JP2016054249A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子を含む半導体モジュールと半導体モジュールに接して設けられているヒートシンクとの間に介在する熱伝導材料によって形成される層の厚みが厚くなってしまうことで、半導体モジュールの放熱性能が低下することを回避する半導体装置を提供する。
【解決手段】ヒートシンク１１に設けられた半導体素子１を含む半導体モジュール１６が設置される凹部１８の表面に第１の溝部１２を設け、過剰な熱伝導材料１０が第１の溝部１２に流れ込むようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒートシンクを備えた半導体装置に関するものである。

近年、半導体装置に含まれる半導体素子は、高性能化および小型化されている傾向にあり、従来よりも高い放熱性能が求められている。半導体素子が搭載された（電力用）半導体モジュールおよびヒートシンクを含む半導体装置において、半導体モジュールとヒートシンクとの間に熱伝導材料であるＴＩＭ（Thermal Interface Materials）を介在させることによって、半導体モジュールとヒートシンクとの間の熱抵抗を低減する技術が一般に用いられている。熱伝導材料として放熱グリス、放熱性接着剤などが用いられている。熱伝導材料は、流動性を有するため半導体装置の組み立て時に、半導体モジュールとヒートシンクとの間の領域外への流出（外部流出）が懸念される。特に、放熱グリスは熱をかけても硬化しないため、ヒートサイクル時の熱膨張および熱収縮による外部流出が懸念される。

従来技術として、熱吸収部材（ヒートシンク）に凸状部位を備えるとともに、半導体素子を封止するための樹脂熱封止部に凹状部位を備えることによって、グリス（熱伝導材料）の流出（外部流出）を阻止する技術が開示されている。（例えば、特許文献１を参照）

特開２０１２−４３５８号公報（段落［００３９］，［００４１］）

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、熱伝導材料が過剰量存在する場合に、半導体モジュールとヒートシンクとの間に介在する熱伝導材料の層が設計値よりも厚くなってしまい、半導体モジュールの放熱性能が低下してしまうといった課題があった。熱伝導材料としての放熱グリスの熱伝導率は数Ｗ／（m・Ｋ）レベルであり、ヒートシンクなどの金属材料に比べて熱伝導率が低いため、熱伝導材料の層が厚くなると熱抵抗が大幅に増加し、半導体モジュールの放熱性が低下してしまう。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来よりも放熱性能が高い半導体装置を得ることを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、半導体素子を含む半導体モジュールと、半導体モジュールが設置される凹部を有するヒートシンクと、流動性または熱硬化性を有し、半導体モジュールとヒートシンクの凹部との間に設けられた熱伝導材料とを備え、凹部の表面には、第１の溝部が設けられたものである。

本発明に係る半導体装置によれば、半導体モジュールの放熱性能を従来よりも向上させることができる。

この発明の半導体装置の断面図を概略的に示した図である。 この発明の実施の形態１における半導体装置の製造工程を概略的に示した図である。 この発明の実施の形態１における半導体装置のヒートシンクに設けられた溝部を示した図である。 この発明の実施の形態１における半導体装置の半導体素子で発生した熱の広がりを模式的に示した図である。 この発明の実施の形態２における半導体装置のヒートシンクに設けられた第１の溝部を示した図である。 この発明の実施の形態３における半導体装置のヒートシンクに設けられた第１の溝部および第２の溝部を示した図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置１００の構成の断面図を概略的に示したものである。図１に示すように、実施の形態１に係る半導体装置１００は、半導体モジュール１６と、半導体モジュール１６で発生した熱を半導体装置１００の外側に放熱するヒートシンク１１と、半導体モジュール１６とヒートシンク１１との間に設けられた流動性または熱硬化性を有する熱伝導材料（ＴＩＭ）１０とを含む。半導体モジュール１６の詳細な構成については後述する。

