JP2004047663A

JP2004047663A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2004047663A
Application number: JP2002202074A
Authority: JP
Inventors: Reikichi Kaneda; 金田　礼吉
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-07-11
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】冷却性の向上、コスト低減および生産性の向上を図ることができるとともにクラックの発生を防止することができる半導体装置を提供すること。
【解決手段】半導体装置としての整流素子５５は、ディスク部１５０、半田層１５２、板状部材１５４、半導体チップ１５６、半田層１５８、リード１６０を含んで構成されている。半田層１５２内に配置された板状部材１５４は、半導体チップ１５６とディスク部１５０の中間の線膨張係数を有し、複数の孔１５４ａが形成されている。これらの孔１５４ａには半田が充填されている。
【選択図】　　　　図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乗用車やトラックに搭載される車両用交流発電機の整流装置等に用いられる半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用交流発電機は、エンジンから伝えられた動力によって発電を行い、バッテリへの充電を行うとともに、エンジンの点火、照明その他の各種電装品への電源供給を行うものであり、市場競争力の維持あるいは向上のために、小型軽量化、高出力化、コストダウンとともに耐久性の向上は重要な課題である。例えば、整流装置に含まれる整流素子には大電流が流れるため、発電時と非発電時の温度差が大きくなり、このような熱サイクルによって、半導体チップを半田付けしている半田にクラックが生じやすくなる。
【０００３】
一般的な整流素子としての半導体装置は、カップ状のディスク部に半導体チップが半田付けされ、さらにリード線を引き出した状態で絶縁樹脂で封止されている。このディスク部の材質は、半導体チップの放熱性を考えて、通常は熱伝導率の良好な銅などの金属材料が用いられる。ディスク部と半導体チップの熱膨張差が大きいため、このような構造では、半導体チップとディスク部の線膨張係数の違いから、半導体装置の周囲温度が変化したときに、ディスク部と半導体チップとの間に介在する半田にかかる応力が大きくなる。しかも、この半田にかかる応力は、外周部が中央部に比べて大きいため、熱膨張差によって生じるクラックは外部から入り始め、徐々に内部に広がっていく。このようにして半田にクラックが生じると、半導体チップの放熱性が悪くなり、半導体チップの限界温度を越えると半導体装置が故障に至るおそれがある。
【０００４】
このような半導体装置の故障を防止する従来技術として、銅よりも線膨張係数が小さい材料でディスク部を形成することにより、半導体チップとディスク部との間の半田における応力の発生を低減する特公平７−９５５７５号公報に開示された手法が知られている。例えば、ディスク部の材質として、銅とコバールと銅の３層クラッド材や銅とコバール、銅とインバー、銅とＮＳＤからなる２層クラッド材が用いられている。
【０００５】
また、その他の従来技術として、半導体チップとディスク部との間の半田の厚みを増して、半田に加わる応力を低減する手法が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した特公平７−９５５７５号公報に開示された従来手法では、ディスク部として銅とコバールと銅からなる３層クラッド材等を用いているため、銅を用いる場合に比べると熱伝導性が低下し、半導体装置の冷却性が悪化するという問題があった。また、クラッド材は、製造が容易でないため、その分だけ高価であってコストの上昇を招くとともに、銅板等を加工する場合に比べて生産性が低下するという問題があった。
【０００７】
また、半田の厚みを増す従来手法では、半田の厚みを厚くすればするほど、半田付けの際にディスク部の取り付け面に対して半導体チップの対向面が傾斜しやすくなり、半田の厚みの不均一さに起因するクラックの発生につながるため、本質的な解決策とはいえなかった。
