JP2016058416A - 半導体パワーモジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合層における貫通導体部の傾きを防止し、接続信頼性に優れた半導体パワーモジュールの製造方法を提供すること。
【解決手段】準備工程では、キャビティ５０が貫通形成された第１ガラスシート６１と、貫通孔４８が形成され第１ガラスシート６１の両面に配置される複数の第２ガラスシート６２とを準備する。充填工程では、貫通孔４８内に導電ペースト６５を充填する。積層工程では、キャビティ５０にパワー半導体素子１２を収容するとともに配線基板１１の第１面１１ａ上に第１ガラスシート６１及び複数の第２ガラスシート６２を積層する。焼成工程では、第１ガラスシート６１及び第２ガラスシート６２を厚み方向に加圧した状態で焼成し接合層を形成する。厚み方向での焼結収縮率が導電ペースト６５の厚み方向での焼結収縮率に対して±５％以内となる第２ガラスシート６２を用いて積層工程を行う。
【選択図】図７

Description

本発明は、パワー半導体素子と、配線基板と、接合層と、放熱基板とを備える半導体パワーモジュールの製造方法に関するものである。

ビア導体や配線が形成された配線基板とパワー半導体素子とをガラス材料からなる接合層を介して接合してなる半導体パワーモジュールが従来提案されている（例えば特許文献１等参照）。

特許文献１に開示されている半導体パワーモジュールでは、パワー半導体素子を封止する接合層の上面に配線基板が接合され、接合層の下面に放熱基板が接合されており、パワー半導体素子で発生する熱は主に放熱基板によって外部に放熱される。この半導体パワーモジュールでは、パワー半導体素子を収容するキャビティを有するガラスシートと、キャビティ内に収容されるパワー半導体素子の電極が形成された表面側を覆うように配置されるガラスシートとを用い、それらガラスシートを焼成することで接合層が形成されている。そして、パワー半導体素子のゲート電極を有する一方の表面の電極は、接合層に形成されたビア導体を介して配線基板に接続され、パワー半導体素子の他方の表面の電極は、金属製のバンプを介して放熱基板に接続されている。

また、キャビティを有するガラスシートとキャビティを塞ぐようにそのガラスシートの両面に配置される複数のガラスシートとを積層して接合層を形成するようにした半導体パワーモジュールが開発されている。具体的には、キャビティの開口を塞ぐよう配置される複数のガラスシートにおいて、パワー半導体素子の各電極に対応する位置に貫通孔が設けられ、それら貫通孔内に導電ペーストが充填される。そして、キャビティ内にパワー半導体素子を収納して複数のガラスシートを積層し、その積層方向に加圧した状態で各ガラスシートを焼成する。この結果、各ガラスシートの焼結と同時に導電ペーストが焼結し、ガラス材料を主成分とする絶縁接合部と、パワー半導体素子等に接続されるビア導体（貫通導体部）とを有する接合層が形成される。またこのとき、配線基板、パワー半導体素子及び放熱基板が接合層を介して接合されて半導体パワーモジュールが製造される。

このように、キャビティを有するガラスシートの両面に複数のガラスシートを配置して接合層を形成する場合、パワー半導体素子の一方の表面の電極及び他方の表面の電極は、接合層に形成されたビア導体を介して配線基板及び放熱基板に接続される。この場合、半導体パワーモジュールにおいて、配線基板とパワー半導体素子との接続構造及び放熱基板とパワー半導体素子との接続構造が同じビア導体による接続構造となるため、それらの接続信頼性を高めることが可能となる。

特開２０１３−１９７２５８号公報

ところで、半導体パワーモジュールにおいて、接合層をなす絶縁接合部におけるパワー半導体素子の表裏面側での絶縁性を確保するためには、各ガラスシートの焼結収縮を促し、十分に緻密化した絶縁接合部を形成する必要がある。このため、各ガラスシートの積層方向に比較的に大きな力を加えながら焼成を行うことで接合層を形成している。

ところが、焼結収縮による接合層の緻密化を図る上で、ガラスシートの焼結収縮率と導電ペーストの焼結収縮率との差が大きくなりすぎると、配線基板や放熱基板と接合層との接合面で隙間が生じてしまうことがある。具体的には、ガラスシートの焼結収縮が導電ペーストの焼結収縮よりも大きい場合、焼結後の接合層において、絶縁接合部の厚みがビア導体（貫通導体部）の厚みよりも薄くなってしまう。この場合、配線基板や放熱基板の表面と絶縁接合部との間に隙間が生じたり、ガラスシートの収縮に伴いビア導体に偏った荷重がかかることでビア導体に傾きが生じたりする。この結果、電気経路の位置精度が低下し、半導体パワーモジュールにおける接続信頼性が低下するといった問題が生じてしまう。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、接合層における貫通導体部の傾きを防止し、接続信頼性に優れた半導体パワーモジュールの製造方法を提供することにある。

