JP3159090U

JP3159090U - 半導体装置

Info

Publication number: JP3159090U
Application number: JP2010000991U
Authority: JP
Inventors: 西村保弘; 中井勇介; 山崎信哉
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2010-05-06
Anticipated expiration: 2020-02-18

Abstract

【課題】ベースをフィンに圧入する際に生じるベースのたわみを低減し、電気的特性の劣化を防止して信頼性の高い半導体装置を提供する。【解決手段】ベース１と、ベース１の一方の主面が台状に隆起したチップ搭載面２と、チップ搭載面２を包囲するように設けられた側壁部３を有する。チップ搭載面２には第１の導電性接着剤４を介し、半導体チップ５の一方の主面が固着され、半導体チップ５の他方の主面には、第２の導電性接着剤６を介してリードが固着されている。チップ搭載面の径Ｄ１と凹部の径Ｄ２との比較について、径Ｄ２は径Ｄ１より大きいことが好ましい。【選択図】図１

Description

本考案は半導体装置にかかり、特に半導体装置を放熱板に圧入する際に半導体チップに発生する応力が低減された半導体装置に関する。

半導体チップを固着したベースが放熱体の嵌合フィンに圧入して装着される半導体装置は、例えば下記特許文献１により公知の技術である。このような構造の半導体装置は、凹状のベースと、ベースの一方の主面に導電性接着材によって固着された半導体チップと、半導体チップの上面に導電性接着材によって固着された棒状のリードと、ベースの開口部内に充填され半導体チップおよびリードの一部とを被覆して保護膜として機能する樹脂充填部を有する半導体装置である。

この半導体装置は、半導体チップの固着されたベースが放熱体のフィンに圧入されて使用される。すなわち、凹部を冶具により押圧して、半導体装置をリード側から放熱体のフィンに圧入する。このとき、半導体チップに対し応力が印加され、半導体チップが破壊される事が本技術分野における大きな課題となっている。下記特許文献１においては、
板状の底板と、一方の端部が前記底板の主面又は側面に形成され且つ当該底板の縁部に沿って環状に設けられた側壁部と、前記底板から台状に隆起したチップ搭載部を有するベースと、前記ベースの内部空間に充填された樹脂と、当該チップ搭載部の主面に固着された半導体チップと、前記半導体チップに導電性接着材を介し固着されたリードを有し、前記ベースがフィンに圧入により装着される半導体装置が開示されている。また下記特許文献２においては、ベースの底面にバッファ溝（buffer groove)を設ける半導体装置が開示されている。
特開平5−114678号公報米国特許6894377号公報

しかし前記特許献１においては、実際に当該技術分野において、自動車用オルタネータのフィンに挿入される際、以下の点が考慮されていなかった。

当該技術分野において、半導体装置はベースの底面から押圧される。その際、半導体チップの直下にも押圧による応力が加えられる。応力はベースを伝い半導体チップへ伝播され半導体チップの信頼性に深刻な問題を引き起こす虞があった。

また、放熱フィンの孔の径とベースの径は自動車の振動などにより半導体装置が脱落しないように若干放熱フィンの径が小となっている。そのため前記押圧の際にはベースはハの字状に撓み、半導体チップに応力を伝播し、同じく信頼性に問題を引き起こす虞があった。

本考案の考案者はこれらの問題を鋭意検討し、信頼性の高い半導体装置を実現するための各部位の最適な寸法比を求めるに至った。本考案は応力の印加を効果的に防止し、追加の部材なく安価で、かつ信頼性の高い半導体装置を実現するためのものである。

本考案の半導体装置は、図１に示すようにベース１と、ベース１の一方の主面が台状に隆起したチップ搭載面２と、チップ搭載面２を包囲するように設けられた側壁部３を有する。

前記チップ搭載面２には第１の導電性接着剤４を介し半導体チップ５の一方の主面が固着され、半導体チップ５の他方の主面には第２の導電性接着剤６を介してリード７が固着されている。

またベース底部８には、図６に示すように本考案の半導体装置を図１の矢印Ｘ方向から見た図において、ベース１の底面８の相似円形状の凹部１１が形成されている。凹部１１の直径は本考案の図面においてＤ２で示す径である。

