半導体モジュール及びその製造方法
【課題】表裏両面に電極を備えた半導体素子が実装される回路基板および半導体モジュールの製造効率の向上。
【解決手段】半導体モジュールは、放熱器と、配線パターンが形成され、表裏両面に電極を有する配線基板と、配線基板の所定面側に配置された半導体素子と、配線基板の所定面上に配置され、半導体素子と配線パターンとを接続するための配線部および配線部を除く他の部分において半導体素子と配線基板との間を絶縁する絶縁接合部を有する接合部と、前記半導体素子の所定面側に配置された電極配線と、前記放熱器に接着されることなく載置された絶縁層と、を備える。接合部は、第１の接合開始温度を有する第１接合層と、第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する第２接合層とを有する。
【解決手段】半導体モジュールは、放熱器と、配線パターンが形成され、表裏両面に電極を有する配線基板と、配線基板の所定面側に配置された半導体素子と、配線基板の所定面上に配置され、半導体素子と配線パターンとを接続するための配線部および配線部を除く他の部分において半導体素子と配線基板との間を絶縁する絶縁接合部を有する接合部と、前記半導体素子の所定面側に配置された電極配線と、前記放熱器に接着されることなく載置された絶縁層と、を備える。接合部は、第１の接合開始温度を有する第１接合層と、第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する第２接合層とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子と配線基板と放熱器を含む半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、表裏両面に電極を備える半導体素子と、半導体素子の各々の面に接合される第１、第２の配線基板と、第１、第２の配線基板と半導体素子の間を接合する接合層とを備える多層構造の半導体モジュールが利用されている。このような半導体モジュールは、例えば、第１の配線基板側に形成されている第１接合層と、第２の配線基板側に形成され、半導体素子を収容可能に形成されている開口部を有する第２接合層とが積層されてなる接合層を利用して製造される。
【０００３】
具体的には、第２接合層の開口部に半導体素子を実装し、第１接合層上に配置されている第１の配線基板と半導体素子との接合状態を検査する第１工程と、検査後に、第２接合層の、第１接合層が積層されている面とは反対側の面上に第２の配線基板を配置して、半導体素子を第１、第２の配線基板により挟み込み、配線基板、半導体素子および接合層を一体的に加熱圧着することにより、半導体素子と配線基板とが封止・接合される第２工程とを経て、半導体モジュールが製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２８７８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した技術では、第１接合層と第２接合層とが同一の材料によって形成されている場合、第１工程と第２工程の各工程における加熱処理において、第１接合層、第２接合層がほぼ同じタイミングで軟化し始めるため、各工程において、種々の問題が生じる。例えば、第１工程において、半導体素子の実装に用いられる加圧治具に第２接合層が浸食することによる製造工程の煩雑化や、第１工程において既に第１の配線基板と接合されている第１接合層が再度軟化することによる第１接合層の過度の変形、第２接合層への加圧力の低減などの問題が生じる。
【０００６】
本発明は、多層構造を有する接合層を用いた回路基板を備える半導体モジュールの製造効率を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
回路基板であって、ビアおよび配線パターンが形成された配線基板と、前記配線基板の前記第１の面上に配置され、半導体素子と前記配線基板とを接合するとともに、無機系材料を主成分とする接合部であって、前記配線基板側に配置されている第１接合層と、前記半導体素子側に配置されている第２接合層とからなる接合部と、を備え、前記第１接合層は、前記ビアに対応する部位に形成されている少なくとも一つの貫通孔と、前記貫通孔内に配置され、前記半導体素子に形成されている電極と前記配線基板とを導通するための導電接合部とを備え、前記配線基板と接合を開始する温度である第１の接合開始温度を有し、前記第２接合層は、前記貫通孔と連通し、前記半導体素子を配置するための開口部を備え、前記半導体素子と接合を開始する温度であって、前記第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する、回路基板。
【０００９】
適用例１の回路基板によれば、配線基板と半導体素子とを接合するための接合層は、第１の接合開始温度を有する第１接合層と、第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する第２接合層とから形成されている。従って、配線基板と半導体素子との接合時における加熱・圧着時において、第１接合層と第２接合層の各々と、配線基板、半導体素子やその他の電子部品とは、異なるタイミングで接合が開始される。よって、第１接合層、第２接合層がほぼ同じタイミングで接合を開始する場合に生じる種々の問題を抑制でき、回路基板を用いて半導体モジュールを製造する場合における製造効率を向上できる。
【００１０】
［適用例２］
適用例１に記載の回路基板において、前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも低いことを特徴とする、回路基板。
【００１１】
適用例２の回路基板によれば、第１の接合開始温度は、第２の接合開始温度よりも低い。従って、第１の接合開始温度で行われる半導体実装時の加熱・加圧処理において、第２接合層の変形が抑制される。よって、半導体実装時における、半導体実装に利用される加圧治具に第２接合層が浸食することを抑制できるので、製造工程の煩雑化が抑制され、製造効率を向上できる。
【００１２】
［適用例３］
適用例１に記載の回路基板において、前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高いことを特徴とする、回路基板。
【００１３】
適用例３の回路基板によれば、第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高い。従って、第２の接合開始温度で第２接合層と他の部品とを接合する際に、既に半導体素子や配線基板と接合されている第１接合層が、再度の加熱・加圧により、過度に変形したり、第２接合層への加圧力が低減したりすることを抑制できる。よって、回路基板を用いて半導体モジュールを製造する場合における製造効率を向上できる。
【００１４】
［適用例４］
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の回路基板において、前記第１の接合開始温度は、前記第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であり、前記第２の接合開始温度は、前記第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であることを特徴とする、回路基板。
【００１５】
適用例４の回路基板によれば、第１の接合開始温度は、第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上とされ、第２の接合開始温度は、第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上とされている。従って、第１接合層、第２接合層の各々について、融点まで加熱することなく他部材との接合を行うことができる。また、第１の接合開始温度を、第１接合層を構成する材料の溶融開始温度以上とし、第２の接合開始温度を、第２接合層を構成する材料の溶融開始温度以上とすれば、第１接合層および第２接合層を確実に溶融、軟化させることができ、各接合層と他の部材との接合強度を向上できる。
【００１６】
［適用例５］
半導体モジュールであって、ビアおよび配線パターンが形成された配線基板と、前記配線基板の第１の面側に配置される半導体素子と、前記配線基板の前記第１の面上に配置され、半導体素子と前記配線基板とを接合するとともに、無機系材料を主成分とする接合部であって、前記配線基板側に配置されている第１接合層と、前記半導体素子側に配置されている第２接合層とからなる接合部と、を備え、前記第１接合層は、前記ビアに対応する部位に形成されている少なくとも一つの貫通孔と、前記貫通孔内に配置され、前記半導体素子に形成されている電極と前記配線基板とを導通するための導電接合部とを備え、前記配線基板と接合を開始する温度である第１の接合開始温度を有し、前記第２接合層は、前記貫通孔と連通し、前記半導体素子を配置するための開口部を備え、前記半導体素子と接合を開始する温度であって、前記第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する、半導体モジュール。
【００１７】
適用例５の半導体モジュールによれば、配線基板と半導体素子とを接合するための接合層は、第１の接合開始温度を有する第１接合層と、第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する第２接合層とから形成されている。従って、配線基板と半導体素子との接合時における加熱・圧着時において、第１接合層と第２接合層の各々と、配線基板、半導体素子やその他の電子部品とは、異なるタイミングで接合が開始される。よって、第１接合層、第２接合層がほぼ同じタイミングで接合を開始する場合に生じる種々の問題を抑制でき、回路基板を用いて半導体モジュールを製造する場合における製造効率を向上できる。
【００１８】
［適用例６］
適用例５記載の半導体モジュールであって、前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも低いことを特徴とする、半導体モジュール。
【００１９】
適用例６の半導体モジュールによれば、第１の接合開始温度は、第２の接合開始温度よりも低い。従って、第１の接合開始温度で行われる半導体実装時の加熱・加圧処理において、第２接合層の変形が抑制される。よって、半導体実装時に、半導体実装に利用される加圧治具に第２接合層が浸食することを抑制できるので、製造工程の煩雑化が抑制され、製造効率を向上できる。
【００２０】
［適用例７］
適用例５記載の半導体モジュールにおいて、前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高いことを特徴とする、半導体モジュール。
【００２１】
適用例７の半導体モジュールによれば、第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高い。従って、第２の接合開始温度で第２接合層と他の部品とを接合する際に、既に半導体素子や配線基板と接合されている第１接合層が、再度の加熱・加圧により、過度に変形したり、第２接合層への加圧力が低減したりすることを抑制できる。よって、回路基板を用いて半導体モジュールを製造する場合における製造効率を向上できる。
【００２２】
［適用例８］
適用例５ないし適用例７のいずれかに記載の半導体モジュールにおいて、前記第１の接合開始温度は、前記第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であり、前記第２の接合開始温度は、前記第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であることを特徴とする、半導体モジュール。
【００２３】
適用例８の半導体モジュールによれば、第１の接合開始温度は、第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上とされ、第２の接合開始温度は、第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上とされている。従って、第１接合層、第２接合層の各々について、融点まで加熱することなく他部材との接合を行うことができる。また、第１の接合開始温度を、第１接合層を構成する材料の溶融開始温度以上とし、第２の接合開始温度を、第２接合層を構成する材料の溶融開始温度以上とすれば、第１接合層および第２接合層を確実に溶融、軟化させることができ、各接合層と他の部材との接合強度を向上できる。
【００２４】
［適用例９］
半導体モジュールの製造方法であって、ビアおよび配線パターンを有する第１の配線基板を作製する工程と、表面配線を有する第２の配線基板を作製する工程と、前記第１の配線基板と半導体素子とを接合するとともに、第１接合層および第２接合層からなる無機系材料を主成分とする接合部と、前記第１の配線基板とを接合する工程であって、前記第１接合層の、前記ビアに対応する部位に少なくとも一つの貫通孔を形成すること、前記半導体素子の表側に形成されている第１の電極と前記第１の配線基板とを導通するための導電接合部を前記貫通孔内に配置すること、前記貫通孔と連通し、前記半導体素子を配置するための開口部を前記第２接合層に形成すること、前記第１接合層が前記第１の配線基板に対向するように、前記第１接合層および前記第２接合層を積層配置する工程と、前記第１の電極と前記導電接合部とが導通可能となるように、前記半導体素子を前記開口部内に配置する工程と、前記第１の配線基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第１接合層が前記配線基板と接合を開始する温度である第１の接合開始温度で加熱圧着して第１の拡散接合を行う工程と、前記半導体素子の裏側に形成されている第２の電極と前記第２の配線基板の前記表面配線とが導通可能となるように、前記第２の配線基板を配置する工程と、前記第２の配線基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第２接合層が前記半導体素子と接合を開始する温度であって、前記第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する第２の接合開始温度で加熱圧着して第２の拡散接合を行う工程と、を備える半導体モジュールの製造方法。
【００２５】
適用例９の半導体モジュールの製造方法によれば、配線基板と半導体素子とを接合するための接合層は、第１の接合開始温度を有する第１接合層と、第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する第２接合層とから形成されている。従って、配線基板と半導体素子との接合時における加熱・圧着時において、第１接合層と第２接合層の各々と、配線基板、半導体素子やその他の電子部品とは、異なるタイミングで接合が開始される。よって、第１接合層、第２接合層がほぼ同じタイミングで接合を開始する場合に生じる種々の問題を抑制でき、回路基板を用いて半導体モジュールを製造する場合における製造効率を向上できる。
【００２６】
［適用例１０］
適用例９記載の半導体モジュールの製造方法であって、前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも低いことを特徴とする、半導体モジュールの製造方法。
【００２７】
適用例１０の半導体モジュールの製造方法によれば、第１の接合開始温度は、第２の接合開始温度よりも低い。従って、第１の接合開始温度で行われる半導体実装時の加熱・加圧処理において、第２接合層の変形が抑制される。よって、半導体実装時に、半導体実装に利用される加圧治具に第２接合層が浸食することを抑制できるので、製造工程の煩雑化が抑制され、製造効率を向上できる。
【００２８】
［適用例１１］
適用例９記載の半導体モジュールの製造方法において、前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高いことを特徴とする、半導体モジュールの製造方法。
【００２９】
