JP2010080482A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリなどの電源を逆接続した場合の異常過熱を防止す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５２４とを備えており、リード５２０は、横断面の面積が他の部位よりも減少する凹部５２２を有している。
【選択図】図３

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。熱疲労寿命向上のために、ディスクと整流素子の間に半田の応力緩和の目的でＣＩＣ（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｃｎ）などの緩衝材を介在させる構造も知られている。

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高温度化している。半導体装置は内部に半田を使用しているため、高温での使用は、半田の熱疲労寿命の低下などの弊害をもたらす。また、冷却風を増やすことにより半導体装置の冷却性を向上させることができるが、冷却風を増すとファン音の増加などの弊害が発生する。

半田の熱疲労寿命を向上させる従来技術としては、フィラーを含む樹脂によって封止材を形成することで半導体装置内の半田の熱応力を低減するようにした構造が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。
特開平９−２８９２７０号公報（第２−３頁、図１−２） 特開平７−１６１８７７号公報（第３頁、図１−２）

ところで、上述した特許文献１、２に開示された構造では、半導体装置の温度の冷熱の繰り返しなどで封止材の樹脂がリードなどから剥離するおそれがある。シリコンゴムに比べて柔軟性が低い樹脂の場合にこの傾向は顕著である。また、車両用交流発電機にバッテリなどの電源を逆に接続した場合、整流素子に過大な電流が流れるため、封止材の樹脂や半導体装置周辺の部品が異常過熱して不具合が発生するおそれがある。

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、バッテリなどの電源を逆接続した場合の異常過熱を防止することができる半導体装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、封止材がリードから剥離しにくい半導体装置を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、上記目的を達成する半導体装置の製造コストを安価にすることにある。

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、リードは、ヘッド部を除く横断面の面積が他の部位よりも減少する凹部を有している。リードの一部に断面積が減少する凹部を形成することにより、半導体装置に過大な電流が流れる際に凹部を溶融切断することが可能となり、バッテリなどの電源を逆接続した場合の異常発熱の発生を防止することができる。

また、上述した凹部は、封止材の外部に形成されていることが望ましい。これにより、過大な電流による凹部の溶融切断を容易に確認することができる。

また、上述した凹部は、封止材により覆われていることが望ましい。これにより、凹部内部に封止材が充填された状態となるため、半導体装置の温度の冷熱が繰り返された場合であっても封止材がリードから剥離しにくくなる。

また、上述した封止材は、熱硬化性樹脂材であることが望ましい。これにより、半導体装置の温度の冷熱が繰り返されても、凹部内部に熱硬化性樹脂材が充填されることとあいまって、さらにリードと剥離しにくくなる。

また、上述した凹部の断面積は、ヘッド部を除く他の部位の断面積の１／２以下であることが望ましい。これにより、凹部とそれ以外の部位の断面積の比を大きくすることにより、過大な電流が流れる際の凹部の発熱量を増して溶断しやすくすることができるとともに、凹部を封止材で覆った場合にはさらに封止材がリードから剥離しにくくすることができる。

また、上述した凹部は、縦断面が円弧形状であることが望ましい。これにより、凹部における応力集中を低減し、この部位において、さらに封止材がリードから剥離しにくくすることができる。

また、上述した凹部の横断面は、少なくとも１つの直線で外郭形状を分割した形状であることが望ましい。これにより、凹部形成をシェービングなどの簡易加工によって形成できるので、製造コストをより安価にできる。

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に示した正極側整流素子５４の断面図である。図３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フィラーを含有する熱硬化性樹脂からなる封止材５２４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。また、封止材５２４は、フィラーを含有する樹脂によって形成されているものとしたが、後述するように、本願発明の特徴はリード５２０の形状にあるため、フィラーが含まれない樹脂やシリコンゴム等によって封止材５２４を形成するようにしてもよい。

ところで、上述したリード５２０は、横断面の面積が他の部位よりも減少する凹部５２２を有している。例えば、凹部５２２の横断面積Ｓ１は、他の部位の断面積Ｓの１／２以下（Ｓ１≦（１／２）Ｓ）となるように設定されている。また、凹部５２２の全体が封止材５２４によって覆われており、凹部５２２の内部に入り込んだ状態で封止材５２４が充填されている。なお、凹部５２２は、リード５２０が円形断面であるときに必ずしも同心円の円形断面である必要はない。例えば、リード５２０に外周側の１箇所あるいは複数箇所を凹ませて断面積が減少するようにしてもよい。また、図３に示す例では、凹部５２２は、その他の部位に対して矩形形状に凹ませているが、凹部５２２における応力集中を避けるために、図６に示すように、縦断面を円弧形状に凹ませるようにしてもよい。

