JP7231407B2 - 半導体装置およびそれを用いたオルタネータ - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置およびそれを用いたオルタネータに関する。

自動車用オルタネータの交流出力の整流用に使用される半導体装置は、半導体チップと、ベースと、リードと、それらを接合する導電性接合材を備えるものである。

半導体装置は、特許文献１に記載されているように、トランジスタ回路チップやコンデンサ等、複数の電子部品を搭載した構造も知られている。

半導体装置をオルタネータへ実装する際には、ベースのうち、電子部品と接合されていない面を押圧冶具により押圧し、オルタネータの放熱体に形成された嵌合孔に圧入される。

半導体装置のオルタネータへの圧入時には嵌合孔からの締付力と押圧冶具による押圧力で半導体装置のベースが変形するため、それに伴い、半導体チップに応力が発生する。

よって、半導体チップへの応力を低減し、信頼性を向上することが必要である。

この要求に応えるべく、圧入時の応力を低減した半導体装置を提供する技術として、例えば、特許文献２に記載の技術が知られている。

特許文献２には、半導体装置のベースの底面を湾曲した形状とし、圧入時の応力を緩和する技術が記載されている。

特開２０１７－９８２７６号公報 特開２００４－２９６５９５号公報

近年、半導体装置における電子部品の搭載量が増加する傾向にあり、その搭載量を確保するため、領域を増加させる必要がある。このため、半導体装置の高さ方向への搭載領域を増加すべく、半導体装置のベースを薄型化することが考えられる。

電子部品の搭載領域確保のために半導体装置のベースを薄型化する場合には、ベースの曲げ剛性が低下する。

よって、オルタネータの嵌合孔からの締付力の影響でベースが曲げ変形しやすくなり、ベースの底面側に凸の特有の曲げ変形が生じる。

このため、半導体装置のベースを薄型化する場合には、半導体チップの応力を低減し信頼性を向上するため、ベースの曲げ変形を抑制する必要がある。

本発明は、前記課題に鑑みて成されたもので、オルタネータへの圧入時に半導体チップに作用する応力が低減され、信頼性を向上することができる半導体装置およびそれを用いたオルタネータを実現することである。

本発明は、上記課題を解決するため、以下のように構成される。

半導体装置において、リード電極と、前記リード電極に接続された電子部品と、前記電子部品を支持するベースと、を備え、前記ベースは、前記ベースの一方の面に、前記電子部品が配置される台座部と、前記台座部の外周側に配置された円環状の外周凸部とが形成され、前記ベースの一方の面と反対側の面である底面に、外径が、前記台座部の直径以上であり、かつ、前記外周凸部の内径以下である底面凸部が形成され、外部部材の孔に半導体装置を挿入するための押圧治具が前記底面凸部に接触する治具接触領域が形成されている。

また、オルタネータにおいて、ロータと、ステータと、整流器とを備えるオルタネータにおいて、前記整流器は、放熱体に形成された嵌合孔に挿入された半導体装置を有し、前記半導体装置は、リード電極と、前記リード電極に接続された電子部品と、前記電子部品を支持するベースとを有し、前記ベースは、前記ベースの一方の面に、前記電子部品が配置される台座部と、前記台座部の外周側に配置された円環状の外周凸部とが形成され、前記ベースの一方の面と反対側の面である底面に、外径が、前記台座部の直径以上であり、かつ、前記外周凸部の内径以下である底面凸部が形成され、外部部材の孔に前記半導体装置を挿入するための押圧治具が前記底面凸部に接触する治具接触領域が形成されている。

本発明によれば、オルタネータへの圧入時に半導体チップに作用する応力を低減し、信頼性を向上することができる半導体装置およびそれを用いたオルタネータを実現することができる。

第１実施例に係る半導体装置６の概略断面図である。 第１実施例に係る半導体装置をオルタネータの放熱体に形成された嵌合孔に圧入する状態を示す概略断面図である。 本発明とは異なる例であり、本発明と比較するための例を示す図である。 比較例による方法で半導体装置を嵌合孔に圧入した際のひずみを測定した結果を示すグラフである。 図３に示した比較例の測定結果から考えられるベースの曲げ変形の方向の模式図である。 応力解析モデルを示す図である。 応力解析の各条件での押圧箇所を示す図である。 応力解析の結果得られた各条件の半導体チップ応力を示す図である。 応力解析の結果得られた各条件の曲げ変形量を示す図である。 応力解析の各条件での押圧箇所を示す図である。 応力解析の結果得られた各条件の半導体チップ応力を示す図である。 第２実施例に係る半導体装置の概略断面図である。 第３実施例に係る半導体装置及び押圧治具の概略断面図である。 本発明の第４実施例に係る半導体装置の概略断面図である。 第１実施例～第４実施例の半導体装置のいずれかが圧入された整流器を有するオルタネータの概略断面図である。

