JP4816962B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子にリードフレームを接続した半導体装置に関する。
従来、半導体素子の電極部に外部との電気的接続を行うリードフレームをフリップチップ方式により接合した半導体装置が知られている。
このような半導体装置において、その駆動時には半導体素子に熱が発生するが、この熱はリードフレームを介して外部に放散される。この際、半導体素子とリードフレームとの線膨張係数の差異に起因して、半導体素子とリードフレームとの接合部に応力が生じ、半導体素子とリードフレームとの接合部分において電気的に不連続になることがあった。
このリードフレームに生じる応力を緩和する技術として、特許文献1に開示されたものがある。特許文献1の技術では、リードフレームを半導体素子との接合部分においてストライプ状とすることで、半導体素子とリードフレームとの間に生じる応力を緩和している。
特開2002−134568号公報
特許文献1の技術では、リードフレームが、半導体素子との接合部分において多数の溝が等間隔で形成されたストライプ状となっているので、リードフレームと半導体素子との接触面積が小さくなるため、この部分での接触抵抗が増大して電流容量が制約されるという問題があった。
また、リードフレームと半導体素子との接触面積が小さいため、半導体素子で発生した熱のリードフレームへの放散量が減少するという問題があった。
本発明は上記に鑑みてなされたもので、半導体素子に接合したリードフレームに生じる応力を緩和するとともに、接触抵抗の増大を抑え、かつ良好な放熱性を保つことができる半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、長方形板状の半導体基板と、この半導体基板上において、その長手方向の一辺に沿って延設された第1の電極部と、前記長手方向の他辺に沿って延設された第2の電極部とを有する半導体素子と、前記第1の電極部に接合され、前記半導体基板の前記長手方向に略垂直な方向に延び、前記第1の電極部との接合側に設けられたスリットが複数形成された板状の第1のリードフレームと、前記第2の電極部に接合され、前記半導体基板の前記長手方向に略垂直な方向に延び、前記第2の電極部との接合側に設けられたスリットが複数形成された板状の第2のリードフレームとを備え、前記第1のリードフレームおよび前記第2のリードフレームにおいて、複数の前記スリットは、隣り合うスリット間の間隔が、前記第1のリードフレームおよび前記第2のリードフレームにおける長手方向を二等分する中心線から外側に向かうほど小さくなるように形成されていることを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の半導体装置において、前記第1のリードフレームおよび前記第2のリードフレームにおいて、複数の前記スリットは、前記半導体基板の前記長手方向に関して対称な配置関係になるように形成されていることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の半導体装置において、前記第1のリードフレームおよび前記第2のリードフレームにおいて、複数の前記スリットのそれぞれについて、当該スリットに連通し、前記半導体基板の前記長手方向に延びる長穴状スリットが形成されていることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置において、前記第1のリードフレームに形成された複数の前記スリットと、前記第2のリードフレームに形成された複数の前記スリットとが、前記半導体基板の短手方向に関して対称な配置関係になるように形成されていることを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置において、前記第1のリードフレームに形成された前記各スリットは、前記第1の電極部をまたぐように形成され、前記第2のリードフレームに形成された前記各スリットは、前記第2の電極部をまたぐように形成されていることを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置において、前記第1のリードフレームに形成された前記各スリットは、前記第1の電極部との接合側に開口して形成され、前記第2のリードフレームに形成された前記各スリットは、前記第2の電極部との接合側に開口して形成されていることを特徴とする。
請求項7に記載の発明は、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置において、前記第1のリードフレームと前記第1の電極部との接合、および前記第2のリードフレームと前記第2の電極部との接合は、半田にて行われていることを特徴とする。
本発明の半導体装置によれば、半導体素子に接合したリードフレームに生じる応力を緩和するとともに、接触抵抗の増大を抑え、かつ良好な放熱性を保つことができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
