JP2007220722A - 半導体パッケージおよびその製造方法並びに半導体パッケージの使用方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体素子が設置された熱伝導性基板に枠体をろう付けすることにより反りが発生しても半導体パッケージとして、また、半導体パッケージの製造方法として、更にはこの半導体パッケージを使用するにあたって、半導体素子から発生する熱の放熱特性を良好に維持し得る半導体パッケージおよびその製造方法並びに半導体パッケージの使用方法を提供すること。
【解決手段】半導体パッケージ10は、平坦面である上面12aおよび凸状面である下面12bを有する金属基板12と、この金属基板12の上面12a側に設置された半導体素子14と、この半導体素子14を外側から囲うように、金属基板12の上面12aにろう付けされた枠体15とを備える。
【選択図】 図1
【解決手段】半導体パッケージ10は、平坦面である上面12aおよび凸状面である下面12bを有する金属基板12と、この金属基板12の上面12a側に設置された半導体素子14と、この半導体素子14を外側から囲うように、金属基板12の上面12aにろう付けされた枠体15とを備える。
【選択図】 図1
Description
この発明は、半導体装置に用いられる半導体パッケージに係り、特に高出力、高周波のパワーFET等の半導体素子を収納した半導体パッケージおよびその製造方法に関する。
従来、半導体装置に用いられるこの種の半導体パッケージは、主に半導体素子が設置される熱伝導性基板と、この基板の一面上に半導体素子を囲うように設けられる枠体とから構成されている。
半導体装置としては、枠体内部の熱伝導性基板上に半導体素子およびアルミナ等のセラミックス製の非導電性基板を設け、両基板の間をボンディングワイヤで導電的に接続し、枠体の開放側から蓋を被せて一定の気密度が得られるようにしている。この種の半導体装置に用いられる半導体パッケージは、取扱過程において、半導体素子,非導電性基板および枠体を熱伝導性基板側へろう付け、例えば半田付けにより取り付けられるために、ろう付けの際に生じる高温度がパッケージ全体に加えられる。
一方、熱伝導性基板は通常線膨張係数が高いこと、また、電極接合部等の内部部品にあっては、熱伝導性基板との線膨張係数が相対的に低いため、膨張時の寸法ずれが生じていた。そのため、この電極の外れを防止するために、線膨張係数に差の少ないものが通常用いられている。
一方、熱伝導性基板のろう付けする側の表面には、ろう付け時に高熱が加わることにより、この表面の熱膨張により、この熱膨張する側に向けた反りが発生する。この熱伝導性基板の反りの発生により、非導電性基板と熱伝導性基板との面接触状態が悪くなり、半導体素子の通電時に発する熱の外部への放熱が著しく妨げられる要因となっていた。従って、半導体装置に用いる半導体素子の高出力化に大きな障害となっていた。
このような障害を取り除くために、従来、熱伝導性基板に反りが発生するのを有効に防止する一方で、半導体素子が発生する熱を熱伝導性基板に良好に吸収させることによって、半導体素子を正常且つ安定に作動させることができる半導体パッケージが用いられている。
例えばこの種の半導体パッケージとして、特開平5−226514号公報(特許文献1参照)に開示されたものがある。特許文献に開示された従来の半導体装置の半導体パッケージを図5および図6を参照して説明する。
図5は半導体パッケージ1の概要を示す斜視図、図6は図5のC−C線に沿う断面図である。
図5に示す半導体パッケージ1は、半導体素子xを設置する熱伝導性基板2と、枠部の一部に外部リード線端子3を接続する端子挿通孔4を設けた熱伝導性の枠体5とから構成される。
熱伝導性基板2は、図6に示すように、モリブデン板6と、このモリブデン板6の上下両面に銅板7および8を重層した3層構成になっている。
枠体5は、熱伝導性基板2の上面に銀ロウ等のロウ材で接合される。
銅板7は、熱伝導性基板2上に枠体5をロウ材を加熱して取着する際、熱伝導性基板2を構成するモリブデン板6と枠体5との間に発生する両者の熱膨張係数の相違に起因する熱応力の一部を吸収する作用をなすように設けられる。
