JP2018073923A - Power semiconductor device, method of manufacturing the same, and power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力用半導体装置、電力用半導体装置の製造方法および電力変換装置に関し、特にリードフレームに電力用半導体素子を搭載する電力用半導体装置、電力用半導体装置の製造方法および電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power semiconductor device, a method for manufacturing a power semiconductor device, and a power conversion device, and more particularly to a power semiconductor device in which a power semiconductor element is mounted on a lead frame, a method for manufacturing a power semiconductor device, and a power conversion device. .
半導体装置の中でも電力用半導体装置は、産業用機器から民生用の家電・情報端末まで幅広い機器の電力制御に用いられ、特に、産業用機器、輸送機器等では高い信頼性が求められる。近年、産業用、輸送機器用パワーモジュールの大電流化、高機能化が進み、それに伴ってパッケージサイズが拡大している。高い信頼性が期待できるDIP(Dual In-line Package)タイプモジュールは、トランスファーモールドで樹脂封止され、パッケージの側面に端子が配置されたモジュールである。トランファーモールドではリードフレームを使用する必要があるが、大電流化に伴ってリードフレームの面積を増やす場合は、設備制約の範囲内に限られる。特に、DIPタイプモジュールは、製造工程でパッケージの両側から突出する端子が、加工前のリードフレームの一部面積を占有するため、リードフレームに占めるパッケージの割合は小さくなり、電流の大電流化や高機能化が難しい。また、産業用や輸送用のモジュールでは端子の形成方法として、はんだ付け用の直線状の端子や、基板とかしめて固定するプレスフィット端子といった要求があるが、DIPタイプモジュールではリードフレームの再設計、金型の再試作といった負荷がかかり生産性が悪化していた。 Among semiconductor devices, power semiconductor devices are used for power control of a wide range of devices from industrial equipment to consumer electronics / information terminals, and high reliability is particularly required for industrial equipment, transportation equipment, and the like. In recent years, power modules for industrial and transportation equipment have been increased in current and function, and the package size has expanded accordingly. A DIP (Dual In-line Package) type module that can be expected to have high reliability is a module in which a resin is sealed with a transfer mold and terminals are arranged on the side surface of the package. In the transfer mold, it is necessary to use a lead frame. However, when the area of the lead frame is increased as the current increases, it is limited to the range of equipment constraints. In particular, in the DIP type module, the terminals protruding from both sides of the package in the manufacturing process occupy a part of the lead frame before processing, so the ratio of the package to the lead frame is reduced, and the current is increased. High functionality is difficult. In addition, in industrial and transportation modules, as a method of forming terminals, there is a demand for linear terminals for soldering and press-fit terminals that are fixed by caulking to the board, but in DIP type modules, redesign of the lead frame, Productivity deteriorated due to the burden of re-prototyping the mold.
これに対して、特許文献1では、端子とパッケージから成る第一のリードフレームと、端子の一部分のみから成る第二のリードフレームを別々で準備して、封止工程前にそれぞれを接合して一体化している。第一、第二のリードフレームが分かれているため、必要な方の端子形状を変えやすい利点がある。また、特許文献2では、端子が無い状態で封止工程のトランスファーモールドまでを完了させた後、封止工程で形成したメスコネクタにプレスフィット端子を圧入する。リードフレーム内に端子が不要となるためリードフレームのサイズ限界までモジュールを大電流化できる。
On the other hand, in patent document 1, the 1st lead frame which consists of a terminal and a package, and the 2nd lead frame which consists only of a part of terminal are prepared separately, and each is joined before a sealing process. It is integrated. Since the first and second lead frames are separated, there is an advantage that the required terminal shape can be easily changed. Moreover, in
しかしながら、特許文献1では、例えば、チップを搭載するダイボンド工程は第一のリードフレームで搬送することができるが、それ以降の工程は、両フレームを接合した後でなければ組立できない。このためリードフレームサイズが大型化する課題は完全には解消できないという問題があった。また、2枚のリードフレームを重ねて接合すると、2枚重なった接合部の板厚が増える。封止工程では金型でリードフレームをクランプするが、接合部の厚みによりクランプできずに封止樹脂が漏れて歩留まりが悪化する。重なる部分のみ板厚を薄くしてリードフレームの総厚を合わせても、加工公差から生じるリードフレーム厚さの不均一により、クランプの荷重が不安定となるという問題があった。 However, in Patent Document 1, for example, the die bonding process for mounting the chip can be carried by the first lead frame, but the subsequent processes can be assembled only after both frames are joined. For this reason, there is a problem that the problem of increasing the lead frame size cannot be completely solved. Further, when two lead frames are overlapped and joined, the thickness of the joining portion where the two pieces overlap is increased. In the sealing process, the lead frame is clamped with a metal mold, but it cannot be clamped due to the thickness of the joint portion, and the sealing resin leaks, resulting in a deterioration in yield. Even if the plate thickness is reduced only in the overlapping portion and the total thickness of the lead frame is adjusted, there is a problem that the load on the clamp becomes unstable due to the non-uniform lead frame thickness caused by processing tolerances.
特許文献2では、封止工程時にメスコネクタ内のリードフレームの貫通孔周囲に樹脂バリが形成され、樹脂バリが噛み込むことで接触抵抗増加による特性低下の恐れがあるという問題があった。また、挿入端子をパッケージのメスコネクタに挿入する場合では、プレスフィット端子先端がリードフレームから突き出た分だけコネクタを深くする必要があるため、パッケージ厚が厚くなるという問題があった。また、大面積化したパッケージではパッケージの反りの制御が難しく、反りのばらつきによってプレスフィット端子を垂直に差すことができずに座屈して歩留まりが悪化するという問題があった。さらに、大面積化すると、外部基板に実装する場合に外部基板の反りの影響も受けやすい。外部基板と搭載部品との熱歪みから生じる外部基板の反りによって、プレスフィット端子とコネクタ間に応力がかかり、接合信頼性が低下するという問題があった。
In
本発明は、上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、リードフレームサイズを増大させることなく、大電流化するとともに、接合信頼性を確保することができる電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and a power semiconductor device capable of increasing current and ensuring junction reliability without increasing the lead frame size, and An object is to provide a method for manufacturing a power semiconductor device.