そして上記課題を解決するための手段（手段１）としては、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子に電気的に接続される配線基板側導体層が形成された第１面を有する配線基板と、前記配線基板の前記第１面上に配置されるとともに前記パワー半導体素子と前記配線基板とを接合する接合層と、前記接合層を介して前記配線基板の前記第１面の上方に接合される基板であって、前記パワー半導体素子に電気的に接続される放熱基板側導体層が形成された放熱基板とを備え、前記接合層が、ガラス材料を主成分として形成される絶縁接合部と、前記絶縁接合部のうち前記パワー半導体素子と前記配線基板側導体層との間に形成される部位と前記パワー半導体素子と前記放熱基板側導体層との間に形成される部位とをそれぞれ貫通する複数の貫通孔内に形成された複数の貫通導体部と、を有する半導体パワーモジュールの製造方法であって、前記パワー半導体素子を収容するキャビティが形成された第１ガラスシートと、前記配線基板側導体層と前記パワー半導体素子とで挟まれる部位及び前記放熱基板側導体層と前記パワー半導体素子とで挟まれる部位に貫通孔がそれぞれ形成されるとともに、前記キャビティの開口を塞ぐように前記第１ガラスシートの表裏の両面に配置される複数の第２ガラスシートとを準備する準備工程と、複数の前記第２ガラスシートの前記貫通孔内に前記貫通導体部となる導電ペーストを充填する充填工程と、前記キャビティに前記パワー半導体素子を収容するとともに、前記配線基板の前記第１面上に前記第１ガラスシート及び複数の前記第２ガラスシートを積層する積層工程と、前記充填工程及び前記積層工程の後に、前記絶縁接合部となる前記第１ガラスシート及び複数の前記第２ガラスシートを厚み方向に加圧した状態で焼成し前記接合層を形成する焼成工程とを含み、前記焼成工程における前記第２ガラスシートの厚み方向での焼結収縮率が、前記導電ペーストの前記厚み方向での焼結収縮率に対して±５％以内となる前記第２ガラスシートを用いて、前記積層工程を行うことを特徴する半導体パワーモジュールの製造方法がある。

手段１に記載の発明によると、第２ガラスシートの厚み方向での焼結収縮率が、導電ペーストの厚み方向での焼結収縮率に対して±５％以内となる第２ガラスシートを用いて積層工程が行われる。このようにすると、接合層において、絶縁接合部のうち第２ガラスシートが焼結してなる部位（配線基板側導体層とパワー半導体素子とで挟まれる部位及び放熱基板側導体層とパワー半導体素子とで挟まれる部位）の厚みは、導電ペーストが焼結してなる貫通導体部の厚みとほぼ等しくなる。このため、配線基板や放熱基板と接続する貫通導体部の周囲にてそれら基板の表面と絶縁接合部との間に隙間が生じにくくなり、接合層が密着した状態で配線基板や放熱基板を接合することができる。この結果、従来技術のように貫通導体部が傾くことによる接続不良を回避することができ、半導体パワーモジュールの接続信頼性を高めることができる。

第２ガラスシートは、第２ガラスシート中に無機フィラーを３９．０体積％以上５０．０体積％未満の割合で含むことが好ましい。第２ガラスシート中に無機フィラーを３９．０体積％以上の割合で含ませることで、第２ガラスシートの焼結収縮率と導電ペーストの焼結収縮率との差を５％以下にすることができる。また、第２ガラスシートに無機フィラーを５０．０体積％以上の割合で含ませる場合、焼結収縮率の差は小さくなるが、配線基板や放熱基板の表面と接合層との密着性が低下してしまう。従って、無機フィラーを３９．０体積％以上５０．０体積％未満の割合で含ませて第２ガラスシートを形成すると、配線基板や放熱基板に対して接合層の密着性を確保しつつ、貫通導体部と絶縁接合部との厚みを同程度とすることができる。この結果、半導体パワーモジュールの接続信頼性を確実に高めることができる。

本発明では、無機フィラーの体積含有率を変える以外に、ガラス材料の組成を変更することで、第２ガラスシートの焼結収縮率と導電ペーストの焼結収縮率との差が５％以下になるように第２ガラスシートを形成してもよい。

無機フィラーは、焼成工程での加熱温度において状態変化を起こさないフィラーである。具体的には、無機フィラーは無機酸化物または無機窒化物からなり、例えばアルミナ、シリカ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などのフィラーを挙げることができる。ここで、窒化アルミニウムや窒化ケイ素のフィラーを用いる場合、接合層における熱膨張係数と配線基板の熱膨張係数との差を小さくすることが可能となるため、熱膨張差に起因して配線基板の表面と接合層との接合面に加わる熱応力を低く抑えることができる。