以下、図面を適宜参照しながら、本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組合せや改良が可能である。

（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例に係る半導体装置６の概略断面図である。

図１において、半導体装置６は、半導体チップ１ａ、コンデンサ１ｂ、制御回路チップ１ｃ、ソースフレーム１ｄ、電子部品用導電性接合材１ｅ、ワイヤ１ｆ、リードフレーム１ｇ、電子部品用樹脂１ｈからなる電子部品１と、電子部品１が配置されるベース２と、リード電極３と、半導体装置用導電性接合材４と、半導体装置用樹脂５で構成される。電子部品１はリード電極３に接続される。

ベース２は電子部品１を支持する部材であって、半導体装置用導電性接合材４を介して電子部品１と互いに接合され電子部品１が配置される円形の台座部２ａと、台座部２ａの外周側に配置され、台座部２ａを取り囲むように設けられた円環形の外周凸部２ｂと、基部２ｃとを有する。台座部２ａと外周凸部２ｂとの間は、円環状の溝が形成されている。

円形の台座部２ａ及び円環形の外周凸部２ｂはベース２の一方の面に形成されている。

ソースフレーム１ｄ、ベース２、リードフレーム１ｇ、リード電極３の材質としては、電気伝導性と熱伝導性に優れた銅や銅合金が望ましい。特に、ベース２は圧入時の締付力や押圧力を受けるため、ジルコニウムと銅との合金等、高強度な材質が望ましい。

ベース２の厚さは３～４ｍｍ程度である。

半導体装置６は、オルタネータに実装される際、基部２ｃのうち台座部２ａのある側の面（ベース２の一方の面）と反対側の面を外部から押圧冶具で押されることで、オルタネータの放熱体に形成された嵌合孔に挿入（圧入）される。このとき、ベース２の底面（台座部２ａが配置された面、つまり、ベース２の一方の面とは反対側の面）には押圧冶具と接する領域２ｄと押圧冶具と接しない領域２ｅとが設定されており、押圧冶具と接する領域２ｄの外径は、台座部２ａの直径以上、かつ外周凸部２ｂの内径以下であることが第１実施例の構成の最大の特徴である。

図２は第１実施例に係る半導体装置６をオルタネータの放熱体７に形成された嵌合孔１６に圧入する状態を示す概略断面図である。

図２において、半導体装置６をオルタネータの放熱体（外部部材）７の嵌合孔１６に圧入するときには、嵌合孔１６が形成された放熱体７を固定し、ベース２の台座部２ａのある側が嵌合孔１６に対向するように半導体装置６を設置する。

押圧冶具８の上面（ベース２の底面を押圧する面）を領域２ｄに略一致するようにベース２の底面に接触させる。そして、押圧冶具８によりベース２の底面を放熱体７の方向へ押圧することで、ベース２を嵌合孔１６内に嵌合させる。

押圧冶具８の外径は、領域２ｄと同様に、台座部２ａの直径以上、かつ外周凸部２ｂの内径以下である。ベース２の底面における、押圧治具８がベース２の底面に接触する領域２ｄを治具接触領域と定義する。

第１の実施例は、押圧治具８がベース２の底面に接触する領域２ｄが治具接触領域として形成されている。

図３は、本発明とは異なる例であり、本発明と比較するための例を示す図である。図３に示す例においては、治具接触領域はベース２の底面全面のいずれかの領域であり、本発明の第１実施例のようには特定されていない。

また、図３に示した例では、円環状の押圧冶具８の外径は外周凸部２ｂの内径を上回る。

図３に示した例では、円環状の押圧冶具８の円環部でのみ、ベース２の底面を押圧し、半導体装置６を放熱体７の嵌合孔に圧入する。

図４は図３に示した比較例による方法で半導体装置６を放熱体７の嵌合孔に圧入した際のベース２の台座部２ａとベース２の底面の中央のひずみを測定した結果を示すグラフである。また、図５は図３に示した比較例の測定結果から考えられるベース２の曲げ変形の方向の模式図である。