適用例１１の半導体モジュールの製造方法によれば、第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高い。従って、第２の接合開始温度で第２接合層と他の部品とを接合する際に、既に半導体素子や配線基板と接合されている第１接合層が、再度の加熱・加圧により、過度に変形したり、第２接合層への加圧力が低減したりすることを抑制できる。よって、回路基板を用いて半導体モジュールを製造する場合における製造効率を向上できる。
【００３０】
［適用例１２］
適用例９ないし適用例１１のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法において、前記第１の接合開始温度は、前記第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であり、前記第２の接合開始温度は、前記第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であることを特徴とする、半導体モジュールの製造方法。
【００３１】
適用例１２の半導体モジュールの製造方法によれば、第１の接合開始温度は、第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上とされ、第２の接合開始温度は、第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上とされている。従って、第１接合層、第２接合層の各々について、融点まで加熱することなく他部材との接合を行うことができる。また、第１の接合開始温度を、第１接合層を構成する材料の溶融開始温度以上とし、第２の接合開始温度を、第２接合層を構成する材料の溶融開始温度以上とすれば、第１接合層および第２接合層を確実に溶融、軟化させることができ、各接合層と他の部材との接合強度を向上できる。
【００３２】
［適用例１３］
適用例９ないし適用例１２のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法において、前記第１の拡散接合において、前記第１接合層は、前記第１の接合開始温度で加熱圧着されることにより軟化し、前記貫通孔と前記第１の電極との間の空隙を充填する、半導体モジュールの製造方法。
【００３３】
適用例１３の半導体モジュールの製造方法によれば、第１接合層は、第１の接合開始温度で加熱圧着されることにより軟化し、貫通孔と第１の電極との間の空隙を充填するように変形する。従って、半導体素子の損傷の抑制および第１の配線基板と第２の配線基板との間の絶縁性の向上による半導体素子の沿面放電の抑制を図ることができる。
【００３４】
［適用例１４］
適用例９ないし適用例１３のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法において、前記第２の拡散接合において、前記第２接合層は、前記第２の接合開始温度で加熱圧着されることにより軟化し、前記開口部と前記半導体素子との間の空隙を充填する、半導体モジュールの製造方法。
【００３５】
適用例１４の半導体モジュールの製造方法によれば、第２接合層は、第２の接合開始温度で加熱圧着されることにより軟化し、開口部と半導体素子との間の空隙を充填するように変形する。従って、半導体素子の損傷の抑制および第１の配線基板と第２の配線基板との間の絶縁性の向上による半導体素子の沿面放電の抑制を図ることができる。
【００３６】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、半導体モジュールを搭載した電力変換装置等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例としての半導体モジュールの構成を示す断面図。
【図２】第１実施例における接合部２０の概略構成を説明する断面図。
【図３】第１実施例における半導体モジュールの製造方法の手順を示すフローチャート。
【図４】第１接合層１３０の作製について説明する説明図。
【図５】第２接合層１４０の作製について説明する説明図。
【図６】図３に示す組み立て処理の詳細手順を示すフローチャート。
【図７】ステップＳ４０５における回路基板７０の作製について説明する説明図。
【図８】ステップＳ４１５における接合工程について説明する説明図。
【図９】ステップＳ４１５における半導体素子３０の電極部３２と導電接合部１３６との接合状態について説明する部分拡大断面図。
【図１０】ステップＳ４４０における回路基板７０への放熱基板８０および放熱器５０の取り付けについて説明する説明図。
【図１１】ステップＳ４４０における接合部２０半導体素子３０および放熱基板８０の接合状態について説明する部分拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．半導体モジュールの構成：
図１は、本発明の一実施例としての半導体モジュールの構成を示す断面図である。この半導体モジュール１００は、いわゆるパワーモジュールであり、自動車等における電力制御等に用いられる。半導体モジュール１００は、配線基板１０と、複数の半導体素子３０と、接合部２０と、放熱基板８０と、放熱器５０と、複数のネジ１９と、を備えている。半導体モジュール１００は、各構成要素（ネジ１９を除いた、配線基板１０，複数の半導体素子３０，接合部２０，放熱器５０，放熱基板８０）が積層された多層構造を有している。具体的には、放熱器５０の上には放熱基板８０が配置され、放熱基板８０の上には半導体素子３０と接合部２０が配置され、接合部２０の上には配線基板１０が配置され、ネジ１９によって配線基板１０と放熱器５０とが締結されている。なお、配線基板１０の上には、低発熱部品２００が積層され得る。低発熱部品２００は、半導体素子３０に比べて発熱量が低い電子部品であり、例えば、制御用半導体素子やコンデンサ等が該当する。第１実施例において、配線基板１０、放熱基板８０は、それぞれ、特許請求の範囲における「第１の配線基板」、「第２の配線基板」に当たる。
【００３９】
配線基板１０は、セラミックス層１１と、制御回路用配線１２と、主電力ストレートビア１３と、上部表面配線１４と、下部表面配線１５と、第１絶縁接合部１６と、ネジ収容部１７と、放熱層１８とを備えている。
【００４０】
セラミックス層１１は、セラミックス材料、もしくはガラス成分を混合したガラスセラミックス材料により形成されている。セラミックス材料としては、例えば、酸化アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）などを採用し得る。制御回路用配線１２は、セラミックス層１１内部に形成された配線であり、制御用信号（半導体素子３０駆動用の信号）の伝送等に用いられる。主電力ストレートビア１３は、セラミックス層１１を厚み方向（積層方向）に貫通する導電性部材であり、上部表面配線１４と下部表面配線１５とを電気的に接続する。下部表面配線１５は、セラミックス層１１の表面のうち、接合部２０と接する表面（以下、「第１表面」と呼ぶ）に配置されている。上部表面配線１４は、セラミックス層１１の表面のうち、低発熱部品２００が接合され得る面（以下、「第２表面」と呼ぶ）に配置されている。第１絶縁接合部１６は、絶縁性の無機系材料を主成分としたガラス組成物で形成されており、第２表面において上部表面配線１４の周囲に配置されている。
【００４１】
なお、上述したセラミックス内部に形成される制御回路用配線１２や主電力ストレートビア１３の基材としては、例えば、銀や銅、タングステンやモリブデンなどの任意の導電性材料を採用することが望ましい。さらに、セラミックス層１１との同時焼結が可能な導電性材料を採用することができる。表面配線１４，１５では上述の制御回路用配線１２と同様の材料を採用しても良いし、セラミックス層１１と、制御回路用配線１２と、主電力ストレートビア１３とからなる多層配線基板を同時焼結した後に、銀や銅やニッケルやアルミニウム等の導電性材料をめっきや印刷等の別プロセスで形成しても良い。なお、図１では、配線基板１０と接合部２０との接合界面において、下部表面配線１５の層厚に対応する段差が形成されるように記載されているが、実際は、下部表面配線１５は薄膜状に形成されており、配線基板１０と接合部２０との接合界面に、図示するような段差はほとんど生じない。また、配線基板１０と接合部２０との接合界面に段差に対応した、接合部２０と同種の材料による段差補正層を設けてもよい。よって、以降、本明細書、図面では、下部表面配線１５の記載を省略して記載することがある。
【００４２】
ネジ収容部１７は、第１絶縁接合部１６とセラミックス層１１と接合部２０と電極配線層４５と絶縁基板４０を貫く長孔であり、ネジ１９を収容する。ネジ収容部１７の収容面は、熱伝導性に優れる材料により被覆されている。かかる材料としては、例えば、銀や銅やニッケルやアルミニウム等を採用することができる。後述するように、ネジ収容部１７は、半導体素子３０から発せされる熱の放熱経路の一部を形成している。そこで、半導体モジュール１００では、ネジ収容部１７の収容面を熱伝導性に優れる材料により被覆することにより、放熱性を向上させている。被覆方法としては、高熱伝導性材料を含むペーストをネジ収容部１７の収容面に塗布したり、高熱伝導性材料をネジ収容部１７の収容面にめっきする方法を採用することができる。なお、ネジ収容部１７の少なくとも一部にネジ山を形成することもできる。
【００４３】
放熱層１８は、セラミックス層１１内部において、セラミックス層１１と平行に配置されている。放熱層１８は、熱伝導性に優れる任意の材料で形成することができ、例えば、上述の制御回路用配線１２や主電力ストレートビア１３の基材と同様に、銀や銅、タングステン、モリブデンなどのセラミックス層との同時焼結が可能な任意の導電性材料を採用することができる。放熱層１８には、図示しない複数の貫通口が設けられており、制御回路用配線１２及び主電力ストレートビア１３は、かかる貫通口に配置されているため、半導体素子３０とは電気的に未接続であり、放熱層は電気配線に対し関与しない構成となっている。また放熱層１８の縁部の一部は、ネジ収容部１７の収容面およびネジ１９と接しており、配線基板１０の内部からの連続した放熱経路を形成する事ができる。
【００４４】
半導体素子３０は、電力用半導体素子（パワーデバイス）であり、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)や、ダイオード（ショットキーバリアダイオード等）などを採用することができる。半導体素子３０は、下部表面配線１５および後述の電極配線と電気的に接続するための電極部３２および電極配線層３９を備える。電極部３２は、電極パッドとバンプ（突起状金属端子）とからなる。電極部３２および電極配線層３９は、それぞれ、特許請求の範囲における「第１の電極」、「第２の電極」に当たる。
【００４５】
接合部２０は、半導体素子３０と配線基板１０、放熱基板８０とを絶縁する絶縁性の薄いガラスシートである。接合部２０は、絶縁性の無機系材料を主成分とし、半導体素子の実装時の加熱工程により軟化する粉末ガラスにより形成されている。粉末ガラスは、例えば、酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化ホウ素、酸化ビスマスなどから形成される。接合部２０の詳細な構成について図２を参照して説明する。
【００４６】
図２は、第１実施例における接合部２０の概略構成を説明する断面図である。図２では、半導体素子実装時における半導体素子と接合部２０との位置関係を説明するために、半導体素子３０も合わせて記載されている。接合部２０は、第１接合層１３０、第２接合層１４０とからなる。
【００４７】
第１接合層１３０は、Ｂｉ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とからなる粉末ガラスによって形成され、配線基板１０と半導体素子３０とを絶縁する。第１接合層１３０は、下部表面配線１５に対応する位置Ｐに形成された少なくとも一つの貫通孔１３５と、貫通孔１３５内に配置された導電接合部１３６と、を有する。換言すれば、第１接合層１３０の貫通孔１３５は、後述する第２接合層１４０の開口部１４５の天面１４５ａに形成されている。貫通孔１３５内に導電接合部１３６が配置されることにより、導電接合部１３６と貫通孔１３５の側壁１３５ａとによって窪み部１３７が形成される。なお、配線基板１０と接合部２０との接合界面に段差に対応した段差補正部が配置される場合、段差補正部は、第１接合層１３０の一部として構成されてもよい。
【００４８】
第１接合層１３０は、第１接合層１３０と配線基板１０および半導体素子３０とが接合を開始する温度である第１の接合開始温度を有する。第１の接合開始温度とは、第１接合層１３０を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する焼結開始温度以上の温度である。第１接合層１３０を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度とは、第１接合層１３０を構成する成分の少なくとも一部による液相の形成、もしくは、固相での接着界面の反応による焼結反応の開始温度である。第１接合層１３０が溶融していなくとも、ごく一部の成分の液相発生によって、焼結固着が進行し、他の部材との接合が開始される。第１接合層１３０を構成するＢｉ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とからなる粉末ガラスの焼結反応の開始温度は、３５７℃である。よって、第１の接合開始温度は、３５７℃以上であればよく、例えば、融点、軟化点以上の温度としてもよい。第１実施例では、第１の接合開始温度は、第１接合層１３０を構成する粉末ガラス（Ｂｉ2Ｏ3とＢ2Ｏ3）の軟化点（４３５℃）よりも若干高い４５０℃である。
【００４９】
導電接合部１３６は、導電性の金属を主成分として形成されている。導電性の金属として、例えば、銅、銀、錫、アルミニウムなどを用いてもよい。導電接合部１３６は、半導体素子３０が開口部１４５に配置されると、半導体素子３０の電極部３２と配線基板１０とを導通する。
【００５０】
第２接合層１４０は、Ｎａ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とＳｉＯ2とからなる粉末ガラスから形成され、半導体素子３０と放熱基板８０とを絶縁する。また、第２接合層１４０は、配線基板１０が積層される第１の面１３１とは異なる第２の面１３２側に形成されているとともに、貫通孔１３５と連通し、半導体素子３０を配置するための開口部１４５を有する。半導体素子３０が開口部１４５に配置されると、半導体素子３０の電極部３２は貫通孔１３５内に収容され、電極部３２と配線基板１０とが導通される。
【００５１】
第２接合層１４０は、第２接合層１４０と放熱基板８０および半導体素子３０とが接合を開始する温度であって、第１の接合開始温度より高い第２の接合開始温度を有する。第２の接合開始温度とは、第２接合層１４０を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する焼結開始温度以上の温度である。第２接合層１４０を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度とは、第２接合層１４０を構成する成分の少なくとも一部による液相の形成、もしくは、固相での接着界面の反応による焼結反応の開始温度である。第２接合層１４０が溶融していなくとも、ごく一部の成分の液相発生によって、焼結固着が進行し、他の部材との接合が開始される。第２接合層１４０を構成するＮａ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とＳｉＯ2とからなる粉末ガラスの焼結反応の開始温度は、第１の接合開始温度である３５７℃よりも高い４９５℃である。よって、第２の接合開始温度は、４９５℃以上であればよく、例えば、融点、軟化点以上の温度としてもよい。第１実施例では、第２の接合開始温度は、第２接合層１４０を構成する粉末ガラス（Ｎａ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とＳｉＯ2）の軟化点（５８５℃）より若干高い６００℃である。
【００５２】
また、図２に示すように、開口部１４５は、半導体素子３０の側面３４と、開口部１４５の側壁１４５ｂとの間に、数ｎｍ〜数ｍｍ程度の空隙が生じるように、半導体素子３０の筐体３１の外形より大きく形成されている。こうすることにより、開口部１４５への半導体素子３０の嵌め込みを円滑に行うことができる。
