JP5710406B2 - リードフレーム、半導体装置及び製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば乗用車、トラック、バス等の車両や家庭用機器又は産業用機器に適用されて好適なリードフレーム、半導体装置及び製造方法に関する。
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やIPM(Intelligent Power Module)等のスイッチング素子つまり半導体素子がリードフレームに実装される半導体装置においては、半導体素子は発熱部品となり、効果的な冷却が要求される。
このような発熱部品から発生する熱を正面側及び背面側においてヒートシンク等の放熱板により適宜冷却するための技術として、例えば特許文献1に記載されているような技術がある。正面側と背面側の一対の放熱板とリードフレーム及び半導体素子は、組み合わされた後、樹脂によりモールドされてモジュールつまり、半導体装置とされる。
前述した樹脂と放熱板、半導体素子、リードフレームとの間においては、熱膨張係数の差が大きく、これに伴って剥離が発生し、半導体素子と放熱板とを接合する半田層の耐久性が問題となりやすい。そこで、樹脂と放熱板、半導体素子、リードフレームとの密着性を高めるため、樹脂をモールドする前に、半導体素子、放熱板をポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド樹脂等からなるプライマを塗布することが行われる。
特開2003−124406号公報
ところで、このプライマは、樹脂で覆われる範囲に塗布することが必要であり、覆われない範囲には塗布することは不要である。また、リードフレームの外側に向かう外部端子の外部との電気的接続に供される接続部分に塗布されることは好ましくなく、接続部分以外には塗布されていてもよい。ところが、プライマの塗布にあたりマスクを使用して塗布範囲を選択することは、リードフレームの厚みに起因して、マスクとリードフレームとの間に隙間に生じるため、必ずしも適切に行うことはできていなかった。
本発明は、上記問題に鑑み、プライマの塗布範囲を適切に選択することができるリードフレーム、半導体装置及び製造方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明によるリードフレームは、
所定の延在方向に延びる複数の外部端子を含むリードフレームであって、
複数の前記外部端子相互間を相互に連結するタイバーを有し、
前記延在方向に垂直な垂直線上における当該リードフレームの厚み方向の寸法が、前記垂直線と前記厚み方向視の輪郭線の交点に向けて漸減する漸減部分を含み、
前記垂直線は前記タイバーのインナー側の辺に対して前記延在方向において一致することを特徴とする。
本発明によれば、マスクにより前記リードフレームを始めとした前記半導体装置の塗布範囲を選択するにあたって、マスクと前記リードフレームとの前記リードフレームの厚みに起因する隙間を極力小さくして、プライマの前記塗布範囲以外への漏洩を防止し、前記塗布範囲を適切に選択することができる。
本発明に係る実施例1のリードフレーム1の一実施形態を示す模式図である。 実施例1のリードフレーム1のテーパ部(漸減部分)の設置態様を含む一実施形態を示す模式図である。 実施例1のリードフレーム1においてプライマの塗布範囲と塗布範囲外の境界線を示す模式図である。 実施例1のリードフレーム1においてシール材(マスク)により塗布範囲外を覆う形態を示す模式図である。 従来のリードフレームの端部におけるシール材の態様を示す模式図である。 実施例1のリードフレーム1のテーパ部の形成手法をリードフレーム1本体の成形とともに示す模式図である。 実施例1のリードフレーム1についてリードカットした後樹脂によりモールドした後の形態である実施例1の半導体装置D1の一実施形態を示す模式図である。 実施例1のリードフレーム1の端部におけるシール材の態様を示す模式図である。 本発明に係る実施例2のリードフレーム21、リードフレーム41の一実施形態を示す模式図である。 実施例2のリードフレーム21、リードフレーム41を組み合わせた状態におけるテーパ部(漸減部分)の設置態様を含む一実施形態を示す模式図である。 実施例2のリードフレーム21についてリードカットした後樹脂によりモールドした後の形態である実施例2の半導体装置D2の一実施形態を示す模式図である。 実施例2のリードフレーム21におけるテーパ部(漸減部分)の設置態様の変形例を示す模式図である。