図４及び図５において、圧入途中、ベース２の台座部２ａには圧縮のひずみが作用し、ベース底面には引張のひずみが作用する。よって、ベース２はベース底面側に凸の曲げ変形をしている。

圧入の途中ではベースのうち台座部２ａ側のみが放熱体７からの締付力を受ける。この締付力により曲げ変形したと考えられる。

圧入途中のベース２の曲げ変形により半導体チップ１ａに作用する応力を評価するために、有限要素法による応力解析を実施した。

図６は、応力解析モデルを示す図である。図６に示した例は、ベース２の形状の対称性を考慮して、二次元軸対称モデルとした。また、ベース２の変形による半導体チップ１ａへの影響を厳しめに評価するために、部材としては半導体チップ１ａと電子部品用導電性接合材１ｅとベース２のみをモデル化した。ベース側面のうち、台座部２ａ側の半分にのみ、嵌合孔の内壁からの締付けに相当する締付力Ｆを与えることで、圧入途中を模擬した。

ベース２の底面に、押圧冶具からの押圧力Ｐを与えた。この押圧力Ｐを与える箇所を変えることで、本発明の第一実施例と図３に示した比較例とを比較した。押圧箇所を変える各条件での押圧力Ｐの荷重は全て同じ大きさとした。

図７は、応力解析の各条件での押圧箇所を示す図である。図７において、押圧箇所はＡ、Ｂ、Ｃの３条件とした。条件Ａは、押圧箇所の外径が外周凸部２ｂの内径を上回る条件であり、図３に示した比較例に相当する。

条件Ｂは、押圧箇所の外径が台座部２ａの直径以上、かつ外周凸部２ｂの内径以下の条件であり、本発明の第１実施例に含まれる。

条件Ｃは、押圧箇所の外径が台座部２ａの直径を下回る条件であり、ベース中心に集中的な押圧力を与える場合を模擬した追加の比較例（図３に示した例とは別箇の比較例）である。

図８は、応力解析の結果得られた各条件の半導体チップ応力を示す図である。図３に示した比較例である条件Ａの応力を１として相対比較した。

図８において、条件Ｃでは条件Ａの７倍の応力が発生するが、本第１実施例に含まれる条件Ｂでは応力は、条件Ａの０．２倍に低減される。この理由を示すために、各条件での解析モデルの曲げ変形量を比較した。

図９は、応力解析の結果得られた各条件の曲げ変形量を示す図である。図９において、条件Ａの変形量を１として相対比較した。条件Ａでは、ベース２の外周部を押圧するため、図４および図５で示した通り、嵌合孔１６の内壁からの締付力によって、ベース２の底面側に凸の曲げ変形が発生する。

条件Ｂでは、押圧力がベース底面側に凸の曲げ変形を打ち消す方向に作用するため、ベース２の曲げ変形量が低減される。その結果、半導体チップ応力も低減されたと考えられる。

条件Ｃでは、押圧力がベース底面側に凸の曲げ変形を打ち消す方向に作用するが、押圧力がベース中央部に集中しているため、台座部側に凸の曲げ変形が過大に発生し、その結果、半導体チップ応力も増大したと考えられる。

以上のことから、ベース２の底面側に凸の曲げ変形を打ち消す方向に押圧力を作用させ、かつ、ベース２の中央に押圧力を集中させすぎないことが、チップ応力低減のために有効であることがわかる。

応力低減効果を得られる押圧箇所の範囲を示すために、さらに応力解析を実施した。図１０は、応力解析の各条件での押圧箇所を示す図である。図１０において、押圧箇所としてＤ、Ｅの２条件を追加した。Ｄ及びＥのいずれの条件も本第１実施例に含まれる。

条件Ｄは条件Ｂと押圧箇所が共通する部分があるが、押圧する範囲を条件Ｂよりも増加させたものである。条件Ｅは、条件Ｄよりもさらに押圧箇所の範囲を広げ、台座部２ａの直径と同じ範囲全体を押圧するものである。