焼成工程における加圧条件として、配線基板、第１ガラスシート、複数の第２ガラスシート及び放熱基板を重ね合わせて積層してなる積層体に対して１３０ｇ／ｃｍ^２以上の圧力を加えるようにしてもよい。このような高い圧力を加えると、ガラスシートの焼結収縮量が大きくなるため、配線基板や放熱基板の表面と絶縁接合部との間に隙間が生じやすくなる。これに対して、本発明のように、ガラスシートの焼結収縮率と導電ペースの焼結収縮率との差を５％以下にすることで、基板表面と接合層との間に隙間が生じにくくなり、接合層が密着した状態で配線基板や放熱基板を接合することができる。

第２ガラスシートの焼結収縮率が７０％以上８０％以下であってもよい。また、第２ガラスシートの厚みは、３００μｍ以上であってもよい。このような厚みの第２ガラスシートを用いて接合層を形成すると、導電ペーストとの焼結収縮率の差によって基板表面と接合層との間に隙間が生じることがある。これに対して、本発明のように、導電ペーストとの焼結収縮率差が５％以下となる第２ガラスシートを用いることにより、配線基板や放熱基板の表面と接合層との間に隙間が生じにくくなり、接合層が密着した状態で配線基板や放熱基板を接合することができる。

第１ガラスシート及び第２ガラスシートを形成するガラス材料として、３００℃〜８００℃の温度範囲においてガラス転移温度を有して流動性を示す材料が用いられる。具体的には、第１ガラスシート及び第２ガラスシートの形成材料として、例えばＺｎＯ、Ｂ_２Ｏ_３及びＮａ_２Ｏを主成分とするガラス材料を含んでいてもよい。また、各ガラスシートの形成材料としては、ＺｎＯ、Ｂ_２Ｏ_３及びＳｉＯ_２を主成分とするガラス材料、Ｎａ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３及びＳｉＯ_２を主成分とするガラス材料、Ｂｉ_２Ｏ_３及びＢ_２Ｏ_３を主成分とするガラス材料等を含んでいてもよい。

本実施の形態における半導体パワーモジュールの概略構成を示す断面図。 第１ガラスシート及び第２ガラスシートの準備工程を示す説明図。 導電ペーストの充填工程を示す説明図。 積層工程において配線基板の第１面に第２ガラスシートを接着した状態を示す説明図。 積層工程において第２ガラスシートの表面に第１ガラスシートを接着した状態を示す説明図。 積層工程においてキャビティ内にパワー半導体素子を収容した状態を示す説明図。 積層工程において第１ガラスシートの表面に第２ガラスシートを接着した状態を示す説明図。 積層体の焼成工程を示す説明図。 本実施の形態の半導体パワーモジュールにおいて、マイクロスコープを用いて撮影した接合層の断面を示す拡大断面図。 比較例の半導体パワーモジュールにおいて、マイクロスコープを用いて撮影した接合層の断面を示す拡大断面図。

以下、本発明を半導体パワーモジュールに具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施の形態の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１に示されるように、半導体パワーモジュール１０は、配線基板１１と、複数のパワー半導体素子１２と、接合層１３と、放熱基板１４とを備える。本実施の形態の半導体パワーモジュール１０は、例えば自動車等における電力制御等に用いられる。半導体パワーモジュール１０において、パワー半導体素子１２は、接合層１３の平面方向における横方向及び縦方向に所定の間隔をあけて２つずつ配設されている。つまり、本実施の形態の半導体パワーモジュール１０は、４つのパワー半導体素子１２を備えている。

パワー半導体素子１２は、例えばＳｉＣ（シリコンカーバイド）のパワー半導体素子である。パワー半導体素子１２は、矩形板状に形成されており、縦横の寸法が４ｍｍ×４ｍｍ、厚みが５００μｍである。パワー半導体素子１２において、一方の表面１２ａ（図１の上面）にゲート電極２１及びソース電極２２が設けられ、他方の表面１２ｂ（図１の下面）にドレイン電極２３が設けられている。なお、パワー半導体素子１２のドレイン電極２３は、表面全体に形成されたベタ電極となっている。

配線基板１１は、第１面１１ａ（図１では下面）及び第２面１１ｂ（図１では上面）を有する。配線基板１１は、複数のセラミック絶縁層からなる多層基板であり、内層に複数の配線３２とそれら複数の配線３２間を接続するビア導体３３とを備えている。配線基板１１において、第１面１１ａには、パワー半導体素子１２と接続するための複数の接続パッド３５（配線基板側導体層）が形成され、第２面１１ｂには、ＩＣチップ３６やチップコンデンサ（図示略）などのチップ部品を搭載するための複数の接続パッド３７が形成されている。なお、配線基板１１の第１面１１ａ及び第２面１１ｂには、各接続パッド３５，３７以外の配線が形成されていてもよい。

放熱基板１４は、放熱性に優れた熱伝導性のよいセラミック材料を用いて形成された基板であり、一方の表面１４ａ（図１では上面）には、パワー半導体素子１２に電気的に接続される接続パッド４２や配線４３などの導体層４４（放熱基板側導体層）が形成されている。半導体パワーモジュール１０において、放熱基板１４は、接合層１３を介して配線基板１１の第１面１１ａの上方に接合されている。

