JP2010010503A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性能を十分に確保し、かつ、接合材に発生する熱応力を低減することで、接合材の熱疲労を抑制できる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体チップ１と、半導体チップ１の下側に第一の接合材２を介して接合された導電性を有するベース電極３と、半導体チップ１の上側に第二の接合材４を介して接合された導電性を有するリード電極５と、半導体チップ１とベース電極３の膨張量差に起因して発生する第一の接合材２の応力を低減するための第一の応力緩衝材６とからなる半導体装置において、第一の接合材２の下面にベース電極３と第一の応力緩衝材６が各々直接接触する領域を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置、特に車両用回転発電機の整流装置に関する。

車両用回転発電機の整流装置は、一般的に、整流機能を有する半導体チップと、導電性を有するリード電極及びベース電極と、これらを接合するはんだを積層し、半導体チップ周辺をシリコーンゴムなどの樹脂で封止した構造となっている。

車両用回転発電機が動作すると、本整流装置には大電流が流れるため半導体チップが発熱し、半導体チップと、周辺のはんだ，リード電極及びベース電極は最高で２００℃以上の高温になる。車両用回転発電機が停止すると電流も停止し、本整流装置は周囲環境温度まで冷却される。車両用回転発電機は長期に渡って動作と停止を繰り返すため、本整流装置には加熱による膨張と冷却による収縮が繰り返される。このとき、半導体チップとリード電極，ベース電極の線膨張係数が異なるため、これらを接合するはんだには熱応力が発生する。この熱応力が原因で、はんだに疲労き裂が発生，進展し、最終的には本半導体装置が破壊に至る不具合が生じ得る。はんだの熱応力を低減する構造としては、例えば特許文献１に示されるような、半導体チップとリード電極の間、半導体チップとベース電極の間に、線膨張係数が半導体チップの線膨張係数より大きく、かつ、リード電極，ベース電極材料の線膨張係数よりも小さい材料からなる応力緩衝板を設け、これら応力緩衝板をそれぞれはんだにより半導体チップとリード電極，半導体チップとベース電極に接合する整流装置が提案されている。

米国特許第４３４９８３１号

近年の急速な自動車の電装化に伴い、車両用回転発電機の電力容量は増加傾向にある。それに伴い、本整流装置における半導体チップの発熱量が増加し、はんだ熱応力も増加すると予想される。

これに対し、今後も従来製品と同等以上の信頼性を確保していくには、これまで以上にはんだの熱応力を低減し、熱疲労を抑制する必要がある。

はんだの熱応力を低減する手段としては、半導体チップで発生した熱を周囲へ逃がしやすい構造とし、はんだへ加わる温度振幅を小さくすること、または、大きな温度振幅下でも、はんだの熱応力が小さくなる構造にすることが考えられる。

上記従来技術では、応力緩和の効果を得るために、半導体チップとリード電極、および半導体チップとベース電極の間にそれぞれ応力緩衝板を設けている。しかし、この構造の場合、応力緩衝板と、この応力緩衝板をリード電極及びベース電極へ接合するための接合材層が増えるため、放熱性能が低下してしまう。

本発明は、上記従来技術の課題を鑑み、放熱性能を維持しつつ応力緩和性能を達成することにより、はんだの熱応力を低減し、熱疲労を抑制する半導体装置を提供することを目的とする。

本発明は、ベース電極と、前記ベース電極に第一の接合材を介して設置される整流機能を有する半導体チップと、前記半導体チップの上側に第二の接合材を介して接続され、リードに連絡するリード電極と、前記第一の接合材の応力を低減する第一の応力緩衝材とを有し、前記第一の接合材の前記ベース電極側の面に、前記ベース電極と前記第一の応力緩衝材がそれぞれ直接接触する領域を設け半導体装置を構成したことに特徴がある。

