JP2020178105A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、効率よくグリス抜けを抑制することができる半導体装置を開示する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置では、パワーカードと、そのパワーカードに対向している冷却器との間の間隙にグリスが充填されている。パワーカードは、伝熱板の一面が露出する状態で、半導体素子と伝熱板を樹脂パッケージで覆っている。このパワーカードの前記伝熱板が露出している面と冷却器の対向面の少なくとも一方には、対向面に直交する方向から見たときに、半導体素子と重なる領域に複数個の互いに交差する微小溝が設けられているとともに、半導体素子を取り囲む環状溝が設けられている。また、この半導体装置では、微小溝の深さが前記環状溝の深さよりも浅い。上述した半導体装置では、微小溝により伝熱板中央部のグリス抜けを抑制し、環状溝によりグリスの弾性を向上させることで、効率よくグリス抜けを抑制する。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。特に、パワーカードと、そのパワーカードに対向している冷却器との間の間隙にグリスが充填されている半導体装置に関する。

ハイブリット自動車や電気自動車などのモータに加える電力を制御するために、車載用半導体装置が開発されている。その半導体装置は、伝熱板の一面が露出する状態で半導体素子と伝熱板を樹脂パッケージで覆ったパワーカードを備えており、その伝熱板に対向するように冷却器を配置してパワーカードを冷却する。伝熱板と冷却器の間の熱抵抗を下げるために、伝熱板と冷却器との間の間隙にグリスを充填する技術が開発されている。本明細書では、パワーカードと冷却器がグリスを介して対向している半導体装置に関する技術を開示する。

半導体装置を運転すると、半導体素子が発熱し、伝熱板が膨張して厚みを増し、伝熱板と冷却器の間の距離が減少し、伝熱板と冷却器の間からグリスが押し出される。半導体装置が運転を停止すると、半導体素子が冷却され、伝熱板が収縮して厚みが減り、伝熱板と冷却器の間の距離が増大し、グリスが元に戻される。実際には、前記距離が増大する際に、グリスの一部が戻りきらない現象が生じる。これが繰り返されることによって、グリスが抜け、伝熱板と冷却器の間に気泡が入り込む現象が生じる。これを本明細書ではグリス抜けという。

グリス抜けの発生を防止する技術が、特許文献１に開示されている。この技術では、グリスが充填されるパワーカードと冷却器のいずれか一方の表面に、複数の渦巻き状の溝が二次元的に配置されている。この技術では、その複数の渦巻き状の溝によりグリスが移動しやすい平面の距離を短くすることで、グリス抜けを抑制している。

特開２０１６−０６２９１７号公報

発明者らは、通常は粘性流体として扱うグリスを粘弾性体として捉えることで、グリス抜けが発生するときのグリスの特性を解明し、その特性からグリス抜けを抑制することを想到した。粘弾性体は、粘性流体とは異なり、粘性と弾性の両方の性質を持つ。発明者らは、このグリスの弾性が、パワーカードと冷却板の間の隙間の体積が元に戻るときにグリスを伝熱板と冷却器の間に戻す要因であることを確認し、グリスの弾性が高ければグリスがよく戻ることを確認した。別言すれば、グリスの弾性が高くて粘性が低ければグリスは抜けにくく、逆にグリスの弾性が低くて粘性が高ければグリスが抜けやすいことを確認した。

さらに発明者らは、粘弾性体の特性の一つである損失正接に着目した。ここで、損失正接とは、粘弾性体の変形時における粘性と弾性の関係を表す指標である。損失正接が低ければグリスは弾性が高い。また、グリスの損失正接が高ければグリスは粘性が高い。すなわち、損失正接が低ければ、グリスは抜けにくく、損失正接が高ければ、グリスは抜けやすい。別言すれば、グリスの損失正接は、グリス抜けやすさと相関関係を持つ。また、発明者らは、この損失正接がグリスの存在空間の体積が変化した割合に略比例することを見出した。すなわち、グリスの弾性を高くするためには、グリスの存在空間の体積を増やすことが有効である。

