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JP7387232B2 - Semiconductor device, power conversion device, and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Semiconductor device, power conversion device, and method for manufacturing semiconductor device Download PDF

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Description

本開示は、半導体装置、電力変換装置、および半導体装置の製造方法に関するものである。 The present disclosure relates to a semiconductor device, a power conversion device, and a method for manufacturing a semiconductor device.

例えば電力制御用の半導体装置(電力用半導体装置)において、外部電極となる電極端子と絶縁基板との接続方法は、絶縁基板上に形成された回路パターン上に電極端子をはんだ接合する方法が一般的である。また、半導体チップに接続される配線として、板状の配線板を用いた電力用半導体装置が増えている。半導体チップと配線板との接続方法は、半導体チップ上に形成された電極パッドに配線板を直接はんだ接合する方法が一般的である。 For example, in semiconductor devices for power control (power semiconductor devices), the common method for connecting electrode terminals that serve as external electrodes to an insulating substrate is to solder the electrode terminals onto a circuit pattern formed on an insulating substrate. It is true. Furthermore, power semiconductor devices that use plate-shaped wiring boards as wiring connected to semiconductor chips are increasing. A common method for connecting a semiconductor chip and a wiring board is to directly solder the wiring board to electrode pads formed on the semiconductor chip.

回路パターンと電極端子、あるいは、電極パッドと配線板とをはんだ接合する場合、部材間の線膨張係数の差異に起因した、半導体装置の動作時の温度変化で生じる歪みによって、接合部に亀裂が発生、進展することで、半導体装置が寿命を迎えることがある。特に、高温動作が可能なワイドギャップ半導体搭載した場合の高温動作環境においてはさらに影響が大きくなる。そのため近年では、超音波接合やレーザー溶接によって、回路パターンと電極端子、あるいは、電極パッドと配線板とを直接接合する方法が提案されており、この方法によれば半導体装置の寿命を延ばすことができる。 When a circuit pattern and an electrode terminal or an electrode pad and a wiring board are soldered together, cracks may occur in the joint due to distortion caused by temperature changes during the operation of the semiconductor device due to differences in linear expansion coefficients between the components. Occurrence and progression of these defects may lead to the end of the semiconductor device's lifespan. In particular, the effect becomes even greater in a high-temperature operating environment when a wide-gap semiconductor capable of high-temperature operation is mounted. Therefore, in recent years, methods have been proposed to directly bond circuit patterns and electrode terminals, or electrode pads and wiring boards, using ultrasonic bonding or laser welding.This method can extend the life of semiconductor devices. can.

しかし、超音波接合における接合時の荷重や超音波振動、レーザー溶接における溶接時の熱や溶融深さなどは、絶縁基板の絶縁層や半導体チップの素子構造が破壊される要因と成り得る。その対策として、例えば下記の特許文献1には、回路パターン上に金属板をあらかじめはんだ接合した状態で、金属板上に電極端子をレーザー溶接することで、溶融部が絶縁層に達することを防ぎ、絶縁層の破壊の抑制を図る技術が提案されている。 However, the load and ultrasonic vibration during ultrasonic bonding, the heat and fusion depth during welding in laser welding, etc. can be factors that destroy the insulating layer of the insulating substrate and the element structure of the semiconductor chip. As a countermeasure, for example, Patent Document 1 below discloses that a metal plate is pre-soldered onto the circuit pattern, and electrode terminals are laser welded onto the metal plate to prevent the molten part from reaching the insulating layer. , techniques for suppressing breakdown of the insulating layer have been proposed.

特開2008-205058号公報Japanese Patent Application Publication No. 2008-205058

上述したように、超音波接合やレーザー溶接によって、回路パターンと電極端子、あるいは、電極パッドと配線板とを直接接合する場合、半導体装置の寿命を延ばすことができる。しかし、超音波接合やレーザー溶接による熱や応力は、絶縁基板の絶縁層や半導体チップの素子構造が破壊される要因と成り得る。 As described above, when a circuit pattern and an electrode terminal or an electrode pad and a wiring board are directly bonded by ultrasonic bonding or laser welding, the life of the semiconductor device can be extended. However, the heat and stress caused by ultrasonic bonding and laser welding can cause destruction of the insulating layer of the insulating substrate and the element structure of the semiconductor chip.

本開示は以上のような課題を解決するためになされたものであり、超音波接合やレーザー溶接による応力や熱によるダメージを抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a semiconductor device that can suppress damage caused by stress and heat caused by ultrasonic bonding or laser welding.

本開示に係る半導体装置は、回路パターンを有する絶縁基板と、前記回路パターンに搭載され電極パッドを有する半導体素子と、前記電極パッドに緩衝層を介して接合された配線板、および、前記回路パターンに緩衝層を介して接合された電極端子の少なくとも片方と、を備え、前記電極パッドまたは前記回路パターンである第1導電部材の厚みをT1、前記配線板または前記電極端子である第2導電部材の厚みをT2、前記第1導電部材と前記第2導電部材との間に介在する前記緩衝層の厚みをT3とすると、T1とT3との合計は、T2の1/2以上であり、前記回路パターン上の前記緩衝層は、前記回路パターンと同一サイズ、同一形状で形成される

A semiconductor device according to the present disclosure includes an insulating substrate having a circuit pattern, a semiconductor element mounted on the circuit pattern and having an electrode pad, a wiring board bonded to the electrode pad via a buffer layer, and the circuit pattern. at least one of the electrode terminals bonded to via a buffer layer, the thickness of the first conductive member which is the electrode pad or the circuit pattern is T1, and the second conductive member which is the wiring board or the electrode terminal. When the thickness of T2 is T2, and the thickness of the buffer layer interposed between the first conductive member and the second conductive member is T3, the sum of T1 and T3 is 1/2 or more of T2, The buffer layer on the circuit pattern is formed to have the same size and shape as the circuit pattern .

本開示によれば、第1導電部材(電極パッドまたは回路パターン)と第2導電部材(配線板または電極端子)とが緩衝層を介して接合されており、また、第1導電部材の厚みT1と緩衝層の厚みT3との合計が、第2導電部材の厚みT2の1/2以上であるため、接合時の応力や熱が半導体チップや絶縁基板にダメージを与えることが防止される。 According to the present disclosure, the first conductive member (electrode pad or circuit pattern) and the second conductive member (wiring board or electrode terminal) are joined via the buffer layer, and the thickness of the first conductive member is T1. Since the sum of the thickness T3 of the buffer layer and the thickness T3 of the second conductive member is 1/2 or more of the thickness T2 of the second conductive member, stress and heat during bonding are prevented from damaging the semiconductor chip or the insulating substrate.

実施の形態1に係る半導体装置の構造を示す部分断面模式図である。1 is a partial cross-sectional schematic diagram showing the structure of a semiconductor device according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態2に係る半導体装置の構造を示す部分断面模式図である。FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to a second embodiment. 実施の形態3に係る半導体装置の構造を示す部分断面模式図である。FIG. 7 is a schematic partial cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to Embodiment 3; 実施の形態4に係る電力変換システムの構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of a power conversion system according to Embodiment 4. FIG.

<実施の形態1>
図1は、実施の形態1に係る半導体装置の構造を示す部分断面模式図である。図1のように、実施の形態1に係る半導体装置は、絶縁基板1上に搭載された半導体チップ2と、半導体チップ2に接続された板状の配線である配線板5と、外部電極となる電極端子8とを備える電力用半導体装置である。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a schematic partial cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to a first embodiment. As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the first embodiment includes a semiconductor chip 2 mounted on an insulating substrate 1, a wiring board 5 which is a plate-shaped wiring connected to the semiconductor chip 2, and an external electrode. This is a power semiconductor device including an electrode terminal 8.

