回路基板、半導体パワーモジュール、製造方法
【課題】半導体素子から多層基板への熱拡散性能の向上、および、多層基板と半導体素子との接合強度の向上。
【解決手段】半導体パワーモジュール１０は、セラミックス多層基板１００と、接合層１１０と、拡散層１２０と、半導体素子１３０を備える。接合層１１０は、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上に配置され、半導体素子１３０とセラミックス多層基板１００とを電気的に接続する導電接合部１１１と、半導体素子１３０とセラミックス多層基板１００とを絶縁する絶縁接合部１１２とを備える平面状の薄膜層である。こうすれば、半導体素子１３０とセラミックス多層基板１００との間における空隙の発生を抑制しつつ接合することができ、半導体素子１３０からセラミックス多層基板１００への熱拡散性能、および、セラミックス多層基板１００と半導体素子１３０との接合強度を向上できる。
【解決手段】半導体パワーモジュール１０は、セラミックス多層基板１００と、接合層１１０と、拡散層１２０と、半導体素子１３０を備える。接合層１１０は、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上に配置され、半導体素子１３０とセラミックス多層基板１００とを電気的に接続する導電接合部１１１と、半導体素子１３０とセラミックス多層基板１００とを絶縁する絶縁接合部１１２とを備える平面状の薄膜層である。こうすれば、半導体素子１３０とセラミックス多層基板１００との間における空隙の発生を抑制しつつ接合することができ、半導体素子１３０からセラミックス多層基板１００への熱拡散性能、および、セラミックス多層基板１００と半導体素子１３０との接合強度を向上できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層基板により構成される回路基板、回路基板に半導体素子が搭載された半導体パワーモジュール、および、それらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年パワーモジュールパッケージにおいては小型、低背、高密度実装化が進み、その実現のために、従来のワイヤーボンドによる実装方式から、セラミックス多層基板等を用いて半導体素子をフリップチップ接続する実装方式を用いた半導体モジュールが提案されている。フリップチップ接続とは、半導体素子上にバンプと呼ばれる導電性の突起を配置し、セラミックス多層基板上の半導体素子を搭載する位置に、バンプを合わせて、セラミックス多層基板に直接接合する接合方法であり、半導体素子の実装に必要な面積を２０〜３０%程度減らす事ができ、高密度実装に寄与する事ができる。
【０００３】
このようなフリップチップ実装方式を用いた半導体モジュールには、セラミックス多層基板と半導体素子との間のバンプ間の空隙に、従来の有機材料を封止材として用いたものに加えて、無機系材料が充填されたものがある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２５３５７９号公報
【特許文献２】特開２００６−０６６５８２号公報
【特許文献３】特開２０１０−２８７８６９号公報
【特許文献４】特開２００９−１７０９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
フリップチップ実装により更に高密度実装化が進む半導体素子パワーモジュールにおいては、放熱面積の低下によりサイズ効果による放熱特性が劣化するため、半導体素子からセラミック多層基板への更なる熱拡散性能の向上が必要である。しかしながら、従来の半導体素子パワーモジュールでは、封止材充填工程における気泡の発生や、使用時の熱応力に起因する接合部分へのクラックの発生などによりセラミックス多層基板と半導体素子との間に空間が発生し、空気が入り込むなどの問題がある。そのため、従来の半導体素子パワーモジュールでは、半導体素子からセラミックス多層基板への熱拡散性能の低下による半導体素子の放熱性能の低下、および、セラミックス多層基板と半導体素子との間の接合強度の低下を招くおそれがある。
【０００６】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、半導体素子からセラミックス多層基板への熱拡散性能の向上、および、セラミックス多層基板と半導体素子との接合強度の向上を目的とする。
【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］
半導体パワー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多層基板と、前記多層基板の第１の面側に配置される半導体素子と、前記多層基板の第１の面上に形成され、前記多層基板と半導体素子とを接合する接合層と、を備え、前記接合層は、前記ビアに対応する第１の部位に配置されている平面状の導電接合部であって、前記半導体素子に形成されている電極パッドと、前記電極パッドと前記多層基板とを導通する導電接続部と、からなる導電接合部と、前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とする平面状の絶縁接合部と、 を有する半導体パワーモジュール。
【０００９】
適用例１の半導体パワーモジュールによれば、接合層が平面状に形成されているので、多層基板と半導体素子との接合時に、多層基板と半導体素子との間における空隙の発生を抑制できる。従って、半導体素子から多層基板への熱拡散性能、および、多層基板と半導体素子との接合強度を向上することができる。
【００１０】
［適用例２］
適用例１記載の半導体パワーモジュールであって、前記多層基板と前記接合層および前記半導体素子と前記接合層とは、拡散接合により接合され、前記半導体パワーモジュールは、更に、前記多層基板と前記接合層および前記半導体素子と前記接合層との間に、前記拡散接合時に形成される拡散層を備える、半導体パワーモジュール。
【００１１】
適用例２の半導体パワーモジュールによれば、多層基板と接合層、および、接合層と半導体素子との拡散接合時に、多層基板と接合層の接合面、および、接合層と半導体素子との接合面で発生する原子の拡散により拡散層が形成される。従って、多層基板と接合層、および、接合層と半導体素子との接合強度を向上できる。
【００１２】
［適用例３］
適用例１記載の半導体パワーモジュールであって、前記絶縁接合部には、金属フィラーもしくは無機系フィラーが含まれる、半導体パワーモジュール。
【００１３】
適用例１の半導体パワーモジュールによれば、絶縁接合部に金属フィラーもしくは無機系フィラーが含まれるので、半導体素子から多層基板への熱拡散性能を向上できる。
【００１４】
［適用例４］
適用例２記載の半導体パワーモジュールであって、
前記絶縁接合部および前記拡散層には、金属フィラーもしくは無機系フィラーが含まれる、
半導体パワーモジュール。
【００１５】
適用例４の半導体パワーモジュールによれば、絶縁接合部および拡散層に金属フィラーもしくは無機系フィラーが含まれるので、半導体素子から多層基板への熱拡散性能を向上できる。
【００１６】
［適用例５］
適用例1ないし適用例４いずれか記載の半導体パワーモジュールであって、前記導電接合部を構成する材料の接合開始温度である第１の接合開始温度は、前記絶縁接合部を構成する材料の接合開始温度である第２の接合開始温度よりも低いことを特徴とする、半導体パワーモジュール。
【００１７】
適用例５の半導体パワーモジュールによれば、絶縁接合部よりも先に導電接合部の接合が行われる。従って、導電接続部と半導体素子の電極パッド、および、導電接合部と配線基板とが接合された状態、すなわち、導電接続部と半導体素子の電極パッドの間、および、導電接合部と配線基板の間に空隙が存在しない状態で、絶縁接合部の軟化変形が開始され、絶縁接合部と半導体素子、および、絶縁接合部と配線基板との接合が行われる。よって、絶縁接合部を構成する材料が、導電接続部と電極パッドの間へ侵入すること、導電接合部に混入することによる、導電接合部の導電性能の低下を抑制できる。
【００１８】
［適用例６］
適用例５記載の半導体パワーモジュールにおいて、前記第１の接合開始温度は、前記導電接合部が焼結反応を開始する焼結開始温度以上であり、前記第２の接合開始温度は、前記絶縁接合部が焼結反応を開始する焼結開始温度以上であることを特徴とする、半導体パワーモジュール。
【００１９】
適用例６の半導体パワーモジュールによれば、第１の接合開始温度は、導電接合部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、絶縁接合部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、導電接合部、絶縁接合部の各々について、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、導電接合部を構成する材料の溶融開始温度とし、第２の接合開始温度は、絶縁接合部を構成する材料の溶融開始温度としてもよい。こうすれば、導電接合部および絶縁接合部を確実に溶融させることができ、導電接合部および絶縁接合部の各々と他の部材との接合強度を向上できる。
【００２０】
［適用例７］
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多層基板と、前記多層基板の第１の面上に配置され、前記多層基板に半導体素子を接合するための接合層と、を備え、前記接合層は、前記ビアに対応する第１の部位に配置され、前記配線パターンと前記半導体素子と導通し、少なくとも前記第１の面側が平面状に形成されている導電接続部と、前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とし、少なくとも前記第１の面側が平面状に形成されている絶縁接合部と、を有する回路基板。
【００２１】
適用例７の回路基板によれば、半導体素子と多層基板とが平面で接合されるので、多層基板と半導体素子との間における空隙の発生を抑制できる。従って、半導体素子から多層基板への熱拡散性能、および、多層基板と半導体素子との接合強度を向上することができる。
【００２２】
［適用例８］
適用例７記載の回路基板であって、前記導電接合部を構成する材料が前記半導体素子と接合を開始する温度である第１の接合開始温度は、前記絶縁接合部を構成する材料が前記多層基板および前記半導体素子と接合を開始する温度である第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。
【００２３】
適用例８の半導体パワーモジュールによれば、絶縁接合部よりも先に導電接合部の接合が行われる。従って、導電接合部と半導体素子の電極パッド、および、導電接合部と配線基板が接合された状態、すなわち、導電接合部と半導体素子の電極パッドの間、および、導電接合部と配線基板の間に空隙が存在しない状態で、絶縁接合部の軟化変形が開始され、絶縁接合部と半導体素子、および、絶縁接合部と配線基板との接合が行われる。よって、絶縁接合部を構成する材料が導電接続部と電極パッドの間へ侵入すること、導電接合部に混入することによる、導電接合部の導電性能の低下を抑制できる。
【００２４】
［適用例９］
適用例８記載の回路基板おいて、前記第１の接合開始温度は、前記導電接合部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であり、前記第２の接合開始温度は、前記絶縁接合部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であることを特徴とする、回路基板。
【００２５】
適用例９の半導体パワーモジュールによれば、第１の接合開始温度は、導電接合部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、絶縁接合部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、導電接合部、絶縁接合部の各々について、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、導電接合部を構成する材料の溶融開始温度とし、第２の接合開始温度は、絶縁接合部を構成する材料の溶融開始温度としてもよい。こうすれば、導電接合部および絶縁接合部を確実に溶融させることができ、導電接合部および絶縁接合部の各々と他の部材との接合強度を向上できる。
【００２６】
［適用例１０］
半導体パワー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多層基板と、
前記多層基板の第１の面側に配置される半導体素子と、前記多層基板の第１の面上に形成され、前記多層基板と半導体素子とを接合する接合層と、を備え、前記接合層は、前記ビアに対応する第１の部位に配置され、前記半導体素子の電極パッドと、前記電極パッドと前記多層基板とを導通する導電接続部と、からなる導電接合部と、前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とする絶縁接合部と、を有し、前記電極パッドと前記導電接続部とが導通可能となるように、前記半導体素子が前記接合層上に積層され、前記多層基板、前記接合層および前記半導体素子が接合された状態で、前記多層基板と前記接合層との界面、および、前記接合層と前記半導体素子との界面の、積層方向の断面が、略直線状に形成されている、半導体パワーモジュール。
【００２７】
適用例１０の半導体パワーモジュールによれば、多層基板と接合層との接合界面、および、接合層と半導体素子との接合界面の、積層方向の断面が、略直線状となるように形成されている。略直線状とは、本明細書では、多層基板と接合層との接合界面、および、接合層と半導体素子との接合界面に、気泡等による空隙が存在しない状態を含む。従って、半導体素子から多層基板への熱拡散性能、および、多層基板と半導体素子との接合強度を向上することができる。
【００２８】
［適用例１１］
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多層基板と、前記多層基板の第１の面上に形成され、前記多層基板と半導体素子とを接合する接合層と、を備え、前記接合層は、前記ビアに対応する第１の部位に配置され、前記配線パターンに前記半導体素子を導通させるための導電接続部と、前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とする絶縁接合部と、を有し、前記多層基板と前記接合層が接着された状態で、前記多層基板と前記接合層との界面の、積層方向の断面は、略直線状である、回路基板。
【００２９】
適用例１１の回路基板によれば、多層基板と接合層との接合界面は、積層方向の断面が、略直線状となるように形成されている。従って、多層基板と接合層との接合強度を向上することができ、半導体素子から多層基板への熱拡散性能を向上できる。
【００３０】
［適用例１２］
半導体パワー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多層基板を製作し、前記ビアに対応する第１の部位に、前記配線パターンと半導体素子とを導通する平面状の導電接続部を有し、前記第１の部位とは異なる第２の部位に平面状の絶縁接合部を有する接合部を、前記多層基板の第１の面上に配置し、前記接合部上に、前記半導体素子を、前記半導体素子に形成されている電極パッドと前記導電接続部とが導通可能となるように配置し、前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、加熱圧着し、前記多層基板と前記接合層、および、前記接合層と前記半導体素子を拡散接合する、半導体パワーモジュールの製造方法。
【００３１】
適用例１２の半導体パワーモジュールの製造方法によれば、多層基板と半導体素子との間に、接合部と電極パッドにより、多層基板と半導体素子とを接合するための平面状の接合層が形成される。従って、多層基板と半導体素子との間における空隙の発生を抑制できる。よって、半導体素子から多層基板への熱拡散性能、および、多層基板と半導体素子との接合強度を向上できる。
【００３２】
［適用例１３］