グリスの存在空間の体積を増やすためには、パワーカードの表面に露出している伝熱板と冷却器との間の間隙を広くする必要がある。この間隙を広くすると、伝熱板と冷却器の間の熱抵抗が増加して冷却器の放熱性能が悪化する。

一方、特許文献１に開示される半導体装置では、伝熱板と冷却器との間の間隙が狭いため冷却器の放熱性能は悪化しない。しかしながら、特許文献１の半導体装置では、グリスの存在空間が確保できず、グリスの弾性が低下する。すなわち、特許文献１の半導体装置では、グリスは抜けやすい。本明細書では、上述したグリスの特性を生かすことで、効率よくグリス抜けを抑制することができる半導体装置を開示する。

本明細書が開示する半導体装置では、パワーカードと、そのパワーカードに対向している冷却器との間の間隙にグリスが充填されている。パワーカードは、伝熱板の一面が露出する状態で、半導体素子と伝熱板を樹脂パッケージで覆っている。このパワーカードの前記伝熱板が露出している面と冷却器の対向面の少なくとも一方には、対向面に直交する方向から見たときに、半導体素子と重なる領域に複数個の互いに交差する微小溝が設けられているとともに、半導体素子を取り囲む環状溝が設けられている。また、この半導体装置では、微小溝の深さが前記環状溝の深さよりも浅い。

図４を用いて後述するが、半導体素子が稼働する際の発熱量は、半導体素子の中央部で大きく、周辺部では小さい。上述した半導体装置の伝熱板の露出面と冷却器の対向面の少なくとも一方には、対向面に直交する方向から見たときに半導体素子と重なる領域に複数個の互いに交差する微小溝が設けられている。グリスは平面で移動しやすい。上述した半導体装置が有する微小溝は、互いに交差しているため、平面の距離が短くなる。このため、半導体素子の発熱量が大きい中央部では、この微小溝がグリスの移動を抑制する。

半導体素子の周辺部では、発熱量が小さいため伝熱板と冷却器の間の間隙を広くしても、冷却器の放熱性能への影響が少ない。上述した半導体装置の伝熱板の露出面と冷却器の対向面の少なくとも一方には、対向面に直交する方向から見たときに半導体素子を取り囲む環状溝が設けられている。この環状溝により、グリスの存在空間の体積が増加する。グリスの存在空間の体積が増加すると、グリスの弾性が高くなり、グリス抜けが発生しにくくなる。従って、本明細書が開示する半導体装置によれば、発熱量が大きい半導体素子と重なる部位では微小溝によってグリスの移動を抑制し、発熱量が小さい半導体素子の周辺部では環状溝によりグリス抜けを抑制する。すなわち、上述した半導体装置によれば、グリスの特性を生かすことで、冷却器の放熱性能への影響を抑えつつ、効率よくグリス抜けを抑制することができる。環状溝は、グリスの存在空間の体積を増加させるために設ける。一方、微小溝は、グリスが塗布される平面の直線距離を短くするために設ける。環状溝は深い方がよいが、微小溝は浅くてもよい。すなわち、微小溝の深さは環状溝の深さよりも浅くてよい。

また、上述した半導体装置では、環状溝が樹脂パッケージに設けられていてもよい。樹脂パッケージは熱伝導率が低く、半導体素子が発した熱を冷却器に伝え難い。このため、パワーカードと冷却器の対向面との間の間隙が大きくなる環状溝を樹脂パッケージに設けることで、放熱性能への影響を抑えることができる。

逆に、環状溝は伝熱板に設けられていてもよい。樹脂パッケージよりも半導体素子に近い位置にある伝熱板に環状溝を設けることで、発熱量が大きい半導体素子と重なる部位からグリスが抜けるのを抑制することができる。