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。
本実施例1のリードフレーム1は、銅やアルミニウム等を含む熱伝導性及び電気伝導性の高い平板状の母材を、例えばプレス加工により図1に示す形態に打ち抜いて構成される。リードフレーム1は、図1中奥側に横方向に並列されて縦方向に延在する外部信号端子2と、外部信号端子2を横方向に相互に連結するタイバー3と、タイバー3の横方向端部に設けられたテーパ部4と、外部信号端子2に対応してタイバー3から図1中手前側にさらに内側に延在する内側信号端子5とを含む。
また、リードフレーム1は、図1中手前側に横方向に並列されて縦方向に延在するアウターパワーリード6と、アウターパワーリード6を横方向に相互に連結するタイバー7と、タイバー7の横方向端部に設けられたテーパ部8と、アウターパワーリード6に対応してタイバー7から図1中奥側に延在するインナーパワーリード9とを含む。
図1中、リードフレーム1の中央よりの下方に位置する平板はヒートシンク10であり、ヒートシンク10には縦方向に二列、横方向に三列の半導体素子11が図示しない半田層を介して載置され、加熱により電気的熱的に接続される。半導体素子11の信号端子は内部信号端子5の内側端に図示しないワイヤーボンディングにより電気的に接続され、半導体素子11の電源端子はインナーパワーリード9に直接的に又は図示しないワイヤーボンディングを介して電気的に接続される。
なお、添え字による図示は省略するが、図1中において、リードフレーム1の外枠部は、リードカットされる前の状態において、外部信号端子2の奥側端部、タイバー3の横方向端部、タイバー7の横方向端部、アウターパワーリード6の手前側端部を適宜箇所にて相互に連結している。
上述した二箇所のテーパ部3及びテーパ部8は、図1中縦方向に垂直な断面である図2において、端部に向けて厚みを漸減する漸減部分を構成している。なおここでは、図3に示すように、リードフレーム1のタイバー3の縦方向手前側の辺L1と、タイバー7の縦方向奥側の辺L2との間に位置する領域を図示しないプライマを塗布すべき塗布範囲PAとしている。
塗布範囲PAを適切に選択するにあたっては、図4に示すような例えば合成ゴム等の弾性部材を用いた有底箱形形状のシールS11〜S14を用いる。シール11は外部信号端子2の図4中縦方向奥側の上側を覆い、シール12は外部信号端子2の図4中縦方向奥側の下側を覆う。シール11の開口部の図4中縦方向の手前側の外縁部は、タイバー3が位置する部分ではタイバー3に接触し、タイバー3が位置しない部分においてはシール12の対応する外縁部に接触する。
シール13はアウターパワーリード6の図4中縦方向の手前側の上側を覆い、シール14はアウターパワーリード6の図4中縦方向の手前側の下側を覆う。シール13の開口部の図4中縦方向の奧側の外縁部は、タイバー7が位置する部分ではタイバー7に接触し、タイバー7が位置しない部分においてはシール14の対応する外縁部に接触する。
本実施例1において、所定の延在方向とは図1中の縦方向において、外部信号端子2(第一の外部端子)においては縦方向奥側に向かう方向であり、アウターパワーリード6(第二の外部端子)においては、縦方向手前側に延びる方向である。
外部信号端子2に対応するタイバー3は所定の延在方向に垂直な垂直線上において延在しており、タイバー3においてはリードフレーム1の厚み方向の寸法が、この垂直線と図1中のリードフレーム1の厚み方向視の輪郭線の交点に向けて漸減する漸減部分として、テーパ部4が構成されている。
同様のアウターパワーリード6に対応するタイバー7も、所定の延在方向に垂直な垂直線上において延在しており、タイバー7においても、リードフレーム1の厚み方向の寸法が、この垂直線と図1中のリードフレーム1の厚み方向視の輪郭線の交点に向けて漸減する漸減部分として、テーパ部8が構成されている。
ここで、テーパ部4、テーパ部8の双方において、リードフレーム1の厚み方向視における垂直線上の長さは、厚み方向の漸減部分以外の厚み以上であることとしている。また、本実施例1においては、第一の外部端子及び第二の外部端子は複数含まれており、複数の外部端子相互間を相互に連結するタイバー3、7が含まれている。それぞれに対応する垂直線はタイバー3、7のインナー側(図3中の縦方向の中央寄り)の辺L1、L2に対して延在方向において一致することとする。
