半導体装置
【課題】本発明は半導体素子と両電極端子との間に介在させた接合部材に作用する最大温度及び温度変化幅を抑制し、温度変化に対する熱疲労寿命を向上させた半導体装置を提供する。
【解決手段】本発明の半導体装置は、半導体チップとリード電極体との間に接合部材を設けて半導体チップをリード電極体に接合し、半導体チップと支持電極体との間に熱応力緩和体を配設し、この熱応力緩和体と半導体チップ及び支持電極体との間に接合部材を夫々設けて第一の熱応力緩和体を支持電極体に接合し、第二の熱応力緩和体は熱膨張係数が半導体チップとリード電極体の各熱膨張係数の間の値の特性を有する材料によって形成し、第一の熱応力緩和体は熱膨張係数が半導体チップと支持電極体の各熱膨張係数の間の値の特性を有し、且つ熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する材料によって形成して構成した。
【解決手段】本発明の半導体装置は、半導体チップとリード電極体との間に接合部材を設けて半導体チップをリード電極体に接合し、半導体チップと支持電極体との間に熱応力緩和体を配設し、この熱応力緩和体と半導体チップ及び支持電極体との間に接合部材を夫々設けて第一の熱応力緩和体を支持電極体に接合し、第二の熱応力緩和体は熱膨張係数が半導体チップとリード電極体の各熱膨張係数の間の値の特性を有する材料によって形成し、第一の熱応力緩和体は熱膨張係数が半導体チップと支持電極体の各熱膨張係数の間の値の特性を有し、且つ熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する材料によって形成して構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる半導体装置に係り、特に交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられ温度変化に対する熱疲労寿命の要求が高い自動車用の半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用の交流−直流変換器に用いられる半導体装置では、交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する直流変換時に、交流−直流変換器を構成する半導体チップに発生した熱を主に放熱板を介して放熱して半導体チップの温度上昇を抑えている。
【０００３】
近年、自動車用の交流発電機の使用動作温度の要求は、従来の使用動作温度の要求値である約１８０℃よりも２０℃も高い温度となっており、このような高温の使用動作温度下で交流−直流変換器に用いられる半導体装置を使用すると半導体装置の熱疲労寿命が比較的少ない熱疲労寿命サイクル数で限界に達してしまう恐れがある。
【０００４】
そこで自動車用の交流−直流変換器に用いられる半導体装置に関しては、特開２００５−３４０２６７号公報には接合組立後の冷却過程や温度サイクル試験における半導体素子の割れを防止し、半導体素子への通電と遮断の繰返しに伴う熱疲労寿命に優れた半導体装置として、半導体素子と両電極端子との間に応力緩和材として熱膨張率が１０ＰＰＭ（１０×１０−６（１／℃））以下のＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕの複合材からなる薄板状低熱膨張部材を接合部材を介して夫々挿入し、この薄板状低熱膨張部材の外形寸法をリード電極端子側では半導体素子の電極面の外形寸法より小さく、ベース電極端子側では半導体素子の電極面の外形寸法より大きく形成した構成の半導体装置の技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３４０２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特開２００５−３４０２６７号公報に記載された構成の自動車用の交流−直流変換器に用いられる半導体装置では、接合部材の熱膨張係数は半導体チップの熱膨張係数とリード電極体及び支持電極体の熱膨張係数との差異が大きく、交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する直流変換時に自己発熱する半導体チップと接合している接合部材に生じる最大温度及び温度変化幅が大きくなるので接合部材の熱疲労寿命が比較的少ない熱疲労寿命サイクル数で限界に達して比較的短期間で半導体装置の熱疲労寿命が尽きてしまうという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる半導体チップを備えた半導体装置において、半導体チップで発生した熱を支持電極体に効果的に伝熱させて放熱し、半導体素子と電極端子との間に介在させた接合部材に作用する最大温度及び温度変化幅を抑制すると共に、温度変化に対する熱疲労寿命を向上させた半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体装置は、半導体チップと、リード電極体及び支持電極体とを有する半導体装置において、半導体チップとリード電極体との間に第二の熱応力緩和体を配設し、この第二の熱応力緩和体と半導体チップ及びリード電極体との間に接合部材を夫々設けて第二の熱応力緩和体をリード電極体に接合し、半導体チップと支持電極体との間に第一の熱応力緩和体を配設し、この第一の熱応力緩和体と半導体チップ及び支持電極体との間に接合部材を夫々設けて第一の熱応力緩和体を支持電極体に接合し、第二の熱応力緩和体は熱膨張係数が半導体チップとリード電極体の各熱膨張係数の間の値の特性を有する材料によって形成し、第一の熱応力緩和体は熱膨張係数が半導体チップと支持電極体の各熱膨張係数の間の値の特性を有し、且つ熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する材料によって形成したことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の半導体装置は、半導体チップと、リード電極体及び支持電極体とを有する半導体装置において、半導体チップとリード電極体との間に接合部材を設けて半導体チップをリード電極体に接合し、半導体チップと支持電極体との間に第一の熱応力緩和体を配設し、この第一の熱応力緩和体と半導体チップ及び支持電極体との間に接合部材を夫々設けて第一の熱応力緩和体を支持電極体に接合し、第一の熱応力緩和体は熱膨張係数が半導体チップと支持電極体の各熱膨張係数の間の値の特性を有し、且つ熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する材料によって形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる半導体チップを備えた半導体装置において、半導体チップで発生した熱を支持電極体に効果的に伝熱させて放熱し、半導体素子と電極端子との間に介在させた接合部材に作用する最大温度及び温度変化幅を抑制すると共に、温度変化に対する熱疲労寿命を向上させた半導体装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に本発明の実施例である交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる半導体装置について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の一実施例である交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる自動車用の半導体装置の構造を示す図面である。
【００１３】
図１において、本実施例の半導体装置は、交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる自動車用の半導体装置であって、この半導体装置の構成は、交流電力を直流電力に変換する半導体チップ１を備えており、この半導体チップ１の上部とリード電極体５との間には、接合部材２によって半導体チップ１と接合され、熱膨張係数が半導体チップ１とリード電極体５の間の３〜９×１０−６（１／℃）の熱膨張係数の特性を有するモリブデン材からなる第二の熱応力緩和体３が配設されている。
【００１４】
この第二の熱応力緩和体３には熱膨張係数が３〜９×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデン材を選定して、半導体チップ１の熱膨張係数３×１０−６／℃と、リード電極体５の熱膨張係数１７．７×１０−６／℃との間の値の熱膨張係数の特性となるように設定したことにより、３相交流を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１の発熱に伴って半導体チップ１とリード電極体５との双方に生じる熱膨張の差を第二の熱応力緩和体３によって緩和している。
【００１５】
更に、半導体チップ１の下部と支持電極体９との間には、接合部材６によって半導体チップ１と接合され、熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の特性の５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する材料からなる第一の熱応力緩和体７が配設されている。
