(57)【要約】【課題】  環境負荷が小さく低コストで、耐熱性等に優れる半導体装置用はんだ材を用いた半導体装置を採用した車載用交流発電機を提供する。【解決手段】  エンジンの回転駆動力にて回転される電機子巻線に誘起される交流を直流に変換する整流手段を備えた車載用交流発電機において、整流手段は、両面にニッケル（Ｎｉ）膜が形成された半導体素子を有し、この半導体素子は、一方の面の側が亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする第１の接合部材により金属部材に接合され他方の面の側が亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする第２の接合部材によりリード電極に接合されており、第１の接合部材は、第２の接合部材よりも融点が低いように構成した。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの回転動力を受けて回転する軸と、該軸に固定され該軸と一緒に回転するコイルを備えたロータと、該ロータの外周を取り囲んで配置されて磁界部を備えたステータと、該ステータで発生した磁界中を前記ロータが回転することにより前記ロータのコイルに発生する交流電流を受けるスリップリングと、該スリップリングで受けた交流電流を整流する整流手段とを備えた車載用交流発電機であって、前記整流手段は複数の半導体装置を有し、該複数の半導体装置のそれぞれが半導体素子を備え、該半導体素子は一方の面が亜鉛又は亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする第１の接合部材で金属部材と接合され、他方の面が亜鉛又は亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする第２の接合部材でリード電極と接合されており、前記第１の接合部材及び前記第２の接合部材のそれぞれの前記半導体素子との界面の付近にはニッケル（Ｎｉ）の拡散層が形成されていることを特徴とする車載用交流発電機。
【請求項２】
エンジンの回転動力を受けて回転するロータと該ロータの外周部に固定されたステータを備えた交流発電手段と該交流発電手段から出力される交流電流を直流電流に変換する整流手段と前記交流発電機の出力電圧を制御する半導体式電圧制御手段とを備えた車両用交流発電機であって、前記整流手段は複数の半導体装置を有し、該複数の半導体装置のそれぞれが半導体素子を備え、該半導体素子の一方の面が金属部材と第１の接合部材で接合され他方の面がリード電極と第２の接合部材で接合されており、前記第１の接合部材と前記第２の接合部材とは亜鉛又は亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする金属で、前記第１の接合部材及び前記第２の接合部材のそれぞれの前記半導体素子との界面の付近にはニッケル（Ｎｉ）の拡散層が形成されていることを特徴とする車載用交流発電機。
【請求項３】
前記第１の接合部材と前記第２の接合部材とは、亜鉛又は亜鉛（Ｚｎ）を主成分としてアルミニウム（Ａｌ）を含有する金属であり、前記第１の接合部材と前記第２の接合部材とでは、前記アルミニウムの含有率が異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の車載用交流発電機。
【請求項４】
前記金属部材は亜鉛又は亜鉛（Ｚｎ）を主成分とするアルミニウム（Ａｌ）を含有する第３の接合部材で電極体と接合しており、該第３の接合部材は前記第１の接合部材よりも融点が高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の車載用交流発電機。
【請求項５】
前記ロータの側面には該ロータと一緒に回転するファンが固定されており、前記半導体素子が接合されている前記電極体が、前記回転するファンにより冷却されることを特徴とする請求項３記載の車載用交流発電機。
【請求項６】
エンジンの回転駆動力にて回転される電機子巻線に誘起される交流を直流に変換する整流手段を備えた車載用交流発電機であって、前記整流手段は、両面にニッケル（Ｎｉ）膜が形成された半導体素子を有し、該半導体素子は、一方の面の側が亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする第１の接合部材により金属部材に接合され他方の面の側が亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする第２の接合部材によりリード電極に接合されており、前記第１の接合部材は、前記第２の接合部材よりも融点が低いことを特徴とする車載用交流発電機。