接合層１３は、ガラス材料を主成分として形成された絶縁接合部４６と、パワー半導体素子１２に電気的に接続される複数のビア導体（貫通導体部）４７とを有している。ここで、絶縁接合部４６の主成分とは、絶縁接合部４６中に５０体積％以上含有される材料のことを言う。本実施の形態の絶縁接合部４６を形成するガラス材料として、例えばＺｎＯ、Ｂ_２Ｏ_３及びＮａ_２Ｏを主成分とするガラス材料が用いられる。絶縁接合部４６は、ガラス材料に加えて無機フィラーを含む。無機フィラーとしては、接合層１３の焼成温度（例えば６５０℃）において状態変化を起こさないフィラーが用いられる。具体的には、例えばアルミナからなる粒径が２〜３μｍ程度のフィラーが用いられる。

ビア導体４７は、絶縁接合部４６のうちパワー半導体素子１２と配線基板１１の接続パッド３５との間に形成される部位とパワー半導体素子１２と放熱基板１４の接続パッド４２との間に形成される部位とをそれぞれ貫通する複数の貫通孔４８内に形成されている。ビア導体４７は、導電性の金属を主体として形成されている。導電性の金属としては、例えば、銀、銅、錫、アルミニウムなどが用いられる。本実施の形態におけるビア導体４７は、金属粒子を含む導電ペーストを焼成することで形成されている。なお、ビア導体４７の直径は、例えば２００μｍ程度であり、ビア導体４７の高さは、例えば３００μｍ程度である。

本実施の形態の接合層１３は、３枚のガラスシートを積層してそれらを焼結することで形成されている。つまり、絶縁接合部４６は、パワー半導体素子１２の収容スペースであるキャビティ５０が設けられた第１絶縁部５１と、その第１絶縁部５１の上下にそれぞれ設けられる第２絶縁部５２とを備える。接合層１３の絶縁接合部４６において、パワー半導体素子１２の上下に配設される第２絶縁部５２にビア導体４７が形成されている。

接合層１３の絶縁接合部４６において、第１絶縁部５１の厚さは、パワー半導体素子１２の厚さとほぼ等しく５００μｍ程度である。また、パワー半導体素子１２の上部における第２絶縁部５２の厚み、及びパワー半導体素子１２の下部における第２絶縁部５２の厚みは、ビア導体４７の高さと等しく、３００μｍ程度である。従って、本実施の形態における接合層１３の厚みは、１１００μｍ程度となっている。また、接合層１３の縦横のサイズは、配線基板１１及び放熱基板１４の縦横のサイズと等しく、例えば２０ｍｍ×２０ｍｍである。

半導体パワーモジュール１０において、パワー半導体素子１２の上面１２ａにあるゲート電極２１及びソース電極２２は、接合層１３においてパワー半導体素子１２の上側に設けられたビア導体４７を介して配線基板１１に接続されている。また、パワー半導体素子１２の下面１２ｂにあるドレイン電極２３は、接合層１３においてパワー半導体素子１２の下側に設けられたビア導体４７を介して放熱基板１４に接続されている。

次に、半導体パワーモジュール１０の製造方法について詳述する。

先ず、配線基板１１及び放熱基板１４を作製し各基板１１，１４を準備する。なお、配線基板１１及び放熱基板１４を作製する製造方法は、従来周知の方法であるためここではその説明を省略する。

また、パワー半導体素子１２を収容するキャビティ５０が形成された第１ガラスシート６１と、キャビティ５０を塞ぐように第１ガラスシート６１の表裏の両面に配置される複数の第２ガラスシート６２とを準備する準備工程を行う。具体的には、ＺｎＯ、Ｂ_２Ｏ_３及びＮａ_２Ｏを主成分とする粉末ガラス（ガラス材料）と、アルミナ等からなる粒径が２〜３μｍ程度の無機フィラーと、熱分解性の有機結着材と、有機溶媒や水などの溶媒とを混練してスラリーを形成する。そして、そのスラリーをドクターブレード法によって薄いシート状に成形する。さらに、得られた複数枚のガラスシートを積層圧着して乾燥することにより、例えば７００μｍ程度の厚さを有する第１ガラスシート６１を作製する。これと同様に、複数枚のガラスシートを積層圧着して乾燥することにより、例えば４２０μｍ程度の厚さを有する第２ガラスシート６２を作製する。なお、各ガラスシートの成形方法としては、ドクターブレード法以外に、押し出し成形等の手法を用いてもよい。

本実施の形態では、後述する焼成工程においてガラスシートの厚み方向の焼結収縮率が、導体ペーストの厚み方向での焼結収縮率に対して±５％以内となる第１ガラスシートが作製されている。具体的には、ガラスシート中に無機フィラーを３９．０体積％以上５０．０体積％未満（本実施の形態では４３．０体積％）の割合で含むようにして第１ガラスシートが作製されている。なお、本実施の形態では、同じスラリーを用いて第１ガラスシート及び第２ガラスシートを作製しているため、第２ガラスシートも第１ガラスシートと同じ割合で無機フィラーを含んでいる。

