatigue life can be similarly expected when the metal plate is a metal plate having a three-layer structure of copper / invar (an alloy of 35% Ni—Fe) / copper. In the case of a three-layer structure of copper / invar / copper, processing is easy. As described above, by setting the difference between the linear expansion coefficients of the semiconductor chip and the case electrode to an intermediate value between the linear expansion coefficients of the two members capable of covering, it is effective in reducing the strain and is easy to process to form a concave shape. Therefore, the manufacturing process can be made more efficient.
[0023]
Further, when the metal plate is made of copper molybdenum, the thermal conductivity is good and the fatigue life can be expected to be improved while the thermal resistance is reduced.
[0024]
As shown in FIG. 1, it is preferable that the region where the
[0025]
As shown in FIG. 1, the
[0026]
The graph shown in FIG. 3 shows the relationship between the crack growth length ratio [(5d / 6d) × 100%] and the maximum temperature of the
[0027]
As shown in FIG. 1, in the semiconductor device of the first embodiment, the
[0028]
FIG. 1 In the semiconductor device of the first embodiment, a region surrounded by the convex wall of the
[0029]
FIG. 1 The case electrode of the semiconductor device of the first embodiment is formed of zircon copper. According to this, usually, the yield stress value of zircon copper is 427 MPa and the yield stress value of pure copper is 207 MPa, which is twice or more higher. Therefore, when the outer
[0030]
FIG. 2 shows a semiconductor device according to the second embodiment. Basically, it can take the same form as that described in the first embodiment. The second embodiment is characterized in that the case electrode and the semiconductor chip are adjacent to each other via a bonding member. More specifically, a lead electrode connected to the
[0031]
Also, the graph shown in FIG. 4 shows the relationship between the crack growth length ratio [(5d / 3a) × 100%] and the maximum temperature of the
[0032]
2 As in the first embodiment, the semiconductor device of the second embodiment is filled with an insulating member in a region surrounded by the convex wall of the case electrode, the case electrode is formed of copper containing zircon, and the insulating member is formed of a soft rubber. It is formed of a material. Thereby, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0033]
FIG. 5 and FIG. 6 show the configurations after the semiconductor devices of the first and second embodiments have been press-fitted into the radiation fins. The height (Hb) of the convex wall of the
[0034]
In the semiconductor devices of the third and fourth embodiments shown in FIGS. 7 and 8, a case is used when fixing the semiconductor devices of the first and second embodiments shown in FIGS. The
[0035]
In the semiconductor device of the sixth embodiment shown in FIG. 7, the height (Hb) of the convex wall of the portion (6a) in contact with the heat sink 6 of the semiconductor device of
[0036]
In the semiconductor device of the seventh embodiment shown in FIG. 8, the case electrode of the semiconductor device of the first embodiment shown in FIG. 1 is formed of zircon copper. According to this, usually, the yield stress value of zircon copper is 427 MPa and the yield stress value of pure copper is 207 MPa or more, which is twice or more higher. The effect of the deformation of the
[0037]
9 shows a view of the semiconductor device of the second embodiment as viewed from above. Note that the relationship between the
[0038]
In this embodiment, the
[0039]
Also, the graph shown in FIG. 4 shows the relationship between the crack growth length ratio [(5d / 3a) × 100%] and the maximum temperature of the
[0040]
In the semiconductor device shown in FIG. 9B, a lead electrode connected to the
[0041]
In this embodiment, the
[0042]
In the semiconductor device shown in FIG. 9C, a lead electrode connected to the
[0043]
According to the present invention, the lead electrode and the semiconductor chip, the semiconductor chip and the metal plate, and the metal plate and the case electrode, which are electrically joined by the joining member, cracks due to thermal fatigue caused by a mutual thermal deformation difference between the members. In addition to preventing the development of the semiconductor device and improving the thermal fatigue life, a semiconductor device having high heat transfer and high thermal fatigue life can be provided by forming an embodiment in which heat dissipation is taken into consideration.
