(57)【要約】【課題】半導体チップ(3)の破損を防止すると共に、半導体チップ(3)に発生する熱を低減する。【解決手段】リード電極(4)は、半導体チップ(3)の平面積より大きく拡径された平面積を有するヘッダ(14)と、ヘッダ(14)の周辺(14a)から凹部(11)を形成する底面(11a)に向かい下方に延伸して半導体チップ(3)を包囲するフランジ(16)とを有する。フランジ(16)により樹脂被覆体(5)を通じて半導体チップ(3)に伝達される機械的応力を軽減する。また、半導体チップ(3)に発生する熱をフランジ(16)により吸収すると共に、フランジ(16)から側壁(22)に伝達し、支持電極(1)を通じて半導体装置の外部に熱を放出できる。【選択図】図１
2007207860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底壁及び該底壁の外周部に接続されて上方に突出する側壁により皿状の凹部を形成する支持電極と、該支持電極の凹部内に配置された半導体素子と、該半導体素子に固着されたリード電極と、前記凹部内に充填されて前記半導体素子及びリード電極の一部を被覆する樹脂被覆体とを備え、
前記リード電極は、前記半導体素子の平面積より大きく拡径された平面積を有し且つ前記半導体素子に固着されたヘッダと、該ヘッダから上方に延伸する軸部とを有し、
前記ヘッダの周辺から前記凹部を形成する底面に向かい下方に延伸して前記半導体素子を包囲するフランジを前記ヘッダに設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記凹部の底面と前記半導体素子との間に支持体を配置し、
前記支持体と前記支持電極の側壁との間に形成される間隙内に前記ヘッダのフランジを延伸させた請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記凹部内で前記支持電極と一体に前記支持体を形成し又は前記凹部の底面に前記支持体を固着した請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ヘッダの周辺から前記凹部の底面に向かい外側に傾斜して前記フランジを形成した請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ヘッダのフランジは、複数の切欠部を有する請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、特に使用時若しくは外部放熱体への圧入時に半導体素子に加わる応力等を緩和できる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６に示す半導体装置(20)は、底壁(21)及び底壁(21)の外周部に接続されて上方に突出する側壁(22)により皿状の凹部(11)を形成する支持電極(1)と、支持電極(1)の凹部(11)内に配置された半導体チップ（半導体素子）(3)と、半導体チップ(3)に固着されたリード電極(4)と、凹部(11)内に充填されて半導体チップ(3)及びリード電極(4)の一部を被覆する樹脂被覆体(5)とを備える。リード電極(4)は、半導体チップ(3)の一方の電極面(3a)に半田又はろう材から成る導電性接着剤(9)により固着されたヘッダ(24)と、ヘッダ(24)から上方に延伸する軸部(25)とを有する。支持電極(1)の凹部(11)を形成する底面(11a)上に金属製の台座(23)が導電性接着剤(9)により固着され、半導体チップ(3)の他方の電極面(3b)は、台座(23)に固着される。この種の半導体装置(20)は、例えば、本特許出願人が提案した下記特許文献１により公知である。特許文献１に開示される台座(23)の線膨張係数は、支持電極(1)の線膨張係数と半導体チップ(3)の線膨張係数の間で且つ半導体チップ(3)の線膨張係数に近いので、半導体チップ(3)に加わる機械的応力を十分に緩和してチップ割れ及び半導体チップ(3)の特性劣化を防止することができる。
【０００３】
