JP2008147469A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
ダイオード用半導体装置の接合材には、導電性，熱伝導性，接続強度，耐熱疲労性および降伏応力・硬度が低いことが要求される。これら全ての特性を有する鉛非含有の接合材料は存在しない。
【解決手段】
Ｓｉチップ１と応力緩衝板２，３の間の接合材４，５には耐熱疲労性がやや劣るが耐熱性に優れるＡｇナノペーストを用い、応力緩衝板２，３と電極６，７の間の接合材８，９には耐熱性がやや劣るが耐熱疲労性に優れるＳｎ−Ｃｕ系はんだを用いる。
【効果】
接合材の場所に適した材料を用いることで、使用時の高温環境においても十分な性能，接続強度および耐熱疲労性を確保し、かつ、熱応力によりＳｉチップに破損を生じることのない鉛非含有の半導体装置が実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置、特に自動車等のオルタネータに用いられるダイオードに関する。

自動車用オルタネータは、エンジンによって得られた回転力から発電してバッテリーに給電する３相交流式の発電機であり、オルタネータダイオードは、発電機によって得られた３相交流を、バッテリーに供給するために直流に整流する機能を持っている。オルタネータダイオードは、整流機能を持つＳｉチップと、通電機能を持つリード電極及びベース電極と、これらを接合するはんだからなり、ベース電極の内側にシリコーンゴムなどの樹脂を充填した構造である。

オルタネータ動作時には、オルタネータダイオードには大電流が流れるため、損失によりＳｉチップが発熱し、Ｓｉチップと、周辺のはんだ，リード電極及びベース電極は最高で２００℃以上の高温になる。オルタネータが停止すると電流も停止し、オルタネータダイオードは周囲環境温度まで冷却される。オルタネータは長期にわたって動作と停止を繰り返すため、オルタネータダイオードは加熱による膨張と冷却による収縮を繰り返す。このとき、Ｓｉチップとリード電極，ベース電極の線膨張係数が異なるため熱変形量に差が生じることから、これらを接合するはんだには熱応力が発生し、この熱応力が原因ではんだが疲労破壊する恐れがある。

このため、例えば特許文献１に示すような、Ｓｉチップとリード電極の間、Ｓｉチップとベース電極の間に、線膨張係数がＳｉの線膨張係数より大きく、かつ、リード電極，ベース電極材料の線膨張係数よりも小さい材料からなる応力緩衝板を設けたダイオードが提案されている。

特開昭５６−５０５４２号公報

近年、鉛が環境に及ぼす影響が明らかになるにつれて、電子部品への鉛の使用が規制される傾向が強まっており、２００６年７月には欧州でＲｏＨＳ規定が施行された。この
ＲｏＨＳ規定に対応し、電子部品から鉛を排除するために、これまでにＳｎ−Ａｇ系，
Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ等、多種多様な鉛非含有のはんだが開発されてきた。

しかし、オルタネータダイオードにおいては、その温度は２００℃以上の高温に達することもある。このため、接合材として融点が低いはんだは使用できない。さらに、オルタネータダイオードの特性，信頼性を確保するために、その接合材には、導電性，熱伝導性，接続強度，耐熱疲労性および低い降伏応力・硬度が要求される。しかし、これらの要求される全ての特性を十分に兼ね備えた鉛非含有のはんだは見つかっていない。

本発明は前記のような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、接続材として鉛非含有の材料を使用し、かつ、使用時の高温環境においても十分な性能，接続強度および耐熱疲労性を確保し、かつ、熱応力によりＳｉチップに破損を生じることのない半導体装置を提供することである。

本発明では、前記目的を達成するために、Ｓｉチップ上下の接合材に比べ、上側応力緩衝板の上側の接合材および下側応力緩衝板の下側の接合材の方が、使用時の温度で２０℃程度低いことに着目した。Ｓｉチップの上下に応力緩衝板を設けた半導体装置構成とし、Ｓｉチップ上下の接合材には、融点が２００℃以上である銀のナノ粒子と有機材料の混合材の接合材を用い、上側応力緩衝板の上側の接合材および下側応力緩衝板の下側の接合材には、１８０℃程度あれば十分な接続強度および耐熱疲労性を有するＳｎとＣｕからなる合金の一部ないし全部からなる接合材を用いる。一方で、応力緩衝板には、線膨張係数がリード電極やベース電極の線膨張係数よりもＳｉチップの線膨張係数に近いものを用いる。これによって、Ｓｉチップ・応力緩衝板間の線膨張係数は、比較的小さくなるので、降伏応力や硬度が比較的高い銀のナノ粒子と有機材料の混合材の接合材でも対応することができる。また、応力緩衝板・リード電極ベース電極間の線膨張係数は、比較的大きくなるが、ここを接合するＳｎ−Ｃｕ系はんだは、十分な接続強度を有している。