図１に示すように、ヒートシンク１１は、半導体モジュール１６を嵌め込むための凹部１８を有する。凹部１８を形成する面のうち、図１の鉛直方向に平行な面を凹部１８の側面とし、図１の鉛直方向に垂直な面を凹部１８の底面とする。ヒートシンク１１は、凹部１８を有するため、ヒートシンク１１が平坦である（凹部１８を有さない）構造の場合に懸念される、半導体モジュール１６の位置ずれを防止できる。

また、ヒートシンク１１が凹部１８を有することでヒートシンク１１が平坦である場合に比べ半導体装置１００自体が低背構造となり、半導体装置１００を小型化できるという効果がある。また、放熱板５の凹部１８の底面に接する面だけでなく、凹部１８の側面に接する面も熱伝導材料１０を介してヒートシンク１１と密着するため、半導体モジュール１６の放熱性能を向上させることができる。

ヒートシンク１１には凹部１８の表面に第１の溝部１２が設けられている。すなわち、凹部１８の底面に第１の溝部１２が設けられている。凹部１８底面における第１の溝部１２が設けられる位置については後に詳しく説明する。なお、凹部１８の側面に凹部１８の第１の溝部１２が設けられていてもよい。

ヒートシンク１１の材質として例えば、熱伝導率が高く軽量で加工性に優れるアルミニウム合金を用いることができる。また、傷の防止、耐食性を確保するためにヒートシンク１１にアルマイト処理を施してもよい。

熱伝導材料１０は、放熱グリスまたは放熱性接着剤等を用いることができる。放熱グリスは、例えば、シリコーンオイルに導電性、絶縁性を問わずアルミナ、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化チタン、アルミニウム、銅などの熱伝導性の高い充填材が充填されている。放熱性接着剤は例えば、シリコーン樹脂にアルミナ、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化チタン、アルミニウム、銅などの熱伝導性の高い充填材が充填されている。熱伝導材料１０に含まれる充填材のサイズは熱伝導材料１０の種類により様々であるが、一般的に最大粒径２０〜３０μｍの充填材が含まれている。

次に、半導体モジュール１６の構成について詳しく説明する。図１に示すように、半導体モジュール１６は、複数の半導体素子１と、複数の半導体素子１同士を電気的に接続するインナーリード７と、複数の半導体素子１をそれぞれ固定するフレーム３と、複数の半導体素子１をそれぞれフレーム３に固定するための接合材２と、フレーム３の半導体素子１が設けられている側とは反対側に設けられた絶縁シート４と、絶縁シート４のフレーム３とは反対側に設けられた放熱板５と、端子８と、半導体素子１と端子８を電気的に接続するボンディングワイヤ６と、封止樹脂９とを含む。また、半導体モジュール１６は、ヒートシンク１１の凹部１８と熱伝導材料１０を介して接する側の反対側（異なる側）が封止樹脂９により封止されている。

半導体素子１は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）のようなシリコン（Ｓｉ）を基材としたスイッチング素子またはダイオードといった整流素子である。また、半導体素子１は、上述のような基材以外にも、より高温で動作する半導体素子に適用することができる。半導体素子１が、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンドといったシリコンと比較してバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料の半導体素子である炭化ケイ素を用いた半導体素子に、本発明は好適である。なお、図１では半導体素子１の搭載数は２としているが、これに限定することなく、例えば３以上であってもよい。

フレーム３およびインナーリード７の材質としては、例えば、銅、鉄または銅合金、鉄合金などを用いることができる。接合材２は、はんだまたは、銀を主成分とする焼結性フィラーまたはろう材、錫中に銅を分散した材料といった、熱伝導性が高く導電性の接合材料が適用できる。

絶縁シート４は、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の中に熱伝導性の高い無機粉末充填材が充填されたものを用いることができる。絶縁シート４は、高い放熱性能を有する必要があり、放熱性を高めるためには熱伝導性の高い無機粉末充填材を用いることが有効である。例えば、結晶シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどの熱伝導性の高い充填材を使用することができる。また、絶縁シート４の厚みは例えば５０μｍ以上５００μｍ以下であることが望ましい。絶縁シート１４が５０μｍよりも薄い場合、絶縁性が著しく低下してしまう場合がある。一方、絶縁シート１４が５００μｍよりも厚い場合、熱抵抗が大きすぎ、放熱性能が低下してしまう場合があるからである。

