JP2009081376A - 半導体装置 - Google Patents

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勇介 中井
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隆昭 横山
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Abstract

【課題】支持電極から放熱体への熱伝導を良好とし且つ支持電極を放熱体の装着孔に嵌合する際、半導体素子に発生する応力を大幅に緩和できる半導体装置を提供する。
【解決手段】本発明の半導体装置は、金属製の支持電極と、支持電極上に配置された半導体素子と、半導体素子に固着されたリード電極と、半導体素子及びリード電極の一部を被覆する樹脂被覆体とを備える。支持電極は、支持電極の側壁の周囲に設けられる筒状の介装体を介して、放熱体に形成された装着孔内に嵌合される。介装体は、支持電極よりも低い硬度に形成される。支持電極を装着孔へ嵌合する際には、軟質の介装体が支持電極と装着孔の内壁との間に挟まり、変形することにより支持電極の半導体素子内への押圧力を緩和し、半導体素子に発生する応力を大幅に緩和できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、支持電極を放熱体の装着孔に嵌合する際に、半導体素子の応力発生を緩和する圧入型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体の装着孔に圧入する圧入型半導体装置は、公知である。例えば、下記の特許文献１には、圧入型半導体装置が開示される。また、図６に示す従来の圧入型半導体装置は、底壁(11)及び底壁(11)の外周部に形成された筒状の側壁(12)並びに底壁(11)上に形成される台部(7)から成る金属製の支持電極(10)と、支持電極(10)に電気的に接続された半導体素子(2)と、半導体素子(2)に電気的に接続されたリード電極(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。半導体素子(2)は、ろう材(6)により支持電極(10)とリード電極(3)との間に固着される。
図６では、支持電極(10)は、銅等の放熱性に優れた金属により形成され、半導体素子(2)の動作時に発生する熱は、支持電極(10)から放熱体(21)を通じて外部に放出される。即ち、支持電極(10)は、半導体素子(2)の電極として作用すると共に、放熱作用も有する。例えば、大きな逆方向サージ電圧が半導体素子(2)に印加されるとき、支持電極(10)が十分な熱容量を備えないと、支持電極(10)を通じて十分な量の熱が排出されずに半導体素子(2)が加熱され、半導体素子(2)の電気的特性が劣化するおそれがある。
図６に示す半導体装置(100)は、例えば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に適用される。交流発電機の放熱体(21)の装着孔(22)内に向かって、押圧治具により半導体装置(100)の支持電極(10)の底面を押圧することにより、支持電極(10)を装着孔(22)内に圧入して、半導体装置(100)が放熱体(21)の装着孔(22)内に保持される。
特開２００２−２６１２１０公報
しかしながら、上記の特許文献１の半導体装置(100)では、放熱体(21)の装着孔(22)内に支持電極(10)を強制的に圧入するとき、装着孔(22)を形成する内壁面(22a)により支持電極(10)の外周面(12a)が径方向内側に押圧されて、側壁(12)から底壁(11)の中心部に圧縮力又は曲げ応力が伝達されるため、半導体素子(2)に機械的な応力が発生して半導体素子(2)の電気的特性が劣化することがあった。
また、支持電極(10)の側壁(12)の外周面には、放熱体(21)との嵌合を強固にするため、ローレット加工を施す場合が多い。ところが、硬質な金属である支持電極(10)を放熱体(21)に嵌合すると、図７に示すように、支持電極(10)と放熱体(21)との間にローレット加工部の凹凸による間隙(16)中に生じる空気層により、支持電極(10)から放熱体(21)への熱伝導性を阻害する欠点があった。
そこで、本発明は、支持電極から放熱体への熱伝導を良好とし且つ半導体素子に発生する応力を大幅に緩和して支持電極を放熱体の装着孔に嵌合できる半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の半導体装置(30)は、金属製の支持電極(10)と、支持電極(10)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(10)は、支持電極(10)の側壁(12)の周囲に設けられる筒状の介装体(35)を介して、放熱体(21)に形成された装着孔(22)内に嵌合される。介装体(35)は、支持電極(10)よりも低い硬度に形成される。支持電極(10)を装着孔(22)へ嵌合する際に、軟質の介装体(35)が支持電極(10)と装着孔(22)の内壁(22a)との間に挟まり、変形することにより支持電極(10)の半導体素子(2)へ伝わる圧縮力を緩和し、半導体素子に発生する応力を大幅に緩和できる。
