JP5880663B1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の半導体スイッチング素子が搭載されるフレームの平面サイズの増大を抑制し、且つ、良好な電気的特性を得ることが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】第1及び第2のフレーム主面を有するフレームと、第1及び第2の基板主面を有し、第2の基板主面が第1のフレーム主面と対向するようにフレームと離間して配置された支持基板と、第1及び第2の半導体スイッチング素子が積層された構造をそれぞれ有し、第1の半導体スイッチング素子の側が第1のフレーム主面に対向し第2の半導体スイッチング素子の側が第2の基板主面と対向するように、第1のフレーム主面の異なるコーナー部にそれぞれ搭載された複数の半導体素子ユニットと、第1の基板主面に搭載された、第1の半導体スイッチング素子及び第2の半導体スイッチング素子の動作を制御する制御素子とを備える。【選択図】図1

Description

本発明は、複数の半導体スイッチング素子によって構成される半導体装置に関する。
半導体装置を構成する半導体スイッチング素子を積層することによって、複数の半導体スイッチング素子を搭載するフレームの平面サイズを抑制する方法が検討されている。例えば、4個の半導体スイッチング素子から構成されるH型ブリッジ回路について、半導体スイッチング素子を積層しつつ良好な放熱特性を得る方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特許第4061551号公報
しかしながら、半導体スイッチング素子が搭載されるフレームの平面サイズの増大を抑制しつつ良好な電気的特性を得る方法についての検討は十分ではない。例えば、半導体装置を構成する半導体スイッチング素子の個数が4個を超える場合などに、特許文献1に記載の方法には良好な電気的特性を得るための最適なレイアウトが示されていない。
上記問題点に鑑み、本発明は、 複数の半導体スイッチング素子が搭載されるフレームの平面サイズの増大を抑制し、且つ、良好な電気的特性を得ることが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、(ア)互いに対向する第1のフレーム主面と第2のフレーム主面を有するフレームと、(イ)互いに対向する第1の基板主面と第2の基板主面を有し、第2の基板主面が第1のフレーム主面と対向するようにフレームと離間して配置された支持基板と、(ウ)第1の半導体スイッチング素子と第2の半導体スイッチング素子が積層された構造をそれぞれ有し、第1の半導体スイッチング素子の側が第1のフレーム主面に対向し第2の半導体スイッチング素子の側が第2の基板主面と対向するように、第1のフレーム主面の異なるコーナー部にそれぞれ搭載された複数の半導体素子ユニットと、(エ)第1の基板主面に搭載された、第1の半導体スイッチング素子及び第2の半導体スイッチング素子の動作を制御する制御素子とを備える半導体装置が提供される。
本発明によれば、複数の半導体スイッチング素子が搭載されるフレームの平面サイズの増大を抑制し、且つ、良好な電気的特性を得ることが可能な半導体装置を提供することができる。
本発明の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な側面図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の放熱板の例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な平面図である。 比較例の半導体装置のレイアウトを示す模式図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な側面図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の使用例を示す模式図である。 本発明の実施形態の変形例に係る半導体装置におけるスイッチング素子と外部端子との接続を示す模式図であり、図7(a)は側面図、図7(b)は平面図である。
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部の長さの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
本発明の実施形態に係る半導体装置1は、図1に示すように、互いに対向する第1のフレーム主面11と第2のフレーム主面12を有するフレーム10と、互いに対向する第1の基板主面21と第2の基板主面22を有する支持基板20とを備える。第2の基板主面22が第1のフレーム主面11と対向するようにして、支持基板20がフレーム10と離間して配置されている。フレーム10と支持基板20との間に、複数の半導体素子ユニット30が第1のフレーム主面11に搭載されている。
半導体素子ユニット30は、第1の半導体スイッチング素子311と第2の半導体スイッチング素子312が積層された構造を有する。図1に示すように、半導体素子ユニット30の第1の半導体スイッチング素子311の側が第1のフレーム主面11に対向し、第2の半導体スイッチング素子312の側が第2の基板主面22と対向している。そして、支持基板20の第2の基板主面22に形成された凸形状の支持部221によって、半導体素子ユニット30が支持基板20に支持されている。
