JP2009043925A

JP2009043925A - 半導体装置及びその取付方法

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Publication number: JP2009043925A
Application number: JP2007207061A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Shimoda; 一郎下田; Takaaki Yokoyama; 隆昭横山
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2009-02-26

Abstract

【課題】本発明は、放熱体への取付時に半導体素子に伝達される機械的応力を軽減して放熱体に確実に固定できる半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明による半導体装置は、底壁（11）及び底壁（11）の外周部に筒状に形成された側壁(12)により皿状の凹部(14)を形成する支持電極(1)と、凹部(14)内の底壁（11）上に配置された半導体素子(2)と、半導体素子(2)に固着されたリード電極(3)と、半導体素子(2)及びリード電極(3)の一部を被覆する樹脂被覆体(4)とを備える。支持電極(1)は、金属製の放熱体(21)に形成された装着孔(22)に嵌合され、側壁(12)は、側壁(12)の一端(12a)に形成されて、装着孔(22)の一端周縁部(21a)に係止するストッパ(32)と、側壁(12)の他端(12b)に形成されて、装着孔(22)の他端周縁部(21b)に係止する係止部(31)とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、放熱体への取付時に半導体素子に伝達される機械的応力を軽減できる半導体装置に関する。

半導体素子を固着した支持電極を放熱フィン等の放熱体の装着孔に圧入して固定する半導体装置は、従来から自動車用交流発電機（オルタネータ）の出力整流ダイオード等に広く使用されている。例えば、下記の特許文献１に開示される圧入型ダイオード装置は、図６に示すように、底壁(11)及び底壁(11)の外周部に筒状に形成された側壁(12)を有して皿状の凹部(14)を構成する支持電極(1)と、支持電極(1)の凹部(14)内に配置された半導体整流素子としてのダイオードチップ(2)と、ダイオードチップ(2)の一方の電極面(2c)に半田等のろう材(6)により固着されたリード電極(3)と、凹部(14)内に充填されてダイオードチップ(2)及びリード電極(3)の一部を被覆する樹脂被覆体(4)とを備える。図６に示すダイオード装置(30)では、支持電極(1)の凹部(14)を構成する底壁(11)上にろう材(6)により固着された熱膨張緩和材(7)を有する。ダイオードチップ(2)の他方の電極面(2b)は、熱膨張緩和材(7)にろう材(6)により固着され、ダイオードチップ(2)及び支持電極(1)が電気的に接続される。

支持電極(1)は、銅や銅合金等の導電性及び熱伝導性の高い金属により形成され、ダイオードチップ(2)に電流が流れて発生する熱が支持電極(1)を通じて外部に放出される。即ち、支持電極(1)は、ダイオードチップ(2)に対する電極及び放熱体として作用する。例えば、逆方向の大きなサージ電圧がダイオードチップ(2)に印加される際に、支持電極(1)の熱容量が不足すると、支持電極(1)を通じて十分な量の熱が外部に排出されずにダイオードチップ(2)が加熱され、ダイオードチップ(2)の電気的特性が劣化するおそれがある。

図７に示すように、自動車用交流発電機に搭載された金属製の放熱体(21)の装着孔(22)内にダイオード装置(30)を装着するとき、装着孔(22)に向かって、ダイオード装置(30)の支持電極(1)の底面(1c)を押圧治具(40)により押圧する。装着孔(22)の内径より大きい外径で形成された支持電極(1)の側壁(12)を強制的に装着孔(22)内に圧入し、装着孔(22)と支持電極(1)との摩擦力により、ダイオード装置(30)を放熱体(21)の装着孔(22)内に固定することができる。図示しないが、支持電極(1)の外周面(1a)は、圧入及び固定時に放熱体(21)の装着孔(22)の内壁とのずれを防止するため、ローレット加工を施して、装着孔(22)と支持電極(1)との摩擦力を増加することができる。

特開２００２−２６１２１０公報

しかしながら、図６に示す従来のダイオード装置では、図７に示すように、放熱体(21)の装着孔(22)内に支持電極(1)を強制的に圧入する際に、装着孔(22)の内壁から径方向内側に向かう外力(P)により支持電極(1)の外周面(1a)が押圧されて、側壁(12)から底壁(11)の中心部に圧縮応力又は曲げ応力が作用するため、半導体素子(2)に過大な機械的応力が伝達されて半導体素子(2)が破損し、電気的特性が劣化する欠陥があった。

