JP4882434B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置、特に放熱体の嵌合孔に支持電極を圧入する際に、半導体素子に生じる応力を緩和できる半導体装置に関する。

半導体素子を固着した支持電極を放熱体の嵌合孔に圧入する圧入型ダイオード装置は、例えば、下記特許文献１により公知である。圧入型ダイオード装置は、図７に示すように、底壁(11)及び底壁(11)の外周部に形成された筒状の側壁(12)により皿状の凹部(14)を形成する支持電極(1)と、支持電極(1)の凹部(11)内に配置された半導体チップ（半導体素子）(2)と、半導体チップ(2)の一方の電極面(2c)に固着されたリード電極(3)と、凹部(14)内に充填されて半導体チップ(2)及びリード電極(3)の一部を被覆する樹脂被覆体(4)とを備える。リード電極(3)は、半導体チップ(2)の一方の電極面(2c)に半田等のろう材(6)により固着されたヘッダ(13)と、ヘッダ(13)から上方に延伸する軸部(17)とを有する。図７に示すダイオード装置(30)では、支持電極(1)の凹部(14)を形成する内部底面(14b)に底壁(11)と一体に且つ内部底面(14b)から突出して形成された支持部(7)を有する。半導体チップ(2)の他方の電極面(2b)は、支持部(7)にろう材(6)により固着され、半導体チップ(2)と支持電極(1)とを電気的に接続する。

支持電極(1)は、銅等の放熱性の高い金属により形成され、半導体チップ(2)に電流が流れて発生する熱は、支持電極(1)を通じて外部に放出される。即ち、支持電極(1)は、半導体チップ(2)に対する電極として作用すると共に、放熱板としても作用する。例えば、大きな逆方向サージ電圧が半導体チップ(2)に印加されるとき、支持電極(1)が十分な体積から成る熱容量を備えないと、支持電極(1)を通じて十分な量の熱が排出されずに半導体チップ(2)が加熱され、半導体チップ(2)の電気的特性が劣化する虞がある。

例えば、自動車交流発電機（オルタネータ）の出力用整流ダイオードに前記ダイオード装置(30)が適用される。図８に示すように、交流発電機の放熱体(21)に側壁(12)の外径より小さい内径で形成された嵌合孔(22)内に向かって、押圧治具(20)によりダイオード装置(30)の支持電極(1)の底面(1c)を押圧することにより、支持電極(1)の側壁(12)を嵌合孔(22)内に圧入して、ダイオード装置(30)が放熱体(21)の嵌合孔(22)内に保持される。放熱体(21)の嵌合孔(22)内に支持電極(1)を強制的に圧入するとき、嵌合孔(22)を形成する内壁により側壁(12)及び底壁(11)が径方向内側に押圧されて、側壁(12)から底壁(11)に圧縮力(P)が伝達されるので、応力の発生により半導体チップ(2)が損傷し、電気的特性が劣化することがあった。半導体チップ(2)に発生する応力を低減するため、支持電極(1)の側壁(12)をより高くする等、支持電極(1)の形状を変更したが、半導体チップ(2)に発生する応力を大幅に減少できなかった。

これに対し、下記特許文献２は、底壁から下方に突出する環状突起と、環状突起の内側に配置された底面とを備え、環状突起に接続される外周部から中心部に向かって連続的に湾曲して下方に突出する凸曲面を底面に形成した支持電極を開示する。特許文献２では、支持電極を放熱体の嵌合孔内に圧入するとき、放熱体からの応力に対して、底壁の凸曲面が下側に突出するように、支持電極が変形し易いため、半導体チップに発生する応力が緩和され、半導体チップが破損又は電気的特性が劣化することを抑制できる。

