WO2025027845A1 - Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Definitions
- This disclosure relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.
- Patent Document 1 discloses a semiconductor device including a plurality of wiring layers (corresponding to a front surface pattern), an insulating substrate (corresponding to an insulating layer) to which the first rear surfaces of the plurality of wiring layers are bonded, a plurality of heat dissipation layers (corresponding to a rear surface pattern) whose second main surface is bonded to the insulating substrate, a semiconductor element bonded to any of the first main surfaces of the plurality of wiring layers, and a sealing resin that covers the insulating substrate, the plurality of wiring layers, and the semiconductor element.
- the plurality of wiring layers bonded to the front surface of the insulating substrate and the plurality of heat dissipation layers bonded to the rear surface of the insulating substrate so as to overlap when viewed in the thickness direction of the insulating substrate, the difference in the amount of expansion and contraction between the front surface side and the rear surface side of the insulating substrate due to temperature changes is reduced, thereby suppressing warping that occurs in the insulating substrate.
- Patent Document 1 does not take into consideration the warping of the product that occurs after transfer molding.
- the slits that divide the insulating substrate into multiple wiring layers on the front side and the slits that divide the insulating substrate into multiple heat dissipation layers on the back side are in the same position when viewed from the thickness direction of the insulating substrate, which causes the entire substrate including the multiple wiring layers and multiple heat dissipation layers to bend and crack easily.
- the present disclosure therefore aims to provide a technology that can prevent the insulating substrate from cracking even if the product warps after transfer molding.
- the semiconductor device comprises an insulating substrate having an insulating layer, a surface pattern formed on the surface of the insulating layer, and a back surface pattern formed on the back surface of the insulating layer, a semiconductor element mounted on the surface pattern, and a sealing resin that seals the insulating substrate and the semiconductor element while exposing a surface of the back surface pattern opposite to a surface facing the insulating layer, the back surface pattern is soldered to a heat sink, the surface of the back surface pattern that is joined to the heat sink is located at the same height as the surface of the sealing resin that faces the heat sink, the front surface pattern is provided with a first slit for dividing the front surface pattern into a plurality of regions, and the back surface pattern is provided with a second slit for dividing the back surface pattern into a plurality of regions, and the first slit and the second slit do not overlap or only partially overlap when viewed from the thickness direction of the insulating substrate.
- the overlapping portion between the first slit on the front side of the insulating substrate and the second slit on the back side is reduced, so that even if the product warps after transfer molding, cracking of the insulating substrate can be suppressed.
- 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to an embodiment; 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment.
- 4A to 4C are cross-sectional views showing a die bonding step in the embodiment.
- 5A to 5C are cross-sectional views showing a lead bonding process in the embodiment.
- 4A to 4C are cross-sectional views showing a wire bonding step in the embodiment.
- 4A to 4C are cross-sectional views showing a molding process in the embodiment.
- 4A to 4C are cross-sectional views showing a solder mounting process in the embodiment.
- FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device for explaining the occurrence of solder voids in an embodiment
- 2 is a bottom view illustrating an example of an insulating substrate included in the semiconductor device according to the embodiment
- FIG. 11 is a bottom view showing another example of an insulating substrate included in the semiconductor device according to the embodiment.
- FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the periphery of a second slit provided in a back surface pattern of the semiconductor device according to the embodiment
- 13 is an enlarged cross-sectional view of the periphery of a second slit provided in a back surface pattern of a semiconductor device according to a modified example of the embodiment
- FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device for explaining the occurrence of solder voids in a related art.
- the semiconductor device includes an insulating substrate 1, a plurality of semiconductor elements 2, a plurality of lead frames 3, and a molded resin 5 as a sealing resin.
- the insulating substrate 1 includes an insulating layer 1a, a surface pattern 1b, and a back pattern 1c.
- the insulating layer 1a is made of ceramics.
- the surface pattern 1b is made of a metal such as copper or aluminum, and is formed on the surface of the insulating layer 1a.
- the surface pattern 1b is provided with a first slit 6 for dividing the surface pattern 1b into a plurality of regions.
- the back pattern 1c is made of a metal such as copper or aluminum, and is formed on the back surface of the insulating layer 1a.
- the back pattern 1c is provided with a second slit 7 for dividing the back pattern 1c into a plurality of regions.
- the second slit 7 is provided in a lattice shape when viewed from the thickness direction of the insulating substrate 1.
- the second slit 7 is also provided so as to surround the periphery of the semiconductor element 2 when viewed from the thickness direction of the insulating substrate 1.
- the multiple semiconductor elements 2 are mounted on the surface pattern 1b via solder 4.
- the multiple semiconductor elements 2 are elements that function as, for example, switching elements or rectifying elements.
- the switching elements are, for example, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) or MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors).
- the rectifying elements are diode elements.
- the material constituting the multiple semiconductor elements 2 is, for example, silicon (Si).
- the material constituting the multiple semiconductor elements 2 is not limited to silicon, and may be, for example, a wide bandgap semiconductor material such as silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), or diamond (C).
- a wide bandgap semiconductor material is a material that has a bandgap wider than that of Si.
- the multiple semiconductor elements 2 made of a wide bandgap semiconductor material are capable of operating using a large current and in a high-temperature environment. For this reason, it is preferable that the material constituting the multiple semiconductor elements 2 is a wide bandgap semiconductor material.
- the material of the multiple lead frames 3 is, for example, copper.
- the multiple lead frames 3 are joined to the surface electrodes of the semiconductor element 2 by solder 4, joined to the surface pattern 1b by solder 4, or connected to the wire pads of the semiconductor element 2 via aluminum wires 8.
- the molded resin 5 is, for example, an epoxy-based thermosetting resin.
- the molded resin 5 seals the insulating substrate 1 and the semiconductor element 2 while leaving the surface of the back pattern 1c opposite the surface facing the insulating layer 1a exposed.
- the semiconductor device is bonded to a heat sink 10 (see FIG. 7), but the surface of the back pattern 1c that is bonded to the heat sink 10 is located at the same height as the surface of the molded resin 5 that faces the heat sink 10, so no step is created between the back pattern 1c and the molded resin 5.
