JP2013033803A - Circuit board, semiconductor power module and manufacturing method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the thermal diffusion property from a semiconductor device to a multilayer substrate and the bond strength between the multilayer substrate and the semiconductor device.SOLUTION: A semiconductor power module 30 comprises: a ceramic multilayer substrate 300; a junction layer 310; and a semiconductor device 330. The junction layer 310 is a thin layer in which a surface at the ceramic multilayer substrate 100 is formed in a planar shape. An insulation junction part 312 of the junction layer 310 is formed in a tapered shape from an edge of the semiconductor device 330 side toward an edge of the ceramic multilayer substrate 300 side. When the semiconductor device 330 is mounted, a projection part 335 of the semiconductor device 330 is received in a dent part 316, and is electrically connected to a conductive junction part 311 of the junction layer 310. Thereby a junction area between the semiconductor device 330 and the junction layer can be enlarged, the thermal diffusion property from the semiconductor device to the multilayer substrate can be improved while the bond strength and insulation performance between the multilayer substrate and the semiconductor device are ensured.

Description

本発明は、セラミックス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。   The present invention relates to a circuit board constituted by a ceramic multilayer substrate, a semiconductor power module in which a semiconductor element is mounted on the circuit board, and a manufacturing method thereof.

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。   In recent years, power module packages have become smaller, low-profile, and high-density, and in order to achieve this, a mounting method in which semiconductor elements are flip-chip connected using a ceramic multilayer substrate is used instead of the conventional wire bonding mounting method. A semiconductor module used has been proposed. Flip chip connection is a bonding method in which conductive protrusions called bumps are placed on a semiconductor element, and the bumps are aligned to the position where the semiconductor element is mounted on the ceramic multilayer board, and directly bonded to the ceramic multilayer board. The area required for mounting the semiconductor element can be reduced by about 20 to 30%, which can contribute to high-density mounting.

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)。   In the semiconductor module using such a flip chip mounting method, an inorganic material is used in addition to a conventional organic material used as a sealing material in the gap between the bumps between the ceramic multilayer substrate and the semiconductor element. (For example, Patent Document 1).

特開2004−253579号公報JP 2004-253579 A 特開2006−066582号公報JP 2006-066582 A 特開2010−287869号公報JP 2010-287869 A 特開2009−170930号公報JP 2009-170930 A

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、半導体素子とセラミックス多層基板間の接合は主にフリップチップにて結合される電気的接合部のみであり、その接合部へ応力が集中することになる。そのため、従来の半導体素子パワーモジュールでは、接合部への応力集中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、セラミックス多層基板と半導体素子の接合強度の低下を招くおそれがある。また空間に空気が入り込むなどして、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を招くおそれがある。このように、従来の半導体素子パワーモジュールでは、信頼特性が著しく劣化する恐れがある。   In semiconductor element power modules, which are becoming more densely mounted by flip chip mounting, the bonding between the semiconductor element and the ceramic multilayer substrate is mainly an electric bonding part bonded by flip chip, and stress is applied to the bonding part. Will concentrate. For this reason, in the conventional semiconductor element power module, a space is generated between the ceramic multilayer substrate and the semiconductor element due to the occurrence of cracks in the joint due to stress concentration at the joint, and the ceramic multilayer substrate and the semiconductor element are There is a risk of reducing the bonding strength. In addition, air may enter the space, and the heat dissipation performance of the semiconductor element may be reduced due to the deterioration of the heat diffusion performance from the semiconductor element to the ceramic multilayer substrate. As described above, in the conventional semiconductor element power module, there is a possibility that the reliability characteristics are remarkably deteriorated.

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、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、および、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を目的とする。さらに、セラミックス多層基板の微小な反り等に起因する構成部材の製造ばらつきによる、電気接続不良などの信頼性劣化を起しにくいモジュール構造、及び製造プロセスを提供するものである。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to improve the bonding strength between a ceramic multilayer substrate and a semiconductor element and to improve the thermal diffusion performance from the semiconductor element to the ceramic multilayer substrate. Furthermore, the present invention provides a module structure and a manufacturing process that are unlikely to cause deterioration in reliability such as poor electrical connection due to manufacturing variations of components caused by minute warping of a ceramic multilayer substrate.

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。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[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、導電性の突状部を有する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部位に開口部を有し、前記多層基板を前記半導体素子から絶縁するための、無機系材料からなる絶縁接合部と、
前記開口部内に配置され、前記配線パターンを前記半導体素子に導通させるための導電接合部であって、前記絶縁接合部よりも薄い導電接合部と、を有し、
前記開口部への前記突状部の嵌りこみ前において、前記導電接合部の厚みを表すd1、前記絶縁接合部の厚みを表すd2、および、前記突状部の厚みを表すd3は、d3>d2−d1 を満たす、
回路基板。
[Application Example 1]
A circuit board,
A multilayer substrate with vias and wiring patterns formed thereon;
A bonding layer disposed on a first surface of the multilayer substrate and bonding a semiconductor element having a conductive protrusion to the multilayer substrate;
With
The bonding layer is
An insulating joint made of an inorganic material, having an opening at a portion corresponding to the via, and insulating the multilayer substrate from the semiconductor element;
A conductive junction that is disposed in the opening and is used to conduct the wiring pattern to the semiconductor element, the conductive junction being thinner than the insulating junction;
Before fitting the projecting portion into the opening, d1 representing the thickness of the conductive joint portion, d2 representing the thickness of the insulating joint portion, and d3 representing the thickness of the projecting portion are d3> satisfies d2-d1.
Circuit board.

適用例1の回路基板によれば、開口部への突状部の嵌りこみにおいて、導電接合部、絶縁接合部は、導電接合部の厚みをd1、絶縁接合部の厚みをd2、突状部の厚みをd3と表した際に、d3>d2−d1を満たすように形成されている。従って、窪み部内への半導体素子の配置時、突状部と導電接合部との電気的接続を確実に担保できる。   According to the circuit board of Application Example 1, in the fitting of the projecting portion into the opening, the conductive joint portion and the insulating joint portion have the thickness of the conductive joint portion d1 and the thickness of the insulating joint portion d2. When d3 is expressed as d3, it is formed so as to satisfy d3> d2-d1. Therefore, when the semiconductor element is disposed in the recess, the electrical connection between the protruding portion and the conductive joint can be reliably ensured.

[適用例2]
適用例1記載の回路基板であって、
前記絶縁接合部は、前記半導体素子が接合される端部から前記多層基板が接合される端部に向けて先細な形状に形成されている、
回路基板。
[Application Example 2]
A circuit board according to Application Example 1,
The insulating bonding portion is formed in a tapered shape from an end portion where the semiconductor element is bonded to an end portion where the multilayer substrate is bonded.
Circuit board.

適用例2の回路基板によれば、絶縁接合部は、半導体素子側から多層基板側に向けて細くなる形状に形成されている。従って、絶縁接合部と半導体素子との接触面積は、絶縁接合部が略柱状に形成されている場合の絶縁接合部と半導体素子との接触面積に比して広くできる。よって、多層基板と半導体素子との接合強度、絶縁性能を確保しつつ、半導体素子から多層基板への熱拡散性能を向上できる。   According to the circuit board of Application Example 2, the insulating bonding portion is formed in a shape that becomes narrower from the semiconductor element side toward the multilayer substrate side. Therefore, the contact area between the insulating junction and the semiconductor element can be made wider than the contact area between the insulating junction and the semiconductor element when the insulating junction is formed in a substantially columnar shape. Therefore, the thermal diffusion performance from the semiconductor element to the multilayer substrate can be improved while ensuring the bonding strength and insulation performance between the multilayer substrate and the semiconductor element.

[適用例3]
適用例1または適用例2記載の回路基板であって、
前記絶縁接合部は、テーパー形状に形成されている、
回路基板。
[Application Example 3]
A circuit board according to Application Example 1 or Application Example 2,
The insulating joint is formed in a tapered shape,
Circuit board.

適用例3の回路基板によれば、絶縁接合部は、テーパー形状に形成されている。従って、絶縁接合部を、簡易に、半導体素子側から多層基板側に向けて細くなる形状に形成できる。   According to the circuit board of Application Example 3, the insulating joint is formed in a tapered shape. Therefore, the insulating junction can be easily formed in a shape that narrows from the semiconductor element side toward the multilayer substrate side.

[適用例4]
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の面上に配置され、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部位に開口部を有し、前記多層基板と前記半導体素子とを絶縁するための、無機系材料からなる絶縁接合部であって、前記半導体素子が接合される端部から前記多層基板が接合される端部に向けて先細な形状に形成されている絶縁接合部と、
前記開口部内に配置され、前記配線パターンと前記半導体素子とを導通する導電接合部と、
を有する半導体パワーモジュール。
[Application Example 4]
A semiconductor power module,
A multilayer substrate with vias and wiring patterns formed thereon;
A semiconductor element disposed on a first surface side of the multilayer substrate;
A bonding layer disposed on the first surface of the multilayer substrate and bonding the multilayer substrate and the semiconductor element;
The bonding layer is
An insulating joint made of an inorganic material, having an opening at a portion corresponding to the via, and insulating the multilayer substrate and the semiconductor element from the end where the semiconductor element is joined An insulating joint formed in a tapered shape toward the end to which the multilayer substrate is joined;
A conductive junction disposed in the opening and conducting the wiring pattern and the semiconductor element;
A semiconductor power module.

適用例4の半導体パワーモジュールによれば、絶縁接合部は、半導体素子が接合される側から多層基板側に向けて細くなる形状に形成されている。従って、絶縁接合部と半導体素子との接触面積は、絶縁接合部が略柱状に形成されている場合の絶縁接合部と半導体素子との接触面積に比して広くできる。よって、多層基板と半導体素子との接合強度、絶縁性能を確保しつつ、半導体素子から多層基板への熱拡散性能を向上できる。   According to the semiconductor power module of Application Example 4, the insulating bonding portion is formed in a shape that narrows from the side where the semiconductor element is bonded toward the multilayer substrate side. Therefore, the contact area between the insulating junction and the semiconductor element can be made wider than the contact area between the insulating junction and the semiconductor element when the insulating junction is formed in a substantially columnar shape. Therefore, the thermal diffusion performance from the semiconductor element to the multilayer substrate can be improved while ensuring the bonding strength and insulation performance between the multilayer substrate and the semiconductor element.