本発明によれば、接続材として鉛非含有の材料を使用し、かつ、使用時の熱応力によりＳｉチップに破損を生じず、かつ、十分な接続強度および耐熱疲労性を確保した半導体装置を得ることができる。

以下本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１は本発明の実施例による半導体装置の断面を表す。本実施例では、Ｓｉチップ１の上下に応力緩衝板２，３を設け、Ｓｉチップと応力緩衝板の間を厚さ０.０５mm の接合材４，接合材５で接合している。また、応力緩衝板２，３の上下にはＣｕリード電極６及びＣｕベース電極７を設け、応力緩衝板２とリード電極６の間、及び応力緩衝板３とベース電極７の間を厚さ０.２mm の接合材８，接合材９で接合している。また、ベース電極の内側は封止樹脂１０で封止している。接合材４，５には銀のナノ粒子と有機材料の混合材を用いており、かつ、接合材８，９にはＳｎ−Ｃｕ系はんだを用いている。応力緩衝板２，３は、その線膨張係数がＳｉチップ（３×１０^-6／℃）に近いものが好ましく、ここではＭｏ（モリブデン，線膨張係数４.９×１０^-6／℃ ）を用いている。他にＷ（タングステン，線膨張係数４.５×１０^-6／℃ ），Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金（通称４２アロイ，線膨張係数５×１０^-6／℃），ＣＩＣ（Ｃｕ−Invar−Ｃｕの積層材，Invar（Ｆｅ−Ｎｉ合金）線膨張係数２.８×１０^-6／℃，Ｃｕ線膨張係数１６.５×１０^-6／℃），Ｃｕ−Ｍｏ合金，Ｃｕ−Ｍｏ焼結体（等価線膨張係数７.３×１０^-6／℃） 等を用いても同様の効果を得る事ができる。

ここで、本発明が上記の接合部材を用いる理由を説明する。近年、鉛が環境に及ぼす影響が明らかになるにつれて、電子部品への鉛の使用が規制される傾向が強まっており、
２００６年７月には欧州でＲｏＨＳ規定が施行された。このＲｏＨＳ規定に対応し、電子部品から鉛を排除するために、これまでにＳｎ−Ａｇ系，Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ等、多種多様な鉛非含有のはんだが開発されてきた。

これらの鉛非含有のはんだは、比較的低温で用いられる弱電機器用のはんだとしては有効である。しかし、オルタネータダイオードにおいては、大電流を流すために発熱量が大きいこと、自動車のエンジン近くに取り付けられるため周囲環境温度が高いことから、その温度は２００℃以上に達することもある。このため、融点が低いＳｎ−Ａｇ系，Ｓｎ−Ｂｉ系等の鉛非含有のはんだは使用できず、従来はＰｂ−５Ｓｎ等の高融点はんだを用いてきた。つまり、オルタネータダイオードの接合材には、融点が少なくとも２００℃以上であることが要求される。
さらに、オルタネータダイオードの特性，信頼性を確保するために、その接合材には、導電性，熱伝導性，接続強度，耐熱疲労性および降伏応力・硬度が低いことが要求される。

一般的に、亜鉛，銀などの融点が高い鉛非含有のはんだは、降伏応力や硬度が高く、マウント時や使用時の熱応力によりＳｉチップに破損が生じる恐れがある。Ｂｉ−Ａｇ系はんだのように融点が高く、降伏応力や硬度が低い鉛非含有のはんだも存在するが、低温での接続強度に難があるなど、要求される全ての特性を十分に兼ね備えた高融点で鉛非含有のはんだは見つかっていない。そのため、鉛非含有のオルタネータダイオードは実用化されていない。

図２に、鉛非含有のオルタネータダイオードの実現にあたり、接合材に要求される仕様と各材料の特性の関係を示す。どの接合材料も何れかの項目が適合しておらず、現在知られている単一材料では鉛非含有の前記半導体装置は実現できないことが分かる。

次に、前記半導体装置における接合材の位置によって要求される仕様を分けて考える。図３にＳｉチップ上下の接合材に要求される仕様と各材料の特性の関係を、図４に上側応力緩衝板の上側の接合材および下側応力緩衝板の下側の接合材に要求される仕様と各材料の特性の関係を示す。

図３においては、図２と比べて、耐熱疲労性と電極からの力を緩和の項目が削除されている。Ｓｉチップ１上下の接合材４，５は、Ｓｉチップ１と応力緩衝板２，３に挟まれており、Ｓｉチップ１と応力緩衝板２，３との線膨張係数差は応力緩衝板２，３と電極６，７との線膨張係数差よりも小さくしており、大きな熱応力がかからないため、耐熱疲労性の項目は不要となる。また、電極６，７と直に接していないため、電極６，７からの力を緩和の項目も不要となる。よって、銀のナノ粒子と有機材料の混合材であるＡｇナノペーストから形成した接合材は全項目で適合することとなる。