ベース１、つまりチップ載置面２は銅を主成分とする金属により一体に形成され、チップ搭載面２と側壁部３が形成する凹状の空間には樹脂が充填され、樹脂充填部９を形成する。

また本考案の技術範囲において、本半導体装置は自動車用オルタネータのフィン１０に形成されたフィンに機械的に嵌合される。その際にはベース底部側からが機械的な応力が印加される。

本考案は、チップ搭載面２の径Ｄ１と前述の凹部１１の径Ｄ２を、圧入時のベースのたわみを防止する観点から比率を最適化したものであり、最適化の内容は以下の通りである。

請求項１に記載の考案におけるチップ搭載面２の径Ｄ１と凹部１１の径Ｄ２との比較について、径Ｄ２は径Ｄ１より大きな事が好ましい。図５は本考案のＤ１及びＤ２の径の関係がベースたわみに与える影響を実験したグラフである。

本考案の属する技術分野において、上記特許文献２のように小さな溝、もしくはチップ搭載面２の径Ｄ１と凹部１１の径Ｄ２と比率が８０％程度の先行例が散見されている。本実験結果においてはベースたわみは約9μｍであり、たわみで発生したベース１及び樹脂封止部９を介して半導体チップ５に伝達される。これは半導体チップ５にクラックを生じさせ、整流装置としての機能を消失させるに充分なたわみ量であり、半導体装置の設計として好ましくない。

Ｄ２がＤ１の９０％の径である場合ベースたわみは約8μｍであり、Ｄ２がＤ１の１００％、つまりＤ１＝Ｄ２である場合ベースたわみは約6μｍであり、８０％の径である場合から５０％の改善効果がみられる。

しかし、以降Ｄ２がＤ１の１１０％の径、以降Ｄ２がＤ１の１２０％の径とＤ２の径を順次大きくした結果、改善効果は漸進的である事が判明した。また、これ以上Ｄ２の径を大きくした場合はベース底部８の凹部１１ではない領域の面積が極小化し、製品搬送やフィンへの挿入時の押圧部減の面から好ましくない。

そのため、本実験結果に基き本考案者はチップ搭載面２の径Ｄ１と凹部１１の径Ｄ２との比較について、径Ｄ２は径Ｄ１より大きな事が好ましく、さらに好ましくはＤ２がＤ１の１００％から１１０％の径とすることが半導体装置の信頼性の面から適切であるという結論に至った。

本考案の第１の実施例における半導体装置は、図１に示すように板状の底板１４と、一方の端部が前記底板１４の主面又は側面に形成され且つ当該底板１４の縁部に沿って環状に設けられた側壁部１３と、前記底板から台状に隆起したチップ搭載部２を有するベース１と、前記ベース１の内部空間に樹脂が充填された樹脂充填部９と、当該チップ搭載部２の主面に固着された半導体チップ５と、前記半導体チップ５に第２の導電性接着材６を介し固着されたリード７を有し、前記ベースがフィン１０に圧入により装着される半導体装置である。

ベース１は円筒状の銅を主成分とした銅合金インゴット (図示しない)をプレス加工し凹部を成型する方法や、銅合金インゴットをドリルなどで刳り貫く事で形成される。溝部１２の形成についても、前記工程と同時に行われる事が工数の削減の観点から望ましい。

側壁部３のフィン１０と接する部位３には高さ方向にスリットが設けられていても良い。側壁部にスリットが設けられる事でフィン１０に対する半導体装置の嵌合の際に指向性を持って装着されるため比較的少量の力で圧入する事が出来、作業者の負担が軽減される。

側壁部３とフィン１０との強固な固着を求める場合においては側壁部３のフィン１０と接する部位にローレット加工を施しても良い。ローレット文様は菱、四角、丸などが好適で形状が限定される性格のものではない。何れの形状にせよフィンへの嵌合時により良好にフィンを切除できるため、強固な固着を実現する事が出来る。

第１の導電性接着材４及び第２の導電性接着材６について本考案の属する技術分野においては、半導体装置は主に自動車用オルタネータ用ダイオードとして使用されるため、該半導体装置は高温下、例えば２２０℃の雰囲気下で使用される。そのため本考案においては高温の雰囲気下においても品質の劣化が進みにくい導電性接着材を選択する事が望ましい。

