JP4096776B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な自動車用オルタネータは、特開平７−１６１８７７号公報に記載されているように、オルタネータの出力を整流する素子である半導体チップを樹脂で封止した構造である。
【０００３】
また、特開平７−２２１２３５号公報には、熱衝撃が多数回反復して加わる激しい環境でも電気的特性が長期間に渡って低下しない半導体装置を得るために、ケース電極と半導体チップとの間に多層構造となった金属板を介在させた構造が記載されている。特開平４−２２９６３９号公報では、半導体チップ部分をエポキシ系絶縁部材にて封止する構造が提案されている。特開平１０−２１５５５２号公報では、絶縁部材を大気圧を超える高圧で充填しモールド成型して絶縁部材に残留圧縮応力を発生させる構造が提案されている。
【特許文献１】
特開平７−１６１８７７号公報
【特許文献２】
特開平７−２２１２３５号公報
【特許文献３】
特開平４−２２９６３９号公報
【特許文献４】
特開平１０−２１５５５２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記公知例では、亀裂などの欠陥の発生を抑制する形態について検討されているが、一旦欠陥が発生すると十分に進展防止をすることができる形態について検討されていない。
【０００５】
半導体装置の搭載場所が自動車のエンジンルーム内であるため、高熱と、車両側電気負荷の変動により発電機の発熱量増大等の影響が極めて高い。また、特に自動車は、夏冬の温度差によって発生する、広範な温度範囲に及ぶ冷熱の繰り返しを受ける等の厳しい環境下にあるため、熱疲労に強い半導体装置が要求されている。
【０００６】
半導体装置が熱衝撃を多数回反復して受けると、半導体装置を構成する技術の線膨張率の差に起因するひずみがはんだなどの接合部材に加わり、この接合部材にクラックが発生する。クラックが発生すると、通電経路である接合部材の断面積が減少し、電気抵抗が増大することで発熱が増加するとともに、接合部材を通した放熱量も低下し、半導体チップの温度が異常に上昇する。その結果、接合部材の溶融や半導体チップが耐熱限界に達することにより、整流機能が消失し、故障状態となる。
【０００７】
このように半導体チップにはんだなどの接合部材を用いて半導体チップと大きく線膨張率の異なる部材を接合する構造は半導体チップにワイヤボンディングで接合を行う構造に比較し、半導体チップ両面で上記したひずみがはんだなどの接合部材に加わるため、対策が非常に困難であった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、前記課題のいずれかを解決する半導体装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための形態として例えば、以下の形態をとることができる。
（１）周辺部に壁部を有するケース電極と、前記ケース電極に接合部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、前記半導体チップに接合部材を介して接続され、リードに連絡するリード電極と、を有し、前記ケース電極の前記接合部材に接合される領域は凸部を有し、前記半導体チップと前記ケース電極との間には、前記チップの熱線膨張係数より大きく前記ケース電極の熱線膨張係数より小さい材料から構成された中間板を備え、前記中間板の前記凸部に対向する面には前記凸部を収容する凹部を備えることを特徴とする半導体装置である。
【００１０】
本発明の形態により、効果的にクラックの進展を防止して信頼性の高い半導体装置を提供することができる。車載電子部品として用いる場合は、近年の電子部品増加などによる環境温度上昇があった場合でも、部品点数の増加を抑止して、簡易な構成で寿命を増加することができる。また、本発明によって、製造上の組み立て位置ずれを抑制でき高性能の製品を効率的に製造することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。本発明は、交流発電機の交流出力を直流出力に変換する半導体装置に関する。
【００１２】
図１に示す第１実施形態の半導体装置では、リードに連絡するリード電極１aと、周辺部に凸壁部を有するケース電極５aと、リード電極１aと接合部材２aを介して配置される整流機能を有する半導体チップ３とケース電極５a間に接合部材を介して金属板６aと、半導体チップ３と接合部材２aを介して接合されるリード電極面の端部が薄い第一領域１ｂを有し、ケース電極５ａは、金属板６ａが配置される領域の第二の領域５ｄと、第二の領域より薄い第三の領域５ｂを有し、第二の領域面５ｂの凸と金属板下面が凹関係になるように金属板端部より薄い金属板中央部の第四の領域６ｅとを形成されている構造になっている。ケース電極と金属板間の線膨張率差により接合部材に生じるひずみは部材の長さの関係でケース電極側の方が大きい。従って接合部材のケース側に生じるクッラクの進展をケース電極の凸の方で防止できる。また、半導体チップと接合部材を介して接合されるリード電極面の端部が薄い第一領域によって半導体チップと接合部材を介して接合されるリード電極面端部に集中するひずみを分布させひずみ低減に効果があるとともにリード電極面の凸がクラック進展を防止できる。具体的に説明すると、以下のようになる。
【００１３】
