JP2016062917A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、パワーカードと冷却部材の間にグリスが塗布された半導体装置に関し、グリス抜けによる冷却性能の低下を抑制する技術を提供する。
【解決手段】本明細書が開示する半導体装置２は、半導体素子を収容したパワーカードにグリスを挟んで冷却部材が接しているとともにパワーカードと冷却部材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。パワーカードは、冷却部材と対向する面に放熱板を備えている。互いに対向する冷却部材と放熱板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。二次元的に配置された複数の渦巻き状の渦が、グリスの流出を低減する。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体装置に関する。特に、半導体素子を収容したパワーカードにグリスを挟んで冷却部材が接しているとともに、パワーカードと冷却部材の積層方向に荷重が加えられている半導体装置に関する。

電力変換に利用され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。そのような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、パワーカードがバスバと絶縁板を挟んで冷却器と積層されている。パワーカードの表面にはパワーカードの内部で半導体素子と接している放熱板が露出しており、その放熱板にバスバが面している。冷却器によって絶縁板とバスバが冷却され、そのバスバがパワーカードを冷却する。よって、パワーカードに密着しているバスバは冷却部材の一種とみなせる。特許文献１には、放熱板とバスバとの間、及び、バスバと絶縁体の間の伝熱効率を高めるべく、それらの間にグリスを塗布することが記載されている。なお、放熱板とバスバの間には、導電性のグリスが採用される。

なお、本明細書が開示する半導体装置とみかけ上、構造が似ている半導体装置が特許文献２と３に開示されているのでここで言及しておく。特許文献２の半導体装置は、半導体素子を封止したパワーカードの表面に放熱板が露出しており、その放熱板を含むパワーカードの表面がハンダやゲル等からなる接着剤を介して基板（冷却部材）に接着される。放熱板の表面には周期的な凹凸構造が設けられている。凹凸構造により接着剤との接触面積が増大し、半導体素子に対する冷却効率が高まる。周期的な凹凸構造の一例は、渦巻き状の溝である。特許文献３には、放熱板の外気に露出している面に渦巻き状の溝を設けた半導体装置が開示されている。特許文献３は、放熱面積を増大させる目的で、放熱板の表面に溝を設けている。

特開２０１４−０３３１２５号公報 特開２００６−０７３８９３号公報 特開２００１−２６７４７６号公報

特許文献２のごとく接着剤を使う場合には放熱板と冷却部材の間の接着剤が流出することはない。一方、グリスを使う場合、半導体装置を長期間使っているうちに、ポンピング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。なお、以下では、説明の便宜上、放熱板と冷却部材の間の狭い空間を狭空間と称する。放熱板と冷却部材の間の幅を隙間幅と称する。

ポンピングによるグリス流出の現象は次のメカニズムで生じる。半導体素子の発熱により放熱板の温度が高まり面外変形を生じると隙間幅が狭まる（狭空間が収縮する）。面外変形は、積層方向からみて半導体素子と重なる範囲で顕著である。説明の便宜上、積層方向からみて半導体素子と重なる範囲を「中央」と称する。また、積層方向からみて「中央」の周りの領域を「周囲」と称する。狭空間が収縮すると、グリスは、放熱板の中央から周囲へ向けて押し出される。半導体素子が動作を停止して放熱板の温度が下がると面外変形が元に戻り、隙間幅が元の大きさに戻る。即ち、狭空間の体積が元に戻る。このときグリスは放熱板の中央に向けて吸い込まれるが、グリスの一部はグリスの塊から分離し、吸い込まれずに周囲へ残ったままとなる。その結果、狭空間に空気が混入する。長期間使用しているうちに、即ち、熱サイクルが増大していくうちに、狭空間のグリスが徐々に減少し、代わりに空気の領域が狭空間に拡がっていく。空気の領域が拡がるにつれて冷却性能が低下していく。狭空間のグリスが減少して空気の領域が広がっていくことは「グリス抜け」と呼ばれる。グリスの層の厚み（隙間幅）は小さい方が冷却性能が高い。しかし、グリスの層の厚みが小さいと、放熱板の面外変形の前後の隙間幅の比が大きくなり、即ち、狭空間の収縮率が大きくなり、グリス抜けが生じ易くなる。なお、ここでの冷却性能とは、放熱板から冷却部材への熱伝達率の高さを意味する。