また、銅板8は、熱伝導性基板2を構成するモリブデン板6と枠体5との間に残余する熱応力によって、熱伝導性基板2全体にわたって反りが発生するのを消去する作用が得られるように設けられる。
また、3層構成に設けられた熱伝導性基板2は、モリブデン板6,銅板7および8の板厚の差により、ろう付け時に凹状または凸状に反りが発生するので、3者の板厚を適宜に選択することにより、凹状または凸状の反りが発生しないようにすることができるものである。
従って、従来の半導体パッケージ1によれば、熱伝導性基板2上に設置される半導体素子xが通電時に発生する熱は、熱伝導性基板2が直接伝導吸収すると共に大気中に良好に放出して半導体素子xを長期間にわたり正常且つ安定に作動させることができるようになっている。
特開平5−226514号公報
従来の半導体パッケージ1によれば、熱伝導性基板2の反りを防止するために、モリブデン板6,銅板7および8との3層構成にしたものであるから、その製作工程が増加する一方で、3層のそれぞれの板厚のバラツキにより、熱伝導性基板2の反り具合が安定せず、延いては、熱伝導性基板2上に設けられる半導体素子に発生する熱の放熱特性が改善されず半導体パッケージ1を用いた半導体装置としての半導体素子の放熱性について悪影響を及ぼしていた。
本発明は、前記の事情に鑑みてなされたもので、半導体素子が設置された熱伝導性基板に枠体を加熱接合することにより反りが発生しても半導体パッケージとして使用する際に、熱伝導性に影響が生じないようにして、半導体素子から発生する熱の放熱特性を良好に維持し得る半導体パッケージおよびその製造方法並びに半導体パッケージの使用方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明によれば、平坦面である上面および凸状面である下面を有する熱伝導性基板と、この熱伝導性基板の前記上面側に設置された半導体素子と、この半導体素子を外側から囲うように、前記熱伝導性基板の上面にろう付けされた枠体とを具備したことを特徴とする半導体パッケージを提供する。
前記目的を達成するために、本発明によれば、平坦面である上面および凸状面である下面を有する熱伝導性基板の前記平坦面に半導体素子を設置し、当該半導体素子を外側から囲うようにして前記上面側に枠体をろう付けし、このろう付けの際に発生した熱により、前記熱伝導性基板の下面側を湾曲変形させて平坦面にすることを特徴とする半導体パッケージの製造方法を提供する。
前記目的を達成するために、本発明によれば、平坦面である上面および凸状面である下面を有する熱伝導性基板の前記上面に半導体素子を設置し、当該半導体素子を外側から囲うようにして前記上面側に枠体をろう付けし、このろう付けの際に発生した熱により、前記熱伝導性基板の下面側を湾曲変形させて平坦面にし、前記熱が放熱することにより、前記下面側が元の凸状面の状態に復帰できるようにすることを特徴とする半導体パッケージの製造方法を提供する。
前記目的を達成するために、本発明によれば、平坦面である上面および凸状面である下面を有する熱伝導性基板の前記上面に半導体素子を設置し、当該半導体素子を外側から囲うようにして前記上面側に枠体をろう付けし、このろう付けの際に発生した熱により、前記熱伝導性基板の下面側を湾曲変形させて平坦面にし、前記下面を前記熱伝導性基体側の面に接合させた状態で固定具により固定して使用することを特徴とする半導体パッケージの使用方法を提供する。
本発明によれば、半導体素子が設置された熱伝導基板に枠体を過熱接合することにより反りが発生しても半導体パッケージとして使用するに際して熱伝導性に影響が生じないようにして半導体素子から発生する熱の放熱特性を良好に維持し得る半導体パッケージおよび半導体パッケージの製造方法並びに半導体パッケージの使用方法を提供することができる。
本発明に係る半導体装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
図1は、本発明の半導体パッケージ10が、熱伝導性基体である金属基体11上に設置された状態を示す斜視図である。図2は、図1のA−A線に沿う断面図である。図3は、図1に示す金属基板12の拡大断面図で、(A)は、金属基板12が反っていない状態を示し、(B)は、金属基板12が反っている状態を示す図である。