そこで、本発明は、放熱体への取付時に半導体素子に伝達される機械的応力を軽減して放熱体に確実に固定できる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明による半導体装置は、底壁(11)及び底壁(11)の外周部に筒状に形成された側壁(12)により皿状の凹部(14)を形成する支持電極(1)と、凹部(14)内の底壁(11)上に配置された半導体素子(2)と、半導体素子(2)に固着されたリード電極(3)と、半導体素子(2)及びリード電極(3)の一部を被覆する樹脂被覆体(4)とを備える。支持電極(1)は、金属製の放熱体(21)に形成された装着孔(22)に嵌合され、側壁(12)は、側壁(12)の一端(12a)に形成されて、装着孔(22)の一端周縁部(21a)に係止するストッパ(32)と、側壁(12)の他端(12b)に形成されて、装着孔(22)の他端周縁部(21b)に係止する係止部(31)とを有する。

支持電極(1)を放熱体(21)の装着孔(22)内に挿入すると、装着孔(22)の一端周縁部(21a)に側壁(12)の一端に形成されたストッパ(32)が係止する。この状態で、側壁(12)を径方向外側に変形させて、係止部(31)を形成し、係止部(31)を装着孔(22)の他端周縁部(21b)に係止する。これにより、支持電極(1)の底壁(11)に固定された半導体素子(2)に伝達される機械的応力を軽減しながら、且つ、半導体装置を放熱体(21)に確実に固定することができる。従って、例えば自動車等の車両に搭載される放熱体(21)の振動に対して、支持電極(1)の軸方向及び径方向の移動を阻止し、支持電極(1)を装着孔(22)内に確実に保持することができる。

また、本発明の半導体装置の製法は、底壁(11)及び底壁(11)の外周部に筒状に形成された側壁(12)により皿状の凹部(14)を形成する支持電極(1)と、底壁（11)上に配置された半導体素子(2)と、半導体素子(2)に固着されたリード電極(3)と、半導体素子(2)及びリード電極(3)の一部を被覆する樹脂被覆体(4)とを備え、金属製の放熱体(21)に形成された装着孔(22)の内径と同様か又はこれより小さい外径に形成され、且つ、側壁(12)の径方向外側に突出するストッパ(32)を側壁(12)の一端(12a)に設けた支持電極(1)を準備する工程と、金属製の放熱体(21)に形成された装着孔(22)内に、支持電極(1)の側壁(12)を挿入する工程と、側壁(12)のストッパ(32)を装着孔(22)の一端周縁部(21a)に当接させる工程と、支持電極(1)の底壁(11)を支持台（金敷台）(41)に当てて、側壁(12)の他端(12b)を部分的又は全周にわたって径方向外側に変形させて装着孔(22)の他端周縁部(21b)に係止する係止部(31)を形成する工程とを含む。

側壁(12)のストッパ(32)を装着孔(22)の一端周縁部(21a)に当接させた状態で、支持電極(1)の底壁(11)を支持台(41)に当てて、加締め加工により側壁(12)の他端(12b)を径方向外側に変形させると、装着孔(22)の他端周縁部(21b)に係止する係止部(31)を形成できる。また、係止部(31)及びストッパ（32）により支持電極(1)を保持するので、側壁(12)の外周を従来よりも小さい外径で形成し、低圧力で支持電極を放熱体(21)の装着孔(22)内に嵌合する際の、装着孔(22)の内壁から径方向内側に向かう外力を低減できる。

本発明では、放熱体への取付時に、半導体素子に伝達される機械的応力を軽減できるので、放熱体への装着時の破損による半導体装置の電気的特性の劣化を防止できる。また、放熱体に半導体装置を両端から確実に固定して、外力又は振動による半導体装置の放熱体からの脱落を防止して、放熱性及び耐振動性に優れた信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

以下、自動車用交流発電機の出力整流ダイオードに適用した本発明による半導体装置の実施の形態を図１〜図５について説明する。但し、図１〜図５では、図６及び図７に示す箇所と実質的に同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１は、図２のＩ−Ｉ線に沿う断面図を示し、図２は、上面図を示す。図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施の形態のダイオード装置(10)は、支持電極(1)の側壁(12)の下端部分である一端(12a)に形成されて、装着孔(22)の一端周縁部(21a)に係止するストッパ(32)と、側壁(12)の上端部分である他端(12b)に形成されて、装着孔(22)の他端周縁部(21b)に係止する係止部(31)を設けた点で、図６に示す従来のダイオード装置(30)と異なる。更に、側壁(12)の外径は、従来の支持電極が有する側壁(12)の外径よりも５％程度縮小させている。係止部(31)は、係止部(31)の外面に傾斜して形成される圧延面(31b)と、圧延面(31b)の反対側に形成された係止面(31a)とを備える。