[適用例5]
適用例4記載の半導体パワーモジュールであって、
前記絶縁接合部は、テーパー形状に形成されている、
半導体パワーモジュール。
[Application Example 5]
A semiconductor power module according to Application Example 4,
The insulating joint is formed in a tapered shape,
Semiconductor power module.

適用例5の半導体パワーモジュールによれば、絶縁接合部は、テーパー形状に形成されている。従って、絶縁接合部を、簡易に、半導体素子側から多層基板側に向けて細くなる形状に形成できる。   According to the semiconductor power module of Application Example 5, the insulating junction is formed in a tapered shape. Therefore, the insulating junction can be easily formed in a shape that narrows from the semiconductor element side toward the multilayer substrate side.

[適用例6]
ビアおよび配線パターンを有する多層基板を製作し、
前記多層基板の第1の面上に、前記多層基板と半導体素子とを接合するための接合層を配置し、
前記半導体素子を、前記接合層上に配置し、
前記多層基板、前記接合層および前記半導体素子を、加熱圧着する、
半導体パワーモジュールの製造方法であって、
前記接合層の配置は、
前記多層基板と前記半導体素子とを絶縁する無機系材料からなる絶縁接合部を、前記第1の面上に配置し、
前記絶縁接合部における、前記ビアに対応する部位に、開口部を形成し、
前記絶縁接合部より薄い導電接合部を、前記開口部内に配置する工程を含み、
前記半導体素子の配置は、
前記半導体素子に形成されている突状部と前記導電接合部とが導通可能となるように、前記開口部内に前記突状部を嵌りこませて、前記半導体素子を前記接合層上に配置する工程を含み、
前記絶縁接合部と、前記導電接合部を、前記導電接合部の厚みを表すd1、前記絶縁接合部の厚みを表すd2、および、前記突状部の高さを表すd3が、d3>d2−d1 を満たす、
半導体パワーモジュールの製造方法。
[Application Example 6]
Fabricate a multilayer board with vias and wiring patterns,
A bonding layer for bonding the multilayer substrate and the semiconductor element is disposed on the first surface of the multilayer substrate,
The semiconductor element is disposed on the bonding layer;
The multilayer substrate, the bonding layer, and the semiconductor element are thermocompression bonded.
A method for manufacturing a semiconductor power module, comprising:
The arrangement of the bonding layer is as follows:
An insulating junction made of an inorganic material that insulates the multilayer substrate and the semiconductor element is disposed on the first surface,
Forming an opening in a portion corresponding to the via in the insulating junction;
Arranging a conductive joint thinner than the insulating joint in the opening;
The arrangement of the semiconductor elements is as follows:
The semiconductor element is disposed on the bonding layer by fitting the protrusion into the opening so that the protrusion formed on the semiconductor element can be electrically connected to the conductive joint. Including steps,
For the insulating joint and the conductive joint, d1 representing the thickness of the conductive joint, d2 representing the thickness of the insulating joint, and d3 representing the height of the protrusion are d3> d2−. satisfies d1,
Manufacturing method of semiconductor power module.

適用例6の半導体パワーモジュールの製造方法によれば、導電接合部、および絶縁接合部は、導電接合部の厚みをd1、絶縁接合部の厚みをd2、突状部の厚みをd3と表した際に、d3>d2−d1を満たすように形成されている。従って、突状部と導電接合部との電気的接続を確実に担保した状態で半導体素子を窪み部内へ配置できる。なお、接合層上への半導体素子の配置時に、半導体素子が接合層の表面より浮いた状態となるが、接合時の加熱により、突状部は溶融し、溶融した状態で加圧され、半導体素子と接合層とは空隙のない面で接合される。   According to the manufacturing method of the semiconductor power module of Application Example 6, the conductive joint portion and the insulating joint portion represent the thickness of the conductive joint portion as d1, the thickness of the insulating joint portion as d2, and the thickness of the protruding portion as d3. At this time, it is formed so as to satisfy d3> d2-d1. Therefore, the semiconductor element can be disposed in the recessed portion in a state in which the electrical connection between the protruding portion and the conductive joint portion is ensured. In addition, when the semiconductor element is arranged on the bonding layer, the semiconductor element floats from the surface of the bonding layer. However, the protrusion is melted by the heating at the time of bonding, and the semiconductor element is pressurized in the molten state. The element and the bonding layer are bonded to each other without a gap.

[適用例7]
ビアおよび配線パターンを有する多層基板を製作し、
前記多層基板の第1の面上に、前記多層基板と半導体素子とを接合するための接合層を配置し、
前記半導体素子を、前記接合層上に配置し、
前記多層基板、前記接合層および前記半導体素子を、加熱圧着する、
半導体パワーモジュールの製造方法であって、
前記接合層の配置は、
前記多層基板と前記半導体素子とを絶縁する無機系材料からなる絶縁接合部を、前記第1の面上に配置し、
前記半導体素子が接合される端部から前記多層基板が接合される端部に向けて先細な形状となるように、前記絶縁接合部における、前記ビアに対応する部位に、開口部を形成し、
前記絶縁接合部より薄い導電接合部を、前記開口部内に配置する工程を含み、
前記半導体素子の配置は、
前記半導体素子に形成されている導電性の突状部と、前記導電接合部とが導通可能となるように、前記開口部内に前記突状部を嵌りこませて、前記半導体素子を前記接合層上に配置する工程を含む、
半導体パワーモジュールの製造方法。
[Application Example 7]
Fabricate a multilayer board with vias and wiring patterns,
A bonding layer for bonding the multilayer substrate and the semiconductor element is disposed on the first surface of the multilayer substrate,
The semiconductor element is disposed on the bonding layer;
The multilayer substrate, the bonding layer, and the semiconductor element are thermocompression bonded.
A method for manufacturing a semiconductor power module, comprising:
The arrangement of the bonding layer is as follows:
An insulating junction made of an inorganic material that insulates the multilayer substrate and the semiconductor element is disposed on the first surface,
Forming an opening in a portion corresponding to the via in the insulating bonding portion so as to have a tapered shape from an end portion to which the semiconductor element is bonded toward an end portion to which the multilayer substrate is bonded;
Arranging a conductive joint thinner than the insulating joint in the opening;
The arrangement of the semiconductor elements is as follows:
The protruding portion is fitted into the opening so that the conductive protruding portion formed on the semiconductor element and the conductive bonding portion can conduct, and the semiconductor element is bonded to the bonding layer. Including placing on
Manufacturing method of semiconductor power module.

適用例7の半導体パワーモジュールの製造方法によれば、導電接合部を、半導体素子が接合される側から多層基板側に向けて細くなる形状に形成できる。従って、絶縁接合部と半導体素子との接触面積を、絶縁接合部が略柱状に形成されている場合の絶縁接合部と半導体素子との接触面積に比して広くできる。よって、多層基板と半導体素子との絶縁性能を確保しつつ、半導体素子から多層基板への熱拡散性能が向上された半導体パワーモジュールを製造できる。   According to the manufacturing method of the semiconductor power module of Application Example 7, the conductive joint portion can be formed in a shape that narrows from the side to which the semiconductor element is joined toward the multilayer substrate side. Accordingly, the contact area between the insulating junction and the semiconductor element can be made wider than the contact area between the insulating junction and the semiconductor element when the insulating junction is formed in a substantially columnar shape. Therefore, it is possible to manufacture a semiconductor power module with improved thermal diffusion performance from the semiconductor element to the multilayer substrate while ensuring insulation performance between the multilayer substrate and the semiconductor element.

[適用例8]
ビアおよび配線パターンを有する多層基板を製作し、
前記多層基板の第1の面上に、半導体素子を前記多層基板に接合するための接合層を配置し、
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、
半導体素子の実装に用いられる回路基板の製造方法であって、
前記接合層の配置は、
前記多層基板と前記半導体素子とを絶縁するための、無機系材料からなる絶縁接合部を、前記第1の面上に配置し、
前記絶縁接合部の、前記ビアに対応する部位に、開口部を形成し、
前記絶縁接合部より薄い導電接合部を、前記開口部内に配置する工程を含み、
前記絶縁接合部と、前記導電接合部を、前記導電接合部の厚みを表すd1、前記絶縁接合部の厚みを表すd2、および、前記半導体素子に形成されている突状部の高さを表すd3が、d3>d2−d1 を満たす、
回路基板の製造方法。
[Application Example 8]
Fabricate a multilayer board with vias and wiring patterns,
A bonding layer for bonding a semiconductor element to the multilayer substrate is disposed on the first surface of the multilayer substrate;
Bonding the multilayer substrate and the bonding layer by the adhesive force of the organic component contained in the bonding layer,
A method of manufacturing a circuit board used for mounting a semiconductor element,
The arrangement of the bonding layer is as follows:
An insulating junction made of an inorganic material for insulating the multilayer substrate and the semiconductor element is disposed on the first surface,
Forming an opening in a portion of the insulating joint corresponding to the via;
Arranging a conductive joint thinner than the insulating joint in the opening;
The insulating bonding portion and the conductive bonding portion are expressed as d1 indicating the thickness of the conductive bonding portion, d2 indicating the thickness of the insulating bonding portion, and the height of the protruding portion formed in the semiconductor element. d3 satisfies d3> d2-d1.
A method of manufacturing a circuit board.

適用例8の回路基板の製造方法によれば、導電接合部、および絶縁接合部は、導電接合部の厚みをd1、絶縁接合部の厚みをd2、突状部の厚みをd3と表した際に、d3>d2−d1を満たすように形成されている。従って、突状部と導電接合部との電気的接続を確実に担保した状態で、半導体素子を窪み部内へ配置できる。なお、接合層上への半導体素子の配置時に、半導体素子が接合層の表面より浮いた状態となるが、接合時の加熱により、突状部は溶融し、溶融した状態で加圧され、半導体素子と接合層とは空隙のない面で接合される。   According to the circuit board manufacturing method of Application Example 8, when the conductive joint portion and the insulating joint portion are represented by the thickness of the conductive joint portion as d1, the thickness of the insulating joint portion as d2, and the thickness of the protruding portion as d3. And d3> d2-d1. Therefore, the semiconductor element can be disposed in the recessed portion while ensuring the electrical connection between the protruding portion and the conductive joint portion. In addition, when the semiconductor element is arranged on the bonding layer, the semiconductor element floats from the surface of the bonding layer. However, the protrusion is melted by the heating at the time of bonding, and the semiconductor element is pressurized in the molten state. The element and the bonding layer are bonded to each other without a gap.

