JP4692839B2

JP4692839B2 - 軟質材封止型パワー半導体装置

Info

Publication number: JP4692839B2
Application number: JP2006207926A
Authority: JP
Inventors: 滋和片岡
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2026-07-31
Also published as: JP2008034698A

Description

本発明は、軟質の封止材により封止を行う軟質材封止型パワー半導体装置に関し、好適には乗用車やトラック等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軟質材封止型パワー半導体装置に関する。

従来の車両用交流発電機に装備される三相全波整流装置は、その各アームをそれぞれ異なるパワーダイオード装置により構成するのが通常である。各パワーダイオード装置は、冷却フィンの孔に圧入したり、冷却フィンに半田付けするなどして冷却フィンの放熱機能やヒートシンク機能を利用するのが通常である。上記パワーダイオード装置に限らず、ディスクリート型のパワー半導体素子チップをもつパワー半導体装置では、このパワー半導体チップの両主面にそれぞれ主電極を設け、両主電極を異なる金属製の主電極端子に個別にはんだ付けするのが通常である。この場合、一方の主電極端子をパワー半導体素子チップを搭載、支持する円盤状金属体（ディスクと呼称する）とし、他方の主電極端子を導線状金属体（リードと呼称する）とした片側リード構造はパワー半導体素子チップの固定や振動吸収などに有利であり、上記した車両用交流発電機の整流装置等に広く採用されている。片側リード構造において、パワー半導体素子チップの主電極面に接合されるリードの先端部は、リードとの接合強度の確保、接合部の電気抵抗の低減などのために径大化される。この径大化されたリードの先端部はリードヘッダと通称される。

片側リード構造のパワー半導体装置において、パワー半導体素子チップの側面は樹脂などの電気絶縁性及び封止性に優れた封止材により封入される必要がある。ただ、封止材を構成する樹脂系材料は、リードヘッダ付きのリードとパワー半導体素子チップとディスクとにより構成されるパワー半導体装置の半導体系及び金属系の主構造材に比べて格段に熱膨張率が大きいために、主構造材と封止材との間の熱膨張率の差によるストレス（熱ストレスと言う）、特にパワー半導体素子チップの側面近傍におけるそれを緩和する構造を採用するのが通常である。

たとえば、下記の特許文献１は、封止材としてエポキシ樹脂やポリイミド樹脂などの硬質のモールド樹脂を採用することにより、リードヘッダとディスクとを強固に接合する硬質材封止構造において、既述した熱ストレスの緩和のためにパワー半導体素子チップ及びはんだ層の側面をゲル状樹脂により硬質のモールド樹脂より隔離してはんだ層の側面に掛かる引っ張り応力を緩和することを提案している。この硬質材封止構造では、リードヘッダ２に掛かる剥離向きの引っ張り応力の大部分はリードヘッダとパワー半導体素子チップとを接合するはんだ層を介することなくこの封止材を通じてディスクに伝達される。

その他、上記熱ストレス緩和可能な片側リード構造として上記した硬質材封止構造の他にたとえば本出願人が採用する軟質材封止型パワー半導体装置がある。この軟質材封止型パワー半導体装置の一例を図６に示す。

１は先端にリードヘッダ２を有する好適には銅製のリード、３はパワー半導体素子チップ、４は好適には銅製又はアルミ製のディスク、５はパワー半導体素子チップ３とディスク４との間に介装される薄ディスク状の緩衝材、６〜８ははんだ層、９は軟質の封止材である。緩衝材５はＣＩＣ（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｃｕ）構造を有しており、ディスク４とパワー半導体素子チップ３との熱膨張率差による応力緩和のための部材である。軟質の封止材９としては好適にはシリコンゴムが採用される。なお、この明細書で言う軟質の封止材９とは、リードヘッダ２を厚さ方向剥離向きに引っ張った場合に、リードヘッダ２が封止材を通じてディスク４側にほとんど支持されることが無い構造であって、端的にはリードヘッダ２が硬質の封止材によりディスク４やパワー半導体素子チップ３に係止されない構造を言う。軟質の封止材９としては、その他のゴム系材料や比較的軟質の樹脂系材料が採用される。図６の軟質材封止型パワー半導体装置によれば、封止材と主構造材との間の熱膨張率差を軟質の封止材の大きな弾性変形率により吸収している。この軟質材封止型パワー半導体装置では、柔らかいゲルをパワー半導体素子チップの側面に確実に保持しつつ装置側面を硬質樹脂モールドする困難が無いため生産性に優れる利点をもつ。
USP６０６０７７６号公報