適用例１２記載の半導体パワーモジュールの製造方法であって、前記拡散接合において、 前記導電接合部を構成する材料が前記半導体素子と接合を開始する温度を第１の接合開始温度とし、前記絶縁接合部を構成する材料が前記多層基板および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の接合開始温度よりも高い温度を第２の接合開始温度とし、前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第１の接合開始温度で加熱圧着することにより、前記導電接合部と前記半導体素子の前記電極パッド、および、前記導電接合部と前記配線基板とを接合し、前記導電接合部と前記半導体素子の前記電極パッドとの接合後に、前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第２の接合開始温度で加熱圧着することにより、前記多層基板と前記絶縁接合部、および、前記絶縁接合部と前記半導体素子とを接合する、半導体パワーモジュールの製造方法。
【００３３】
適用例１３の半導体パワーモジュールの製造方法によれば、 絶縁接合部よりも先に導電接合部の接合が行われる。従って、導電接合部と半導体素子の電極パッド、および、導電接合部と配線基板が接合された状態、すなわち、導電接合部と半導体素子の電極パッドの間、および、導電接合部と配線基板の間に空隙が存在しない状態で、絶縁接合部の軟化変形が開始され、絶縁接合部と半導体素子、および、絶縁接合部と配線基板との接合が行われる。よって、絶縁接合部を構成する材料が、導電接続部と電極パッドの間へ侵入すること、導電接合部に混入することによる、導電接合部の導電性能の低下を抑制できる。
【００３４】
［適用例１４］
適用例１３記載の半導体パワー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、前記導電接続部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であり、前記第２の接合開始温度は、前記絶縁接続部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であることを特徴とする、半導体パワーモジュールの製造方法。
【００３５】
適用例１４の半導体パワーモジュールの製造方法によれば、第１の接合開始温度は、導電接合部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、絶縁接合部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、導電接合部、絶縁接合部の各々について、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、導電接合部を構成する材料の溶融開始温度とし、第２の接合開始温度は、絶縁接合部を構成する材料の溶融開始温度としてもよい。こうすれば、導電接合部および絶縁接合部を確実に溶融させることができ、導電接合部および絶縁接合部の各々と他の部材との接合強度を向上できる。
【００３６】
［適用例１５］
適用例１２記載の半導体パワーモジュールの製造方法であって、前記拡散接合において、 前記導電接続部を構成する材料と前記電極パッドを構成する材料とが接合を開始する温度を第１の接合開始温度とし、前記絶縁接合部を構成する材料が前記多層基板および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の接合開始温度よりも高い温度を第２の接合開始温度とし、前記第１の接合開始温度が、所定時間保持された後、前記第２の接合開始温度が所定時間保持されるように設定されている温度プロファイルに基づき、前記加熱を行う、半導体パワーモジュールの製造方法。
【００３７】
適用例１５の半導体パワーモジュールの製造方法によれば、段階的な温度変化を有する温度プロファイルに基づいて、接合部、配線基板および半導体素子の接合が行われる。従って、簡易な構成で、多段階の温度変化を行いつつ拡散接合を行うことができ、製造効率を向上できる。
【００３８】
［適用例１６］
回路基板の製造方法であって、ビアおよび配線パターンを有する多層基板を製作し、前記ビアに対応する第１の部位に、前記配線パターンと半導体素子とを導通する導電接続部を有し、前記第１の部位とは異なる第２の部位に絶縁接合部を有し、少なくとも、前記第１の面側が平面状に形成されている接合層を、前記多層基板の第１の面上に配置し、前記多層基板と前記接合層とを、前記接合層に含まれる有機成分の粘着力により接着する、回路基板の製造方法。
【００３９】
適用例１６の回路基板の製造方法によれば、多層基板の第１の面側が平面状に形成された、多層基板と半導体素子とを接合するための接合層が、多層基板の第１の面上に形成される。従って、多層基板と接合層との間における空隙の発生を抑制できる。よって、半導体素子から多層基板への熱拡散性能、および、多層基板と半導体素子との接合強度を向上することができる。
【００４０】
本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１実施例における半導体パワーモジュール１０の概略構成を示す断面図。
【図２】第１実施例における回路基板２０について説明する説明図。
【図３】第１実施例における半導体パワーモジュール１０の製造方法を説明する工程図。
【図４】ステップＳ１２における導電接続部１１１ａの配置工程を説明する説明図。
【図５】ステップＳ１４における絶縁接合部１１２のスクリーン印刷について説明する説明図。
【図６】第１実施例における半導体パワーモジュール１０の接合工程を説明する説明図。
【図７】第２実施例における半導体パワーモジュール３０を示す平面図。
【図８】第２実施例における半導体パワーモジュール３０を示す断面図。
【図９】変形例における半導体パワーモジュール４０を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．半導体パワーモジュールの概略構成：
図１は、第１実施例における半導体パワーモジュール１０の概略構成を示す断面図である。図２は、第１実施例における回路基板２０について説明する説明図である。半導体パワーモジュール１０は、回路基板２０と、半導体素子１３０とを備える。回路基板２０は、セラミックス多層基板１００と、接合層１１０と、拡散層１２０とを備える。
【００４３】
セラミックス多層基板１００は、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）などが用いられる。セラミックス多層基板１００は、半導体素子が実装される第１の面１０５と、該面と対向し、制御回路やコンデンサなどのその他の電子部品が搭載され得るもう一方の第２の面１０６間を電気的に接続するための内層ビアホール１０１と、配線パターン１０９と、第２の面１０６上に配置された外部接続用の電極端子１０４を備える。配線パターン１０９は、セラミックス多層基板１００の表面、内部の層の表面に形成されている。図１では、セラミックス多層基板１００の表面に形成された配線パターンは省略されている。また、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上、および第２の面１０６上には、半導体素子１３０やその他の電子部品を搭載するための電極ランド（図示省略）が形成されている。半導体素子１３０は、内層ビアホール１０１および配線パターン１０９を介して、第２の面１０６上に配置されている電極端子１０４と電気的に接続されている。
【００４４】
接合層１１０は、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上に配置され、導電接合部１１１と、絶縁接合部１１２とを備える平面状の薄膜層である。
【００４５】
導電接合部１１１は、導電接続部１１１ａと半導体素子１３０の電極パッド１３１とから構成され、半導体素子１３０とセラミックス多層基板１００とを電気的に接続する。導電接続部１１１ａは、導電性の金属を主成分として形成されており、図２に示すように、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上であって、内層ビアホール１０１に対応する第１の部位１０７（太実線で示す）上に配置されている。導電性の金属として、例えば、銅、銀、アルミニウム金属などを用いてもよい。導電接続部１１１ａは、後述する絶縁接合部１１２よりも薄く形成されており、絶縁接合部１１２と導電接続部１１１ａとにより窪みが形成される。該窪みに、電極パッド１３１が嵌りこむように配置されることによって、導電接合部１１１が形成される。
【００４６】
絶縁接合部１１２は、半導体素子１３０とセラミックス多層基板１００とを絶縁する。絶縁接合部１１２は、図２に示すように、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上であって、第１の部位１０７とは異なる第２の部位１０８（太破線で示す）に配置されている。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、ＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2、など、酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化ホウ素、酸化ビスマスなどの混相として形成される。
【００４７】
第１実施例において、第２の部位１０８とは、第１の部位１０７である導電接合部１１１が配置されている部位を除く部分を含む。接合層１１０が均一な平面となるように、導電接合部１１１と絶縁接合部１１２は、ほぼ同一の厚みを有している。また、接合層１１０の、半導体素子１３０側に対向する面も、均一な平面となるように形成されている。
【００４８】
なお、本実施例において、均一な平面とは、微少な湾曲や凹凸を含んでおり、接合層１１０が均一な平面を有しているとは、接合層１１０の、セラミック多層基板の第１の面１０５に対向する面が、第１の面１０５の形状に沿って形成され、導電接合部１１１と絶縁接合部１１２が連続して平坦に形成されていること、および、接合層１１０の、半導体素子１３０側に対向する面が、半導体素子１３０の、接合層１１０に対向する面の形状に沿って形成されていること、を含む。
【００４９】
絶縁接合部１１２は、絶縁性能が低下しない程度に、フィラー１１５を含むことが望ましい。ここで、フィラー１１５は、銅やアルミニウム粉末などよりなる金属フィラーもしくは無機系フィラーを含む。無機系フィラーとしては酸化ホウ素やアルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムなどよりなるセラミックスなどの、高放熱特性フィラーであることが望ましい。フィラー１１５が含有されていることにより、絶縁接合部１１２の伝熱性能が向上する。
【００５０】
拡散層１２０は、セラミックス多層基板１００と接合層１１０との拡散接合により形成される層である。拡散層１２０は、導電拡散部１２１と絶縁拡散部１２２を備える。導電拡散部１２１は、セラミックス多層基板１００と接合層１１０の導電接続部１１１ａとの拡散接合により形成される。絶縁拡散部１２２は、セラミックス多層基板１００と、接合層１１０の絶縁接合部１１２との拡散接合により形成される。絶縁拡散部１２２には、絶縁接合部１１２と同様に、フィラー１１５が含有されてもよい。なお、図１では、説明の便宜上、導電拡散部１２１と絶縁拡散部１２２の境界は明確に記載されているが、導電拡散部１２１と絶縁拡散部１２２の境界は曖昧であってもよい。
【００５１】
半導体素子１３０は、電極パッド１３１を備える。電極パッド１３１は、例えば、金（Ａｕ）を主成分として形成されている。半導体素子１３０は、電極パッド１３１が、接合層１１０の導電接続部１１１ａに接するように、接合層１１０上に配置されている。半導体素子１３０は、電極パッド１３１および導電接続部１１１ａ（すなわち、導電接合部１１１）を介してセラミックス多層基板１００と電気的に接続されている。
【００５２】
Ａ２．製造方法：
半導体パワーモジュール１０の製造方法を、図３〜図６を用いて説明する。図３は、第１実施例における半導体パワーモジュール１０の製造方法を説明する工程図である。
【００５３】
内層ビアホール１０１および配線パターン１０９が形成されたセラミックス多層基板１００を作製する（ステップＳ１０）。セラミックス多層基板１００の作製には、セラミックス多層基板１００の表面に、半導体素子１３０および他の電子部品を実装するための薄膜状の電極ランドを形成することを含む。電極ランドは、導電ペーストを用いた印刷法、物理蒸着（PVD：Physical Vapor Deposition）や化学蒸着（CVD: Chemical Vapor Deposition）により形成される。
【００５４】
セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上であって、内層ビアホール１０１に対応する第１の部位に、導電接続部１１１ａを配置する（ステップＳ１２）。図３は、ステップＳ１２における導電接続部１１１ａの配置工程を説明する説明図である。図３に示すように、後述するステップＳ１８における加熱工程により溶融する金属種を主成分とする金属の突起を導電接続部１１１ａとして形成する。この金属の突起はバンプとも呼ばれる。バンプは、所望の位置にボール状に形成された金属を配置し、加熱処理により柱状形状とするボール搭載法により形成しても良いし、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５の第１の部位１０７に、予め対応する位置にバンプとなる金属を転写する方法や導電接続部１１１ａの材料として既述した金属種を主成分とするペーストを、スクリーン印刷により印刷する方法、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５の第１の部位１０７にフォトリソパターンによりマスキングを施しメッキ法により所望の位置に金属バンプを形成してもよい。
【００５５】
導電接続部１１１ａを配置したセラミックス多層基板１００の第１の面１０５上の、第１の部位とは異なる第２の部位に絶縁接合部１１２を配置する（ステップＳ１４）。具体的には、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混練してガラス粉末ペーストを生成し、ガラス粉末ペーストを、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上の、導電接続部１１１ａの空隙を埋めるようにスクリーン印刷によりに印刷する。
【００５６】
図５は、ステップＳ１４における絶縁接合部１１２のスクリーン印刷について説明する説明図である。スクリーン印刷機２００は、スクリーン２０２と、スキージ２０３と、スキージホルダー２０４とを備える。スクリーン２０２には、導電接続部１１１ａに対応する部位を除く部位、すなわち、絶縁接合部１１２に対応する部位にのみ開口部が形成されている。ガラス粉末ペースト２５０をスクリーン２０２に載せ、スクリーン２０２上からスキージ２０３を摺動させる。こうすることにより、ガラス粉末ペースト２５０は開口部を通過し、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上の、導電接続部１１１ａが配置されている部位を除いた部位、すなわち、絶縁接合部１１２が配置される部位に転写される。この結果、導電接続部１１１ａと絶縁接合部１１２とからなり、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５側が平面上に形成された接合部１１０ａ（図２）が形成される。なお、ステップＳ１２，Ｓ１４の順序は、逆であってもよい。なお、接合部１１０ａの結着に用いられる有機成分（有機結着剤）は、後述する加熱処理工程において、分解、除去される。
【００５７】
形成された接合部１１０ａ上に、半導体素子１３０を配置する（ステップＳ１６）。具体的には、導電接続部１１１ａと絶縁接合部１１２とから形成される窪みに、電極パッド１３１を嵌め込むように半導体素子１３０を配置する。導電接続部１１１ａと電極パッド１３１とが接触することにより、半導体素子１３０と導電接続部１１１ａとの導通が確保される。
【００５８】
セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０を加熱圧着して、半導体パワーモジュールを製造する（ステップＳ１８）。図６は、第１実施例における半導体パワーモジュール１０の接合工程を説明する説明図である。図６に示すように、セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０を、加圧するとともに、導電接続部１１１ａと絶縁接合部１１２とが熱融着する温度に加熱する。こうすることにより、導電接続部１１１ａ、絶縁接合部１１２、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５および導電接合部１１１及び絶縁保護膜よりなる半導体素子１３０の表面が溶融し、セラミックス多層基板１００と接合層１１０の間、および、接合層１１０と半導体素子１３０の間は、空隙の存在しない均一な平面で拡散接合される。導電接続部１１１ａと絶縁接合部１１２とが熱融着する温度とは、例えば、導電接続部１１１ａの材料として、融点６６０℃のアルミニウム金属を用い、絶縁接合部１１２の材料として軟化点６４０℃のＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2ガラスを用いた場合には、両材料が熱融着する温度６７０℃で加熱する。
【００５９】
以上説明したように、少なくとも２段階の温度変化が行われるように設定されている温度プロファイルに基づいて、加圧および加熱を行うことにより、セラミックス多層基板１００と接合層１１０との接合面で原子の拡散が生じ、拡散層１２０が形成され、セラミックス多層基板１００と接合層１１０とは接合される。
【００６０】
セラミックス多層基板１００、接合層１１０、半導体素子１３０と直行する方向（セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０の積層方向）に切断した切断面は、化合物半導体とその表面の保護層よりなる半導体素子１３０と接合層１１０との界面、ならびに接合層１１０とセラミックス成分（アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムなど）よりなるセラミックス多層基板１００の表面との界面が、図６に太実線で示すように、それぞれ略一直線状になるよう配置されており、気泡等の微少な欠陥を含まない。ミクロンオーダーの不可避なボイド等は、実施例における欠陥には含まれない。実施例において、欠陥と判断される気泡のサイズは、例えば、１００μｍ以上としてもよい。
【００６１】
また微視的に見た時、上記それぞれの界面は半導体素子１３０、セラミックス多層基板１００に対して、それぞれ接合層１１０の構成成分が拡散して形成される拡散層１２０を持つ。これらの層はＥＤＳ、ＥＰＭＡ等によるマッピング分析により、それぞれ半導体素子１３０の表面成分（ＺｒやＴｉなどの保護膜の形成成分）、セラミックス多層基板１００のセラミックス成分（アルミや窒素など）が混在する層が形成されている層と定義される。
【００６２】
以上説明した第１実施例の半導体パワーモジュール１０によれば、接合層１１０が平面状に形成されている、すなわち、接合層１１０の、セラミックス多層基板１００に対する対向面は、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５の面形状に沿って平面状に形成されており、接合層１１０の、半導体素子１３０に対抗する面も、半導体素子１３０の接合層１１０側の面形状に沿って平面状に形成されている。従って、セラミックス多層基板１００と半導体素子１３０との接合時に、セラミックス多層基板１００と接合層１１０、接合層１１０と半導体素子１３０との間における空隙の発生を抑制できる。従って、半導体素子１３０からセラミックス多層基板１００への熱拡散性能、および、セラミックス多層基板１００と半導体素子１３０との接合強度を向上することができる。
【００６３】
また、第１実施例のセラミックス多層基板１００によれば、接合層１１０の絶縁接合部１１２は、有機系材料に比して熱伝導性能の高いガラス等の無機系材料を主成分として形成されているので、半導体素子１３０からセラミックス多層基板１００への熱拡散性能を向上できる。
【００６４】
半導体パワーモジュール１０の接合時の加熱（図３のステップＳ１８の工程）により、各部材は熱膨張し、セラミックス多層基板１００と接合層１１０、接合層１１０と半導体素子１３０との間に応力が発生する。第１実施例では、絶縁接合部１１２の主成分であるガラス成分の線熱膨張係数は、導電接続部１１１ａの主成分である金属の線熱膨張係数よりもセラミックス多層基板１００や半導体素子１３０の線熱膨張係数に近い。このため、導電接続部１１１ａとセラミックス多層基板１００および半導体素子１３０との境界に生じる応力は、絶縁接合部１１２とセラミックス多層基板１００および半導体素子１３０との境界に生じる応力よりも大きくなる。
【００６５】
第１実施例の半導体パワーモジュール１０によれば、導電接続部１１１ａが絶縁接合部１１２の周囲に配置されているので、導電接続部１１１ａの変形を、絶縁接合部１１２によって抑制できる。従って、導電接続部１１１ａとセラミックス多層基板１００および半導体素子１３０との間に生じる応力を、導電接続部１１１ａと絶縁接合部１１２の界面に分散できる。よって、接合層１１０とセラミックス多層基板１００および半導体素子１３０との間に集中して生じる応力を分散できるので、半導体パワーモジュール１０の損傷を抑制でき、半導体パワーモジュール１０の信頼性を向上できる。
【００６６】
また、第１実施例の半導体パワーモジュール１０によれば、セラミックス多層基板１００と接合層１１０の拡散接合時に、セラミックス多層基板１００と接合層１１０の間に、拡散層１２０が形成される。従って、セラミックス多層基板１００と接合層１１０との接合強度を向上できる。
【００６７】
また、第１実施例の半導体パワーモジュール１０によれば、接合層１１０の絶縁接合部１１２および拡散層１２０の絶縁拡散部１２２に、伝熱性能、放熱性能を有するフィラー１１５が含まれるので、半導体素子１３０からセラミックス多層基板１００への熱拡散性能を向上できる。
【００６８】
Ｂ．第２実施例：
第１実施例では、半導体素子１３０が一つのみ搭載された半導体パワーモジュール１０について説明した。第２実施例では、複数の半導体素子が搭載された半導体パワーモジュールについて、図７および図８を参照して説明する。
【００６９】
Ｂ１．半導体パワーモジュール概略構成：
図７は、第２実施例における半導体パワーモジュール３０を示す平面図である。図８は、第２実施例における半導体パワーモジュール３０を示す断面図である。図８は、図７におけるＡ−Ａ断面で切断した断面を示す。
【００７０】
第２実施例の半導体パワーモジュール３０は、図７および図８に示すように、セラミックス多層基板３００と、接合層３１０と、拡散層３２０および複数（第２実施例では６個）の半導体素子３３０を備える。接合層３１０は、導電接続部３１１ａと半導体素子３３０の電極パッド３３１とからなる導電接合部３１１と、絶縁接合部３１２とを備え、拡散層３２０は、導電拡散部３２１と絶縁拡散部３２２を備える。第２実施例において、セラミックス多層基板３００、接合層３１０、導電接合部３１１、絶縁接合部３１２、拡散層３２０、導電拡散部３２１、絶縁拡散部３２２および各半導体素子３３０は、それぞれ、第１実施例のセラミックス多層基板１００、接合層１１０、導電接合部１１１、絶縁接合部１１２、拡散層１２０、導電拡散部１２１、絶縁拡散部１２２および半導体素子１３０と同様の構成を備える。
【００７１】
一般的に、従来のＳｉ系半導体素子からＳｉＣ等の化合物半導体素子を用いる事による半導体素子の発熱許容量の増大に対応するために、半導体素子の周辺部材に対する高耐熱性、一方でモジュールとして放熱部品の小型化要求などへの対応のために高熱拡散性が求められている。第２実施例の半導体パワーモジュール３０は、接合層３１０が平面状に形成されているので、半導体素子３３０とセラミックス多層基板３００とは耐熱特性や熱拡散性が低い有機系材料を介さず、耐熱特性や熱拡散性に優れる無機系材料を主成分として形成された平面で接合される。従って、半導体素子３３０からセラミックス多層基板３００への熱拡散性能が向上されるので、３００℃以下程度の高温域で使用される化合物半導体素子（半導体素子３３０）を、高密度に複数搭載した信頼性の高い半導体パワーモジュール３０を提供できる。
【００７２】
Ｃ．第３実施例：
第３実施例では、導電接合部は、導電接続部と半導体素子の電極パッド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し、絶縁接合部は、配線基板や半導体素子と接合を開始する温度であって、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。なお、第３実施例において、接合層を構成する導電接合部、絶縁接合部は、接合開始温度以外は、第１実施例の各々と同様の作用・機能を有するので、第１実施例における符号（接合部１１０、導電接合部１１１、導電接続部１１１ａ、電極パッド１３１、絶縁接合部１１２）を用いて説明する。
【００７３】
Ｃ１．接合層：
接合層１１０の導電接合部１１１は、導電接続部１１１ａと電極パッド１３１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、導電接続部１１１ａもしくは電極パッド１３１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。焼結開始温度とは、導電接続部１１１ａまたは電極パッド１３１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の接合開始温度を焼結開始温度以上とした理由は次の通りである。すなわち、導電接合部１１１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、部材間の接合が開始されるからである。
【００７４】
第３実施例では、導電接続部１１１ａは錫によって形成され、電極パッド１３１は、銅、錫を材料として形成されているので、導電接続部１１１ａおよび電極パッド１３１が溶融、軟化して拡散接合が進行する温度、例えば、３００℃を第１の接合開始温度とする。
【００７５】
絶縁接合部１１２は、絶縁接合部１１２とセラミックス多層基板１００および半導体素子１３０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、絶縁接合部１１２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。絶縁接合部１１２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、絶縁接合部１１２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の接合開始温度を焼結開始温度以上とした理由は次の通りである。すなわち、絶縁接合部１１２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からである。
【００７６】
第３実施例では、絶縁接合部１１２は、Ｂｉ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とからなる粉末ガラス（軟化点：３５７℃）によって形成されているので、第１の接合開始温度（３００℃）より高く、絶縁接合部１１２が軟化して拡散接合が十分に進行する温度、例えば、４５０℃を第２の接合開始温度とする。
【００７７】
Ｃ２．製造工程
第３実施例では、多段階の温度変化を有する温度プロファイルを用いて、段階的な
接合工程を有する拡散接合処理によって、セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０が接合される。半導体パワーモジュール１０の製造工程の概略は、第１実施例において説明した図３と同様である。ただし、ステップＳ１８における加熱圧着による拡散接合の工程が異なる。ステップＳ１８における拡散接合工程について、以下に説明する。
【００７８】
第３実施例においても、図３において説明したステップＳ１６までの処理が行われると、セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０を加熱圧着して拡散接合し、半導体パワーモジュールが製造される（ステップＳ１８：図１）。第３実施例では、当該加熱圧着処理において、セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０が加圧されるとともに、拡散接合時の加熱温度が多段階で変化されるように設定された温度プロファイルに基づき、加熱処理が行われる。温度プロファイルに基づき行われる加熱処理を含む拡散接合処理は、第１の接合開始温度で加熱温度を所定時間保持した後（第１接合工程）、第２の接合開始温度で加熱温度を所定時間保持すること（第２接合工程）を含む。また、第３実施例では、半導体素子１３０の裏面の面積よりも若干小さい面積を有する押し当て治具により、半導体素子１３０がセラミックス多層基板１００に押しつけられるように加圧される。第１、第２接合工程は、具体的には以下の通りである。
【００７９】
まず、第１接合工程において、第１の接合開始温度（３００℃）を所定時間（例えば、約１０分）保持しつつ加熱処理が行われ、導電接続部１１１ａと電極パッド１３１との間で生じる拡散接合が進行し、導電接合部１１１が形成される。絶縁接合部１１２の軟化点（３５７℃）は、第１の接合開始温度よりも高いので、第１接合工程では、絶縁接合部１１２は軟化していないので、絶縁接合部１１２を構成する材料が導電接続部１１１ａと電極パッド１３１の間に侵入することはなく、導電接続部１１１ａと電極パッド１３１が拡散接合して形成された導電接合部１１１に絶縁接合部１１２を構成する材料が混入することはない。
【００８０】
導電接続部１１１ａと電極パッド１３１との拡散接合が十分に進行し、導電接続部１１１ａと電極パッド１３１との一体化が保障されると、第２接合工程が行われる。第２接合工程において、第２の接合開始温度（４５０℃）で加熱処理が行われる。加熱処理により、絶縁接合部１１２、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５および絶縁保護膜よりなる半導体素子１３０の表面が十分に溶融・軟化する。軟化した絶縁接合部１１２は、半導体素子１３０がセラミックス多層基板１００に密着するように印加される押し当て治具の加圧力により、半導体素子１３０と接合層１１０との間に存在する空隙、および、接合層１１０とセラミックス多層基板１００との間に存在する空隙を充填するように変形しながら拡散接合が進行する。この結果、セラミックス多層基板１００と絶縁接合部１１２の間、および、絶縁接合部１１２と半導体素子１３０の表面との間では、空隙の存在しない均一な平面で拡散接合される。以上説明したように、半導体パワーモジュール１０が製造される。
【００８１】
以上説明した第３実施例の半導体パワーモジュールによれば、導電接合部の形成時に、絶縁接合部が焼結反応を開始する温度よりも低い第１の接合開始温度で加熱されるので、絶縁接合部よりも先に導電接合部の接合が行われる。従って、導電接続部１１１ａと半導体素子の電極パッド１３１、および、導電接合部１１１とセラミックス多層基板１００が接合された状態、すなわち、導電接続部１１１ａと半導体素子の電極パッド１３１の間、および、導電接合部１１１とセラミックス多層基板１００の間に空隙が存在しない状態で、絶縁接合部１１２の軟化変形が開始し、絶縁接合部１１２と半導体素子１３０、および、絶縁接合部１１２とセラミックス多層基板１００との接合が行われる。よって、絶縁接合部１１２を構成する材料が、導電接続部１１１ａと電極パッド１３１との間へ侵入すること、導電接合部１１１に混入することによる、導電接合部１１１の導電性能の低下を抑制できる。
【００８２】
また、第３実施例の半導体パワーモジュールによれば、第１の接合開始温度は、導電接合部を構成する材料の溶融開始温度であり、第２の接合開始温度は、絶縁接合部を構成する材料の溶融開始温度とされている。従って、導電接合部および絶縁接合部を確実に溶融させることができ、導電接合部および絶縁接合部の各々と他の部材との接合強度を向上できる。
【００８３】
Ｄ．変形例：
Ｄ１.変形例１：
図９は、変形例における半導体パワーモジュール４０を示す断面図である。図９に示すように、変形例１の半導体パワーモジュール４０は、第１実施例の半導体パワーモジュール１０と同様に、セラミックス多層基板４００と、接合層４１０と、拡散層４２０を備える。拡散層４２０は、導電拡散部４２１と絶縁拡散部４２２を備える。変形例１において、セラミックス多層基板４００、拡散層４２０、導電拡散部４２１，絶縁拡散部４２２および半導体素子４３０は、それぞれ、第１実施例のセラミックス多層基板１００、拡散層１２０、導電拡散部１２１、絶縁拡散部１２２および半導体素子１３０と同様の構成を備える。
【００８４】