通常、リード電極１ａとケース電極５ａと金属板は銅系、あるいは鉄系の金属で形成されている。これらの電極体が例えば銅系で形成されている場合はその線膨張係数が１７ｐｐｍ／℃程度であり、一方、半導体チップの線膨張係数は３ｐｐｍ／℃である。ここで、半導体チップ３とケース電極５ａ間の線膨張率はが大きく、半導体チップ３とケース電極５ａ間の接合部材はケース電極５ａ側ではケース電極と共に変形するが、半導体チップ３側では半導体チップ３によってその変形は押さえられるようになり、接合部材の端部に大きくひずみが発生する。そのために半導体チップとケース電極の線膨張率の中間値を持つ鉄系の金属板６ａを中間板として、ケース電極５と半導体チップ３の間に配置する。熱荷重を繰返し受ける場合に熱ひずみは増加してクラックが発生することを抑制するために、ケース電極５ａを金属板６ａが配置される領域の第二の領域５ｄと、第二の領域より薄い第三の領域５ｂに形成させる。また、第二の領域面５ｂの凸と金属板下面が凹関係になるように金属板端部より薄い金属板中央部の第四の領域６ｅを形成し、クラックの進展が第二領域面５ｂの凸角の所で停止できるようにしている。この事により通電の機能を維持できると共に熱疲労寿命が向上できる。
【００１４】
また、本実施例では、周辺部に壁部を有するケース電極５と、ケース電極５に接合部材を介して設置される整流機能を有する半導体チップ３と、半導体チップ３に接合部材を介して接続され、リードに連絡するリード電極１ａと、を有し、ケース電極５の前記接合部材に接合される領域は凸部を有し、前記凸部は半導体チップ３の外周端よりも内側に上端端部が位置されるよう形成されることを特徴とする。また、凸の径はペレットの径よりも小さくなる。なお、ペレット形状は円、四角、六角、などであってもよい。ベース形状は、ペレットに対応した形状であればよい。これにより、クラックの進展を凸部側壁で止めることができ、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００１５】
または、前記凸部の上部面及び側壁面に前記接合部材が配置されるよう形成されるようにすることもできる。なお、凸の径は前述同様に、ペレットの径よりも小さくなる。
【００１６】
また、ケース電極５は第一の厚さの凸状領域と前記凸状領域の周囲に形成される前記第一の厚さより薄い第二の領域とを有し、前記凸状領域の幅は半導体チップより小さくなるよう形成することもできる。
【００１７】
或は、リード電極の下部端部からのクラック発生及び進展防止を図る構造を備える点を特徴とする。特徴点としては、リード電極１ａの半導体チップ３側面における前記接合部材に接合される領域は、周囲より前記半導体チップ３側に突出した凸部を有する点である。
【００１８】
或は、半導体チップ３と第一の間隔に配置される第一の領域と前記第一の領域の周囲に第一の距離よりも大きい第二の間隔に配置される第二の領域を有する点である。
【００１９】
これにより、接合部材と接する領域複数の凸部が形成されるので応力集中を抑制し、クラックの進展を抑制することができる。
【００２０】
また、中間板である金属板６ａを効果的な形態にすることも特徴の一つである。具体的には、ケース電極５の前記接合部材に接合される領域は凸部を有し、半導体チップ３とケース電極５との間には、前記チップの熱線膨張係数より大きく前記ケース電極の熱線膨張係数より小さい材料から構成された中間板を備え、前記中間板の前記凸部に対向する面には前記凸部を収容する凹部を備える点である。
【００２１】
これにより、リード電極と中間板を接合した後にケース電極と接合しようとする場合のように、中間板をケース電極に接合する場合両者の位置ずれを抑制できる構成にでき、これによる位置ばらつき抑制できる。ひいては寿命のばらつきを抑制できる。
【００２２】
図１に示す第１実施形態の半導体装置では、金属板が銅／インバー（３５％Ｎｉ-Ｆｅの合金）／銅の三層構造の金属板の場合も同じく疲労寿命向上が期待できる。銅／インバー／銅の三層構造の場合、加工が容易である。このように、半導体チップとケース電極の線膨張率の差をカーバできる両部材の線膨張率の中間値にすることで、ひずみ低減に効果があると共に、凹形状に形成するのに加工しやすいので、製造工程を効率化することができる。
【００２３】
また、金属板が銅モリブデンの場合は熱伝導率が良く熱抵抗の低減と同時に疲労寿命向上が期待できる。
【００２４】
図1に示すように第１実施形態の半導体装置の半導体チップ３が配置される領域が凸壁部の高さ以下の位置に形成されることが好ましい。これにより、凸となった壁部は放熱板６aに接触されているので凸壁部５ｄの高さ以下の位置することによって放熱性が向上できる。
【００２５】
図1に示すように第１実施形態のケース電極５ａ第三領域の幅５ｄは、金属板上面の幅６ｄの３０％以上１００%未満に形成されることが好ましい。これにより、クラック進展が進むと通電経路である接合部材の断面積が減少し、電気抵抗が増大することで発熱が増加するとともに、接合部材２を通した放熱量も低下し、半導体チップ３の温度が異常に上昇することを抑制することができる。そして、その結果、接合部材の溶融や半導体チップ３が耐熱限界に達することにより、整流機能が消失し、故障状態となるのを早い時期に防ぐことができる。このため、ケース電極の第三領域の幅（５ｄ）を大きくし、第三領域凸角でクラック始点近傍を防止できる。また幅が小さいとケース電極の剛性と通電容量に影響及ぼす恐れがあるので、幅は凸の加工可能な範囲で大きく決めることが好ましい。
【００２６】
図３に示すグラフはクラックが進展長さ率［（5d/6d）×100%］と半導体チップ３の最大温度との関係を示している。これによると第三領域の幅５ｄ凸の角でクラック進展が防止できるので第三領域の幅５ｄは半導体チップの耐熱限界と接合部材の溶融を考えると３５％が最下限値であることがわかる。クラックが面積の１/２以上進展することを抑制することが好ましい。
【００２７】
図1に示すように第１実施形態の半導体装置であって、金属板６ａの第四領域の幅６ｅは、ケース電極５ａ第三領域の幅５ｄの１００％未満（具体的には、たとえば、９０％未満程度であってよい）に形成されることが好ましい。金属板６ａを凹に形成することでケース電極５ａに接合部材２ｃを介して金属板６ａに配置する際のずれ防止なるので組み立てプロセスが容易である。
