JP2016066663A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、半導体装置においてポンピング等によるグリス抜け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は、半導体素子を封止したパワーカード１０と冷却部材６を備えている。パワーカード１０と冷却部材６はグリスを挟んで積層されている。パワーカード１０の冷却部材６と対向する面には放熱板１６ａが設けられている。放熱板１６ａの冷却部材６と対向する面には、平行な突条群４６が設けられている。突条群４６は、その面上の一方の端部４４ａから他方の端部４４ｂまで伸びている。そして、端部４４ａの表面粗さが隣接する突条４６ａの間に位置する平坦面の表面粗さより大きい。【選択図】図５

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グリスを挟んで冷却部材に接している半導体装置に関する。

上記したタイプの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の半導体装置では、半導体素子を封止したパワーカードに放熱板が備えられており、放熱板と冷却部材がグリスを挟んで対向している。その放熱板に複数の溝が設けられている。複数の溝は、放熱板の一端から他端まで伸びており、各溝の端は放熱板の外の空間へ開いている。そして、放熱板または冷却部材のどちらか一方に放熱板と冷却部材との間へのグリス注入用孔が設けられている。注入されたグリスは溝に沿って拡がり、放熱板と冷却部材の間の全体にグリスがいきわたる。

特開２００５−１０１２５９号公報

特許文献１に開示された半導体装置の溝は、装置製造時にグリスを放熱板と冷却部材の間に拡げるのに好都合である。しかしながら、放熱板と冷却部材の間にグリスを挟んだ半導体装置では、その半導体装置が作動と停止を繰り返しているうちに、ブリードアウトやポンピングと呼ばれる現象によりグリスが放熱板と冷却部材の間から流出する場合がある。ブリードアウトやポンピングの詳細については実施例にて説明する。特許文献１に開示される半導体装置では、各溝の端が放熱板の外の空間へ開いている。よって、その開いた部分からグリスが放熱板の外へ流出し易くなる。なお、一般に、パワーカードと冷却部材の間からグリスが流出することを「グリスが抜ける」と表現することがある。本明細書でもそのような表現を用いる場合がある。特許文献１の半導体装置では、グリス抜けを抑制することは困難である。本明細書は、ブリードアウトやポンピングによるグリス抜けを抑制する技術を提供する。

本願の発明者らは、グリス抜けの現象を子細に観察した結果、グリスが抜ける方向に特徴があることに気が付いた。放熱板あるいは冷却部材は、平面度を高めるために研磨される。発明者らは、研磨によって生じる研磨痕に沿ってグリスが移動し易いことに気が付いた。研磨痕は、研磨加工に伴って生成される平行な筋状の突条群である。研磨痕は、ツールマークとも呼ばれている。研磨痕の突条の高さは十ミクロン未満である。そのような微細な突条群がグリスの移動方向を規制する。

別言すれば、グリスは、研磨痕を横切るようには移動し難い。この現象を利用し、研磨痕の延伸方向のグリスの移動を抑制できれば、グリス抜けを抑制することができる。そこで、発明者らは、研磨痕の延伸方向の両端部の表面粗さを大きくする、ということを発案した。グリスは、突条群を横切る方向には移動し難い。他方、突条群の延伸方向の両端部に表面粗さの大きい領域を設けることでそこにグリスが留まる。隣接する突条間のグリスは、両端部にグリスが留まることで、結局、突条に沿っても移動できなくなる。こうして、放熱板と冷却部材の間に塗布されているグリスはいずれの方向へも放熱板の外へと抜け難くなる。そして、表面粗さを大きくする部位を突条群の延伸方向の両端部に限定できるので、初期の冷却効率がそれほど下がることはない。もちろん、研磨痕と同等の平行な筋状の突条群を設けるとともに、突条群の延伸方向の両端部の表面粗さを大きくすることでも同等の効果が得られる。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子を封止したパワーカードと冷却部材を備えている。パワーカードと冷却部材は積層されている。パワーカードの冷却部材と対向する面には放熱板が露出している。放熱板と冷却部材の間にはグリスが塗布されている。放熱板の冷却部材の互いに対向する面の一方であって積層方向（パワーカードと冷却部材の積層方向）からみたときに放熱板と冷却部材が重なる領域（重畳領域）に、複数の平行な突条が設けられている。複数の突条は、積層方向から見たときに、重畳領域の一方の端部から他方の端部まで伸びている。そして、両方の端部の表面粗さが、両方の端部の間の領域における隣接する突条間の平坦面の表面粗さより大きくなっている。グリスは、突条群を超えては移動し難く、また、突条群の延伸方向の両端部では表面粗さが大きくグリスが留まるようになっているので、突条間のグリスは突条に沿っても移動し難い。こうしてグリス抜けが抑制される。