また、伝熱板に環状溝を設ける場合、半導体素子の中心から離れた位置に設けられている環状溝の幅は、半導体素子の中心から近い位置に設けられている環状溝の幅よりも広くしてもよい。このように環状溝の幅を変化させることで、半導体素子の発熱量が大きい伝熱板の中央に近い部位では環状溝の幅を狭くすることができるため、冷却器の放熱性能への影響を抑えることができる。また、伝熱板の半導体素子の発熱量が小さい周辺部に幅の広い環状溝を設けることで、冷却器の放熱性能への影響が小さい部位でグリスの存在する空間体積を増やし、グリスの弾性を高くしてグリス抜けを抑制することができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の半導体装置の斜視図である。 図１の半導体装置のパワーカードの平面図である。 図２のIII−III線におけるパワーカードの部分断面図である。 半導体素子の発熱時の伝熱板の温度分布を示す平面図である。 第１変形例の半導体装置のパワーカードの平面図である。 第２変形例の半導体装置のパワーカードの平面図である。 第３変形例の半導体装置のパワーカードの平面図である。 第４変形例の半導体装置のパワーカードの平面図である。 第５変形例の半導体装置のパワーカードの平面図である。

図面を参照して実施例の半導体装置について説明する。図１は、実施例の半導体装置２の斜視図である。半導体装置２は、複数個のパワーカード２０と複数個の冷却器８が積層されたユニットである。なお、図１では、一つのパワーカードだけに符号２０を付し、他のパワーカードの符号は省略している。図１では、同様に一つの冷却器だけに符号８を付し、他の冷却器の符号は省略している。また、半導体装置２の全体が見えるように、半導体装置２を収容するケース１６は仮想線で表現している。１個のパワーカード２０は、２個の冷却器８で挟まれる。パワーカード２０と一方の冷却器８との間には絶縁板２２が挟まれており、パワーカード２０と他方の冷却器８との間には絶縁板４４が挟まれている。パワーカード２０と、パワーカード２０に対向している絶縁板２２、４４との間の間隙には、グリスが充填されている。図１では、理解を助けるため、１個のパワーカード２０と絶縁板２２、４４を半導体装置２から抜き出して描いてある。

パワーカード２０と冷却器８は、共に平板型であり、複数の側面のうち最大面積の平坦面（幅広面）が対向するように積層されている。パワーカード２０と冷却器８は交互に積層されており、半導体装置２の積層方向の両端には冷却器８が位置している。冷却器８は、内部を冷媒が通る流路である。複数の冷却器８は、連結パイプ１０、１２で連結されている。半導体装置２の積層方向の一端に位置する冷却器８には、冷媒供給管４と冷媒排出管６が連結されている。冷媒供給管４を通じて供給される冷媒は、連結パイプ１０を通じて全ての冷却器８に分配される。冷媒は各冷却器８を通る間に隣接するパワーカード２０から熱を吸収する。各冷却器８を通った冷媒は連結パイプ１２を通り、冷媒排出管６から排出される。冷媒は液体であり、具体的には、水、あるいは、不凍液である。

半導体装置２は積層方向の一端に板バネ１４を伴ってケース１６に収容される。板バネ１４により、パワーカード２０と絶縁板２２、４４と冷却器８が積層された半導体装置２は、積層方向の両側から加圧される。積層方向の加圧により、パワーカード２０と絶縁板２２、４４と冷却器８の間の間隙を小さくすることができ、冷却効率が高まる。

パワーカード２０について説明する。パワーカード２０は、樹脂製のパッケージ３４内に半導体素子２４、２６が封止されたデバイスである。半導体素子２４、２６は、電力変換用のスイッチング素子であり、具体的には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、あるいは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。絶縁板２２と対向する一方の幅広面３２には、伝熱板２８、３０が露出している。伝熱板２８、３０の露出面は矩形であり、外周に沿って凹部が設けられている。すなわち、伝熱板２８、３０は環状溝２９ａ、３１ａを有している（図１では理解を助けるために環状溝２９ａ、３１ａを強調して大きく描いてある）。幅広面３２とは反対側の幅広面５２（図１では不図示、図３参照）には、別の伝熱板４８、５０が露出している。伝熱板２８、３０同様に、伝熱板４８、５０も矩形であり、外周に環状溝４９ａ、５１ａを有している。伝熱板２８、３０、４８、５０のそれぞれの露出面の一部には、後述する微小溝（図３参照）が設けられているが、図１では図示を省略している。半導体素子２４は、伝熱板２８、４８で挟まれており、半導体素子２６は、伝熱板３０、５０で挟まれている。なお、伝熱板２８、３０、４８、５０は銅により構成されている。