変形例１の半導体パワーモジュール４０は、第１実施例の半導体パワーモジュール１０と、接合層４１０の構成が異なる。接合層４１０は、平面状の薄膜であり、導電接続部４１１ａと、半導体素子４３０の電極パッド４３１とからなる導電接合部４１１と、絶縁接合部４１２とを備える。絶縁接合部４１２は、図９の円Ｂに示すように、セラミックス多層基板４００側の面の面積よりも半導体素子４３０側の面の面積が広いテーパ形状に形成されている。導電接続部４１１ａは、絶縁接合部４１２のテーパ形状に対応する形状となるように形成されている。なお、絶縁接合部４１２は、テーパ形状に限られず、セラミックス多層基板４００側の面の面積よりも半導体素子４３０側の面の面積が広い形状であればよい。例えば、階段形状や湾曲形状でもよい。
【００８５】
半導体パワーモジュール４０は、接合層４１０の配置工程（図３のステップＳ１２、Ｓ１４に対応）を除き、第１実施例の半導体パワーモジュール１０と同様の方法により製造できる。変形例１の接合層４１０の配置工程は、例えば、以下の方法を用いて配置してもよい。
【００８６】
導電接続部４１１ａより先に絶縁接合部４１２をスクリーン印刷により配置する。この際、半導体素子４３０側の面積が広いテーパ形状となる開口部を有するスクリーンを用い、絶縁接合部４１２の材料であるガラス粉末のペーストを印刷する。
【００８７】
次に、導電接続部４１１ａに対応する部位に開口部を有するスクリーンを用いて、導電接続部４１１ａの材料となる金属種を主成分とするペーストを印刷する。この時用いるペーストの粘度を調整し、半導体素子４３０へペースト塗布後にペースト自重により、開口部表面よりも半導体素子４３０側の広い面積に対しペーストが塗り広げられる。こうすることにより、テーパ形状の絶縁接合部４１２と、絶縁接合部４１２のテーパ形状に対応する形状を有する導電接続部４１１ａを備える接合部が作成される。導電接続部４１１ａと絶縁接合部４１２とから形成される窪みに半導体素子４３０の電極パッド４３１が嵌りこむように半導体素子４３０が配置されることにより、平面状の接合層４１０が形成される。
【００８８】
変形例１によれば、接合層４１０の絶縁接合部４１２は、セラミックス多層基板１００側の面の面積よりも半導体素子４３０側の面の面積が広いテーパ形状に形成されているので、第１実施例の絶縁接合部１１２に比して、絶縁接合部４１２と半導体素子４３０との接触面積が広い。従って、第１実施例の半導体パワーモジュール１０に比して、半導体素子４３０から接合層４１０への熱拡散性能が高くなる。よって、セラミックス多層基板４００と半導体素子４３０との絶縁性能を確保しつつ、熱拡散性能を向上でき、半導体素子４３０の放熱を促進できる。
【００８９】
Ｄ２．変形例２：
第１実施例における、半導体パワーモジュール１０の製造方法（図３）に変えて、以下の方法によって、半導体パワーモジュール１０を製造してもよい。以下に、ステップＳ１０に続く処理を説明する。なお、各部材の符号は、第１実施例の符号を用いる。
【００９０】
絶縁接合部１１２を形成する。具体的には、粉末ガラスと熱分解性の有機結着剤（例えば８０℃程度の温度で軟化し、２５０℃程度の温度で熱分解するブチラール系バインダ）とを、有機溶媒や水などの溶媒を用いて混練してスラリーを形成し、スラリーを、ドクターブレード法によるシートキャスティング、押し出し成型などの手法により、シート形状に成型する。シートの、導電接合部１１１に対応する部位に、レーザーまたはマイコンパンチなどの機械加工により貫通孔を形成する。このように、絶縁接合部１１２は、貫通孔が形成されたガラスシートとして作製される。
【００９１】
絶縁接合部１１２の所望の面に、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５が対向するように、セラミックス多層基板１００を配置し、両者を絶縁接合部シートに含まれる有機結着材の軟化温度以上に加熱、加圧することでシート状に形成された絶縁接合部１１２に含まれる有機結着材の結合力により仮接着させる。
【００９２】
次に、導電接続部１１１ａを形成する。具体的には、上記作製された絶縁接合部１１２の貫通孔に、導電接続部１１１ａを形成するペーストをスクリーン印刷により充填する。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、図３のステップＳ１８における加熱工程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。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てもよい。
【００９３】
以上の通り積層されたセラミックス多層基板１００、導電接続部１１１ａ、絶縁接合部１１２に対し、半導体素子１３０を絶縁接合部１１２および導電接続部１１１ａを構成する主成分であるガラス、金属の融点以上の温度に加熱の上、加圧接合して、絶縁接合部１１２に含まれる有機結着材成分を熱分解により除去した上で、拡散層１２０が形成された半導体パワーモジュール１０を製造する（図１のステップＳ１８）。
【００９４】
以上説明した製造方法によっても、平面状の接合層１１０を作製できる。従って、半導体素子１３０と接合層１１０、接合層１１０とセラミックス多層基板１００とを面で接合することができ、半導体素子１３０からセラミックス多層基板１００への熱伝導性能、および、セラミックス多層基板１００と半導体素子１３０との接合強度を向上することができる。
【００９５】
Ｄ３.変形例３：
第１実施例では、セラミックス多層基板１００と接合層１１０を予め有機結着材の接合力により仮積層した上で半導体素子１３０を積層して、加圧および加熱を行い接合しているが、例えば、シート状に形成された絶縁接合部１１２に形成された空孔を導電接続部１１１ａで予め穴埋めして形成されたシートを作製し、セラミックス多層基板１００と半導体素子１３０で矜持した上で加熱、圧着する事で、半導体パワーモジュール１０を作製してもよい。こうすれば、接合層１１０に含まれる有機結着材の添加量を減少させる事が可能となり、有機残渣による接合層１１０の劣化などを防ぐ事ができる。
【００９６】
Ｄ４．変形例４：
第１実施例では、第１の接合開始温度として、導電接合部１１１を構成する材料が十分に融解する温度を用い、第２の接合開始温度として、絶縁接合部１１２を構成する材料が十分に軟化する温度を用いているが、それぞれ、構成材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上であればよい。こうすれば、導電接合部１１１、絶縁接合部１１２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。よって、製造工程の低温化を図ることができる。例えば、絶縁接合部１１２がＮａ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とＳｉＯ2とからなる粉末ガラスから構成されている場合、第２の接合開始温度は、当該粉末ガラスの焼結反応の開始温度である４９５℃以上であればよい。
【００９７】
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】
【００９８】
１０、３０、４０…半導体パワーモジュール
１００…セラミックス多層基板
１０１…内層ビアホール
１０４…電極端子
１０９…配線パターン
１１０…接合層
１１０ａ…接合部
１１１…導電接合部
１１１ａ…導電接続部
１１２…絶縁接合部
１２０…拡散層
１２１…導電拡散部
１２２…絶縁拡散部
１３０…半導体素子
１３１…電極パッド
２０２…スクリーン
２０３…スキージ
２０４…スキージホルダー
２５０…ガラス粉末ペースト
３００…セラミックス多層基板
３１０…接合層
３２０…拡散層
３３０…半導体素子
４００…セラミックス多層基板
４１０…接合層
４１１…導電接合部
４１２…絶縁接合部
４２０…拡散層
４３０…半導体素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層基板により構成される回路基板、回路基板に半導体素子が搭載された半導体パワーモジュール、および、それらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年パワーモジュールパッケージにおいては小型、低背、高密度実装化が進み、その実現のために、従来のワイヤーボンドによる実装方式から、セラミックス多層基板等を用いて半導体素子をフリップチップ接続する実装方式を用いた半導体モジュールが提案されている。フリップチップ接続とは、半導体素子上にバンプと呼ばれる導電性の突起を配置し、セラミックス多層基板上の半導体素子を搭載する位置に、バンプを合わせて、セラミックス多層基板に直接接合する接合方法であり、半導体素子の実装に必要な面積を２０〜３０%程度減らす事ができ、高密度実装に寄与する事ができる。
【０００３】
このようなフリップチップ実装方式を用いた半導体モジュールには、セラミックス多層基板と半導体素子との間のバンプ間の空隙に、従来の有機材料を封止材として用いたものに加えて、無機系材料が充填されたものがある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２５３５７９号公報
【特許文献２】特開２００６−０６６５８２号公報
【特許文献３】特開２０１０−２８７８６９号公報
【特許文献４】特開２００９−１７０９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
フリップチップ実装により更に高密度実装化が進む半導体素子パワーモジュールにおいては、放熱面積の低下によりサイズ効果による放熱特性が劣化するため、半導体素子からセラミック多層基板への更なる熱拡散性能の向上が必要である。しかしながら、従来の半導体素子パワーモジュールでは、封止材充填工程における気泡の発生や、使用時の熱応力に起因する接合部分へのクラックの発生などによりセラミックス多層基板と半導体素子との間に空間が発生し、空気が入り込むなどの問題がある。そのため、従来の半導体素子パワーモジュールでは、半導体素子からセラミックス多層基板への熱拡散性能の低下による半導体素子の放熱性能の低下、および、セラミックス多層基板と半導体素子との間の接合強度の低下を招くおそれがある。
【０００６】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、半導体素子からセラミックス多層基板への熱拡散性能の向上、および、セラミックス多層基板と半導体素子との接合強度の向上を目的とする。
【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］
半導体パワー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多層基板と、前記多層基板の第１の面側に配置される半導体素子と、前記多層基板の第１の面上に形成され、前記多層基板と半導体素子とを接合する接合層と、を備え、前記接合層は、前記ビアに対応する第１の部位に配置されている平面状の導電接合部であって、前記半導体素子に形成されている電極パッドと、前記電極パッドと前記多層基板とを導通する導電接続部と、からなる導電接合部と、前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とする平面状の絶縁接合部と、 を有する半導体パワーモジュール。
【０００９】
適用例１の半導体パワーモジュールによれば、接合層が平面状に形成されているので、多層基板と半導体素子との接合時に、多層基板と半導体素子との間における空隙の発生を抑制できる。従って、半導体素子から多層基板への熱拡散性能、および、多層基板と半導体素子との接合強度を向上することができる。
【００１０】
［適用例２］
適用例１記載の半導体パワーモジュールであって、前記多層基板と前記接合層および前記半導体素子と前記接合層とは、拡散接合により接合され、前記半導体パワーモジュールは、更に、前記多層基板と前記接合層および前記半導体素子と前記接合層との間に、前記拡散接合時に形成される拡散層を備える、半導体パワーモジュール。
【００１１】
適用例２の半導体パワーモジュールによれば、多層基板と接合層、および、接合層と半導体素子との拡散接合時に、多層基板と接合層の接合面、および、接合層と半導体素子との接合面で発生する原子の拡散により拡散層が形成される。従って、多層基板と接合層、および、接合層と半導体素子との接合強度を向上できる。
【００１２】
［適用例３］
適用例１記載の半導体パワーモジュールであって、前記絶縁接合部には、金属フィラーもしくは無機系フィラーが含まれる、半導体パワーモジュール。
【００１３】
適用例１の半導体パワーモジュールによれば、絶縁接合部に金属フィラーもしくは無機系フィラーが含まれるので、半導体素子から多層基板への熱拡散性能を向上できる。
【００１４】
［適用例４］
適用例２記載の半導体パワーモジュールであって、
前記絶縁接合部および前記拡散層には、金属フィラーもしくは無機系フィラーが含まれる、
半導体パワーモジュール。
【００１５】
適用例４の半導体パワーモジュールによれば、絶縁接合部および拡散層に金属フィラーもしくは無機系フィラーが含まれるので、半導体素子から多層基板への熱拡散性能を向上できる。
【００１６】
［適用例５］
適用例1ないし適用例４いずれか記載の半導体パワーモジュールであって、前記導電接合部を構成する材料の接合開始温度である第１の接合開始温度は、前記絶縁接合部を構成する材料の接合開始温度である第２の接合開始温度よりも低いことを特徴とする、半導体パワーモジュール。
【００１７】
適用例５の半導体パワーモジュールによれば、絶縁接合部よりも先に導電接合部の接合が行われる。従って、導電接続部と半導体素子の電極パッド、および、導電接合部と配線基板とが接合された状態、すなわち、導電接続部と半導体素子の電極パッドの間、および、導電接合部と配線基板の間に空隙が存在しない状態で、絶縁接合部の軟化変形が開始され、絶縁接合部と半導体素子、および、絶縁接合部と配線基板との接合が行われる。よって、絶縁接合部を構成する材料が、導電接続部と電極パッドの間へ侵入すること、導電接合部に混入することによる、導電接合部の導電性能の低下を抑制できる。
【００１８】
［適用例６］
適用例５記載の半導体パワーモジュールにおいて、前記第１の接合開始温度は、前記導電接合部が焼結反応を開始する焼結開始温度以上であり、前記第２の接合開始温度は、前記絶縁接合部が焼結反応を開始する焼結開始温度以上であることを特徴とする、半導体パワーモジュール。
【００１９】
適用例６の半導体パワーモジュールによれば、第１の接合開始温度は、導電接合部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、絶縁接合部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、導電接合部、絶縁接合部の各々について、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、導電接合部を構成する材料の溶融開始温度とし、第２の接合開始温度は、絶縁接合部を構成する材料の溶融開始温度としてもよい。こうすれば、導電接合部および絶縁接合部を確実に溶融させることができ、導電接合部および絶縁接合部の各々と他の部材との接合強度を向上できる。
【００２０】
［適用例７］
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多層基板と、前記多層基板の第１の面上に配置され、前記多層基板に半導体素子を接合するための接合層と、を備え、前記接合層は、前記ビアに対応する第１の部位に配置され、前記配線パターンと前記半導体素子と導通し、少なくとも前記第１の面側が平面状に形成されている導電接続部と、前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とし、少なくとも前記第１の面側が平面状に形成されている絶縁接合部と、を有する回路基板。
【００２１】
適用例７の回路基板によれば、半導体素子と多層基板とが平面で接合されるので、多層基板と半導体素子との間における空隙の発生を抑制できる。従って、半導体素子から多層基板への熱拡散性能、および、多層基板と半導体素子との接合強度を向上することができる。
【００２２】
［適用例８］
適用例７記載の回路基板であって、前記導電接合部を構成する材料が前記半導体素子と接合を開始する温度である第１の接合開始温度は、前記絶縁接合部を構成する材料が前記多層基板および前記半導体素子と接合を開始する温度である第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。
【００２３】