本発明にかかる電力用半導体装置は、電力用半導体素子を搭載し、前記電力用半導体素子の電極とワイヤで接続されたリードパターン、および貫通孔が設けられたリード部を有するリードフレームと、前記リード部が露出するように、前記電力用半導体素子、前記ワイヤ、および前記リードパターンの間を封止樹脂で封止した封止体と、前記貫通孔に挿入する挿入端子とを備えたことを特徴とする。 A power semiconductor device according to the present invention includes a power semiconductor element, a lead pattern having a lead pattern connected to an electrode of the power semiconductor element with a wire, and a lead portion provided with a through hole; and A sealing body in which a space between the power semiconductor element, the wire, and the lead pattern is sealed with a sealing resin so that a lead portion is exposed, and an insertion terminal that is inserted into the through hole are provided. Features.
本発明にかかる電力用半導体装置の製造方法は、貫通孔が設けられたリード部とリードパターンを有するリードフレームの、前記リードパターン上に電力用半導体素子を載置する工程と、前記電力用半導体素子の電極と前記リードパターンとをワイヤにより接続する工程と、前記リード部が露出するように、前記電力用半導体素子、前記ワイヤ、および前記リードパターンの間を封止樹脂で封止する工程と、露出する前記リード部の前記貫通孔に挿入端子を挿入する工程とを含むことを特徴とする。 The method for manufacturing a power semiconductor device according to the present invention includes a step of placing a power semiconductor element on the lead pattern of a lead frame having a lead portion provided with a through hole and a lead pattern, and the power semiconductor. A step of connecting the electrode of the element and the lead pattern with a wire, and a step of sealing between the power semiconductor element, the wire, and the lead pattern with a sealing resin so that the lead portion is exposed. And inserting an insertion terminal into the through hole of the exposed lead portion.
本発明によれば、封止体から露出するリードフレームのリード部設けられた貫通孔にプレスフィット部を有する挿入端子を挿入することにより、リードフレームサイズを増大させることなく、大電流化するとともに、接合信頼性を確保することができるが可能となる。 According to the present invention, by inserting an insertion terminal having a press-fit portion into a through-hole provided in a lead portion of a lead frame exposed from the sealing body, the current can be increased without increasing the lead frame size. Therefore, it is possible to ensure the bonding reliability.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1による電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造に用いる主要部材の構成を示したものであって、図1(a)は電力用半導体装置の斜視図、図1(b)は電力用半導体装置の上面図、図1(c)は図1(b)のA−A線での矢視断面図である。図2は、図1の電力用半導体装置の封止体6内部の構造を示す上面図である。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 shows a configuration of main members used for manufacturing a power semiconductor device and a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a perspective view of the power semiconductor device. 1B is a top view of the power semiconductor device, and FIG. 1C is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1B. FIG. 2 is a top view showing a structure inside the sealing
図1に示すように、電力用半導体装置101は、電気回路を兼ねるリードフレーム5上に搭載した半導体素子等を封止樹脂で封止して形成された封止体6と、封止体6の側面側から露出する複数のリード部であるリード18と、リード18に設けられた貫通孔19に外部基板や外部回路と電気的に接続するために挿入された接続用の挿入端子2とから構成されている。
As shown in FIG. 1, a
封止体6から露出するリードフレーム5の一部となるリード18に貫通孔19を備え、貫通孔19を介してリード18と挿入端子2を電気的に接続している。挿入端子2は、例えば銅を含む合金からなる。回路基板として用いるリードフレーム5の表面には、電力用半導体素子であるスイッチング素子3および整流素子4が裏面電極側をはんだ7で接合されている。制御用回路のIC(Integrated Circuit)17の裏面電極側は導電性接合材16で接合されている。導電性接合材16は、例えばAgペーストやはんだといった導電性の接合材であればよい。スイッチング素子3は、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、整流素子4は、例えば、FwDi(Free Wheeling Diode)である。
A
図2には、リードフレーム5中の、電力用半導体素子を搭載するリードパターン20の部分と、電力用半導体素子と電気的に接続するリードパターン20の部分の回路図を示す。スイッチング素子3および整流素子4表面とリードパターン20はアルミワイヤ9で電気的に接続し、スイッチング素子3のゲート電極とリードパターン20は金ワイヤ10で電気的に接続している。電力用半導体素子を搭載するリードパターン20は、IC17を搭載するリードパターン20に比べて、アルミ板13側に曲げられている。