本明細書が開示する技術は、上記の課題に鑑みて創作された。本明細書は、パワーカードと冷却部材の間にグリスが塗布された半導体装置に関し、グリス抜けによる冷却性能の低下を抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する新規な半導体装置では、互いに対向する冷却部材と放熱板のいずれか一方の表面に、複数の渦巻き状の溝を二次元的に配置する。なお、以下では、説明の便宜上、パワーカードと冷却部材をその積層方向から見たときの領域であって、溝の領域ではなく、放熱板の平坦な表面と冷却部材の平坦な表面が対向する領域を平坦領域と称する。

溝を設けることで、溝の中にグリスが溜まる。放熱板の面外変形によって平坦領域の隙間幅が狭まり、放熱板の中央の平坦領域からグリスが押し出される。放熱板が冷えて平坦領域の隙間幅が元に戻る際、グリスの一部が元の位置に戻りきらない場合には溝から平坦領域にグリスが供給され、空気の領域が拡がることが抑制される。なお、溝の中のグリスは減少するが、積層方向からみたときの溝の面積よりも広い平坦領域で空気の領域が拡がることが抑制されるので、冷却性能の低下が抑制される。

発明者の検討によると、一つの大きな渦巻き状の溝を設けるよりも複数の渦巻き状の溝を二次元的に配置すると、グリス抜けを効果的に抑制できることが解った。その理由は、次のように推測される。

ポンピングの際にはグリスは平坦領域で移動し易く、また、平坦領域での移動距離が長いほどグリスの塊が千切れて空気が侵入する可能性が高くなる。隙間幅が狭まる際にはグリスは放熱板の中央から周囲に向けて放射状に押し出されるが、狭くなった隙間幅が元に戻る際には、グリスは、移動し易い方向に移動しようとする。仮に、特許文献２に開示された半導体装置のように、放熱板の全面に一つの大きな渦巻き状の溝が形成されている場合、渦巻きの溝ピッチ間の細長い平坦領域は直線に近い。それゆえ、隙間幅が元に戻り、狭空間の体積が元に戻る際、グリスは直線に近い細長い平坦領域をその長手方向に沿って長い距離を移動する。隙間幅の小さい平坦領域をグリスが長い距離を移動するとグリスの塊が千切れ易い。グリスが千切れようとすると溝から平坦領域へグリスが供給されるが、熱サイクルを繰り返すうちに溝のグリスも枯渇し、平坦領域に空気の層が拡がる。これに対して複数の渦巻き状の溝を二次元的に配置すると、溝ピッチ間の細長い平坦領域の曲率半径が小さくなり、グリスは移動し難くなる。別言すれば、複数の渦巻き状の溝を二次元的に配置することにより、溝で区切られる各平坦領域の最長直線距離を短くし、グリスを移動し難くする。平坦領域でグリスが移動し難くなる分、グリスが千切れ難くなる。また、複数の渦巻き状の溝を二次元配置すると、溝の総延長距離が、一つの大きな渦巻き状の溝と比較して長くなる。グリスを溜める溝の総延長距離が長くなることも、グリス抜け防止に有利に働く。以上の説明が、複数の渦巻き状の溝の二次元的配置が顕著な効果を奏する理由の推測である。

本明細書が開示する技術では、複数の渦巻き状の溝は、互いに対向する冷却部材と放熱板のいずれか一方の表面に設ければよい。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模式的な斜視図である。 パワーカードの裏面の斜視図である。 図１の座標系におけるＸＹ平面でカットした半導体装置の断面図である。 図１の座標系におけるＸＺ平面でカットした半導体装置の断面図である。 Ｘ軸の負方向から見たパワーカードの平面図（裏面図）である。 放熱板表面の模式的平面図である。 比較例の放熱板表面の模式的平面図である。 渦巻き状の溝と格子状の溝の交点数の差を説明する図である（渦巻き状の溝の場合）。 渦巻き状の溝と格子状の溝の交点数の差を説明する図である（格子状の溝の場合）。 図６の矢印線Ｘの拡大断面図である。 渦巻き状の溝の配置の変形例である。 渦巻き状の溝の配置の別の変形例である。 渦巻き状の溝の配置のさらに別の変形例である。

図面を参照して実施例の半導体装置２を説明する。図１は、半導体装置２の模式的な斜視図である。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（積層ユニット）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、他のパワーカードには符号を省略している。同様に一つの冷却器だけに符号３を付し、他の冷却器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、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７（後述）の表面には複数の渦巻き状の溝が設けられているが、図１−図４ではその図示を省略している。放熱板表面の溝については後に図５−図１３を参照して詳しく説明する。

