(57)【要約】      （修正有）【課題】放熱性能を十分に確保し、かつ、接合材に発生する熱応力を低減することで、接合材の熱疲労を抑制できる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体チップ１と、半導体チップの片面に第一の接合材２を介して接合された導電性を有する第一の電極３と、半導体チップのもう一方の面に第二の接合材４を介して接合された導電性を有する第二の電極５と、半導体チップと第一の電極の膨張量差に起因して発生する第一の接合材の応力を低減するための第一の応力緩衝材６とを備え、前記第一の接合材に第一の電極と第一の応力緩衝材が各々直接接触する領域を設け、前記第一の接合材と第一の電極の凸部３aが接する部分の面積を、半導体チップの面積の３０％以下としたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電極と、該第一の電極に第一の接合材を介して設置される半導体チップと、前記第一の電極と反対側に設置され、前記半導体チップと第二の接合材を介して接続される第二の電極と、前記第一の接合材の応力を低減する第一の応力緩衝材とを備え、
前記第一の接合材の前記第一の電極側の面に、前記第一の電極と前記第一の応力緩衝材がそれぞれ直接接触し、前記第一の接合材と第一の電極との接合面の面内で、前記第一の電極の外側に前記第一の応力緩衝材が配置され、かつ、前記第一の接合材と前記第一の電極の接合面の面積が、前記半導体チップの面積に対し３０％以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第一の電極の前記半導体チップ搭載側の面に凸部を設け、該凸部が前記第一の接合材の前記第一の電極側の面と直接接触することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置において、
前記第一の電極の凸部は円柱形状をなし、前記第一の応力緩衝材は前記凸部の周囲を覆うよう同心円状に配置される環状形状を有し、前記凸部の外周面と前記第一の応力緩衝材の内周面は直接接触していることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第一の応力緩衝材の線膨張係数は、３×１０-6／℃以上であり、かつ、１２×１０-6／℃以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第一の応力緩衝材は、Ｍｏ，Ｗ、あるいはＦｅ−Ｎｉ合金であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第一の応力緩衝材は、Ｍｏ，Ｗ，Ｆｅ−Ｎｉ合金のいずれかとＣｕからなる複合材であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第一の接合材は、鉛を含まず錫と銅を主要構成元素とする合金材料で、銅の重量比が７％以下で構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
周辺部に壁部を有する第一の電極と、該第一の電極に第一の接合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、該半導体チップの上側に第二の接合材を介して接続される第二の電極と、前記第一の接合材の応力を低減する第一の応力緩衝材と、前記第二の接合材の応力を低減する第二の応力緩衝材とを備え、
前記第一の接合材の前記第一の電極側の面に、前記第一の電極と前記第一の応力緩衝材がそれぞれ直接接触し、前記第二の接合材の前記第二の電極側の面に、前記第二の電極と前記第二の応力緩衝材がそれぞれ直接接触し、前記第一の接合材と前記第一の電極との接合面の面内で、前記第一の電極の外側に前記第一の応力緩衝材が配置され、前記第二の接合材と前記第二の電極との接合面の面内で、前記第二の電極の外側に前記第二の応力緩衝材が配置され、かつ、前記第一の接合材と前記第一の電極の接合面の面積および、前記第二の接合材と前記第二の電極の面積がそれぞれ、前記半導体チップの面積に対し３０％以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置において、
前記第一の応力緩衝材及び前記第二の応力緩衝材の線膨張係数は、３×１０-6／℃以上であり、かつ、１２×１０-6／℃以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の半導体装置において、