FIG. 2 shows a circuit diagram of a portion of the
電力用半導体素子を搭載するリードパターン20の部分の裏面に、アルミ板13は、放熱性の高い接着樹脂14で電気的に絶縁して固着される。接着樹脂14は、例えば、熱伝導率が高いSiO2、BN、AlN、Al2O3を含む無機材料と、接着と絶縁の機能があるエポキシ樹脂やポリイミド樹脂、アクリル樹脂といった熱硬化、熱可塑性樹脂で構成される。同様の機能がある材料であれば、異なる材料でも同じ効果が得られる。アルミ板13の一面は封止体6から露出している。アルミ板13は放熱性の高い部材であればよく、銅といった他の金属や、SiO2、AlN、Si3N4といったセラミックスでもよい。
On the back surface of the portion of the
封止体6から露出したリード18には円形状の貫通孔19が設けられており、貫通孔19に挿入端子2を挿入することにより電気的に接続している。図3は、貫通孔19に挿入端子2を挿入する前後の状態を示す断面図である。図3(a)は挿入前、図3(b)は挿入後であり、図3(c)はリード18の上面図である。図3(a)に示すように、挿入端子2の下部には、リード18に挿入するために、中央をくり抜いた空洞部2hを有する楕円形状のプレスフィット部2aを備える。挿入端子2の中央部は、段差がある固定部2bを有し、空洞部2hは固定部2bに跨って形成されている。挿入端子2の上部は直線形状の端子部である直線端子部2cを有する。
The
貫通孔19に挿入端子2を接続する場合は、プレスフィット部2aを、貫通孔19に圧入する。このときプレスフィット部2aが変形して、変形時の反発力により貫通孔と機械的に固着される。挿入時は固定部2bがリード18に接触するまで押し込む。固定部2bは挿入動作を停止する役割を果たす。
When the
次に、電力用半導体装置101の製造方法について説明する。図4は、本発明の実施の形態1による電力用半導体装置の製造工程を示すフローチャート図である。図4に示すように、まず最初にダイボンド工程(ステップS401)として、リードフレーム5上にIC17を導電性接合材16で固着し、スイッチング素子3と整流素子4をPbフリーはんだ7で接合する。
Next, a method for manufacturing the
続いて、ワイヤボンド工程(ステップS402)として、スイッチング素子3、整流素子4、リードパターン20を、ワイヤボンディングによりアルミワイヤ9で接続する。次いで、スイッチング素子3のゲート、IC17、リードパターン20を、ワイヤボンディングにより金ワイヤ10で接続する。スイッチング素子3および整流素子4を搭載するリードパターン20裏面にはアルミ板13を接着樹脂14で接着する。
Subsequently, as a wire bonding step (step S402), the switching
最後に、封止工程(ステップS403)では、リードフレーム5を封止用の成形金型に載置して、封止樹脂でトランスファーモールドを用いて封止する。封止後はリードフレームの余分な部分を取り除き、封止体6から露出したリード18に挿入端子2を圧入して固着することで、電力用半導体装置101が形成される。挿入端子を圧入する際は、貫通孔周囲のリードを支持して、挿入端子の固定部を押し下げて挿入する。
Finally, in the sealing step (step S403), the
このように、本実施の形態1では電力用半導体装置101に挿入端子2を設けることで、製造工程で挿入端子2は封止工程後に取り付けており、加工前のリードフレームに挿入端子のスペースを必要としないため、リードフレーム内のパッケージの取れ数を多く取って生産性を向上することができる。また、リードフレーム内のパッケージ面積を大型化することにより、モジュールを大電流化することができる。さらに、電力用半導体素子以外に、例えば、従来は外部基板に外付けしていたBSD(Bootstrap Diode)やBSC(Bootstrap capacitor)の制御用回路を内蔵するスペースを確保して、高機能化することもできる。
Thus, in the first embodiment, by providing the
以上のように、本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置101によれば、スイッチング素子3および整流素子4等の電力用半導体素子を搭載し、前記電力用半導体素子の電極と、アルミワイヤ9および金ワイヤ10で接続されたリードパターン20、および挿入端子2を挿入する貫通孔19を有するリード18が設けられたリードフレーム5と、リード18が露出するように、前記電力用半導体素子、アルミワイヤ9と金ワイヤ10、およびリードパターン20の間を封止樹脂で封止する封止体6とを備えるようにしたので、リードフレームサイズを増大させることなく、大電流化するとともに、接合信頼性を確保することができる。
As described above, according to the
また、特許文献1のように、リードフレームを分割することが無いため、リードフレーム同士のつなぎ目が無く、封止工程の金型クランプ時に樹脂漏れが発生しない。さらに、挿入端子2を後付けするため、リードフレームと挿入端子の材質を変えることができる。例えば、リードフレームには安価で銅の純度が高い合金を用いて、導電性を確保する。一方で、挿入端子は銅の純度が低く、鉄などを添加して剛性を高めることで、挿入端子を貫通孔に挿入した際の反発力を高めることで、信頼性を向上することができる。
Further, since the lead frames are not divided as in Patent Document 1, there is no joint between the lead frames, and resin leakage does not occur during mold clamping in the sealing process. Furthermore, since the
さらに、挿入端子とリードフレームを切り離すことで、リードフレームのサイズやリードフレームの設計によらず挿入端子の長さを自由に変えて生産性を改善することができる。挿入端子の固定部2bは挿入動作を停止して、端子長さを一定にする効果がある。
Further, by separating the insertion terminal and the lead frame, productivity can be improved by freely changing the length of the insertion terminal regardless of the size of the lead frame or the design of the lead frame. The fixing
また、特許文献2のようなプレスフィット用端子では、プレスフィット部と固定部が離れているが、本実施の形態1の挿入端子2では固定部2bとプレスフィット部2aが一体となり、空洞部2hは固定部2bの中まで跨って形成している。挿入端子2を挿入するリードフレーム5のリード18は0.3〜1.5mm程度と薄く、従来の挿入端子ではプレスフィット部がリードフレームを突き抜き抜けてしまう。これに対して、本実施の形態1の電力用半導体装置101では、挿入端子2の固定部2bの直下にプレスフィット部2aがあるため、貫通孔とプレスフィット部を確実に固定できる。挿入時に固定部2b中の空洞部2hも一緒に変形することで、プレスフィット部2aの反発力を得ることができるため、安定した接合が可能となる。また、空洞部2hが固定部2bに跨って形成しているため、貫通孔に対してプレスフィット部が高い反発力をもって固定される。