一つのパワーカード１０には４個の半導体素子が収容されている。４個の半導体素子は、具体的には、２個のトランジスタＴａ、Ｔｂと、２個のダイオードＤａ、Ｄｂである。パワーカード１０の内部構造は後に詳しく説明する。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、共に平板型であり、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は交互に積層されており、積層ユニットの積層方向の両端には冷却器３が位置している。また、パワーカード１０と冷却器３の間には絶縁板６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６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６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６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、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６に熱を奪われる。それゆえ、絶縁板６は、冷却部材に相当する。半導体装置２は、半導体素子（２個のトランジスタＴａ、Ｔｂと２個のダイオードＤａ、Ｄｂ）を収容したパワーカード１０にグリスを挟んで絶縁板６（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６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。

パワーカード１０を説明する。パワーカード１０において、絶縁板６と対向する一方の平坦面１０ａには、放熱板１６ａ、１６ｂが露出している。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。パワーカード１０を裏面（Ｘ軸の負方向）からみた図を図２に示す。平坦面１０ａとは反対側の平坦面１０ｂ（裏面）には、別の放熱板１７が露出している。平坦面１０ｂにはグリスを挟んで別の絶縁板６が接しており、その絶縁板６にはグリスを挟んで別の冷却器３が接している。パワーカード１０は、両面の夫々がグリスを挟んで絶縁板６と接しており、各絶縁板６はグリスを挟んで冷却器３と接している。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７ａ、７ｂ、７ｃが伸びており、下面（図中Ｚ軸方向の負方向を向く面）からは制御端子２９が伸びている。

ここからは、図１、図２とともに図３と図４を参照してパワーカード１０の内部構造を説明する。図３は、図１のパワーカード１０を図中の座標系のＸＹ面に平行な平面であってトランジスタＴａとＴｂを横切る平面でカットした断面図である。図４は、図１のパワーカード１０を図中の座標系のＸＺ面に平行な平面でカットした断面図であってトランジスタＴａとダイオードＤａを横切る平面でカットした断面図である。別言すれば、図４は、図３のIV−IV線に沿った断面図であり、図３は図４のIII−III線に沿った断面図である。

４個の半導体素子（トランジスタＴａ、Ｔｂ、ダイオードＤａ、Ｄｂ）は、樹脂製の筐体１３に封止されている。筐体１３は、射出成形により半導体素子を封止する。いずれの半導体素子も平坦なチップであり、その平坦面が筐体１３の平坦面（パワーカード１０の平坦面１０ａ、１０ｂ）と平行になるように配置されている。なお、以下では、パワーカード１０の平坦面１０ａ、１０ｂを筐体１３の平坦面１０ａ、１０ｂと称する場合がある。

トランジスタＴａ（Ｔｂ）のチップの一方の平坦面にはコレクタ電極が露出しており、他方の平坦面にはエミッタ電極が露出している。トランジスタＴａ（Ｔｂ）のゲートは、チップの一方の平坦面の端に設けられている。トランジスタＴａの一方の平坦面の電極はハンダ１５により放熱板１６ａの裏面に接合している。放熱板１６ａのおもて面は、筐体１３の表面に露出している。トランジスタＴａの他方の平坦面の電極は、ハンダ１５と導電部材（スペーサ１４）を介して放熱板１７の裏面に接合している。放熱板１７のおもて面は、筐体１３の表面に露出している。トランジスタＴａの他方の平坦面の端にはゲートが位置しており、そのゲートはワイヤを介して制御端子２９に接続されている。図４では、ワイヤは破線で描いてある。トランジスタＴｂも同様の構造を有している。

図４によく示されているように、放熱板１６ａは、電極端子７ａの一部である。筐体内部で放熱板１６ａの側縁から延設部が伸びており、その延設部は筐体１３の内部を通り、筐体１３の上面（図中の座標系のＺ軸正方向を向く面）から外部へ伸びている。即ち、トランジスタＴａの電極を外部の他のデバイスと接続するための電極端子７ａにおいて、筐体１３の平坦面１０ａに露出している部位が放熱板１６ａに相当する。電極端子７ａはトランジスタＴａの電極と接しているので、トランジスタＴａの内部の熱を伝えやすい。その電極端子７ａの一部が放熱板１６ａとして筐体１３から露出しているので、放熱板１６ａにはトランジスタＴａの内部の熱がよく伝わる。一方、冷却器３はアルミニウム（導電性の金属）で作られているので、放熱板１６ａと絶縁する必要がある。それゆえ、半導体装置２は、冷却器３と放熱板１６ａ（パワーカード１０）との間に絶縁板６を挟んでいる。絶縁板６は、薄くて絶縁性が高く、導電性も良いセラミックスで作られている。放熱板１６ａ（電極端子７ａ）は、導電性と伝熱性に優れた銅で作られている。スペーサ１４も、導電性と伝熱性に優れた銅で作られている。