図１１は、応力解析の結果得られた各条件の半導体チップ応力を示す図である。図１１において、条件Ｄは条件Ａの０．２倍で条件Ｂと同等、条件Ｅは条件Ａの０．４倍の応力が発生しており、いずれの条件でも、図３に示した比較例の条件Ａに対して応力低減効果を得られることがわかる。

以上のことから、本発明の第１実施例のように、半導体装置６のベース２の底面に対する押圧箇所（治具接触領域２ｄ）の外径を台座部２ａの直径以上、かつ外周凸部２ｂの内径以下とすることで、半導体チップの応力を低減できることがわかる。

また、条件Ｂ、Ｄのように、ベース２の中心を除く円環形の範囲を押圧することで、より応力を低減することができることがわかる。

つまり、本発明の第１実施例によれば、半導体装置６のベース２の底面に対する押圧治具８による押圧箇所として、台座部２ａの直径以上、かつ外周凸部２ｂの内径以下とする治具接触領域２ｄを形成したので、オルタネータへの圧入時に半導体チップに作用する応力が低減され、信頼性を向上することができる半導体装置を実現することができる。

なお、上述したように、押圧治具８の外径は台座部２ａの直径以上、かつ外周凸部２ｂの内径以下であることが必要である。

（第２実施例）
図１２は、本発明の第２実施例に係る半導体装置６の概略断面図である。

図１２において、第２実施例は、ベース２の底面に底面凸部２ｆを有する。底面凸部２ｆの直径は、第１実施例の治具接触領域２ｄと同様に、台座部２ａの直径以上、かつ外周凸部２ｂの内径以下である。よって、底面凸部２ｆが治具接触領域となる。また、押圧冶具８の直径は底面凸部２ｆの直径以上とする。

第２実施例の半導体装置において、押圧冶具８と接する領域は、底面凸部２ｆであり、その直径は台座部２ａの直径以上、かつ外周凸部２ｂの内径以下であるため、第１実施形態と同様の応力低減効果を得られ、オルタネータへの圧入時に半導体チップに作用する応力が低減され、信頼性を向上することができる半導体装置を実現することができる。

また、押圧冶具８の直径が底面凸部２ｆの直径以上であれば、寸法が異なっても同様の効果を得られるという長所がある。

（第３実施例）
図１３は、本発明の第３実施例に係る半導体装置６及び押圧治具８の概略断面図である。

第３実施例は、押圧冶具８は、半導体装置６のベース２の底面と接する面に円環形押圧冶具凸部８ａを有する。円環形押圧冶具凸部８ａの外径は台座部２ａの直径以上、かつ外周凸部２ｂの内径以下である。

半導体装置６のベース２の底面には、外径は台座部２ａの直径以上、かつ外周凸部２ｂの内径以下である円環状の治具接触領域が形成されている。

第３実施例によれば、第１実施例と同様な効果が得られる他、図１０および図１１に示した条件Ｂ、Ｄのような円環形の範囲となるため、より応力低減効果を得られるという効果がある。

なお、円環状の治具接触領域の内径は、任意に設定可能であるが、例えば、円環状の治具接触領域の外径の半分程度の寸法としてもよい。

（第４実施例）
図１４は、本発明の第４実施例に係る半導体装置６の概略断面図である。

本発明の第４実施例は、ベース２の底面に円環形底面凸部２ｇが形成されている。

円環形底面凸部２ｇの外径は台座部２ａの直径以上、かつ外周凸部２ｂの内径以下である。この円環形底面凸部２ｇは、円環状の治具接触領域に該当する。押圧冶具８は実施例１及び実施例２と同様であり、その外径は円環形底面凸部２ｇの外径以上である。

第４実施例における半導体装置６の底面の押圧箇所が、第３実施例での押圧箇所と同等となるため、同様の応力低減効果を得られる。押圧冶具８は、外径が円環形底面凸部２ｇの直径以上であれば、寸法が異なっても同様の効果を得られるという長所がある。

なお、円環形底面凸部２ｇは、第２実施例と同様に、押圧治具８により、円環形底面凸部２ｇが押圧されたときに、押圧治具８がベース２の底面が接触しない程度、ベース２の底面から突出していればよい。例えば、１ｍｍ程度突出していればよい。

