(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
整流ダイオードを熱的かつ電気的に整流器配列系（３６）と接続するために設けられた台座（２）が、前記整流器配列系（３６）に穿設された開口内へ圧入可能であり、前記台座（２）の上に該台座と一体的に中段座（３）が配置されており、該中段座自体の上に半導体チップ（４）が固定されており、該半導体チップ自体にヘッドワイヤ（８）が固着されている形式の、台座（２）を備えた整流ダイオードにおいて、
前記台座（２）を機械的に安定化させるために、台座（２）が中段座（３）の領域に該中段座を取り囲む堤壁（９）を有しており、かつ、溝（１０）によって前記中段座（３）から隔離された前記堤壁（９）が台座ボトム（１）と一体であり、前記溝（１０）から離反した方の堤壁（９）の側で、該堤壁と、前記台座ボトムに対してほぼ垂直に配置された前記台座（２）のほぼ円筒形の周壁との間に、半導体チップ（４）の平面に対して垂直方向の力を吸収するためのプレス域（１１）が配置されており、かつ、前記堤壁（９）と前記中段座（３）との間に形成された溝（１０）が、幅と深さの比を２：１に形成されており、半導体チップ（４）を保護するパック部（１３）が、ヘッド円錐部（７）の半径方向外側の領域では、ヘッド円錐部（７）の半径方向内側の領域よりも厚い肉厚を有しており、中段座（３）及び／又はヘッド円筒部（６）が、半導体チップ（４）の外縁域に斜面（１６及び／又は１７）を有し、かつ該斜面（１６及び／又は１７）の領域に鑞（１８及び／又は１９）及び／又はパッシベーション（１４）が装着されていることを特徴とする、整流ダイオード。
【請求項２】
ヘッドワイヤ（８）が、ヘッド円錐部（７）とヘッド円筒部（６）とを介して半導体チップ（４）に接続されている、請求項１記載の整流ダイオード。
【請求項３】
ヘッド円錐部（７）の円錐母線が、半導体チップ（４）の平面に対して２０°の角度（３３）を有し、かつ整流ダイオードが、前記半導体チップ（４）を保護するパック部（１３）を有している、請求項２記載の整流ダイオード。
【請求項４】
中段座（３）が側面に肩（１５）を有し、該肩が、半導体チップ（４）を保護するパック部（１３）に侵入している、請求項１から３までのいずれか１項記載の整流ダイオード。
【請求項５】
肩（１５）が斜縁（２０）を有している、請求項４記載の整流ダイオード。
【発明の詳細な説明】
技術分野：
本発明は、請求項１に発明の上位概念として規定した形式の整流ダイオードに関する。
背景技術：
平均出力及び比較的高い出力の整流ダイオードを圧入ダイオードとして構成することは公知である。この場合圧入ダイオードは圧入台座を有し、該圧入台座は、整流器配列系の対応凹設部内に圧入される。圧入台座はその場合、整流器配列系との整流ダイオードの永続的な熱的及び電気的接続を果たす。このような構成ユニットは例えば、自動車ジェネレータにおいて整流器として使用するような自動車技術に基づいて公知である。その場合、圧入台座は、半導体チップを例えば鑞接によって固定している固定域を有している。半導体チップ自体には、やはり例えば鑞接によって所謂ヘッドワイヤが固着されており、該ヘッドワイヤは、例えば鑞接又は溶接によって自動車ジェネレータの位相リード線に固着接合されている。
整流器配列系の規定の開口内へ整流ダイオードを圧入する場合、整流ダイオードの縁部に沿って機械的な力が該整流ダイオードに対して作用する。この機械的な力は圧入台座を介して、半導体チップの固定域に伝達される。圧入時に、前記固定域に実装された半導体チップは曲げ応力を受ける。また半導体チップと圧入台座との間、並びに半導体チップとヘッドワイヤとの間の鑞層も曲げ応力を受ける。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４１１２２８６号明細書によれば圧入台座は、中実金属から成り、しかも同心的に配置された中段座の形に形成されており、該中段座上に半導体チップが実装されている。この構成によってすでに半導体チップは、圧入力の作用する圧入台座縁部から空間的に隔離されている。しかしこの空間的な隔離にも拘わらず、チップ及び該チップを包囲する鑞層は曲げ応力を受け、この曲げ応力によって圧入ダイオードは即座に故障したり、或いるは早期老化を惹起することになる。
中段座及び、該中段座を包囲する堤壁を備えていない整流ダイオードの択一的な実施形態の場合は、構成部材の堅牢性と信頼性は、ひとえに半導体チップが製造時に正確にセンタリングして固着されているか否かに懸かっている。