しかしながら、上記した軟質材封止型パワー半導体装置では、組み付け作業時の作業ミスや長期の振動などによりリードヘッダ２の厚さ方向への引っ張り力がリード１に作用してリードヘッダ２とパワー半導体素子チップ３とを接合するはんだ層６にクラックが生じる可能性があることが判明した。この問題を図７を参照して具体的に説明すると、リード１に引っ張り力が作用すると、この引っ張り力は硬質材封止構造のように封止材を経由してディスク４にほとんど伝達されないため、はんだ層６に大きな引っ張り応力が生じ、その結果、はんだ層６の側面にクラックが生じる可能性が生じる。

はんだ層６にこのようなクラックが生じると、その内部への進行により半田はがれや電流集中による整流素子の破壊に至る可能性が予想される。この問題を解消するため、封止材を硬質材に変換することは、封止材の大きな熱膨張率がはんだ層６の側面に同様の熱ストレスを加えるため、上記特許文献１のような複雑な構造の樹脂封止構造が必要となる。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、構造の複雑化を抑止しつつはんだ層のクラックを防止可能な軟質材封止型パワー半導体装置を提供することをその目的としている。

上記課題を解決する本発明の軟質材封止型パワー半導体装置は、両端面がそれぞれ主電極面をなすパワー半導体素子チップと、外部の冷却用金属体に固定されるとともに前記パワー半導体素子チップの一方の前記主電極面がはんだ付けされる金属製のディスクと、前記パワー半導体素子チップの一方の主電極面にはんだ付けされるリードヘッダを先端に有するリードと、少なくとも前記パワー半導体素子チップの側面及び前記２つのはんだ付け部分を封止する軟質の封止材とを備える軟質材封止型パワー半導体装置において、前記リードヘッダは、円盤形状を成し、この円盤形状の中央部から周縁部へ向けて連続的に薄くなり、前記周縁部の径方向内側に隣接する部分に螺旋溝が多数形成され、前記中央部は互いに周方向に隣接する螺旋溝の間の螺旋状の肉部を通じて前記周縁部に連なることを特徴としている。

ただし、ここで言う径方向とは、厚さ方向と直角の方向を言うものであり、パワー半導体素子チップなどに円形であることを要求するものではない。また、ここで言うパワー半導体素子チップは、半導体チップのみから構成されてもよく、あるいはその両面に薄いヒートシンク金属板を密着させたカードモジュール形状のものを採用しても良い。

すなわち、この発明の軟質材封止型パワー半導体装置は、リードヘッダの周縁部以外の領域に位置して互いに径方向に異なる位置にて厚さが薄い薄肉部と、厚さが厚い厚肉部とを有することを特徴としている。

本発明者は、リードヘッダにこのような形状を与えると、リードヘッダに引っ張り応力が生じてもリードヘッダとパワー半導体素子チップとを接合するはんだ層にクラックが生じるのを良好に防止できることを初めて見出した。以下、この効果について更に詳しく説明する。

リードヘッダの径方向中央部に連なるリードがはんだ層剥離向きに引っ張られると、この引っ張り力はリードからそれより径大なリードヘッダの各部に横方向へ伝達される。しかし、この発明では、リードヘッダの中央側の厚肉部と周縁部との間には厚さが薄い薄肉部が設けられているため、厚肉部から周縁部への引っ張り応力の伝達は、この剛性に劣る薄肉部の弾性変形により阻害される。すなわち、薄肉部の存在によりリードヘッダの周縁部は中央側の厚肉部よりも相対的に小さい引っ張り応力をもつことができる。このことは、リードに作用する引っ張り力のうちリードヘッダの周縁部に伝達される割合が減少することを意味する。引っ張り力によるはんだ層のクラックは、はんだ層の側面において最初に生じることが知られている。したがって、上記薄肉部の創成によりはんだ層の周縁部の引っ張り応力を低減すれば、クラック発生を良好に抑止できるわけである。

これに対して、従来の軟質材封止型パワー半導体装置におけるリードヘッダの形状は、図８に示すようにその各部厚さが等しくされていた。このため、図８に示すように、リード１に引っ張り力Fが作用すると、リードヘッダ２の各部には各部等しい引っ張り応力Fxが作用する。つまり、リードヘッダ２の各部厚さが等しいため、各部の剛性が大きく、リードヘッダ２の中央部に作用する引っ張り力はリードヘッダ２の周縁部に良好に伝達されてしまうわけである。