上述した半導体装置(20)は、例えば、自動車交流発電機（オルタネータ）の出力用整流ダイオードに適用され、支持電極(1)は、下面(1b)を押圧治具により押圧することによって、交流発電機の放熱体(31)に形成された嵌合孔(32)内に圧入され、放熱体(31)により支持される。よって、支持電極(1)の外周面(1a)に外力が加えられて樹脂被覆体(5)に伝達し、樹脂被覆体(5)を通じて半導体チップ(3)に機械的応力が伝達され、半導体チップ(3)が破損又は電気的特性が劣化することがあった。
【０００４】
支持電極(1)及びリード電極(4)は、銅又は銅合金等の金属により形成され、半導体チップ(3)に電流が流れて発生した熱は、支持電極(1)と共に、リード電極(4)のヘッダ(24)にも伝達されて外部に放出される。即ち、ヘッダ(24)は、半導体チップ(3)に対する電極として機能すると共に、放熱板としても機能する。例えば、半導体チップ(3)に大きな逆方向サージ電圧が印加されたとき、ヘッダ(24)が十分な体積及び表面積を備えないと、半導体チップ(3)が継続的に加熱され、半導体チップ(3)の電気的特性の劣化が生じることがあった。
【０００５】
従来の半導体装置(20)では、ヘッダ(24)は、円盤状に形成され、半導体チップ(3)の一方の電極面(3a)に固着される下面(24a)が平坦に形成される。ヘッダ(24)の平面積を拡張してヘッダ(24)の放熱性を向上することが考えられたが、ヘッダ(24)の平面積を拡張すると、同時に半導体装置(20)も大型化する問題があった。半導体装置(20)の大きさは、交流発電機の放熱体(31)に形成された嵌合孔(32)の大きさにより制限される。また、ヘッダ(24)の平面積を拡張すると、半導体チップ(3)に応力が加わり易くなる問題があった。
【０００６】
これに対し、下記特許文献２及び３は、円盤状のヘッダを有し、ヘッダに対して平行に突出する突出部を軸部に設けたリード電極を開示する。リード電極の軸部に突出部を設けることにより、リード電極の体積及び表面積を拡張して、リード電極の熱容量及び放熱性を向上できる。
【特許文献１】特開平７−２２１２３５号公報（図１）
【特許文献２】特開昭６３−８７７５１号公報（図１）
【特許文献３】特開平２−１２６６６４号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２及び３の半導体装置では、半導体装置の大きさによりリード電極の突出部の長さが制限され、リード電極に十分な熱容量及び放熱性を得ることができなかった。また、支持電極に外力が加えられたときに、樹脂被覆体を通じて半導体素子に機械的応力が伝達され、半導体チップが破損又は電気的特性が劣化する問題は、依然として解決できない。
よって、本発明は、支持電極から樹脂被覆体に外力が伝達されることによる半導体チップの破損又は電気的特性の劣化を防止する半導体装置を提供することを目的とする。また、リード電極に十分な熱容量及び放熱性を得る半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体装置は、底壁(21)及び底壁(21)の外周部に接続されて上方に突出する側壁(22)により皿状の凹部(11)を形成する支持電極(1)と、支持電極(1)の凹部(11)内に配置された半導体素子(3)と、半導体素子(3)に固着されたリード電極(4)と、凹部(11)内に充填されて半導体素子(3)及びリード電極(4)の一部を被覆する樹脂被覆体(5)とを備える。リード電極(4)は、半導体素子(3)の平面積より大きく拡径された平面積を有し且つ半導体素子(3)に固着されたヘッダ(14)と、ヘッダ(14)から上方に延伸する軸部(15)とを有し、ヘッダ(14)の周辺(14a)から凹部(11)を形成する底面(11a)に向かい下方に延伸して半導体素子(3)を包囲するフランジ(16)をヘッダ(14)に設ける。支持電極(1)に外力が加えられると、樹脂被覆体(5)を通じて半導体素子(3)に機械的応力が伝達されるが、半導体素子(3)を包囲するヘッダ(14)のフランジ(16)により半導体素子(3)に伝達される機械的応力を軽減し、緩和し又は阻止して、半導体素子(3)の破損又は電気的特性の劣化を防止することができる。