JP2008270404A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】整流装置の冷却性を向上させることができるとともに、コスト上昇を抑えることができる半導体装置を提供すること。
【解決手段】両面がそれぞれ主電極面をなす半導体チップ５１０と、外部の放熱板に固定されるとともに半導体チップ５１０の一方の主電極面が半田付けされる金属製のディスク部５００と、半導体チップ５１０の他方の主電極面に半田付けされるヘッド部５２１を先端に有するリード５２０と、少なくとも半導体チップ５１０の側面とディスク部５００およびヘッド部５２１のそれぞれの２箇所の半田付け部分とを封止する封止材５２２とを備えており、ディスク部５００は、半導体チップ５１０が半田付けされた面と反対側の面に凸部５０５を有する。
【選択図】図４

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力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半導体装置の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、冷却フィンに半導体装置を圧入あるいは半田付けによって取り付けている。半導体装置の一般的な構造としては、ディスク、整流素子、リードで構成されており、これら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する構造となっている。半導体装置内の整流素子の発熱は、ディスクを介して冷却フィンに放熱したり、車両用交流発電機の冷却ファンによる風を半導体装置に当てることによって行われている。

近年、車両用交流発電機の高出力化、エンジンルームのコンパクト化などによって半導体装置の使用温度はますます高温化している。高温での使用は、整流装置に用いられた半導体装置内の半田の熱疲労寿命低下などの弊害をもたらす。また、冷却風を増やすことは容易でないばかりかファン音の増加などの弊害も発生する。

整流装置に用いられている半導体装置を効率的に冷却する従来技術としては、半導体装置のディスクと冷却フィンとの間に熱伝導性部材を挟み込んで冷却性を向上させる構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−１１９０２８号公報（第３−５頁、図１−１１）

ところで、特許文献１に開示された構造では、半導体装置のディスクと冷却フィンとの間に熱伝導部材を挟み込むために、冷却フィンの構造変更や熱伝導部材の追加などの工程追加、変更を伴い、コスト上昇を招く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、整流装置の冷却性を向上させることができるとともに、コスト上昇を抑え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、両面がそれぞれ主電極面をなす半導体チップと、外部の冷却用金属体に固定されるとともに半導体チップの一方の主電極面が半田付けされる金属製のディスク部と、半導体チップの他方の主電極面に半田付けされるヘッド部を先端に有するリードと、少なくとも半導体チップの側面とディスク部およびヘッド部のそれぞれの２箇所の半田付け部分とを封止する封止材とを備えており、ディスク部は、半導体チップが半田付けされた面と反対側の面に凸部を有している。ディスク部の表面に凸部を形成して放熱面積を増大してディスク部の放熱性を改善することで、半導体装置およびこれを用いた整流装置の冷却性を、コストを抑えつつ向上させることができる。

また、上述したディスク部は半導体チップが底面に半田付けされる凹部形状を有し、凹部形状の外周面が、冷却用金属体に設けられた取付孔の内周面に嵌合し、凸部が取付孔の外部に露出することが望ましい。特に、上述した凸部は、取付孔の開口面よりも外側に突出していることが望ましい。凸部を周囲空間に向けて開放することにより、半導体チップが半田付けされたディスク部の放熱性を確実に向上させることができる。

また、上述した凸部は、互いに平行な直線形状を有することが望ましい。あるいは、上述した凸部は、互いに所定間隔で格子状に配置されていることが望ましい。これにより、凸部に沿った冷却風の流れを阻害することを防止することができ、冷却性をさらに向上させることができる。

また、上述したディスク部は、金属材料をプレス成形することにより形成され、凸部がディスク部の一部として一体形成されることが望ましい。これにより、部品点数の増大を防止するとともに半導体装置を製造する際の工程の追加あるいは変更が不要になり、冷却性向上に伴うコスト増加を抑えることができる。

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。以下では主に正極側放熱板５２に圧入された半導体装置としての正極側整流素子５４について説明するが、負極側放熱板５３と負極側整流素子５５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、冷却用金属体としての正極側放熱板５２と負極側放熱板５３とを有している。正極側放熱板５２には６箇所に取付孔５６が形成されており、それぞれの取付孔５６に正極側整流素子５４が圧入されて固定される。具体的には、正極側整流素子５４の外周面（後述するディスク部５００の外周面）が取付孔５６の内周面に嵌合させることで正極側整流素子５４の取り付けが行われる。圧入によって正極側整流素子５４を正極側放熱板５２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のＩＩＩ−ＩＩＩ線拡大断面図であり、正極側整流素子５４と正極側放熱板５２の断面形状が示されている。また、図４は正極側整流素子５４の拡大断面図である。図４に示すように、正極側整流素子５４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。半導体チップ５１０は、円形形状を有しており、両面がそれぞれ主電極面をなす。ディスク部５００は、正極側放熱板５２の取付孔５６に固定するとともに半導体チップ５１０の一方の主電極面を半田付けするものであり、外周にローレット部５０２が、一方の端面に凹部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。リード５２０は、半導体チップ５１０の他方の主電極面に半田付けされるヘッド部５２１を先端に有する。

