WO2013018357A1

WO2013018357A1 - 半導体パワーモジュール、半導体パワーモジュールの製造方法、回路基板

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Publication number: WO2013018357A1
Application number: PCT/JP2012/004865
Authority: WO
Inventors: 泰史高山
Original assignee: 日本特殊陶業株式会社
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2013-02-07

Abstract

　半導体素子から多層基板への熱拡散性能の向上、および、多層基板と半導体素子との接合強度の向上。【解決手段】半導体パワーモジュール１０は、セラミックス多層基板１００と、接合層１１０と、拡散層１２０と、半導体素子１３０を備える。接合層１１０は、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上に配置され、半導体素子１３０とセラミックス多層基板１００とを電気的に接続する導電接合部１１１と、半導体素子１３０とセラミックス多層基板１００とを絶縁する絶縁接合部１１２とを備える平面状の薄膜層である。こうすれば、半導体素子１３０とセラミックス多層基板１００との間における空隙の発生を抑制しつつ接合することができ、半導体素子１３０からセラミックス多層基板１００への熱拡散性能、および、セラミックス多層基板１００と半導体素子１３０との接合強度を向上できる。

Description

半導体パワーモジュール、半導体パワーモジュールの製造方法、回路基板

　本発明は、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、半導体パワーモジュールの製造方法、および、回路基板に関する。

　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。

　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）。

特開２００４－２５３５７９号公報特開２００６－０６６５８２号公報特開２０１０－２８７８６９号公報特開２００９－１７０９３０号公報

　フリップチップ実装により更に高密度実装化が進む半導体素子パワーモジュールにおいては、放熱面積の低下によりサイズ効果による放熱特性が劣化するため、半導体素子からセラミック多層基板への更なる熱拡散性能の向上が必要である。しかしながら、従来の半導体素子パワーモジュールでは、封止材充填工程における気泡の発生や、使用時の熱応力に起因する接合部分へのクラックの発生などによりセラミックス多層基板と半導体素子との間に空間が発生し、空気が入り込むなどの問題がある。そのため、従来の半導体素子パワーモジュールでは、半導体素子からセラミックス多層基板への熱拡散性能の低下による半導体素子の放熱性能の低下、セラミックス多層基板と半導体素子との間の接合強度の低下、および、信頼特性の劣化という課題があった。また、従来の半導体素子パワーモジュールでは、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ことが望まれている。

　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、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、半導体パワーモジュールが提供される。この半導体パワーモジュールは、ビアおよび配線パターンが形成された多層基板と、；前記多層基板の第１の面側に配置される半導体素子と、；前記多層基板の第１の面上に形成され、前記多層基板と半導体素子とを接合する接合層と、；を備え、前記接合層は、前記ビアに対応する第１の部位に配置されている平面状の導電接合部であって、前記半導体素子に形成されている導電性の突状部と、前記突状部と前記多層基板とを導通する導電接続部と、からなる導電接合部と、；前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とする平面状の絶縁接合部と、を有する。この形態の半導体パワーモジュールによれば、接合層が平面状に形成されているので、多層基板と半導体素子との接合時に、多層基板と半導体素子との間における空隙の発生を抑制できる。従って、半導体素子から多層基板への熱拡散性能、および、多層基板と半導体素子との接合強度を向上することができる。

（２）上記形態の半導体パワーモジュールにおいて、前記多層基板と前記接合層および前記半導体素子と前記接合層とは、拡散接合により接合され、；前記半導体パワーモジュールは、更に、前記多層基板と前記接合層および前記半導体素子と前記接合層との間に、前記拡散接合時に形成される拡散層を備えてもよい。この形態の半導体パワーモジュールによれば、多層基板と接合層、および、接合層と半導体素子との拡散接合時に、多層基板と接合層の接合面、および、接合層と半導体素子との接合面で発生する原子の拡散により拡散層が形成される。従って、多層基板と接合層、および、接合層と半導体素子との接合強度を向上できる。

（３）上記形態の半導体パワーモジュールにおいて、前記導電接合部を構成する材料の接合開始温度である第１の接合開始温度は、前記絶縁接合部を構成する材料の接合開始温度である第２の接合開始温度よりも低くてもよい。この形態の半導体モジュールによれば、絶縁接合部よりも先に導電接合部の接合が行われる。従って、導電接続部と半導体素子の突状部、および、導電接合部と配線基板とが接合された状態、すなわち、導電接続部と半導体素子の突状部の間、および、導電接合部と配線基板の間に空隙が存在しない状態で、絶縁接合部の軟化変形が開始され、絶縁接合部と半導体素子、および、絶縁接合部と配線基板との接合が行われる。よって、絶縁接合部を構成する材料が、導電接続部と電極パッドの間へ侵入すること、換言すれば、導電接合部に混入することによる、導電接合部の導電性能の低下を抑制できる。

（４）上記形態の半導体パワーモジュールにおいて、前記第１の接合開始温度は、前記導電接合部を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度である焼結開始温度以上であり、；前記第２の接合開始温度は、前記絶縁接合部を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度である焼結開始温度以上であってもよい。この形態の半導体モジュールによれば、第１の接合開始温度は、導電接合部を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上とされ、第２の接合開始温度は、絶縁接合部を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上とされている。従って、導電接合部、絶縁接合部の各々について、融点まで加熱することなく他部材との接合を行うことができる。また、第１の接合開始温度を、導電接合部を構成する材料の溶融開始温度とし、第２の接合開始温度は、絶縁接合部を構成する材料の溶融開始温度としてもよい。こうすれば、導電接合部および絶縁接合部を確実に溶融させることができ、導電接合部および絶縁接合部の各々と他の部材との接合強度を向上できる。