【００５３】
放熱基板８０は、絶縁基板４０と、絶縁基板４０上に配置されている電極配線層４５とを有し、電極配線層４５が半導体素子３０に対向するように配置されている。
【００５４】
電極配線層４５は、電極配線４６と、第３絶縁接合部４７とを備えている。電極配線４６は、半導体素子３０および主電力ストレートビア１３と接続されている。第３絶縁接合部４７は、電極配線４６の周囲に配置されている。第３絶縁接合部４７は、絶縁性材料で形成されており、電極配線４６と配線基板１０との間の絶縁性を確保する。なお、本実施例では、第３絶縁接合部４７は、第２接合層１４０と同じ基材により形成されている。また、第３絶縁接合部４７が、第２接合層１４０と異なる基材の場合、第３絶縁接合部４７と接合部２０との接合界面に、接合部分の段差に対応した、接合部２０と同種の材料による段差補正層を設けてもよい。段差補正部は、第２接合層１４０の一部として構成されてもよい。
【００５５】
絶縁基板４０は、半導体素子３０と放熱器５０との間の絶縁性および電極配線４６と放熱器５０との間の絶縁性を確保する。本実施例では、絶縁基板４０の基材として上述したセラミックス材料を採用する。絶縁基板４０と放熱器５０とは、互いに接着されることなく密着されている。このように接着されることなく密着されているのは、以下の理由による。
【００５６】
絶縁基板４０の基材（セラミックス）と放熱器５０の基材（金属）とは互いに熱膨張率が異なるため、絶縁基板４０と放熱器５０とが接着されていると、半導体素子３０の熱により半導体モジュール１００が高温となった際に絶縁基板４０と放熱器５０との間もしくは、放熱器５０の変形に追従して生じる絶縁基板４０および電極配線層４５（特に、半導体素子３０と接して配置される電極配線４６）の変形に起因した半導体素子３０と電極配線層４５（電極配線４６）との接合界面において大きな応力が発生し得る。
【００５７】
これに対して、絶縁基板４０と放熱器５０とが接着されずに接して配置されていると、絶縁基板４０又は放熱器５０は、絶縁基板４０と放熱器５０の界面で滑る（ずれる）ことができるので、絶縁基板４０と放熱器５０との接合界面に発生し得る応力ならびに絶縁基板４０および電極配線層４５（電極配線４６）の変形とそれに起因する絶縁基板４０と電極配線層４５（電極配線４６）との接合界面に発生し得る応力の発生を抑制し、また、発生する応力を低減できるので、絶縁基板４０および放熱器５０の破損、ならびに絶縁基板４０の変形とそれに起因する絶縁基板４０と半導体素子３０の破損を抑制できるからである。
【００５８】
なお、本実施例において「接合」とはバンプなどの導電接合材を介して、半導体素子３０と表面配線１５が熱溶融等により、一体化して固着されることを意味するのに対し、「密着」とは、上述したように、絶縁基板４０および放熱器５０の界面での滑り（ずれ）を許容しつつ、絶縁基板４０および放熱器５０が互いに接して配置されていることを意味する。
【００５９】
放熱器５０は、放熱基板８０の、接合部２０が配置されている面とは反対の面側に配置されている。半導体素子３０と熱的に接続され、半導体素子３０の熱を吸収して放出する。放熱器５０は、筐体５２内部にフィン５１が形成された構成を有している。本実施例では、筐体５２およびフィン５１の基材として、熱伝導性に優れる金属（例えば、銅やアルミニウムやモリブデン等）を採用する。筐体５２は、ネジ山が形成されたネジ穴５３を備えており、かかるネジ穴５３においてネジ１９と係合する。筐体５２には、図示しない開口が設けられており、この開口を利用して、フィン５１からの放熱により温められた冷媒と、筐体５２外部の冷媒とが交換される。
【００６０】
ネジ１９は、ネジ収容部１７およびネジ穴５３に収容され、配線基板１０と接合部２０と放熱基板８０とを、これらの各構成要素の積層方向（以下、単に「積層方向」とも呼ぶ）に沿って貫いて、配線基板１０と放熱器５０とを所定の締結力で締結する。なお、ネジ１９の頭部は、配線基板１０における低発熱部品２００が接合され得る面に当接している。このように、ネジ１９を用いて配線基板１０と放熱器５０とを所定の締結力で締結しているのは、各層（構成要素）同士を密着させて、導電性や熱伝導性を向上させると共に、絶縁基板４０と放熱器５０との間において応力が発生した場合であっても、各層の変形や界面剥離を抑制できるからである。
【００６１】
また、ネジ１９は、熱伝導性の優れる基材により形成されている。このような基材としては、銅やアルミニウムやモリブデンなどを採用することができる。また、例えば、ステンレスを基材として銅やアルミニウム等で表面をめっきしたネジを、ネジ１９として採用することもできる。後述するように、ネジ１９は、前述のネジ収容部１７の収容面と同様に、半導体素子３０から発せされる熱の放熱経路の一部を形成している。そこで、半導体モジュール１００では、ネジ１９を熱伝導性の優れる基材により形成することにより、放熱性を向上させている。
【００６２】
図１では、半導体素子３０から発せられた熱の放熱経路を、太い実線の矢印で例示している。図１に示すように、半導体モジュール１００における放熱経路には、図１に示す２つの経路（経路Ｒ１および経路Ｒ２）が含まれる。経路Ｒ１は、電極配線層４５（または電極配線４６）および絶縁基板４０を介して放熱器５０に至る経路である。経路Ｒ２は、接合部２０およびセラミックス層１１を介して放熱層１８に至り、放熱層１８に沿ってネジ収容部１７の収容面およびネジ１９に至り、ネジ収容部１７，ネジ穴５３およびネジ１９を介して放熱器５０に至る経路である。図１では、最も左の半導体素子３０についてのみ放熱経路を例示したが、他の半導体素子３０についても同様な２つの放熱経路が存在する。
【００６３】
Ａ２．半導体モジュール１００の製造方法：
図３は、第１実施例における半導体モジュールの製造方法の手順を示すフローチャートである。まず、配線基板１０の作製処理（ステップＳ１００）が実行される。この処理は、配線基板１０を構成するセラミックス材料からなるセラミックス層１１や、セラミックス層１１内部の配線（制御回路用配線１２や主電力ストレートビア１３、放熱層１８）の形成を含む。
【００６４】
ステップＳ１００の後、外装配線パターン作製処理が実行される（ステップＳ２００）。この処理では、ステップＳ１００で作製された配線基板１０の表面に上部表面配線１４および下部表面配線１５が形成される。
【００６５】
ステップＳ２００の後、接合部２０の作製処理が実行される（ステップＳ３００）。この処理では、接合部２０を構成する第１接合層１３０、第２接合層１４０が形成される。図４は、第１接合層１３０の作製について説明する説明図である。図５は、第２接合層１４０の作製について説明する説明図である。
【００６６】
まず、第１接合層１３０を構成するガラスシート３３０（図４（ａ））および第２接合層１４０を構成するガラスシート３４０（図５（ａ））が作製される。具体的には、後述する拡散接合処理における加熱により軟化する粉末ガラスと、熱分解性の有機結着剤とを、有機溶媒や水などの溶媒を用いて形成されたスラリーが、ドクターブレード法によるシートキャスティング、もしくは、押し出し成型等の方法によりシート状に成形され、乾燥されることにより、ガラスシート３３０、３４０が作製される。粉末ガラスとして、酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化ホウ素、酸化鉛、酸化ビスマスなどから形成される粉末ガラスを利用できる。また、ガラスシート３３０、３４０には、フィラーとしてアルミナ等のセラミックス粉末材料が配合されても良い。
【００６７】
作製された第１接合層１３０を構成するガラスシート３３０において、図４（ｂ）に示すように、配線基板１０の下部表面配線１５に対応する位置に、レーザもしくはマイコンパンチなどの機械加工が施され、貫通孔１３５が形成される。
【００６８】
次に、図４（ｃ）に示すように、貫通孔１３５内に、導電接合部１３６が形成される。具体的には、貫通孔１３５に、導電接合部１３６を構成するペーストがスクリーン印刷により一部充填される。ペーストは、金属を主成分としており、例えば、アルミニウム金属や酸化銀、銅、ナノ金属、ハンダ合金のような、後述する拡散接合により溶融する金属種と、熱分解性の有機結着剤とを、有機溶媒や水などの溶媒を用いて混練することにより形成される。当該有機接着剤は熱処理時に分解、除去される。なお、ペーストの充填には、スクリーン印刷に限られず、例えば、ディスペンサーによる吐出などの方法を用いられてもよい。貫通孔１３５内に導電接合部１３６が形成されることに伴い、窪み部１３７が形成される。このように、第１接合層１３０が形成される。
【００６９】
また、第２接合層１４０を構成するガラスシート３４０において、図５（ｂ）に示すように、半導体素子３０が実装される位置に対して、レーザもしくはマイコンパンチなどの機械加工が施され、開口部１４５が形成される。この際、開口部１４５は、半導体素子３０の側面３４と、開口部１４５の側壁１４５ｂとの間に、数ｎｍ程度の空隙が生じるように、半導体素子３０の筐体３１の外形より大きく形成される。このように、第２接合層１４０が形成される。
【００７０】
ステップＳ３００の後、組み立て処理が実行される（ステップＳ４００）。この処理により、配線基板１０と他の構成要素（電極配線層４５や絶縁基板４０や放熱器５０）とが組み付けられる。
【００７１】
図６は、図３に示す組み立て処理の詳細手順を示すフローチャートである。まず、回路基板７０が作製される（ステップＳ４０５）。図７を参照して、回路基板７０の作製について説明する。
【００７２】
図７は、第１実施例のステップＳ４０５における回路基板７０の作製について説明する説明図である。具体的には、第１接合層１３０を構成するガラスシート３３０と配線基板１０とを、ガラスシート３３０に含まれる有機結着剤の接着力により仮接着する。
【００７３】
続いて、ガラスシート３３０の、配線基板１０が配置されている面とは反対側の面上に、第２接合層１４０（ガラスシート３４０）が位置合わせされて積層され、ガラスシート３３０および第２接合層１４０に含まれる有機結着剤の接着力により、ガラスシート３３０と第２接合層１４０とが仮接着される。ガラスシート３３０の貫通孔１３５内に導電接合部１３６を充填して第１接合層１３０が形成されて接合部２０が形成されるとともに、配線基板１０と接合部２０とからなる回路基板７０が作製される。ガラスシート３３０と第２接合層１４０との位置合わせとは、貫通孔１３５と開口部１４５とが、半導体素子３０の実装に適合するように、換言すれば、貫通孔１３５と開口部１４５とが連通され、開口部１４５内への半導体素子３０配置時において、電極部３２が窪み部１３７内に収容されるように、位置合わせすることを含む。
【００７４】
次いで、表裏両面に電極を持つ半導体素子３０を開口部１４５内に載置し（ステップＳ４１０）、配線基板１０と半導体素子３０と、接合部２０とに対して加熱、加圧処理を施し半導体素子３０の電極部３２と導電接合部１３６とを接合する（リフロー）とともに、配線基板１０、接合部２０および半導体素子３０を拡散接合により接合する。（ステップＳ４１５）。ステップＳ４１５における処理は、特許請求の範囲における「第１の拡散接合」に当たる。
【００７５】
図８は、ステップＳ４１５における接合工程について説明する説明図である。図８に示すように、開口部１４５内に半導体素子３０が配置された状態で、配線基板１０、接合部２０および半導体素子３０が、上側治具６０および下側治具６１とから構成される加圧治具によって狭持され、第１の接合開始温度で加熱されるとともに、積層方向に加圧される。第１の接合開始温度での加熱および加圧により、半導体素子３０と接合部２０の第１接合層１３０および配線基板１０と接合部２０の第１接合層１３０が拡散接合により接合される。第１実施例では、第１の接合開始温度は、既述の通り、４５０℃である。第２接合層１４０は、第１の接合開始温度よりも高い第２の接合開始温度を有する材料により形成されているので、当該接合工程における加熱処理では、溶融、軟化しない。よって、下側治具６１への第２接合層１４０の浸食が抑制される。
【００７６】
図９は、ステップＳ４１５における半導体素子３０の電極部３２と導電接合部１３６との接合状態について説明する説明図である。図９（ａ）は、加熱・圧着される前における半導体素子３０の実装箇所を拡大して示しており、図９（ｂ）は、加熱・圧着された後における半導体素子３０の実装箇所を拡大して示している。
【００７７】
図９（ａ）に示すように、半導体素子３０の電極部３２の水平方向（積層方向に対して垂直方向）の直径は、窪み部１３７の水平方向の直径よりも小さく形成されている。従って、半導体素子３０が開口部１４５に収容され、電極部３２が窪み部１３７内に収容された状態では、電極部３２と１３７の側壁１３５ａとの間に空隙５００が形成される。
【００７８】
図９（ｂ）に示すように、配線基板１０、接合部２０および半導体素子３０がステップＳ４１５の接合工程において、加熱され、積層方向に押圧されると、第１接合層１３０が配線基板１０に押しつけられる。このとき、第１接合層１３０は、第１の接合開始温度で加熱されているため、第１接合層１３０は軟化して流動性に富んだ状態となっており、窪み部１３７の側壁１３５ａと、半導体素子３０の電極部３２との間の空隙５００は、第１接合層１３０により充填される。
【００７９】
半導体素子３０の載置（ステップＳ４１０）および接合（ステップＳ４１５）が終了すると、半導体素子３０の接合状態を検査し（ステップＳ４２０）、接合が正常であるか否かの判定が行われる（ステップＳ４２５）。半導体素子３０の接合が異常であった場合には（ステップＳ４２５：ＮＯ）、半導体素子３０の取外しおよび再接合等のリペアが実行され（ステップＳ４３５）、ステップＳ４１０に戻る。
【００８０】
前述のステップＳ４２５において、半導体素子３０の接合が正常であったと判定されると（ステップＳ４２５：ＹＥＳ）、放熱基板８０を作成する（ステップＳ４３０）。
【００８１】
放熱基板８０の作製は、具体的には以下の通りである。まず、絶縁基板４０を形成するセラミックス薄板状部材を作製する。なお、セラミックス薄板状部材には、ネジ収容部１７ａを形成する孔が設けられている。次に、セラミックス薄板状部材上に電極配線４６用のパターンを作製する。電極配線４６が配置される位置にビアが形成されたガラスシートを作製し、セラミックス薄板状部材に貼り付ける。なお、このガラスシートには、ネジ収容部１７ａを形成する孔が設けられている。このようにして、絶縁基板４０上に電極配線層４５が形成された放熱基板８０が作製される。
【００８２】
放熱基板８０が作製されると、放熱基板８０および放熱器５０を、半導体素子３０が実装されている回路基板７０に取り付ける（ステップＳ４４０）。図１０は、ステップＳ４４０における回路基板７０への放熱基板８０および放熱器５０の取り付けについて説明する説明図である。まず、回路基板７０を放熱基板８０上に載置し、さらに、回路基板７０が載置された放熱基板８０を、接着することなく放熱器５０に載置する。ネジ１９をネジ収容部１７およびネジ穴５３に収容し、第２の接合開始温度で加熱しながらネジ１９をネジ穴５３に係合させ、配線基板１０と放熱器５０とを所定の締結力で締結させる。ステップＳ４４０における処理は、特許請求の範囲における「第２の拡散接合」に当たる。
【００８３】
第２の接合開始温度は、既述の通り６００℃である。接合部２０の第２接合層１４０と放熱基板８０は、第２の接合開始温度で加熱されることにより、溶融、軟化し、第２接合層１４０と放熱基板８０の間で原子の拡散が生じて接合される。同様に、接合部２０の第２接合層１４０と半導体素子３０の筐体３１は、第２の接合開始温度で加熱されることにより、溶融、軟化し、第２接合層１４０と筐体３１の間で原子の拡散が生じて接合される。
【００８４】
図１１は、ステップＳ４４０における、接合部２０、半導体素子３０および放熱基板８０の接合状態について説明する部分拡大断面図である。図１１（ａ）は、加熱・圧着される前における半導体素子３０の実装箇所を拡大して示しており、図１１（ｂ）は、加熱・圧着された後における半導体素子３０の実装箇所を拡大して示している。
【００８５】
図１１（ａ）に示すように、開口部１４５は、半導体素子３０の筐体３１の外形よりも大きく形成されているので、半導体素子３０が開口部１４５に収容された状態では、開口部１４５の側壁１４５ｂと、半導体素子３０の側面３４との間に空隙５１０が形成される。