また、絶縁シート４は樹脂ベースの材料を使用しているため、従来から絶縁基板として使用されているセラミックスよりも封止樹脂９および放熱板５と線膨張係数が近く、セラミックスを使用するときに比べ、ヒートサイクルによる樹脂割れを防ぐことができる。また、絶縁シート４は、接着剤の役割も果たし、半導体モジュール１６の製造工程で行われる熱硬化時に、フレーム３と放熱板５と封止樹脂９とを接着するため、絶縁シート４の両面に接合材を用いる必要がない。従って、フレーム３、絶縁シート４および放熱板５における熱抵抗の増加を防ぐことができ、放熱性能の高い半導体装置１００が得られる。

放熱板５は、ヒートシンク１１の凹部１８にはめ込まれる。放熱板５の材料として例えば、熱伝導率の高い銅、アルミニウムが適用できる。放熱板５の厚みは特に限定しないが、例えば７０μｍ以上５ｍｍ以下が望ましい。放熱板５の厚みが厚いほど熱容量が大きく、また熱を広げて逃がす事ができるために放熱性を高めることができる。放熱板５が７０μｍ以上の場合、熱の広がりがより大きくなり、放熱性能をより高くできる。また、放熱板５が５ｍｍより薄い場合、加工性がより良くなり、コストをより低く抑えることができる。

ボンディングワイヤ６は、端子８と半導体モジュール１６とを電気的に接続しているとともに、後述する半導体モジュール１６に含まれる半導体素子１とフレーム３とを電気的に接続している。ボンディングワイヤ６の材質として、例えば、アルミニウム、銅、金、銀などが適用できる。

封止樹脂９は、半導体モジュール１６を半導体モジュール１６の外部と絶縁するための絶縁性材料を用いることができる。また、封止樹脂９は、ヒートシンク１１と半導体モジュール１６との間に異物が混入することを防ぐことができる。また、ヒートシンク１１と放熱板５および封止樹脂９が密着しているため、熱伝導材料１０の外部流出を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置１００によれば、半導体モジュール１６は、ヒートシンク１１の凹部１８と熱伝導材料１０を介して接する側の反対側が封止樹脂９によって封止されているので、熱伝導材料１０に異物が混入することを防ぎ、半導体モジュール１６の放熱性能を従来よりも向上させることができる。

次に、図１で示した半導体装置１００の製造工程について説明する。図２は、半導体装置１００の製造工程を説明するための図である。半導体モジュール１６の構成のうち、封止樹脂９を除いたものを封止前モジュール１５とする。図２（ａ）は、絶縁シート４および放熱板５を金型１４に設置した様子を示した図である。図２（ｂ）は、封止前モジュール１５に含まれる絶縁シート４および放熱板５以外の構成を、絶縁シート４上に設置し、金型１４の内部に封止樹脂９を注入する様子を示した図である。図２（ｃ）は、図２（ｂ）で示した工程の後に、半導体モジュール１６と金型１４とを分離し、半導体モジュール１６をヒートシンク１１の凹部１８に熱伝導材料１０を介して設置している様子を示した図である。図２（ｄ）は、半導体モジュール１６とヒートシンク１１とを固定治具１３によって一体的に固定した様子を示した図である。

まず、図２（ａ）に示すように、絶縁シート４を貼り付けた放熱板５をトランスファーモールド用の金型１４に設置する。金型１４は中空構造である。また、金型１４は、複数の部材に分かれており、金型１４の内部に封止前モジュール１５に含まれる複数の部材の設置を可能にしている。次に、図２（ｂ）に示すように、半導体素子１、接合材２、ボンディングワイヤ６、インナーリード７および端子８を搭載したフレーム３を絶縁シート４と接するように設置し、封止前モジュール１５を作成する。封止前モジュール１５を内包した金型１４を型締めした後、トランスファーモールド用の封止樹脂９を金型１４内に注入する。封止樹脂９の注入後、封止樹脂９を熱硬化させるため、例えば、１８０℃でトランスファーモールド成型を実施すればよい。

