JP2006253429A

JP2006253429A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2006253429A
Application number: JP2005068315A
Authority: JP
Inventors: Shinji Hiramitsu; 真二平光; Koji Sasaki; 康二佐々木; Tadaaki Kariya; 忠昭苅谷; Satoshi Matsuyoshi; 松吉　　聡
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2006-09-21

Abstract

【課題】リード電極体への引張応力を緩和し、接合部材の劣化による半導体装置の熱疲労寿命の低下を防止する半導体装置を提供する。
【解決手段】ケース電極体３が実装用放熱板に接続され、リード電極体５のリード部５ｃが実装用端子８に接続された半導体装置において、使用時の熱変形によってリードに発生する引張変形に対して、半導体の接合部２，４が劣化しない程度まで接合部材の引張応力緩和できるよう、リード電極体のベンド部５ｂの剛性を低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は交流を直流に変換することを目的とする車載用半導体装置にかかり、特に、熱疲労寿命の低下を防止した半導体装置に関するものである。

本装置は、自動車の交流発電機に搭載され、交流出力を直流出力に変換する整流機能を有した車載用半導体装置である。図8に、従来の半導体装置の実装状態を示す。図において、1は半導体チップ、2は半導体チップ1とケース電極体3とを接合する接合部材、3はケース電極体、4は半導体チップ１とリード電極体5を接合する接合部材、5はリード電極体、6は半導体チップ1の表面を絶縁する軟質性ゴム材である。7はケース電極体3と接続する実装用放熱板、8はリード電極体5と接続する実装用端子、9は端子8を支持し、放熱板7に固定されたPPS（:Poly Phenylene Sulfide）製の端子台である。前リード電極体5は組付性向上および半導体チップと接合部材への機械的応力緩和のために、ヘッダ部5aから上方に伸びるリード部5cの途中にU字型のベンド部5bを有している。

本半導体装置は、内蔵された半導体チップ1が通電により発熱する上、自動車のエンジンルームに搭載されるため、車両に搭載された他の電装品での発熱の影響を極めて受けやすい。さらに自動車自体が真夏の温度差等広範な温度範囲に及ぶ昇降温の繰返しを受ける厳しい環境下で使用される。このような熱衝撃を繰返し受けると、本半導体装置を構成する部材の線膨張係数差に起因するひずみが接合部材2、4に加わり、この接合部材2、4にクラックが発生する恐れがある。このクラックが進展すると、通電経路である接合部材2、4の面積が減少し、電気抵抗が増大することで発熱量が増加するとともに、接合部材2、4を通した放熱量も低下し、半導体チップ1の温度が異常に上昇する。その結果、接合部材2、4の溶融や半導体チップ1が耐熱限界に達し、整流機能が消失し、故障状態になることがある。

本発明者らは、本半導体装置が実装状態で接合面への垂直方向の引張応力がリード電極体5のリード部5cに負荷されることにより、リード電極体5のヘッダ部5aが変形し、さらにリード電極体5のヘッダ部5bに接合されている接合部材2、4が劣化し、そのクラック発生寿命およびクラックの進展速度に影響していることを解明した。さらに前記端子台9の材料として線膨張係数（0〜200℃における平均値）が31.7×10^-6/℃であるPPSに代えて線膨張係数（0〜200℃における平均値）が94.7×10^-6/℃であるPBT（:Poly Butylene Terephthalate）を採用し、本半導体装置を実装し使用すると、線膨張係数の変化に伴い、端子台9の熱膨張によるリード電極体5のリード部5cへの引張量が増加する。このとき、前記従来技術ではリード電極体5のベンド部5bの剛性が30N/μm以上であったため、接合部材に垂直方向の引張応力が十分に緩和されず、接合部材の熱疲労寿命が低下することを見出した。これを受け、本半導体装置においては、実装状態でリード電極体5に引張方向の変形が発生したとしても、接合部材が劣化しない程度まで引張応力を緩和できる構造が望ましいことが明らかとなった。

本発明は、上記課題を解決するために次のような手段を採用した。

ケース電極体3が実装用放熱板7に接続され、リード電極体5のリード部5cが実装用端子8に接続された半導体装置において、使用時の熱変形によってリードに発生する引張変形に対して、半導体装置の接合部材2、4が劣化しない程度まで接合部材の引張応力緩和できるよう、リード電極体5のベンド部5bの剛性を25N/μm以下に低下させる。

本発明によれば、リード電極5のベンド部5bの剛性を25N/μm以下に低下させ、接合部材2、4への引張応力の十分な緩和を図ることで、半導体装置における接合部材2、4の熱疲労寿命の低下を防止させた半導体装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。まず、リード電極体5のベンド部5bの剛性が0.25N/μm以下とすることの効果について示す。図6は、本半導体装置を実装時の使用状態、つまり本半導体装置を一様に加熱（温度振幅=120℃）すると共に、端子台9の熱膨張による引張りをリード電極体5のリード部5c先端へ与えた場合の熱伝導解析の結果であり、端子台9にPPSとPBTをそれぞれ用いた場合のリード電極体5のベンド部5bの剛性と接合部材2の引張応力の関係を説明する図である。リード電極体5のベンド部5bの剛性が0.3N/μm以上になると、端子台がPPSの場合は大きな変化は無いが、PBTの場合は接合部材2への引張応力が3倍程度に増大することが確認できる。これにより、接合部材2の劣化が急速に進み、寿命が低下する。図7は、図6におけるリード電極体5のベンド部5bの剛性が0.3N/μmの結果と実際の寿命試験結果から算出したもので、端子台9にPPSとPBTをそれぞれ用いた場合の、リード電極体5のベンド部5bの剛性と本半導体装置の熱疲労寿命の関係を説明する図である。図6、7よりリード電極体5のベンド部5bの剛性が0.25N/μm以下であれば寿命が低下しないことが確認できる。また、図9は、図8と異なる従来の構造で、本発明の適用により、熱疲労寿命低下防止の効果が得られる構造を示す図である。図において、1はSiの半導体チップ、2はCIC製の応力緩衝板10とCu製のケース電極体3とを接合するPb-Sn系高温はんだ、3はケース電極体、4は半導体チップ１とCu製のリード電極体5を接合するPb-Sn系高温はんだ、5はリード電極体、6は半導体チップ1の表面を絶縁するシリコーンゴム、10は応力緩衝板、11は応力緩衝板10と半導体チップ1とを接合するPb-Sn系高温はんだである。7はケース電極体3と接続するAl製の実装用放熱板、8はリード電極体5と接続するFe製の実装用端子、9は端子8を支持し、放熱板7に固定されたPPS（:Poly Phenylene Sulfide）製の端子台である。