即ち、支持電極(1)よりも低い硬度の介装体(35)と共に、放熱体(21)の装着孔(22)内に支持電極(10)を嵌合すれば、支持電極(10)に対する衝撃と変形を介装体(35)が緩衝し、半導体素子(2)へ伝達される機械的圧縮力を低減して、半導体素子(2)の電気的特性の劣化を回避することができる。
また、支持電極(10)の側壁(12)と放熱体(21)の内壁(22a)との隙間よりも大きい厚みを有する軟質の介装体(35)を、支持電極(10)と装着孔(22)との間に介在させるので、装着孔(22)の内壁(22a)により介装体(35)が内径側へ押し絞られ支持電極(10)の側壁(12)に密着して接触面積が増加する。これにより、支持電極(10)と放熱体(21)との間に良好な導電性及び伝熱性を確立することができる。更に、支持電極(10)及び放熱体(21)から独立して様々な加工を施した介装体(35)を作成し使用できる。
本発明では、支持電極と放熱体との間に介装体を介在して嵌合するため、支持電極から放熱体への熱伝導を良好とし且つ半導体素子に発生する応力を大幅に緩和して支持電極を放熱体の装着孔に嵌合できる。
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第１の実施の形態を図１〜図４に沿って説明する。
図１に示すように、本実施の形態の半導体装置(30)は、底壁(11)及び底壁(11)の側部を含む外周部分に形成された筒状の側壁(12)により皿状の凹部(14)を形成する金属製の支持電極(10)と、凹部(14)内の底壁(11)上に形成された台部(7)に半田等のろう材(6)により固着された半導体素子(2)と、半導体素子(2)の上面にろう材(6)により固着されたリード電極(3)と、凹部(14)内に充填されて半導体素子(2)とリード電極(3)の一部を被覆する樹脂被覆体(4)とを備える。
支持電極(10)内に配置される半導体素子(2)は、例えば、シリコン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、銅又は銅合金により形成され、ヘッダが、円柱状、円盤状又は円錐状に形成され、ヘッダの略中央部から棒状の軸部が上方に延伸して形成される。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に優れた樹脂により形成される。
支持電極(10)は、例えば熱伝導率及び導電率の高い材料（例えば、銅又はジルコニウム銅等の銅合金）から構成され、半導体素子(2)で発生する熱を吸収して半導体装置(30)から放熱体(21)を通じて外部に放出する。支持電極(10)の側壁(12)は、支持電極(10)の底面側から上面側まで円筒状に形成される。更に、側壁(12)の外周面(12a)の少なくとも一部に高さ方向に線状のローレット加工を施す。本実施の形態では、縦溝のローレット加工が施されるが、傾斜状、網目状等の他の模様加工でも、本発明の効果を得る事ができる。また、放熱体(21)は、銅又は銅合金により形成される。
本実施の形態では、介装体(35)は、支持電極(10)の素材よりも硬度の低い金属であり、アルミニウム又はアルミニウム合金により形成される。望ましくは、支持電極(10)及び放熱体(21)の素材よりも硬度の低い金属、例えばビッカース硬度１２〜５５の金属により形成される。
更に、介装体(35)は、支持電極(10)の側壁(12)と放熱体(21)の内壁(22a)との隙間よりも大きい厚みに形成される。例えば、介装体(35)は、支持電極(10)の側壁(12)の外径と略同一の内径及び、放熱体(21)の内壁(22a)の内径よりも大きい外径に形成される。具体的には、内径が１０mm〜１２mmに形成され、外径が１２.５mm〜１４mmに形成され、即ち厚みが０.５mm〜４mmに形成されるのが望ましい。
上記の構成の支持電極(10)及び介装体(35)は、アルミニウム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)内に嵌合して固定される。図３及び図４に示すように、支持電極(10)を介装体(35)上に設置して、図示しない押圧治具により矢印方向に圧入する。本実施の形態では、部分断面図である図３に示すように、介装体(35)のリード電極(3)側の一端を予め縮径して形成し、又は、テーパ面若しくは傾斜面を形成して装着孔内に係合させておく。或いは、図４に示すように、介装体(35)の全体を円錐形状に形成しても良い。これにより、介装体(35)を容易に位置決めでき且つ支持電極(10)を装着孔(22)内へ円滑に嵌合できる。
介装体(35)は、支持電極(10)の側壁(12)と放熱体(21)の内壁(22a)との隙間よりも大きい厚みを有するが、支持電極(10)よりも硬度が低い。このため、介装体(35)は、圧入の際に支持電極(10)の側壁(12)と装着孔(22)の内壁(22a)とに挟まれて変形する。
具体的には、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う拡大断面図である図２に示すように、装着孔(22)の内壁(22a)により、介装体(35)が内径側へ押圧される。介装体(35)の外周面(35b)が装着孔(22)の内壁(22a)により変形し又は削られると同時に、介装体(35)の内周面(35a)が側壁(12)の外周面(12a)によって押し潰される。介装体(35)の変形により、圧入時の支持電極(10)に伝わる圧縮力を低減し緩和でき、半導体素子(2)へ応力発生の影響を抑制することができる。