封止樹脂９が硬化した後、金型１４から封止樹脂９により封止された封止前モジュール１５、すなわち半導体モジュール１６を取り出す。なお、トランスファーモールド成型にかける時間は封止樹脂９の反応度により適宜決定すればよい。また、金型１４から半導体モジュール１６を取りだした後に、さらに硬化度を上げるために例えば１８０℃の温度で８時間加熱して後熱硬化を行ってもよい。

次に、図２（ｃ）に示すように、端子８を封止樹脂９の外側で屈曲させ、放熱板５の絶縁シート４が設置されている側とは異なる側（底面）に熱伝導材料１０を塗布し、第１の溝部１２が設けられたヒートシンク１１の凹部１８に放熱板５を嵌め込む。次に、図２（ｄ）に示すように、封止樹脂９の端部を固定治具１３により固定し、半導体モジュール１６とヒートシンク１１が外れないように、荷重をかけて固定する。固定治具１３により荷重をかけると、放熱板５の底面に塗布した熱伝導材料１０のうち過剰な量が溝部１２へ移動し、熱伝導材料１０が薄く均一に保持できるため高い放熱性を維持することができる。

なお、固定治具１３は図２（ｄ）に示すようなネジ状のものでなくても半導体モジュール１６とヒートシンク１１とを並行に固定できればよく、例えば、バネ板などでもよい。なお、図２（ｄ）では、固定治具１３を２箇所設けた例を示しているが、３箇所以上設けても構わない。固定治具１３を複数設けることによって、半導体モジュール１６とヒートシンク１１とが固定される荷重のバランスを調整することができる。また、熱伝導材料１０の層にかかる荷重により熱伝導材料１０の層の厚さが変動するため、適切な荷重で固定することが重要である。熱伝導材料１０の層にかかる荷重が大きいほど熱伝導材料１０の層は薄くなり、予め定められた荷重以上になると熱伝導材料１０の層が最小厚みに達する。当該最小厚みを、熱伝導材料１０の層の厚さの設計値として用いることができる。

熱伝導材料１０の層の最小厚みは、熱伝導材料１０に含まれる充填材の最大粒径で決まるため、熱伝導材料１０の種類に応じて最小厚みは異なる。また、熱伝導材料１０の層が最小となる荷重は熱伝導材料１０の種類により大きく異なるため、使用する熱伝導材料１０の種類に応じて、適宜荷重を最適化するのがよい。なお、熱伝導材料１０が放熱性接着剤の場合、荷重をかけた状態で、例えば１２５℃の温度で３０分加熱して熱硬化させる。

図２（ｃ）に示した工程において、熱伝導材料１０の量が過剰な場合、熱伝導材料１０が第１の溝部１２へ移動することができ、熱伝導材料１０が存在する層の厚みが設計値よりも厚くなることを回避することができるため、半導体モジュール１６の放熱性能を従来よりも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１００によれば、半導体素子１と、半導体素子１を含む半導体モジュール１６と、半導体モジュール１６が設置される凹部１８を有するヒートシンク１１と、流動性または熱硬化性を有し、半導体モジュール１６とヒートシンク１１の凹部１８との間に設けられた熱伝導材料１０とを備え、凹部１８の表面に第１の溝部１２が設けられているので、半導体モジュール１６の放熱性能を従来よりも向上させることができる。

次に、凹部１８の表面上における第１の溝部１２の形状について詳しく説明する。図３は、図１に点線で示した点線Ｉ−Ｉ線に沿う断面図の実施の形態１における形状である。図３では、半導体モジュール１６に半導体素子１が４つ含まれる場合の第１の溝部１２の形状を示したものである。図３に示す点線四角は、ヒートシンク１１の凹部１８において半導体素子１に対応する領域１７を示したものである。すなわち、領域１７は図１に示した矢印１９から半導体装置１００を見た際の、半導体素子１の直下に対応する凹部１８の表面上の領域である。