その後、第１ガラスシート６１の所定の位置（パワー半導体素子１２の収容位置）に対して、レーザもしくはマイコンパンチなどによる機械加工を施し、シート上面６１ａ及びシート下面６１ｂに開口するキャビティ５０を貫通形成する（図２参照）。キャビティ５０のサイズは、パワー半導体素子１２の外形サイズよりも若干（例えば数百μｍ）大きくなるように形成する。

また、第２ガラスシート６２の所定の位置に対して、レーザもしくはマイコンパンチなどによる機械加工を施し、複数の貫通孔４８を形成する（図２参照）。ここでは、配線基板１１側の接続パッド３５とパワー半導体素子１２とで挟まれる部位及び放熱基板１４側の接続パッド４２とパワー半導体素子１２とで挟まれる部位に貫通孔４８がそれぞれ形成される。そして、図３に示されるように、第２ガラスシート６２の各貫通孔４８内に、スクリーン印刷によりビア導体４７となる導電ペースト６５を充填する（充填工程）。なおここでは、導電ペースト６５として、ガラスシート６１，６２のガラス軟化点よりも低温で焼結するメタルペースト、例えば銀ペーストが用いられる。また、導電ペースト６５の充填には、スクリーン印刷以外に、ディスペンサによる吐出などの方法を用いてもよい。

次に、第１ガラスシート６１のキャビティ５０にパワー半導体素子１２を収容するとともに、配線基板１１の第１面１１ａ上に１枚の第１ガラスシート６１及び２枚の第２ガラスシート６２を積層する積層工程を行う。具体的には、先ず、配線基板１１の第１面１１ａに圧着溶剤を塗布する。その後、配線基板１１の第１面１１ａの接続パッド３５の位置と、導電ペースト６５を充填した各貫通孔４８の位置とを位置合わせして配線基板１１の第１面１１ａに第２ガラスシート６２を接着する（図４参照）。さらに、第２ガラスシート６２の表面６２ａに圧着溶剤を塗布した後、各貫通孔４８の位置とキャビティ５０の位置とを位置合わせして第２ガラスシート６２の表面６２ａに第１ガラスシート６１を接着する（図５参照）。次に、パワー半導体素子１２のゲート電極２１及びソース電極２２側の表面１２ａを下方に向けた状態で第１ガラスシート６１のキャビティ５０内にパワー半導体素子１２を収容するとともに、パワー半導体素子１２を第２ガラスシート６２の表面６２ａに仮固定する（図６参照）。

この後、第１ガラスシート６１の表面６１ａに圧着溶剤を塗布した後、パワー半導体素子１２の位置と各貫通孔４８の位置とを位置合わせして第１ガラスシート６１の表面６１ａに第２ガラスシート６２を接着する（図７参照）。さらに、第２ガラスシート６２の表面６２ａに圧着溶剤を塗布した後、各貫通孔４８の位置と放熱基板１４の接続パッド４２の位置とを位置合わせして第２ガラスシート６２の表面６２ａに放熱基板１４を接着する。以上の積層工程によって、図８に示されるように、配線基板１１と放熱基板１４との間に未焼成のガラスシート６１，６２を積層してなる積層体７０を得る。

次に、絶縁接合部４６となる各ガラスシート６１，６２を焼成して接合層１３を形成する焼成工程を行う。具体的には、図示しない焼成炉内の固定台の上に、放熱基板１４を下側にした状態で積層体７０を載置する。そして、積層体７０の上面７０ａ側（配線基板１１の第２面１１ｂ側）に５５０ｇの重石７１（図８参照）を載せ、積層体７０に対して１３８ｇ／ｃｍ^２の圧力を加えた状態で、各ガラスシート６１，６２を焼成する。本実施の形態では、低酸素雰囲気下、６５０℃、１時間の焼成条件で、各ガラスシート６１，６２を焼成し接合層１３を形成する。この結果、配線基板１１、パワー半導体素子１２、接合層１３及び放熱基板１４が一体化して、図１に示す半導体パワーモジュール１０が製造される。

上述した焼成条件で各ガラスシート６１，６２を焼成する場合、導電ペーストの厚さ方向での焼結収縮率は、７５．１％となる。また、各ガラスシート６１，６２の厚み方向での焼結収縮率は７２．０％となる。従って、焼結後の接合層１３において、７００μｍの厚さを有する第１ガラスシート６１が焼結してなる第１絶縁部５１の厚さは、パワー半導体素子１２とほぼ等しく５００μｍ程度となる。また、４２０μｍの厚さを有する第２ガラスシート６２が焼結してなる第２絶縁部５２の厚さは、３００μｍ程度となる。