テーパ部4、テーパ部8の厚み方向視における延在方向の長さは、それぞれ対応するタイバー3、タイバー7の幅と同等であることとしている。テーパ部の形成手法はプレス加工、エッチング加工、研削加工のいずれでも良いが、生産性の観点から、ここではプレス加工によるものを示す。
リードフレーム1全体のプレス加工によるプレス方向を、図5に示す上方から下方に向かう方向とする。この場合、リードフレーム1のタイバー3に該当する部分の端部の上側にはプレス加工用の治具によるダレC1が発生し、端部の下側にはバリC2が発生する。本実施例1ではダレC1はそのまま利用し、バリC2側を別個の治具によりプレス加工して、テーパ部4を形成する。この手法については、タイバー7に対応するテーパ部8についても同様である。
ここで、本実施例1の比較対象として、図6に示すような、タイバーの位置においてテーパ部を有しないリードフレーム51において、図4に示したようなシールによりチャックを行う場合を考える。図示しないプレス機構により、シール11とシール12により(シール13、14でもよい)、タイバーの部分が厚み方向に接近変位されてタイバーの表面にシール11が、裏面にシール12が接触されるとともに、タイバーが位置しない部分については、シール11とシール12の相互に対向する外縁部が接触される。なお、シール11〜14の外縁部の幅もタイバー3、7の幅と同等としている。
この際、リードフレーム51のタイバーの両端部においては、テーパ部がなく、リードフレーム51の厚みによる段差により、シール11及びシール12がタイバーに接触する部分と、相互に接触する部分の境界において、ほぼ三角形状の隙間δが発生する。この状態で、リードフレーム51に載置されたヒートシンク、半導体素子、半田層、ワイヤーボンディングを含むプライマの塗布範囲に、例えばディップ、吹き付け等の適宜の手段により塗布すると、隙間δからプライマの一部がシール11、シール12により画成された内部空間に浸入して、外部端子の塗布範囲外にもプライマが塗布されることとなる。
これに対して、本実施例1のリードフレーム1においては、図7に示すように、上述したテーパ部4又はテーパ部8の厚みが端部に向けて漸減されているので、厚みによる段差が発生せず、シール11及びシール12がタイバー3に接触する部分と、相互に接触する部分の境界においても、シール11及びシール12ともにテーパ部4に追随し接触して、図6に示したような隙間は発生しない。このため、プライマの塗布範囲のみにプライマを塗布し、塗布範囲外への意図しない塗布を防止することができる。なお、テーパ部は図7上図に示した片面タイプでも、下図に示した両面タイプでもよい。
なお、上述したテーパ部の縦横の寸法と、リードフレームの厚み、タイバーの幅、シールの外縁部の幅の相互関係により、シールによるチャック機能をより確実なものとすることができる。特にテーパ部の横方向寸法をリードフレームの厚み以上とすることによって、シールのテーパ部に対する追従性を高めることができ、隙間をより効果的になくすことができる。
このようにプライマの塗布が終了したリードフレーム1について、上述したタイバー3、タイバー7及び外枠部を、カット用の治具により切除して、リードカットを行い、モールド成型用の型に載置して、型内に樹脂を充填することにより、図8に示すような外部形状を有する樹脂筐体12を含む半導体装置D1が製造される。
つまり、半導体装置D1は、タイバー3、7を除去するリードカットをした後のリードフレーム1と半導体素子11を含む。なお、リードカット後においては、図1中に示したテーパ部4のうち右側のテーパ部4は外枠部とともに切除され、左側のテーパ部4については、外部信号端子2の表側に位置する部分のみが残留してその他は切除される。また、左側のテーパ部8についても外枠部とともに切除され、右側のテーパ部8についてはそのまま残留される。
なお、本実施例1のリードフレーム1及びそれを含む半導体装置D1の製造方法は、リードフレーム1のプライマの塗布範囲と塗布範囲外の図3に示した境界線(辺L1、L2)を設定する設定ステップと、境界線上において境界線とリードフレーム1の厚み方向視の輪郭線の交点に向けてリードフレーム1の厚みを漸減させる漸減ステップと、境界線にマスク(シール11〜14)のチャック位置を一致させる一致ステップと、プライマを塗布する塗布ステップを含むものとしている。