本発明の第1の実施形態を、図1を用いて説明する。図1は、ヘッダ部5aと前記ヘッダ部5aよりも径が小さい棒状のリード部5c及び前記ヘッダ部5aと前記リード部5cとの間を連結するベンド部5bで構成されたCu製のリード電極体5と、凹部を有するCu製のケース電極体3と、前記リード電極体5と前記ケース電極体3との間に接合部材としてのPb-Sn系高温はんだ2、4を介して配置されるSiの半導体チップ1と、を有する半導体装置において、リード電極体5のベンド部5bをU字型とし、ベンド部5bのベンド深さL₅を調節することでリード電極体5のベンド部5bの引張剛性を25N/μm以下とした構造の例を示したものである。リード電極体の5のベンド部5bは、リード電極体5のリード部5cをプレス加工により圧延して成形されるため、ベンド深さL₅はプレス加工時の金型形状の変更によって変更できる。図2には、本発明の第1実施形態におけるリード電極体5のベンド部5bのベンド深さL₅とリード電極体5のベンド部5bの剛性の関係を示す。従来技術では、ベンド深さL₅=1.0mmでベンド部5bの剛性=0.3N/μmであったのに対し、ベンド部5bの剛性=0.25N/μmを達成するには、ベンド深さL₅=1.2mm以上が必要となる。

本発明の第2の実施形態を、図3を用いて説明する。図3で示す構造は、図1の構造とはリード電極体5のベンド部5bの形状のみ異なり、リード電極体5のベンド部5bにおいて2つ以上のベンドを有することで、リード電極体5のベンド部5bの引張剛性が25N/μm以下とした構造の例を示したものである。リード電極体の5のベンド部5bは、リード電極体5のリード部5cをプレス加工により圧延して成形されるため、ベンド部5bのベンドの数および形状はプレス加工時の金型形状によって決定される。図4には、発明の第2実施形態におけるリード電極体5が有するベンド部5bの数とリード電極体5のベンド部5bの剛性の関係を示す。

本発明の第3の実施形態を、図5を用いて説明する。図5は、リード電極体5のリードヘッダ部5aの厚さを調節することで、リード電極体5への引張応力によるリードヘッダ5aの変形を抑制する構造の例を示したものである。本形態のみでは寿命低下抑制効果は十分には得られないが、接合材への負荷を一部低減可能である。

本発明は、車載用半導体装置に利用できる。

図1は、本発明の第1実施形態を示す半導体装置の断面図である。図2は、本発明の第1実施形態におけるリード電極体5のベンド部5bのベンド深さL₅とリード電極体5のベンド部5bの剛性の関係を説明する図である。図3は、本発明の第2実施形態を示す半導体装置の縦断面図である。図4は、発明の第2実施形態におけるリード電極体5が有するベンド部5bの数とリード電極体5のベンド部5bの剛性の関係を説明する図である。図5は、本発明の第4実施形態を示す半導体装置の断面図である。図6は、本発明の作用効果を説明する図であり、端子台9にPPSとPBTをそれぞれ用いた場合の、リード電極体5のベンド部5bの剛性と接合部材の引張応力の関係を説明する図である。図7は、本発明の作用効果を説明する図であり、端子台9にPPSとPBTをそれぞれ用いた場合の、リード電極体5のベンド部5bの剛性と本半導体装置の熱疲労寿命の関係を説明する図である。図8は、従来の半導体装置の実装状態を示す図である。図9は、図8と構造の異なる従来の半導体装置の実装状態を示す図である。

符号の説明

1…半導体チップ（Si）、2…接合部材（Pb-Sn系高温はんだ）、3…ケース電極体（Cu）、4…接合部材（Pb-Sn系高温はんだ）、5…リード電極体（Cu）、5a…ヘッダ部、5b…ベンド部、5c…リード部、6…絶縁部材（シリコーンゴム）、7…実装用放熱板（Al）、8…実装用端子（Fe）、9…端子台（PPS/PBT）、10…応力緩衝板（CIC）、11…接合部材（Pb-Sn系高温はんだ）

Claims

ヘッダ部と前記ヘッダ部よりも径が小さい棒状のリード部及び前記ヘッダ部と前記リード部との間を連結するベンド部で構成されたリード電極体と、凹部を有するケース電極体と、前記リード電極体と前記ケース電極体との間に接合部材を介して配置される半導体チップと、を有する半導体装置において、前記リード電極体のベンド部の引張剛性が25N/μm以下であることを特徴とする半導体装置。