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。   In the present invention, the various aspects described above can be applied by appropriately combining or omitting some of them.

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。Sectional drawing which shows schematic structure of the semiconductor power module 10 in 1st Example. 第1実施例における半導体パワーモジュール10について説明する説明図。Explanatory drawing explaining the semiconductor power module 10 in 1st Example. 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。Process drawing explaining the manufacturing method of the semiconductor power module 10 in 1st Example. ステップS12における絶縁接合部112の配置工程について説明する説明図。Explanatory drawing explaining the arrangement | positioning process of the insulation junction part 112 in step S12. ステップS14における開口部115の形成工程について説明する説明図。Explanatory drawing explaining the formation process of the opening part 115 in step S14. ステップS16における導電接合部111の配置工程を説明する説明図。Explanatory drawing explaining the arrangement | positioning process of the conductive junction part 111 in step S16. 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。Explanatory drawing explaining the joining process of the semiconductor power module 10 in 1st Example. 第2実施例における半導体パワーモジュール30の構成を説明する断面図。Sectional drawing explaining the structure of the semiconductor power module 30 in 2nd Example. 第2実施例における半導体パワーモジュール30の構成を説明する断面図。Sectional drawing explaining the structure of the semiconductor power module 30 in 2nd Example. 変形例1における半導体パワーモジュール40の概略構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows schematic structure of the semiconductor power module 40 in the modification 1. FIG. 変形例1における接合層410の配置工程について説明する説明図。Explanatory drawing explaining the arrangement | positioning process of the joining layer 410 in the modification 1. FIG. 変形例2における半導体パワーモジュール50を示す平面図。The top view which shows the semiconductor power module 50 in the modification 2. FIG. 変形例2における半導体パワーモジュール50を示す断面図。Sectional drawing which shows the semiconductor power module 50 in the modification 2. FIG.

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実施例における半導体パワーモジュール10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、セラミックス多層基板100と、接合層110と、半導体素子130とを備える。
A. First embodiment:
A1. General configuration of the semiconductor power module:
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor power module 10 in the first embodiment. FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the semiconductor power module 10 according to the first embodiment. The semiconductor power module 10 includes a ceramic multilayer substrate 100, a bonding layer 110, and a semiconductor element 130.

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(Al23)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化珪素(Si34)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105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。 The ceramic multilayer substrate 100 is formed of a ceramic material. As the ceramic material, for example, alumina oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), or the like is used. The ceramic multilayer substrate 100 is formed between a first surface 105 on which a semiconductor element is mounted and the other second surface 106 facing the surface 105 and on which other electronic components such as a control circuit and a capacitor can be mounted. An inner layer via hole 101 for electrical connection, a wiring pattern 109, and an electrode terminal 104 for external connection disposed on the second surface 106 are provided. The wiring pattern 109 is formed on the surface of the ceramic multilayer substrate 100 and the surface of the inner layer. In FIG. 1, the wiring pattern formed on the surface of the ceramic multilayer substrate 100 is omitted. Electrode lands (not shown) for mounting the semiconductor element 130 and other electronic components are formed on the first surface 105 and the second surface 106 of the ceramic multilayer substrate 100. The semiconductor element 130 is electrically connected to the electrode terminal 104 disposed on the second surface 106 via the inner layer via hole 101 and the wiring pattern 109.

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および後述する半導体素子130の突状部135とからなる薄膜層である。接合層110は、第1の面105側の面が平滑に形成されている。なお、実施例において、突状部135を含まない状態についても、接合層110として説明する。   The bonding layer 110 is a thin film layer that is disposed on the first surface 105 of the ceramic multilayer substrate 100 and includes a conductive bonding portion 111, an insulating bonding portion 112, and a protruding portion 135 of a semiconductor element 130 described later. The bonding layer 110 has a smooth surface on the first surface 105 side. In the embodiment, a state in which the protruding portion 135 is not included will also be described as the bonding layer 110.

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上に配置されており、内層ビアホール101に対応する部位107(太実線で示す)に開口部115が形成されている。換言すれば、絶縁接合部112は、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に対応する部位107を除く部位108(太破線で示す)上に配置されている。絶縁接合部112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いる。絶縁性の無機系材料として、例えば、酸化珪素、酸化亜鉛などを用いてもよい。   The insulating joint 112 insulates the semiconductor element 130 and the ceramic multilayer substrate 100. As shown in FIG. 2, the insulating bonding portion 112 is disposed on the first surface 105 of the ceramic multilayer substrate 100, and an opening 115 is formed in a portion 107 (shown by a thick solid line) corresponding to the inner layer via hole 101. Has been. In other words, the insulating bonding portion 112 is disposed on the first surface 105 of the ceramic multilayer substrate 100 and on a portion 108 (shown by a thick broken line) excluding the portion 107 corresponding to the inner layer via hole 101. The insulating bonding portion 112 is formed of a glass composition containing an insulating inorganic material as a main component. For example, silicon oxide, zinc oxide, or the like may be used as the insulating inorganic material.

導電接合部111は、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は、図2に示すように、開口部115内であって、セラミックス多層基板100の第1の面105上に配置されている。換言すれば、導電接合部111は、内層ビアホール101に対応する部位107上に配置されている。導電接合部111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、アルミニウム金属などを用いてもよい。導電接合部111は、少なくとも、第1の面105との接合面が平面状に形成されている。   The conductive joint 111 electrically connects the semiconductor element 130 and the ceramic multilayer substrate 100. As shown in FIG. 2, the conductive bonding portion 111 is disposed in the opening 115 and on the first surface 105 of the ceramic multilayer substrate 100. In other words, the conductive joint portion 111 is disposed on the portion 107 corresponding to the inner layer via hole 101. The conductive joint portion 111 is formed using a conductive metal as a main component. For example, copper, silver, aluminum metal, or the like may be used as the conductive metal. The conductive bonding portion 111 has at least a bonding surface with the first surface 105 formed in a planar shape.

接合層110は、また、図1に示すように、導電接合部111と絶縁接合部112により形成された窪み部116を有する。窪み部116は、後述する半導体素子130に形成されている金属製の突状部135の合計体積以上の容積を有し、図1および図2に示すように、導電接合部111の厚みをd1、絶縁接合部112の厚みをd2、突状部135の高さをd3、セラミックス多層基板100の反りにより発生する、突状部135の高さバラつきの許容値をd4とすると、突状部135の高さd3は、絶縁接合部112と導電接合部111により形成される窪み部116の高さ(d2−d1)に対して、d4を加えた大きさよりも大きくなるように、すなわちd3≧(d2−d1)+d4を満たすように設計される。   As shown in FIG. 1, the bonding layer 110 also has a recess 116 formed by a conductive bonding portion 111 and an insulating bonding portion 112. The recess 116 has a volume equal to or greater than the total volume of metal protrusions 135 formed in the semiconductor element 130 described later, and the thickness of the conductive junction 111 is d1 as shown in FIG. 1 and FIG. When the thickness of the insulating joint 112 is d2, the height of the protrusion 135 is d3, and the tolerance of the height variation of the protrusion 135 caused by the warp of the ceramic multilayer substrate 100 is d4, the protrusion 135 The height d3 is larger than the height obtained by adding d4 to the height (d2-d1) of the recess 116 formed by the insulating joint 112 and the conductive joint 111, that is, d3 ≧ ( It is designed to satisfy d2−d1) + d4.

セラミックス多層基板100は製造時に微小な反り等が生じることがあるので、窪み部116の厚み方向の高さと、突状部135の厚み方向の高さとを等しくすると、セラミックス多層基板100の微小な反りの影響により、突状部135の窪み部116側の先端と対向する窪み部116との間に隙間が生じてしまうことがある。つまり、突状部135と導電接合部111との電気的接続が担保できなくなる。そのため、窪み部116の厚み方向の高さは、セラミックス多層基板100の厚み方向の高さバラつきd4を考慮すること、つまり、d3>d2−d1を満たすことで窪み部116内への半導体素子130の配置時、突状部135と導電接合部111との電気的接続を確実に担保できる。セラミックス多層基板100に微小な反り等が生じても、d3−(d2−d1)以下の接合面の高さバラつきが許容される。 Since the ceramic multilayer substrate 100 may be slightly warped at the time of manufacture, if the height in the thickness direction of the recessed portion 116 is equal to the height in the thickness direction of the protruding portion 135, the warp of the ceramic multilayer substrate 100 is small. As a result, a gap may be formed between the tip of the projecting portion 135 on the side of the depressed portion 116 and the opposed depressed portion 116. That is, the electrical connection between the protrusion 135 and the conductive joint 111 cannot be secured. Therefore, the height in the thickness direction of the recess portion 116 takes into account the height variation d4 in the thickness direction of the ceramic multilayer substrate 100, that is, satisfies d3> d2-d1, so that the semiconductor element 130 into the recess portion 116 is satisfied. In the arrangement, the electrical connection between the protrusion 135 and the conductive joint 111 can be reliably ensured. Even if a slight warp or the like occurs in the ceramic multilayer substrate 100, a variation in the height of the bonding surface of d3- (d2-d1) or less is allowed.

なお、説明の便宜上、上記では、d1およびd2を、単に厚みと表しているが、導電接合部111や絶縁接合部112は、厚みが完全に均一ではないことがあるため、測定位置によって厚みにばらつきが生じることがある。また、半導体素子130の突状部135は、第1実施例に示すような平面状に形成されるだけでなく、例えば、球状に形成されることもある。そのため、d1〜d3を、以下のように定義してもよい。すなわち、d1は、導電接合部111における、セラミックス多層基板100の第1の面105から、導電接合部111の半導体素子130側の面までの距離の最大値を表し、d2は、セラミックス多層基板100の第1の面105から、絶縁接合部112の、半導体素子130側の面までの距離の最大値を表し、d3は、半導体素子130の、接合層110との接合面からの、突状部135の積層方向の高さの最大値である。   For convenience of explanation, d1 and d2 are simply expressed as thicknesses in the above, but the thicknesses of the conductive joints 111 and the insulating joints 112 may not be completely uniform. Variations may occur. Further, the protruding portion 135 of the semiconductor element 130 is not only formed in a planar shape as shown in the first embodiment, but may be formed in a spherical shape, for example. Therefore, d1 to d3 may be defined as follows. That is, d1 represents the maximum value of the distance from the first surface 105 of the ceramic multilayer substrate 100 to the surface on the semiconductor element 130 side of the conductive junction 111 in the conductive junction 111, and d2 represents the ceramic multilayer substrate 100. Represents the maximum value of the distance from the first surface 105 to the surface of the insulating junction 112 on the semiconductor element 130 side, and d3 is a protruding portion from the junction surface of the semiconductor element 130 with the bonding layer 110. 135 is the maximum height in the stacking direction.

