JP2015023226A - Wide gap semiconductor device - Google Patents

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達雄 太田
秀俊 石橋
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wide gap semiconductor device which resolves a problem of heat stress caused by wire bonding while maintaining the flexibility of a terminal shape etc.SOLUTION: The invention includes: a device module (101) disposed on a metal pattern 112; a signal terminal 105 disposed on the metal pattern; electrode wiring (104) which is arranged in the metal pattern and the device module; an enclosure case 109 which houses a base plate 102; and a sealing resin (110) filling the enclosure case. A metal wire serving as the electrode wiring does not exist in the enclosure case 109 which excludes the interior of the device module.

Description

本発明は、ワイドギャップ半導体装置に関し、特に、パワー半導体装置の高信頼性化と汎用化に関するものである。   The present invention relates to a wide gap semiconductor device, and more particularly to high reliability and versatility of a power semiconductor device.

従来から、主配線のDLB(ダイレクトリードボンド)接合とトランスファーモールド封止技術との組み合わせにより構成された高信頼性の半導体パワーモジュールがある(特許文献1)。パワーモジュールの例としては、MOSFET(metal−oxide−semiconductor field−effect transistor)またはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等がある。当該半導体パワーモジュールのチップとしては、主にSiが採用されている。   Conventionally, there is a highly reliable semiconductor power module configured by a combination of DLB (direct lead bond) bonding of main wiring and transfer mold sealing technology (Patent Document 1). Examples of the power module include a MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Si is mainly used as the chip of the semiconductor power module.

一方で、金属ベース板上に絶縁基板を半田付けして、さらに、絶縁基板上面にパワーデバイスチップを半田付けし、そして、そのチップ上面からアルミワイヤーボンディングを介したケース電極への配線接続をすることによって構成されたパワーモジュールがある(特許文献2)。なお上記の絶縁基板は、セラミックの両面に銅板を接合したものである。当該パワーモジュールのチップとしては、主にSiが採用されている。   On the other hand, an insulating substrate is soldered on a metal base plate, and further a power device chip is soldered on the upper surface of the insulating substrate, and wiring connection is made from the upper surface of the chip to the case electrode via aluminum wire bonding. There is a power module configured by this (Patent Document 2). In addition, said insulating substrate joins a copper plate on both surfaces of a ceramic. Si is mainly used as the chip of the power module.

特開2012−74543号公報JP 2012-74543 A 特開2002−76257号公報JP 2002-76257 A

上述のように、ワイヤーボンディングの熱ストレス等を改善するものとして、主配線のDLB接合とトランスファーモールド封止技術との組み合わせによる構造がある。   As described above, there is a structure obtained by combining the DLB bonding of the main wiring and the transfer mold sealing technique as a means for improving the thermal stress or the like of the wire bonding.

パワーデバイスから電流を取り出す手段としてアルミワイヤーボンドを用いる手法は従来から実施されてきた実績のある手法であるが、ワイヤーボンドがパワーデバイスの発熱部に直接接合されている場合には、パワーデバイススイッチング動作の繰り返しによる熱ストレスがそのまま疲労寿命となって現れる(特許文献2参照)。そのため、長寿命を優先すれば、当該接合部の最大温度Tj(max)を低く設定することが必要となり、結果として装置の大型化および製造コストの増加に繋がるという問題があった。   The method of using aluminum wire bond as a means to extract current from the power device is a proven method that has been implemented in the past, but when the wire bond is directly joined to the heat generating part of the power device, power device switching Thermal stress due to repeated operations appears as a fatigue life as it is (see Patent Document 2). For this reason, if priority is given to long life, it is necessary to set the maximum temperature Tj (max) of the joint portion low, resulting in a problem that the apparatus is enlarged and the manufacturing cost is increased.

上記特許文献1のようにDLB接合とトランスファーモールド封止技術とを組み合わせる場合には、上記の熱ストレスに起因する問題は解決できるが、金型等の用意する必要性から初期投資額が大きくなる。また、端子形状および寸法の自由度について制約があり、多品種または少量の製品群に適用するには非常に高価なコストを要するという課題があった。   When combining DLB bonding and transfer mold sealing technology as in Patent Document 1 above, the above-mentioned problems caused by thermal stress can be solved, but the initial investment amount increases due to the necessity of preparing a mold or the like. . In addition, there is a limitation on the degree of freedom of the terminal shape and dimensions, and there is a problem that a very expensive cost is required to apply to a wide variety or a small amount of product group.

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、端子形状等の自由度を保ちつつ、ワイヤーボンディングによる熱ストレスの問題を解消しうるワイドギャップ半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and provides a wide gap semiconductor device capable of solving the problem of thermal stress due to wire bonding while maintaining the flexibility of the terminal shape and the like. Objective.