半導体素子２４、２６は、一方の表面にコレクタ電極が露出しており、他方の電極にエミッタ電極が露出している。伝熱板２８、３０、４８、５０は、パッケージ３４の内部で半導体素子２４、２６のいずれかの電極と導通している。

図１に示すように、パワーカード２０のパッケージ３４の一つの幅狭面から３個の端子３８、４０、４２が延びており、反対側の幅狭面からは制御端子３６が延びている。パッケージ３４の内部で２個の半導体素子２４、２６は、直列に接続されており、正極端子４２は、パッケージ３４の内部で、２個の半導体素子２４、２６の直列接続の正極側と導通している。負極端子４０は、前記直列接続の負局側と導通している。中点端子３８は、パッケージ３４の内部で、前記直列接続の中点と導通している。端子３８、４０、４２は、伝熱板２８、３０、４８、５０のいずれかを介して、半導体素子２４、２６の電極と導通している。半導体素子２４、２６と端子３８、４０、４２の間の導電経路については説明を省略する。制御端子３６は、半導体素子２４、２６のゲート電極、センスエミッタ電極、温度センサの端子などに接続されている。パッケージ３４の内部における制御端子３６の配線も図示と説明を省略する。

図２を参照してパワーカード２０の表面の形状について説明する。図２は、パワーカードの平面視である。パワーカード２０は、図２に示す平面視の方向に絶縁板２２を介して冷却器８や別のパワーカードと積層される。すなわち、図２は、絶縁板２２の対向面に直交する方向から見たときのパワーカード２０の表面の形状を示している。伝熱板２８、３０は、平面視したときに周囲を樹脂製のパッケージ３４に囲まれている。また、図２では、半導体素子２４、２６は破線で描かれており、伝熱板２８の紙面奥側に半導体素子２４が、伝熱板３０の紙面奥側に半導体素子２６が設けられている。すなわち、パワーカード２０は、伝熱板２８、３０の一面が露出する状態で、半導体素子２４、２６と伝熱板２８、３０を樹脂製のパッケージ３４で覆ったものである。

微小溝２８ａ、３０ａについて説明する。微小溝２８ａ、３０ａは、伝熱板２８、３０の露出面の一部に設けられた凹部である。ここでは微小溝２８ａについて説明する。図２に示すように、微小溝２８ａは、平面視で見たときに、円を描く複数個の凹部が集合したものである。図２に示すように、微小溝２８ａのそれぞれが描く円は、一部が重なるように配置されている。そのため、微小溝２８ａのそれぞれの円は、互いに交差している。また、図２に示すように、微小溝２８ａは、破線で示す半導体素子２４と重なるように配置されている。すなわち、パワーカード２０の伝熱板２８が露出している面には、半導体素子２４と重なる領域に複数個の互いに交差する微小溝２８ａが設けられている。なお、微小溝３０ａも微小溝２８ａと同様の形状であり、半導体素子２６との関係も同様であるため、説明は省略する。

環状溝２９ａ、３１ａについて説明する。先に述べたように、環状溝２９ａ、３１ａは、伝熱板２８、３０の露出面の外周に設けられた凹部である。ここでは環状溝２９ａについて説明する。図２では、環状溝２９ａが設けられている領域を斜線で表している。環状溝２９ａは、図２に示すように、伝熱板２８の外周のＺ軸方向の辺に設けられた環状溝２９ａの幅は、伝熱板２８の外周のＹ軸方向の辺に設けられた環状溝２９ａの幅の略２倍である。環状溝２９ａが設けられている領域を示す斜線の内側に半導体素子２４が配置されている。すなわち、絶縁板２２の対向面に直交する方向から見たときに、環状溝２９ａは半導体素子２４を取り囲んでいる。なお、環状溝３１ａも環状溝２９ａと同様の形状であり、半導体素子２６との関係も同様であるため、説明は省略する。

