JP2016054175A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】グリス抜け及び伝熱性能の低下を抑制する技術を提供する。【解決手段】本明細書で開示する半導体装置２は、絶縁板２０の放熱板側面２０ｂと冷却器側面２０ａの両面には、積層方向（Ｘ軸方向）から見て放熱板１４−１７を介して半導体チップ１２、１３と重なる領域を囲む環状溝２１ａ、２１ｂ、２５ａ、２５ｂが夫々設けられている。溝内部を含め、絶縁板２０と放熱板１４−１７の間、及び、絶縁板２０と冷却器３との間にはグリスが塗布されている。放熱板側面２０ｂの環状溝２１ｂ、２５ｂに囲まれる第１面積は、当該領域の面積よりも大きく、冷却器側面２０ａの環状溝２１ａ、２５ａに囲まれる第２面積は、第１面積よりも大きい。そのため、半導体チップ１２、１３の直下部分ではグリスが薄い層になり、半導体チップ１２、１３の直下部分を囲むようにグリスが厚い層になる。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は半導体装置に関する。特に、半導体素子を封止したパワーカードが絶縁板とグリスを介して冷却部材に接している半導体装置に関する。

電力を変換するパワー半導体素子は発熱量が大きく、そのような半導体素子を収容したパワーカードには冷却部材が取り付けられることがある。パワーカードに冷却部材が取り付けられた半導体装置の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１の半導体装置は、パワーカードとして、半導体チップ（半導体素子）がはんだ付けされた導体回路付絶縁基板を半導体チップとともに封止した樹脂筐体を備えている。樹脂筐体の表面には、導体回路付絶縁基板の放熱平面が露出しており、放熱平面がサーマルグリス（グリス）を介してヒートシンク（冷却部材）に接している。この放熱平面に、互いに分離された多数の凹部を形成する。サーマルグリス中に発生した小さいボイドをこれらの凹部に捕捉してボイドの移動を妨げる。これにより、小さいボイドが集合して大きなボイドを形成しないようにしている。ボイドの面積が大きい場合、放熱性能の低下につながるからである。

また、半導体装置の他の例として、半導体モジュール実装構造が特許文献２に開示されている。特許文献２の実装構造では、パワーカードとしての半導体モジュールは、半導体チップと、半導体チップを樹脂封止した樹脂封止部と、樹脂封止部の表面に露出して半導体チップの放熱を行う放熱板と、を備えており、放熱板がグリスを介して熱吸収部材（冷却部材）に接している。樹脂封止部及び熱吸収部材のうちの一方又は双方に放熱板の周囲を矩形枠状に囲む凸状の阻止部を形成する。これにより、放熱板と熱吸収部材の間に充填されたグリスが外部に流出したり、これらの間に外部から異物が混入したりすることを阻止する。

特開２０１３−１２０８６６号公報 特開２０１２−００４３５８号公報

上記特許文献１に開示される半導体装置では、導体回路付絶縁基板の放熱平面に多数の凹部を形成する。そのため、ヒートシンクに対する導体回路付絶縁基板の接触面積が減少する。特に、半導体チップの放熱に支配的な半導体チップの直下部分の導体回路付絶縁基板にも凹部が存在することから、大きなボイドの形成を阻止する反面、伝熱効率が低下してしまう。また、上記特許文献２に開示される半導体モジュール実装構造では、放熱板の周囲を凸状の阻止部で矩形枠状に囲む。そのため、阻止部の高さ分、グリスが充填されることから、グリスの膜厚が厚くなってしまう。一般に、グリスの膜厚は、薄いほど伝熱効率がよい。そのため、グリスの厚膜化につながる当該阻止部の形成は、伝熱効率を重視する構成では、あまり得策であるとは言えない。

ところで、パワーカードと冷却部材の間にグリスを塗布した場合、半導体装置を長期間使っているうちに、ポンピング及びブリードアウトと呼ばれる現象により放熱板と冷却部材の間から徐々にグリスが流出し、代わりに空気の層が拡がっていくことがある。放熱板と冷却部材の間に空気の層が拡がると伝熱効率が低下する。ポンピングとは以下の現象である。なお、以下では、放熱板と冷却部材の間の隙間を狭空間と称する。また、放熱板と冷却部材の積層方向から見たときの半導体素子の位置（発熱の中心）とその周囲を便宜上、「中央」、「周囲」と称する。