本実施例1のリードフレーム1は、プライマの塗布において塗布範囲外の意図しない塗布は予め回避されており、半導体装置D1の外側に突出する外部信号端子2及びアウターパワーリード6にはプライマは塗布されない。このため、半導体装置D1の実装時における電気的接続性を高めることができる。
なお、上述した実施例においては、塗布範囲をタイバー3のインナー側の辺と、タイバー7のインナー側の辺との縦方向中央に位置する領域に設定したが、外部信号端子2の縦方向奥側端部と、アウターパワーリード6の縦方向手前側端部の電気接続性を確保する観点からは、タイバー3よりも奥側に、タイバー7よりも手前側に塗布範囲を拡大しても良い。
この場合には、シール11〜14の外縁部が接触する部分はタイバー3、7ではなく、外部信号端子2及びアウターパワーリード6となり、これに対応して、テーパ部4、8は横方向両端のみでなく、厚み方向に段差が生じる箇所全てに設定されることとなる。
上述した実施例1においては、半導体素子11の片面に位置するヒートシンク10により片面冷却を行う半導体装置D1について述べたが、両面で冷却する両面タイプにおいても、本発明を適用することができる。以下それについての実施例2について述べる。なお、テーパ部の寸法とリードフレームの厚みやタイバーの幅、シールの外縁部の幅相互間の関係等、実施例1と同等である部分については重複する説明は割愛する。
本実施例2のリードフレーム21及びリードフレーム41は、銅、アルミニウムなど、熱伝導性及び電気伝導性の高い平板状の母材を、例えばプレス加工により図9左図に示す形態に打ち抜いて構成される。
リードフレーム21は、図9中手前側に横方向に並列されて縦方向に延在する外部信号端子22と、外部信号端子22を横方向に相互に連結するタイバー23と、タイバー23の横方向端部に設けられたテーパ部24と、外部信号端子22に対応してタイバー23から図9中奧側にさらに延在する内側信号端子25とを含む。
また、リードフレーム21は、図9中奧側に縦方向に延在するアウターパワーリード26と、アウターパワーリード26と製造時の支持用の外枠部を横方向に相互に連結するタイバー27と、タイバー27の横方向端部に設けられたテーパ部28とを含む。
なお、外枠部のうち図9中の長方形状の空間部εを挟んで、タイバー27よりも右側に位置する部分の、タイバー27の延長線上に位置する部分にもテーパ部28が設けられる。これに加えて、アウターパワーリード26に対応してタイバー27から図9中手前側に延在するインナーパワーリード29が設けられる。
図9において示した内部信号端子25には、横方向に窪む凹部が設けられ、インナーパワーリード29は裏方向に窪む凹部が設けられており、これらはそれぞれモールド成形後の樹脂に対する抜け止めの機能を有している。
図9中、リードフレーム21の中央よりに位置する長方形状の平板はヒートシンク30であり、リードカット前の状態においては吊りリード31によりタイバー23に連結されている。
ヒートシンク30には横方向に二列の半導体素子32が図示しない半田層を介して載置され、加熱により電気的熱的に接続される。半導体素子32の図示しない信号端子は内部信号端子29の内側端に図示しないワイヤーボンディングにより電気的に接続され、半導体素子32の図示しない電源端子はインナーパワーリード29に図示しないワイヤーボンディングを介して電気的に接続される。
もう一方のリードフレーム41は、銅、アルミニウムなど、熱伝導性及び電気伝導性の高い平板状の母材を、例えばプレス加工により図9右図に示すように、平板状のヒートシンク42と舌辺状のパワーリード43を含むように構成されている。
ヒートシンク42は、ヒートシンク30の図9中表側にオーバーラップする形状とし、パワーリード43は、図9左図中の空間部εに横方向に隙間を有して配置可能な幅を有している。パワーリード43は、空間部εに配置された後、タイバー27の延長線上に位置する部分にテーパ部44を有している。