適用例８の半導体パワーモジュールによれば、絶縁接合部よりも先に導電接合部の接合が行われる。従って、導電接合部と半導体素子の電極パッド、および、導電接合部と配線基板が接合された状態、すなわち、導電接合部と半導体素子の電極パッドの間、および、導電接合部と配線基板の間に空隙が存在しない状態で、絶縁接合部の軟化変形が開始され、絶縁接合部と半導体素子、および、絶縁接合部と配線基板との接合が行われる。よって、絶縁接合部を構成する材料が導電接続部と電極パッドの間へ侵入すること、導電接合部に混入することによる、導電接合部の導電性能の低下を抑制できる。
【００２４】
［適用例９］
適用例８記載の回路基板おいて、前記第１の接合開始温度は、前記導電接合部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であり、前記第２の接合開始温度は、前記絶縁接合部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であることを特徴とする、回路基板。
【００２５】
適用例９の半導体パワーモジュールによれば、第１の接合開始温度は、導電接合部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、絶縁接合部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、導電接合部、絶縁接合部の各々について、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、導電接合部を構成する材料の溶融開始温度とし、第２の接合開始温度は、絶縁接合部を構成する材料の溶融開始温度としてもよい。こうすれば、導電接合部および絶縁接合部を確実に溶融させることができ、導電接合部および絶縁接合部の各々と他の部材との接合強度を向上できる。
【００２６】
［適用例１０］
半導体パワー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多層基板と、
前記多層基板の第１の面側に配置される半導体素子と、前記多層基板の第１の面上に形成され、前記多層基板と半導体素子とを接合する接合層と、を備え、前記接合層は、前記ビアに対応する第１の部位に配置され、前記半導体素子の電極パッドと、前記電極パッドと前記多層基板とを導通する導電接続部と、からなる導電接合部と、前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とする絶縁接合部と、を有し、前記電極パッドと前記導電接続部とが導通可能となるように、前記半導体素子が前記接合層上に積層され、前記多層基板、前記接合層および前記半導体素子が接合された状態で、前記多層基板と前記接合層との界面、および、前記接合層と前記半導体素子との界面の、積層方向の断面が、略直線状に形成されている、半導体パワーモジュール。
【００２７】
適用例１０の半導体パワーモジュールによれば、多層基板と接合層との接合界面、および、接合層と半導体素子との接合界面の、積層方向の断面が、略直線状となるように形成されている。略直線状とは、本明細書では、多層基板と接合層との接合界面、および、接合層と半導体素子との接合界面に、気泡等による空隙が存在しない状態を含む。従って、半導体素子から多層基板への熱拡散性能、および、多層基板と半導体素子との接合強度を向上することができる。
【００２８】
［適用例１１］
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多層基板と、前記多層基板の第１の面上に形成され、前記多層基板と半導体素子とを接合する接合層と、を備え、前記接合層は、前記ビアに対応する第１の部位に配置され、前記配線パターンに前記半導体素子を導通させるための導電接続部と、前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とする絶縁接合部と、を有し、前記多層基板と前記接合層が接着された状態で、前記多層基板と前記接合層との界面の、積層方向の断面は、略直線状である、回路基板。
【００２９】
適用例１１の回路基板によれば、多層基板と接合層との接合界面は、積層方向の断面が、略直線状となるように形成されている。従って、多層基板と接合層との接合強度を向上することができ、半導体素子から多層基板への熱拡散性能を向上できる。
【００３０】
［適用例１２］
半導体パワー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多層基板を製作し、前記ビアに対応する第１の部位に、前記配線パターンと半導体素子とを導通する平面状の導電接続部を有し、前記第１の部位とは異なる第２の部位に平面状の絶縁接合部を有する接合部を、前記多層基板の第１の面上に配置し、前記接合部上に、前記半導体素子を、前記半導体素子に形成されている電極パッドと前記導電接続部とが導通可能となるように配置し、前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、加熱圧着し、前記多層基板と前記接合層、および、前記接合層と前記半導体素子を拡散接合する、半導体パワーモジュールの製造方法。
【００３１】
適用例１２の半導体パワーモジュールの製造方法によれば、多層基板と半導体素子との間に、接合部と電極パッドにより、多層基板と半導体素子とを接合するための平面状の接合層が形成される。従って、多層基板と半導体素子との間における空隙の発生を抑制できる。よって、半導体素子から多層基板への熱拡散性能、および、多層基板と半導体素子との接合強度を向上できる。
【００３２】
［適用例１３］
適用例１２記載の半導体パワーモジュールの製造方法であって、前記拡散接合において、 前記導電接合部を構成する材料が前記半導体素子と接合を開始する温度を第１の接合開始温度とし、前記絶縁接合部を構成する材料が前記多層基板および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の接合開始温度よりも高い温度を第２の接合開始温度とし、前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第１の接合開始温度で加熱圧着することにより、前記導電接合部と前記半導体素子の前記電極パッド、および、前記導電接合部と前記配線基板とを接合し、前記導電接合部と前記半導体素子の前記電極パッドとの接合後に、前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第２の接合開始温度で加熱圧着することにより、前記多層基板と前記絶縁接合部、および、前記絶縁接合部と前記半導体素子とを接合する、半導体パワーモジュールの製造方法。
【００３３】
適用例１３の半導体パワーモジュールの製造方法によれば、 絶縁接合部よりも先に導電接合部の接合が行われる。従って、導電接合部と半導体素子の電極パッド、および、導電接合部と配線基板が接合された状態、すなわち、導電接合部と半導体素子の電極パッドの間、および、導電接合部と配線基板の間に空隙が存在しない状態で、絶縁接合部の軟化変形が開始され、絶縁接合部と半導体素子、および、絶縁接合部と配線基板との接合が行われる。よって、絶縁接合部を構成する材料が、導電接続部と電極パッドの間へ侵入すること、導電接合部に混入することによる、導電接合部の導電性能の低下を抑制できる。
【００３４】
［適用例１４］
適用例１３記載の半導体パワー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、前記導電接続部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であり、前記第２の接合開始温度は、前記絶縁接続部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であることを特徴とする、半導体パワーモジュールの製造方法。
【００３５】
適用例１４の半導体パワーモジュールの製造方法によれば、第１の接合開始温度は、導電接合部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、絶縁接合部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、導電接合部、絶縁接合部の各々について、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、導電接合部を構成する材料の溶融開始温度とし、第２の接合開始温度は、絶縁接合部を構成する材料の溶融開始温度としてもよい。こうすれば、導電接合部および絶縁接合部を確実に溶融させることができ、導電接合部および絶縁接合部の各々と他の部材との接合強度を向上できる。
【００３６】
［適用例１５］
適用例１２記載の半導体パワーモジュールの製造方法であって、前記拡散接合において、 前記導電接続部を構成する材料と前記電極パッドを構成する材料とが接合を開始する温度を第１の接合開始温度とし、前記絶縁接合部を構成する材料が前記多層基板および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の接合開始温度よりも高い温度を第２の接合開始温度とし、前記第１の接合開始温度が、所定時間保持された後、前記第２の接合開始温度が所定時間保持されるように設定されている温度プロファイルに基づき、前記加熱を行う、半導体パワーモジュールの製造方法。
【００３７】
適用例１５の半導体パワーモジュールの製造方法によれば、段階的な温度変化を有する温度プロファイルに基づいて、接合部、配線基板および半導体素子の接合が行われる。従って、簡易な構成で、多段階の温度変化を行いつつ拡散接合を行うことができ、製造効率を向上できる。
【００３８】
［適用例１６］
回路基板の製造方法であって、ビアおよび配線パターンを有する多層基板を製作し、前記ビアに対応する第１の部位に、前記配線パターンと半導体素子とを導通する導電接続部を有し、前記第１の部位とは異なる第２の部位に絶縁接合部を有し、少なくとも、前記第１の面側が平面状に形成されている接合層を、前記多層基板の第１の面上に配置し、前記多層基板と前記接合層とを、前記接合層に含まれる有機成分の粘着力により接着する、回路基板の製造方法。
【００３９】
適用例１６の回路基板の製造方法によれば、多層基板の第１の面側が平面状に形成された、多層基板と半導体素子とを接合するための接合層が、多層基板の第１の面上に形成される。従って、多層基板と接合層との間における空隙の発生を抑制できる。よって、半導体素子から多層基板への熱拡散性能、および、多層基板と半導体素子との接合強度を向上することができる。
【００４０】
本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１実施例における半導体パワーモジュール１０の概略構成を示す断面図。
【図２】第１実施例における回路基板２０について説明する説明図。
【図３】第１実施例における半導体パワーモジュール１０の製造方法を説明する工程図。
【図４】ステップＳ１２における導電接続部１１１ａの配置工程を説明する説明図。
【図５】ステップＳ１４における絶縁接合部１１２のスクリーン印刷について説明する説明図。
【図６】第１実施例における半導体パワーモジュール１０の接合工程を説明する説明図。
【図７】第２実施例における半導体パワーモジュール３０を示す平面図。
【図８】第２実施例における半導体パワーモジュール３０を示す断面図。
【図９】変形例における半導体パワーモジュール４０を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．半導体パワーモジュールの概略構成：
図１は、第１実施例における半導体パワーモジュール１０の概略構成を示す断面図である。図２は、第１実施例における回路基板２０について説明する説明図である。半導体パワーモジュール１０は、回路基板２０と、半導体素子１３０とを備える。回路基板２０は、セラミックス多層基板１００と、接合層１１０と、拡散層１２０とを備える。
【００４３】
セラミックス多層基板１００は、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）などが用いられる。セラミックス多層基板１００は、半導体素子が実装される第１の面１０５と、該面と対向し、制御回路やコンデンサなどのその他の電子部品が搭載され得るもう一方の第２の面１０６間を電気的に接続するための内層ビアホール１０１と、配線パターン１０９と、第２の面１０６上に配置された外部接続用の電極端子１０４を備える。配線パターン１０９は、セラミックス多層基板１００の表面、内部の層の表面に形成されている。図１では、セラミックス多層基板１００の表面に形成された配線パターンは省略されている。また、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上、および第２の面１０６上には、半導体素子１３０やその他の電子部品を搭載するための電極ランド（図示省略）が形成されている。半導体素子１３０は、内層ビアホール１０１および配線パターン１０９を介して、第２の面１０６上に配置されている電極端子１０４と電気的に接続されている。
【００４４】
接合層１１０は、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上に配置され、導電接合部１１１と、絶縁接合部１１２とを備える平面状の薄膜層である。
【００４５】
導電接合部１１１は、導電接続部１１１ａと半導体素子１３０の電極パッド１３１とから構成され、半導体素子１３０とセラミックス多層基板１００とを電気的に接続する。導電接続部１１１ａは、導電性の金属を主成分として形成されており、図２に示すように、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上であって、内層ビアホール１０１に対応する第１の部位１０７（太実線で示す）上に配置されている。導電性の金属として、例えば、銅、銀、アルミニウム金属などを用いてもよい。導電接続部１１１ａは、後述する絶縁接合部１１２よりも薄く形成されており、絶縁接合部１１２と導電接続部１１１ａとにより窪みが形成される。該窪みに、電極パッド１３１が嵌りこむように配置されることによって、導電接合部１１１が形成される。
【００４６】
絶縁接合部１１２は、半導体素子１３０とセラミックス多層基板１００とを絶縁する。絶縁接合部１１２は、図２に示すように、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上であって、第１の部位１０７とは異なる第２の部位１０８（太破線で示す）に配置されている。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、ＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2、など、酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化ホウ素、酸化ビスマスなどの混相として形成される。
【００４７】
第１実施例において、第２の部位１０８とは、第１の部位１０７である導電接合部１１１が配置されている部位を除く部分を含む。接合層１１０が均一な平面となるように、導電接合部１１１と絶縁接合部１１２は、ほぼ同一の厚みを有している。また、接合層１１０の、半導体素子１３０側に対向する面も、均一な平面となるように形成されている。
【００４８】
なお、本実施例において、均一な平面とは、微少な湾曲や凹凸を含んでおり、接合層１１０が均一な平面を有しているとは、接合層１１０の、セラミック多層基板の第１の面１０５に対向する面が、第１の面１０５の形状に沿って形成され、導電接合部１１１と絶縁接合部１１２が連続して平坦に形成されていること、および、接合層１１０の、半導体素子１３０側に対向する面が、半導体素子１３０の、接合層１１０に対向する面の形状に沿って形成されていること、を含む。
【００４９】
絶縁接合部１１２は、絶縁性能が低下しない程度に、フィラー１１５を含むことが望ましい。ここで、フィラー１１５は、銅やアルミニウム粉末などよりなる金属フィラーもしくは無機系フィラーを含む。無機系フィラーとしては酸化ホウ素やアルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムなどよりなるセラミックスなどの、高放熱特性フィラーであることが望ましい。フィラー１１５が含有されていることにより、絶縁接合部１１２の伝熱性能が向上する。
【００５０】