【請求項７】
前記金属部材は亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする第３の接合部材で電極体と接合しており、該第３の接合部材は前記第１の接合部材よりも融点が高いことを特徴とする請求項６記載の車載用交流発電機。
【請求項８】
前記第１乃至第３の接合部材はそれぞれアルミニウム（Ａｌ）を含有し、前記第２の接合部材は前記第２及び第３の接合部材よりもアルミニウム（Ａｌ）の含有率が高いことを特徴とする請求項７記載の車載用交流発電機。
【請求項９】
前記半導体素子は、ツェナーダイオードであることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の車載用交流発電機。
【請求項１０】
前記接合部材は、前記半導体素子との界面に、ニッケル（Ｎｉ）の拡散層を有することを特徴とする請求項６記載の車載用交流発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流発電機の交流出力を直流出力に変換する車載用交流発電機（オルタネータ）に関し、特に、接合材料として鉛（Ｐｂ）を含まない材料で半導体素子が組み込まれた半導体装置（パワーモジュール）を備えた車載用交流発電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、車載用交流発電機に用いるパワーモジュールのはんだ接続および高耐熱はんだ接続には、高融点の高Ｐｂはんだが用いられている。特に、車載用交流発電機に用いられる半導体装置の場合には、エンジン近傍に設置されることから２００℃の耐熱温度が要求されるため、半導体素子の接続には固相線が３００℃付近の高Ｐｂはんだ、例えば９５Ｐｂ５Ｓｎ（固相線３００℃液相線３１４℃）、９８Ｐｂ２Ｓｎ（固相線３１６℃液相線３２２℃）、９８Ｐｂ２Ａｇ（固相線３０４℃液相線３０５℃）、９７．５Ｐｂ１．５Ａｇ１Ｓｎ（固相線３０９℃液相線３０９℃）などのＰｂ 含有量が多いはんだが接続に使用される。
一方、車載用交流発電機用の半導体装置の場合、厳しい温度サイクルにも耐えうる必要から、半導体素子と電極との熱膨張率の差に基づく熱応力への対策も不可欠であり、この熱応力を低減する構造としては、下記の特許文献１乃至５に開示されている構造がある。また、要求される動作温度や使用環境温度が高いため、放熱対策も要求され、高熱伝導の銅などのヒートシンクに搭載する構造も提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２２１２３５号公報
【０００４】
【特許文献２】特開平７−１６１８7７号公報
【特許文献３】特開２００２−１４２４２４号公報
【特許文献４】特開２００２−２６１２１０号公報
【特許文献５】特開２００２−３５９３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、近年環境保護の観点から、環境負荷が大きいＰｂを排除し、他の代替接続材料を使用した半導体装置、その他接続構造体が要求されるようになってきている。
【０００６】
接続構造体及びそれに用いる接続材料については要求される条件は様々であるが、車載用交流発電機に使用される半導体装置及びそれに用いる接続材料の場合には、使用状態（２００℃前後）では長時間高温となり、未使用状態（常温）との温度差が激しく、オーバーヒートする場合もあり得るエンジン近傍に設けられるため、その条件は特に厳しいものとなる。特に、近年のエンジン小型高出力化に伴い、使用状態の耐熱温度としては２５０℃が要求されるようになってきている。
【０００７】
すなわち、長時間の高温状態に耐えうる放熱性、厳しい温度差に耐えうる耐熱応力性、想定以上の高温状態にもある程度対応できる耐熱性等の観点から半導体装置及びそれに用いる接続材料を選択する必要がある。
【０００８】
そこで本発明の目的は、環境負荷が小さく低コストで、耐熱性等に優れる半導体装置用はんだ材を用いた半導体装置を採用した車載用交流発電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明では、エンジンの回転動力を受けて回転するロータとこのロータの外周部に固定されたステータを備えた交流発電手段とこの交流発電手段から出力される交流電流を直流電流に変換する整流手段と交流発電機の出力電圧を制御する半導体式電圧制御手段とを備えた車両用交流発電機において、整流手段は複数の半導体装置を有し、この複数の半導体装置のそれぞれが半導体素子を備え、半導体素子の一方の面が金属部材と第１の接合部材で接合され他方の面がリード電極と第２の接合部材で接合されており、第１の接合部材と第２の接合部材とは亜鉛又は亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする金属で、第１の接合部材及び第２の接合部材のそれぞれの半導体素子との界面の付近にはニッケル（Ｎｉ）の拡散層が形成されるように構成した。