更に、側壁(12)のローレット加工の間隙(16)へ介装体(35)が充填されるため、支持電極(10)と介装体(35)との接触面積が増加し、換言すれば、支持電極(10)と放熱体(21)との間に間隙(16)が生じることが無く、良好な放熱効率が得られる。また、支持電極(10)の外径を装着孔(22)の内壁(22a)よりも小さく形成できるので、支持電極(10)を精密に形成する必要がなく、生産性向上等にも繋がる。
続いて、本発明の第２の実施の形態を図５について説明する。
介装体(35)は、第１の実施の形態の図３及び図４のように一端の径を予め縮径して形成されることは無く、平行な筒状に形成される。本第２の実施の形態では、例えば、支持電極(10)の側壁(12)の外径よりも小さい内径及び、放熱体(21)の内壁(22a)の内径よりも大きい外径を有する。具体的には、内径が１０mm〜１２mmに形成され、外径が１２.５mm〜１４mmに形成され、即ち厚みが０.５mm〜４mmに形成されるのが望ましい。
まず、図示しないプレス機等の押圧機械に支持電極(10)を設置して、介装体(35)の内側へ圧入する。支持電極(10)の外側傾斜面(12b)が介装体(35)の内周面(35a)に当接する。次に、支持電極(10)の外側傾斜面(12b)周辺が介装体(35)の内周面(35a)を削ると共に介装体(35)を押し潰しながら、側壁(12)の外周面(12)に介装体(35)が介装される。介装体(35)の内径が支持電極(10)の外径よりも小さく形成されるが、介装体(35)は、支持電極(10)よりも硬度が低いため、介装体(35)を支持電極(10)に装着するときには、半導体素子(2)に応力が発生することは実質的にない。これにより、支持電極(10)の側壁(12)の周囲に介装体(35)が装着された支持体(37)を形成する。
次に、図５に示すように、支持電極(10)及び介装体(35)から成る支持体(37)と支持体(37)内に設置された半導体素子(2)及びリード電極(3)とを、放熱体(21)の装着孔(22)内に圧入する。介装体(35)は、支持電極(10)の側壁(12)と放熱体(21)の内壁(22a)との隙間よりも大きい厚みに形成されるが、本発明では、介装体(35)の硬度が低いため、圧入の際に支持電極(10)の側壁(12)と装着孔(22)の内壁(22a)とに挟まれて介装体(35)が変形する。この結果、本実施の形態でも第１の実施の形態と同様の効果を発揮できる。
本発明の実施態様は前記の実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。支持電極(10)及び放熱体(21)よりも硬度の低い金属を介装体(35)として選択すると、支持電極(10)内の半導体素子(2)にかかる押圧力をより緩和できる。また、介装体(35)の内周面(35a)又は外周面(35b)にローレット加工を施してもよい。更に、支持電極(10)及び放熱体(21)には、ビッカース硬度５５〜２００の金属を使用してもよい。
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の実施の形態を示す断面図 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う部分拡大断面図 本発明による半導体装置を圧入段階を示す断面図 図３の他の実施の形態を示す断面図 第２の実施の形態を示す断面図 従来の圧入型半導体装置を示す断面図 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う拡大断面図である
符号の説明
(2)・・半導体素子、 (3)・・リード電極、 (4)・・樹脂被覆体、 (6)・・ろう材、 (7)・・台部、 (10)・・支持電極、 (11)・・底壁、 (12)・・側壁、 (12a)・・外周面、(12b)・・外側傾斜面、 (14)・・凹部、(16)・・間隙、 (21)・・放熱体（放熱体）、 (22)・・装着孔、 (22a)・・内壁、 (30)・・本発明の半導体装置、 (35)・・介装体、 (35a)・・内周面、 (35b)・・外周面、 (37)・・支持体、 (100)・・従来の半導体装置、

Claims (3)

  1. 金属製の支持電極と、該支持電極上に固定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、前記支持電極の側壁の周囲に設けられる筒状の介装体を介して、放熱体に形成された装着孔内に嵌合され、
    前記介装体は、前記支持電極の硬度よりも低い硬度に形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記金属製の介装体は、前記支持電極及び前記放熱体よりも低い硬度を有する請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記介装体の内径が前記支持電極の側壁の外径よりも小さく、前記介装体の外径が前記放熱体の装着孔の内径よりも大きい請求項１又は２に記載の半導体装置。
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JP2014171367A (ja) * 2013-03-05 2014-09-18 Denso Corp 車両用交流発電機の整流装置

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