また、円環形底面凸部２ｇの内径は、任意に設定可能であるが、例えば、円環状の円環形底面凸部２ｇの外径の半分程度の寸法としてもよい。

（第５実施例）
上述した第１実施例～第４実施例は半導体装置６の例であるが、第１～第４実施例による半導体装置を有するオルタネータも本発明の実施例として成立する。

ここで、オルタネータの概略構成を説明する。

図１５は、本発明の第１実施例～第４実施例の半導体装置６のいずれかが圧入された整流器を有するオルタネータ１５の概略断面図である。

図１５において、オルタネータ１５は、半導体装置が圧入された整流器９と、ロータ１０と、ステータ１１と、シャフト１４と、筐体１３とを備える。整流器９、ロータ１０、ステータ１１及びシャフト１４は筐体１３の内部に配置される。筐体１３には、シャフト１４を回転可能に支持するベアリング１２が形成されている。

半導体装置６は、整流器９の放熱体７に形成された嵌合孔１６に挿入されて電気回路を構成し、ステータ１１で生成された交流を直流に変換する。

上述したように、本発明の第１実施例～第４実施例の半導体装置６は、オルタネータへの圧入時に半導体チップに作用する応力が低減され、信頼性を向上することができるため、本発明の第１実施例～第４実施例のいずれかの半導体装置６が圧入された整流器９を備えるオルタネータも、信頼性を向上することができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施例は本発明をわかりやすく説明するために詳細を述べたものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、各実施例の構成の一部について、本発明の趣旨を損なわない範囲で追加、削除、置換をすることが可能である。

１・・・電子部品、 １ａ・・・半導体チップ、 １ｂ・・・コンデンサ、 １ｃ・・・制御回路チップ、 １ｄ・・・ソースフレーム、 １ｅ・・・電子部品用導電性接合材、 １ｆ・・・ワイヤ、 １ｇ・・・リードフレーム、 １ｈ・・・電子部品用樹脂、 ２・・・ベース、 ２ａ・・・台座部、 ２ｂ・・・外周凸部、 ２ｃ・・・基部、 ２ｄ・・・押圧冶具と接する領域、 ２ｅ・・・押圧冶具と接しない領域、 ２ｆ・・・底面凸部、 ２ｇ・・・円環形底面凸部、 ３・・・リード電極、 ４・・・半導体装置用導電性接合材、 ５・・・半導体装置用樹脂、 ６・・・半導体装置、 ７・・・放熱体、 ８・・・押圧冶具、 ８ａ・・・円環形押圧冶具凸部、 ９・・・整流器、 １０・・・ロータ、 １１・・・ステータ、 １２・・・ベアリング、 １３・・・筐体、 １４・・・シャフト、 １５・・・オルタネータ、 １６・・・嵌合孔

Claims (4)

1. リード電極と、
   前記リード電極に接続された電子部品と、
   前記電子部品を支持するベースと、を備え、
   前記ベースは、前記ベースの一方の面に、前記電子部品が配置される台座部と、前記台座部の外周側に配置された円環状の外周凸部とが形成され、前記ベースの一方の面と反対側の面である底面に、外径が、前記台座部の直径以上であり、かつ、前記外周凸部の内径以下である底面凸部が形成され、外部部材の孔に半導体装置を挿入するための押圧治具が前記底面凸部に接触する治具接触領域が形成されている
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記底面凸部は、円環形底面凸部である
   ことを特徴とする半導体装置。
3. ロータと、ステータと、整流器とを備えるオルタネータにおいて、
   前記整流器は、放熱体に形成された嵌合孔に挿入された半導体装置を有し、前記半導体装置は、リード電極と、前記リード電極に接続された電子部品と、前記電子部品を支持するベースとを有し、前記ベースは、前記ベースの一方の面に、前記電子部品が配置される台座部と、前記台座部の外周側に配置された円環状の外周凸部とが形成され、前記ベースの一方の面と反対側の面である底面に、外径が、前記台座部の直径以上であり、かつ、前記外周凸部の内径以下である底面凸部が形成され、外部部材の孔に前記半導体装置を挿入するための押圧治具が前記底面凸部に接触する治具接触領域が形成されている
   ことを特徴とするオルタネータ。
4. 請求項３に記載のオルタネータにおいて、
   前記底面凸部は、円環形底面凸部である
   ことを特徴とするオルタネータ。

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