JP2023172148A - 半導体装置及び電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】導電部材と配線とが接合部で接合された半導体装置において、導電部材の発熱によって接合部が再溶融することを抑止する。【解決手段】半導体チップ4が実装された絶縁回路基板3と、絶縁回路基板3を支持する放熱器1と、半導体チップ4あるいは絶縁回路基板3とバスバーBとを接続するリードフレーム6と、リードフレーム6とバスバーBとを接合する半田21とを備える電力変換装置Aであって、リードフレーム6を当接状態で支持すると共にリードフレーム6から放熱器1に伝熱する伝熱フレーム9を備える。【選択図】図3

Description

本発明は、半導体装置及び電力変換装置に関するものである。
特許文献1には、第1バスバー及び半導体チップに接続される接続リードを有する電力変換装置が開示されている。特許文献1に開示された電力変換装置は、接続リードを通じて第1バスバーから半導体チップの電極へと電力供給を行う。
特開2014-187818号公報
ところで、特許文献1に開示された電力変換装置は、半導体チップを備える半導体装置であり、接続リードと第1バスバーとが半田によって接合されている。半田は、半導体装置の製造過程において溶融され、その後に再固化されることで接続リードと第1バスバーとを溶着する接合部となる。しかしながら、このような接続リード等の導電部材と第1バスバー等の配線との接続構造では、導電部材が異常発熱した場合に、再固化した接合部が再溶融し、導電部材と配線とが解離する虞がある。
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、導電部材と配線とが接合部で接合された半導体装置及び電力変換装置において、導電部材の発熱によって接合部が再溶融することを抑止することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
本発明の第1の態様は、半導体チップが実装された絶縁回路基板と、上記絶縁回路基板を支持する放熱部材と、上記半導体チップあるいは上記絶縁回路基板と配線とを接続する導電部材と、上記導電部材と上記配線とを接合する接合部とを備える半導体装置であって、上記導電部材を当接状態で支持すると共に上記導電部材から上記放熱部材に伝熱する伝熱支持部を備えるという構成を採用する。
本発明によれば、導電部材で発生した熱を、伝熱支持部を通じて放熱部材に伝えることができる。このため、導電部材で発生した熱が接合部に伝わることを抑制し、接合部が再溶融することを抑止できる。したがって、本発明によれば、導電部材と配線とが接合部で接合された半導体装置において、導電部材の発熱によって接合部が再溶融することを抑止することができる。
本発明の第1実施形態の電力変換装置の電気的な概略構成を示す回路図である。 本発明の第1実施形態の電力変換装置のパワーデバイスDを含む模式的な部分拡大図である。 図2のA-A断面図である。 本発明の第2実施形態の電力変換装置のパワーデバイスDを含む模式的な部分拡大図である。 図4のB-B断面図である。
以下、図面を参照して、本発明に係る半導体装置の一実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、本発明の半導体装置を車両に搭載される電力変換装置に適用した例について説明する。ただし、本発明は、電力変換装置に限定されるものではなく、半導体チップを備える半導体装置に適用可能である。
(第1実施形態)
図1は、本実施形態の電力変換装置Aの電気的な概略構成を示す回路図である。本実施形態の電力変換装置Aは、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載されるPCU(パワーコントロールユニット)であり、昇降圧回路E1及び2つのインバータ回路(第1インバータ回路E2と第2インバータ回路E3)を備えている。また、本実施形態の電力変換装置Aは、昇降圧回路E1と2つのインバータ回路や、インバータ回路とモータを接続するバスバーB(配線)を備えている。
このような本実施形態の電力変換装置Aは、バッテリから供給された電力を三相交流電力に変換してモータに供給する。また、電力変換装置Aは、モータからの回生電力をバッテリに供給する。