半導体の発熱により放熱板が面外変形を生じると、狭空間の幅が狭まる。幅の狭まりは中央で顕著になる。狭空間の体積が減少するのでグリスは中央から周囲へと追い出される。放熱板が冷えると面外変形が元に戻り、狭空間の体積が元に戻る。このとき、グリスは中央に向かって吸い込まれるが、グリスの一部がグリス塊から千切れ、元の位置に戻れなくなり、空気が侵入する。

一方、ブリードアウトは、グリスそのものの熱膨張収縮に起因する現象である。グリスの温度が上昇すると狭空間にてグリスが膨張する。中央の温度上昇が顕著であるので、グリスは中央から周囲へと膨張する。グリスの温度が低下すると、狭空間にて周囲から中央に向かってグリスが収縮する。グリスが収縮する際、一部のグリスがグリス塊から千切れ、元の位置に戻れなくなり、空気が侵入する。なお、グリスが流出することは、「グリス抜け」と呼ばれることがある。放熱板と冷却部材の間の隙間幅（即ち、グリスの層の厚み）は小さい方が伝熱効率は良いが、隙間幅が小さいとグリス抜けが生じ易くなる。

つまり、グリス抜けの抑制と伝熱性能の向上は、背反した関係にある。本明細書は、伝熱性能をできるだけ低下させずにグリス抜けを抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、パワーカードと冷却部材が絶縁板を介して積層されており、パワーカードと絶縁板の間、及び、絶縁板と冷却部材の間にグリスを塗布している。半導体素子を封止する絶縁性の筐体の内部で半導体素子と導通している放熱板は、筐体の表面に露出して絶縁板と対向する。そのため、放熱板と絶縁板の間にも塗布されたグリスが挟まれている。そして、絶縁板の放熱板に対向する第１側面と冷却部材に対向する第２側面、つまり絶縁板の両面には、積層方向から見て放熱板を介して半導体素子と重なる領域を囲む環状溝が夫々設けられてグリスが充填されている。第１側面の第１環状溝に囲まれる第１面積は、領域の面積よりも大きく、第２側面の第２環状溝に囲まれる第２面積は、第１面積よりも大きい。

このため、絶縁板の第１側面に設けられる第１環状溝の内側では、放熱板と絶縁板の間の隙間幅が小さくなり、第１環状溝内では放熱板と絶縁板の間の隙間幅が大きくなる。即ち、半導体素子の直下部分ではグリスの層の厚さが薄くなり、当該直下部分を囲むようにグリスの層が厚くなる。これにより、第１環状溝がグリス溜まりとして機能するとともに、発熱の中心部分である半導体素子の直下部分においては、絶縁板の第１側面にグリスの薄い層を介して接触する範囲を当該直下部分及びその近傍程度に留める。そのため、ポンピング及びブリードアウトが生じてグリスが流出しても、第１環状溝内に充填されるグリスによりグリスが補われるため、絶縁板の第１側面におけるグリス抜けが抑制される。また、第１側面においては、放熱板の発熱の中心部分に伝熱性能を高める。

これに対して、絶縁板の第２側面に設けられる第２環状溝は、それによって囲まれる第２面積が第１環状溝よって囲まれる第１面積よりも広い。つまり、絶縁板の第２側面では、半導体素子の直下部分及びその近傍程度よりも広い範囲においてグリスの層の厚さが薄くなる。またこの範囲を囲むようにグリスの厚い層が拡がる。これにより、第２環状溝がグリス溜まりとして機能するとともに、発熱の中心部分である半導体素子の直下部分においては、絶縁板の第２側面にグリスの薄い層を介して接触する範囲が当該直下部分及びその近傍程度よりも拡がる。そのため、ポンピング及びブリードアウトが生じてグリスが流出しても、第２環状溝内に充填されるグリスによりグリスが補われるため、絶縁板の第２側面におけるグリス抜けが抑制される。また、グリスの薄い層の面積（第２面積）が第１側面の第１面積よりも広いため、第１側面から第２側面に向けて拡散するような熱が伝わる。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子の直下部分ではグリスの層を薄くして伝熱性能を確保するとともに、上記の通り第１環状溝と第２環状溝を備えることでグリス抜けを抑制する。本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

