JP2007214219A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】装置内の接合部材の亀裂進展に伴う放熱性の低下を防止する。
【解決手段】半導体チップ上面側緩衝板および下面側緩衝板の線膨張係数を小さくすることで、半導体チップ上下の接合部材への熱ひずみを低減、亀裂の進展を抑制し接合面積を確保する。さらに、半導体チップを上下それぞれの電極と緩衝板間の接合面に投影した面が、それぞれの接合部材内に含まれるように各電極および緩衝板を大きくすることで、緩衝板と電極体間の接合部材に亀裂が進展しても、ある程度の期間は半導体チップの面積以上の接合面積を確保することができる。結果、接合部材それぞれの接合面積を同時に確保することができ、放熱性の低下を防止した半導体装置を提供できる。
【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６に、従来の車載用半導体装置の実装状態の断面図を示す。図６において、１は半導体チップ、２は半導体チップ１と緩衝板３とを接合する接合部材、３は接合部材２，４の熱ひずみを緩和するための緩衝板、４は緩衝板３とケース電極体５を接合する接合部材、５はケース電極体、６は半導体チップ１とリード電極体９とを接合する接合部材、９は接合部材との接合用にリードより大きな径となっているリード電極体ヘッダ部９ａを有するリード電極体、１０は半導体チップ１の表面を保護する絶縁部材である。１１はケース電極体５を保持する実装用放熱板、１２はリード電極体９と接続する実装用端子、１３は実装用端子１２を支持し放熱板１１に固定された端子台である。本半導体装置では、内蔵された半導体チップ１が通電により発熱するため、その熱の放熱経路を確保する必要がある。本構造においては、半導体チップ１から接合部材２，緩衝板３，接合部材４，ケース電極体５へ熱を運び、最終的には放熱板１１へ逃がす経路と半導体チップ１から接合部材６，リード電極体９へ熱を運び、最終的には実装用端子１２へ逃がす経路とがある（例えば特許文献１参照）。また、リード電極ヘッダ部からの発熱を大きくするために、リード電極ヘッダ部の径を大きくしたものもある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−３５９３２８号公報（図１） 特開昭５８−１１１３５３号公報（図３）
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熱ひずみが接合部材２，４，６に加わり、この接合部材２，４，６の端部より亀裂が発生、進展する。亀裂が進展すると、通電経路である接合部材２，４，６の接合面積が減少し、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２，４，６を通した放熱経路の面積も低下し、放熱性も低下するため、半導体チップ１の温度が異常に上昇する。最終的に、接合部材２，４，６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。
本発明者らは、上記課題に対し、本半導体装置に通電した際に半導体チップ１から発生する熱がリード電極体およびケース電極体から装置外へと放熱されていることに注目し、放熱経路において放熱性に大きく影響しているのは半導体チップ１に面している接合部材２，６の接合面積であり、半導体チップ１から離れて存在する接合部材４，８の接合面積の影響は比較的小さいことを見い出した。これを受け、本半導体装置においては、繰返し負荷される熱衝撃にさらされても、半導体チップ１に面している接合部材２，６には亀裂が進展せず、さらに半導体チップ１から離れて存在する接合部材４，８は亀裂が進展しても接合面積がある程度確保されている構造が望ましいことがわかった。
本発明は、車載用半導体装置において、半導体チップとヘッダ部との間に配置される第一の緩衝板と、ヘッダ部と第一の緩衝板を接合する第一の接合部材を備え、第一の接合部材に亀裂が進展しても接合面積が確保される半導体装置である。
本発明によれば、緩衝板３とケース電極体５との間の接合部材４および緩衝板７とリード電極体９との間の接合部材８に亀裂が進展しても、亀裂の進展がある程度に至るまでは半導体チップ１の面積以上の接合面積を確保することができる。結果、接合部材２，４，６，８それぞれの接合面積を確保することができ、放熱性の低下を抑制した半導体装置を提供できる。
〔実施例１〕