ヘッダ(14)は、周辺(14a)から凹部(11)の底面(11a)に向かい延伸するフランジ(16)により、大きな体積及び表面積を有し、半導体素子(3)に発生する熱をより良好に吸収し且つ外部に放出できる。また、支持電極(1)の側壁(22)に隣接して配置されるヘッダ(14)のフランジ(16)は、半導体素子(3)からヘッダ(14)に伝達される熱をフランジ(16)から側壁(22)に伝えて、支持電極(1)を通じて半導体装置の外部に熱を放出できる。
【発明の効果】
【０００９】
半導体装置の使用時に半導体素子に加わる応力及び熱を十分に緩和して、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、自動車交流発電機の出力整流ダイオードに適用した本発明による半導体装置の実施の形態を図１〜図５について説明する。但し、これらの図面では、図６に示す箇所と実質的に同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００１１】
図１及び図２に示すように、本実施の形態の半導体装置(10)は、半導体チップ(3)の平面積より大きく拡径された平面積を有し且つ半導体チップ(3)に固着されたヘッダ(14)と、ヘッダ(14)の周辺(14a)から凹部(11)を形成する底面(11a)に向かい下方に延伸して半導体チップ(3)を包囲するフランジ(16)とを備える略釣鐘形状のリード電極(4)を有する点により、図６に示す従来の半導体装置(20)と異なる。図２は、樹脂被覆体(5)を除いた半導体装置(10)の分解図を示す。支持電極(1)は、例えば、銅若しくはジルコニウム銅等の銅合金により円柱状に形成され、図６の半導体装置(20)と同様に、底壁(21)及び側壁(22)により形成される皿状の凹部(11)を上面(1c)に有する。支持電極(1)の側壁(22)は、半導体チップ(3)を固着する凹部(11)の略平坦な底面(11a)を包囲する筒状に形成される。側壁(22)は、半導体チップ(3)の一方の電極面(3a)よりも高く形成される。支持電極(1)の外周面(1a)は、通常ローレット加工が施され、外周寸法は、放熱体(31)の嵌合孔(32)の内周寸法と比較して大きく形成される。
【００１２】
半導体チップ(3)は、シリコン等の材質により、例えば、円盤状に形成され、周知のＰＮ接合ダイオードを構成する。リード電極(4)は、例えば、銅又は銅合金により形成され、ヘッダ(14)は、円柱状、円盤状又は円錐状に形成され、ヘッダ(14)の略中央部から棒状の軸部(15)が上方に延伸して形成される。熱伝導率の高い金属から成る支持電極(1)及びリード電極(4)は、半導体チップ(3)で発生した熱を吸収し且つ半導体装置(20)の外部に放出する。樹脂被覆体(5)は、例えば、エポキシ樹脂又はシリコーン樹脂等の高い耐熱性を有する樹脂により形成される。本実施の形態では、樹脂被覆体(5)がエポキシ樹脂から成る硬質樹脂で形成されている。
【００１３】
半導体装置(10)は、凹部(11)の底面(11a)と半導体チップ(3)との間に支持体(2)を有する。支持体(2)は、平面積が半導体チップ(3)よりも大きく且つヘッダ(14)と同等又は小さい円柱状の金属積層体により形成され、側壁(22)から離間して凹部(11)の底面(11a)の略中央に配置される。例示する支持体(2)は、銅から成る円盤状の中間金属層(7)と、中間金属層(7)の上下面に圧着され且つ３６％Ｎｉ−Ｆｅの組成を有するインバーから成る円盤状の端部金属層(6,8)とを有する。本実施の形態の半導体装置(10)では、支持体(2)により特許文献１の台座(23)と同様の効果を有するが、支持体(2)を形成する金属層の構造は、本発明を限定するものではない。支持体(2)により、凹部(11)内で支持体(2)を介して半導体チップ(3)を底面(11a)に対して高い位置に配置できるので、ヘッダ(14)のフランジ(16)により半導体チップ(3)を包囲しても、フランジ(16)が底壁(21)及び側壁(22)に接触せず、リード電極(4)と支持電極(1)との電気的短絡を防止できる。