拡散層１２０は、セラミックス多層基板１００と接合層１１０との拡散接合により形成される層である。拡散層１２０は、導電拡散部１２１と絶縁拡散部１２２を備える。導電拡散部１２１は、セラミックス多層基板１００と接合層１１０の導電接続部１１１ａとの拡散接合により形成される。絶縁拡散部１２２は、セラミックス多層基板１００と、接合層１１０の絶縁接合部１１２との拡散接合により形成される。絶縁拡散部１２２には、絶縁接合部１１２と同様に、フィラー１１５が含有されてもよい。なお、図１では、説明の便宜上、導電拡散部１２１と絶縁拡散部１２２の境界は明確に記載されているが、導電拡散部１２１と絶縁拡散部１２２の境界は曖昧であってもよい。
【００５１】
半導体素子１３０は、電極パッド１３１を備える。電極パッド１３１は、例えば、金（Ａｕ）を主成分として形成されている。半導体素子１３０は、電極パッド１３１が、接合層１１０の導電接続部１１１ａに接するように、接合層１１０上に配置されている。半導体素子１３０は、電極パッド１３１および導電接続部１１１ａ（すなわち、導電接合部１１１）を介してセラミックス多層基板１００と電気的に接続されている。
【００５２】
Ａ２．製造方法：
半導体パワーモジュール１０の製造方法を、図３〜図６を用いて説明する。図３は、第１実施例における半導体パワーモジュール１０の製造方法を説明する工程図である。
【００５３】
内層ビアホール１０１および配線パターン１０９が形成されたセラミックス多層基板１００を作製する（ステップＳ１０）。セラミックス多層基板１００の作製には、セラミックス多層基板１００の表面に、半導体素子１３０および他の電子部品を実装するための薄膜状の電極ランドを形成することを含む。電極ランドは、導電ペーストを用いた印刷法、物理蒸着（PVD：Physical Vapor Deposition）や化学蒸着（CVD: Chemical Vapor Deposition）により形成される。
【００５４】
セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上であって、内層ビアホール１０１に対応する第１の部位に、導電接続部１１１ａを配置する（ステップＳ１２）。図３は、ステップＳ１２における導電接続部１１１ａの配置工程を説明する説明図である。図３に示すように、後述するステップＳ１８における加熱工程により溶融する金属種を主成分とする金属の突起を導電接続部１１１ａとして形成する。この金属の突起はバンプとも呼ばれる。バンプは、所望の位置にボール状に形成された金属を配置し、加熱処理により柱状形状とするボール搭載法により形成しても良いし、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５の第１の部位１０７に、予め対応する位置にバンプとなる金属を転写する方法や導電接続部１１１ａの材料として既述した金属種を主成分とするペーストを、スクリーン印刷により印刷する方法、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５の第１の部位１０７にフォトリソパターンによりマスキングを施しメッキ法により所望の位置に金属バンプを形成してもよい。
【００５５】
導電接続部１１１ａを配置したセラミックス多層基板１００の第１の面１０５上の、第１の部位とは異なる第２の部位に絶縁接合部１１２を配置する（ステップＳ１４）。具体的には、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混練してガラス粉末ペーストを生成し、ガラス粉末ペーストを、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上の、導電接続部１１１ａの空隙を埋めるようにスクリーン印刷によりに印刷する。
【００５６】
図５は、ステップＳ１４における絶縁接合部１１２のスクリーン印刷について説明する説明図である。スクリーン印刷機２００は、スクリーン２０２と、スキージ２０３と、スキージホルダー２０４とを備える。スクリーン２０２には、導電接続部１１１ａに対応する部位を除く部位、すなわち、絶縁接合部１１２に対応する部位にのみ開口部が形成されている。ガラス粉末ペースト２５０をスクリーン２０２に載せ、スクリーン２０２上からスキージ２０３を摺動させる。こうすることにより、ガラス粉末ペースト２５０は開口部を通過し、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上の、導電接続部１１１ａが配置されている部位を除いた部位、すなわち、絶縁接合部１１２が配置される部位に転写される。この結果、導電接続部１１１ａと絶縁接合部１１２とからなり、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５側が平面上に形成された接合部１１０ａ（図２）が形成される。なお、ステップＳ１２，Ｓ１４の順序は、逆であってもよい。なお、接合部１１０ａの結着に用いられる有機成分（有機結着剤）は、後述する加熱処理工程において、分解、除去される。
【００５７】
形成された接合部１１０ａ上に、半導体素子１３０を配置する（ステップＳ１６）。具体的には、導電接続部１１１ａと絶縁接合部１１２とから形成される窪みに、電極パッド１３１を嵌め込むように半導体素子１３０を配置する。導電接続部１１１ａと電極パッド１３１とが接触することにより、半導体素子１３０と導電接続部１１１ａとの導通が確保される。
【００５８】
セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０を加熱圧着して、半導体パワーモジュールを製造する（ステップＳ１８）。図６は、第１実施例における半導体パワーモジュール１０の接合工程を説明する説明図である。図６に示すように、セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０を、加圧するとともに、導電接続部１１１ａと絶縁接合部１１２とが熱融着する温度に加熱する。こうすることにより、導電接続部１１１ａ、絶縁接合部１１２、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５および導電接合部１１１及び絶縁保護膜よりなる半導体素子１３０の表面が溶融し、セラミックス多層基板１００と接合層１１０の間、および、接合層１１０と半導体素子１３０の間は、空隙の存在しない均一な平面で拡散接合される。導電接続部１１１ａと絶縁接合部１１２とが熱融着する温度とは、例えば、導電接続部１１１ａの材料として、融点６６０℃のアルミニウム金属を用い、絶縁接合部１１２の材料として軟化点６４０℃のＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2ガラスを用いた場合には、両材料が熱融着する温度６７０℃で加熱する。
【００５９】
以上説明したように、少なくとも２段階の温度変化が行われるように設定されている温度プロファイルに基づいて、加圧および加熱を行うことにより、セラミックス多層基板１００と接合層１１０との接合面で原子の拡散が生じ、拡散層１２０が形成され、セラミックス多層基板１００と接合層１１０とは接合される。
【００６０】
セラミックス多層基板１００、接合層１１０、半導体素子１３０と直行する方向（セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０の積層方向）に切断した切断面は、化合物半導体とその表面の保護層よりなる半導体素子１３０と接合層１１０との界面、ならびに接合層１１０とセラミックス成分（アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムなど）よりなるセラミックス多層基板１００の表面との界面が、図６に太実線で示すように、それぞれ略一直線状になるよう配置されており、気泡等の微少な欠陥を含まない。ミクロンオーダーの不可避なボイド等は、実施例における欠陥には含まれない。実施例において、欠陥と判断される気泡のサイズは、例えば、１００μｍ以上としてもよい。
【００６１】
また微視的に見た時、上記それぞれの界面は半導体素子１３０、セラミックス多層基板１００に対して、それぞれ接合層１１０の構成成分が拡散して形成される拡散層１２０を持つ。これらの層はＥＤＳ、ＥＰＭＡ等によるマッピング分析により、それぞれ半導体素子１３０の表面成分（ＺｒやＴｉなどの保護膜の形成成分）、セラミックス多層基板１００のセラミックス成分（アルミや窒素など）が混在する層が形成されている層と定義される。
【００６２】
以上説明した第１実施例の半導体パワーモジュール１０によれば、接合層１１０が平面状に形成されている、すなわち、接合層１１０の、セラミックス多層基板１００に対する対向面は、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５の面形状に沿って平面状に形成されており、接合層１１０の、半導体素子１３０に対抗する面も、半導体素子１３０の接合層１１０側の面形状に沿って平面状に形成されている。従って、セラミックス多層基板１００と半導体素子１３０との接合時に、セラミックス多層基板１００と接合層１１０、接合層１１０と半導体素子１３０との間における空隙の発生を抑制できる。従って、半導体素子１３０からセラミックス多層基板１００への熱拡散性能、および、セラミックス多層基板１００と半導体素子１３０との接合強度を向上することができる。
【００６３】
また、第１実施例のセラミックス多層基板１００によれば、接合層１１０の絶縁接合部１１２は、有機系材料に比して熱伝導性能の高いガラス等の無機系材料を主成分として形成されているので、半導体素子１３０からセラミックス多層基板１００への熱拡散性能を向上できる。
【００６４】
半導体パワーモジュール１０の接合時の加熱（図３のステップＳ１８の工程）により、各部材は熱膨張し、セラミックス多層基板１００と接合層１１０、接合層１１０と半導体素子１３０との間に応力が発生する。第１実施例では、絶縁接合部１１２の主成分であるガラス成分の線熱膨張係数は、導電接続部１１１ａの主成分である金属の線熱膨張係数よりもセラミックス多層基板１００や半導体素子１３０の線熱膨張係数に近い。このため、導電接続部１１１ａとセラミックス多層基板１００および半導体素子１３０との境界に生じる応力は、絶縁接合部１１２とセラミックス多層基板１００および半導体素子１３０との境界に生じる応力よりも大きくなる。
【００６５】
第１実施例の半導体パワーモジュール１０によれば、導電接続部１１１ａが絶縁接合部１１２の周囲に配置されているので、導電接続部１１１ａの変形を、絶縁接合部１１２によって抑制できる。従って、導電接続部１１１ａとセラミックス多層基板１００および半導体素子１３０との間に生じる応力を、導電接続部１１１ａと絶縁接合部１１２の界面に分散できる。よって、接合層１１０とセラミックス多層基板１００および半導体素子１３０との間に集中して生じる応力を分散できるので、半導体パワーモジュール１０の損傷を抑制でき、半導体パワーモジュール１０の信頼性を向上できる。
【００６６】
また、第１実施例の半導体パワーモジュール１０によれば、セラミックス多層基板１００と接合層１１０の拡散接合時に、セラミックス多層基板１００と接合層１１０の間に、拡散層１２０が形成される。従って、セラミックス多層基板１００と接合層１１０との接合強度を向上できる。
【００６７】
また、第１実施例の半導体パワーモジュール１０によれば、接合層１１０の絶縁接合部１１２および拡散層１２０の絶縁拡散部１２２に、伝熱性能、放熱性能を有するフィラー１１５が含まれるので、半導体素子１３０からセラミックス多層基板１００への熱拡散性能を向上できる。
【００６８】
Ｂ．第２実施例：
第１実施例では、半導体素子１３０が一つのみ搭載された半導体パワーモジュール１０について説明した。第２実施例では、複数の半導体素子が搭載された半導体パワーモジュールについて、図７および図８を参照して説明する。
【００６９】
Ｂ１．半導体パワーモジュール概略構成：
図７は、第２実施例における半導体パワーモジュール３０を示す平面図である。図８は、第２実施例における半導体パワーモジュール３０を示す断面図である。図８は、図７におけるＡ−Ａ断面で切断した断面を示す。
【００７０】
第２実施例の半導体パワーモジュール３０は、図７および図８に示すように、セラミックス多層基板３００と、接合層３１０と、拡散層３２０および複数（第２実施例では６個）の半導体素子３３０を備える。接合層３１０は、導電接続部３１１ａと半導体素子３３０の電極パッド３３１とからなる導電接合部３１１と、絶縁接合部３１２とを備え、拡散層３２０は、導電拡散部３２１と絶縁拡散部３２２を備える。第２実施例において、セラミックス多層基板３００、接合層３１０、導電接合部３１１、絶縁接合部３１２、拡散層３２０、導電拡散部３２１、絶縁拡散部３２２および各半導体素子３３０は、それぞれ、第１実施例のセラミックス多層基板１００、接合層１１０、導電接合部１１１、絶縁接合部１１２、拡散層１２０、導電拡散部１２１、絶縁拡散部１２２および半導体素子１３０と同様の構成を備える。
【００７１】
一般的に、従来のＳｉ系半導体素子からＳｉＣ等の化合物半導体素子を用いる事による半導体素子の発熱許容量の増大に対応するために、半導体素子の周辺部材に対する高耐熱性、一方でモジュールとして放熱部品の小型化要求などへの対応のために高熱拡散性が求められている。第２実施例の半導体パワーモジュール３０は、接合層３１０が平面状に形成されているので、半導体素子３３０とセラミックス多層基板３００とは耐熱特性や熱拡散性が低い有機系材料を介さず、耐熱特性や熱拡散性に優れる無機系材料を主成分として形成された平面で接合される。従って、半導体素子３３０からセラミックス多層基板３００への熱拡散性能が向上されるので、３００℃以下程度の高温域で使用される化合物半導体素子（半導体素子３３０）を、高密度に複数搭載した信頼性の高い半導体パワーモジュール３０を提供できる。
【００７２】
Ｃ．第３実施例：
第３実施例では、導電接合部は、導電接続部と半導体素子の電極パッド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し、絶縁接合部は、配線基板や半導体素子と接合を開始する温度であって、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。なお、第３実施例において、接合層を構成する導電接合部、絶縁接合部は、接合開始温度以外は、第１実施例の各々と同様の作用・機能を有するので、第１実施例における符号（接合部１１０、導電接合部１１１、導電接続部１１１ａ、電極パッド１３１、絶縁接合部１１２）を用いて説明する。
【００７３】
Ｃ１．接合層：
接合層１１０の導電接合部１１１は、導電接続部１１１ａと電極パッド１３１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、導電接続部１１１ａもしくは電極パッド１３１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。焼結開始温度とは、導電接続部１１１ａまたは電極パッド１３１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の接合開始温度を焼結開始温度以上とした理由は次の通りである。すなわち、導電接合部１１１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、部材間の接合が開始されるからである。
【００７４】
第３実施例では、導電接続部１１１ａは錫によって形成され、電極パッド１３１は、銅、錫を材料として形成されているので、導電接続部１１１ａおよび電極パッド１３１が溶融、軟化して拡散接合が進行する温度、例えば、３００℃を第１の接合開始温度とする。
【００７５】
絶縁接合部１１２は、絶縁接合部１１２とセラミックス多層基板１００および半導体素子１３０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、絶縁接合部１１２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。絶縁接合部１１２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、絶縁接合部１１２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の接合開始温度を焼結開始温度以上とした理由は次の通りである。すなわち、絶縁接合部１１２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からである。
【００７６】