【００１６】
この第一の熱応力緩和体７には熱膨張係数を５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデンと銅比率３５％の複合材料を選定して、半導体チップ１の熱膨張係数３×１０−６／℃と、支持電極体９の熱膨張係数１７．７×１０−６／℃との間の値の熱膨張係数の特性となるように設定したことにより、３相交流を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１の発熱に伴って半導体チップ１とリード電極体５との双方に生じる熱膨張の差を第一の熱応力緩和体７によって緩和している。
【００１７】
更に、この第一の熱応力緩和体７にはモリブデンと銅比率３５％の複合材料を用いることによって、前記した熱膨張係数の特性に加えて熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を備えさせているので、３相交流を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１で生じた熱をこの熱応力緩和体７を通じて熱容量の大きな支持電極体９に効果的に伝熱させて放熱を促進している。
【００１８】
本実施例の半導体装置においては、半導体チップ１の上部に接合部材２を介して配設した第二の熱応力緩和体３の上部とリード電極体５との間には、更に接合部材４を介して第二の熱応力緩和体３と接合されたリード電極体５が配置されており、また、半導体チップ１の下部に接合部材６を介して配設した第一の熱応力緩和体７の下部と支持電極体９との間には、更に接合部材８を介して第一の熱応力緩和体７と接合された支持電極体９が配置されている。
【００１９】
尚、リード電極体５及び支持電極体９は３相交流を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１に電力を通電させるものである。
【００２０】
また、本実施例の半導体装置の支持電極体９には、その中央部に内側が窪んだ形状の凹部９aが形成されており、この支持電極体９の凹部９aの底部に接合部材８を介して第一の熱応力緩和体７を接合することによって、支持電極体９の凹部９aの内部に、丁度、第二の熱応力緩和体３、半導体チップ１、及び第一の熱応力緩和体７が接合部材４、２、６、８を夫々介して順次積層されて収容されるように構成している。
【００２１】
そして、第二の熱応力緩和体３、半導体チップ１、及び第一の熱応力緩和体７を収容した支持電極体９の凹部９aの内部にはシリコーンゴム１０が充填されて、凹部９に収容した第二の熱応力緩和体３、半導体チップ１、及び第一の熱応力緩和体７をシリコーンゴム１０によって封入することにより半導体チップ１の表面を保護している。
【００２２】
接合部材２、４、６、８は、融点温度３００℃程度の半田（Ｐｂ-Ｓｎ系半田や、Ｓｎ−Ｃｕ系半田）を用いており、１５０℃以上の温度条件下で使用される自動車用の半導体装置の熱疲労特性を向上させている。
【００２３】
また、この接合部材２、４、６、８の材料として、上記した組成の半田に代えて他の組成の半田（例えば、Ｓｎ-Ａｇ系、Ｓｎ-Ｚｎ系、Ａｕ-Ｓｎ系の半田）、或いは導電性樹脂などを用いても良い。
この場合の他の組成の半田、或いは導電性樹脂の融点温度は約２３０℃以上のものが望ましい。
【００２４】
ところで、本実施例の半導体装置に用いられる接合部材２、４、６、８として使用される半田に関して、温度変化により発生する半田ひずみΔεｐと熱疲労寿命Ｎｆは、下記の関係式がある。
【００２５】
Ｎｆ＝Ｋ／Δεｐｎ・・・（１）
K、ｎは、半田材料、環境・温度で決まる定数、Δεｐは、半田の塑性ひずみ振幅。
【００２６】
上記（１）式に、熱疲労寿命試験時の、温度振幅で発生する熱膨張係数差によるひずみ、亀裂進展速度に対する周波数や最高温度の影響を考慮して表すと、下記（２）式となる。
【００２７】
Nf＝Ｃ・ｆλ（Ｌ・Δα・ΔＴ／２ｈ）−ｎｅｘｐ（Ｅａ/ｋＴmax）・・・（２）
C、λ、ｎは定数、ｆは温度繰返し周波数、Ｌは半田長さ、Δαは部材の熱膨張差、ΔＴは半田に加わる温度変化幅、ｈは半田厚、Eａは活性化エネルギ、ｋはボルツマン定数、Ｔｍａｘは最大温度。
【００２８】
この（２）式から、半田の熱疲労寿命は、部材の熱膨張差Δα、半田に加わる温度変化幅ΔＴ、最大温度Ｔｍａｘを小さくすれば、向上することが判る。
【００２９】
半導体装置に用いられる接合部材２及び接合部材６の半田は、交流−直流変換器を構成する半導体チップ１の熱膨張係数３×１０−６／℃と、リード電極体５及び支持電極体９の熱膨張係数１７．７×１０−６／℃との差である部材の熱膨張差Δαが１４．７×１０−６／℃と大きく、しかも交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する時に自己発熱する半導体チップ１と接合しているために、最大温度Ｔｍａｘ、及び温度変化幅ΔＴが共に大きくなり、接合部材２及び接合部材６の熱疲労寿命サイクルが約８，５００サイクル程度の比較的低い熱疲労寿命のサイクル数で限界に達するので、このままでは交流−直流変換器を構成する半導体チップを備えた自動車用の半導体装置として長期間の使用に耐えられなくなる。
【００３０】
そこで、本実施例においては、交流−直流変換器を構成する半導体チップ１の下部と支持電極体９との間に配設され、接合部材６及び８を夫々介在させることによって半導体チップ１及び支持電極体９と接合される第一の熱応力緩和体７として、熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有するモリブデンと銅比率３５％の複合材料の第一の熱応力緩和体７を半導体装置に設けることにより、半導体チップ１で発熱して接合部材６及び８に作用する温度変化幅ΔＴ、最大温度Ｔｍａｘを夫々低くしている。
【００３１】
更に、交流−直流変換器を構成する半導体チップ１の発熱で生じた熱量は、モリブデンと銅比率３５％の複合材料を用いて熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性にした第一の熱応力緩和体７を半導体チップ１と支持電極体９との間に配設させたことによって、熱伝導率を向上させた第一の熱応力緩和体７を通じて半導体チップ１で発生した熱を熱容量の大きな支持電極体９に効果的に伝熱して放熱させているので、半導体装置の熱疲労寿命Ｎｆを大幅に向上させることが可能となる。
【００３２】
また、半導体チップ１の上部とリード電極体５との間に配設され、接合部材２及び接合部材４を介して半導体チップ１とリード電極体５とに接合される第二の熱応力緩和体３として、熱膨張係数が半導体チップ１とリード電極体５の間の３〜９×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデン材を用いることにより、半導体チップ１で発熱して第二の熱応力緩和体３の下部及び上部に夫々介在する接合部材２及び接合部材４に作用する半導体チップ１とリード電極体５による熱膨張係数差Δαを小さくしたので、これによっても半導体装置の熱疲労寿命Ｎｆを向上することが可能となる。
【００３３】
また、第一の熱応力緩和体７の材料として、熱伝導率が２１０Ｗ／（ｍ・℃）で、熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の例えば７．７×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデンと銅比率３５％の複合材料を用いれば、銅／Ｆｅ−Ｎｉ合金／銅の複合材を用いた第一の熱応力緩和体７に比較して、半導体チップ１で発熱して接合部材６及び接合部材８に作用する温度変化幅ΔＴ、及び最大温度Ｔｍａｘを共に１４℃程度低くすることが出来る。
【００３４】
図５は第二の熱応力緩和体３及び又は第一の熱応力緩和体７に夫々各種の材料を用いた交流−直流変換器を構成する半導体チップ１を備えた半導体装置に対して熱疲労寿命試験を実施した場合を模擬した半導体装置の平均寿命サイクルを示す応力解析データを示す図面である。
【００３５】
図５において、Ａ０は交流−直流変換器を構成する半導体チップ１と支持電極体９との間に銅／Ｆｅ−Ｎｉ合金／銅の複合材を用いた熱応力緩和体のみを設置した従来製品と同じ構成の半導体装置に対して熱疲労寿命試験を実施した場合の解析結果であり、半導体装置の平均寿命サイクルが約８，５００サイクルに留まっているデータを示す。
【００３６】
これに対して図５のＡ１は交流−直流変換器を構成する半導体チップ１と支持電極体９との間に、熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の特性の５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有するモリブデンと銅比率３５％の複合材を用いた第一の熱応力緩和体７のみを設置した図３に示す実施例の構成の半導体装置に対して熱疲労寿命試験を実施した場合の解析結果で平均寿命サイクルが約１１，０００サイクルのデータを示す。
【００３７】
Ａ１の実施例の半導体装置における平均寿命サイクルはＡ０の半導体装置のものと比較して約１．３倍も平均寿命サイクルが向上している。