そして、上述の構成によれば、表面粗さを大きくする範囲は、端部だけでよい。従って、表面粗さを大きくする部分を限られた範囲に限定することができ、放熱板と冷却部材の間の熱抵抗の増大を抑えることができる。なお、突条群は、もともとの放熱板（あるいは冷却部材）の表面から突出しているので、放熱板と冷却部材の間の平均間隔を大きくすることはない。

本明細書が開示する技術によれば、ブリードアウトやポンピングによる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。 パワーカードを裏面からみた斜視図である。 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。 パワーカードの正面図である。 パワーカードの裏面図である。 放熱板の図５のVII−VII線における部分断面図である。 放熱板の図５のVIII−VIII線における部分断面図である。 変形例の半導体装置におけるパワーカードの正面図である。

図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。図１は、第１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、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、パワーカード１０と絶縁板６の間、及び、絶縁板６と冷却器３の間にはグリスが塗布されているが、図１と図２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、ユニットの積層方向の両端には冷却器が位置している。パワーカード１０と冷却器３の間には絶縁板６が挟まれている。各パワーカード１０は、積層方向の両面の夫々に、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と対向する一方の側面１０ａには、放熱板１６ａ、１６ｂが露出している。放熱板１６ａ、１６ｂにはグリスを挟んで絶縁板６が接しており、その絶縁板６にはグリスを挟んで冷却器３が接している。説明の便宜上、側面１０ａが位置する側をパワーカード１０の正面と称する。パワーカード１０を裏面（Ｘ軸の負方向）から見た図を図２に示す。側面１０ａとは反対側の側面１０ｂには、別の放熱板１７が露出している。放熱板１７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の側面（パワーカード１０の側面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の側面１０ａ、１０ｂを筐体１３の側面１０ａ、１０ｂと称する場合がある。

トランジスタＴａ、ＴｂはＩＧＢＴである。トランジスタＴａ、Ｔｂはコレクタ電極、エミッタ電極、ゲート電極を有している。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の側面１０ａに露出している。なお、放熱板において、筐体１３から露出している側の面を「おもて面」と称し、反対側の面を「裏面」と称する。一方、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の側面１０ｂ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も同様の構成を有しており、トランジスタＴｂのコレクタ電極、エミッタ電極は夫々放熱板１６ｂ、１７に接続されている。

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の側面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、伝熱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は、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。ダイオードＤａの他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Ｔａ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側面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側面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と放熱板１６ａとの間にはグリス９が塗布されている。同様に、絶縁板６と放熱板１６ｂ、１７の間にもグリス９が塗布されている。絶縁板６と冷却器３の間の夫々にもグリス９が塗布されている。

放熱板のおもて面について、図５、図６を参照して説明する。図５に、パワーカード１０の正面図を示し、図６に、パワーカード１０の裏面図を示す。図５は、パワーカード１０をＸ軸の正方向から見た図であり、図６は、パワーカード１０をＸ軸の負方向からみた図である。図５、図６では、絶縁板６が仮想線で描かれている。トランジスタＴａ、Ｔｂ及びダイオードＤａ、Ｄｂは破線で描かれている。また、図５、図６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。後述する図９についても、グリスが塗布されている領域が二点鎖線領域Ｇで描かれている。