本発明の一態様に関するワイドギャップ半導体装置は、ベース板と、前記ベース板上に配置され、表面に金属パターンが形成された絶縁基板と、前記金属パターン上に配置された、少なくとも1つのデバイスモジュールと、前記金属パターン上に配置された、信号端子と、前記金属パターンおよび前記デバイスモジュールに配線された、電極配線と、前記ベース板を収容する外囲ケースと、前記外囲ケース内に充填された封止樹脂とを備え、前記デバイスモジュールは、金属フレームと、前記金属フレーム上に配置されたワイドギャップ半導体トランジスタと、前記金属フレーム上に配置されたワイドギャップ半導体ダイオードと、前記ワイドギャップ半導体トランジスタ上面および前記ワイドギャップ半導体ダイオード上面にそれぞれ配置され、前記電極配線に接続される電極ブロックと、前記信号端子と接続され、前記金属フレームとは離間した離間金属フレームと、前記ワイドギャップ半導体トランジスタと前記離間金属フレームとを接続する金属ワイヤーと、前記電極ブロック、前記金属フレームおよび前記離間金属フレームを部分的に露出させて、前記金属フレーム、前記ワイドギャップ半導体トランジスタ、前記ワイドギャップ半導体ダイオード、前記電極ブロック、前記離間金属フレームおよび前記金属ワイヤーを覆うモールド樹脂とを備え、前記デバイスモジュール内を除く前記外囲ケース内においては、前記電極配線としての金属ワイヤーが存在しないことを特徴とする。   A wide gap semiconductor device according to an aspect of the present invention includes a base plate, an insulating substrate disposed on the base plate and having a metal pattern formed on a surface thereof, and at least one device module disposed on the metal pattern. A signal terminal disposed on the metal pattern, an electrode wiring wired to the metal pattern and the device module, an enclosing case for housing the base plate, and filling the enclosing case. The device module includes a metal frame, a wide gap semiconductor transistor disposed on the metal frame, a wide gap semiconductor diode disposed on the metal frame, and the wide gap semiconductor transistor. Arranged on the upper surface and the upper surface of the wide gap semiconductor diode, respectively An electrode block connected to the electrode wiring, a separated metal frame connected to the signal terminal and spaced apart from the metal frame, a metal wire connecting the wide gap semiconductor transistor and the separated metal frame, The electrode block, the metal frame, and the spaced metal frame are partially exposed to cover the metal frame, the wide gap semiconductor transistor, the wide gap semiconductor diode, the electrode block, the spaced metal frame, and the metal wire. A metal resin as the electrode wiring does not exist in the outer case except for the inside of the device module.

本発明の上記態様によれば、デバイスモジュール内で金属ワイヤーを用いることで端子形状等の自由度を保ちつつ、デバイスモジュール外においてはワイヤーボンディングを用いない電極配線とすることで、ワイヤーボンディングに起因する最大温度の制限を解消することができる。   According to the above aspect of the present invention, the metal wire is used in the device module to maintain the flexibility of the terminal shape and the like, and the electrode wiring that does not use the wire bonding outside the device module is caused by the wire bonding. The maximum temperature limit can be removed.

実施形態に関するSiC半導体装置の全体構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the whole structure of the SiC semiconductor device regarding embodiment. 実施形態に関するSiC半導体装置の組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the SiC semiconductor device regarding embodiment. 実施形態に関するSiC半導体装置の組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the SiC semiconductor device regarding embodiment. 実施形態に関するSiC半導体装置の組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the SiC semiconductor device regarding embodiment. 実施形態に関するSiC半導体装置の組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the SiC semiconductor device regarding embodiment. 実施形態に関するSiC半導体装置の組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the SiC semiconductor device regarding embodiment. 実施形態に関するSiC半導体装置の組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the SiC semiconductor device regarding embodiment. 実施形態に関するSiC半導体装置の組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the SiC semiconductor device regarding embodiment. 実施形態に関するSiC半導体装置の組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the SiC semiconductor device regarding embodiment. 実施形態に関する1アームモジュールの材料構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the material structure of 1 arm module regarding embodiment. 実施形態に関するインバータ用モジュールの組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the module for inverters regarding embodiment. 実施形態に関するインバータ用モジュールの組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the module for inverters regarding embodiment. 実施形態に関するインバータ用モジュールの組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the module for inverters regarding embodiment. 実施形態に関するインバータ用モジュールの組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the module for inverters regarding embodiment. 実施形態に関するインバータ用モジュールの組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the module for inverters regarding embodiment. 実施形態に関するインバータ用モジュールの組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the module for inverters regarding embodiment. 実施形態に関するインバータ用モジュールの組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the module for inverters regarding embodiment. 実施形態に関するインバータ用モジュールの組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the module for inverters regarding embodiment. 実施形態に関するインバータ用モジュールの組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the module for inverters regarding embodiment. 実施形態に関するインバータ用モジュールの組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the module for inverters regarding embodiment. 実施形態に関するインバータ用モジュールの組立手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the assembly procedure of the module for inverters regarding embodiment. 実施形態に関する、ワイヤーハーネスを採用した場合のSiC半導体装置を示す図である。It is a figure which shows the SiC semiconductor device at the time of employ | adopting the wire harness regarding embodiment. 実施形態に関する離間金属フレームの曲げ方向を反対(上方向)にしたパワーデバイスモジュールを示す図である。It is a figure which shows the power device module which made the bending direction of the space | interval metal frame regarding embodiment reverse (upward). 実施形態に関するSiC半導体装置のプリント基板搭載前の状態を示す透視図である。It is a perspective view showing the state before the printed circuit board mounting of the SiC semiconductor device concerning an embodiment. 実施形態に関するSiC半導体装置のプリント基板搭載後の状態を示す透視図である。It is a perspective view which shows the state after the printed circuit board mounting of the SiC semiconductor device regarding embodiment. 前提技術に関するSi半導体装置の全体構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the whole structure of the Si semiconductor device regarding a base technology.

以下、添付の図面を参照しながら実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings.

<実施形態>
<構成>
図1は、本実施形態に関するSiC半導体装置の全体構造を示す断面図である。
<Embodiment>
<Configuration>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the overall structure of the SiC semiconductor device according to this embodiment.