（５）本発明の一形態によれば、半導体パワーモジュールの製造方法が提供される。この半導体パワーモジュールの製造方法は、ビアおよび配線パターンを有する多層基板を作製する基板作製工程と、；前記ビアに対応する第１の部位に、前記配線パターンと半導体素子とを導通する平面状の導電接続部を有し、前記第１の部位とは異なる第２の部位に、平面状の絶縁接合部を有する接合部を、前記多層基板の第１の面上に配置する第１の配置工程と、；前記接合部上に、前記半導体素子を、前記半導体素子に形成されている導電性の突状部と前記導電接続部とが導通可能となるように配置する第２の配置工程と、；前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、加熱圧着し、前記多層基板と前記接合部、および、前記接合部と前記半導体素子を拡散接合する接合工程と、；を備える。この形態の半導体パワーモジュールの製造方法によれば、多層基板と半導体素子との間に、接合部と突状部により、多層基板と半導体素子とを接合するための平面状の接合層が形成される。従って、多層基板と半導体素子との間における空隙の発生を抑制できる。よって、半導体素子から多層基板への熱拡散性能、および、多層基板と半導体素子との接合強度を向上できる。

（６）上記形態の半導体パワーモジュールの製造方法において、前記導電接続部を構成する材料が前記半導体素子と接合を開始する温度を第１の接合開始温度とし、；前記絶縁接合部を構成する材料が前記多層基板および前記半導体素子と接合を開始する温度であって、前記第１の接合開始温度よりも高い温度を第２の接合開始温度とし、；前記接合工程は、前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第１の接合開始温度で加熱圧着することにより、前記導電接続部と前記半導体素子の前記突状部とを接合する工程と、；前記導電接続部と前記半導体素子の前記突状部との接合後に、前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第２の接合開始温度で加熱圧着することにより、前記多層基板と前記接合部、および、前記接合部と前記半導体素子とを接合する工程と、を含んでもよい。この形態の半導体モジュールの製造方法によれば、絶縁接合部よりも先に導電接合部の接合が行われる。従って、導電接続部と半導体素子の突状部、および、導電接続部と配線基板が接合された状態、すなわち、導電接続部と半導体素子の突状部の間、および、導電接続部と配線基板の間に空隙が存在しない状態で、絶縁接合部の軟化変形が開始され、絶縁接合部と半導体素子、および、絶縁接合部と配線基板との接合が行われる。よって、絶縁接合部を構成する材料が、導電接続部と突状部の間へ侵入すること、導電接続部に混入することによる、導電接続部の導電性能の低下を抑制できる。

（７）上記形態の半導体パワーモジュールの製造方法において、前記第１の接合開始温度は、前記導電接続部を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する焼結開始温度以上であり、前記第２の接合開始温度は、前記絶縁接合部を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する焼結開始温度以上であってもよい。この形態の半導体モジュールの製造方法によれば、第１の接合開始温度は、導電接続部を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上とされ、第２の接合開始温度は、絶縁接合部を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上とされている。従って、導電接続部、絶縁接合部の各々について、融点まで加熱することなく他部材との接合を行うことができる。また、第１の接合開始温度を、導電接続部を構成する材料の溶融開始温度とし、第２の接合開始温度は、絶縁接合部を構成する材料の溶融開始温度としてもよい。こうすれば、導電接続部および絶縁接合部を確実に溶融させることができ、導電接続部および絶縁接合部の各々と他の部材との接合強度を向上できる。

（８）上記形態の半導体モジュールの製造方法において、前記導電接続部を構成する材料が前記半導体素子と接合を開始する温度を第１の接合開始温度とし、前記絶縁接合部を構成する材料が前記多層基板および前記半導体素子と接合を開始する温度であって、前記第１の接合開始温度よりも高い温度を第２の接合開始温度とし、前記接合工程において、前記第１の接合開始温度が、所定時間、保持された後、前記第２の接合開始温度が所定時間保持されるように設定されている温度プロファイルに基づき、前記加熱を行ってもよい。この形態の半導体モジュールの製造方法によれば、段階的な温度変化を有する温度プロファイルに基づいて、接合部、配線基板および半導体素子の接合が行われる。従って、簡易な構成で、多段階の温度変化を行いつつ拡散接合を行うことができ、製造効率を向上できる。

（９）上記形態の半導体パワーモジュールの製造方法であって、前記第１の配置工程は、前記第１の部位に開口部を有する絶縁接合部を、前記第１の面上に配置する工程と、前記絶縁接合部より薄い前記導電接続部を、前記開口部内に配置する工程と、を含み、前記第２の配置工程は、前記半導体素子の前記突状部と前記導電接続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部上に配置する工程を含み、前記導電接続部の厚みを表す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　を満たしてもよい。上記形態の半導体パワーモジュールの製造方法によれば、導電接続部、および絶縁接合部は、導電接続部の厚みを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、突状部と導電接続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。

（１０）上記形態の半導体パワーモジュールの製造方法であって、前記絶縁接合部を配置する工程において、前記絶縁接合部を、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配置してもよい。この形態の半導体パワーモジュールの製造方法によれば、絶縁接合部は、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。

（１１）上記形態の半導体パワーモジュールの製造方法であって、前記絶縁接合部を配置する工程において、前記絶縁接合部がテーパー形状となるように、前記絶縁接合部を配置してもよい。この形態の半導体パワーモジュールの製造方法によれば、絶縁接合部は、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。