実施の形態1では、半導体チップ2は、Siを基材としたIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)チップであるものとする。ただし、半導体チップ2は、IGBTに限られず、例えばFWD(Free Wheel Diode)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、などでもよい。また、半導体チップ2の基材はSiに限られず、例えばSiC(炭化珪素)、GaN(窒化ガリウム系材料)、ダイヤモンドなど、Siよりもバンドギャップが大きい、いわゆるワイドバンドギャップ半導体でもよい。 In the first embodiment, it is assumed that the semiconductor chip 2 is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) chip using Si as a base material. However, the semiconductor chip 2 is not limited to an IGBT, and may be, for example, a FWD (Free Wheel Diode), a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), or the like. Further, the base material of the semiconductor chip 2 is not limited to Si, and may be a so-called wide bandgap semiconductor having a larger bandgap than Si, such as SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride-based material), or diamond.

絶縁基板1は、絶縁層1aと、絶縁層1aの上面に形成された回路パターン1bと、絶縁層1aの下面に形成された下面パターン1cとを備えている。ここでは、絶縁層1aの材料はセラミックスとし、回路パターン1bおよび下面パターン1cはCuを主材料とするものとする。 The insulating substrate 1 includes an insulating layer 1a, a circuit pattern 1b formed on the upper surface of the insulating layer 1a, and a lower surface pattern 1c formed on the lower surface of the insulating layer 1a. Here, the material of the insulating layer 1a is ceramic, and the circuit pattern 1b and the lower surface pattern 1c are mainly made of Cu.

半導体チップ2は、絶縁基板1の回路パターン1b上に、焼結性のCu粒子を含むダイボンド材3を介して接合されている。また、半導体チップ2は、上面に電極パッド2aを有している。ここでは、電極パッド2aの厚さは10μmであり、電極パッド2aの表面はNi/Auめっきされているものとする。 The semiconductor chip 2 is bonded onto the circuit pattern 1b of the insulating substrate 1 via a die bonding material 3 containing sinterable Cu particles. Further, the semiconductor chip 2 has electrode pads 2a on the upper surface. Here, it is assumed that the thickness of the electrode pad 2a is 10 μm, and the surface of the electrode pad 2a is plated with Ni/Au.

半導体チップ2の電極パッド2aの上には、焼結性のCu粒子が焼結して成る緩衝層4が形成されている。ここでは、緩衝層4の厚さを0.5mmとする。以下、電極パッド2a上に形成された緩衝層4を「電極パッド上緩衝層4」と称す。 A buffer layer 4 made of sintered Cu particles is formed on the electrode pad 2a of the semiconductor chip 2. Here, the thickness of the buffer layer 4 is set to 0.5 mm. Hereinafter, the buffer layer 4 formed on the electrode pad 2a will be referred to as "the buffer layer 4 on the electrode pad".

配線板5は、電極パッド上緩衝層4を介して、半導体チップ2の電極パッド2aとレーザー溶接により接合されている。そのため、配線板5と電極パッド上緩衝層4との接合部には、レーザー溶接の際に溶融した配線板5および電極パッド上緩衝層4からなる配線板溶接部6が形成されている。ここでは、配線板5はCuを主材料とし、配線板5の厚さは0.8mmとする。 The wiring board 5 is joined to the electrode pad 2a of the semiconductor chip 2 by laser welding via the buffer layer 4 on the electrode pad. Therefore, a wiring board welded portion 6 consisting of the wiring board 5 and the electrode pad buffer layer 4 melted during laser welding is formed at the joint between the wiring board 5 and the electrode pad buffer layer 4. Here, the main material of the wiring board 5 is Cu, and the thickness of the wiring board 5 is 0.8 mm.

絶縁基板1の回路パターン1bにおける電極端子8との接合領域には、焼結性のCu粒子が焼結して成る緩衝層7が形成されている。ここでは、緩衝層7の厚さは0.5mmとする。以下、回路パターン1b上に形成された緩衝層7を「回路パターン上緩衝層7」と称す。 A buffer layer 7 formed by sintering sinterable Cu particles is formed in the bonding region with the electrode terminal 8 in the circuit pattern 1b of the insulating substrate 1. Here, the thickness of the buffer layer 7 is 0.5 mm. Hereinafter, the buffer layer 7 formed on the circuit pattern 1b will be referred to as the "buffer layer 7 on the circuit pattern".

電極端子8は、回路パターン上緩衝層7を介して、絶縁基板1の回路パターン1bとレーザー溶接により接合されている。そのため、電極端子8と回路パターン上緩衝層7との接合部には、レーザー溶接の際に溶融した電極端子8および回路パターン上緩衝層7からなる電極端子溶接部9が形成されている。 The electrode terminal 8 is joined to the circuit pattern 1b of the insulating substrate 1 by laser welding via the buffer layer 7 on the circuit pattern. Therefore, an electrode terminal welded portion 9 consisting of the electrode terminal 8 and the circuit pattern buffer layer 7 melted during laser welding is formed at the joint between the electrode terminal 8 and the circuit pattern buffer layer 7.

図示は省略するが、実施の形態1の半導体装置には、絶縁基板1の回路パターン1b、半導体チップ2、配線板5および電極端子8の少なくとも一部を保護するために、それらを覆うように封止材が設けられている。また、配線板5は別の回路パターンや外部電極などと接続されて半導体装置の内部回路を構成し、電極端子8は外部電極と接続される。 Although not shown, the semiconductor device of Embodiment 1 includes a structure that covers at least a portion of the circuit pattern 1b of the insulating substrate 1, the semiconductor chip 2, the wiring board 5, and the electrode terminal 8 in order to protect them. A sealant is provided. Further, the wiring board 5 is connected to another circuit pattern, an external electrode, etc. to constitute an internal circuit of the semiconductor device, and the electrode terminal 8 is connected to the external electrode.

ここで、従来の半導体装置は、電極パッド上緩衝層4および回路パターン上緩衝層7を有さない構造であった。つまり、従来の半導体装置では、配線板5は半導体チップ2の電極パッド2aに直接接合され、電極端子8は回路パターン1bに直接接合される。 Here, the conventional semiconductor device had a structure without the buffer layer 4 on the electrode pad and the buffer layer 7 on the circuit pattern. That is, in the conventional semiconductor device, the wiring board 5 is directly bonded to the electrode pad 2a of the semiconductor chip 2, and the electrode terminal 8 is directly bonded to the circuit pattern 1b.

電極パッド上緩衝層4を持たない従来の半導体装置では、配線板5を電極パッド2aにレーザー溶接する際、レーザーを照射するにつれて、配線板5内に生じた配線板溶接部6が電極パッド2a内へ進展する。このとき配線板溶接部6が半導体チップ2の素子構造にまで到達してしまうと、その熱の影響で半導体チップ2の素子構造が破壊され、半導体チップ2が機能しなくなったり、半導体チップ2に必要とされる電気特性が得られなくなったりする問題が生じる。これを防止するためは、レーザーの出力を小さくしたり照射時間を短くしたりすればよいが、そうすると、配線板溶接部6が電極パッド2a内に十分入り込まず、所望の接合強度が得られないおそれがある。 In a conventional semiconductor device that does not have a buffer layer 4 on the electrode pad, when the wiring board 5 is laser welded to the electrode pad 2a, as the laser is irradiated, the wiring board welded part 6 generated in the wiring board 5 is attached to the electrode pad 2a. progress inward. At this time, if the wiring board weld 6 reaches the element structure of the semiconductor chip 2, the element structure of the semiconductor chip 2 will be destroyed due to the influence of the heat, and the semiconductor chip 2 may stop functioning or the semiconductor chip 2 may become damaged. A problem arises in that required electrical characteristics cannot be obtained. In order to prevent this, it is possible to reduce the laser output or shorten the irradiation time, but if this is done, the wiring board welded part 6 will not fully penetrate into the electrode pad 2a, and the desired bonding strength will not be obtained. There is a risk.