【００３８】
また、図５のＡ２は交流−直流変換器を構成する半導体チップ１と半導体チップ１と支持電極体９との間に、熱膨張係数が半導体チップ１とリード電極体５の間の３〜９×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデン材料を用いた第二の熱応力緩和体３を設置し、更に半導体チップ１と支持電極体９との間に、熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の特性の５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する銅／Ｆｅ−Ｎｉ合金／銅の複合材の第一の熱応力緩和体７を設置した図４に示す実施例の半導体装置に対して熱疲労寿命試験を実施した場合の解析結果で平均寿命サイクルが約１３，０００サイクルのデータを示す。
【００３９】
Ａ２の実施例の半導体装置における平均寿命サイクルはＡ０の半導体装置のものと比較して約１．５倍も平均寿命サイクルが向上している。
【００４０】
また、図５のＡ３は交流−直流変換器を構成する半導体チップ１と半導体チップ１とリード電極体５との間に、熱膨張係数が半導体チップ１とリード電極体５の間の３〜９×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデン材料を用いた第二の熱応力緩和体３を設置し、更に、半導体チップ１と支持電極体９との間に、熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の特性の５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有するモリブデンと銅比率３５％の複合材の第一の熱応力緩和体７を設置した図１に示す実施例の半導体装置に対して熱疲労寿命試験を実施した場合の解析結果で平均寿命サイクルが約２０，０００サイクルのデータを示す。
【００４１】
Ａ３の実施例の半導体装置における平均寿命サイクルはＡ０の半導体装置のものと比較して約２．３倍も平均寿命サイクルが向上している。
【００４２】
図５に示す本発明の各実施例の半導体装置に対する熱疲労試験を模擬した応力解析の結果から、第二の熱応力緩和体３に、熱膨張係数が３〜９×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデン材を用いることにより、半導体装置の熱疲労寿命が向上することがわかった。
【００４３】
また、第一の熱応力緩和体７に、熱膨張係数が５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有するモリブデン、モリブデンと銅の複合材料（銅比：１０％〜８０％）、又は銅／Ｆｅ−Ｎｉ合金／銅の複合材を用いることで、半導体装置の熱疲労寿命が向上することがわかった。
【００４４】
図５に示した交流−直流変換器を構成する半導体チップ１を備えた半導体装置に対する熱疲労寿命試験の結果から、本発明の各本実施例の半導体装置における熱疲労寿命サイクルは、従来製品の約８，５００サイクルの場合に比べて、Ａ１、Ａ２、Ａ３に示した各実験例における半導体装置の熱疲労寿命サイクルは、約１１，０００サイクル、約１３，０００サイクル、約２０，０００サイクルと夫々大幅に延長しており、従来比で約１．３倍から約２．３倍の寿命向上が図れていることが示されている。
【００４５】
以上の説明から明らかなように、上記した本実施例によれば、交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる半導体チップを備えた半導体装置において、半導体チップで発生した熱を支持電極体に効果的に伝熱させて放熱し、半導体素子と電極端子との間に介在させた接合部材に作用する最大温度及び温度変化幅を抑制すると共に、温度変化に対する熱疲労寿命を向上させた半導体装置を実現することができる。
【実施例２】
【００４６】
図２は、本発明の他の実施例である交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１を備えた自動車用の半導体装置の構造を示す図面である。
【００４７】
図２に示す本実施例の半導体装置は、具体的には電源、例えば自動車の交流発電機（オルタネータ）側と接続した自動車用の半導体装置であるが、半導体装置の構造は図１に示した先の実施例の半導体装置の構造と基本的には同一であるので、共通する構成についての説明は省略し、相違する部分についてのみ説明する。
【００４８】
図２において、本実施例の半導体装置では、交流−直流変換器に用いられる半導体チップ１に電力を通電させるリード線１１をリード電極体５と接続し、放熱板１２を支持電極体９に接続した構成の半導体装置であり、その他の半導体装置の構造は熱応力緩和体として第二の熱応力緩和体３及び第一の熱応力緩和体７の双方を備えた構造の図１に示した実施例の半導体装置と同一の構成のものである。
【００４９】
上記した構成の本実施例の半導体装置によれば、３相交流を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１の発熱に伴って半導体チップ１とリード電極体５との双方に生じる熱膨張の差を熱膨張係数が半導体チップ１とリード電極体５の間の３〜９×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデン材料を用いた第二の熱応力緩和体３を設置することによって、半導体チップ１で発熱して接合部材２及び４に作用する温度変化幅ΔＴ、最大温度Ｔｍａｘを夫々低くなるように緩和している。
【００５０】
更に、半導体チップ１と支持電極体９との間に、熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の５〜１１×１０−６（１／℃）の熱膨張係数の特性を有する第一の熱応力緩和体７を設置することによって、半導体チップ１で発熱して接合部材６及び８に作用する温度変化幅ΔＴ、最大温度Ｔｍａｘを夫々低くなるように緩和している。
【００５１】
しかも、交流−直流変換器を構成する半導体チップ１で生じた熱は、５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の伝導率の特性を有する熱応力緩和体７を通じて熱容量の大きな支持電極体９に効果的に伝熱させて放熱を促進している。
【００５２】
よって前記した熱膨張係数及び伝導率の特性を有する熱応力緩和体７を半導体装置に設置させたことによって半導体装置の熱疲労寿命Ｎｆを大幅に向上させることが可能となる。
【００５３】
本実施例によっても、交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる半導体チップを備えた半導体装置において、半導体チップで発生した熱を支持電極体に効果的に伝熱させて放熱し、半導体素子と電極端子との間に介在させた接合部材に作用する最大温度及び温度変化幅を抑制すると共に、温度変化に対する熱疲労寿命を向上させた半導体装置を実現することができる。
【実施例３】
【００５４】
図３は、本発明の別の実施例である交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１を備えた自動車用の半導体装置の構造を示す図面である。
【００５５】
図３に示す本実施例の半導体装置の構造は、図１に示した先の実施例の半導体装置の構造と基本的には同一であるので、共通する構成についての説明は省略し相違する部分についてのみ説明する。
【００５６】
図３において、本実施例の半導体装置は熱応力緩和体として第一の熱応力緩和体７のみを備えて、第二の熱応力緩和体３を備えていない構成の半導体装置であり、その他の構造は図１に示した半導体装置と同一の構成のものである。
【００５７】
即ち、半導体チップ１は接合部材２によってリード電極体５に接続されていて、半導体チップ１とリード電極体５との間には熱応力緩和体は設置されていず、半導体チップ１と支持電極体９との間にのみ、接合部材６及び８を介して熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有するモリブデンと銅比率３５％の複合材を用いた第一の熱応力緩和体７を設置している。
【００５８】
上記した構成の本実施例の半導体装置によれば、３相交流を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１の発熱に伴って半導体チップ１と支持電極体９との双方に生じる熱膨張の差を半導体チップ１と支持電極体９の間の５〜１１×１０−６（１／℃）の熱膨張係数の特性を有する第一の熱応力緩和体７を設置することによって、半導体チップ１で発熱して接合部材６及び８に作用する温度変化幅ΔＴ、最大温度Ｔｍａｘを夫々低くなるように緩和している。
【００５９】
更に、交流−直流変換器を構成する半導体チップ１で生じた熱を５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の伝導率の特性を有する熱応力緩和体７を通じて熱容量の大きな支持電極体９に効果的に伝熱させて放熱を促進している。
【００６０】