本発明の第１の実施形態を、図１を用いて説明する。図１に示す半導体装置は、半導体チップ１と、半導体チップ１の下面側に接合部材２（はんだ）を介して配置される第二の導電部材である緩衝板３と、半導体チップ１下面側の緩衝板３のさらに下面側に接合部材４を介して配置されるケース電極体５と、半導体チップ１の上側に接合部材６を介して配置される第一の導電部材である緩衝板７と、半導体チップ１上面側の緩衝板７のさらに上面側に接合部材８を介して配置される接合部材との接着用にリードより大きな径となっているリード電極体ヘッダ部９ａを有するリード電極体９と、を有している。
半導体チップは、半導体装置の機能に用いられる整流機能を有している。緩衝板３，７は、導電部材にて形成されるとともに、線膨張係数を３〜１０×１０-6／℃とすることで、半導体チップ１や接合部材２，６にかかる応力を小さくする役目を担っている。また、半導体チップ１上面側緩衝板７、リード電極体ヘッダ部９ａ、その間の接合部材８、半導体チップ１下面側緩衝板３および接合部材４を半導体チップ１よりも大きくすることで、半導体チップ１の上下両方の放熱性を高くしている。なお、半導体チップ１、緩衝板３，７、リード電極体ヘッダ部９ａの上方から見た形状については、いずれの形状においても、電極体５，９および緩衝板３，７が半導体チップ１に比べ大きく、電極体５，９と緩衝板３，７との間の接合部材４，８の端部が半導体チップ１投影面より外側となる構造であればよく、どんな形状であれ本発明の適用範囲内である。このときには、リード電極体ヘッダ部９ａ、ケース電極５、緩衝板３，７も半導体チップ１の投影面をすべて含む大きさになる。
まず、半導体チップ１上面側緩衝板７、リード電極体ヘッダ部９ａ、その間の接合部材８、下面側緩衝板３および接合部材４の端部を半導体チップ１の端面の投影面よりも外側にする効果について説明する。図３は、半導体チップ１上面側緩衝板７、リード電極体ヘッダ部９ａ、その間の接合部材８、下面側緩衝板３および接合部材４が全て円板形の解析モデルを用いて、周囲の温度を５０℃→１８２℃→５０℃に変化させた場合のはんだ亀裂進展解析において、接合部材８の初期接合外径と緩衝板７とリード電極体９との間の接合部材８の亀裂が半導体チップ１の接合部材８の面へ投影した領域の端面から１.０mm の箇所まで到達するのに要するサイクル数の関係を示した図である。リード電極体９下の接合部材８の接合面積が大きい程、半導体チップ１端面から１.０mm の箇所まで亀裂が到達するサイクル数が多くなることが確認できる。すなわち、接合部材８の外径を大きくしておくことにより、接合部材８の亀裂が進展して半導体チップ１の投影面の端面よりも内側に入り込む時期が遅くなる。
半導体チップ１の放熱性能については、ヘッダ部９ａ、緩衝板３，７、接合部材２，４，６，８等の面積が大きいほど放熱性能がよく、面積が小さくなると放熱性能が下がる。特に、接合部材２，４，６，８に亀裂が入り、半導体チップ１を接合部材２，４，６，８が存在する面に投影した領域内の面積が減少すると、放熱性能の低下が大きくなる。本発明は、接合部材４，８の面積を大きくすることにより、半導体チップ１を接合部材が存在する面に投影した領域に亀裂が入り込むことを抑制し、放熱性能の低下による半導体チップ１の故障を防止して半導体装置の長寿命化を図ることができる。
また、半導体チップ１を接合部材４，８に投影した領域のすぐ外側の領域も放熱性能に与える影響が十分に大きいので、望ましくは半導体チップ１の周囲を１mm拡大したものを接合部材４，８に投影した領域に亀裂が進展するのを抑制するのがよい。そのため、接合部材４，８を、半導体チップ１の周囲を１mm拡大したものを接合部材４，８に投影した領域をすべて含むような大きさにすることが望ましい。
次に半導体チップ１上面側緩衝板７および下面側緩衝板３の線膨張係数を３〜１０×
１０-6／℃にする効果について説明する。図４は、温度を５０℃→１８２℃→５０℃に変化させた時の半導体チップ１下の接合部材２およびケース電極体５上の接合部材４の熱ひずみと緩衝板３および７の線膨張係数との関係を示した図である。緩衝板３および７の線膨張係数が小さい程、半導体チップ１下の接合部材２の熱ひずみが小さく、ケース電極体５上の接合部材４の熱ひずみは大きくなることが確認できる。
熱ひずみが大きいことは亀裂が進展しやすいことを意味する。前述したとおり、接合部材４，８の面積を大きくすることにより、接合部材４，８に亀裂が進展しても、半導体チップ１の放熱性の劣化を抑制することができる。しかし、半導体チップ１と直接接する接合部材２，６については、半導体チップ１に比べて大きくすることが難しい。そこで、緩衝板３，７の線膨張係数を調整することにより、接合部材４，８の亀裂の進展を犠牲にする代わりに、半導体チップ１に直接接する接合部材２，６の亀裂の進展を抑制することができる。なお、接合部材４，８については、上述した通り面積を大きくすることによって亀裂による放熱性対策が可能である。
