(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、ヘッダ部を有し、リード部に接続されるリード電極と、前記半導体チップと前記ヘッダ部を接合する第一の接合部材と、前記半導体チップの前記リード電極の反対側に電気的に連絡されるケース電極とを備え、
前記ヘッダ部の周囲に、前記ヘッダ部よりも線膨張係数の小さい拘束材を配置し、前記拘束材の下端は、前記リード電極の下端よりも上になるように配置す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、
前記リード電極は、下面を共有する鍔部をその周囲に有し、前記拘束材は、前記鍔部に接して前記鍔部の上側に配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記リード電極は、第一の領域と、前記第一の領域の前記半導体チップ側に位置し、径が前記第一の領域の径よりも大きい第二の領域を有し、前記拘束材は、前記第一の領域の周囲に、前記第二の領域の上面に接して設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記リード電極または前記リード電極の第一の領域の径は、前記半導体チップの径の１〜１.０５倍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、
前記拘束材は、径方向の厚さが、前記リード電極または前記リード電極の第一の領域の径の１５％以上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、
前記拘束材は、軸方向の厚さが、前記リード電極のヘッダ部の厚さよりも薄いことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体装置において、
前記半導体チップと前記ケース電極の間に設けられたチップ下電極と、前記ケース電極と前記チップ下電極とを接合する第三の接合部材とを備え、前記チップ下電極の周囲に、前記チップ下電極よりも線膨張係数が小さい拘束材を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体装置において、
前記リード電極の前記半導体チップ側及びその周囲の拘束材と、前記チップ下電極の半導体チップ側及びその周囲の拘束材は、同一の材料及び形状であることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体装置において、
前記拘束材は、金属製であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の半導体装置において、
前記拘束材は、モリブデン，タングステン，鉄−ニッケル合金のいずれかを主原料とす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、例えば交流を直流に変換することを目的とする車載用に好適な半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本装置は、自動車の交流発電機に搭載され、交流出力を直流出力に変換する整流機能を有した車載用半導体装置である。図１０に、従来の半導体装置の断面図を示す。図１０において、１は半導体チップ、２は半導体チップ１とリード電極３とを接合する接合部材、３は接合部材との接合用にリードより大きな径となっているリード電極ヘッダ部３ａを有するリード電極、４は半導体チップ１と緩衝板１０を接合する接合部材、６は緩衝板１０とケース電極７を接合する接合部材、７はケース電極、９は半導体チップ１の表面を保護する絶縁部材、１０は半導体チップ１とケース電極７の線膨張係数差を緩和するための緩衝板である。本半導体装置では、内蔵された半導体チップ１が通電により発熱するため、その熱の放熱経路を確保する必要がある。本構造においては、半導体チップ１から接合部材２，リード電極３の順で熱を運び、その先へ熱を逃がす経路と、半導体チップ１から接合部材４，緩衝板１０，接合部材６，ケース電極７の順で熱を運び、その先へ逃がす経路とがある（例えば特許文献１，２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３５９３２８号公報（図１）
【特許文献２】特開２００２−４３４８０号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本半導体装置は、内蔵された半導体チップ１が通電により発熱する上、自動車のエンジンルームに搭載されるため、車両に搭載された他の電装品での発熱の影響を極めて受けやすい。本半導体装置がこのような熱負荷を繰返し受けると、本半導体装置を構成する部材の線膨張係数差に起因する熱ひずみが接合部材２，４，６に加わり、この接合部材２，４，６の端部よりき裂が発生，進展し、最終的には機能停止に至る。