図1に示す半導体パッケージ10は、半導体パッケージ10が取り付けられる金属基体(一点鎖線図示)11の上面に設置されるネジ等の複数の固定具により固定される金属基板12と、この金属基板12上面に設けられる導電パターン等の導電パターン13aを備えた導電基板13と、この導電基板13の上面に設置された複数、例えば4つを縦列に並べられた半導体素子14と、これらの導電基板13および半導体素子14を囲うように金属基板12の上面に設けられる枠体15とから構成される。
金属基板12は、所望の熱伝導率を有し、上面に設置された半導体素子14からの発熱を効率的に放熱するための放熱板としての役割をもなすものである。
具体的には、図3(A)に示すように、周囲温度が常温下において、平坦面である上面12aと、凸状面である下面12bが形成される周辺部には、相対向する端部に複数の固定具用穴12cが複数個設けられる。
この金属基板12は、その上面12a側の中央部が、例えば800℃程度まで加熱されることにより、図3(A)の矢印yで示すように、上面12a側が主として平面方向に熱膨張し、図3(B)の矢印P方向に湾曲すると同時に下面12bが同じP方向に湾曲し、結果的に下面12b側が平坦面に形成される。
金属基板12の上面12aには、図1および図2に示すように、導電基板13が熱伝導的に接合される。更にこの導電基板13の上面には複数個の半導体素子14が熱伝導的に設置される。
また、金属基板12の上面12a側には、導電基板13および半導体素子14の外側から囲うように熱伝導性の枠体15が設置される。この枠体15は、金属基板12の上面12aにろう付け、例えば半田付け17して一体的に接合される。
半導体素子14は、半導体パッケージ10の作動時において通電され、この通電により、自己発熱し、金属基板12側に熱影響を与える。金属基板12は、この熱の影響を受けて上面12a側が図3(A)に示すように、中央部が矢印P方向に湾曲するものである。
また、この湾曲の結果、上述したように、上面12aの中央部が上方へ隆起するように変形する。また、この変形に合わせて、下面12b側が逆に湾曲状態から平坦な状態になるように変形するものである。
導電基板13は、図1に示すように、所望の導電パターン13aが設けられた薄板状のものである。
半導体素子14は、具体的には、ガリ砒素(GaHs)等の材料にて形成されたもので、図1および図2に示すように、導電基板13上面に、例えば4つを縦列に並べて配置されたものが正負電極間を流れる電流により自己発熱するものである。
枠体15は、半導体素子14における外部からの衝撃力に対する保護や、枠体15内の高熱を外部へ放散させることができるように設けられたもので、金属基板12の上面12a側へ、半田付け17により熱伝導的に接合される。このように接合された枠体15上の開口側は、図2の想像線で示すように熱伝導性の蓋体16にて覆い被せられるようになっている。また、蓋体16にて覆い被せられることにより、枠体15と協働して半導体素子14や導電基板13の導電パターン13aが、外部からの衝撃に対して保護されるようになっている。
次に、半導体パッケージ10の製造方法および使用形態について説明する。
図4は、半導体パッケージ10の製造方法および半導体パッケージ10の使用形態を示す断面図で、(A)〜(C)は、その製造工程から使用形態までのステップを示す図である。
具体的には、図4(A)に示すように、金属基板12の上面12a上に、先ず導電基板13を設置し、この導電基板13上面の所定位置に、4つの半導体素子14が縦列に設置される。
一方、図4(B)には、下面12b側が上面12a側に枠体15を設置し、半田付け17した状態を示す。そして、半田付け17の際発生する熱により、金属基板12の下面12b側が逆方向に変形し、上面12a側が矢印P方向に湾曲した状態が示される。この湾曲現象は、金属基板12の下面12b側が、金属基板12上に設けられる枠体15の金属基板12に対して半田付け17する際に発生する熱が金属基板12の中央部上面に対して、ろう付け時の熱伝導により加熱され、この金属基板12の中央部上方へ湾曲するものである。