よって前記した熱膨張係数及び伝導率の特性を有する熱応力緩和体７を半導体装置に設置させたことによって半導体装置の熱疲労寿命Ｎｆを大幅に向上させることが可能となる。
【００６１】
本実施例によっても、交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる半導体チップを備えた半導体装置において、半導体チップで発生した熱を支持電極体に効果的に伝熱させて放熱し、半導体素子と電極端子との間に介在させた接合部材に作用する最大温度及び温度変化幅を抑制すると共に、温度変化に対する熱疲労寿命を向上させた半導体装置を実現することができる。
【実施例４】
【００６２】
図４は、本発明の更に別の実施例である交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１を備えた自動車用の半導体装置の構造を示す図面である。
【００６３】
図３に示す本実施例の半導体装置の構造は、図１に示した先の実施例の半導体装置の構造と基本的には同一であるので、共通する構成についての説明は省略し相違する部分についてのみ説明する。
【００６４】
図４において、本実施例の半導体装置は、熱応力緩和体として第二の熱応力緩和体３及び銅／Ｆｅ−Ｎｉ合金／銅のクラッド材で形成された第一の熱応力緩和体７ｂを備えた構成の半導体装置であり、その他の構造は図１に示した半導体装置と同一のものである。
【００６５】
即ち、本実施例の半導体装置は交流−直流変換器を構成する半導体チップ１の発熱に伴って半導体チップ１とリード電極体５との双方に生じる熱膨張の差を熱膨張係数が半導体チップ１とリード電極体５の間の３〜９×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデン材料を用いた第二の熱応力緩和体３を設置することによって、半導体チップ１で発熱して接合部材２及び４に作用する温度変化幅ΔＴ、最大温度Ｔｍａｘを夫々低くなるように緩和している。
【００６６】
更に、半導体チップ１と支持電極体９との間に、熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の５〜１１×１０−６（１／℃）の熱膨張係数の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する銅／Ｆｅ−Ｎｉ合金／銅の複合材を用いた第一の熱応力緩和体７を設置している。
【００６７】
この第一の熱応力緩和体７は、使用されている銅／Ｆｅ−Ｎｉ合金／銅の複合材の各金属の厚さ比を変えることにより、熱膨張係数を５〜１１×１０−６（１／℃）の間の所望の特性値、並びに伝導率を５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の間の所望の特性値に設定することが可能である。
【００６８】
半導体チップ１と支持電極体９との間に５〜１１×１０−６（１／℃）の熱膨張係数の特性を有する第一の熱応力緩和体７を設置することによって、半導体チップ１で発熱して接合部材６及び８に作用する温度変化幅ΔＴ、最大温度Ｔｍａｘを夫々低くなるように緩和している。
【００６９】
更に、この第一の熱応力緩和体７は前記した熱膨張係数の特性に加えて熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を備えさせているので、３相交流を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１で生じた熱をこの熱応力緩和体７を通じて熱容量の大きな支持電極体９に効果的に伝熱させて放熱を促進している。
【００７０】
よって前記した熱膨張係数及び伝導率の特性を有する熱応力緩和体７を半導体装置に設置させたことによって半導体装置の熱疲労寿命Ｎｆを大幅に向上させることが可能となる。
【００７１】
本実施例によっても、交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる半導体チップを備えた半導体装置において、半導体チップで発生した熱を支持電極体に効果的に伝熱させて放熱し、半導体素子と電極端子との間に介在させた接合部材に作用する最大温度及び温度変化幅を抑制すると共に、温度変化に対する熱疲労寿命を向上させた半導体装置を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は交流−直流変換器に用いられる半導体装置、特に交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップを備えた温度変化に対する熱疲労寿命の要求が高い自動車用の半導体装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の一実施例である自動車用の半導体装置を示す断面図。
【図２】本発明の他の実施例である交流発電機側と接続した自動車用の半導体装置を示す断面図。
【図３】本発明の別の実施例である交流発電機側と接続した自動車用の半導体装置を示す断面図。
【図４】本発明の更に別の実施例である交流発電機側と接続した自動車用の半導体装置を示す断面図。
【図５】本発明の各実施例の半導体装置に熱疲労寿命試験を実施した場合を模擬した平均寿命サイクルを示す応力解析図。
【符号の説明】
【００７４】
１：半導体チップ、２、４、６、８：接合部材、３：第二の熱応力緩和体、５：リード電極体、７、７ｂ：第一の熱応力緩和体、９：支持電極体、１０：表面絶縁シリコーンゴム、１１：リード線、１２：放熱板。
【技術分野】
【０００１】
本発明は交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる半導体装置に係り、特に交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられ温度変化に対する熱疲労寿命の要求が高い自動車用の半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用の交流−直流変換器に用いられる半導体装置では、交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する直流変換時に、交流−直流変換器を構成する半導体チップに発生した熱を主に放熱板を介して放熱して半導体チップの温度上昇を抑えている。
【０００３】
近年、自動車用の交流発電機の使用動作温度の要求は、従来の使用動作温度の要求値である約１８０℃よりも２０℃も高い温度となっており、このような高温の使用動作温度下で交流−直流変換器に用いられる半導体装置を使用すると半導体装置の熱疲労寿命が比較的少ない熱疲労寿命サイクル数で限界に達してしまう恐れがある。
【０００４】
そこで自動車用の交流−直流変換器に用いられる半導体装置に関しては、特開２００５−３４０２６７号公報には接合組立後の冷却過程や温度サイクル試験における半導体素子の割れを防止し、半導体素子への通電と遮断の繰返しに伴う熱疲労寿命に優れた半導体装置として、半導体素子と両電極端子との間に応力緩和材として熱膨張率が１０ＰＰＭ（１０×１０−６（１／℃））以下のＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕの複合材からなる薄板状低熱膨張部材を接合部材を介して夫々挿入し、この薄板状低熱膨張部材の外形寸法をリード電極端子側では半導体素子の電極面の外形寸法より小さく、ベース電極端子側では半導体素子の電極面の外形寸法より大きく形成した構成の半導体装置の技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３４０２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特開２００５−３４０２６７号公報に記載された構成の自動車用の交流−直流変換器に用いられる半導体装置では、接合部材の熱膨張係数は半導体チップの熱膨張係数とリード電極体及び支持電極体の熱膨張係数との差異が大きく、交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する直流変換時に自己発熱する半導体チップと接合している接合部材に生じる最大温度及び温度変化幅が大きくなるので接合部材の熱疲労寿命が比較的少ない熱疲労寿命サイクル数で限界に達して比較的短期間で半導体装置の熱疲労寿命が尽きてしまうという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる半導体チップを備えた半導体装置において、半導体チップで発生した熱を支持電極体に効果的に伝熱させて放熱し、半導体素子と電極端子との間に介在させた接合部材に作用する最大温度及び温度変化幅を抑制すると共に、温度変化に対する熱疲労寿命を向上させた半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体装置は、半導体チップと、リード電極体及び支持電極体とを有する半導体装置において、半導体チップとリード電極体との間に第二の熱応力緩和体を配設し、この第二の熱応力緩和体と半導体チップ及びリード電極体との間に接合部材を夫々設けて第二の熱応力緩和体をリード電極体に接合し、半導体チップと支持電極体との間に第一の熱応力緩和体を配設し、この第一の熱応力緩和体と半導体チップ及び支持電極体との間に接合部材を夫々