図２では、絶縁板２２が一点鎖線で描かれている。伝熱板２８、３０は、平面視したときにその全体が絶縁板２２と重なっている。先に述べたように、パワーカード２０と絶縁板２２の間の間隙には、グリスが塗布される。さらに、図２では、グリスが塗布されている領域が二点鎖線Ｇで描かれている。すなわち、少なくとも環状溝２９ａ、３１ａの外周より内側に位置する間隙にはグリスが充填されている。本実施例では、二点鎖線Ｇに示すように、環状溝２９ａ、３１ａの外周より外側にまでグリスが塗布されているが、外周より内側にあったグリスが内側に戻りきらず、内側に気泡が入ることをグリス抜けという。グリス本来の機能からいうと、内側にグリスが充填されていればよい。

また、パワーカード２０の裏面についても、伝熱板４８、５０（図３参照）と、パッケージ３４、絶縁板４４（図３参照）の関係は同様である。また、伝熱板４８、５０の環状溝４９ａ、５１ａと半導体素子２４、２６の関係は同様である。さらに、パワーカード２０の裏面である幅広面５２（図３参照）にも、表側の幅広面３２と同様に絶縁板４４との間の間隙にグリスが塗布されている。

図３を参照してパワーカード２０とパワーカード２０に対向している冷却器８との間の構造について説明する。図３は、図２のIII−III線におけるパワーカード２０の部分断面図である。先に述べたように、半導体素子２４は、一対の伝熱板２８、４８で挟まれている。半導体素子２４は平坦なチップである。半導体素子２４の図面上側（すなわち、Ｘ軸方向正側）幅広面にコレクタ電極が露出しており、図面下側の幅広面にはエミッタ電極が露出している。伝熱板２８は、半導体素子２４のコレクタ電極とハンダ５４により接合しているとともに導通している。伝熱板４８は、半導体素子２４のエミッタ電極とハンダ５４により接合しているとともに導通している。同様に、半導体素子２６も、一対の伝熱板３０、５０によって挟まれている。半導体素子２６も、ハンダ５６により伝熱板３０、５０と接合しているとともに導通している。なお、半導体素子２４と伝熱板２８又は伝熱板４８の間と、半導体素子２６と伝熱板３０又は伝熱板５０の間には、必要に応じて銅などの導体で構成されるスペーサを設けてもよい。

伝熱板２８、３０、４８、５０は、半導体素子２４、２６の熱を冷却器８に伝える役割と、半導体素子２４、２６の電極と端子３８、４０、４２（図１参照）をつなぐ導電経路の役割を担う。伝熱板２８、３０、４８、５０は半導体素子２４、２６と導通している。また、冷却器８も、熱伝導率の高い金属、例えばアルミニウムで作られており、導電性を有している。伝熱板２８、３０、４８、５０と冷却器８の間の短絡を防止するため、パワーカード２０とＸ軸正側の冷却器８の間には絶縁板２２が挟まれている。一方、パワーカード２０とＸ軸負側の冷却器８の間には絶縁板４４が挟まれている。先に述べたように、パワーカード２０と絶縁板２２、４４の間の間隙、及び、絶縁板２２、４４と冷却器８の間の間隙にはグリス４６が塗布されている。グリス４６は、熱の伝達効率を高めるために塗布されている。図３に示すように、パワーカード２０の幅広面３２、５２の略全面における絶縁板２２、４４との間の間隙にグリス４６は塗布されている。すなわち、グリス４６は少なくとも環状溝２９ａ、３１ａ、４９ａ、５１ａの内側に位置する間隙に充填されている。

半導体素子２４、２６を挟んでいる一対の冷却器８は、夫々、半導体素子２４、２６の両方の幅広面と対向している。先に述べたように、伝熱板２８、４８はパッケージ３４の幅広面３２、５２の夫々に露出しており、幅広面３２、５２の略全面には、グリス４６が塗布されている。幅広面３２、５２と冷却器８の間には、夫々に絶縁板２２、４４が挟まれている。絶縁板２２、４４と冷却器８の間にも、グリス４６が塗布されている。半導体素子２４の熱は、この伝熱板２８、４８、グリス４６及び絶縁板２２、４４を通じて冷却器８に吸収される。同様に、半導体素子２６の熱は、伝熱板３０、５０、グリス４６及び絶縁板２２、４４を通じて冷却器８に吸収される。グリス４６は空気よりも高い熱伝導率を有する。すなわち、半導体素子２４、２６と冷却器８の間にグリス抜けが発生すると、半導体素子２４、２６の熱が冷却器８に伝わりづらくなる。別言すれば、半導体素子２４、２６に対する冷却器８の放熱性能が悪化する。なお、冷却器８は、内部が空洞であり、その空洞が、冷媒の流路となっている。図２では冷媒はＹ軸正側の方向に流れる。即ち、半導体素子２４から半導体素子２６の方向に冷媒が流れる。すなわち、冷却器８による放熱性能を悪化させないためには、各環状溝の内側にグリス４６が充填されていることが重要である。以下では、グリスが各環状溝の内側から外側に移動し、元の位置に戻らないことをグリス抜けと表現する。