【００２８】
図１第１実施形態の半導体装置ではケース電極５の凸壁部で囲まれた領域に絶縁部材４充填された領域を有する。例えば、前記絶縁部材４はゴム材からなる。ゴム材としては例えば、軟質性ゴムが好ましく、軟質性ゴム材は常温（２５℃）での剛性が１ＭＰａ〜３ＭＰａであることが好ましい。また、高温（２００℃）でも２ＭＰａ〜４ＭＰａと高温でも物性値の低下はなく、長時間の使用に耐えることができる。また絶縁部材自身の剛性が低いので、絶縁部材によってケース電極の外周部と放熱板を機械的に固定する際にケース電極の変形によって半導体チップに与える応力を低くすことができる。例えば、前記軟質性ゴム材としてシリコンゴムが挙げられる。憂さらに常温ではシリコーンゴムより優れた機械的強度をもつ樹脂などの有機ゴムも、多くは高温下(150〜200℃以上)で強度が低下し、その優劣が逆転じることを考えると、軟質性ゴム材は樹脂などに比べ、絶縁部材の寿命を長くできる。
【００２９】
図１第１実施形態の半導体装置のケース電極はジルコン銅から形成している。これによると、通常，ジルコン銅の降伏応力値４２７ＭＰａで純銅の降伏応力値２０７ＭＰａと2倍以上高いのでケース電極５の外周部５ａと放熱板６を圧入方式で機械的に固定する際にケース電極５の変形が半導体チップ３の変形に及ぼす影響を低減することができる。
【００３０】
図２に第２実施形態の半導体装置を示す。基本的には第１実施形態で説明したのと同様の形態をとることができる。第２実施形態では、ケース電極と半導体チップが接合部材を介して隣接している点が特徴である。具体的には、リード１ａに連絡するリード電極と、周辺部に凸壁部を有するケース電極５ａと、リード電極と接合部材２ａを介して配置される整流機能を有する半導体チップ３と、半導体チップ３と接合部材２ａを介して接合されるリード電極面の端部１ｃより厚い第一領域１ｂを形成し、ケース電極５ａは、半導体チップ３が配置される領域の第二の領域５ｄと、第二の領域５ｄより薄い厚さ５ｆを持つ第三の領域を形成する。第二の領域の幅５ｄは半導体チップの幅３ａ４０％以上１００％未満に形成されている。この実施形態は熱抵抗を低減させるために半導体チップ３と接合部材２ａを介して金属板６ａを設けずにケース電極５ａに直接接合しているので第１実施形態の接合部材に発生するひずみより発生ひずみは大きくなるが、接合部材のケース側に生じるクッラクの進展をケース電極の凸の方で防止できるので熱抵抗の低減とともに熱疲労寿命の向上が期待できる。
【００３１】
また図４に示すグラフはクラックが進展長さ率［（5d/3a）×100%］と半導体チップ３の最大温度との関係を示している。これによると第二領域の幅５ｄ凸の角でクラック進展が防止できるので第二領域の幅５ｄは半導体チップの耐熱限界と接合部材の溶融を考えると４０％が最下限値であることがわかる。従って、第２実施形態の第二の領域の幅５ｄを半導体チップの幅３ａ４０％以上１００％未満に定量的に形成している。
【００３２】
図２第２実施形態の半導体装置も第１実施形態と同じく、ケース電極の凸壁部で囲まれた領域に絶縁部材充填し、ケース電極はジルコン入り銅で形成され、絶縁部材は軟質性ゴム材からなるように形成している。これによって第１実施形態同じ効果が得られる。
【００３３】
図５、図６は第１の実施形態、第２実施形態の半導体装置それぞれが放熱フィンに圧入された後の形態表している。半導体装置の放熱板７と接触しているローレット部分５ｃの凸壁の高さ（Ｈｂ）は、半導体装置の外周側に設置されるための放熱板の厚さ（Ｈａ）以下に形成されることを特徴としている。これによると、半導体装置の搭載場所が自動車のエンジンルーム内の場合、外部からの衝撃などにより放熱板７と固定されている半導体装置が抜けることを防止できる。
【００３４】
図７、図８に示す第３実施形態、第４実施形態の半導体装置では、図１と図２に示す第１実施形態、第２実施形態の半導体装置を放熱板７に固定する際にケース電極５ａと放熱板７を、接合部材２ｄを介して固定している。図５、図６のように半導体装置をケース電極５の径より小さい径の放熱板７穴に圧入方式で固定する場合よりも半導体チップに加わる応力の低減が期待できる。
【００３５】
図７に示す第６実施形態の半導体装置では、請求項１の半導体装置の放熱板６と接触している部分（６ａ）の凸壁の高さ（Ｈｂ）は、半導体装置の外周側に設置されるための放熱板の厚さ（Ｈａ）以下に形成されることを特徴としている。これによると、半導体装置の搭載場所が自動車のエンジンルーム内の場合、外部からの衝撃などにより放熱板６と固定されているケース電極５が抜けることを防止できる。
【００３６】
図８に示す第７実施形態の半導体装置では、図1に示す第１実施形態の半導体装置のケース電極はジルコン銅から形成している。これによると、通常，ジルコン銅の降伏応力値４２７ＭＰａで純銅の降伏応力値２０７ＭＰａと2倍以上高いのでケース電極５の外周部５ａと放熱板６を圧入方式で機械的に固定する際にケース電極５の変形が半導体チップ３の変形に及ぼす影響を低減することができる。
【００３７】
図９第２実施形態の半導体装置を上から見た図を示す。なお、半導体チップ３とケース電極との関係について見れば、第１実施形態に適応することもできる。図９ａは図２に示した形態に適応した例であり、リード１ａに連絡するリード電極と、周辺部に凸壁部を有するケース電極５ａと、リード電極と接合部材２ａを介して配置される整流機能を有する半導体チップ３と、半導体チップ３と接合部材２ａを介して接合されるリード電極面の端部１ｃより厚い第一領域１ｂを形成し、ケース電極５ａは、半導体チップ３が配置される領域の第二の領域５ｄと、第二の領域５ｄより薄い厚さ５ｆを持つ第三の領域を形成する。第二の領域の幅５ｄは円型の半導体チップの幅３ａの４０％以上１００％未満に形成されている。
【００３８】
