(57)【要約】  ヒートシンクからの封止部材の剥離を抑制するとともに、放熱特性の劣化を抑制することで、信頼性が向上した半導体装置を提供する。半導体装置（１）は、側面を有するヒートシンク（１００）と、半導体素子と、封止部材（１０）とを備える。半導体素子は、ヒートシンク（１００）と熱的に接続される。半導体素子はヒートシンク（１００）上に配置される。封止部材（１０）は、半導体素子とヒートシンク（１００）とを封止する。封止部材（１０）は、ヒートシンク（１００）の側面に接触する。ヒートシンク（１００）の側面は、凹形状部（１１３）および凸形状部（１１２）を含む。凹形状部（１１３）および凸形状部（１１２）は、それぞれヒートシンク（１００）の厚み方向に沿って延びる。
2020246456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
側面を有するヒートシンクと、
前記ヒートシンクと熱的に接続されるとともに前記ヒートシンク上に配置された半導体素子と、
前記半導体素子と前記ヒートシンクとを封止するとともに、前記ヒートシンクの前記側面に接触する封止部材と、を備え、
前記側面は、凹形状部および凸形状部を含み、
前記凹形状部および前記凸形状部は、それぞれ前記ヒートシンクの厚み方向に沿って延びる、半導体装置。
【請求項２】
前記ヒートシンクの前記厚み方向と直交する方向における前記凸形状部の幅は、前記ヒートシンクの厚みより小さい、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ヒートシンクの前記厚み方向と直交する方向における前記凹形状部の幅は、前記ヒートシンクの厚みより小さい、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記凹形状部と前記凸形状部とは、前記ヒートシンクの前記厚み方向と直交する方向に並ぶように配置されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記凹形状部は、第１凹部と第２凹部とを含み、
前記凸形状部は、第１凸部と第２凸部とを含み、
前記第１凹部と前記第１凸部とは、前記ヒートシンクの前記厚み方向と直交する方向に並ぶように配置され、
前記第２凹部と前記第２凸部とは、前記ヒートシンクの前記厚み方向において前記第１凹部および前記第１凸部より前記半導体素子側に位置する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ヒートシンクの前記厚み方向において、前記第１凹部と前記第２凸部とが隣接して配置されている、請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料を含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化珪素、窒化ガリウム、およびダイヤモンドからなる群から選択される１種を含む、請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記凹形状部の表面は、複数の微細凸形状部と複数の微細凹形状部とを含み、
前記複数の微細凸形状部と前記複数の微細凹形状部とは、前記ヒートシンクの前記厚み方向に沿った断面において、前記厚み方向に沿って並ぶように配置されている、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記複数の微細凸形状部と前記複数の微細凹形状部とは、前記ヒートシンクの前記厚み方向と直交する方向に沿った前記断面において、前記厚み方向と直交する前記方向に沿って並ぶように配置され、
前記厚み方向と直交する前記方向に沿って並ぶ前記複数の微細凸形状部のうちの少なくとも２つについて、互いにサイズが異なっている、請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
請求項１記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
を備えた電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示は、半導体装置および電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力用半導体装置などに代表される半導体装置が知られている。このような半導体装置の構成としては、たとえばリードフレームにおいて半導体素子を実装した面とは反対側の面に、絶縁層を介してヒートシンクを接合し、ヒートシンクの放熱面を除いた全体と半導体素子とリードフレームの一部とを封止樹脂等の封止部材で封止したものが知られている。上記の半導体装置では、半導体素子で発生する熱を、ヒートシンクを用いて外部へ放出する。【０００３】
上述した半導体措置において、運転条件によっては、長期にわたる温度サイクルに起因して、もっとも熱応力が集中する箇所の一つであるヒートシンクの側面と封止部材との接合部で剥離などの不良が発生する恐れがある。そこでヒートシンクの側面を含む表面全体を粗化し、封止部材とヒートシンクの表面との接合部における接着力を向上させることで、当該接合部にて剥離が発生することを防止することが提案されている（例えば、特開２００７−２０１０３６号公報参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２０１０３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記のようにヒートシンク表面を粗化した場合、粗化されたヒートシンク表面における微小な凹凸内に封止部材が存在しない空隙が発生し得る。この結果、当該空隙に起因して放熱性能が劣化する可能性があった。【０００６】
この開示は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この開示の目的は、ヒートシンクからの封止部材の剥離を抑制するとともに、放熱特性の劣化を抑制することで、信頼性が向上した半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示に従った半導体装置は、側面を有するヒートシンクと、半導体素子と、封止部材とを備える。半導体素子は、ヒートシンクと熱的に接続される。半導体素子はヒートシンク上に配置される。封止部材は、半導体素子とヒートシンクとを封止する。封止部材は、ヒートシンクの側面に接触する。ヒートシンクの側面は、凹形状部および凸形状部を含む。凹形状部および凸形状部は、それぞれヒートシンクの厚み方向に沿って延びる。【０００８】
本開示に係る電力変換装置は、主変換回路と制御回路とを備える。主変換回路は、上記半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する。制御回路は、主変換回路を制御する制御信号を主変換回路に出力する。
【発明の効果】
【０００９】