特開２００２−２６１２１０公報 特開２００４−２９６５９５公報

しかしながら、支持電極の底面に大きな窪みを形成する特許文献２のダイオード装置では、支持電極の熱容量が低下して、半導体チップの電気的特性が劣化することがあった。
そこで、本発明は、支持電極の熱容量及び放熱性を低下せずに、支持電極を放熱体の嵌合孔に圧入する際に半導体素子に発生する応力を低減できる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置は、底壁(11)及び底壁(11)の外周部に形成された筒状の側壁(12)により皿状の凹部(14)を形成する支持電極(1)と、凹部(14)内に配置された半導体素子(2)と、半導体素子(2)に固着されたリード電極(3)と、凹部(14)内に充填されて半導体素子(2)及びリード電極(3)の一部を被覆する樹脂被覆体(4)とを備え、側壁(12)の外径より小さい内径で放熱体(21)に形成された嵌合孔(22)内に支持電極(1)の側壁(12)を圧入する。底壁(11)は、凹部(14)の裏面側に平坦面(11a)を有し、支持電極(1)の外周面(1a)から径方向内側で一定の直径を有する環状の溝部(5)を平坦面(11a)に形成する。放熱体(21)の嵌合孔(22)内に支持電極(1)を圧入するとき、嵌合孔(22)を形成する内壁は、径方向内側に側壁(12)及び底壁(11)を押圧して圧縮力(P)を与える。側壁(12)から底壁(11)に圧縮力(P)が伝達されるとき、環状の溝部(5)が収縮して、底壁(11)の中心側に伝達する圧縮力(P)が低減されるため、支持電極(1)の凹部(14)内に配置された半導体素子(2)に発生する応力が緩和又は減少され、半導体素子(2)の電気的特性劣化を良好に防止できる。また、平坦面(11a)に溝部(5)のみを設けた支持電極(1)は、半導体素子(2)から発生する熱を良好に吸収して外部に放出する大きな熱容量を有する。

半導体装置の使用時に半導体素子に発生する応力を低減し且つ高い放熱効果も維持することで、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

以下、自動車交流発電機の出力整流ダイオードに適用した本発明による半導体装置の実施の形態を図１〜図６について説明する。図１〜図６では、図７及び図８に示す箇所と実質的に同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１に示すように、本実施の形態のダイオード装置(10)では、支持電極(1)は、図７のダイオード装置(30)と同様に、底壁(11)及び側壁(12)により形成される皿状の凹部(14)を上面(1b)に有する。支持電極(1)は、例えば、銅又は銅合金により円柱状に形成される。図２に示すように、支持電極(1)の側壁(12)は、凹部(14)を包囲する筒状に形成され、底壁(11)から上方に突出する。側壁(12)は、半導体チップ(2)の一方の電極面(2c)より高く形成される。図２は、樹脂被覆体(4)を除く、ダイオード装置(10)の分解図を示す。通常ローレット加工が支持電極(1)の外周面(1a)に施され、放熱体(21)の嵌合孔(22)の内周寸法と比較して、外周寸法は、大きく形成される。半導体チップ(2)は、シリコン等の材質により、例えば、円板状又は薄板状に形成され、周知のＰＮ接合ダイオードを構成する。リード電極(3)は、例えば、銅又は銅合金により形成され、ヘッダ(13)は、円柱状、円盤状又は円錐状に形成され、ヘッダ(14)の略中央部から棒状の軸部(17)が上方に延伸して形成される。熱伝導率の高い金属から成る支持電極(1)及びリード電極(3)は、半導体チップ(2)で発生する熱を吸収してダイオード装置(10)の外部に放出する。樹脂被覆体(4)は、例えば、エポキシ樹脂又はシリコーン樹脂等の高い耐熱性を有する樹脂により形成される。

本実施の形態のダイオード装置(10)は、底壁(11)の凹部(14)の裏面側に平坦面(11a)を有し、平坦面(11a)に環状の溝部(5)を形成する点で特許文献２のダイオード装置と異なる。図３に示すように、溝部(5)は、支持電極(1)の外周面(1a)に沿って円形に形成され、支持電極(1)の外周面(1a)から径方向内側で一定の直径を有する。従来のダイオード装置と同様に、放熱体(21)の嵌合孔(22)内に支持電極(1)を圧入するとき、嵌合孔(22)を形成する内壁は、径方向内側に側壁(12)及び底壁(11)を押圧して圧縮力(P)を与える。しかしながら、本実施の形態のダイオード装置(10)は、図４に示すように、側壁(12)から底壁(11)に圧縮力(P)が伝達されるとき、底壁(11)に繋がる側壁(12)の下端が径方向内側に変形して、環状の溝部(5)が収縮し、底壁(11)の中心側に伝達する圧縮力(P)が低減される。よって、支持電極(1)の凹部(14)内に配置された半導体チップ(2)に発生する応力を緩和又は減少することができる。