半導体装置1は、支持基板20の第1の基板主面21に搭載された制御素子40を更に備える。制御素子40は、第1の半導体スイッチング素子311と第2の半導体スイッチング素子312の動作をそれぞれ制御する。
以下において、第1の半導体スイッチング素子311と第2の半導体スイッチング素子312を総称して「半導体スイッチング素子31」という。半導体スイッチング素子31は、外部からの制御信号によってオン・オフ状態が切り替わる自己消弧素子である。例えば、MOS電界効果トランジスタ(MOSFET)、絶縁ゲートバイポーラ(IGBT)、バイポーラトランジスタなどのトランジスタやサイリスタなどである。
以下では、半導体スイッチング素子31が、MOSFETである場合を例示的に説明する。図1において、半導体スイッチング素子31の第1の主電極(ドレイン電極)を符号D、第2の主電極(ソース電極)を符号S、制御端子(ゲート電極)を符号Gで示している(以下において同様。)。半導体スイッチング素子31の一方の主面にドレイン電極Dが形成され、他方の主面にソース電極Sが形成されている。そして、ソース電極Sが形成された領域の残余の領域において、半導体スイッチング素子31の主面にゲート電極Gが形成されている。
第1の半導体スイッチング素子311のドレイン電極Dは、第1のフレーム主面11と電気的に接続している。例えば、導電性接着剤などによって、第1の半導体スイッチング素子311のドレイン電極Dが形成された主面を、第1のフレーム主面11に接着する。フレーム10の材料は、導電性を有する材料、例えば銅(Cu)やアルミニウム(Al)などの金属材である。
第1の半導体スイッチング素子311のソース電極Sと、第2の半導体スイッチング素子312のドレイン電極Dとは、電気的に接続されている。例えば、図示を省略する導電性接着剤などによって、第1の半導体スイッチング素子311のソース電極Sが形成された主面と、第2の半導体スイッチング素子312のドレイン電極Dが形成された主面とを接着する。
なお、図2に示すように、第1の半導体スイッチング素子311と第2の半導体スイッチング素子312とを、導電性を有する放熱板32を介して積層してもよい。これにより、放熱特性を向上することができると共に、第1の半導体スイッチング素子311上に第2の半導体スイッチング素子312を安定して固着することができる。放熱板32は、例えば導電性接着剤によって第1の半導体スイッチング素子311と第2の半導体スイッチング素子312との間に固定される。これにより、第1の半導体スイッチング素子311のソース電極Sと第2の半導体スイッチング素子312のドレイン電極Dとが電気的に接続される。
半導体スイッチング素子31のゲート電極Gは、第2の半導体スイッチング素子312に対向する主面に形成されている。このため、第1の半導体スイッチング素子311のゲート電極Gを露出させるために、第2の半導体スイッチング素子312の主面の面積が、第1の半導体スイッチング素子311の主面の面積よりも小さく設定されている。そして、第2の半導体スイッチング素子312と接する領域の残余の領域において、第1の半導体スイッチング素子311のゲート電極Gが配置されている。また、支持部221が接触している領域の残余の領域において、第2の基板主面22に対向する主面に第2の半導体スイッチング素子312のゲート電極Gが配置されている。
半導体スイッチング素子31のゲート電極Gと制御素子40の信号出力端子Cとは、例えば図1に示すようにボンディングワイヤ400によって、電気的に接続されている。これにより、制御素子40から出力される制御信号によって、第1の半導体スイッチング素子311と第2の半導体スイッチング素子312の動作が制御される。例えば、第1の半導体スイッチング素子311と第2の半導体スイッチング素子312を交互にオン・オフ動作するように、第1の半導体スイッチング素子311と第2の半導体スイッチング素子312が制御素子40によって制御される。
制御素子40が搭載される支持基板20の材料は、導電性材料であっても絶縁性材料であってもよい。良好な放熱特性を得るために、例えばCuやAlなどの金属材を支持基板20に使用することが好ましい。ただし、支持基板20に導電性材料を採用し、且つ制御素子40と支持基板20との間を電気的に絶縁する必要がある場合には、例えば絶縁性接着剤によって制御素子40を支持基板20に接着する。
支持部221は、例えば、支持基板20の本体と一体成型される。なお、支持基板20が導電性材料からなり、且つ支持基板20と半導体素子ユニット30とを電気的に接続したくない場合には、支持部221と半導体素子ユニット30とを絶縁性接着剤によって接続する。或いは、支持部221と半導体素子ユニット30との間に絶縁材を挟んでもよい。一方、支持基板20と半導体素子ユニット30とを電気的に接続する場合には、導電性接着剤によって支持部221と半導体素子ユニット30とを接続する。これにより、例えば半導体素子ユニット30と支持基板20のGNDを共通にできる。