従来の半導体装置において、半導体チップ2の素子構造を壊さず、且つ、配線板5と電極パッド2aとの間で所望の接合強度が得られるようにレーザー溶接を行うには、配線板溶接部6の進展を電極パッド2a内で止める必要があるが、一般に電極パッド2aは配線板5に比べて薄いため、この制御は非常に難しく、レーザー出力条件の裕度がほとんどない。 In conventional semiconductor devices, in order to perform laser welding so as not to destroy the element structure of the semiconductor chip 2 and to obtain the desired bonding strength between the wiring board 5 and the electrode pads 2a, the wiring board welded portion 6 is It is necessary to stop the progression within the electrode pad 2a, but since the electrode pad 2a is generally thinner than the wiring board 5, this control is very difficult and there is almost no latitude in the laser output conditions.

これに対して、実施の形態1の半導体装置では、配線板5は電極パッド上緩衝層4を介して電極パッド2aと接合されている。電極パッド上緩衝層4は、電極パッド2a上に焼結性のCu粒子を含む接合材を印刷または塗布した後に、加熱あるいは加熱加圧して焼結させた膜であり、電極パッド2aと予め強固に接合されている。そのため、レーザー溶接の際に、配線板溶接部6を、配線板5内から電極パッド上緩衝層4内まで進展させれば、配線板5と電極パッド2aとの接合は強固なものとなり、所望の接合強度が得られる。 In contrast, in the semiconductor device of the first embodiment, wiring board 5 is bonded to electrode pad 2a via buffer layer 4 on the electrode pad. The buffer layer 4 on the electrode pad is a film obtained by printing or applying a bonding material containing sinterable Cu particles onto the electrode pad 2a and then sintering it by heating or applying heat and pressure. is joined to. Therefore, during laser welding, if the wiring board welded portion 6 is advanced from inside the wiring board 5 to the buffer layer 4 on the electrode pad, the bond between the wiring board 5 and the electrode pad 2a will be strong, and the desired A bonding strength of

特に、電極パッド2aの厚みと電極パッド上緩衝層4の厚みとの合計が、配線板5の厚みの1/2(2分の1)以上となるように、電極パッド上緩衝層4の厚さを調整することで、レーザー溶接において配線板溶接部6が半導体チップ2の素子構造に達しないように、レーザー出力条件を制御することが容易となる。すなわち、レーザー溶接の条件裕度が広がる。 In particular, the thickness of the buffer layer 4 on the electrode pad is set such that the total of the thickness of the electrode pad 2a and the thickness of the buffer layer 4 on the electrode pad is 1/2 (1/2) or more of the thickness of the wiring board 5. By adjusting the height, it becomes easy to control the laser output conditions so that the wiring board welded portion 6 does not reach the element structure of the semiconductor chip 2 during laser welding. In other words, the condition latitude for laser welding is expanded.

また、回路パターン上緩衝層7を持たない従来の半導体装置では、電極端子8を回路パターン1bにレーザー溶接する際、レーザーを照射するにつれて、電極端子8内に生じた電極端子溶接部9が回路パターン1b内へ進展する。このとき電極端子溶接部9が絶縁基板1の絶縁層1aにまで到達してしまうと、その熱の影響で絶縁層1aが破壊され、絶縁基板1の絶縁性能が損なわれる。これを防止するためは、レーザーの出力を小さくしたり照射時間を短くしたりすればよいが、そうすると、電極端子溶接部9が回路パターン1b内に十分入り込まず、所望の接合強度が得られないおそれがある。 In addition, in a conventional semiconductor device that does not have a buffer layer 7 on a circuit pattern, when laser welding the electrode terminal 8 to the circuit pattern 1b, as the laser is irradiated, the electrode terminal welded part 9 generated in the electrode terminal 8 is connected to the circuit pattern 1b. It progresses into pattern 1b. At this time, if the electrode terminal welded portion 9 reaches the insulating layer 1a of the insulating substrate 1, the insulating layer 1a will be destroyed under the influence of the heat, and the insulation performance of the insulating substrate 1 will be impaired. In order to prevent this, it is possible to reduce the laser output or shorten the irradiation time, but if this is done, the electrode terminal welded part 9 will not fully penetrate into the circuit pattern 1b, and the desired bonding strength will not be obtained. There is a risk.

従来の半導体装置において、絶縁基板1の絶縁層1aを壊さず、且つ、電極端子8と回路パターン1bとの間で所望の接合強度が得られるようにレーザー溶接を行うには、電極端子溶接部9の進展を回路パターン1b内で止める必要があるが、一般的に回路パターン1bは電極端子8と比較して薄いため、この制御は非常に難しい。そのため従来の半導体装置では、回路パターン1bの厚さを、半導体装置に流す電流に最適な厚さよりも厚くするなどの工夫が成されていたが、これは材料コストの増加を伴う。 In a conventional semiconductor device, in order to perform laser welding so as not to damage the insulating layer 1a of the insulating substrate 1 and to obtain the desired bonding strength between the electrode terminal 8 and the circuit pattern 1b, it is necessary to 9 needs to be stopped within the circuit pattern 1b, but since the circuit pattern 1b is generally thinner than the electrode terminal 8, this control is extremely difficult. Therefore, in conventional semiconductor devices, measures have been taken to make the thickness of the circuit pattern 1b thicker than the optimal thickness for the current flowing through the semiconductor device, but this involves an increase in material costs.

これに対して、実施の形態1の半導体装置では、電極端子8は回路パターン上緩衝層7を介して回路パターン1bと接合されている。回路パターン上緩衝層7は、回路パターン1b上に焼結性のCu粒子を含む接合材を印刷または塗布した後に、加熱あるいは加熱加圧して焼結させた膜であり、回路パターン1bと予め強固に接合されている。そのためレーザー溶接の際に、電極端子溶接部9を、回路パターン上緩衝層7内まで進展させれば、電極端子8と回路パターン1bとの接合は強固なものとなり、所望の接合強度が得られる。 In contrast, in the semiconductor device of the first embodiment, the electrode terminal 8 is bonded to the circuit pattern 1b via the buffer layer 7 on the circuit pattern. The buffer layer 7 on the circuit pattern is a film obtained by printing or applying a bonding material containing sinterable Cu particles on the circuit pattern 1b and then sintering it by heating or applying heat and pressure. is joined to. Therefore, during laser welding, if the electrode terminal welded portion 9 is advanced into the buffer layer 7 on the circuit pattern, the bond between the electrode terminal 8 and the circuit pattern 1b becomes strong, and the desired bond strength can be obtained. .