半導体素子130は、電極パッド131と、金属製のバンプ133からなる突状部135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。バンプ133は、電極パッド131上に、突状に形成されている。バンプ133は、予め、バンプ形状に加工された金属柱を所望の位置に配置することにより形成してもよいし、アルミニウム金属、酸化銀等の金属種を主成分とするペーストを、電極パッド131上に、フォトリソパターンにより転写する方法やスクリーン印刷により印刷する方法により形成してもよい。   The semiconductor element 130 includes an electrode pad 131 and a protruding portion 135 made of a metal bump 133. The electrode pad 131 is made of, for example, gold (Au) as a main component. The bump 133 is formed in a protruding shape on the electrode pad 131. The bump 133 may be formed by previously arranging a metal column processed into a bump shape at a desired position, or a paste mainly containing a metal species such as aluminum metal or silver oxide is used as the electrode pad 131. Further, it may be formed by a transfer method using a photolithographic pattern or a printing method using screen printing.

半導体素子130は、突状部135が窪み部116内に収まるように、接合層110上に配置される。半導体素子130がセラミックス多層基板100および接合層110と加熱、加圧により一体的に接合されると、セラミックス多層基板100と半導体素子130とは、導電接合部111、突状部135、すなわち、バンプ133、電極パッド131を介して電気的に接続される。なお、説明の便宜上、各図では、バンプ133および導電接合部111は、接合前後において形状に変化なく記載されているが、バンプ133と導電接合部111は接合時の加熱変形により、窪み部116内にて、その空間部を充填するように変形し、絶縁接合部112と半導体素子130の界面が平面状に形成される。図1に示される窪み部116の容積と突状部135の体積との差は、半導体素子130との一体化前の窪み部116の容積よりも小さくなる。半導体素子130とセラミックス多層基板100との接合強度は突状部135、導電接合部111に加え、絶縁接合部112により発揮され、半導体素子130の駆動時に発生する熱による各部材の熱膨張差に起因する応力は、導電接合部111および絶縁接合部112に分散される。この結果、半導体モジュールの耐久信頼性が向上する。また半導体素子130の稼働時に発生する熱は、突状部135、導電接合部111を介してセラミックス多層基板100へ拡散されるとともに、絶縁接合部112を介してセラミックス多層基板100へ拡散される。この結果、半導体素子の温度上昇が抑制される。   The semiconductor element 130 is disposed on the bonding layer 110 such that the protruding portion 135 is accommodated in the recessed portion 116. When the semiconductor element 130 is integrally bonded to the ceramic multilayer substrate 100 and the bonding layer 110 by heating and pressurization, the ceramic multilayer substrate 100 and the semiconductor element 130 are connected to the conductive bonding portion 111, the protruding portion 135, that is, the bump. 133 and the electrode pads 131 are electrically connected. For convenience of explanation, in each drawing, the bump 133 and the conductive joint 111 are described without change in shape before and after the bonding, but the bump 133 and the conductive joint 111 are indented 116 due to heat deformation at the time of joining. Inside, the space portion is deformed so as to be filled, and the interface between the insulating bonding portion 112 and the semiconductor element 130 is formed in a planar shape. The difference between the volume of the recess 116 shown in FIG. 1 and the volume of the protrusion 135 is smaller than the volume of the recess 116 before integration with the semiconductor element 130. The bonding strength between the semiconductor element 130 and the ceramic multilayer substrate 100 is exhibited by the insulating bonding portion 112 in addition to the protruding portion 135 and the conductive bonding portion 111, and is caused by the difference in thermal expansion of each member due to the heat generated when the semiconductor element 130 is driven. The resulting stress is distributed to the conductive joint 111 and the insulating joint 112. As a result, the durability reliability of the semiconductor module is improved. Heat generated during operation of the semiconductor element 130 is diffused to the ceramic multilayer substrate 100 through the protrusions 135 and the conductive joints 111 and is diffused to the ceramic multilayer substrate 100 through the insulating joints 112. As a result, the temperature rise of the semiconductor element is suppressed.

なお、突状部135および窪み部116は、突状部135の体積と窪み部116の容積とが等しくなるように形成されることが好ましいが、電気的接続が担保されていれば、窪み部116の容積>突状部135の体積 であってもよい。   The protrusion 135 and the recess 116 are preferably formed so that the volume of the protrusion 135 and the volume of the recess 116 are equal. However, if the electrical connection is secured, the recess The volume of 116> the volume of the protrusion 135 may be sufficient.

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7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。
A2. Production method:
A method for manufacturing the semiconductor power module 10 will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a process diagram for explaining a method of manufacturing the semiconductor power module 10 in the first embodiment.

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。   The ceramic multilayer substrate 100 on which the inner layer via hole 101 and the wiring pattern 109 are formed is manufactured (step S10). Fabrication of the ceramic multilayer substrate 100 includes forming a thin-film electrode land for mounting the semiconductor element 130 and other electronic components on the surface of the ceramic multilayer substrate 100. The electrode land is formed by a printing method using a conductive paste, physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD).

作製されたセラミックス多層基板100の第1の面105上に、絶縁接合部112を配置する(ステップS12)。絶縁接合部112の配置工程について、図4を参照して説明する。   On the first surface 105 of the produced ceramic multilayer substrate 100, the insulating bonding portion 112 is disposed (step S12). An arrangement process of the insulating bonding portion 112 will be described with reference to FIG.

図4は、ステップS12における絶縁接合部112の配置工程について説明する説明図である。絶縁接合部112の主成分であ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混練してガラス粉末ペースト118を生成し、図4に示すように、セラミックス多層基板100の第1の面105上に塗布する。   FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the arrangement process of the insulating bonding portion 112 in step S12. A glass powder paste 118 is produced by kneading powder glass, which is a main component of the insulating joint 112, and a thermally decomposable organic binder using a solvent such as an organic solvent or water, as shown in FIG. Then, it is applied onto the first surface 105 of the ceramic multilayer substrate 100.

セラミックス多層基板100上に形成された絶縁接合部112に、開口部115を形成する(ステップS14)。開口部115の形成工程において、図5を参照して説明する。   An opening 115 is formed in the insulating bonding portion 112 formed on the ceramic multilayer substrate 100 (step S14). The step of forming the opening 115 will be described with reference to FIG.

図5は、ステップS14における開口部115の形成工程について説明する説明図である。ガラス粉末ペースト(絶縁接合部112)が塗布されたセラミックス多層基板100を、レジストが熱分解する温度(例えば、300℃以上)、かつ、ガラス粉末の軟化点以下(例えば、600℃以下)で加熱処理し、内層ビアホール101に対応する部位107に開口部115を形成する。   FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the step of forming the opening 115 in step S14. The ceramic multilayer substrate 100 coated with the glass powder paste (insulating joint 112) is heated at a temperature at which the resist is thermally decomposed (for example, 300 ° C. or higher) and below the softening point of the glass powder (for example, 600 ° C. or lower). The opening 115 is formed in the part 107 corresponding to the inner layer via hole 101 by processing.

半導体素子130に形成されている導電性の突状部135の体積よりも大きな容積を有する窪み部116が、絶縁接合部112の開口部115内に形成されるように、絶縁接合部112より薄い導電接合部111を、開口部115内に配置する(ステップS16)。具体的には、後述するステップS22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ペーストを、スクリーン印刷により、開口部115内の一部に充填する。この際、導電接合部111と絶縁接合部112とにより窪み部116が形成されるように、ペーストを印刷する。   The recess 116 having a volume larger than the volume of the conductive protrusion 135 formed in the semiconductor element 130 is thinner than the insulating junction 112 so as to be formed in the opening 115 of the insulating junction 112. The conductive junction 111 is disposed in the opening 115 (step S16). Specifically, a part of the opening 115 is filled with a paste whose main component is a metal species that is melted by a heating process in step S22 described later. At this time, the paste is printed so that the recess 116 is formed by the conductive joint 111 and the insulating joint 112.

図6は、ステップS16における導電接合部111の配置工程を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、内層ビアホール101に対応する部位107、すなわち、絶縁接合部112に形成されている開口部115に対応する部位にのみ貫通孔が形成されている。金属を主成分とするペースト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、ペースト250はスクリーンの貫通孔を通過し、絶縁接合部112の開口部115内の、セラミックス多層基板100の第1の面105上に転写される。導電接合部111が開口部115内に配置されると、絶縁接合部112の開口部115の内周面115aと、導電接合部111の、セラミックス多層基板100側の面と反対側の面111aにより、窪み部116が形成される。   FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the arrangement process of the conductive bonding portion 111 in step S16. The screen printing machine 200 includes a screen 202, a squeegee 203, and a squeegee holder 204. The screen 202 has a through hole only in a portion 107 corresponding to the inner layer via hole 101, that is, a portion corresponding to the opening 115 formed in the insulating bonding portion 112. A paste 250 containing metal as a main component is placed on the screen 202, and the squeegee 203 is slid from the screen 202. By doing so, the paste 250 passes through the through-hole of the screen and is transferred onto the first surface 105 of the ceramic multilayer substrate 100 in the opening 115 of the insulating bonding portion 112. When the conductive joint 111 is disposed in the opening 115, the inner peripheral surface 115a of the opening 115 of the insulating joint 112 and the surface 111a of the conductive joint 111 opposite to the surface on the ceramic multilayer substrate 100 side. A recess 116 is formed.

セラミックス多層基板100と導電接合部111および絶縁接合部112は、予め印刷用ペーストに含まれる有機結着材の接合力により仮積層(接合)され、回路基板20を構成している。   The ceramic multilayer substrate 100, the conductive bonding portion 111, and the insulating bonding portion 112 are temporarily laminated (bonded) by the bonding force of the organic binder contained in the printing paste in advance to constitute the circuit board 20.