実施例の半導体装置の斜視図である。 パワーカードを積層方向（Ｘ軸の負方向）から見た正面図である。 絶縁板の斜視図である。 絶縁板のうち、図３に示すＩＶ方向側の半分をＸ軸方向から見た図であり、（Ａ）はＸ軸の負方向から見た正面図、（Ｂ）はＸ軸の正方向から見た背面図である。 図４に示すＶ−Ｖ線においてＸＺ平面で半導体装置の一部をカットした断面図である。 （Ａ）は図５に示す一点鎖線ＶＩＡ内を示す拡大断面図であり、（Ｂ）は比較例において（Ａ）に相当する拡大断面図である。

図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。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、複数のパワーカード１０と複数の冷却器３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１０を付して、他のパワーカードには符号を省略している。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３１は仮想線で描いてある。なお、パワーカード１０と絶縁板２０の間、及び、絶縁板２０と冷却器３の間には放熱用のグリスが塗布されているが、図１ではグリスの図示は省略している。

一つのパワーカード１０の筐体１１には２個の半導体素子が封止されている。具体的には、半導体素子は、半導体チップ１２、１３である。半導体チップ１２、１３は、パワートランジスタである。半導体チップ１２、１３、例えば、図１に示すように、凸字形状を横倒しにしたような平面形状を有している。半導体チップ１２、１３は、パワーカード１０の幅方向（図中Ｙ軸方向）のほぼ中心に左右対称に位置するようにパワーカード１０に内蔵されている。パワーカード１０の筐体１１は樹脂製である。パワーカード１０の内部構造については後述する。冷却器３を通る冷媒により、半導体素子が冷却される。冷媒は液体であり、典型的には水である。

パワーカード１０と冷却器３は、共に平板型を成しており、複数の側面のうち最大面積の平坦面が対向するように積層されている。パワーカード１０と冷却器３の積層方向の両端には冷却器３が位置している。パワーカード１０と冷却器３の間には絶縁板２０が挟まれている。各パワーカード１０は、その両面の夫々に、絶縁板２０を挟んで冷却器３が対向している。

複数の冷却器３は、連結パイプ５ａ、５ｂで連結されている。積層方向（図中Ｘ軸方向）の一端の冷却器３には、冷媒供給管４ａと冷媒排出管４ｂが連結されている。冷媒供給管４ａを通じて供給される冷媒は、連結パイプ５ａを通じて全ての冷却器３に分配される。冷媒は各冷却器３を通る間に隣接するパワーカード１０から熱を吸収する。各冷却器３を通った冷媒は連結パイプ５ｂを通り、冷媒排出管４ｂから排出される。

半導体装置２は、ケース３１に収容される際、積層方向（図中Ｘ軸方向）の一端側に板バネ３２が挿入される。その板バネ３２により、パワーカード１０と絶縁板２０と冷却器３の積層ユニットには、積層方向の両側から荷重が加えられる。その荷重は、例えば３［ｋＮ］である。後述するように絶縁板２０とパワーカード１０の間にはグリスが塗布されるが、３［ｋＮ］という高い荷重は、後述する環状溝内を除いてグリスの層を薄く引き延ばし、パワーカード１０から冷却器３への伝熱効率を高める。

パワーカード１０は、直接的には絶縁板２０に熱を奪われるが、発熱の大部分は冷却器３を流れる冷媒と熱交換されて放熱される。半導体装置２は、２個の半導体チップ１２、１３（半導体素子）を収容したパワーカード１０にグリスを挟んで絶縁板２０（冷却部材）が接しているとともに、パワーカード１０と絶縁板２０が密着するようにそれらの積層方向に荷重が加えられているデバイスである。

次に、図１に加えて図２を参照してパワーカード１０を説明する。図２は、パワーカード１０を積層方向（図中Ｘ軸の負方向）から見た正面図である。本明細書では、説明の便宜上、平坦面１０ａをパワーカード１０の正面と称する。図２においては、符号９で示す一点鎖線で囲まれた範囲にグリスが塗布されている。また、符号２０で示す二点鎖線で囲まれた範囲に絶縁板が積層されている。

パワーカード１０は、筐体１１において絶縁板２０と対向する一方の平坦面１０ａに、２枚の放熱板１４、１５が幅方向（図中Ｙ軸方向）に並んで露出している。同様に、平坦面１０ａの裏側にあたる平坦面１０ｂにも、２枚の放熱板１６、１７が露出している。パワーカード１０の背面図は、図２に示す正面図と同様に表されるので、図示を省略している。放熱板１４、１５、１６、１７（以下「放熱板１４−１７」と称する」）の露出面は、いずれも平坦である。放熱板１４−１７は、例えば、矩形状を成す銅板であり、露出面の裏側のほぼ中心には、後述するように、半導体チップ１２、１３をハンダ付けなどをするための台座が凸状に形成されている。そのため、放熱板１４−１７の面積は、半導体チップ１２、１３の面積に比べて大きい。