- Figure 2 is a flow chart showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment.
- Figure 3 is a cross-sectional view showing a die bonding process in the embodiment.
- Figure 4 is a cross-sectional view showing a lead bonding process in the embodiment.
- Figure 5 is a cross-sectional view showing a wire bonding process in the embodiment.
- Figure 6 is a cross-sectional view showing a molding process in the embodiment.
- Figure 7 is a cross-sectional view showing a solder mounting process in the embodiment. Note that Figure 2 is a simplified illustration of only the main steps of the method for manufacturing a semiconductor device.
- step S1 solder 4 is placed on the surface pattern 1b of the insulating substrate 1, the semiconductor element 2 is mounted thereon, and the solder 4 is melted by reflow or the like to bond the semiconductor element 2 to the insulating substrate 1.
- bonding with solder 4 is given as an example, but this is not limiting, and sintering with silver or copper may also be performed.
- step S2 solder 4 is placed on the surface electrodes of the semiconductor element 2 and on the surface pattern 1b, and the lead frame 3 is placed on top of them.
- the solder 4 is melted by reflow or the like, thereby joining the surface electrodes of the semiconductor element 2 to the lead frame 3 and also joining the surface pattern 1b to the lead frame 3.
- step S3 the wire pads of the semiconductor element 2 and the signal terminals of the lead frame 3 are ultrasonically bonded with aluminum wires 8 having a wire diameter of approximately 100 to 400 ⁇ m.
- step S4 the wire-bonded product and tablet-shaped resin that will be the material for molded resin 5 are placed in the lower die of a metal mold (not shown), the upper die is closed, and the resin is gelled at a high temperature of about 180°C, and pressure is applied to force it through the runner and gate into the space (cavity) within the metal mold. The gelled resin hardens again at high temperature to become molded resin 5 that has the same shape as the cavity. This is then removed from the metal mold.
- step S5 solder 11 and the semiconductor device, which is a molded product, are placed on the heat sink 10, which is a heat dissipation member, and the solder 11 is melted by reflow or the like to join the semiconductor device and the heat sink 10.
- the insulating substrate 1 is exposed to high temperatures in the die bonding process (step S1), lead bonding process (step S2), molding process (step S4), and solder mounting process (step S5).
- the ceramics that make up the insulating layer 1a of the insulating substrate 1 are brittle materials and have low bending resistance, so it is important to minimize warping in each process.
- the front and back patterns 1b and 1c are bonded and patterned on the front and back surfaces, respectively.
- Copper is generally used for the front and back patterns 1b and 1c because of its superior performance. Copper is a highly rigid material and has a different linear expansion coefficient from ceramics, so if the balance between the front and back sides of the insulating layer 1a is poor, warping will occur with temperature changes.
- the front pattern 1b is generally divided into multiple regions by first slits 6 to allow electrical conductivity, and is less rigid than the undivided front pattern 1b.
- second slits 7 are provided in the back pattern 1c to reduce its rigidity.
- the second slits 7 are not provided directly below the semiconductor element 2, but are provided around the area directly below the semiconductor element 2. In other words, the second slits 7 are provided so as to surround the area of the front surface pattern 1b that corresponds to the location where the semiconductor element 2 is mounted.
- Figure 13 is a cross-sectional view of a semiconductor device to explain the occurrence of solder voids 12 in related technology.
- Figure 8 is a cross-sectional view of a semiconductor device to explain the occurrence of solder voids 12 in an embodiment.
- solder void 12 If air is entrained during soldering to the heat sink 10 and remains in the solder 11, as shown in FIG. 13, it becomes a solder void 12 that inhibits heat dissipation.
- the solder void 12 can be discharged to the second slit 7 provided in the back pattern 1c as shown in FIG.
- the effect on heat dissipation is reduced, and a semiconductor device with good heat dissipation can be realized. Since the position where the solder void 12 occurs is not specific, the effect of discharging the solder void 12 from directly below the semiconductor element 2 is further enhanced by creating a reduced pressure atmosphere or rocking.
- the width of the connected portion of the outermost periphery of the back pattern 1c depends on the pressure when the resin is injected and the flatness of the insulating substrate 1, but it is preferable for it to be about 1 mm.
- FIG. 9 is a bottom view showing an example of an insulating substrate 1 included in a semiconductor device according to an embodiment.
- FIG. 10 is a bottom view showing another example of an insulating substrate 1 included in a semiconductor device according to an embodiment.
- FIG. 9 if the outermost periphery of the back surface pattern 1c is not connected, it is necessary to suppress the inflow of resin from the outermost periphery of the back surface pattern 1c by pressing a cushioning sheet or the like against the back surface pattern 1c during transfer molding, but this becomes more difficult as the thickness of the back surface pattern 1c increases.
- FIG. 9 is a bottom view showing an example of an insulating substrate 1 included in a semiconductor device according to an embodiment.
- the back surface pattern 1c is connected, so that a cushioning sheet or the like is not required, making it possible to suppress the inflow of resin without any restrictions on the thickness of the back surface pattern 1c.
- warping of the insulating substrate 1 alone is suppressed, but it is also important to suppress cracking of the insulating substrate 1 if warping occurs in the product after transfer molding. Warping of the product after transfer molding is caused by differences in expansion and contraction between the mold resin 5 and the insulating substrate 1. Therefore, it is important to make the linear expansion coefficients of the mold resin 5 and the insulating substrate 1 close to each other.
- the main components that determine the mechanical properties such as the linear expansion coefficient of the mold resin 5 are resin and filler, and the linear expansion coefficient can be reduced by increasing the filler ratio.
- the filler ratio is adjusted so that the linear expansion coefficient is in the range of 10 ppm/°C to 20 ppm/°C.
- the linear expansion coefficient can be adjusted by changing the thickness.
- silicon nitride is often used as ceramic, and has a linear expansion coefficient of 3.5 ppm/°C, while the copper pattern has a linear expansion coefficient of 16.7 ppm/°C.
