JP2007042900A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 信頼性、耐久性を向上させることができる半導体装置を提供すること。
【解決手段】 半導体装置としての整流素子５５は、ディスク部５００、半田５１１、緩衝板５１６、半田５１２、半導体チップ５１０、半田５１３、リード５２０、封止材５２２を含んで構成されている。ディスク部５００は、一方の端部に凹部５０４が形成された円筒形状を有し、凹部５０４の底面としての接合面５０６と側壁５０８とのなす角度が９０度よりも大きく設定されて側壁５０８が傾斜している。
【選択図】 図３

Description

本発明は、乗用車やトラックに搭載される車両用交流発電機の整流装置等に用いられる半導体装置に関する。

車両用交流発電機は、エンジンから伝えられた動力によって発電を行い、バッテリへの充電を行うとともに、エンジンの点火、照明その他の各種電装品への電源供給を行うものであり、市場競争力の維持あるいは向上のために、小型軽量化、高出力化、コストダウンとともに耐久性の向上は重要な課題である。例えば、整流装置に含まれる整流素子には大電流が流れるため、半導体チップの発熱分を放熱するために、半導体装置を冷却フィンに圧入する構造が採用されている（例えば、特許文献１参照。）。この半導体装置は、ローレットが形成されたディスク部の外径が丸形状であり、内径側の壁面がディスク部の底面に対して垂直に形成されており、半導体チップを半田付けした後にシリコンゴムや樹脂の封止材で封止した構造を有している。
特開２００２−１１９０２９号公報（第３−４頁、図１−６）

ところで、特許文献１に開示された半導体装置が備わった車両用交流発電は、回転軸が地面に対して平行になるように車両に搭載されることが多い。この場合の半導体装置は、ディスク部の底面が地面に対して垂直な向きとなるため、ディスク部の内径側の壁面が底面に対して垂直になるということはこの壁面が地面に平行になるということである。このため、塩水などの浸食により、ディスク部と封止材とが乖離した場合に、塩水などが半導体装置内部に浸入して半導体チップまで到達し、半導体チップがショートして、半導体装置の信頼性、耐久性が低下するおそれがあるという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、信頼性、耐久性を向上させることができる半導体装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップが底面に半田付けされる凹部を有し、凹部の側壁と底面とのなす角度が９０度よりも大きく設定されているディスク部とを備えている。特に、上述した凹部の底面が地面に対して垂直となる動作環境で使用されることが望ましい。

凹部の側壁を底部と垂直に形成するのではなく傾斜を持たせているため、凹部の内部に塩水等が浸入した場合であっても速やかに排水することが可能になり、半導体チップのショート故障を防止して半導体装置の信頼性、耐久性を向上させることができる。

また、上述した凹部に充填されて半導体チップを保護する封止材をさらに備えることが望ましい。これにより、封止材が凹部に密着している場合には封止材によって半導体チップへ塩水等が浸入することを防ぐことができ、また、封止材が凹部の側壁から乖離した場合であっても乖離した隙間に浸入した塩水等が側壁を伝わって外部に排出されるため、塩水等が半導体チップに至ることを防止することができる。

また、上述したディスク部は、凹部の底面であって半田付けされる半導体チップの外周に溝あるいは凸部を有することが望ましい。これにより、側壁を伝わって半導体チップに浸入しようとする塩水等を溝あるいは凸部で遮断することができるため、塩水等が半導体チップに至ることをさらに防止することができる。

以下、本発明の半導体装置を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。図１に示す車両用交流発電機１は、固定子２、回転子３、ブラシ装置４、整流装置５、フレーム６、リヤカバー７、プーリ８等を含んで構成されている。

固定子２は、固定子鉄心２１と、この固定子鉄心２１に形成された複数個のスロットに所定の間隔で巻き回された三相の固定子巻線２３とを備えている。回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した界磁巻線３１を、それぞれが６個の爪部を有するポールコア３２によって、回転軸３３を通して両側から挟み込んだ構造を有している。また、フロント側のポールコア３２の端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すために軸流式の冷却ファン３４が溶接等によって取り付けられている。同様に、リヤ側のポールコア３２の端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すために遠心式の冷却ファン３５が溶接等によって取り付けられている。

