JP6330640B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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本発明は、自動車や電車等のモータを制御するインバータ、発電、回生用コンバータ等に適用される半導体装置の製造方法に関する。
はんだ付けを減圧リフローで実施する場合、ベース板上に位置決め治具を載せ、位置決め治具の開口内においてベース板上にはんだと半導体素子を順に載せる。リフロー時にはんだ中のボイドが抜けると同時にはんだが飛散する。なお、ベース板上において治具で覆われた部分には飛散したはんだが付着しない(例えば、特許文献1(段落0036、図4)参照)。
特開2010−272650号公報
従来の治具の開口の内側面は垂直平面であるため、リフロー時に飛散したはんだが治具の開口の内側面で跳ね返って半導体素子の上面に到達する。これにより、はんだが半導体素子の上面電極に付着するか又はワイヤボンダーのツールに干渉する位置に付着して、上面電極にワイヤをボンディングできず不良となるケースが多発していた。この結果、生産性が低下するという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はリフロー時に飛散したはんだが半導体素子の上面に付着するのを防いで生産性を向上させることができる半導体装置の製造方法を得るものである。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、開口と前記開口の内側面に設けられた突起とを有する位置決め治具をベース板上に載せる工程と、前記開口内においてはんだを前記ベース板上に載せる工程と、前記開口内において、上面及び下面にそれぞれ上面電極及び下面電極を有する半導体素子を前記はんだ上に載せる工程と、前記半導体素子のサイドに前記突起を配置させた状態でリフローを実施して前記半導体素子の前記下面電極を前記はんだにより前記ベース板に接合し、前記リフロー時に飛散した前記はんだを前記突起でせき止める工程とを備え、前記突起の上部はテーパー形状になっていることを特徴とする。
本発明では位置決め治具の開口の内側面に設けられた突起により、リフロー時に飛散したはんだをせき止める。これにより、リフロー時に飛散したはんだが半導体素子の上面に付着するのを防いで生産性を向上させることができる。
本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す回路図である。 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の内部を示す透視上面図である。 図2のI−IIに沿った断面図である。 図3の一部を拡大した断面図である。 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法のフローチャートである。 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を示す上面図である。 本発明の実施の形態3に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態4に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態5に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態6に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態6に係る半導体装置の製造方法のフローチャートである。 本発明の実施の形態7に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態8に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す回路図である。トランジスタ素子1a〜1fとダイオード2a〜2fの6つのペアが三相ハーフブリッジ回路を構成する。U、V、W端子を介して電源からの電力を負荷に供給する。トランジスタ素子1a〜1fは、電源から供給される電流を必要な時間だけ導通する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor)である。ダイオード2a〜2fは、トランジスタ素子1a〜1fが導通状態から遮断状態になる際に電流を還流させるフリーホイールダイオード(Free Wheel Diode)である。
図2は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の内部を示す透視上面図である。図3は図2のI−IIに沿った断面図である。
ベース板3aとベース板3b〜3dが左右に離間して配置されている。ベース板3b〜3dは互いに分離している。トランジスタ素子1a〜1c及びダイオード2a〜2cがベース板3a上に実装され、それらの下面はベース板3aにはんだ4aで接合されている。トランジスタ素子1d〜1f及びダイオード2d〜2fがベース板3b〜3d上にそれぞれ実装され、それらの下面はベース板3b〜3dにそれぞれはんだ4bで個別に接合されている。
互いに分離した配線部材5a〜5cがトランジスタ素子1a〜1c及びダイオード2a〜2cの上面にそれぞれはんだ4cで個別に接合されている。配線部材5dがトランジスタ素子1d〜1f及びダイオード2d〜2fの上面にはんだ4dで共通に接合されている。配線部材5a〜5cはベース板3b〜3dの上面の周縁部にそれぞれ接合されている。配線部材5eがベース板3aの上面の周縁部に接合されている。