図５に示すように、放熱板１６ａは、平面視したときに周囲を樹脂製の筐体１３に囲まれている。また、放熱板１６ａは平面視したときにその全体が絶縁板６と重なっている。即ち、放熱板１６ａの全面が、パワーカード１０と絶縁板６をそれらの積層方向からみたときに、放熱板１６ａと絶縁板６が重なっている領域に相当する。

図５に示すように、放熱板１６ａは、平面視したとき、直交する２方向で長さが異なっている。放熱板１６ａのＺ軸方向の長さをＬ１と称し、Ｙ軸方向の長さをＬ２と称する。放熱板１６ａはＬ１＞Ｌ２である。即ち、Ｚ軸方向が放熱板１６ａの長手方向となり、Ｙ軸方向が放熱板１６ａの短手方向となる。放熱板１６ｂも放熱板１６ａと同様である。また、図６に示すように、放熱板１７も平面視したときに直交する２方向で長さが異なっている。放熱板１７のＹ軸方向の長さをＬ３と称し、Ｚ軸方向の長さをＬ４と称する。放熱板１７はＬ３＞Ｌ４である。即ち、Ｙ軸方向が放熱板１７の長手方向となり、Ｚ軸方向が放熱板１７の短手方向となる。放熱板１６ａ、１６ｂの長手方向と放熱板１７の長手方向は互いに直交する。

放熱板１６ａのおもて面（筐体１３の側面１０ａに露出している面）には、突条群４６が設けられている。突条群４６は複数の筋状の突条の集合である。放熱板１６ａから絶縁板６への伝熱効率を高めるにはそれらの間のグリスの厚みは薄い方がよい。放熱板１６ａと絶縁板６の間の間隔を小さく保つために、放熱板１６ａのおもて面はできるだけ平坦になるように研磨される。突条群４６は、放熱板１６ａを研磨した際に不可避的に生じる研磨痕（ツールマーク）である。以下では、複数の突条（突条群）を集合的に表すときには突条群４６と称し、個々の突条を表すときには突条４６ａと称する。突条群４６は、平行に放熱板１６ａの長手方向（Ｚ軸方向）に沿って伸びている。そして、突条群４６は放熱板１６ａのおもて面上のＺ軸正方向における一方の端部４４ａからＺ軸負方向における他方の端部４４ｂまで伸びている。端部４４ａ、４４ｂは、積層方向（Ｘ軸方向）からみたときに放熱板１６ａと絶縁板６が重なる領域の端部に相当する。端部４４ａ、４４ｂは、放熱板１６ａのおもて面上の面領域である。そして、後述するように端部４４ａ、４４ｂの表面粗さは、端部４４ａと端部４４ｂの間の領域において隣接する突条４６ａの間の平坦面１６ｃ（図７を参照）の表面粗さより大きくなっている。本明細書では、「表面粗さ」は「算術平均粗さＲａ」の意味で用いる。ここで、記号「Ｒａ」は、算術平均粗さを示す場合に当業者が日常的に用いる記号であり、本明細書でもその例に倣い用いる。突条群４６のＺ軸正方向における先端は、端部４４ａのＺ軸負方向における外縁と接続している。突条群４６のＺ軸負方向における先端は、端部４４ｂのＺ軸正方向における外縁と接続している。

図５では、パワーカード１０に封止されている４個の半導体素子（トランジスタＴａ、Ｔｂ、ダイオードＤａ、Ｄｂ）を破線で描いている。図５に示すように、パワーカード１０を平面視したときに（放熱板１６ａのおもて面と直交する方向からみたときに）、突条群４６が設けられている領域とトランジスタＴａ、ダイオードＤａが重なっている。一方、パワーカード１０を平面視したときに端部４４ａ、４４ｂとトランジスタＴａ、ダイオードＤａが重なっていない。

図５の二点鎖線領域Ｇによく示されているように、グリス９は放熱板１６ａのおもて面の全面に塗布されている。別言すれば、放熱板１６ａの絶縁板６と対向する面の全面にグリス９が塗布されている。即ち、グリス９は、放熱板１６ａの突条群４６が設けられている放熱板１６ａの面領域だけでなく、端部４４ａ、４４ｂにも塗布されている。