【００１０】
また、上記課題を解決するために、本発明では、エンジンの回転駆動力にて回転される電機子巻線に誘起される交流を直流に変換する整流手段を備えた車載用交流発電機において、整流手段は、両面にニッケル（Ｎｉ）膜が形成された半導体素子を有し、この半導体素子は、一方の面の側が亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする第１の接合部材により金属部材に接合され他方の面の側が亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする第２の接合部材によりリード電極に接合されており、第１の接合部材は、第２の接合部材よりも融点が低いように構成した。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、車載用交流発電機において、亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする接合部材を用いた半導体装置を採用することにより、環境負荷が小さく、また、長時間の高温状態に耐えうる放熱性、厳しい温度差に耐えうる耐熱応力性、想定以上の高温状態にもある程度対応できる耐熱性に優れた信頼性の高い車載用交流発電機を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
半導体装置、特に車載用交流発電機用半導体装置に要求される耐熱温度は２５０℃であることから、接続部の材料組織において部材間の接続に寄与する材料の融点は耐熱温度の２５０℃以上であることが必要である。すなわち接続部の材料組織としては、少なくとも部材間の接続に寄与する組織が溶融しなければ他の部分が溶融しても接続は保持される。さらに、接続部材で半導体素子を接続する際の温度としては、半導体素子の保護の観点から６００℃以下で接続することが必要である。これにより、接続部材の主成分となる金属元素の融点は２５０℃以上６００℃以下であることが必要となる。
【００１３】
まず、このような条件を満たす接続材料について以下検討していく。前記条件を満たす金属元素としてはＢｉ（２７１．４℃）、Ｐｏ（２５４℃）、Ｃｄ（３２１．１℃）、Ｔｌ（３０２．５℃）、Ｚｎ（４１９．６℃）、Ｔｅ（４４９．８℃）、Ａｔ（３００℃） 、Ｐｂ（３２７．５℃） がある。これらの金属元素のうち、環境負荷低減、毒性が無いなどの安全性、さらには接続材料としての軟らかさなどを満たす材料となるとＺｎが最適であり、単一金属元素で接続する場合にも適している。  また、接続材料としては単一金属元素のほかに、融点が２５０℃以上かつ６００℃以下の共晶成分が発生する材料としてもよい。しかしながら、単一金属材料ではなく２成分材料系を用いる場合には、接続部の組成不均一さを考慮すると、少なくとも接続部に供給される接続部材の成分中に融点が２５０℃以下の成分が無いことが好ましい。なぜならば、接続後にも融点が２５０℃以下の成分がそのまま残存した接続部材の組織では、それが溶融して接続の信頼性が低下するからである。
【００１４】
したがって、接続のために供給される接続部材の全成分とも２５０℃以上の融点であることが好ましい。実際、上述した高Ｐｂはんだの場合、Ｓｎを含むものでは組成の不均一さに起因してＳｎが融点２３２℃で溶融することがあり、耐熱温度２５０℃の信頼性が得られない場合が起こるが、融点９６１℃のＡｇを含むものではこの問題は起らない。
【００１５】
また共晶組成材料系が共晶組成の融点以下では２相混合となるが、接続部材の応力低減の観点から、２相のうち全体の半分以上を占め接続に寄与する組成としては、硬い金属間化合物ではなく軟らかい材料、たとえば単一金属あるいは極少量の異種金属が固溶した金属であることが必要である。
【００１６】
このような条件を満たす２成分材料系としては、ＺｎＡｌ系、ＺｎＣｄ系、ＺｎＭｇ系、ＺｎＢｉ系、ＺｎＳｂ系などがあるが、ＢｉおよびＭｇ系は硬く、またＣｄやＳｂ系は有毒であるため、これらの系ではＺｎＡｌ系が最も好ましく、また大部分を占める金属としては軟らかいＺｎが適する。以上のことは３成分以上の材料系でも同様で、大部分を占める金属としてはＺｎが適する。
