JP2005166962A

JP2005166962A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2005166962A
Application number: JP2003403926A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Nakajima; 力中島; Satoshi Matsuyoshi; 聡松吉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】
放熱板へ圧入する際に半導体チップに加わる圧縮応力を低減させた半導体装置を提供すること。
【解決手段】
本発明の半導体装置は、支持電極体の凹部に半導体チップを熱膨張緩和電極体を介して接合部材で接合支持し、この支持電極体が、底面部と底面の中心を通る中心軸に軸対称な側面部とを有し、さらに、支持電極側面部を周回する溝部を備え、圧入時の半導体チップに加わる圧縮応力を低減させて、半導体チップの特性低下を回避した。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置にかかり、特に、半導体装置を放熱板に圧入する際に半導体チップに加わる圧縮応力を低減した半導体装置に関する。

図２は、従来技術の半導体装置の説明図である。図２（ａ）は断面図、図２（ｂ）は外観説明図である。図２（ａ）と、図２（ｂ）において、符号１は半導体チップ、３は支持電極体、５は熱膨張緩和電極体、７はリード電極体、８は半導体チップ１の表面を絶縁するシリコーンゴム、９は放熱板、２は半導体チップ１とリード電極体７を接合する接合部材、４は半導体チップ１と熱膨張緩和電極体５とを接合する接合部材、６は熱膨張緩和電極体５と支持電極体３とを接合する接合部材である。

支持電極体３は側面部がローレット加工されていて、放熱板９に圧入して接続する。圧入する場合は、放熱板にアルミニウムや銅を用い、特に、銅製の放熱板９に圧入する場合は、支持電極体３をジルコニウム入りの銅とし、半導体チップに加わる圧縮応力を低減している。このような半導体装置が特許文献１に記載されている。

特開２００２−２６１２１０号公報（（０００９）段落から（００１４）段落の記載と、図１。）

図３（ａ）から図３（ｃ）に、従来技術の半導体装置を放熱板９に圧入する過程を示す。図３に示すように、ジルコニウム入り銅の支持電極体３をアルミニウム製や銅製の放熱板９に圧入していくと、半導体チップに圧縮応力が加わる。

図３（ａ）の圧入開始から図３（ｂ）圧入過程付近まで、放熱板９から受ける圧縮を支持電極体３はその変形で吸収しているので、半導体チップ１に加わる圧縮応力も増加する。その後、図３（ｂ）に示す圧入過程を経過すると、支持電極体３の底面部分でも放熱板９から受ける圧縮を吸収するために、半導体チップ１に加わる圧縮応力が低減していく。

ここで、図３（ｂ）に示す支持電極体３の熱膨張緩和電極体５接合面と放熱板９の仮面とが概略一致する圧入過程では、最大の圧縮応力が発生し、支持電極体３の端部から内側に変形が生じ、また、接合部材６を介して熱膨張緩和電極体５も内側に変形する。この熱膨張緩和電極体５の変形により、半導体チップ１に働く圧縮応力が過大になると、半導体チップ１が破損し、半導体装置の逆方向漏れ電流が増加し特性が低下する恐れがある。

本発明の目的は、圧入時の半導体チップに加わる圧縮応力を低減させた半導体装置を提供することである。

本発明の半導体装置は、支持電極体の凹部に半導体チップを熱膨張緩和電極体を介して接合部材で接合支持し、この支持電極体が、底面部と底面の中心を通る中心軸に軸対称な側面部とを有し、さらに支持電極側面部を周回する溝部を備え、圧入時の半導体チップに加わる圧縮応力を低減させた。

本発明の半導体装置では、支持電極体３を放熱板９へ圧入する時の半導体チップ１に加わる圧縮応力を低減し、半導体チップ１の破損や特性低下を回避した。

以下、本発明の詳細を図面を参照しながら説明する。

本実施例を、図１を用いて説明する。図１（ａ）は本実施例の半導体装置の断面説明図であり、前記図３と同じ符号は同じ構成要素を示す。本実施例では、支持電極体３が放熱板９に接する側面に溝部１０を設け、圧入時の半導体チップ１に加わる圧縮応力を低減させた。図１（ｂ）は溝部１０の詳細な説明図である。以下、半導体チップ１が整流ダイオードチップの場合を例に説明する。

本実施例の、支持電極体３はジルコニウム（Ｚｒ）を含む銅合金(ジルコニウム０.１〜０.２ｗｔ％含有）であって、アルミニウム製あるい銅製の放熱板９より硬い材質である。また、接合部材２、４、６には、融点３００℃程度のＰｂ−Ｓｎ系高温半田、あるいは他の組成（例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ａｕ−Ｓｎ系）の高温半田、あるいは導電性樹脂などを用いることができる。