【０００５】
近年、自動車の電装化は急激な勢いで進行しており、車載電装品の増加，車載用発電機の容量増加により、本半導体装置への熱負荷の増大は不可避である。このため、本半導体装置の放熱性の向上，長期信頼性の向上が急務となってきている。これまでに、半導体チップ１の上下のリード電極３や緩衝板１０，ケース電極７を大きくし、半導体装置の熱容量を大きくすることで、放熱性を向上させる技術が提案されている。しかし、半導体チップ１の上下の部材を大きくすることは、その部材の剛性を大きくすることにもつながるため、結果的には、半導体チップ１との線膨張係数差に起因する熱ひずみが大きくなり、長期信頼性は低下してしまうことになる。
【０００６】
特許文献２では、電極の周りに線膨張係数の小さい拘束材を配置することで、電極の線膨張を抑えている。しかし、特許文献２に記載の発明は、パワー回路用の半導体装置であり、整流用の半導体装置とは構造が異なり、整流用の半導体に拘束材を用いるのに適した形態が開示されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明では半導体チップと、ヘッダ部を有し、リード部に接続されるリード電極と、前記半導体チップと前記ヘッダ部を接合する第一の接合部材と、前記半導体チップの前記リード電極の反対側に電気的に連絡されるケース電極とを備え、前記ヘッダ部の周囲に、前記ヘッダ部よりも線膨張係数の小さい拘束材を配置し、前記拘束材の下端は、前記リード電極の下端よりも上になるように配置することを特徴とする。
【０００８】
本発明は、車載用半導体装置において、リード電極ヘッダ部およびチップ下電極の周囲に、電極よりも線膨張係数が小さい材質の拘束材を備え、リード電極およびチップ下電極の大きさによらず、第一および第二の接合部材の熱ひずみを低減でき、高い放熱性と高い長期信頼性の両方を確保される半導体装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、リード電極およびチップ下電極の周囲に電極よりも線膨張係数が小さい材質の拘束材を配置することで、半導体チップとリード電極ヘッダ部またはチップ下電極間の接合部材の熱ひずみを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の第１の実施形態を、図１を用いて説明する。図１に示す半導体装置は、半導体チップ１と、鍔部３ｂ付きのリード電極ヘッダ部３ａを有し、リード部（図示せず）に接続されるリード電極３と、ケース電極７と、半導体チップ１とケース電極７の間に配置される鍔部５ａを有するチップ下電極５と、半導体チップ１とリード電極ヘッダ部３ａを接合する第一の接合部材２（はんだ）と、半導体チップ１とチップ下電極５を接合する第二の接合部材４（はんだ）と、チップ下電極５とケース電極７を接合する第三の接合部材６（はんだ）と、リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５の周囲に配置される拘束材８と、を有している。
【００１２】
半導体チップ１は、半導体装置の機能に用いられる整流機能を有している。リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５の径は、半導体チップ１の径と同じないしは＋５％以下のものであり，リード電極鍔部３ｂおよびチップ下電極鍔部５ａは、接合部材２，４よりも厚さが３倍以下のものである。拘束材８は、径方向の厚さをリード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５の径の１５％以上とし、鉛直（径方向に対して垂直）方向の厚さを１.２mm 以下とし、さらに線膨張係数を３〜１０×１０-6／℃とすることで、リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５の熱変形を拘束し、半導体チップ１とリード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５間の接合部材２，４の熱ひずみを低減した構造の例を示したものである。
【００１３】
まず、リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５の周囲に、電極３，５よりも線膨張係数の小さい拘束材８を配置する効果について説明する。
【００１４】