信号配線6a〜6fはトランジスタ素子1a〜1fの制御端子にそれぞれワイヤ7により接続されている。絶縁基板一体型フィン8がベース板3a〜3dの下面に設けられている。トランジスタ素子1a〜1c及びダイオード2a〜2cを囲うようにケース9が配置されている。ケース9内において、ベース板3a〜3d、トランジスタ素子1a〜1f、ダイオード2a〜2f、配線部材5a〜5eの一部、信号配線6a〜6fの一部、及び絶縁基板一体型フィン8の上面はポッティング樹脂10により覆われている。
図4は図3の一部を拡大した断面図である。絶縁基板一体型フィン8として、Al製の放熱フィン8a、AlN層8b、Al層8c及びAlN層8dが順に積層されている。Al製のベース板3aはAlN層8d上に設けられ、絶縁性のAlN層8dにより他のベース板及び放熱フィン8a等から絶縁されている。放熱フィン8aのフィン部分の厚みは8mm、放熱フィン8aの平板部分の厚みは0.9mm、AlN層8bの厚みは0.635mm、Al層8cの厚みは1.13mm、AlN層8dの厚みは0.635mm、ベース板3aの厚みは0.6mmである。
トランジスタ素子1aの上面にゲート電極11a(制御端子)とエミッタ電極11bが形成され、下面にコレクタ電極11cが形成されている。ゲート電極11a、エミッタ電極11b及びコレクタ電極11cはシリコン基板にめっき及びスパッタで形成されたものである。
コレクタ電極11cははんだ4aによりベース板3aに接合されている。エミッタ電極11bははんだ4cにより配線部材5aに接合されている。はんだ4a,4cは、錫−鉛はんだ、鉛フリーはんだ等であり、フラックス入りでもよいし、フラックスレスはんだでもよい。ゲート電極11aにワイヤ7がボンディングされている。なお、ここではトランジスタ素子1aの構成について説明したが、他のトランジスタ素子の構成も同様である。
図5は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図6は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法のフローチャートである。
まず、位置決め治具12をベース板3a上に載せる(ステップS1)。位置決め治具12には上面から下面まで貫通した開口13が設けられている。開口13の内側面に突起14が設けられている。位置決め治具12及び突起14の材料はカーボン、アルミ等である。突起14の断面は長方形である。なお、はんだとの濡れ性を向上させるため、ベース板3aのはんだ接合部にニッケルなどのメッキ層を形成してもよい。ただし、ベース板3aの材質がはんだとの濡れ性が高い物質の場合にはメッキ層は不要である。
次に、開口13内において、はんだ4aをベース板3a上に載せる(ステップS2)。はんだ4aは板はんだである。そのはんだ4a上にトランジスタ素子1aを載せる(ステップS3)。トランジスタ素子1aの薄チップ化によるはんだ4aへの応力低下のため、はんだ4aの膜厚は100μm以上とする。ただし、はんだ4aを厚くするほどはんだ4aの飛散が生じやすくなる。
次に、トランジスタ素子1aのサイドに突起14を配置させた状態で減圧リフローを実施してトランジスタ素子1aのコレクタ電極11cをはんだ4aによりベース板3aに接合する(ステップS4)。減圧リフローの温度は例えば260℃、気圧は50Paである。リフロー時に飛散したはんだ4aは突起14の下面跳ね返るか又は突起14の下面に付着してせき止められ、トランジスタ素子1aの上面まで到達しない。リフロー後にゲート電極11aにワイヤ7をボンディングする。その後、樹脂封止等の一般的な製造工程を実施する。
上述のように、本実施の形態では、位置決め治具12の開口13の内側面に設けられた突起14により、リフロー時に飛散したはんだ4aをせき止める。これにより、リフロー時に飛散したはんだ4aがトランジスタ素子1aの上面に付着するのを防ぐことができる。従って、リフロー後にゲート電極11aにワイヤ7を良好にボンディングすることができるため、生産性を向上させることができる。
また、突起14を有する位置決め治具12をベース板3a上に載せるだけでよいので、トランジスタ素子1aの上面へのはんだ4aの付着を防止するために位置決め治具12とは別個の治具や製造工程を追加する必要が無い。従って、製造コストの増加や製造工程の遅延は生じない。
ここで、突起14の下面がトランジスタ素子1aの上面より高いと、突起14の下面で跳ね返ったはんだ4aがトランジスタ素子1aの上面に付着してしまう。また、突起14の下面がはんだ4aの上面より低いと、はんだ4aを突起14でせき止めることができない。さらに、飛散したはんだ4aを留めておく突起14より下方の空間が減少してしまう。従って、リフロー時において突起14の下面をトランジスタ素子1aの上面とはんだ4aの上面の間の高さに配置する。
また、突起14とトランジスタ素子1aが離れ過ぎているとリフロー時に飛散したはんだ4aを突起14でせき止めることができない。そこで、突起14とトランジスタ素子1aの側面との間隔d1を0.25mm以下にする。例えば間隔d1を0.1mm〜0.25mmにする。突起14とトランジスタ素子1aの側面が一部接触していてもよい。
なお、トランジスタ素子1aのベース板3a上への実装方法を説明したが、他のトランジスタ素子のベース板上への実装方法も同様である。また、実際には、複数の開口を有する位置決め治具12を用いて、トランジスタ素子1a〜1fとダイオード2a〜2fを同時にベース板3a〜3d上に実装する。
実施の形態2.
