JP6102676B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、発熱部と第１金属部材がはんだを介して接続され、第１金属部材が、余剰はんだを収容するために設けられた溝部を有する半導体装置に関する。

従来、例えば特許文献１に示されるように、発熱部（半導体素子及びブロック体）に対向配置される第１金属部材（金属板）が、発熱部と対向し、はんだを介して発熱部と接続される対向部と、対向部を取り囲んで一体的な環状に設けられる溝部と、を有する半導体装置が知られている。溝部は、リフロー時において発熱部と第１金属部材との間から溢れる余剰はんだを収容する。

特開２００７−１０３９０９号公報

通常、第１金属部材は、はんだよりも熱伝導性に優れる材料を用いて形成されている。このため、対向部の部分が、発熱部から第１金属部材への主たる放熱経路をなす。

しかしながら、従来は、余剰はんだを収容するために、発熱部における第１金属部材と対向する一面が平面矩形状とされ、対向部は、上記一面よりも一回り小さい平面矩形状とされている。すなわち、溝部の内周部分も平面矩形状とされている。このように、主たる放熱経路が平面矩形状をなす対向部に限られるため、さらなる放熱性の向上が求められている。

本発明は上記問題点に鑑み、余剰はんだを収容する機能を確保しつつ、放熱性を向上することのできる半導体装置を提供することを目的とする。

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲及びこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

開示された発明のひとつは、半導体素子（２０）を少なくとも含み、平面矩形状の一面（１２ａ）を有する発熱部（１２）と、発熱部の一面に対向配置される第１金属部材（１４）と、発熱部の一面と第１金属部材との間に介在され、発熱部と第１金属部材とを接続するはんだ（１６）と、を備え、第１金属部材は、発熱部の一面と対向する対向面のうち、一面の直下にのみ位置し、はんだを介して発熱部と接続される対向部（４０）と、リフロー時において対向部と発熱部の一面との間から溢れ出るはんだを収容するために、対向部の外周端に沿いつつ外周端に全周で隣接するように環状に設けられる溝部（４２）と、を有るとともに、はんだよりも熱伝導性に優れる材料を用いて形成されており、第１金属部材の厚み方向をＺ方向、該Ｚ方向に直交しつつ一面の矩形の１辺に沿う方向をＸ方向、Ｚ方向及びＸ方向の両方向に直交するＹ方向とすると、溝部の内周部分（４４）は、Ｘ方向において相対する一対の第１辺部（４４ａ）と、Ｙ方向において相対する一対の第２辺部（４４ｂ）と、を有し、一対の第１辺部は、それぞれＸ方向において離反する側に凸（４８ａ）の凹凸形状をなすとともに、凹（５０ａ）間のＸ方向に沿う最短距離（Ｌｘｍｉｎ）は、発熱部の一面におけるＸ方向に沿う長さよりも短くされ、一対の第２辺部は、それぞれＹ方向において離反する側に凸（４８ｂ）の凹凸形状をなすとともに、凹（５０ｂ）間のＹ方向に沿う最短距離（Ｌｙｍｉｎ）は、発熱部の一面におけるＹ方向に沿う長さよりも短くされることを特徴とする。

これによれば、溝部（４２）の内周部分（４４）を構成する一対の第１辺部（４４ａ）が、Ｘ方向において離反する側に凸（４８ａ）の凹凸形状とされ、凹（５０ａ）間のＸ方向に沿う最短距離（Ｌｘｍｉｎ）が、発熱部（１２）の一面（１２ａ）におけるＸ方向に沿う長さよりも短くされている。また、溝部（４２）の内周部分（４４）を構成する一対の第２辺部（４４ｂ）が、Ｙ方向において離反する側に凸（４８ｂ）の凹凸形状とされ、凹（５０ｂ）間のＹ方向に沿う最短距離（Ｌｙｍｉｎ）が、発熱部（１２）の一面（１２ａ）におけるＹ方向に沿う長さよりも短くされている。したがって、リフロー時において対向部（４２）と発熱部（１２）の一面（１２ａ）との間から溢れ出るはんだ（１６）を、Ｘ方向及びＹ方向のいずれにおいても溝部（４２）内に収容することができる。

また、一対の第１辺部（４４ａ）は、Ｘ方向において離反する側に凸（４８ａ）の凹凸形状をなしている。すなわち、対向部（４０）は、Ｘ方向において、最短距離（Ｌｘｍｉｎ）をなす部分よりも距離の長い部分を有する。同様に、対向部（４０）は、Ｙ方向において、最短距離（Ｌｙｍｉｎ）をなす部分よりも距離の長い部分を有する。したがって、最短距離（Ｌｘｍｉｎ）を従来の第１辺部間の長さに合わせ、最短距離（Ｌｙｍｉｎ）を従来の第２辺部間の長さに合わせることで、従来よりも対向部（４０）の面積を大きくすることができる。これにより、発熱部（１２）から第１金属部材（１４）への放熱性を向上することができる。