ここで、上記のSiCはワイドギャップ半導体の一種である。ワイドギャップ半導体とは、一般に、およそ2eV以上の禁制帯幅をもつ半導体を指し、GaNに代表されるIII族窒化物、ZnOに代表されるII族窒化物、ZnSeに代表されるII族カルコゲナイドおよびSiC等が知られている。本実施形態ではSiCを用いた場合を説明するが、他のワイドギャップ半導体であっても、同様に適用可能である。   Here, the SiC is a kind of wide gap semiconductor. The wide gap semiconductor generally refers to a semiconductor having a forbidden band width of about 2 eV or more, and includes a group III nitride represented by GaN, a group II nitride represented by ZnO, a group II chalcogenide represented by ZnSe, and SiC and the like are known. In this embodiment, the case where SiC is used will be described. However, other wide gap semiconductors can be similarly applied.

図1に示されるようにSiC半導体装置は、パワーデバイスモジュール101、ベース板102、Si等からなる絶縁基板103、主電極配線104、信号端子105、プリント基板106、信号端子107、半田108、外囲ケース109、封止樹脂としてのシリコーンゲル110および蓋111を備えている。 As shown in FIG. 1, the SiC semiconductor device includes a power device module 101, a base plate 102, an insulating substrate 103 made of Si 3 N 4 or the like, a main electrode wiring 104, a signal terminal 105, a printed circuit board 106, a signal terminal 107, and solder. 108, an outer case 109, a silicone gel 110 as a sealing resin, and a lid 111.

ベース板102上には、半田108を介して複数の絶縁基板103が配置されている。例えばセラミック等である各絶縁基板103の両面には、銅板等の金属パターン112が形成されている。   A plurality of insulating substrates 103 are arranged on the base plate 102 via solder 108. For example, metal patterns 112 such as copper plates are formed on both surfaces of each insulating substrate 103 made of ceramic or the like.

各金属パターン112上には、パワーデバイスモジュール101が半田108を介して配置されている。また、各金属パターン112上には、主電極配線104および信号端子105が半田108を介して配置されている。   On each metal pattern 112, the power device module 101 is disposed via the solder 108. Further, on each metal pattern 112, the main electrode wiring 104 and the signal terminal 105 are arranged via the solder 108.

主電極配線104は、パワーデバイスモジュール101上に配線され、また外囲ケース109の上面まで延び出て配線されている。主電極配線104は、例えば銅で形成される。また、信号端子105は、プリント基板106を介して信号端子107と接続されている。   The main electrode wiring 104 is wired on the power device module 101 and extends to the upper surface of the outer casing 109. The main electrode wiring 104 is made of, for example, copper. The signal terminal 105 is connected to the signal terminal 107 via the printed circuit board 106.

パワーデバイスモジュール101を含む構造は外囲ケース109に収容され、外囲ケース109内はシリコーンゲル110によって充填されている。さらに蓋111がシリコーンゲル110上に配置されているが、信号端子107は蓋111上に突き出て備えられている。   The structure including the power device module 101 is accommodated in an outer case 109, and the outer case 109 is filled with a silicone gel 110. Further, the lid 111 is disposed on the silicone gel 110, but the signal terminal 107 is provided so as to protrude onto the lid 111.

<製造方法>
次に、1アームモジュール(図1において示されたパワーデバイスモジュール101)の組立手順について図2〜9を用いて説明する。
<Manufacturing method>
Next, an assembly procedure of one arm module (power device module 101 shown in FIG. 1) will be described with reference to FIGS.

まず、領域ごとに異なる厚みを有する金属フレームである異厚フレーム1を用意する(図2)。異厚フレーム1の材料としては、例えば銅を用いることができる。次に、異厚フレーム1上に例えばn−Ag接合材2(n−Agペースト)を印刷する(図3)。   First, a different thickness frame 1 which is a metal frame having a different thickness for each region is prepared (FIG. 2). As the material of the different thickness frame 1, for example, copper can be used. Next, for example, n-Ag bonding material 2 (n-Ag paste) is printed on the different thickness frame 1 (FIG. 3).

次に、n−Ag接合材2が印刷された領域の上に、MOSFET用のSiCチップ3とSBD用のSiCチップ4とをそれぞれ1つずつ搭載する(図4)。   Next, one SiC chip 3 for MOSFET and one SiC chip 4 for SBD are mounted on the region where the n-Ag bonding material 2 is printed (FIG. 4).

続いて、各チップのアノード電極およびソース電極上にも例えばn−Ag接合材2(n−Agペースト)を印刷する(図5)。   Subsequently, for example, n-Ag bonding material 2 (n-Ag paste) is also printed on the anode electrode and the source electrode of each chip (FIG. 5).

さらに、n−Ag接合材2が印刷された領域上に、電極ブロック5を搭載する(図6)。そして、加熱および加圧により電極を接合させる。   Furthermore, the electrode block 5 is mounted on the region where the n-Ag bonding material 2 is printed (FIG. 6). And an electrode is joined by a heating and pressurization.

続いて、MOSFETのSiCチップ3のゲート、ソースおよび他の信号系の接続を、Au線ワイヤー6(またはCu線ワイヤー)を用いたワイヤーボンド(ボールボンド方式)によって行う(図7)。例えば、MOSFETのSiCチップ3と、後述する離間金属フレーム1bとをAu線ワイヤー6を介して接続する。   Subsequently, the gate, source, and other signal system of the SiC chip 3 of the MOSFET are connected by wire bonding (ball bonding method) using the Au wire 6 (or Cu wire) (FIG. 7). For example, the MOSFET SiC chip 3 and a later-described spaced metal frame 1 b are connected via an Au wire 6.