更に、図4(C)には、前記のプロセスにより製造された、上記図4(B)のままの状態の半導体パッケージ10を、取付け側の金属基体11の上面に設置し、複数の固定具用穴12cを介して金属基体11側に固定具kにより螺合固定した状態が示される。この状態にあっては、金属基板12からの放熱が進み常温状態になると、金属基板12は図3(B)の状態から図3(A)の状態に戻ろうとするが、固定具kにより、金属基体11側に固定されているので、上方への湾曲が生じない。
なお、図4(C)に示す状態において、金属基板12の上面に設置された半導体素子14は、金属基板12の上面12a側へ微少に湾曲した状態になるが、半導体素子14自体は、短尺側を湾曲方向に向けて取り付けてあるので、熱伝導面での剥がれなどの悪影響はほとんどない。なお、半導体素子14の長尺側が湾曲方向に向いていた場合であっても、僅かに影響は受けるが、熱伝導面性についての影響はほとんどない。
次に、半導体パッケージ10の製造方法について図3および図4を参照して更に詳細に説明する。
金属基板12の上面12a上に導電基板13が設置され、この導電基板13の上面に複数の半導体素子14が所定の位置に設置されるまでの製造プロセスの説明は省略する。
金属基板12の上面12a上において、図4(A)に示すように、導電基板13および半導体素子14の外側を覆うようにして枠体15を設置する。次に、金属基板12の上面12aと枠体15の接続部において、図4(B)に示すように、枠体15の周縁部全体に半田等の結合材を用いてろう付け17を行う。このろう付け17には約800℃程度の高温の下で、例えば半田を融解して行う。すると、約800℃程度の温度が金属基板12に熱伝導的に作用して金属基板12の上面12a側を高温で加熱されるようになる。
この加熱の影響を受けた金属基板12は、図4(B)の矢印Pに示す方向に湾曲するようになる。この高熱による湾曲の程度は、金属基板12の下面12b側が平坦面になるように所望の熱膨張率を有するものである。
次に、このような状態にある半導体パッケージ10の使用方法について更に詳細に説明する。
図4(C)には、半導体パッケージ10の使用方法が示される。図4(C)に示すように、半導体パッケージ10の金属基板12を金属基体11の上面に位置決めし、この金属基板12の固定具用穴12cに複数の固定具kにて金属基体11側に固定する。この半導体パッケージ10が金属基体11側に固定されたことにより、半田付け17による高温状態から放熱した際に、平坦状態にあった下面12bが元の湾曲面に戻ろうとするけれども、固定具kにより固定されていることから矢印P1方向に湾曲しようとする力が働きつつも図4(C)に示す状態に維持された状態となる。
そして、この維持された状態にて、半導体素子14に通電して使用を開始すると、半導体素子14が自己発熱する。この自己発熱は、例えば300℃程度まで上昇し、この熱の影響で半導体素子14側から金属基板12の先ず中央部側へ熱伝導により伝わる。すると、金属基板12は、前記300℃程度の温度上昇に伴い、ろう付け17時の熱の影響と同様に熱の影響で図4(C)の矢印P1にて示すように、中央部が上方向へ湾曲する現象が生じる。
すなわち、金属基板12は、下面12b側の平坦面が矢印P1方向へ湾曲しようとする力が発生する。金属基板12には、P1方向へ湾曲しようとしても、固定具kにて金属基板12を固定しているので、湾曲が抑止され、外形上の変化は伴わない。
次に、半導体パッケージ10を金属基体11に設置して使用した場合の作用について説明する。
半導体パッケージ10を使用するにあたり、半導体素子14へ通電すると、当該半導体素子14の自己発熱により、この発熱が金属基板12に熱伝導して温度上昇する。すると、金属基板12が図4(B)に示すように、矢印P方向に湾曲する。
この湾曲により、金属基板12の上面12a側は、上方へ変形して湾曲する。一方、下面12b側は、上面12aの上方への湾曲に伴い上方へ変形して、逆に平坦面が形成される。上面12a側が平坦になることにより、この平坦面を利用して金属基体11側に面接触させて用いることにより熱伝導の良好な状態が得られるようになる。
すなわち、前記のように形成された半導体パッケージ10を、例えば図示しない半導体装置に使用するにあたって、図4(C)に示すように、金属基体11側に対して、平坦面状になっている下面(凸状面)12b側を金属基体11の上面に面接触状態に仮置きすると共に、金属基板12の両端の固定具用穴12cを介して固定具kにより固定させることによって、図4(B)に示す形状のままにて保持させることができる。