第３実施例では、絶縁接合部１１２は、Ｂｉ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とからなる粉末ガラス（軟化点：３５７℃）によって形成されているので、第１の接合開始温度（３００℃）より高く、絶縁接合部１１２が軟化して拡散接合が十分に進行する温度、例えば、４５０℃を第２の接合開始温度とする。
【００７７】
Ｃ２．製造工程
第３実施例では、多段階の温度変化を有する温度プロファイルを用いて、段階的な
接合工程を有する拡散接合処理によって、セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０が接合される。半導体パワーモジュール１０の製造工程の概略は、第１実施例において説明した図３と同様である。ただし、ステップＳ１８における加熱圧着による拡散接合の工程が異なる。ステップＳ１８における拡散接合工程について、以下に説明する。
【００７８】
第３実施例においても、図３において説明したステップＳ１６までの処理が行われると、セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０を加熱圧着して拡散接合し、半導体パワーモジュールが製造される（ステップＳ１８：図１）。第３実施例では、当該加熱圧着処理において、セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０が加圧されるとともに、拡散接合時の加熱温度が多段階で変化されるように設定された温度プロファイルに基づき、加熱処理が行われる。温度プロファイルに基づき行われる加熱処理を含む拡散接合処理は、第１の接合開始温度で加熱温度を所定時間保持した後（第１接合工程）、第２の接合開始温度で加熱温度を所定時間保持すること（第２接合工程）を含む。また、第３実施例では、半導体素子１３０の裏面の面積よりも若干小さい面積を有する押し当て治具により、半導体素子１３０がセラミックス多層基板１００に押しつけられるように加圧される。第１、第２接合工程は、具体的には以下の通りである。
【００７９】
まず、第１接合工程において、第１の接合開始温度（３００℃）を所定時間（例えば、約１０分）保持しつつ加熱処理が行われ、導電接続部１１１ａと電極パッド１３１との間で生じる拡散接合が進行し、導電接合部１１１が形成される。絶縁接合部１１２の軟化点（３５７℃）は、第１の接合開始温度よりも高いので、第１接合工程では、絶縁接合部１１２は軟化していないので、絶縁接合部１１２を構成する材料が導電接続部１１１ａと電極パッド１３１の間に侵入することはなく、導電接続部１１１ａと電極パッド１３１が拡散接合して形成された導電接合部１１１に絶縁接合部１１２を構成する材料が混入することはない。
【００８０】
導電接続部１１１ａと電極パッド１３１との拡散接合が十分に進行し、導電接続部１１１ａと電極パッド１３１との一体化が保障されると、第２接合工程が行われる。第２接合工程において、第２の接合開始温度（４５０℃）で加熱処理が行われる。加熱処理により、絶縁接合部１１２、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５および絶縁保護膜よりなる半導体素子１３０の表面が十分に溶融・軟化する。軟化した絶縁接合部１１２は、半導体素子１３０がセラミックス多層基板１００に密着するように印加される押し当て治具の加圧力により、半導体素子１３０と接合層１１０との間に存在する空隙、および、接合層１１０とセラミックス多層基板１００との間に存在する空隙を充填するように変形しながら拡散接合が進行する。この結果、セラミックス多層基板１００と絶縁接合部１１２の間、および、絶縁接合部１１２と半導体素子１３０の表面との間では、空隙の存在しない均一な平面で拡散接合される。以上説明したように、半導体パワーモジュール１０が製造される。
【００８１】
以上説明した第３実施例の半導体パワーモジュールによれば、導電接合部の形成時に、絶縁接合部が焼結反応を開始する温度よりも低い第１の接合開始温度で加熱されるので、絶縁接合部よりも先に導電接合部の接合が行われる。従って、導電接続部１１１ａと半導体素子の電極パッド１３１、および、導電接合部１１１とセラミックス多層基板１００が接合された状態、すなわち、導電接続部１１１ａと半導体素子の電極パッド１３１の間、および、導電接合部１１１とセラミックス多層基板１００の間に空隙が存在しない状態で、絶縁接合部１１２の軟化変形が開始し、絶縁接合部１１２と半導体素子１３０、および、絶縁接合部１１２とセラミックス多層基板１００との接合が行われる。よって、絶縁接合部１１２を構成する材料が、導電接続部１１１ａと電極パッド１３１との間へ侵入すること、導電接合部１１１に混入することによる、導電接合部１１１の導電性能の低下を抑制できる。
【００８２】
また、第３実施例の半導体パワーモジュールによれば、第１の接合開始温度は、導電接合部を構成する材料の溶融開始温度であり、第２の接合開始温度は、絶縁接合部を構成する材料の溶融開始温度とされている。従って、導電接合部および絶縁接合部を確実に溶融させることができ、導電接合部および絶縁接合部の各々と他の部材との接合強度を向上できる。
【００８３】
Ｄ．変形例：
Ｄ１.変形例１：
図９は、変形例における半導体パワーモジュール４０を示す断面図である。図９に示すように、変形例１の半導体パワーモジュール４０は、第１実施例の半導体パワーモジュール１０と同様に、セラミックス多層基板４００と、接合層４１０と、拡散層４２０を備える。拡散層４２０は、導電拡散部４２１と絶縁拡散部４２２を備える。変形例１において、セラミックス多層基板４００、拡散層４２０、導電拡散部４２１，絶縁拡散部４２２および半導体素子４３０は、それぞれ、第１実施例のセラミックス多層基板１００、拡散層１２０、導電拡散部１２１、絶縁拡散部１２２および半導体素子１３０と同様の構成を備える。
【００８４】
変形例１の半導体パワーモジュール４０は、第１実施例の半導体パワーモジュール１０と、接合層４１０の構成が異なる。接合層４１０は、平面状の薄膜であり、導電接続部４１１ａと、半導体素子４３０の電極パッド４３１とからなる導電接合部４１１と、絶縁接合部４１２とを備える。絶縁接合部４１２は、図９の円Ｂに示すように、セラミックス多層基板４００側の面の面積よりも半導体素子４３０側の面の面積が広いテーパ形状に形成されている。導電接続部４１１ａは、絶縁接合部４１２のテーパ形状に対応する形状となるように形成されている。なお、絶縁接合部４１２は、テーパ形状に限られず、セラミックス多層基板４００側の面の面積よりも半導体素子４３０側の面の面積が広い形状であればよい。例えば、階段形状や湾曲形状でもよい。
【００８５】
半導体パワーモジュール４０は、接合層４１０の配置工程（図３のステップＳ１２、Ｓ１４に対応）を除き、第１実施例の半導体パワーモジュール１０と同様の方法により製造できる。変形例１の接合層４１０の配置工程は、例えば、以下の方法を用いて配置してもよい。
【００８６】
導電接続部４１１ａより先に絶縁接合部４１２をスクリーン印刷により配置する。この際、半導体素子４３０側の面積が広いテーパ形状となる開口部を有するスクリーンを用い、絶縁接合部４１２の材料であるガラス粉末のペーストを印刷する。
【００８７】
次に、導電接続部４１１ａに対応する部位に開口部を有するスクリーンを用いて、導電接続部４１１ａの材料となる金属種を主成分とするペーストを印刷する。この時用いるペーストの粘度を調整し、半導体素子４３０へペースト塗布後にペースト自重により、開口部表面よりも半導体素子４３０側の広い面積に対しペーストが塗り広げられる。こうすることにより、テーパ形状の絶縁接合部４１２と、絶縁接合部４１２のテーパ形状に対応する形状を有する導電接続部４１１ａを備える接合部が作成される。導電接続部４１１ａと絶縁接合部４１２とから形成される窪みに半導体素子４３０の電極パッド４３１が嵌りこむように半導体素子４３０が配置されることにより、平面状の接合層４１０が形成される。
【００８８】
変形例１によれば、接合層４１０の絶縁接合部４１２は、セラミックス多層基板１００側の面の面積よりも半導体素子４３０側の面の面積が広いテーパ形状に形成されているので、第１実施例の絶縁接合部１１２に比して、絶縁接合部４１２と半導体素子４３０との接触面積が広い。従って、第１実施例の半導体パワーモジュール１０に比して、半導体素子４３０から接合層４１０への熱拡散性能が高くなる。よって、セラミックス多層基板４００と半導体素子４３０との絶縁性能を確保しつつ、熱拡散性能を向上でき、半導体素子４３０の放熱を促進できる。
【００８９】
Ｄ２．変形例２：
第１実施例における、半導体パワーモジュール１０の製造方法（図３）に変えて、以下の方法によって、半導体パワーモジュール１０を製造してもよい。以下に、ステップＳ１０に続く処理を説明する。なお、各部材の符号は、第１実施例の符号を用いる。
【００９０】
絶縁接合部１１２を形成する。具体的には、粉末ガラスと熱分解性の有機結着剤（例えば８０℃程度の温度で軟化し、２５０℃程度の温度で熱分解するブチラール系バインダ）とを、有機溶媒や水などの溶媒を用いて混練してスラリーを形成し、スラリーを、ドクターブレード法によるシートキャスティング、押し出し成型などの手法により、シート形状に成型する。シートの、導電接合部１１１に対応する部位に、レーザーまたはマイコンパンチなどの機械加工により貫通孔を形成する。このように、絶縁接合部１１２は、貫通孔が形成されたガラスシートとして作製される。
【００９１】
絶縁接合部１１２の所望の面に、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５が対向するように、セラミックス多層基板１００を配置し、両者を絶縁接合部シートに含まれる有機結着材の軟化温度以上に加熱、加圧することでシート状に形成された絶縁接合部１１２に含まれる有機結着材の結合力により仮接着させる。
【００９２】
次に、導電接続部１１１ａを形成する。具体的には、上記作製された絶縁接合部１１２の貫通孔に、導電接続部１１１ａを形成するペーストをスクリーン印刷により充填する。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、図３のステップＳ１８における加熱工程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。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てもよい。
【００９３】
以上の通り積層されたセラミックス多層基板１００、導電接続部１１１ａ、絶縁接合部１１２に対し、半導体素子１３０を絶縁接合部１１２および導電接続部１１１ａを構成する主成分であるガラス、金属の融点以上の温度に加熱の上、加圧接合して、絶縁接合部１１２に含まれる有機結着材成分を熱分解により除去した上で、拡散層１２０が形成された半導体パワーモジュール１０を製造する（図１のステップＳ１８）。
【００９４】
以上説明した製造方法によっても、平面状の接合層１１０を作製できる。従って、半導体素子１３０と接合層１１０、接合層１１０とセラミックス多層基板１００とを面で接合することができ、半導体素子１３０からセラミックス多層基板１００への熱伝導性能、および、セラミックス多層基板１００と半導体素子１３０との接合強度を向上することができる。
【００９５】
Ｄ３.変形例３：
第１実施例では、セラミックス多層基板１００と接合層１１０を予め有機結着材の接合力により仮積層した上で半導体素子１３０を積層して、加圧および加熱を行い接合しているが、例えば、シート状に形成された絶縁接合部１１２に形成された空孔を導電接続部１１１ａで予め穴埋めして形成されたシートを作製し、セラミックス多層基板１００と半導体素子１３０で矜持した上で加熱、圧着する事で、半導体パワーモジュール１０を作製してもよい。こうすれば、接合層１１０に含まれる有機結着材の添加量を減少させる事が可能となり、有機残渣による接合層１１０の劣化などを防ぐ事ができる。
【００９６】
Ｄ４．変形例４：
第１実施例では、第１の接合開始温度として、導電接合部１１１を構成する材料が十分に融解する温度を用い、第２の接合開始温度として、絶縁接合部１１２を構成する材料が十分に軟化する温度を用いているが、それぞれ、構成材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上であればよい。こうすれば、導電接合部１１１、絶縁接合部１１２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。よって、製造工程の低温化を図ることができる。例えば、絶縁接合部１１２がＮａ2Ｏ3とＢ2Ｏ3とＳｉＯ2とからなる粉末ガラスから構成されている場合、第２の接合開始温度は、当該粉末ガラスの焼結反応の開始温度である４９５℃以上であればよい。
【００９７】
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】
【００９８】
１０、３０、４０…半導体パワーモジュール
１００…セラミックス多層基板
１０１…内層ビアホール
１０４…電極端子
１０９…配線パターン
１１０…接合層
１１０ａ…接合部
１１１…導電接合部
１１１ａ…導電接続部
１１２…絶縁接合部
１２０…拡散層
１２１…導電拡散部
１２２…絶縁拡散部
１３０…半導体素子
１３１…電極パッド
２０２…スクリーン
２０３…スキージ
２０４…スキージホルダー
２５０…ガラス粉末ペースト
３００…セラミックス多層基板
３１０…接合層
３２０…拡散層
３３０…半導体素子
４００…セラミックス多層基板
４１０…接合層
４１１…導電接合部
４１２…絶縁接合部
４２０…拡散層
４３０…半導体素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体パワー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多層基板と、
前記多層基板の第１の面側に配置される半導体素子と、
前記多層基板の第１の面上に形成され、前記多層基板と半導体素子とを接合する接合層と、
を備え、
前記接合層は、
前記ビアに対応する第１の部位に配置されている平面状の導電接合部であって、前記半導体素子に形成されている電極パッドと、前記電極パッドと前記多層基板とを導通する導電接続部と、からなる導電接合部と、
前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とする平面状の絶縁接合部と、
を有する半導体パワーモジュール。
【請求項２】
請求項１記載の半導体パワーモジュールであって、
前記多層基板と前記接合層および前記半導体素子と前記接合層とは、拡散接合により接合され、
前記半導体パワーモジュールは、更に、
前記多層基板と前記接合層および前記半導体素子と前記接合層との間に、前記拡散接合時に形成される拡散層を備える、
半導体パワーモジュール。
【請求項３】
請求項１記載の半導体パワーモジュールであって、
前記絶縁接合部には、金属フィラーもしくは無機系フィラーが含まれる、
半導体パワーモジュール。
【請求項４】
請求項２記載の半導体パワーモジュールであって、
前記絶縁接合部および前記拡散層には、金属フィラーもしくは無機系フィラーが含まれる、
半導体パワーモジュール。
【請求項５】
請求項1ないし請求項４いずれか記載の半導体パワーモジュールであって、
前記導電接合部を構成する材料の接合開始温度である第１の接合開始温度は、前記絶縁接合部を構成する材料の接合開始温度である第２の接合開始温度よりも低いことを特徴とする、
半導体パワーモジュール。
【請求項６】
請求項５記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記第１の接合開始温度は、前記導電接合部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である焼結開始温度以上であり、
前記第２の接合開始温度は、前記絶縁接合部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である焼結開始温度以上であることを特徴とする、
半導体パワーモジュール。
【請求項７】
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多層基板と、
前記多層基板の第１の面上に配置され、前記多層基板に半導体素子を接合するための接合層と、
を備え、
前記接合層は、
前記ビアに対応する第１の部位に配置され、前記配線パターンと前記半導体素子と導通し、少なくとも前記第１の面側が平面状に形成されている導電接続部と、