半導体装置1では、第1のフレーム主面11の外縁に沿って複数の外部端子50が配置されている。半導体スイッチング素子31や制御素子40の電源端子や入出力端子が外部端子50に電気的に接続されて、半導体装置1の外部からの電力供給や信号の入出力は外部端子50を介して行われる。例えば、半導体スイッチング素子31の出力端子と外部端子50とが、リード線によって電気的に接続される。即ち、図1に示すように、第1の半導体スイッチング素子311のソース電極Sがリード線501を介して外部端子50に電気的に接続され、第2の半導体スイッチング素子312のソース電極Sがリード線502を介して外部端子50に電気的に接続される。
ところで、図1に示した半導体装置1は、制御素子40の端子と外部端子50とを電気的に接続する変換基板60を更に備える。変換基板60は、半導体素子ユニット30の配置された領域の残余の領域において、第1のフレーム主面11に搭載されている。変換基板60の上面には内部リード61が形成されており、制御素子40の端子Tと内部リード61がボンディングワイヤ401によって接続され、内部リード61と外部端子50がボンディングワイヤ402によって接続されている。変換基板60をフレーム10に搭載することにより、制御素子40と外部端子50とを接続するボンディングワイヤの長さを短くすることができる。これにより、例えばボンディングワイヤ同士が絡まったり、ボンディングワイヤに起因する短絡故障が生じたりする不具合を防止できる。
半導体装置1では、支持基板20、半導体素子ユニット30及び制御素子40が、例えばエポキシ樹脂などの封止体70によってモールド封止される。なお、フレーム10の第2のフレーム主面12を封止体70の外部に露出させることが好ましい。これにより、放熱特性を向上させることができる。また、外部端子50の一部は封止体70の外部に露出されて、外部リードとして使用される。
図3に平面図を示した半導体装置1は、3つの半導体素子ユニット30を備える。図3に示すように第1のフレーム主面11は平面視で矩形状であり、第1のフレーム主面11の3つのコーナー部に、第1の半導体素子ユニット301、第2の半導体素子ユニット302、及び第3の半導体素子ユニット303がそれぞれ搭載されている。なお、図3では、各素子の電極や端子、ボンディングワイヤなどの図示を省略している。
図3に示すように、第1のフレーム主面11の外縁の四辺に沿って、複数の外部端子50が配列されている。そして、第1のフレーム主面11のコーナー部で隣接する2辺の一方の辺に配置された外部端子50に第1の半導体スイッチング素子311の端子が電気的に接続され、他方の辺に配置された外部端子50に第2の半導体スイッチング素子312の端子が電気的に接続されている。このように、第1の半導体スイッチング素子311からの出力と第2の半導体スイッチング素子312からの出力が、コーナー部の隣接する2辺に配置された外部端子50に振り分けられている。このとき、コーナー部に近接して配置された外部端子50に、半導体スイッチング素子31の端子が電気的に接続される。これにより、半導体スイッチング素子31から外部端子50までの電気経路の距離を短くできる。このため、良好な電気的特性を得ることができる。なお、図3ではリード線501、502を1本だけ図示しているが、複数のリード線501、502をそれぞれ並列に接続してもよい。
上記のように第1のフレーム主面11のコーナー部に半導体素子ユニット30を配置することによって、半導体装置1では、第1の半導体スイッチング素子311と外部端子50とを接続するリード線501の長さと、第2の半導体スイッチング素子312と外部端子50を接続するリード線502の長さを、均等で且つ可能な限り短くできる。その結果、リード線に大電流を安定して流したり、信号遅延のばらつきが抑制されたりするなどの効果を奏する。
これに対し、例えば図4に示すように、3つ以上の半導体素子ユニット30を第1のフレーム主面11の外辺に沿って配列した場合には、コーナー部に配置されなかった半導体素子ユニット30Bでは、第1の半導体スイッチング素子311から外部端子50までの電気経路R1と第2の半導体スイッチング素子312から外部端子50までの電気経路R2とで長さの違いが大きい。この場合、電気経路R1と電気経路R2の長さを同等にするために、電気経路の長さを長い方の電気経路に合わせる必要がある。更に、半導体素子ユニット30Bにおいて電気経路の長さを長い方の電気経路に合わせた場合には、コーナー部に配置された半導体素子ユニット30A及び半導体素子ユニット30Cと、半導体素子ユニット30Bとで電気経路の長さに差が生じる。したがって、図4に示した半導体素子ユニット30の配置では、電気的特性が低下する。
一方、半導体装置1によれば、半導体素子ユニット30のそれぞれを第1のフレーム主面11の異なるコーナー部に搭載し、且つ、コーナー部に隣接した外部端子50に半導体素子ユニット30を接続することによって、良好な電気的特性を得ることができる。
更に、半導体装置1では、半導体素子ユニット30の動作を制御する制御素子40が、支持基板20を介して半導体素子ユニット30の上方に配置されている。このため、それぞれの半導体素子ユニット30と制御素子40との距離を均等且つ短くできる。これにより、半導体装置1の電気的特性をより良好にすることができる。
なお、図3に示したレイアウト例では、第1のフレーム主面11のコーナー部のうちの半導体素子ユニット30の配置されていないコーナー部において、変換基板60が第1のフレーム主面11に搭載されている。即ち、半導体装置1では、矩形状のフレーム10の四隅のうち3箇所に、半導体素子ユニット30が配置されており、他の1箇所に変換基板60が配置されている。