この実施形態は熱抵抗を低減させるために半導体チップ３と接合部材２ａを介して金属板６ａを設けずにケース電極５ａに直接接合しているので第１実施形態の接合部材に発生するひずみより発生ひずみは大きくなるが、接合部材のケース側に生じるクッラクの進展をケース電極の凸の方で防止できるので熱抵抗の低減とともに熱疲労寿命の向上が期待できる。
【００３９】
また図４に示すグラフはクラックが進展長さ率［（5d/3a）×100%］と半導体チップ３の最大温度との関係を示している。これによると第二領域の幅５ｄ凸の角でクラック進展が防止できるので第二領域の幅５ｄは半導体チップの耐熱限界と接合部材の溶融を考えると４０％が最下限値であることがわかる。従って、第２実施形態の第二の領域の幅５ｄを半導体チップの幅３ａ４０％以上１００％未満に定量的に形成している。
【００４０】
図９ｂの半導体装置ではリード１ａに連絡するリード電極と、周辺部に凸壁部を有するケース電極５ａと、リード電極と接合部材２ａを介して配置される整流機能を有する半導体チップ３と、半導体チップ３と接合部材２ａを介して接合されるリード電極面の端部１ｃより厚い第一領域１ｂを形成し、ケース電極５ａは、半導体チップ３が配置される領域の第二の領域５ｄと、第二の領域５ｄより薄い厚さ５ｆを持つ第三の領域を形成する。第二の領域の幅５ｄは四角型の半導体チップの対角方向幅３ａの４０％以上半導体チップの辺方向幅３ａ‘の１００％未満に形成されている。これは最長幅に基いて規定しても良い。
【００４１】
この実施形態は熱抵抗を低減させるために半導体チップ３と接合部材２ａを介して金属板６ａを設けずにケース電極５ａに直接接合しているので第１実施形態の接合部材に発生するひずみより発生ひずみは大きくなるが、接合部材のケース側に生じるクッラクの進展をケース電極の凸の方で防止できるので熱抵抗の低減とともに熱疲労寿命の向上が期待できる。
【００４２】
図９ｃの半導体装置ではリード１ａに連絡するリード電極と、周辺部に凸壁部を有するケース電極５ａと、リード電極と接合部材２ａを介して配置される整流機能を有する半導体チップ３と、半導体チップ３と接合部材２ａを介して接合されるリード電極面の端部１ｃより厚い第一領域１ｂを形成し、ケース電極５ａは、半導体チップ３が配置される領域の第二の領域５ｄと、第二の領域５ｄより薄い厚さ５ｆを持つ第三の領域を形成する。第二の領域の幅５ｄは六角型の半導体チップの最長方辺向幅３ａの４０％以上半導体チップの最短辺方向幅３ａ‘の１００％未満に形成されている。この実施形態は熱抵抗を低減させるために半導体チップ３と接合部材２ａを介して金属板６ａを設けずにケース電極５ａに直接接合しているので第１実施形態の接合部材に発生するひずみより発生ひずみは大きくなるが、接合部材のケース側に生じるクッラクの進展をケース電極の凸の方で防止できるので熱抵抗の低減とともに熱疲労寿命の向上が期待できる。
【００４３】
また、本発明によれば、接合部材により電気的に接合されたリード電極と半導体チップ、半導体チップと金属板、および金属板とケース電極、部材間の相互の熱変形差から生じる熱疲労によるクラックの進展を防止し熱疲労寿命を向上させると共に、さらに放熱性を考慮した実施形態を形成することで、熱伝達と熱疲労寿命が高い半導体装置を提供できる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明により、効果的にクラックの進展を防止して信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態を示す半導体装置の要部縦断面図である。
【図２】図２は、本発明の第２実施形態を示す半導体装置の要部縦断面図である。
【図３】図３は、半導体装置において、クラックが進展長さ率と半導体チップに生じる最大温度との関係を示しているグラフ図である。
【図４】図４は、半導体装置において、クラックが進展長さ率と半導体チップに生じる最大温度との関係を示しているグラフ図である。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態を示す半導体装置の放熱フィンへの圧入後の縦断面図である。
【図６】図６は、本発明の第２実施形態を示す半導体装置の放熱フィンへの圧入後の縦断面図である。
【図７】図７は、本発明の第３実施形態を示す半導体装置の要部縦断面図である。
【図８】図８は、本発明の第４実施形態を示す半導体装置の要部縦断面図である。
【図９】図９は、本発明の第２実施形態を示す半導体装置を上から見た概要図である。
【符号の説明】
１ａ…リード電極、１ｂ…リード電極の第一領域の幅、１ｃ…リード電極端部の厚さ、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ…接合部材（部材がはんだ）３…半導体チップ、３ａ…半導体チップの幅、４…絶縁部材（部材が軟質性ゴム材）、５ａ…ケース電極、５b…ケース電極の第三領域、５c…ケース電極の外周部（ローレット部）、５ｄ…ケース電極の第二領域の幅、5ｅ…ケース電極の第二領域の厚さ、5ｆ…ケース電極の第三領域の厚さ、６a…金属板、６ｂ…金属板の第四領域の厚さ、６ｃ…金属板端部の厚さ、６ｄ…金属板の幅、６ｄ…金属板の第四領域の幅、７…放熱板、８…絶縁部材（部材が樹脂）、Ｈａ…ケース電極の高さ、Ｈｂ…放熱フィンの高さ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な自動車用オルタネータは、特開平７−１６１８７７号公報に記載されているように、オルタネータの出力を整流する素子である半導体チップを樹脂で封止した構造である。
【０００３】