図1は本発明の実施の形態に係る半導体装置の平面図、図2は図1におけるA−A線に沿った要部断面図、図3は図1に示す半導体装置の斜視図である。
図1〜図3に示すように、本実施の形態に係る半導体装置1は、半導体素子2と、外部との電気的接続を行うためのリードフレーム3A,3B,3Cとを備える。半導体素子2としては、トランジスタ、サイリスタ、IGBT等の3端子半導体素子であれば何でもよいが、本実施の形態では、半導体素子2が電界効果トランジスタ(FET)である場合を例に説明する。
半導体素子2は、線膨張係数が3〜5ppmのSi半導体等からなる3×5mm程度の長方形板状の半導体基板21と、半導体基板21上において、その長手方向の一辺2aに沿って延設された長尺状のドレイン電極22と、半導体基板21の長手方向の他辺2bに沿って延設された長尺状のソース電極23と、半導体基板21の長手方向の他辺2bに沿ってソース電極23と離間して設けられたゲート電極24とを備える。ドレイン電極22、ソース電極23、ゲート電極24は、いずれも線膨張係数が約17ppmのCu等からなり、その厚さが30〜40μm程度であり、また、その表面に厚さ数μm程度のAu等のメッキが施されている。
なお、ドレイン電極22は、半導体基板21の長手方向の一辺2aのほぼ全体にわたって形成されていることが、接触抵抗の増大を抑え、かつ良好な放熱特性を得るために望ましい。
リードフレーム3A,3B,3Cは、Cu等からなる板状体により構成され、それぞれドレイン電極22、ソース電極23、ゲート電極24にフリップチップ方式により、リードフレーム3A,3B,3Cとドレイン電極22、ソース電極23、ゲート電極24との間に半田、ろう材、または銀ペースト(図示せず)を介して接合されている。リードフレーム3A,3B,3Cの表面には、厚さ数μm程度のNi等のメッキが施されている。
リードフレーム3Aの長手方向の寸法は、例えば3〜10mm程度、厚さは0.2〜0.5mm程度であり、リードフレーム3Aには、スリット31a〜31fが形成されている。スリット31a〜31fは、半導体基板21の長手方向に対して略垂直な方向に延び、リードフレーム3Aのドレイン電極22との接合側に開口するように形成されている。スリット31a〜31fの切り込み長さは、例えば0.1〜1mm程度である。
なお、図1に示すように、半導体装置1を上方から見て、スリット31a〜31fはドレイン電極22をまたぐように形成されており、スリット31a〜31fによってドレイン電極22が一部露出している。
また、スリット31a〜31fは、隣り合うスリット間の間隔が、リードフレーム3Aの長手方向の外側に向かうほど小さくなるように形成されるとともに、リードフレーム3Aにおいて長手方向(図1の図示上下方向)を二等分する中心線cに関して対称な配置関係になるように形成されている。
つまり、中心線cに関して対称な位置に形成されたスリット31cとスリット31dとの間隔aよりもスリット31bとスリット31cとの間隔aのほうが小さく、スリット31aとスリット31bとの間隔aのほうがaよりも小さい。また、スリット31dとスリット31eとの間隔がスリット31bとスリット31cとの間隔と等しくaであり、スリット31eとスリット31fとの間隔がスリット31aとスリット31bとの間隔と等しくaである。
なお、リードフレーム3Aは、その長手方向の中心線cが、半導体基板21の長手方向の中心線(図示せず)に一致するように配置されていることが望ましい。
リードフレーム3Bの長手方向の寸法は例えば3〜10mm程度、厚さは0.2〜0.5mm程度であり、リードフレーム3Bには、スリット32a〜32fが形成されている。スリット32a〜32fは、半導体基板21の長手方向に対して略垂直な方向に延び、リードフレーム3Bのソース電極23との接合側に開口するように形成されている。スリット32a〜32fの切り込み長さは、スリット31a〜31fと同様に、例えば0.1〜1mm程度である。
なお、図1に示すように、半導体装置1を上方から見て、スリット32a〜32fはソース電極23をまたぐように形成されており、スリット32a〜32fによってソース電極23が一部露出している。
また、スリット32a〜32fは、隣り合うスリット間の間隔が、リードフレーム3Bの長手方向の外側に向かうほど小さくなるように形成されるとともに、リードフレーム3Bにおいて長手方向を二等分する中心線cに関して対称な配置関係になるように形成されている。
つまり、中心線cに関して対称な位置に形成されたスリット32cとスリット32dとの間隔bよりもスリット32bとスリット32cとの間隔bのほうが小さく、スリット32aとスリット32bとの間隔bのほうがbよりも小さい。また、スリット32dとスリット32eとの間隔がスリット32bとスリット32cとの間隔と等しくbであり、スリット32eとスリット32fとの間隔がスリット32aとスリット32bとの間隔と等しくbである。