放熱板１４−１７のうち、放熱板１４、１６が半導体チップ１２の放熱を担い、また放熱板１５、１７が半導体チップ１３の放熱を担う。放熱板１６、１７が露出する平坦面１０ｂには、グリス９を挟んで別の絶縁板２０が接しており、その絶縁板２０にはグリス９を挟んで別の冷却器３が接している。つまり、パワーカード１０は、両面の夫々がグリス９を挟んで絶縁板２０と接しており、各絶縁板２０はグリス９を挟んで冷却器３と接している。なお、パワーカード１０の平坦面１０ａ、１０ｂは、筐体１１の平坦面１０ａ、１０ｂに相当する。パワーカード１０の上面（図中Ｚ軸の正方向を向く面）からは３本の電極端子１８ａ、１８ｂ、１８ｃが伸びており、下面（図中Ｚ軸の負方向を向く面）からは制御端子１９が伸びている。

ここで、絶縁板２０の構成について図３及び図４を参照して説明する。図３は、絶縁板２０の斜視図である。図４は、絶縁板２０のうち、図３に示すＩＶ方向側の半分をＸ軸方向から見た図であり、図４（Ａ）はＸ軸の負方向から見た正面図、図４（Ｂ）はＸ軸の正方向から見た背面図である。

絶縁板２０は、例えば、電気的な絶縁特性と耐熱特性に優れた矩形状を成す板状の樹脂部材やセラミック部材などである。本実施例では、絶縁板２０は、パワーカード１０の平坦面１０ａ及び１０ｂを形成する矩形状よりも僅かに小さく絶縁板２０の全体が平坦面１０ａ（平坦面１０ｂ）内に収まり得る矩形状に形成されている。絶縁板２０が冷却器３に対向する冷却器側面２０ａには、パワーカード１０の放熱板１４、１５の位置に合わせて幅方向（図中Ｙ軸方向）に並ぶ環状溝２１ａ、２５ａが形成されている。環状溝２１ａに囲まれる島部２３ａが半導体チップ１２の放熱に対応しており、また環状溝２５ａに囲まれる島部２７ａが半導体チップ１３の放熱に対応している（図１参照）。同様に、絶縁板２０がパワーカード１０に対向する放熱板側面２０ｂには、パワーカード１０の放熱板１６、１７の位置に合わせて幅方向（図中Ｙ軸方向）に並ぶ環状溝２１ｂ、２５ｂが形成されている。なお、環状溝２１ｂは、図１を参照されたい。図１では環状溝２１ｂの形状が詳しく解らないが、環状溝２１ｂは、環状溝２５ｂ（図３、図４参照）をＺ軸に対して反転させた形状である。環状溝２１ｂに囲まれる島部２３ｂが半導体チップ１２の放熱に対応しており、また環状溝２５ｂに囲まれる島部２７ｂが半導体チップ１３の放熱に対応している（図１参照）。

これらの環状溝２１ａ、２１ｂ、２５ａ、２５ｂは、例えば、その溝深さが絶縁板２０の板厚の１／３程度に設定されており、また溝幅が溝深さの３倍程度に設定されている。以下、環状溝２１ａ、２１ｂ、２５ａ、２５ｂを総称して、環状溝２１ａ等と称する場合がある。溝深さ及び溝幅は、環状溝２１ａ等に蓄えられるグリス９の充填量に影響する。そのため、より具体的には、環状溝２１ａ等の溝深さ及び溝幅は、実験やコンピュータシミュレーションの結果に基づいて予め定められる。これらの環状溝２１ａ等は、いずれも、半導体チップ１２、１３の平面形状の外周を拡大したような形状で囲む環状に形成されている。そのため、本実施例では、半導体チップ１２、１３の平面形状に合わせて、凸字形を横に倒した形状が互いに左右対称になるように、環状溝２１ａと環状溝２５ａが組み合わせられている。環状溝２１ｂと環状溝２５ｂも同様に組み合わせられている。

なお、これらの環状溝２１ａ等には、枝状に突出して分岐する枝部２１ａ’、２５ａ’、２５ｂ’が形成されている。これは、後述するように環状溝２１ａ等に蓄えられるグリス９の充填量を増加させたり、外部から環状溝２１ａ等内に侵入する空気や異物の混入を抑制したりするために設けられている。なお、図示されていないが、環状溝２１ｂにもこのような枝部が設けられている。