開示された他の発明は、一対の第１辺部（４４ａ）における凸（４８ａ）間のＸ方向に沿う最長距離（Ｌｘｍａｘ）は、発熱部（１２）の一面（１２ａ）におけるＸ方向に沿う長さと等しくされ、一対の第２辺部（４４ｂ）における凸（４８ｂ）間のＹ方向に沿う最長距離（Ｌｙｍａｘ）は、発熱部の一面におけるＹ方向に沿う長さと等しくされることを特徴とする。

これによれば、対向部（４０）の面積をより大きくし、これにより発熱部（１２）から第１金属部材（１４）への放熱性をさらに向上することができる。

第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。 図１のII-II線に沿う断面図である。 第１金属部材の概略構成を示す平面図である。 対向部及び溝部の詳細を示す平面図である。 図２に破線で示す領域Vを拡大した図である。 第２実施形態に係る半導体装置のうち、対向部及び溝部の詳細を示す平面図であり、図４に対応している。 第１変形例を示す図であり、図６に対応している。 第３実施形態に係る半導体装置のうち、対向部及び溝部の詳細を示す平面図であり、図４に対応している。 第２変形例を示す図であり、図８に対応している。 第３変形例を示す図であり、図８に対応している。 第４変形例を示す図であり、図８に対応している。 第４実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図であり、図５に対応している。 第５変形例を示す図であり、図１２に対応している。 第６変形例を示す図であり、図１２に対応している。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。また、後述する第１金属部材及び発熱部の厚み方向をＺ方向、Ｚ方向に直交し、発熱部の平面矩形状をなす１辺に沿う方向をＸ方向と示す。また、Ｚ方向及びＸ方向の両方向に直交する方向をＹ方向と示す。また、特に断わりのない限り、上記したＸ方向及びＹ方向により規定されるＸＹ面に沿う形状を、平面形状とする。

（第１実施形態）
先ず、図１〜図３に基づき、半導体装置の概略構成について説明する。

図１及び図２に示すように、半導体装置１０は、発熱部１２と、発熱部１２に対向配置される第１金属部材１４と、発熱部１２と第１金属部材１４との間に介在され、発熱部１２と第１金属部材１４とを接続するはんだ１６と、を備えている。さらに本実施形態において、半導体装置１０は、封止樹脂体２６と、はんだ２８と、第２金属部材３０と、制御端子３２と、を備えている。このような半導体装置１０は、所謂１ｉｎ１パッケージとして知られており、例えば車両のインバータ回路に組み入れられ、負荷をＰＷＭ制御するための装置として適用される。

発熱部１２は、少なくとも半導体素子２０を有している。本実施形態では、図２に示すように、発熱部１２が、半導体素子２０と、はんだ２２と、はんだ２２を介して半導体素子２０と接続されたターミナル２４と、を有している。また、半導体素子２０には、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が形成されている。

半導体素子２０は、Ｚ方向に電流が流れるように所謂縦型構造をなしており、Ｚ方向両面に図示しない電極を有している。詳しくは、ターミナル２４側の面にエミッタ電極及びゲート電極を有し、ターミナル２４と反対側の面にコレクタ電極を有している。

半導体素子２０のエミッタ電極には、はんだ２２を介してターミナル２４が接続されている。ターミナル２４は、半導体素子２０と第１金属部材１４との熱伝導、電気伝導経路の途中に位置するため、熱伝導性及び電気伝導性を確保すべく、少なくとも金属材料を用いて形成されている。例えば、銅やモリブデンなどの熱伝導性及び電気伝導性に優れた金属材料からなる。ターミナル２４は略直方体状をなしており、ターミナル２４のＺ方向における一方の面が、発熱部１２のうち第１金属部材１４と対向する一面１２ａをなしている。

第１金属部材１４は、半導体素子２０の生じた熱を半導体装置１０の外部に放熱するヒートシンクとしての機能を果たす。このような第１金属部材１４は、はんだ１６よりも熱伝導性に優れる材料を用いて形成されている。例えば、銅、銅合金、アルミ合金などの熱伝導性及び電気伝導性に優れる金属材料を採用することができる。本実施形態では、銅を用いて形成されている。第１金属部材１４のうち、ターミナル２４（発熱部１２）と対向する対向面１４ａ及び側面は、封止樹脂体２６により被覆されている。一方、対向面１４ａと反対の面は、封止樹脂体２６の一面２６ａから露出された放熱面１４ｂとなっている。このように放熱面１４ｂが封止樹脂体２６から露出されているため、より効率よく放熱することができる。

また、第１金属部材１４は、はんだ１６を介して半導体素子２０のエミッタ電極と電気的に接続されており、外部機器との電気的な接続が可能なエミッタ端子として機能する端子部１４ｃを一体的に有している。端子部１４ｃは、図１及び図３に示すように、第１金属部材１４からＹ方向に延設されている。そして、その一部が、封止樹脂体２６の側面２６ｃから外部に突出している。

さらに、第１金属部材１４は、図２及び図３に示すように、発熱部１２の一面１２ａと対向する対向部４０と、対向部４０を取り囲んで一体的な環状に設けられた溝部４２と、を有している。これら対向部４０及び溝部４２の詳細については後述する。