特に、回路パターン1bの厚みと回路パターン上緩衝層7の厚みとの合計が、電極端子8の厚みの1/2以上となるように、回路パターン上緩衝層7の厚さを調整することで、レーザー溶接において電極端子溶接部9が半導体チップ2の素子構造に達しないように、レーザー出力条件を制御することが容易となる。すなわち、レーザー溶接の条件裕度が広がる。 In particular, by adjusting the thickness of the buffer layer 7 on the circuit pattern so that the sum of the thickness of the circuit pattern 1b and the thickness of the buffer layer 7 on the circuit pattern is 1/2 or more of the thickness of the electrode terminal 8. In laser welding, it becomes easy to control the laser output conditions so that the electrode terminal welded portion 9 does not reach the element structure of the semiconductor chip 2. In other words, the condition latitude for laser welding is expanded.

以上のように、実施の形態1に係る半導体装置は、電極パッド2aまたは回路パターン1bを第1導電部材と定義し、配線板5または電極端子8を第2導電部材と定義すると、第1導電部材と第2導電部材との間に、緩衝層(電極パッド上緩衝層4または回路パターン上緩衝層7)を備えている。また、第1導電部材の厚みをT1、第2導電部材の厚みをT2、第1導電部材と第2導電部材との間に介在する緩衝層の厚みをT3とすると、T1とT3との合計は、T2の1/2以上である。この構成により、上述した効果が得られる。 As described above, in the semiconductor device according to the first embodiment, when the electrode pad 2a or the circuit pattern 1b is defined as the first conductive member and the wiring board 5 or the electrode terminal 8 is defined as the second conductive member, the first conductive member A buffer layer (the buffer layer 4 on the electrode pad or the buffer layer 7 on the circuit pattern) is provided between the member and the second conductive member. Furthermore, if the thickness of the first conductive member is T1, the thickness of the second conductive member is T2, and the thickness of the buffer layer interposed between the first conductive member and the second conductive member is T3, then the sum of T1 and T3 is is 1/2 or more of T2. This configuration provides the effects described above.

また、上述したように、電極パッド上緩衝層4は、焼結性のCu粒子を含む接合材を電極パッド2aに印刷または塗布することで、電極パッド2a上に直接形成されている。同様に、回路パターン上緩衝層7は、焼結性のCu粒子を含む接合材を回路パターン1bに印刷または塗布することで、回路パターン1b上に直接形成されている。よって、電極パッド2aと配線板5との接合部、および、回路パターン1bと電極端子8との接合部において、信頼性低下の影響因子となるはんだ接合が排除されており、それらの接合部の接合信頼性が向上する。さらに、電極パッド上緩衝層4および回路パターン上緩衝層7は、電極パッド2aの形状や回路パターン1bにおける電極端子8の接合位置などに合わせて、接合材の印刷パターンや塗布位置、塗布形状などを適宜変更することで形成可能である。よって、半導体装置の品種によって電極パッド2aの厚さや回路パターン1bの厚さを変更するよりも、製造コストの増加を抑えることができる。 Further, as described above, the electrode pad buffer layer 4 is formed directly on the electrode pad 2a by printing or applying a bonding material containing sinterable Cu particles to the electrode pad 2a. Similarly, the buffer layer 7 on the circuit pattern is formed directly on the circuit pattern 1b by printing or applying a bonding material containing sinterable Cu particles to the circuit pattern 1b. Therefore, solder joints, which are factors that affect reliability, are eliminated at the joints between the electrode pads 2a and the wiring board 5, and between the circuit patterns 1b and the electrode terminals 8. Bonding reliability is improved. Further, the buffer layer 4 on the electrode pad and the buffer layer 7 on the circuit pattern have a print pattern, a coating position, a coating shape of the bonding material, etc., depending on the shape of the electrode pad 2a and the bonding position of the electrode terminal 8 in the circuit pattern 1b. It can be formed by changing as appropriate. Therefore, an increase in manufacturing costs can be suppressed compared to changing the thickness of the electrode pad 2a or the thickness of the circuit pattern 1b depending on the type of semiconductor device.

さらに、電極パッド上緩衝層4および回路パターン上緩衝層7の材料とする焼結性Cu粒子を含む接合材のCu粒子サイズや、焼結条件を制御することで、電極パッド上緩衝層4および回路パターン上緩衝層7の内部に意図的に空隙を形成することが可能である。電極パッド上緩衝層4および回路パターン上緩衝層7に空隙を含ませることで、それらの熱伝導率が下がり、レーザー溶接時の熱が半導体チップ2の素子構造や絶縁基板1の絶縁層1aまで伝わりにくくなるため、半導体チップ2および絶縁層1aの破壊の抑制がより効果的となる。 Furthermore, by controlling the Cu particle size and sintering conditions of the bonding material containing sinterable Cu particles used as the material for the electrode pad buffer layer 4 and the circuit pattern buffer layer 7, the electrode pad buffer layer 4 and the circuit pattern buffer layer 7 can be It is possible to intentionally form a void inside the buffer layer 7 on the circuit pattern. By including voids in the buffer layer 4 on the electrode pad and the buffer layer 7 on the circuit pattern, their thermal conductivity is reduced, and the heat during laser welding reaches the element structure of the semiconductor chip 2 and the insulating layer 1a of the insulating substrate 1. Since the transmission becomes difficult, destruction of the semiconductor chip 2 and the insulating layer 1a can be more effectively suppressed.

本実施の形態では、配線板5と電極パッド2aとの接合部および電極端子8と回路パターン1bとの接合部の両方に緩衝層(電極パッド上緩衝層4または回路パターン上緩衝層7)を設けた構成を示したが、緩衝層はそれらの片方にだけ形成されてもよい。例えば、レーザー溶接の制御が難しい接合部だけに緩衝層を設けたり、接合信頼性が不足している接合部だけに緩衝層を設けたりしてもよい。 In this embodiment, a buffer layer (buffer layer 4 on the electrode pad or buffer layer 7 on the circuit pattern) is provided at both the joint between the wiring board 5 and the electrode pad 2a and the joint between the electrode terminal 8 and the circuit pattern 1b. Although a configuration is shown in which the buffer layer is provided, the buffer layer may be formed on only one of them. For example, a buffer layer may be provided only at joints where laser welding is difficult to control, or a buffer layer may be provided only at joints where joint reliability is insufficient.

また、半導体チップ2がワイドバンドギャップ半導体を基材とする場合、その利点を活かすために高温環境下の動作が求められる。本実施の形態は、高温環境下での接合部寿命を保証するのに有効であるため、半導体チップ2がワイドバンドギャップ半導体からなる場合に特に効果的と言える。 Further, when the semiconductor chip 2 is based on a wide bandgap semiconductor, it is required to operate in a high temperature environment in order to take advantage of its advantages. This embodiment is effective in guaranteeing the life of the joint in a high-temperature environment, so it can be said to be particularly effective when the semiconductor chip 2 is made of a wide bandgap semiconductor.