発明の開示：
請求項１の特徴部に記載した構成手段を有する整流ダイオードは、従来技術に対比して、例えば圧入時の変形に対抗する堅牢性を簡単に得ることができるという利点を有している。台座ボトムが中段座の領域に、該中段座を取り囲む堤壁を有し、かつ該堤壁が前記台座ボトムと一体であることに基づいて、堤壁の高さ及び該堤壁の中段座からの距離の単純な幾何学的な変化によって、台座全体の剛性を改善することが可能になる。
請求項１に記載した整流ダイオードの有利な構成及び改良は、請求項２以降に記載した手段によって可能である。
溝から離反した方の堤壁側にプレス域を配置するのが特に有利である。この手段によって、整流器配列系への圧入時の変形に対する整流ダイオードの堅牢性が保証される。プレス域と堤壁と溝との技術的コンビネーションに基づいて、堤壁を有していない構造に対比して、半導体チップ支承面にかかる曲げ応力は減少される。
本発明の有利な構成では、圧入式整流ダイオードのプレス域が、堤壁によって台座から仕切られており、前記堤壁の高さは、台座と堤壁との間の溝の長さの約半分の大きさである。その場合、所与の製造技術の範囲内で圧入工程中に台座が受ける曲げ応力が最小限になると同時に、製造欠陥品数も一層僅少になる。それというのは、中段座の半導体チップ支承面における半導体チップのセンタリングが、従来技術よりもあまりシビアな問題でなくなるからである。
整流ダイオードのヘッドは、ヘッド円筒部とヘッド円錐部とのコンビネーションから成るのが有利である。何故ならば該コンビネーションは、ヘッド円筒体の利点（熱容量が高く、ダイオードの所要パルス強度のための質量が大であること）と、ヘッド円錐体の利点（ヘッドワイヤの引張り負荷に対して剛性であり、整流ダイオードの構造丈が小であること）を合体するからである。
パック部との係合接続のためにヘッド円錐部の円錐母線の最適角度を約２０°に選ぶのが有利である。パック部との接触面が斜向しているにも拘わらず、係合接続にとって決定的な、引張り力の垂直成分（図４）は、軸方向引張り力自体よりも数パーセント小さいにすぎない。
パック部を特別に形成することによって構造をコンパクトにするのが有利である。例えばヘッドワイヤにかかる引張り力が非軸方向成分を有している場合でも、ヘッドの外縁部でだけ、要するにヘッドとパック部との係合接続部を介して大きな力が発生する部位においてだけ、パック部は厚い肉厚に設計されている。
ヘッド円筒部、台座及び／又は半導体チップ自体に斜面、段又はそれに類するものを設けるのが有利である。それというのは半導体チップの外縁には、斜面、段などを有していない構造よりも厚い鑞層を生ぜしめることが出来るからである。半導体外縁域における鑞疲労度が低下される。
中段座に肩を設けることによって得られる利点は、台座とパック部との間に緊密な係合接続部が生じる点にある。そればかりでなく、例えばパック部を注型樹脂コンパウンドから製造する場合、該注型樹脂コンパウンドは乾燥時に台座面に緊縮し、これによって整流ダイオードのヘッド域を半導体チップと共に圧入台座に固定的に圧着する。
前記肩に斜縁を形成することによって、整流ダイオードが例えば引張り負荷を受けている場合でも、パック部内において高い機械的応力を発生させることが避けられる。高い機械的負荷又は熱応力は常にシャープなエッジにおいて形成される。肩端部に斜縁を形成することによって、このようなシャープなエッジは避けられる。
【図面の簡単な説明】
図１は一部破断して示した整流ダイオードの概略的な横断図面、図２は図１の第１細部の概略的な拡大図、図３は整流ダイオードの圧入時の操作概略図、図４は図１の第２細部の概略的な拡大図、図５は図１の第３細部の概略的な拡大図である。
発明を実施するための最良の形態：
次に図面に基づいて本発明の１実施例を詳説する。
図１の一部破断して示した横断図面では整流ダイオードが符号１００で総体的に図示されている。整流ダイオード１００は、台座ボトム１を有する台座２を備えている。台座２には中段座３が一体的に結合されており、該中段座そのものの上に、例えば鑞接（鑞５ｂ）によって半導体チップ４が実装されている。半導体チップ４自体は例えば矢張り鑞接（鑞５ａ）によってヘッド円筒部６とヘッド円錐部７と介してヘッドワイヤ８に結合されている。殊にセンタリングして配置された中段座３は、円環状の堤壁９及び溝１０によって取り囲まれており、該溝１０は堤壁９と中段座３とによって形成されている。