図３に示すように、ヒートシンク１１の凹部１８は長方形の窪んだ形状である。第１の溝部１２は、半導体素子１に対応する領域１７を取り囲むように、凹部１８の底面に形成されている。図３では、互いに隣接する半導体素子１に対応して設けられた複数の第１の溝部１２が直線状の共通の溝部２０を含んでいる。図３に示すように、半導体素子１に対応する領域１７が格子状に配置されている場合には、第１の溝部１２は、碁盤目状構造の形状をしている。なお、半導体素子１に対応する領域１７の配置によって、第１の溝部１２の形状を適宜変更してもよい。また、半導体モジュール１６に半導体素子１を搭載する個数によって、第１の溝部１２の形状を適宜変更しても構わない。また、共通の溝部２０は半導体モジュール１６の放熱性能に応じて直線状以外の形状でもよい。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置１００によれば、互いに隣接する複数の半導体素子１に対応して設けられた互いに隣接する複数の第１の溝部１２は、共通の溝部２０を含むので、第１の溝部１２の構成を簡略化することができヒートシンク１１の生産性を向上させることができる。

次に、半導体素子１に対応する領域１７と第１の溝部１２との位置の関係について説明する。例えば、領域１７の内部に第１の溝部１２を設けた場合に、熱伝導材料１０の層の厚みのばらつきにより、半導体モジュール１６の放熱性能が低下してしまう可能性がある。従って、領域１７と第１の溝部１２との位置の関係を調節する（予め定められた距離だけ離す）必要がある。

図４は、図１に示した半導体装置１００に含まれる複数の半導体素子１のうち１つの半導体素子１に注目した際の、半導体素子１から発生する熱の広がりを示した図である。図４に示すように、半導体素子１から発生した熱は絶縁シート４、放熱板５および熱伝導材料１０を介してヒートシンク１１へと伝わる。ヒートシンク１１の凹部１８の表面において熱が到達する位置に第１の溝部１２が設けられている場合、溝部１２の熱伝導材料１０の厚みで放熱性が低下してしまう。従って、第１の溝部１２は放熱性能に対して影響の低い位置に設置するのがよい。

図４において鉛直方向下向きに対する熱の広がる角度をθ、半導体素子１とヒートシンク１１の凹部１８の表面までの距離（半導体素子１の下面からヒートシンク１１の凹部１８の表面に至る最短の距離）を基準長ａ、凹部１８の表面における半導体素子１に対応する領域１７の外周からの熱の広がり範囲をｂとする。ただし、図４の一点鎖線は、接合材２によりフレーム３に固定された半導体素子１からヒートシンク１１に向かって図４における鉛直下向きに対してθで広がる放熱の範囲を示している。ここで、θ＝３０°と仮定した場合、熱の広がり範囲ｂについて、ｂ≒０．６ａとなる。

また、ヒートシンク１１の凹部１８の表面における半導体素子１に対応する領域１７の端部（境界）から基準長ａの０．６倍の距離ｂで区切られる領域を放熱領域２３とすると、第１の溝部１２は、放熱領域２３の外側に設けられるとよい。より好ましくは、第１の溝部１２の位置は、熱の広がり角度θが、θ＝４５°となる際のｂの値が、ｂ＝ａとなるように設定された放熱領域２３の外側に設けられるとよい。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置１００によれば、第１の溝部１２は、半導体素子１と凹部１８の表面との距離を基準長ａとしたとき、凹部１８の表面のうち半導体素子１に対応する領域２３の端部から基準長の０．６倍の距離で区切られる放熱領域２３の外側でかつ放熱領域２３を取り囲むように半導体素子１に対応して設けられているので、第１の溝部１２が放熱領域２３の内側に設けられている場合よりも半導体モジュール１６の放熱性能をさらに向上させることができる。