続いて、素子領域をモールド樹脂7で封止した後(図8)、タイバーカット・リードフォーミングにより1アームモジュール(パワーデバイスモジュール101)を形成する(図9)。   Subsequently, after the element region is sealed with the mold resin 7 (FIG. 8), one arm module (power device module 101) is formed by tie bar cutting and lead forming (FIG. 9).

図10は、本実施形態に関する1アームモジュール(パワーデバイスモジュール101)の材料構成を示す断面図である。   FIG. 10 is a cross-sectional view showing a material configuration of one arm module (power device module 101) according to this embodiment.

図10に示されるように、異厚フレーム1のうちの金属フレーム1a上に、n−Ag接合材2を介してMOSFET用のSiCチップ3とSBD用のSiCチップ4とがそれぞれ1つずつ搭載されている。   As shown in FIG. 10, one MOSFET chip 3 and one SBD SiC chip 4 are mounted on the metal frame 1 a of the different thickness frame 1 via the n-Ag bonding material 2, respectively. Has been.

また、SiCチップ3およびSiCチップ4上面には、ソース電極またはアノード電極としての電極ブロック5がそれぞれ配置されている。各電極ブロック5上面の高さを等しく形成すれば、主電極配線104の配線が容易となる。各電極ブロック5は、主電極配線104に接続されている。   In addition, electrode blocks 5 serving as source electrodes or anode electrodes are respectively disposed on the upper surfaces of the SiC chip 3 and the SiC chip 4. If the height of the upper surface of each electrode block 5 is formed to be equal, the wiring of the main electrode wiring 104 is facilitated. Each electrode block 5 is connected to the main electrode wiring 104.

SiCチップ3上からはAu線ワイヤー6が配線され、当該Au線ワイヤー6は異厚フレーム1のうちの、金属フレーム1aとは離間した離間金属フレーム1b上に接続されている。Au線ワイヤー6は、通常より細いワイヤー線であり、具体的には、通常φ200〜φ400μm程度であるのに対してφ50μm程度である。離間金属フレーム1bは、絶縁基板103上の金属パターン112を介して信号端子105に接続されている。   An Au wire 6 is wired from above the SiC chip 3, and the Au wire 6 is connected to a separated metal frame 1 b of the different thickness frame 1 that is separated from the metal frame 1 a. The Au wire 6 is a thinner wire than usual, specifically, it is about φ50 μm to about φ200 to φ400 μm. The separated metal frame 1 b is connected to the signal terminal 105 through the metal pattern 112 on the insulating substrate 103.

そしてモジュール全体が、モールド樹脂7(例えばエポキシ樹脂)で覆われている。具体的には、モールド樹脂7は、電極ブロック5、金属フレーム1aおよび離間金属フレーム1bを露出させて、金属フレーム1a、SiCチップ3、SiCチップ4、電極ブロック5、離間金属フレーム1bおよびAu線ワイヤー6を覆っている。   The entire module is covered with a mold resin 7 (for example, epoxy resin). Specifically, the mold resin 7 exposes the electrode block 5, the metal frame 1a, and the separated metal frame 1b, and the metal frame 1a, the SiC chip 3, the SiC chip 4, the electrode block 5, the separated metal frame 1b, and the Au wire. The wire 6 is covered.

また、パワーデバイスモジュール101内を除く外囲ケース109内においては、主電極配線104としての金属ワイヤーは備えられていない。   Further, in the enclosing case 109 except for the power device module 101, a metal wire as the main electrode wiring 104 is not provided.

図2〜10に示される非絶縁型の1アームモジュール(パワーデバイスモジュール101)を外囲ケース109内においてトランスファーモールド封止することで、本実施形態に関するSiC半導体装置が完成する。   The non-insulated one-arm module (power device module 101) shown in FIGS. 2 to 10 is transfer-molded and sealed in the outer case 109 to complete the SiC semiconductor device according to this embodiment.

パワーデバイスモジュール101におけるMOSFET用のSiCチップ3およびSBD用のSiCチップ4は、その上下両面の接合材としてn−Ag等の焼結金属が用いられる。このように構成することで、素子の最高接合温度を高くすることができる。よって、半田付けする際に再溶解することを防止することができる。   The SiC chip 3 for MOSFET and the SiC chip 4 for SBD in the power device module 101 use a sintered metal such as n-Ag as a bonding material on both upper and lower surfaces. With this configuration, the maximum junction temperature of the element can be increased. Therefore, it is possible to prevent remelting when soldering.

MOSFETのゲートおよびソース信号端子の配線には、Au線またはCu線の細線ワイヤーボンディングを実施する。このようにすれば、SiCチップの必要面積を小さくすることができる。   Fine wire bonding of Au wire or Cu wire is performed on the gate and source signal terminal wiring of the MOSFET. In this way, the required area of the SiC chip can be reduced.

次に、1アームモジュールを6個搭載した、インバータ用モジュールの組立手順について図11〜21を用いて説明する。   Next, an assembling procedure of the inverter module on which six 1-arm modules are mounted will be described with reference to FIGS.

まず、ベース板102を用意し(図11)、ベース板102上に半田108(半田ペースト)を印刷する(図12)。   First, the base plate 102 is prepared (FIG. 11), and solder 108 (solder paste) is printed on the base plate 102 (FIG. 12).

さらに、印刷した半田108上に、あらかじめ上面に半田108を印刷した絶縁基板103を搭載する(図13)。なお、絶縁基板103の両面には、金属パターン112が形成されているものとする。   Further, the insulating substrate 103 having the upper surface printed with the solder 108 is mounted on the printed solder 108 (FIG. 13). Note that metal patterns 112 are formed on both surfaces of the insulating substrate 103.