また、本考案の属する技術分野においては鉛を含有した半田が用いられるがそれ限定される性格のものではなく鉛を含有しない半田、いわゆる鉛フリー半田を用いても良い。その場合は鉛を含まないという点で環境に配慮した半導体装置という商品価値を創出する事が出来る。

半導体チップ５は例えばＳｉ(シリコン)により形成されたダイオードであるが種類が限定されるのもではない。トランジスタ装置、サイリスタ装置、集積回路等種々の半導体装置にも本考案を同様に適用できることは明らかであり、Ｓｉに限らずＳｉＣ（シリコンカーバイト)やＧａＮ(窒化ガリウム)などのいわゆるワイドギャップ半導体により構成されても良い。

また、半導体チップの形状は４角形、６角形、円形、略円形など様々な形状が適用できる。

リード７は銅などの導電性金属材料によって形成されており、樹脂充填部９は例えばエポキシ樹脂により形成されている。本考案の属する技術分野においては、半導体装置は主に自動車用オルタネータ用ダイオードとして使用されるため、該半導体装置は高温下で使用される。

そのため樹脂充填部９は高温に耐える事が必要であり、本考案においても樹脂充填部９は高温の雰囲気下においても品質の劣化が進みにくい樹脂を選択する事が望ましい。当該技術分野において、フィン１０は放熱性の高いアルミニウムや銅の板材から形成される場合や、異形状が容易に形成できるアルミダイキャストを使われる場合が多い。

本考案に関するＤ１とＤ２の比率は様々なベース１の形状に適用可能である。図２に示すように前記周辺部の一部が切除され周辺部に異なる径の部位が存在する半導体装置、図３に示すようにリード７の径が半導体チップの径(幅)よりも大きな半導体装置、さらに図４に示すように板状の底板１４と、一方の端部が前記底板１４の主面又は側面に形成され且つ当該底板１４の縁部に沿って環状に設けられた側壁部１３と、前記底板から台状に隆起したチップ搭載部２を有するベース１と、ベース１の一方の主面が台状に隆起したチップ搭載面２と、チップ搭載面２を包囲するように設けられた樹脂リング１３を有し、前記チップ搭載面２には第１の導電性接着剤４を介し半導体チップ５の一方の主面が固着され、半導体チップ５の他方の主面には第２の導電性接着剤６を介してリード７が固着されている半導体装置においても本考案の比率は好適に機能し、半導体装置の信頼性の向上に寄与する事ができる。

また、本考案へ至る実験結果が示すように、Ｄ２がＤ１の１００％から１１０％が好適であるという点は必ずしも本考案の思想を限定するものではない。様々な条件により例えばＤ２がＤ１の１０５％、１２０％の径となったとしても、凹部によりベースの撓みを抑制するという本考案の目的は達成される。

は本考案による半導体装置の断面図である。は本考案の第２の実施例による半導体装置の断面図である。は本考案の第３の実施例による半導体装置の断面図である。は本考案の第４の実施例による半導体装置の断面図である。は本考案のＤ１とＤ２の径の比率を示した実験グラフである。は図１において矢印Ｘの方向から見た図である。

１、ベース
２、チップ搭載面
３、側壁部
４、第１の導電性接着材
５、半導体チップ
６、第２の導電性接着材
７、リード
８、ベース底部
９、樹脂充填部
１０、フィン
１１、凹部
１２、溝部
１３、樹脂リング
１４、底板

Claims

板状の底板と、一方の端部が前記底板の主面又は側面に形成され且つ当該底板の縁部に沿って環状に設けられた側壁部と、前記底板から台状に隆起したチップ搭載部を有するベースと、前記ベースの内部空間に充填された樹脂と、当該チップ搭載部の主面に固着された半導体チップと、前記半導体チップに導電性接着材を介し固着されたリードを有し、前記ベースがフィンに圧入により装着される半導体装置において、前記ベースの底部に凹部が設けられ、かつ前記凹部の径はチップ搭載部の径以上である事を特徴とした半導体装置。
前記チップ搭載部の径と前記凹部の径との比率が1:1から1:1.1の範囲内である事を特徴とした請求項１に記載の半導体装置
前記リードの径が前記半導体チップの径よりも大である事を特徴とした請求項１に記載の半導体装置
前記チップ搭載部を包囲するように樹脂リングが搭載されている事を特徴とした請求項１に記載の半導体装置。