【００８６】
図１１（ｂ）に示すように、接合部２０、半導体素子３０および放熱基板８０が拡散接合において、加熱され、積層方向に押圧されると放熱基板８０が半導体素子３０および第２接合層１４０に押しつけられる。このとき、第２接合層１４０は、第２の接合開始温度で加熱されているため、第２接合層１４０は軟化して流動性に富んだ状態となっており、開口部１４５の側壁１４５ｂと、半導体素子３０の間の空隙５１０は、第２接合層１４０により充填される。こうすることにより、半導体素子３０の外表面が絶縁性の第２接合層１４０により被覆されるので、半導体素子３０の電極部３２と放熱基板８０との間の絶縁性が向上され、半導体素子３０の沿面放電が防止される。
【００８７】
なお、空隙５１０の充填に伴い、第２接合層１４０の厚みは、接合前の厚みより若干薄くなる。第２接合層１４０の薄層化に伴い、溶融している放熱基板８０の電極配線層４５は、水平方向に広がり、厚みが若干薄くなる。電極配線層４５がこのように流動することにより、放熱基板８０、第２接合層１４０および半導体素子３０のそれぞれの接合界面を、空隙や気泡の存在しない略平坦な状態とでき、接合強度を確保できる。
【００８８】
なお、放熱基板８０を接着することなく放熱器５０に載置するのは、以下の理由による。放熱器５０と放熱基板８０（絶縁基板４０）との間の熱膨張係数率の相違により、放熱器５０と放熱基板８０（絶縁基板４０）との間の変形量（温度変化に伴う変形量）が相違するため、この変形量の差に起因して応力が発生し得る。しかしながら、放熱基板８０を接着することなく放熱器５０に載置することにより、放熱器５０と放熱基板８０（絶縁基板４０）とを互いに接着されることなく接して配置させることができるので、放熱器５０と絶縁基板４０との変形量の差に起因する応力の発生を抑制し、また、応力を低減させることができる。それゆえ、半導体素子３０と電極配線層４５（電極配線４６）との接合界面において大きな応力が生じることを抑制できるので、接続箇所の損傷を抑制できるからである。
【００８９】
以上の工程が実行されると、半導体モジュール１００が完成する。その後、低発熱部品２００を半導体モジュール１００に接合することができる。具体的には、例えば、低発熱部品２００がバンプを有する半導体素子である場合には、かかるバンプと上部表面配線１４とが接するように、半導体素子３０を載置してリフローを行うことにより、バンプと上部表面配線１４とを接合させることができる。
【００９０】
以上説明した第１実施例の半導体モジュール１００によれば、配線基板１０、放熱基板８０と半導体素子３０との接合時における加熱・圧着時において、第１接合層１３０と第２接合層１４０の各々と、配線基板１０、８０、半導体素子３０やその他の電子部品とは、異なるタイミングで接合が開始される。よって、第１接合層１３０、第２接合層１４０がほぼ同じタイミングで接合を開始する場合に生じる種々の問題を抑制でき、表裏両面に配線パターンを有する半導体素子を実装する半導体モジュールを製造する場合における製造効率を向上できる。第１実施例では、第１の接合開始温度が第２の接合開始温度より低いので、第１の接合開始温度で行われる半導体素子３０の実装時の加熱・加圧処理において、第２接合層１４０の変形が抑制される。よって、半導体モジュールの製造工程において、半導体素子３０の実装に利用される加圧治具の下側治具６１に第２接合層１４０が浸食することが抑制され、製造工程の煩雑化が抑制され、製造効率を向上できる。
【００９１】
また、以上説明した第１実施例の半導体モジュール１００の製造方法によれば、第１接合層１３０は、第１の接合開始温度で加熱圧着されることにより軟化し、貫通孔と第１の電極との間の空隙を充填するように変形する。従って、半導体素子の損傷の抑制および第１の配線基板と第２の配線基板との間の絶縁性の向上を図ることができる。
【００９２】
また、以上説明した第１実施例の半導体モジュール１００の製造方法によれば、第２接合層は、第２の接合開始温度で加熱圧着されることにより軟化し、開口部と半導体素子との間の空隙を充填するように変形する。従って、半導体素子の損傷の抑制および配線基板１０と放熱基板８０と半導体素子３０の間の絶縁性の向上、より具体的には、半導体素子３０の電極部３２と放熱基板８０の電極配線４６との間の絶縁性が向上されるので、半導体素子３０の沿面放電の防止を図ることができる。また、半導体素子周囲に空隙が存在することによる半導体素子３０の損傷の抑制を図ることができる。
【００９３】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例では、第１接合層１３０の第１の接合開始温度が、第２接合層１４０の第２の接合開始温度よりも高い温度となるように、第１接合層１３０および第２接合層１４０を構成する材料が決定される。具体的には、第１接合層１３０はＮａ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とＳｉＯ2とからなる粉末ガラスにより形成される。Ｎａ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とＳｉＯ2とからなる粉末ガラスの軟化点は５８５℃であるので、第１の接合開始温度は、５８５℃より高い温度、例えば、６００℃に規定される。また、第２接合層１４０は、Ｂｉ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とからなる粉末ガラスにより形成される。Ｂｉ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とからなる粉末ガラスの軟化点は４３５℃であるので、第２の接合開始温度は、第１の接合開始温度である６００℃よりも低く、軟化点である４３５℃よりも高い温度、例えば、４５０℃に規定される。
【００９４】
以上説明した第２実施例の接合部を有する回路基板、半導体モジュールによれば、第２の接合開始温度で第２接合層１４０と他の部品とを接合する際に、半導体素子実装時に既に半導体素子３０や配線基板１０と接合されている第１接合層１３０が、再度の加熱・加圧により、過度に変形したり、第２接合層１４０への加圧力が低減したりすることを抑制できる。よって、半導体モジュールの製造効率を向上できる。
【００９５】
Ｃ．変形例
（１）上述の実施例では、接合層を構成する材料として、Ｎａ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とＳｉＯ2とからなる粉末ガラス、Ｂｉ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とからなる粉末ガラスを一例として記載しているが、例えば、Ｎａ2Ｏ3とＺｎＯとＢ2Ｏ3とからなる粉末ガラス（焼結反応を開始する温度：４６０℃、融点：５６０℃）など各種の材料を利用してもよい。
【００９６】
（２）第１実施例、第２実施例において、第１接合層１３０、第２接合層１４０のガラスシートは、複数枚のガラスシートが積層されて形成されても良い。こうすることにより、開口部１４５の形状（例えば、第２実施例におけるテーパー形状等）のサイズ変更をより柔軟に行うことができるなど、接合層の作製手法として、特に有効である。すなわち、複数層から形成されることにより、第１接合層、第２接合層に傾斜機能を持たせることができ、より詳細な制御ができる。
【００９７】
（３）第1実施例では、第１接合層１３０、第２接合層１４０を作製（貫通孔１３５内に導電接合部１３６が充填されている状態）した後に、第１の配線基板１００に仮接着しているが、例えば、第１接合層１３０、第２接合層１４０を構成するガラスシート３３０，３４０を作製し、第１の配線基板１００にガラスシート３３０を仮接着し，ガラスシート３３０にガラスシート３４０を仮接着した後に、レーザなどにより開口部１４５、貫通孔１３５を形成し、導電接合部１３６を貫通孔１３５内に充填してもよい。すなわち、貫通孔１３５や開口部１４５の形成を含む接合層１２０の形成と、接合層１２０と配線基板１０との仮接着との順番は、どのような順番であってもよい。
【００９８】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができる。
【符号の説明】
【００９９】
１０…配線基板
１１…セラミックス層
１２…制御回路用配線
１３…主電力ストレートビア
１４…上部表面配線
１５…下部表面配線
１６…第１絶縁接合部
１７…ネジ収容部
１７ａ…ネジ収容部
１８…放熱層
１９…ネジ
２０…接合部
３０…半導体素子
３１…筐体
３２…電極部
３４…側面
３９…配線層
４０…絶縁基板
４５…電極配線層
４６…電極配線
４７…第３絶縁接合部
５０…放熱器
５１…フィン
５２…筐体
５３…ネジ穴
６０…上側治具
６１…下側治具
７０…回路基板
８０…放熱基板
１００…半導体モジュール
１３０…第１接合層
１３１…第１の面
１３２…第２の面
１３５…貫通孔
１３５ａ…側壁
１３６…導電接合部
１３７…窪み部
１４０…第２接合層
１４５…開口部
１４５ａ…天面
１４５ｂ…側壁
２００…低発熱部品
３３０…ガラスシート
３４０…ガラスシート
５００…空隙
５１０…空隙
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子と配線基板と放熱器を含む半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、表裏両面に電極を備える半導体素子と、半導体素子の各々の面に接合される第１、第２の配線基板と、第１、第２の配線基板と半導体素子の間を接合する接合層とを備える多層構造の半導体モジュールが利用されている。このような半導体モジュールは、例えば、第１の配線基板側に形成されている第１接合層と、第２の配線基板側に形成され、半導体素子を収容可能に形成されている開口部を有する第２接合層とが積層されてなる接合層を利用して製造される。
【０００３】
具体的には、第２接合層の開口部に半導体素子を実装し、第１接合層上に配置されている第１の配線基板と半導体素子との接合状態を検査する第１工程と、検査後に、第２接合層の、第１接合層が積層されている面とは反対側の面上に第２の配線基板を配置して、半導体素子を第１、第２の配線基板により挟み込み、配線基板、半導体素子および接合層を一体的に加熱圧着することにより、半導体素子と配線基板とが封止・接合される第２工程とを経て、半導体モジュールが製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２８７８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した技術では、第１接合層と第２接合層とが同一の材料によって形成されている場合、第１工程と第２工程の各工程における加熱処理において、第１接合層、第２接合層がほぼ同じタイミングで軟化し始めるため、各工程において、種々の問題が生じる。例えば、第１工程において、半導体素子の実装に用いられる加圧治具に第２接合層が浸食することによる製造工程の煩雑化や、第１工程において既に第１の配線基板と接合されている第１接合層が再度軟化することによる第１接合層の過度の変形、第２接合層への加圧力の低減などの問題が生じる。
【０００６】
本発明は、多層構造を有する接合層を用いた回路基板を備える半導体モジュールの製造効率を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
回路基板であって、ビアおよび配線パターンが形成された配線基板と、前記配線基板の前記第１の面上に配置され、半導体素子と前記配線基板とを接合するとともに、無機系材料を主成分とする接合部であって、前記配線基板側に配置されている第１接合層と、前記半導体素子側に配置されている第２接合層とからなる接合部と、を備え、前記第１接合層は、前記ビアに対応する部位に形成されている少なくとも一つの貫通孔と、前記貫通孔内に配置され、前記半導体素子に形成されている電極と前記配線基板とを導通するための導電接合部とを備え、前記配線基板と接合を開始する温度である第１の接合開始温度を有し、前記第２接合層は、前記貫通孔と連通し、前記半導体素子を配置するための開口部を備え、前記半導体素子と接合を開始する温度であって、前記第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する、回路基板。
【０００９】
適用例１の回路基板によれば、配線基板と半導体素子とを接合するための接合層は、第１の接合開始温度を有する第１接合層と、第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する第２接合層とから形成されている。従って、配線基板と半導体素子との接合時における加熱・圧着時において、第１接合層と第２接合層の各々と、配線基板、半導体素子やその他の電子部品とは、異なるタイミングで接合が開始される。よって、第１接合層、第２接合層がほぼ同じタイミングで接合を開始する場合に生じる種々の問題を抑制でき、回路基板を用いて半導体モジュールを製造する場合における製造効率を向上できる。
【００１０】
［適用例２］
適用例１に記載の回路基板において、前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも低いことを特徴とする、回路基板。
【００１１】
適用例２の回路基板によれば、第１の接合開始温度は、第２の接合開始温度よりも低い。従って、第１の接合開始温度で行われる半導体実装時の加熱・加圧処理において、第２接合層の変形が抑制される。よって、半導体実装時における、半導体実装に利用される加圧治具に第２接合層が浸食することを抑制できるので、製造工程の煩雑化が抑制され、製造効率を向上できる。
【００１２】
［適用例３］
適用例１に記載の回路基板において、前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高いことを特徴とする、回路基板。
【００１３】
適用例３の回路基板によれば、第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高い。従って、第２の接合開始温度で第２接合層と他の部品とを接合する際に、既に半導体素子や配線基板と接合されている第１接合層が、再度の加熱・加圧により、過度に変形したり、第２接合層への加圧力が低減したりすることを抑制できる。よって、回路基板を用いて半導体モジュールを製造する場合における製造効率を向上できる。
【００１４】
［適用例４］
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の回路基板において、前記第１の接合開始温度は、前記第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であり、前記第２の接合開始温度は、前記第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であることを特徴とする、回路基板。
【００１５】
適用例４の回路基板によれば、第１の接合開始温度は、第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上とされ、第２の接合開始温度は、第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上とされている。従って、第１接合層、第２接合層の各々について、融点まで加熱することなく他部材との接合を行うことができる。また、第１の接合開始温度を、第１接合層を構成する材料の溶融開始温度以上とし、第２の接合開始温度を、第２接合層を構成する材料の溶融開始温度以上とすれば、第１接合層および第２接合層を確実に溶融、軟化させることができ、各接合層と他の部材との接合強度を向上できる。
【００１６】
［適用例５］
半導体モジュールであって、ビアおよび配線パターンが形成された配線基板と、前記配線基板の第１の面側に配置される半導体素子と、前記配線基板の前記第１の面上に配置され、半導体素子と前記配線基板とを接合するとともに、無機系材料を主成分とする接合部であって、前記配線基板側に配置されている第１接合層と、前記半導体素子側に配置されている第２接合層とからなる接合部と、を備え、前記第１接合層は、前記ビアに対応する部位に形成されている少なくとも一つの貫通孔と、前記貫通孔内に配置され、前記半導体素子に形成されている電極と前記配線基板とを導通するための導電接合部とを備え、前記配線基板と接合を開始する温度である第１の接合開始温度を有し、前記第２接合層は、前記貫通孔と連通し、前記半導体素子を配置するための開口部を備え、前記半導体素子と接合を開始する温度であって、前記第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する、半導体モジュール。