- the linear expansion coefficient of these composites will be a value between those values, and which one it approaches is determined by the ratio of their respective rigidities.
- the rigidity ratio can be approximated by the ratio of the products of the volumes and elastic coefficients of each.
- the linear expansion coefficient of the molded resin 5, 10 ppm/°C is intermediate between the linear expansion coefficients of silicon nitride and copper, and it is sufficient if the rigidity of each is equivalent.
- the elastic coefficient of silicon nitride is 300 GPa
- the elastic coefficient of copper is 117 GPa
- the thickness of silicon nitride is t1
- the thickness of copper is t2
- t2 300/(117 x 0.9) x t1 ⁇ 2.85 x t1.
- the linear expansion coefficient will be about 10 ppm/°C.
- the thickness of the copper patterns on the front and back is thought to be at most 3 to 3.5 times the thickness of the ceramic.
- the insulating layer 1a which is made of ceramics, a brittle material, less likely to crack.
- the front pattern 1b and the back pattern 1c protect the insulating layer 1a and are resistant to bending.
- the difference in rigidity between the part with the front pattern 1b (or back pattern 1c) and the part with the first slit 6 (or second slit 7) is large, so bending occurs in the part with the first slit 6 (or second slit 7), making it more likely to crack. If the first slit 6 and the second slit 7 overlap when viewed from the thickness direction of the insulating substrate 1, it becomes even more likely to crack.
- the first slit 6 and the second slit 7 do not overlap or only partially overlap when viewed from the thickness direction of the insulating substrate 1.
- the first slit 6 and the second slit 7 only partially overlap will be described.
- the first slit 6 and the second slit 7 both have at least one straight portion, and when the first slit 6 and the second slit 7 partially overlap when viewed from the thickness direction of the insulating substrate 1, the length of the overlapping portion between the predetermined straight portion of the first slit 6 and the predetermined straight portion of the second slit 7 when viewed from the thickness direction of the insulating substrate 1 is 50% or less of the sum of the length of the predetermined straight portion of the first slit 6 and the length of the predetermined straight portion of the second slit 7.
- the second slit 7 is formed in a lattice shape and has multiple straight portions.
- the semiconductor device includes an insulating substrate 1 having an insulating layer 1a, a front pattern 1b formed on the front surface of the insulating layer 1a, and a rear pattern 1c formed on the rear surface of the insulating layer 1a, a semiconductor element 2 mounted on the front pattern 1b, and a molded resin 5 that seals the insulating substrate 1 and the semiconductor element 2 while exposing a surface of the rear pattern 1c opposite to a surface facing the insulating layer 1a.
- the rear pattern 1c is bonded to a heat sink 10 with solder 11, and the surface of the rear pattern 1c bonded to the heat sink 10 is located at the same height as the surface of the molded resin 5 facing the heat sink 10.
- the front pattern 1b is provided with a first slit 6 for dividing the front pattern 1b into a plurality of regions
- the rear pattern 1c is provided with a second slit 7 for dividing the rear pattern 1c into a plurality of regions.
- the first slit 6 and the second slit 7 do not overlap or only partially overlap.
- both the first slit 6 and the second slit 7 have at least one straight portion, and when viewed from the thickness direction of the insulating substrate 1, the length of the overlapping portion between a predetermined straight portion of at least one straight portion of the first slit 6 and a predetermined straight portion of at least one straight portion of the second slit 7 is 50% or less of the sum of the length of the predetermined straight portion of the first slit 6 and the length of the predetermined straight portion of the second slit 7.
- the semiconductor device can be used for a long period of time.
- the solder voids 12 remaining in the solder 4 during solder joining can be discharged to the second slit 7. This allows the heat generated by the semiconductor element 2 to be dissipated efficiently.
- the rear pattern 1c is connected at the outermost periphery of the rear pattern 1c, it is possible to prevent the molding resin 5 from flowing into the second slit 7 during transfer molding.
- solder voids 12 are less likely to occur directly below the semiconductor element 2. This improves the heat dissipation of the semiconductor device.
- the thicknesses of the front surface pattern 1b and the back surface pattern 1c are both 1.4 times or more the thickness of the insulating layer 1a. This increases the effect of suppressing warping of the insulating substrate 1, and therefore also increases the effect of suppressing warping of the product after transfer molding.
- the semiconductor element 2 is a wide band gap semiconductor element, it can operate at higher temperatures than a Si semiconductor element, but because the heat dissipation effect of the semiconductor device can be increased as described above, it is possible to suppress the temperature rise of the semiconductor element 2. This makes it possible to suppress losses in the semiconductor element 2.
- SiC MOSFETs can operate at high temperatures, loss increases drastically at high temperatures, so it is desirable to use them at temperatures as low as possible.
- the configuration of the semiconductor device according to the embodiment is particularly suitable for SiC MOSFETs, since it is possible to efficiently transfer heat generated by the semiconductor element 2 to the heat sink 10 and suppress the temperature rise of the semiconductor element 2.
- Fig. 11 is an enlarged cross-sectional view of the periphery of a second slit 7 provided in a back pattern 1c of a semiconductor device according to the embodiment.
- Fig. 12 is an enlarged cross-sectional view of the periphery of a second slit 7 provided in a back pattern 1c of a semiconductor device according to the modified example of the embodiment.
- high voltages may be applied to the front and back sides of the insulating substrate 1.
- the voltage is about 400V to 1000V.
- the solder void 12 may come into contact with the insulating layer 1a, causing partial discharge 13 to occur from the insulating layer 1a.
- the second slits 7 are not formed to the back surface of the insulating layer 1a without penetrating the back surface pattern 1c.
- the back surface pattern 1c is in close contact with the back surface of the insulating layer 1a even in the area where the second slits 7 are provided.
- the portions where the second slits 7 are not to be formed are masked, and an etching solution is sprayed and dissolved only in the portions where the second slits 7 are to be formed, to perform patterning.