これらの環状溝２１ａ等にはグリス９が充填される。即ち、図２−図４において、一点鎖線で表される範囲にグリス９が塗布されて、パワーカード１０と絶縁板２０の間、及び、絶縁板２０と冷却器３の間にグリス９が介在する。このとき、環状溝２１ａ等の内側にあたる島部２３ａ、２３ｂ、２７ａ、２７ｂや、環状溝２１ａ等の外側にあたる周囲部２４ａ、２４ｂ、２８ａ、２８ｂにおいては、前述のように板バネ３２による高荷重によってグリス９が薄く引き延ばされる。そのため、これらの部分ではグリス９の薄い層９ａが形成される。一方、環状溝２１ａ等が形成された部分、つまりこれらの溝内には、薄く引き延ばされる過程でグリス９が入り込み、グリス９が充填される。そのため、環状溝２１ａ等内では充填されたグリス９の厚い層９ｂが形成される。図４においては、グリス９の厚い層９ｂをグレーに着色して表すとともに、薄い層９ａを指す引き出し線を一点鎖線で表している。

このようにグリス９の厚い層９ｂができる環状溝２１ａ等は、冷却器側面２０ａと放熱板側面２０ｂで溝幅が異なる。即ち、放熱板側面２０ｂの環状溝２１ｂ、２５ｂは、冷却器側面２０ａの環状溝２１ａ、２５ａに比べるとそれらの溝幅が広い（図４参照）。これは、環状溝２１ｂ、２５ｂに囲まれる島部２３ｂ、２７ｂの面積を、環状溝２１ａ、２５ａに囲まれる島部２３ａ、２７ａの面積よりも小さくするためである。なお、島部２３ｂの面積と島部２７ｂの面積は同じであり、以下、これを「第１面積」と称する。また、島部２３ａの面積と島部２７ａの面積も同じであり、以下、これを「第２面積」と称する。

本実施例では、図４（Ｂ）に示すように、放熱板側面２０ｂの環状溝２５ｂに囲まれる島部２７ｂの第１面積が、島部２７ｂに対応する半導体チップ１３の平面形状を積層方向（図中Ｘ軸方向）に投影した領域（図４（Ｂ）に示すクロスハッチングの範囲）Ｗの面積よりも大きくなるように設定されている。また、図４（Ａ）に示すように、冷却器側面２０ａの環状溝２５ａに囲まれる島部２７ａの第２面積が、放熱板側面２０ｂの環状溝２５ｂに囲まれる島部２７ｂの第１面積よりも大きくなるように設定されている。

なお、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）には、絶縁板２０のうち、図３に示すＩＶ方向側の半分（図３の紙面右半分）について表しているが、残りの半分（図３の紙面左半分）については、各部の位置関係を左右に逆転させることによりこれと同様に表すことができる。この場合には、半導体チップの符号１２は符号１３に変換し、また環状溝の符号２５ｘは符号２１ｘ（ｘはａ、ａ’、ｂ、ｂ’）に変換し、さらに島部の符号２７ｘは符号２３ｘ（ｘはａ、ｂ）に変換することにより、上記の説明が成り立つ。これらの面積の大小関係を整理すると、半導体チップ１２、１３の領域Ｗの面積＜島部２３ｂ、２７ｂの第１面積＜島部２３ａ、２７ａの第２面積になり、この順に面積が広くなる。また、図４（Ａ）、４（Ｂ）によく示されているように、島部２７ａと島部２７ｂは相似形状である。このことは、積層方向（Ｘ軸方向）からみたときに、島部２７ａの輪郭線が、島部２７ｂを囲んでいることを意味する。別言すれば、積層方向（Ｘ軸方向）からみたときに、環状溝２５ａが、島部２７ｂ（即ち環状溝２５ｂで囲まれた領域）を囲んでいる。環状溝２１ａと島部２３ｂについても同様である。