【００１７】
適用例５の半導体モジュールによれば、配線基板と半導体素子とを接合するための接合層は、第１の接合開始温度を有する第１接合層と、第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する第２接合層とから形成されている。従って、配線基板と半導体素子との接合時における加熱・圧着時において、第１接合層と第２接合層の各々と、配線基板、半導体素子やその他の電子部品とは、異なるタイミングで接合が開始される。よって、第１接合層、第２接合層がほぼ同じタイミングで接合を開始する場合に生じる種々の問題を抑制でき、回路基板を用いて半導体モジュールを製造する場合における製造効率を向上できる。
【００１８】
［適用例６］
適用例５記載の半導体モジュールであって、前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも低いことを特徴とする、半導体モジュール。
【００１９】
適用例６の半導体モジュールによれば、第１の接合開始温度は、第２の接合開始温度よりも低い。従って、第１の接合開始温度で行われる半導体実装時の加熱・加圧処理において、第２接合層の変形が抑制される。よって、半導体実装時に、半導体実装に利用される加圧治具に第２接合層が浸食することを抑制できるので、製造工程の煩雑化が抑制され、製造効率を向上できる。
【００２０】
［適用例７］
適用例５記載の半導体モジュールにおいて、前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高いことを特徴とする、半導体モジュール。
【００２１】
適用例７の半導体モジュールによれば、第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高い。従って、第２の接合開始温度で第２接合層と他の部品とを接合する際に、既に半導体素子や配線基板と接合されている第１接合層が、再度の加熱・加圧により、過度に変形したり、第２接合層への加圧力が低減したりすることを抑制できる。よって、回路基板を用いて半導体モジュールを製造する場合における製造効率を向上できる。
【００２２】
［適用例８］
適用例５ないし適用例７のいずれかに記載の半導体モジュールにおいて、前記第１の接合開始温度は、前記第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であり、前記第２の接合開始温度は、前記第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であることを特徴とする、半導体モジュール。
【００２３】
適用例８の半導体モジュールによれば、第１の接合開始温度は、第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上とされ、第２の接合開始温度は、第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上とされている。従って、第１接合層、第２接合層の各々について、融点まで加熱することなく他部材との接合を行うことができる。また、第１の接合開始温度を、第１接合層を構成する材料の溶融開始温度以上とし、第２の接合開始温度を、第２接合層を構成する材料の溶融開始温度以上とすれば、第１接合層および第２接合層を確実に溶融、軟化させることができ、各接合層と他の部材との接合強度を向上できる。
【００２４】
［適用例９］
半導体モジュールの製造方法であって、ビアおよび配線パターンを有する第１の配線基板を作製する工程と、表面配線を有する第２の配線基板を作製する工程と、前記第１の配線基板と半導体素子とを接合するとともに、第１接合層および第２接合層からなる無機系材料を主成分とする接合部と、前記第１の配線基板とを接合する工程であって、前記第１接合層の、前記ビアに対応する部位に少なくとも一つの貫通孔を形成すること、前記半導体素子の表側に形成されている第１の電極と前記第１の配線基板とを導通するための導電接合部を前記貫通孔内に配置すること、前記貫通孔と連通し、前記半導体素子を配置するための開口部を前記第２接合層に形成すること、前記第１接合層が前記第１の配線基板に対向するように、前記第１接合層および前記第２接合層を積層配置する工程と、前記第１の電極と前記導電接合部とが導通可能となるように、前記半導体素子を前記開口部内に配置する工程と、前記第１の配線基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第１接合層が前記配線基板と接合を開始する温度である第１の接合開始温度で加熱圧着して第１の拡散接合を行う工程と、前記半導体素子の裏側に形成されている第２の電極と前記第２の配線基板の前記表面配線とが導通可能となるように、前記第２の配線基板を配置する工程と、前記第２の配線基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第２接合層が前記半導体素子と接合を開始する温度であって、前記第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する第２の接合開始温度で加熱圧着して第２の拡散接合を行う工程と、を備える半導体モジュールの製造方法。
【００２５】
適用例９の半導体モジュールの製造方法によれば、配線基板と半導体素子とを接合するための接合層は、第１の接合開始温度を有する第１接合層と、第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する第２接合層とから形成されている。従って、配線基板と半導体素子との接合時における加熱・圧着時において、第１接合層と第２接合層の各々と、配線基板、半導体素子やその他の電子部品とは、異なるタイミングで接合が開始される。よって、第１接合層、第２接合層がほぼ同じタイミングで接合を開始する場合に生じる種々の問題を抑制でき、回路基板を用いて半導体モジュールを製造する場合における製造効率を向上できる。
【００２６】
［適用例１０］
適用例９記載の半導体モジュールの製造方法であって、前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも低いことを特徴とする、半導体モジュールの製造方法。
【００２７】
適用例１０の半導体モジュールの製造方法によれば、第１の接合開始温度は、第２の接合開始温度よりも低い。従って、第１の接合開始温度で行われる半導体実装時の加熱・加圧処理において、第２接合層の変形が抑制される。よって、半導体実装時に、半導体実装に利用される加圧治具に第２接合層が浸食することを抑制できるので、製造工程の煩雑化が抑制され、製造効率を向上できる。
【００２８】
［適用例１１］
適用例９記載の半導体モジュールの製造方法において、前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高いことを特徴とする、半導体モジュールの製造方法。
【００２９】
適用例１１の半導体モジュールの製造方法によれば、第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高い。従って、第２の接合開始温度で第２接合層と他の部品とを接合する際に、既に半導体素子や配線基板と接合されている第１接合層が、再度の加熱・加圧により、過度に変形したり、第２接合層への加圧力が低減したりすることを抑制できる。よって、回路基板を用いて半導体モジュールを製造する場合における製造効率を向上できる。
【００３０】
［適用例１２］
適用例９ないし適用例１１のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法において、前記第１の接合開始温度は、前記第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であり、前記第２の接合開始温度は、前記第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であることを特徴とする、半導体モジュールの製造方法。
【００３１】
適用例１２の半導体モジュールの製造方法によれば、第１の接合開始温度は、第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上とされ、第２の接合開始温度は、第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上とされている。従って、第１接合層、第２接合層の各々について、融点まで加熱することなく他部材との接合を行うことができる。また、第１の接合開始温度を、第１接合層を構成する材料の溶融開始温度以上とし、第２の接合開始温度を、第２接合層を構成する材料の溶融開始温度以上とすれば、第１接合層および第２接合層を確実に溶融、軟化させることができ、各接合層と他の部材との接合強度を向上できる。
【００３２】
［適用例１３］
適用例９ないし適用例１２のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法において、前記第１の拡散接合において、前記第１接合層は、前記第１の接合開始温度で加熱圧着されることにより軟化し、前記貫通孔と前記第１の電極との間の空隙を充填する、半導体モジュールの製造方法。
【００３３】
適用例１３の半導体モジュールの製造方法によれば、第１接合層は、第１の接合開始温度で加熱圧着されることにより軟化し、貫通孔と第１の電極との間の空隙を充填するように変形する。従って、半導体素子の損傷の抑制および第１の配線基板と第２の配線基板との間の絶縁性の向上による半導体素子の沿面放電の抑制を図ることができる。
【００３４】
［適用例１４］
適用例９ないし適用例１３のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法において、前記第２の拡散接合において、前記第２接合層は、前記第２の接合開始温度で加熱圧着されることにより軟化し、前記開口部と前記半導体素子との間の空隙を充填する、半導体モジュールの製造方法。
【００３５】
適用例１４の半導体モジュールの製造方法によれば、第２接合層は、第２の接合開始温度で加熱圧着されることにより軟化し、開口部と半導体素子との間の空隙を充填するように変形する。従って、半導体素子の損傷の抑制および第１の配線基板と第２の配線基板との間の絶縁性の向上による半導体素子の沿面放電の抑制を図ることができる。
【００３６】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、半導体モジュールを搭載した電力変換装置等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例としての半導体モジュールの構成を示す断面図。
【図２】第１実施例における接合部２０の概略構成を説明する断面図。
【図３】第１実施例における半導体モジュールの製造方法の手順を示すフローチャート。
【図４】第１接合層１３０の作製について説明する説明図。
【図５】第２接合層１４０の作製について説明する説明図。
【図６】図３に示す組み立て処理の詳細手順を示すフローチャート。
【図７】ステップＳ４０５における回路基板７０の作製について説明する説明図。
【図８】ステップＳ４１５における接合工程について説明する説明図。
【図９】ステップＳ４１５における半導体素子３０の電極部３２と導電接合部１３６との接合状態について説明する部分拡大断面図。
【図１０】ステップＳ４４０における回路基板７０への放熱基板８０および放熱器５０の取り付けについて説明する説明図。
【図１１】ステップＳ４４０における接合部２０半導体素子３０および放熱基板８０の接合状態について説明する部分拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．半導体モジュールの構成：
図１は、本発明の一実施例としての半導体モジュールの構成を示す断面図である。この半導体モジュール１００は、いわゆるパワーモジュールであり、自動車等における電力制御等に用いられる。半導体モジュール１００は、配線基板１０と、複数の半導体素子３０と、接合部２０と、放熱基板８０と、放熱器５０と、複数のネジ１９と、を備えている。半導体モジュール１００は、各構成要素（ネジ１９を除いた、配線基板１０，複数の半導体素子３０，接合部２０，放熱器５０，放熱基板８０）が積層された多層構造を有している。具体的には、放熱器５０の上には放熱基板８０が配置され、放熱基板８０の上には半導体素子３０と接合部２０が配置され、接合部２０の上には配線基板１０が配置され、ネジ１９によって配線基板１０と放熱器５０とが締結されている。なお、配線基板１０の上には、低発熱部品２００が積層され得る。低発熱部品２００は、半導体素子３０に比べて発熱量が低い電子部品であり、例えば、制御用半導体素子やコンデンサ等が該当する。第１実施例において、配線基板１０、放熱基板８０は、それぞれ、特許請求の範囲における「第１の配線基板」、「第２の配線基板」に当たる。
【００３９】
配線基板１０は、セラミックス層１１と、制御回路用配線１２と、主電力ストレートビア１３と、上部表面配線１４と、下部表面配線１５と、第１絶縁接合部１６と、ネジ収容部１７と、放熱層１８とを備えている。
【００４０】
セラミックス層１１は、セラミックス材料、もしくはガラス成分を混合したガラスセラミックス材料により形成されている。セラミックス材料としては、例えば、酸化アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）などを採用し得る。制御回路用配線１２は、セラミックス層１１内部に形成された配線であり、制御用信号（半導体素子３０駆動用の信号）の伝送等に用いられる。主電力ストレートビア１３は、セラミックス層１１を厚み方向（積層方向）に貫通する導電性部材であり、上部表面配線１４と下部表面配線１５とを電気的に接続する。下部表面配線１５は、セラミックス層１１の表面のうち、接合部２０と接する表面（以下、「第１表面」と呼ぶ）に配置されている。上部表面配線１４は、セラミックス層１１の表面のうち、低発熱部品２００が接合され得る面（以下、「第２表面」と呼ぶ）に配置されている。第１絶縁接合部１６は、絶縁性の無機系材料を主成分としたガラス組成物で形成されており、第２表面において上部表面配線１４の周囲に配置されている。
【００４１】
なお、上述したセラミックス内部に形成される制御回路用配線１２や主電力ストレートビア１３の基材としては、例えば、銀や銅、タングステンやモリブデンなどの任意の導電性材料を採用することが望ましい。さらに、セラミックス層１１との同時焼結が可能な導電性材料を採用することができる。表面配線１４，１５では上述の制御回路用配線１２と同様の材料を採用しても良いし、セラミックス層１１と、制御回路用配線１２と、主電力ストレートビア１３とからなる多層配線基板を同時焼結した後に、銀や銅やニッケルやアルミニウム等の導電性材料をめっきや印刷等の別プロセスで形成しても良い。なお、図１では、配線基板１０と接合部２０との接合界面において、下部表面配線１５の層厚に対応する段差が形成されるように記載されているが、実際は、下部表面配線１５は薄膜状に形成されており、配線基板１０と接合部２０との接合界面に、図示するような段差はほとんど生じない。また、配線基板１０と接合部２０との接合界面に段差に対応した、接合部２０と同種の材料による段差補正層を設けてもよい。よって、以降、本明細書、図面では、下部表面配線１５の記載を省略して記載することがある。
【００４２】