半導体素子130の電極パッド131上に、バンプ133を形成する(ステップS18)。バンプ133は、電極パッド131とバンプ133の合計の体積が、窪み部116の容積以下となるように形成される。具体的には、アルミニウム金属や酸化銀、銅、ナノ金蔵、ハンダ合金のような、後述するステップS20の加熱工程において溶融する金属種で形成された金属製のバンプを、電極パッド131上に配置する。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、半導体素子130の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、既述の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、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。   A bump 133 is formed on the electrode pad 131 of the semiconductor element 130 (step S18). The bump 133 is formed so that the total volume of the electrode pad 131 and the bump 133 is equal to or less than the volume of the recess 116. Specifically, a metal bump formed of a metal species that melts in the heating process of step S20 described later, such as aluminum metal, silver oxide, copper, nano gold warehouse, or solder alloy, is disposed on the electrode pad 131. To do. The bump may be formed by a ball mounting method in which a metal formed in a ball shape is disposed at a desired position and is formed into a columnar shape by heat treatment, or a metal that becomes a bump at a position corresponding to the semiconductor element 130 in advance. Alternatively, the above-described method may be used. Alternatively, a paste containing the above-described metal species as a main component may be printed by screen printing, or a metal bump may be formed at a desired position by plating using a photolithography pattern and plating.

半導体素子130の突状部135が接合層110の窪み部116内に配置されるように、半導体素子130を接合層110上に配置し(ステップS20)、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S22)。   The semiconductor element 130 is disposed on the bonding layer 110 such that the protruding portion 135 of the semiconductor element 130 is disposed in the recess 116 of the bonding layer 110 (step S20), and the ceramic multilayer substrate 100, the bonding layer 110, and the semiconductor are disposed. The element 130 is thermocompression bonded to manufacture a semiconductor power module (step S22).

図7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7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、導電接合部111、絶縁接合部112およびバンプ133が熱融着する温度に加熱する。こうすることにより、導電接合部111、絶縁接合部112、セラミックス多層基板100の第1の面105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。導電接合部111、絶縁接合部112が熱融着する温度とは、例えば、導電接合部111、バンプ133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−B23−SiO2ガラスを用いた場合には、両材料が熱融着する温度670℃に加熱し、接合層110を含むセラミックス多層基板と半導体素子130を100kPa程度の圧力で加圧接合する。 FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining a bonding process of the semiconductor power module 10 in the first embodiment. As shown in FIG. 7, the ceramic multilayer substrate 100, the bonding layer 110, and the semiconductor element 130 are pressurized and heated to a temperature at which the conductive bonding portion 111, the insulating bonding portion 112, and the bump 133 are thermally fused. By doing so, the conductive bonding portion 111, the insulating bonding portion 112, and the first surface 105 of the ceramic multilayer substrate 100 are melted, and between the ceramic multilayer substrate 100 and the bonding layer 110, and between the bonding layer 110 and the semiconductor element 130. The gaps are diffusion-bonded on a uniform plane without voids. The temperature at which the conductive bonding portion 111 and the insulating bonding portion 112 are thermally fused is, for example, aluminum metal having a melting point of 660 ° C. as the material of the conductive bonding portion 111 and the bump 133 and the softening point 640 as the material of the insulating bonding portion 112. In the case of using ZnO—B 2 O 3 —SiO 2 glass at ℃, the material is heated to a temperature of 670 ° C. at which both materials are thermally fused, and the ceramic multilayer substrate including the bonding layer 110 and the semiconductor element 130 are pressurized to about 100 kPa. Pressure bonding.

加圧および加熱により、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、セラミックス多層基板100と接合層110とは接合される。また、半導体素子130のバンプ133と導電接合部111とについても、加熱により両材料が溶融し、接合される。   Due to the pressurization and heating, diffusion of atoms occurs at the bonding surface between the ceramic multilayer substrate 100 and the bonding layer 110, and the ceramic multilayer substrate 100 and the bonding layer 110 are bonded. Also, the bumps 133 and the conductive joints 111 of the semiconductor element 130 are also melted and joined by heating.

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7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。   A cut surface cut in a direction perpendicular to the ceramic multilayer substrate 100, the bonding layer 110, and the semiconductor element 130 (a stacking direction of the ceramic multilayer substrate 100, the bonding layer 110, and the semiconductor element 130) is composed of a compound semiconductor and a protective layer on the surface thereof. The interface between the semiconductor element 130 and the bonding layer 110 and the interface between the bonding layer 110 and the surface of the ceramic multilayer substrate 100 made of a ceramic component (alumina, silicon nitride, aluminum nitride, etc.) are indicated by thick solid lines in FIG. These are arranged in a substantially straight line, and do not include minute defects such as bubbles. Inevitable voids on the order of microns are not included in the defects in the embodiments. In the embodiment, the size of the bubble determined as a defect may be, for example, 100 μm or more.

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、開口部115への突状部135の嵌りこみにおいて、導電接合部111の厚みd1、絶縁接合部112の厚みd2、および、突状部135の積層方向の厚みd3が、d3>d2−d1を満たすように形成されている。従って、窪み部116内への半導体素子130の配置時、突状部135と導電接合部111との電気的接続を確実に担保できる。 According to the semiconductor power module 10 of the first embodiment described above, when the protrusion 135 is fitted into the opening 115, the thickness d1 of the conductive joint 111, the thickness d2 of the insulating joint 112, and the protrusion The thickness d3 of the portion 135 in the stacking direction is formed so as to satisfy d3> d2-d1. Therefore, when the semiconductor element 130 is disposed in the recess 116, the electrical connection between the protruding portion 135 and the conductive joint 111 can be reliably ensured.

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は、半導体素子130に形成されている突状部135の体積以上の容積を有する窪み部116を有しているので、回路基板20への半導体素子130の実装時において、窪み部116内に半導体素子の突状部135が収容され、接合層110と半導体素子130との接合面はほぼ平面となる。また、セラミックス多層基板100と接合層110とは平面で接合される。従って、セラミックス多層基板100と接合層110との接合面、および、接合層110と半導体素子130との接合面における空隙の発生を抑制できる。従って、セラミックス多層基板100と接合層110との接合強度および半導体素子からセラミックス多層基板100への熱拡散性能の向上を図ることができる。   In addition, according to the semiconductor power module 10 of the first embodiment, the bonding layer 110 has the recess 116 having a volume equal to or larger than the volume of the protruding portion 135 formed in the semiconductor element 130. When the semiconductor element 130 is mounted on the substrate 20, the protruding portion 135 of the semiconductor element is accommodated in the recess 116, and the bonding surface between the bonding layer 110 and the semiconductor element 130 is substantially flat. The ceramic multilayer substrate 100 and the bonding layer 110 are bonded in a plane. Accordingly, it is possible to suppress the generation of voids in the bonding surface between the ceramic multilayer substrate 100 and the bonding layer 110 and the bonding surface between the bonding layer 110 and the semiconductor element 130. Therefore, it is possible to improve the bonding strength between the ceramic multilayer substrate 100 and the bonding layer 110 and the thermal diffusion performance from the semiconductor element to the ceramic multilayer substrate 100.

B.第2実施例:
B1.半導体パワーモジュールの概略構成:
図8および図9は、第2実施例における半導体パワーモジュール30の構成を説明する断面図である。図8および図9に示すように、第2実施例の半導体パワーモジュール30は、セラミックス多層基板300と、接合層310と、半導体素子330を備える。第2実施例において、セラミックス多層基板300、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、半導体素子130と同様の構成を備える。
B. Second embodiment:
B1. General configuration of the semiconductor power module:
8 and 9 are cross-sectional views illustrating the configuration of the semiconductor power module 30 in the second embodiment. As shown in FIGS. 8 and 9, the semiconductor power module 30 of the second embodiment includes a ceramic multilayer substrate 300, a bonding layer 310, and a semiconductor element 330. In the second embodiment, the ceramic multilayer substrate 300 and the semiconductor element 330 have the same configurations as the ceramic multilayer substrate 100 and the semiconductor element 130 of the first embodiment, respectively.

半導体パワーモジュール30は、第1実施例の半導体パワーモジュール10と、接合層310の構成が異なる。接合層310は、導電接合部311と、絶縁接合部312と、導電接合部311および絶縁接合部312により形成される窪み部316と、を有する。接合層310の、セラミックス多層基板300との接合面は、平面状に形成されている。   The semiconductor power module 30 differs from the semiconductor power module 10 of the first embodiment in the configuration of the bonding layer 310. The bonding layer 310 includes a conductive bonding portion 311, an insulating bonding portion 312, and a recess 316 formed by the conductive bonding portion 311 and the insulating bonding portion 312. The bonding surface of the bonding layer 310 and the ceramic multilayer substrate 300 is formed in a flat shape.

絶縁接合部312には、セラミックス多層基板300の内層ビアホール301に対応する部位に開口部315が形成されている、絶縁接合部312は、図9の円Aに示すように、半導体素子330側の端部からセラミックス多層基板300側の端部に向けて先細なテーパー形状に形成されている。   An opening 315 is formed in the insulating bonding portion 312 at a portion corresponding to the inner layer via hole 301 of the ceramic multilayer substrate 300. The insulating bonding portion 312 is formed on the semiconductor element 330 side as shown by a circle A in FIG. The taper is tapered from the end toward the end on the ceramic multilayer substrate 300 side.

窪み部316は、開口部315内に導電接合部311が配置されることにより形成される。窪み部316は、半導体素子330の電極パッド331とバンプ333とからなる突状部335の体積以上の容積を有する。   The recess 316 is formed by disposing the conductive joint 311 in the opening 315. The recessed portion 316 has a volume that is equal to or greater than the volume of the protruding portion 335 including the electrode pad 331 and the bump 333 of the semiconductor element 330.

半導体パワーモジュール30は、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してもよい。絶縁接合部312をスクリーン印刷により配置する際、半導体素子330側からセラミックス多層基板300側に向けて細いテーパー形状となる貫通孔を有するスクリーンを用い、絶縁接合部312の材料であるガラス粉末のペーストを印刷する。こうすることにより、内層ビアホール301に対応する部位に、テーパー形状の開口部315を有する絶縁接合部312を形成できる。   The semiconductor power module 30 may be manufactured by the same method as the semiconductor power module 10 of the first embodiment. When the insulating bonding portion 312 is arranged by screen printing, a screen having a through hole having a thin taper shape from the semiconductor element 330 side to the ceramic multilayer substrate 300 side is used, and a paste of glass powder that is a material of the insulating bonding portion 312 To print. By doing so, an insulating junction 312 having a tapered opening 315 can be formed at a portion corresponding to the inner layer via hole 301.