上記の製造方法において、第２ガラスシート６２に含まれる無機フィラーの体積含有率を変更して半導体パワーモジュール１０の複数のサンプル（実施例１、実施例２、比較例１〜比較例３）を作製し、ビア導体４７の周囲における隙間の有無を確認した。その結果を表１に示している。

実施例１のサンプルでは、上記実施の形態のように、導電ペースト６５の焼結収縮率が７５．１％であり、無機フィラーの体積含有率を４３．０体積％（ｖｏｌ％）とした第２ガラスシート６２を用いて半導体パワーモジュール１０を作製している。比較例１のサンプルでは、導電ペースト６５の焼結収縮率が７５．１％であり、無機フィラーの体積含有率を３４．４体積％とした第２ガラスシート６２を用いて半導体パワーモジュール１０を作製している。比較例２のサンプルでは、導電ペースト６５の焼結収縮率が８８．１％であり、無機フィラーの体積含有率を２１．５体積％とした第２ガラスシート６２を用いて半導体パワーモジュール１０を作製している。実施例２のサンプルでは、導電ペースト６５の焼結収縮率が７５．１％であり、無機フィラーの体積含有率を３９．０体積％とした第２ガラスシート６２を用いて半導体パワーモジュール１０を作製している。比較例３のサンプルでは、導電ペースト６５の焼結収縮率が７５．１％であり、無機フィラーの体積含有率を５０．０体積％とした第２ガラスシート６２を用いて半導体パワーモジュール１０を作製している。

なお、比較例２のサンプルでは、加圧条件を１２．５ｇ／ｃｍ^２に変更して焼成工程を行い、他の比較例１，３及び実施例１，２のサンプルでは、上記実施の形態と同様に加圧条件を１３８ｇ／ｃｍ^２に設定して焼成工程を行っている。このようにすると、第２ガラスシート６２の焼結収縮率は、実施例１のサンプルでは７２．０％、比較例１のサンプルでは６７．９％、比較例２のサンプルでは７１．９％、実施例２のサンプルでは７０．１％、比較例３のサンプルでは７５．３％となる。

実施例１及び実施例２のサンプルでは、導電ペースト６５の焼結収縮率と第２ガラスシート６２の焼結収縮率との差が５．０％以下となっている。この場合、焼結後の接合層１３において、第２ガラスシート６２が焼結してなる第２絶縁部５２と導電ペースト６５が焼結してなるビア導体４７とが同程度の厚みとなる。このため、図９に示されるように、配線基板１１や放熱基板１４と接続するビア導体４７の周囲にてそれら基板１１，１４の表面１１ａ，１４ａと絶縁接合部４６（第２絶縁部５２）との間に隙間が生じにくくなり、接合層１３が密着した状態で配線基板１１や放熱基板１４が接合される。なお、図９において、パワー半導体素子１２の下側の第２絶縁部５２にはビア導体４７が存在していないが、実際には断面の奥行き側にビア導体４７が形成されている。そして、そのビア導体４７の周囲でも隙間がなく放熱基板１４の表面１４ａと第２絶縁部５２とが密着している。

一方、比較例１及び比較例２のサンプルでは、導電ペースト６５の焼結収縮率と第２ガラスシート６２の焼結収縮率との差が５．０％よりも大きくなっている。この場合、焼結後の接合層１３において、絶縁接合部４６の第２絶縁部５２の厚みがビア導体４７の厚みよりも薄くなる。このため、図１０に示されるように、配線基板１１や放熱基板１４の表面１１ａ，１４ａと絶縁接合部４６（第２絶縁部５２）との間に隙間７６が生じる。さらに、ガラスシートの収縮に伴いビア導体４７に偏った荷重がかかることでビア導体４７が傾いてしまう。なお、図１０において、パワー半導体素子１２の下側の第２絶縁部５２にはビア導体４７が存在していないが、実際には断面の奥行き側にビア導体４７が形成されている。そして、そのビア導体４７の周囲では隙間７６が生じている。但し、下側の第２絶縁部５２には上側の第２絶縁部５２よりも荷重がかかるため、第２絶縁部５２の厚みとビア導体４７の厚みとの差が小さくなる。従って、下側の第２絶縁部５２にあるビア導体４７の傾斜は上側の第２絶縁部５２にあるビア導体４７の傾斜よりも小さくなり、その周囲に形成される隙間７６も小さくなっていた。

さらに、比較例３のサンプルのように、無機フィラーを５０．０体積％の割合で含ませた第２ガラスシート６２を用いる場合、焼結収縮率の差は０．２％と小さくなるが、基板表面１１ａ，１４ａと絶縁接合部４６（第２絶縁部５２）との密着性が低下する。この結果、比較例３のサンプルでは、配線基板１１や放熱基板１４と接合層１３との界面での剥離が確認された。