半導体チップ１と支持電極体３の間に挿入する熱膨張緩和電極体５は、圧入時の半導体チップ１に加わる圧縮応力も低減するとともに、本実施例の半導体装置を電源装置に搭載した際の熱疲労寿命耐量も向上する。

本実施例では、支持電極体３が半導体チップ１を搭載する凹部を有する円筒形であって、放熱板９に接する側の円筒の側面がローレット加工されていて、さらに側面を１周する溝部１０を備えている。なお、支持電極体３の形状は図１に示す円筒形に限らず、円錐台であっても良く、点対称な形状の底面と、底面の中心を通る中心軸に軸対称な側面部とを備えた形状であれば良い。また、溝部１０は、圧入時に半導体チップに加わる応力が最大になる位置に配置することが望ましい。

本実施例では、直径１２.７５mm、高さ３.８５mmの円筒形の支持電極体３の上面から１.５mm の位置に、幅０.５mm、深さ０.５mmの溝部１０を支持電極体３の側面を１周するように形成した。すなわち、図１（ｂ）において、Ｈ＝３.８５mm、Ｍ＝１.５mm、Ｗ＝０.５mm、Ｄ＝０.５mmとしたものである。図１（ｂ）に示すように、本実施例では、支持電極体３が、接合部材４を介して熱膨張緩和電極体５と接合している面の深さＬは、上記上面からの距離Ｍより深く、Ｍと溝部の幅Ｗとを合計した距離より浅い場所に位置している。

本実施例の半導体装置の半導体チップ１に加わる圧縮応力を、図４に示す位置にひずみゲージを配置して測定した。図４に示すように、支持電極体３は、ジルコニウム入り銅を採用し、ジルコニウム入り銅の支持電極体３をアルミニウム製の放熱板９に圧入する。この時、半導体チップ１の上にひずみゲージを貼付けるため、半導体チップ１の上のリード電極体７、接合部材２およびシリコーンゴム８は配置せずに測定した。

図１に示す、直径１２.７５mm、高さ３.８５mm（Ｈ＝３.８５mm ）の円筒形の支持電極体３で、上面から１.５mm（Ｌ＝１.５mm）の位置に、幅０.５mm（Ｗ＝０.５mm）、深さ０.５mm（Ｄ＝０.５mm）の溝部１０を支持電極体３の側面を１周するように形成した本実施例の半導体装置と、支持電極体３の直径や高さが同じ寸法で、溝部１０がない点だけが異なる比較例の半導体装置とで半導体チップ１に加わる圧縮応力と最大圧入荷重との測定結果である。

測定はそれぞれ４個の試料を前記図３に示す工程でアルミニウム製の放熱板９に圧入した。その際の半導体チップ１に加わる応力の最大値、平均値、最小値を図５に、最大圧入荷重の最大値、平均値、最小値を図６に示す。図５に示すように、溝部１０を備えた本実施例の半導体装置では、比較例に比べて、最大圧縮応力の平均値が約２％低下し、最大値は８％低減している。

図６は、半導体装置を圧入する際の、支持電極体３に加わる最大荷重の平均値を示す。図６に示すように、本実施例の半導体装置では、比較例の半導体装置の約４割の軽い力で、放熱板９に容易に圧入できる。

本実施例の半導体装置は、支持電極体３の側面を周回する溝部１０を形成してあるので、放熱板９へ圧入する際に支持電極体３に内蔵する半導体チップ１に加わる力を小さくできる。

ここで、溝部１０の幅Ｗは支持電極体３の高さＨの５％〜２５％、好ましくは８％〜２０％であればよい。溝部１０の幅Ｗが２５％より大きいと半導体チップ１に加わる応力を弱くすることができても、放熱板９との接触面積が減り熱抵抗が大きくなって、半導体チップ１の放熱が不十分になるために好ましくない。また、溝部１０の幅Ｗが５％未満では、半導体チップ１に加わる応力が緩和できない。

本実施例では、溝部１０は幅Ｗと深さＤとが等しい正方形の切欠き形状であるが、溝部１０の深さＤは溝部１０の幅Ｗの０.２倍〜２倍、好ましくは、０.３倍〜１.８倍であればよい。溝部１０の深さＤが０.２倍未満では、半導体チップ１に加わる応力の緩和が不十分であり、１.８倍より大きいと支持電極体３の側面が放熱板９への圧入に耐えられない場合が生じる。