- the insulating layer 1a is exposed in the etched portions, but in this modified embodiment, the second slits 7 are formed by half-etching, which stops etching midway through the thickness direction of the insulating substrate 1 when etching the back surface pattern 1c. Therefore, the insulating layer 1a is not exposed in the etched portions.
- the solder voids 12 do not come into contact with the insulating layer 1a, and the occurrence of partial discharges 13 can be suppressed.
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Abstract
Description
本開示は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関するものである。 This disclosure relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.
例えば、特許文献1には、複数の配線層(表面パターンに相当する)と、複数の配線層の第1裏面が接合された絶縁基板(絶縁層に相当する)と、第2主面が絶縁基板に接合された複数の放熱層(裏面パターンに相当する)と、複数の配線層の前記第1主面のいずれかに接合された半導体素子と、絶縁基板、複数の配線層、および半導体素子を覆う封止樹脂とを備えた半導体装置が開示されている。絶縁基板の表面に接合された複数の配線層と絶縁基板の裏面に接合された複数の放熱層とを、絶縁基板の厚み方向から視て重なるように配置することで、温度変化に伴う絶縁基板の表面側と裏面側の膨張収縮量の差を小さくして絶縁基板に発生する反りを抑制している。
For example,
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、トランスファーモールド後に発生する製品の反りに対して考慮されていない。特に、絶縁基板の表面側において複数の配線層に分割するスリットと、裏面側において複数の放熱層に分割するスリットが絶縁基板の厚み方向から視て同じ位置にあるため、複数の配線層と複数の放熱層とを含む基板全体が折れ曲がりやすくなり割れやすいという問題があった。
However, the technology described in
そこで、本開示は、トランスファーモールド後に製品の反りが発生した場合にも、絶縁基板が割れることを抑制可能な技術を提供することを目的とする。 The present disclosure therefore aims to provide a technology that can prevent the insulating substrate from cracking even if the product warps after transfer molding.
本開示に係る半導体装置は、絶縁層と、前記絶縁層の表面に形成された表面パターンと、前記絶縁層の裏面に形成された裏面パターンとを有する絶縁基板と、前記表面パターン上に搭載された半導体素子と、前記裏面パターンにおける前記絶縁層に対向する面とは反対側の面を露出させた状態で、前記絶縁基板および前記半導体素子を封止する封止樹脂と、を備え、前記裏面パターンは、ヒートシンクにはんだで接合され、前記裏面パターンにおける前記ヒートシンクに接合される面は、前記封止樹脂における前記ヒートシンクに対向する面と同じ高さ位置に位置し、前記表面パターンには、前記表面パターンを複数の領域に分割するための第1スリットが設けられ、前記裏面パターンには、前記裏面パターンを複数の領域に分割するための第2スリットが設けられ、前記絶縁基板の厚み方向から視て、前記第1スリットと前記第2スリットは重なっていない、または一部のみが重なっている。 The semiconductor device according to the present disclosure comprises an insulating substrate having an insulating layer, a surface pattern formed on the surface of the insulating layer, and a back surface pattern formed on the back surface of the insulating layer, a semiconductor element mounted on the surface pattern, and a sealing resin that seals the insulating substrate and the semiconductor element while exposing a surface of the back surface pattern opposite to a surface facing the insulating layer, the back surface pattern is soldered to a heat sink, the surface of the back surface pattern that is joined to the heat sink is located at the same height as the surface of the sealing resin that faces the heat sink, the front surface pattern is provided with a first slit for dividing the front surface pattern into a plurality of regions, and the back surface pattern is provided with a second slit for dividing the back surface pattern into a plurality of regions, and the first slit and the second slit do not overlap or only partially overlap when viewed from the thickness direction of the insulating substrate.
本開示によれば、絶縁基板の厚み方向から視て、絶縁基板の表面側の第1スリットと裏面側の第2スリットとの重なり部分が少なくなるため、トランスファーモールド後に製品の反りが発生した場合にも、絶縁基板が割れることを抑制できる。 According to the present disclosure, when viewed from the thickness direction of the insulating substrate, the overlapping portion between the first slit on the front side of the insulating substrate and the second slit on the back side is reduced, so that even if the product warps after transfer molding, cracking of the insulating substrate can be suppressed.
この開示の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。 Objectives, features, aspects, and advantages of this disclosure will become more apparent from the following detailed description and accompanying drawings.