ダイオードＤａ、Ｄｂも平坦なチップであり、一方の平坦面にアノード電極が露出しており、他方の平坦面にカソード電極が露出している。ダイオードＤａの一方の平坦面に露出している電極も、トランジスタＴａと同様に、ハンダ１５を介して放熱板１６ａの裏面に接続している。トランジスタＴａの他方の面の電極はハンダ１５とスペーサ１４を介して放熱板１７の裏面（筐体に対向する面）に接続している。ダイオードＤａの他方の面の電極も、ハンダ１５とスペーサ１４を介して放熱板１７の裏面に接続している。即ち、トランジスタＴａとダイオードＤａは、放熱板１６ａ（即ち電極端子７ａ）と放熱板１７の間で並列（逆並列）に接続されている。放熱板１７も、放熱板１６ａと同様に電極端子７ｃの一部である。

トランジスタＴｂとダイオードＤｂの組も、トランジスタＴａとダイオードＤａの組と同様の構造を有している。トランジスタＴｂとダイオードＤｂの一方の面の電極はハンダ１５を介して放熱板１６ｂの裏面に接続されており、他方の面の電極はハンダ１５とスペーサ１４を介して放熱板１７の裏面に接続している。トランジスタＴｂとダイオードＤｂも、筐体１３の内部で並列（逆並列）に接続されている。放熱板１６ｂも、放熱板１６ａと同様に、電極端子７ｂの一部である。

放熱板１６ａ、１６ｂは、平板型のパワーカード１０（筐体１３）の最大面積の一方の平坦面１０ａに露出しており、放熱板１７は、パワーカード１０（筐体１３）の最大面積の他方の平坦面１０ｂに露出している。図３、及び、図４によく示されているように、絶縁板６とパワーカード１０との間にはグリス９が塗布されている。絶縁板６と冷却器３の間にもグリス９が塗布されている。

グリス９は、絶縁板６とパワーカード１０の間、及び、絶縁板６と冷却器３の間から空気を排除し、パワーカード１０から絶縁板６への熱伝達率、及び、絶縁板６から冷却器３への熱伝達率を高める。先に述べたように、半導体装置２はパワーカード１０と冷却器３の積層方向に荷重を受けており、その荷重でグリス９の層が薄く引き延ばされる。グリスは空気よりは熱伝導率が高いが、銅やアルミニウムなどの金属と比較すると熱伝導率が低く、グリス９の層の厚みが大きいと冷却性能が高まらないからである。一方、グリス９の層の厚みが小さいと、長期間使っているうちにポンピングと呼ばれる現象により絶縁板と放熱板の間からグリスが流出し、冷却性能が低下してしまう。以下、放熱板１７と絶縁板６について説明する。放熱板１６ａ、１６ｂについても同様である。また、説明の便宜のため放熱板１７と絶縁板６の間の空間を狭空間と称する。

ポンピングとは、放熱板１７が熱サイクルで面外変形を生じ、狭空間の隙間幅が狭まったり元に戻ったりする現象である。隙間幅が狭まると（狭空間が収縮すると）、グリスが放熱板の中央から周囲へ押し出される。なお、前述したように、「放熱板の中央（周囲）」とは、放熱板１７と絶縁板６の積層方向からみたときの放熱板の中央（周囲）のことである。隙間幅が元の大きさに戻るとき（狭空間の体積が元に戻るとき）、周囲のグリスが放熱板の中央の狭空間に吸い込まれる。だたし、グリスが中央に吸い込まれる際、グリスの塊に亀裂が生じ、亀裂に空気が入り込む。この現象は「グリス抜け」と呼ばれる。空気はグリスよりも熱伝導率が低いので、グリス抜けが生じると放熱板１７から絶縁板６への熱伝達率が低下してしまう。即ち、パワーカードに対する冷却性能が低下してしまう。半導体装置２は、グリス抜けによる冷却性能低下を抑制すべく、放熱板１７の表面に、複数の渦巻き状の溝を有している。