設けて第一の熱応力緩和体を支持電極体に接合し、第二の熱応力緩和体は熱膨張係数が半導体チップとリード電極体の各熱膨張係数の間の値の特性を有する材料によって形成し、第一の熱応力緩和体は熱膨張係数が半導体チップと支持電極体の各熱膨張係数の間の値の特性を有し、且つ熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する材料によって形成したことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の半導体装置は、半導体チップと、リード電極体及び支持電極体とを有する半導体装置において、半導体チップとリード電極体との間に接合部材を設けて半導体チップをリード電極体に接合し、半導体チップと支持電極体との間に第一の熱応力緩和体を配設し、この第一の熱応力緩和体と半導体チップ及び支持電極体との間に接合部材を夫々設けて第一の熱応力緩和体を支持電極体に接合し、第一の熱応力緩和体は熱膨張係数が半導体チップと支持電極体の各熱膨張係数の間の値の特性を有し、且つ熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する材料によって形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる半導体チップを備えた半導体装置において、半導体チップで発生した熱を支持電極体に効果的に伝熱させて放熱し、半導体素子と電極端子との間に介在させた接合部材に作用する最大温度及び温度変化幅を抑制すると共に、温度変化に対する熱疲労寿命を向上させた半導体装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に本発明の実施例である交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる半導体装置について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の一実施例である交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる自動車用の半導体装置の構造を示す図面である。
【００１３】
図１において、本実施例の半導体装置は、交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる自動車用の半導体装置であって、この半導体装置の構成は、交流電力を直流電力に変換する半導体チップ１を備えており、この半導体チップ１の上部とリード電極体５との間には、接合部材２によって半導体チップ１と接合され、熱膨張係数が半導体チップ１とリード電極体５の間の３〜９×１０−６（１／℃）の熱膨張係数の特性を有するモリブデン材からなる第二の熱応力緩和体３が配設されている。
【００１４】
この第二の熱応力緩和体３には熱膨張係数が３〜９×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデン材を選定して、半導体チップ１の熱膨張係数３×１０−６／℃と、リード電極体５の熱膨張係数１７．７×１０−６／℃との間の値の熱膨張係数の特性となるように設定したことにより、３相交流を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１の発熱に伴って半導体チップ１とリード電極体５との双方に生じる熱膨張の差を第二の熱応力緩和体３によって緩和している。
【００１５】
更に、半導体チップ１の下部と支持電極体９との間には、接合部材６によって半導体チップ１と接合され、熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の特性の５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する材料からなる第一の熱応力緩和体７が配設されている。
【００１６】
この第一の熱応力緩和体７には熱膨張係数を５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデンと銅比率３５％の複合材料を選定して、半導体チップ１の熱膨張係数３×１０−６／℃と、支持電極体９の熱膨張係数１７．７×１０−６／℃との間の値の熱膨張係数の特性となるように設定したことにより、３相交流を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１の発熱に伴って半導体チップ１とリード電極体５との双方に生じる熱膨張の差を第一の熱応力緩和体７によって緩和している。
【００１７】
更に、この第一の熱応力緩和体７にはモリブデンと銅比率３５％の複合材料を用いることによって、前記した熱膨張係数の特性に加えて熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を備えさせているので、３相交流を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１で生じた熱をこの熱応力緩和体７を通じて熱容量の大きな支持電極体９に効果的に伝熱させて放熱を促進している。
【００１８】
本実施例の半導体装置においては、半導体チップ１の上部に接合部材２を介して配設した第二の熱応力緩和体３の上部とリード電極体５との間には、更に接合部材４を介して第二の熱応力緩和体３と接合されたリード電極体５が配置されており、また、半導体チップ１の下部に接合部材６を介して配設した第一の熱応力緩和体７の下部と支持電極体９との間には、更に接合部材８を介して第一の熱応力緩和体７と接合された支持電極体９が配置されている。
【００１９】
尚、リード電極体５及び支持電極体９は３相交流を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１に電力を通電させるものである。
【００２０】
また、本実施例の半導体装置の支持電極体９には、その中央部に内側が窪んだ形状の凹部９aが形成されており、この支持電極体９の凹部９aの底部に接合部材８を介して第一の熱応力緩和体７を接合することによって、支持電極体９の凹部９aの内部に、丁度、第二の熱応力緩和体３、半導体チップ１、及び第一の熱応力緩和体７が接合部材４、２、６、８を夫々介して順次積層されて収容されるように構成している。
【００２１】
そして、第二の熱応力緩和体３、半導体チップ１、及び第一の熱応力緩和体７を収容した支持電極体９の凹部９aの内部にはシリコーンゴム１０が充填されて、凹部９に収容した第二の熱応力緩和体３、半導体チップ１、及び第一の熱応力緩和体７をシリコーンゴム１０によって封入することにより半導体チップ１の表面を保護している。
【００２２】
接合部材２、４、６、８は、融点温度３００℃程度の半田（Ｐｂ-Ｓｎ系半田や、Ｓｎ−Ｃｕ系半田）を用いており、１５０℃以上の温度条件下で使用される自動車用の半導体装置の熱疲労特性を向上させている。
【００２３】
また、この接合部材２、４、６、８の材料として、上記した組成の半田に代えて他の組成の半田（例えば、Ｓｎ-Ａｇ系、Ｓｎ-Ｚｎ系、Ａｕ-Ｓｎ系の半田）、或いは導電性樹脂などを用いても良い。
この場合の他の組成の半田、或いは導電性樹脂の融点温度は約２３０℃以上のものが望ましい。
【００２４】
ところで、本実施例の半導体装置に用いられる接合部材２、４、６、８として使用される半田に関して、温度変化により発生する半田ひずみΔεｐと熱疲労寿命Ｎｆは、下記の関係式がある。
【００２５】
Ｎｆ＝Ｋ／Δεｐｎ・・・（１）
K、ｎは、半田材料、環境・温度で決まる定数、Δεｐは、半田の塑性ひずみ振幅。
【００２６】
上記（１）式に、熱疲労寿命試験時の、温度振幅で発生する熱膨張係数差によるひずみ、亀裂進展速度に対する周波数や最高温度の影響を考慮して表すと、下記（２）式となる。
【００２７】
Nf＝Ｃ・ｆλ（Ｌ・Δα・ΔＴ／２ｈ）−ｎｅｘｐ（Ｅａ/ｋＴmax）・・・（２）
C、λ、ｎは定数、ｆは温度繰返し周波数、Ｌは半田長さ、Δαは部材の熱膨張差、ΔＴは半田に加わる温度変化幅、ｈは半田厚、Eａは活性化エネルギ、ｋはボルツマン定数、Ｔｍａｘは最大温度。
【００２８】
この（２）式から、半田の熱疲労寿命は、部材の熱膨張差Δα、半田に加わる温度変化幅ΔＴ、最大温度Ｔｍａｘを小さくすれば、向上することが判る。
【００２９】
半導体装置に用いられる接合部材２及び接合部材６の半田は、交流−直流変換器を構成する半導体チップ１の熱膨張係数３×１０−６／℃と、リード電極体５及び支持電極体９の熱膨張係数１７．７×１０−６／℃との差である部材の熱膨張差Δαが１４．７×１０−６／℃と大きく、しかも交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する時に自己発熱する半導体チップ１と接合しているために、最大温度Ｔｍａｘ、及び温度変化幅ΔＴが共に大きくなり、接合部材２及び接合部材６の熱疲労寿命サイクルが約８，５００サイクル程度の比較的低い熱疲労寿命のサイクル数で限界に達するので、このままでは交流−直流変換器を構成する半導体チップを備えた自動車用の半導体装置として長期間の使用に耐えられなくなる。
【００３０】