半導体素子２０のコレクタ電極には、はんだ２８を介して、第２金属部材３０が接続されている。第２金属部材３０も、第１金属部材１４同様、半導体素子２０の生じた熱を半導体装置１０の外部に放熱するヒートシンクとしての機能を果たす。第２金属部材３０は、熱伝導性及び電気伝導性に優れる金属材料を用いて形成されている。例えば、銅、銅合金、アルミ合金などの金属材料を採用することができる。本実施形態では、銅を用いて形成されている。

第２金属部材３０のうち、半導体素子２０（発熱部１２）と対向する対向面３０ａ及び側面は、封止樹脂体２６により被覆されている。一方、対向面３０ａと反対の面は、封止樹脂体２６の一面２６ａと反対の裏面２６ｂから露出された放熱面３０ｂとなっている。このように放熱面３０ｂも封止樹脂体２６から露出されているため、半導体装置１０は両側の放熱面１４ｂ，３０ｂから、効率よく放熱することができる。

また、第２金属部材３０は、外部機器との電気的な接続が可能なコレクタ端子として機能する端子部３０ｃを一体的に有している。端子部３０ｃは、図１に示すように、第２金属部材３０からＹ方向において端子部１４ｃと同一側に延設されている。そして、その一部が、封止樹脂体２６における端子部１４ｃと同一の側面２６ｃから外部に突出している。

半導体素子２０のゲート電極には、図示しないボンディングワイヤを介して、制御端子３２が接続されている。制御端子３２は、図１に示すようにＹ方向に延設されており、封止樹脂体２６の側面２６ｃのうち、端子部１４ｃ，３０ｃが突出する面と反対の面から外部に突出している。本実施形態では、温度測定ダイオード用が２本、ゲート電極用が１本、電流センス用が１本、エミッタセンス用が１本の、計５本の制御端子３２を有している。上記したターミナル２４により、制御端子３２と半導体素子２０とをボンディングワイヤによって接続するための高さを確保することができる。

次に、図２〜図４に基づき、第１金属部材１４の対向部４０及び溝部４２について説明する。なお、図４では、内周部として凹凸形状を採用したことによる対向部４０の面積の増加部分に、ハッチングを施している。

対向部４０は、第１金属部材１４の対向面１４ａのうち、周囲を溝部４２によって囲まれた平坦部分である。この対向部４０は、発熱部１２（ターミナル２４）の一面１２ａと対向し、はんだ１６を介して発熱部１２と接続されている。

溝部４２は、リフロー時において対向部４０と発熱部１２の一面１２ａとの間から溢れ出るはんだ１６を収容するために、第１金属部材１４の対向面１４ａに設けられた凹部である。溝部４２は、図３及び図４に示すように、対向部４０を取り囲んで一体的な環状（途切れることなく連続する環状）に設けられている。

このような溝部４２は、対向部４０との境界をなす内周部４４と、対向面１４ａのうち、溝部４２よりも外側の部分との境界をなす外周部４６と、を有している。内周部４４は、特許請求の範囲に記載の内周部分に相当する。本実施形態では、図２に示すように、自身の長手方向に直交する断面形状が、コの字状とされている。そして、内周部４４及び外周部４６の直下においても溝部４２の最深部となっている。

溝部４２の内周部４４は、図４に示すように、Ｘ方向において相対する一対の第１辺部４４ａと、Ｙ方向において相対する一対の第２辺部４４ｂと、を有している。一対の第１辺部４４ａは、それぞれＸ方向において凹凸形状をなしており、互いに離反する方向に突出する凸部４８ａと、凸部４８ａに対して凹んだ凹部５０ａと、をそれぞれ有している。詳しくは、凹部５０ａがＹ方向に沿う直線状とされ、この凹部５０ａの途中に、略コの字状をなす凸部４８ａがそれぞれ１箇所設けられている。各第１辺部４４ａにおける凸部４８ａの位置は、対向部４０の中心５２に対し、Ｙ方向の同一側に偏って形成されている。

そして、凹部５０ａ間のＸ方向に沿う最短距離Ｌｘｍｉｎは、発熱部１２の一面１２ａにおけるＸ方向に沿う長さよりも短くされている。発熱部１２と第１金属部材１４とは、中心５２に対して一面１２ａの中心が一致するように位置決めされる。そして、Ｘ方向において、許容される位置ずれ公差の最大分、位置ずれが生じたときに、発熱部１２の一面１２ａの外周縁部が凹部５０ａに一致するように、最短距離Ｌｘｍｉｎが設定されている。なお、凹部５０ａ間のＸ方向に沿う最短距離Ｌｘｍｉｎとは、一方の第１辺部４４ａの凹部５０ａと他方の第１辺部４４ａの凹部５０ａとの間の距離のＸ方向成分のうち、最小のものを指す。

本実施形態では、それに加えて、一対の第１辺部４４ａにおける凸部４８ａ間のＸ方向に沿う最長距離Ｌｘｍａｘが、発熱部１２の一面１２ａにおけるＸ方向に沿う長さと等しく設定されている。なお、凸部４８ａ間のＸ方向に沿う最長距離Ｌｘｍａｘとは、一方の第１辺部４４ａの凸部４８ａと他方の第１辺部４４ａの凸部４８ａとの間の距離のうち、距離のＸ方向成分のうち、最大のものを指す。