図7は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図8は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を示す上面図である。突起14より下側において開口13の内側面に孔15が設けられている。孔15は位置決め治具12の壁を貫通する貫通孔である。飛散したはんだ4aが孔15を通って位置決め治具12の外側に排出される。ただし、孔15は貫通孔に限らず、位置決め治具12の壁の途中まで設けられたものでもよい。何れの場合でも、リフロー時に飛散したはんだ4aを孔15に逃がすことにより、トランジスタ素子1aの上面にはんだ4aが付着するのを更に確実に防ぐことができる。なお、孔15が貫通孔の場合には、図8に示すように位置決め治具12の隣接する2つの開口13の間の壁には孔15が設けられていない。その他の構成及び効果は実施の形態1と同様である。
実施の形態3.
図9は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。開口13は、突起14より上側において第1の開口径w1を有し、突起14より下側において第2の開口径w2を有する。第2の開口径w2を第1の開口径w1よりも大きくすることで、突起14より下方の空間が増加し、飛散したはんだ4aがベース板3a上に留まりやすくなる。このため、トランジスタ素子1aの上面にはんだ4aが付着するのを更に確実に防ぐことができる。その他の構成及び効果は実施の形態1と同様である。
なお、第1の開口径w1が大き過ぎると位置決め治具12による位置決め精度が低下する。一方、第1の開口径w1が小さ過ぎると開口13内にトランジスタ素子1aを配置するのが困難になる。また、第2の開口径w2が大きいほど突起14より下方の空間が増加するが、位置決め治具12の壁が薄くなり強度が落ちる。これらを考慮して適切な範囲で第1及び第2の開口径w1,w2を設定する。
実施の形態4.
図10は、本発明の実施の形態4に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。突起14は、開口13の内側面に接合された第1の部材14aと、第1の部材14aよりも開口13の中央寄りに配置された第2の部材14bとを有する。第1の部材14aの下面は第2の部材14bの下面よりも高さが高い。このため、突起14の断面が鉤状となり、第2の部材14bと開口13の内側面との間に空間16が存在する。リフロー時において第2の部材14bの下面をトランジスタ素子1aの上面とはんだ4aの間の高さに配置することで、飛散したはんだ4aをせき止めことができる。なお、第1の部材14aの下面の高さはトランジスタ素子1aの上面より高くてもよい。
また、リフロー時に飛散したはんだ4aを空間16に逃がすことにより、トランジスタ素子1aの上面にはんだ4aが付着するのを更に確実に防ぐことができる。その他の構成及び効果は実施の形態1と同様である。なお、本実施の形態の突起14の形状を実施の形態2又は3に係る位置決め治具12に組み合わせてもよい。
実施の形態5.
図11は、本発明の実施の形態5に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。突起14の上部がテーパー形状であり、開口13の開口径が上方に向かうほど広がる。このため、開口13内にトランジスタ素子1a及びはんだ4aを配置するのが容易になる。その他の構成及び効果は実施の形態1と同様である。なお、本実施の形態のテーパー形状を実施の形態2〜4に係る位置決め治具12に組み合わせてもよい。
実施の形態6.