Further, in the press-fit terminal as in
さらに、特許文献2では、トランスファーモールドでメスコネクタを形成しているため、メスコネクタ内に樹脂が侵入して樹脂バリが形成される可能性がある。プレスフィット端子の挿入時に樹脂バリが入り込むと接触抵抗が増加して特性低下が想定される。防止として樹脂バリをレーザー加工やブラスト処理などで加工すると、加工工程が追加されることに加えて、加熱によるチップへのダメージや、メスコネクタの穴形状の変形が発生し、プレスフィット端子の挿入安定性が低下する可能性がある。本実施の形態1の電力用半導体装置101では、このような追加工程によるダメージや変形がないため挿入端子の接合性は安定する。また、挿入端子をパッケージのメスコネクタに挿入する場合では、挿入端子先端がリードフレームから突き出た分だけコネクタを深くする必要があるため、パッケージ厚が厚くなる。これに対し、本実施の形態1では、貫通孔19から突き出たプレスフィット部2aは、中空に留まりスペースを必要としないため、パッケージ厚を薄厚化可能で、封止樹脂を減らして生産性を向上させることができる。
Furthermore, in
また、パッケージの反りが大きい場合では、従来のようにパッケージのメスコネクタに挿入すると、垂直に入らずに座屈する可能性がある。これに対し、本実施の形態1の電力用半導体装置101では、挿入時にリード18自体がリードを支持する治具に沿ってたわむため、挿入端子2が垂直に挿入される。これにより反りに裕度が持てるため生産性が向上する。また、外部基板21が実装部品の熱収縮などで反ってしまった場合でも、図5に示すようにリード18の一端は固定されているが、別の一端は固定されておらず上下に変形することができるため、たわむことで外部基板の反りに追従することができる。このためプレスフィット部にかかる応力が減少して接合信頼性が向上する。特にパッケージが大型化する(例えば、パッケージサイズが34×85mm以上)と基板の反りの影響を受けやすいため、本実施の形態1の効果が顕著化する。
In addition, when the warpage of the package is large, if it is inserted into the female connector of the package as in the prior art, there is a possibility of buckling without entering vertically. On the other hand, in the
また、特許文献2では、プレスフィット用端子が封止樹脂と接触すると、温度サイクル時に封止樹脂が収縮、膨張してプレスフィット部に応力がかかって、接合強度が低下する可能性がある。特に、パッケージを大型化すると、封止工程におけるトランスファーモールドで、金型から離型するために封止樹脂の収縮量を増やすことがあるため、封止樹脂はリードフレームよりも温度に対して変形しやすい。本実施の形態1の電力用半導体装置101では、プレスフィット部2aが貫通孔19のみと接合しているため、封止樹脂の収縮による応力を受けることなく、温度サイクルに対して高い信頼性を得ることができる。特に、挿入端子とリードフレームはどちらも銅合金といった、主成分が同じ元素にすると、線膨張係数が近くなるため、熱歪みが生じにくい。
Further, in
一般に、電力用半導体装置は数百Vから数十kVまでの電圧が発生するため、外部基板上のスルーホール間でも絶縁を取る必要がある。本実施の形態1の電力用半導体装置101では、挿入端子2の幅方向(W方向)をリード18の配線方向(V方向)に対して垂直な方向から、図3に示すように、挿入端子2の軸方向に90°回転させた状態(図3(a)参照)で、リード18の貫通孔19に挿入端子2のプレスフィット部2aを挿入し(図3(b)参照)、挿入端子2の直線端子部2cは外部基板に挿入することができる。つまり、挿入端子の幅方向(W方向)をリード18の配線方向(V方向)に並行に配置することができる。電力用半導体装置のリード間の絶縁において、リードとリードの間はリードの幅を除いた部分が絶縁距離となるが、本実施の形態1のように挿入端子と挿入端子の間は厚みを除いた部分が絶縁距離となるため、挿入端子間の方が絶縁距離を長くすることができる。挿入端子間の絶縁距離を長くとることができるため、外部基板上のスルーホール間の絶縁距離を延ばすことができる。これにより外部基板のパターンに対して、設計自由度を高めることや、トラッキング、マイグレーションといった絶縁に関連対する信頼性が向上する。
In general, since a power semiconductor device generates a voltage of several hundred volts to several tens of kV, it is necessary to insulate between through holes on an external substrate. In the
さらに、挿入端子2の断面はリードの配線方向に幅の長い矩形であり、幅を増やしても挿入端子間の絶縁距離が短くならないため、挿入端子の幅はリードの幅よりも増やすことができる。これにより、リードの断面積よりも挿入端子の断面積の方が大きくすることで、熱容量を増やすことができるため、端子自体の発熱を抑えるとともに、電力用半導体素子から伝わる熱でも温度上昇しにくくすることができる。このため外部基板の温度を下げることが可能となる。挿入端子の幅を大きくすることで、熱容量を増やすだけでなく、表面積を増やして高放熱化することもできるため、さらに温度が上昇しにくくなる。例えば、リードの幅は貫通孔サイズとリード端子間の絶縁距離を考慮すると2〜4mmが好ましいが、挿入端子の幅は2倍以上で形成することもできる。
Further, the cross section of the
なお、本実施の形態1にかかる挿入端子はプレスフィット部と固定部が一体でなくともよい。図6に示すように、挿入端子22は固定部22bの一部に切り欠き22dを入れた形状であり、この場合も同様の効果が得られる。切り欠き22dは固定部22bの下端から上方に向かった形状をとる。切り欠き22dを入れることで、プレスフィット部22aの根元がくびれて、断面二次モーメントが小さくなることで動きやすくなる。このため図6(a)に示すように、パッケージの反りなどで貫通孔19が傾いていても、挿入時にプレスフィット部22aの根元が変形して追従することで(図6(b)参照)、挿入しやすくなる。また、挿入端子2、22の直線端子部2c、22cは直線形状でなくてもよい。図7に示すように、例えば、挿入端子23、24のように外部基板にプレスフィット接続できる外部基板挿入用プレスフィット部23e、24eでもよい。
In the insertion terminal according to the first embodiment, the press-fit portion and the fixing portion do not have to be integrated. As shown in FIG. 6, the
実施の形態2.