前記第一の応力緩衝材及び前記第二の応力緩衝材は、Ｍｏ，Ｗ、あるいはＦｅ−Ｎｉ合金であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項８又は９に記載の半導体装置において、
前記第一の応力緩衝材及び前記第二の応力緩衝材は、Ｍｏ，Ｗ，Ｆｅ−Ｎｉ合金のいずれかとＣｕからなる複合材であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項８又は９に記載の半導体装置において、
前記第一の接合材及び前記第二の接合材は、鉛を含まず錫と銅を主要構成元素とする合金材料で、銅の重量比が７％以下で構成されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に係り、特に、車両用回転発電機の整流装置に好適な半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用回転発電機の整流装置は、一般的に、半導体チップと、導電性を有する第一の電極及び第二の電極と、これらを接合するはんだを積層し、半導体チップ周辺を封止樹脂で覆った構造となっている。
【０００３】
車両用回転発電機が動作すると、本整流装置には大電流が流れるため半導体チップが発熱し、半導体チップと周辺のはんだ、第一の電極及び第二の電極は、最高で２００℃以上の高温になる。車両用回転発電機が停止すると電流も停止し、本整流装置は周囲環境温度まで冷却される。車両用回転発電機は長期に渡って動作と停止を繰り返すため、本整流装置には加熱による膨張と冷却による収縮が繰り返される。このとき、半導体チップと第一の電極，第二の電極の線膨張係数が異なるため、これらを接合するはんだには熱応力が発生する。この熱応力が原因で、はんだに疲労き裂が発生，進展し、最終的には本半導体装置が破壊に至る不具合が生じ得る。
【０００４】
はんだの熱応力を低減する構造としては、例えば特許文献１に示されるような、半導体チップと第一の電極の間、半導体チップと第二の電極の間に、線膨張係数が半導体チップの線膨張係数より大きく、かつ、第一の電極，第二の電極材料の線膨張係数よりも小さい材料からなる応力緩衝板を設け、これら応力緩衝板をそれぞれはんだにより半導体チップと第一の電極，半導体チップと第二の電極に接合する整流装置が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４３４９８３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年の急速な自動車の電装化に伴い、車両用回転発電機の電力容量は増加傾向にある。それに伴い、本整流装置における半導体チップの発熱量が増加し、はんだ熱応力も増加すると予想される。
【０００７】
これに対し、今後も従来製品と同等以上の信頼性を確保していくには、これまで以上にはんだの熱応力を低減し、熱疲労を抑制する必要がある。
【０００８】
はんだの熱応力を低減する手段としては、半導体チップで発生した熱を周囲へ逃がしやすい構造とし、はんだへ加わる温度振幅を小さくすること、または、大きな温度振幅下でも、はんだの熱応力が小さくなる構造にすることが考えられる。
【０００９】
上記従来技術では、応力緩和の効果を得るために、半導体チップと第一の電極、および半導体チップと第二の電極の間にそれぞれ応力緩衝板を設けている。しかし、この構造の場合、応力緩衝板と、この応力緩衝板を第一の電極及び第二の電極へ接合するための接合材層が増えるため、放熱性能が低下してしまう。
【００１０】
本発明は、上記従来技術の課題を鑑みなされたもので、その目的とするところは、放熱性能を維持しつつ応力緩和性能を達成することは勿論、はんだの熱応力を低減し、熱疲労を抑制することのできる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の半導体装置は、上記目的を達成するために、第一の電極と、該第一の電極に第一の接合材を介して設置される半導体チップと、前記第一の電極と反対側に設置され、前記半導体チップと第二の接合材を介して接続される第二の電極と、前記第一の接合材の応力を低減する第一の応力緩衝材とを備え、前記第一の接合材の前記第一の電極側の面に、前記第一の電極と前記第一の応力緩衝材がそれぞれ直接接触し、前記第一の接合材と第一の電極との接合面の面内で、前記第一の電極の外側に前記第一の応力緩衝材が配置され、かつ、前記第一の接合材と前記第一