このように環状溝２１ａ等を絶縁板２０に形成することにより、放熱板側面２０ｂにおいては、半導体チップ１２、１３の平面形状を積層方向（図中Ｘ軸方向）に投影した領域Ｗ、つまり半導体チップ１２、１３の直下部分にあたる島部２３ｂ、２７ｂがグリス９の薄い層９ａになり、これらの島部２３ｂ、２７ｂを囲む環状溝２１ｂ、２５ｂがグリス９の厚い層９ｂ、つまりグリス溜まりになる。これにより、発熱の中心部分である半導体チップ１２、１３の直下部分においては、直下部分以外の周囲部分などに比べると［発明が解決しようとする課題］の欄で述べたポンピングやブリードアウトが生じる可能性が高いものの、当該直下部分はグリス溜まりとして機能する環状溝２１ｂ、２５ｂに囲まれている。そのため、たとえ島部２３ｂ、２７ｂ（領域Ｗ）からグリス９が流出したとしても、環状溝２１ｂ、２５ｂに溜まったグリス９が島部２３ｂ、２７ｂ（領域Ｗ）に補充されることから、半導体チップ１２、１３の直下部分におけるグリス抜けが抑制される。また、環状溝２１ｂ、２５ｂが、それに囲まれる島部２３ｂ、２７ｂのグリス９が薄い層９ａを介して接触する範囲を直下部分及びその周囲の近傍程度に留める。そのため、放熱板側面２０ｂにおいては、放熱板１６、１７の発熱の中心部分に伝熱性能が高まる。

絶縁板２０では、環状溝２１ａの上下（図中Ｚ軸方向）に、幅方向（図中Ｙ軸方向）に伸びる短冊形状に形成される短冊溝２２ａが位置している。同様に、環状溝２５ａの上下には短冊溝２６ａ、環状溝２１ｂの上下には短冊溝２２ｂ、環状溝２５ｂの上下には短冊溝２６ｂ、がそれぞれ形成されている。これらの短冊溝２２ａ、２２ｂ、２６ａ、２６ｂの長さは、いずれも環状溝２１ａ等の幅方向（図中Ｙ軸方向）長さと同じに設定されている（以下、短冊溝２２ａ、２２ｂ、２６ａ、２６ｂを総称して、短冊溝２２ａ等と称する場合がある）。また、短冊溝２２ａ等の溝幅や溝深さは、環状溝２１ａ、２５ａの溝幅や溝深さと同様に設定されている。

本実施例では、環状溝２１ａ等の上下方向にこのような短冊溝２２ａ等を形成し、これらにグリス９を充填する。これにより、外部から環状溝２１ａ等内に侵入する空気や異物の混入を抑制したり、また重力によりグリス９が下方に落下することを抑制したりしている。また、環状溝２１ａ等と同様に、これらの短冊溝２２ａ等にもグリス溜りができるので、環状溝２１ａ等の周囲部２４ａ、２４ｂ、２８ａ、２８ｂにおいて、ポンピングやブリードアウトが生じてもこの短冊溝２２ａ等に溜まったグリス９が環状溝２１ａ等の周囲部２４ａ、２４ｂ、２８ａ、２８ｂに補充される。したがって、環状溝２１ａ等の周囲部２４ａ、２４ｂ、２８ａ、２８ｂにおけるグリス抜けが抑制される。

ここで、本実施例の半導体装置２におけるパワーカード１０から冷却器３に放熱される伝熱ルートなどについて図５及び図６を参照して説明する。図５は、図４に示すＶ−Ｖ線においてＸＺ平面で半導体装置の一部をカットした断面図である。図６（Ａ）は、図５に示す一点鎖線ＶＩＡ内を示す拡大断面図であり、図６（Ｂ）は比較例において図６（Ａ）に相当する拡大断面図である。

パワーカード１０の放熱板１５、１７には、ハンダ付けなどにより半導体チップ１３を固定する台座１５ａ、１７ａが形成されている。例えば、半導体チップ１３のコレクタ電極又はエミッタ電極などがこれにハンダ付けさる。即ち、放熱板１５、１７は、半導体チップ１３と導通している。なお、冷却器３はアルミニウムで作られている。半導体チップ１３と導電性の冷却器３との間を絶縁するため、それらの間に絶縁板２０が備えられている。半導体チップ１２と放熱板１４、１６も同様に導通している。