【０００８】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、冷却性の向上、コスト低減および生産性の向上を図ることができるとともにクラックの発生を防止することができる半導体装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の半導体装置は、半導体チップの両面にろう付け層を介して電極が設けられており、半導体チップの線膨張係数よりも大きく、かつ、電極の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する導電性の板状部材をろう付け層内に有し、板状部材は、その両面間を連通する複数の孔を備えるとともに、これらの孔をろう材で満たしている。半導体チップと電極の間のろう付け層にこれらの中間の線膨張係数を有する板状部材を内在させ、しかも、この板状部材にろう材が充填された複数の孔を設けることにより、ろう付け層を挟んで接近する半導体チップと板状部材との間の線膨張係数の差あるいは板状部材と電極との間の線膨張係数の差を少なくすることができるため、ろう付け層におけるクラックの発生を防止することができる。また、半導体チップと電極との間に板状部材を介在させることにより、ろう付け層の厚みを増すことができるため、半導体チップと電極との線膨張係数の差に基づいて発生する熱ひずみを低減することができ、ろう付け層におけるクラックの発生をさらに有効に防止することができる。
【００１０】
また、上述した板状部材は、その両面の少なくとも一方の面から突出した突起部を備えることが望ましい。この突起を利用して半導体チップと電極との間隔を調整することが可能になる。
特に、上述した板状部材に設けられた突起部の高さを、突起部が形成された面について同一にすることが望ましい。これにより、板状部材が含まれるろう付け層の厚みを一定にすることが容易となり、このろう付け層におけるクラックの発生をさらに防止することができる。
【００１１】
また、上述した板状部材は、線材を網状に織ることにより形成されることが望ましい。これにより、大型プレス機等を用いることなく板状部材を形成することが可能になり、設備の小型化を図ることができる。
また、上述した板状部材は、ろう材が一体化された単一部品として提供され、半導体チップを電極にろう付けする際にこの単一部品が用いられることが望ましい。これにより、板状部材とろう材とが一体となった単一部品を半導体チップと電極の間に配置した状態で加熱してろう付けを行うことができるため、板状部材を追加したことによって工程が複雑化することを防止することができ、生産性の向上を図ることが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、第１の実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。図１に示す車両用交流発電機１は、固定子２、回転子３、ブラシ装置４、整流装置５、フレーム６、リヤカバー７、プーリ８等を含んで構成されている。
【００１３】
固定子２は、固定子鉄心２１と、この固定子鉄心２１に形成された複数個のスロットに所定の間隔で巻き回された三相の固定子巻線２３とを備えている。
回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した界磁巻線３１を、それぞれが６個の爪部を有するポールコア３２ａ、３２ｂによって、回転軸３３を通して両側から挟み込んだ構造を有している。また、フロント側のポールコア３２ａの端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すために軸流式の冷却ファン３４が溶接等によって取り付けられている。同様に、リヤ側のポールコア３２ｂの端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すために遠心式の冷却ファン３５が溶接等によって取り付けられている。
【００１４】
ブラシ装置４は、整流装置５から回転子３の界磁巻線に３１に励磁電流を流すためのものであり、回転子３の回転軸３３に形成されたスリップリング３６、３７のそれぞれに押圧するブラシ４１、４２を有する。
整流装置５は、三相の固定子巻線２３の出力電圧である三相交流電圧を整流して直流の出力電力を得るためのものであり、配線用電極を内部に含む端子台５１と、所定の間隔で配置された正極側放熱板５２および負極側放熱板５３と、それぞれの放熱板に設けられた取付用の凹部に半田によるろう付けや超音波溶着等によって接合された複数個の半導体装置としての整流素子５４、５５とを含んで構成されている。整流装置５の詳細については後述する。
【００１５】
フレーム６は、固定子２および回転子３を収容しており、回転子３が回転軸３３を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子３のポールコア３２ａ、３２ｂの外周側に所定の隙間を介して配置された固定子２が固定されている。また、フレーム６は、固定子鉄心２１の軸方向端面から突出した固定子巻線２３に対向した部分に冷却風の吐出窓６１が、軸方向端面に冷却風の吸入窓６２がそれぞれ設けられている。
【００１６】
リヤカバー７は、リヤ側のフレーム６の外側に取り付けられるブラシ装置４、整流装置５およびＩＣレギュレータ１２の全体を覆って、これらを保護するためのものである。
上述した構造を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ８にエンジン（図示せず）からの回転力が伝えられると回転子３が所定方向に回転する。この状態で回転子３の界磁巻線３１に外部から励磁電圧を印加することにより、ポールコア３２ａ、３２ｂのそれぞれの爪部が励磁され、固定子巻線２３に三相交流電圧を発生させることができ、整流装置５の出力端子からは直流の出力電力が取り出される。