そこで、本実施例においては、交流−直流変換器を構成する半導体チップ１の下部と支持電極体９との間に配設され、接合部材６及び８を夫々介在させることによって半導体チップ１及び支持電極体９と接合される第一の熱応力緩和体７として、熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有するモリブデンと銅比率３５％の複合材料の第一の熱応力緩和体７を半導体装置に設けることにより、半導体チップ１で発熱して接合部材６及び８に作用する温度変化幅ΔＴ、最大温度Ｔｍａｘを夫々低くしている。
【００３１】
更に、交流−直流変換器を構成する半導体チップ１の発熱で生じた熱量は、モリブデンと銅比率３５％の複合材料を用いて熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性にした第一の熱応力緩和体７を半導体チップ１と支持電極体９との間に配設させたことによって、熱伝導率を向上させた第一の熱応力緩和体７を通じて半導体チップ１で発生した熱を熱容量の大きな支持電極体９に効果的に伝熱して放熱させているので、半導体装置の熱疲労寿命Ｎｆを大幅に向上させることが可能となる。
【００３２】
また、半導体チップ１の上部とリード電極体５との間に配設され、接合部材２及び接合部材４を介して半導体チップ１とリード電極体５とに接合される第二の熱応力緩和体３として、熱膨張係数が半導体チップ１とリード電極体５の間の３〜９×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデン材を用いることにより、半導体チップ１で発熱して第二の熱応力緩和体３の下部及び上部に夫々介在する接合部材２及び接合部材４に作用する半導体チップ１とリード電極体５による熱膨張係数差Δαを小さくしたので、これによっても半導体装置の熱疲労寿命Ｎｆを向上することが可能となる。
【００３３】
また、第一の熱応力緩和体７の材料として、熱伝導率が２１０Ｗ／（ｍ・℃）で、熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の例えば７．７×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデンと銅比率３５％の複合材料を用いれば、銅／Ｆｅ−Ｎｉ合金／銅の複合材を用いた第一の熱応力緩和体７に比較して、半導体チップ１で発熱して接合部材６及び接合部材８に作用する温度変化幅ΔＴ、及び最大温度Ｔｍａｘを共に１４℃程度低くすることが出来る。
【００３４】
図５は第二の熱応力緩和体３及び又は第一の熱応力緩和体７に夫々各種の材料を用いた交流−直流変換器を構成する半導体チップ１を備えた半導体装置に対して熱疲労寿命試験を実施した場合を模擬した半導体装置の平均寿命サイクルを示す応力解析データを示す図面である。
【００３５】
図５において、Ａ０は交流−直流変換器を構成する半導体チップ１と支持電極体９との間に銅／Ｆｅ−Ｎｉ合金／銅の複合材を用いた熱応力緩和体のみを設置した従来製品と同じ構成の半導体装置に対して熱疲労寿命試験を実施した場合の解析結果であり、半導体装置の平均寿命サイクルが約８，５００サイクルに留まっているデータを示す。
【００３６】
これに対して図５のＡ１は交流−直流変換器を構成する半導体チップ１と支持電極体９との間に、熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の特性の５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有するモリブデンと銅比率３５％の複合材を用いた第一の熱応力緩和体７のみを設置した図３に示す実施例の構成の半導体装置に対して熱疲労寿命試験を実施した場合の解析結果で平均寿命サイクルが約１１，０００サイクルのデータを示す。
【００３７】
Ａ１の実施例の半導体装置における平均寿命サイクルはＡ０の半導体装置のものと比較して約１．３倍も平均寿命サイクルが向上している。
【００３８】
また、図５のＡ２は交流−直流変換器を構成する半導体チップ１と半導体チップ１と支持電極体９との間に、熱膨張係数が半導体チップ１とリード電極体５の間の３〜９×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデン材料を用いた第二の熱応力緩和体３を設置し、更に半導体チップ１と支持電極体９との間に、熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の特性の５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する銅／Ｆｅ−Ｎｉ合金／銅の複合材の第一の熱応力緩和体７を設置した図４に示す実施例の半導体装置に対して熱疲労寿命試験を実施した場合の解析結果で平均寿命サイクルが約１３，０００サイクルのデータを示す。
【００３９】
Ａ２の実施例の半導体装置における平均寿命サイクルはＡ０の半導体装置のものと比較して約１．５倍も平均寿命サイクルが向上している。
【００４０】
また、図５のＡ３は交流−直流変換器を構成する半導体チップ１と半導体チップ１とリード電極体５との間に、熱膨張係数が半導体チップ１とリード電極体５の間の３〜９×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデン材料を用いた第二の熱応力緩和体３を設置し、更に、半導体チップ１と支持電極体９との間に、熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の特性の５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有するモリブデンと銅比率３５％の複合材の第一の熱応力緩和体７を設置した図１に示す実施例の半導体装置に対して熱疲労寿命試験を実施した場合の解析結果で平均寿命サイクルが約２０，０００サイクルのデータを示す。
【００４１】
Ａ３の実施例の半導体装置における平均寿命サイクルはＡ０の半導体装置のものと比較して約２．３倍も平均寿命サイクルが向上している。
【００４２】
図５に示す本発明の各実施例の半導体装置に対する熱疲労試験を模擬した応力解析の結果から、第二の熱応力緩和体３に、熱膨張係数が３〜９×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデン材を用いることにより、半導体装置の熱疲労寿命が向上することがわかった。
【００４３】
また、第一の熱応力緩和体７に、熱膨張係数が５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有するモリブデン、モリブデンと銅の複合材料（銅比：１０％〜８０％）、又は銅／Ｆｅ−Ｎｉ合金／銅の複合材を用いることで、半導体装置の熱疲労寿命が向上することがわかった。
【００４４】
図５に示した交流−直流変換器を構成する半導体チップ１を備えた半導体装置に対する熱疲労寿命試験の結果から、本発明の各本実施例の半導体装置における熱疲労寿命サイクルは、従来製品の約８，５００サイクルの場合に比べて、Ａ１、Ａ２、Ａ３に示した各実験例における半導体装置の熱疲労寿命サイクルは、約１１，０００サイクル、約１３，０００サイクル、約２０，０００サイクルと夫々大幅に延長しており、従来比で約１．３倍から約２．３倍の寿命向上が図れていることが示されている。
【００４５】
以上の説明から明らかなように、上記した本実施例によれば、交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる半導体チップを備えた半導体装置において、半導体チップで発生した熱を支持電極体に効果的に伝熱させて放熱し、半導体素子と電極端子との間に介在させた接合部材に作用する最大温度及び温度変化幅を抑制すると共に、温度変化に対する熱疲労寿命を向上させた半導体装置を実現することができる。
【実施例２】
【００４６】
図２は、本発明の他の実施例である交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１を備えた自動車用の半導体装置の構造を示す図面である。
【００４７】
図２に示す本実施例の半導体装置は、具体的には電源、例えば自動車の交流発電機（オルタネータ）側と接続した自動車用の半導体装置であるが、半導体装置の構造は図１に示した先の実施例の半導体装置の構造と基本的には同一であるので、共通する構成についての説明は省略し、相違する部分についてのみ説明する。
【００４８】
図２において、本実施例の半導体装置では、交流−直流変換器に用いられる半導体チップ１に電力を通電させるリード線１１をリード電極体５と接続し、放熱板１２を支持電極体９に接続した構成の半導体装置であり、その他の半導体装置の構造は熱応力緩和体として第二の熱応力緩和体３及び第一の熱応力緩和体７の双方を備えた構造の図１に示した実施例の半導体装置と同一の構成のものである。
【００４９】
上記した構成の本実施例の半導体装置によれば、３相交流を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１の発熱に伴って半導体チップ１とリード電極体５との双方に生じる熱膨張の差を熱膨張係数が半導体チップ１とリード電極体５の間の３〜９×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデン材料を用いた第二の熱応力緩和体３を設置することによって、半導体チップ１で発熱して接合部材２及び４に作用する温度変化幅ΔＴ、最大温度Ｔｍａｘを夫々低くなるように緩和している。