突条群４６の形状について説明する。図７は、図５のVII−VII線における放熱板１６ａの部分断面図である。突条群４６は、放熱板１６ａのおもて面から、その直交する方向に突出している。また、突条群４６は、先に述べたように、放熱板１６ａの長手方向に伸びる複数の突条である。突条群４６の各突条４６ａの高さを符号Ｈ１で示す。図中では１つの突条に符号Ｈ１を付しているが、他の突条についてもその高さはＨ１である。即ち、符号Ｈ１は突条群４６の平均高さに相当する。また、隣接して平行に伸びる突条４６ａの間隔を符号Ｗ１で示す。図中では１つの間隔に符号Ｗ１を付しているが、他の突条の間隔についてもその長さはＷ１である。即ち、符号Ｗ１は突条群４６の平均間隔に相当する。端部４４ａと端部４４ｂの間の領域における隣接する突条４６ａの間の平面を平坦面１６ｃと称する。平坦面１６ｃの表面粗さ（算術平均粗さＲａ）は、突条群４６の平均高さＨ１よりも小さい。

放熱板１６ａのおもて面上の端部４４ａの断面形状について説明する。図８は、図５のVIII−VIII線における放熱板１６ａの部分断面図である。図の見易さのため、図７より拡大して描いている。図８には、絶縁板６の断面図も描かれている。絶縁板６と放熱板１６ａとの間隔は実際より狭く描かれている。図８に示すように端部４４ａの表面は凹凸になっている。破線ＣＬは、凹凸を平滑化して放熱板１６ａの表面を仮想的な直線で表した線（以下、中心線ＣＬと称する）を示している。図８では、端部４４ａの凹凸と比較するため、突条群４６及び平坦面１６ｃを仮想線で描いてある。中心線ＣＬと絶縁板６との距離Ｄ２は、平坦面１６ｃと絶縁板６との距離Ｄ１より大きい。距離Ｄ２は端部４４ａと絶縁板６との平均間隔に相当する。突条群４６ａの延伸方向から見たとき、中心線ＣＬは平坦面１６ｃより下方に位置している。

端部４４ａの算術平均粗さＲａは、中心線ＣＬからの凸部の高さＨ２と中心線ＣＬからの凹部の深さＨ３の基準長さ（中心線ＣＬに沿った基準長さ）当たりの平均値である。図８に示すように、端部４４ａの算術平均粗さＲａは、平坦面１６ｃの算術平均粗さＲａよりも大きくなっている。また、図８に示すように、突条群４６の平均高さＨ１は、概ね凸部の高さＨ２及び凹部の深さＨ３よりも小さい。即ち、端部４４ａの算術平均粗さＲａが突条群４６の平均高さＨ１より大きい。

また、図８に示すように、端部４４ａの凹凸の間隔Ｗ２は、突条群４６の平均間隔Ｗ１よりも小さい。即ち、放熱板１６ａの長手方向（Ｚ軸方向）から見たとき、隣接する突条の間には、端部４４ａの凹凸が少なくとも１つは存在している。別言すれば、端部４４ａの粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍが突条群４６の平均間隔Ｗ１よりも小さい。ここで、「粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍ」は、中心線ＣＬ方向の基準長さにおける粗さ曲線に含まれる凹凸の間隔を平均した値である。ここで、記号「Ｒｓｍ」は、粗さ曲線要素の平均長さを示す場合に当業者が日常的に用いる記号であり、本明細書でもその例に倣い用いる。実施例においては、端部４４ａの粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍは凹凸の間隔Ｗ２の基準長さにおける平均値となる。また、さらに別言すれば、隣接する突条４６ａの間の平坦面１６ｃを突条群４６の延伸方向（Ｚ軸方向）に沿って延長した平面と端部４４ａとが重なる面領域において、その面領域の表面粗さが平坦面１６ｃの表面粗さより大きい。