実施の形態1では、リードパターン20と同じ厚さのリード18を用いた場合について説明したが、実施の形態2では、多重リードを用いた場合について説明する。
In the first embodiment, the case where the
図8は、本発明の実施の形態2による電力用半導体装置102の構成を示す断面図である。図8に示すように、電力用半導体装置102は、リードを折り曲げて二枚重ねた多重リード40を備える。多重リード40には、多重リード40を貫く貫通孔41が形成されている。電力用半導体装置102のその他の構成については、実施の形態1の電力用半導体装置101と同様であり、その説明を省略する。製造方法については、予め多重リード40を形成したリードフレーム50を準備する以外は、実施の形態1と同様であり、その説明を省略する。
FIG. 8 is a sectional view showing a configuration of the
以上のように、本発明の実施の形態2にかかる電力用半導体装置102によれば、リードを折り曲げて二枚重ねた多重リード40を備えるようにしたので、リードを折り曲げて2枚重ねることでプレスフィット部2aと多重リード40の接触面積を増やし、接合強度を高くすることで、外部基板に実装した際の振動に対して接合強度が増加する。さらに、多重リードと挿入端子の接触面積を増やすことができるため、多重リードと挿入端子の接合界面の電気抵抗が低下して、端子の発熱を抑えて外部基板の温度を下げることができる。
As described above, according to the
実施の形態3.
実施の形態2では、多重リード40を用いた場合について説明したが、実施の形態3では、異厚リードを用いた場合について説明する。
In the second embodiment, the case where the multiple leads 40 are used has been described. In the third embodiment, the case where different thickness leads are used will be described.
図9は、本発明の実施の形態3による電力用半導体装置103の構成を示す断面図である。図9に示すように、電力用半導体装置103は、実施の形態1と比べてリード18の厚さが異なる異厚リード42を備える。異厚リード42には、異厚リード42を貫く貫通孔43が形成されている。異厚リード42は、封止体6内のリードパターン20より、板厚が厚く、0.5〜3.0mmの厚さを有する。異厚リード42の根元部42aは、封止体6で覆われている。電力用半導体装置103のその他の構成については、実施の形態1の電力用半導体装置101と同様であり、その説明を省略する。製造方法については、予め異厚リード42を形成したリードフレーム51を準備する以外は、実施の形態1と同様であり、その説明を省略する。
FIG. 9 is a sectional view showing a configuration of the
以上のように、本発明の実施の形態3にかかる電力用半導体装置103によれば、リードパターン20よりも厚い異厚リード42を備え、異厚リード42の根元部42aを封止体6で覆うようにしたので、異厚リード42は板厚増加に加えて、異厚部分が封止体6中まで繋がっているため異厚リード42の剛性が上がっている。このため、実施の形態2のように接触面積を増加する効果と、挿入端子の挿入時に貫通孔の変形に伴うリードの変形を抑制することができる。
As described above, according to the
なお、リードフレーム全体の板厚を増やすことも可能であるが、異厚リード42を設けることで次の利点がある。電力用半導体素子を搭載するリードパターン20下面は、アルミ板13が接着樹脂で接着されている。電力用半導体素子が搭載するリードパターン20の板厚を増やすと、実動作における温度サイクル時にリードパターン20とアルミ板13の熱歪みのミスマッチにより、接着樹脂との接合性が低下する。このため、接合信頼性を高くするためには異厚リード42と異厚リード42から封止体6に繋がるリード根元部42aのみの板厚を増やすことが望ましい。
Although it is possible to increase the plate thickness of the entire lead frame, the provision of the
実施の形態4.
実施の形態1では、リード18に丸穴形状の貫通孔19を形成した場合について説明したが、実施の形態4では、スリット状の貫通孔を形成した場合について説明する。
In the first embodiment, the case where the round hole-shaped through
図10は、本発明の実施の形態4による電力用半導体装置104のリード18の構成を示す平面図である。図10(a)に示すように、電力用半導体装置104は、円の両端を削り取ったスリット状の貫通孔44を有する。貫通孔44はリードの配線方向に沿って長く、短手側の辺が円弧状になっている。また、貫通孔44の幅は、リードの幅方向に対して、実施の形態1の貫通孔より狭い。実施の形態1では貫通孔の直径以上のリード幅が必要であったが、本実施の形態4では直径以下のリード幅でリードを形成することができる。電力用半導体装置104のその他の構成については、実施の形態1の電力用半導体装置101と同様であり、その説明を省略する。製造方法については、予めスリット状の貫通孔44を有するリード18を形成したリードフレーム5を準備する以外は、実施の形態1と同様であり、その説明を省略する。
FIG. 10 is a plan view showing the configuration of the
以上のように、本発明の実施の形態4にかかる電力用半導体装置104によれば、リード18にスリット状の貫通孔44を設けるようにしたので、リード幅を小さくすることで、リード間の絶縁距離を長くすることが可能となり、絶縁に対して高い信頼性を得ることができる。また、挿入端子2を挿入する場合、スリット状の貫通孔44の長手がガイドになって、リードに対して垂直に挿入することができる。さらに、スリット状の貫通孔44の短手長さを挿入端子の板厚と同等、もしくは板厚+0.2mm以下に抑えることで、挿入端子を挿入時に長手がガイドになって、リードに対して垂直に挿入することができる。なお、貫通孔の短手側の辺は円弧状に限るわけではない。図10(b)に示すように、直線形状でも同様の効果が得られる。
As described above, according to the power semiconductor device 104 according to the fourth exemplary embodiment of the present invention, since the
実施の形態5.