<実施の形態>
<半導体装置の構成>
実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。図1は、実施の形態に係る半導体装置の断面図である。
<Embodiment>
<Configuration of Semiconductor Device>
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1に示すように、半導体装置は、絶縁基板1と、複数の半導体素子2と、複数のリードフレーム3と、封止樹脂としてのモールド樹脂5とを備えている。
As shown in FIG. 1, the semiconductor device includes an
絶縁基板1は、絶縁層1aと、表面パターン1bと、裏面パターン1cとを備えている。絶縁層1aは、セラミックスにより構成されている。表面パターン1bは、銅またはアルミニウムなどの金属により構成され、絶縁層1aの表面に形成されている。表面パターン1bには、表面パターン1bを複数の領域に分割するための第1スリット6が設けられている。裏面パターン1cは、銅またはアルミニウムなどの金属により構成され、絶縁層1aの裏面に形成されている。裏面パターン1cには、裏面パターン1cを複数の領域に分割するための第2スリット7が設けられている。第2スリット7は、絶縁基板1の厚み方向から視て格子状に設けられている。また、第2スリット7は、絶縁基板1の厚み方向から視て、半導体素子2の周囲を囲むように設けられている。
The
複数の半導体素子2は、表面パターン1b上にはんだ4を介して搭載されている。複数の半導体素子2は、例えばスイッチング素子または整流素子として機能する素子である。スイッチング素子は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、またはMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等である。整流素子は、ダイオード素子である。
The
複数の半導体素子2を構成する材料は、例えばシリコン(Si)である。なお、複数の半導体素子2を構成する材料は、シリコンに限定されず、例えば、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、またはダイヤモンド(C)等のワイドバンドギャップ半導体材料であってもよい。ワイドバンドギャップ半導体材料は、Siのバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する材料である。ワイドバンドギャップ半導体材料で構成される複数の半導体素子2は、大電流を使用した動作、および高温環境下における動作等を行うことが可能になる。そのため、複数の半導体素子2を構成する材料は、ワイドバンドギャップ半導体材料であることが好ましい。
The material constituting the
複数のリードフレーム3の材料は、例えば銅である。複数のリードフレーム3は、はんだ4により半導体素子2の表面電極に接合されたり、はんだ4により表面パターン1bに接合されたり、アルミワイヤ8を介して半導体素子2のワイヤパッドに接続されている。
The material of the
モールド樹脂5は、例えばエポキシ系の熱硬化性樹脂である。モールド樹脂5は、裏面パターン1cにおける絶縁層1aに対向する面とは反対側の面を露出させた状態で、絶縁基板1および半導体素子2を封止している。
The molded
ここで、半導体装置は、ヒートシンク10(図7参照)に接合されるが、裏面パターン1cにおけるヒートシンク10に接合される面は、モールド樹脂5におけるヒートシンク10に対向する面と同じ高さ位置に位置しているため、裏面パターン1cとモールド樹脂5との間に段差が発生しない。
Here, the semiconductor device is bonded to a heat sink 10 (see FIG. 7), but the surface of the
<半導体装置の製造方法>
次に、図2~図7を用いて、半導体装置の製造方法について説明する。図2は、実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。図3は、実施の形態においてダイボンド工程を示す断面図である。図4は、実施の形態においてリードボンド工程を示す断面図である。図5は、実施の形態においてワイヤボンド工程を示す断面図である。図6は、実施の形態においてモールド工程を示す断面図である。図7は、実施の形態においてはんだ実装工程を示す断面図である。なお、図2は、半導体装置の製造方法のうちの主要な工程だけを抽出し簡易的に記載したものである。
<Method of Manufacturing Semiconductor Device>
Next, a method for manufacturing a semiconductor device will be described with reference to Figures 2 to 7. Figure 2 is a flow chart showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment. Figure 3 is a cross-sectional view showing a die bonding process in the embodiment. Figure 4 is a cross-sectional view showing a lead bonding process in the embodiment. Figure 5 is a cross-sectional view showing a wire bonding process in the embodiment. Figure 6 is a cross-sectional view showing a molding process in the embodiment. Figure 7 is a cross-sectional view showing a solder mounting process in the embodiment. Note that Figure 2 is a simplified illustration of only the main steps of the method for manufacturing a semiconductor device.
先ず、図2と図3に示すように、ステップS1において、絶縁基板1の表面パターン1b上にはんだ4を配置し、その上に半導体素子2を搭載してリフローなどによりはんだ4を溶融させて半導体素子2を絶縁基板1に接合する。なお、実施の形態では、はんだ4による接合を例に挙げているが、これに限らず銀または銅による焼結を実施してもよい。
First, as shown in Figures 2 and 3, in step S1,
次に、図2と図4に示すように、ステップS2において、半導体素子2の表面電極と表面パターン1bにはんだ4を配置し、それらの上にリードフレーム3を配置してリフローなどによりはんだ4を溶融させることで、半導体素子2の表面電極とリードフレーム3を接合するとともに、表面パターン1bとリードフレーム3を接合する。
Next, as shown in Figures 2 and 4, in step S2,
次に、図2と図5に示すように、ステップS3において、半導体素子2のワイヤパッドとリードフレーム3の信号端子を線径100~400μm程度のアルミワイヤ8で超音波により接合する。
Next, as shown in Figures 2 and 5, in step S3, the wire pads of the
次に、図2と図6に示すように、ステップS4において、図示しない金型の下型に、ワイヤボンド完了品と、モールド樹脂5の材料となるタブレット状の樹脂をセットし、上型を閉じて180℃程度の高温により樹脂をゲル化させ、圧力をかけてランナー、ゲートを通って金型内の空間(キャビティ)内に流し込む。ゲル化した樹脂は高温下で再び硬化してキャビティと同じ形状を有するモールド樹脂5となる。これを金型から取り出す。
Next, as shown in Figures 2 and 6, in step S4, the wire-bonded product and tablet-shaped resin that will be the material for molded
次に、図2と図7に示すように、ステップS5において、放熱部材であるヒートシンク10上にはんだ11と、モールド完了品である半導体装置を配置し、リフローなどによりはんだ11を溶融させて半導体装置とヒートシンク10を接合する。
Next, as shown in Figures 2 and 7, in step S5,