【００１７】
次に、整流装置５の詳細について説明する。図２は、整流装置５の詳細構造を示す平面図である。また、図３は図２に示した整流装置５を裏側から見た平面図である。図４は、整流装置５の部分的な断面図である。図５は、整流装置５の変形例の部分的な断面図である。なお、以下では主に負極側放熱板５３と整流素子５５について説明するが、正極側放熱板５２と整流素子５４についても同様であり、詳細な説明は省略する。
【００１８】
負極側放熱板５３には、整流素子５５を半田によるろう付けや超音波溶着等によって接合するために４箇所に凹部５６が形成されている。これらの凹部５６は、その直径が、整流素子５５の外径よりも大きな値に設定されている。
なお、上述したように各放熱板に整流素子をろう付けする形態ではなく、図５に示すように、正極側放熱板５２、負極側放熱板５３のそれぞれに貫通孔を設け、各貫通孔に整流素子５４、５５を圧入する形態とすることが好ましい。これにより、半田付けによるろう付け作業をなくすことができ、作業工数およびコストの低減が可能になる。
【００１９】
図６は、整流素子５５の詳細構造を示す断面図である。また、図７は図６のＶＩ−ＶＩ線断面図である。図６に示すように、整流素子５５は、ディスク部１５０、ろう付け層としての半田層１５２、板状部材１５４、半導体チップ１５６、ろう付け層としての半田層１５８、リード１６０を含んで構成されている。
【００２０】
ディスク部１５０は、半導体チップ１５６の一方の面に対向して配置された一方の電極であり、カップ形状を有し、カップ底面が半導体チップ１５６を接合する半田付け面となる。例えば本実施形態では、ディスク部１５０は、熱伝導性に優れた銅材料によって形成されている。
【００２１】
板状部材１５４は、半導体チップ１５６の線膨張係数よりも大きく、かつ、ディスク部１５０の線膨張係数よりも小さいこれらの中間の線膨張係数を有する円板形状をなしており、半導体チップ１５６とディスク部１５０との間の半田層１５２内に配置されている。また、図７に示すように、この板状部材１５４は、全体に均一に形成された複数の孔１５４ａを有している。孔１５４ａは、板状部材１５４の両面間を連通するように形成されており、それぞれの孔１５４ａにはろう材である半田が充填されている。
【００２２】
リード１６０は、半導体チップ１５６の他方の面に対向して配置された他方の電極であって、半導体チップ１５６とほぼ同じ形状（例えば円板形状）を有しており、半導体チップ１５６の対向面側にろう付け層としての半田層１５８が配置されている。
【００２３】
このように、本実施形態では、半導体チップ１５６とディスク部１５０の間の半田層１５２にこれらの中間の線膨張係数を有する板状部材１５４を内在させ、しかも、この板状部材１５４に半田が充填された複数の孔１５４ａを設けることにより、半田層１５２を挟んで接近する半導体チップ１５６と板状部材１５４との間の線膨張係数の差あるいは板状部材１５４とディスク部１５０との間の線膨張係数の差を少なくすることができるため、半田層１５２におけるクラックの発生を防止することができる。
【００２４】
また、半導体チップ１５６とディスク部１５０との間に板状部材１５４を介在させることにより、半田層１５２の厚みを増すことができるため、半導体チップ１５６とディスク部１５０との線膨張係数の差に基づいて発生する熱ひずみを低減することができ、半田層１５２におけるクラックの発生をさらに有効に防止することができる。実際に、板状部材１５４を用いて確かめたところ、半田層１５２の厚みを従来構造に比べて２倍以上の１３０〜５００μｍにすることができ、半田層１５２に発生する熱ひずみを３０％以上低減してクラックの発生を抑制することができた。
【００２５】
〔その他の実施形態〕
ところで、上述した実施形態の整流素子５５では、複数の孔１５４ａが形成された単純な形状の板状部材１５４を用いた場合について説明したが、この板状部材には、一方の面あるいは両面に突出した突起部を形成するようにしてもよい。
【００２６】
図８は、板状部材の変形例を示す平面図である。また、図９は図８に示したＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。これらの図に示す複数の板状部材２５４は、複数の孔２５４ａと、それぞれの孔２５４ａに対応する突起２５４ｂとを有する。板状部材２５４を構成する板材を部分的に切り曲げることにより、板状部材２５４の両面に対して突出する突起２５４ｂが形成されるとともに、それぞれの突起２５４ｂに対応する複数の孔２５４ａが形成される。また、各突起２５４ｂは、交互に反対方向に突出しており、板状部材２５４の各面においてそれぞれの突起２５４ｂの高さが同一に設定されている。
【００２７】
図１０は、板状部材の他の変形例を示す平面図である。また、図１１は図１０に示したＸ−Ｘ線断面図である。これらの図に示す板状部材３５４は、複数の孔３５４ａと、それぞれの孔３５４ａに対応する複数の突起３５４ｂとを有する。バーリング加工を施すことによりそれぞれの突起３５４ｂが形成されている。また、各突起３５４ｂは、交互に反対方向に突出しており、板状部材３５４の各面においてそれぞれの突起３５４ｂの高さが同一に設定されている。