上記によれば、封止部材が接触するヒートシンクの側面に、当該ヒートシンクの厚み方向に沿って延びる凹形状部および凸形状部が形成されているので、ヒートシンクからの封止部材の剥離を抑制するとともに、放熱特性の劣化を抑制することで、信頼性が向上した半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係る半導体装置の底面模式図である。
【図２】図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。
【図３】図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面模式図である。
【図４】図３に示した半導体装置の部分拡大断面模式図である。
【図５】図１〜図４に示した半導体装置を構成するヒートシンクの部分模式図である。
【図６】実施の形態１に係る半導体装置の変形例１のヒートシンクを示す部分模式図である。
【図７】実施の形態１に係る半導体装置の変形例２のヒートシンクを示す部分模式図である。
【図８】図７の線分ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩにおける部分断面模式図である。
【図９】実施の形態２に係る半導体装置を構成するヒートシンクの部分模式図である。
【図１０】実施の形態２に係る半導体装置の変形例１のヒートシンクを示す部分模式図である。
【図１１】実施の形態２に係る半導体装置の変形例２のヒートシンクを示す部分模式図である。
【図１２】実施の形態３に係る半導体装置の部分拡大断面模式図である。
【図１３】図１２に示した半導体装置を構成するヒートシンクの部分模式図である。
【図１４】図１３に示したヒートシンクの凹形状部における部分断面模式図である。
【図１５】図１３に示したヒートシンクの凹形状部における部分断面模式図である。
【図１６】図１２に示した半導体装置を構成するヒートシンクの製造方法を説明するための斜視模式図である。
【図１７】図１２に示した半導体装置を構成するヒートシンクの製造方法を説明するための斜視模式図である。
【図１８】図１２に示した半導体装置を構成するヒートシンクの製造方法を説明するための斜視模式図である。
【図１９】実施の形態４に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本開示の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００１２】
実施の形態１．
＜半導体装置の構成＞
図１は、実施の形態１に係る半導体装置の底面模式図である。図２は、図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。図３は、図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面模式図である。図４は、図３に示した半導体装置の部分拡大断面模式図である。図５は、図１〜図４に示した半導体装置を構成するヒートシンクの部分模式図である。
【００１３】
図１〜図５に示した半導体装置は、たとえば電力用の半導体装置であって、側面を有するヒートシンク１００と、半導体素子５，６と、リードフレームと、封止部材１０とを主に備える。リードフレームは制御リード１３Ｃとパワーリード１３Ｐとを含む。半導体素子５は、ヒートシンク１００と熱的に接続される。半導体素子５はヒートシンク１００上に配置される。より具体的には、ヒートシンク１００の上面上に熱伝導性の絶縁シート１４が配置される。絶縁シート１４上にパワーリード１３Ｐが配置される。パワーリード１３Ｐに接合材であるはんだ１５を介して半導体素子５が接続されている。
【００１４】
また、ヒートシンク１００の上面から離れた位置に制御リード１３Ｃが配置されている。制御リード１３Ｃの表面上に半導体素子６が配置されている。半導体素子６は接合材としてのはんだを介して制御リード１３Ｃに接続されている。パワーリード１３Ｐは、端子部１３Ｐｔと、内部リード１３Ｐｉとを含む。内部リード１３Ｐｉはダイパッド１３Ｐｆを含む。制御リード１３Ｃは内部リード１３Ｃｉと端子部１３Ｃｔとを含む。
【００１５】
半導体素子５はダイパッド１３Ｐｆに固定されている。半導体素子５の上面に形成されたゲート電極（図示せず）は、パワーリード１３Ｐの内部リード１３Ｐｉとボンディングワイヤ１１Ｐにより電気的に接続されている。また、半導体素子５の上面に形成された他の電極は、ボンディングワイヤ１１Ｃにより制御リード１３Ｃの内部リード１３Ｃｉと接続されている。また、半導体素子６は制御リード１３Ｃの内部リード１３Ｃｉに接合材を介して接続されている。半導体素子６の上面に形成された電極（図示せず）は、ボンディングワイヤにより制御リード１３Ｃの内部リード１３Ｃｉと接続されている。
【００１６】
封止部材１０は、ヒートシンク１００、絶縁シート１４、半導体素子５，６、制御リード１３Ｃの内部リード１３Ｃｉ、パワーリード１３Ｐの内部リード１３Ｐｉおよびボンディングワイヤ１１Ｐ，１１Ｃ，１２を封止するように形成されている。封止部材１０は、たとえばトランスファーモールド法によりヒートシンク１００および半導体素子５，６などを封止するように形成される。パワーリード１３Ｐの端子部１３Ｐｔおよび制御リード１３Ｃの端子部１３Ｃｔは、封止部材１０の側面から外部に突出するように配置されている。端子部１３Ｐｔ，１３Ｃｔはそれぞれ先端部がヒートシンク１００の上面に垂直な方向に向くように屈曲部を有している。
【００１７】
ヒートシンク１００の放熱面である裏面１０２上には封止部材１０は形成されていない。つまりヒートシンク１００の裏面１０２は露出している。一方ヒートシンク１００の側面１０１および上面は封止部材１０により覆われている。封止部材１０において、ヒートシンク１００の裏面１０２と同一面を構成する裏面にはネジ穴１８が形成されている。
【００１８】
ヒートシンク１００の側面１０１は、凹形状部１１３および凸形状部１１２を含む。凹形状部１１３および凸形状部１１２は、ヒートシンク１００の外周に沿って交互に配置されている。凹形状部１１３および凸形状部１１２は、図５に示すようにそれぞれヒートシンク１００の厚み方向に沿って延びる。
【００１９】
パワーリード１３Ｐおよび制御リード１３Ｃは、後述する製造工程において、少なくとも封止部材１０を形成するまでは、たとえば厚みが０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の銅製リードフレームに連なった状態となっている。パワーリード１３Ｐにおける内部リード１３Ｐｉは平坦な部分であるダイパッド１３Ｐｆを有する。ダイパッド１３Ｐｆに接続された半導体素子５としては、例えばＩＧＢＴ(Insulated  Gate  Bipolar  Transistor)を用いることができる。この場合、半導体素子５の裏面電極がはんだ１５によりダイパッド１３Ｐｆに接合されている。
【００２０】
内部リード１３Ｐｉにおいて、ダイパッド１３Ｐｆの半導体素子５が接続された面の反対側の面は、絶縁シート１４を介してヒートシンク１００に固定されている。絶縁シート１４としては、放熱性および絶縁性の高い材料であれば任意の材料を適用できるが、たとえば熱伝導性絶縁樹脂シートを用いることができる。絶縁シート１４はヒートシンク１００とパワーリード１３Ｐのダイパッド１３Ｐｆとを接着する接着層である。パワーリード１３Ｐのダイパッド１３Ｐｆは、半導体素子５からの熱をヒートシンク１００へ伝達する電熱経路の一部となっている。