【００１４】
図３は、支持電極(1)と一体に形成された支持体(2)を有する半導体装置(10)の他の実施の形態を示す。支持体(2)は、凹部(11)の底面(11a)の一部を突出させて底壁(21)と一体に形成され、前述した金属積層体から成る支持体(2)と同様の形状を有する。図示しないが、支持電極(1)と半導体チップ(3)とを固着する導電性接着剤(9)により、底面(11a)に対する半導体チップ(3)の十分な高さが得られれば、支持体(2)を省略してもよい。
【００１５】
図１に示す半導体装置(10)を製造する際に、例えば、鍛造により形成された支持電極(1)が準備される。次に、支持電極(1)の凹部(11)の底面(11a)に支持体(2)及び半導体チップ(3)を導電性接着剤(9)により順次固着する。支持電極(1)の側壁(22)の凹部(11)の底面(11a)からの高さは、支持体(2)及び半導体チップ(3)の厚さに底壁(21)と支持体(2)との間及び支持体(2)と半導体チップ(3)との間に配置される導電性接着剤(9)の厚みを加えた厚さよりも高い。よって、支持体(2)と半導体チップ(3)とを凹部(11)内に配置したとき、側壁(22)が半導体チップ(3)の一方の電極面(3a)よりも高く配置される。
【００１６】
続いて、半導体チップ(3)とリード電極(4)のヘッダ(14)とが導電性接着剤(9)により固着される。ヘッダ(14)の下面(14b)は、平坦に形成され、同様に平坦に形成された半導体チップ(3)の一方の電極面(3a)に良好に固着できる。次に、周知のポッティング法又は滴下法等の方法により、支持電極(1)の凹部(11)内に流動性樹脂を注入する。側壁(22)が半導体チップ(3)の一方の電極面(3a)よりも高く形成されるので、流動性樹脂を凹部(11)内に十分に充填して、半導体チップ(3)を被覆することができる。半導体チップ(3)を包囲するリード電極(4)のフランジ(16)は、注入される流動性樹脂の圧力から半導体チップ(3)を保護する働きを有する。最後に、注入された樹脂を加熱硬化して、半導体チップ(3)、支持体(2)、リード電極(4)のヘッダ(14)及び軸部(15)の端部を被覆する樹脂被覆体(5)を形成し、半導体装置(10)が完成する。
【００１７】
図４は、ヘッダ(14)のフランジ(16)に複数の切欠部(18)を有する半導体装置(10)の別の実施の形態を示す。ヘッダ(14)のフランジ(16)にスリット又は孔等から成る切欠部(18)を形成すると、樹脂被覆体(5)を形成する際に、支持電極(1)の凹部(11)内に注入される十分な量の流動性樹脂が切欠部(18)を通じてフランジ(16)内に充填され、ボイド等の未充填部が樹脂被覆体(5)に発生するのを防止できる。
【００１８】
半導体装置(10)を使用する際に、アルミニウム等の金属から成る放熱体(31)に形成された嵌合孔(32)内に半導体装置(10)の支持電極(1)が圧入される。よって、支持電極(1)の外周面(1a)が圧縮され、樹脂被覆体(5)を通じて半導体チップ(3)に機械的応力が伝達されるが、半導体チップ(3)を包囲するヘッダ(14)のフランジ(16)により半導体チップ(3)に伝達される機械的応力を軽減し、緩和し又は阻止して、半導体チップ(3)の破損又は電気的特性の劣化を防止することができる。ヘッダ(14)は、周辺(14a)から凹部(11)の底面(11a)に向かい延伸するフランジ(16)により、大きな体積及び表面積を有し、半導体チップ(3)に発生する熱をより良好に吸収し且つ外部に放出できる。また、支持電極(1)の側壁(22)に隣接して配置されるヘッダ(14)のフランジ(16)は、半導体チップ(3)からヘッダ(14)に伝達される熱をフランジ(16)から側壁(22)に伝えて、支持電極(1)を通じて熱を半導体装置(10)の外部に放出又は放熱体(31)に伝達することができる。
【００１９】