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施の形態では、焼成工程における第２ガラスシート６２の厚み方向での焼結収縮率が、導電ペースト６５の厚み方向での焼結収縮率に対して±５％以内となる第２ガラスシート６２を用いて、積層工程が行われる。このようにすると、接合層１３において、第２ガラスシート６２が焼結してなる第２絶縁部５２（接続パッド３５とパワー半導体素子２１とで挟まれる部位及び接続パッド４２とパワー半導体素子２１とで挟まれる部位）の厚みは、導電ペースト６５が焼結してなるビア導体４７の厚みとほぼ等しくなる。このため、配線基板１１や放熱基板１４と接続するビア導体４７の周囲にてそれら基板１１，１４の表面１１ａ，１４ａと第２絶縁部５２との間に隙間７６が生じにくくなり、接合層１３が密着した状態で配線基板１１や放熱基板１４を接合することができる。この結果、従来技術のようにビア導体４７が傾くことによる接続不良を回避することができ、半導体パワーモジュール１０の接続信頼性を高めることができる。

（２）本実施の形態において、第２ガラスシート６２は、第２ガラスシート６２中に無機フィラーを３９．０体積％以上５０．０体積％未満の割合で含んでいる。このように、無機フィラーを３９．０体積％以上の割合で含ませることで、第２ガラスシート６２の焼結収縮率と導電ペースト６５の焼結収縮率との差を５％以下にすることができる。また、第２ガラスシート６２において無機フィラーを５０．０体積％以上の割合で含ませる場合、焼結収縮率の差は小さくなるが、基板表面１１ａ，１４ａと接合層１３との密着性が低下してしまう。従って、ガラスシート中に無機フィラーを３９．０体積％以上５０．０体積％未満の割合で含ませて第２ガラスシート６２を形成すると、配線基板１１や放熱基板１４に対して接合層１３の密着性を確保しつつ、ビア導体４７と第２絶縁部５２との厚みを同程度とすることができる。この結果、半導体パワーモジュール１０の接続信頼性を確実に高めることができる。

なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施の形態では、第１ガラスシート６１と第２ガラスシート６２とで無機フィラーの体積含有率を等しくしていたが、これに限定されるものではない。具体的には、導電ペースト６５との焼結収縮率の差が±５％以下となる第２ガラスシート６２を用いるものであればよく、第１ガラスシート６１の無機フィラーの体積含有率を第２ガラスシート６２の体積含有率よりも少なくして接合層１３の絶縁接合部４６（第１絶縁部５１及び第２絶縁部５２）を形成してもよい。このように、第１ガラスシート６１の無機フィラーの体積含有率を少なくすると、焼成時における第１ガラスシート６１の流動性が高まる。このため、パワー半導体素子１２の側面と第１絶縁部５１との間の隙間を確実に埋めることができ、パワー半導体素子１２と第１絶縁部５１とが密着した状態で接合層１３を形成することができる。

・上記実施の形態では、焼結収縮率を考慮して第１ガラスシート６１をパワー半導体素子１２よりも厚く形成し、焼結収縮後における第１絶縁部５１をパワー半導体素子１２とほぼ等しい厚さとなるように接合層１３を形成していたが、これに限定されるものではない。接合層１３において、第１絶縁部５１の厚みをパワー半導体素子１２よりも若干厚く形成してもよいし、第１絶縁部５１の厚みをパワー半導体素子１２よりも若干薄く形成してもよい。具体的には、半導体パワーモジュール１０において、パワー半導体素子１２の厚みに対する第１絶縁部５１の厚みの比率が０．８倍以上１．２倍以下となるように接合層１３を形成してもよい。ここで、パワー半導体素子１２に対して第１絶縁部５１の厚みが薄すぎたり厚すぎたりすると、焼成時に第２絶縁部５２に加わる圧力は、厚み方向にパワー半導体素子１２が存在する部分とパワー半導体素子１２が存在しない部分とで偏って作用することとなる。この結果、第２絶縁部５２において、厚み方向にパワー半導体素子１２が存在する部分とパワー半導体素子１２が存在しない部分とで緻密度が不均一となり、接合層１３の強度の低下を招いてしまう。そして、接合層１３（第２絶縁部５２）において、その強度の低下に伴いパワー半導体素子１２の角部からクラックが発生し易くなる。これに対して、パワー半導体素子１２の厚みに対する第１絶縁部５１の厚みの比率が０．８倍以上１．２倍以下となるように接合層１３を形成すると、第２絶縁部５２に作用する圧力の偏りが抑制されるため、第２絶縁部５２の緻密度が均一になる。この結果、接合層１３において、熱応力が集中するパワー半導体素子１２の角部からクラックが発生することを回避できる。