図６〜図９は、半導体チップ１，リード電極ヘッダ部３ａ，チップ下電極５，接合部材２，４，６が全て円板形かつ拘束材８が円筒形の解析モデルを用い、周囲の温度を３０℃→２００℃→３０℃に変化させた場合の熱応力解析において、リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５の径・拘束材８における径方向および鉛直（径方向に対して垂直）方向の厚さ・リード電極鍔部３ｂおよびチップ下電極鍔部５ａの厚さと、接合部材２，４に発生する最大相当塑性ひずみの関係を整理した図である。●は、リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５が、鍔部３ｂ，５ａを有している場合、△は、鍔部３ｂ，５ａを有していない場合の結果である。また、拘束材８がない場合の最大相当塑性ひずみは、18.9％（グラフ内の横線）である。
【００１５】
拘束材８がない場合に対し，拘束材８がある場合は、リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５の径・拘束材８における径方向および鉛直（径方向に対して垂直）方向の厚さ・リード電極鍔部３ｂおよびチップ下電極鍔部５ａの厚さを調整することで、接合部材２，４に発生する最大相当塑性ひずみを最大で１０.５％ まで、つまり拘束材８の無い場合の６割程度に低減できることが確認できる。このときのリード電極ヘッダ部３ａの電極径は、半導体チップ１の径の１００％であり、電極径が１００〜１０５％の範囲では、おおよそ拘束材８による塑性ひずみ低減の効果がみられる。また、図７より、拘束材８の径方向の厚さは、電極径の１５％以上であると塑性ひずみ低減の効果があり、図８より、拘束材８の鉛直方向（軸方向）の厚さは１.２mm 以下であり、図９より、接合部材２，４の厚さの３倍以下が望ましいことがわかる。拘束材８の材料は、線膨張係数が３〜１０×
１０-6／℃ 程度の金属が望ましく、例えば、モリブデン（４.９×１０-6／℃），タングステン（４.５×１０-6／℃），鉄−ニッケル合金（インバー：２.８×１０-6／℃）等が適用できる。
【００１６】
また、一方のみの線膨張を抑えると半導体チップ１に反りが発生するので、半導体チップの上下のリード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５の両方に拘束材８を設けるとよい。この場合において、リード電極ヘッダ部３ａ及びチップ下電極５の半導体チップ側
(リード電極ヘッダ部３ａの高さ方向で半分から下側及びチップ下電極５の半分から上側)の形状及び材料，拘束材８の形状及び材料を略同一とすると、半導体チップ１の上下の線膨張がほぼ等しくなる。つまり、リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５の周囲に、電極３，５よりも線膨張係数の小さい拘束材８を配置することで、局所的に電極の熱変形を拘束し、接合部材２，４に発生する熱ひずみを低減できることになる。
【００１７】
次に、リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５が、各々における半導体チップ１側の端部に鍔部３ｂ，５ａを有する効果について説明する。
【００１８】
図１１（ａ）（ｂ）に常温時及び高温時のリード電極を示す。図１１における点線３ｃは常温時のリード電極３、実線３ｄは高温時のリード電極３を示す。常温時には、略円筒状であったリード電極ヘッダ部３ａは、高温になると熱膨張するが、線膨張係数の小さい拘束材８が周囲に存在すると、拘束材８によりリード電極ヘッダ部３ａの膨張が抑えられる。しかし、図１１（ａ）に示すように、高さ方向において拘束材８をリード電極ヘッダ部３ａの全体に配置していない場合には、リード電極ヘッダ部３ａの半導体チップ１側の底面にひずみが生じ、半導体チップ１へのひずみへも影響する。これは、拘束材８の位置が偏っているために発生するものであり、特にリード電極ヘッダ部３ａの下端と拘束材８の下端が同じ高さであるときに大きくなる。一方で、図１１（ｂ）に示すように、リード電極ヘッダ部３ａの下端を拘束材８の下端よりも下に配置した場合には、リード電極ヘッダ部３ａの線膨張のアンバランスが低減して底面のひずみが低減される。そのため、上記解析モデルでは、鍔部３ｂ，５ａを有しているものが有していないものに比べて相当塑性ひずみが小さくなる電極径の範囲がある。鍔部３ｂ，５ａを有している方がひずみが小さくなる領域は、電極径が半導体チップ１の径よりも大きい場合なので、電極径を大きくして放熱性を向上させる場合等に適している。なお、上記解析モデルでは半導体チップ１は円形のものとしたが、半導体チップ１が四角形，六角形等の円形で無い場合には、半導体チップ１の径は、図心と図心から最も遠い箇所（例えば四角形の頂点）との距離が該当する。
