JP3945285B2

JP3945285B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP3945285B2
Application number: JP2002078955A
Authority: JP
Inventors: 滋和片岡
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: JP2003282800A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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、バッテリへ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源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整流素子には大電流が流れるため、発電時と非発電時の温度差が大きくなり、このような熱サイクルによって、半導体チップを半田付けしている半田にクラックが生じやすくなる。
【０００３】
一般的な整流素子としての半導体装置は、カップ状のディスク部に半導体チップが半田付けされ、さらにリード線を引き出した状態で絶縁樹脂で封止されている。このディスク部の材質は、半導体チップの放熱性を考えて、通常は熱伝導率の良好な銅などの金属材料が用いられる。ディスク部と半導体チップの熱膨張差が大きいため、このような構造では、半導体装置の周囲温度が変化したときに、ディスク部と半導体チップとの間に介在する半田にかかる応力が大きくなる。しかも、この半田にかかる応力は、外周部が中央部に比べて大きいため、熱膨張差によって生じるクラックは外部から入り始め、徐々に内部に広がっていく。このようにして半田にクラックが生じると、半導体チップの放熱性が悪くなり、半導体チップの限界温度を越えると半導体装置が故障に至るおそれがある。
【０００４】
このような半導体装置の故障を防止する従来技術として、ディスク部と半導体チップの熱膨張差を緩和する緩衝板をこれらの間に配置して半田付けを行う手法が知られている。この緩衝板は、熱膨張係数がディスク部と半導体チップの中間の材質のものが選ばれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した緩衝板を用いる従来手法では、ディスク部と半導体チップの間の半田にかかる応力を低減することはできるが、半導体チップの放熱性の面ではこの緩衝板が障害となり、緩衝板がない場合に比べて放熱性が悪化するという問題があった。この緩衝板の材質は、上述したように熱膨張係数が適当な値を有しているものの中から選定されるが、同時に熱伝導率も極力高いものが選定される。例えば、緩衝板の材質は、ＣＩＣ（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｃｕのクラッド材）やＦｅ、Ｗｏ、Ｗ等が用いられる。しかし、このように熱伝導率が高い緩衝板を選定した場合であっても、この緩衝板をディスク部と半導体チップの間に配置することにより、半導体チップの放熱性が悪化することは避けられない。
【０００６】
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、半田に生じるクラックを防止するとともに半導体チップの放熱性を向上させることができる半導体装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップが半田付けされるディスク部と、半導体チップとディスク部との間の半田層内に配置された貫通穴を有する緩衝板とを備えている。緩衝板を備えることにより、半導体チップの外周部の半田に発生するクラックを防止することができる。しかも、緩衝板に貫通穴を設けることにより、半導体チップとディスク部とがその間の半田層を介して接するようになるため、半導体チップで発生した熱を半田層を介してディスク部に直接伝達することが可能になり、半導体チップの放熱性を向上させることができる。
【０００８】
また、上述した緩衝板の貫通穴は、半導体チップの外形よりも小さいことが望ましい。半導体チップよりも小さな貫通穴を緩衝板に形成することにより、貫通穴の外側、すなわち半導体チップの外周部に対応する半田層に生じるクラックを有効に防止することができる。
【０００９】
また、上述した緩衝板の貫通穴は、半導体チップよりも小さく、かつ、半導体チップと相似形状を有していることが望ましい。これにより、半導体チップの外周部の全域にわたって、対応する半田層に生じるクラックの発生を防止することができ、しかも、クラックの発生防止の効果を維持しつつ最大の貫通穴を確保して半導体チップの放熱性をさらに向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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とを含んで構成されている。整流装置５の詳細については後述する。
【００１３】
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。
【００１４】
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１２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。
【００１５】
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。また、図３は図２に示した整流装置５を裏側から見た平面図である。図４は、整流装置５の部分的な断面図である。なお、以下では主に負極側放熱板５３と整流素子５５について説明するが、正極側放熱板５２と整流素子５４についても同様であり、詳細な説明は省略する。