放熱板１６ｂのおもて面にも、放熱板１６ａの突条群４６と同様の突条群４９が設けられている。突条群４９は放熱板１６ｂのおもて面上のＺ軸正方向における一方の端部４４ｃからＺ軸負方向における他方の端部４４ｃまで伸びている。パワーカード１０を平面視したとき、トランジスタＴｂとダイオードＤｂは突条群４９が設けられた領域に重なっており、端部４４ｃ、４４ｄとは重なっていない。突条群４９の形状は、突条群４６の形状と同じであり、端部４４ｃ、４４ｄの表面粗さは端部４４ａ、４４ｂの表面粗さと同じである。

また、図６に示すように、パワーカード１０の裏面に位置する放熱板１７のおもて面にも、放熱板１６ａの突条群４６と同様の突条群４７が設けられている。突条群４７は放熱板１７のおもて面上のＹ軸正方向における一方の端部４５ａからＹ軸負方向における他方の端部４５ｂまで伸びている。即ち、突条群４７は、放熱板１７の長手方向（Ｙ軸方向）に沿って伸びている。パワーカード１０を平面視したときトランジスタＴａ、ＴｂとダイオードＤａ、Ｄｂは突条群４７が設けられた領域に重なっており、端部４５ａ、４５ｂとは重なっていない。突条群４７の形状は、突条群４７の形状と同じであり、端部４５ａ、４５ｂの表面粗さは端部４４ａ、４４ｂの表面粗さと同じである。

半導体装置２では、グリスの層が薄いほどパワーカードに対する冷却能力が高まる。上述したように、半導体装置２では、パワーカード１０と絶縁板６と冷却器３の積層ユニットに板ばね３２により積層方向に荷重が加えられ、グリス９の層が薄く延ばされる。グリスの厚みは２０〜４０ミクロン程度であることが好ましい。グリスの厚みが数十ミクロンオーダになると、半導体素子の発熱と冷却の繰り返し（熱サイクル）で生じるポンピングやブリードアウトと呼ばれる現象によりグリスが流出する虞がある。上述したように、放熱板１６ａは、平坦に研磨される。平坦な面上ではグリスは移動しやすくなる。そのため、平坦な面上ではブリードアウト等によるグリス抜けも起きやすい。一方、放熱板１６ａのおもて面を複数の凹部を設けることにより粗くすれば、グリスがその場に留まりやすくなる。放熱板１６ａのおもて面に凹部を設けると、ブリードアウト等によるグリス抜けが起き難くなる。しかし、放熱板１６ａに凹部を設けると放熱板１６ａと絶縁板６の平均間隔が大きくなってしまう。その結果、グリスを介した放熱板１６ａと絶縁板６の間の熱抵抗が増大してしまう。即ち、放熱板１６ａと絶縁板６の間がグリスで満たされているときのパワーカードの冷却効率（初期の冷却効率）そのものが下がってしまう。

ポンピングとは、パワーカードの熱変形により、パワーカードと冷却部材の間の隙間幅が局所的に狭まったり元に戻ったりする現象である。隙間幅が狭まるとグリスがパワーカードと冷却部材に圧縮され、グリスは放熱板の周囲へと拡がる。隙間幅が元に戻る際にグリスは隙間に吸い込まれる。ここで、隙間幅が元に戻る際に放熱板の外まで拡がったグリスの一部が放熱板の外に流出したままの状態になる場合がある。グリスの一部が放熱板の外に流出したままの状態になると、流出したグリスの一部が千切れることにより生じた隙間に空気が入り込む。空気はグリスよりも熱伝導率が低い。隙間に空気が入り込むことにより放熱板と冷却部材の間の熱抵抗が上昇する。また、ブリードアウトは、グリス自体の熱膨張収縮によりパワーカードと冷却部材の隙間からグリスが抜ける現象である。グリスが膨張すると、グリスは放熱板の周囲へと拡がる。膨張した際に放熱板の外まで拡がったグリスの一部が放熱板の外に流出したままの状態になる場合がある。これにより、ポンピングと同様に、流出したグリスの一部が千切れることにより生じた隙間に空気が入り込み、放熱板と冷却部材の間の熱抵抗が上昇する。