次に、導電接合部311に対応する部位に貫通孔を有するスクリーンを用いて、開口部315内に、内層ビアホール301を覆うように、導電接合部311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。この際、ペーストを、開口部315内の一部に充填する。こうすることにより、導電接合部311と絶縁接合部312により、窪み部316が形成される。   Next, using a screen having a through hole in a portion corresponding to the conductive joint 311, a metal species as a material of the conductive joint 311 is a main component so as to cover the inner layer via hole 301 in the opening 315. Print the paste. At this time, the paste is filled in part of the opening 315. By doing so, a recess 316 is formed by the conductive joint 311 and the insulating joint 312.

半導体素子330の電極パッド331上に、金属製のバンプ333を形成する。バンプ333は、電極パッド331とバンプ333との合計の体積が、窪み部316の容積以下となるように形成される。突状部335が窪み部316内に配置されるように、半導体素子330を接合層310上に配置し、セラミックス多層基板300、接合層310および半導体素子330を加熱・加圧して接合する(図3のステップS20に対応)。   Metal bumps 333 are formed on the electrode pads 331 of the semiconductor element 330. The bump 333 is formed such that the total volume of the electrode pad 331 and the bump 333 is equal to or less than the volume of the recess 316. The semiconductor element 330 is disposed on the bonding layer 310 so that the protruding portion 335 is disposed in the recess 316, and the ceramic multilayer substrate 300, the bonding layer 310, and the semiconductor element 330 are bonded by heating and pressurizing (FIG. 3 corresponding to step S20).

第2実施例の半導体パワーモジュール30によれば、接合層310の絶縁接合部312は、半導体素子430側からセラミックス多層基板100側に向けて細いテーパー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312と半導体素子330との接触面積が広くなる。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330から接合層310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。   According to the semiconductor power module 30 of the second embodiment, the insulating bonding portion 312 of the bonding layer 310 is formed in a thin taper shape from the semiconductor element 430 side toward the ceramic multilayer substrate 100 side. Compared with the insulating junction 112, the contact area between the insulating junction 312 and the semiconductor element 330 is increased. Accordingly, the thermal diffusion performance from the semiconductor element 330 to the bonding layer 310 is higher than that of the semiconductor power module 10 of the first embodiment. Therefore, while ensuring the insulation performance between the ceramic multilayer substrate 400 and the semiconductor element 430, the heat diffusion performance can be improved, and the heat radiation of the semiconductor element 430 can be promoted.

また、絶縁接合部312を半導体素子330と直接接合される面側の面積が広くなるように形成することで、半導体素子330と接合層310が形成されたセラミックス多層基板300との接合時に半導体素子330と絶縁接合部312の接合面積がバンプ333の変形による充填度合いに左右されずに十分に補償される。この結果、半導体素子330とセラミックス多層基板300の接合強度は生産ロットによるバラつきがない安定した強度が保障される。 Further, by forming the insulating bonding portion 312 so as to increase the area of the surface directly bonded to the semiconductor element 330, the semiconductor element is bonded to the ceramic multilayer substrate 300 on which the bonding layer 310 is formed. The bonding area of 330 and the insulating bonding portion 312 is sufficiently compensated regardless of the degree of filling due to the deformation of the bump 333. As a result, the bonding strength between the semiconductor element 330 and the ceramic multilayer substrate 300 is ensured to be stable without variation due to the production lot.

C.変形例:
C1.変形例1:
図10は、変形例1における半導体パワーモジュール40の概略構成を示す説明図である。半導体パワーモジュール40は、回路基板45と、半導体素子430とを備える。回路基板45は、セラミックス多層基板400と、接合層410と、拡散層420とを備え、接合層410は、導電接合部411と絶縁接合部412を備える。変形例1において、セラミックス多層基板400、接合層410、導電接合部411および半導体素子430は、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および半導体素子130と同様の構成を備える。
C. Variations:
C1. Modification 1:
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the semiconductor power module 40 in the first modification. The semiconductor power module 40 includes a circuit board 45 and a semiconductor element 430. The circuit board 45 includes a ceramic multilayer substrate 400, a bonding layer 410, and a diffusion layer 420. The bonding layer 410 includes a conductive bonding portion 411 and an insulating bonding portion 412. In the first modification, the ceramic multilayer substrate 400, the bonding layer 410, the conductive bonding portion 411, and the semiconductor element 430 have the same configurations as the ceramic multilayer substrate 100, the bonding layer 110, the conductive bonding portion 111, and the semiconductor element 130 of the first embodiment. Is provided.

絶縁接合部412は、絶縁性能が低下しない程度に、金属材料もしくは無機系材料よりなるフィラー415を含むことが望ましい。金属フィラーもしくは無機系フィラー415が含有されていることにより、絶縁接合部412の伝熱性能が向上する。絶縁接合部412は、フィラー415が含有されていること以外は、第1実施例の絶縁接合部112と同様の構成を備える。   The insulating joint 412 desirably includes a filler 415 made of a metal material or an inorganic material to the extent that the insulating performance does not deteriorate. By including the metal filler or the inorganic filler 415, the heat transfer performance of the insulating joint 412 is improved. The insulating joint 412 has the same configuration as the insulating joint 112 of the first embodiment except that the filler 415 is contained.

拡散層420は、セラミックス多層基板400と接合層410との拡散接合により形成される層である。拡散層420は、導電拡散部421と絶縁拡散部422を備える。導電拡散部421は、セラミックス多層基板400と接合層410の導電接合部411との拡散接合により形成される。絶縁拡散部422は、セラミックス多層基板400と、接合層410の絶縁接合部412との拡散接合により形成される。絶縁拡散部422には、絶縁接合部412と同様に、フィラー415が含有されていてもよい。なお、図10では、説明の便宜上、導電拡散部421と絶縁拡散部422の境界は明確に記載されているが、導電拡散部421と絶縁拡散部422の境界は曖昧であってもよい。   The diffusion layer 420 is a layer formed by diffusion bonding between the ceramic multilayer substrate 400 and the bonding layer 410. The diffusion layer 420 includes a conductive diffusion part 421 and an insulating diffusion part 422. The conductive diffusion portion 421 is formed by diffusion bonding between the ceramic multilayer substrate 400 and the conductive bonding portion 411 of the bonding layer 410. The insulating diffusion portion 422 is formed by diffusion bonding between the ceramic multilayer substrate 400 and the insulating bonding portion 412 of the bonding layer 410. The insulating diffusion portion 422 may contain a filler 415 similarly to the insulating bonding portion 412. In FIG. 10, for convenience of explanation, the boundary between the conductive diffusion portion 421 and the insulating diffusion portion 422 is clearly described, but the boundary between the conductive diffusion portion 421 and the insulating diffusion portion 422 may be ambiguous.

図11は、変形例1における接合層410の配置工程について説明する説明図である。この配置工程は、第1実施例の図3のステップS10に続く処理である。   FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining the arrangement process of the bonding layer 410 in the first modification. This arrangement process is a process following step S10 of FIG. 3 of the first embodiment.

セラミックス多層基板400の第1の面405上であって、内層ビアホール401に対応する部位407に、導電接合部411を配置する。具体的には、図3のステップS20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ペーストを、セラミックス多層基板400の第1の面405の部位407に、スクリーン印刷により形成する。スクリーン印刷に代えて、フォトリソパターンにより転写する方法を用いてもよい。   On the first surface 405 of the ceramic multilayer substrate 400, the conductive bonding portion 411 is disposed at a portion 407 corresponding to the inner layer via hole 401. Specifically, a paste mainly composed of a metal species that is melted by the heating process in step S20 of FIG. 3 is formed on the portion 407 of the first surface 405 of the ceramic multilayer substrate 400 by screen printing. Instead of screen printing, a transfer method using a photolithographic pattern may be used.

導電接合部411を配置したセラミックス多層基板400の第1の面405上であって、部位407とは異なる部位408に絶縁接合部412を配置する。   On the first surface 405 of the ceramic multilayer substrate 400 on which the conductive joint portion 411 is disposed, the insulating joint portion 412 is disposed on a portion 408 different from the portion 407.

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400の第1の面405上の、導電接合部411の空隙を埋めるように、部位408に、スクリーン印刷によりに印刷する。この際、絶縁接合部412を構成するガラス粉末ペーストを、導電接合部411より厚みを有するように印刷する。   Specifically, powder glass and a thermally decomposable organic binder are kneaded using a solvent such as an organic solvent or water to produce a glass powder paste. The portion 408 is printed by screen printing so as to fill the gap of the conductive joint portion 411 on the first surface 405. At this time, the glass powder paste constituting the insulating bonding portion 412 is printed so as to be thicker than the conductive bonding portion 411.

上述のように導電接合部411および絶縁接合部412を配置することにより、窪み部416(図10)が形成される。   By disposing the conductive joint portion 411 and the insulating joint portion 412 as described above, the recess portion 416 (FIG. 10) is formed.

変形例1の半導体パワーモジュール40によれば、セラミックス多層基板400と接合層410の拡散接合時に、セラミックス多層基板400と接合層410の間に、拡散層420が形成される。従って、セラミックス多層基板400と接合層410との接合強度を向上できる。   According to the semiconductor power module 40 of Modification 1, the diffusion layer 420 is formed between the ceramic multilayer substrate 400 and the bonding layer 410 during diffusion bonding of the ceramic multilayer substrate 400 and the bonding layer 410. Therefore, the bonding strength between the ceramic multilayer substrate 400 and the bonding layer 410 can be improved.

また、変形例1の半導体パワーモジュール40によれば、接合層410の絶縁接合部412および拡散層420の絶縁拡散部422にフィラー415が含まれるので、半導体素子430からセラミックス多層基板400への熱拡散性能を向上できる。   Further, according to the semiconductor power module 40 of the first modification, since the filler 415 is included in the insulating bonding portion 412 of the bonding layer 410 and the insulating diffusion portion 422 of the diffusion layer 420, the heat from the semiconductor element 430 to the ceramic multilayer substrate 400. Diffusion performance can be improved.