ブラシ装置４は、整流装置５から回転子３の界磁巻線に３１に励磁電流を流すためのものであり、回転子３の回転軸３３に形成されたスリップリング３６、３７のそれぞれに押圧するブラシ４１、４２を有する。

整流装置５は、三相の固定子巻線２３の出力電圧である三相交流電圧を整流して直流の出力電力を得るためのものであり、配線用電極を内部に含む端子台５１と、所定の間隔で配置された半導体装置としての正極側放熱板５２および負極側放熱板５３と、それぞれの放熱板に設けられた打ち込み孔に圧入することにより取り付けられた複数個の半導体装置としての整流素子５４、５５（後述する）とを含んで構成されている。

フレーム６は、固定子２および回転子３を収容しており、回転子３が回転軸３３を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子３のポールコア３２の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子２が固定されている。また、フレーム６は、固定子鉄心２１の軸方向端面から突出した固定子巻線２３に対向した部分に冷却風の吐出窓６１が、軸方向端面に冷却風の吸入窓６２がそれぞれ設けられている。

リヤカバー７は、リヤ側のフレーム６の外側に取り付けられるブラシ装置４、整流装置５およびＩＣレギュレータの全体を覆って、これらを保護するためのものである。

上述した構造を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ８にエンジン（図示せず）からの回転力が伝えられると回転子３が所定方向に回転する。この状態で回転子３の界磁巻線３１に外部から励磁電圧を印加することにより、ポールコア３２のそれぞれの爪部が励磁され、固定子巻線２３に三相交流電圧を発生させることができ、整流装置５の出力端子からは直流の出力電力が取り出される。

次に、整流装置５の詳細について説明する。図２は、整流装置５の詳細構造を示す平面図である。以下では主に負極側放熱板５３に圧入された負極側整流素子５５について説明するが、正極側放熱板５２と正極側整流素子５４についても同様であり、詳細な説明は省略する。

整流装置５は、１つの正極側放熱板５２と、分割された２つの負極側放熱板５３を有している。各負極側放熱板５３には３箇所に圧入孔５６が形成されており、それぞれの圧入孔５６に負極側整流素子５５が圧入されている。圧入によって負極側整流素子５５を負極側放熱板５３に取り付けることにより、半田付けによって取り付けた場合に比べて作業工数およびコストの低減が可能になる。

図３は、図２に示した負極側整流素子５５の断面図である。図３に示すように、負極側整流素子５５は、ディスク部５００、半導体チップ５１０、緩衝板５１６、リード５２０を含んで構成されている。ディスク部５００は、外周にローレット部５０２が、一方の端部に凹部５０４がそれぞれ形成された円筒形状を有している。この凹部５０４の底面は、半導体チップ５１０が半田付けされる接合面５０６となる。また、この凹部５０４の側壁（ディスク部５００の内径側の側面）５０８は、接合面５０６とのなす角度が９０度よりも大きく設定されており、接合面５０６に対して傾斜している。

負極側整流素子５５は、ディスク部５００の接合面５０６上に緩衝板５１６が半田５１１によって半田付けされ、この緩衝板５１６の上部に半導体チップ５１０が半田５１２によって半田付けされ、さらに半導体チップ５１０の上部にリード５２０が半田５１３によって半田付けされている。また、半導体チップ５１０の全体を覆うようにシリコンゴムあるいは樹脂からなる封止材５２２が充填されている。

また、図１に全体構成を示した車両用交流発電機１は、回転子３の回転軸３３が地面とほぼ平行となるように車両に搭載されている。正極側放熱板５２および負極側放熱板５３のそれぞれが回転軸３３と垂直となるように整流装置５が車両用交流発電機１に組み付けられているため、結局、負極側整流素子５５のディスク部５００の底面となる接合面５０６が地面に対して垂直となる動作環境で整流装置５が使用される。

このように、本実施形態の整流装置５に用いられる負極側整流素子５５（正極側整流素子５４も同様）のディスク部５００は、半導体チップ５１０や緩衝板５１６が半田付けされる凹部５０４を有し、この凹部５０４の側壁５０８と底面である接合面５０６とのなす角度が９０度よりも大きくなるように設定されている。特に、凹部５０４の底面となる接合面５０６が地面に対して垂直となる動作環境で使用される。凹部５０４の側壁５０８を底面と垂直に形成するのではなく傾斜を持たせているため、凹部５０４の内部に塩水等が浸入した場合であっても速やかに排水することが可能になり、半導体チップ５１０のショート故障を防止して負極側整流素子５５、正極側整流素子５４やこれらを用いた整流装置５および車両用交流発電機１の信頼性、耐久性を向上させることができる。