続いて、図9で形成された1アームモジュール(パワーデバイスモジュール101)を、絶縁基板103上の半田108が形成された位置に対応させて搭載する(図14)。   Subsequently, the one-arm module (power device module 101) formed in FIG. 9 is mounted corresponding to the position on the insulating substrate 103 where the solder 108 is formed (FIG. 14).

続いて、1アームモジュール(パワーデバイスモジュール101)上面の電極部に半田108をディスペンス(または、予め電極部に印刷)し、ベース板102上に信号端子105を搭載する(図15)。さらに、1アームモジュール(パワーデバイスモジュール101)上に主電極配線104を搭載する(図16)。   Subsequently, the solder 108 is dispensed (or printed in advance on the electrode portion) on the electrode portion on the upper surface of the one-arm module (power device module 101), and the signal terminal 105 is mounted on the base plate 102 (FIG. 15). Further, the main electrode wiring 104 is mounted on one arm module (power device module 101) (FIG. 16).

その後、加熱(雰囲気炉)して半田付けを完成させる。なお、半田ペーストの部分は、板状半田を搭載して還元雰囲気での半田付けを行うことも可能である。   Thereafter, heating (atmosphere furnace) is performed to complete soldering. Note that the solder paste can be soldered in a reducing atmosphere by mounting a plate-like solder.

続いて、主電極用のナットと外部取出し用の信号端子とを備えた外囲ケース109を接着させることによって固定する(図17)。   Subsequently, the outer case 109 provided with the nut for the main electrode and the signal terminal for external extraction is bonded and fixed (FIG. 17).

次に、プリント基板106(またはワイヤーハーネス)により各信号端子105の接続を行う(図18)。そして、主電極配線104を曲げて外囲ケース109のナットに被せ、配線可能な状態にする(図19)。   Next, each signal terminal 105 is connected by the printed circuit board 106 (or wire harness) (FIG. 18). Then, the main electrode wiring 104 is bent and placed on the nut of the outer casing 109 so that wiring is possible (FIG. 19).

続いて、2次封止樹脂としてシリコーンゲル110を注入し、硬化(キュア)させる(図20)。最後に、蓋111を取り付ける(図21)。   Subsequently, silicone gel 110 is injected as a secondary sealing resin and cured (cured) (FIG. 20). Finally, the lid 111 is attached (FIG. 21).

図22は、信号端子105の配線においてプリント基板106を用いず、代わりにワイヤーハーネス205を採用した場合のSiC半導体装置を示す図である。但しP側は図示を省略している。このように構成することで、パッケージの形状制約を大きく緩和することができる。具体的には、信号端子105の形状を封止樹脂が進入しない形状とすることで、プリント基板および外部接続用コネクタを省略することができる。結果として、SiC半導体装置を安価に製造できる。   FIG. 22 is a diagram showing a SiC semiconductor device in which the printed circuit board 106 is not used for wiring of the signal terminals 105 and a wire harness 205 is employed instead. However, illustration of the P side is omitted. With this configuration, the package shape restriction can be greatly relaxed. Specifically, the printed circuit board and the external connection connector can be omitted by making the shape of the signal terminal 105 into a shape in which the sealing resin does not enter. As a result, the SiC semiconductor device can be manufactured at low cost.

図23は、パワーデバイスモジュールから露出した部分の離間金属フレーム1bの折り曲げ方向を反対(絶縁基板103の上方へ向かう方向)にした、パワーデバイスモジュール101aを示す図である。このような構成にすれば、信号端子105を配置するための信号入力用端子台を省略し、材料費および組立加工費を低減することができる。また、組立工程を簡略化することができる。   FIG. 23 is a diagram showing the power device module 101a in which the bending direction of the separated metal frame 1b in the portion exposed from the power device module is opposite (the direction toward the upper side of the insulating substrate 103). With such a configuration, the signal input terminal block for arranging the signal terminal 105 can be omitted, and the material cost and assembly processing cost can be reduced. In addition, the assembly process can be simplified.

図24は、SiC半導体装置のプリント基板106搭載前の状態を示す透視図である。また図25は、SiC半導体装置のプリント基板106搭載後の状態を示す透視図である。   FIG. 24 is a perspective view showing a state of the SiC semiconductor device before the printed circuit board 106 is mounted. FIG. 25 is a perspective view showing a state after mounting the printed circuit board 106 of the SiC semiconductor device.

図26は、前提技術に関するSi半導体装置の全体構造を示す断面図である。   FIG. 26 is a cross-sectional view showing the overall structure of the Si semiconductor device related to the base technology.

図26に示されるようにSi半導体装置は、IGBTまたはFWD(Free Wheeling Diode)のSiチップ3aおよびSiチップ4a、ベース板102、絶縁基板103(その両面に金属パターン112)、ケースへ一体成形された主電極配線104b、主電流対応のアルミワイヤー104a、信号配線のアルミワイヤー105a、ケースへ一体成形された信号端子107a、半田108、外囲ケース109、封止樹脂としてのシリコーンゲル110および蓋111を備えている。   As shown in FIG. 26, the Si semiconductor device is integrally formed into an IGBT or FWD (Free Wheeling Diode) Si chip 3a and Si chip 4a, a base plate 102, an insulating substrate 103 (metal pattern 112 on both sides), and a case. Main electrode wiring 104b, main current compatible aluminum wire 104a, signal wiring aluminum wire 105a, signal terminal 107a integrally formed in the case, solder 108, enclosing case 109, silicone gel 110 as sealing resin, and lid 111 It has.