上記の工程のうち、ダイボンド工程(ステップS1)、リードボンド工程(ステップS2)、モールド工程(ステップS4)、およびはんだ実装工程(ステップS5)では、絶縁基板1は高温下に晒されることになる。絶縁基板1の絶縁層1aを構成するセラミックスは脆性材料であるため、曲げに対する耐量が低く、各工程において極力反らせないことが重要である。
Of the above processes, the
しかしながら、絶縁基板1はその機能上、通電性と放熱性を必要とするため、表面および裏面にそれぞれ表面パターン1bおよび裏面パターン1cが接合されパターニングされている。性能的には銅が優れているため、表面パターン1bおよび裏面パターン1cに対して銅が一般に使用されている。銅は剛性の高い材料であり、かつ、セラミックスと線膨張係数に差があるため、絶縁層1aの表面側と裏面側でバランスが悪いと温度変化に伴って反りが起こる。表面パターン1bは通電するために第1スリット6によって複数の領域に分割されていることが一般的であり、分割されていない表面パターン1bよりも剛性が低くなる。剛性が低くなった表面パターン1bとバランスをとるために、裏面パターン1cに第2スリット7を設けることで剛性を低くしている。
However, since the insulating
また、裏面パターン1cは半導体素子2から発生する熱をヒートシンク10に伝える放熱経路となるため、第2スリット7は半導体素子2の直下には設けられず、半導体素子2の直下の周囲に設けられている。つまり、第2スリット7は、表面パターン1bにおける半導体素子2が搭載された箇所に対応する位置の周囲を囲むように設けられている。
Also, because the
次に、はんだ11中に発生するはんだボイド12について説明する。図13は、関連技術においてはんだボイド12の発生を説明するための半導体装置の断面図である。図8は、実施の形態においてはんだボイド12の発生を説明するための半導体装置の断面図である。
Next, we will explain the solder voids 12 that occur in the
ヒートシンク10にはんだ接合する際に空気を巻き込んで、はんだ11に空気が残存すると、図13に示すように、放熱を阻害するはんだボイド12となる。ヒートシンク10に接合される接合部材の面積が小さいほどはんだボイド12は抜けやすいが、絶縁基板1のような面積の大きな接合部材からは抜けにくい。しかし、大きな面積の絶縁基板1の中でも放熱に寄与するのは主に半導体素子2の直下である。そのため、図8に示すように、裏面パターン1cに設けられた第2スリット7へはんだボイド12を排出できれば放熱性に与える影響が小さくなり、放熱性の良い半導体装置を実現することができる。はんだボイド12が発生する位置は不特定であるため、減圧雰囲気にしたり、揺動させたりすることで、半導体素子2の直下からのはんだボイド12の排出効果が更に高まる。
If air is entrained during soldering to the
上記のように、はんだボイド12を第2スリット7へ排出するためには、第2スリット7がモールド樹脂5で充填されないようにする必要がある。金型の下型にワイヤボンド完了品をセットする際、その位置決めはリードフレーム3で行なう必要がある。これは上型と下型を閉じて樹脂をキャビティ内に注入するときに樹脂が漏れないようにするために、リードフレーム3と金型との間に隙間ができないように加工されているためである。しかしながら、リードフレーム3と絶縁基板1をはんだ4で接合するときに使用する治具の精度とクリアランスによって若干のずれが生じるため、下型の表面にのみ絶縁基板1を接触させることは可能であるが、裏面パターン1cの周囲を隙間なく下型に嵌め込むことは困難である。
As described above, in order to discharge the solder voids 12 into the
そこで、裏面パターン1cを表面パターン1bのように完全に分割させることなく、最外周のみ繋げておくことで第2スリット7へのモールド樹脂5の流入を抑制することが可能となる。裏面パターン1cにおける最外周の繋がっている部分の幅は樹脂が注入される際の圧力および絶縁基板1の平面度にもよるが、1mm程度はあった方がよい。
Therefore, by connecting only the outermost periphery of the
図9は、実施の形態に係る半導体装置が備える絶縁基板1の一例を示す底面図である。図10は、実施の形態に係る半導体装置が備える絶縁基板1の他の例を示す底面図である。図9に示すように、裏面パターン1cにおける最外周が繋がっていない場合、トランスファーモールド時にクッション性を有するシートなどを裏面パターン1cに押し当てることで、裏面パターン1cの最外周からの樹脂の流入を抑制する必要があるが、裏面パターン1cの厚みが大きいほど困難となる。図10に示すように、裏面パターン1cの最外周では、裏面パターン1cが繋がっていることで、クッション性を有するシートなども不要となるため、裏面パターン1cの厚みの制約もなく樹脂の流入を抑制することが可能となる。
FIG. 9 is a bottom view showing an example of an insulating
絶縁基板1単体での反り抑制に関しては上記において説明したとおりであるが、トランスファーモールド後に製品の反りが発生した場合にも、絶縁基板1の割れを抑制することも重要である。トランスファーモールド後の製品の反りは、モールド樹脂5と絶縁基板1の膨張差および収縮差に起因している。したがって、モールド樹脂5と絶縁基板1の線膨張係数を近付けることが重要である。
As explained above, warping of the insulating
モールド樹脂5の線膨張係数などの機械特性を決めるための主要な成分は樹脂とフィラーであり、フィラーの比率を高くすることで線膨張係数を小さくすることができる。但し、フィラーの比率が高くなりすぎると、トランスファーモールド時において樹脂の流動性が悪化するため、現実的には線膨張係数が10ppm/℃~20ppm/℃の範囲となるようなフィラーの比率に調整される。
The main components that determine the mechanical properties such as the linear expansion coefficient of the
一方、絶縁基板1は、セラミックス(絶縁層1a)と表裏の銅パターン(表面パターン1bと裏面パターン1c)の複合体とすると、その厚みを変えることにより線膨張係数の調整が可能となる。セラミックスは例えば窒化珪素が多く使用されており、線膨張係数は3.5ppm/℃、銅パターンは16.7ppm/℃であり、これらの複合体の線膨張係数はその間の値となり、どちらに近づくかは、それぞれの剛性の比率によって決まる。剛性の比率はそれぞれのボリュームと弾性係数の積の比率で近似できる。
On the other hand, if the insulating
モールド樹脂5の線膨張係数10ppm/℃は窒化珪素と銅の線膨張係数の中間であり、それぞれの剛性が同等であればよい。窒化珪素の弾性係数は300GPa、銅の弾性係数は117GPa、窒化珪素の厚みをt1、銅の厚みをt2、銅の面積率は設計仕様により異なってくるが約9割とすると、300×t1×1=117×t2×0.9となり、t2=300/(117×0.9)×t1≒2.85×t1となる。
The linear expansion coefficient of the molded
つまり、表裏の銅パターンの厚みの合計がセラミックスの厚みの2.8倍、表裏の銅パターンを同じ厚みとすると1.4倍であれば10ppm/℃程度の線膨張係数となる。ここから更に銅パターンの厚みを増加させることで10ppm/℃よりも大きくすることができ、銅リッチにすることで理論的には線膨張係数を限りなく銅に近づけることができる。しかし、絶縁基板1の製造制約と半導体装置のサイズ制約などを考慮すると、表裏の銅パターンの厚みはセラミックスの厚みの3倍~3.5倍程度が上限と考えられる。
In other words, if the total thickness of the copper patterns on the front and back is 2.8 times the thickness of the ceramic, or 1.4 times the thickness of the copper patterns on the front and back if they are the same thickness, the linear expansion coefficient will be about 10 ppm/°C. By further increasing the thickness of the copper pattern, it can be made greater than 10 ppm/°C, and by making it copper-rich, the linear expansion coefficient can theoretically be made as close as possible to that of copper. However, taking into account the manufacturing constraints of the insulating