図５に、Ｘ軸の負方向からみたパワーカード１０の平面図（裏面図）を示す。図５において、絶縁板６を仮想線で示してある。また、符号Ａが示す範囲がグリスの塗布される範囲である。グリスは、互いに対向するパワーカード１０と絶縁板６の間で、積層方向（図中のＸ軸方向）からみて、放熱板１７を全てを含み、放熱板１７の周囲にも拡がるように塗布されている。

図５に示されているように、放熱板１７の表面には、複数の渦巻き状の溝８が設けられている。図では、渦巻き状の溝を太線で表している。複数の渦巻き状の溝８は、放熱板１７の表面に二次元的に配置されている。二次元的に配置されているとは、直交する２方向（典型的には縦方向と横方向）のいずれの方向にも２個以上の渦巻き状の溝が並んでいることである。また、隣接する渦巻き状の溝同士は繋がっている。

図では理解し易いように渦巻きを大きく描いているが、ひとつの渦巻きの直径は概ね０．５ｍｍ−１．０ｍｍ程度である。渦巻きのピッチは約０．１ｍｍである。それゆえ、渦の巻き数は、３から５回程度である。図に描かれたひとつの渦は、溝が３重に巻かれている。また、溝の深さは３０ミクロン程度である。

溝そのものの利点は、ポンピングにより溝８のない平坦領域でグリスが千切れようとする際に、溝８からグリスが供給され、空気の浸入を阻むことである。なお、平坦領域とは、積層方向からみて放熱板１７の平面と絶縁板６の平面が対向している領域を意味する。

複数の渦巻き状の溝が二次元的に配置されていることの利点、及び、隣接する渦巻き状の溝が繋がっていることの利点を説明する。なお、以下の説明の順番が利点の重要度を意味するものではないことに留意されたい。

（利点１）図６に複数の渦巻き状の溝８を有する放熱板１７の模式的平面図を示す。図７は、比較のため、一つの大きな渦巻き状の溝１０８が形成された放熱板１１７の模式的平面図を示す。ポンピングによって放熱板が面外変形を生じて隙間幅が狭まる際（狭空間が収縮する際）、グリスは、放熱板の中央から周囲へ向かって押し出される。一方、隙間幅が元に戻る際には、グリスは移動し易い方向に動く。グリスは、溝の中よりも平坦領域で大きく動く。これは、平坦領域の方が溝の中よりも体積変化の割合が大きいからである。図７のように一つの大きな渦巻き状の溝１０８の場合、渦巻き状の溝のピッチ間の細長い平坦領域は、曲率半径が大きく、直線に近い。従って、隙間幅が元に戻る際、グリスは直線に近い平坦領域を溝の渦巻きに沿って大きく移動する。グリスの層の厚みが小さい平坦領域でグリスが大きく移動すると、グリスは千切れ易く、空気が入り込み易くなる。グリスが千切れようとすると溝１０８からグリスが供給されるが、千切れようとする頻度が高いと溝１０８からグリスが枯渇し、空気の層が拡がっていく。

一方、図６の溝形状では、渦巻き状の溝８のピッチ間の細長い平坦領域は、図７のケースと比較すると曲率半径が小さいのでグリスは動き難い。平坦領域でグリスが動き難い分、グリスが千切れ難くなる。複数の渦巻き状の溝８を二次元的に配置することによって、一つの大きな渦巻き状の溝１０８を設ける場合と比較してグリス抜けが生じ難くなる。別言すれば、複数の渦巻き状の溝８を二次元的に配置することで、溝で区切られる各平坦領域に含まれる最長直線距離を短くし、各平坦領域でグリスを移動し難くする。

先に述べたように、渦巻きの直径は０．５ｍｍ−１．０ｍｍ程度であり、放熱板のサイズは縦２０ｍｍ×横３０ｍｍ程度であるので、一つの大きな渦巻き状の溝と複数の渦巻き状の溝とは曲率半径が格段に相違する。

