JP5341380B2

JP5341380B2 - 半導体装置

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Publication number: JP5341380B2
Application number: JP2008098184A
Authority: JP
Inventors: 智弘恩田; 耕一石川; 恵水野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2028-04-04
Also published as: JP2009252951A

Description

本発明は、交流発電機の交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣ変換器に用いて好適な半導体装置に係り、特に半導体チップを搭載した台座を有する支持電極体を、放熱板に圧入して用いられる半導体装置の構造の改良に関する。

特許文献１や特許文献２には、注型樹脂の乾燥時に、台座と樹脂の緊密な係合を得るために、台座の周縁に肩を設けることが開示されている。特に、特許文献１の図１や図２に明確に図示されているように、台座２の中段座３に円環状の肩１５を備え、台座２と封止樹脂１３との間に緊密な係合接続部が形成され、機械的な安定性が得られるとしている。

また、前記肩１５には斜縁２０を有しており、これによって外的な機械的及び熱的負荷を受けた場合に高い機械的応力の発生及び封止樹脂部における亀裂形成のリスクが回避されるとしている。

特表２０００−５０２８３８号公報特表２００７−５１１０８０号公報

前記半導体装置の製造に際しては、支持電極体に、半導体チップとリード電極体を接合後に、支持電極体の上部、半導体チップ、リード電極体の基底部までに封止樹脂を封入する。ここで、支持電極体と封止樹脂は接合されず、支持電極体を放熱板に圧入する際に発生する応力、リード電極体や封止樹脂への引張応力、ヒートサイクルによる熱負荷によって、支持電極体から封止樹脂が剥離又は脱落し、半導体チップの破壊を招く恐れがある。

特に、車載用として使用される半導体装置は、この懸念が大きく、エポキシ系樹脂は、その劣化や吸湿などにより接着力の低下が起こるため、支持電極体からの封止樹脂の剥離及び脱落を防止する手段を講じる必要がある。

特許文献１や特許文献２に開示された局部的に封止樹脂内に突出する肩では、封止樹脂や支持電極体に加わる様々なストレスによる応力集中により、樹脂の破壊、支持電極体からの封止樹脂の剥離、支持電極体の肩の破損などが懸念される。

また、肩を局部的に設ける際に、加工バリの発生や変形などのリスクが増し、加工性および上記懸念にも拍車をかける恐れがある。

また、半導体装置が、被水の可能性が高い環境下で使用される場合、支持電極体から封止樹脂が剥離又は脱落することにより、この剥離部分から水が侵入し、逆方向リーク電流の増加による整流作用の低下や半導体チップの破壊等の問題が発生する可能性がある。

近年では、カーエレクトロニクスの発展に伴い、ダイオードの高出力化に対する要求が強まっており、半導体チップの平面断面積も徐々に拡大してきている。そのため、半導体チップを搭載する支持電極体の台座の表面積も広げる必要があるが、支持電極体の外形寸法は、直径１２．７５ｍｍに規定されているため、半導体装置側面部に配置できる封止樹脂の厚みには限界がある。したがって、従来の半導体装置に適用されている台座の側壁の一部分に肩を設け、樹脂内に突出させる構造では、肩の近辺に位置する封止樹脂の局部的な厚み減少に伴い、封止樹脂の破壊並びに剥離及び脱落を招く恐れが増大する。

本発明の目的は、製造時の加工性に優れ、かつ悪環境下での使用に耐える強靭性を兼ね備えた半導体装置を提供することである。

本発明は、中央に台座を設けた支持電極体、前記台座の表面に接合して搭載された半導体チップ、この半導体チップから引き出したリード電極体、これら台座と半導体チップおよびリード電極体の基部を包む封止樹脂、前記支持電極体の中央の前記台座とその周囲の前記支持電極体の周縁部との間の表面側に円を描くように設けた溝とを備え、前記支持電極体が放熱板の丸孔に圧入される半導体装置において、前記溝の内壁をなす前記台座の外周側壁を、前記溝の深部に向かって中央方向に連続的に傾斜させたことを特徴とする。

本発明は他の一面において、前記溝の内壁をなす前記台座の外周側壁に、この外周側壁の高さの６０％以上に亘り、前記溝の深部に向かって中央方向に連続的に傾斜した傾斜部を設けたことを特徴とする。

本発明は、また他の一面において、前記溝の内壁をなす前記台座の外周側壁に、前記半導体チップ搭載面から前記溝の深部に向かって９０％以上に亘り、中央方向に連続的に傾斜した傾斜部を設けたことを特徴とする。