実施の形態1では、緩衝層(電極パッド上緩衝層4および回路パターン上緩衝層7)が、焼結性のCu粒子が焼結して形成される例を示したが、緩衝層の形成方法はこれに限られない。例えば、不活性ガスを作動媒体として超音速で金属粉末を固相状態のまま対象に衝突させて成膜する、いわゆるコールドスプレー法で緩衝層を形成することも可能である。緩衝層をコールドスプレー法で形成する場合、スプレー時のマスクや、スプレーガンの動作軌跡を変更することで、緩衝層の位置や厚さ、形状を半導体装置の品種に合わせて調整することができる。さらに、コールドスプレー法では、原料の金属粉末を溶かさないことから、接合部の品質を悪化させる酸化や熱による変質の無い緩衝層を形成できる。また、材料の金属粉末の粒径やスプレー条件を制御することで、緩衝層の内部に意図的に空隙を形成することが可能である。よって、緩衝層をコールドスプレー法で形成する場合も、焼結性のCu粒子を用いる場合と同様の効果が得られる。 In Embodiment 1, an example was shown in which the buffer layer (the buffer layer 4 on the electrode pad and the buffer layer 7 on the circuit pattern) is formed by sintering sinterable Cu particles, but the method for forming the buffer layer is is not limited to this. For example, it is also possible to form the buffer layer by a so-called cold spray method, in which a film is formed by colliding metal powder in a solid phase onto an object at supersonic speed using an inert gas as a working medium. When forming a buffer layer using the cold spray method, the position, thickness, and shape of the buffer layer can be adjusted to suit the type of semiconductor device by changing the mask during spraying and the operating trajectory of the spray gun. . Furthermore, since the cold spray method does not melt the raw metal powder, it is possible to form a buffer layer that is free from oxidation and thermal deterioration that would degrade the quality of the joint. Furthermore, by controlling the particle size of the metal powder material and the spray conditions, it is possible to intentionally form voids inside the buffer layer. Therefore, even when the buffer layer is formed by the cold spray method, the same effect as when using sinterable Cu particles can be obtained.

なお、焼結により緩衝層を形成する場合は、例えばAgやAuなど、焼結体を形成可能な金属材料が用いられる。コールドスプレー法により緩衝層を形成する場合は、例えばAlなど、コールドスプレー法で成膜可能な金属材料が用いられる。 Note that when the buffer layer is formed by sintering, a metal material that can form a sintered body, such as Ag or Au, is used. When forming the buffer layer by the cold spray method, a metal material such as Al that can be formed into a film by the cold spray method is used.

また、実施の形態1では、配線板5および電極端子8の主材料をCuとしたが、これに限られない。配線板5は、電極パッド上緩衝層4とレーザー溶接可能な材料で形成されていればよく、電極端子8は、回路パターン上緩衝層7とレーザー溶接可能な材料で形成されていればよい。例えば、配線板5の主材料を電極パッド上緩衝層4の主材料と同じにすれば、電極パッド上緩衝層4と配線板5の融点が同じになり、配線板溶接部6の溶け込み深さを制御しやすい。同様に、電極端子8の主材料を回路パターン上緩衝層7の主材料と同じにすれば、回路パターン上緩衝層7と電極端子8の融点が同じになり、電極端子溶接部9の溶け込み深さを制御しやすい。 Further, in the first embodiment, the main material of the wiring board 5 and the electrode terminals 8 is Cu, but the material is not limited to this. The wiring board 5 may be made of a material that can be laser welded to the buffer layer 4 on the electrode pad, and the electrode terminal 8 may be made of a material that can be laser welded to the buffer layer 7 on the circuit pattern. For example, if the main material of the wiring board 5 is the same as the main material of the buffer layer 4 on the electrode pad, the melting points of the buffer layer 4 on the electrode pad and the wiring board 5 will be the same, and the penetration depth of the welded part 6 of the wiring board will be the same. Easy to control. Similarly, if the main material of the electrode terminal 8 is the same as the main material of the buffer layer 7 on the circuit pattern, the melting points of the buffer layer 7 on the circuit pattern and the electrode terminal 8 will be the same, and the penetration depth of the welded part 9 of the electrode terminal will be the same. Easy to control.

また、実施の形態1では、半導体チップ2の電極パッド2aは、表面がNi/Auめっきされており、電極パッド2aの厚さを10μmとしたが、電極パッド2aの構成はこれに限られない。電極パッド2aは、その上に電極パッド上緩衝層4が接合可能な材料であればよい。 Further, in the first embodiment, the surface of the electrode pad 2a of the semiconductor chip 2 is plated with Ni/Au, and the thickness of the electrode pad 2a is 10 μm, but the configuration of the electrode pad 2a is not limited to this. . The electrode pad 2a may be made of any material as long as the electrode pad buffer layer 4 can be bonded thereon.

また、実施の形態1では、配線板5の厚さを0.8mmとし、電極パッド上緩衝層4の厚さを0.5mmとしたが、それらの厚さはこれに限られない。電極パッド2aの厚さと電極パッド上緩衝層4の厚さとの合計が、配線板5における電極パッド2aと接合される部分の厚さの1/2以上であれば、レーザー溶接の条件裕度が広がる効果が得られる。 Further, in the first embodiment, the thickness of the wiring board 5 is 0.8 mm, and the thickness of the buffer layer 4 on the electrode pad is 0.5 mm, but these thicknesses are not limited to these. If the sum of the thickness of the electrode pad 2a and the thickness of the buffer layer 4 on the electrode pad is 1/2 or more of the thickness of the portion of the wiring board 5 that is bonded to the electrode pad 2a, the condition tolerance of laser welding is satisfied. You can get a spreading effect.

また、実施の形態1では、電極端子8の厚さを厚さが0.8mmとし、回路パターン上緩衝層7の厚さを0.5mmとしたが、それらの厚さはこれに限られない。回路パターン1bの厚さと回路パターン上緩衝層7の厚さとの合計が、電極端子8における回路パターン1bと接合される部分の厚さの1/2以上であれば、レーザー溶接の条件裕度が広がる効果が得られる。 Further, in the first embodiment, the thickness of the electrode terminal 8 was set to 0.8 mm, and the thickness of the buffer layer 7 on the circuit pattern was set to 0.5 mm, but these thicknesses are not limited to these. . If the sum of the thickness of the circuit pattern 1b and the thickness of the buffer layer 7 on the circuit pattern is 1/2 or more of the thickness of the part of the electrode terminal 8 that is joined to the circuit pattern 1b, the condition tolerance of laser welding is satisfied. You can get a spreading effect.

また、実施の形態1では、絶縁基板1の絶縁層1aの材料をセラミックスとしたが、これに限られず、例えば樹脂でもよい。例えば、絶縁基板1は、樹脂からなる絶縁シートの絶縁層1a上に回路パターン1bを設けた構成であってもよい。 Further, in the first embodiment, the material of the insulating layer 1a of the insulating substrate 1 is made of ceramic, but it is not limited to this, and may be made of resin, for example. For example, the insulating substrate 1 may have a structure in which a circuit pattern 1b is provided on an insulating layer 1a of an insulating sheet made of resin.

<実施の形態2>
図2は、実施の形態2に係る半導体装置の構造を示す部分断面模式図である。図2において、図1に示したものと同様の要素にはそれと同一符号を付してあるため、ここではそれらの詳細な説明は省略する。
<Embodiment 2>
FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the second embodiment. In FIG. 2, elements similar to those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, so detailed explanation thereof will be omitted here.

実施の形態2では、配線板5は、電極パッド上緩衝層4を介して、半導体チップ2の電極パッド2aと超音波接合により接合されている。超音波接合は、接合部にツールを押し当てた状態で超音波振動を与えることで、接合界面を塑性流動させて固相接合する方法である。そのため、配線板5と電極パッド上緩衝層4との接合部の上面には、超音波接合の際にツール先端の凹凸が転写された凹凸状の配線板接合部10が形成されている。 In the second embodiment, the wiring board 5 is bonded to the electrode pad 2a of the semiconductor chip 2 by ultrasonic bonding via the buffer layer 4 on the electrode pad. Ultrasonic welding is a method of solid-state welding by applying ultrasonic vibrations while pressing a tool against the welding part to cause plastic flow at the welding interface. Therefore, on the upper surface of the joint between the wiring board 5 and the buffer layer 4 on the electrode pad, a wiring board joining part 10 having an uneven shape is formed by transferring the irregularities of the tip of the tool during ultrasonic bonding.