中段座３から見れば、堤壁９の向こう側には、整流ダイオード１００の圧入（プレス嵌め）時に半導体チップ４の平面に対して垂直方向の力が作用することのできるプレス域１１がなお位置している。ヘッド円錐部７、ヘッド円筒部６、半導体チップ４及び中段座３は、保護スリーブ１２によって制限されるパック部によって包囲されている。中段座３及びヘッド円筒部６は、半導体チップ４寄りの縁部に斜面１６及び／又は１７を有している（図５）。該斜面は例えば鑞１８及び／１９によって填塞することができる。更にまた半導体チップ及び鑞を半導体チップ縁部で封止するパッシベーション（表面不動態化手段）１４が半導体チップ４の縁部に設けられている。また中段座３は、パック部１３内に張出す斜縁２０を有する円環状の肩１５を備えている。
図１に示した整流ダイオード１００において特に有利な点は、半導体チップ４が、堤壁９によって包囲されている隆起した中段座３の上に固着されていることである。このようにして形成された溝１０はその場合、堤壁９の高さの約２倍の長さを有している。本発明の利点は、その構造が整流ダイオードの圧入時の変形に対して、格別堅牢であることである。中段座と堤壁／溝とのコンビネーションは、有意義に形成された堤壁９を備えていない構造に対比して、チップ支承面にかかる曲げ応力を一層均等にかつ一層低くすることを保証する。この堅牢性は有限要素法（FEM）計算によって確証される。更なる利点は、半導体チップのセンタリングに関する要求が前掲のドイツ連邦共和国特許出願公開第４１１２２８６号明細書の構成図４に対比してそれほどシビアな問題にならないことである。前掲特許出願公開明細書に記載されている構造では、構成部材の堅牢性及び信頼性は実質的に、製造時にチップを正確にセンタリングして固着するか否かに懸かっている。本発明の構造では有利なことには、堤壁は中段座よりも丈が低いので、整流ダイオードの製造時及び表面不動態化時に殊に半導体チップへの接近を妨げられることはない。
図１によれば整流ダイオード１００はその台座２に、例えば中段座３の周面に沿って１つの肩１５を有している。この任意の肩は、パック部１３と台座２との形状による緊密な係合接続部を形成するために役立つ。一面において機械的な安定性が得られ、台座２はいわばパック部１３と鉤止めされている。また他面において例えば注型樹脂コンパウンドから形成されたパック部は、製造時の乾燥段階において緊縮して、ダイオードのヘッド部分を半導体チップと一緒に台座に圧着する（「焼嵌め」）。こうして全体的に１つの安定した構造が得られる。前記肩１５はこの場合、斜縁２０を有しており、これによって外的な機械的及び熱的負荷を受けた場合に高い機械的応力の発生及びパック部における亀裂形成のリスクが回避される。前記亀裂形成のリスクは、肩端部がシャープに尖っている場合に概ね生じる。
図２及び図３には圧入（プレス嵌め）操作、もしくはこの操作時に整流ダイオードに作用する力が図示されている。整流器配列系３６内へ整流ダイオード１００をプレス嵌めする際、圧入力３７を整流ダイオード１００の台座２に伝達する圧入プランジャ３５が使用される（図３参照）。この場合圧入プランジャ３５は、台座ボトムの周縁域にだけ加圧作用を及ぼすように形成されているのが有利である。整流器配列系３６は、整流ダイオード１００の台座のプレス域１１に対して反力３４を及ぼす（図２参照）。半導体チップ４及び、該半導体チップを囲む鑞層５ａ，５ｂは一面において、圧入時に台座に対して作用する力の作用点よりも明らかに高位に位置しており、また他面において円環状の溝１０によって、強い変形域から減結合されている。その結果、圧入動作によって半導体チップを損傷する公算は著しく低下される。このことを有限要素法（FEM）計算及び実験が確証した。更に台座を低廉に構造できるように溝１０は、幅と深さの比を２：１に形成されている。要するに堤壁と溝を有する中段座の堅牢かつ単純な構造によって、高い圧入力の適用が可能になると共に、半導体チップの変形を最小限に抑えることが可能になる。
ヘッドワイヤ８（図４）の固定部は、該ヘッドワイヤに対して課される３つの重要な要件を満たすように形成されている。すなわち：
１．ダイオードに対して、特にジェネレータで使用されるツェナダイオードに対して要求されるような高いパルス強度の場合、ヘッド６，７は出来るだけ高い熱容量を有していなければならない。要するに所与の材料において、充分大きな質量が必要である。その場合、構造をコンパクトにするために必要とするように、整流ダイオードの構造丈２９（図１参照）を出来るだけ低くしようとする要求が制限的に働く。