支持電極(1)は、熱伝導率及び導電率の高い材料（例えば、銅(Cu)又は銅合金）から構成され、周知のプレス加工等により皿状に形成される。本実施の形態では、銅(Cu)を基材としてジルコニウム(Zr)を添加したビッカース硬度(Hv)の高いジルコニウム銅が使用される。整流素子である半導体素子(2)は、例えば、シリコン(Si)等の半導体結晶を円板状又は薄板状に形成して成り、周知のＰＮ接合ダイオードを構成する。リード電極(3)は、例えば銅(Cu)又は銅合金により構成され先端を上方に延伸して形成される。熱伝導率の高い金属から構成される支持電極(1)及びリード電極(3)は、半導体素子(2)で発生する熱を吸収してダイオード装置(10)の外部に放出する。樹脂被覆体(4)は、例えば、エポキシ樹脂又はシリコーン樹脂等の耐熱性の高い樹脂により形成される。その他の構成は、図６に示す従来のダイオード装置(30)と略同様である。

図３及び図４に本発明の製法を示す。図３に示すように、上記の構成の支持電極(1)は、アルミニウム(Al)又はアルミニウム合金等から成る自動車用交流発電機の放熱体(21)に形成された装着孔(22)内に嵌合される。嵌合の際に、支持電極(1)の底面(1c)を押圧治具(40)により押圧して、支持電極(1)を装着孔(22)内に圧入する。この時、側壁(12)の外径を従来よりも小さく形成できるので、外圧Ｐが減少し、支持電極(1)を低圧力で圧入できる。支持電極(1)が装着孔(22)内に嵌合されると、ストッパ(32)が放熱体(21)の装着孔(22)の下方の内縁部(21a)に当接して、支持電極(1)の軸方向の移動が阻止され、支持電極(1)が放熱体(21)の装着孔(22)内に仮止めされる。

続いて、支持電極(1)の底壁(11)を金敷台(41)に当てて、圧延治具(42)を側壁(12)の他端(12b)の外径側に押圧して側壁(12)を径方向外側に変形させる。即ち、側壁(12)の他端(12b)を圧延することにより、圧延治具(42)により押圧される圧延面(31a)と、圧延して放熱体(21)の装着孔(22)の他端外縁部(22b)に係止する係止面(31c)とを有する係止部(31)が形成される。本実施例では、圧延治具(42)が側壁(12)の他端(12b)の内側一部分を残して押圧しているが、側壁(12)の他端(12b)の内側も含めて圧延しても良い。

本実施の形態のダイオード装置(10)では、支持電極(1)に形成された係止部(31)とストッパ(32)によって、支持電極(1)を放熱体(21)に固定できる。このため、本実施の形態では、装着孔(22)の内径を１．０としたとき、支持電極(1)の外径を１．０〜１．０２に形成しており、これは、従来の支持電極(1)の内径と比べて、本実施例の内径が縮小できることを意味する。即ち、従来では、支持電極(1)の側壁(12)の外径を装着孔(22)の内径よりかなり大きく形成して、支持電極(1)を装着孔(22)内に圧入し、支持電極(1)を装着孔(22)に絞り嵌めにより、固定しなければならないため、圧入により支持電極(1)に大きな機械的応力が発生した。この応力は、半導体素子(2)に伝達され、半導体素子(2)に機械的応力が発生するため、半導体素子(2)の電気的特性が劣化する欠点があった。これに対し、本発明では、係止部(31)及びストッパ(32)により、支持電極(1)の側壁(12)の外径を装着孔(22)の内径と略同一か、少なくとも従来の支持電極(1)より小さい外径で、支持電極(1)を装着孔(22)内に確実に保持できる。また、必要に応じて側壁(12)の外径を装着孔(22)の内径よりも小さく形成しても良い。このため、放熱体(21)の装着孔(22)内に支持電極(1)を挿入する際に、装着孔(22)の内壁(22c)から径方向内側に向かって側壁(12)に作用する押圧力を低減できる。このため、ダイオード装置(10)を放熱体(21)に取り付ける際に、半導体素子(2)に伝達される機械的応力を軽減することができる。更に、係止部(31)とストッパ(32)によって支持電極(1)の軸方向の移動が阻止されるので、例えば自動車等の車両に搭載される放熱体(21)の振動に対して、支持電極(1)を放熱体(21)の装着孔(22)内に確実に固定することができる。