図1に示すように、昇降圧回路E1は、4つのパワーデバイスDと、コンデンサCと、リアクトルLとを備えている。また、第1インバータ回路E2は、6つのパワーデバイスDを備えている。また、第2インバータ回路E3は、6つのパワーデバイスDを備えている。
各々のパワーデバイスDは、パワートランジスタを有している。これらのパワートランジスタは、半導体チップ4(図2参照)に形成され、絶縁回路基板3(図2参照)に実装されている。なお、本実施形態においては、1つのパワーデバイスDが1つのパワートランジスタを備える例について説明する。しかしながら、1つのパワーデバイスDが複数のパワートランジスタを備えてもよい。
図2は、1つのパワーデバイスDを含む電力変換装置Aの模式的な部分拡大図である。また、図3は、図2のA-A断面図である。これらの図に示すように、電力変換装置Aは、放熱器1(放熱部材)と、樹脂ケース2(保持フレーム)と、絶縁回路基板3と、半導体チップ4と、外部端子5と、リードフレーム6(導電部材)と、リードワイヤ7と、封止材8と、伝熱フレーム9(伝熱支持部)とを備えている。なお、本実施形態では、パワーデバイスDは、絶縁回路基板3と、半導体チップ4とで構成されている。
放熱器1は、例えばウォータジャケットである。放熱器1は、半導体チップ4等を冷却する。放熱器1は、例えば冷却液を有しており、絶縁回路基板3等を介して半導体チップ4から伝達された熱を冷却液によって回収する。なお、図3においては、放熱器1の一部(天板部)のみを図示している。放熱器1の天板の表面(図3における上面)には樹脂ケース2等が配置されている。一方、天板の裏面(図3における下面)には複数のフィンが形成されている。フィンが形成された天板の裏面側には、例えば冷却液の水路が形成されている。
樹脂ケース2は、接着剤20を介して、放熱器1に接着されている。樹脂ケース2は、パワーデバイスDが収容される開口部2aを有している。樹脂ケース2は、パワーデバイスDの数と同数の開口部2aを有している。各々の開口部2aに対して1つのパワーデバイスDが収容されている。この樹脂ケース2は、バスバーBを保持している。図3に示すように、バスバーBは、リードフレーム6との接合箇所が開口部2aの内側に向けて露出された状態で保持されている。
絶縁回路基板3は、絶縁性セラミックス基板と、絶縁性セラミックス基板の両面に形成された金属層とを有する。絶縁性セラミックス基板の表側(図3における上面)に形成された金属層は、半導体チップ4と電気的に接続され、導電回路の一部を形成する。絶縁性セラミックス基板の裏側(図3における下面)に形成された金属層は、半導体チップ4等から伝わる熱を放熱器1に伝達する伝熱路の一部を形成する。
絶縁性セラミックス基板は、例えば、酸化アルミニウム(Al)、窒化アルミニウム(AlN)、シリコン系セラミックス(SiNi)によって形成することができる。また、金属層は、例えば、銅(Cu)、アルミニウム(Al)によって形成することができる。
半導体チップ4は、例えば、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等の半導体素子が形成されたチップである。半導体チップ4は、絶縁回路基板3上に実装されている。本実施形態においては、1つの絶縁回路基板3に対して、1つの半導体チップ4が実装されている。なお、1つの絶縁回路基板3に対して複数の半導体チップ4が実装されていてもよい。このような半導体チップ4は、シリコン(Si)半導体を用いて形成することができる。また、半導体チップ4は、炭化ケイ素(SiC)半導体、窒化ガリウム(GaN)半導体等のワイドギャップ半導体を用いて形成することも可能である。
外部端子5は、樹脂ケース2に対して保持されている。外部端子5は、複数設けられており、各々がリードワイヤ7を介して半導体チップ4に接続されている。これらの外部端子5を介して外部から半導体チップ4が制御される。
リードフレーム6は、パワーデバイスDとバスバーBとを接続する板状の導電部材である。本実施形態においては、2つのリードフレーム6が1つのパワーデバイスDに対して接続されている。なお、1つのパワーデバイスDに対して接続されるリードフレーム6の数は、変更することができる。これらのリードフレーム6は、制御信号が流れるリードワイヤ7と比較して、大きな電流が流れる導電部材である。