（利点２）隣接する渦巻き状の溝が繋がっていることの一つの利点を説明する。放熱板１７の面外変形は放熱板の中央で大きい。それゆえ、放熱板の中央においてグリスが大きくする移動する。その結果、放熱板の中央において、溝８から平坦領域へのグリスの供給量が多い。その分、放熱板の周囲の溝から中央の溝へグリスが供給されることが望ましい。即ち、グリスが溝８を伝って放熱板の中央へ向かって移動し易いことが、グリス抜けの抑制に有利である。図７の太線矢印Ｅが示すように、一つの大きな溝１０８の場合、グリスが溝１０８に沿って放熱板１１７の中央に移動するには幾周も放熱板を周回しなければならない。これに対して、実施例の半導体装置では、複数の渦巻き状の溝８が二次元的に配置されており、隣接する渦巻き状の溝同士が繋がっている。図６の太線矢印Ｂが示すように、グリスは、放熱板の中心側で隣接する溝８へ移り、中心へ向かって概ね直線的に移動することができる。即ち、隣接する渦巻き状の溝８が繋がっていると、隙間幅が元に戻る際に溝８の中のグリスが放熱板１７の中心に向かって移動し易いという利点がある。なお、溝の中のグリスは、平坦領域上のグリスよりも厚みが大きいので千切れ難く、放熱板の中心まで戻る間に亀裂が生じ難い。また、先に述べたように、渦巻きの直径は０．５ｍｍ−１．０ｍｍ程度であるので、グリスは、図６の太線矢印Ｂよりも直線的に放熱板１７の中心に向かって移動することができる。

（利点３）渦巻き状の溝は、次の利点も有する。先に述べたように、隙間幅が狭まるとき、グリスは放熱板１７の中心から周囲に向かって放射状に移動する。図６の太線矢印Ｃが示すように、グリスは中心から周囲に向かって移動する際に、比較的に短いピッチで溝８を複数回横断することになる。溝の無い箇所を移動するグリスは、横断する溝８に捉えられ、移動距離が短くなる。なお、この利点は図７の溝１０８でも得られる。

（利点４）複数の渦巻き状の溝８が二次元配置されており、隣接する渦巻き状の溝同士が繋がっていることには、平坦領域を多数の小さな領域に分割できる、という利点もある。各渦巻き状の溝８において、溝と溝の間の平坦領域は、渦巻きの入り口が隣接する渦巻き状の溝で閉じられる。また、図６において符号Ｄが示す平坦領域は、縦横で接する４個の溝で区画される。（利点２）で説明したように、平坦領域の直線距離が短いと、平坦領域内でのグリスの移動が抑制され、千切れ難くなる。

（利点５）また、複数の渦巻き状の溝を二次元配置したときの溝の総延長距離は、一つの大きな渦巻き状の溝の総延長距離よりも長くなる。複数の渦巻き状の溝を二次元配置することによって、一つの大きな渦巻き状の場合と比較して、溝に溜められるグリスの総量を多くすることができる。

以上の利点は、格子状の溝であっても得ることができる。しかしながら、格子状の溝は、２本の溝の交点を多数伴う。これに対して二次元的に配置された複数の渦巻き状の溝では、２本の溝の交点の数を顕著に減らすことができる。例えば、溝のピッチを符号Ｐで表し、渦巻きの直径を符号Ｌで表す。隣接する渦巻きの溝同士が繋がっている場合、Ｌ×Ｌの正方領域のなかで２本の溝が接する箇所は４箇所だけである（図８参照）。これに対してピッチＰの格子状の溝の場合、Ｌ×Ｌの正方形領域に含まれる交点の数は（Ｌ／Ｐ）×（Ｌ／Ｐ）となる（図９参照）。Ｐ＝１、Ｌ＝１０であれば、格子状の溝における交点の数は１００となり、渦巻き状の溝の場合の４個と比べて格段に多くなる。複数の渦巻き状の溝を二次元的に配置することは、格子状の溝と比較して溝同士の交点の数を顕著に少なくすることができる。溝同士の交点が少ないことは、以下に述べるように、微細な溝の加工に対して有利に働く。

溝の加工法について述べる。先に述べたように、放熱板１７の表面に形成される渦巻き状の溝は微細である。溝の幅が広すぎたり、あるいは深すぎると、放熱板１７と絶縁板６が近接している領域が少なくなり、冷却性能が低下する。それゆえ、溝の深さと幅は厳密に管理できることが望ましい。後述するようにレーザ加工で溝を形成する場合には、溝の両側に土手を伴う。土手の高さも厳密に管理したい。土手の高さが高くなると、放熱板１７と絶縁板６の隙間を広くしなければならないからである。