【００１７】
すなわち、２成分以上の材料系では、Ｚｎを主成分とし、添加される元素としては、融点が２５０℃以上でまた共晶以下の温度でＺｎが大部分を占める組織となればどのような元素でも良く、例えば、Ａｌ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｓｂなどを適宜選択し、２成分、３成分等の材料系を形成すればよい。なお、ＺｎＡｌ系では、還元性雰囲気中でもＡｌの酸化皮膜が強固なため、濡れにくい場合には酸化皮膜が機械的に破れるよう加圧あるいはスクラブ等により除去するとよい。
【００１８】
また、図１１のＺｎＡｌ系の２元系合金状態図に示すとおり、所望の融点を得るためには、Ａｌの重量％を適宜変更すればよく、Ｚｎ単体よりも低融点を得る場合には、Ａｌは約８重量％以下にすればよい。
【００１９】
以上述べたように、耐熱温度が２５０℃以上でかつ６００℃以下の温度で接続する場合の接合部材の材料としては、Ｚｎ単体、およびＺｎを主成分とした２成分以上の系（以下、Ｚｎ系の接合材料と記す。）がある。尚、Ｚｎ単体の接合材料とは、純Ｚｎだけに限られず、実質的にＺｎからなるはんだも指し、特性に大きな影響を与えない範囲で微量な含有物があっても構わない。
【００２０】
続いて、上記Ｚｎ系の接合材料による接合部材（Ｚｎ系接合部材）を用いて半導体素子及びその他の部材とを接合することについて述べる。Ｚｎは、ほとんどの金属元素と反応するが、半導体素子材料であるＳｉとは実質的に反応せず、ＳｉとＺｎとを直接接続するのは非常に困難である。そこで、例えばＳｉ表面にＮｉ膜を形成した後に熱処理し、さらにその上にＮｉ膜を形成する前処理工程が必要となる。これにより、接続時のＺｎの濡れ性が確保され、結果としてＳｉとＺｎの良好な接続が得られる。ただし、後で詳説する車載用交流発電機用半導体装置の場合のように、表面にＮｉ膜を形成したＳｉとＣｕとをＺｎ系接合部材で接続するような場合には、ＳｉとＣｕとの熱膨張率差が大きいため、ＮｉＺｎ化合物層が形成されてしまうとこの熱応力に耐え切れず、クラックが生じるなどの問題が起きてしまう。そこで、Ｎｉ膜厚、接続温度等を制御し、ＮｉＺｎ化合物層を形成しないようにすることが必要である。
【００２１】
上記観点から、Ｎｉ膜厚は１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下がよい。このようにＮｉ層の厚さを薄くすると、Ｚｎ系の接合部材で接続時にＺｎ系の接合部材中へのＮｉの供給量が少ないため、Ｎｉ成分はＺｎ系の接合部材中に拡散するがＺｎＮｉ化合物層を形成するには至らず、結果としてＳｉとＺｎ系の接合部材との間で良好な接続強度を得ることができる。なお、接続温度を調整することにより、Ｓｉと拡散されたＮｉ成分を含むＺｎ系の接合部材との間にＮｉ層を残すようにしてもよい。また、反応のストッパ層としてＴｉ膜層を形成してＳｉ／Ｎｉ ／Ｔｉ／Ｎｉという構成にして、Ｚｎ系の接合材料と反応するＮｉ膜層の厚さを制御しても良い。さらに、Ｎｉ表面にＺｎの濡れ性確保のため、Ａｕ、Ａｇめっきをしても良い。
【００２２】
いずれの場合も、ＮｉＺｎ化合物がＺｎ系接合部材中に拡散している場合もあり得るが、ＮｉＺｎ化合物を界面の層として残さなければ、特に熱応力に対する観点からＳｉとＺｎ系接合部材とは良好な接続を得ることができる。
【００２３】
一方、ＺｎとＣｕ部材との接続性であるが、ＺｎはＣｕと容易に反応し化合物を形成し強固な接続が得られ、またＺｎＣｕ化合物はＺｎおよびＣｕとの界面接合強度は十分大きいため、Ｃｕ部材に直接Ｚｎ系接合部材を接続しても良い。また表面にＮｉ膜を施し、濡れ性を確保してもよいが、上記した点を考慮し、Ｎｉ膜の厚さを例えば１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下にするなどの対処をした方がよい。
【００２４】
また、先に述べたように半導体素子のＳｉとＣｕとでは熱膨張率がそれぞれＳｉで２．６×１０−６／℃、Ｃｕで１７×１０−６／℃と大きく異なる。したがって、厚いＣｕ部材に直接半導体素子を接続する場合には熱膨張率差に基づく応力が発生し、その応力が半導体素子のＳｉの強度より大きい場合には、Ｓｉにクラックが発生する。このような熱応力を低減するには、半導体素子とＣｕ部材の間に、熱膨張率がＳｉとＣｕの間にある応力緩和部材を介在させて接合すれば良い。応力緩和部材としては低熱膨張材のインバーや４２アロイをＣｕで挟んだ３層構造で、低熱膨張材とＣｕとの厚み比を変えることで全体の熱膨張率を制御できる。このような熱膨張率差緩衝材は表裏面がＣｕであるので容易にＺｎとの接続が可能である。さらに濡れ性確保のためにＮｉめっきをしても良い。尚、応力緩衝部材は前記構造からなる１層に限られず、適宜複数層設けても構わない。