ここで、リードフレームに生じる応力について、図4を参照して説明する。図4に示す比較例の半導体装置10は、図1〜図3に示した半導体装置1おけるリードフレーム3A,3Bを、スリットの形成されていない板状のリードフレーム11A,11Bに置き換えた構成である。
このような半導体装置10において、半導体素子2の駆動により発熱した場合、半導体素子2の半導体基板21とリードフレーム11A,11Bとの線膨張係数の差異に起因して、半導体基板21とリードフレーム11A,11Bとの間の接合部に応力が生じる。
半導体装置10のように板状のリードフレーム11A,11Bをドレイン電極22、ソース電極23に接合した場合では、図4に示すように、中心線c,c上であって、ドレイン電極22、ソース電極23に接合したリードフレーム11A,11Bの丸印12,13を中心として、半導体基板21の長手方向の矢印14,15で示す方向に応力が生じる。この応力は、半導体基板21とリードフレーム11A,11Bとの間の接合部において、リードフレーム11A,11Bの長手方向の外側に行くほど大きくなるため、応力集中は外側において極大となる。
本実施の形態に係る半導体装置1では、リードフレーム3A,3Bに設けたスリット31a〜31f,32a〜32fの変形または緩衝的な役割により、半導体基板21とリードフレーム3A,3Bとの線膨張係数の差異に起因して半導体基板21とリードフレーム3A,3Bとの間の接合部に生じる応力を緩和することができる。これにより、半田のクラック等の接続部における信頼性低下を抑制し、半導体素子2とリードフレーム3A,3Bとの接続信頼性の向上を図ることができる。
また、リードフレーム3A,3Bにおいて、それぞれスリット31a〜31f,32a〜32fがリードフレーム3A,3Bの長手方向(図1の図示上下方向)に関して対称に配置され、リードフレーム3A,3Bの長手方向の中央(中心線c,c)から外側に向かうほど各スリット間の間隔が小さくなっているので、リードフレーム3A,3Bの長手方向の外側に行くほど大きくなる半導体基板21とリードフレーム3A,3Bとの間の接合部における応力を効果的に緩和することができる。
また、このようなスリットの配置とすることで、必要以上に多くのスリットを設けることを避け、半導体素子2とリードフレーム3A,3Bとの接触面積を大きく保つことができる。これにより、半導体素子2とリードフレーム3A,3Bの接触抵抗が増大して電流容量が制約されることを抑えることができるとともに、半導体素子2からリードフレーム3A,3Bへの放熱性を良好に保つことができる。
なお、本実施の形態では、リードフレーム3A,3Bにそれぞれ6本のスリットが形成されている例を示したが、スリットの本数はこれに限らない。
また、図1において、スリット31a〜31f、スリット32a〜32fの切り込み長さがすべて同じであるように記載されているが、これに限らない。各スリットの切り込み長さは、例えば0.1〜1mmで形成されている。
また、リードフレーム3A,3Bにおけるスリット31a〜31f,32a〜32fは、ドレイン電極22、ソース電極23をまたぐように形成されていればよく、ドレイン電極22、ソース電極23との接合側に開口していなくてもよい。
また、半導体基板21は、SiC、セラミック、GaN,GaAsなどからなる基板や、Si等の上にGaN等を積層した積層基板等であってもよい。
(変形例1)
本発明の実施の形態の変形例1に係る半導体装置について説明する。図5は変形例1に係る半導体装置の平面図、図6は図5に示す半導体装置の斜視図である。なお、図5,6において、図1〜図3に示した半導体装置1と同一の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図5、図6に示すように、変形例1に係る半導体装置41は、図1〜図3に示した半導体装置1に対し、リードフレーム3A,3Bをリードフレーム5A,5Bに置き換えた構成である。
リードフレーム5Aには、半導体装置1のリードフレーム3Aのスリット31a〜31fと同様に配置されたスリット51a〜51fが形成されるとともに、スリット51a〜51fのそれぞれについて、当該スリットに連通し、半導体基板21の長手方向に延びる長穴状スリット52a〜52fが形成されている。
リードフレーム5Bには、半導体装置1のリードフレーム3Bのスリット31a〜31fと同様に配置されたスリット53a〜53fが形成されるとともに、スリット53a〜53fのそれぞれについて、当該スリットに連通し、半導体基板21の長手方向に延びる長穴状スリット54a〜54fが形成されている。
ちなみに、図5において、スリット51a〜51fおよび長穴状スリット52a〜52fによって、半導体基板21側から見てT字状に形成されているが、十字状であってもよい。スリット53a〜53fおよび長穴状スリット54a〜54fについても同様である。
また、半導体装置41を平面的に見て、リードフレーム5Aにおける長穴状スリット52a〜52fはドレイン電極22よりも内側(図示左側)に形成され、隣り合う長穴状スリット52a〜52fは連なっていない。同様に、リードフレーム5Bにおける長穴状スリット54a〜54fはソース電極23よりも内側(図示右側)に形成され、隣り合う長穴状スリット54a〜54fは連なっていない。