一方、一対の第２辺部４４ｂは、それぞれＹ方向において凹凸形状をなしており、互いに離反する方向に突出する凸部４８ｂと、凸部４８ｂに対して凹んだ凹部５０ｂと、をそれぞれ有している。詳しくは、凹部５０ｂがＸ方向に沿う直線状とされ、この凹部５０ｂの途中に、略コの字状をなす凸部４８ｂがそれぞれ１箇所設けられている。各第２辺部４４ｂにおける凸部４８ｂの位置は、対向部４０の中心５２に対し、Ｘ方向の同一側に偏って形成されている。

そして、凹部５０ｂ間のＹ方向に沿う最短距離Ｌｙｍｉｎは、発熱部１２の一面１２ａにおけるＹ方向に沿う長さよりも短くされている。Ｙ方向において、許容される位置ずれ公差の最大分、位置ずれが生じたときに、発熱部１２の一面１２ａの外周縁部が凹部５０ｂに一致するように、最短距離Ｌｙｍｉｎが設定されている。なお、凹部５０ｂ間のＹ方向に沿う最短距離Ｌｙｍｉｎとは、一方の第２辺部４４ｂの凹部５０ｂと他方の第２辺部４４ｂの凹部５０ｂとの間の距離のＹ方向成分のうち、最小のものを指す。

本実施形態では、それに加えて、一対の第２辺部４４ｂにおける凸部４８ｂ間のＹ方向に沿う最長距離Ｌｙｍａｘが、発熱部１２の一面１２ａにおけるＹ方向に沿う長さと等しく設定されている。図４では、中心５２に一面１２ａの中心を一致させた状態における一面１２ａの外周縁部を一点鎖線で示している。なお、凸部４８ｂ間のＹ方向に沿う最長距離Ｌｙｍａｘとは、一方の第２辺部４４ｂの凸部４８ｂと他方の第２辺部４４ｂの凸部４８ｂとの間の距離のＹ方向成分のうち、最大のものを指す。

溝部４２の外周部４６は、図４に示すように平面矩形状をなしている。

次に、上記した半導体装置１０の製造方法の一例について簡単に説明する。

先ず、半導体素子２０を準備し、第２金属部材３０の対向面３０ａ上に、はんだ２８（はんだ箔）を介して、半導体素子２０を配置する。次いで、半導体素子２０上に、予め両面にはんだ２２，１６が迎えはんだとして配置されたターミナル２４を、はんだ２２が半導体素子２０側となるように配置する。はんだ１６は、半導体装置１０における高さの公差ばらつきを吸収するために、余裕をもって多めに配置される。

そして、この積層状態で、はんだ１６，２２，２８をリフロー（１ｓｔリフロー）させることにより、半導体素子２０と第２金属部材３０とをはんだ２８を介して接続し、半導体素子２０とターミナル２４とをはんだ２２を介して接続する。はんだ１６については、接続対象である第１金属部材１４がまだ無いので、表面張力により、ターミナル２４の一面１２ａの中心を頂点として盛り上がった形状となる。

次いで、制御端子３２と半導体素子２０のゲート電極などとを、ボンディングワイヤにより接続する。そして、１ｓｔリフローにより一体化した積層体を、第１金属部材１４に対してターミナル２４が下方となるように、第１金属部材１４の対向面１４ａ上に配置する。

次いで、第１金属部材１４を下にしてはんだ１６のリフロー（２ｎｄリフロー）を行うとともに、積層体に荷重を加えて、半導体装置１０の高さを所定の高さとなるようにする。このとき、多めのはんだ１６をターミナル２４（発熱部１２）と第１金属部材１４の間に供給しているため、ターミナル２４と第１金属部材１４との間のはんだ１６は不足せず、確実な接続を行うことができる。

また、上記荷重の印加などにより、ターミナル２４と第１金属部材１４の対向部４０との間から押し出される余剰のはんだ１６は、溝部４２に収容される。以上により、半導体装置１０を得ることができる。

次に、上記した半導体装置１０の効果について説明する。

本実施形態では、溝部４２の内周部４４を構成する一対の第１辺部４４ａが、Ｘ方向において離反する側に凸の凸部４８ａを有する凹凸形状とされ、凹部５０ａ間のＸ方向に沿う最短距離Ｌｘｍｉｎが、発熱部１２の一面１２ａにおけるＸ方向に沿う長さよりも短くされている。したがって、リフロー時において対向部４０と発熱部１２の一面１２ａとの間から溢れ出るはんだ１６を、Ｘ方向において、少なくとも凹部５０ａから溝部４２内に収容することができる。同様に、内周部４４を構成する一対の第２辺部４４ｂが、Ｙ方向において離反する側に凸の凸部４８ｂを有する凹凸形状とされ、凹部５０ｂ間のＹ方向に沿う最短距離Ｌｙｍｉｎが、発熱部１２の一面１２ａにおけるＹ方向に沿う長さよりも短くされている。したがって、リフロー時において対向部４０と発熱部１２の一面１２ａとの間から溢れ出るはんだ１６を、Ｙ方向において、少なくとも凹部５０ｂから溝部４２内に収容することができる。