従って、金属基板12の平坦面となつた下面12bが、金属基体11の表面に対する熱伝導特性が最適となり、半導体素子14からの発熱が良好に放熱されるようになる。
また、図4(C)に示す状態では、金属基板12からの放熱が進むにつれ、金属基板12は、図4(A)に示す状態に戻ろうとするので、金属基板12の端部を固定していた固定具kには、強い引っ張り応力が減少状態となり、固定具k自体の緩みを防止する作用が得られるようになる。
なお、金属基板12の下面12b側が、全体として平坦面が得られるようにするにあたって、半導体素子14からの発熱温度や発熱量、金属基板12の熱伝導率や反り強度(特性)等による金属基板12の反り具合の諸条件を勘案して適宜のものを採用することができる。
本発明の半導体パッケージ10によれば、平坦面である上面12aおよび凸状面である下面12bを有する金属性基板12と、この金属基板12の上面12a側に設置された半導体素子14と、この半導体素子14を外側から囲うように、金属基板12の上面12aにろう付け17された枠体15とを具備した構成であるから、半導体素子14が設置された金属基板12に枠体15を半田付け17することにより金属基板12に反りが発生しても、金属基板12の下面12b側において平坦面が得られるので、この半導体パッケージ10の使用に際して半導体素子14からの発熱を金属基板12を介して効果的に放熱させることが可能となる。
また、本発明の半導体パッケージ10の製造方法によれば、平坦面である上面12aおよび凸状面である下面12bに形成された金属基板12の上面12aに半導体素子14を設置し、この半導体素子14を外側から囲うようにして前記上面12a側に枠体15を半田付け17し、この半田付け17する際に発生した熱により、金属基板12の下面12b側を湾曲変形させて平坦面にすることを特徴とする半導体パッケージの製造方法であるから、半導体素子14が設置された金属基板12に枠体15を半田付け17するに際して、金属基板12に反りが発生しても、金属基板12の下面12b側において平坦面が得られるので、この半導体パッケージ10の使用に際して半導体素子14からの発熱を金属基板12を介して効果的に放熱させることが可能となる。
更に、本発明の半導体パッケージ10の製造方法によれば、平坦面である上面12aおよび凸状面である下面12bを有する金属基板12の上面12aに半導体素子14を設置し、この半導体素子14を外側から囲うようにして上面12a側に枠体15を半田付け17し、この半田付け17の際に発生した熱により、金属基板12の下面12b側を湾曲変形させて平坦面にし、上記熱が放熱することにより、下面12b側が元の凸状面の状態に復帰できるようにすることを特徴とする半導体パッケージの製造方法であるから、半導体素子14が設置された金属基板12に枠体15を半田付け17することにより金属基板12に反りが発生しても、金属基板12の下面12b側において平坦面が得られるので、この半導体パッケージ10の使用に際して半導体素子14からの発熱を金属基板12を介して効果的に放熱させることが可能となる。
また、金属基板12の反りの復元作用を有することにより、半導体パッケージ10の使用、不使用時毎に反りを発生させたり、戻したりする復元作用が繰り返し得られるので、半導体パッケージ10を繰り返し使用しても半導体素子14の放熱特性を良好に維持することができる。
更に、本発明の半導体パッケージ10の使用方法によれば、平坦面である上面12aおよび凸状面である下面12bを有する金属基板12の上面に半導体素子14を設置し、この半導体素子14を外側から囲うようにして上面12a側に枠体15をろう付け17し、このろう付け17の際に発生した熱により、金属基板12の下面12bを湾曲変形させて平坦面にし、下面12bを金属基体11側の面に接合させた状態で固定具kにより固定して使用することを特徴とする半導体パッケージの使用方法であるから、半導体素子14が設置された金属基板12に枠体15を加熱接合することにより金属基板12に反りが発生しても、金属基板12の下面12b側において平坦面が得られるので、この半導体パッケージ10の使用に際して半導体素子14からの発熱を金属基板12を介して効果的に放熱させることが可能となる。