ゲート電極は図略のワイヤボンディングを介して制御端子１９に接続される。半導体チップ１３が放熱板１５、１７に固定される直下（半導体チップ１３の平面形状を積層方向（図中Ｘ軸方向）に投影した領域）には、前述したように、この領域よりも広い第１面積を有する島部２７ｂが環状溝２５ｂに囲まれて位置しており、この島部２７ｂと放熱板１５の間には、グリス９の薄い層９ａが介在している。環状溝２５ｂの部分には、グリス９の厚い層９ｂが形成されている。また、島部２７ｂの裏側には、島部２７ｂの第１面積よりも広い第２面積を有する島部２７ａが環状溝２５ａに囲まれて位置しており、この島部２７ａと冷却器３の間には、グリス９の薄い層９ａが介在している。環状溝２５ａの部分には、グリス９の厚い層９ｂが形成されている。放熱板１７についてもこれと同様に、放熱板１７と島部２７ｂの間にもグリス９の薄い層９ａが介在しており、環状溝２５ｂの部分には、グリス９の厚い層９ｂが形成されている。また、放熱板１７側の冷却器３と、島部２７ｂの第１面積よりも広い第２面積を有する島部２７ａとの間には、グリス９の薄い層９ａが介在しており、また環状溝２５ａの部分には、グリス９の厚い層９ｂが形成されている。

これにより、図６（Ａ）に示すように、放熱板１５の台座１５ａ、つまり半導体チップ１３の直下から、グリス９の薄い層９ａを介して絶縁板２０及び冷却器３に熱伝導する（同図に示す矢印Ｒａ）。また、半導体チップ１３の直下を投影した領域Ｗ→島部２７ｂ（第１面積）→島部２７ａ（第２面積）の順に面積が拡大する。そのため、絶縁板２０の放熱板側面２０ｂから冷却器側面２０ａに向けて拡散するような熱が伝わる（同図に示す矢印Ｒｂ、Ｒｃ）。島部２７ａの輪郭線が島部２７ｂを囲んでいることも、矢印Ｒｂ、Ｒｃが示すように、半導体チップ１３が発した熱が、冷却器３に向けて拡がるように伝わることに貢献する。第１面積及び第２面積の設定は、実験やコンピュータシミュレーションの結果に基づいてこのような熱拡散を最適となる比率や値に定められる。

また、環状溝２５ａ、２５ｂの上方に短冊溝２６ａ、２６ｂが設けられているため（同図に示す一点鎖線円Ｊ内）、空気や異物などの混入が抑制される。さらに、環状溝２５ａ、２５ｂの下方にも短冊溝２６ａ、２６ｂが設けられているため（同図に示す一点鎖線円Ｋ内）、グリス９の落下などが抑制される。これらの短冊溝２６ａ、２６ｂにもグリス９が充填されるため、グリス溜りとしても機能して、環状溝２１ａ等の周囲部２４ａ、２４ｂ、２８ａ、２８ｂにおけるグリス抜けが抑制される。なお、図６（Ｂ）に示す比較例の構成では、絶縁板１２０に環状溝２１ａ等が形成されていない。そのため、絶縁板１２０の冷却器側面１２０ａ及び放熱板側面１２０ｂのいずれについても放熱板１５や冷却器３との間に介在するグリス９は薄い層９ａである。このような比較例の構成では、外部から空気や異物などＰが混入したり、下方からグリスＱが落下したりすることを抑制し難い。

以上説明したように実施例の半導体装置２は、絶縁板２０の放熱板側面２０ｂと冷却器側面２０ａの両面には、積層方向（図中Ｘ軸方向）から見て放熱板１４−１７を介して半導体チップ１２、１３と重なる領域Ｗを囲む環状溝２１ａ等が夫々設けられてグリス９が充填されている。放熱板側面２０ｂの環状溝２１ｂ、２５ｂに囲まれる第１面積は、領域Ｗの面積よりも大きく、冷却器側面２０ａの環状溝２１ａ、２５ａに囲まれる第２面積は、第１面積よりも大きい。即ち、積層方向（図中Ｘ軸方向）から見て、環状溝２１ａ、２５ａは、第１面積を囲むように設けられている。そのため、絶縁板２０の放熱板側面２０ｂに設けられる環状溝２１ｂ、２５ｂの内側では、放熱板１６、１７と絶縁板２０の間の隙間幅が小さくなり、環状溝２１ｂ、２５ｂ内では放熱板１６、１７と絶縁板２０の間の隙間幅が大きくなる。即ち、半導体チップ１２、１３の直下部分ではグリス９が薄い層９ａになり、半導体チップ１２、１３の直下部分を囲むようにグリス９が厚い層９ｂになる。発熱の中心である半導体チップ１２、１３の直下部分ではグリス９が薄い層９ａとなることで、放熱板１６、１７から絶縁板２０への高い伝熱効率が確保される。他方、環状溝２１ｂ、２５ｂがグリス溜まりとして機能する。そのため、ポンピング及びブリードアウトが生じてグリス９が流出しても、環状溝２１ｂ、２５ｂ内に充填されるグリス９の厚い層９ｂからグリス９が補われるため、絶縁板２０の放熱板側面２０ｂにおけるグリス抜けが抑制される。また、放熱板側面２０ｂにおいては、放熱板１６、１７の発熱の中心部分の伝熱性能を高める。