本実施例では、１本の溝部１０を支持電極体３の側面配置する場合を説明したが、複数本の溝部を配置しても良い。複数本の溝部を配置する場合、少なくとも１本の溝部が図１のＬと同じかＬより下に配置されていればよい。複数の溝部の幅の合計した値ＷＷが、上記の１本の場合の幅Ｗと同じ理由で、支持電極体３の高さＨの５％〜２５％、好ましくは８％〜２０％であればよい。また、複数本の溝部の中で、最も深い溝部の深さＤＤは、上記の１本の場合の深さＤと同じ理由で、その溝部の幅ＷＶの０.２倍〜２倍、好ましくは、０.３倍〜１.８倍であればよい。

本実施例を図７に示す。本実施例では、溝部１０の形状が異なる他は実施例１と同じである。本実施例の溝部は、幅Ｗ、深さＤの断面３角形の切欠き形状である。本実施例では、断面の３角形が直角３角形、２等辺３角形、正３角形の何れであっても良い。

本実施例でも、実施例１と同様に、溝部１０の幅Ｗは支持電極体３の高さＨの５％〜２５％、好ましくは８％〜２０％であればよい。溝部１０の幅Ｗが２５％より大きいと半導体チップ１に加わる応力を弱くすることができても、放熱板９との接触面積が減り熱抵抗が大きくなって、半導体チップ１の放熱が不十分になるために好ましくない。また、溝部１０の幅Ｗが５％未満では、半導体チップ１に加わる応力が緩和できない。

また、溝部１０の深さＤは溝部１０の幅Ｗの０.２倍〜２倍、好ましくは、０.３倍〜１.８倍であればよい。溝部１０の深さＤが０.２倍未満では、半導体チップ１に加わる応力の緩和が不十分であり、１.８倍より大きいと支持電極体３の側面が放熱板９への圧入に耐えられない場合が生じる。

本実施例の溝部は図７に示した長さＬが、Ｍより長く、ＭとＷの和より短くなるように配置されていればよい。なお、本実施例でも実施例１と同様に複数本の溝部を配置しても良い。

本実施例を図８に示す。本実施例では、溝部の形状が異なる他は実施例１、実施例２と同じである。本実施例では溝部の断面形状が円弧あるいは楕円弧と直線部とを組合わせたＵ字形状あるいは、直線部がない円弧あるいは楕円弧からなる形状である。

また、溝部１０の深さＤは溝部１０の幅Ｗの０.２倍〜２倍、好ましくは、０.３倍〜
１.８倍であればよい。溝部１０の深さＤが０.２倍未満では、半導体チップ１に加わる応力の緩和が不十分であり、１.８倍より大きいと支持電極体３の側面が放熱板９への圧入に耐えられない場合が生じる。

本実施例の溝部は図８に示したＬが、Ｍより下で、ＭとＷの和より上に位置するように配置されていればよい。なお、本実施例でも実施例１と同様に複数本の溝部を配置しても良い。

実施例１の半導体装置の（ａ）断面説明図と（ｂ）溝部の断面拡大説明図である。従来技術の半導体装置の（ａ）断面説明図と（ｂ）外観の説明図である。従来技術の半導体装置を放熱板に圧入する過程の説明図である。実施例１の半導体装置の応力の測定方法の説明図である。実施例１の半導体装置チップに加わるの圧縮応力の測定結果である。実施例１の半導体装置チップに加えるの圧入荷重の測定結果である。実施例２の半導体装置の溝部の断面拡大説明図である。実施例３の半導体装置の溝部の断面拡大説明図である。

符号の説明

１…半導体チップ、２，４，６…接合部材、３…支持電極体、５…熱膨張緩和電極体、７…リード電極体、８…シリコーンゴム、９…放熱板、１０…溝部。

Claims

支持電極体の凹部に半導体チップを熱膨張緩和電極体を介して接合部材で接合支持した半導体装置において、
該支持電極体が、底面部と底面の中心を通る中心軸に軸対称な側面部とを備えていて、該支持電極側面部を周回する溝部を備えていることを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置において、
前記支持電極体が半導体チップを搭載する凹部を備えた円筒形であって、前記溝部の幅が、前記支持電極の高さの５％〜２５％であることを特徴とする半導体装置。
請求項２に記載の半導体装置において、
前記支持電極体の側面に形成した溝部の深さが、前記溝部の幅の０.２倍〜２倍であることを特徴とする半導体装置。
請求項１から請求項３の何れかに記載の半導体装置において、前記半導体チップが整流ダイオードであることを特徴とする半導体装置。
請求項１から請求項４の何れかに記載の半導体装置において、前記支持電極体がジルコニウムを含む銅合金であることを特徴とする半導体装置。