ネジ収容部１７は、第１絶縁接合部１６とセラミックス層１１と接合部２０と電極配線層４５と絶縁基板４０を貫く長孔であり、ネジ１９を収容する。ネジ収容部１７の収容面は、熱伝導性に優れる材料により被覆されている。かかる材料としては、例えば、銀や銅やニッケルやアルミニウム等を採用することができる。後述するように、ネジ収容部１７は、半導体素子３０から発せされる熱の放熱経路の一部を形成している。そこで、半導体モジュール１００では、ネジ収容部１７の収容面を熱伝導性に優れる材料により被覆することにより、放熱性を向上させている。被覆方法としては、高熱伝導性材料を含むペーストをネジ収容部１７の収容面に塗布したり、高熱伝導性材料をネジ収容部１７の収容面にめっきする方法を採用することができる。なお、ネジ収容部１７の少なくとも一部にネジ山を形成することもできる。
【００４３】
放熱層１８は、セラミックス層１１内部において、セラミックス層１１と平行に配置されている。放熱層１８は、熱伝導性に優れる任意の材料で形成することができ、例えば、上述の制御回路用配線１２や主電力ストレートビア１３の基材と同様に、銀や銅、タングステン、モリブデンなどのセラミックス層との同時焼結が可能な任意の導電性材料を採用することができる。放熱層１８には、図示しない複数の貫通口が設けられており、制御回路用配線１２及び主電力ストレートビア１３は、かかる貫通口に配置されているため、半導体素子３０とは電気的に未接続であり、放熱層は電気配線に対し関与しない構成となっている。また放熱層１８の縁部の一部は、ネジ収容部１７の収容面およびネジ１９と接しており、配線基板１０の内部からの連続した放熱経路を形成する事ができる。
【００４４】
半導体素子３０は、電力用半導体素子（パワーデバイス）であり、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)や、ダイオード（ショットキーバリアダイオード等）などを採用することができる。半導体素子３０は、下部表面配線１５および後述の電極配線と電気的に接続するための電極部３２および電極配線層３９を備える。電極部３２は、電極パッドとバンプ（突起状金属端子）とからなる。電極部３２および電極配線層３９は、それぞれ、特許請求の範囲における「第１の電極」、「第２の電極」に当たる。
【００４５】
接合部２０は、半導体素子３０と配線基板１０、放熱基板８０とを絶縁する絶縁性の薄いガラスシートである。接合部２０は、絶縁性の無機系材料を主成分とし、半導体素子の実装時の加熱工程により軟化する粉末ガラスにより形成されている。粉末ガラスは、例えば、酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化ホウ素、酸化ビスマスなどから形成される。接合部２０の詳細な構成について図２を参照して説明する。
【００４６】
図２は、第１実施例における接合部２０の概略構成を説明する断面図である。図２では、半導体素子実装時における半導体素子と接合部２０との位置関係を説明するために、半導体素子３０も合わせて記載されている。接合部２０は、第１接合層１３０、第２接合層１４０とからなる。
【００４７】
第１接合層１３０は、Ｂｉ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とからなる粉末ガラスによって形成され、配線基板１０と半導体素子３０とを絶縁する。第１接合層１３０は、下部表面配線１５に対応する位置Ｐに形成された少なくとも一つの貫通孔１３５と、貫通孔１３５内に配置された導電接合部１３６と、を有する。換言すれば、第１接合層１３０の貫通孔１３５は、後述する第２接合層１４０の開口部１４５の天面１４５ａに形成されている。貫通孔１３５内に導電接合部１３６が配置されることにより、導電接合部１３６と貫通孔１３５の側壁１３５ａとによって窪み部１３７が形成される。なお、配線基板１０と接合部２０との接合界面に段差に対応した段差補正部が配置される場合、段差補正部は、第１接合層１３０の一部として構成されてもよい。
【００４８】
第１接合層１３０は、第１接合層１３０と配線基板１０および半導体素子３０とが接合を開始する温度である第１の接合開始温度を有する。第１の接合開始温度とは、第１接合層１３０を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する焼結開始温度以上の温度である。第１接合層１３０を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度とは、第１接合層１３０を構成する成分の少なくとも一部による液相の形成、もしくは、固相での接着界面の反応による焼結反応の開始温度である。第１接合層１３０が溶融していなくとも、ごく一部の成分の液相発生によって、焼結固着が進行し、他の部材との接合が開始される。第１接合層１３０を構成するＢｉ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とからなる粉末ガラスの焼結反応の開始温度は、３５７℃である。よって、第１の接合開始温度は、３５７℃以上であればよく、例えば、融点、軟化点以上の温度としてもよい。第１実施例では、第１の接合開始温度は、第１接合層１３０を構成する粉末ガラス（Ｂｉ2Ｏ3とＢ2Ｏ3）の軟化点（４３５℃）よりも若干高い４５０℃である。
【００４９】
導電接合部１３６は、導電性の金属を主成分として形成されている。導電性の金属として、例えば、銅、銀、錫、アルミニウムなどを用いてもよい。導電接合部１３６は、半導体素子３０が開口部１４５に配置されると、半導体素子３０の電極部３２と配線基板１０とを導通する。
【００５０】
第２接合層１４０は、Ｎａ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とＳｉＯ2とからなる粉末ガラスから形成され、半導体素子３０と放熱基板８０とを絶縁する。また、第２接合層１４０は、配線基板１０が積層される第１の面１３１とは異なる第２の面１３２側に形成されているとともに、貫通孔１３５と連通し、半導体素子３０を配置するための開口部１４５を有する。半導体素子３０が開口部１４５に配置されると、半導体素子３０の電極部３２は貫通孔１３５内に収容され、電極部３２と配線基板１０とが導通される。
【００５１】
第２接合層１４０は、第２接合層１４０と放熱基板８０および半導体素子３０とが接合を開始する温度であって、第１の接合開始温度より高い第２の接合開始温度を有する。第２の接合開始温度とは、第２接合層１４０を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する焼結開始温度以上の温度である。第２接合層１４０を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度とは、第２接合層１４０を構成する成分の少なくとも一部による液相の形成、もしくは、固相での接着界面の反応による焼結反応の開始温度である。第２接合層１４０が溶融していなくとも、ごく一部の成分の液相発生によって、焼結固着が進行し、他の部材との接合が開始される。第２接合層１４０を構成するＮａ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とＳｉＯ2とからなる粉末ガラスの焼結反応の開始温度は、第１の接合開始温度である３５７℃よりも高い４９５℃である。よって、第２の接合開始温度は、４９５℃以上であればよく、例えば、融点、軟化点以上の温度としてもよい。第１実施例では、第２の接合開始温度は、第２接合層１４０を構成する粉末ガラス（Ｎａ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とＳｉＯ2）の軟化点（５８５℃）より若干高い６００℃である。
【００５２】
また、図２に示すように、開口部１４５は、半導体素子３０の側面３４と、開口部１４５の側壁１４５ｂとの間に、数ｎｍ〜数ｍｍ程度の空隙が生じるように、半導体素子３０の筐体３１の外形より大きく形成されている。こうすることにより、開口部１４５への半導体素子３０の嵌め込みを円滑に行うことができる。
【００５３】
放熱基板８０は、絶縁基板４０と、絶縁基板４０上に配置されている電極配線層４５とを有し、電極配線層４５が半導体素子３０に対向するように配置されている。
【００５４】
電極配線層４５は、電極配線４６と、第３絶縁接合部４７とを備えている。電極配線４６は、半導体素子３０および主電力ストレートビア１３と接続されている。第３絶縁接合部４７は、電極配線４６の周囲に配置されている。第３絶縁接合部４７は、絶縁性材料で形成されており、電極配線４６と配線基板１０との間の絶縁性を確保する。なお、本実施例では、第３絶縁接合部４７は、第２接合層１４０と同じ基材により形成されている。また、第３絶縁接合部４７が、第２接合層１４０と異なる基材の場合、第３絶縁接合部４７と接合部２０との接合界面に、接合部分の段差に対応した、接合部２０と同種の材料による段差補正層を設けてもよい。段差補正部は、第２接合層１４０の一部として構成されてもよい。
【００５５】
絶縁基板４０は、半導体素子３０と放熱器５０との間の絶縁性および電極配線４６と放熱器５０との間の絶縁性を確保する。本実施例では、絶縁基板４０の基材として上述したセラミックス材料を採用する。絶縁基板４０と放熱器５０とは、互いに接着されることなく密着されている。このように接着されることなく密着されているのは、以下の理由による。
【００５６】
絶縁基板４０の基材（セラミックス）と放熱器５０の基材（金属）とは互いに熱膨張率が異なるため、絶縁基板４０と放熱器５０とが接着されていると、半導体素子３０の熱により半導体モジュール１００が高温となった際に絶縁基板４０と放熱器５０との間もしくは、放熱器５０の変形に追従して生じる絶縁基板４０および電極配線層４５（特に、半導体素子３０と接して配置される電極配線４６）の変形に起因した半導体素子３０と電極配線層４５（電極配線４６）との接合界面において大きな応力が発生し得る。
【００５７】
これに対して、絶縁基板４０と放熱器５０とが接着されずに接して配置されていると、絶縁基板４０又は放熱器５０は、絶縁基板４０と放熱器５０の界面で滑る（ずれる）ことができるので、絶縁基板４０と放熱器５０との接合界面に発生し得る応力ならびに絶縁基板４０および電極配線層４５（電極配線４６）の変形とそれに起因する絶縁基板４０と電極配線層４５（電極配線４６）との接合界面に発生し得る応力の発生を抑制し、また、発生する応力を低減できるので、絶縁基板４０および放熱器５０の破損、ならびに絶縁基板４０の変形とそれに起因する絶縁基板４０と半導体素子３０の破損を抑制できるからである。
【００５８】
なお、本実施例において「接合」とはバンプなどの導電接合材を介して、半導体素子３０と表面配線１５が熱溶融等により、一体化して固着されることを意味するのに対し、「密着」とは、上述したように、絶縁基板４０および放熱器５０の界面での滑り（ずれ）を許容しつつ、絶縁基板４０および放熱器５０が互いに接して配置されていることを意味する。
【００５９】
放熱器５０は、放熱基板８０の、接合部２０が配置されている面とは反対の面側に配置されている。半導体素子３０と熱的に接続され、半導体素子３０の熱を吸収して放出する。放熱器５０は、筐体５２内部にフィン５１が形成された構成を有している。本実施例では、筐体５２およびフィン５１の基材として、熱伝導性に優れる金属（例えば、銅やアルミニウムやモリブデン等）を採用する。筐体５２は、ネジ山が形成されたネジ穴５３を備えており、かかるネジ穴５３においてネジ１９と係合する。筐体５２には、図示しない開口が設けられており、この開口を利用して、フィン５１からの放熱により温められた冷媒と、筐体５２外部の冷媒とが交換される。
【００６０】
ネジ１９は、ネジ収容部１７およびネジ穴５３に収容され、配線基板１０と接合部２０と放熱基板８０とを、これらの各構成要素の積層方向（以下、単に「積層方向」とも呼ぶ）に沿って貫いて、配線基板１０と放熱器５０とを所定の締結力で締結する。なお、ネジ１９の頭部は、配線基板１０における低発熱部品２００が接合され得る面に当接している。このように、ネジ１９を用いて配線基板１０と放熱器５０とを所定の締結力で締結しているのは、各層（構成要素）同士を密着させて、導電性や熱伝導性を向上させると共に、絶縁基板４０と放熱器５０との間において応力が発生した場合であっても、各層の変形や界面剥離を抑制できるからである。
【００６１】
また、ネジ１９は、熱伝導性の優れる基材により形成されている。このような基材としては、銅やアルミニウムやモリブデンなどを採用することができる。また、例えば、ステンレスを基材として銅やアルミニウム等で表面をめっきしたネジを、ネジ１９として採用することもできる。後述するように、ネジ１９は、前述のネジ収容部１７の収容面と同様に、半導体素子３０から発せされる熱の放熱経路の一部を形成している。そこで、半導体モジュール１００では、ネジ１９を熱伝導性の優れる基材により形成することにより、放熱性を向上させている。
【００６２】
図１では、半導体素子３０から発せられた熱の放熱経路を、太い実線の矢印で例示している。図１に示すように、半導体モジュール１００における放熱経路には、図１に示す２つの経路（経路Ｒ１および経路Ｒ２）が含まれる。経路Ｒ１は、電極配線層４５（または電極配線４６）および絶縁基板４０を介して放熱器５０に至る経路である。経路Ｒ２は、接合部２０およびセラミックス層１１を介して放熱層１８に至り、放熱層１８に沿ってネジ収容部１７の収容面およびネジ１９に至り、ネジ収容部１７，ネジ穴５３およびネジ１９を介して放熱器５０に至る経路である。図１では、最も左の半導体素子３０についてのみ放熱経路を例示したが、他の半導体素子３０についても同様な２つの放熱経路が存在する。
【００６３】
Ａ２．半導体モジュール１００の製造方法：
図３は、第１実施例における半導体モジュールの製造方法の手順を示すフローチャートである。まず、配線基板１０の作製処理（ステップＳ１００）が実行される。この処理は、配線基板１０を構成するセラミックス材料からなるセラミックス層１１や、セラミックス層１１内部の配線（制御回路用配線１２や主電力ストレートビア１３、放熱層１８）の形成を含む。
【００６４】
ステップＳ１００の後、外装配線パターン作製処理が実行される（ステップＳ２００）。この処理では、ステップＳ１００で作製された配線基板１０の表面に上部表面配線１４および下部表面配線１５が形成される。
【００６５】
ステップＳ２００の後、接合部２０の作製処理が実行される（ステップＳ３００）。この処理では、接合部２０を構成する第１接合層１３０、第２接合層１４０が形成される。図４は、第１接合層１３０の作製について説明する説明図である。図５は、第２接合層１４０の作製について説明する説明図である。
【００６６】
まず、第１接合層１３０を構成するガラスシート３３０（図４（ａ））および第２接合層１４０を構成するガラスシート３４０（図５（ａ））が作製される。具体的には、後述する拡散接合処理における加熱により軟化する粉末ガラスと、熱分解性の有機結着剤とを、有機溶媒や水などの溶媒を用いて形成されたスラリーが、ドクターブレード法によるシートキャスティング、もしくは、押し出し成型等の方法によりシート状に成形され、乾燥されることにより、ガラスシート３３０、３４０が作製される。粉末ガラスとして、酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化ホウ素、酸化鉛、酸化ビスマスなどから形成される粉末ガラスを利用できる。また、ガラスシート３３０、３４０には、フィラーとしてアルミナ等のセラミックス粉末材料が配合されても良い。
【００６７】
作製された第１接合層１３０を構成するガラスシート３３０において、図４（ｂ）に示すように、配線基板１０の下部表面配線１５に対応する位置に、レーザもしくはマイコンパンチなどの機械加工が施され、貫通孔１３５が形成される。
【００６８】
次に、図４（ｃ）に示すように、貫通孔１３５内に、導電接合部１３６が形成される。具体的には、貫通孔１３５に、導電接合部１３６を構成するペーストがスクリーン印刷により一部充填される。ペーストは、金属を主成分としており、例えば、アルミニウム金属や酸化銀、銅、ナノ金属、ハンダ合金のような、後述する拡散接合により溶融する金属種と、熱分解性の有機結着剤とを、有機溶媒や水などの溶媒を用いて混練することにより形成される。当該有機接着剤は熱処理時に分解、除去される。なお、ペーストの充填には、スクリーン印刷に限られず、例えば、ディスペンサーによる吐出などの方法を用いられてもよい。貫通孔１３５内に導電接合部１３６が形成されることに伴い、窪み部１３７が形成される。このように、第１接合層１３０が形成される。
【００６９】