ところで、上記したように、多めのはんだ１６をターミナル２４（発熱部１２）と第１金属部材１４の間に供給する場合、図５に示すように、はんだ１６の一部は溝部４２に収容される。この場合、発熱部１２から第１金属部材１４への放熱経路として、一面１２ａと対向部４０との対向領域と、一面１２ａと溝部４２（の底面）との対向領域が考えられる。しかしながら、熱伝導率は、第１金属部材１４を構成する銅が３８５．３Ｗ／ｍ・Ｋ、はんだ１６が例えば５８．４Ｗ／ｍ・Ｋである。このため、一面１２ａと対向部４０との対向領域が主たる放熱経路をなす。なお、図５では、便宜上、封止樹脂体２６を省略している。

従来の対向部１４０（換言すれば従来の内周部）は、図４に一点鎖線で示すように、上記した最短距離ＬｘｍｉｎをＸ方向の長さ、最短距離ＬｙｍｉｎをＹ方向の長さとする平面矩形状をなしている。これに対し、本実施形態では、一対の第１辺部４４ａが、凹部５０ａに対し、Ｘ方向において離反する側に凸の凸部４８ａを有している。すなわち、対向部４０は、Ｘ方向において、最短距離Ｌｘｍｉｎをなす部分よりも距離の長い部分、例えば最長距離Ｌｘｍａｘの部分を有している。同様に、対向部４０は、Ｙ方向において、最短距離Ｌｙｍｉｎをなす部分よりも距離の長い部分、例えば最長距離Ｌｙｍａｘの部分を有している。したがって、従来の対向部１４０に較べて対向部４０の面積を大きくすることができる。具体的には、図４にハッチングを施した凸部４８ａ，４８ｂの面積分、従来よりも対向部４０の面積を大きくすることができる。このように、主たる放熱経路を形成する対向部４０の面積を大きくすることができるため、発熱部１２から第１金属部材１４への放熱性を向上することができる。

また、本実施形態では、一対の第１辺部４４ａにおける凸部４８ａ間のＸ方向に沿う最長距離Ｌｘｍａｘが、発熱部１２の一面１２ａにおけるＸ方向に沿う長さと等しく設定されている。一対の第２辺部４４ｂにおける凸部４８ｂ間のＹ方向に沿う最長距離Ｌｙｍａｘが、発熱部１２の一面１２ａにおけるＹ方向に沿う長さと等しく設定されている。したがって、最長距離Ｌｘｍａｘが一面１２ａにおけるＸ方向に沿う長さ未満とされる構成、最長距離Ｌｙｍａｘが一面１２ａにおけるＹ方向に沿う長さ未満とされる構成に較べて、対向部４０の面積をより大きくすることができる。すなわち、発熱部１２から第１金属部材１４への放熱性をさらに向上することができる。

なお、第１辺部４４ａの凹凸形状、第２辺部４４ｂの凹凸形状は、上記例に限定されるものではない。例えば凸部４８ａ，４８ｂとして、平面コの字状の例を示したが、それ以外の例、例えば弧状（換言すればＵ字状）や楔形状（換言すればＶ字状）などを採用することもできる。また、凸部４８ａの位置や個数も上記例に限定されるものではない。

（第２実施形態）
本実施形態において、上記実施形態に示した半導体装置１０と共通する部分についての説明は割愛する。

第１実施形態では、内周部４４がｎ回対称形状（回転対称形状）ではない例を示した。これに対し、本実施形態では、図６に示すように、溝部４２の内周部４４が、中心５２に対してｎ回対称形状となっていることを特徴とする。なお、図６においても、内周部４４として凹凸形状を採用したことによる対向部４０の面積の増加部分に、ハッチングを施している。

図６において、第１辺部４４ａは、第１実施形態同様、Ｙ方向に沿う直線状の凹部５０ａを有している。凸部４８ａは楔形状をなしており、同一形状の凸部４８ａがＹ方向に２つ連なっている。そして、２つの凸部４８ａ間の谷部が凹部５０ａとなっている。凸部４８ａ間の凹部５０ａの頂点は、上記した直線状の凹部５０ａと、Ｘ方向において同じ位置となっている。第１辺部４４ａのうち、Ｙ方向に沿う長さの半分が凹部５０ａであり、残りの半分が凸部４８ａとなっている。また、紙面右側の第１辺部４４ａにおいて凸部４８ａは紙面上方に設けられ、紙面左側の第１辺部４４ａにおいて凸部４８ａは紙面下方に設けられている。そして、一対の第１辺部４４ａは、中心５２に対して１８０度の回転対称となっている。