【００２１】
一方、制御リード１３Ｃの内部リード１３Ｃｉに固定された半導体素子６は、制御用の半導体素子であって半導体素子５と比較して発熱量が小さい。そのため、内部リード１３Ｃｉについては半導体素子６からの放熱性をあまり考慮する必要が無い。そのため、図２に示すように内部リード１３Ｃｉはヒートシンク１００から離れた位置に配置されてもよい。
【００２２】
半導体装置１内には、図示しない３相インバータ回路が形成される。なおパワーリード１３Ｐ、絶縁シート１４およびヒートシンク１００の厚みは、半導体素子５における定格電流や発熱量によって決定してもよい。また、絶縁シート１４およびヒートシンク１００に限定されず、セラミック基板または絶縁層を含む金属基板等、パワーリード１３Ｐとの電気的な絶縁が可能な絶縁部材をヒートシンク１００等の代わりに用いてもよい。半導体装置１の厚みはたとえば３ｍｍ以上３５ｍｍ以下である。
【００２３】
ヒートシンク１００は、例えばアルミニウム（Ａｌ）にマグネシウム（Ｍｇ）およびマンガン（Ｍｎ）の少なくともいずれかを添加した合金から成る。なお、ヒートシンク１００を構成する材料は他の金属でもよい、あるいは、ヒートシンク１００を構成する材料としては、金属に限らず熱伝導率が高い無機物または有機物を用いてもよい。
【００２４】
ヒートシンク１００の最外周を構成する側面１０１には段差が形成されている。側面１０１は封止部材１０により覆われている。なお、ヒートシンク１００の平面視における形状は、図１に示すような四角形に限らず、台形や多角形でもよい。ヒートシンク１００の裏面１０２は、たとえば放熱フィンなどが形成された放熱部材と接続される。ヒートシンク１００において裏面１０２以外の表面は封止部材１０により封止され、露出しないことが好ましい。ヒートシンク１００を製造、加工する方法は任意の方法を用いることができる。たとえば、ヒートシンク１００を製造する方法として、金型での鍛造加工、または下降対象物に対する切削加工などを用いてもよい。
【００２５】
ここで、本実施の形態１に係る半導体装置１の特徴は、図３〜図５に示すようにヒートシンク１００の側面１０１に、ヒートシンク１００の厚みＬ３より小さい幅の凹凸１１１を設けた点である。凹凸１１１はヒートシンク１００の側面１０１の全周に渡って形成されている。凹凸１１１は、凸形状部１１２と凹形状部１１３とを含む。凸形状部１１２の幅Ｌ１はヒートシンク１００の厚みＬ３より小さい。凸形状部１１２の幅Ｌ１は、ヒートシンク１００の厚みＬ３より小さく、モールドロック厚み、即ちヒートシンク１００の厚みＬ３の１／４以上であることが好ましい。凹形状部１１３の幅Ｌ２はヒートシンク１００の厚みＬ３より小さい。凸形状部１１２の幅Ｌ１と凹形状部１１３の幅Ｌ２との合計の長さがヒートシンク１００の厚みＬ３より小さくてもよい。凸形状部１１２と凹形状部１１３との間は接続部１１４により接続されている。ヒートシンク１００の側面１０１では、図３および図４に示すように、側面１０１の周方向に複数の凸形状部１１２と凹形状部１１３とが交互に並ぶように配置されている。
【００２６】
なお、凹凸１１１は必ずしもヒートシンク１００の側面１０１の全周に配置しなくてもよい。たとえば、ヒートシンク１００からの封止部材１０の剥離の進展速度を低下させたい一部の位置のみに、凹凸１１１を配置してもよい。たとえば、応力が集中しやすい領域である半導体装置１の角部からの封止部材１０の剥離の進展速度を低下させたい場合、ヒートシンク１００の側面１０１の角部周囲のみに凹凸１１１を配置すればよい。
【００２７】
たとえば封止樹脂である封止部材１０は、たとえばフィラーなどの充填材と樹脂とを主成分とした複合材であってもよい。充填材は封止部材１０の熱膨張率または機械的性質を調整するために用いられる。樹脂としては、たとえば電気抵抗率の高い熱硬化性の樹脂を用いることができる。そのような樹脂としては、たとえばエポキシ樹脂を用いることができる。封止部材１０は、高い絶縁性と成型性、および信頼性を有することが好ましい。一方、半導体装置１は線膨張係数の異なる半導体素子５、はんだ１５、パワーリード１３Ｐ、制御リード１３Ｃ、ヒートシンク１００、ボンディングワイヤ１１Ｐ，１１Ｃ、１２などを含む。そのため、封止部材１０の線膨張係数を、これらすべての構成部材の線膨張係数と合わせることはできない。そのため、封止部材１０と上記構成部材との剥離の起点となり得る、ヒートシンク１００の側面１０１と封止部材１０との剥離を抑制する本実施の形態に係る半導体装置１の構成は特に有効である。
【００２８】
ここで、半導体装置１の動作について説明する。半導体装置１を起動させると、半導体素子５に電流が流れ、熱が発生する。発生した熱は、温度勾配を駆動力としてヒートシンク１００から放熱される。このとき、ヒートシンク１００の裏面１０２からの放熱量が、半導体素子５における発熱量とバランスするまで、半導体装置１の温度は上昇する。たとえば、従来のシリコン基板を用いた半導体素子５を適用した場合の半導体装置１の到達温度は１００℃以上となる。さらに、ＳｉＣなどのワイドバンドギャップ半導体を半導体素子５の材料として用いると、半導体装置１の到達温度は３００℃程度となる場合がある。一方、半導体装置１の動作を停止すると、半導体装置１の温度は低下する。
【００２９】
このように、半導体装置１において温度の上昇と下降（温度サイクル）を繰り返すと、とくに熱膨張率の異なる封止部材１０とヒートシンク１００との間で応力が発生する。特に、封止部材１０とヒートシンク１００の側面１０１との界面の端部１０１ａからヒートシンク１００の側面１０１に沿って封止部材１０の剥離が進展する。剥離は起点を中心に同心円状に進展する。
【００３０】
ここで、上述した応力はヒートシンク１００の外周部が最も高くなる。さらに、ヒートシンク１００の面積が大きくなるほど、当該応力が高くなる。この応力が高くなるほど、上記界面の端部１０１ａから封止部材１０の剥離が発生しやすくなる。
【００３１】
さらに、温度サイクルを繰り返すと、ヒートシンク１００の側面１０１と封止部材１０との剥離は、ヒートシンク１００と絶縁シート１４との界面にまで達する場合がある。たとえば封止部材１０の線膨張係数または硬化収縮率が、絶縁シート１４の線膨張係数または効果収縮率よりもそれぞれ大きい場合、温度サイクルにおいて高温から低温になる際に、封止部材１０が半導体装置１の中心に向かって収縮する。当該封止部材１０の収縮に伴い、絶縁シート１４を中心方向に引っ張る応力が発生する。この応力によってさらに封止部材１０の剥離が進展すると、当該剥離領域がダイパッド１３Ｐｆの直下部分にまで達する。この場合、半導体素子５が発生した熱を、ヒートシンク１００を介して外部へ放熱することが困難になる。その結果、半導体装置１の温度はさらに上昇し、温度サイクル条件がより過酷になる。この結果、封止部材１０の剥離の進行、およびその他の部材の劣化を促進してしまう。
【００３２】