[0044]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a highly reliable semiconductor device by effectively preventing cracks from developing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a vertical sectional view of a main part of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a main part of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a growth rate of a crack and a maximum temperature generated in a semiconductor chip in a semiconductor device.
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a growth rate of a crack and a maximum temperature generated in a semiconductor chip in a semiconductor device.
FIG. 5 is a vertical cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention after being press-fitted into radiation fins.
FIG. 6 is a vertical cross-sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention after being press-fitted into radiation fins.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view of a main part of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of a main part of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention as viewed from above.
[Explanation of symbols]
1a: Lead electrode, 1b: Width of first region of lead electrode, 1c: Thickness of end of lead electrode, 2a, 2b, 2c, 2d: Joining member (member is solder) 3: Semiconductor chip, 3a: Semiconductor chip Width: 4 ... Insulating member (member is soft rubber material), 5a: Case electrode, 5b: Third region of case electrode, 5c: Outer peripheral portion (knurl portion) of case electrode, 5d: Second region of
Claims (9)
前記ケース電極に接合部材を介して設置される整流機能を有する半導体チップと、
前記半導体チップに接合部材を介して接続され、リードに連絡するリード電極と、を有し、
前記ケース電極の前記接合部材に接合される領域は凸部を有し、
前記凸部は前記半導体チップの外周端よりも内側に上端端部が位置するよう形成されることを特徴とする半導体装置。A case electrode having a wall in the periphery,
A semiconductor chip having a rectifying function installed on the case electrode via a bonding member,
A lead electrode connected to the semiconductor chip via a bonding member, and connected to a lead,
The region of the case electrode joined to the joining member has a convex portion,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the convex portion is formed such that an upper end is located inside an outer peripheral end of the semiconductor chip.
前記ケース電極に接合部材を介して設置される整流機能を有する半導体チップと、
前記半導体チップに接続され、リードに連絡するリード電極と、を有し、
前記凸部の上部面及び側壁面に前記接合部材が配置されるよう形成されることを特徴とする半導体装置。A case electrode having a wall in the periphery,
A semiconductor chip having a rectifying function installed on the case electrode via a bonding member,
A lead electrode connected to the semiconductor chip and connected to a lead,
A semiconductor device, wherein the bonding member is formed on an upper surface and a side wall surface of the protrusion.
前記ケース電極に接合部材を介して設置される整流機能を有する半導体チップと、
前記半導体チップに接合部材を介して接続され、リードに連絡するリード電極と、を有し、
前記リード電極の前記半導体チップ側面における前記接合部材に接合される領域は、周囲より前記半導体チップ側に突出した凸部を有することを特徴とする半導体装置。A case electrode having a wall in the periphery,
A semiconductor chip having a rectifying function installed on the case electrode via a bonding member,
A lead electrode connected to the semiconductor chip via a bonding member, and connected to a lead,
A semiconductor device, wherein a region of the lead electrode joined to the joining member on a side surface of the semiconductor chip has a protrusion protruding from the periphery toward the semiconductor chip.
前記ケース電極に接合部材を介して設置される整流機能を有する半導体チップと、
前記半導体チップに接合部材を介して接続され、リードに連絡するリード電極と、を有し、
前記ケース電極の前記接合部材に接合される領域は凸部を有し、
前記半導体チップと前記ケース電極との間には、前記チップの熱線膨張係数より大きく前記ケース電極の熱線膨張係数より小さい材料から構成された中間板を備え、
前記中間板の前記凸部に対向する面には前記凸部を収容する凹部を備えることを特徴とする半導体装置。A case electrode having a wall in the periphery,
A semiconductor chip having a rectifying function installed on the case electrode via a bonding member,
A lead electrode connected to the semiconductor chip via a bonding member, and connected to a lead,
The region of the case electrode joined to the joining member has a convex portion,
Between the semiconductor chip and the case electrode, an intermediate plate made of a material larger than the coefficient of linear thermal expansion of the chip and smaller than the coefficient of linear thermal expansion of the case electrode,
The semiconductor device according to claim 1, further comprising a concave portion for accommodating the convex portion on a surface of the intermediate plate facing the convex portion.
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