【００１９】
本半導体装置においては、高放熱性を確保するためには、半導体装置自体の熱容量が大きい方が好ましい。そのため、リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５の径は、できるだけ大きい方が好ましいことになる。図５において、リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５の径を大きくした場合、リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５が鍔部３ｂ，５ａを有している構造の方が、有していない構造に比べ、接合部材２，４に発生する熱ひずみを低減できることが確認できる。また、鍔部３ｂ，５ａを介して熱が伝わり、放熱性が向上する効果も期待できる。
【００２０】
以上により、高い放熱性と高い長期信頼性の両方を確保した半導体装置を提供できる。
【００２１】
また、拘束材８の備え付け方法について、ここで言及しておく。拘束材８は、半導体装置の組立工程よりも以前に、リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５に対し、焼き嵌めによりセットされることとする。そうすることで，リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５と拘束材８を一体として扱えるため、既存の半導体装置の組立工程に影響を及ぼすことがない。また、拘束材８は、鍔部３ｂ，５ａに接して設けることにより、拘束材８の位置決めが容易になる。なお、本実施例では、チップ下電極５とケース電極７とは別部材となっているが、一つの部材として、チップ下電極５兼ケース電極７に拘束材８を取り付けてもよい。
【実施例２】
【００２２】
本発明の第２の実施形態を、図２を用いて説明する。図２は、半導体チップ１と、鍔部３ｂ付きのリード電極ヘッダ部３ａを有し、リード部に接続されるリード電極３と、ケース電極７と、半導体チップ１とケース電極７の間に配置される鍔部５ａを有するチップ下電極５と、半導体チップ１とリード電極ヘッダ部３ａを接合する第一の接合部材２，１０，１２と、半導体チップ１とチップ下電極５を接合する第二の接合部材４，１１，１３と、チップ下電極５とケース電極７を接合する第三の接合部材６（はんだ）と、リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５の周囲に配置される拘束材８と、を有した半導体装置において、半導体チップ１とリード電極ヘッダ部３ａとの間の第一の接合部材２，１０，１２に、はんだ２，１２の熱ひずみを低減するための緩衝板１０を有し、さらに、半導体チップ１とチップ下電極５との間の第二の接合部材４，１１，１３に、はんだ４，１３の熱ひずみを低減するための緩衝板１１と、を有することで、半導体チップ１上下の接合部材２，４の長期信頼性を確保した構造の例を示したものである。本実施例は、拘束材８による接合部材２，４の熱ひずみ低減効果のみでは、製品の要求寿命に対して不十分な場合に有効である。
【実施例３】
【００２３】
本願発明の第３の実施形態を、図３を用いて説明する。本実施形態では、第１の実施形態とは、リード電極ヘッダ部３ａの径が異なり、他の部分は同一である。第１の実施形態では、リード電極３の径は、半導体チップ１の径とほぼ同一またはやや大きい程度であるが、本実施形態のリード電極３の径は、半導体チップ１の径よりも小さく、鍔部３ｂ，
５ａの径は、半導体チップ１の径よりも大きくなっている。
【００２４】
この効果を説明する。リード電極ヘッダ部３ａの厚さが薄いと、線膨張によって生じる応力が小さいので、拘束材８がリード電極３の線膨張による膨張を抑え易い。しかし、リード電極３の径を小さくすると、電極の面積が減少して熱伝導度と電気伝導度が低下する。そこで、リード電極ヘッダ部３ａよりも厚さが薄い鍔部３ｂ，５ａの径を半導体チップ１の径よりも大きくすることで、電気伝導度及び熱伝導度の低下を抑えることができる。拘束材８を、電気伝導度と熱伝導度が比較的良い金属製とした場合には、拘束材８経由で電気伝導や熱伝導が起きるので、これらの低下は小さく抑えることができる。
【実施例４】
【００２５】