第２辺部４４ｂは、第１実施形態同様、Ｘ方向に沿う直線状の凹部５０ｂを有している。凸部４８ｂは楔形状をなしており、同一形状の凸部４８ｂがＸ方向に２つ連なっている。そして、２つの凸部４８ｂ間の谷部が凹部５０ｂとなっている。凸部４８ｂ間の凹部５０ｂの頂点は、上記した直線状の凹部５０ｂと、Ｙ方向において同じ位置となっている。第２辺部４４ｂのうち、Ｘ方向に沿う長さの半分が凹部５０ｂであり、残りの半分が凸部４８ｂとなっている。また、紙面上側の第２辺部４４ｂにおいて凸部４８ｂは紙面左側に設けられ、紙面下側の第２辺部４４ｂにおいて凸部４８ｂは紙面右側に設けられている。そして、一対の第２辺部４４ｂは、中心５２に対して１８０度の回転対称となっている。

このように、図６に示す内周部４４は、２回対称形状となっている。これによれば、リフロー時において対向部４０と発熱部１２の一面１２ａとの間から溢れ出るはんだ１６を、一対の第１辺部４４ａのうち、一方では、主として紙面下方に位置する凹部５０ａから溝部４２に逃がし、他方では、主として紙面上方に位置する凹部５０ａから溝部４２に逃がすことができる。また、はんだ１６を、一対の第２辺部４４ｂのうち、一方では、主として紙面右側に位置する凹部５０ｂから溝部４２に逃がし、他方では、主として紙面左側に位置する凹部５０ｂから溝部４２に逃がすことができる。すなわち、凹部５０ａによる主たるはんだ１６の逃がし経路を、一対の第１辺部４４ａにおいてＹ方向で分散させることができる。また、凹部５０ｂによる主たるはんだ１６の逃がし経路を、一対の第２辺部４４ｂにおいてＸ方向で分散させることができる。したがって、リフロー時における発熱部１２の位置ずれ、特に傾き、を抑制することができる。

なお、ｎ回対称形状は上記例に限定されるものではない。図６では、２回対称形状の例を示したが、図７に示す第１変形例のように、４回対称形状を採用することもできる。図７では、第２辺部４４ｂの凸部４８ａの配置が、図６の配置と逆になっている。そして、最短距離Ｌｘｍｉｎ，Ｌｙｍｉｎがともに等しくされ、凸部４８ａ，４８ｂの形状もともに等しくされている。この場合も、２回対称形状と同等の効果を奏することができる。なお、図７においても、内周部４４として凹凸形状を採用したことによる対向部４０の面積の増加部分に、ハッチングを施している。

凸部４８ａ，４８ｂの形状、位置、個数は、上記例に限定されるものではない。例えば弧状やコの字状の凸部４８ａ，４８ｂを採用することもできる。

例えば、凸部４８ａの間の谷部をなす凹部５０ａと、直線状の凹部５０ａとの位置が、Ｘ方向において一致しない構成とすることもできる。谷部をなす凹部５０ａのほうが中心５２に対して遠い位置にある場合、直線状の凹部５０ａ間のＸ方向に沿う距離が最短距離Ｌｘｍｉｎとされる。また、Ｙ方向において連なる凸部４８ａの頂点位置が異なる構成を採用することもできる。この場合、中心５２に対して最も遠い位置にある凸部４８ａ間のＸ方向に沿う距離が最長距離Ｌｘｍａｘとされる。なお、凸部４８ｂ及び凹部５０ｂについても同様である。

（第３実施形態）
本実施形態において、第２実施形態に示した半導体装置１０と共通する部分についての説明は割愛する。

第２実施形態では、溝部４２の内周部４４が、中心５２に対してｎ回対称形状となっている例を示した。本実施形態では、第２実施形態同様、内周部４４が、中心５２に対してｎ回対称形状となっている。その上で、図８に示すように、一対の第１辺部４４ａは中心５２を通り、Ｙ方向に沿う仮想線５４に対して、線対称とされ、一対の第２辺部４４ｂは、中心５２を通り、Ｘ方向に沿う仮想線５６に対して、線対称とされていることを特徴とする。図８では、各仮想線５４，５６を一点鎖線で示している。また、図８においても、内周部４４として凹凸形状を採用したことによる対向部４０の面積の増加部分に、ハッチングを施している。

図８において、第１辺部４４ａの凸部４８ａは、第２実施形態同様、楔形状をなしている。第１辺部４４ａの全長において、同一形状の凸部４８ａがＹ方向に４つ連なって配置されており、Ｙ方向において隣り合う凸部４８ａ間の谷部が凹部５０ａとなっている。換言すれば、第１辺部４４ａは、凸部４８ａ，凹部５０ａが周期的に配置された形状となっている。そして、仮想線５４に対して、一対の第１辺部４４ａが線対称となっている。

第２辺部４４ｂの凸部４８ｂも、楔形状をなしている。第２辺部４４ｂの全長において、同一形状の凸部４８ｂがＸ方向に４つ連なって配置されており、Ｘ方向において隣り合う凸部４８ｂ間の谷部が凹部５０ｂとなっている。換言すれば、第２辺部４４ｂは、凸部４８ｂ，凹部５０ｂが周期的に配置された形状となっている。そして、仮想線５６に対して、一対の第２辺部４４ｂが線対称となっている。