このように、本実施形態の整流装置５に用いられる正極側整流素子５４（負極側整流素子５５も同様）のリード５２０は、横断面の面積が他の部位よりも減少する凹部５２２を有している。リード５２０の一部に断面積が減少する凹部５２２を形成することにより、半導体装置としての正極側整流素子５４に過大な電流が流れた際にリード５２０の凹部５２２を溶融切断することが可能となり、バッテリなどの電源を逆接続した場合の異常発熱の発生を防止することができる。

特に、凹部５２２全体を封止材５２４により覆うことにより、凹部５２２内部に封止材５２４が充填された状態となるため、正極側整流素子５４の温度の冷熱が繰り返された場合であっても封止材５２４がリード５２０から剥離しにくくなる。

また、凹部５２２の断面積Ｓ１を他の部位の断面積Ｓの１／２以下とし、これらの断面積の比を大きくすることにより、過大な電流が流れる際の凹部５２２の発熱量を増して溶断しやすくすることができるとともに、凹部５２２を封止材５２４で覆った際にさらに封止材５２４がリード５２０から剥離しにくくすることができる。

図５は、Ｓ１／Ｓと発熱の関係を示す図である。通常、リード５２０の直径Φは１〜２ｍｍ程度で、正常時にリード５２０に流れる電流は、数十Ａである。しかし、バッテリなどの電源を逆接続した場合の異常発熱を発生する時のリード５２０に流れる電流は、数百Ａとなるため、Ｓ１／Ｓ≦１／２になると、凹部５２２の発熱が急激に増え、凹部５２２を溶融切断することが容易となる。

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、凹部５２２を封止材５２４で覆うようにしたが、封止材５２４の外部に凹部５２２を形成するようにしてもよい。図４は、封止材５２４の外部に凹部５２２を形成した半導体装置の変形例を示す断面図であり、変形例の正極側整流素子５４Ａの断面形状が示されている。この正極側整流素子５４Ａは、図３に示した正極側整流素子５４に対して、凹部５２２の位置を封止材５２４の内部から外部に変更した点が異なっている。凹部５２２を封止材５２４の外部に形成した場合には、封止材５２４をリード５２０から剥離しにくくする効果はないが、過大な電流が流れた際にリード５２０の凹部５２２を溶融切断できる効果に変わりはない。また、凹部５２２が溶融切断されたことを容易に確認することができる。

また、上述した凹部５２２の横断面は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、少なくとも１つの直線で外郭形状を分割した形状であることが望ましい。図７（ａ）はリード５２０が丸断面の線の場合であり、図７（ｂ）はリード５２０が平角断面の線の場合である。これにより、凹部形成をシェービングなどの簡易加工によって形成することができるので、製造コストをより安価にできる。

また、上述した実施形態では、リード５２０に２箇所の凹部５２２を形成するようにしたが（図３、図４）、凹部５２２は１箇所あるいは３箇所以上に形成するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、整流装置５の各放熱板に形成した貫通した取付孔に整流素子を圧入したが、貫通しない凹部を設けておいて、この凹部に整流素子を圧入するようにしてもよい。また、上述した実施形態では、車両用交流発電機の整流装置に用いられる整流素子について説明したが、その他の用途に用いられる整流素子を含む各種の半導体装置に本発明を適用することができる。

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に示した正極側整流素子の断面図である。 封止材の外部に凹部を形成した半導体装置の変形例を示す断面図である。 Ｓ１／Ｓと発熱の関係を示す図である。 リードに形成された凹部の変形例を示す斜視図である。 リードに形成された凹部の変形例を示す斜視図である。

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
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 凹部
５２４ 封止材

Claims (7)

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、
   前記リードは、前記ヘッド部を除く横断面の面積が他の部位よりも減少する凹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、
   前記凹部は、前記封止材の外部に形成されていることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１において、
   前記凹部は、前記封止材により覆われていることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項３において、
   前記封止材は、熱硬化性樹脂材であることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記凹部の断面積は、前記ヘッド部を除く他の部位の断面積の１／２以下であ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、
   前記凹部は、縦断面が円弧形状であることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記凹部の横断面は、少なくとも１つの直線で外郭形状を分割した形状であることを特徴とする半導体装置。

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