本発明は、さらに他の一面において、前記台座の外径を前記溝の深部に向かって絞り込むように、前記溝の内壁をなす前記台座の外周側壁に、高さ方向の９０％以上に亘り、中央方向に連続的に傾斜した傾斜部を設けたことを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様においては、前記台座の前記外周壁は、前記台座の表面をたたく冷間鍛造加工に伴ってはみ出した湾曲面を備えている。

本発明の望ましい実施態様によれば、封止樹脂と台座の外周側壁との間の鉤止め作用により、封止樹脂は、支持電極体から抜け落ちないように、台座を強固に把持する。これにより支持電極体の局部的な厚み変化は無く、加工性に優れるとともに、各種ストレスによる応力の局部への集中の回避により、支持電極体の変形・破壊を防止でき、悪環境下での使用に耐える強靭性を兼ね備えた半導体装置を提供することができる。

また、本発明の具体的実施形態においては、放熱板の丸孔径や材質に応じて支持電極体の台座の高さ（厚み）並びに台座の外周の周縁部の高さ（厚み）を適切に設定することにより、支持電極体を放熱板へ圧入する際に発生する機械的応力を軽減し、半導体チップの破壊を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１による半導体装置の断面図である。本実施例の半導体装置は、整流作用を有する半導体チップ１０の支持構造を形成している。この半導体チップ１０の一端側には、接合部材２１を介して支持電極体３０中央部の台座３１が電気的に接合されている。支持電極体３０における前記台座３１の周囲には、溝３２が円環状に形成されている。台座３１は、支持電極体３０の周縁部３３よりも高い位置で半導体チップ１０を搭載している。支持電極体３０は、放熱板４０に設けられた丸孔４１に圧入し固定され、半導体チップ１０に発生した熱を放熱する。

半導体チップ１０の他端側には、接合部材２２を介してリード電極体５０が電気的に接合され、その先端には、端子６０が接合されている。

前記半導体チップ１０と、支持電極体３０の台座３１、およびリード電極体５０の基部５１の接合部分を、封止樹脂７０によって封止している。

ここで、台座３１の外周側壁３４は、図示するように、溝３２の深部に向かって中央方向に連続的に湾曲しながら傾斜している。

封止樹脂７０にはエポキシ系樹脂が一般的に用いられ、支持電極体３０の台座３１の外周側壁３４に、トランスファーモールド成形法若しくはポッティングにより成形する。尚、台座３１の外周側壁３４は、エポキシ樹脂以外の封止材との固着にも有効であり、例えばシリコンゴムなどを封止材として用いても良い。

図には示していないが、半導体チップ１０に水分が浸入しないように、半導体チップ１０の側面を、封止樹脂７０で封止する前に、絶縁封止材により密封することが好ましい。絶縁密封材の材質としては、耐熱性及び密封性に優れたポリイミド系樹脂などが挙げられる。なお、ポリイミド系樹脂と封止樹脂７０に用いられるエポキシ系樹脂は同じ有機材であり結合し易い。また、ポリイミド系樹脂は、半導体チップ１０の側面をエポキシ樹脂よりも遥かに薄く覆っているため、封止樹脂７０が支持電極体３０から万一剥離若しくは脱落した場合、ポリイミド系樹脂が破壊し、結果として半導体チップ１０が破壊する。

そのため、本実施例では、支持電極体３０から封止樹脂７０の剥離及び脱落を防止する手段として、支持電極体３０の台座３１の外周側壁３４の形状を、樹脂止め機能を有する連続的な曲線を有する湾曲形状としている。

半導体チップ１０を搭載する台座３１の外周側壁３４の湾曲部は、台座３１の表面３５をたたく冷間鍛造加工によって、自然と周囲に膨らんだ湾曲形状であることが望ましく、この場合、一段と、加工性・生産性に優れている。

図２は、本発明の実施例１による半導体装置における支持電極体の詳細を表す平面図とＺ−Ｚ縦断面図である。支持電極体３０は、放熱板４０（図１）に支持固定される部分の外径Ｄ３０＝１２．７５ｍｍと、半導体チップ１０を搭載する外径Ｄ３１＝８．５ｍｍの台座３１を持つ。溝３２の底部からの台座３１の高さＨは１．０ｍｍであり、その外周側壁３４のうち、連続した湾曲傾斜部のチップ搭載面３５からの深さＨ１は、０．９ｍｍである。

このように、湾曲傾斜部は、半導体チップ搭載面３５を基準とし、搭載面高さＨ＝１．０ｍｍに対して、湾曲傾斜部の深さＨ１は、６０％以上、９０％未満（実施例１では、０．６〜０．９ｍｍ）に収まるような連続的な曲線を有する形状とすることが望ましい。

