(57)【要約】【課題】本明細書は、半導体装置に塗布されているグリスの保持量を確保しつつ、半導体装置が備える冷却器の冷却性能を向上させるための技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置２は、半導体素子を封止したパワーカード１０と冷却器３が、絶縁板６を挟んで積層されている。絶縁板６に対向するパワーカードの面は、グリス９を保持する凹部を備えている。凹部は、内部から開口に向かって窄まっている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を封止したパワーカードと冷却器が、絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置であって、
前記パワーカードの第１の面は、グリスを介して、前記絶縁部材の第２の面に対向しており、
前記第１の面及び前記第２の面のうちの少なくとも一方の面は、グリスを保持する凹部を備えており、
前記凹部は、内部から開口に向かって窄まっていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、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と冷却器が絶縁部材を挟んで積層されている半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、パワーカード等の半導体装置と冷却部材が積層されている半導体モジュールが開示されている。半導体装置と冷却部材の間には、熱伝導性を確保するためのグリスが塗布されている。半導体装置のグリス塗布面には、グリスが削ぎ落とされることを抑制するための凹部が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−０６２３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の技術のように、半導体装置の表面に凹部を設けると、凹部の開口の面積の分だけ、冷却部材と半導体装置が密接する面積が小さくなり、熱伝導率が低下する。その結果、冷却部材の冷却性能が低下する。本明細書では、半導体装置に塗布されているグリスの保持量を確保しつつ、半導体装置が備える冷却器の冷却性能を向上させるための技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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器が、絶縁部材を挟んで積層されているデバイスである。パワーカードの第１の面は、グリスを介して、絶縁部材の第２の面に対向している。第１の面及び第２の面のうちの少なくとも一方の面は、グリスを保持する凹部を備えている。凹部は、内部から開口に向かって窄まっている。即ち、凹部の開口の面積が凹部内部の空間に対して比較的小さくなっているため、第１の面と第２の面が密接する面積（即ち、第１の面と第２の面が重なる面積であって凹部の開口を除く面積）が確保され、熱伝導率の低下を抑制することができる。これにより、冷却器の冷却性能を向上させることができる。また、凹部は、開口から内部に向かって広がっているため、凹部全体の体積が大きくなっている。これにより、半導体装置に塗布されているグリスの保持量を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施例の半導体装置の斜視図である。
【図２】パワーカードを裏面からみた斜視図である。
【図３】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４】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。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
（第１実施例）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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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１３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。
【００１８】
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Ｔａ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。
【００１９】
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、及び、絶縁板６と冷却器３の間には、グリス９が塗布されている。
【００２０】
放熱板１６ａについて説明する。放熱板１６ａは、おもて面上に多数の凹部１８ａを備える。各凹部１８ａは、グリス９を内部に保持している。なお、図１、３、４では、一つの凹部だけに符号１８ａを付し、他の凹部には符号を省略している。凹部１８ａは、放熱板１６ａを貫通しない程度の所定の深さ（好ましくは３０〜６０マイクロメートル）を有している。図３、４から明らかなように、凹部１８ａは、内部から開口に向かって窄まっている。開口は、円形であり、好ましくは、直径１０〜１００マイクロメートルの円形である。底面は、開口よりも大きな円形である。凹部１８ａは、深さ及び開口径が上記の範囲内にある場合に、グリス９を適切に保持することができる。具体的には、深さ及び／又は開口径が下限値より小さい場合では、グリス９に添加されているフィラー（直径０．５〜１０マイクロメートル）が、凹部１８ａに対して大きすぎるため、グリス９が保持されにくくなる。深さ及び／又は開口径が上限値より大きい場合では、フィラーが、凹部１８ａに対して小さすぎるため、保持されたグリス９が凹部１８ａから流出しやすくなる。
【００２１】
凹部１８ａは、例えば、レーザー加工によって形成される。具体的には、放熱板１６ａのおもて面にレーザーを照射すると、照射された部位が溶融する。これにより、おもて面が多孔質（ポーラス）化することができる。なお、凹部１８ａは、切削加工によって形成されてもよい。
【００２２】
上述したように、凹部１８ａは、内部から開口に向かって窄まっている。即ち、開口の面積が比較的小さくなっているため、放熱板１６ａのおもて面（即ち、対向する絶縁板６に最も近い面）の面積が確保され、熱伝導率の低下を抑制することができる。これにより、冷却器３の冷却性能を向上させることができる。また、凹部１８ａは、開口から内部に向かって広がっているため、凹部１８ａ全体の体積が大きくなっている。これにより、半導体装置２に塗布されているグリス９の保持量を確保することができる。
【００２３】
放熱板１６ｂは、おもて面上に多数の凹部１８ｂを備える。放熱板１７は、おもて面上に多数の凹部２０を備える。なお、図１〜４では、一つの凹部だけに符号１８ｂ、２０を付し、他の凹部には符号を省略している。凹部１８ｂ、２０は、凹部１８ａと同様であるため、説明を省略する。
【００２４】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図では、理解を助けるため、グリスの層の厚み、放熱板の厚みなどを強調して描いることに留意されたい。また、図３、図４では、理解を助けるために、凹部１８ａ、１８、２０を大きく描いてある。特に、凹部１８ａ、１８ｂ、２０は、深さが３０〜６マイクロメートルであり、開口の直径は１０〜１００マイクロメートルであるのに対して、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７の厚みは１ミリメートル程度であり、凹部のオーダーと放熱板のオーダーは、図とは全く異なることに留意されたい。また、図３、図４では、一つの放熱板に数個の凹部のみが描かれているが、上記したオーダーの差があり、放熱板の表面には無数の凹部が設けられる。従って実施例の態様を別言すれば、放熱板の表面が、多孔質がされており、多数の孔のいくつかは、内部から放熱板表面の開口に向かって先窄まりとなっている、と表現することができる。
【００２５】
実施例では、放熱板のおもて面が凹部を備えているが、変形例では、これに代えて、放熱板に対向している絶縁板６の面が凹部を備えていてもよい。また、別の変形例では、放熱板のおもて面、絶縁板６の上記の面の双方が、凹部を備えていてもよい。これらの変形例でも、実施例と同様の効果を奏することができる。
【００２６】
実施例では、全ての放熱板が凹部を備えているが、変形例では、一部の放熱板が凹部を備えていればよい。
【００２７】
実施例では、全ての凹部が、内部から開口に向かって窄まっているが、変形例では、一部の凹部が、内部から開口に向かって窄まっていればよい。
【００２８】
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。
【符号の説明】
【００２９】
２：半導体装置
３：冷却器
４ａ：冷媒供給管
４ｂ：冷媒排出管
５ａ、５ｂ：連結パイプ
６：絶縁板（冷却部材）
７ａ、７ｂ、７ｃ：電極端子
９：グリス
１０ａ、１０ｂ：平坦面
１０：パワーカード
１３：筐体
１４：スペーサ
１５：ハンダ
１６ａ、１６ｂ、１７：放熱板
１８ａ、１８ｂ、２０：凹部
２９：制御端子
３１：ケース
３２：板バネ
Ｄａ、Ｄｂ：ダイオード（半導体素子）
Ｔａ、Ｔｂ：トランジスタ（半導体素子）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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