しかし、本実施の形態１に係る半導体装置１では、ヒートシンク１００の側面１０１に、ヒートシンク１００の厚みＬ３より小さい幅Ｌ１，Ｌ２を有する凸形状部１１２および凹形状部１１３を含む凹凸１１１を配置した。これにより封止部材１０とヒートシンク１００との界面の端部１０１ａからヒートシンク１００の側面１０１に沿って剥離が進展したとしても、当該剥離が凸形状部１１２と凹形状部１１３との接続部１１４に到達することで、剥離が同心円状に進展することが阻害される。この結果、端部１０１ａを起点とした界面の剥離が、ヒートシンク１００の側面における上端１０１ｂ方向へ進展する速度が低下する。
【００３３】
なお、凸形状部１１２と接続部１１４とのつなぎ目である角部１２０について、当該角部が曲面状となっていてもよい。当該角部での曲率半径はできるだけ小さくすることが好ましい。また、凹形状部１１３と接続部１１４とのつなぎ目である角部についても、同様に曲面状としてもよい。この場合も、当該角部での曲率半径はできるだけ小さいことが好ましい。この場合、封止部材１０の剥離の進展をより阻害することができる。
【００３４】
図６は、実施の形態１に係る半導体装置の変形例１のヒートシンクを示す部分模式図である。図７は、実施の形態１に係る半導体装置の変形例２のヒートシンクを示す部分模式図である。図８は、図７の線分ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩにおける部分断面模式図である。
【００３５】
図５に示したヒートシンク１００では、凸形状部１１２の幅Ｌ１と凹形状部１１３の幅Ｌ２とはほぼ同じとなっているが、幅Ｌ１と幅Ｌ２とを異なる値としてもよい。たとえば、図６に示すように凸形状部１１２の幅Ｌ１を凹形状部１１３の幅Ｌ２より小さくしてもよい。また、幅Ｌ１を幅Ｌ２より大きくしてもよい。
【００３６】
また、凸形状部１１２と接続部１１４との接続部である角部の平面視における角度を９０°としてもよいが、９０°以外の値としてもよい。たとえば、当該角度を鋭角としてもよいし、鈍角としてもよい。また、凹形状部１１３と接続部１１４との接続部である角部の平面視における角度を９０°としてもよいが、９０°以外の値としてもよい。たとえば、当該角度を鋭角としてもよいし、鈍角としてもよい。
【００３７】
凸形状部１１２および凹形状部１１３の平面形状は矩形状であってもよいが、図７および図８に示すように、凸形状部１１２および凹形状部１１３の平面形状をＶ字状としてもよい。つまり、凸形状部１１２は表面１３１と表面１３２とを有し、平面形状が三角形状の凸部であってもよい。凹形状部１１３は、表面１３２と表面１３１とを有し、平面形状が三角形状の凹部であってもよい。図８に示すように、凸形状部１１２である角部の平面視における角度は９０°でもよく、鈍角でもよく、鋭角でもよい。また、凹形状部１１３である角部の平面視における角度は９０°でもよく、鈍角でもよく、鋭角でもよい。
【００３８】
図１〜図８に示した半導体装置１では、ヒートシンク１００の側面１０１の下端部にはヒートシンク１００の幅が小さくなっている後退部が形成されている。当該後退部には凹凸１１１は形成されていない。当該後退部に連なるヒートシンク１００の裏面１０２は、たとえば放熱フィンなどが形成された放熱部材と接続される接続面となる。放熱部材はたとえば半導体装置１の裏面に形成されたネジ穴１８に固定される固定用ネジによって、半導体装置１と接続される。このとき、放熱部材と裏面１０２との間にグリスなどの中間部材が配置されてもよい。ダイパッド１３Ｐｆ、絶縁シート１４およびヒートシンク１００の裏面１０２は半導体素子５で発生した熱を放熱部材へ伝えるための伝熱経路の一部となっている。
【００３９】
ここで、上述した半導体装置１では、凹凸１１１は絶縁シート１４とパワーリード１３Ｐのダイパッド１３Ｐｆとが接する領域よりも、平面視において外側に配置されている。つまり、凹凸１１１は半導体素子５で発生する熱のヒートシンク１００への伝熱経路から外れた領域に配置されている。そのため、凹凸１１１が半導体装置１の放熱性能を損なうことはない。
【００４０】
また、トランスファーモールド法により封止部材１０を形成するため、ヒートシンク１００を金型まで自動搬送する場合を考える。この場合、搬送前までは複数のヒートシンク１００がマガジンなどの内部に積み重ねられて保持されている。ヒートシンク１００はマガジン内から吸着パッドにて一枚ずつピックアップされて搬送される。また、この場合ヒートシンク１００において上述した後退部が形成されず、側面１０１の全体に凹凸１１１が形成される場合を考える。
【００４１】
このとき、ピックアップ対象であるヒートシンク１００の質量が相対的に小さいと、吸着パッドによるピックアップ時に、複数のヒートシンク１００を一緒に吸着してしまう場合がある。ここで、積層されたヒートシンク１００について、積層方向において隣接するヒートシンク１００の間で、凹凸１１１における凸形状部１１２と凹形状部１１３との配置を異ならせる、たとえば互い違いにする、といった対応を行うことにより、積層されたヒートシンク１００のすべてにおいて凹凸１１１の配置が同じになっている場合より、積層されたヒートシンク１００同士の接触面積を小さくできる。この結果、ピックアップ時に複数のヒートシンク１００が一度に吸着されるといった問題の発生を抑制できる。このため、ヒートシンク１００の軽量化を図ることができる。
【００４２】
また、凹凸１１１を設けることで、凹凸１１１を形成しない場合よりも、ヒートシンク１００の側面１０１の表面積を大きくできる。このため、封止部材１０とヒートシンク１００の側面１０１との間の接着力が大きくなる。したがって、半導体装置１の大型化に伴ってヒートシンク１００が大型化しても、界面の端部１０１ａにおける封止部材１０の剥離を抑制できる。この結果、半導体装置１の放熱性能の劣化を抑制できる。
【００４３】
上述のようにヒートシンク１００の側面１０１に、当該ヒートシンク１００の厚み方向に延びるとともに、厚みＬ３より幅が狭い凸形状部１１２および凹形状部１１３を含む凹凸１１１を形成している。そのため、封止部材１０と側面１０１との間の界面の端部１０１ａから進展した剥離が、凸形状部１１２と接続部１１４とのつなぎ目である角部１２０または凹形状部１１３と接続部１１４とのつなぎ目である角部１２０に到達することによって、剥離の進展する速度が低下する。そのため、当該剥離の進展に起因して、半導体素子５が接合されたダイパッド１３Ｐｆ下に位置する絶縁シート１４とヒートシンク１００とが剥離することを抑制できる。この結果、半導体装置１における放熱特性の劣化を抑制できる。
【００４４】
また、封止部材１０によりヒートシンク１００および半導体素子５などを封止するときに、ヒートシンク１００の側面１０１に面する領域において封止部材１０中に気泡が発生した場合でも、凹形状部１１３および凸形状部１１２がヒートシンク１００の厚み方向に沿って延びているので、当該気泡が凹形状部１１３または凸形状部１１２に沿って容易に移動できる。このため、ヒートシンク１００の側面近傍に気泡が残存する可能性を低減でき、結果的にヒートシンク１００の放熱特性の劣化を抑制できる。
【００４５】
また、凹凸１１１はヒートシンク１００の側面１０１に形成しているので、一般的な半導体装置の製造工程で、例えば金型に凹凸を設けるだけで簡単にヒートシンク１００に凹凸１１１を形成できる。