【００２５】
さらにＺｎ系の接合部材で接続する際の条件としては、中性または還元性雰囲気が適し、好ましくは窒素に水素を添加した還元性雰囲気が良い。また、中性または還元性雰囲気でフラックス無しでの接続が可能であるが、フラックスを使用する場合には、炭化物等が残り濡れ性の阻害および接合強度の低下がおこらないように、接続中に完全に飛散するフラックスを使用すればよい。
【００２６】
次に溶融冷却後のＺｎの特性としては、引張強度は高Ｐｂはんだと同等で約５０ＭＰａ程度、熱伝導率は０．２６９ｃａｌ・ｃｍ−１・ｓ−１・ｄｅｇ−１（  ９６．８Ｋｃａｌ・ｍ−１・ｈ−１・ｄｅｇ−１）、また比抵抗は５．９×１０−６Ωｃｍである。これらはＰｂの０．０８３８ｃａｌ・ｃｍ−１・ｓ−１・ｄｅｇ−１（３０．２Ｋｃａｌ・ｍ−１・ｈ−１・ｄｅｇ−１）および２．０８×１０−６Ωｃｍと比較し良好であることから、高Ｐｂはんだが用いられた接続部分をＺｎ系接合部材で容易に置き換えることが可能であるばかりか、放熱性についてはＺｎ系接合部材の方が優れていることがわかる。
【００２７】
一方、ＺｎとＣｕとの間の化合物層の厚さは、高Ｐｂはんだの場合には１〜３μｍ形成されるのに対して、Ｚｎ系の接合材料の場合にはＺｎの融点付近の４２０℃〜４６０℃の範囲で接続すると数十μｍ以上となり、Ｚｎ系の接合材料の残存部分の厚さが減ることになる。化合物層はＣｕ又はＺｎ系の接合材料と比べて硬く、上下層間の熱膨張率差を吸収しにくいため、接続部での強度を確保すべく、Ｚｎ系の接合材料がなるべく多く残存するように供給材の厚さを調整する必要がある。例えば、厚さが１ｍｍ程度のＺｎ系の接合部材を用いて半導体素子と厚さ２ｍｍ以上のＣｕ部材とを直接接続した場合、接合部分にＺｎ部分が残存し、半導体素子に対する応力は半導体素子強度以下となるため半導体素子にクラックは発生せず、また接合強度の低下も起こらない。
【００２８】
しかし、半導体装置の放熱性を考慮し、半導体素子とＣｕ部材との間の伝熱特性を良くするためには、間に入れる接合部材の層を接合強度を確保できる範囲でできるだけ薄くした方が良い。そこで、Ｚｎ系の接合材料の厚さを０．２ｍｍ以下とする場合には、接続するＣｕ部材の厚さを半導体素子の厚さ以下とするか、もしくは応力緩和部材を挿入し、半導体素子への熱応力を低減する構造にすればよい。なお、ＣｕＺｎ化合物層はＮｉＺｎ化合物層に比べると軟らかく、熱応力を吸収し易いので、化合物層が形成されていてもよいが、ＮｉＺｎ化合物層については、先に述べたように層として形成しない方がよい。また、形成される反応層の厚さを抑えるには、接続時の温度は融点〜融点＋５０℃の温度範囲で行うのがよい。
【００２９】
なお、Ｚｎ単体を接合部材として用いた時の半導体素子と厚さ２ｍｍのＣｕ板との接合強度は、半導体素子の直径を６ｍｍ、Ｚｎ単体の厚さを０．２〜１ｍｍにした場合、引張り強度は約３２０Ｎ、半導体素子とＣｕ板との間に応力低減のための応力緩和部材を挿入した場合では４００Ｎ以上の引張り強度が得られる。またＺｎ単体の代わりにＺｎ系の接合材料として共晶組成系のＺｎ５Ａｌを用いた場合では、半導体素子とＣｕ板の場合で約２５０Ｎ、応力緩和部材を挿入した場合で３２０Ｎ以上の強度が得られる。また、上記したＺｎ単体又はＺｎ５Ａｌを接合部材として用いて応力緩和部材を挿入した場合、熱サイクル試験（−４０〜２００℃、４００サイクル）を行った後でも、初期引張強度の８０％以上の強度が確保されることを確認した。
【００３０】
さらに、少なくとも上記Ｚｎ系の接合部材で接続された部分を、２５０℃の耐熱性を満足する樹脂たとえばポリイミド樹脂等で覆うことにより、Ｚｎ系接続部の耐環境性が向上するとともに半導体素子と部材との接合強度も向上する。
【００３１】
上記検討を踏まえ、上記Ｚｎ系接合部材を適用した車載用交流発電機に用いる本発明の半導体装置について、図１を用いて説明する。
【００３２】
本発明による車載用交流発電機に用いる半導体装置の第１の実施形態である図１に示す半導体装置は、半導体素子１と、応力緩和部材５を介して半導体素子１を支持する支持電極体３と、半導体素子と電気的に接続されるリード電極７と、各々を接続するＺｎ系接合部材２、４、６と、支持電極体３の内部を充填する封止材８とを有する。本実施例の場合、半導体素子１の面と接してＺｎ系接合部材２、４が接合されており、その間には他の層が存在しない。これにより、耐熱性、耐熱応力性、放熱性に優れた半導体装置を提供することができる。