本発明によれば、ベース電極と、半導体チップとベース電極を接合する接合材の応力を低減する応力緩衝材とが、接合材のベース電極側の面に直接接触する領域が形成されるため、放熱性能及び応力緩和性能の双方を良好に達成可能となる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の第一の実施例における半導体装置の断面図である。図１に示す半導体装置は、半導体チップ１，第一の接合材２，凸部３ａと壁部３ｂを有するベース電極３，第二の接合材４，リード部５ａを有するリード電極５，第一の応力緩衝材６，第三の接合材７，応力緩衝板９，第四の接合材１０等を含んで構成されている。

ベース電極３の凸部３ａと第一の応力緩衝材６は、半導体チップ１下側の第一の接合材２下面に各々直接接触するように接合されている。

図２は、図１に示した本発明の第一の実施例である半導体装置のＩ−Ｉ線断面図である。ベース電極３の凸部３ａは、円柱形状を有しており、第一の応力緩衝材６はベース電極３の凸部３ａの外側に配置され、凸部３ａの外周を覆うよう環状形状をなしている。凸部３ａ及び第一の応力緩衝材の断面形状は円である。

第一の応力緩衝材６は、ベース電極凸部３ａに対し圧入により嵌められているため、半導体チップに対しおよそ垂直な面において、ベース電極凸部３ａと直接接触している。

即ち、円柱形状の凸部３ａの外周面と、環状をなす第一の応力緩衝材６の内周面とは直接接触している。また、半導体チップに対しておよそ平行な面においては、第一の応力緩衝材６とベース電極３は第三の接合材７を介して接合されている。即ち、第一の応力緩衝材６のうち半導体チップ１と反対側の面（ベース電極３側の面）とベース電極３は第三の接合材７により接合されている。

半導体チップ１の上側には、半導体チップ１とリード電極５の間の接合材の応力を緩和するための応力緩衝板９が第二の接合材４を介して接合され、さらに応力緩衝板９の上側には第四の接合材１０を介してリード電極５が接合されている。

ベース電極３の壁部３ｂの内側は封止樹脂８で封止している。ここでは、封止樹脂８としてシリコーンゴムを用いている。

第一の接合材２，第二の接合材４，第三の接合材７，第四の接合材１０には、鉛フリーはんだであるＳｎ−Ｃｕ系はんだを用いている。第一の応力緩衝材６と応力緩衝板９の線膨張係数は３×１０^-6／℃以上であり、かつ、１２×１０^-6／℃以下であることが必要であり、ここでは、Ｍｏ（モリブデン、線膨張係数５.１×１０^-6／℃）を用いている。他にＷ（タングステン，線膨張係数４.５×１０^-6／℃），Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金（通称４２アロイ，線膨張係数５×１０^-6／℃），ＣＩＣ（Ｃｕ−Invar−Ｃｕの積層材、Invar線膨張係数２.８×１０^-6／℃，Ｃｕ線膨張係数１６.５×１０^-6／℃），ＰＣＭ（ＣｕとＭｏの複合材，等価線膨張係数７.３×１０^-6／℃）等を用いても同様の効果を得ることができる。また、応力緩衝材６と応力緩衝板９の材質は同じである必要はない。

以下では、本実施例の効果を従来の半導体装置との比較において説明する。図７は、従来の半導体装置の断面図である。図中図１に示される本発明の一実施例と同等の部材には同一の符号を付している。従来の半導体装置は、ケース電極３に第三の接続材７を介して第一の応力緩衝板１２を配し、この第一の応力緩衝板１２上に第一の接合材２を介して半導体チップ１を配し、半導体チップ１上に第二の接合材４を介して第二の応力緩衝板１３を配し、第二の応力緩衝板１３上に第四の接合材１０を介してリード電極５を配し、封止樹脂８にて封止した構造を有している。