【００４６】
なお、本実施の形態においては、半導体素子５についてはスイッチング素子（たとえばトランジスタ）や整流素子として機能し、シリコンウエハを基材とした一般的な素子を用いてもよい。また、半導体素子５として、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの材料、またはダイヤモンドといった材料を用いてもよい。このようなシリコンと比べ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を半導体素子５の基材として用いることができる。ワイドバンドギャップ半導体材料を用いて形成され、電流許容量および高温動作が可能な半導体素子５を用いた場合に、本実施の形態に係る半導体装置１は、特に顕著な効果が現れる。特に、炭化珪素を用いた電力用の半導体素子５を用いた半導体装置１に、本実施の形態に係る構成を好適に用いることができる。半導体素子５の種類としては、特に限定する必要はないが、ＩＧＢＴの他にＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いてもよい。半導体素子５としては、その他縦型半導体素子であればよい。
【００４７】
＜作用効果＞
本開示に従った半導体装置１は、側面を有するヒートシンク１００と、半導体素子５と、封止部材１０とを備える。半導体素子５は、ヒートシンク１００と熱的に接続される。半導体素子５はヒートシンク１００上に配置される。封止部材１０は、半導体素子５とヒートシンク１００とを封止する。封止部材１０は、ヒートシンク１００の側面１０１に接触する。ヒートシンク１００の側面１０１は、凹形状部１１３および凸形状部１１２を含む。凹形状部１１３および凸形状部１１２は、それぞれヒートシンク１００の厚み方向に沿って延びる。
【００４８】
このようにすれば、たとえば封止部材１０と側面１０１との間の界面の端部１０１ａから進展した剥離が、凸形状部１１２と凹形状部１１３とのつなぎ目などに到達することによって、封止部材１０とヒートシンク１００の側面１０１との摂食界面の形状が変わることから、当該つなぎ目において剥離の進展する速度を低下させることができる。そのため、当該剥離の進展に起因する、半導体装置１における放熱特性の劣化を抑制できる。
【００４９】
また、封止部材１０の形成時に、ヒートシンク１００の側面１０１に面する領域において封止部材１０中に気泡が発生した場合を考える。この場合、凹形状部１１３および凸形状部１１２がヒートシンク１００の厚み方向に沿って延びているので、当該気泡が凹形状部１１３または凸形状部１１２に沿って容易に移動できる。このため、ヒートシンク１００の側面近傍に気泡が残存する可能性を低減でき、結果的にヒートシンク１００の放熱特性の劣化を抑制できる。
【００５０】
上記半導体装置１において、ヒートシンク１００の厚み方向と直交する方向における凸形状部１１２の幅Ｌ１は、ヒートシンク１００の厚みＬ３より小さい。この場合、封止部材１０とヒートシンク１００の側面１０１の接合界面における下端である端部１０１ａであって凸形状部１１２下の領域から剥離が発生した時に、当該端部１０１ａから同心円状に進展する剥離がヒートシンク１００の上面にまで到達する前に、凸形状部１１２の幅方向の端部（形状の変化点である角部１２０）に剥離が到達する。当該端部では側面１０１の形状が急激に変化するため、剥離の進展速度が低下する。この結果、剥離がヒートシンク１００の上面にまで進展することを抑制でき、半導体装置１における放熱特性の劣化を抑制できる。
【００５１】
上記半導体装置１において、ヒートシンク１００の厚み方向と直交する方向における凹形状部１１３の幅Ｌ２は、ヒートシンク１００の厚Ｌ３みより小さい。この場合、封止部材１０とヒートシンク１００の側面１０１の接合界面における下端である端部１０１ａであって凹形状部１１３下の領域から剥離が発生した時に、当該端部１０１ａから同心円状に進展する剥離がヒートシンク１００の上面にまで到達する前に、凹形状部１１３の幅方向の端部（形状の変化点である角部１２０）に剥離が到達する。当該端部では側面１０１の形状が急激に変化するため、剥離の進展速度が低下する。この結果、剥離がヒートシンク１００の上面にまで進展することを抑制でき、半導体装置１における放熱特性の劣化を抑制できる。
【００５２】
上記半導体装置１において、凹形状部１１３と凸形状部１１２とは、ヒートシンク１００の厚み方向と直交する方向に並ぶように配置されている。この場合、ヒートシンク１００の側面１０１の広い領域において剥離の進展速度を低減することができる。凹形状部１１３と凸形状部１１２とは、ヒートシンク１００の側面１０１の全周に形成されていることが好ましい。この場合、側面１０１のいずれの場所において封止部材１０の剥離が発生しても、当該剥離の進展を抑制できる。
【００５３】
上記半導体装置１において、半導体素子５は、ワイドバンドギャップ半導体材料を含む。この場合、半導体装置１の動作温度範囲の上限を従来のシリコンを用いた半導体素子５を適用した半導体装置１より高くすることができる。このため、温度サイクルに起因する封止部材１０の剥離を抑制する本実施の形態に係る半導体装置の効果がより顕著である。
【００５４】
上記半導体装置１において、ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、およびダイヤモンドからなる群から選択される１種を含む。この場合、従来のシリコンを用いた半導体素子５を適用した半導体装置より、半導体装置１の動作温度範囲の上限を確実に高くすることができる。
【００５５】
実施の形態２．
＜半導体装置の構成＞
図９は、実施の形態２に係る半導体装置を構成するヒートシンクの部分模式図である。図１０は、実施の形態２に係る半導体装置の変形例１のヒートシンクを示す部分模式図である。図１１は、実施の形態２に係る半導体装置の変形例２のヒートシンクを示す部分模式図である。
【００５６】
図９に示した半導体装置は、基本的には図１〜図５に示した半導体装置と同様の構成を備えるが、ヒートシンク１００の構成が図１〜図５に示した半導体装置と異なっている。すなわち、図９に示した半導体装置１では、ヒートシンク１００の側面１０１に形成された凹形状部１１３が、第１凹部１１３ａと第２凹部１１３ｂとを含む。また、ヒートシンク１００の側面１０１に形成された凸形状部１１２は、第１凸部１１２ａと第２凸部１１２ｂとを含む。第１凹部１１３ａと第１凸部１１２ａとは、ヒートシンク１００の厚み方向と直交する方向、つまりヒートシンク１００の側面１０１における外周に沿った周方向に並ぶように配置される。第２凹部１１３ｂと第２凸部１１２ｂとは、ヒートシンク１００の厚み方向において第１凹部１１３ａおよび第１凸部１１２ａより半導体素子５側、つまり第１凹部１１３ａおよび第１凸部１１２ａより上側に位置する。図９では、ヒートシンク１００の側面１０１において、第１凸部１１２ａ上に第２凸部１１２ｂが配置されている。第１凸部１１２ａの幅Ｌ１と第２凸部１１２ｂの幅とは同じである。また、側面１０１において、第１凹部１１３ａ上に第２凹部１１３ｂが配置されている。第１凹部１１３ａの幅Ｌ２と第２凹部１１３ｂの幅とは同じである。第１凸部１１２ａと第２凸部１１２ｂとは接続部１１５において接続されている。第１凹部１１３ａと第２凹部１１３ｂとは接続部１１５において接続されている。第１凸部１１２ａと第２凸部１１２ｂと高さまたは表面粗さなどが互いに異なっていることが好ましい。また、第１凹部１１３ａと第２凹部１１３ｂとは深さまたは表面粗さなどが互いに異なっていることが好ましい。