図12は、本発明の実施の形態6に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図13は、本発明の実施の形態6に係る半導体装置の製造方法のフローチャートである。なお、半導体装置の全体構成は実施の形態1と同様である。
まず、開口13を有する位置決め治具12をベース板3a上に載せる(ステップS11)。なお、実施の形態1とは異なり、位置決め治具12の開口13の内側面に突起14は設けられておらず、内側面は垂直平面である。
次に、開口13内においてはんだ4aをベース板3a上に載せる(ステップS12)。次に、開口13内においてトランジスタ素子1aをはんだ4a上に載せる(ステップS13)。トランジスタ素子1aの平面形状は一辺が10mm〜15mmの四角形である。
次に、カバー治具17を位置決め治具12及びトランジスタ素子1a上に被せる(ステップS14)。ここで、カバー治具17は下面に突起18を有し、この突起18を開口13内に配置させる。カバー治具17及び突起18の材料はカーボン、アルミ等である。突起18の厚みは1mm〜2mm、断面は長方形である。
次に、トランジスタ素子1aの上面に突起18の下面を対向させた状態でリフローを実施してトランジスタ素子1aのコレクタ電極11cをはんだ4aによりベース板3aに接合する(ステップS15)。リフロー時に飛散したはんだ4aは突起18の側面で跳ね返るか又は突起18の側面に付着してせき止められ、トランジスタ素子1aの上面まで到達しない。リフロー後にゲート電極11aにワイヤ7をボンディングする。その後、樹脂封止等の一般的な製造工程を実施する。
上述のように、本実施の形態では、カバー治具17の下面に設けられた突起18により、リフロー時に飛散したはんだ4aをせき止める。これにより、リフロー時に飛散したはんだ4aがトランジスタ素子1aの上面に付着するのを防ぐことができる。従って、リフロー後にゲート電極11aにワイヤ7を良好にボンディングすることができるため、生産性を向上させることができる。
また、リフロー時においてトランジスタ素子1aの上面(トランジスタ素子1aの基板の上面ではなく、ゲート電極11a及びエミッタ電極11bの上面)と突起18は離間している。これにより、突起18が接触してトランジスタ素子1aが破壊されるのを防ぐことができる。
ここで、トランジスタ素子1aの上面のみにカバーに被せる方法も考えられる。しかし、その場合にはカバーをトランジスタ素子1aの上面に接触させなければならない。これに対して、本実施の形態ではカバー治具17を位置決め治具12で支えることで、カバー治具17の下面に設けられた突起18をトランジスタ素子1aの上面から離間させた状態で保持することができる。
ただし、突起18とトランジスタ素子1aが離れ過ぎているとリフロー時に飛散したはんだ4aを突起18でせき止めることができない。そこで、突起18とトランジスタ素子1aの上面との間隔d2を0.25mm以下にする。例えば間隔d2を70μm程度にする。
なお、突起18の平面サイズがトランジスタ素子1aよりも小さいと、リフロー時に飛散したはんだ4aがトランジスタ素子1aの上面に付着するのを防ぐことができない。一方、突起18の平面サイズが開口13と同程度の場合、突起18を開口13内に配置させるためにカバー治具17を位置合わせするのが難しくなる。従って、突起18の平面サイズはトランジスタ素子1aと同程度であることが好ましい。
また、トランジスタ素子1aのベース板3a上への実装方法を説明したが、他のトランジスタ素子のベース板上への実装方法も同様である。また、実際には、複数の開口を有する位置決め治具12を用いて、トランジスタ素子1a〜1fとダイオード2a〜2fを同時にベース板3a〜3d上に実装する。
実施の形態7.
図14は、本発明の実施の形態7に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。突起18の下面に凹部19が設けられている。これにより、トランジスタ素子1aが上方に凸反りした場合でも、突起18が接触してトランジスタ素子1aが破壊されるのを防ぐことができる。その他の構成及び効果は実施の形態6と同様である。
実施の形態8.