好適な態様において、前記リードヘッダの厚さは、その中央部から前記周縁部へ向けて連続的に薄くなる。このようにすれば、リードヘッダ各部に掛かる引っ張り応力を中央部から周縁部へ連続的に低減することができる。また、リードヘッダの電気抵抗や伝熱抵抗の増大も良好に抑止することができる。

好適な態様において、前記リードヘッダは、前記パワー半導体素子チップよりも厚さ方向と直角方向の幅（パワー半導体素子チップが円盤形の場合には外径）が小さく形成されている。このようにすれば、リードヘッダの各部厚さが等しい場合と同様にTFT寿命を向上することができる。好適には、リードヘッダの直径はパワー半導体素子チップの直径よりも０．４〜１．４ｍｍ程度小さくされる。

好適な態様において、前記リードヘッダの前記周縁部は、円形に形成されている。このようにすれば、リードヘッダの周方向各部の応力分布を均一化し、熱ストレスなどの局部集中を抑止することができる。

好適な態様において、前記薄肉部及び厚肉部は、同心のリング状に形成され、前記厚肉部は、少なくとも前記薄肉部よりも径小側でかつ前記リードよりも径大部に位置して形成される。このようにすれば、リードから厚肉部に伝達された引っ張り力が薄肉部を通じてリードヘッダの周縁部に伝達されるのを良好に抑止することができる。

好適な態様において、前記薄肉部及び厚肉部は、螺旋状に形成されている。このようにすれば、リードからリードヘッダの中央部の厚肉部に伝達された引っ張り力は、総延長距離が長い螺旋状の厚肉部を主として通じてリードヘッダの周縁部に伝達されるため、リードヘッダの周縁部に伝達される引っ張り力を良好に低減することができる。

好適な態様において、前記薄肉部は、前記リードヘッダの外周部に配置される。このようにすれば、厚肉部の面積を大きくすることができるため、厚肉部各部の引っ張り応力を低減することができる。

本発明の軟質材封止型パワー半導体装置の好適な実施態様を図面を参照して下記に説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態の軟質材封止型パワー半導体装置を図１に示す。図１は、この軟質材封止型パワー半導体装置の軸方向断面図である。

１は先端にリードヘッダ２を有する好適には銅製のリード、３はパワーダイオードチップからなるパワー半導体素子チップ、４は好適には銅製又はアルミ製のディスク、５はパワー半導体素子チップ３とディスク４との間に介装される薄ディスク状の緩衝材、６〜８ははんだ層、９は軟質の封止材である。

はんだ層６はリードヘッダ２とパワー半導体素子チップ３の一端側の主電極面とを接合し、はんだ層７はパワー半導体素子チップ３の他端側の主電極面と緩衝材５の一端面とを接合し、はんだ層８は緩衝材５の他端面とディスク４の底面とを接合している。

軟質の封止材９は、リードヘッダ２、パワー半導体素子チップ３、緩衝材５を収容するディスク４の溝部に充填され、これによりパワー半導体素子チップ３の側面及び各はんだ層６〜８は良好に封止されている。

緩衝材５はＣＩＣ（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｃｕ）構造を有しており、ディスク４とパワーダイオードチップ３との熱膨張率差による応力緩和のための金属部材である。軟質の封止材９としては、シリコンゴムを採用したが、耐熱性に優れたその他のゴム又は軟質樹脂材を採用してもよい。パワー半導体素子チップ３の厚さは０．１〜０．３ｍｍとされるが、それに限定されるものではない。パワー半導体素子チップ３及びリードヘッダ２は円盤形状を有しており、パワー半導体素子チップ３の直径は２〜１２ｍｍ、リードヘッダ２の直径はパワー半導体素子チップ３の直径よりも０．２〜１．４ｍｍ程度小さく設定されているが、それに限定されるものではない。緩衝材５はＣｕ板とＩｎ板とＣｕ板とを接合した三層接合板である。

この実施形態の特徴は、図１に示すように、リードヘッダ２の中央部をその周縁部よりも肉厚に形成した点、厚肉の中央部（本発明で言う厚肉部）から周縁部に向けて、リードヘッダ２のリード側の端面をテーパ形状とすることにより連続的に薄肉とした点にその特徴を有する。リードヘッダ２の中央部の最大厚さは約０．４〜１．０ｍｍ、リードヘッダ２の周縁部の厚さは、０．１５〜０．３５ｍｍとしたが、これに限定されるものではない。