本実施形態では、リードフレーム6として、第1リードフレーム6aと第2リードフレーム6bとが設けられている。第1リードフレーム6aは、半導体チップ4とバスバーBとに接続されている。また、第2リードフレーム6bは、絶縁回路基板3とバスバーBとに接続されている。
各々のリードフレーム6は、半導体チップ4側を向く表面であるチップ側表面を有する板状に形成されている。図3に示すように、本実施形態のリードフレーム6のチップ側表面の一部が伝熱フレーム9に対して面接触されている。より具体的には、リードフレーム6は、バスバーBとの接続端部である配線接続端部61と、配線接続端部61から半導体チップ4の表面と平行に延出する中間部62とを有している。配線接続端部61は、図3に示すように、中間部62に対して傾斜されている。これらの配線接続端部61のチップ側表面と、中間部62のチップ側表面とが伝熱フレーム9と面接触されている。
リードワイヤ7は、半導体チップ4と外部端子5とを接続する導電部材である。つまり、半導体チップ4と外部端子5とは、いわゆるワイヤボンディングによって電気的に接続されている。
封止材8は、樹脂ケース2の開口部2aの内部に充填されている。封止材8は、絶縁回路基板3及び半導体チップ4等を覆い、絶縁回路基板3及び半導体チップ4等が空気等に触れることを抑止する。この封止材8は、例えば、シリコーンゲルによって形成することができる。
図3に示すように、封止材8は、リードフレーム6とバスバーBとの接合部である半田21を露出させた状態で半導体チップ4を封止している。つまり、リードフレーム6とバスバーBとの接合部を形成する半田21は、封止材8の外部に配置されている。
伝熱フレーム9は、放熱器1上に立設されており、リードフレーム6を支持する。図3に示すように、伝熱フレーム9は、リードフレーム6に下方から当接されており、リードフレーム6を下方から支持する。このような伝熱フレーム9は、リードフレーム6が発熱した場合に、リードフレーム6から放熱器1に伝熱する。この結果、伝熱フレーム9は、リードフレーム6の熱が半田21に伝達されることを抑止する。
図2に示すように、本実施形態において伝熱フレーム9は、絶縁回路基板3及び半導体チップ4を囲う枠状に形成されている。このような枠状の伝熱フレーム9は、外壁面が樹脂ケース2の開口部2aの内壁に当接される大きさに形成されている。このような枠状の伝熱フレーム9は、樹脂ケース2の開口部2aに収容されることで樹脂ケース2に対して位置決めされている。
また、図3に示すように、本実施形態の伝熱フレーム9は、リードフレーム6に当接されるリードフレーム当接部位9a(導電部材当接部位)と、リードフレーム当接部位9aよりも放熱器1からの高さ寸法が小さい低部位9bとを有している。低部位9bは、平面視において、リードワイヤ7と重なる位置に設けられている。伝熱フレーム9が低部位9bを備えることによって、リードワイヤ7が伝熱フレーム9を容易に跨ぐことが可能となる。
リードフレーム当接部位9aは、リードフレーム6の配線接続端部61と面接触される傾斜面9a1を有している。また、リードフレーム当接部位9aは、リードフレーム6の中間部62と面接触される延出部9a2とを有している。
このような伝熱フレーム9は、樹脂ケース2よりも熱伝導率が高い材料によって形成されていることが好ましい。伝熱フレーム9の熱伝導率が樹脂ケース2よりも高いことで、伝熱フレーム9を伝わる熱が樹脂ケース2に伝わることを抑制することができる。例えば、樹脂ケース2は、PPS(ポリフェニレンスルファイド)、LCP(液晶ポリマー)で形成できる。また、伝熱フレーム9は、樹脂ケース2よりも熱伝導率を高めた高熱伝導性PPSによって形成することができる。
また、本実施形態の電力変換装置Aには、ロウ材である半田21(接合部)が各所に設けられている。具体的には、図3に示すように、第1リードフレーム6aとバスバーBとの接合箇所に半田21が設けられている。つまり、第1リードフレーム6aとバスバーBとは、半田21を用いて接合されている。また、第1リードフレーム6aと半導体チップ4との接合箇所に半田21が設けられている。つまり、第1リードフレーム6aと半導体チップ4とは、半田21を用いて接合されている。
また、半導体チップ4と絶縁回路基板3との間に半田21が設けられている。つまり、半導体チップ4と絶縁回路基板3とは、半田21を用いて接合されている。また、絶縁回路基板3と放熱器1との間に半田21が設けられている。つまり、絶縁回路基板3と放熱器1とは、半田21を用いて接合されている。