図４においては、図２と比べて耐熱性が２００℃から１８０℃へ低温化し、Ｓｉチップ割れ防止の項目が削除されている。上側応力緩衝板２の上側の接合材８および下側応力緩衝板３の下側の接合材９は、Ｓｉチップ１から離れているため、使用時の温度が比較的低くなり、要求される耐熱性も低くなる。Ｓｎ−Ｃｕ系はんだは１８０℃に対する耐熱性は有しており、結果、耐熱性の項目で適合となる。また、Ｓｉチップ１と直に接していないため、Ｓｉチップ割れ防止の項目も不要となる。よって、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだは全項目で適合することとなる。

図３，図４より、Ｓｉチップ上下の接合材には銀のナノ粒子と有機材料の混合材が、上側応力緩衝板の上側の接合材および下側応力緩衝板の下側の接合材にはＳｎ−Ｃｕ系はんだが適していることが分かる。

ここで銀のナノ粒子と有機材料の混合材とは、例えば銀ナノ粒子の表面を有機物の保護層で被覆した独立分散ナノ粒子であり、加熱することで有機物が除去され、銀粒子が結合し接合材の役割を果たす。このため、接合温度は有機物が除去される３００℃付近であるのに対し、接合後の溶融温度は銀の融点と同じ９００℃以上となる特性を持っている。つまり、銀のナノ粒子と有機材料の混合材による接合は、銀はんだと同様の高い耐熱性を確保でき、さらにマウント温度が低いことにより、Ｓｉチップと応力緩衝板を接合する際のＳｉチップの熱応力を小さくできる効果も有している。

本発明の一実施形態になる半導体装置を示す断面図である。 鉛非含有のオルタネータダイオードの実現にあたり、接合材に要求される仕様と各材料の特性の関係を示す図である。 本発明の一実施形態においてＳｉチップ上接合材４およびＳｉチップ下接合材５に要求される仕様と各材料の特性の関係を示す図である。 本発明の一実施形態において応力緩衝板上接合材８および応力緩衝板下接合材９に要求される仕様と各材料の特性の関係を示す図である。

符号の説明

１ Ｓｉチップ
２ Ｓｉチップ上側の応力緩衝板
３ Ｓｉチップ下側の応力緩衝板
４ Ｓｉチップ上側接合材
５ Ｓｉチップ下側接合材
６ リード電極
７ ベース電極
８ 応力緩衝板上接合材
９ 応力緩衝板下接合材
１０ 封止樹脂

Claims (3)

1. 整流機能を有する半導体チップと、
   前記半導体チップの上に第一の接合材を介して接合された上側応力緩衝板と、
   前記上側応力緩衝板の上に第二の接合材を介して接合されたリード電極と、
   前記半導体チップの下に第三の接合材を介して接合された下側応力緩衝板と、
   前記下側緩衝板の下に第四の接合材を介して接合されたベース電極とを備え、
   前記第一の接合材及び前記第三の接合材は、前記第二の接合材及び前記第四の接合材とは、材料が異なっていることを特徴とする半導体装置。
2. 整流機能を有する半導体チップと、
   前記半導体チップの上に第一の接合材を介して接合された上側応力緩衝板と、
   前記上側応力緩衝板の上に第二の接合材を介して接合されたリード電極と、
   前記半導体チップの下に第三の接合材を介して接合された下側応力緩衝板と、
   前記下側緩衝板の下に第四の接合材を介して接合されたベース電極とを備え、
   前記半導体チップと前記上側応力緩衝板との線膨張係数の差は、前記上側応力緩衝板と前記リード電極との線膨張係数の差よりも小さく、
   前記半導体チップと前記下側応力緩衝板との線膨張係数の差は、前記下側応力緩衝板と前記ベース電極との線膨張係数の差よりも小さく、
   前記第一の接合材及び前記第三の接合材は、銀ナノペーストから形成した接合材であり、前記第二の接合材及び前記第四の接合材は、Ｓｎ−Ｃｕ系であることを特徴とする半導体装置。
3. 前記上側応力緩衝板及び前記下側応力緩衝板が、Ｍｏ，Ｗ，Ｆｅ−Ｎｉ合金，Ｆｅ−
   Ｎｉ合金とＣｕからなる積層板、またはＭｏとＣｕからなる合金あるいは焼結体であることを特徴とする請求項２項に記載の半導体装置。

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