また、電極端子8は、回路パターン上緩衝層7を介して、絶縁基板1の回路パターン1bと超音波接合により接合されている。そのため、電極端子8と回路パターン上緩衝層7との接合部の上面には、超音波接合の際にツール先端の凹凸が転写された凹凸状の電極端子接合部11が形成されている。 Further, the electrode terminal 8 is bonded to the circuit pattern 1b of the insulating substrate 1 via the buffer layer 7 on the circuit pattern by ultrasonic bonding. Therefore, on the upper surface of the joint between the electrode terminal 8 and the buffer layer 7 on the circuit pattern, an uneven electrode terminal joining part 11 is formed, to which the irregularities of the tip of the tool are transferred during ultrasonic bonding.

それ以外の構成は、実施の形態1と同様である。つまり、実施の形態2の半導体装置は、配線板5または電極端子8の上から、レーザーではなく、超音波パワーを印加することによって、配線板5と電極パッド上緩衝層4との間、または、電極端子8と回路パターン上緩衝層7との間を固相接合したものである点で、実施の形態1とは異なる。 The other configurations are the same as in the first embodiment. That is, in the semiconductor device of the second embodiment, by applying ultrasonic power instead of a laser from above the wiring board 5 or the electrode terminal 8, the gap between the wiring board 5 and the buffer layer 4 on the electrode pad or This embodiment is different from the first embodiment in that the electrode terminal 8 and the buffer layer 7 on the circuit pattern are solid phase bonded.

配線板5および電極端子8のような厚い材料を超音波接合する場合、接合条件である荷重と超音波のパワー(振幅と振動数)を増加させる必要があり、接合部に摩擦による機械的応力と熱的応力が発生する。また、電極パッド上緩衝層4および回路パターン上緩衝層7を持たない従来の半導体装置では、半導体チップ2の素子構造および絶縁基板1の絶縁層1aが接合界面から近い。そのため、従来の半導体装置では、電極パッド上緩衝層4を電極パッド2a上に超音波接合するときに、超音波接合の熱や機械的応力により半導体チップ2の素子構造が破壊されるおそれがある。また、電極端子8を回路パターン1b上に超音波接合するときに、超音波接合の熱や機械的応力により絶縁基板1の絶縁層1aが破壊されるおそれがある。 When ultrasonically bonding thick materials such as the wiring board 5 and the electrode terminals 8, it is necessary to increase the bonding conditions of load and ultrasonic power (amplitude and frequency), which reduces mechanical stress due to friction in the bonded area. and thermal stress occurs. Furthermore, in a conventional semiconductor device that does not have the buffer layer 4 on the electrode pad and the buffer layer 7 on the circuit pattern, the element structure of the semiconductor chip 2 and the insulating layer 1a of the insulating substrate 1 are close to the bonding interface. Therefore, in the conventional semiconductor device, when the buffer layer 4 on the electrode pad is ultrasonically bonded onto the electrode pad 2a, the element structure of the semiconductor chip 2 may be destroyed by the heat and mechanical stress of the ultrasonic bond. . Further, when the electrode terminal 8 is ultrasonically bonded onto the circuit pattern 1b, there is a possibility that the insulating layer 1a of the insulating substrate 1 is destroyed by the heat and mechanical stress of the ultrasonic bonding.

実施の形態2の半導体装置では、配線板5は電極パッド上緩衝層4を介して電極パッド2aと接合されている。回路パターン上緩衝層7の厚さの分だけ、接合界面から半導体チップ2の素子構造までの距離が大きくなるため、超音波接合の熱や機械的応力により半導体チップ2の素子構造が破壊されることが防止される。特に、電極パッド2aの厚みと電極パッド上緩衝層4の厚みとの合計が、配線板5の厚みの1/2以上となるように、電極パッド上緩衝層4の厚さを調整すると効果的である。 In the semiconductor device of the second embodiment, wiring board 5 is bonded to electrode pad 2a via buffer layer 4 on the electrode pad. Since the distance from the bonding interface to the element structure of the semiconductor chip 2 increases by the thickness of the buffer layer 7 on the circuit pattern, the element structure of the semiconductor chip 2 is destroyed by the heat and mechanical stress of ultrasonic bonding. This will be prevented. In particular, it is effective to adjust the thickness of the buffer layer 4 on the electrode pad so that the sum of the thickness of the electrode pad 2a and the thickness of the buffer layer 4 on the electrode pad is 1/2 or more of the thickness of the wiring board 5. It is.

また、電極端子8は回路パターン上緩衝層7を介して回路パターン1bと接合されている。回路パターン上緩衝層7の厚さの分だけ、接合界面から絶縁基板1の絶縁層1aまでの距離が大きくなるため、超音波接合の熱や機械的応力により絶縁層1aが破壊されることが防止される。特に、回路パターン1bの厚みと回路パターン上緩衝層7の厚みとの合計が、電極端子8の厚みの1/2以上となるように、回路パターン上緩衝層7の厚さを調整すると効果的である。 Further, the electrode terminal 8 is connected to the circuit pattern 1b via the buffer layer 7 on the circuit pattern. Since the distance from the bonding interface to the insulating layer 1a of the insulating substrate 1 increases by the thickness of the buffer layer 7 on the circuit pattern, the insulating layer 1a is not likely to be destroyed by the heat or mechanical stress of ultrasonic bonding. Prevented. In particular, it is effective to adjust the thickness of the buffer layer 7 on the circuit pattern so that the sum of the thickness of the circuit pattern 1b and the thickness of the buffer layer 7 on the circuit pattern is 1/2 or more of the thickness of the electrode terminal 8. It is.

<実施の形態3>
図3は、実施の形態3に係る半導体装置の構造を示す部分断面模式図である。図3において、図1に示したものと同様の要素にはそれと同一符号を付してあるため、ここではそれらの詳細な説明は省略する。
<Embodiment 3>
FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the third embodiment. In FIG. 3, elements similar to those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, so detailed explanation thereof will be omitted here.

実施の形態3に係る半導体装置において、回路パターン上緩衝層7は、絶縁基板1の回路パターン1bにおける電極端子8と接合される領域だけでなく、回路パターン1b上の全体に一様に形成されている。つまり、回路パターン1b上に形成された回路パターン上緩衝層7は、回路パターン1bと同一サイズ、同一形状である。それ以外の構成は、実施の形態1と同様である。なお、ここで言う「同一」とは、完全に同一である必要はなく、実質的に同一であることも含む。すなわち、回路パターン上緩衝層7が、回路パターン1bの上面のほぼ全体を覆っていればよい。 In the semiconductor device according to the third embodiment, the buffer layer 7 on the circuit pattern is formed not only in the region of the circuit pattern 1b of the insulating substrate 1 that is bonded to the electrode terminal 8, but also uniformly over the entire circuit pattern 1b. ing. That is, the circuit pattern buffer layer 7 formed on the circuit pattern 1b has the same size and shape as the circuit pattern 1b. The other configurations are the same as in the first embodiment. Note that "the same" as used herein does not necessarily have to be completely the same, but also includes substantially the same. That is, it is sufficient that the buffer layer 7 on the circuit pattern covers almost the entire upper surface of the circuit pattern 1b.