（１２）本発明の一形態によれば、回路基板が提供される。この回路基板は、ビアおよび配線パターンが形成された多層基板と、；前記多層基板の第１の面上に配置され、前記多層基板に半導体素子を接合するための接合層と、；を備え、前記接合層は、前記ビアに対応する第１の部位に配置され、前記配線パターンと前記半導体素子と導通し、少なくとも前記第１の面側が平面状に形成されている導電接続部と、；前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とし、少なくとも前記第１の面側が平面状に形成されている絶縁接合部と、；を有する。この形態の回路基板によれば、半導体素子と多層基板とが平面で接合されるので、多層基板と半導体素子との間における空隙の発生を抑制できる。従って、半導体素子から多層基板への熱拡散性能、および、多層基板と半導体素子との接合強度を向上することができる。

（１３）上記形態の回路基板において、前記導電接続部は、前記絶縁接合部よりも薄く形成されており、前記接合層は、前記絶縁接合部と前記導電接続部とにより形成される窪み部を有し、前記半導体素子に形成されている導電性の突状部が前記窪み部へ嵌りこむ前において、前記導電接続部の厚みを表す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　を満たしてもよい。この形態の回路基板によれば、窪み部への突状部の嵌りこみにおいて、導電接続部、絶縁接合部は、導電接続部の厚みを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、突状部と導電接続部との電気的接続を確実に担保できる。

（１４）上記形態の回路基板において、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てもよい。この形態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。

（１５）上記形態の回路基板において、前記絶縁接合部は、テーパー形状に形成されていてもよい。この形態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。

　上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。

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。第１実施例における回路基板２０について説明する説明図。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。ステップＳ１２における導電接続部１１１ａの配置工程を説明する説明図。ステップＳ１４における絶縁接合部１１２のスクリーン印刷について説明する説明図。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。第２実施例における半導体パワーモジュール３０を示す平面図。第２実施例における半導体パワーモジュール３０を示す断面図。第４実施例における半導体パワーモジュール４０を示す断面図。第５実施例における半導体パワーモジュール１０１０の概略構成を示す断面図。第５実施例における半導体パワーモジュール１０１０について説明する説明図。第５実施例における半導体パワーモジュール１０１０の製造方法を説明する工程図。ステップＳ１０２における絶縁接合部５１２の配置工程について説明する説明図。ステップＳ１０４における開口部５１５の形成工程について説明する説明図。ステップＳ１０６における導電接合部５１１の配置工程を説明する説明図。第５実施例における半導体パワーモジュール１０１０の接合工程を説明する説明図。第６実施例における半導体パワーモジュール１０３０の構成を説明する断面図。第６実施例における半導体パワーモジュール１０３０の構成を説明する断面図。変形例５における半導体パワーモジュール１０４０の概略構成を示す説明図。変形例５における接合層８１０の配置工程について説明する説明図。変形例６における半導体パワーモジュール１０５０を示す平面図。変形例６における半導体パワーモジュール１０５０を示す断面図。

Ａ．第１実施例：
Ａ１．半導体パワーモジュールの概略構成：
　図１は、第１実施例における半導体パワーモジュール１０の概略構成を示す断面図である。図２は、第１実施例における回路基板２０について説明する説明図である。半導体パワーモジュール１０は、回路基板２０と、半導体素子１３０とを備える。回路基板２０は、セラミックス多層基板１００と、接合層１１０と、拡散層１２０とを備える。

　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、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）などが用いられる。セラミックス多層基板１００は、半導体素子が実装される第１の面１０５と、該面と対向し、制御回路やコンデンサなどのその他の電子部品が搭載され得るもう一方の第２の面１０６間を電気的に接続するための内層ビアホール１０１と、配線パターン１０９と、第２の面１０６上に配置された外部接続用の電極端子１０４を備える。配線パターン１０９は、セラミックス多層基板１００の表面、内部の層の表面に形成されている。図１では、セラミックス多層基板１００の表面に形成された配線パターンは省略されている。また、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上、および第２の面１０６上には、半導体素子１３０やその他の電子部品を搭載するための電極ランド（図示省略）が形成されている。半導体素子１３０は、内層ビアホール１０１および配線パターン１０９を介して、第２の面１０６上に配置されている電極端子１０４と電気的に接続されている。

　接合層１１０は、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上に配置され、導電接合部１１１と、絶縁接合部１１２とを備える平面状の薄膜層である。

　導電接合部１１１は、導電接続部１１１ａと半導体素子１３０の電極パッド１３１とから構成され、半導体素子１３０とセラミックス多層基板１００とを電気的に接続する。導電接続部１１１ａは、導電性の金属を主成分として形成されており、図２に示すように、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上であって、内層ビアホール１０１に対応する第１の部位１０７（太実線で示す）上に配置されている。導電性の金属として、例えば、銅、銀、アルミニウム金属などを用いてもよい。導電接続部１１１ａは、後述する絶縁接合部１１２よりも薄く形成されており、絶縁接合部１１２と導電接続部１１１ａとにより窪みが形成される。該窪みに、電極パッド１３１が嵌りこむように配置されることによって、導電接合部１１１が形成される。第１実施例において、電極パッド１３１は、請求の範囲における「突状部」にあたる。以下に説明する第２実施例～第４実施例においても同様である。

　絶縁接合部１１２は、半導体素子１３０とセラミックス多層基板１００とを絶縁する。絶縁接合部１１２は、図２に示すように、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上であって、第１の部位１０７とは異なる第２の部位１０８（太破線で示す）に配置されている。絶縁性の無機系材料を主成分とし、半導体素子の実装時の加熱工程により軟化する粉末ガラスにより形成されている。粉末ガラスは、例えば、ＺｎＯ－Ｂ₂Ｏ₃－ＳｉＯ₂、など、酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化ホウ素、酸化ビスマスなどの混相として形成される。