実施例で説明した溝のサイズはミリメートル以下のオーダである。放熱板の表面に設ける微細な溝は、精緻に加工することが難しい。特に交差する溝を形成しようとすると、交点の四隅の形状（特に平坦領域と溝の境界の形状）を精密に整える（管理する）ことが難しい。代表的な加工法には、プレス加工、エッチング加工、レーザ加工がある。プレス加工とエッチング加工では、溝の交点の四隅は形が崩れやすい。即ち、プレス加工やエッチング加工では、交点の四隅では、放熱板の元々の表面よりも低くなりがちである。格子状の溝には、溝の交点が多数含まれる。そうすると、平坦領域の面積が予定された面積よりも小さくなり、冷却性能が低下してしまう。

レーザ加工の場合、溝の交点の中央は、レーザが２回照射されるので深くなる。また、レーザ加工による溝は、溝の両側に土手を伴う。これは、レーザ光により溶融した放熱板材が溝の両側に盛り上げられるからである。交差する溝をレーザ加工で生成すると、交点の四隅に溶融した放熱板材が先鋭に盛り上がり、ピークを作ることになる。図１０に、図６の矢印線Ｘにおける拡大断面図を示す。図１０は、レーザ加工により形成された溝８の断面形状を模式的に表している。符号８ａは溝の両側に形成される土手を示している。溝８の深さが符号Ｈ２で示されており、土手８ａの高さは符号Ｈ３で示されている。絶縁板６の平坦面と放熱板１７の平坦面との間の隙間幅は符号Ｈ１で示されている。先に述べたように、溝は深すぎても冷却性能が低下する。また、グリスの層の厚みは小さい方が望ましく、隙間幅Ｈ１も小さい方が望ましい。溝の深さＨ２は３０ミクロン程度、隙間幅Ｈ１は数十ミクロン程度が好ましい。なお、深さ３０ミクロン程度の溝をレーザで形成すると、土手の高さＨ３は概ね１０〜２０ミクロン程度となる。

隙間幅Ｈ１は土手の高さＨ３で規定される。先に述べたように、レーザ加工で交差する溝を形成すると、交点の四隅にて土手のピークが形成されてしまう。仮に、交点では土手の高さＨ２の２倍のピークが形成されるとすると、ピークの高さは２０−４０ミクロンとなる。ここで、格子状の溝を採用すると、溝の交点が多数存在するので、隙間幅Ｈ１は、交点の四隅のピークの高さとそのばらつきを考慮して定めなければならない。ピークの高さが４０ミクロン程度の場合、加工ばらつきを考慮すると、隙間幅Ｈ１は概ね５０ミクロンよりは大きくしなければならない。

他方、渦巻き状の複数の渦を二次元的に配置すると、交点の数を顕著に減らすことができる。交点の数、即ち、ピークの数が顕著に少なければ、仮に隙間幅Ｈ１よりも高い少数のピークが存在したとしても、絶縁板６と放熱板１７で押しつぶすことができる。従って、格子状の溝と比較して隙間幅Ｈ１を小さくすることができる。

以上の通り、溝の交点が少ないことは、格子状の溝と比較して、加工精度上、冷却性能を高くすることができるという利点（利点６）を有する。

なお、現在の技術のプレス加工では、上記の微細な溝加工は難しい。エッチング加工はコストが嵩む。上記した微細な渦巻き状の溝の加工にはレーザ加工が適している。特に、レーザ加工では、溝の両側に土手８ａ（図１０参照）が形成される。この土手８ａは、平坦領域のグリスの移動を阻害する効果がある。即ち、土手８ａは、図１０において符号Ｆが示す平坦領域のグリスを移動し難くする効果がある。先に述べたように、ポンピングによって隙間幅が狭まるときにはグリスは放熱板の中央から周囲に向かって放射状に移動しようとするが、このときグリスは溝８を幾度も横切る。グリスは放熱板の中心から周囲に移動する際に土手８ａに幾度も阻まれる。これにより、グリスは中央から周囲に向かって移動し難くなる。レーザ加工による溝は、プレス加工やエッチング加工にはない利点を有する。

また、レーザ加工において、レーザ光線は、光源をＸＹ平面で動かす粗動ステージと、ガルバノミラーによる微動走査機構との組み合わせで走査される。図７に示すように大きな渦巻き状の溝を形成する場合には、粗動ステージと微動機構をリンクして動かす必要があり、溝の精緻な形成が難しい。これに対して複数の渦巻き状の溝の一つひとつは、微動機構だけで形成できる場合があり、その場合、渦巻き状の溝を高い精度で形成することができる。この点でも、複数の渦巻き状の溝の二次元配置は、溝のレーザ加工にとって好都合である。