また、図3においては省略されているが、リードワイヤ7と外部端子5も半田を用いて接合されている。また、リードワイヤ7と半導体チップ4も半田を用いて接合されている。また、同様に、図3においては省略されているが、第2リードフレーム6bとバスバーBも、半田を用いて接合されている。また、第2リードフレーム6bと絶縁回路基板3も半田を用いて接合されている。
このような電力変換装置Aは、例えばリフロー処理を行うことで半田21を形成する。例えば、封止材8が設けられていない状態で、接合を要する箇所に半田シートあるいは半田片を配置する。具体的には、例えば、第1リードフレーム6aとバスバーBとの接合箇所に半田片を配置する。また、第1リードフレーム6aと半導体チップ4との接合箇所に半田シートを配置する。また、半導体チップ4と絶縁回路基板3との間に半田シートを配置する。また、絶縁回路基板3と放熱器1との間に半田シートを配置する。
また、リードワイヤ7と外部端子5との接合箇所と、リードワイヤ7と半導体チップ4との接合箇所にも半田シートあるいは半田片を配置する。また、同様に、第2リードフレーム6bとバスバーBとの接合箇所と、第2リードフレーム6bと絶縁回路基板3との接合箇所にも、半田シートあるいは半田片を配置する。
続いて、ギ酸ガス等の還元ガスの雰囲気中において、ロウ材である半田シート及び半田片を溶融させる。このとき、還元ガスの作用により、半田シート及び半田片の表面の酸化層が除去される。溶融された半田シート及び半田片は、接合箇所において濡れ広がる。その後、溶融した半田を冷却して再固化させることで、接合を要する箇所に半田21が形成される。その後、樹脂ケース2の開口部2aに封止材8を設ける。
以上のような本実施形態の電力変換装置Aは、絶縁回路基板3と、放熱器1と、リードフレーム6と、半田21とを備えている。絶縁回路基板3は、半導体チップ4が実装されている。放熱器1は、絶縁回路基板3を支持する。リードフレーム6は、半導体チップ4あるいは絶縁回路基板3とバスバーBとを接続する。半田21は、リードフレーム6とバスバーBとを接合する。また、電力変換装置Aは、伝熱フレーム9を備える。伝熱フレーム9は、リードフレーム6を当接状態で支持すると共にリードフレーム6から放熱器1に伝熱する。
このような本実施形態の電力変換装置Aによれば、リードフレーム6で発生した熱を、伝熱フレーム9を通じて放熱器1に伝えることができる。このため、リードフレーム6で発生した熱が半田21に伝わることを抑制し、半田21が再溶融することを抑止できる。
また、本実施形態の電力変換装置Aは、リードフレーム6とバスバーBとを接合する半田21を露出させた状態で半導体チップ4を封止する封止材8を備える。このような本実施形態の電力変換装置Aによれば、リードフレーム6とバスバーBとを接合する半田21が封止材8の外部に位置する。このため、半田21に熱が籠ることを抑止することができる。したがって、本実施形態の電力変換装置Aによれば、より確実に半田21が再溶融することを抑止できる。
また、本実施形態の電力変換装置Aは、リードフレーム6が、半導体チップ4側を向くチップ側表面を有する板状に形成されている。また、伝熱フレーム9が、リードフレーム6のチップ側表面の少なくとも一部に面接触されている。このように、リードフレーム6と伝熱フレーム9とが面接触することで、リードフレーム6と伝熱フレーム9との接触面積を拡大することができる。
また、本実施形態の電力変換装置Aにおいては、リードフレーム6は、バスバーBとの接続端部である配線接続端部61を有している。また、伝熱フレーム9は、少なくとも配線接続端部61に面接触されている。リードフレーム6の配線接続端部61は、半田21が溶着される部位である。このような配線接続端部61に伝熱フレーム9が直接的に面接触することで、より半田21に熱が伝わることを抑止できる。
また、本実施形態の電力変換装置Aにおいては、バスバーBを保持する樹脂ケース2を有している。また、伝熱フレーム9が、樹脂ケース2よりも熱伝導率が高い。このため、伝熱フレーム9を通じてリードフレーム6から熱が放熱器1に伝わりやすくなり、バスバーBを保持する樹脂ケース2に熱が伝わりにくくなる。したがって、熱をリードフレーム6から放熱器1により確実に伝達することが可能となる。