また、特開平７−２２１２３５号公報には、熱衝撃が多数回反復して加わる激しい環境でも電気的特性が長期間に渡って低下しない半導体装置を得るために、ケース電極と半導体チップとの間に多層構造となった金属板を介在させた構造が記載されている。特開平４−２２９６３９号公報では、半導体チップ部分をエポキシ系絶縁部材にて封止する構造が提案されている。特開平１０−２１５５５２号公報では、絶縁部材を大気圧を超える高圧で充填しモールド成型して絶縁部材に残留圧縮応力を発生させる構造が提案されている。
【特許文献１】
特開平７−１６１８７７号公報
【特許文献２】
特開平７−２２１２３５号公報
【特許文献３】
特開平４−２２９６３９号公報
【特許文献４】
特開平１０−２１５５５２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記公知例では、亀裂などの欠陥の発生を抑制する形態について検討されているが、一旦欠陥が発生すると十分に進展防止をすることができる形態について検討されていない。
【０００５】
半導体装置の搭載場所が自動車のエンジンルーム内であるため、高熱と、車両側電気負荷の変動により発電機の発熱量増大等の影響が極めて高い。また、特に自動車は、夏冬の温度差によって発生する、広範な温度範囲に及ぶ冷熱の繰り返しを受ける等の厳しい環境下にあるため、熱疲労に強い半導体装置が要求されている。
【０００６】
半導体装置が熱衝撃を多数回反復して受けると、半導体装置を構成する技術の線膨張率の差に起因するひずみがはんだなどの接合部材に加わり、この接合部材にクラックが発生する。クラックが発生すると、通電経路である接合部材の断面積が減少し、電気抵抗が増大することで発熱が増加するとともに、接合部材を通した放熱量も低下し、半導体チップの温度が異常に上昇する。その結果、接合部材の溶融や半導体チップが耐熱限界に達することにより、整流機能が消失し、故障状態となる。
【０００７】
このように半導体チップにはんだなどの接合部材を用いて半導体チップと大きく線膨張率の異なる部材を接合する構造は半導体チップにワイヤボンディングで接合を行う構造に比較し、半導体チップ両面で上記したひずみがはんだなどの接合部材に加わるため、対策が非常に困難であった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、前記課題のいずれかを解決する半導体装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための形態として例えば、以下の形態をとることができる。
（１）周辺部に壁部を有するケース電極と、前記ケース電極に接合部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、前記半導体チップに接合部材を介して接続され、リードに連絡するリード電極と、を有し、前記ケース電極の前記接合部材に接合される領域は凸部を有し、前記半導体チップと前記ケース電極との間には、前記チップの熱線膨張係数より大きく前記ケース電極の熱線膨張係数より小さい材料から構成された中間板を備え、前記中間板の前記凸部に対向する面には前記凸部を収容する凹部を備えることを特徴とする半導体装置である。
【００１０】
本発明の形態により、効果的にクラックの進展を防止して信頼性の高い半導体装置を提供することができる。車載電子部品として用いる場合は、近年の電子部品増加などによる環境温度上昇があった場合でも、部品点数の増加を抑止して、簡易な構成で寿命を増加することができる。また、本発明によって、製造上の組み立て位置ずれを抑制でき高性能の製品を効率的に製造することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。本発明は、交流発電機の交流出力を直流出力に変換する半導体装置に関する。
【００１２】
図１に示す第１実施形態の半導体装置では、リードに連絡するリード電極１aと、周辺部に凸壁部を有するケース電極５aと、リード電極１aと接合部材２aを介して配置される整流機能を有する半導体チップ３とケース電極５a間に接合部材を介して金属板６aと、半導体チップ３と接合部材２aを介して接合されるリード電極面の端部が薄い第一領域１ｂを有し、ケース電極５ａは、金属板６ａが配置される領域の第二の領域５ｄと、第二の領域より薄い第三の領域５ｂを有し、第二の領域面５ｂの凸と金属板下面が凹関係になるように金属板端部より薄い金属板中央部の第四の領域６ｅとを形成されている構造になっている。ケース電極と金属板間の線膨張率差により接合部材に生じるひずみは部材の長さの関係でケース電極側の方が大きい。従って接合部材のケース側に生じるクッラクの進展をケース電極の凸の方で防止できる。また、半導体チップと接合部材を介して接合されるリード電極面の端部が薄い第一領域によって半導体チップと接合部材を介して接合されるリード電極面端部に集中するひずみを分布させひずみ低減に効果があるとともにリード電極面の凸がクラック進展を防止できる。具体的に説明すると、以下のようになる。
【００１３】
通常、リード電極１ａとケース電極５ａと金属板は銅系、あるいは鉄系の金属で形成されている。これらの電極体が例えば銅系で形成されている場合はその線膨張係数が１７ｐｐｍ／℃程度であり、一方、半導体チップの線膨張係数は３ｐｐｍ／℃である。ここで、半導体チップ３とケース電極５ａ間の線膨張率はが大きく、半導体チップ３とケース電極５ａ間の接合部材はケース電極５ａ側ではケース電極と共に変形するが、半導体チップ３側では半導体チップ３によってその変形は押さえられるようになり、接合部材の端部に大きくひずみが発生する。そのために半導体チップとケース電極の線膨張率の中間値を持つ鉄系の金属板６ａを中間板として、ケース電極５と半導体チップ３の間に配置する。熱荷重を繰返し受ける場合に熱ひずみは増加してクラックが発生することを抑制するために、ケース電極５ａを金属板６ａが配置される領域の第二の領域５ｄと、第二の領域より薄い第三の領域５ｂに形成させる。また、第二の領域面５ｂの凸と金属板下面が凹関係になるように金属板端部より薄い金属板中央部の第四の領域６ｅを形成し、クラックの進展が第二領域面５ｂの凸角の所で停止できるようにしている。この事により通電の機能を維持できると共に熱疲労寿命が向上できる。