また、図1、図3に示した例では、変換基板60の上方に位置する支持基板20のコーナー部を斜めにカットして切欠きを設けている。そして、切欠きした部分からフレーム10方向に延伸する支持部222の端部を変換基板60の上面に接触させている。このように、支持基板20のコーナー部の一部を下方に折り曲げるようにし、その先端を変換基板60の上面に固着させることによって、支持基板20が安定する。
ただし、第1のフレーム主面11の4つのコーナー部のすべてに半導体素子ユニット30を配置してもよい。矩形状の第1のフレーム主面11を有する半導体装置1に含まれる半導体素子ユニット30の個数は、半導体装置1の機能によって2個乃至4個が選択される。
図3に示した半導体装置1では、第1のフレーム主面11の外縁の四辺に沿って、複数の外部端子50が配列されている。したがって、半導体装置1のパッケージには、矩形状のフレーム10の対向する辺から外部端子50が外側に伸びる構造のパッケージなどを採用するが好ましい。これにより、半導体装置1を最適に小型化できる。例えば、半導体装置1に、QFP(Quad Flat Package)タイプのパッケージなどを好適に使用できる。
なお、図1は、図3のX方向から見た側面図に相当する。半導体装置1の構造をより明確にするために、図3のY方向から見た側面図に相当する図面を図5に示す。
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る半導体装置1では、半導体スイッチング素子31を積層した半導体素子ユニット30がフレーム10のコーナー部に配置される。そして、コーナー部に近接して配置された外部端子50に半導体素子ユニット30を接続する。これにより、第1の半導体スイッチング素子311と外部端子50までの電気経路の距離と、第2の半導体スイッチング素子312と外部端子50までの電気経路の距離とを均等に、且つ短くできる。更に、半導体素子ユニット30間での電気経路の長さのばらつきが低減される。その結果、半導体装置1によれば、半導体スイッチング素子31が搭載されるフレーム10の平面サイズの増大が抑制され、且つ、良好な電気的特性を得ることができる。半導体装置1では半導体素子ユニット30と外部端子50とを接続するリード線の長さを短くできるため、半導体素子ユニット30から大電流を供給する場合などに、半導体装置1は特に好適に使用される。
半導体装置1は、例えば図6に示すように、三相モータ100の制御装置として使用される。即ち、半導体装置1が半導体素子ユニット30を3個有し、半導体素子ユニット30のそれぞれが三相モータ100の各相出力を制御する。
具体的には、第1の半導体スイッチング素子311と第2の半導体スイッチング素子312との接続点を半導体素子ユニット30の出力端子として、この出力端子を三相モータ100の各相に接続する。即ち、第1の半導体素子ユニット301の出力端子を三相モータ100の第1の相回路101に接続し、第2の半導体素子ユニット302の出力端子を第2の相回路102に接続し、第3の半導体素子ユニット303の出力端子を第3の相回路103に接続する。そして、制御素子40によって第1の半導体素子ユニット301、第2の半導体素子ユニット302及び第3の半導体素子ユニット303を制御することによって、三相モータ100の動作を制御する。このとき、制御素子40の制御によって、第1の半導体スイッチング素子311と第2の半導体スイッチング素子312は交互にオン・オフ動作する。
なお、半導体素子ユニット30を4つ有する半導体装置1によって三相モータ100の動作を制御してもよい。例えば、相回路にそれぞれ接続される3つの半導体素子ユニット30とは別に、外部の電源電圧を所定の電源電圧に変換する半導体素子ユニット30をフレーム10に搭載する。このとき、4つの半導体素子ユニット30を第1のフレーム主面11のコーナー部にそれぞれ配置する。
<変形例>
上記に説明した半導体装置1では、半導体スイッチング素子31の出力端子と外部端子50とがリード線によって接続されている。これに対し、図7(a)、図7(b)に示すように、半導体スイッチング素子31の出力端子と外部端子50とをクリップリードによって接続してもよい。「クリップリード」は板状の導電性材料からなり、屈曲させることができる。クリップリードの材料には、例えばCuやAlなどの金属材料が使用される。
図7(a)、図7(b)は、第1の半導体スイッチング素子311のソース電極S(図示略)と外部端子50とをクリップリード511を介して電気的に接続し、第2の半導体スイッチング素子312のソース電極S(図示略)と外部端子50とをクリップリード512を介して電気的に接続した例である。
クリップリードはリード線よりも低抵抗である。このため、クリップリードを電気的接続に使用することによって、リード線を使用する場合に比べて、大電流を安定して流すことができる。また、電気経路のインピーダンス及びインダクタンスを低減することができる。
また、第1の半導体スイッチング素子311と第2の半導体スイッチング素子312との間にクリップリードの一方の端部を配置することにより、クリップリードを放熱板としても使用することができる。
上記では第1の半導体スイッチング素子311と外部端子50との接続と、第2の半導体スイッチング素子312と外部端子50との接続に、共にクリップリードを用いる例を示した。しかし、これらの接続の一方のみをクリップリードによって行い、他方の接続をリード線によって行ってもよい。