ここで、一旦図４を参照して、半導体素子２４、２６が発熱したときの、伝熱板２８、３０の部位による温度差について説明する。図４に半導体素子２４、２６の発熱時に測定した伝熱板２８、３０の温度分布を示す。図４では伝熱板２８、３０の白く示されている部分は温度が高く、濃いハッチングで示されている部分は温度が低い。図４に示すように、伝熱板２８、３０の温度は、半導体素子２４、２６の中心部で高くなっている。また、半導体素子２４、２６の中心から離れるにつれて伝熱板２８、３０の温度は低くなっている。すなわち、半導体素子２４、２６が発熱すると、伝熱板２８、３０の中心部の温度が高い部分を介して熱が冷却器８（図３参照）に伝達される。別言すれば、冷却器８の放熱性能への影響が大きい部分は、図４に示す半導体素子２４、２６の中心部の白く示されている部分である。一方、半導体素子２４、２６の周辺部の放熱性能への影響は小さい。

図３に戻り、実施例の半導体装置２のパワーカード２０が、グリス抜けを抑制するために採用する構造について、主に伝熱板２８を参照して説明する。図２を参照して説明したように、伝熱板２８の露出面の半導体素子２４と重なる領域には、微小溝２８ａが設けられている。別言すれば、微小溝２８ａは、伝熱板２８の半導体素子２４と導通している部位の冷却器８と対向する側に設けられている。先に述べたように、半導体素子２４の熱は、伝熱板２８及びグリス４６を介して冷却器８に吸収される。図４を参照して説明したように、半導体素子２４の中心部では、伝熱板２８の温度も高くなる。すなわち、パワーカード２０は、伝熱板２８の温度が高くなる部位に、微小溝２８ａを備えている。微小溝２８ａは、図２で説明したように、円を描く複数の凹部が交差している。このため、伝熱板２８の微小溝２８ａが設けられている部位では、図３に示すように、平面の直線距離が短くなる。

実施例の半導体装置２が運転され、半導体素子２４が発熱すると、伝熱板２８は熱膨張する。先に述べたように、伝熱板２８は、外周をパッケージ３４により封止されている。そのため、伝熱板２８は、熱膨張によって長手方向（すなわち、Ｙ軸方向）に延びることができず、中央が絶縁板２２に近づくように変形する。したがって、半導体素子２４の発熱時には、伝熱板２８の中央部で伝熱板２８と絶縁板２２の間の間隙が最も小さくなる。その結果、伝熱板２８の中央部に充填されていたグリス４６は、周囲のグリス４６を伝熱板２８の外周に押し出そうとする。

先に述べたように、伝熱板２８の中央部には、微小溝２８ａが設けられている。そのため、伝熱板２８の中央部では、平面の直線距離が短い。グリス４６は、伝熱板２８の露出面の平面に沿って移動する。すなわち、平面の直線距離が短い伝熱板２８は、グリス４６が移動しにくい。このように、微小溝２８ａは、伝熱板２８の中央部で、グリス抜けを抑制する。

また、パワーカード２０の伝熱板２８周辺部には、環状溝２９ａが設けられている。図２で説明したように、環状溝２９ａは半導体素子２４を取り囲んでいる。また、図３で示すように、環状溝２９ａは、微小溝２８ａより深い。そのため、環状溝２９ａは、微小溝２８ａよりもグリス４６の存在空間の体積を増やすことができる。グリス４６の存在空間が増えると、グリス４６は弾性が高くなる。グリス４６の弾性が高くなると、半導体装置２の運転が停止され、半導体素子２４が発熱しなくなり常温に冷却されるときに、グリス４６が環状溝２９ａの内側に戻りやすくなる。すなわち、環状溝２９ａは、グリス４６の存在空間を増やすことで、グリス抜けを抑制する。