実施の形態3の半導体装置によれば、絶縁基板1上の回路パターン1bの厚みを大きくしたときと同様の効果を、より低コストで実現できる。例えば、回路パターン1bの通電経路に回路パターン上緩衝層7が形成されることで、通電経路の断面積が大きくなり、回路パターン1bの電流容量を大きくすることができる、また、半導体チップ2の直下にも回路パターン上緩衝層7が形成されているため、半導体チップ2が発生した熱を絶縁基板1の下面パターン1cに放熱するとき、熱が平面方向に広がりやすくなり、放熱性能が向上する。回路パターン上緩衝層7を、熱伝導率の高いCuで形成するとより効果的である。 According to the semiconductor device of the third embodiment, the same effect as when the thickness of the circuit pattern 1b on the insulating substrate 1 is increased can be achieved at lower cost. For example, by forming the on-circuit pattern buffer layer 7 on the current-carrying path of the circuit pattern 1b, the cross-sectional area of the current-carrying path becomes large, and the current capacity of the circuit pattern 1b can be increased. Since the buffer layer 7 on the circuit pattern is formed directly below, when the heat generated by the semiconductor chip 2 is radiated to the lower surface pattern 1c of the insulating substrate 1, the heat spreads more easily in the plane direction, improving heat radiation performance. . It is more effective to form the buffer layer 7 on the circuit pattern from Cu, which has high thermal conductivity.

また、半導体チップ2がワイドバンドギャップ半導体を基材とする場合、高温環境下の動作が可能であり、電流密度を上げて半導体チップ2の小型化が可能となる。半導体チップ2が小型化されてその面積が小さくなると、放熱性が悪化する問題が生じることがあるため、実施の形態3における放熱性向上の効果はより有効となる。 In addition, when the semiconductor chip 2 is made of a wide bandgap semiconductor as a base material, it is possible to operate in a high temperature environment, and the current density can be increased and the size of the semiconductor chip 2 can be reduced. When the semiconductor chip 2 is miniaturized and its area becomes smaller, a problem may arise in which the heat dissipation performance deteriorates, so the effect of improving the heat dissipation performance in the third embodiment becomes more effective.

<実施の形態4>
本実施の形態は、上述した実施の形態1~3に係る半導体装置を電力変換装置に適用したものである。実施の形態1~3の半導体装置の適用は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態4として、三相のインバータに実施の形態1~3の半導体装置を適用した場合について説明する。
<Embodiment 4>
In this embodiment, the semiconductor device according to the first to third embodiments described above is applied to a power conversion device. Although the application of the semiconductor devices of Embodiments 1 to 3 is not limited to a specific power conversion device, hereinafter, as Embodiment 4, the semiconductor devices of Embodiments 1 to 3 are applied to a three-phase inverter. Let's explain the case.

図4は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。 FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of a power conversion system to which the power conversion device according to the present embodiment is applied.

図4に示す電力変換システムは、電源100、電力変換装置200、負荷300から構成される。電源100は、直流電源であり、電力変換装置200に直流電力を供給する。電源100は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やAC/DCコンバータで構成することとしてもよい。また、電源100を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するDC/DCコンバータによって構成することとしてもよい。 The power conversion system shown in FIG. 4 includes a power source 100, a power conversion device 200, and a load 300. Power supply 100 is a DC power supply and supplies DC power to power conversion device 200. The power source 100 can be composed of various things, for example, it can be composed of a DC system, a solar battery, a storage battery, or it can be composed of a rectifier circuit or an AC/DC converter connected to an AC system. Good too. Moreover, the power supply 100 may be configured with a DC/DC converter that converts DC power output from a DC system into predetermined power.

電力変換装置200は、電源100と負荷300の間に接続された三相のインバータであり、電源100から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷300に交流電力を供給する。電力変換装置200は、図4に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路201と、主変換回路201を制御する制御信号を主変換回路201に出力する制御回路203とを備えている。 Power conversion device 200 is a three-phase inverter connected between power supply 100 and load 300, converts DC power supplied from power supply 100 into AC power, and supplies AC power to load 300. As shown in FIG. 4, the power conversion device 200 includes a main conversion circuit 201 that converts DC power into AC power and outputs it, and a control circuit 203 that outputs a control signal for controlling the main conversion circuit 201 to the main conversion circuit 201. It is equipped with

負荷300は、電力変換装置200から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷300は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。 The load 300 is a three-phase electric motor driven by AC power supplied from the power converter 200. Note that the load 300 is not limited to a specific application, but is a motor installed in various electrical devices, and is used, for example, as a motor for a hybrid vehicle, an electric vehicle, a railway vehicle, an elevator, or an air conditioner.

以下、電力変換装置200の詳細を説明する。主変換回路201は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており(図示せず)、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源100から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷300に供給する。主変換回路201の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路201は2レベルの三相フルブリッジ回路であり、6つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された6つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路201の各スイッチング素子や各還流ダイオードの少なくともいずれかを、上述した実施の形態1~3のいずれかに相当する半導体モジュール202によって構成する。6つのスイッチング素子は2つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相(U相、V相、W相)を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路201の3つの出力端子は、負荷300に接続される。 The details of the power conversion device 200 will be explained below. The main conversion circuit 201 includes a switching element and a freewheeling diode (not shown), and when the switching element switches, it converts DC power supplied from the power supply 100 into AC power, and supplies the alternating current power to the load 300. Although there are various specific circuit configurations of the main conversion circuit 201, the main conversion circuit 201 according to the present embodiment is a two-level three-phase full bridge circuit, and has six switching elements and each switching element. It can be constructed from six freewheeling diodes arranged in antiparallel. At least one of each switching element and each freewheeling diode of main conversion circuit 201 is configured by semiconductor module 202 corresponding to any one of the first to third embodiments described above. The six switching elements are connected in series every two switching elements to constitute upper and lower arms, and each upper and lower arm constitutes each phase (U phase, V phase, W phase) of the full bridge circuit. The output terminals of the upper and lower arms, that is, the three output terminals of the main conversion circuit 201, are connected to the load 300.

また、主変換回路201は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路(図示なし)を備えているが、駆動回路は半導体モジュール202に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール202とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路201のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路201のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路203からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号(オン信号)であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号(オフ信号)となる。 Further, the main conversion circuit 201 includes a drive circuit (not shown) that drives each switching element, but the drive circuit may be built in the semiconductor module 202 or may be provided separately from the semiconductor module 202. It may be a configuration in which it is provided. The drive circuit generates a drive signal for driving the switching element of the main conversion circuit 201 and supplies it to the control electrode of the switching element of the main conversion circuit 201. Specifically, according to a control signal from a control circuit 203, which will be described later, a drive signal that turns the switching element on and a drive signal that turns the switching element off are output to the control electrode of each switching element. When keeping the switching element in the on state, the drive signal is a voltage signal (on signal) that is greater than or equal to the threshold voltage of the switching element, and when the switching element is kept in the off state, the drive signal is a voltage signal that is less than or equal to the threshold voltage of the switching element. signal (off signal).

制御回路203は、負荷300に所望の電力が供給されるよう主変換回路201のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷300に供給すべき電力に基づいて主変換回路201の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間(オン時間)を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するPWM制御によって主変換回路201を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路201が備える駆動回路に制御指令(制御信号)を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。 Control circuit 203 controls switching elements of main conversion circuit 201 so that desired power is supplied to load 300. Specifically, based on the power to be supplied to the load 300, the time (on time) during which each switching element of the main conversion circuit 201 should be in the on state is calculated. For example, the main conversion circuit 201 can be controlled by PWM control that modulates the on-time of the switching element according to the voltage to be output. Then, a control command (control signal) is given to the drive circuit included in the main conversion circuit 201 so that an on signal is output to the switching element that should be in the on state at each time, and an off signal is output to the switching element that should be in the off state. Output. The drive circuit outputs an on signal or an off signal as a drive signal to the control electrode of each switching element according to this control signal.