また、本実施形態の電力変換装置Aにおいては、伝熱フレーム9が、半導体チップ4を囲う枠状に形成されている。このような伝熱フレーム9は、半導体チップ4を囲うように配置することで、容易に位置決めすることが可能となる。したがって、製造過程において伝熱フレーム9の配置を容易に行うことが可能となる。
また、本実施形態の電力変換装置Aにおいて、伝熱フレーム9は、リードフレーム6に当接するリードフレーム当接部位9aと、リードフレーム当接部位9aよりも放熱器1からの高さ寸法が小さい低部位9bとを有する。このような本実施形態の電力変換装置Aによれば、低部位9bが設けられた位置で伝熱フレーム9を跨ぐように他部材を配置することで、他部材を容易に配置することが可能となる。例えば、本実施形態の電力変換装置Aにおいては、リードワイヤ7が伝熱フレーム9を容易に跨ぐことが可能となる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について、図4及び図5を参照して説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第1実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
図4は、1つのパワーデバイスDを含む電力変換装置Aの模式的な部分拡大図である。また、図5は、図4のB-B断面図である。これらの図に示すように、本実施形態の電力変換装置Aにおいては、伝熱フレーム9は、リードフレーム6が収容可能な溝部9cを有する。溝部9cは、伝熱フレーム9のリードフレーム当接部位9aの上面に設けられている。
このような溝部9cには、例えば、リードフレーム6の中間部62に配置される。溝部9cの底面にリードフレーム6の中間部62のチップ側表面が当接されている。このように、溝部9cにリードフレーム6が収容されることで、リードフレーム6が伝熱フレーム9に対して位置決めされる。
このような本実施形態の電力変換装置Aは、伝熱フレーム9が、リードフレーム6が収容可能な溝部9cを有する。このため、例えば伝熱フレーム9を樹脂ケース2の開口部2aに先に設置し、その後にリードフレーム6を溝部9cに収容する配置することで、リードフレーム6を伝熱フレーム9に対して容易に位置決めすることができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、導電部材が板状のリードフレーム6である構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。導電部材が線材であってもよい。
また、上記実施形態においては、導電部材が接合される配線がバスバーBである構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。バスバーBと異なる配線に対して導電部材を接合する構成に本発明を適用することも可能である。
また、上記実施形態においては、樹脂ケース2と伝熱フレーム9とが別体である構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、樹脂ケース2と伝熱フレーム9とを一体化して形成することも可能である。また、樹脂ケース2を省略し、伝熱フレーム9をケースとして用いることも可能である。
また、上記実施形態においては、伝熱支持部として枠状の伝熱フレーム9を用いる構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。伝熱支持部の形状は、枠状に限定されるものではなく、板状やL字形状等の他の形状を採用することも可能である。
また、上記実施形態においては、ロウ材として半田を用いる構成について説明した。つまり、ロウ材は半田を含む概念である。ただし、ロウ材は半田に限定されるものではない。
なお、上記実施形態については、例えば以下の付記のようにも記載できる。
(付記1)
半導体チップが実装された絶縁回路基板と、上記絶縁回路基板を支持する放熱部材と、上記半導体チップあるいは上記絶縁回路基板と配線とを接続する導電部材と、上記導電部材と上記配線とを接合する接合部とを備える半導体装置であって、
上記導電部材を当接状態で支持すると共に上記導電部材から上記放熱部材に伝熱する伝熱支持部を備えることを特徴とする半導体装置。
(付記2)
上記接合部を露出させた状態で上記半導体チップを封止する封止材を備えることを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記3)