図4の比較例の半導体装置10に示したように、リードフレーム11A,11Bには、半導体基板21とリードフレーム11A,11Bとの線膨張係数の差異に起因する半導体基板21とリードフレーム11A,11Bとの接合部における長手方向の矢印14,15で示す方向の応力に加えて、リードフレーム11A,11Bは、スリット51a〜51f、スリット53a〜53fで開口した側と反対の辺側において基板のパットや外部リードと接続され固定されるので、半導体基板21およびリードフレーム11A,11Bの熱膨張、熱収縮、外部からの応力に起因して、短手方向の矢印16,17で示す方向に応力が生じることがある。
変形例1に係る半導体装置41では、リードフレーム5A,5Bに設けた長穴状スリット52a〜52f,54a〜54fの変形または緩衝的な役割により、リードフレーム5A,5Bと半導体基板21との接合部に生じるリードフレーム5A,5Bの短手方向の応力を緩和することができる。
これにより、上記実施の形態で説明した図1〜3に示す半導体装置1と同様の効果に加えて、半導体基板21およびリードフレーム5A,5Bの熱膨張、熱収縮、外部からの応力に起因して生じるリードフレーム5A,5Bの短手方向の応力による半田のクラック等の接合部における信頼性低下を抑制し、リードフレーム5A,5Bと半導体基板21との接続信頼性の向上を図ることができる。
(変形例2)
本発明の実施の形態の変形例2に係る半導体装置について説明する。図7は変形例2に係る半導体装置の斜視図である。
上記実施の形態では、半導体素子2が3端子を有するものとして例えばFETである場合を示したが、変形例2では、半導体素子が2端子を有するもの、例えばダイオードであるとする。
図7に示すように、変形例2に係る半導体装置61は、半導体素子62と、リードフレーム63A,63Bとを備える。
半導体素子62は、Si半導体等からなる長方形板状の半導体基板621と、半導体基板621上において、その長手方向の一辺62aに沿って延設された長尺状のアノード電極622と、半導体基板621の長手方向の他辺62bに沿って延設された長尺状のカソード電極623とを備える。アノード電極622、カソード電極623は、いずれもCu等からなり、その表面にAu等のメッキが施されている。
リードフレーム63A,63Bは、図1〜図3に示した半導体装置1のリードフレーム3Aと同様の構成であり、リードフレーム3Aにおけるスリット31a〜31fと同様の配置関係で、それぞれスリット631a〜631f,632a〜632fが形成されている。
リードフレーム63A,63Bは、スリット631a〜631fとスリット632a〜632fとが、半導体基板621の短手方向に関して対称な配置関係になるようにして、それぞれアノード電極622、カソード電極623に半田を介してフリップチップ方式により接合されている。
このように2端子の半導体素子62を用いた半導体装置61においても、リードフレーム63A,63Bに設けたスリット631a〜631f,632a〜632fにより、上記実施の形態の半導体装置1と同様に、リードフレーム63A,63Bと半導体基板621との間の接合部に生じる応力を緩和して接続信頼性を向上することができる。
また、半導体素子62とリードフレーム63A,63Bとの接触面積を大きく保つことができ、半導体素子62とリードフレーム63A,63Bの接触抵抗が増大して電流容量が制約されることを抑えることができるとともに、半導体素子2からリードフレーム3A,3Bへの放熱性を良好に保つことができる。
また、スリット631a〜631fとスリット632a〜632fとが、半導体基板621の短手方向に関して対称な配置関係になるように形成されているので、リードフレーム63A,63Bに生じる応力を均等に緩和し、半導体装置61に応力の偏りが生じることを抑制することができる。
(変形例3)
本発明の実施の形態の変形例3に係る半導体装置について説明する。図8は変形例3に係る半導体装置の斜視図である。なお、図8において、図7に示した半導体装置61と同一の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図8に示すように、変形例3に係る半導体装置71は、図7に示した半導体装置61に対し、リードフレーム63A,63Bをリードフレーム72A,72Bに置き換えた構成である。
リードフレーム72A,72Bには、半導体装置61のリードフレーム63A,63Bのスリット631a〜631f、スリット632a〜632fと同様に配置されたスリット721a〜721f、スリット723a〜723fが形成されるとともに、スリット721a〜721f、スリット723a〜723fのそれぞれについて、変形例1と同様に、当該スリットに連通し、半導体基板621の長手方向に延びる長穴状スリット722a〜722f,724a〜724fが形成されている。