このようすると、リード１に引っ張り力Fが作用しても、リードヘッダ２の径方向各部の引っ張り応力Ｆｙの分布は図２に示すようになり、リードヘッダ２の中央部において大きく、周縁部において小さくなり、リードヘッダ２の周縁部に隣接するはんだ層６に掛かる引っ張り応力を低減して、この部分にクラックが生じるのを簡素な構造にて良好に防止することができることが判明した。

（第２実施形態）
第２実施形態の軟質材封止型パワー半導体装置を図３に示す。図３は、この軟質材封止型パワー半導体装置の軸方向断面図である。

この装置は、図１に示す装置において更に、リードヘッダ２の周縁部２１に隣接してその内側に同心状に円形溝２２を凹設したものである。円形溝２２の径方向幅は０．２〜１ｍｍ、深さは、この部位のリードヘッダ２の厚さの５０〜８０％とされるが、それに限定されなくて良い。また、同様の円形溝を同心状に複数凹設してもよい。したがって、この実施形態では、この円形溝２２の底部をなすリードヘッダ２の部分が本発明で言う薄肉部をなす。

このようにすれば、リードヘッダ２の中央部２３から円形溝２２を通じての周縁部２１への引っ張り力の伝達は、この円形溝２２により更に良好に遮断され、その分、はんだ層６の側面におけるクラック発生を抑止することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態の軟質材封止型パワー半導体装置を図４に示す。図４は、この軟質材封止型パワー半導体装置の軸方向断面図である。

この装置は、図３に示す円形溝２２を図６に示す従来型の軟質材封止型パワー半導体装置のリードヘッダ２に採用したものである。これによっても、はんだ層６の側面におけるクラック発生を抑止することができる。

（第４実施形態）
第４実施形態の軟質材封止型パワー半導体装置を図５に示す。図５は、この軟質材封止型パワー半導体装置の平面図である。

この装置は、リードヘッダ２の外周部のうちリードヘッダ２の周縁部２１の径方向内側に隣接する部分に螺旋溝２４を多数形成したものである。したがって、リードヘッダ２の厚肉の中央部は、互いに周方向に隣接する螺旋溝２４、２４の間の螺旋状の厚肉部２５を通じて周縁部２１に連なることになる。

このようにすると、リード１からリードヘッダ２の厚肉の中央部に伝達された引っ張り力の一部は、主として螺旋状の厚肉部２５を通じてリードヘッダ２の周縁部２１に伝達されるが、これら螺旋状の厚肉部２５の延長距離は長いため、その弾性変形によりリードヘッダ２の周縁部２１に最終的に伝達される引っ張り力は小さくなり、この周縁部２１に接合されるはんだ層６の周縁部のクラック発生を抑止することができる。

第１実施形態の軟質材封止型パワー半導体装置を示す軸方向断面図である。図１のはんだ層に掛かる引っ張り応力の径方向分布形状を示す図である。第２実施形態の軟質材封止型パワー半導体装置を示す軸方向断面図である。第３実施形態の軟質材封止型パワー半導体装置を示す軸方向断面図である。第４実施形態の軟質材封止型パワー半導体装置を示す平面図である。従来の軟質材封止型パワー半導体装置を示す軸方向断面図である。図６のはんだ層のクラック発生状態を示す部分拡大断面図である。図６のはんだ層に掛かる引っ張り応力の径方向分布形状を示す図である。

符号の説明

１リード
２リードヘッダ
３パワー半導体素子チップ
４ディスク
５緩衝材
６〜８はんだ層
９軟質の封止材
２１周縁部
２２円形溝
２３中央部
２４螺旋溝
２５螺旋状の厚肉部

Claims

両端面がそれぞれ主電極面をなすパワー半導体素子チップと、外部の冷却用金属体に固定されるとともに前記パワー半導体素子チップの一方の前記主電極面がはんだ付けされる金属製のディスクと、前記パワー半導体素子チップの一方の主電極面にはんだ付けされるリードヘッダを先端に有するリードと、少なくとも前記パワー半導体素子チップの側面及び前記２つのはんだ付け部分を封止する軟質の封止材とを備える軟質材封止型パワー半導体装置において、
前記リードヘッダは、円盤形状を成し、この円盤形状の中央部から周縁部へ向けて連続的に薄くなり、前記周縁部の径方向内側に隣接する部分に螺旋溝が多数形成され、前記中央部は互いに周方向に隣接する螺旋溝の間の螺旋状の肉部を通じて前記周縁部に連なることを特徴とする軟質材封止型パワー半導体装置。