２．ヘッドはできるだけ剛性でなければならない。整流器配列系３６内に整流ダイオード１００を組込んだ後、ヘッドワイヤ８は運転中に振動によって引張り負荷を受ける。ヘッドは単に円筒形に設計されているならば、半導体チップの平面に対して垂直方向の引張り負荷が発生した場合に強い撓みが惹起される。その結果、半導体チップに接している鑞層５ａにおける力の分布が著しく不均等になり、つまり鑞層内に著しく高い応力が局所的に生じる。この高い応力の結果、整流ダイオードの老化が加速され、熱抵抗が増大し、ひいては早期故障の要因となる。
３．整流ダイオード１００の温度交番変化に対する耐性を高くするためにはヘッド６，７と台座２との間にパック部１３を介して係合接続部を形成することが必要である。このために整流ダイオードのヘッドは充分に注型樹脂コンパウンドで被覆されていなければならない。勿論鉤止するためには、軸方向引張り力３０の垂直方向成分３２だけが事実上寄与する（図４）。軸方向引張り力３０の接線方向成分３１は、金属表面に沿った注型樹脂コンパウンドの粘着力として事実上無視することができる。この意味ではヘッドを円筒形に形成するのが理想的ではある。しかしながら、これは構造丈をコンパクトにすると同時に曲げ剛さを大きくしようとする要件には矛盾することになる。
ところで本発明の利点は、整流ダイオードのヘッドを円筒部と円錐部とから構成する点にある。ヘッド円錐部７は、外径部に至るまで注型樹脂コンパウンドで申し分無く被覆すると同時に、構造をコンパクトにすること（構造丈を小さくすること）を可能にする。ヘッド円錐部７の角度３３を２０°とすれば、円錐形であるにも拘わらず、軸方向引張り力の約９４％の力を、パック部１３とヘッドとの係合接続のために最適に活用することができる。更にヘッドの一部分を円錐形に形成することによって曲げ剛さが著しく高められ、従って、発生する引張り力は全面に均等分配される。これに対してヘッド円筒部６は、出来るだけ大きな質量を保証し、その結果、熱比容量が決まっている場合、ツェナダイオードのできるだけ高いパルス強度が保証される。
ヘッド６，７の領域におけるパック部１３を特別に設計することは、構造を一層コンパクトにする意味合いでの別の最適化である。パック部１３は肩１５によって係合接続式に台座２と結合される。その上に該パック部は力をヘッドに及ぼすことができる。この力はヘッドの周縁域の方が、ベッドワイヤの固着されたヘッド中点よりも高い。従ってパック部１３は、ヘッド周縁域を、ヘッド中点域よりも著しく肉厚に設計されている（図１）。こうして保護スリーブ１２を起点としてヘッドワイヤ８の方へ向かって例えば緩い上り勾配をなして延びるパック部１３が得られる。
図５は、図１に示した半導体チップ４のエッジ部分の詳細図である。ヘッド円筒部６及び中段座３は夫々縁部に斜面１６，１７を有している。中段座３と半導体チップ４との間の自由空隙域及び該半導体チップとヘッド円筒部６との間の自由空隙域は例えば鑞１８，１９で填塞されている。半導体チップが円形であり、台座及びヘッド全周にわたって幾何学的に適合されている場合、最大直径域に、より肉厚の鑞層を生ぜしめ、これによって鑞の疲労化現象を激減させるのが有利である。シリコンとヘッドとの異なった熱膨張拳動並びにシリコンと中段座との異なった熱膨張拳動に起因する鑞疲労化現象、特に鑞のクリープ現象は、幾何学的条件如何に著しく関連している。鑞の層厚が薄くなるに応じて、かつ剪断域が長くなるに応じて、それだけ鑞層の剪断は大きくなる。半導体チップの斜線にわたって、かつ角隅で鑞の老化は強化され、かつ鑞のクリープ現象に起因した短絡によってダイオードの早期故障が惹起されることになる。要するに鑞１８及び／又は鑞１９で付加的に填塞された領域によって、ダイオードの温度交番変化に対する極度に高い耐性が得られる。こうして半導体チップの中点における鑞層が薄い（小さな熱抵抗）という利点が、温度交番変化に対する耐性が高いという利点と１つに合体される。前記斜面１６，１７に代えて段を設けることも可能であり、半導体チップの角隅域で台座又はヘッドに丸く面取りを施すことも可能である。択一的な実施形態として前記の丸い面取り面、斜面、段などを半導体チップに設けることも可能である。その場合パッシベーション１４は鑞１８及び／又は１９を被覆している。
【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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