図26に示される構造では、絶縁基板103上の金属パターン112と外囲ケース109に一体成形された信号端子107aとが、アルミワイヤー105aを介するワイヤーボンディングによって接続されている。   In the structure shown in FIG. 26, the metal pattern 112 on the insulating substrate 103 and the signal terminal 107a formed integrally with the surrounding case 109 are connected by wire bonding via the aluminum wire 105a.

図26においては、アルミワイヤー104aはアルミワイヤー105aよりも太いワイヤーで構成されているが、このような構造とする場合には、ワイヤーを複数種類用意する必要があるため、生産効率がよくない。一方で、全てのアルミワイヤーをアルミワイヤー104aと同様の太さのワイヤーとする場合には、ゲートパッド面積が増大してしまい、特にチップ材料が高価である場合には製造コストを大きくしてしまうことになる。   In FIG. 26, the aluminum wire 104a is made of a thicker wire than the aluminum wire 105a. However, in the case of such a structure, since it is necessary to prepare a plurality of types of wires, the production efficiency is not good. On the other hand, when all the aluminum wires have the same thickness as that of the aluminum wire 104a, the gate pad area increases, and particularly when the chip material is expensive, the manufacturing cost increases. It will be.

図1に示された構成では、ソースおよびアノードの主電極配線104の端子が外囲ケース109上面に露出する構造とすることで、金属パターン112上にパワーデバイスモジュール101等を搭載した後、基板面積を必要とせずに主配線を行うことができる。また、主電極配線104を用いたため、発熱による接合部の最大温度Tjを低く設定する必要がない。   In the configuration shown in FIG. 1, the terminals of the source and anode main electrode wirings 104 are exposed on the upper surface of the outer casing 109, so that the power device module 101 and the like are mounted on the metal pattern 112 and then the substrate. The main wiring can be performed without requiring an area. Further, since the main electrode wiring 104 is used, it is not necessary to set the maximum temperature Tj of the joint due to heat generation low.

Siチップを直接絶縁基板103の金属パターン112上に搭載する図26に示される場合と比較すると、モールド樹脂7が形成された分は装置が大きくなるが、配線引き回しパターン、および、ワイヤーボンディングエリアのパターンを省略でき、モジュールパッケージ全体としてはサイズアップすることがない(立体配線による床面積縮小効果)。   Compared to the case shown in FIG. 26 in which the Si chip is directly mounted on the metal pattern 112 of the insulating substrate 103, the apparatus becomes larger for forming the mold resin 7, but the wiring routing pattern and the wire bonding area The pattern can be omitted, and the module package as a whole is not increased in size (floor area reduction effect by three-dimensional wiring).

また、ワイヤーボンディングはパワーデバイスモジュール101内のみで実施しているため細い金属ワイヤーのみを用いることができ、必要となるゲートパッド面積も小さく抑えることができる。また、ワイヤーボンディングが可能な環境を実現しなければならない領域も、限定することができる。さらに、ワイヤーボンディングを用いたため、寸法等の制約が少なくなる。   Further, since the wire bonding is performed only in the power device module 101, only a thin metal wire can be used, and the required gate pad area can be reduced. Moreover, the area | region which must implement | achieve the environment which can perform wire bonding can also be limited. Furthermore, since wire bonding is used, restrictions such as dimensions are reduced.

<変形例>
主電極配線104と絶縁基板103上の金属パターン112との接続、および、主電極配線104とパワーデバイスモジュール101との接続に超音波接合(UltraSonics接合)を用いることで、組立が容易になる。半田付けのための部品搭載、特に、1アームモジュール、主電極配線および半田類の多層同時搭載が簡略化できる。また、主電極配線104を予め曲げた状態で実装が可能となり、より寸法精度の向上が図れる。
<Modification>
By using ultrasonic bonding (UltraSonics bonding) for the connection between the main electrode wiring 104 and the metal pattern 112 on the insulating substrate 103 and the connection between the main electrode wiring 104 and the power device module 101, assembly is facilitated. It is possible to simplify the mounting of components for soldering, especially the simultaneous mounting of one arm module, main electrode wiring, and solder in multiple layers. In addition, mounting can be performed with the main electrode wiring 104 bent in advance, and dimensional accuracy can be further improved.

2次封止樹脂としてシリコーンゲル110を用いる代わりに液状のエポキシ樹脂を使用し、当該エポキシ樹脂を固めて封止する場合には、蓋111を省略できる。   When a liquid epoxy resin is used instead of the silicone gel 110 as the secondary sealing resin and the epoxy resin is hardened and sealed, the lid 111 can be omitted.

<効果>
本実施形態によれば、ワイドギャップ半導体装置が、ベース板102と、絶縁基板103と、少なくとも1つのデバイスモジュール(パワーデバイスモジュール101)と、信号端子105と、電極配線(主電極配線104)と、外囲ケース109と、封止樹脂(シリコーンゲル110)とを備える。
<Effect>
According to this embodiment, the wide gap semiconductor device includes a base plate 102, an insulating substrate 103, at least one device module (power device module 101), a signal terminal 105, and electrode wiring (main electrode wiring 104). The outer casing 109 and the sealing resin (silicone gel 110) are provided.