実施の形態1では、リード18に貫通孔19を1個形成した場合について説明したが、実施の形態5では、貫通孔を複数固形成した場合について説明する。
In the first embodiment, the case where one
図11は、本発明の実施の形態5による電力用半導体装置105の構成を示す断面図である。図11に示すように、電力用半導体装置105は、1つのリード18それぞれに、貫通孔19が2個、リードの配線方向に並んで設けられている。各貫通孔19には、挿入端子2がそれぞれ挿入されている。電力用半導体装置105のその他の構成については、実施の形態1の電力用半導体装置101と同様であり、その説明を省略する。製造方法については、予め各リード18にそれぞれ2個の貫通孔19を形成したリードフレーム5を準備する以外は、実施の形態1と同様であり、その説明を省略する。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration of
電力用半導体装置はスイッチング素子3や整流素子4が発熱し、モジュールの温度が150℃以上になることがある。素子の熱はリードパターン20にも伝導し、挿入端子2を経由して外部基板に伝わる。このとき外部基板上で熱に弱い部品が設置されていると、挿入端子2の熱で加熱されて部品の信頼性が低下する可能性がある。これに対して本実施の形態5では、貫通孔19を2個設けて、挿入端子2に伝わる熱を分散することで外部基板に伝導する熱を抑制し、外部基板の部品の信頼性を高めることができる。
In the power semiconductor device, the switching
なお、貫通孔19の数は2個に限らず3個以上でも同様の効果が得られ、挿入端子2はリードの発熱に応じて、必要なリードのみに挿入してもよい。
The number of through-
以上のように、本発明の実施の形態5にかかる電力用半導体装置105によれば、各リード18に、それぞれ複数の貫通孔19を設け、挿入された挿入端子2から外部基板に伝導する熱を分散するようにしたので、外部基板に伝導する熱を抑制し、外部基板の部品の信頼性を高めることができる。
As described above, according to the
リードはパッケージの外側に設置されていることから、電力用半導体素子の熱が伝導する経路が長く、伝わりにくい。この効果は実施の形態1〜4でも享受されるが、本実施の形態5では、さらに挿入端子を増やすことで、熱が伝わりにくい効果を増幅することができる。 Since the lead is disposed outside the package, the path through which the heat of the power semiconductor element is conducted is long and difficult to be transmitted. This effect is also enjoyed in the first to fourth embodiments, but in the fifth embodiment, the effect that heat is hardly transmitted can be amplified by further increasing the number of insertion terminals.
実施の形態6.
実施の形態5では、リード18に設けた2個の貫通孔19にそれぞれ挿入端子2を挿入した場合について説明したが、実施の形態6では、貫通孔の1つをジャンパー配線する場合について説明する。
In the fifth embodiment, the case where the
図12は、本発明の実施の形態6による電力用半導体装置の構成を示したものであって、図12(a)は電力用半導体装置の上面図、図1(b)は図1(a)のB−B線での矢視断面図である。図12に示すように、電力用半導体装置106は、1つのリード18それぞれに、貫通孔19が2個、リードの配線方向に並んで設けられている。電力用半導体装置106では、スイッチング素子3および整流素子4側のそれぞれ2個の貫通孔19には、挿入端子2が挿入されているが、IC17側の貫通孔19には、外側の貫通孔19にのみ挿入端子2がそれぞれ挿入されている。封止体6に近い内側の貫通孔19には、ジャンパー配線25が挿入されている。ジャンパー配線25は挿入端子2と異なり、外部基板に接続する直線端子部を有さないが、同方向にプレスフィット部を2個有しており、2個のリード18と接続できる形状となる。電力用半導体装置106のその他の構成については、実施の形態1の電力用半導体装置101と同様であり、その説明を省略する。製造方法については、予め各リード18にそれぞれ2個の貫通孔19を形成したリードフレーム5を準備する以外は、実施の形態1と同様であり、その説明を省略する。
FIG. 12 shows the configuration of the power semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention. FIG. 12 (a) is a top view of the power semiconductor device, and FIG. 1 (b) is FIG. It is an arrow directional cross-sectional view in the BB line. As shown in FIG. 12, the
図12(a)に示すように、ジャンパー配線25は、第一のリード18aと第二のリード18bを接続している。例えば、第二のリード18bがリードパターンと接続しないダミーリードの場合、第一のリード18aと第二のリード18bをジャンパー配線25でつなぐことで、電気的に同電位とすることができる。そして第二のリード18bに挿入端子2を挿入すると、第一のリード18aと同じ電気信号を外部基板に伝えることができる。このため、外部基板で配線のレイアウトを変える必要がある場合に、ジャンパー配線25を繋ぐことでリード配置を変えることが可能となる。リードフレームを再設計すると、リードフレームの加工費や、トランスファーモールドの金型が必要となるが、ジャンパー配線25を設けることで、同一部材を使用することが可能となり生産性が向上する。特に、封止体6の上面、下面よりも低くジャンパーを形成することで、外部基板に搭載するときに外部基板から絶縁を確保することが容易となる。
As shown in FIG. 12A, the
なお、ジャンパー配線25はスイッチング素子3と整流素子4が搭載されるリードフレーム側のリードに接続しても同様の効果が得られる。また、図13に示すように、ジャンパー配線25は、リード18の外側の貫通孔19に挿入された挿入端子2とは逆の方向から挿入してもよい。反対面に配置することで、外部基板の配線との絶縁距離を取ることができる。さらに、リード両面にジャンパーを複数形成することで、複雑な回路を構成することもできる。
The same effect can be obtained by connecting the
以上のように、本発明の実施の形態6にかかる電力用半導体装置106によれば、各リード18に、それぞれ複数の貫通孔19を設け、一方の貫通孔にジャンパー配線25を設けるようにしたので、外部基板で配線のレイアウトを変える必要がある場合に、ジャンパー配線を繋ぐことでリード配置を変えることが可能となり、同一部材を使用することが可能となり生産性が向上する。また、封止体6の上面、下面よりも低くジャンパーを形成することで、外部基板に搭載するときに外部基板から絶縁を確保することが容易となる。さらに、ジャンパー配線25を、リード18の外側の貫通孔19に挿入された挿入端子2とは逆の方向から挿入することで、外部基板の配線との絶縁距離を取ることができる。
As described above, according to the
実施の形態7.