図15は、本発明の実施の形態8に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。突起18は、トランジスタ素子1aの上面の外周部に対向する位置にのみ設けられている。このような構成の突起18でもフロー時に飛散したはんだ4aがトランジスタ素子1aの上面に付着するのを防ぐことができる。そして、トランジスタ素子1aの上面の中央部分には突起18が無いため、トランジスタ素子1aが上方に凸反りした場合でも突起18が接触してトランジスタ素子1aが破壊されるのを防ぐことができる。また、トランジスタ素子1aの上面の外周部にはゲート電極11a等が設けられていないため、突起18がトランジスタ素子1aの上面に接触し難い。その他の構成及び効果は実施の形態6,7と同様である。
なお、トランジスタ素子1a〜1f及びダイオード2a〜2fは、シリコンによって形成されたものに限らず、シリコンに比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された素子は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された素子を用いることで、この素子を組み込んだ半導体装置も小型化できる。また、素子の耐熱性が高いため、絶縁基板一体型フィン8の放熱フィン8aを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体装置を更に小型化できる。また、素子の電力損失が低く高効率であるため、半導体装置を高効率化できる。なお、トランジスタ素子1a〜1f及びダイオード2a〜2f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ることが望ましいが、何れか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体よって形成されていてもよく、上記実施の形態に記載の効果を得ることができる。
1a〜1f トランジスタ素子(半導体素子)、3a〜3d ベース板、4a,4b はんだ、7 ワイヤ、11a ゲート電極(上面電極)、11c コレクタ電極(下面電極)、12 位置決め治具、13 開口、14,18 突起、14a 第1の部材、14b 第2の部材、15 孔、16 空間、17 カバー治具、19 凹部

Claims (11)

  1. 開口と前記開口の内側面に設けられた突起とを有する位置決め治具をベース板上に載せる工程と、
    前記開口内においてはんだを前記ベース板上に載せる工程と、
    前記開口内において、上面及び下面にそれぞれ上面電極及び下面電極を有する半導体素子を前記はんだ上に載せる工程と、
    前記半導体素子のサイドに前記突起を配置させた状態でリフローを実施して前記半導体素子の前記下面電極を前記はんだにより前記ベース板に接合し、前記リフロー時に飛散した前記はんだを前記突起でせき止める工程とを備え
    前記突起の上部はテーパー形状になっていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記リフロー時において前記突起の下面を前記半導体素子の前記上面と前記はんだの上面の間の高さに配置することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記リフロー時において前記突起と前記半導体素子の側面との間隔を0.25mm以下にすることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記突起より下側において前記開口の前記内側面に孔が設けられていることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記開口は、前記突起より上側において第1の開口径を有し、前記突起より下側において第2の開口径を有し、前記第2の開口径は前記第1の開口径よりも大きいことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記突起は、前記開口の前記内側面に接合された第1の部材と、前記第1の部材よりも前記開口の中央寄りに配置された第2の部材とを有し、
    前記第1の部材の下面は前記第2の部材の下面よりも高さが高いことを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 開口を有する位置決め治具をベース板上に載せる工程と、
    前記開口内において、はんだを前記ベース板上に載せる工程と、
    前記開口内において、上面及び下面にそれぞれ上面電極及び下面電極を有する半導体素子を前記はんだ上に載せる工程と、
    下面に突起を有するカバー治具を前記位置決め治具及び前記半導体素子上に被せ、前記突起を前記開口内に配置させる工程と、
    前記半導体素子の前記上面に前記突起の下面を対向させた状態でリフローを実施して前記半導体素子の前記下面電極を前記はんだにより前記ベース板に接合し、前記リフロー時に飛散した前記はんだを前記突起でせき止める工程とを備え
    前記リフロー時において前記カバー治具を前記位置決め治具で支えて前記半導体素子の前記上面と前記突起を接触させずに離間させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  8. 前記リフロー時において前記突起と前記半導体素子の前記上面との間隔を0.25mm以下にすることを特徴とする請求項に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記突起の下面に凹部が設けられていることを特徴とする請求項7又は8に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記突起は、前記半導体素子の前記上面の外周部に対向する位置にのみ設けられていることを特徴とする請求項の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記リフロー後に前記上面電極にワイヤをボンディングする工程を更に備えることを特徴とする請求項1〜10の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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