【００１４】
また、本実施例では、周辺部に壁部を有するケース電極５と、ケース電極５に接合部材を介して設置される整流機能を有する半導体チップ３と、半導体チップ３に接合部材を介して接続され、リードに連絡するリード電極１ａと、を有し、ケース電極５の前記接合部材に接合される領域は凸部を有し、前記凸部は半導体チップ３の外周端よりも内側に上端端部が位置されるよう形成されることを特徴とする。また、凸の径はペレットの径よりも小さくなる。なお、ペレット形状は円、四角、六角、などであってもよい。ベース形状は、ペレットに対応した形状であればよい。これにより、クラックの進展を凸部側壁で止めることができ、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００１５】
または、前記凸部の上部面及び側壁面に前記接合部材が配置されるよう形成されるようにすることもできる。なお、凸の径は前述同様に、ペレットの径よりも小さくなる。
【００１６】
また、ケース電極５は第一の厚さの凸状領域と前記凸状領域の周囲に形成される前記第一の厚さより薄い第二の領域とを有し、前記凸状領域の幅は半導体チップより小さくなるよう形成することもできる。
【００１７】
或は、リード電極の下部端部からのクラック発生及び進展防止を図る構造を備える点を特徴とする。特徴点としては、リード電極１ａの半導体チップ３側面における前記接合部材に接合される領域は、周囲より前記半導体チップ３側に突出した凸部を有する点である。
【００１８】
或は、半導体チップ３と第一の間隔に配置される第一の領域と前記第一の領域の周囲に第一の距離よりも大きい第二の間隔に配置される第二の領域を有する点である。
【００１９】
これにより、接合部材と接する領域複数の凸部が形成されるので応力集中を抑制し、クラックの進展を抑制することができる。
【００２０】
また、中間板である金属板６ａを効果的な形態にすることも特徴の一つである。具体的には、ケース電極５の前記接合部材に接合される領域は凸部を有し、半導体チップ３とケース電極５との間には、前記チップの熱線膨張係数より大きく前記ケース電極の熱線膨張係数より小さい材料から構成された中間板を備え、前記中間板の前記凸部に対向する面には前記凸部を収容する凹部を備える点である。
【００２１】
これにより、リード電極と中間板を接合した後にケース電極と接合しようとする場合のように、中間板をケース電極に接合する場合両者の位置ずれを抑制できる構成にでき、これによる位置ばらつき抑制できる。ひいては寿命のばらつきを抑制できる。
【００２２】
図１に示す第１実施形態の半導体装置では、金属板が銅／インバー（３５％Ｎｉ-Ｆｅの合金）／銅の三層構造の金属板の場合も同じく疲労寿命向上が期待できる。銅／インバー／銅の三層構造の場合、加工が容易である。このように、半導体チップとケース電極の線膨張率の差をカーバできる両部材の線膨張率の中間値にすることで、ひずみ低減に効果があると共に、凹形状に形成するのに加工しやすいので、製造工程を効率化することができる。
【００２３】
また、金属板が銅モリブデンの場合は熱伝導率が良く熱抵抗の低減と同時に疲労寿命向上が期待できる。
【００２４】
図1に示すように第１実施形態の半導体装置の半導体チップ３が配置される領域が凸壁部の高さ以下の位置に形成されることが好ましい。これにより、凸となった壁部は放熱板６aに接触されているので凸壁部５ｄの高さ以下の位置することによって放熱性が向上できる。
【００２５】
図1に示すように第１実施形態のケース電極５ａ第三領域の幅５ｄは、金属板上面の幅６ｄの３０％以上１００%未満に形成されることが好ましい。これにより、クラック進展が進むと通電経路である接合部材の断面積が減少し、電気抵抗が増大することで発熱が増加するとともに、接合部材２を通した放熱量も低下し、半導体チップ３の温度が異常に上昇することを抑制することができる。そして、その結果、接合部材の溶融や半導体チップ３が耐熱限界に達することにより、整流機能が消失し、故障状態となるのを早い時期に防ぐことができる。このため、ケース電極の第三領域の幅（５ｄ）を大きくし、第三領域凸角でクラック始点近傍を防止できる。また幅が小さいとケース電極の剛性と通電容量に影響及ぼす恐れがあるので、幅は凸の加工可能な範囲で大きく決めることが好ましい。
【００２６】
図３に示すグラフはクラックが進展長さ率［（5d/6d）×100%］と半導体チップ３の最大温度との関係を示している。これによると第三領域の幅５ｄ凸の角でクラック進展が防止できるので第三領域の幅５ｄは半導体チップの耐熱限界と接合部材の溶融を考えると３５％が最下限値であることがわかる。クラックが面積の１/２以上進展することを抑制することが好ましい。
【００２７】
図1に示すように第１実施形態の半導体装置であって、金属板６ａの第四領域の幅６ｅは、ケース電極５ａ第三領域の幅５ｄの１００％未満（具体的には、たとえば、９０％未満程度であってよい）に形成されることが好ましい。金属板６ａを凹に形成することでケース電極５ａに接合部材２ｃを介して金属板６ａに配置する際のずれ防止なるので組み立てプロセスが容易である。
【００２８】