正極側整流素子５４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のヘッド部５２１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の側面と、ディスク部５００、緩衝板５１６、半導体チップ５１０、ヘッド部５２１のそれぞれの間の半田付け部分とを封止するように、好ましくはディスク部５００の凹部５０４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。なお、緩衝板５１６は、主に半導体チップ５１０とディスク部５００のそれぞれの熱膨張の違いにより発生する過大な応力がこれらの間の半田層に加わらないようにするためのものであるため、冷却性向上の観点からは省略するようにしてもよい。

ところで、上述したディスク部５００の他方の端面（半導体チップ５１０が半田付けされた面と反対側の面）には凸部５０５が形成されている。この凸部５０５は、正極側放熱板５２の取付孔５６の外部に露出するように、すなわち、図３に示すように、取付孔５６の開口面を区画する正極側放熱板５２の一方の面よりも突出するように、ディスク部５００の端面に形成されている。

図５は、ディスク部５００の端面に形成された凸部５０５の形状を示す平面図である。なお、図５では、隣接する凸部５０５間の凹部との区別が容易なように、凸部５０５にハッチングが付されている。図５に示した例では、凸部５０５は、互いに平行な直線形状を有している。本実施形態では、ディスク部５００は、金属材料をプレス成形することにより形成されており、凸部５０５がディスク部５００の一部として一体形成される。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１の整流装置５に用いられている半導体装置としての正極側整流素子５４では、ディスク部５００の表面に凸部５０５を形成して放熱面積を増大してディスク部５００の放熱性を改善することで、正極側整流素子５４およびこれを用いた整流装置５の冷却性を、コストを抑えつつ向上させることができる。

また、ディスク部５００に形成された凸部５０５は、正極側放熱板５２に設けられた取付孔５６の開口面、すなわち正極側放熱板５２の表面よりも外側に突出しており、凸部５０５を周囲空間に向けて開放することにより、半導体チップ５１０が半田付けされたディスク部５００の放熱性を確実に向上させることができる。

また、凸部５０５は、互いに平行な直線形状を有しているため、凸部５０５に沿った冷却風の流れを阻害することを防止することができ、冷却性をさらに向上させることができる。また、ディスク部５００を金属材料をプレス成形することにより形成することで凸部５０５をこのディスク部５００の一部として形成することにより、部品点数の増大を防止するとともに正極側整流素子５４を製造する際の工程の追加あるいは変更が不要になり、冷却性向上に伴うコスト増加を抑えることができる。

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、互いに平行な直線形状を有する凸部５０５をディスク部５００の表面に形成したが、凸部はこれ以外の形状であってもよい。例えば、図６に示すように、互いに所定間隔で格子状に配置した形状を有していてもよい。あるいは、同心状の円形形状としてもよい。

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のＩＩＩ−ＩＩＩ線拡大断面図である。 正極側整流素子の拡大断面図である。 ディスク部の端面に形成された凸部の形状を示す平面図である。 凸部形状の変形例を示す図である。

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 取付孔
５００ ディスク部
５０２ ローレット部
５０４ 凹部
５０５ 凸部
５０６ 接合面
５１０ 半導体チップ
５１１、５１２、５１３ 半田
５１６ 緩衝板
５２０ リード
５２１ ヘッド部
５２２ 封止材

Claims (6)

1. 両面がそれぞれ主電極面をなす半導体チップと、外部の冷却用金属体に固定されるとともに前記半導体チップの一方の主電極面が半田付けされる金属製のディスク部と、前記半導体チップの他方の主電極面に半田付けされるヘッド部を先端に有するリードと、少なくとも前記半導体チップの側面と前記ディスク部および前記ヘッド部のそれぞれの２箇所の半田付け部分とを封止する封止材とを備える半導体装置において、
   前記ディスク部は、前記半導体チップが半田付けされた面と反対側の面に凸部を有することを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１において、
   前記ディスク部は前記半導体チップが底面に半田付けされる凹部形状を有し、前記凹部形状の外周面が、前記冷却用金属体に設けられた取付孔の内周面に嵌合し、前記凸部が前記取付孔の外部に露出することを特徴とする半導体装置。
3. 請求項２において、
   前記凸部は、前記取付孔の開口面よりも外側に突出してい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、
   前記凸部は、互いに平行な直線形状を有することを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記凸部は、互いに所定間隔で格子状に配置されていることを特徴とする半導体装置。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記ディスク部は、金属材料をプレス成形することにより形成され、前記凸部が前記ディスク部の一部として一体形成されることを特徴とする半導体装置。

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