図１に示すように、溝部(5)は、凹部(14)を形成する内部側面(14a)と半導体チップ(2)の周面(2a)との間で平坦面(11a)に形成される。底壁(11)は、凹部(14)を形成する内部側面(14a)と半導体チップ(2)の周面(2a)との間に間隙(15)を形成し、半導体チップ(2)に応力を発生させる圧縮力(P)は、底壁(11)の間隙(15)と溝部(5)との間に形成される肉薄のネック部（環状最小断面部）(16)で低減される。一方、凹部(14)の内部側面(14a)と半導体チップ(2)の周面(2a)との間から離間して、換言すれば、肉薄のネック部(16)以外の平坦面(11a)に溝部(5)を形成すると、ネック部(16)による圧縮力の伝搬抑制効果が発揮されず、圧縮力(P)が十分に低減されない。例示する溝部(5)は、凹部(14)を形成する内部側面(14a)と半導体チップ(2)の周面(2a)との間に形成されるが、これよりも外側まで拡張して溝部(5)を平坦面(11a)に形成してもよい。

本実施の形態のダイオード装置(10)では、支持電極(1)に対する溝部(5)の径、幅及び深さを適宜に変更することができる。図２に示すように、溝部(5)は、外周側の環状側面(5a)と、内周側の環状側面(5b)と、外周側及び内周側の環状側面(5a,5b)を接続する環状底面(5c)とを備える。図５に示すように、支持電極(1)の直径をＤ、溝部(5)を形成する外周側の環状側面(5a)の直径をｄ、溝部(5)の幅をｗとすると、（Ｄ−ｄ）×１／６＝＜ｗ＝＜（Ｄ−ｄ）×１／２の式を満足するダイオード装置(10)が好ましい。（Ｄ−ｄ）×１／６＝＜ｗの式を満足せず、溝部(5)の幅ｗが狭いと、支持電極(1)の圧入時に、側壁(12)により溝部(5)が完全に閉鎖して、底壁(11)の内側に向かう圧縮力(P)を溝部(5)の収縮により十分に低減できない。一方、ｗ＝＜（Ｄ−ｄ）×１／２の式を満足せず、溝部(5)の幅ｗが広いと、支持電極(1)の熱容量が低下して、放熱性の点で好ましくない。

また、底壁(11)の平坦面(11a)とネック部(16)の上面(16a)との間の厚さをＴ、溝部(5)の深さをｈとすると、Ｔ×１／３＝＜ｈ＝＜Ｔ×３／５の式を満足するダイオード装置(10)がより好ましい。厚さＴに対して溝部(5)の深さｈが浅いと、ネック部(16)が肉厚となるため、圧縮力(P)が十分に低減されない。また、厚さＴに対して溝部(5)の深さｈが深いと、放熱効果が低下する。また、ネック部(16)が過剰に肉薄になると、支持電極(1)の機械的強度が減少するため、望ましくない。例示するダイオード装置(10)では、ネック部(16)の上面(16a)は、凹部(14)を形成する内部底面(14b)と同一面に形成される。