このように規定した背景には、支持電極体３０の台座３１と封止樹脂７０間における鉤止め作用により、封止樹脂７０が台座３１を十分に把持する力を発揮させる一方で、外周側壁３４の湾曲部の鋭角なエッジ化による脆弱性を回避するとともに、高さＨ全面を湾曲させる場合の加工性の低下を回避する意図とが含まれている。

また、図２（Ｂ）に示す支持電極体３０の断面図において、支持電極体３０の台座３１と封止樹脂７０との鉤止め作用を生じるための、外周側壁３４の湾曲部の幅に相当する寸法Ｗ１を、封止樹脂７０の十分な把持力を確保するため、０．２ｍｍ以上に設定している。

なお、台座３１の高さＨは、実施例１では１．０ｍｍとしたが、支持電極体３０からの封止樹脂７０の剥離防止及び封止樹脂７０の成形性、各種応力の発生を考慮して、最低でもＨｍｉｎ≧０．５ｍｍはキープしなければならない。

さらに、図２の溝３２の開口部の幅Ｗ３２＝０．５ｍｍや、面取り部３６のある周縁部３３の高さＨ３３＝０．５ｍｍに関しては、トランスファーモールド時における封止樹脂７０の充填不足や強度不足が発生しない寸法とし、支持電極体３０の構造によって随時変更可能な寸法としている。

図３は、本発明の実施例１における支持電極体の鉤止め形状による樹脂抜け強さデータを表すグラフである。この試験結果は、接合部材による樹脂抜け強さを差し引いて、純粋に、鉤止め形状の効果がもたらす樹脂抜け強さを表している。

図に示すように、台座３１の高さHに傾斜部３４が占める割合（横軸）に対する封止樹脂７０の抜け強さ（縦軸）をプロットした。傾斜部３４の占める割合が大きいほど樹脂抜け強さも大きくなるが、その割合が約６０％を超えると、樹脂抜け強さは飽和傾向を示し、ほぼ一定となる。傾斜部３４の占める割合６０％以上では、傾斜部３４による鉤止めのない形状に比べて、約４倍の樹脂抜け強さを発揮している。

図４は、本発明の実施例２による半導体装置の断面図である。図中の符号は、図１と同様であり、重複説明は避ける。

図１との違いは、台座３１の半導体チップ搭載面３５を、支持電極体３０の周縁部３３よりも高く突出して形成したことである。すなわち、支持電極体３０上の台座３１高さを変え、支持電極体３０の放熱板４０への圧入時に発生する機械的応力が、半導体チップ１０へ及ぼす影響を低減している。

図に示すように、支持電極体３０の半導体チップ１０を搭載する台座３１の高さ（図２のＨ３１の寸法）を図１の実施例１に比べ、１．５倍以上大きくし、半導体チップ１０の位置を底上げし、チップ１０への機械的応力を軽減している。

図５は、本発明の実施例３による半導体装置の断面図である。図中の符号は、図１や図４と同様である。

前記実施例１，２との違いは、台座３１の外周側壁３４は、その傾斜部が実質的に直線状に傾斜していることである。すなわち、図５に示すように、溝３２の内壁をなす台座３１の外周側壁３４を、溝３２の深部に向かって中央方向に直線状（連続的）に傾斜させている。支持電極体３０の半導体チップ１０を搭載する台座３１の外周側壁３４の、鉤止め作用による樹脂止め機能を有する形状は、直線状としても同様の効果が得られる。

図６は、本発明の実施例４による半導体装置の断面図である。図中の符号は、図１〜図５と同様である。

図６に示すように、支持電極体１の外周縁部３３を高くすることにより、外周縁部３３の面取り部３６と放熱板４０との隙間に溜まった水滴に対する耐湿性の向上のほか、支持電極体３０を放熱板４０へ圧入する際に生じるチップ１０への機械的応力の軽減が可能となる。耐水性に関しては、特に、防錆上、塩水に対する保護が重要である。

以上の本発明の実施例１〜４においては、中央に台座３１を設けた支持電極体３０、前記台座３１の表面３５に接合して搭載された半導体チップ１０、この半導体チップ１０から引き出したリード電極体５０、これら台座３１と半導体チップ１０およびリード電極体５０の基部５１を包む封止樹脂７０、前記台座３１とその周囲の支持電極体の周縁部３３との間の表面側に円を描くように設けた溝３２とを備え、前記支持電極体３０が放熱板４０の丸孔４１（図１）に圧入される半導体装置において、前記溝３２の内壁をなす前記台座３１の外周側壁３４に、前記溝３２の深部に向かって中央方向に連続的に傾斜した傾斜部を設けている。