【００３３】
本実施形態において、半導体素子１および応力緩和部材５の両面と支持電極体３、リード電極７の接続面は、接合部材の濡れ性を良くするために予め表面をニッケル（Ｎｉ）膜がめっきにより薄く形成された状態で接合部材２、４、６により接合されるが、図１に示す接合後の状態では、Ｎｉが接合部材２、４、６の中に拡散してしまってＮｉ膜は消失している。
【００３４】
なお、Ｚｎ系接合部材２、４、６は、すべて同一組成のＺｎ系接合部材を用いる必要はなく、下記に詳説する温度階層、応力階層等の観点から各層異なる組成のＺｎ系接合部材を用いてもよい。また、接合部材は半導体装置全体の放熱特性向上を考慮し、０．１〜０．３ｍｍ程度の薄い膜厚で設けるのが好ましい。応力緩和部材５としては、インバーや４２アロイをＣｕで挟んだ３層構造を用いればよい。また、図１では応力緩和部材５を１層のみ設けているが、更に熱応力を緩和すべく複数層設けても構わない。支持電極体３、リード電極７には、熱伝導率の高いＣｕ部材を用いればよい。封止材８は、耐熱性のある樹脂あるいはシリコーンゴム等を用いればよい。
【００３５】
次に、本発明の半導体装置の第２の実施形態について、図２を用いて説明する。第２の実施形態の半導体装置は、半導体素子１と、半導体素子１を支持する支持電極体３と、半導体素子と電気的に接続されるリード電極７と、各々を接続するＺｎ系接合部材２、４と、支持電極体３の内部を充填する封止材８とを有する。本実施形態の場合、応力緩和部材５を有しないため、熱応力への対応として、半導体素子１と支持電極体３との接合部材４の膜厚を少し厚めの０．３〜０．６ｍｍ程度で設けるのが好ましい。
【００３６】
本実施形態においても前記した第１の実施形態と同様に、半導体素子１の両面と支持電極体３、リード電極７の接続面は、接合部材の濡れ性を良くするために予め表面をＮｉ膜がめっきにより薄く形成された状態で接合部材２、４、６により接合されるが、図２に示す接合後の状態ではＮｉが接合部材２、４、６の中に拡散してしまってＮｉ膜は消失している。
【００３７】
次に、本発明の半導体装置の第３の実施形態について、図３を用いて説明する。第３の実施形態の半導体装置は、半導体素子１と、応力緩和部材５を介して半導体素子１を支持する支持電極体３と、半導体素子と電気的に接続されるリード電極７と、各々を接続するＺｎ系接合部材２、４、６及びその界面に設けられたＮｉ層９と、支持電極体３の内部を充填する封止材８とを有する。上記した第１の実施形態との相違点は、図１に示したように、第１の実施の形態においては、Ｚｎ系接合部材２、４、６で接合した後には、Ｎｉ膜が消失しているのに対して、本実施形態の場合、Ｚｎ系接合部材２、４、６で接合した後にも各層間でＮｉ膜が残っている。各層間にＮｉ膜を掲載した状態でＺｎ系接合部材２、４、６で接合するため、製造時の濡れ性が向上し、良好な接続が得られる。例えば、半導体素子１の面に接してＮｉ層９が接合され、Ｎｉ層９の面に接してＺｎ系接合部材２、４が接合されている。この場合も先に述べた理由から、Ｎｉ層９とＺｎ系接合部材２、４との間にＮｉＺｎ合金層が形成しないようにすることが必要である。なお、図３に示す半導体装置では各層間でＮｉ層９を設けているが、これに限られず、適宜任意の層間ではＮｉ層９を設けない構造にしても構わない。
【００３８】
次に、本発明の半導体装置の第４の実施形態について、図４を用いて説明する。第４の実施形態の半導体装置は、半導体素子１と、半導体素子１を支持する支持電極体３と、半導体素子と電気的に接続されるリード電極７と、各々を接続するＺｎ系接合部材２、４及びその界面に設けられたＮｉ層９と、支持電極体３の内部を充填する封止材８とを有する。応力緩和部材５がない点以外は第３実施形態とほぼ同じであるが、それに伴い、熱応力への対応として、半導体素子１と支持電極体３とのＺｎ系接合部材４の膜厚を少し厚めの０．３〜０．６ｍｍ程度で設けるのが好ましく、またＺｎ系接合部材４の両面に設けられたＮｉ層９は他のＮｉ層よりも薄い膜厚にするのが好ましい。なお、第３の実施形態同様、適宜任意の層間ではＮｉ層９を設けない構造にしても構わない。
【００３９】