実施例の半導体装置２が備えるパワーカード２０は、伝熱板２８の露出面に設けられた微小溝２８ａによって、半導体素子２４の発熱時に伝熱板２８の中央部から周辺部にグリス４６が移動することを抑制する。また、環状溝２９ａによって、伝熱板２８の冷却時にグリス４６が環状溝２９ａの内側に戻りやすくする。半導体素子２４と重複する領域に設けられた微小溝２８ａは環状溝２９ａよりも浅く形成されている。このため、伝熱板２８と冷却器８の間の間隙は広くならない。その結果、伝熱板２８は、半導体素子２４が発生させた熱を効率よく冷却器８へ伝達することができる。一方、環状溝２９ａは、微小溝２８ａよりも深く形成されているが、環状溝２９ａは、半導体素子２４の周辺を取り囲むように設けられているため、伝熱板２８から冷却器８へ伝達する熱は減少しない。このように、実施例の半導体装置２が備えるパワーカード２０は、２種類の深さの異なる溝を利用することで、グリス４６の弾性という特性を生かし、冷却器８の放熱性能に影響を与えずに効率よくグリス抜けを抑制することができる。なお、微小溝２８ａと、環状溝２９ａの深さ、幅等の形状については、充填されるグリスの特性、半導体素子２４の発熱温度等によって異なる。また、図３に示す他の伝熱板３０、４８、５０にそれぞれ設けられている微小溝３０ａ、４８ａ、５０ａ及び環状溝３１ａ、４９ａ、５１ａについでも同様であるため、説明は省略する。

以下、図面を参照して微小溝及び環状溝の形状の変形例について説明する。図５に微小溝の変形例である微小溝２８ｂ、３０ｂが設けられたパワーカード２０の平面図を示す。図５に示すように、微小溝２８ｂ、３０ｂは、平面視で見たときに、略正三角形を描く複数個の凹部が集合したものである。微小溝２８ｂのそれぞれが描く三角形は、一部が重なるように配置されており、それぞれの三角形は、互いに交差している。また、図５に示すように、微小溝２８ｂ、３０ｂは、破線で示す半導体素子２４、２６と重なるように配置されている。このような微小溝２８ｂ、３０ｂであっても、図２で説明した微小溝２８ａと同様に、伝熱板２８、３０の平面の直線距離を短くし、グリスの移動を抑制することができる。

また、微小溝は、図６の５８ａ、５８ｂに示すように、平面視で見たときに、略正方形を描く複数個の凹部が集合したものであってもよい。上述したように、微小溝５８ａ、５８ｂは、伝熱板５８の平面の直線距離を短くし、グリスの移動を抑制する。

図２に示す伝熱板２８、３０とは異なり、２個の半導体素子２４、２６にわたってＹ軸方向に延びる矩形の伝熱板５８は、２個の半導体素子２４、２６と接続されている。また、図６の環状溝３４ａは、伝熱板５８の一部ではなく、パッケージ３４に形成されている。環状溝３４ａは、２個の半導体素子２４、２６の周囲を取り囲んでいる。パッケージ３４に環状溝３４ａを形成することで、半導体素子２４、２６の放熱に寄与する伝熱板５８と冷却器８（図３参照）の間の間隙は広くならない。すなわち、パッケージ３４に環状溝３４ａを形成することで、冷却器８の放熱性能の悪化をさらに抑えることができる。