また、金属基板12の反りの復元作用を有することにより、半導体パッケージ10の使用、不使用時毎に反りを発生させたり、戻したりする復元作用が繰り返し得られるので、半導体パッケージ10を繰り返し使用しても半導体素子14の放熱特性を良好に維持することができる。
更にまた、半導体素子14が設置された金属基板12に枠体15を半田付け17することにより金属基板12に反りが発生しても、金属基板12の下面12b側において平坦面が得られるので、この平坦面が得られた段階で、平坦面を金属基体11側の面に接合させると共に、金属基板12を固定具kにより金属基体11側に固定して使用することにより、反りのない状態で継続して使用することができる。従って、半導体パッケージ10の使用に際して半導体素子14からの発熱を継続して金属基板12を介して効果的に放熱させることが可能となる。
なお、半導体パッケージ10によれば、半導体素子14を金属基板12の上面12a側に導電基板13を介して設置するようにしたが、必ずしも導電基板13は必要ではなく、半導体素子14を直接に金属基板12の上面12a側に設置させたタイプの半導体パッケージであってもよい。
10 半導体パッケージ
11 金属基体(熱伝導基体)
12 金属基板(熱伝導基板)
12a 上面(平坦面)
12b 下面(凸状面)
12c 固定具用穴
13 導電基板
13a 導電パターン
14 半導体素子
15 枠体
16 蓋体
17 ろう付け
c 中央部
d2 凸部
k 固定具
P1,P2 作用力
Q 中心点
11 金属基体(熱伝導基体)
12 金属基板(熱伝導基板)
12a 上面(平坦面)
12b 下面(凸状面)
12c 固定具用穴
13 導電基板
13a 導電パターン
14 半導体素子
15 枠体
16 蓋体
17 ろう付け
c 中央部
d2 凸部
k 固定具
P1,P2 作用力
Q 中心点
Claims (4)
- 平坦面である上面および凸状面である下面を有する熱伝導性基板と、この熱伝導性基板の前記上面側に設置された半導体素子と、この半導体素子を外側から囲うように、前記熱伝導性基板の上面にろう付けされた枠体とを具備したことを特徴とする半導体パッケージ。
- 平坦面である上面および凸状面である下面を有する熱伝導性基板の前記平坦面に半導体素子を設置し、当該半導体素子を外側から囲うようにして前記上面側に枠体をろう付けし、このろう付けの際に発生した熱により、前記熱伝導性基板の下面側を湾曲変形させて平坦面にすることを特徴とする半導体パッケージの製造方法。
- 平坦面である上面および凸状面である下面を有する熱伝導性基板の前記上面に半導体素子を設置し、当該半導体素子を外側から囲うようにして前記上面側に枠体をろう付けし、このろう付けの際に発生した熱により、前記熱伝導性基板の下面側を湾曲変形させて平坦面にし、前記熱が放熱することにより、前記下面側が元の凸状面の状態に復帰できるようにすることを特徴とする半導体パッケージの製造方法。
- 平坦面である上面および凸状面である下面を有する熱伝導性基板の前記上面に半導体素子を設置し、当該半導体素子を外側から囲うようにして前記上面側に枠体をろう付けし、このろう付けの際に発生した熱により、前記熱伝導性基板の下面側を湾曲変形させて平坦面にし、前記下面を前記熱伝導性基体側の面に接合させた状態で固定具により固定して使用することを特徴とする半導体パッケージの使用方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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WO2019073505A1 (ja) * | 2017-10-10 | 2019-04-18 | 新電元工業株式会社 | モジュールおよび電力変換装置 |
JP6522852B1 (ja) * | 2017-10-10 | 2019-05-29 | 新電元工業株式会社 | モジュールおよび電力変換装置 |
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