例示する半導体装置(10)では、支持体(2)と支持電極(1)の側壁(22)との間に形成される間隙(17)内にヘッダ(14)のフランジ(16)を延伸させる。よって、ヘッダ(14)の体積及び表面積をより拡張して、リード電極(4)の熱容量及び放熱性を向上できる。また、ヘッダ(14)の周辺(14a)から凹部(11)の底面(11a)に向かい外側に傾斜してフランジ(16)を形成する。外力が加えられる支持電極(1)の側壁(22)は、径方向内側に向かって凹部(11)内に変形するが、支持電極(1)の側壁(22)と同方向に傾斜して形成されるヘッダ(14)のフランジ(16)は、支持電極(1)の側壁(22)から半導体チップ(3)に伝わる応力を良好に低減することができる。
【００２０】
図５は、コンピュータソフトウェアにより構造物に加わる力又は変形をシミュレートする代表的な数値解析手法であるＦＥＭ（Finite Element Method又は有限要素法）解析を用いた図６に示す従来の半導体装置(20)と図１に示す本発明の半導体装置(10)との比較結果を示す。本発明の半導体装置(10)は、リード電極(4)のヘッダ(14)にフランジ(16)を設けた点を除き、従来の半導体装置(20)と同一の材質、形状及び寸法を有する。図５（ａ）は、大きな逆方向サージ電圧が印加された際に半導体チップ(3)に生じる過渡熱を解析した結果を示すグラフである。従来の半導体装置(20)の半導体チップ(3)の最高温度が２８０℃であるのに対し、本発明の半導体装置(10)の半導体チップ(3)の最高温度は、２３０℃に低減されている。ヘッダ(14)のフランジ(16)により、半導体チップ(3)に発生する熱が従来よりも抑制されたことが分かる。
【００２１】
図５（ｂ）は、通電と冷却を繰り返した際に半導体チップ(3)に加わる熱応力を解析した結果を示すグラフである。従来の半導体装置(20)及び本発明の半導体装置(10)は、共に半導体チップ(3)に加わる応力が２６kgf/mm2となった。図５（ｃ）は、支持電極(1)を放熱体(31)の嵌合孔(32)に圧入する際に、半導体チップ(3)に生じる機械的応力を解析した結果を示すグラフである。従来の半導体装置(20)の半導体チップ(3)の応力が７.３kgf/mm2であるのに対し、本発明の半導体装置(10)の半導体チップ(3)の応力は、５.５kgf/mm2に低減される。ヘッダ(14)のフランジ(16)により、半導体チップ(3)に生じる機械的応力が従来よりも抑制されたことが分かる。以上のように、本発明によりヘッダ(14)にフランジ(16)を設けた半導体装置(10)は、使用時に半導体チップ(3)に生じる過渡熱及び機械的応力を低減することができ、半導体チップ(3)が破損又は電気的特性が劣化するのを防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は、自動車交流発電機に使用される出力用整流ダイオード等の高い放熱性及び耐応力性が要求される半導体装置に良好に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による半導体装置の一実施の形態を示す断面図
【図２】樹脂被覆体を除く図１の分解図
【図３】本発明による半導体装置の他の実施の形態を示す断面図
【図４】切欠部を有するフランジを示す部分断面図
【図５】本発明の半導体装置と従来の半導体装置との比較結果を示すグラフ
【図６】従来の半導体装置を示す断面図
【符号の説明】
【００２４】
(1)・・支持電極、  (2)・・支持体、  (3)・・半導体チップ（半導体素子）、  (4)・・リード電極、  (5)・・樹脂被覆体、  (11)・・凹部、  (11a)・・底面、  (14)・・ヘッダ、  (15)・・軸部、  (16)・・フランジ、  (17)・・間隙、  (18)・・切欠部、  (21)・・底壁、  (22)・・側壁、
【図１】
2007207860.tif 000003
【図２】
2007207860.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2007207860.tif 000008