また、第２接合層１４０を構成するガラスシート３４０において、図５（ｂ）に示すように、半導体素子３０が実装される位置に対して、レーザもしくはマイコンパンチなどの機械加工が施され、開口部１４５が形成される。この際、開口部１４５は、半導体素子３０の側面３４と、開口部１４５の側壁１４５ｂとの間に、数ｎｍ程度の空隙が生じるように、半導体素子３０の筐体３１の外形より大きく形成される。このように、第２接合層１４０が形成される。
【００７０】
ステップＳ３００の後、組み立て処理が実行される（ステップＳ４００）。この処理により、配線基板１０と他の構成要素（電極配線層４５や絶縁基板４０や放熱器５０）とが組み付けられる。
【００７１】
図６は、図３に示す組み立て処理の詳細手順を示すフローチャートである。まず、回路基板７０が作製される（ステップＳ４０５）。図７を参照して、回路基板７０の作製について説明する。
【００７２】
図７は、第１実施例のステップＳ４０５における回路基板７０の作製について説明する説明図である。具体的には、第１接合層１３０を構成するガラスシート３３０と配線基板１０とを、ガラスシート３３０に含まれる有機結着剤の接着力により仮接着する。
【００７３】
続いて、ガラスシート３３０の、配線基板１０が配置されている面とは反対側の面上に、第２接合層１４０（ガラスシート３４０）が位置合わせされて積層され、ガラスシート３３０および第２接合層１４０に含まれる有機結着剤の接着力により、ガラスシート３３０と第２接合層１４０とが仮接着される。ガラスシート３３０の貫通孔１３５内に導電接合部１３６を充填して第１接合層１３０が形成されて接合部２０が形成されるとともに、配線基板１０と接合部２０とからなる回路基板７０が作製される。ガラスシート３３０と第２接合層１４０との位置合わせとは、貫通孔１３５と開口部１４５とが、半導体素子３０の実装に適合するように、換言すれば、貫通孔１３５と開口部１４５とが連通され、開口部１４５内への半導体素子３０配置時において、電極部３２が窪み部１３７内に収容されるように、位置合わせすることを含む。
【００７４】
次いで、表裏両面に電極を持つ半導体素子３０を開口部１４５内に載置し（ステップＳ４１０）、配線基板１０と半導体素子３０と、接合部２０とに対して加熱、加圧処理を施し半導体素子３０の電極部３２と導電接合部１３６とを接合する（リフロー）とともに、配線基板１０、接合部２０および半導体素子３０を拡散接合により接合する。（ステップＳ４１５）。ステップＳ４１５における処理は、特許請求の範囲における「第１の拡散接合」に当たる。
【００７５】
図８は、ステップＳ４１５における接合工程について説明する説明図である。図８に示すように、開口部１４５内に半導体素子３０が配置された状態で、配線基板１０、接合部２０および半導体素子３０が、上側治具６０および下側治具６１とから構成される加圧治具によって狭持され、第１の接合開始温度で加熱されるとともに、積層方向に加圧される。第１の接合開始温度での加熱および加圧により、半導体素子３０と接合部２０の第１接合層１３０および配線基板１０と接合部２０の第１接合層１３０が拡散接合により接合される。第１実施例では、第１の接合開始温度は、既述の通り、４５０℃である。第２接合層１４０は、第１の接合開始温度よりも高い第２の接合開始温度を有する材料により形成されているので、当該接合工程における加熱処理では、溶融、軟化しない。よって、下側治具６１への第２接合層１４０の浸食が抑制される。
【００７６】
図９は、ステップＳ４１５における半導体素子３０の電極部３２と導電接合部１３６との接合状態について説明する説明図である。図９（ａ）は、加熱・圧着される前における半導体素子３０の実装箇所を拡大して示しており、図９（ｂ）は、加熱・圧着された後における半導体素子３０の実装箇所を拡大して示している。
【００７７】
図９（ａ）に示すように、半導体素子３０の電極部３２の水平方向（積層方向に対して垂直方向）の直径は、窪み部１３７の水平方向の直径よりも小さく形成されている。従って、半導体素子３０が開口部１４５に収容され、電極部３２が窪み部１３７内に収容された状態では、電極部３２と１３７の側壁１３５ａとの間に空隙５００が形成される。
【００７８】
図９（ｂ）に示すように、配線基板１０、接合部２０および半導体素子３０がステップＳ４１５の接合工程において、加熱され、積層方向に押圧されると、第１接合層１３０が配線基板１０に押しつけられる。このとき、第１接合層１３０は、第１の接合開始温度で加熱されているため、第１接合層１３０は軟化して流動性に富んだ状態となっており、窪み部１３７の側壁１３５ａと、半導体素子３０の電極部３２との間の空隙５００は、第１接合層１３０により充填される。
【００７９】
半導体素子３０の載置（ステップＳ４１０）および接合（ステップＳ４１５）が終了すると、半導体素子３０の接合状態を検査し（ステップＳ４２０）、接合が正常であるか否かの判定が行われる（ステップＳ４２５）。半導体素子３０の接合が異常であった場合には（ステップＳ４２５：ＮＯ）、半導体素子３０の取外しおよび再接合等のリペアが実行され（ステップＳ４３５）、ステップＳ４１０に戻る。
【００８０】
前述のステップＳ４２５において、半導体素子３０の接合が正常であったと判定されると（ステップＳ４２５：ＹＥＳ）、放熱基板８０を作成する（ステップＳ４３０）。
【００８１】
放熱基板８０の作製は、具体的には以下の通りである。まず、絶縁基板４０を形成するセラミックス薄板状部材を作製する。なお、セラミックス薄板状部材には、ネジ収容部１７ａを形成する孔が設けられている。次に、セラミックス薄板状部材上に電極配線４６用のパターンを作製する。電極配線４６が配置される位置にビアが形成されたガラスシートを作製し、セラミックス薄板状部材に貼り付ける。なお、このガラスシートには、ネジ収容部１７ａを形成する孔が設けられている。このようにして、絶縁基板４０上に電極配線層４５が形成された放熱基板８０が作製される。
【００８２】
放熱基板８０が作製されると、放熱基板８０および放熱器５０を、半導体素子３０が実装されている回路基板７０に取り付ける（ステップＳ４４０）。図１０は、ステップＳ４４０における回路基板７０への放熱基板８０および放熱器５０の取り付けについて説明する説明図である。まず、回路基板７０を放熱基板８０上に載置し、さらに、回路基板７０が載置された放熱基板８０を、接着することなく放熱器５０に載置する。ネジ１９をネジ収容部１７およびネジ穴５３に収容し、第２の接合開始温度で加熱しながらネジ１９をネジ穴５３に係合させ、配線基板１０と放熱器５０とを所定の締結力で締結させる。ステップＳ４４０における処理は、特許請求の範囲における「第２の拡散接合」に当たる。
【００８３】
第２の接合開始温度は、既述の通り６００℃である。接合部２０の第２接合層１４０と放熱基板８０は、第２の接合開始温度で加熱されることにより、溶融、軟化し、第２接合層１４０と放熱基板８０の間で原子の拡散が生じて接合される。同様に、接合部２０の第２接合層１４０と半導体素子３０の筐体３１は、第２の接合開始温度で加熱されることにより、溶融、軟化し、第２接合層１４０と筐体３１の間で原子の拡散が生じて接合される。
【００８４】
図１１は、ステップＳ４４０における、接合部２０、半導体素子３０および放熱基板８０の接合状態について説明する部分拡大断面図である。図１１（ａ）は、加熱・圧着される前における半導体素子３０の実装箇所を拡大して示しており、図１１（ｂ）は、加熱・圧着された後における半導体素子３０の実装箇所を拡大して示している。
【００８５】
図１１（ａ）に示すように、開口部１４５は、半導体素子３０の筐体３１の外形よりも大きく形成されているので、半導体素子３０が開口部１４５に収容された状態では、開口部１４５の側壁１４５ｂと、半導体素子３０の側面３４との間に空隙５１０が形成される。
【００８６】
図１１（ｂ）に示すように、接合部２０、半導体素子３０および放熱基板８０が拡散接合において、加熱され、積層方向に押圧されると放熱基板８０が半導体素子３０および第２接合層１４０に押しつけられる。このとき、第２接合層１４０は、第２の接合開始温度で加熱されているため、第２接合層１４０は軟化して流動性に富んだ状態となっており、開口部１４５の側壁１４５ｂと、半導体素子３０の間の空隙５１０は、第２接合層１４０により充填される。こうすることにより、半導体素子３０の外表面が絶縁性の第２接合層１４０により被覆されるので、半導体素子３０の電極部３２と放熱基板８０との間の絶縁性が向上され、半導体素子３０の沿面放電が防止される。
【００８７】
なお、空隙５１０の充填に伴い、第２接合層１４０の厚みは、接合前の厚みより若干薄くなる。第２接合層１４０の薄層化に伴い、溶融している放熱基板８０の電極配線層４５は、水平方向に広がり、厚みが若干薄くなる。電極配線層４５がこのように流動することにより、放熱基板８０、第２接合層１４０および半導体素子３０のそれぞれの接合界面を、空隙や気泡の存在しない略平坦な状態とでき、接合強度を確保できる。
【００８８】
なお、放熱基板８０を接着することなく放熱器５０に載置するのは、以下の理由による。放熱器５０と放熱基板８０（絶縁基板４０）との間の熱膨張係数率の相違により、放熱器５０と放熱基板８０（絶縁基板４０）との間の変形量（温度変化に伴う変形量）が相違するため、この変形量の差に起因して応力が発生し得る。しかしながら、放熱基板８０を接着することなく放熱器５０に載置することにより、放熱器５０と放熱基板８０（絶縁基板４０）とを互いに接着されることなく接して配置させることができるので、放熱器５０と絶縁基板４０との変形量の差に起因する応力の発生を抑制し、また、応力を低減させることができる。それゆえ、半導体素子３０と電極配線層４５（電極配線４６）との接合界面において大きな応力が生じることを抑制できるので、接続箇所の損傷を抑制できるからである。
【００８９】
以上の工程が実行されると、半導体モジュール１００が完成する。その後、低発熱部品２００を半導体モジュール１００に接合することができる。具体的には、例えば、低発熱部品２００がバンプを有する半導体素子である場合には、かかるバンプと上部表面配線１４とが接するように、半導体素子３０を載置してリフローを行うことにより、バンプと上部表面配線１４とを接合させることができる。
【００９０】
以上説明した第１実施例の半導体モジュール１００によれば、配線基板１０、放熱基板８０と半導体素子３０との接合時における加熱・圧着時において、第１接合層１３０と第２接合層１４０の各々と、配線基板１０、８０、半導体素子３０やその他の電子部品とは、異なるタイミングで接合が開始される。よって、第１接合層１３０、第２接合層１４０がほぼ同じタイミングで接合を開始する場合に生じる種々の問題を抑制でき、表裏両面に配線パターンを有する半導体素子を実装する半導体モジュールを製造する場合における製造効率を向上できる。第１実施例では、第１の接合開始温度が第２の接合開始温度より低いので、第１の接合開始温度で行われる半導体素子３０の実装時の加熱・加圧処理において、第２接合層１４０の変形が抑制される。よって、半導体モジュールの製造工程において、半導体素子３０の実装に利用される加圧治具の下側治具６１に第２接合層１４０が浸食することが抑制され、製造工程の煩雑化が抑制され、製造効率を向上できる。
【００９１】
また、以上説明した第１実施例の半導体モジュール１００の製造方法によれば、第１接合層１３０は、第１の接合開始温度で加熱圧着されることにより軟化し、貫通孔と第１の電極との間の空隙を充填するように変形する。従って、半導体素子の損傷の抑制および第１の配線基板と第２の配線基板との間の絶縁性の向上を図ることができる。
【００９２】
また、以上説明した第１実施例の半導体モジュール１００の製造方法によれば、第２接合層は、第２の接合開始温度で加熱圧着されることにより軟化し、開口部と半導体素子との間の空隙を充填するように変形する。従って、半導体素子の損傷の抑制および配線基板１０と放熱基板８０と半導体素子３０の間の絶縁性の向上、より具体的には、半導体素子３０の電極部３２と放熱基板８０の電極配線４６との間の絶縁性が向上されるので、半導体素子３０の沿面放電の防止を図ることができる。また、半導体素子周囲に空隙が存在することによる半導体素子３０の損傷の抑制を図ることができる。
【００９３】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例では、第１接合層１３０の第１の接合開始温度が、第２接合層１４０の第２の接合開始温度よりも高い温度となるように、第１接合層１３０および第２接合層１４０を構成する材料が決定される。具体的には、第１接合層１３０はＮａ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とＳｉＯ2とからなる粉末ガラスにより形成される。Ｎａ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とＳｉＯ2とからなる粉末ガラスの軟化点は５８５℃であるので、第１の接合開始温度は、５８５℃より高い温度、例えば、６００℃に規定される。また、第２接合層１４０は、Ｂｉ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とからなる粉末ガラスにより形成される。Ｂｉ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とからなる粉末ガラスの軟化点は４３５℃であるので、第２の接合開始温度は、第１の接合開始温度である６００℃よりも低く、軟化点である４３５℃よりも高い温度、例えば、４５０℃に規定される。
【００９４】
以上説明した第２実施例の接合部を有する回路基板、半導体モジュールによれば、第２の接合開始温度で第２接合層１４０と他の部品とを接合する際に、半導体素子実装時に既に半導体素子３０や配線基板１０と接合されている第１接合層１３０が、再度の加熱・加圧により、過度に変形したり、第２接合層１４０への加圧力が低減したりすることを抑制できる。よって、半導体モジュールの製造効率を向上できる。
【００９５】
Ｃ．変形例
（１）上述の実施例では、接合層を構成する材料として、Ｎａ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とＳｉＯ2とからなる粉末ガラス、Ｂｉ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とからなる粉末ガラスを一例として記載しているが、例えば、Ｎａ2Ｏ3とＺｎＯとＢ2Ｏ3とからなる粉末ガラス（焼結反応を開始する温度：４６０℃、融点：５６０℃）など各種の材料を利用してもよい。
【００９６】
（２）第１実施例、第２実施例において、第１接合層１３０、第２接合層１４０のガラスシートは、複数枚のガラスシートが積層されて形成されても良い。こうすることにより、開口部１４５の形状（例えば、第２実施例におけるテーパー形状等）のサイズ変更をより柔軟に行うことができるなど、接合層の作製手法として、特に有効である。すなわち、複数層から形成されることにより、第１接合層、第２接合層に傾斜機能を持たせることができ、より詳細な制御ができる。
【００９７】
（３）第1実施例では、第１接合層１３０、第２接合層１４０を作製（貫通孔１３５内に導電接合部１３６が充填されている状態）した後に、第１の配線基板１００に仮接着しているが、例えば、第１接合層１３０、第２接合層１４０を構成するガラスシート３３０，３４０を作製し、第１の配線基板１００にガラスシート３３０を仮接着し，ガラスシート３３０にガラスシート３４０を仮接着した後に、レーザなどにより開口部１４５、貫通孔１３５を形成し、導電接合部１３６を貫通孔１３５内に充填してもよい。すなわち、貫通孔１３５や開口部１４５の形成を含む接合層１２０の形成と、接合層１２０と配線基板１０との仮接着との順番は、どのような順番であってもよい。
【００９８】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができる。
【符号の説明】
【００９９】
１０…配線基板
１１…セラミックス層
１２…制御回路用配線
１３…主電力ストレートビア
１４…上部表面配線
１５…下部表面配線
１６…第１絶縁接合部
１７…ネジ収容部
１７ａ…ネジ収容部
１８…放熱層
１９…ネジ
２０…接合部
３０…半導体素子
３１…筐体
３２…電極部
３４…側面
３９…配線層
４０…絶縁基板
４５…電極配線層
４６…電極配線
４７…第３絶縁接合部
５０…放熱器
５１…フィン
５２…筐体
５３…ネジ穴