図9左図に示すヒートシンク30の表面に載置された半導体素子32の表面側は、図示しない半田層、スペーサの役割を果たすヒートシンクブロック、半田層が順に載置され、ヒートシンク42をさらに積層した後、加熱により相互に電気的、熱的に接続される。接続後のリードフレーム21と、リードフレーム41の厚み方向視を図10に示す。テーパ部28とテーパ部44は横方向に並列される形態をなす。
本実施例2においても、実施例1に示したものと同様の図4に示したシールを用いることができる。比較対象となる図6に示したリードフレーム51においては、厚みによる段差に起因して、シールがタイバーに接触する部分と、相互に接触する部分の境界において、ほぼ三角形状の隙間δが発生する。この状態で、プライマの塗布範囲に適宜の手段によりプライマを塗布すると、隙間δからプライマの一部がシールにより画成された内部空間に侵入して、外部端子の塗布範囲外にもプライマが塗布されることとなる。
これに対して、本実施例2のリードフレーム21、リードフレーム41においても、上述したテーパ部24、28、44の厚みが端部に向けて漸減されているので、厚みによる段差が発生せず、シールがタイバー23、27及びタイバー27の延長線上に位置する外枠部に接触する部分と、対向するシールが相互に接触する部分の境界においても、シールはテーパ部24、28、44に追随し接触して、図6に示したような隙間δをなくすことができる。これによりプライマの塗布範囲のみにプライマを塗布し、塗布範囲外への意図しない塗布を防止することができる。
このようにプライマの塗布が終了したリードフレーム21、41の組合せについて、上述したタイバー23、タイバー27及び外枠部を、カット用の治具により切除して、リードカットを行い、モールド成型用の型に載置して、型内に樹脂を充填することにより、図11に示すような外部形状を有する樹脂筐体33を含む半導体装置D2が製造される。つまり、半導体装置D2は、タイバー23、27を除去するリードカットをした後のリードフレーム21、41と半導体素子32を含む。
リードカット後においては、図10中に示したテーパ部24、28、44のうち下側のテーパ部24は外枠部とともに切除され、上側のテーパ部28についても、外枠部とともに切除され、パワーリード43に位置するテーパ部44のみがのみが残留してその他は切除される。つまり、完成後の半導体装置D2において外観上現れるのはテーパ部44のみである。
なお、本実施例2のリードフレーム21、41及びそれを含む半導体装置D2の製造方法においても、リードフレーム21、41のプライマの塗布範囲と塗布範囲外の境界線を設定する設定ステップと、境界線上において境界線とリードフレーム21、41の厚み方向視の輪郭線の交点に向けてリードフレーム21、41の厚みを漸減させる漸減ステップと、境界線にマスク(シール)のチャック位置を一致させる一致ステップと、プライマを塗布する塗布ステップを含むものとしている。
本実施例2のリードフレーム21、41及びそれを含む半導体装置D2は、プライマの塗布において塗布範囲外の意図しない塗布は予め回避されており、半導体装置D2の外側に突出する外部信号端子22及びアウターパワーリード26、パワーリード43にはプライマは塗布されないものとすることができる。これにより、半導体装置D2の実装時における電気的接続性を高めることができる。
なお、上述した実施例2においては、図10において塗布範囲をタイバー23のインナー側の辺と、タイバー27のインナー側の辺との縦方向の間に位置する領域に設定したが、外部信号端子22の縦方向手前側端部と、アウターパワーリード26、パワーリード43の縦方向奧側端部の電気接続性を確保する観点からは、タイバー23よりも手前側に、タイバー27よりも奧側に塗布範囲を拡大しても良い。タイバー27よりも奥側に塗布範囲を拡大した場合を図12に示す。
図12に示されるように、シール11〜14の外縁部が接触する部分はタイバー23、27ではなく、アウターパワーリード26となり、これに対応して、テーパ部28は横方向両端のみでなく、厚み方向に段差が生じる箇所全てに設定されることとなる。図示は省略するが、リードフレーム41に属するテーパ部44についても、テーパ部28に合わせて、縦方向奥側にオフセットされる。
以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。
例えば、上述した実施例においては漸減部分としてテーパ面を主に示したが、リードフレームの厚み寸法の漸減形態は、直線的なものに替えて、曲線的な形態であってもよく、テーパ面に換えて曲面とすることも可能である。また、シールの追従性に合わせて階段的に変化させることも可能である。