緩衝板３，７の線膨張係数を、半導体チップ１とヘッダ部９ａまたはケース電極体５の線膨張係数の中間値（線膨張係数の和を二で割った値）にすると、接合部材２，６と接合部材４，８にほぼ等しい熱ひずみがかかる。緩衝板３，７の線膨張係数を小さくすると、ケース電極体５上の接合部材４やリード電極体９の接合部材８の熱ひずみが大きくなり亀裂が進展しやすくなる代わりに、半導体チップ１近傍の接合部材２，６には熱ひずみが小さく亀裂は進展しにくくなる。そのため、緩衝板３および７の線膨張係数は、ある程度小さい範囲で適切な値に調節する必要がある。本実施例において、リード電極体９及びケース電極体５は銅（線膨張係数１６.５ ×１０-6／℃）で、半導体チップ１はシリコン（線膨張係数３×１０-6／℃）でできており、線膨張係数をそのおおよその中間の値である
１０×１０-6／℃以下にすると、接合部材６，８よりも半導体チップ１近傍の接合部材２，６の熱ひずみが小さくなり、接合部材２，６に亀裂を生じにくくすることができる。また、望ましくは半導体チップの線膨張係数である３×１０-6／℃が下限とするのがよい。すなわち、緩衝板７の線膨張係数を、半導体チップ１の線膨張係数とヘッダ部９ａの線膨張係数の中間値よりも小さく、半導体チップ１の線膨張係数よりも大きくすることにより、半導体チップ１と隣接する接合部材６の亀裂の進展を抑えて、半導体チップの放熱性能の劣化を抑えることができる。また、緩衝板３の線膨張係数を、半導体チップ１の線膨張係数とケース電極体５の線膨張係数の中間値よりも小さく、半導体チップ１の線膨張係数よりも大きくすることにより、半導体チップ１と隣接する接合部材２の亀裂の進展を抑えて、半導体チップの放熱性能の劣化を抑えることができる。
図５は、半導体チップ１下の接合部材２とケース電極体５上の接合部材４の熱ひずみの比と緩衝板３，７の線膨張係数との関係を説明する図である。緩衝板３，７の線膨張係数が３〜１０×１０-6／℃であれば、半導体チップ１下の接合部材２の熱ひずみがケース電極体５上の接合部材４の熱ひずみよりも小さくなり、ケース電極体５上の接合部材４に先に亀裂が進展することが分かる。さらに、ケース電極体５上の接合部材４に先に亀裂が進展することで、半導体チップ１下の接合部材２の熱ひずみが緩和されるため、さらに亀裂の進展が遅くなる。
つまり、半導体チップ１上面側緩衝板７および下面側緩衝板３の線膨張係数を３〜１０×１０-6／℃で適切に調節することで、接合部材４および接合部材２への亀裂進展を抑制できることになる。本実施例では、緩衝板３，７は、モリブデン製（線膨張係数４.９×１０-6／℃）を用いているが、近似する線膨張係数を有するモリブデンを主元素とする材料により形成した緩衝板でもよい。また、上記線膨張係数のものであれば、タングステン，鉄−ニッケル合金などの他の材料の緩衝板でもよい。
また、緩衝板３と緩衝板７は、ほぼ同じ形状（大きさ，厚さ等）であり、且つほぼ同じ材料であることが望ましい。すなわち、緩衝板３，７を同じ部品とすることにより、緩衝板３と緩衝板７の線膨張が等しくなり、熱膨張により半導体チップ１の上下からかかる応力が同じになることで、半導体チップ１の反りを抑制して反りによる破損を防止することができる。また、緩衝板３，７の部品の共通化によるコストダウンも期待できる。
〔実施例２〕
本発明の第２の実施形態を、図２を用いて説明する。図２は、半導体チップ１と、半導体チップ１の下面側に接合部材２を介して配置される緩衝板３と、半導体チップ１下面側の緩衝板３のさらに下面側に接合部材４を介して配置されるケース電極体５と、半導体チップ１の上側に接合部材６を介して配置される緩衝板７と、半導体チップ１上面側の緩衝板７のさらに上面側に接合部材８を介して配置される接合部材との接着用にリードより大きな径となっているリード電極体ヘッダ部９ａを有するリード電極体９と、を有する半導体装置において、半導体チップ１上面側緩衝板７および下面側緩衝板３の線膨張係数を３〜１０×１０-6／℃とし、さらに、半導体チップ１上面側緩衝板７、リード電極体ヘッダ部９ａ、その間の接合部材８を半導体チップ１よりも大きくすることで、半導体チップ１の上側の放熱性低下を抑制した構造の例を示したものである。本実施例は、半導体チップ１の上側への熱抵抗を小さくしたい場合に有効である。