本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路201のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態1~3にかかる半導体モジュールを適用するため、信頼性向上を実現することができる。 In the power conversion device according to the present embodiment, since the semiconductor modules according to Embodiments 1 to 3 are applied as the switching elements and free wheel diodes of the main conversion circuit 201, reliability can be improved.

本実施の形態では、2レベルの三相インバータに実施の形態1~3の半導体装置を適用する例を説明したが、実施の形態1~3の半導体装置の適用は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、2レベルの電力変換装置としたが3レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに実施の形態1~3の半導体装置を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはDC/DCコンバータやAC/DCコンバータに実施の形態1~3の半導体装置を適用することも可能である。 In this embodiment, an example in which the semiconductor devices of Embodiments 1 to 3 are applied to a two-level three-phase inverter is described, but the application of the semiconductor devices of Embodiments 1 to 3 is not limited to this. Therefore, it can be applied to various power conversion devices. In this embodiment, a two-level power converter is used, but a three-level or multi-level power converter may also be used, and in the case of supplying power to a single-phase load, a single-phase inverter is used. It is also possible to apply semiconductor devices 1 to 3. Furthermore, when power is supplied to a DC load or the like, the semiconductor devices of Embodiments 1 to 3 can be applied to a DC/DC converter or an AC/DC converter.

また、実施の形態1~3の半導体装置を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。 Further, the power conversion device to which the semiconductor devices of Embodiments 1 to 3 are applied is not limited to cases where the above-mentioned load is an electric motor, but is, for example, an electrical discharge machine, a laser processing machine, an induction heating cooker, It can also be used as a power supply device for a non-contact power supply system, and furthermore, it can be used as a power conditioner for a solar power generation system, a power storage system, etc.

なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。 Note that it is possible to freely combine each embodiment, or to modify or omit each embodiment as appropriate.

1 絶縁基板、1a 絶縁層、1b 回路パターン、1c 下面パターン、2 半導体チップ、2a 電極パッド、3 ダイボンド材、4 電極パッド上緩衝層、5 配線板、6 配線板溶接部、7 回路パターン上緩衝層、8 電極端子、9 電極端子溶接部、10 配線板接合部、11 電極端子接合部、100 電源、200 電力変換装置、201 主変換回路、202 半導体モジュール、203 制御回路、300 負荷。 1 Insulating substrate, 1a Insulating layer, 1b Circuit pattern, 1c Bottom pattern, 2 Semiconductor chip, 2a Electrode pad, 3 Die bond material, 4 Buffer layer on electrode pad, 5 Wiring board, 6 Wiring board welded part, 7 Buffer on circuit pattern layer, 8 electrode terminal, 9 electrode terminal welding part, 10 wiring board joint part, 11 electrode terminal joint part, 100 power supply, 200 power converter, 201 main conversion circuit, 202 semiconductor module, 203 control circuit, 300 load.

Claims (13)

回路パターンを有する絶縁基板と、
前記回路パターンに搭載され電極パッドを有する半導体素子と、
前記電極パッドに緩衝層を介して接合された配線板、および、前記回路パターンに緩衝層を介して接合された電極端子の少なくとも片方と、
を備え、
前記電極パッドまたは前記回路パターンである第1導電部材の厚みをT1、前記配線板または前記電極端子である第2導電部材の厚みをT2、前記第1導電部材と前記第2導電部材との間に介在する前記緩衝層の厚みをT3とすると、T1とT3との合計は、T2の1/2以上であり、
前記回路パターン上に形成された前記緩衝層は、前記回路パターンと同一サイズ、同一形状である、
半導体装置。
an insulating substrate having a circuit pattern;
a semiconductor element mounted on the circuit pattern and having an electrode pad;
at least one of a wiring board bonded to the electrode pad via a buffer layer, and an electrode terminal bonded to the circuit pattern via a buffer layer;
Equipped with
The thickness of the first conductive member that is the electrode pad or the circuit pattern is T1, the thickness of the second conductive member that is the wiring board or the electrode terminal is T2, and the distance between the first conductive member and the second conductive member. If the thickness of the buffer layer interposed in is T3, the sum of T1 and T3 is 1/2 or more of T2,
The buffer layer formed on the circuit pattern has the same size and shape as the circuit pattern,
Semiconductor equipment.
前記緩衝層は、空隙を含む層である、
請求項1に記載の半導体装置。
The buffer layer is a layer containing voids,
The semiconductor device according to claim 1.
前記緩衝層の主材料は、その緩衝層と接合された前記第2導電部材の主材料と同じである、
請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
The main material of the buffer layer is the same as the main material of the second conductive member joined to the buffer layer.
The semiconductor device according to claim 1 or 2.
前記緩衝層は、焼結性を有した材料で形成されている、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の半導体装置。
The buffer layer is formed of a material having sinterability.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3.
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体により形成されている、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の半導体装置。
The semiconductor element is formed of a wide bandgap semiconductor,
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4.
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
を備えた電力変換装置。
A main conversion circuit that includes the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5 and converts and outputs input power;
a control circuit that outputs a control signal for controlling the main conversion circuit to the main conversion circuit;
A power converter equipped with
絶縁基板に形成された回路パターンに半導体素子を接合する工程と、
前記半導体素子の電極パッドに緩衝層を介して配線板を接合する工程、および、前記回路パターンに緩衝層を介して電極端子を接合する工程の少なくとも片方の工程と、
を備え、
前記電極パッドまたは前記回路パターンである第1導電部材の厚みをT1、前記配線板または前記電極端子である第2導電部材の厚みをT2、前記第1導電部材と前記第2導電部材との間に介在する前記緩衝層の厚みをT3とすると、T1とT3との合計は、T2の1/2以上であり、
前記回路パターン上の前記緩衝層は、前記回路パターンと同一サイズ、同一形状で形成される、
半導体装置の製造方法。
a step of bonding a semiconductor element to a circuit pattern formed on an insulating substrate;
At least one of the steps of: bonding a wiring board to the electrode pad of the semiconductor element via a buffer layer; and bonding an electrode terminal to the circuit pattern via a buffer layer;
Equipped with
The thickness of the first conductive member that is the electrode pad or the circuit pattern is T1, the thickness of the second conductive member that is the wiring board or the electrode terminal is T2, and the distance between the first conductive member and the second conductive member. If the thickness of the buffer layer interposed in is T3, the sum of T1 and T3 is 1/2 or more of T2,
The buffer layer on the circuit pattern is formed in the same size and shape as the circuit pattern,
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記緩衝層と前記第2導電部材とは、超音波接合またはレーザー溶接により接合される、
請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
The buffer layer and the second conductive member are joined by ultrasonic joining or laser welding,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7 .
前記緩衝層は、空隙を含む層である、
請求項7または請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
The buffer layer is a layer containing voids,
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7 or 8 .
前記緩衝層の主材料は、その緩衝層と接合される前記第2導電部材の主材料と同じである、
請求項7から請求項9のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
The main material of the buffer layer is the same as the main material of the second conductive member joined to the buffer layer.
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 7 to 9 .
前記緩衝層は、焼結性を有した材料で形成される、
請求項7から請求項10のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
The buffer layer is formed of a material having sinterability.
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 7 to 10 .
前記緩衝層は、コールドスプレー法により形成される、
請求項7から請求項10のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
The buffer layer is formed by a cold spray method.
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 7 to 10 .
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体により形成されている、
請求項7から請求項12のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
The semiconductor element is formed of a wide bandgap semiconductor,
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 7 to 12 .
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