C2.変形例2:
図12は、変形例2における半導体パワーモジュール50を示す平面図である。図13は、変形例2における半導体パワーモジュール50を示す断面図である。図13は、図12におけるB−B断面で切断した断面を示す。
C2. Modification 2:
FIG. 12 is a plan view showing a semiconductor power module 50 according to the second modification. FIG. 13 is a cross-sectional view showing a semiconductor power module 50 according to the second modification. FIG. 13 shows a cross section taken along the line BB in FIG.

変形例2の半導体パワーモジュール50は、図12および図13に示すように、セラミックス多層基板500と、接合層510と、複数(変形例2では6個)の半導体素子530を備える。接合層510は、導電接合部511と絶縁接合部512を備える。半導体素子530は、電極パッド531とバンプ533とからなる突状部535を備える。変形例2において、セラミックス多層基板500、接合層510、導電接合部511、絶縁接合部512および各半導体素子530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および半導体素子130と同様の構成を備える。   As shown in FIGS. 12 and 13, the semiconductor power module 50 of Modification 2 includes a ceramic multilayer substrate 500, a bonding layer 510, and a plurality (six in Modification 2) of semiconductor elements 530. The bonding layer 510 includes a conductive bonding portion 511 and an insulating bonding portion 512. The semiconductor element 530 includes a projecting portion 535 including an electrode pad 531 and a bump 533. In the second modification, the ceramic multilayer substrate 500, the bonding layer 510, the conductive bonding portion 511, the insulating bonding portion 512, and each semiconductor element 530 are respectively the ceramic multilayer substrate 100, the bonding layer 110, and the conductive bonding portion 111 of the first embodiment. The same structure as that of the insulating junction 112 and the semiconductor element 130 is provided.

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。変形例2の半導体パワーモジュール50は、接合層510が平面状に形成されているので、半導体素子530とセラミックス多層基板500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により形成された平面で接合される。従って、半導体素子530からセラミックス多層基板500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530)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50を提供できる。   In general, in order to cope with the increase in heat generation tolerance of semiconductor elements by using compound semiconductor elements such as SiC from conventional Si-based semiconductor elements, high heat resistance to peripheral members of the semiconductor elements, while heat dissipation as a module High thermal diffusivity is required to meet the demand for smaller parts. In the semiconductor power module 50 of Modification 2, since the bonding layer 510 is formed in a planar shape, the semiconductor element 530 and the ceramic multilayer substrate 500 are not affected by an organic material having low heat resistance and thermal diffusivity, and have heat resistance characteristics. And a plane formed by an inorganic material having excellent thermal diffusivity. Therefore, since the thermal diffusion performance from the semiconductor element 530 to the ceramic multilayer substrate 500 is improved, the reliability of mounting a plurality of compound semiconductor elements (semiconductor elements 530) used in a high temperature range of about 300 ° C. or less at high density. The semiconductor power module 50 having a high level can be provided.

C3.変形例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(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。
C3. Modification 3:
Instead of the manufacturing method (FIG. 3) of the semiconductor power module 10 in the first embodiment, the semiconductor power module 10 may be manufactured by the following method. Below, the process following step S10 is demonstrated. In addition, the code | symbol of 1st Example is used for the code | symbol of each member.

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開口部115を形成する。このように、絶縁接合部112は、開口部115が形成されたガラスシートとして作製される。   Insulating junction 112 is formed. Specifically, powder glass and a thermally decomposable organic binder (for example, a butyral binder that softens at a temperature of about 80 ° C. and thermally decomposes at a temperature of about 250 ° C.) are mixed with a solvent such as an organic solvent or water. The slurry is kneaded to form a slurry, and the slurry is molded into a sheet shape by a technique such as sheet casting by the doctor blade method or extrusion molding. An opening 115 is formed in a portion of the sheet corresponding to the conductive joint 111 by machining such as laser or microcomputer punch. As described above, the insulating bonding portion 112 is manufactured as a glass sheet in which the opening 115 is formed.

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。   The ceramic multilayer substrate 100 is disposed so that the first surface 105 of the ceramic multilayer substrate 100 faces the desired surface of the insulating bonding portion 112, and both of them are softened by the softening temperature of the organic binder contained in the insulating bonding portion sheet. Temporary adhesion is performed by the bonding force of the organic binder contained in the insulating joint 112 formed in a sheet shape by heating and pressurizing as described above.

次に、導電接合部111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、導電接合部111を形成するペーストをスクリーン印刷により一部充填する。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S22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。開口部115内に導電接合部111が配置されることにより、窪み部116が形成される。 Next, the conductive junction 111 is formed. Specifically, a paste for forming the conductive joint portion 111 is partially filled by screen printing into the through hole of the manufactured insulating joint portion 112. The paste contains a metal as a main component. For example, a metal species such as aluminum metal, silver oxide, copper, nanometal, or solder alloy that melts in the heating process in step S22 in FIG. It is formed by kneading the adhesive with a solvent such as an organic solvent or water. The filling of the paste is not limited to screen printing, and for example, a method such as ejection by a dispenser may be used. The recess 116 is formed by disposing the conductive joint 111 in the opening 115.

接合層110の、窪み部116が形成されている面に、突状部135を窪み部116に合わせ、半導体素子130を配置する。以上の通り積層されたセラミックス多層基板100、導電接合部111、絶縁接合部112に対し、半導体素子130を絶縁接合部112および導電接合部111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半導体パワーモジュール10を製造する(図3のステップS22)。   The semiconductor element 130 is disposed on the surface of the bonding layer 110 on which the recess 116 is formed, with the protruding portion 135 aligned with the recess 116. As compared with the ceramic multilayer substrate 100, the conductive bonding portion 111, and the insulating bonding portion 112 laminated as described above, the semiconductor element 130 is made of glass, which is a main component constituting the insulating bonding portion 112 and the conductive bonding portion 111, or higher than the melting point of the metal. After heating to temperature and pressure bonding, the organic binder component contained in the insulating bonding part 112 is removed by thermal decomposition, and then the semiconductor power module 10 is manufactured (step S22 in FIG. 3).

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。   The planar bonding layer 110 can also be manufactured by the manufacturing method described above. Therefore, the semiconductor element 130 and the bonding layer 110, and the bonding layer 110 and the ceramic multilayer substrate 100 can be bonded to each other, and the heat conduction performance from the semiconductor element 130 to the ceramic multilayer substrate 100, and the ceramic multilayer substrate 100 and the semiconductor can be bonded. The bonding strength with the element 130 can be improved.

C4.変形例4:
第1実施例では、セラミックス多層基板100と導電接合部111および絶縁接合部112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合部111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。
C4. Modification 4:
In the first embodiment, the ceramic multilayer substrate 100, the conductive bonding portion 111, and the insulating bonding portion 112 are preliminarily laminated in advance by the bonding force of the organic binder, and then the semiconductor element 130 is stacked and bonded by pressing and heating. However, for example, a sheet formed by previously filling holes formed in the insulating bonding portion 112 formed in a sheet shape with the conductive bonding portion 111 is manufactured, and the ceramic multilayer substrate 100 and the semiconductor element 130 are used. The semiconductor power module 10 may be manufactured by heating and pressure bonding after being held. By doing so, it is possible to reduce the amount of the organic binder added to the bonding layer 110, and to prevent the bonding layer 110 from being deteriorated by organic residues.

C5.変形例5:
突状部135は、窪み部116の積層方向の深さよりも大きい高さを有していてもよい。こうすれば、窪み部116内への半導体素子130の配置時、突状部135と導電接合部111との電気的接続を確実に担保できる。なお、突状部135が、窪み部116の積層方向の深さよりも大きい高さを有するように形成されている場合、接合層110上への半導体素子130の配置時に、半導体素子130が接合層110の表面より浮いた状態となるが、接合時の加熱により、バンプ133は溶融し、溶融した状態で加圧され、半導体素子130と接合層110とは空隙のない面で接合される。
C5. Modification 5:
The protrusion 135 may have a height that is greater than the depth of the recess 116 in the stacking direction. In this way, when the semiconductor element 130 is disposed in the recess 116, the electrical connection between the protrusion 135 and the conductive joint 111 can be reliably ensured. Note that in the case where the protruding portion 135 is formed to have a height greater than the depth of the depression portion 116 in the stacking direction, the semiconductor element 130 is bonded to the bonding layer when the semiconductor element 130 is disposed on the bonding layer 110. The bump 133 is melted by the heating at the time of bonding, and is pressed in the molten state, and the semiconductor element 130 and the bonding layer 110 are bonded to each other without a gap.

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。   As mentioned above, although the various Example of this invention was described, this invention is not limited to these Examples, A various structure can be taken in the range which does not deviate from the meaning.