の電極の接合面の面積が、前記半導体チップの面積に対し３０％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第一の電極と、半導体チップと第一の電極を接合する接合材の応力を低減する応力緩衝材とが、接合材の第一の電極側の面に直接接触する領域が形成され、かつ、前記第一の電極が接する部分の面積が、前記半導体チップの面積に対し３０％以下であるため、放熱性能と応力緩和性能がうまくバランスし、はんだの熱応力の低減が達成可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の第一の実施例における半導体装置の断面図である。図１に示す半導体装置は、半導体チップ１，第一の接合材２，凸部３ａと壁部３ｂを有する第一の電極３，第二の接合材４，リード部５ａを有する第二の電極５，第一の応力緩衝材６，第三の接合材７，応力緩衝板９，第四の接合材１０等を含んで構成されている。
【００１５】
第一の電極３の凸部３ａと第一の応力緩衝材６は、半導体チップ１下側の第一の接合材２下面に各々直接接触するように接合されている。
【００１６】
図２は、図１に示した本発明の第一の実施例である半導体装置のＩ−Ｉ線断面図である。第一の電極３の凸部３ａは、円柱形状を有しており、第一の応力緩衝材６は第一の電極３の凸部３ａの外側に配置され、凸部３ａの外周を覆うよう環状形状をなしている。凸部３ａ及び第一の応力緩衝材の断面形状は円である。
【００１７】
第一の電極３の凸部３ａと第一の接合材２が接合されている面積は、半導体チップ１の面積の約１０％である。
【００１８】
第一の応力緩衝材６は、第一の電極凸部３ａに対し圧入により嵌められているため、半導体チップ１に対しおよそ垂直な面において、第一の電極凸部３ａと直接接触している。即ち、円柱形状の凸部３ａの外周面と、環状をなす第一の応力緩衝材６の内周面とは直接接触している。また、半導体チップ１に対しておよそ平行な面においては、第一の応力緩衝材６と第一の電極３は第三の接合材７を介して接合されている。即ち、第一の応力緩衝材６のうち半導体チップ１と反対側の面（第一の電極３側の面）と第一の電極３は第三の接合材７により接合されている。
【００１９】
半導体チップ１の第一の電極３と反対側には、半導体チップ１と第二の電極５の間の接合材の応力を緩和するための応力緩衝板９が第二の接合材４を介して接合され、さらに応力緩衝板９の上側には第四の接合材１０を介して第二の電極５が接合されている。第一の電極３の壁部３ｂの内側は封止樹脂８で覆われている。
【００２０】
第一の接合材２，第二の接合材４，第三の接合材７，第四の接合材１０には、鉛フリーはんだであるＳｎ−Ｃｕ系はんだを用いている。第一の応力緩衝材６と応力緩衝板９の線膨張係数は３×１０-6／℃以上であり、かつ、１２×１０-6／℃以下であることが必要であり、ここでは、Ｍｏ（モリブデン，線膨張係数５.１×１０-6／℃）を用いている。他にＷ（タングステン，線膨張係数４.５×１０-6／℃），Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金（通称４２アロイ，線膨張係数５×１０-6／℃），ＣＩＣ（Ｃｕ−Invar−Ｃｕの積層材，Invar線膨張係数２.８×１０-6／℃，Ｃｕ線膨張係数１６.５×１０-6／℃），ＣｕとＭｏの複合材（等価線膨張係数  例えば７.０×１０-6／℃）等を用いても同様の効果を得ることができる。また、第一の応力緩衝材６と応力緩衝板９の材質は同じである必要はない。
【００２１】
以下では、本実施例の効果を従来の半導体装置との比較において説明する。図７は、従来の半導体装置の断面図である。図中図１に示される本発明の一実施例と同等の部材には同一の符号を付している。従来の半導体装置は、第一の電極３に第三の接合材７を介して第一の応力緩衝板１２を配し、この第一の応力緩衝板１２上に第一の接合材２を介して半導体チップ１を配し、半導体チップ１上に第二の接合材４を介して第二の応力緩衝板１３を配し、第二の応力緩衝板１３上に第四の接合材１０を介して第二の電極５を配し、封止樹脂８にて封止した構造を有している。
【００２２】
図８は、本発明の第一実施例における、半導体チップ１と第一の電極３の凸部３ａの面積比と寿命との関係を、実験的に評価した結果を示す。評価は次の手順で行った。半導体装置へ通電負荷（ここでは３５Ａ）を与え、半導体チップ１の発熱を利用して第一の電極３の表面温度が５０℃から１８０℃に変化させる。１８０℃になったら電流を止め、５０℃になるまで半導体装置を冷却する。５０℃になったら通電を再開し、前記作業を繰り返す。