また、最短距離Ｌｘｍｉｎ，Ｌｙｍｉｎがともに等しくされ、凸部４８ａ，４８ｂの形状がともに等しくされている。そして、内周部４４が４回対称形状となっている。

これによれば、凹部５０ａによるはんだ１６の逃がし経路のＹ方向での偏りを、第１辺部４４ａそれぞれにおいて抑制することができる。また、凹部５０ｂによるはんだ１６の逃がし経路のＸ方向での偏りを、第２辺部４４ｂそれぞれにおいて抑制することができる。したがって、リフロー時において、発熱部１２の傾きの抑制とともに、回転方向の位置ずれも抑制することができる。

なお、ｎ回対称形状、且つ、線対称形状は上記例に限定されるものではない。図６では、各辺部４４ａ，４４ｂにおいて、楔形状の凸部４８ａ，４８ｂが４つ連なる例を示したが、例えば図９に示す第２変形例のように、波形状をなす凸部４８ａ，４８ｂを採用することもできる。また、図１０に示す第３変形例のように、楔形状の凸部４８ａ，４８ｂが２つ連なる構成を採用することもできる。さらには、図１１に示す第４変形例のように、各辺部４４ａ，４４ｂの中心にコの字状の凸部４８ａ，４８ｂが１つのみ設けられた構成を採用することもできる。凸部４８ａ，４８ｂの形状は、上記実施形態及び各変形例に限定されるものではない。

（第４実施形態）
本実施形態において、第１実施形態に示した半導体装置１０と共通する部分についての説明は割愛する。

第１実施形態では、溝部４２の断面形状がコの字状とされる例を示した。すなわち、内周部４４の直下において、溝部４２の最深部となる例を示した。これに対し、本実施形態では、図１２に示すように、溝部４２の最深部５８が、対向部４０との境界（すなわち内周部４４）に対して外周部４６側に離れた位置となるような断面形状をなしていることを特徴とする。図１２では、参考として、同じ深さを有するコの字状断面の溝部４２を一点鎖線で示している。また、図１２では、便宜上、封止樹脂体２６を省略している。

図１２では、溝部４２の断面形状が、楔形状をなしている。そして、楔形状の頂点が最深部５８となっている。これによれば、コの字状断面の溝部４２を採用する場合に較べて、最深部５８を除く部分で、溝部４２内における一面１２ａと対向する壁面との距離が近くなる。このように、Ｚ方向において、発熱部１２から溝部４２の壁面までの放熱経路が短くなるため、発熱部１２から第１金属部材１４への放熱性をさらに向上することができる。

なお、図１２では、断面楔形状の例を示したが、これに限定されるものではない。例えば図１３に示す第５変形例のように、断面弧状の溝部４２を採用することもできる。この場合も、最深部５８は、内周部４４に対して外周部４６側に離れた位置となる。また、図１４に示す第６変形例のように、周期構造をなす溝部４２を採用することができる。図１４では、一例として、３つの楔形状が連なって、１つの溝部４２が構成されている。なお、図１３及び図１４でも、便宜上、封止樹脂体２６を省略している。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

上記実施形態では特に言及しなかったが、溝部４２の壁面に、第１金属部材１４における対向面１４ａのうち、溝部４２を除く部分よりも、はんだ１６に対する濡れ性が大きいメッキ層が設けられた構成としても良い。

上記実施形態では、半導体装置１０が、半導体素子２０を１つのみ有する例を示した。しかしながら、半導体素子２０の個数は特に限定されるものではない。例えば、共通の第１金属部材１４に対して、ＩＧＢＴが形成された半導体素子と、還流ダイオード（ＦＷＤ）が形成された半導体素子が、それぞれはんだ付けされる構成にも適用することができる。さらには、ＩＧＢＴが形成された半導体素子と、ＦＷＤが形成された半導体素子を複数組有する構成にも適用することができる。

上記実施形態では、発熱部１２としてターミナル２４を含む例を示した。しかしながら、発熱部１２としては、少なくとも半導体素子２０を有せば良い。すなわち、はんだ２２及びターミナル２４を有さない構成としても良い。

さらには、両面放熱構造の半導体装置１０に限定されるものではない。例えば片面放熱構造の半導体装置１０にも、上記した対向部４０及び溝部４２の構成を適用することができる。すなわち、一対の金属部材１４，３０ではなく、１つの半導体素子２０に対して１つの金属部材１４のみを有する構成としても良い。半導体素子２０は、両面電極素子に限定されるものではなく、片面電極素子を採用することもできる。

上記実施形態では、第１金属部材１４のみに溝部４２を有する例を示した。しかしながら、第２金属部材３０にも溝部が形成されても良い。この場合、第２金属部材３０も、特許請求の範囲に記載の第１金属部材に相当することとなる。

上記実施形態では、外周部４６が平面矩形状とされる例を示したが、これに限定されない。例えば、溝部４２の幅が全周でほぼ一定となるように、内周部４４と同一形状としても良い。