10、30、40、5…半導体パワーモジュール
20、45…セラミックス回路基板
100…セラミックス多層基板
101…内層ビアホール
104…電極端子
105…第1の面
106…第2の面
109…配線パターン
110…接合層
111…導電接合部
112…絶縁接合部
115…開口部
116…窪み部
130…半導体素子
131…電極パッド
133…バンプ
135…突状部
200…スクリーン印刷機
202…スクリーン
203…スキージ
204…スキージホルダー
250…ペースト
300…セラミックス多層基板
301…内層ビアホール
310…接合層
311…導電接合部
312…絶縁接合部
315…開口部
316…窪み部
330…半導体素子
331…電極パッド
333…バンプ
335…突状部
400…セラミックス多層基板
401…内層ビアホール
405…第1の面
410…接合層
411…導電接合部
412…絶縁接合部
415…フィラー
416…窪み部
420…拡散層
421…導電拡散部
422…絶縁拡散部
430…半導体素子
500…セラミックス多層基板
510…接合層
511…導電接合部
512…絶縁接合部
530…半導体素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 30, 40, 5 ... Semiconductor power module 20, 45 ... Ceramic circuit board 100 ... Ceramic multilayer substrate 101 ... Inner layer via hole 104 ... Electrode terminal 105 ... First surface 106 ... Second surface 109 ... Wiring pattern 110 ... Bonding Layer 111 ... Conductive joint 112 ... Insulating joint 115 ... Opening 116 ... Depression 130 ... Semiconductor element 131 ... Electrode pad 133 ... Bump 135 ... Protrusion 200 ... Screen printer 202 ... Screen 203 ... Squeegee 204 ... Squeegee holder DESCRIPTION OF SYMBOLS 250 ... Paste 300 ... Ceramic multilayer substrate 301 ... Inner layer via hole 310 ... Bonding layer 311 ... Conductive bonding part 312 ... Insulation bonding part 315 ... Opening part 316 ... Depression part 330 ... Semiconductor element 331 ... Electrode pad 333 ... Bump 335 ... Projection part 400 ... Ceramic Multilayer substrate 401 ... inner layer via hole 405 ... first surface 410 ... bonding layer 411 ... conductive bonding portion 412 ... insulating bonding portion 415 ... filler 416 ... depression portion 420 ... diffusion layer 421 ... conductive diffusion portion 422 ... insulating diffusion portion 430 ... semiconductor Element 500 ... Ceramic multilayer substrate 510 ... Bonding layer 511 ... Conductive joint 512 ... Insulating joint 530 ... Semiconductor element

Claims (8)

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、導電性の突状部を有する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部位に開口部を有し、前記多層基板を前記半導体素子から絶縁するための、無機系材料からなる絶縁接合部と、
前記開口部内に配置され、前記配線パターンを前記半導体素子に導通させるための導電接合部であって、前記絶縁接合部よりも薄い導電接合部と、を有し、
前記開口部への前記突状部の嵌りこみ前において、前記導電接合部の厚みを表すd1、前記絶縁接合部の厚みを表すd2、および、前記突状部の厚みを表すd3は、d3>d2−d1 を満たす、
回路基板。
A circuit board,
A multilayer substrate with vias and wiring patterns formed thereon;
A bonding layer disposed on a first surface of the multilayer substrate and bonding a semiconductor element having a conductive protrusion to the multilayer substrate;
With
The bonding layer is
An insulating joint made of an inorganic material, having an opening at a portion corresponding to the via, and insulating the multilayer substrate from the semiconductor element;
A conductive junction that is disposed in the opening and is used to conduct the wiring pattern to the semiconductor element, the conductive junction being thinner than the insulating junction;
Before fitting the projecting portion into the opening, d1 representing the thickness of the conductive joint portion, d2 representing the thickness of the insulating joint portion, and d3 representing the thickness of the projecting portion are d3> satisfies d2-d1.
Circuit board.
請求項1記載の回路基板であって、
前記絶縁接合部は、前記半導体素子が接合される端部から前記多層基板が接合される端部に向けて先細な形状に形成されている、
回路基板。
The circuit board according to claim 1,
The insulating bonding portion is formed in a tapered shape from an end portion where the semiconductor element is bonded to an end portion where the multilayer substrate is bonded.
Circuit board.
請求項1または請求項2記載の回路基板であって、
前記絶縁接合部は、テーパー形状に形成されている、
回路基板。
The circuit board according to claim 1 or 2,
The insulating joint is formed in a tapered shape,
Circuit board.
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の面上に配置され、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部位に開口部を有し、前記多層基板と前記半導体素子とを絶縁するための、無機系材料からなる絶縁接合部であって、前記半導体素子が接合される端部から前記多層基板が接合される端部に向けて先細な形状に形成されている絶縁接合部と、
前記開口部内に配置され、前記配線パターンと前記半導体素子とを導通する導電接合部と、
を有する半導体パワーモジュール。
A semiconductor power module,
A multilayer substrate with vias and wiring patterns formed thereon;
A semiconductor element disposed on a first surface side of the multilayer substrate;
A bonding layer disposed on the first surface of the multilayer substrate and bonding the multilayer substrate and the semiconductor element;
The bonding layer is
An insulating joint made of an inorganic material, having an opening at a portion corresponding to the via, and insulating the multilayer substrate and the semiconductor element from the end where the semiconductor element is joined An insulating joint formed in a tapered shape toward the end to which the multilayer substrate is joined;
A conductive junction disposed in the opening and conducting the wiring pattern and the semiconductor element;
A semiconductor power module.
請求項4記載の半導体パワーモジュールであって、
前記絶縁接合部は、テーパー形状に形成されている、
半導体パワーモジュール。
The semiconductor power module according to claim 4,
The insulating joint is formed in a tapered shape,
Semiconductor power module.
ビアおよび配線パターンを有する多層基板を製作し、
前記多層基板の第1の面上に、前記多層基板と半導体素子とを接合するための接合層を配置し、
前記半導体素子を、前記接合層上に配置し、
前記多層基板、前記接合層および前記半導体素子を、加熱圧着する、
半導体パワーモジュールの製造方法であって、
前記接合層の配置は、
前記多層基板と前記半導体素子とを絶縁する無機系材料からなる絶縁接合部を、前記第1の面上に配置し、
前記絶縁接合部における、前記ビアに対応する部位に、開口部を形成し、
前記絶縁接合部より薄い導電接合部を、前記開口部内に配置する工程を含み、
前記半導体素子の配置は、
前記半導体素子に形成されている突状部と前記導電接合部とが導通可能となるように、前記開口部内に前記突状部を嵌りこませて、前記半導体素子を前記接合層上に配置する工程を含み、
前記絶縁接合部と、前記導電接合部を、前記導電接合部の厚みを表すd1、前記絶縁接合部の厚みを表すd2、および、前記突状部の高さを表すd3が、d3>d2−d1 を満たす、
半導体パワーモジュールの製造方法。
Fabricate a multilayer board with vias and wiring patterns,
A bonding layer for bonding the multilayer substrate and the semiconductor element is disposed on the first surface of the multilayer substrate,
The semiconductor element is disposed on the bonding layer;
The multilayer substrate, the bonding layer, and the semiconductor element are thermocompression bonded.
A method for manufacturing a semiconductor power module, comprising:
The arrangement of the bonding layer is as follows:
An insulating junction made of an inorganic material that insulates the multilayer substrate and the semiconductor element is disposed on the first surface,
Forming an opening in a portion corresponding to the via in the insulating junction;
Arranging a conductive joint thinner than the insulating joint in the opening;
The arrangement of the semiconductor elements is as follows:
The semiconductor element is disposed on the bonding layer by fitting the protrusion into the opening so that the protrusion formed on the semiconductor element can be electrically connected to the conductive joint. Including steps,
For the insulating joint and the conductive joint, d1 representing the thickness of the conductive joint, d2 representing the thickness of the insulating joint, and d3 representing the height of the protrusion are d3> d2−. satisfy d1;
Manufacturing method of semiconductor power module.
ビアおよび配線パターンを有する多層基板を製作し、
前記多層基板の第1の面上に、前記多層基板と半導体素子とを接合するための接合層を配置し、
前記半導体素子を、前記接合層上に配置し、
前記多層基板、前記接合層および前記半導体素子を、加熱圧着する、
半導体パワーモジュールの製造方法であって、
前記接合層の配置は、
前記多層基板と前記半導体素子とを絶縁する無機系材料からなる絶縁接合部を、前記第1の面上に配置し、
前記半導体素子が接合される端部から前記多層基板が接合される端部に向けて先細な形状となるように、前記絶縁接合部における、前記ビアに対応する部位に、開口部を形成し、
前記絶縁接合部より薄い導電接合部を、前記開口部内に配置する工程を含み、
前記半導体素子の配置は、
前記半導体素子に形成されている導電性の突状部と、前記導電接合部とが導通可能となるように、前記開口部内に前記突状部を嵌りこませて、前記半導体素子を前記接合層上に配置する工程を含む、
半導体パワーモジュールの製造方法。
Fabricate a multilayer board with vias and wiring patterns,
A bonding layer for bonding the multilayer substrate and the semiconductor element is disposed on the first surface of the multilayer substrate,
The semiconductor element is disposed on the bonding layer;
The multilayer substrate, the bonding layer, and the semiconductor element are thermocompression bonded.
A method for manufacturing a semiconductor power module, comprising:
The arrangement of the bonding layer is as follows:
An insulating junction made of an inorganic material that insulates the multilayer substrate and the semiconductor element is disposed on the first surface,
Forming an opening in a portion corresponding to the via in the insulating bonding portion so as to have a tapered shape from an end portion to which the semiconductor element is bonded toward an end portion to which the multilayer substrate is bonded;
Arranging a conductive joint thinner than the insulating joint in the opening;
The arrangement of the semiconductor elements is as follows:
The protruding portion is fitted into the opening so that the conductive protruding portion formed on the semiconductor element and the conductive bonding portion can conduct, and the semiconductor element is bonded to the bonding layer. Including placing on
Manufacturing method of semiconductor power module.
ビアおよび配線パターンを有する多層基板を製作し、
前記多層基板の第1の面上に、半導体素子を前記多層基板に接合するための接合層を配置し、
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、
半導体素子の実装に用いられる回路基板の製造方法であって、
前記接合層の配置は、
前記多層基板と前記半導体素子とを絶縁するための、無機系材料からなる絶縁接合部を、前記第1の面上に配置し、
前記絶縁接合部の、前記ビアに対応する部位に、開口部を形成し、
前記絶縁接合部より薄い導電接合部を、前記開口部内に配置する工程を含み、
前記絶縁接合部と、前記導電接合部を、前記導電接合部の厚みを表すd1、前記絶縁接合部の厚みを表すd2、および、前記半導体素子に形成されている突状部の高さを表すd3が、d3>d2−d1 を満たす、
回路基板の製造方法。
Fabricate a multilayer board with vias and wiring patterns,
A bonding layer for bonding a semiconductor element to the multilayer substrate is disposed on the first surface of the multilayer substrate;
Bonding the multilayer substrate and the bonding layer by the adhesive force of the organic component contained in the bonding layer,
A method of manufacturing a circuit board used for mounting a semiconductor element,
The arrangement of the bonding layer is as follows:
An insulating junction made of an inorganic material for insulating the multilayer substrate and the semiconductor element is disposed on the first surface,
Forming an opening in a portion of the insulating joint corresponding to the via;
Arranging a conductive joint thinner than the insulating joint in the opening;
The insulating bonding portion and the conductive bonding portion are expressed as d1 indicating the thickness of the conductive bonding portion, d2 indicating the thickness of the insulating bonding portion, and the height of the protruding portion formed in the semiconductor element. d3 satisfies d3> d2-d1.
A method of manufacturing a circuit board.
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