【００２３】
この繰り返しの通電熱負荷により、半導体装置が機能しなくなる通電繰り返し数を寿命とし、評価を実施した。図において、横軸（第一の電極３凸部３ａの面積／半導体チップ１の面積）が０％のデータは、従来の半導体装置の性能である。この値を基準として、第一の電極３の凸部３ａの面積を変えた場合の寿命をプロットした。結果、従来技術の半導体装置と比較し、長寿命効果すなわち熱疲労抑制効果が得られるのは、半導体チップ１と第一の電極３の凸部３ａの面積比の値が約３０％以下からであることが分かる。
【００２４】
上述の第一の実施例においては、図１で説明したとおり半導体チップ１の上側に応力緩衝板９を配しているが、必ずしも応力緩衝板９が必要であるとは限らない。
【００２５】
また、第一の実施例では、図１で説明したとおり第一の電極３が壁部３ｂを有しているが、必ずしも壁部３ｂが必要であるとは限らない。
【００２６】
また、上記第一の実施例では、図１で示したとおり第一の応力緩衝材６が第一の電極壁部３ｂに接触していないが、第一の応力緩衝材６と第一の電極壁部３ｂが接触していてもよい。
【００２７】
また、第一の実施例では、図１で説明したとおり半導体チップ１に水平方向においては、第一の電極３と第一の応力緩衝材６が第三の接合材７を介して接合されているが、第一の電極３と第一の応力緩衝材６が接合材を介することなく直接接触するよう構成してもよい。また、第一の電極３と第一の応力緩衝材６が接触していなくても一定の効果は得られる。
【００２８】
図３，図４は、本発明の第一の実施例である半導体装置の第一の電極凸部と応力緩衝材の変形例を示すＩ−Ｉ線断面図である第一の電極凸部３ａおよび第一の応力緩衝材６の断面形状は必ずしも円である必要はない。図３，図４に示す構造を用いても、上記と同様の効果を得ることができる。
【実施例２】
【００２９】
図５は、本発明の第二の実施例における半導体装置の断面図である。図１との相違点は、半導体チップ１の第一の電極３と反対側に、応力緩衝板９ではなく第二の応力緩衝材１１を配置し、第二の電極５と第二の応力緩衝材１１は、第二の接合材４の半導体チップ１と反対側の面に各々直接接触するように接合されており、第二の電極５と第二の接合材４が接合されている面積は、半導体チップ１の面積の約１０％となっている点である。これにより、半導体チップ１に直接接合している第一の接合材２，第二の接合材４の応力緩和性能を確保しながら、第一の電極３側の熱疲労抑制効果だけでなく、第二の電極５側の熱疲労抑制効果をも得ることができる。
【００３０】
図６は、本発明の第二の実施例である半導体装置の第一の電極の変形例を示す断面図である。第一の電極３は必ずしも凸部３と壁部３ｂを有する必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第一の実施例における半導体装置の断面図である。
【図２】図１に示した本発明の第一の実施例である半導体装置のＩ−Ｉ線断面図である。
【図３】本発明の第一の実施例である半導体装置の第一の電極凸部と応力緩衝材の変形例を示すＩ−Ｉ線断面図である。
【図４】本発明の第一の実施例である半導体装置の第一の電極凸部と応力緩衝材の他の変形例を示すＩ−Ｉ線断面図である。
【図５】本発明の第二の実施例における半導体装置の断面図である。
【図６】本発明の第二の実施例である半導体装置の第一の電極の変形例を示す断面図である。
【図７】従来の半導体装置の断面図である。
【図８】本発明の第一実施例における、半導体チップ１と第一の電極３の凸部３ａの面積比と寿命との関係を、実験的に評価した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  半導体チップ
２  第一の接合材
３  第一の電極
３ａ  凸部
３ｂ  壁部
４  第二の接合材
５  第二の電極
５ａ  リード部
６  第一の応力緩衝材
７  第三の接合材
８  封止樹脂
９  応力緩衝板
１０  第四の接合材
１１  第二の応力緩衝材
１３  第二の応力緩衝板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010056354.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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