実施の形態1では、挿入端子2に楕円形状のプレスフィット部2aが形成されている場合について説明したが、実施の形態6では、プレスフィット部にカエリ部を設けた場合について説明する。
In the first embodiment, the case where the elliptical press-
図14は、本発明の実施の形態7による電力用半導体装置108の挿入端子26の構成を示す断面図である。図14に示すように、挿入端子26は、プレスフィット部の位置に突起を設けてカエリ部26fを設けている。カエリ部26fは、リード挿入後にリード下面に係合するように設置する。電力用半導体装置108のその他の構成については、実施の形態1の電力用半導体装置101と同様であり、その説明を省略する。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing the configuration of the
以上のように、本発明の実施の形態7にかかる電力用半導体装置108によれば、挿入端子26に、リード挿入後にリード下面に係合するようにカエリ部26fを設けるようにしたので、カエリ部26fがリード18とアンカー固定されて、挿入端子がより抜けにくくなり接合信頼性が向上する。
As described above, according to the power semiconductor device 108 according to the seventh embodiment of the present invention, the
なお、上記実施の形態1〜7においては、スイッチング素子や整流素子として機能する電力用半導体素子には、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でもよいが、本発明においては炭化珪素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)系材料、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を用いることができる。ワイドバンドギャップ半導体材料を用いて形成され、電流許容量および高温動作が可能な半導体素子を用いた場合に、本発明の電力用半導体装置101は、特に顕著な効果が現れる。特に、炭化珪素を用いた電力用半導体素子に好適に用いることができる。デバイス種類としては、特に限定する必要はないが、IGBTの他に、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor)でもよく、その他縦型半導体素子であればよい。
In the first to seventh embodiments, the power semiconductor element functioning as a switching element or a rectifying element may be a general element based on a silicon wafer. However, in the present invention, silicon carbide (SiC ), Gallium nitride (GaN) -based materials, or so-called wide band gap semiconductor materials having a wider band gap than silicon, such as diamond. The
ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子や整流素子は、シリコンで形成された素子よりも電力損失が低いため、スイッチング素子や整流素子における高効率化が可能であり、ひいては、電力用半導体装置の高効率化が可能となる。さらに、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子や整流素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子や整流素子を用いることにより、電力用半導体装置も小型化、もしくはさらなる大電流化が可能となる。また耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクに装着する放熱フィン(冷却器)の小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置の一層の小型化、大電流化が可能になる。 Since switching elements and rectifying elements formed of wide band gap semiconductors have lower power loss than elements formed of silicon, it is possible to increase the efficiency of switching elements and rectifying elements. High efficiency can be achieved. In addition, because it has high voltage resistance and high allowable current density, it is possible to reduce the size of switching elements and rectifier elements. By using these reduced switching elements and rectifier elements, power semiconductor devices can also be reduced in size. Or, further increase in current becomes possible. In addition, since it has high heat resistance, it can operate at high temperatures, and it is possible to reduce the size of the heat dissipating fins (coolers) attached to the heat sink and the air cooling of the water cooling part. Large current can be achieved.
そのため、挿入端子の断面積を増やして熱容量を増加させることができるが、ワイヤドバンドギャップ半導体と組み合わせることで、その効果は発揮され、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かすことができるようになる。スイッチング素子及び整流素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていても、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよい。 For this reason, the heat capacity can be increased by increasing the cross-sectional area of the insertion terminal. However, when combined with a wired band gap semiconductor, the effect is exhibited and the characteristics of the wide band gap semiconductor can be utilized. Both the switching element and the rectifying element may be formed of a wide band gap semiconductor, or one of the elements may be formed of a wide band gap semiconductor.
実施の形態8.
本実施の形態は、上述した実施の形態1〜7にかかる電力用半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態8として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
Embodiment 8 FIG.
In the present embodiment, the power semiconductor device according to the first to seventh embodiments described above is applied to a power conversion device. Although the present invention is not limited to a specific power converter, hereinafter, a case where the present invention is applied to a three-phase inverter will be described as an eighth embodiment.
図15は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。 FIG. 15: is a block diagram which shows the structure of the power conversion system to which the power converter device concerning this Embodiment is applied.