絶縁基板103は、ベース板102上に配置され、表面に金属パターン112が形成されている。パワーデバイスモジュール101は、金属パターン112上に配置されている。信号端子105は、金属パターン112上に配置されている。主電極配線104は、金属パターン112およびパワーデバイスモジュール101に配線されている。外囲ケース109は、ベース板102を収容している。シリコーンゲル110は、外囲ケース109内に充填されている。   The insulating substrate 103 is disposed on the base plate 102, and a metal pattern 112 is formed on the surface. The power device module 101 is disposed on the metal pattern 112. The signal terminal 105 is disposed on the metal pattern 112. The main electrode wiring 104 is wired to the metal pattern 112 and the power device module 101. The enclosing case 109 accommodates the base plate 102. The silicone gel 110 is filled in the outer case 109.

また、パワーデバイスモジュール101は、金属フレーム1aと、ワイドギャップ半導体トランジスタ(MOSFET用のSiCチップ3)と、ワイドギャップ半導体ダイオード(SBD用のSiCチップ4)と、電極ブロック5と、離間金属フレーム1bと、金属ワイヤー(Au線ワイヤー6)と、モールド樹脂7とを備える。   Further, the power device module 101 includes a metal frame 1a, a wide gap semiconductor transistor (SiC chip 3 for MOSFET), a wide gap semiconductor diode (SiC chip 4 for SBD), an electrode block 5, and a separated metal frame 1b. And a metal wire (Au wire 6) and a mold resin 7.

SiCチップ3およびSiCチップ4は、金属フレーム1a上に配置されている。電極ブロック5は、SiCチップ3上面およびSiCチップ4上面にそれぞれ配置され、主電極配線104に接続されている。離間金属フレーム1bは、信号端子105と接続され、金属フレーム1aとは離間している。Au線ワイヤー6は、SiCチップ3と離間金属フレーム1bとを接続している。   SiC chip 3 and SiC chip 4 are arranged on metal frame 1a. The electrode block 5 is arranged on each of the upper surface of the SiC chip 3 and the upper surface of the SiC chip 4 and is connected to the main electrode wiring 104. The separated metal frame 1b is connected to the signal terminal 105 and is separated from the metal frame 1a. The Au wire 6 connects the SiC chip 3 and the separated metal frame 1b.

モールド樹脂7は、電極ブロック5、金属フレーム1aおよび離間金属フレーム1bを部分的に露出させて、金属フレーム1a、SiCチップ3、SiCチップ4、電極ブロック5、離間金属フレーム1bおよびAu線ワイヤー6を覆っている。   The mold resin 7 partially exposes the electrode block 5, the metal frame 1a, and the separated metal frame 1b, and the metal frame 1a, the SiC chip 3, the SiC chip 4, the electrode block 5, the separated metal frame 1b, and the Au wire 6 Covering.

また、パワーデバイスモジュール101内を除く外囲ケース109内においては、主電極配線104としての金属ワイヤーが存在しない。   In addition, no metal wire as the main electrode wiring 104 exists in the outer case 109 excluding the power device module 101.

このような構成によれば、パワーデバイスモジュール101内でAu線ワイヤー6を用いることで端子形状等の自由度を保ちつつ、パワーデバイスモジュール101外においてはワイヤーボンディングを用いない電極配線とすることで、ワイヤーボンディングに起因する最大温度の制限を解消することができる。また、パワーデバイスモジュール101内においてフレーム構造を採用しているため、Au線ワイヤー6のワイヤーボンディングプロセスが汎用設備で実施可能である。また、パワーデバイスモジュール101内でのみワイヤーボンディングを行うことで、パワーデバイスモジュール101搭載後の作業が容易となる。   According to such a configuration, by using the Au wire 6 in the power device module 101, while maintaining the degree of freedom of the terminal shape and the like, the electrode wiring outside the power device module 101 does not use wire bonding. The maximum temperature limitation due to wire bonding can be eliminated. Moreover, since the frame structure is adopted in the power device module 101, the wire bonding process of the Au wire 6 can be performed by general-purpose equipment. Further, by performing wire bonding only in the power device module 101, the work after the power device module 101 is mounted becomes easy.

また、パワーデバイスモジュール101内において、細線であるAu線ワイヤー6を用いることで、ゲートパッド面積を縮小させることができる。   Further, by using the Au wire 6 which is a thin wire in the power device module 101, the gate pad area can be reduced.

また、パワーデバイスモジュール101を非絶縁型のモジュールとし、絶縁基板103としてはセラミック等を採用することにより、高耐熱性が実現できる。   Moreover, high heat resistance is realizable by making the power device module 101 into a non-insulation type module and using the ceramic etc. as the insulated substrate 103.

また、パワーデバイスモジュール101外においては、主電極配線104を用いて簡易な構成とすることで、配線工数の削減および配線抵抗の低減を実現することができる。よって、パワーロスの削減による高性能化を実現できる。   Further, outside the power device module 101, by using a simple configuration using the main electrode wiring 104, it is possible to reduce the number of wiring steps and the wiring resistance. Therefore, high performance can be realized by reducing power loss.

上記実施形態では、各構成要素の材質、材料、実施の条件等についても記載しているが、これらは例示であって記載したものに限られるものではない。   In the said embodiment, although the material of each component, material, the conditions of implementation, etc. are described, these are illustrations and are not restricted to what was described.

なお本発明は、その発明の範囲内において、本実施形態における任意の構成要素の変形もしくは省略が可能である。   In the present invention, any component in the present embodiment can be modified or omitted within the scope of the invention.