　第１実施例において、第２の部位１０８とは、第１の部位１０７である導電接合部１１１が配置されている部位を除く部分を含む。接合層１１０が均一な平面となるように、導電接合部１１１と絶縁接合部１１２は、ほぼ同一の厚みを有している。また、接合層１１０の、半導体素子１３０側に対向する面も、均一な平面となるように形成されている。

なお、本実施例において、均一な平面とは、微少な湾曲や凹凸を含んでおり、接合層１１０が均一な平面を有しているとは、接合層１１０の、セラミック多層基板の第１の面１０５に対向する面が、第１の面１０５の形状に沿って形成され、導電接合部１１１と絶縁接合部１１２が連続して平坦に形成されていること、および、接合層１１０の、半導体素子１３０側に対向する面が、半導体素子１３０の、接合層１１０に対向する面の形状に沿って形成されていること、を含む。

　絶縁接合部１１２は、絶縁性能が低下しない程度に、フィラー１１５を含むことが望ましい。ここで、フィラー１１５は、銅やアルミニウム粉末などよりなる金属フィラーもしくは無機系フィラーを含む。無機系フィラーとしては酸化ホウ素やアルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムなどよりなるセラミックスなどの、高放熱特性フィラーであることが望ましい。フィラー１１５が含有されていることにより、絶縁接合部１１２の伝熱性能の向上や熱膨張率の調整を行う事が出来る。

　拡散層１２０は、セラミックス多層基板１００と接合層１１０との拡散接合により形成される層である。拡散層１２０は、導電拡散部１２１と絶縁拡散部１２２を備える。導電拡散部１２１は、セラミックス多層基板１００と接合層１１０の導電接続部１１１ａとの拡散接合により形成される。絶縁拡散部１２２は、セラミックス多層基板１００と、接合層１１０の絶縁接合部１１２との拡散接合により形成される。絶縁拡散部１２２には、絶縁接合部１１２と同様に、フィラー１１５が含有されてもよい。なお、図１では、説明の便宜上、導電拡散部１２１と絶縁拡散部１２２の境界は明確に記載されているが、導電拡散部１２１と絶縁拡散部１２２の境界は曖昧であってもよい。

　半導体素子１３０は、電極パッド１３１を備える。電極パッド１３１は、例えば、金（Ａｕ）を主成分として形成されている。半導体素子１３０は、電極パッド１３１が、接合層１１０の導電接続部１１１ａに接するように、接合層１１０上に配置されている。半導体素子１３０は、電極パッド１３１および導電接続部１１１ａ（すなわち、導電接合部１１１）を介してセラミックス多層基板１００と電気的に接続されている。

Ａ２．製造方法：
　半導体パワーモジュール１０の製造方法を、図３～図６を用いて説明する。図３は、第１実施例における半導体パワーモジュール１０の製造方法を説明する工程図である。

　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。第１実施例において、ステップＳ１０は、請求の範囲における「基板作製工程」にあたる。

　セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上であって、内層ビアホール１０１に対応する第１の部位に、導電接続部１１１ａを配置する（ステップＳ１２）。図３は、ステップＳ１２における導電接続部１１１ａの配置工程を説明する説明図である。図３に示すように、後述するステップＳ１８における加熱工程により溶融する金属種を主成分とする金属の突起を導電接続部１１１ａとして形成する。この金属の突起はバンプとも呼ばれる。バンプは、所望の位置にボール状に形成された金属を配置し、加熱処理により柱状形状とするボール搭載法により形成しても良いし、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５の第１の部位１０７に、予め対応する位置にバンプとなる金属を転写する方法や導電接続部１１１ａの材料として既述した金属種を主成分とするペーストを、スクリーン印刷により印刷する方法、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５の第１の部位１０７にフォトリソパターンによりマスキングを施しメッキ法により所望の位置に金属バンプを形成してもよい。

　導電接続部１１１ａを配置したセラミックス多層基板１００の第１の面１０５上の、第１の部位とは異なる第２の部位に絶縁接合部１１２を配置する（ステップＳ１４）。具体的には、粉末ガラスと熱分解性の有機結着剤とを、有機溶媒や水などの溶媒を用いて混練してガラス粉末ペーストを生成し、ガラス粉末ペーストを、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上の、導電接続部１１１ａの空隙を埋めるようにスクリーン印刷によりに印刷する。

　図５は、ステップＳ１４における絶縁接合部１１２のスクリーン印刷について説明する説明図である。スクリーン印刷機２００は、スクリーン２０２と、スキージ２０３と、スキージホルダー２０４とを備える。スクリーン２０２には、導電接続部１１１ａに対応する部位を除く部位、すなわち、絶縁接合部１１２に対応する部位にのみ開口部が形成されている。ガラス粉末ペースト２５０をスクリーン２０２に載せ、スクリーン２０２上からスキージ２０３を摺動させる。こうすることにより、ガラス粉末ペースト２５０は開口部を通過し、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５上の、導電接続部１１１ａが配置されている部位を除いた部位、すなわち、絶縁接合部１１２が配置される部位に転写される。この結果、導電接続部１１１ａと絶縁接合部１１２とからなり、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５側が平面上に形成された接合部１１０ａ（図２）が形成される。なお、ステップＳ１２，Ｓ１４の順序は、逆であってもよい。なお、接合部１１０ａの結着に用いられる有機成分（有機結着剤）は、後述する加熱処理工程において、分解、除去される。第１実施例において、ステップＳ１２とステップＳ１４はいずれのステップが先に行われても良い。また、第１実施例において、ステップＳ１２およびステップＳ１４は、請求の範囲における「第１の配置工程」にあたる。