変形例3に係る半導体装置71によれば、変形例1と同様に、リードフレーム72A,72Bに設けた長穴状スリット722a〜722f,724a〜724fの変形または緩衝的な役割により、リードフレーム72A,72Bと半導体基板621との接合部に生じるリードフレーム72A,72Bの短手方向の応力を緩和することができる。
これにより、変形例2の半導体装置61と同様の効果に加えて、半導体基板621およびリードフレーム72A,72Bの熱膨張、熱収縮、外部からの応力に起因して生じるリードフレーム72A,72Bの短手方向の応力によるリードフレーム72A,72Bのはく離などの発生を抑制し、リードフレーム72A,72Bと半導体基板621との接続信頼性の向上を図ることができる。
なお、上記実施の形態および各変形例では、半導体素子が3端子または2端子を有する場合について説明したが、半導体素子の端子数はこれに限らない。
本発明の実施の形態に係る半導体装置の平面図である。 図1におけるA−A線に沿った要部断面図である 図1に示す半導体装置の斜視図である。 リードフレームに生じる応力を説明するための図である。 変形例1に係る半導体装置の平面図である。 図5に示す半導体装置の斜視図である。 変形例2に係る半導体装置の斜視図である。 変形例3に係る半導体装置の斜視図である。
符号の説明
1 半導体装置
2 半導体素子
3A,3B,3C リードフレーム
31a〜31f,32a〜32f スリット
41 半導体装置
5A,5B リードフレーム
51a〜51f,53a〜53f スリット
52a〜52f,54a〜54f 長穴状スリット
61 半導体装置
62 半導体素子
63A,63B リードフレーム
631a〜631f,632a〜632f スリット
71 半導体装置
72A,72B リードフレーム
721a〜721f,723a〜723f スリット
722a〜722f,724a〜724f 長穴状スリット

Claims (7)

  1. 長方形板状の半導体基板と、この半導体基板上において、その長手方向の一辺に沿って延設された第1の電極部と、前記長手方向の他辺に沿って延設された第2の電極部とを有する半導体素子と、
    前記第1の電極部に接合され、前記半導体基板の前記長手方向に略垂直な方向に延び、前記第1の電極部との接合側に設けられたスリットが複数形成された板状の第1のリードフレームと、
    前記第2の電極部に接合され、前記半導体基板の前記長手方向に略垂直な方向に延び、前記第2の電極部との接合側に設けられたスリットが複数形成された板状の第2のリードフレームとを備え、
    前記第1のリードフレームおよび前記第2のリードフレームにおいて、複数の前記スリットは、隣り合うスリット間の間隔が、前記第1のリードフレームおよび前記第2のリードフレームにおける長手方向を二等分する中心線から外側に向かうほど小さくなるように形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第1のリードフレームおよび前記第2のリードフレームにおいて、複数の前記スリットは、前記半導体基板の前記長手方向に関して対称な配置関係になるように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第1のリードフレームおよび前記第2のリードフレームにおいて、複数の前記スリットのそれぞれについて、当該スリットに連通し、前記半導体基板の前記長手方向に延びる長穴状スリットが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。
  4. 前記第1のリードフレームに形成された複数の前記スリットと、前記第2のリードフレームに形成された複数の前記スリットとが、前記半導体基板の短手方向に関して対称な配置関係になるように形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記第1のリードフレームに形成された前記各スリットは、前記第1の電極部をまたぐように形成され、前記第2のリードフレームに形成された前記各スリットは、前記第2の電極部をまたぐように形成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記第1のリードフレームに形成された前記各スリットは、前記第1の電極部との接合側に開口して形成され、前記第2のリードフレームに形成された前記各スリットは、前記第2の電極部との接合側に開口して形成されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。
  7. 前記第1のリードフレームと前記第1の電極部との接合、および前記第2のリードフレームと前記第2の電極部との接合は、半田にて行われていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。
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