【００２８】
このように、両面（あるいは一方の面だけでもよい）に突起２５４ｂ、３５４ｂが形成された板状部材２５４、３５４を用いることにより、突起２５４ｂ、３５４ｂの高さを調整することにより半導体チップ１５６とディスク部１５０との間の間隔、すなわち半田層１５２の厚みを調整することが可能になるとともに、均一な所定の厚みを有する半田層１５２を形成することが容易となる。
【００２９】
図１２は、板状部材の他の変形例を示す断面図である。図１２に示す板状部材４５４は、図６および図７に示した板状部材１５４と比べて板厚を増した点が異なっている。このように、板状部材１５４、４５４等の板厚を調整することによって、半導体チップ１５６とディスク部１５０との間隔を調整することが可能になる。
【００３０】
図１３は、板状部材の他の変形例を示す平面図である。図１３に示す板状部材５５４は、線材５５４ｃを網状に織ることにより構成されている。これにより、孔５５４ａを形成するために、大型のプレス機等を用いることなく板状部材５５４を形成することが可能になり、設備の小型化を図ることができる。
【００３１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、カップ状のディスク部１５０の表面に半田層１５２を介して半導体チップ１５６を半田付けする場合について説明したが、ディスク部１５０を用いずに負極側放熱板５３表面に半導体チップ１５６を直接半田付けする場合にも本発明を適用することができる。
【００３２】
また、上述した実施形態では、半導体チップ１５６をディスク部１５０等の半田付けする場合について説明したが、半田以外のろう材を用いたろう付けによって半導体チップ１５６の取り付けを行うようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、半田層１５２内に板状部材１５４等を内在させる方法については特に言及していないが、例えば、板状部材１５４等に半田が一体化された単一部品を用いることができる。すなわち、ディスク部１５０の上にこの単一部品を載せ、さらにその上に半導体チップ１５６、半田、リード１６０を重ねて加熱することにより、この単一部品に含まれる半田や半導体チップ１５６とリード１６０の間に挟み込んだ半田を溶かして半田層１５２、１５８を形成することが可能になり、板状部材１５４等を追加したことによって工程が複雑化することを防止して生産性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。
【図２】整流装置の詳細構造を示す平面図である。
【図３】図２に示した整流装置を裏側から見た平面図である。
【図４】整流装置の部分的な断面図である。
【図５】整流装置の変形例の部分的な断面図である。
【図６】整流素子の詳細構造を示す断面図である。
【図７】図６のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図８】板状部材の変形例を示す平面図である。
【図９】図８に示したＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図１０】板状部材の他の変形例を示す平面図である。
【図１１】図１０に示したＸ−Ｘ線断面図である。
【図１２】板状部材の他の変形例を示す断面図である。
【図１３】板状部材の他の変形例を示す平面図である。
【符号の説明】
５２、５３　放熱板
５４、５５　整流素子
１５０　ディスク部
１５２、１５８　半田層
１５４、２５４、３５４、４５４、５５４　板状部材
１５４ａ、２５４ａ、３５４ａ、４５４ａ、５５４ａ　孔
１５６　半導体チップ
１６０　リード
２５４ｂ、３５４ｂ　突起
５５４ｃ　線材

Claims

半導体チップの両面にろう付け層を介して電極が設けられた半導体装置において、
前記半導体チップの線膨張係数よりも大きく、かつ、前記電極の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する導電性の板状部材を前記ろう付け層内に有し、
前記板状部材は、その両面間を連通する複数の孔を備えるとともに、これらの孔をろう材で満たすことを特徴とする半導体装置。
請求項１において、
前記板状部材は、その両面の少なくとも一方の面から突出した突起部を備えることを特徴とする半導体装置。
請求項２において、
前記板状部材に設けられた前記突起部の高さを、前記突起部が形成された面について同一にすることを特徴とする半導体装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記板状部材は、線材を網状に織ることにより形成されることを特徴とする半導体装置。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記板状部材は、ろう材が一体化された単一部品として提供され、前記半導体チップを前記電極にろう付けする際にこの単一部品が用いられることを特徴とする半導体装置。