図15に示す電力変換システムは、電源100、電力変換装置200、負荷300から構成される。電源100は、直流電源であり、電力変換装置200に直流電力を供給する。電源100は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やAC/DCコンバータで構成することとしてもよい。また、電源100を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するDC/DCコンバータによって構成することとしてもよい。
The power conversion system illustrated in FIG. 15 includes a
電力変換装置200は、電源100と負荷300の間に接続された三相のインバータであり、電源100から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷300に交流電力を供給する。電力変換装置200は、図15に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路201と、主変換回路201を制御する制御信号を主変換回路201に出力する制御回路203とを備えている。
The
負荷300は、電力変換装置200から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷300は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
The
以下、電力変換装置200の詳細を説明する。主変換回路201は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており(図示せず)、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源100から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷300に供給する。主変換回路201の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路201は2レベルの三相フルブリッジ回路であり、6つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された6つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路201の各スイッチング素子や各還流ダイオードは、上述した実施の形態1〜7のいずれかに相当する電力用半導体装置(ここでは電力用半導体装置101で説明する)によって構成する。6つのスイッチング素子は2つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相(U相、V相、W相)を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路201の3つの出力端子は、負荷300に接続される。
Hereinafter, details of the
また、主変換回路201は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路(図示なし)を備えているが、駆動回路は電力用半導体装置101に内蔵されていてもよいし、電力用半導体装置101とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路201のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路201のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路203からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号(オン信号)であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号(オフ信号)となる。
The
制御回路203は、負荷300に所望の電力が供給されるよう主変換回路201のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷300に供給すべき電力に基づいて主変換回路201の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間(オン時間)を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するPWM制御によって主変換回路201を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路201が備える駆動回路に制御指令(制御信号)を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
The
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路201のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態1〜7にかかる半導体装置を適用するため、信頼性向上を実現することができる。
In the power conversion device according to the present embodiment, since the semiconductor device according to the first to seventh embodiments is applied as the switching element and the free wheel diode of the
本実施の形態では、2レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、2レベルの電力変換装置としたが3レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはDC/DCコンバータやAC/DCコンバータに本発明を適用することも可能である。 In the present embodiment, the example in which the present invention is applied to the two-level three-phase inverter has been described. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to various power conversion devices. In the present embodiment, a two-level power converter is used. However, a three-level or multi-level power converter may be used. When power is supplied to a single-phase load, the present invention is applied to a single-phase inverter. You may apply. In addition, when power is supplied to a direct current load or the like, the present invention can be applied to a DC / DC converter or an AC / DC converter.
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。 In addition, the power conversion device to which the present invention is applied is not limited to the case where the load described above is an electric motor. For example, the power source of an electric discharge machine, a laser processing machine, an induction heating cooker, or a non-contact power supply system It can also be used as a device, and can also be used as a power conditioner for a photovoltaic power generation system, a power storage system, or the like.
なお、本発明は、その発明の範囲内において、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。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
2、22、23、24、25、26 挿入端子、2a、22a、23a、24a、26a プレスフィット部、2b、22b、23b、24b、26b 固定部、2c、22c、26c 直線端子部、3 スイッチング素子、4 整流素子、5、50、51 リードフレーム、6 封止体、9 アルミワイヤ、10 金ワイヤ、18、18a、18b、40、42 リード、19、41、43、44、45 貫通孔、20 リードパターン、21 外部基板、22d、24d 切り欠き、26f カエリ部、100 電源、101、102、103、104、105、106、107、108 電力用半導体装置、200 電力変換装置、201 主変換回路、203 制御回路、300 負荷 2, 22, 23, 24, 25, 26 Insertion terminal, 2a, 22a, 23a, 24a, 26a Press fit part, 2b, 22b, 23b, 24b, 26b Fixed part, 2c, 22c, 26c Linear terminal part, 3 Switching Element, 4 Rectifying element, 5, 50, 51 Lead frame, 6 Sealed body, 9 Aluminum wire, 10 Gold wire, 18, 18a, 18b, 40, 42 Lead, 19, 41, 43, 44, 45 Through hole, 20 lead pattern, 21 external substrate, 22d, 24d notch, 26f burrs, 100 power supply, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108 power semiconductor device, 200 power conversion device, 201 main conversion circuit , 203 Control circuit, 300 load
Claims (18)
前記リード部が露出するように、前記電力用半導体素子、前記ワイヤ、および前記リードパターンの間を封止樹脂で封止した封止体と、
前記貫通孔に挿入する挿入端子と
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。 A lead frame having a power semiconductor element mounted thereon, a lead pattern connected to the electrode of the power semiconductor element by a wire, and a lead portion provided with a through hole;
A sealing body in which a space between the power semiconductor element, the wire, and the lead pattern is sealed with a sealing resin so that the lead portion is exposed;
An electric power semiconductor device comprising: an insertion terminal that is inserted into the through hole.
前記電力用半導体素子の電極と前記リードパターンとをワイヤにより接続する工程と、
前記リード部が露出するように、前記電力用半導体素子、前記ワイヤ、および前記リードパターンの間を封止樹脂で封止する工程と、
露出する前記リード部の前記貫通孔に挿入端子を挿入する工程と
を含むことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。 Placing a power semiconductor element on the lead pattern of a lead frame having a lead portion and a lead pattern provided with a through hole; and
Connecting the electrode of the power semiconductor element and the lead pattern by a wire;
Sealing the power semiconductor element, the wire, and the lead pattern with a sealing resin so that the lead portion is exposed;
And a step of inserting an insertion terminal into the through hole of the exposed lead portion.
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と
を備えた電力変換装置。 A main conversion circuit having the power semiconductor device according to any one of claims 1 to 16 for converting input power and outputting the converted power.
And a control circuit that outputs a control signal for controlling the main conversion circuit to the main conversion circuit.
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