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
既に述べた実施形態の説明においては、半導体スイッチング素子31がMOSFETである例を示した。これに対し、半導体スイッチング素子31が他のタイプのFETやIGBT、バイポーラトランジスタなどであってもよい。或いは、半導体素子ユニット30を上記のトランジスタを混在させて構成してもよい。
また、第1のフレーム主面11が矩形状ではなく、他の形状の多角形であってもよい。この場合においても、コーナー部に半導体素子ユニット30を配置することによって、良好な電気的特性を得ることができる。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
1…半導体装置
10…フレーム
20…支持基板
30…半導体素子ユニット
32…放熱板
40…制御素子
50…外部端子
60…変換基板
70…封止体
221…支持部
311…第1の半導体スイッチング素子
312…第2の半導体スイッチング素子
501、502…リード線
511、512…クリップリード

Claims (11)

  1. 互いに対向する第1のフレーム主面と第2のフレーム主面を有するフレームと、
    互いに対向する第1の基板主面と第2の基板主面を有し、前記第2の基板主面が前記第1のフレーム主面と対向するように前記フレームと離間して配置された支持基板と、
    第1の半導体スイッチング素子と第2の半導体スイッチング素子が積層された構造をそれぞれ有し、前記第1の半導体スイッチング素子の側が前記第1のフレーム主面に対向し前記第2の半導体スイッチング素子の側が前記第2の基板主面と対向するように、前記第1のフレーム主面の異なるコーナー部にそれぞれ搭載された複数の半導体素子ユニットと、
    前記第1の基板主面に搭載された、前記第1の半導体スイッチング素子及び前記第2の半導体スイッチング素子の動作を制御する制御素子と
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第1のフレーム主面の外縁に沿って複数の外部端子が配列され、前記コーナー部で隣接する2辺の一方の辺において前記コーナー部に近接して配置された前記外部端子に前記第1の半導体スイッチング素子の端子が電気的に接続され、他方の辺において前記コーナー部に近接して配置された前記外部端子に前記第2の半導体スイッチング素子の端子が電気的に接続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のフレーム主面が平面視で矩形状であり、前記第1のフレーム主面の外縁の四辺に沿って前記外部端子が配列されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記第1の半導体スイッチング素子と前記第2の半導体スイッチング素子の少なくともいずれかが、リード線を介して前記外部端子と電気的に接続されていることを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体装置。
  5. 前記第1の半導体スイッチング素子と前記第2の半導体スイッチング素子の少なくともいずれかが、導電性を有する板状のクリップリードを介して前記外部端子と電気的に接続されていることを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体装置。
  6. 前記支持基板の前記第2の基板主面に形成された凸形状の支持部によって、前記半導体素子ユニットが前記支持基板に支持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のフレーム主面のコーナー部のうちの前記半導体素子ユニットの配置されていないコーナー部に搭載された、前記制御素子の端子と前記外部端子との間を電気的に接続する内部リードが形成された変換基板を更に備え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。
  8. 前記第1の半導体スイッチング素子と前記第2の半導体スイッチング素子とが、導電性を有する放熱板を介して積層されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置。
  9. 前記支持基板、前記半導体素子ユニット及び前記制御素子が封止体によってモールド封止され、前記フレームの前記第2のフレーム主面が前記封止体の外部に露出していることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置。
  10. 前記制御素子が、前記第1の半導体スイッチング素子と前記第2の半導体スイッチング素子を交互にオン・オフ動作するように制御することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置。
  11. 前記半導体素子ユニットを3個有し、前記半導体素子ユニットのそれぞれが三相モータの各相出力を制御することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の半導体装置。
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