６０…上側治具
６１…下側治具
７０…回路基板
８０…放熱基板
１００…半導体モジュール
１３０…第１接合層
１３１…第１の面
１３２…第２の面
１３５…貫通孔
１３５ａ…側壁
１３６…導電接合部
１３７…窪み部
１４０…第２接合層
１４５…開口部
１４５ａ…天面
１４５ｂ…側壁
２００…低発熱部品
３３０…ガラスシート
３４０…ガラスシート
５００…空隙
５１０…空隙
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板であって、
ビアおよび配線パターンが形成された配線基板と、
前記配線基板の前記第１の面上に配置され、半導体素子と前記配線基板とを接合するとともに、無機系材料を主成分とする接合部であって、前記配線基板側に配置されている第１接合層と、前記半導体素子側に配置されている第２接合層とからなる接合部と、を備え、
前記第１接合層は、
前記ビアに対応する部位に形成されている少なくとも一つの貫通孔と、
前記貫通孔内に配置され、前記半導体素子に形成されている電極と前記配線基板とを導通するための導電接合部とを備え、
前記配線基板と接合を開始する温度である第１の接合開始温度を有し、
前記第２接合層は、
前記貫通孔と連通し、前記半導体素子を配置するための開口部を備え、
前記半導体素子と接合を開始する温度であって、前記第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する、
回路基板。
【請求項２】
請求項１に記載の回路基板において、
前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも低いことを特徴とする、
回路基板。
【請求項３】
請求項１に記載の回路基板において、
前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高いことを特徴とする、
回路基板。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の回路基板において、
前記第１の接合開始温度は、前記第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であり、
前記第２の接合開始温度は、前記第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であることを特徴とする、
回路基板。
【請求項５】
半導体モジュールであって、
ビアおよび配線パターンが形成された配線基板と、
前記配線基板の第１の面側に配置される半導体素子と、
前記配線基板の前記第１の面上に配置され、半導体素子と前記配線基板とを接合するとともに、無機系材料を主成分とする接合部であって、前記配線基板側に配置されている第１接合層と、前記半導体素子側に配置されている第２接合層とからなる接合部と、を備え、
前記第１接合層は、
前記ビアに対応する部位に形成されている少なくとも一つの貫通孔と、
前記貫通孔内に配置され、前記半導体素子に形成されている電極と前記配線基板とを導通するための導電接合部とを備え、
前記配線基板と接合を開始する温度である第１の接合開始温度を有し、
前記第２接合層は、
前記貫通孔と連通し、前記半導体素子を配置するための開口部を備え、
前記半導体素子と接合を開始する温度であって、前記第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する、
半導体モジュール。
【請求項６】
請求項５記載の半導体モジュールであって、
前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも低いことを特徴とする、
半導体モジュール。
【請求項７】
請求項５記載の半導体モジュールにおいて、
前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高いことを特徴とする、
半導体モジュール。
【請求項８】
請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の半導体モジュールにおいて、
前記第１の接合開始温度は、前記第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であり、
前記第２の接合開始温度は、前記第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であることを特徴とする、
半導体モジュール。
【請求項９】
半導体モジュールの製造方法であって、
ビアおよび配線パターンを有する第１の配線基板を作製する工程と、
表面配線を有する第２の配線基板を作製する工程と、
第１接合層および第２接合層からなる無機系材料を主成分とする接合部と、前記第１の配線基板とを接合する工程であって、
前記第１接合層の前記ビアに対応する部位に少なくとも一つの貫通孔を形成すること、
前記貫通孔と連通し、前記半導体素子を配置するための開口部を前記第２接合層に形成すること、
前記半導体素子の表側に形成されている第１の電極と前記第１の配線基板とを導通するための導電接合部を前記貫通孔内に配置すること、および、
前記第１接合層が前記第１の配線基板に対向するように、前記第１接合層および前記第２接合層を積層配置すること、を含む工程と、
前記第１の電極と前記導電接合部とが導通可能となるように、前記半導体素子を前記開口部内に配置する工程と、
前記第１の配線基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第１接合層が前記配線基板と接合を開始する温度である第１の接合開始温度で加熱圧着して第１の拡散接合を行う工程と、
前記半導体素子の裏側に形成されている第２の電極と前記第２の配線基板の前記表面配線とが導通可能となるように、前記第２の配線基板を配置する工程と、
前記第２の配線基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第２接合層が前記半導体素子と接合を開始する温度であって、前記第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する第２の接合開始温度で加熱圧着して第２の拡散接合を行う工程と、を備える半導体モジュールの製造方法。
【請求項１０】
請求項９記載の半導体モジュールの製造方法であって、
前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも低いことを特徴とする、
半導体モジュールの製造方法。
【請求項１１】
請求項９記載の半導体モジュールの製造方法において、
前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高いことを特徴とする、
半導体モジュールの製造方法。
【請求項１２】
請求項９ないし請求項１１のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法において、
前記第１の接合開始温度は、前記第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であり、
前記第２の接合開始温度は、前記第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であることを特徴とする、
半導体モジュールの製造方法。
【請求項１３】
請求項９ないし請求項１２のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法において、
前記第１の拡散接合において、前記第１接合層は、前記第１の接合開始温度で加熱圧着されることにより軟化し、前記貫通孔と前記第１の電極との間の空隙を充填する、
半導体モジュールの製造方法。
【請求項１４】
請求項９ないし請求項１３のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法において、
前記第２の拡散接合において、前記第２接合層は、前記第２の接合開始温度で加熱圧着されることにより軟化し、前記開口部と前記半導体素子との間の空隙を充填する、
半導体モジュールの製造方法。
【請求項１】
回路基板であって、
ビアおよび配線パターンが形成された配線基板と、
前記配線基板の前記第１の面上に配置され、半導体素子と前記配線基板とを接合するとともに、無機系材料を主成分とする接合部であって、前記配線基板側に配置されている第１接合層と、前記半導体素子側に配置されている第２接合層とからなる接合部と、を備え、
前記第１接合層は、
前記ビアに対応する部位に形成されている少なくとも一つの貫通孔と、
前記貫通孔内に配置され、前記半導体素子に形成されている電極と前記配線基板とを導通するための導電接合部とを備え、
前記配線基板と接合を開始する温度である第１の接合開始温度を有し、
前記第２接合層は、
前記貫通孔と連通し、前記半導体素子を配置するための開口部を備え、
前記半導体素子と接合を開始する温度であって、前記第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する、
回路基板。
【請求項２】
請求項１に記載の回路基板において、
前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも低いことを特徴とする、
回路基板。
【請求項３】
請求項１に記載の回路基板において、
前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高いことを特徴とする、
回路基板。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の回路基板において、
前記第１の接合開始温度は、前記第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であり、
前記第２の接合開始温度は、前記第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であることを特徴とする、
回路基板。
【請求項５】
半導体モジュールであって、
ビアおよび配線パターンが形成された配線基板と、
前記配線基板の第１の面側に配置される半導体素子と、
前記配線基板の前記第１の面上に配置され、半導体素子と前記配線基板とを接合するとともに、無機系材料を主成分とする接合部であって、前記配線基板側に配置されている第１接合層と、前記半導体素子側に配置されている第２接合層とからなる接合部と、を備え、
前記第１接合層は、
前記ビアに対応する部位に形成されている少なくとも一つの貫通孔と、
前記貫通孔内に配置され、前記半導体素子に形成されている電極と前記配線基板とを導通するための導電接合部とを備え、
前記配線基板と接合を開始する温度である第１の接合開始温度を有し、
前記第２接合層は、
前記貫通孔と連通し、前記半導体素子を配置するための開口部を備え、
前記半導体素子と接合を開始する温度であって、前記第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する、
半導体モジュール。
【請求項６】
請求項５記載の半導体モジュールであって、
前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも低いことを特徴とする、
半導体モジュール。
【請求項７】
請求項５記載の半導体モジュールにおいて、
前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高いことを特徴とする、
半導体モジュール。
【請求項８】
請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の半導体モジュールにおいて、
前記第１の接合開始温度は、前記第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であり、
前記第２の接合開始温度は、前記第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であることを特徴とする、
半導体モジュール。
【請求項９】
半導体モジュールの製造方法であって、
ビアおよび配線パターンを有する第１の配線基板を作製する工程と、
表面配線を有する第２の配線基板を作製する工程と、
第１接合層および第２接合層からなる無機系材料を主成分とする接合部と、前記第１の配線基板とを接合する工程であって、
前記第１接合層の前記ビアに対応する部位に少なくとも一つの貫通孔を形成すること、
前記貫通孔と連通し、前記半導体素子を配置するための開口部を前記第２接合層に形成すること、
前記半導体素子の表側に形成されている第１の電極と前記第１の配線基板とを導通するための導電接合部を前記貫通孔内に配置すること、および、
前記第１接合層が前記第１の配線基板に対向するように、前記第１接合層および前記第２接合層を積層配置すること、を含む工程と、
前記第１の電極と前記導電接合部とが導通可能となるように、前記半導体素子を前記開口部内に配置する工程と、
前記第１の配線基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第１接合層が前記配線基板と接合を開始する温度である第１の接合開始温度で加熱圧着して第１の拡散接合を行う工程と、
前記半導体素子の裏側に形成されている第２の電極と前記第２の配線基板の前記表面配線とが導通可能となるように、前記第２の配線基板を配置する工程と、
前記第２の配線基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第２接合層が前記半導体素子と接合を開始する温度であって、前記第１の接合開始温度とは異なる第２の接合開始温度を有する第２の接合開始温度で加熱圧着して第２の拡散接合を行う工程と、を備える半導体モジュールの製造方法。
【請求項１０】
請求項９記載の半導体モジュールの製造方法であって、
前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも低いことを特徴とする、
半導体モジュールの製造方法。
【請求項１１】
請求項９記載の半導体モジュールの製造方法において、
前記第１の接合開始温度は、前記第２の接合開始温度よりも高いことを特徴とする、
半導体モジュールの製造方法。
【請求項１２】
請求項９ないし請求項１１のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法において、
前記第１の接合開始温度は、前記第１接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であり、
前記第２の接合開始温度は、前記第２接合層を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上の温度であることを特徴とする、
半導体モジュールの製造方法。
【請求項１３】
請求項９ないし請求項１２のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法において、
前記第１の拡散接合において、前記第１接合層は、前記第１の接合開始温度で加熱圧着されることにより軟化し、前記貫通孔と前記第１の電極との間の空隙を充填する、
半導体モジュールの製造方法。
【請求項１４】
請求項９ないし請求項１３のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法において、
前記第２の拡散接合において、前記第２接合層は、前記第２の接合開始温度で加熱圧着されることにより軟化し、前記開口部と前記半導体素子との間の空隙を充填する、
半導体モジュールの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−７００１８（Ｐ２０１３−７００１８Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−６１８２６（Ｐ２０１２−６１８２６）
【出願日】平成２４年３月１９日（２０１２．３．１９）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月１９日（２０１２．３．１９）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]