また、それ以外にも、最長距離Ｌｘｍａｘが一面１２ａにおけるＸ方向に沿う長さ未満とされ、最長距離Ｌｙｍａｘが一面１２ａにおけるＹ方向に沿う長さ未満とされる構成を採用することもできる。この場合、上記実施形態に較べれば放熱性は劣るものの、従来の構成（平面矩形状の対向部１４０）に較べれば、凸部４８ａ，４８ｂの分、対向部４０の面積を大きくし、放熱性を向上することができる。

１０・・・半導体装置、１２・・・発熱部、１２ａ・・・一面、１４・・・第１金属部材、１４ａ・・・対向面、１４ｂ・・・放熱面、１４ｃ・・・端子部、１６・・・はんだ、２０・・・半導体素子、２２・・・はんだ、２４・・・ターミナル、２６・・・封止樹脂体、２６ａ・・・一面、２６ｂ・・・裏面、２６ｃ・・・側面、２８・・・はんだ、３０・・・第２金属部材、３０ａ・・・対向面、３０ｂ・・・放熱面、３０ｃ・・・端子部、３２・・・制御端子、４０・・・対向部、４２・・・溝部、４４・・・内周部、４４ａ・・・第１辺部、４４ｂ・・・第２辺部、４６・・・外周部、４８ａ，４８ｂ・・・凸部、５０ａ，５０ｂ・・・凹部、５２・・・中心、５４，５６・・・仮想線、５８・・・最深部、１４０・・・対向部（従来）

Claims (7)

1. 半導体素子（２０）を少なくとも含み、平面矩形状の一面（１２ａ）を有する発熱部（１２）と、
   前記発熱部の一面に対向配置される第１金属部材（１４）と、
   前記発熱部の一面と前記第１金属部材との間に介在され、前記発熱部と前記第１金属部材とを接続するはんだ（１６）と、を備え、
   前記第１金属部材は、前記発熱部の一面と対向する対向面のうち、前記一面の直下にのみ位置し、前記はんだを介して前記発熱部と接続される対向部（４０）と、リフロー時において前記対向部と前記発熱部の一面との間から溢れ出る前記はんだを収容するために、前記対向部の外周端に沿いつつ前記外周端に全周で隣接するように環状に設けられる溝部（４２）と、を有するとともに、前記はんだよりも熱伝導性に優れる材料を用いて形成されており、
   前記第１金属部材の厚み方向をＺ方向、該Ｚ方向に直交しつつ前記一面の矩形の１辺に沿う方向をＸ方向、前記Ｚ方向及び前記Ｘ方向の両方向に直交するＹ方向とすると、
   前記溝部の内周部分（４４）は、前記Ｘ方向において相対する一対の第１辺部（４４ａ）と、前記Ｙ方向において相対する一対の第２辺部（４４ｂ）と、を有し、
   一対の前記第１辺部は、それぞれ前記Ｘ方向において離反する側に凸（４８ａ）の凹凸形状をなすとともに、凹（５０ａ）間の前記Ｘ方向に沿う最短距離（Ｌｘｍｉｎ）は、前記発熱部の一面における前記Ｘ方向に沿う長さよりも短くされ、
   一対の前記第２辺部は、それぞれ前記Ｙ方向において離反する側に凸（４８ｂ）の凹凸形状をなすとともに、凹（５０ｂ）間の前記Ｙ方向に沿う最短距離（Ｌｙｍｉｎ）は、前記発熱部の一面における前記Ｙ方向に沿う長さよりも短くされることを特徴とする半導体装置。
2. 一対の前記第１辺部（４４ａ）における凸（４８ａ）間の前記Ｘ方向に沿う最長距離（Ｌｘｍａｘ）は、前記発熱部（１２）の一面（１２ａ）における前記Ｘ方向に沿う長さと等しくされ、
   一対の前記第２辺部（４４ｂ）における凸（４８ｂ）間の前記Ｙ方向に沿う最長距離（Ｌｙｍａｘ）は、前記発熱部の一面における前記Ｙ方向に沿う長さと等しくされることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記溝部（４２）の内周部分（４４）は、ｎ回対称形状となっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
4. 一対の前記第１辺部（４４ａ）は、前記Ｘ方向において前記第１辺部間の中心（５２）を通り、前記Ｙ方向に沿う仮想線（５４）に対して、線対称とされ、
   一対の前記第２辺部（４４ｂ）は、前記Ｙ方向において前記第２辺部間の中心（５２）を通り、前記Ｘ方向に沿う仮想線（５６）に対して、線対称とされることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記溝部（４２）の断面形状は、前記対向部（４０）との境界に対して外周側に離れて頂点（５８）を有する楔形状とされることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記溝部（４２）の断面形状は、弧状とされることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記第１金属部材（１４）との間に前記発熱部（１２）を挟むように設けられ、前記半導体素子（２０）と電気的に接続される第２金属部材（３０）を備え、
   前記発熱部は、前記半導体素子と、前記半導体素子と前記第１金属部材との間に設けられ、前記半導体素子と前記第１金属部材とを電気的に中継するターミナル（２４）と、を有し、
   前記ターミナルは、前記はんだ（１６）を介して前記第１金属部材と接続されることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の半導体装置。

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