【００１６】
図４に示すように、負極側放熱板５３には、整流素子５５を半田や超音波溶着等によって接合するために４箇所に凹部５６が形成されている。これらの凹部５６は、その直径が、整流素子５５の外径よりも大きな値に設定されている。
図５は、整流素子５５の詳細構造を示す断面図である。図５に示すように、整流素子５５は、ディスク部１５０、半田層１５２、緩衝板１５４、半導体チップ１５６、半田層１５８、リード１６０を含んで構成されている。ディスク部１５０は、カップ形状を有しており、カップ底面が半導体チップ１５６を接合する半田付け面となる。例えば本実施形態では、ディスク部１５０は、熱伝導性に優れた銅材料によって形成されている。緩衝板１５４は、貫通穴１５４ａが中央に形成されており、ディスク部１５０と半導体チップ１５６の間に配置される。この貫通穴１５４ａは、半導体チップ１５６の外形よりも小さく、しかも半導体チップ１５６と相似形状を有しており、貫通穴１５４ａ外周の緩衝板１５４が部分的に半導体チップ１５６の外周部と対向している。例えば、半導体チップ１５６が円形形状を有している場合には、この貫通孔１５４ａは、半導体チップ１５６の外径よりも小さな内径を有する円形形状となる。
【００１７】
図５に示すように、整流素子５５においては、ディスク部１５０上に半導体チップ１５６が半田付けされ、さらにこの半導体チップ１５６の上部にリード１６０が半田付けされている。
図６は、緩衝板１５４の形状を示す斜視図である。図６に示すように、緩衝板１５４は、円形形状を有する半導体チップ１５６に合わせて、外形形状が円形形状を有しており、その中央部に貫通穴１５４ａが形成されている。
【００１８】
このように、本実施形態では、半導体チップ１５６とディスク部１５０との間の半田層１５２内に、貫通穴１５４ａが形成された緩衝板１５４を備えており、半導体チップ１５６の外周部近傍を半田付けしている半田層にかかる応力を緩衝することによってこの半田層に生じるクラックを防止することができる。しかも、緩衝板１５４に貫通穴１５４ａを設けることにより、半導体チップ１５６とディスク部１５０とがその間の半田層１５２を介して接するようになるため、半導体チップ１５６で発生した熱を半田層１５２を介してディスク部１５０に直接伝達することが可能になり、半導体チップ１５６の放熱性を向上させることができる。
【００１９】
また、半導体チップ１５６よりも小さな貫通穴１５４ａを緩衝板１５４に形成することにより、貫通穴１５４ａの外側、すなわち半導体チップ１５６の外周部に対応する半田層１５２に生じるクラックを有効に防止することができる。
さらに、上述した緩衝板１５４の貫通穴１５４ａは、半導体チップ１５６よりも小さく、かつ、半導体チップ１５６と相似形状を有しているため、半導体チップ１５６の外周部の全域にわたって、対応する半田層１５２に生じるクラックの発生を防止することができ、しかも、クラックの発生防止の効果を維持しつつ最大の貫通穴１５４ａを確保して半導体チップ１５６の放熱性をさらに向上させることができる。
【００２０】
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、円形形状を有する半導体チップ１５６を用いたが、四角形あるいは六角形等のその他の多角形形状を有する半導体チップを用いるようにしてもよい。この場合には、図７に示すように、緩衝板およびその中に形成される貫通穴の形状も半導体チップの形状に合わせて四角形あるいはその他の多角形形状にすることが望ましい。これにより、半導体チップの外周部近傍の半田層に生じるクラックを防止することができる。但し、緩衝板の形状を半導体チップの形状に合わせたときに、貫通穴の形状を半導体チップの形状と異ならせるようにしにしてもよい。例えば、六角形形状の半導体チップと円形形状の貫通穴を組み合わせる場合が考えられる。また、緩衝板の形状と半導体チップの形状を異ならせるようにしてもよい。例えば、六角形形状の半導体チップと円形形状の緩衝板を組み合わせる場合が考えられる。
【００２１】
また、上述した実施形態では、整流素子の放熱板に凹部を設けておいて、この凹部に半田付けによって取り付けられる整流素子に本発明を適用したが、放熱板に貫通穴を設けておいて、この貫通穴に圧入によって取り付けられる整流素子に本発明を適用することもできる。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。
【図面の簡単な説明】
【図１】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２】整流装置の詳細構造を示す平面図である。
【図３】図２に示した整流装置を裏側から見た平面図である。
【図４】整流装置の部分的な断面図である。
【図５】整流素子の詳細構造を示す断面図である。
【図６】緩衝板の形状を示す斜視図である。
【図７】緩衝板の他の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
５２、５３放熱板
５４、５５整流素子
１５０ディスク部
１５２、１５８半田層
１５４緩衝板
１５４ａ貫通穴
１５６半導体チップ
１６０リード

Claims

半導体チップと、
前記半導体チップが半田付けされるディスク部と、
前記半導体チップと前記ディスク部との間の半田層内に配置された貫通穴を有する緩衝板と、
を備え、前記半導体チップと前記ディスク部とが前記貫通穴内の前記半田層を介して接していることを特徴とする半導体装置。
請求項１において、
前記緩衝板の貫通穴は、前記半導体チップの外形よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
請求項２において、
前記緩衝板の貫通穴は、前記半導体チップと相似形状を有していることを特徴とする半導体装置。