・上記実施の形態の積層工程では、配線基板１１の表面１１ａ上に各ガラスシート６１，６２を１枚ずつ接着して積層体７０を形成していたが、これとは逆に、放熱基板１４の表面１４ａ上に各ガラスシート６１，６２を１枚ずつ接着して積層体７０を形成してもよい。また、配線基板１１の表面１１ａや放熱基板１４の表面１４ａに各ガラスシート６１，６２を接着する前に、第１ガラスシート６１のキャビティ５０にパワー半導体素子１２を収容しつつ３枚のガラスシート６１，６２を位置合わせして仮接着し、シート積層体を形成する。その後、配線基板１１の第１面１１ａ上にシート積層体を配置し、さらにその上に放熱基板１４を配置して積層体７０を形成してもよい。

・上記実施の形態の半導体パワーモジュール１０は、４つのパワー半導体素子１２を備えるものであったが、１つのパワー半導体素子１２を備えるものでもよい。勿論、２つや３つのパワー半導体素子１２を備えた半導体パワーモジュールを構成してもよいし、５つ以上の複数のパワー半導体素子１２を備えた半導体パワーモジュールを構成してもよい。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）手段１において、前記無機フィラーは、前記焼成工程での加熱温度において状態変化を起こさないフィラーであることを特徴する半導体パワーモジュールの製造方法。

（２）手段１において、前記焼成工程における加圧条件として、前記配線基板、前記第１ガラスシート、複数の前記第２ガラスシート及び前記放熱基板を重ね合わせて積層してなる積層体に対して１３０ｇ／ｃｍ^２以上の圧力を加えることを特徴する半導体パワーモジュールの製造方法。

（３）手段１において、前記第２ガラスシートの焼結収縮率が７０％以上８０％以下であることを特徴する半導体パワーモジュールの製造方法。

（４）手段１において、前記第２ガラスシートの厚みは、３００μｍ以上であることを特徴する半導体パワーモジュールの製造方法。

（５）手段１において、前記第１ガラスシート及び前記第２ガラスシートの形成材料として、ＺｎＯ、Ｂ_２Ｏ_３及びＮａ_２Ｏを主成分とするガラス材料を含むことを特徴する半導体パワーモジュールの製造方法。

（６）手段１において、前記パワー半導体素子がＳｉＣのパワー半導体素子であることを特徴する半導体パワーモジュールの製造方法。

１０…半導体パワーモジュール
１１…配線基板
１１ａ…第１面
１２…パワー半導体素子
１３…接合層
１４…放熱基板
３５…配線基板側導体層としての接続パッド
４２…放熱基板側導体層としての接続パッド
４６…絶縁接合部
４７…貫通導体部としてのビア導体
４８…貫通孔
５０…キャビティ
６１…第１ガラスシート
６１ａ，６１ｂ…第１ガラスシートの両面
６２…第２ガラスシート
６５…導電ペースト

Claims (3)

1. パワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子に電気的に接続される配線基板側導体層が形成された第１面を有する配線基板と、
   前記配線基板の前記第１面上に配置されるとともに前記パワー半導体素子と前記配線基板とを接合する接合層と、
   前記接合層を介して前記配線基板の前記第１面の上方に接合される基板であって、前記パワー半導体素子に電気的に接続される放熱基板側導体層が形成された放熱基板と
   を備え、
   前記接合層が、ガラス材料を主成分として形成される絶縁接合部と、前記絶縁接合部のうち前記パワー半導体素子と前記配線基板側導体層との間に形成される部位と前記パワー半導体素子と前記放熱基板側導体層との間に形成される部位とをそれぞれ貫通する複数の貫通孔内に形成された複数の貫通導体部と、を有する半導体パワーモジュールの製造方法であって、
   前記パワー半導体素子を収容するキャビティが形成された第１ガラスシートと、前記配線基板側導体層と前記パワー半導体素子とで挟まれる部位及び前記放熱基板側導体層と前記パワー半導体素子とで挟まれる部位に貫通孔がそれぞれ形成されるとともに、前記キャビティの開口を塞ぐように前記第１ガラスシートの表裏の両面に配置される複数の第２ガラスシートとを準備する準備工程と、
   複数の前記第２ガラスシートの前記貫通孔内に前記貫通導体部となる導電ペーストを充填する充填工程と、
   前記キャビティに前記パワー半導体素子を収容するとともに、前記配線基板の前記第１面上に前記第１ガラスシート及び複数の前記第２ガラスシートを積層する積層工程と、
   前記充填工程及び前記積層工程の後に、前記絶縁接合部となる前記第１ガラスシート及び複数の前記第２ガラスシートを厚み方向に加圧した状態で焼成し前記接合層を形成する焼成工程と
   を含み、
   前記焼成工程における前記第２ガラスシートの厚み方向での焼結収縮率が、前記導電ペーストの前記厚み方向での焼結収縮率に対して±５％以内となる前記第２ガラスシートを用いて、前記積層工程を行う
   ことを特徴する半導体パワーモジュールの製造方法。
2. 前記第２ガラスシートは、当該第２ガラスシート中に無機フィラーを３９．０体積％以上５０．０体積％未満の割合で含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュールの製造方法。
3. 前記無機フィラーは、無機酸化物または無機窒化物からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体パワーモジュールの製造方法。