また、前記溝３２の内壁をなす前記台座３１の外周側壁３４に、この外周側壁３４の高さの６０％以上に亘り、前記溝３２の深部に向かって中央方向に連続的に傾斜した傾斜部を設けたことで、支持電極体３０の台座３１と封止樹脂７０間における鉤止め作用により、封止樹脂７０が台座３１を十分に把持する力を発揮させることができる。

その一方で、前記溝３２の内壁をなす前記台座３１の外周側壁３４に、前記半導体チップ搭載面３５から前記溝３２の深部に向かって９０％以下に亘り、中央方向に連続的に傾斜した傾斜部を設けたことで、前記鉤止め作用により、封止樹脂７０が台座３１を十分に把持する力を発揮させるとともに、高さＨ全面を湾曲させた場合の加工性の低下と、外周側壁３４の湾曲部の鋭角なエッジ化による脆弱性を回避することができる。

これらは、見方を変えて表現すれば、前記台座３１の外径を前記溝３２の深部に向かって連続的に絞り込むように、前記溝３２の内壁をなす前記台座３１の外周側壁３４に傾斜部を設けたと言うことができる。

図７は、本発明の実施例５による支持電極体の外周部の構造を説明する図である。

図に示すように、支持電極体３０の放熱板４０への圧入箇所には溝加工が施されており、圧入時に発生する機械的応力を軽減している。

半導体装置を放熱板４０に圧入する際に、放熱板４０の丸孔４１（図１）の内壁に接する支持電極体３０の外周面には、軸方向に図７に示すような微細な多数の凹凸からなるローレット形状を形成する。一方、支持電極体３０を支持固定する放熱板４０には、支持電極体３０の外径よりも若干小さい内径を有する丸孔４１を設け、この丸孔４１に対して支持電極体３０を圧入固定する。支持電極体３０外周面のローレット形状は、この圧入固定の効果を高め、圧入応力を軽減することができる。

なお、図７ではローレットの形状を台形で示しているが、特に形状は限定されず、波型や三角形などの形状としてもよい。

本発明の実施例１による半導体装置の断面図である。本発明の実施例１による半導体装置における支持電極体の詳細を表す平面図と縦断面図である。本発明の実施例１における支持電極体の鉤止め形状による樹脂抜け強さデータを表すグラフである。本発明の実施例２による台座形状例を示す半導体装置の断面図である。本発明の実施例３による台座の外周側壁の形状を示す半導体装置の断面図である。本発明の実施例４による支持電極体の周縁部の形状を示した半導体装置の断面図である。本発明の実施例５による支持電極体の外周部の構造を説明する図である。

符号の説明

１０…半導体チップ、２１，２２…接合部材（半田）、３０…支持電極体、３１…台座、３２…溝、３３…外周縁部、３４…台座の外周側壁、３５…チップ搭載面、３６…面取り部、４０…放熱板、４１…丸孔、５０…リード電極体、５１…リード電極体の基部、６０…端子、７０…封止樹脂（プラスチックケース）。

Claims

中央に台座を設けた支持電極体、前記台座の表面に接合して搭載された半導体チップ、この半導体チップから引き出したリード電極体、これら台座と半導体チップおよびリード電極体の基部を包む封止樹脂、前記支持電極体の中央の前記台座とその周囲の前記支持電極体の周縁部との間の表面側に円を描くように設けた溝とを備え、前記支持電極体が放熱板の丸孔に圧入される半導体装置において、
前記溝の内壁をなす前記台座の外周側壁に、前記溝の深部に向かって中央方向に連続的に傾斜した傾斜部を設け、
連続的な前記傾斜部は、湾曲し、かつ前記台座の高さ方向の９０％以上に亘ることを特徴とする半導体装置。
請求項１において、前記台座の前記半導体チップ搭載面は、前記放熱板の厚さの範囲内よりも外側へ突出して形成されたことを特徴とする半導体装置。
請求項１〜２のいずれかにおいて、前記台座の前記半導体チップ搭載面は、前記支持電極体周縁部よりも高く突出して形成されたことを特徴とする半導体装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記台座の前記外周側壁は、前記台座の表面をたたく冷間鍛造加工に伴ってはみ出した湾曲面を備えたことを特徴とする半導体装置。
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記半導体装置は、単方向に電流を流す整流作用を有することを特徴とする半導体装置。