図１第１実施形態の半導体装置ではケース電極５の凸壁部で囲まれた領域に絶縁部材４充填された領域を有する。例えば、前記絶縁部材４はゴム材からなる。ゴム材としては例えば、軟質性ゴムが好ましく、軟質性ゴム材は常温（２５℃）での剛性が１ＭＰａ〜３ＭＰａであることが好ましい。また、高温（２００℃）でも２ＭＰａ〜４ＭＰａと高温でも物性値の低下はなく、長時間の使用に耐えることができる。また絶縁部材自身の剛性が低いので、絶縁部材によってケース電極の外周部と放熱板を機械的に固定する際にケース電極の変形によって半導体チップに与える応力を低くすことができる。例えば、前記軟質性ゴム材としてシリコンゴムが挙げられる。憂さらに常温ではシリコーンゴムより優れた機械的強度をもつ樹脂などの有機ゴムも、多くは高温下(150〜200℃以上)で強度が低下し、その優劣が逆転じることを考えると、軟質性ゴム材は樹脂などに比べ、絶縁部材の寿命を長くできる。
【００２９】
図１第１実施形態の半導体装置のケース電極はジルコン銅から形成している。これによると、通常，ジルコン銅の降伏応力値４２７ＭＰａで純銅の降伏応力値２０７ＭＰａと2倍以上高いのでケース電極５の外周部５ａと放熱板６を圧入方式で機械的に固定する際にケース電極５の変形が半導体チップ３の変形に及ぼす影響を低減することができる。
【００３０】
図２に第２実施形態の半導体装置を示す。基本的には第１実施形態で説明したのと同様の形態をとることができる。第２実施形態では、ケース電極と半導体チップが接合部材を介して隣接している点が特徴である。具体的には、リード１ａに連絡するリード電極と、周辺部に凸壁部を有するケース電極５ａと、リード電極と接合部材２ａを介して配置される整流機能を有する半導体チップ３と、半導体チップ３と接合部材２ａを介して接合されるリード電極面の端部１ｃより厚い第一領域１ｂを形成し、ケース電極５ａは、半導体チップ３が配置される領域の第二の領域５ｄと、第二の領域５ｄより薄い厚さ５ｆを持つ第三の領域を形成する。第二の領域の幅５ｄは半導体チップの幅３ａ４０％以上１００％未満に形成されている。この実施形態は熱抵抗を低減させるために半導体チップ３と接合部材２ａを介して金属板６ａを設けずにケース電極５ａに直接接合しているので第１実施形態の接合部材に発生するひずみより発生ひずみは大きくなるが、接合部材のケース側に生じるクッラクの進展をケース電極の凸の方で防止できるので熱抵抗の低減とともに熱疲労寿命の向上が期待できる。
【００３１】
また図４に示すグラフはクラックが進展長さ率［（5d/3a）×100%］と半導体チップ３の最大温度との関係を示している。これによると第二領域の幅５ｄ凸の角でクラック進展が防止できるので第二領域の幅５ｄは半導体チップの耐熱限界と接合部材の溶融を考えると４０％が最下限値であることがわかる。従って、第２実施形態の第二の領域の幅５ｄを半導体チップの幅３ａ４０％以上１００％未満に定量的に形成している。
【００３２】
図２第２実施形態の半導体装置も第１実施形態と同じく、ケース電極の凸壁部で囲まれた領域に絶縁部材充填し、ケース電極はジルコン入り銅で形成され、絶縁部材は軟質性ゴム材からなるように形成している。これによって第１実施形態同じ効果が得られる。
【００３３】
図５、図６は第１の実施形態、第２実施形態の半導体装置それぞれが放熱フィンに圧入された後の形態表している。半導体装置の放熱板７と接触しているローレット部分５ｃの凸壁の高さ（Ｈｂ）は、半導体装置の外周側に設置されるための放熱板の厚さ（Ｈａ）以下に形成されることを特徴としている。これによると、半導体装置の搭載場所が自動車のエンジンルーム内の場合、外部からの衝撃などにより放熱板７と固定されている半導体装置が抜けることを防止できる。
【００３４】
図７、図８に示す第３実施形態、第４実施形態の半導体装置では、図１と図２に示す第１実施形態、第２実施形態の半導体装置を放熱板７に固定する際にケース電極５ａと放熱板７を、接合部材２ｄを介して固定している。図５、図６のように半導体装置をケース電極５の径より小さい径の放熱板７穴に圧入方式で固定する場合よりも半導体チップに加わる応力の低減が期待できる。
【００３５】
図７に示す第６実施形態の半導体装置では、請求項１の半導体装置の放熱板６と接触している部分（６ａ）の凸壁の高さ（Ｈｂ）は、半導体装置の外周側に設置されるための放熱板の厚さ（Ｈａ）以下に形成されることを特徴としている。これによると、半導体装置の搭載場所が自動車のエンジンルーム内の場合、外部からの衝撃などにより放熱板６と固定されているケース電極５が抜けることを防止できる。
【００３６】
図８に示す第７実施形態の半導体装置では、図1に示す第１実施形態の半導体装置のケース電極はジルコン銅から形成している。これによると、通常，ジルコン銅の降伏応力値４２７ＭＰａで純銅の降伏応力値２０７ＭＰａと2倍以上高いのでケース電極５の外周部５ａと放熱板６を圧入方式で機械的に固定する際にケース電極５の変形が半導体チップ３の変形に及ぼす影響を低減することができる。
【００３７】
図９第２実施形態の半導体装置を上から見た図を示す。なお、半導体チップ３とケース電極との関係について見れば、第１実施形態に適応することもできる。図９ａは図２に示した形態に適応した例であり、リード１ａに連絡するリード電極と、周辺部に凸壁部を有するケース電極５ａと、リード電極と接合部材２ａを介して配置される整流機能を有する半導体チップ３と、半導体チップ３と接合部材２ａを介して接合されるリード電極面の端部１ｃより厚い第一領域１ｂを形成し、ケース電極５ａは、半導体チップ３が配置される領域の第二の領域５ｄと、第二の領域５ｄより薄い厚さ５ｆを持つ第三の領域を形成する。第二の領域の幅５ｄは円型の半導体チップの幅３ａの４０％以上１００％未満に形成されている。
【００３８】
この実施形態は熱抵抗を低減させるために半導体チップ３と接合部材２ａを介して金属板６ａを設けずにケース電極５ａに直接接合しているので第１実施形態の接合部材に発生するひずみより発生ひずみは大きくなるが、接合部材のケース側に生じるクッラクの進展をケース電極の凸の方で防止できるので熱抵抗の低減とともに熱疲労寿命の向上が期待できる。
【００３９】