また、ディスク部５００の接合面５０６に半導体チップ５１０を直接半田付けせずにこれらの間に応力吸収用の緩衝板５１６を介在させることにより、接合面５０６から半導体チップ５１０に加わる応力を小さくすることができるため、半導体チップ５１０に加わる過大な応力を低減することが可能になり、負極側整流素子５５、正極側整流素子５４の信頼性、耐久性をさらに向上させることが可能となる。

また、凹部５０４に充填されて半導体チップ５１０を保護する封止材５２２を有している。これにより、封止材５２２が凹部５０４の接合面５０６や側壁５０８に密着している場合には封止材５２２によって半導体チップ５１０へ塩水等が浸入することを防ぐことができ、また、封止材５２２が側壁５０８から乖離した場合であっても乖離した隙間に浸入した塩水等が側壁５０８を伝わって外部に排出されるため、塩水等が半導体チップ５１０に至ることを防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、ディスク部５００の凹部５０４の接合面５０６を平坦にしたが、半導体チップ５１０が半田付けされる位置の外周に溝あるいは凸部を形成するようにしてもよい。

図４は、ディスク部の凹部の底面に溝が形成された負極側整流素子の断面図である。図４に示すディスク部５００Ａは、図３に示したディスク部５００に対して、接合面５０６の一部であって半導体チップ５１０や緩衝板５１６の外周に溝５２４が環状に形成された点が異なっている。また、図５はディスク部の凹部の底面に凸部が形成された負極側整流素子の断面図である。図５に示すディスク部５００Ｂは、図３に示したディスク部５００に対して、接合面５０６の一部であって半導体チップ５１０や緩衝板５１６の外周に凸部５２６が環状に形成された点が異なっている。このように、接合面５０６に溝５２４や凸部５２６を形成することにより、側壁５０８を伝わって半導体チップ５１０に浸入しようとする塩水等を溝５２４あるいは凸部５２６で遮断することができるため、塩水等が半導体チップ５１０に至ることをさらに防止することができる。また、接合面５０６の表面形状が複雑になるため、封止材５２２を乖離しにくくする効果もある。

また、上述した実施形態では、整流装置５の各放熱板に形成した貫通した圧入孔に整流素子を圧入したが、貫通しない凹部を設けておいて、この凹部に整流素子を圧入するようにしてもよい。また、上述した実施形態では、車両用交流発電機の整流装置に用いられる整流素子について説明したが、その他の用途に用いられる整流素子を含む各種の半導体装置に本発明を適用することができる。

一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。 整流装置の詳細構造を示す平面図である。 図２に示した負極側整流素子の断面図である。 ディスク部の凹部の底面に溝が形成された負極側整流素子の断面図である。 ディスク部の凹部の底面に凸部が形成された負極側整流素子の断面図である。

符号の説明

５ 整流装置
５２ 正極側放熱板
５３ 負極側放熱板
５４ 正極側整流素子
５５ 負極側整流素子
５６ 圧入孔
５００ ディスク部
５０２ ローレット部
５０４ 凹部
５０６ 接合面
５０８ 側壁
５１０ 半導体チップ
５１１、５１２、５１３ 半田
５１６ 緩衝板
５２０ リード
５２２ 封止材
５２４ 溝
５２６ 凸部

Claims (4)

1. 半導体チップと、
   前記半導体チップが底面に半田付けされる凹部を有し、前記凹部の側壁と前記底面とのなす角度が９０度よりも大きく設定されているディスク部と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１において、
   前記凹部の底面が地面に対して垂直となる動作環境で使用されることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１または２において、
   前記凹部に充填されて前記半導体チップを保護する封止材をさらに備えることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記ディスク部は、前記凹部の底面であって前記半田付けされる前記半導体チップの外周に溝あるいは凸部を有することを特徴とする半導体装置。
   

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