　形成された接合部１１０ａ上に、半導体素子１３０を配置する（ステップＳ１６）。具体的には、導電接続部１１１ａと絶縁接合部１１２とから形成される窪みに、電極パッド１３１を嵌め込むように半導体素子１３０を配置する。導電接続部１１１ａと電極パッド１３１とが接触することにより、半導体素子１３０と導電接続部１１１ａとの導通が確保される。第１実施例において、ステップＳ１６は、請求の範囲における「第２の配置工程」にあたる。

　セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０を加熱圧着して、半導体パワーモジュールを製造する（ステップＳ１８）。図６は、第１実施例における半導体パワーモジュール１０の接合工程を説明する説明図である。図６に示すように、セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０を、加圧するとともに、導電接続部１１１ａと絶縁接合部１１２とが熱融着する温度に加熱する。こうすることにより、導電接続部１１１ａ、絶縁接合部１１２、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５および導電接合部１１１及び絶縁保護膜よりなる半導体素子１３０の表面が溶融し、セラミックス多層基板１００と接合層１１０の間、および、接合層１１０と半導体素子１３０の間は、空隙の存在しない均一な平面で拡散接合される。導電接続部１１１ａと絶縁接合部１１２とが熱融着する温度とは、例えば、導電接続部１１１ａの材料として、融点６６０℃のアルミニウム金属を用い、絶縁接合部１１２の材料として軟化点６４０℃のＺｎＯ－Ｂ₂Ｏ₃－ＳｉＯ₂ガラスを用いた場合には、両材料が熱融着する温度６７０℃で加熱する。第１実施例において、ステップＳ１８は、請求の範囲における「接合工程」にあたる。

　以上説明したように、少なくとも２段階の温度変化が行われるように設定されている温度プロファイルに基づいて、加圧および加熱を行うことにより、セラミックス多層基板１００と接合層１１０との接合面で原子の拡散が生じ、拡散層１２０が形成され、セラミックス多層基板１００と接合層１１０とは接合される。

　セラミックス多層基板１００、接合層１１０、半導体素子１３０と直行する方向（セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０の積層方向）に切断した切断面は、化合物半導体とその表面の保護層よりなる半導体素子１３０と接合層１１０との界面、ならびに接合層１１０とセラミックス成分（アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムなど）よりなるセラミックス多層基板１００の表面との界面が、図６に太実線で示すように、それぞれ略一直線状になるよう配置されており、気泡等の微少な欠陥を含まない。ミクロンオーダーの不可避なボイド等は、実施例における欠陥には含まれない。実施例において、欠陥と判断される気泡のサイズは、例えば、１００μｍ以上としてもよい。

　また微視的に見た時、上記それぞれの界面は半導体素子１３０、セラミックス多層基板１００に対して、それぞれ接合層１１０の構成成分が拡散して形成される拡散層１２０を持つ。これらの層はＥＤＳ、ＥＰＭＡ等によるマッピング分析により、それぞれ半導体素子１３０の表面成分（ＺｒやＴｉなどの保護膜の形成成分）、セラミックス多層基板１００のセラミックス成分（アルミや窒素など）が混在する層が形成されている層と定義される。

　以上説明した第１実施例の半導体パワーモジュール１０によれば、接合層１１０が平面状に形成されている、すなわち、接合層１１０の、セラミックス多層基板１００に対する対向面は、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５の面形状に沿って平面状に形成されており、接合層１１０の、半導体素子１３０に対抗する面も、半導体素子１３０の接合層１１０側の面形状に沿って平面状に形成されている。従って、セラミックス多層基板１００と半導体素子１３０との接合時に、セラミックス多層基板１００と接合層１１０、接合層１１０と半導体素子１３０との間における空隙の発生を抑制できる。従って、半導体素子１３０からセラミックス多層基板１００への熱拡散性能、および、セラミックス多層基板１００と半導体素子１３０との接合強度を向上することができる。

　また、第１実施例のセラミックス多層基板１００によれば、接合層１１０の絶縁接合部１１２は、有機系材料に比して熱伝導性能の高いガラス等の無機系材料を主成分として形成されているので、半導体素子１３０からセラミックス多層基板１００への熱拡散性能を向上できる。

　半導体パワーモジュール１０の接合時の加熱（図３のステップＳ１８の工程）により、各部材は熱膨張し、セラミックス多層基板１００と接合層１１０、接合層１１０と半導体素子１３０との間に応力が発生する。第１実施例では、絶縁接合部１１２の主成分であるガラス成分の線熱膨張係数は、導電接続部１１１ａの主成分である金属の線熱膨張係数よりもセラミックス多層基板１００や半導体素子１３０の線熱膨張係数に近い。このため、導電接続部１１１ａとセラミックス多層基板１００および半導体素子１３０との境界に生じる応力は、絶縁接合部１１２とセラミックス多層基板１００および半導体素子１３０との境界に生じる応力よりも大きくなる。

　第１実施例の半導体パワーモジュール１０によれば、絶縁接合部１１２が導電接続部１１１ａの周囲に配置されているので、導電接続部１１１ａの変形を、絶縁接合部１１２によって抑制できる。従って、導電接続部１１１ａとセラミックス多層基板１００および半導体素子１３０との間に生じる応力を、導電接続部１１１ａと絶縁接合部１１２の界面に分散できる。よって、接合層１１０とセラミックス多層基板１００および半導体素子１３０との間に集中して生じる応力を分散できるので、半導体パワーモジュール１０の損傷を抑制でき、半導体パワーモジュール１０の信頼性を向上できる。