【００５０】
更に、半導体チップ１と支持電極体９との間に、熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の５〜１１×１０−６（１／℃）の熱膨張係数の特性を有する第一の熱応力緩和体７を設置することによって、半導体チップ１で発熱して接合部材６及び８に作用する温度変化幅ΔＴ、最大温度Ｔｍａｘを夫々低くなるように緩和している。
【００５１】
しかも、交流−直流変換器を構成する半導体チップ１で生じた熱は、５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の伝導率の特性を有する熱応力緩和体７を通じて熱容量の大きな支持電極体９に効果的に伝熱させて放熱を促進している。
【００５２】
よって前記した熱膨張係数及び伝導率の特性を有する熱応力緩和体７を半導体装置に設置させたことによって半導体装置の熱疲労寿命Ｎｆを大幅に向上させることが可能となる。
【００５３】
本実施例によっても、交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる半導体チップを備えた半導体装置において、半導体チップで発生した熱を支持電極体に効果的に伝熱させて放熱し、半導体素子と電極端子との間に介在させた接合部材に作用する最大温度及び温度変化幅を抑制すると共に、温度変化に対する熱疲労寿命を向上させた半導体装置を実現することができる。
【実施例３】
【００５４】
図３は、本発明の別の実施例である交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１を備えた自動車用の半導体装置の構造を示す図面である。
【００５５】
図３に示す本実施例の半導体装置の構造は、図１に示した先の実施例の半導体装置の構造と基本的には同一であるので、共通する構成についての説明は省略し相違する部分についてのみ説明する。
【００５６】
図３において、本実施例の半導体装置は熱応力緩和体として第一の熱応力緩和体７のみを備えて、第二の熱応力緩和体３を備えていない構成の半導体装置であり、その他の構造は図１に示した半導体装置と同一の構成のものである。
【００５７】
即ち、半導体チップ１は接合部材２によってリード電極体５に接続されていて、半導体チップ１とリード電極体５との間には熱応力緩和体は設置されていず、半導体チップ１と支持電極体９との間にのみ、接合部材６及び８を介して熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有するモリブデンと銅比率３５％の複合材を用いた第一の熱応力緩和体７を設置している。
【００５８】
上記した構成の本実施例の半導体装置によれば、３相交流を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１の発熱に伴って半導体チップ１と支持電極体９との双方に生じる熱膨張の差を半導体チップ１と支持電極体９の間の５〜１１×１０−６（１／℃）の熱膨張係数の特性を有する第一の熱応力緩和体７を設置することによって、半導体チップ１で発熱して接合部材６及び８に作用する温度変化幅ΔＴ、最大温度Ｔｍａｘを夫々低くなるように緩和している。
【００５９】
更に、交流−直流変換器を構成する半導体チップ１で生じた熱を５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の伝導率の特性を有する熱応力緩和体７を通じて熱容量の大きな支持電極体９に効果的に伝熱させて放熱を促進している。
【００６０】
よって前記した熱膨張係数及び伝導率の特性を有する熱応力緩和体７を半導体装置に設置させたことによって半導体装置の熱疲労寿命Ｎｆを大幅に向上させることが可能となる。
【００６１】
本実施例によっても、交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる半導体チップを備えた半導体装置において、半導体チップで発生した熱を支持電極体に効果的に伝熱させて放熱し、半導体素子と電極端子との間に介在させた接合部材に作用する最大温度及び温度変化幅を抑制すると共に、温度変化に対する熱疲労寿命を向上させた半導体装置を実現することができる。
【実施例４】
【００６２】
図４は、本発明の更に別の実施例である交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１を備えた自動車用の半導体装置の構造を示す図面である。
【００６３】
図３に示す本実施例の半導体装置の構造は、図１に示した先の実施例の半導体装置の構造と基本的には同一であるので、共通する構成についての説明は省略し相違する部分についてのみ説明する。
【００６４】
図４において、本実施例の半導体装置は、熱応力緩和体として第二の熱応力緩和体３及び銅／Ｆｅ−Ｎｉ合金／銅のクラッド材で形成された第一の熱応力緩和体７ｂを備えた構成の半導体装置であり、その他の構造は図１に示した半導体装置と同一のものである。
【００６５】
即ち、本実施例の半導体装置は交流−直流変換器を構成する半導体チップ１の発熱に伴って半導体チップ１とリード電極体５との双方に生じる熱膨張の差を熱膨張係数が半導体チップ１とリード電極体５の間の３〜９×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデン材料を用いた第二の熱応力緩和体３を設置することによって、半導体チップ１で発熱して接合部材２及び４に作用する温度変化幅ΔＴ、最大温度Ｔｍａｘを夫々低くなるように緩和している。
【００６６】
更に、半導体チップ１と支持電極体９との間に、熱膨張係数が半導体チップ１と支持電極体９の間の５〜１１×１０−６（１／℃）の熱膨張係数の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する銅／Ｆｅ−Ｎｉ合金／銅の複合材を用いた第一の熱応力緩和体７を設置している。
【００６７】
この第一の熱応力緩和体７は、使用されている銅／Ｆｅ−Ｎｉ合金／銅の複合材の各金属の厚さ比を変えることにより、熱膨張係数を５〜１１×１０−６（１／℃）の間の所望の特性値、並びに伝導率を５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の間の所望の特性値に設定することが可能である。
【００６８】
半導体チップ１と支持電極体９との間に５〜１１×１０−６（１／℃）の熱膨張係数の特性を有する第一の熱応力緩和体７を設置することによって、半導体チップ１で発熱して接合部材６及び８に作用する温度変化幅ΔＴ、最大温度Ｔｍａｘを夫々低くなるように緩和している。
【００６９】
更に、この第一の熱応力緩和体７は前記した熱膨張係数の特性に加えて熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を備えさせているので、３相交流を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップ１で生じた熱をこの熱応力緩和体７を通じて熱容量の大きな支持電極体９に効果的に伝熱させて放熱を促進している。
【００７０】
よって前記した熱膨張係数及び伝導率の特性を有する熱応力緩和体７を半導体装置に設置させたことによって半導体装置の熱疲労寿命Ｎｆを大幅に向上させることが可能となる。
【００７１】
本実施例によっても、交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器に用いられる半導体チップを備えた半導体装置において、半導体チップで発生した熱を支持電極体に効果的に伝熱させて放熱し、半導体素子と電極端子との間に介在させた接合部材に作用する最大温度及び温度変化幅を抑制すると共に、温度変化に対する熱疲労寿命を向上させた半導体装置を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は交流−直流変換器に用いられる半導体装置、特に交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器を構成する半導体チップを備えた温度変化に対する熱疲労寿命の要求が高い自動車用の半導体装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の一実施例である自動車用の半導体装置を示す断面図。
【図２】本発明の他の実施例である交流発電機側と接続した自動車用の半導体装置を示す断面図。
【図３】本発明の別の実施例である交流発電機側と接続した自動車用の半導体装置を示す断面図。
【図４】本発明の更に別の実施例である交流発電機側と接続した自動車用の半導体装置を示す断面図。
【図５】本発明の各実施例の半導体装置に熱疲労寿命試験を実施した場合を模擬した平均寿命サイクルを示す応力解析図。
【符号の説明】
【００７４】