次に、本発明の車載用発電機用に用いる半導体装置の第１の製造方法について、図１に示す半導体装置を例にとり、図５を用いて説明する。まず、半導体素子１の表面及び裏面にＮｉ膜９を形成（ステップ６０１）した後、半導体素子１の一方の面とリード電極７とを還元雰囲気中ではんだ２により接合する（ステップ６０２）。ここで、Ｎｉ膜９はめっきによって形成すればよいが、接合後ＮｉＺｎ合金層を形成しないように１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下の膜厚にするとよい。これにより、図１のように、半導体素子１の直上にＺｎ（Ｎｉ成分が拡散されたＺｎ）層を形成することができ、ＮｉＺｎ合金層が形成されないため、良好な接続を得ることができる。なお、Ｎｉ層９を残した図３の半導体装置を製造する場合には、上記Ｎｉの膜厚に制約される必要はないが、ＮｉＺｎ合金層を形成させないように、接合環境・温度調整をすればよい。
【００４０】
一方、表面にＮｉ膜を形成した支持電極体３にＺｎ系接合部材６を供給し（ステップ６０３）、リフローにより支持電極体３と応力緩和部材５とをＺｎ系接合部材６で接合する（ステップ６０４）。その後、前記半導体素子１とリード電極７とを接合してなる接続構造体と、前記支持電極体３と応力緩和部材５とを接合してなる接続構造体とをＺｎ系接合部材４で接合し（ステップ６０５）、前記半導体素子１が接合された支持電極体３の内部を耐熱性の樹脂あるいはシリコーンゴム等によりモールドして完成する（ステップ６０６）。なお、Ｚｎ系接合部材の供給方法としては、板状、箔状、めっき、ペースト等が考えられ、必要に応じて適宜選択すればよい。
【００４１】
この製造方法の場合、Ｚｎ系接合部材４による接合時に既に接合されたＺｎ系接合部材２、６が再溶融する恐れがあるため、Ｚｎ系接合部材２、６には、Ｚｎ系接合部材４よりも高い融点をもつ組成のＺｎ系の接合材料を用い、温度階層をつければよい。具体的には、例えば、Ｚｎ系接合部材２，６には、Ｚｎ単体を用い、Ｚｎ系接合部材４にはＺｎ５Ａｌ系の材料を用いればよい。
【００４２】
次に、本発明の半導体装置の第２の製造方法について、図６を用いて説明する。まず、表面にＮｉ膜を形成した支持電極体３にＺｎ系接合部材６を供給し（ステップ７０１）、支持電極体３に応力緩和部材５を還元雰囲気中でＺｎ系接合部材６で接合する（ステップ７０２）。次に、前記応力緩和部材５の上にＺｎ系接合部材４を供給し（ステップ７０３）、応力緩和部材５と両面にＮｉ膜が形成された半導体素子１とをＺｎ系接合部材４で接合する（ステップ７０４）。次に、前記半導体素子１の上にＺｎ系接合部材２を供給し（ステップ７０５）、半導体素子１とリード電極７とをＺｎ系接合部材２で接合する（ステップ７０６）。最後に、前記半導体素子１が接合された支持電極体３の内部をモールドして完成する（ステップ７０７）。
【００４３】
この製造方法の場合には、Ｚｎ系接合部材６、４、２を順次接合していくため、温度階層を３層つける必要があり、例えば、上記順番での接合の場合、Ｚｎ系接合部材６にはＺｎ単体、Ｚｎ系接合部材４にはＺｎ３Ａｌ系はんだ、Ｚｎ系接合部材６にはＺｎ５Ａｌ系の材料を用いればよい。
【００４４】
次に、本発明の半導体装置の第３の製造方法について、図７を用いて説明する。まず、表面をＮｉめっきした支持電極体３にＺｎ系接合部材６を供給し（ステップ８０１）、前記Ｚｎ系接合部材６の上に応力緩和部材５を供給し（ステップ８０２）、さらに前記応力緩和部材５の上にＺｎ系接合部材４を供給する（ステップ８０３）。さらに、前記Ｚｎ系接合部材４の上に両面にＮｉ膜を形成した半導体素子１を供給し（ステップ８０４）、前記半導体素子１の上にＺｎ系接合部材２を供給し（ステップ８０５）、Ｚｎ系接合部材２の上にリード電極７を供給する（ステップ８０６）。次に、支持電極体３上でＺｎ系接合部材６、応力緩和部材５、Ｚｎ系接合部材４、半導体素子１、Ｚｎ系接合部材２及びリード電極７を治具（図示せず）で固定した状態でリフロー処理することにより、電極支持体３と応力緩和部材５とをＺｎ系接合部材６で、応力緩和部材５と半導体素子１とをＺｎ系接合部材４で、半導体素子とリード電極７とをＺｎ系接合部材２で、一括して接合する（ステップ８０７）。最後に、前記半導体素子１が接合された支持電極体３の内部をモールドして完成する（ステップ８０８）。
【００４５】
この製造方法の場合には、各Ｚｎ系接合部材２、４、６を一括接合するため、すべて同じ組成のＺｎ系の接合材料でもよく、また第１及び第２の製造方法のように温度階層を設けなくてもよい。従って、本製造方法の場合、Ｚｎ系の接合材料の各組成の軟らかさ、熱抵抗率、熱伝導率等の観点から最適な組合せで階層を設けてもよい。
【００４６】
次に、本発明による半導体装置を車載用発電機に適用した例を、図８乃至図１０を用いて説明する。
【００４７】