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。 本発明の第２実施形態を示す半導体装置の断面図である。 接合部材８の初期接合部外径と接合部材８の亀裂が半導体チップ１端面から１.０mmの箇所まで到達するのに要するサイクル数の関係を示した図である。 半導体チップ１下の接合部材２およびケース電極体５上の接合部材４の熱ひずみと緩衝板３，７の線膨張係数との関係を説明する図である。 半導体チップ１下の接合部材２とケース電極体５上の接合部材４の熱ひずみの比と緩衝板３，７の線膨張係数との関係を説明する図である。 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）、２，４，６，８…接合部材（Ｐｂ−Ｓｎ系高温はんだ）、３，７…緩衝板（Ｍｏ）、５…ケース電極体（Ｃｕ）、９…リード電極体（Ｃｕ）、１０…絶縁部材（シリコーンゴム）、１１…実装用放熱板（Ａｌ）、１２…リード電極体接続用端子（Ｆｅ）、１３…端子台（Poly Phenylene Sulfide）。

Claims (12)

  1. 整流機能を有する半導体チップと、
    ヘッダ部を有し、リードに接続されるリード電極と、
    ケース電極と、
    前記半導体チップと前記ヘッダ部との間に配置される第一の緩衝板と、
    前記ヘッダ部と前記第一の緩衝板を接合する第一の接合部材と、
    前記半導体チップと前記第一の緩衝板を接合する第二の接合部材とを備え、
    前記第一の接合部材の面積は、半導体チップの面積よりも大きい半導体装置。
  2. 請求項１において、
    前記半導体チップの端面から外側に１mm離れた周囲の投影面が、前記第一の接合部材に含まれることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１において、
    前記半導体チップと前記ケース電極との間に配置される第二の緩衝板と、
    前記半導体チップと前記第二の緩衝板を接合する第三の接合部材と
    前記ケース電極と前記第二の緩衝板を接合する第四の接合部材とを備え、
    前記第四の接合部材の面積は、前記半導体チップの面積よりも大きい半導体装置。
  4. 請求項３において、
    前記半導体チップの端面から外側に１mm離れた周囲の投影面が、前記第四の接合部材に含まれることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項３において、
    前記第一の緩衝板と前記第二の緩衝板とは、材料及び形状が略同一であることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１において、
    前記第一の緩衝板の線膨張係数は、前記半導体チップの線膨張係数と前記ヘッダ部の線膨張係数との中間の値より小さいことを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項１において、
    前記第一の緩衝板の線膨張係数が３〜１０×１０-6／℃であることを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項１において、
    前記第一の緩衝板は、モリブデンまたはモリブデンを主元素とする材料で形成されていることを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項３において、
    前記第二の緩衝板の線膨張係数は、前記半導体チップの線膨張係数と前記ヘッダ部の線膨張係数との中間の値より小さく、前記半導体チップの線膨張係数より大きいことを特徴とする半導体装置。
  10. 請求項３において、
    前記第二の緩衝板の線膨張係数が３〜１０×１０-6／℃であることを特徴とする半導体装置。
  11. 整流機能を有する半導体チップと、
    ヘッダ部を有し、リードに接続されるリード電極と、
    ケース電極と、
    前記半導体チップと前記ヘッダ部との間に配置される第一の緩衝板と、
    前記ヘッダ部と前記第一の緩衝板を接合する第一の接合部材と、
    前記半導体チップと前記第一の緩衝板を接合する第二の接合部材とを備え、
    前記リード電極の面積及び第一の緩衝板の面積のいずれもは、前記半導体チップの面積よりも大きい半導体装置。
  12. 整流機能を有する半導体チップと、
    ヘッダ部を有し、リードに接続されるリード電極と、
    ケース電極と、
    前記半導体チップと前記ヘッダ部との間に配置される第一の緩衝板と、
    前記ヘッダ部と前記第一の緩衝板を接合する第一の接合部材と、
    前記半導体チップと前記第一の緩衝板を接合する第二の接合部材とを備え、
    前記第一の緩衝板の線膨張係数は、前記半導体チップの線膨張係数と前記ヘッダ部の線膨張係数との中間の値より小さく、
    前記第一の接合部材の面積は、前記第二の接合部材の面積よりも大きい半導体装置。



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