【００５７】
また、第２凸部１１２ｂの長さＬ４は第１凸部１１２ａの幅Ｌ１より小さくてもよい。また、長さＬ４は幅Ｌ１と同じでもよく、大きくてもよい。第２凹部１１３ｂの長さＬ５は第１凹部１１３ａの幅Ｌ２より小さくてもよい。また、長さＬ５は幅Ｌ２と同じでもよく、大きくてもよい。
【００５８】
このようにすれば、第１凸部１１２ａと第２凸部１１２ｂまたは第１凹部１１３ａと第２凹部１１３ｂの接続部１１５において剥離の進展を阻害することができる。
【００５９】
図１０に示す半導体装置は、基本的には図９に示した半導体装置と同様の構成を備えるが、ヒートシンク１００の側面１０１の形状が図９に示した半導体装置と異なっている。すなわち、図１０に示した半導体装置では、ヒートシンク１００の厚み方向において、第１凹部１１３ａと第２凸部１１２ｂとが隣接して配置されている。また、第２凹部１１３ｂと第１凸部１１２ａとがヒートシンク１００の厚み方向において隣接して配置されている。この場合、図９に示した半導体装置と同様に、第１凹部１１３ａと第２凸部１１２ｂとの接続部１１５または第２凹部１１３ｂと第１凸部１１２ａとの接続部１１５において封止部材１０の剥離の進展を抑制できる。また、図１０に示した構成では、第１凸部１１２ａと第２凸部１１２ｂとの高さおよび表面粗さなどを同じにしてもよい。また、第１凹部１１３ａと第２凹部１１３ｂとの深さおよび表面粗さなどを同じにしてもよい。
【００６０】
図１１に示す半導体装置は、基本的には図１０に示した半導体装置と同様の構成を備えるが、ヒートシンク１００の側面１０１の形状が図１０に示した半導体装置と異なっている。すなわち、図１１に示した半導体装置では、第１凸部１１２ａの幅Ｌ２と第２凸部１１２ｂの幅Ｌ７とが異なる。また、第１凹部１１３ａの幅Ｌ１と第２凹部１１３ｂの幅ＺＬ６とが異なる。また、第１凸部１１２ａおよび第１凹部１１３ａの高さＬ８は第２凸部１１２ｂおよび第２凹部１１３ｂの高さＬ４と異なる。このような構成によっても、図１０に示した半導体装置と同様の効果を得ることができる。また、図１１に示した構成により、側面１０１の表面積をより大きくでき、封止部材１０と側面１０１との接続強度を向上させることができる。
【００６１】
＜作用効果＞
上記半導体装置において、凹形状部１１３は、第１凹部１１３ａと第２凹部１１３ｂとを含む。凸形状部１１２は、第１凸部１１２ａと第２凸部１１２ｂとを含む。第１凹部１１３ａと第１凸部１１２ａとは、ヒートシンク１００の厚み方向と直交する方向に並ぶように配置される。第２凹部１１３ｂと第２凸部１１２ｂとは、ヒートシンク１００の厚み方向において第１凹部１１３ａおよび第１凸部１１２ａより半導体素子５側に位置する。
【００６２】
このようにすれば、ヒートシンク１００の側面１０１において、第１凸部１１２ａおよび第１凹部１１３ａと第２凸部１１２ｂおよび第２凹部１１３ｂとの間に接続部１１５が形成される。このため、側面１０１においてヒートシンク１００の厚み方向に、封止部材１０の剥離の進展を阻害する部位（形状または表面状態が変化する変化点とっている領域）が形成される。この結果、側面１０１における封止部材１０の剥離の進展をより阻害することができる。
【００６３】
上記半導体装置１では、ヒートシンク１００の厚み方向において、第１凹部１１３ａと第２凸部１１２ｂとが隣接して配置されている。この場合、ヒートシンク１００の厚み方向において、側面１０１に第１凸部１１２ａから第２凹部１１３ｂへと側面１０１の形状が変わる顕著な変化点を形成できる。このため、側面１０１における封止部材１０の剥離の進展をより阻害することができる。
【００６４】
上記半導体装置１において、第１凸部１１２ａの幅Ｌ２と第１凹部１１３ａの幅Ｌ１とは同じでもよいが、異なっていてもよい。第２凸部１１２ｂの幅Ｌ７と第２凹部１１３ｂの幅Ｌ６とは同じでもよいが、異なっていてもよい。第１凸部１１２ａおよび第１凹部１１３ａの高さＬ８と、第２凸部１１２ｂおよび第２凹部１１３ｂの高さＬ４とは、同じでもよいが異なっていてもよい。これらの寸法については、半導体素子５の配置や使用条件などを考慮して適宜設定できる。
【００６５】
実施の形態３．
＜半導体装置の構成＞
図１２は、実施の形態３に係る半導体装置の部分拡大断面模式図である。図１３は、図１２に示した半導体装置を構成するヒートシンクの部分模式図である。図１４および図１５は、図１３に示したヒートシンクの凹形状部における部分断面模式図である。なお、図１４および図１５は、図１３に示した凹形状部１１３表面の領域１１７または領域１１８において、ヒートシンク１００の厚み方向と直交する方向に沿った断面を模式的に示している。
【００６６】
図１２および図１３に示した半導体装置は、基本的には図１〜図５に示した半導体装置と同様の構成を備えるが、ヒートシンク１００の構成が図１〜図５に示した半導体装置と異なっている。すなわち、図１２および図１３に示した半導体装置では、ヒートシンク１００の側面１０１（図２参照）に形成された凹凸１１１が、凸形状部１１２と凹形状部１１３とを含み、当該凹形状部１１３の表面が巨視的には曲面状となっている。さらに、凹形状部１１３の表面には、図１４に示すように微細凹凸部１１６が形成されている。微細凹凸部１１６は、微細凸形状部１６１と、微細凹形状部１６２とを含む。微細凸形状部１６１と微細凹形状部１６２とは、互いに交互に並ぶように配置されている。
【００６７】
複数の微細凸形状部１６１のピッチＬ１１は、たとえば０．３ｍｍ以上であってもよく、０．５ｍｍ以上であってもよく、１ｍｍ以下であってもよく、０．７ｍｍ以下であってもよい。なお、上記ピッチＬ１１は、図１４に示すように微細凸形状部１６１の頂面をつなぐ仮想の円弧に沿った長さとして規定されている。微細凸形状部１６１の高さＬ１３は、たとえば０．２ｍｍ以上であってもよく、０．３ｍｍ以上であってもよく、１ｍｍ以下であってもよく、０．７ｍｍ以下であってもよく、０．５ｍｍ以下であってもよい。なお、上記高さＬ１３は、たとえば微細凸形状部１６１の頂面に垂直な方向における、微細凹形状部１６２の底面から上記頂面までの距離として規定されている。
【００６８】
微細凸形状部１６１および微細凹形状部１６２は、ヒートシンク１００の厚み方向に対して斜めに延びるように、凹形状部１１３の内周面においてらせん状に延びるように形成されていてもよい。つまり、微細凸形状部１６１と微細凹形状部１６２とは、後述する図１６〜図１８に示すようにネジ溝として形成されていてもよい。このようにすれば、凹形状部１１３の表面において、ヒートシンク１００の厚み方向に沿って微細凸形状部１６１と微細凹形状部１６２とが交互に配置された構造とすることができる。つまり、凹形状部１１３の内周面において、当該ヒートシンク１００の厚み方向に沿った断面では微細凸形状部１６１と微細凹形状部１６２とが交互に配置されている。また、複数の凸部としての微細凸形状部１６１が、凹形状部１１３の内周面に分散配置されていてもよい。ヒートシンク１００の厚み方向に沿って複数の微細凸形状部１６１と微細凹形状部１６２とが交互に並んでいる場合、当該厚み方向に沿った断面での複数の微細凸形状部１６１のピッチはたとえば０．３ｍｍ以上であってもよく、０．５ｍｍ以上であってもよく、１ｍｍ以下であってもよく、０．７ｍｍ以下であってもよい。