図８は、従来の半導体装置と、本発明の第一実施例における半導体装置の通電時の条件下での接合材のき裂面積率と半導体チップ温度の関係を表す図である。ここでいう接合材のき裂面積率とは、疲労き裂の面積を初期の接合面接で除した値であり、通電状態を模擬した熱伝導解析を行い得られた結果を図面化したものである。尚、実際の使用環境下においては、半導体チップの上下の接合材には疲労き裂が進展しにくいため、ここでは、それ以外の接合材にのみき裂をモデル化している。また、半導体チップ下側の第一の接合材下面における、第一の応力緩衝材の外径とベース電極の外径の比は５：３としている。半導体チップ温度を計算する熱伝導解析条件は、半導体チップに３５Ｗの損失を発生させ、ベース電極が５０℃から１８０℃になるように加熱するものとした。結果、従来の半導体装置と本発明の第一の実施例を比較した場合、初期の半導体チップ温度に大差はないが、接合材のき裂面積率が増加した場合は、従来の半導体装置に比べ本発明の第一の実施例では半導体チップ温度が低く、放熱性能の低下が少ない、即ち、放熱性が維持されていることが分かる。

図９は、従来の半導体装置と本発明の第一の実施例について、通電時の条件下で接合材に発生する応力を比較した図である。ここでは、通電時の条件下で第一の接合材２に発生する相当塑性ひずみを比較しており、各部のひずみが従来の半導体装置と本発明の第一の実施例とで同等であることが確認できる。以上より、本発明の第一の実施例は、従来の半導体装置と比較して、高い放熱性能を有し、同等のひずみ緩和性能を有していることが確認できる。なお、本発明は、上記の形態に限られるものではなく、以下の形態にても実現できる。

上述の第一の実施例においては、図１で説明したとおり半導体チップ１の上側に応力緩衝板９を配しているが、必ずしも応力緩衝板９が必要であるとは限らない。

また、第一の実施例では、図１で説明したとおりベース電極３が壁部３ｂを有しているが、必ずしも壁部３ｂが必要であるとは限らない。

また、上記第一の実施例では、図１で示したとおり第一の応力緩衝材６がベース電極壁部３ｂに接触していないが、第一の応力緩衝材６とベース電極壁部３ｂが接触していてもよい。

また、第一の実施例では、図１で説明したとおり半導体チップ１に水平方向においては、ベース電極３と第一の応力緩衝材６が第三の接合材３を介して接合されているが、ベース電極３と第一の応力緩衝材６が接合材を介することなく直接接触するよう構成してもよい。

図３は、本発明の第一の実施例である半導体装置のベース電極凸部と応力緩衝材の変形例を示すＩ−Ｉ線断面図であるベース電極凸部３ａおよび第一の応力緩衝材６の断面形状は必ずしも円である必要はない。またベース電極凸部３ａの数についても必ずしも１つである必要はない。図３に示すように、凸部３ａはベース電極３の底部より半導体チップ１側に立ち上がる複数の柱状の形状を有し、これら複数の凸部３ａの外周を覆うように第一の応力緩衝材６が設置されていればよい。

図４は、本発明の第一の実施例である半導体装置のベース電極凸部と応力緩衝材の他の変形例を示すＩ−Ｉ線断面図である。ベース電極凸部３ａと第一の応力緩衝材６とを、中心から外側に向かって同心円状に交互に配置してもよい。

図３又は図４に示す構造を用いても、上記と同様の効果を得ることができる。

図５は、本発明の第二の実施例における半導体装置の断面図である。図１との相違点は、半導体チップ１の上側に、応力緩衝板９ではなく第二の応力緩衝材１１を配置し、リード電極５と第二の応力緩衝材１１は、半導体チップ１上側の第二の接合材４の上面に各々直接接触するように接合されている点である。これにより、半導体チップ１上下の接合材である第一の接合材２，第二の接合材４の応力緩和性能を確保しながら、ベース電極３側からの放熱性能だけでなく、リード電極５からの放熱性能も確保することができる。