車両用交流発電機は、エンジンの回転動力を受けて回転するロータとこのロータの外周部に固定されたステータを備えた交流発電手段と、この交流発電手段から出力される交流電流を直流電流に変換する整流手段と、交流発電手段からの出力電圧を制御する半導体式電圧制御手段とを備えて構成される。
【００４８】
図８は、車載用発電機８００の断面図である。エンジンの回転動力が図示しないベルトを介してプーリ８２０に伝達され、ベアリング８２２に回転自在に支承された軸８２１が回転される。この軸８２１と一体に回転するロータ８２６には、電機子巻線であるロータコイル８１１が取り付けられており、ステータ側の励磁巻線８１０の発する界磁とロータコイル８１１とが鎖交することで、ロータコイル８１１には交流が発生する。８０１は半導体式電圧制御装置で、励磁巻線８１０の励磁電流の制御やバッテリ（図示せず）の電圧及び充電表示灯(図示せず)の制御を行う。８２５は半月状の冷却板で、図９及び図１０に示すように、ツェナーダイオード８１２〜８１９を取り付けている（図９が表側，図１０が裏側）。ロータ８２６の両側には冷却ファン８２３が取り付けられており、冷却ファン８２３の回転により生じる冷却風が冷却板８２５を冷却し、ツェナーダイオード８１２〜８１９の放熱を図っている。ロータコイル８１１とツェナーダイオード８１２〜８１９との接続は、スリップリング８２４で成される。図９及び図１０の８２７，８２８は接続端子である。なお、ステータ側の励磁巻線８１０の代わりに、永久磁石を用いても良い。
【００４９】
このような構成において、車載用交流発電機８００に使用されるツェナーダイオード８１２〜８１９及びそれに用いる接続材料の場合には、使用状態（２００℃前後）では長時間高温となり、未使用状態（常温）との温度差が激しく、オーバーヒートする場合もあり得るエンジン近傍に設けられるため、その条件は特に厳しいものとなる。特に、近年のエンジン小型高出力化に伴い、使用状態の耐熱温度としては２５０℃が要求されるようになってきている。
【００５０】
ここで、ツェナーダイオード８１２〜８１９として、図１乃至５を用いて説明した第１乃至第５の実施形態のような構造を採用し、Ｚｎ系接合部材２，４，６で半導体素子１と冷却用の支持電極対３とを接続することにより、長時間の高温状態に耐えうる放熱性、厳しい温度差に耐えうる耐熱応力性、想定以上の高温状態にもある程度対応できる耐熱性等を備えることができる。
【００５１】
本発明の半導体装置の製造方法について上記の通り、いくつか述べたが、上記実施例には限られず、適宜接合順番を入れ替え、それに伴い最適な接合部材を選択してもよい。
【００５２】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種種変更可能である。
【００５３】
また、上記各実施形態に分けて記載した半導体装置及びその製造方法の内容は、各実施形態のみに限定されるものではなく、他の実施形態についても適宜適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施形態における半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態における半導体装置の断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態における半導体装置の断面図である。
【図４】本発明の第４の実施形態における半導体装置の断面図である。
【図５】本発明による半導体装置の第１の製造方法についての、フロー図である。
【図６】本発明による半導体装置の第２の製造方法についての、フロー図である。
【図７】本発明による半導体装置の第３の製造方法についての、フロー図である。
【図８】本発明による車載用発電機の断面図である。
【図９】本発明による車載用発電機のツェナーダイオードを装着した冷却板の正面図である。
【図１０】本発明による車載用発電機のツェナーダイオードを装着した冷却板の後正面図である。
【図１１】ＺｎＡｌ系合金状態図である。
【符号の説明】
【００５５】
１・・・半導体素子    ２，４，６・・・接合部材    ３・・・支持電極体    ５・・・応力緩和和材    ７・・・リード電極    ８・・・封止材    ９・・・Ｎｉ層    １０・・・Ｃｕ系リードフレーム    １１・・・外部リード    １２・・・ワイヤ    ８００・・・車載用発電機    ８１２〜８１９・・・ツェナーダイオード    ８３５・・・冷却板    
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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