　また、第１実施例の半導体パワーモジュール１０によれば、セラミックス多層基板１００と接合層１１０の拡散接合時に、セラミックス多層基板１００と接合層１１０の間に、拡散層１２０が形成される。従って、セラミックス多層基板１００と接合層１１０との接合強度を向上できる。

　また、第１実施例の半導体パワーモジュール１０によれば、接合層１１０の絶縁接合部１１２および拡散層１２０の絶縁拡散部１２２に、伝熱性能、放熱性能を有するフィラー１１５が含まれるので、半導体素子１３０からセラミックス多層基板１００への熱拡散性能を向上できる。

Ｂ．第２実施例：
　第１実施例では、半導体素子１３０が一つのみ搭載された半導体パワーモジュール１０について説明した。第２実施例では、複数の半導体素子が搭載された半導体パワーモジュールについて、図７および図８を参照して説明する。

Ｂ１．半導体パワーモジュール概略構成：
　図７は、第２実施例における半導体パワーモジュール３０を示す平面図である。図８は、第２実施例における半導体パワーモジュール３０を示す断面図である。図８は、図７におけるＡ－Ａ断面で切断した断面を示す。

　第２実施例の半導体パワーモジュール３０は、図７および図８に示すように、セラミックス多層基板３００と、接合層３１０と、拡散層３２０および複数（第２実施例では６個）の半導体素子３３０を備える。接合層３１０は、導電接続部３１１ａと半導体素子３３０の電極パッド３３１とからなる導電接合部３１１と、絶縁接合部３１２とを備え、拡散層３２０は、導電拡散部３２１と絶縁拡散部３２２を備える。第２実施例において、セラミックス多層基板３００、接合層３１０、導電接合部３１１、絶縁接合部３１２、拡散層３２０、導電拡散部３２１、絶縁拡散部３２２および各半導体素子３３０は、それぞれ、第１実施例のセラミックス多層基板１００、接合層１１０、導電接合部１１１、絶縁接合部１１２、拡散層１２０、導電拡散部１２１、絶縁拡散部１２２および半導体素子１３０と同様の構成を備える。

　一般的に、従来のＳｉ系半導体素子からＳｉＣ等の化合物半導体素子を用いる事による半導体素子の発熱許容量の増大に対応するために、半導体素子の周辺部材に対する高耐熱性、一方でモジュールとして放熱部品の小型化要求などへの対応のために高熱拡散性が求められている。第２実施例の半導体パワーモジュール３０は、接合層３１０が平面状に形成されているので、半導体素子３３０とセラミックス多層基板３００とは耐熱特性や熱拡散性が低い有機系材料を介さず、耐熱特性や熱拡散性に優れる無機系材料を主成分として形成された平面で接合される。従って、半導体素子３３０からセラミックス多層基板３００への熱拡散性能が向上されるので、３００℃以下程度の高温域で使用される化合物半導体素子（半導体素子３３０）を、高密度に複数搭載した信頼性の高い半導体パワーモジュール３０を提供できる。

Ｃ．第３実施例：
　第３実施例では、導電接合部は、導電接続部と半導体素子の電極パッドとが接合を開始する温度である第１の接合開始温度を有し、絶縁接合部は、配線基板や半導体素子と接合を開始する温度であって、第１の接合開始温度よりも高い第２の接合開始温度を有する。なお、第３実施例において、接合層を構成する導電接合部、絶縁接合部は、接合開始温度以外は、第１実施例の各々と同様の作用・機能を有するので、第１実施例における符号（接合層１１０、導電接合部１１１、導電接続部１１１ａ、電極パッド１３１、絶縁接合部１１２）を用いて説明する。

Ｃ１．接合層：
　接合層１１０の導電接合部１１１は、導電接続部１１１ａと電極パッド１３１とが接合を開始する温度である第１の接合開始温度を有する。第１の接合開始温度とは、導電接続部１１１ａもしくは電極パッド１３１を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する焼結開始温度以上の温度である。焼結開始温度とは、導電接続部１１１ａまたは電極パッド１３１を構成する成分の少なくとも一部による液相の形成、もしくは、固相での接着界面の反応による焼結反応の開始温度である。第１の接合開始温度を焼結開始温度以上とした理由は次の通りである。すなわち、導電接合部１１１が溶融していなくとも、ごく一部の成分の液相発生によって、焼結固着が進行し、部材間の接合が開始されるからである。

第３実施例では、導電接続部１１１ａは錫によって形成され、電極パッド１３１は、銅、錫を材料として形成されているので、導電接続部１１１ａおよび電極パッド１３１が溶融、軟化して拡散接合が進行する温度、例えば、３００℃を第１の接合開始温度とする。

絶縁接合部１１２は、絶縁接合部１１２とセラミックス多層基板１００および半導体素子１３０とが接合を開始する温度であって、第１の接合開始温度より高い第２の接合開始温度を有する。第２の接合開始温度とは、絶縁接合部１１２を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する焼結開始温度以上の温度である。絶縁接合部１１２を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度とは、絶縁接合部１１２を構成する成分の少なくとも一部による液相の形成、もしくは、固相での接着界面の反応による焼結反応の開始温度である。第２の接合開始温度を焼結開始温度以上とした理由は次の通りである。すなわち、絶縁接合部１１２が溶融していなくとも、ごく一部の成分の液相発生によって、焼結固着が進行し、他の部材との接合が開始されるからである。