ダイオード装置(10)を製造する際に、例えば、プレス成形により、溝部(5)を有する複数の支持電極(1)が形成される。平坦面(11a)に溝部(5)のみを設けた支持電極(1)は、図７に示す従来のダイオード装置(30)と同等の熱容量を有し且つ特許文献２のダイオード装置より高い放熱性を有する。よって、半導体チップ(2)から発生する熱を良好に吸収して外部に放出し、半導体チップ(2)の電気的特性の劣化を良好に防止できる。また、押圧冶具が当接する支持電極の底面に凸曲面を有する特許文献２のダイオード装置では、適用可能な押圧冶具の形状が限定されると共に、放熱体の嵌合孔内に支持電極を圧入する際の信頼性が低下し易い。これに対し、ダイオード装置(10)の底壁(11)は、凹部(14)の裏面側に平坦面(11a)を有するので、押圧冶具(20)により平坦面(11a)を確実に押圧して、放熱体(21)の嵌合孔(22)内に支持電極(1)を精度よく圧入することができる。

本発明の実施の形態は、図１〜図５に示す実施の形態に限定されず、変更が可能である。例えば、図６に示すように、底壁(11)の溝部(5)に熱伝導率の高い樹脂等から成る充填材(8)を充填してもよい。支持電極(1)の体積が増加して、支持電極(1)の放熱性を向上できる。また、溝部(5)による緩衝効果は、低減するが、底壁(11)の溝部(5)に半田等の軟性金属を充填してもよい。この場合、押圧治具(20)の形状の自由度が更に増す。図示する支持電極(1)は、凹部(14)内に底壁(11)と一体に形成された支持部(7)を有するが、支持部(7)を省略又は凹部(14)内にインバー等の金属から成る図示しない台座を固着し、台座上に半導体チップ(2)を固着してもよい。半導体素子(2)、リード電極(3)及び樹脂被覆体(4)の構造は、本発明を限定するものではない。

本発明は、自動車交流発電機に使用される出力用整流ダイオード等の高い放熱性及び耐応力性が要求されるダイオード装置に良好に適用できる。

本発明によるダイオード装置の一実施の形態を示す断面図 樹脂被覆体を除く図１のダイオード装置の分解図 図１のダイオード装置の底面図 放熱体の嵌合孔内に圧入される図１のダイオード装置の断面図 溝部の各寸法を示す図１のダイオード装置の断面図 本発明によるダイオード装置の他の実施の形態を示す断面図 従来のダイオード装置を示す断面図 放熱体の嵌合孔内に圧入される図７のダイオード装置の断面図

符号の説明

(1)・・支持電極、 (1a)・・外周面、 (2)・・半導体チップ（半導体素子）、 (2a)・・周面、 (2b)・・他方の電極面（底面）、 (3)・・リード電極、 (4)・・樹脂被覆体、 (5)・・溝部、 (11)・・底壁、 (11a)・・平坦面、 (12)・・側壁、 (14)・・凹部、 (14a)・・内部側面、 (14b)・・内部底面、 (16)・・ネック部、 (16a)・・上面、 (21)・・放熱体、 (22)・・嵌合孔、

Claims (4)

1. 底壁及び該底壁の外周部に形成された筒状の側壁により皿状の凹部を形成する支持電極と、前記凹部内に配置された半導体素子と、該半導体素子に固着されたリード電極と、前記凹部内に充填されて前記半導体素子及びリード電極の一部を被覆する樹脂被覆体とを備え、
   前記側壁の外径より小さい内径で放熱体に形成された嵌合孔内に前記支持電極の側壁を圧入する半導体装置において、
   前記底壁は、前記凹部の裏面側に平坦面を有し、
   前記支持電極の外周面から径方向内側で一定の直径を有する環状の溝部を前記平坦面に形成したことを特徴とする半導体装置。
2. 前記溝部は、前記凹部を形成する内部側面と前記半導体素子の周面との間で平坦面に形成される請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記支持電極の直径をＤ、前記溝部を形成する外周側の環状側面の直径をｄ、前記溝部の幅をｗとすると、（Ｄ−ｄ）×１／６＝＜ｗ＝＜（Ｄ−ｄ）×１／２の式を満足する請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記底壁は、前記溝部により肉薄に形成されるネック部を有し、
   前記底壁の平坦面と前記ネック部の上面との間の厚さをＴ、前記溝部の深さをｈとすると、Ｔ×１／３＝＜ｈ＝＜Ｔ×３／５の式を満足する請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。

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