利点２と利点４は、隣接する渦巻き状の溝が繋がっていることによる利点である。隣接する渦巻き状の溝が繋がっていない場合、利点２と利点４は得られないが、その他の利点は得られる。隣接する渦巻き状の溝が繋がっておらずとも、複数の渦巻き状の溝が密に配置されていれば、利点４に近い効果を奏する。図１１に示すように、複数の渦巻き状の溝１８が、互いに接することなく密に二次元的に配置していても、次善の効果が得られる。なお、隣接する渦巻き状の溝が繋がっていない場合、放熱板の表面に、２本の溝の交点が存在しない。溝の交点が存在しないという点では（利点６）、隣接する渦巻き状の溝同士が繋がっている場合よりも有利である。

図１２と図１３を参照して複数の渦巻き状の溝の二次元配置の他の変形例を説明する。図１２は、矩形の渦巻き状の複数の溝２８を設けた例である。隣接する渦巻き状の溝２８は繋がっている。なお、矩形の渦巻き状の溝をレーザ加工する場合、溝の屈曲部でレーザ走査のスピードを落とさねばならないため、深さが深くなる。これに対して図６の溝８、図１１の溝１８は、放熱板１７に垂直な方向からみて曲線だけで構成されている。曲線だけで構成されている渦巻き状の溝は、一定の走査スピードで形成することができるため、深さを一定にするという利点がある。図１２の溝も、図６に示す溝と同様の効果を得ることができるが、溝の深さがばらつく点では、次善の構成である。

図１３の変形例では、渦巻きの方向が互いに逆の一対の渦巻きが１本の溝３８で形成されており、隣接する渦巻き状の溝３８が互いに接している。この変形例は、図６の場合と比較して溝の交点を少なくできるというさらなる利点を有する。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図５以降は、図１と図２に示した半導体装置２の放熱板１７の表面の溝を例に説明した。放熱板１６ａ、１６ｂに同様の溝を設けることも好適である。

複数の渦巻き状の溝は、放熱板の全面に設けられていてもよいし、放熱板の表面の一部に設けられていてもよい。複数の渦巻き状の溝は、積層方向からみて発熱体である半導体素子を重なる放熱板の領域に設けられていてもよい。

複数の渦巻き状の溝は、放熱板の表面に設けるかわりに冷却部材の表面に設けてもよい。即ち、複数の渦巻き状の溝は、グリスを挟んで対向する放熱板の表面と冷却部材の表面の一方に設けられていればよい。なお、冷却部材がセラミックス板で作られている場合は、加工の容易さから、金属の放熱板の表面に設けるのがよい。

グリスの粘度は、例えば２００〜８００［Ｐａ・ｓ］程度がよい。

実施例の絶縁板６が、グリスを挟んでパワーカードに接している冷却部材の一例に相当する。冷却部材は、絶縁板６に限られず、冷却器そのものであってもよい。なお、ポンピングによるグリスの流出は、放熱板と冷却部材の材質が異なる際に顕著となる。それゆえ、本明細書が開示する技術は、放熱板と冷却部材の材質が異なる半導体装置に適用するのが好適である。放熱板と冷却部材の材質が異なる半導体装置の典型は、前述したように、放熱板が銅板で作られており、冷却部材がセラミックス製である半導体装置である。

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
３：冷却器
６：絶縁板（冷却部材）
７ａ、７ｂ：電極端子
８、１８、２８、３８：溝
８ａ：土手
９：グリス
１０：パワーカード
１０ａ、１０ｂ：平坦面
１３：筐体
１４：スペーサ
１６ａ、１６ｂ、１７：放熱板
３１：ケース
３２：板バネ
１０８：溝（比較例）
１１７：放熱板

Claims (5)

1. 半導体素子を収容したパワーカードにグリスを挟んで冷却部材が接しているとともにパワーカードと冷却部材の積層方向に荷重が加えられている半導体装置であり、
   前記パワーカードは、冷却部材と対向する面に放熱板を備えており、
   互いに対向する前記冷却部材と前記放熱板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とを特徴とする半導体装置。
2. 隣接する渦巻き状の溝同士が繋がっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記溝はレーザ加工により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記渦巻き状の溝は放熱板に垂直な方向からみて曲線だけで構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記複数の渦巻き状の溝は、金属製の放熱板の表面に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。