　第３実施例では、絶縁接合部１１２は、Ｂｉ₂Ｏ₃とＢ₂Ｏ₃とからなる粉末ガラス（軟化点：３５７℃）によって形成されているので、第１の接合開始温度（３００℃）より高く、絶縁接合部１１２が軟化して拡散接合が十分に進行する温度、例えば、４５０℃を第２の接合開始温度とする。

Ｃ２．製造工程
　第３実施例では、多段階の温度変化を有する温度プロファイルを用いて、段階的な
接合工程を有する拡散接合処理によって、セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０が接合される。半導体パワーモジュール１０の製造工程の概略は、第１実施例において説明した図３と同様である。ただし、ステップＳ１８における加熱圧着による拡散接合の工程が異なる。ステップＳ１８における拡散接合工程について、以下に説明する。

　第３実施例においても、図３において説明したステップＳ１６までの処理が行われると、セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０を加熱圧着して拡散接合し、半導体パワーモジュールが製造される（ステップＳ１８：図３）。第３実施例では、当該加熱圧着処理において、セラミックス多層基板１００、接合層１１０および半導体素子１３０が加圧されるとともに、拡散接合時の加熱温度が多段階で変化されるように設定された温度プロファイルに基づき、加熱処理が行われる。温度プロファイルに基づき行われる加熱処理を含む拡散接合処理は、第１の接合開始温度で加熱温度を所定時間保持した後（第１接合工程）、第２の接合開始温度で加熱温度を所定時間保持すること（第２接合工程）を含む。また、第３実施例では、半導体素子１３０の裏面の面積よりも若干小さい面積を有する押し当て治具により、半導体素子１３０がセラミックス多層基板１００に押しつけられるように加圧される。第１、第２接合工程は、具体的には以下の通りである。

　まず、第１接合工程において、第１の接合開始温度（３００℃）を所定時間（例えば、約１０分）保持しつつ加熱処理が行われ、導電接続部１１１ａと電極パッド１３１との間で生じる拡散接合が進行し、導電接合部１１１が形成される。絶縁接合部１１２の軟化点（３５７℃）は、第１の接合開始温度よりも高いので、第１接合工程では、絶縁接合部１１２は軟化していないので、絶縁接合部１１２を構成する材料が導電接続部１１１ａと電極パッド１３１の間に侵入することはなく、導電接続部１１１ａと電極パッド１３１が拡散接合して形成された導電接合部１１１に絶縁接合部１１２を構成する材料が混入することはない。

　導電接続部１１１ａと電極パッド１３１との拡散接合が十分に進行し、導電接続部１１１ａと電極パッド１３１との一体化が保障されると、第２接合工程が行われる。第２接合工程において、第２の接合開始温度（４５０℃）で加熱処理が行われる。加熱処理により、絶縁接合部１１２、セラミックス多層基板１００の第１の面１０５および絶縁保護膜よりなる半導体素子１３０の表面が十分に溶融・軟化する。軟化した絶縁接合部１１２は、半導体素子１３０がセラミックス多層基板１００に密着するように印加される押し当て治具の加圧力により、半導体素子１３０と接合層１１０との間に存在する空隙、および、接合層１１０とセラミックス多層基板１００との間に存在する空隙を充填するように変形しながら拡散接合が進行する。この結果、セラミックス多層基板１００と絶縁接合部１１２の間、および、絶縁接合部１１２と半導体素子１３０の表面との間では、空隙の存在しない均一な平面で拡散接合される。以上説明したように、半導体パワーモジュール１０が製造される。

　以上説明した第３実施例の半導体パワーモジュールによれば、導電接合部の形成時に、絶縁接合部が焼結反応を開始する温度よりも低い第１の接合開始温度で加熱されるので、絶縁接合部よりも先に導電接合部の接合が行われる。従って、導電接続部１１１ａと半導体素子の電極パッド１３１、および、導電接合部１１１とセラミックス多層基板１００が接合された状態、すなわち、導電接続部１１１ａと半導体素子の電極パッド１３１の間、および、導電接合部１１１とセラミックス多層基板１００の間に空隙が存在しない状態で、絶縁接合部１１２の軟化変形が開始し、絶縁接合部１１２と半導体素子１３０、および、絶縁接合部１１２とセラミックス多層基板１００との接合が行われる。よって、絶縁接合部１１２を構成する材料が、導電接続部１１１ａと電極パッド１３１との間へ侵入すること、導電接合部１１１に混入することによる、導電接合部１１１の導電性能の低下を抑制できる。

　また、第３実施例の半導体パワーモジュールによれば、第１の接合開始温度は、導電接合部を構成する材料の溶融開始温度であり、第２の接合開始温度は、絶縁接合部を構成する材料の溶融開始温度とされている。従って、導電接合部および絶縁接合部を確実に溶融させることができ、導電接合部および絶縁接合部の各々と他の部材との接合強度を向上できる。

Ｄ．第４実施例：
Ｄ１.半導体パワーモジュール概略構成：
　図９は、第４実施例における半導体パワーモジュール４０を示す断面図である。図９に示すように、第４実施例の半導体パワーモジュール４０は、第１実施例の半導体パワーモジュール１０と同様に、セラミックス多層基板４００と、接合層４１０と、拡散層４２０を備える。拡散層４２０は、導電拡散部４２１と絶縁拡散部４２２を備える。変形例１において、セラミックス多層基板４００、拡散層４２０、導電拡散部４２１，絶縁拡散部４２２および半導体素子４３０は、それぞれ、第１実施例のセラミックス多層基板１００、拡散層１２０、導電拡散部１２１、絶縁拡散部１２２および半導体素子１３０と同様の構成を備える。