【００６９】
微細凸形状部１６１の断面形状は、図１４に示すような台形状であってもよいが、三角形状であってもよく、半円状であってもよい。微細凸形状部１６１の表面は平面により構成されていてもよいが。曲面により構成されていてもよい。微細凹形状部１６２の断面形状はＶ字状であってもよい。微細凹形状部１６２は底面を有していてもよい。当該底面は平面であってもよいし、曲面であってもよい。
【００７０】
１つの凹形状部１１３の内部において、互いに異なる高さＬ１３を有する微細凸形状部１６１が形成されていてもよい。図１４に示す断面において、隣接する微細凸形状部１６１のピッチＬ１１が、１つの凹形状部１１３の内部において局所的に異なっていてもよい。また、１つの凹形状部１１３の内部において、ヒートシンク１００の厚み方向に沿った断面での、複数の微細凸形状部１６１のピッチが局所的に異なっていてもよい。
【００７１】
隣接する２つの凹形状部１３３において、微細凹凸部１１６のサイズまたは形状が異なっていてもよい。たとえば、図１３に示すように１つの凹形状部１１３の一部分である領域１１７には、図１４に示すような微細凹凸部１１６が形成され、他の１つの凹形状部１１３の一部分である領域１１８において、図１５に示すような微細凹凸部１１６が形成されていてもよい。図１５に示した微細凹凸部１１６において、ヒートシンク１００の厚み方向と直交する方向に沿った断面での微細凸形状部１６１のピッチＬ１２は、図１４に示した微細凸形状部１６１のピッチＬ１１より大きい。図１５に示した微細凸形状部１６１の高さＬ１４は、図１４に示した微細凸形状部１６１の高さＬ１３より大きい。
【００７２】
＜半導体装置の製造方法＞
図１６〜図１８は、図１２に示した半導体装置を構成するヒートシンクの製造方法を説明するための斜視模式図である。図１６〜図１８を用いて、図１２に示した半導体装置を構成するヒートシンクの製造方法を説明する。
【００７３】
まず、図１６に示すように、ヒートシンクとなるべき板状部材１７０を準備する。板状部材１７０は、複数のヒートシンク１００（図１７参照）が得られる大きさとなっている。当該板状部材１７０に、凹形状部１１３となるべき複数のネジ穴１７１を形成する。ネジ穴１７１の内周面にはらせん状にネジ溝が形成されている。当該ネジ溝は図１４または図１５に示した微細凹凸部１１６となる。
【００７４】
次に、図１７に示すように、一点鎖線で示される切断線において板状部材１７０を切断する。切断線はネジ穴１７１と重なるように配置される。この結果、板状部材１７０が切断されて得られるヒートシンク１００の端面には直線状に切断された平面部分（凸形状部）と、ネジ穴１７１の内周面であった凹形状部分とが形成される。図１８に示すように、上述した直線状に切断された部分が図１２の凸形状部１１２となり、上記凹形状部分が図１２の凹形状部１１３となる。なお、図１７では説明のため、縦方向の切断線と横方向の切断線との交点に重なるようにネジ穴１７１が配置されている構成を図示している。しかし、図１２または図１８などに示すヒートシンク１００を製造する場合、縦方向の切断線と横方向の切断線との隣接する交点の間の領域に、１つ以上のネジ穴１７１を配置すればよい。
【００７５】
板状部材１７０に形成される複数のネジ穴１７１について、そのサイズが互いに異なるような複数種類のネジ穴１７１を形成してもよい。このようにすれば、サイズや形状の異なる凹形状部１１３および凸形状部１１２を有するヒートシンク１００が得られる。また、上述のように微細凹凸部１１６のサイズや形状を凹形状部１１３ごとに変更する場合、ネジ穴１７１ごとにネジ溝のピッチや高さを変更すればよい。
【００７６】
なお、微細凹凸部１１６の製造方法としては、上述のようなネジ穴１７１を形成する方法以外の任意の方法を用いてもよい。
【００７７】
＜作用効果＞
上記半導体装置において、凹形状部１１３の表面は、複数の微細凸形状部１６１と複数の微細凹形状部１６２とを含む。複数の微細凸形状部１６１と複数の微細凹形状部１６２とは、ヒートシンク１００の厚み方向に沿った断面において、当該厚み方向に沿って並ぶように配置されていてもよい。
【００７８】
この場合、ヒートシンク１００の側面１０１において、ヒートシンク１００の厚み方向に封止部材１０が側面１０１から剥離した部分が進展することを阻害する構造を形成できる。この結果、側面１０１において凹凸１１１と微細凹凸部１１６との相乗効果により、封止部材１０の剥離した部分の進展をより阻害することができ、半導体装置の健全性を向上させることができる。
【００７９】
上記半導体装置において、複数の微細凸形状部１６１と複数の微細凹形状部１６２とは、ヒートシンク１００の厚み方向と直交する方向に沿った断面において、図１４または図１５に示すように厚み方向と直交する方向に沿って並ぶように配置されていてもよい。厚み方向と直交する方向に沿って並ぶ複数の微細凸形状部１６１が、互いにサイズの異なる微細凸形状部１６１を含んでいてもよい。つまり、上記厚み方向と直交する方向に沿って並ぶ複数の微細凸形状部１６１のうちの少なくとも２つについて、互いにサイズが異なっていてもよい。サイズの異なる２つの微細凸形状部１６１は、１つの凹形状部１１３の内部に配置されていてもよいし、異なる凹形状部１１３の内部にそれぞれ配置されていてもよい。この場合、微細凸形状部１６１のサイズ（たとえばピッチＬ１１、Ｌ１２または高さＬ１３、Ｌ１４）を変更することで、封止部材１０の剥離抑制効果の程度を調整することができる。
【００８０】
実施の形態４．
本実施の形態は、上述した実施の形態１から実施の形態３のいずれかに係る半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本開示は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態４として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。
【００８１】
図１９は、本実施の形態に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【００８２】
図１９に示す電力変換システムは、電源１５０、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１５０は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１５０は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１５０を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
【００８３】