１：半導体チップ、２、４、６、８：接合部材、３：第二の熱応力緩和体、５：リード電極体、７、７ｂ：第一の熱応力緩和体、９：支持電極体、１０：表面絶縁シリコーンゴム、１１：リード線、１２：放熱板。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、リード電極体及び支持電極体とを有する半導体装置において、半導体チップとリード電極体との間に第二の熱応力緩和体を配設し、この第二の熱応力緩和体と半導体チップ及びリード電極体との間に接合部材を夫々設けて第二の熱応力緩和体をリード電極体に接合し、半導体チップと支持電極体との間に第一の熱応力緩和体を配設し、この第一の熱応力緩和体と半導体チップ及び支持電極体との間に接合部材を夫々設けて第一の熱応力緩和体を支持電極体に接合し、第二の熱応力緩和体は熱膨張係数が半導体チップとリード電極体の各熱膨張係数の間の値の特性を有する材料によって形成し、第一の熱応力緩和体は熱膨張係数が半導体チップと支持電極体の各熱膨張係数の間の値の特性を有し、且つ熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する材料によって形成していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体チップと、リード電極体及び支持電極体とを有する半導体装置において、半導体チップとリード電極体との間に接合部材を設けて半導体チップをリード電極体に接合し、半導体チップと支持電極体との間に第一の熱応力緩和体を配設し、この第一の熱応力緩和体と半導体チップ及び支持電極体との間に接合部材を夫々設けて第一の熱応力緩和体を支持電極体に接合し、第一の熱応力緩和体は熱膨張係数が半導体チップと支持電極体の各熱膨張係数の間の値の特性を有し、且つ熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する材料によって形成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又は請求項２に記載の半導体装置において、第一の熱応力緩和体は、熱膨張係数が５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有するモリブデン材料、又はモリブデンと銅の複合材料によって形成さ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又は請求項２に記載の半導体装置において、第一の熱応力緩和体は、熱膨張係数が５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する銅／鉄とニッケルの合金／銅からなる複合材料によって形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体装置において、第二の熱応力緩和体は、熱膨張係数が３〜９×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデン材料によって形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１、請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置において、支持電極体には凹部が形成されており、支持電極体に形成したこの凹部の内部に半導体チップと、この半導体チップの上部及び下部に夫々配設した第二の熱応力緩和体及び第一の熱応力緩和体とを収容すると共に、この凹部に樹脂が充填されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項２に記載の半導体装置において、支持電極体には凹部が形成されており、支持電極体に形成したこの凹部の内部に半導体チップと、この半導体チップの下部に配設した第一の熱応力緩和体とを収容すると共に、この凹部に樹脂が充填されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１又は請求項２に記載の半導体装置において、リード電極体はリード線に接合されており、支持電極体は放熱板に接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の半導体装置において、半導体装置は交流電力を直流電力に変換する直流変換用に用いられるものであることを特徴とする半導体装置。
【請求項１】
半導体チップと、リード電極体及び支持電極体とを有する半導体装置において、半導体チップとリード電極体との間に第二の熱応力緩和体を配設し、この第二の熱応力緩和体と半導体チップ及びリード電極体との間に接合部材を夫々設けて第二の熱応力緩和体をリード電極体に接合し、半導体チップと支持電極体との間に第一の熱応力緩和体を配設し、この第一の熱応力緩和体と半導体チップ及び支持電極体との間に接合部材を夫々設けて第一の熱応力緩和体を支持電極体に接合し、第二の熱応力緩和体は熱膨張係数が半導体チップとリード電極体の各熱膨張係数の間の値の特性を有する材料によって形成し、第一の熱応力緩和体は熱膨張係数が半導体チップと支持電極体の各熱膨張係数の間の値の特性を有し、且つ熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する材料によって形成していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体チップと、リード電極体及び支持電極体とを有する半導体装置において、半導体チップとリード電極体との間に接合部材を設けて半導体チップをリード電極体に接合し、半導体チップと支持電極体との間に第一の熱応力緩和体を配設し、この第一の熱応力緩和体と半導体チップ及び支持電極体との間に接合部材を夫々設けて第一の熱応力緩和体を支持電極体に接合し、第一の熱応力緩和体は熱膨張係数が半導体チップと支持電極体の各熱膨張係数の間の値の特性を有し、且つ熱伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する材料によって形成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又は請求項２に記載の半導体装置において、第一の熱応力緩和体は、熱膨張係数が５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有するモリブデン材料、又はモリブデンと銅の複合材料によって形成さ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又は請求項２に記載の半導体装置において、第一の熱応力緩和体は、熱膨張係数が５〜１１×１０−６（１／℃）の特性を有し、且つ伝導率が５０〜３００Ｗ／（ｍ・℃）の特性を有する銅／鉄とニッケルの合金／銅からなる複合材料によって形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体装置において、第二の熱応力緩和体は、熱膨張係数が３〜９×１０−６（１／℃）の特性を有するモリブデン材料によって形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１、請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置において、支持電極体には凹部が形成されており、支持電極体に形成したこの凹部の内部に半導体チップと、この半導体チップの上部及び下部に夫々配設した第二の熱応力緩和体及び第一の熱応力緩和体とを収容すると共に、この凹部に樹脂が充填されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項２に記載の半導体装置において、支持電極体には凹部が形成されており、支持電極体に形成したこの凹部の内部に半導体チップと、この半導体チップの下部に配設した第一の熱応力緩和体とを収容すると共に、この凹部に樹脂が充填されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１又は請求項２に記載の半導体装置において、リード電極体はリード線に接合されており、支持電極体は放熱板に接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の半導体装置において、半導体装置は交流電力を直流電力に変換する直流変換用に用いられるものであることを特徴とする半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−４２０８４（Ｐ２００８−４２０８４Ａ）
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１７２０７（Ｐ２００６−２１７２０７）
【出願日】平成１８年８月９日（２００６．８．９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（０００２３３２７３）日立原町電子工業株式会社 (15)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月９日（２００６．８．９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（０００２３３２７３）日立原町電子工業株式会社 (15)
【Ｆターム（参考）】
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