絶縁基板1単体の反り、およびトランスファーモールド後の製品の反りはなくすことができない。したがって、脆性材料であるセラミックスにより構成された絶縁層1aを割れにくくしておくことも重要である。
It is impossible to eliminate warping of the insulating
表面パターン1bと裏面パターン1cにスリットが設けられていない場合、表面パターン1bと裏面パターン1cは絶縁層1aを保護し曲げにも強くなる。一方、スリットが設けられている場合、表面パターン1b(または裏面パターン1c)のある部分と第1スリット6(または第2スリット7)の部分の剛性差が大きいため、第1スリット6(または第2スリット7)の部分に折れ曲がりが生じて割れやすくなる。絶縁基板1の厚み方向から視て、第1スリット6と第2スリット7が重なっている場合には更に割れやすくなる。
If no slits are provided in the
このような問題を解消するために、実施の形態では、絶縁基板1の厚み方向から視て、第1スリット6と第2スリット7は重なっていない、または一部のみが重なっている。以下、第1スリット6と第2スリット7の一部のみが重なっている場合について説明する。第1スリット6と第2スリット7は共に少なくとも1つの直線部を有しており、絶縁基板1の厚み方向から視て、第1スリット6と第2スリット7の一部が重なっている場合、絶縁基板1の厚み方向から視て、第1スリット6の予め定められた直線部と、第2スリット7の予め定められた直線部との重なり部分の長さは、第1スリット6の予め定められた直線部の長さと第2スリット7の予め定められた直線部の長さの合計の50%以下である。なお、図9と図10では、第2スリット7は格子状に形成されており、複数の直線部を有している。
In order to solve such a problem, in the embodiment, the
このように、第1スリット6と第2スリット7との重なり部分を少なくすることで、トランスファーモールド後に製品の反りが発生した場合にも、絶縁基板1が割れにくい構造を実現することができる。
In this way, by reducing the overlapping area between the
<効果>
以上のように、実施の形態に係る半導体装置は、絶縁層1aと、絶縁層1aの表面に形成された表面パターン1bと、絶縁層1aの裏面に形成された裏面パターン1cとを有する絶縁基板1と、表面パターン1b上に搭載された半導体素子2と、裏面パターン1cにおける絶縁層1aに対向する面とは反対側の面を露出させた状態で、絶縁基板1および半導体素子2を封止するモールド樹脂5とを備えている。裏面パターン1cは、ヒートシンク10にはんだ11で接合され、裏面パターン1cにおけるヒートシンク10に接合される面は、モールド樹脂5におけるヒートシンク10に対向する面と同じ高さ位置に位置し、表面パターン1bには、表面パターン1bを複数の領域に分割するための第1スリット6が設けられ、裏面パターン1cには、裏面パターン1cを複数の領域に分割するための第2スリット7が設けられ、絶縁基板1の厚み方向から視て、第1スリット6と第2スリット7は重なっていない、または一部のみが重なっている。
<Effects>
As described above, the semiconductor device according to the embodiment includes an insulating
具体的には、第1スリット6と第2スリット7は共に、少なくとも1つの直線部を有し、絶縁基板1の厚み方向から視て、第1スリット6の少なくとも1つの直線部のうち予め定められた直線部と、第2スリット7の少なくとも1つの直線部のうち予め定められた直線部との重なり部分の長さは、第1スリット6の予め定められた直線部の長さと第2スリット7の予め定められた直線部の長さの合計の50%以下である。
Specifically, both the
したがって、絶縁基板1の厚み方向から視て、絶縁基板1の表面側の第1スリット6と裏面側の第2スリット7との重なり部分が少なくなるため、トランスファーモールド後に製品の反りが発生した場合にも、絶縁基板1が割れることを抑制できる。以上より、半導体装置の長期使用が可能となる。
As a result, when viewed from the thickness direction of the insulating
また、第2スリット7内には、モールド樹脂5は充填されていないため、はんだ接合時にはんだ4中に残存するはんだボイド12を第2スリット7へ排出することができる。これにより、半導体素子2から発生する熱を効率良く放熱することができる。
In addition, since the
また、裏面パターン1cの最外周では、裏面パターン1cは繋がっているため、トランスファーモールド時の第2スリット7内へのモールド樹脂5の流入を抑制することができる。
In addition, since the
また、第2スリット7は、表面パターン1bにおける半導体素子2が搭載された箇所に対応する位置の周囲を囲んでいるため、半導体素子2の直下にはんだボイド12が発生しにくくなる。これにより、半導体装置の放熱性が向上する。
In addition, because the
また、表面パターン1bと裏面パターン1cの厚みは共に、絶縁層1aの厚みの1.4倍以上である。したがって、絶縁基板1の反りを抑制する効果が大きくなり、ひいてはトランスファーモールド後の製品の反りを抑制する効果も大きくなる。
In addition, the thicknesses of the
また、半導体素子2は、ワイドバンドギャップ半導体素子であるため、Si半導体素子と比較して高温動作が可能であるが、上記のように半導体装置の放熱効果を高めることができるため、半導体素子2の温度上昇を抑制することができる。これにより、半導体素子2の損失を抑制することが可能となる。
In addition, because the
また、SiC製のMOSFETは、高温でも動作は可能であるが高温になると極端に損失が悪化するため、極力低温での使用が望まれる。半導体素子2から発生する熱を効率良くヒートシンク10に伝えて半導体素子2の温度上昇を抑制できるため、実施の形態に係る半導体装置の構成は、特にSiC製のMOSFETに適している。
In addition, although SiC MOSFETs can operate at high temperatures, loss increases drastically at high temperatures, so it is desirable to use them at temperatures as low as possible. The configuration of the semiconductor device according to the embodiment is particularly suitable for SiC MOSFETs, since it is possible to efficiently transfer heat generated by the
<実施の形態の変形例>
次に、実施の形態の変形例について説明する。図11は、実施の形態に係る半導体装置が備える裏面パターン1cに設けられた第2スリット7周辺の拡大断面図である。図12は、実施の形態の変形例に係る半導体装置が備える裏面パターン1cに設けられた第2スリット7周辺の拡大断面図である。
<Modifications of the embodiment>
Next, a modified example of the embodiment will be described. Fig. 11 is an enlarged cross-sectional view of the periphery of a
半導体装置では、絶縁基板1の表面側と裏面側に高電圧がかかることがある。例えば電気自動車であれば、400V~1000V程度の電圧である。図11に示すように、第2スリット7が裏面パターン1cを貫通して絶縁層1aの裏面まで形成されている場合、第2スリット7にはんだボイド12(図8参照)が存在すると、はんだボイド12が絶縁層1aに接触することで、絶縁層1aから部分放電13が発生する可能性がある。
In semiconductor devices, high voltages may be applied to the front and back sides of the insulating
この問題を回避するために、図12に示すように、実施の形態の変形例では、第2スリット7は、裏面パターン1cを貫通することなく絶縁層1aの裏面まで形成されていない。つまり、第2スリット7が設けられている箇所においても絶縁層1aの裏面には裏面パターン1cが密着している。