1 異厚フレーム、1a 金属フレーム、1b 離間金属フレーム、2 n−Ag接合材、3,4 SiCチップ、3a,4a Siチップ、5 電極ブロック、6 Au線ワイヤー、7 モールド樹脂、101,101a パワーデバイスモジュール、102 ベース板、103 絶縁基板、104,104b 主電極配線、104a,105a アルミワイヤー、105,107,107a 信号端子、106 プリント基板、108 半田、109 外囲ケース、110 シリコーンゲル、111 蓋、112 金属パターン、205 ワイヤーハーネス。   1 different thickness frame, 1a metal frame, 1b spaced metal frame, 2 n-Ag bonding material, 3,4 SiC chip, 3a, 4a Si chip, 5 electrode block, 6 Au wire wire, 7 mold resin, 101, 101a power Device module, 102 Base plate, 103 Insulating substrate, 104, 104b Main electrode wiring, 104a, 105a Aluminum wire, 105, 107, 107a Signal terminal, 106 Printed circuit board, 108 Solder, 109 Outer case, 110 Silicone gel, 111 Lid 112 metal pattern, 205 wire harness.

Claims (7)

ベース板と、
前記ベース板上に配置され、表面に金属パターンが形成された絶縁基板と、
前記金属パターン上に配置された、少なくとも1つのデバイスモジュールと、
前記金属パターン上に配置された、信号端子と、
前記金属パターンおよび前記デバイスモジュールに配線された、電極配線と、
前記ベース板を収容する外囲ケースと、
前記外囲ケース内に充填された封止樹脂とを備え、
前記デバイスモジュールは、
金属フレームと、
前記金属フレーム上に配置されたワイドギャップ半導体トランジスタと、
前記金属フレーム上に配置されたワイドギャップ半導体ダイオードと、
前記ワイドギャップ半導体トランジスタ上面および前記ワイドギャップ半導体ダイオード上面にそれぞれ配置され、前記電極配線に接続される電極ブロックと、
前記信号端子と接続され、前記金属フレームとは離間した離間金属フレームと、
前記ワイドギャップ半導体トランジスタと前記離間金属フレームとを接続する金属ワイヤーと、
前記電極ブロック、前記金属フレームおよび前記離間金属フレームを部分的に露出させて、前記金属フレーム、前記ワイドギャップ半導体トランジスタ、前記ワイドギャップ半導体ダイオード、前記電極ブロック、前記離間金属フレームおよび前記金属ワイヤーを覆うモールド樹脂とを備え、
前記デバイスモジュール内を除く前記外囲ケース内においては、前記電極配線としての金属ワイヤーが存在しないことを特徴とする、
ワイドギャップ半導体装置。
A base plate,
An insulating substrate disposed on the base plate and having a metal pattern formed on the surface;
At least one device module disposed on the metal pattern;
A signal terminal disposed on the metal pattern;
An electrode wiring wired to the metal pattern and the device module;
An outer case for housing the base plate;
A sealing resin filled in the outer case,
The device module is
A metal frame,
A wide gap semiconductor transistor disposed on the metal frame;
A wide gap semiconductor diode disposed on the metal frame;
An electrode block disposed on each of the upper surface of the wide gap semiconductor transistor and the upper surface of the wide gap semiconductor diode and connected to the electrode wiring;
A spaced metal frame connected to the signal terminal and spaced apart from the metal frame;
A metal wire connecting the wide gap semiconductor transistor and the spaced metal frame;
The electrode block, the metal frame, and the spaced metal frame are partially exposed to cover the metal frame, the wide gap semiconductor transistor, the wide gap semiconductor diode, the electrode block, the spaced metal frame, and the metal wire. With mold resin,
In the outer case excluding the inside of the device module, there is no metal wire as the electrode wiring,
Wide gap semiconductor device.
前記ワイドギャップ半導体トランジスタ上面および前記ワイドギャップ半導体ダイオード上面に配置された各前記電極ブロックの、上面の高さが等しいことを特徴とする、
請求項1に記載のワイドギャップ半導体装置。
The upper surfaces of the electrode blocks disposed on the upper surface of the wide gap semiconductor transistor and the upper surface of the wide gap semiconductor diode have the same height.
The wide gap semiconductor device according to claim 1.
前記モールド樹脂から露出した部分の前記離間金属フレームが、前記絶縁基板の上方へ向かう方向に折り曲げられていることを特徴とする、
請求項1または2に記載のワイドギャップ半導体装置。
The spaced apart metal frame of the portion exposed from the mold resin is bent in a direction toward the upper side of the insulating substrate,
The wide gap semiconductor device according to claim 1.
前記封止樹脂が、シリコーンゲルを含むことを特徴とする、
請求項1〜3のいずれかに記載のワイドギャップ半導体装置。
The sealing resin contains a silicone gel,
The wide gap semiconductor device according to claim 1.
前記封止樹脂が、液状のエポキシ樹脂が固まって形成されていることを特徴とする、
請求項1〜3のいずれかに記載のワイドギャップ半導体装置。
The sealing resin is formed by solidifying a liquid epoxy resin,
The wide gap semiconductor device according to claim 1.
前記電極配線は、前記金属パターンおよび前記デバイスモジュールに対して、超音波接合によって配線されることを特徴とする、
請求項1〜5のいずれかに記載のワイドギャップ半導体装置。
The electrode wiring is wired by ultrasonic bonding to the metal pattern and the device module,
The wide gap semiconductor device according to claim 1.
前記信号端子が、ワイヤーハーネスに接続されることを特徴とする、
請求項1〜6のいずれかに記載のワイドギャップ半導体装置。
The signal terminal is connected to a wire harness,
The wide gap semiconductor device according to claim 1.
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