上述した半導体装置２の放熱板１６ａのおもて面には、平行に伸びる突条群４６が設けられており、突条群４６の両端の延伸方向の先には、隣接する突条４６ａ間の平坦面１６ｃよりも表面粗さの大きい端部４４ａ、４４ｂが設けられている。グリスは、突条群４６を横切るようには移動し難い。一方、突条群４６の延伸方向の両端部４４ａ、４４ｂは表面粗さが大きく、端部４４ａ、４４ｂにはグリスが留まりやすくなっている。それゆえ、隣接する突条４６ａの間のグリスは、端部４４ａ、４４ｂにグリスが留まることで、突条の延伸方向にも移動し難い。結果、放熱板１６ａ上のグリスはどの方向にも移動し難くなり、グリス抜けが抑制される。

また、放熱板１６ａのグリス９が位置するおもて面において、表面粗さを大きくする箇所は、端部４４ａ、４４ｂだけでよい。放熱板１６ａは、表面の平坦度を大きくするために研磨されており、一端研磨された表面の表面粗さを大きくするには、レーザ光のスポッティングが適している。レーザ光が照射された先が溶融することで放熱板１６ａの表面に凹部が形成される。レーザ光により表面粗さを大きくすると、形成される凹部により放熱板１６ａと絶縁板６の間の平均間隔が大きくなってしまう。放熱板１６ａと絶縁板６の間の平均間隔が大きくなると、隙間がグリスで満たされたときの放熱板１６ａと絶縁板６の間の熱抵抗が増大してしまう。実施例の半導体装置では、表面粗さを大きくする部分を半導体素子から遠い限られた範囲に収めることができ、熱抵抗の増大を抑えることができる。

また、突条群４６は、放熱板１６ａのおもて面から絶縁板６に向かって突出している。即ち、放熱板１６ａと絶縁板６の間の平均間隔を小さくする方向に働く。従って、突条群を採用することで、熱抵抗を小さくしつつグリス抜けを抑制することができる。

さらに、半導体装置２は以下の特徴も備えている。放熱板１６ａは平面視したときに直交する２方向で長さが異なっており、突条群４６が放熱板１６ａの長手方向に伸びている。このような構成によれば、短手方向に沿うように突状群を設ける場合と比較して端部の領域を小さくすることができる。すなわち、表面粗さを大きくする領域を小さくできる。

また、パワーカード１０を平面視したときに突条群４６が設けられた領域と半導体素子（トランジスタＴａ、Ｄａ）が重なっている。表面粗さが大きくなっている端部４４ａ、４４ｂは半導体素子と重なっていない。このような構成によれば、端部４４ａ、４４ｂの表面粗さを大きくしても半導体装置２の冷却効率に与える影響は小さい。

また、端部４４ａ、４４ｂの算術平均粗さＲａが突条群４６の平均高さＨ１より大きい。このような構成によれば、端部の凹凸によるグリスの流れに対する抵抗をより大きくすることができる。即ち、端部にグリスが留まりやすくなる。従って、グリス抜けの抑制効果を高めることができる。

放熱板１６ｂ（１７）についても、放熱板１６ａと同様の突条群４９（４７）及び端部４４ｃ、４４ｄ（４５ａ、４５ｂ）を備えている。突条群４９（４７）及び端部４４ｃ、４４ｄ（４５ａ、４５ｂ）も、グリス抜けの抑制に貢献する。

上述の実施例では、突条群と突条群の延伸方向における両端に位置している端部は放熱板のおもて面上に設けられていたが、それらは冷却部材である絶縁板に設けられても良い。その場合、絶縁板の放熱板と対向する面の面上に突条群と端部が設けられる。端部は、積層方向（図中のＸ軸方向）からみたときに絶縁板と放熱板が重なっている領域の端部である。絶縁板に設けられる突条群と端部も、グリス抜けの抑制に貢献する。