電力変換装置２００は、電源１５０と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１５０から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図１９に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
【００８４】
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
【００８５】
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１５０から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子や各還流ダイオードは、上述した実施の形態１または実施の形態２のいずれかに相当する半導体装置を含む半導体モジュール２０２によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
【００８６】
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体モジュール２０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
【００８７】
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
【００８８】
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１または実施の形態２に係る半導体装置を含む半導体モジュールを適用するため、電力変換装置の信頼性を向上させることができる。
【００８９】
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本開示を適用する例を説明したが、本開示は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本開示を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本開示を適用することも可能である。
【００９０】
また、本開示を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
【００９１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態の少なくとも２つを組み合わせてもよい。本開示の基本的な範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
【符号の説明】
【００９２】
１  半導体装置、５，６  半導体素子、１０  封止部材、１１Ｃ，１１Ｐ，１２  ボンディングワイヤ、１３Ｃ  制御リード、１３Ｃｉ，１３Ｐｉ  内部リード、１３Ｃｔ，１３Ｐｔ  端子部、１３Ｐ  パワーリード、１３Ｐｆ  ダイパッド、１４  絶縁シート、１５  はんだ、１８，１７１  ネジ穴、１００  ヒートシンク、１０１  側面、１０１ａ  端部、１０２  裏面、１１１  凹凸、１１２  凸形状部、１１２ａ  第１凸部、１１２ｂ  第２凸部、１１３  凹形状部、１１３ａ  第１凹部、１１３ｂ  第２凹部、１１４，１１５  接続部、１１６  微細凹凸部、１１７，１１８  領域、１２０  角部、１３１，１３２  表面、１５０  電源、１６１  微細凸形状部、１６２  微細凹形状部、１７０  板状部材、２００  電力変換装置、２０１  主変換回路、２０２  半導体モジュール、２０３  制御回路、３００  負荷。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年5月11日(2021.5.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
側面を有するヒートシンクと、
前記ヒートシンクと熱的に接続されるとともに前記ヒートシンク上に配置された半導体素子と、
前記半導体素子と前記ヒートシンクとを封止するとともに、前記ヒートシンクの前記側面に接触する封止部材と、を備え、
前記側面は、凹形状部および凸形状部を含み、
前記凹形状部および前記凸形状部は、それぞれ前記ヒートシンクの厚み方向に沿って延び、
前記ヒートシンクの前記厚み方向と直交する方向における前記凸形状部の幅は、前記ヒートシンクの厚みより小さい、半導体装置。
【請求項２】
前記ヒートシンクの前記厚み方向と直交する方向における前記凹形状部の幅は、前記ヒートシンクの厚みより小さい、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記凹形状部と前記凸形状部とは、前記ヒートシンクの前記厚み方向と直交する方向に並ぶように配置されている、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記凹形状部は、第１凹部と第２凹部とを含み、
前記凸形状部は、第１凸部と第２凸部とを含み、
前記第１凹部と前記第１凸部とは、前記ヒートシンクの前記厚み方向と直交する方向に並ぶように配置され、
前記第２凹部と前記第２凸部とは、前記ヒートシンクの前記厚み方向において前記第１凹部および前記第１凸部より前記半導体素子側に位置する、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ヒートシンクの前記厚み方向において、前記第１凹部と前記第２凸部とが隣接して配置されている、請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料を含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化珪素、窒化ガリウム、およびダイヤモンドからなる群から選択される１種を含む、請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記凹形状部の表面は、複数の微細凸形状部と複数の微細凹形状部とを含み、
前記複数の微細凸形状部と前記複数の微細凹形状部とは、前記ヒートシンクの前記厚み方向に沿った断面において、前記厚み方向に沿って並ぶように配置されている、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記複数の微細凸形状部と前記複数の微細凹形状部とは、前記ヒートシンクの前記厚み方向と直交する方向に沿った前記断面において、
前記厚み方向と直交する前記方向に沿って並ぶように配置され、
前記厚み方向と直交する前記方向に沿って並ぶ前記複数の微細凸形状部のうちの少なくとも２つについて、互いにサイズが異なっている、請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
請求項１記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
を備えた電力変換装置。
【国際調査報告】
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