次に、第１の溝部１２の幅および深さについて説明する。ただし、第１の溝部１２の幅とは、凹部１８の底面と平行な方向における第１の溝部１２の長さを指す。また、第１の溝部１２の深さとは、凹部１８の底面と垂直な方向における第１の溝部１２の長さを指す。ただし、第１の溝部１２の幅に直交する、第１の溝部１２の長さに関しては任意である。なお、第１の溝部１２の長さは、第１の溝部１２の幅よりも長いものとする。上述したとおり、熱伝導材料１０には熱伝導性の高い充填材が充填されている。充填材の粒径は種類によって固有の値を有するため、第１の溝部１２に熱伝導材料１０が移動可能なように第１の溝部１２の幅および深さを調節する必要がある。

第１の溝部１２の幅は、３０μｍ以上、好ましくは８０μｍ以上であることが望ましい。第１の溝部１２の幅が３０μｍ以上、好ましくは８０μｍ以上であることにより熱伝導材料１０に含まれる充填材の大きさの関係から過剰な熱伝導材料１０が第１の溝部１２へより入り込み易くなり、半導体素子１に対応する放熱領域２３の熱伝導材料１０が設計値となって放熱性が向上する。

第１の溝部１２の深さは１００μｍ以上５ｍｍ以下、好ましくは２００μｍ以上３ｍｍ以下である。第１の溝部１２の深さを、１００μｍ以上５ｍｍ以下、好ましくは２００μｍ以上３ｍｍ以下とすることにより過剰な熱伝導材料１０が入るスペースがより確保され易くなり半導体素子１に対応する放熱領域２３の熱伝導材料１０が設計値となる。また、第１の溝部１２に存在する熱伝導材料１０の量が放熱性能に関して最適となりヒートシンク１１への熱の広がりを遮断することがないので放熱性が向上する。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置１００によれば、第１の溝部１２は、幅が３０μｍ以上でかつ、深さが１００μｍ以上５ｍｍ以下であるので、第１の溝部１２に熱伝導材料１０が移動することが可能となり、半導体モジュール１６の放熱性能をさらに向上させることができる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係るヒートシンク１１の凹部１８に設けられた第１の溝部１２を示したものである。すなわち、図５は、図３に示したヒートシンク１１の断面の実施の形態２に対応した図である。

図５に示すように、第１の溝部１２は、ヒートシンク１１の凹部１８の底面における半導体素子１に対応する領域１７および実施の形態１で説明した放熱領域２３を取り囲むように形成されている。実施の形態２では、第１の溝部１２は、複数の領域１７をそれぞれ囲むように円形に形成されている。それ以外の構成は、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。また、第１の溝部１２の大きさ（幅および深さ）の範囲は、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。なお、図示しないが、複数の領域１７をそれぞれ取り囲む複数の第１の溝部１２は、一部が共通の溝部を含んでいてもよい。また、共通の溝部２０は、直線を含むものでもよい。

本発明の実施の形態２に係る半導体装置１００によれば、半導体モジュール１６は、半導体素子１を複数備え、凹部１８の表面には、各半導体素子１に対応する放熱領域２３を取り囲むように第１の溝部１２が設けられているので、実施の形態１に示したように、複数の半導体素子１同士が密に配置されている場合よりも第１の溝部１２の位置の自由度が高く、放熱領域２３の外側の放熱性に影響のない最短距離に第１の溝部１２を設置できるため、実施の形態１のように複数の第１の溝部１２が直線を含む共通の溝部２０を有する場合よりも半導体モジュール１６の放熱性能をさらに向上させることができる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係るヒートシンク１１の凹部１８に設けられた第１の溝部１２および第１の溝部１２を連結するように設けられた第２の溝部２５を示したものである。すなわち、図６は、図３および図５に示したヒートシンク１１の断面の実施の形態３に対応した図である。なお、図６においては、簡略化のため放熱領域２３の表示を省略している。また、実施の形態３における第１の溝部１２および第２の溝部２５の大きさの範囲については、実施の形態１または実施の形態２と同様であるため説明を省略する。