絶縁板に突条群と端部を設ける場合、端部を絶縁板と筐体表面との間には設けない。これは、樹脂製の筐体表面は金属製の放熱板よりもグリスとの親和性が高く、一旦、放熱板上から筐体表面上へ移動したグリスは放熱板上へ戻り難くなるからである。

図９を参照して半導体装置２の変形例について説明する。変形例の半導体装置は、放熱板以外の構成は、上述の実施例と同じである。以下、変形例の放熱板について説明する。図９は、変形例のパワーカード１１０の正面図を示す。パワーカード１１０の放熱板１１６ａのおもて面には、複数の平行に伸びる湾曲した突条群１４６が残っている。突条群１４６も、研磨の際に不可避的に残ってしまう研磨痕（ツールマーク）である。なお、個々の突条を表すときには突条１４６ａと称する。放熱板を研磨する研磨機は通常、研磨粉が塗布された回転円板を有する。そのため、ツールマーク（突条群１４６）は、図９に示すように湾曲する。突条群１４６は、湾曲しているが、概ね一方向（Ｙ軸方向）に沿って伸びている。放熱板１１６ａの面上のＹ軸方向の両端には、半導体装置２の放熱板１６ａにおける端部４４ａ、４４ｂと同様の端部１４４ａ、１４４ｂが設けられている。即ち、突条群１４６は、一方の端部１４４ａから他方の端部１４４ｂに向かって伸びている。突条群１４６の形状は図７と同様であり、端部１４４ａ、１４４ｂの表面粗さも図８と同様である。以下では、図７の平均高さＨ１を突条群１４６の平均高さとしても用い、平均間隔Ｗ１を突条群１４６の平均間隔としても用いる。

端部１４４ａ、１４４ｂの加工方法について説明する。以下では端部１４４ａで代表して説明する。まず、放熱板１１６ａの全面が研磨される。研磨の際に、放熱板１１６ａの全面に突条群１４６（ツールマーク）が残る。端部１４４ａは、放熱板１１６ａの全面に突条群１４６が残っている状態で、突条群１４６の上から端部１４４ａに相当する面領域をレーザ光のスポッティングによって形成される。放熱板１１６ａの面上にレーザを照射することで、その面上が溶融し凹部が形成されるとともに凹部の周りに溶融した材料が盛り上がる。その後冷えて溶融した材料が凝固することで凹凸が形成される。凹凸の凸部の高さＨ２と凹部の深さＨ３、即ち凹凸の算術平均粗さＲａは、照射するレーザの強さにより調整することができる。照射するレーザを調整し、端部１４４ａの算術平均粗さＲａを突条群１４６の平均高さＨ１より大きくすることで、突条群１４６が形成されている上から、突条群１４６を消すように端部１４４ａ、１４４ｂを形成することができる。また、レーザを所定のピッチで照射することで端部１４４ａに相当する面領域全面に凹凸面を形成することができる。所定のピッチは図８における凹凸の間隔Ｗ２に相当する。即ち、所定のピッチを突条群１４６の平均間隔Ｗ１より小さくすれば、端部１４４ａの粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍを突条群１４６の平均間隔Ｗ１よりも小さくすることができる。

突条群１４６の平均高さＨ１は、６から７ミクロンである。突条群１４６の間隔Ｗ１は、５００から７００ミクロンである。また、端部１４４ａ（１４４ｂ）の算術平均粗さＲａは、１０から５０ミクロンである。端部１４４ａの粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍは、２０から５０ミクロンである。

このような構成によれば、放熱板のおもて面を研磨した後に、そのおもて面に残るツールマークの上から表面粗さの大きい端部を形成することができる。変形例においても実施例と同様に、ポンピング等による放熱板と冷却部材（絶縁板）の間のグリス抜けを抑制することができる。

放熱板１１６ｂについても、放熱板１１６ａと同様の突条群１４９及び端部１１４４ｃ、１４４ｄを備えている。突条群１４９及び端部１４４ｃ、１４４ｄも、グリス抜けの抑制に貢献する。なお、図示は省略するが、パワーカードの裏面に配置されている放熱板についても、放熱板１１６ａと同様の突条群及び端部が設けられている。