これに対して、絶縁板２０の冷却器側面２０ａに設けられる環状溝２１ａ、２５ａは、それにより囲まれる第２面積が環状溝２１ｂ、２５ｂより囲まれる第１面積よりも広い。つまり、絶縁板２０の冷却器側面２０ａでは、半導体チップ１２、１３の直下部分及びその近傍程度よりも広い範囲においてグリス９が薄い層９ａになる。またこの範囲を囲むようにグリス９の厚い層９ｂが拡がる。発熱の中心部分である半導体チップ１２、１３の直下部分においては、絶縁板２０の冷却器側面２０ａにグリス９の薄い層９ａを介して接触する範囲が半導体チップ１２、１３の直下部分及びその近傍程度よりも拡がる。半導体チップ１２、１３の直下部分では高い伝熱効率が確保される。さらに、グリス９の薄い層９ａの第２面積が第１側面の第１面積よりも広いため、第１側面から第２側面に向けて拡散するような熱が伝わる。そのため、放熱板から冷却器への高い伝熱効率が確保される。一方、環状溝２１ａ、２５ａがグリス溜まりとして機能する。そのため、ポンピング及びブリードアウトが生じてグリス９が流出しても、環状溝２１ａ、２５ａ内に充填されるグリス９の厚い層９ｂからグリス９が補われるため、絶縁板２０の冷却器側面２０ａにおけるグリス抜けが抑制される。

上記の実施例では、環状溝２１ａ等の形状を、半導体チップ１２、１３の平面形状に合わせて、凸字形状相当に設定したが、半導体チップの形状に応じて適宜任意形状に設定される。また、環状溝２１ａ等の上下（図中Ｚ軸方向）に短冊溝２２ａ等を設けたが、環状溝２１ａの幅方向（図中Ｙ軸方向）に短冊溝２２ａ等を設けてもよい。また、上記の実施例では、パワーカード１０に半導体素子として、２個の半導体チップ１２、１３を封止したものを例示したが、１個でも３個以上であってもよい。

実施例技術に関する留意点を述べる。冷却器３が冷却部材の一例に相当する。半導体チップ１２、１３が半導体素子の一例に相当する。放熱板側面２０ｂが第１側面の一例に相当する。冷却器側面２０ａが第２側面の一例に相当する。環状溝２１ｂ及び環状溝２５ｂが、第１環状溝の一例に相当する。環状溝２１ａ及び環状溝２５ａが、第２環状溝の一例に相当する。領域Ｗが「半導体素子と重なる領域」の一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。また、本明細書又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、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、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
３：冷却器
９：グリス
１０：パワーカード
１１：筐体
１２、１３：半導体チップ（半導体素子）
１４、１５、１６、１７：放熱板
２０：絶縁板
２０ａ：冷却器側面
２０ｂ：放熱板側面
２１ａ、２５ａ：環状溝（第２環状溝）
２１ｂ、２５ｂ：環状溝（第１環状溝）
２２ａ、２２ｂ、２６ａ、２６ｂ：短冊溝

Claims (1)

1. パワーカードと冷却部材が絶縁板を介して積層されており、当該パワーカードと当該絶縁板の間、及び、当該絶縁板と当該冷却部材の間にグリスを塗布した半導体装置であり、
   前記パワーカードは、
   半導体素子を封止する絶縁性の筐体と、
   前記筐体の内部で前記半導体素子と導通しているとともに前記筐体の表面に露出して前記絶縁板と対向している放熱板と、
   を備えており、
   前記絶縁板の放熱板に対向する第１側面と冷却部材に対向する第２側面には、積層方向から見て前記放熱板を介して前記半導体素子と重なる領域を囲む環状溝が夫々設けられており、
   前記第１側面の第１環状溝に囲まれる第１面積は、前記領域の面積よりも大きく、
   前記第２側面の第２環状溝に囲まれる第２面積は、前記第１面積よりも大きい、
   ことを特徴とする半導体装置。