図６は、本発明の第二の実施例である半導体装置のベース電極の変形例を示す断面図である。ベース電極３は必ずしも凸部３と壁部３ｂを有する必要はない。

本発明の第一の実施例における半導体装置の断面図である。 図１に示した本発明の第一の実施例である半導体装置のＩ−Ｉ線断面図である。 本発明の第一の実施例である半導体装置のベース電極凸部と応力緩衝材の変形例を示すＩ−Ｉ線断面図である。 本発明の第一の実施例である半導体装置のベース電極凸部と応力緩衝材の他の変形例を示すＩ−Ｉ線断面図である。 本発明の第二の実施例における半導体装置の断面図である。 本発明の第二の実施例である半導体装置のベース電極の変形例を示す断面図である。 従来の半導体装置の断面図である。 従来の半導体装置と、本発明の第一の実施例における半導体装置の通電時の条件下での接合材のき裂面積率と半導体チップ温度の関係を表す図である。 従来の半導体装置と本発明の第一の実施例について、通電時の条件下で接合材に発生する応力を比較した図である。

符号の説明

１ 半導体チップ
２ 第一の接合材
３ ベース電極
３ａ 凸部
３ｂ 壁部
４ 第二の接合材
５ リード電極
５ａ リード
６ 第一の応力緩衝材
７ 第三の接合材
８ 封止樹脂
９ 応力緩衝板
１０ 第四の接合材
１１ 第二の応力緩衝材
１３ 第二の応力緩衝板

Claims (10)

1. ベース電極と、
   前記ベース電極に第一の接合材を介して設置される整流機能を有する半導体チップと、
   前記半導体チップの上側に第二の接合材を介して接続され、リードに連絡するリード電極と、
   前記第一の接合材の応力を低減する第一の応力緩衝材とを有し、
   前記第一の接合材の前記ベース電極側の面に、前記ベース電極と前記第一の応力緩衝材がそれぞれ直接接触する領域を設けたことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１において、前記ベース電極の前記半導体チップ搭載側の面に凸部を設け、当該凸部が前記第一の接合材の前記ベース電極側の面と直接接触することを特徴とする半導体装置。
3. 請求項２において、前記ベース電極の凸部は円柱形状をなし、前記第一の応力緩衝材は前記凸部の周囲を覆うよう同心円状に配置される環状形状を有し、前記凸部の外周面と前記第一の応力緩衝材の内周面は直接接触していることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１において、前記ベース電極の前記半導体チップ搭載側の面に複数の柱状の凸部を有し、前記複数の凸部の外周面を囲むよう前記第一の応力緩衝材が配置されることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１において、前記第一の接合材下面の面内で、前記ベース電極の外側に前記第一の応力緩衝材が配置されることを特徴とする半導体装置。
6. 周辺部に壁部を有するベース電極と、
   前記ベース電極に第一の接合材を介して設置される整流機能を有する半導体チップと、
   前記半導体チップの上側に第二の接合材を介して接続され、リードに連絡するリード電極と、
   前記第一の接合材の応力を低減する第一の応力緩衝材と、
   前記第二の接合材の応力を低減する第二の応力緩衝材とを有し、
   前記第一の接合材の前記ベース電極側の面に、前記ベース電極と前記第一の応力緩衝材がそれぞれ直接接触する領域を設け、
   前記第二の接合材の前記リード電極側の面に、前記リード電極と前記第二の応力緩衝材がそれぞれ直接接触する領域を設けたことを特徴とする半導体装置。
7. 請求項６において、前記第一の応力緩衝材及び前記第二の応力緩衝材の線膨張係数は、３×１０^-6／℃以上であり、かつ、８×１０^-6／℃以下であることを特徴とする半導体装置。
8. 請求項６又は７において、前記第一の応力緩衝材及び前記第二の応力緩衝材が、Ｍｏ，Ｗ、あるいはＦｅ−Ｎｉ合金であることを特徴とする半導体装置。
9. 請求項６又は７において、前記第一の応力緩衝材と前記第二の応力緩衝材が、Ｍｏ，Ｗ，Ｆｅ−Ｎｉ合金のいずれかとＣｕからなる複合材であることを特徴とする半導体装置。
10. 請求項１から９のいずれかにおいて、前記第一の接合材及び前記第二の接合材は鉛を含まず、錫と銅を主要構成元素とする合金材料で、銅の重量比が５％以下で構成されていることを特徴とする半導体装置。

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