To avoid this problem, in a modified embodiment, as shown in FIG. 12, the
次に、絶縁基板1の製造方法について説明する。プレス加工などで打ち抜くことで第2スリット7が形成された裏面パターン1cを絶縁層1aに貼り付ける方法と、第2スリット7が形成されていない裏面パターン1cを貼り付けてから、エッチング加工により銅を溶かしてパターニングすることで第2スリット7を形成する方法があり、一般には後者の製造方法を採用することが多い。
Next, a method for manufacturing the insulating
裏面パターン1cにおいて、第2スリット7を形成しない部分にマスクをして、第2スリット7を形成する部分にのみエッチング液を噴射させて溶かすことでパターニングする。通常はエッチングした部分に絶縁層1aが露出するが、実施の形態の変形例では、第2スリット7は、裏面パターン1cに対するエッチングの際に絶縁基板1の厚み方向の途中でエッチングを止めるハーフエッチングにより形成されている。そのため、エッチングした部分に絶縁層1aが露出していない。その結果、はんだボイド12が絶縁層1aに接触しないため、部分放電13の発生を抑制することができる。
In the
この開示は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、限定的なものではない。例示されていない無数の変形例が、想定され得るものと解される。 Although this disclosure has been described in detail, the above description is illustrative in all respects and is not limiting. It is understood that countless variations not illustrated can be envisioned.
なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 In addition, each embodiment can be freely combined, modified, or omitted as appropriate.
1 絶縁基板、1a 絶縁層、1b 表面パターン、1c 裏面パターン、2 半導体素子、5 モールド樹脂、6 第1スリット、7 第2スリット、10 ヒートシンク、11 はんだ。 1 insulating substrate, 1a insulating layer, 1b surface pattern, 1c back pattern, 2 semiconductor element, 5 molded resin, 6 first slit, 7 second slit, 10 heat sink, 11 solder.
Claims (9)
前記表面パターン上に搭載された半導体素子と、
前記裏面パターンにおける前記絶縁層に対向する面とは反対側の面を露出させた状態で、前記絶縁基板および前記半導体素子を封止する封止樹脂と、を備え、
前記裏面パターンは、ヒートシンクにはんだで接合され、
前記裏面パターンにおける前記ヒートシンクに接合される面は、前記封止樹脂における前記ヒートシンクに対向する面と同じ高さ位置に位置し、
前記表面パターンには、前記表面パターンを複数の領域に分割するための第1スリットが設けられ、
前記裏面パターンには、前記裏面パターンを複数の領域に分割するための第2スリットが設けられ、
前記絶縁基板の厚み方向から視て、前記第1スリットと前記第2スリットは重なっていない、または一部のみが重なっている、半導体装置。 an insulating substrate having an insulating layer, a front pattern formed on a front surface of the insulating layer, and a back pattern formed on a back surface of the insulating layer;
a semiconductor element mounted on the surface pattern;
a sealing resin that seals the insulating substrate and the semiconductor element in a state where a surface of the back surface pattern opposite to a surface facing the insulating layer is exposed,
The rear pattern is soldered to a heat sink;
a surface of the rear surface pattern that is bonded to the heat sink is located at the same height as a surface of the sealing resin that faces the heat sink,
the surface pattern is provided with a first slit for dividing the surface pattern into a plurality of regions;
a second slit is provided in the rear surface pattern to divide the rear surface pattern into a plurality of regions;
The semiconductor device, wherein the first slit and the second slit do not overlap or only partially overlap when viewed in a thickness direction of the insulating substrate.
前記絶縁基板の前記厚み方向から視て、前記第1スリットの少なくとも1つの前記直線部のうち予め定められた前記直線部と、前記第2スリットの少なくとも1つの前記直線部のうち予め定められた前記直線部との重なり部分の長さは、前記第1スリットの予め定められた前記直線部の長さと前記第2スリットの予め定められた前記直線部の長さの合計の50%以下である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置。 Each of the first slit and the second slit has at least one straight portion;
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein, when viewed from the thickness direction of the insulating substrate, a length of an overlapping portion between a predetermined one of the at least one straight portion of the first slit and a predetermined one of the at least one straight portion of the second slit is 50% or less of a sum of a length of the predetermined straight portion of the first slit and a length of the predetermined straight portion of the second slit.
前記第2スリットは、前記裏面パターンに対するエッチングの際に前記絶縁基板の前記厚み方向の途中でエッチングを止めるハーフエッチングにより形成されている、半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing the semiconductor device according to claim 7, comprising the steps of:
The second slit is formed by half-etching, which stops etching midway in the thickness direction of the insulating substrate when etching the rear surface pattern.
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| WWE | Wipo information: entry into national phase |
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