本発明の第４の実施形態を、図４を用いて説明する。図４は、半導体チップ１と、リード電極ヘッダ部３ａを有し、リード部に接続されるリード電極３と、ケース電極７と、半導体チップ１とケース電極７の間に配置されるチップ下電極５と、半導体チップ１とリード電極ヘッダ部３ａを接合する第一の接合部材２（はんだ）と、半導体チップ１とチップ下電極５を接合する第二の接合部材４（はんだ）と、チップ下電極５とケース電極７を接合する第三の接合部材６（はんだ）と、リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５の周囲に配置される拘束材８と、を有した半導体装置であり、リード電極３およびチップ下電極５の形状を簡素にすることで、放熱性，長期信頼性に加え、加工コストの低減を図った構造の例を示したものである。本実施例は、リード電極３およびチップ下電極５における鍔部３ｂ，５ａの効果に対し、リード電極３およびチップ下電極５の加工コストが高い場合に有効である。
【実施例５】
【００２６】
本発明の第５の実施形態を、図５を用いて説明する。図５は、半導体チップ１と、リード電極ヘッダ部３ａを有し、リード部に接続されるリード電極３と、ケース電極７と、前記半導体チップ１と前記ケース電極７の間に配置されるチップ下電極５と、半導体チップ１とリード電極ヘッダ部３ａを接合する第一の接合部材２，１０，１２と、半導体チップ１とチップ下電極５を接合する第二の接合部材４，１１，１３と、チップ下電極５とケース電極７を接合する第三の接合部材６（はんだ）と、リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５の周囲に配置される拘束材８と、を有した半導体装置において、半導体チップ１とリード電極ヘッダ部３ａとの間の第一の接合部材２，１０，１２に、はんだ２，１２の熱ひずみを低減するための緩衝板１０を有し、さらに、半導体チップ１とチップ下電極５との間の第二の接合部材４，１１，１３に、はんだ４，１３の熱ひずみを低減するための緩衝板
１１を有することで、半導体チップ１上下の接合部材２，４の長期信頼性を確保した上、リード電極３およびチップ下電極５の形状を簡素にすることで、加工コストの低減を図った構造の例を示したものである。本実施例は、拘束材８による接合部材２，４の熱ひずみ低減効果が、製品の要求寿命に対して不十分かつ、リード電極３およびチップ下電極５の加工コストが高い場合に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態を示す半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す半導体装置の断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示す半導体装置の断面図である。
【図４】本発明の第４実施形態を示す半導体装置の断面図である。
【図５】本発明の第５実施形態を示す半導体装置の断面図である。
【図６】半導体チップ１の径に対する、リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５の径の比と、接合部材２，４に発生する最大相当塑性ひずみの関係を説明する図である。
【図７】リード電極ヘッダ部３ａおよびチップ下電極５の径に対する、拘束材８の径方向の厚さの比と、接合部材２，４に発生する最大相当塑性ひずみの関係を説明する図である。
【図８】拘束材８における鉛直（径方向に対して垂直）方向の厚さと、接合部材２，４に発生する最大相当塑性ひずみの関係を説明する図である。
【図９】接合部材２，４の厚さに対する、リード電極鍔部３ｂおよびチップ下電極鍔部５ａの厚さの比と、接合部材２，４に発生する最大相当塑性ひずみの関係を説明する図である。
【図１０】従来の半導体装置を示す図である。
【図１１】常温時と熱膨張時のリード電極３を示す。
【符号の説明】
【００２８】
１…半導体チップ（Ｓｉ）、２，４，６，１２，１３…接合部材（Ｐｂ−Ｓｎ系高温はんだ）、３…リード電極（Ｃｕ）、３ａ…リード電極ヘッダ部（Ｃｕ）、３ｂ…リード電極鍔部（Ｃｕ）、５…チップ下電極（Ｃｕ）、５ａ…チップ下電極鍔部（Ｃｕ）、７…ケース電極（Ｃｕ）、８…拘束材（Ｍｏ）、９…絶縁部材（シリコーンゴム）、１０，１１…緩衝板（ＣＩＣ）。
【図１】
0004720600.tif 000002
【図２】
0004720600.tif 000003
【図３】
0004720600.tif 000004
【図４】
0004720600.tif 000005
【図５】
0004720600.tif 000006
【図６】
0004720600.tif 000007
【図７】
0004720600.tif 000008
【図８】
0004720600.tif 000009
【図９】
0004720600.tif 000010
【図１０】
0004720600.tif 000011
【図１１】
0004720600.tif 000012