また図４に示すグラフはクラックが進展長さ率［（5d/3a）×100%］と半導体チップ３の最大温度との関係を示している。これによると第二領域の幅５ｄ凸の角でクラック進展が防止できるので第二領域の幅５ｄは半導体チップの耐熱限界と接合部材の溶融を考えると４０％が最下限値であることがわかる。従って、第２実施形態の第二の領域の幅５ｄを半導体チップの幅３ａ４０％以上１００％未満に定量的に形成している。
【００４０】
図９ｂの半導体装置ではリード１ａに連絡するリード電極と、周辺部に凸壁部を有するケース電極５ａと、リード電極と接合部材２ａを介して配置される整流機能を有する半導体チップ３と、半導体チップ３と接合部材２ａを介して接合されるリード電極面の端部１ｃより厚い第一領域１ｂを形成し、ケース電極５ａは、半導体チップ３が配置される領域の第二の領域５ｄと、第二の領域５ｄより薄い厚さ５ｆを持つ第三の領域を形成する。第二の領域の幅５ｄは四角型の半導体チップの対角方向幅３ａの４０％以上半導体チップの辺方向幅３ａ‘の１００％未満に形成されている。これは最長幅に基いて規定しても良い。
【００４１】
この実施形態は熱抵抗を低減させるために半導体チップ３と接合部材２ａを介して金属板６ａを設けずにケース電極５ａに直接接合しているので第１実施形態の接合部材に発生するひずみより発生ひずみは大きくなるが、接合部材のケース側に生じるクッラクの進展をケース電極の凸の方で防止できるので熱抵抗の低減とともに熱疲労寿命の向上が期待できる。
【００４２】
図９ｃの半導体装置ではリード１ａに連絡するリード電極と、周辺部に凸壁部を有するケース電極５ａと、リード電極と接合部材２ａを介して配置される整流機能を有する半導体チップ３と、半導体チップ３と接合部材２ａを介して接合されるリード電極面の端部１ｃより厚い第一領域１ｂを形成し、ケース電極５ａは、半導体チップ３が配置される領域の第二の領域５ｄと、第二の領域５ｄより薄い厚さ５ｆを持つ第三の領域を形成する。第二の領域の幅５ｄは六角型の半導体チップの最長方辺向幅３ａの４０％以上半導体チップの最短辺方向幅３ａ‘の１００％未満に形成されている。この実施形態は熱抵抗を低減させるために半導体チップ３と接合部材２ａを介して金属板６ａを設けずにケース電極５ａに直接接合しているので第１実施形態の接合部材に発生するひずみより発生ひずみは大きくなるが、接合部材のケース側に生じるクッラクの進展をケース電極の凸の方で防止できるので熱抵抗の低減とともに熱疲労寿命の向上が期待できる。
【００４３】
また、本発明によれば、接合部材により電気的に接合されたリード電極と半導体チップ、半導体チップと金属板、および金属板とケース電極、部材間の相互の熱変形差から生じる熱疲労によるクラックの進展を防止し熱疲労寿命を向上させると共に、さらに放熱性を考慮した実施形態を形成することで、熱伝達と熱疲労寿命が高い半導体装置を提供できる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明により、効果的にクラックの進展を防止して信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態を示す半導体装置の要部縦断面図である。
【図２】図２は、本発明の第２実施形態を示す半導体装置の要部縦断面図である。
【図３】図３は、半導体装置において、クラックが進展長さ率と半導体チップに生じる最大温度との関係を示しているグラフ図である。
【図４】図４は、半導体装置において、クラックが進展長さ率と半導体チップに生じる最大温度との関係を示しているグラフ図である。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態を示す半導体装置の放熱フィンへの圧入後の縦断面図である。
【図６】図６は、本発明の第２実施形態を示す半導体装置の放熱フィンへの圧入後の縦断面図である。
【図７】図７は、本発明の第３実施形態を示す半導体装置の要部縦断面図である。
【図８】図８は、本発明の第４実施形態を示す半導体装置の要部縦断面図である。
【図９】図９は、本発明の第２実施形態を示す半導体装置を上から見た概要図である。
【符号の説明】
１ａ…リード電極、１ｂ…リード電極の第一領域の幅、１ｃ…リード電極端部の厚さ、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ…接合部材（部材がはんだ）３…半導体チップ、３ａ…半導体チップの幅、４…絶縁部材（部材が軟質性ゴム材）、５ａ…ケース電極、５b…ケース電極の第三領域、５c…ケース電極の外周部（ローレット部）、５ｄ…ケース電極の第二領域の幅、5ｅ…ケース電極の第二領域の厚さ、5ｆ…ケース電極の第三領域の厚さ、６a…金属板、６ｂ…金属板の第四領域の厚さ、６ｃ…金属板端部の厚さ、６ｄ…金属板の幅、６ｄ…金属板の第四領域の幅、７…放熱板、８…絶縁部材（部材が樹脂）、Ｈａ…ケース電極の高さ、Ｈｂ…放熱フィンの高さ
Claims (3)
- 周辺部に壁部を有するケース電極と、
前記ケース電極に接合部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、
前記半導体チップに接合部材を介して接続され、リードに連絡するリード電極と、を有し、
前記ケース電極の前記接合部材に接合される領域は凸部を有し、
前記半導体チップと前記ケース電極との間には、前記チップの熱線膨張係数より大きく前記ケース電極の熱線膨張係数より小さい材料から構成された中間板を備え、
前記中間板の前記凸部に対向する面には前記凸部を収容する凹部を備えることを特徴とする半導体装置。 - 請求項１の半導体装置であって、前記中間板が銅―インバー銅を含む多層構造であることを特徴とする半導体装置。
- 請求項１の半導体装置であって、前記中間板が銅とモリブデンを含む金属材を有することを特徴とする半導体装置。
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