以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。半導体装置に使用される半導体素子（トランジスタ）は、ＩＧＢＴに限らない。例えば、ＭＯＳＦＥＴでもよい。その場合、「コレクタ電極」は「ソース電極」、「エミッタ電極」は「ドレイン電極」と呼ばれる。また、突条群の間隔は同一でなくても良い。図９の変形例で示したように、突条群は湾曲していてもよい。また、突条群は、放熱板の長手方向／短手方向のどちらか一方向に沿って伸びていればよい。そして、突条群の延伸方向における両端に、突条群の各突条の間の平坦面より表面粗さの大きい端部が位置していればよい。また、変形例における突条群の延伸方向は放熱板の短手方向であったが、突条群を放熱板の長手方向に沿って伸ばしてもよい。

実施例の半導体装置は、放熱板上に残っている研磨痕を利用した。研磨痕は、表面研磨の際に不可避的に残ってしまう筋状の突条群である。研磨痕のかわりに、研磨痕と同等の突条群を放熱板上、または絶縁板上に設けても同じ効果を得られることができるのは言うまでもない。

平面視したときの放熱板の形状は、長手方向と短手方向の区別がつけばよい。例えば、平面視したときの放熱板の形状は楕円であってもよい。

実施例ではパワーカードの積層方向の両面に位置する放熱板上に突条群と端部を設けていたが、片側の面に位置する放熱板上のみに突条群と端部を設けてもよい。この場合、突条群と端部は発熱量が高い側に位置する放熱板に設けるとよい。例えば、半導体素子であるトランジスタの使用形態に応じて主にコレクタ電極に負荷がかかる場合、コレクタ電極の側に位置する放熱板に突条群と端部を設けるとよい。

図３と図４に示したように、冷却器３の内部は単純な空洞である。冷却器の内部空間には、絶縁板と接する側板の裏側に接するフィンを設けてもよい。

本明細書において「表面粗さ」とは、「算術平均粗さＲａ」を意味する。また、「端部」とは、放熱板上（あるいは冷却部材上）の面領域であって、その面領域に突条群の延伸方向における先端が含まれている場合と、その面領域に突条群の先端が含まれておらずその面領域が突条群の先端から延伸方向の先に位置している場合も含む。

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
４ａ：冷媒供給管
４ｂ：冷媒排出管
５ａ：連結パイプ
５ｂ：連結パイプ
６：絶縁板
７ａ、７ｂ、７ｃ：電極端子
９：グリス
１０、１１０：パワーカード
１３：筐体
１４：スペーサ
１５：ハンダ
１６ａ、１６ｂ、１７、１１６ａ、１１６ｂ：放熱板
１６ｃ：平坦面
２９：制御端子
３１：ケース
３２：板バネ
４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４５ａ、４５ｂ、１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃ、１４４ｄ：端部
４６、４７、４９、１４６、１４９：突条群

Claims (5)

1. 半導体素子を封止したパワーカードと冷却部材がグリスを挟んで積層されている半導体装置であり、
   前記パワーカードの前記冷却部材と対向する面に放熱板が露出しており、
   前記放熱板と前記冷却部材の互いに対向する面の一方に、前記積層方向からみたときに前記放熱板と前記冷却部材が重なる領域の一方の端部から他方の端部まで伸びている平行な突条群が設けられており、
   両方の前記端部の表面粗さが、両方の前記端部の間の領域における隣接する突条間の平坦面の表面粗さより大きいことを特徴とする半導体装置。
2. 前記放熱板は平面視したときに直交する２方向で長さが異なっており、
   前記突条群が前記放熱板の長手方向に沿って伸び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. 前記突条群が前記放熱板の表面に残っている研磨痕であ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. 前記端部の算術平均粗さＲａが前記突条群の平均高さより大きい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. 前記パワーカードを平面視したときに前記突条群が設けられている範囲と前記半導体素子が重なっ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。