前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とし、少なくとも前記第１の面側が平面状に形成されている絶縁接合部と、
を有する回路基板。
【請求項８】
請求項７記載の回路基板であって、
前記導電接合部を構成する材料が前記半導体素子と接合を開始する温度である第１の接合開始温度は、前記絶縁接合部を構成する材料が前記多層基板および前記半導体素子と接合を開始する温度である第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９】
請求項８記載の回路基板おいて、
前記第１の接合開始温度は、前記導電接合部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であり、
前記第２の接合開始温度は、前記絶縁接合部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であることを特徴とする、
回路基板。
【請求項１０】
半導体パワー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多層基板と、
前記多層基板の第１の面側に配置される半導体素子と、
前記多層基板の第１の面上に形成され、前記多層基板と半導体素子とを接合する接合層と、
を備え、
前記接合層は、
前記ビアに対応する第１の部位に配置され、前記半導体素子の電極パッドと、前記電極パッドと前記多層基板とを導通する導電接続部と、からなる導電接合部と、
前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とする絶縁接合部と、
を有し、
前記電極パッドと前記導電接続部とが導通可能となるように、前記半導体素子が前記接合層上に積層され、前記多層基板、前記接合層および前記半導体素子が接合された状態で、前記多層基板と前記接合層との界面、および、前記接合層と前記半導体素子との界面の、積層方向の断面が、略直線状に形成されている、
半導体パワーモジュール。
【請求項１１】
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多層基板と、
前記多層基板の第１の面上に形成され、前記多層基板と半導体素子とを接合する接合層と、
を備え、
前記接合層は、
前記ビアに対応する第１の部位に配置され、前記配線パターンに前記半導体素子を導通させるための導電接続部と、
前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とする絶縁接合部と、
を有し、
前記多層基板と前記接合層が接着された状態で、前記多層基板と前記接合層との界面の、積層方向の断面は、略直線状である、
回路基板。
【請求項１２】
半導体パワー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多層基板を製作し、
前記ビアに対応する第１の部位に、前記配線パターンと半導体素子とを導通する平面状の導電接続部を有し、前記第１の部位とは異なる第２の部位に、平面状の絶縁接合部を有する接合部を、前記多層基板の第１の面上に配置し、
前記接合部上に、前記半導体素子を、前記半導体素子に形成されている電極パッドと前記導電接続部とが導通可能となるように配置し、
前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、加熱圧着し、前記多層基板と前記接合層、および、前記接合部と前記半導体素子を拡散接合する、
半導体パワーモジュールの製造方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の半導体パワーモジュールの製造方法であって、
前記拡散接合において、
前記導電接合部を構成する材料が前記半導体素子と接合を開始する温度を第１の接合開始温度とし、
前記絶縁接合部を構成する材料が前記多層基板および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の接合開始温度よりも高い温度を第２の接合開始温度とし、
前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第１の接合開始温度で加熱圧着することにより、前記導電接合部と前記半導体素子の前記電極パッドとを接合し、
前記導電接合部と前記半導体素子の前記電極パッドとの接合後に、前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第２の接合開始温度で加熱圧着することにより、前記多層基板と前記接合部、および、前記接合部と前記半導体素子とを接合する、
半導体パワーモジュールの製造方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の半導体パワー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、前記導電接合部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であり、
前記第２の接合開始温度は、前記絶縁接合部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であることを特徴とする、
半導体パワーモジュールの製造方法。
【請求項１５】
請求項１２記載の半導体パワーモジュールの製造方法であって、
前記拡散接合において、
前記導電接合部を構成する材料が前記半導体素子と接合を開始する温度を第１の接合開始温度とし、
前記絶縁接合部を構成する材料が前記多層基板および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の接合開始温度よりも高い温度を第２の接合開始温度とし、
前記第１の接合開始温度が、所定時間、保持された後、前記第２の接合開始温度が所定時間保持されるように設定されている温度プロファイルに基づき、前記加熱を行う、
半導体パワーモジュールの製造方法。
【請求項１６】
回路基板の製造方法であって、
ビアおよび配線パターンを有する多層基板を製作し、
前記ビアに対応する第１の部位に、前記配線パターンと半導体素子とを導通する導電接続部を有し、前記第１の部位とは異なる第２の部位に絶縁接合部を有し、少なくとも、前記第１の面側が平面状に形成されている接合層を、前記多層基板の第１の面上に配置し、
前記多層基板と前記接合層とを、前記接合層に含まれる有機成分の粘着力により接着する、
回路基板の製造方法。
【請求項１】
半導体パワー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多層基板と、
前記多層基板の第１の面側に配置される半導体素子と、
前記多層基板の第１の面上に形成され、前記多層基板と半導体素子とを接合する接合層と、
を備え、
前記接合層は、
前記ビアに対応する第１の部位に配置されている平面状の導電接合部であって、前記半導体素子に形成されている電極パッドと、前記電極パッドと前記多層基板とを導通する導電接続部と、からなる導電接合部と、
前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とする平面状の絶縁接合部と、
を有する半導体パワーモジュール。
【請求項２】
請求項１記載の半導体パワーモジュールであって、
前記多層基板と前記接合層および前記半導体素子と前記接合層とは、拡散接合により接合され、
前記半導体パワーモジュールは、更に、
前記多層基板と前記接合層および前記半導体素子と前記接合層との間に、前記拡散接合時に形成される拡散層を備える、
半導体パワーモジュール。
【請求項３】
請求項１記載の半導体パワーモジュールであって、
前記絶縁接合部には、金属フィラーもしくは無機系フィラーが含まれる、
半導体パワーモジュール。
【請求項４】
請求項２記載の半導体パワーモジュールであって、
前記絶縁接合部および前記拡散層には、金属フィラーもしくは無機系フィラーが含まれる、
半導体パワーモジュール。
【請求項５】
請求項1ないし請求項４いずれか記載の半導体パワーモジュールであって、
前記導電接合部を構成する材料の接合開始温度である第１の接合開始温度は、前記絶縁接合部を構成する材料の接合開始温度である第２の接合開始温度よりも低いことを特徴とする、
半導体パワーモジュール。
【請求項６】
請求項５記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記第１の接合開始温度は、前記導電接合部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である焼結開始温度以上であり、
前記第２の接合開始温度は、前記絶縁接合部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である焼結開始温度以上であることを特徴とする、
半導体パワーモジュール。
【請求項７】
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多層基板と、
前記多層基板の第１の面上に配置され、前記多層基板に半導体素子を接合するための接合層と、
を備え、
前記接合層は、
前記ビアに対応する第１の部位に配置され、前記配線パターンと前記半導体素子と導通し、少なくとも前記第１の面側が平面状に形成されている導電接続部と、
前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とし、少なくとも前記第１の面側が平面状に形成されている絶縁接合部と、
を有する回路基板。
【請求項８】
請求項７記載の回路基板であって、
前記導電接合部を構成する材料が前記半導体素子と接合を開始する温度である第１の接合開始温度は、前記絶縁接合部を構成する材料が前記多層基板および前記半導体素子と接合を開始する温度である第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９】
請求項８記載の回路基板おいて、
前記第１の接合開始温度は、前記導電接合部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であり、
前記第２の接合開始温度は、前記絶縁接合部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であることを特徴とする、
回路基板。
【請求項１０】
半導体パワー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多層基板と、
前記多層基板の第１の面側に配置される半導体素子と、
前記多層基板の第１の面上に形成され、前記多層基板と半導体素子とを接合する接合層と、
を備え、
前記接合層は、
前記ビアに対応する第１の部位に配置され、前記半導体素子の電極パッドと、前記電極パッドと前記多層基板とを導通する導電接続部と、からなる導電接合部と、
前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とする絶縁接合部と、
を有し、
前記電極パッドと前記導電接続部とが導通可能となるように、前記半導体素子が前記接合層上に積層され、前記多層基板、前記接合層および前記半導体素子が接合された状態で、前記多層基板と前記接合層との界面、および、前記接合層と前記半導体素子との界面の、積層方向の断面が、略直線状に形成されている、
半導体パワーモジュール。
【請求項１１】
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多層基板と、
前記多層基板の第１の面上に形成され、前記多層基板と半導体素子とを接合する接合層と、
を備え、
前記接合層は、
前記ビアに対応する第１の部位に配置され、前記配線パターンに前記半導体素子を導通させるための導電接続部と、
前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とする絶縁接合部と、
を有し、
前記多層基板と前記接合層が接着された状態で、前記多層基板と前記接合層との界面の、積層方向の断面は、略直線状である、
回路基板。
【請求項１２】
半導体パワー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多層基板を製作し、
前記ビアに対応する第１の部位に、前記配線パターンと半導体素子とを導通する平面状の導電接続部を有し、前記第１の部位とは異なる第２の部位に、平面状の絶縁接合部を有する接合部を、前記多層基板の第１の面上に配置し、
前記接合部上に、前記半導体素子を、前記半導体素子に形成されている電極パッドと前記導電接続部とが導通可能となるように配置し、
前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、加熱圧着し、前記多層基板と前記接合層、および、前記接合部と前記半導体素子を拡散接合する、
半導体パワーモジュールの製造方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の半導体パワーモジュールの製造方法であって、
前記拡散接合において、
前記導電接合部を構成する材料が前記半導体素子と接合を開始する温度を第１の接合開始温度とし、
前記絶縁接合部を構成する材料が前記多層基板および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の接合開始温度よりも高い温度を第２の接合開始温度とし、
前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第１の接合開始温度で加熱圧着することにより、前記導電接合部と前記半導体素子の前記電極パッドとを接合し、
前記導電接合部と前記半導体素子の前記電極パッドとの接合後に、前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第２の接合開始温度で加熱圧着することにより、前記多層基板と前記接合部、および、前記接合部と前記半導体素子とを接合する、
半導体パワーモジュールの製造方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の半導体パワー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、前記導電接合部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であり、
前記第２の接合開始温度は、前記絶縁接合部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であることを特徴とする、
半導体パワーモジュールの製造方法。
【請求項１５】
請求項１２記載の半導体パワーモジュールの製造方法であって、
前記拡散接合において、
前記導電接合部を構成する材料が前記半導体素子と接合を開始する温度を第１の接合開始温度とし、
前記絶縁接合部を構成する材料が前記多層基板および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の接合開始温度よりも高い温度を第２の接合開始温度とし、
前記第１の接合開始温度が、所定時間、保持された後、前記第２の接合開始温度が所定時間保持されるように設定されている温度プロファイルに基づき、前記加熱を行う、
半導体パワーモジュールの製造方法。
【請求項１６】
回路基板の製造方法であって、
ビアおよび配線パターンを有する多層基板を製作し、
前記ビアに対応する第１の部位に、前記配線パターンと半導体素子とを導通する導電接続部を有し、前記第１の部位とは異なる第２の部位に絶縁接合部を有し、少なくとも、前記第１の面側が平面状に形成されている接合層を、前記多層基板の第１の面上に配置し、
前記多層基板と前記接合層とを、前記接合層に含まれる有機成分の粘着力により接着する、
回路基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−５１３８９（Ｐ２０１３−５１３８９Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−６１８５９（Ｐ２０１２−６１８５９）
【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３月１４日（２０１３．３．１４）
【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）】
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