図７に示す変形例では、環状溝２９ａ、３１ａからの距離によって、微小溝のそれぞれが描く円の径を変化させている。図７に示すように、環状溝２９ａ、３１ａに近い位置に配置されている微小溝２８ｃ、３０ｃは、径の大きい円により構成されている。一方、環状溝２９ａ、３１ａから離れた位置に配置されている微小溝２８ｄ、３０ｄは径の小さい円により構成されている。先に述べたように、環状溝２９ａ、３１ａに近い位置では、グリスの弾性が上がるためグリスは抜けにくい。そのため、環状溝２９ａ、３１ａによりグリスが抜けにくい環状溝２９ａ、３１ａに近い部位では、径の大きな円の微小溝にすることで、伝熱板の露出面の一部に微小溝を形成する工程（例えば、レーザ加工）の時間を短縮することができる。

また、環状溝の幅も、冷却器の放熱性能への影響が小さい部位では広くしてもよい。図８、図９を用いて、環状溝の変形例を説明する。図８に示す環状溝２９ｂ、３１ｂは、幅が半導体素子２４、２６の中心に近い位置では幅Ｗ１であり、半導体素子２４、２６の中心から離れている伝熱板２８、３０の角部では幅Ｗ２である。図８に示すように、幅Ｗ２は幅Ｗ１よりも広い。このように、発熱元である半導体素子２４、２６の中心から離れている環状溝の幅を広くすることで、冷却器の放熱性能への影響が小さい部位でグリスの存在空間をさらに増やすことができる。すなわち、グリスの弾性を高くすることでグリス抜けを抑制することができる。

さらに、図９に示す環状溝２９ｃ、３１ｃのように、環状溝の内側の角部が円弧を描くように形成してもよい。環状溝２９ｃ、３１ｃは、幅が半導体素子２４、２６の中心に近い位置では幅Ｗ３であり、半導体素子２４、２６の中心から離れている伝熱板２８、３０の角部では幅Ｗ４である。図９に示すように、幅Ｗ４は幅Ｗ３よりも広い。すなわち、上述したように、冷却器の放熱性能への影響が小さい部位でグリスの存在空間を増やし、グリスの弾性を高くすることでグリス抜けを抑制することができる。

実施例の留意点を以下に述べる。実施例の半導体装置２のパワーカード２０は、２個の半導体素子２４、２６を備えているが、本明細書が開示する技術は、これに限定されず、１個またはさらに多数の半導体素子を備えるパワーカードを有する半導体装置にも適用することができる。また、環状溝は、絶縁板に設けられていてもよい。また、絶縁板が必要ない半導体装置の場合は、冷却器の表面に環状溝を設けてもよい。さらに、環状溝の断面形状は矩形に限定されない。例えば、断面形状が三角形の環状溝でもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：半導体装置
４：冷媒供給管
６：冷媒排出管
８：冷却器
１０、１２：連結パイプ
１４：板バネ
１６：ケース
２０、２０ａ、２０ｂ：パワーカード
２２、４４：絶縁板
２４、２６：半導体素子
２８、３０、４８、５０、５８：伝熱板
２８ａ〜ｄ、３０ａ〜ｄ、４８ａ、５０ａ、５８ａ：微小溝
２９ａ〜ｃ、３１〜ｃ、３４ａ、４９ａ、５１ａ：環状溝
３２、５２：幅広面
３４：パッケージ
３６：制御端子
３８、４０、４２：電極端子
４６：グリス
５４：ハンダ
Ｗ１〜Ｗ４：幅

Claims (4)

1. パワーカードと、そのパワーカードに対向している冷却器との間の間隙にグリスが充填されている半導体装置であって、
   前記パワーカードは、伝熱板の一面が露出する状態で、半導体素子と伝熱板を樹脂パッケージで覆ったものであり、
   前記パワーカードの前記伝熱板が露出している面と、前記冷却器の対向面の少なくとも一方には、前記対向面に直交する方向から見たときに、前記半導体素子と重なる領域に複数個の互いに交差する微小溝が設けられているとともに、前記半導体素子を取り囲む環状溝が設けられており、
   前記微小溝の深さが前記環状溝の深さよりも浅い、半導体装置。
2. 前記環状溝は、前記樹脂パッケージに設けられている、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記環状溝は、前記伝熱板に設けられている、請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記半導体素子の中心から離れた位置に設けられている前記環状溝の幅は、前記半導体素子の中心から近い位置に設けられている前記環状溝の幅よりも広い、請求項３に記載の半導体装置。
   

Images