図６に示すように、第１の溝部１２は、領域１７を取り囲む四角形状に設けられている。なお、図示しないが、第１の溝部１２は、実施の形態１で説明した半導体素子１に対応した放熱領域２３を取り囲むように設けられている。実施の形態３に係る半導体装置１００は、ヒートシンク１１の凹部１８の表面に第１の溝部１２を連結する第２の溝部２５をさらに設けたものである。実施の形態３では、第２の溝部２５は、ヒートシンク１１の凹部１８の底面の周囲に四角形状に設けられた溝部と、当該溝部と第１の溝部１２とを互いに連結する溝部とを含む。それ以外の構成は、実施の形態１または実施の形態２と同様であるため説明を省略する。

第１の溝部１２は、上述したとおり、半導体モジュール１６をヒートシンク１１に設置する際に、過剰な熱伝導材料１０を移動させるための構成である。一方、第２の溝部２５は、上記のように過剰な熱伝導材料１０を移動させるとともに、第１の溝部１２に空気層（ボイド）が生じた場合に当該空気層を、第１の溝部１２から逃がすための構成である。図６に示すように、ヒートシンク１１の凹部１８における底面の周囲にも第２の溝部２５が設けられている場合には、空気層を半導体モジュール１６とヒートシンク１１との間から逃がすことも可能である。なお、実施の形態３における第１の部１２および第２の溝部２５の形状は、図６に示したものに限定されず、曲線状の溝であってもよい。

本発明の実施の形態３に係る半導体装置１００によれば、凹部１８の表面には、複数の第１の溝部１２を互いに連結する複数の第２の溝部２５が設けられているので、第１の溝部１２に空気層が発生した場合に、第１の溝部１２の空気層を第２の溝部２５に逃がすことができ、第１の溝部１２における空気層による熱抵抗率の低下を防ぎ、半導体モジュール１６の放熱性能をさらに向上させることができる。

また、本発明の実施の形態３に係る半導体装置１００によれば、第２の溝部２５は、幅が３０μｍ以上でかつ、深さが１００μｍ以上５ｍｍ以下であるので、第１の溝部１２および第２の溝部２５にも熱伝導材料１０が移動することが可能となり、半導体モジュール１６の放熱性能をさらに向上させることができる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その発明の範囲において、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更、省略したりすることができる。

１ 半導体素子
９ 封止樹脂
１０ 熱伝導材料
１１ ヒートシンク
１２ 第１の溝部
１６ 半導体モジュール
１７ 半導体素子に対応する領域
１８ 凹部
２０ 共通の溝部
２３ 放熱領域
２５ 第２の溝部
１００ 半導体装置

Claims (8)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子を含む半導体モジュールと、
   前記半導体モジュールが設置される凹部を有するヒートシンクと、
   流動性または熱硬化性を有し、前記半導体モジュールと前記ヒートシンクの前記凹部との間に設けられた熱伝導材料と
   を備え、
   前記凹部の表面には、第１の溝部が設けられたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１の溝部は、前記半導体素子と前記凹部の表面との距離を基準長としたとき、前記凹部の表面のうち前記半導体素子に対応する領域の端部から前記基準長の０．６倍の距離で区切られる放熱領域の外側でかつ前記放熱領域を取り囲むように前記半導体素子に対応して設けられたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体モジュールは、半導体素子を複数備え、
   前記凹部の表面には、前記各半導体素子に対応する前記放熱領域を取り囲むように第１の溝部が設けられたことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 互いに隣接する複数の前記半導体素子に対応して設けられた互いに隣接する複数の前記第１の溝部は、共通の溝部を含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記凹部の表面には、複数の前記第１の溝部を互いに連結する複数の第２の溝部が設けられたことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
6. 前記第１の溝部は、幅が３０μｍ以上でかつ、深さが１００μｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記第２の溝部は、幅が３０μｍ以上でかつ、深さが１００μｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
8. 前記半導体モジュールは、前記ヒートシンクの前記凹部と前記熱伝導材料を介して接する側の反対側が封止樹脂によって封止されていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。

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