このように、本発明では、放熱体への取付時に、半導体素子に伝達される機械的応力を軽減しながら、放熱体に半導体装置を両端から確実に固定できる、放熱性及び耐振動性に優れた信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

図１に示す実施の形態のダイオード装置(10)は変更が可能である。例えば、図５の上面図に示す本発明の第２の実施の形態のダイオード装置(10)は、放熱体(21)の装着孔(22)内に支持電極(1)を挿入した後、装着孔(22)の側壁(12)に圧延治具(42)を環状に押圧し、環状の係止部(31)を形成したものである。逆に、対向する２箇所のみに径止部(31)を形成しても良い。また、上記の各実施の形態では、支持電極(1)の外径を放熱体(21)の装着孔(22)の内径よりも若干大きいとしたが、支持電極(1)の外径を装着孔(22)の内径と略同一又は若干小さく形成してもよい。ただし、支持電極(1)と放熱体(21)との熱伝導性を良好に得るためには、支持電極(1)の外径を放熱体(21)の装着孔(22)の内径よりも若干大きいとするのがよい。なお、図示の半導体素子(2)、リード電極(3)及び樹脂被覆体(4)の形状及び構造は、本発明を限定するものではない。

本発明は、自動車用交流発電機に使用される出力整流ダイオード等の高い放熱性及び耐振動性が要求される半導体装置に良好に適用することができる。

本発明による半導体装置を自動車用交流発電機の出力整流ダイオードに適用した第１の実施の形態を示す断面図放熱体の装着孔内に嵌合される図１のダイオード装置の上面図本発明の製法によるダイオード装置の形態を示す断面図本発明の製法によるダイオード装置の形態を示す断面図本発明によるダイオード装置の他の実施の形態を示す断面図従来の圧入型ダイオード装置を示す断面図放熱体の装着孔内に圧入される図６のダイオード装置の断面図

符号の説明

(1)・・支持電極、 (2)・・半導体素子（ダイオードチップ）、 (3)・・リード電極、 (4)・・樹脂被覆体、 (6)・・ろう材、 (7)・・熱膨張緩和材、 (10)・・ダイオード装置、 (11)・・底壁、 (12)・・側壁、 (14)・・凹部、 (21)・・放熱体、 (21a)・・一端周縁部、 (21b)・・他端周縁部、 (22)・・装着孔、 (30)・・従来のダイオード装置、 (31)・・係止部、 (31a)・・係止面、 (31b)・・圧延面、 (32)・・ストッパ、 (40)・・押圧治具、 (41)・・支持台（金敷台）、 (42)・・圧延治具、

Claims

底壁及び該底壁の外周部に筒状に形成された側壁により皿状の凹部を形成する支持電極と、前記凹部内の前記底壁上に配置された半導体素子と、該半導体素子に固着されたリード電極と、前記半導体素子及び前記リード電極の一部を被覆する樹脂被覆体とを備え、
前記支持電極は、金属製の放熱体に形成された装着孔に嵌合され、
前記側壁は、
前記側壁の一端に形成されて、前記装着孔の一端周縁部に係止するストッパと、
前記側壁の他端に形成されて、前記装着孔の他端周縁部に係止する係止部とを有することを特徴とする半導体装置。
少なくとも２つの前記係止部又は環状の前記係止部を前記側壁の他端に設けた請求項１に記載の半導体装置。
底壁及び該底壁の外周部に筒状に形成された側壁により皿状の凹部を形成する支持電極と、前記底壁上に配置された半導体素子と、該半導体素子に固着されたリード電極と、前記半導体素子及び前記リード電極の一部を被覆する樹脂被覆体とを備え、前記側壁の径方向外側に突出するストッパを前記側壁の一端に設けた支持電極を準備する工程と、
金属製の放熱体に形成された装着孔内に前記支持電極の側壁を挿入する工程と、
前記側壁の前記ストッパを前記装着孔の一端周縁部に当接させる工程と、
前記支持電極の底壁を支持台に当てて、前記側壁の他端を部分的又は全周にわたって径方向外側に変形させ、前記装着孔の他端周縁部に係止する係止部を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の取付方法。