上記半導体チップ側を向くチップ側表面を有する板状に上記導電部材が形成され、
上記伝熱支持部は、上記チップ側表面の少なくとも一部に面接触されている
ことを特徴とする付記1または2記載の半導体装置。
(付記4)
上記導電部材は、上記配線との接続端部である配線接続端部を有し、
上記伝熱支持部は、少なくとも上記配線接続端部に面接触されている
ことを特徴する付記3記載の半導体装置。
(付記5)
上記配線を保持する保持フレームを有し、
上記伝熱支持部は、上記保持フレームよりも熱伝導率が高い
ことを特徴とする付記1~4のいずれか一つに記載の半導体装置。
(付記6)
上記伝熱支持部は、上記導電部材が収容可能な溝部を有することを特徴とする付記1~5のいずれか一つに記載の半導体装置。
(付記7)
上記伝熱支持部は、上記半導体チップを囲う枠状に形成されていることを特徴とする付記1~6のいずれか一つに記載の半導体装置。
(付記8)
上記伝熱支持部は、
上記導電部材に当接する導電部材当接部位と、
上記導電部材当接部位よりも上記放熱部材からの高さ寸法が小さい低部位と
を有することを特徴とする請求項1~7のいずれか一つに記載の半導体装置。
(付記9)
付記1~8のいずれか一つに記載の半導体装置からなることを特徴とする電力変換装置。
1……放熱器(放熱部材)、2……樹脂ケース(保持フレーム)、2a……開口部、3……絶縁回路基板、4……半導体チップ、5……外部端子、6……リードフレーム(導電部材)、6a……第1リードフレーム、6b……第2リードフレーム、7……リードワイヤ、8……封止材、9……伝熱フレーム(伝熱支持部)、9a……リードフレーム当接部位、9b……低部位、9c……溝部、20……接着剤、21……半田(ロウ材)、21a……半田シート(ロウ材)、21b……半田片(ロウ材)、A……電力変換装置(半導体装置)

Claims (9)

  1. 半導体チップが実装された絶縁回路基板と、前記絶縁回路基板を支持する放熱部材と、前記半導体チップあるいは前記絶縁回路基板と配線とを接続する導電部材と、前記導電部材と前記配線とを接合する接合部とを備える半導体装置であって、
    前記導電部材を当接状態で支持すると共に前記導電部材から前記放熱部材に伝熱する伝熱支持部を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記接合部を露出させた状態で前記半導体チップを封止する封止材を備えることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記半導体チップ側を向くチップ側表面を有する板状に前記導電部材が形成され、
    前記伝熱支持部は、前記チップ側表面の少なくとも一部に面接触されている
    ことを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
  4. 前記導電部材は、前記配線との接続端部である配線接続端部を有し、
    前記伝熱支持部は、少なくとも前記配線接続端部に面接触されている
    ことを特徴する請求項3記載の半導体装置。
  5. 前記配線を保持する保持フレームを有し、
    前記伝熱支持部は、前記保持フレームよりも熱伝導率が高い
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
  6. 前記伝熱支持部は、前記導電部材が収容可能な溝部を有することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
  7. 前記伝熱支持部は、前記半導体チップを囲う枠状に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
  8. 前記伝熱支持部は、
    前記導電部材に当接する導電部材当接部位と、
    前記導電部材当接部位よりも前記放熱部材からの高さ寸法が小さい低部位と
    を有することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
  9. 請求項1または2記載の半導体装置からなることを特徴とする電力変換装置。
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