本発明は、リードフレーム、半導体装置及び製造方法に関するものであり、プライマの塗布範囲を適切なものとして、電気的接続性の確保と製品の耐久性を高め、かつ製造コストの増大を招くがないため、種々の半導体関連の装置に適用して有益なものである。もちろん、乗用車、トラック、バス等の様々な車両のインバータ等に適用される半導体モジュールに適用しても有益なものである。
特に、近年の傾向として、リードフレームのインダクタンス、ひいてはインピーダンスの低減や、強度自体の向上を図ることが要請されるケースがあり、この場合には、リードフレームの厚みを大きくする必要が生じるため、実施例で示したテーパ面とシールとの組合せに基づいて隙間をなくすことによってプライマの塗布範囲の適正化は特に有用なものである。
1 リードフレーム
2 外部信号端子(第一の外部端子)
3 タイバー
4 テーパ部(第一の漸減部分)
5 内部信号端子
6 アウターパワーリード(第二の外部端子)
7 タイバー
8 テーパ部(第二の漸減部分)
9 インナーパワーリード
10 ヒートシンク(放熱板)
11 半導体素子
12 樹脂筐体
S11 シール(外部信号端子上側)
S12 シール(外部信号端子下側)
S13 シール(アウターパワーリード上側)
S14 シール(アウターパワーリード下側)
D1 半導体装置
21 リードフレーム
22 外部信号端子(第三の外部端子)
23 タイバー
24 テーパ部(第三の漸減部分)
25 内部信号端子
26 アウターパワーリード(第四の外部端子)
27 タイバー
28 テーパ部(第四の漸減部分)
29 インナーパワーリード
30 ヒートシンク(放熱板)
31 吊りリード
32 半導体素子
33 樹脂筐体
34 ボンディングワイヤ
41 リードフレーム
42 ヒートシンク(放熱板)
43 パワーリード(第五の外部端子)
44 テーパ部(第五の漸減部分)
D2 半導体装置

Claims (7)

  1. 所定の延在方向に延びる複数の外部端子を含むリードフレームであって、
    複数の前記外部端子相互間を相互に連結するタイバーを有し、
    前記延在方向に垂直な垂直線上における当該リードフレームの厚み方向の寸法が、前記垂直線と前記厚み方向視の輪郭線の交点に向けて漸減する漸減部分を含み、
    前記垂直線は前記タイバーのインナー側の辺に対して前記延在方向において一致することを特徴とするリードフレーム。
  2. 前記漸減部分の前記厚み方向視における前記垂直線上の長さは、前記厚み方向の前記漸減部分以外の厚み以上であることを特徴とする請求項1に記載のリードフレーム。
  3. 前記漸減部分の前記厚み方向視における前記延在方向の長さは、前記タイバーの幅と同等であることを特徴とする請求項1又は2に記載のリードフレーム。
  4. 前記リードフレームはプレス加工により形成されるとともに、前記漸減部分は前記プレス加工のプレス方向と反対側を別途プレスすることにより設けられることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載のリードフレーム。
  5. 前記タイバーを除去するリードカットをした後の請求項1乃至4の何れか一項に記載のリードフレームと半導体素子を含むことを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項1乃至4の何れか一項に記載のリードフレームと、樹脂筐体を含むことを特徴とする半導体装置。
  7. 所定の延在方向に延びる複数の外部端子と、複数の前記外部端子相互間を相互に連結するタイバーと、を有するリードフレームを準備し、前記リードフレームのプライマの塗布範囲と塗布範囲外の境界線を、前記タイバーのインナー側の辺に対して前記延在方向において一致するように設定する設定ステップと、
    前記境界線上において前記境界線と前記リードフレームの厚み方向視の輪郭線の交点に向けて前記リードフレームの厚みを漸減させる漸減ステップと、
    前記境界線にマスクのチャック位置を一致させる一致ステップと、
    前記プライマを塗布する塗布ステップを含むことを特徴とする製造方法。
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