　第４実施例の半導体パワーモジュール４０は、第１実施例の半導体パワーモジュール１０と、接合層４１０の構成が異なる。接合層４１０は、平面状の薄膜であり、導電接続部４１１ａと、半導体素子４３０の電極パッド４３１とからなる導電接合部４１１と、絶縁接合部４１２とを備える。絶縁接合部４１２は、図９の円Ｂに示すように、セラミックス多層基板４００側の面の面積よりも半導体素子４３０側の面の面積が広いテーパー形状に形成されている。導電接続部４１１ａは、絶縁接合部４１２のテーパー形状に対応する形状となるように形成されている。なお、絶縁接合部４１２は、テーパー形状に限られず、セラミックス多層基板４００側の面の面積よりも半導体素子４３０側の面の面積が広い形状であればよい。例えば、階段形状や湾曲形状でもよい。

　半導体パワーモジュール４０は、接合層４１０の配置工程（図３のステップＳ１２、Ｓ１４に対応）を除き、第１実施例の半導体パワーモジュール１０と同様の方法により製造できる。第４実施例の接合層４１０の配置工程は、例えば、以下の方法を用いて配置してもよい。

　導電接続部４１１ａより先に絶縁接合部４１２をスクリーン印刷により配置する。この際、半導体素子４３０側の面積が広いテーパー形状となる開口部を有するスクリーンを用い、絶縁接合部４１２の材料であるガラス粉末のペーストを印刷する。

　次に、導電接続部４１１ａに対応する部位に開口部を有するスクリーンを用いて、導電接続部４１１ａの材料となる金属種を主成分とするペーストを印刷する。この時用いるペーストの粘度を調整し、半導体素子４３０へペースト塗布後にペースト自重により、開口部表面よりも半導体素子４３０側の広い面積に対しペーストが塗り広げられる。こうすることにより、テーパー形状の絶縁接合部４１２と、絶縁接合部４１２のテーパー形状に対応する形状を有する導電接続部４１１ａを備える接合部が作成される。導電接続部４１１ａと絶縁接合部４１２とから形成される窪みに半導体素子４３０の電極パッド４３１が嵌りこむように半導体素子４３０が配置されることにより、平面状の接合層４１０が形成される。

　第４実施例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は、セラミックス多層基板１００側の面の面積よりも半導体素子４３０側の面の面積が広いテーパ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４１２と半導体素子４３０との接触面積が広い。従って、第１実施例の半導体パワーモジュール１０に比して、半導体素子４３０から接合層４１０への熱拡散性能が高くなる。よって、セラミックス多層基板４００と半導体素子４３０との絶縁性能を確保しつつ、熱拡散性能を向上でき、半導体素子４３０の放熱を促進できる。

Ｅ．第５実施例：
Ｅ１．半導体パワーモジュールの概略構成：
　図１０は、第５実施例における半導体パワーモジュール１０１０の概略構成を示す断面図である。図１１は、第５実施例における半導体パワーモジュール１０１０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１０１０は、セラミックス多層基板５００と、接合層５１０と、半導体素子５３０とを備える。

　セラミックス多層基板５００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、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）などが用いられる。セラミックス多層基板５００は、半導体素子が実装される第１の面５０５と、該面５０５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５０６間を電気的に接続するための内層ビアホール５０１と、配線パターン５０９と、第２の面５０６上に配置された外部接続用の電極端子５０４を備える。配線パターン５０９は、セラミックス多層基板５００の表面、内部の層の表面に形成されている。図１０では、セラミックス多層基板５００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５００の第１の面５０５上、および第２の面５０６上には、半導体素子５３０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５３０は、内層ビアホール５０１および配線パターン５０９を介して、第２の面５０６上に配置されている電極端子５０４と電気的に接続されている。

　接合層５１０は、セラミックス多層基板５００の第１の面５０５上に配置され、導電接続部５１１と、絶縁接合部５１２および後述する半導体素子５３０の突状部５３５とからなる薄膜層である。接合層５１０は、第１の面５０５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５３５を含まない状態についても、接合層５１０として説明する。第５実施例において、突状部５３５は、請求の範囲における「突状部」にあたる。以下に説明する第６実施例においても同様である。

　絶縁接合部５１２は、半導体素子５３０とセラミックス多層基板５００とを絶縁する。絶縁接合部５１２は、図１１に示すように、セラミックス多層基板５００の第１の面５０５上に配置されており、内層ビアホール５０１に対応する部位５０７（太実線で示す）に開口部５１５が形成されている。換言すれば、絶縁接合部５１２は、セラミックス多層基板５００の第１の面５０５上であって、内層ビアホール５０１に対応する部位５０７を除く部位５０８（太破線で示す）上に配置されている。絶縁接合部５１２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。

　導電接続部５１１は、半導体素子５３０とセラミックス多層基板５００とを電気的に接続する。導電接続部５１１は、図１１に示すように、開口部５１５内であって、セラミックス多層基板５００の第１の面５０５上に配置されている。換言すれば、導電接続部５１１は、内層ビアホール５０１に対応する部位５０７上に配置されている。導電接続部５１１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。導電接続部５１１は、少なくとも、第１の面５０５との接合面が平面状に形成されている。

　接合層５１０は、また、図１０に示すように、導電接続部５１１と絶縁接合部５１２により形成された窪み部５１６を有する。窪み部５１６は、後述する半導体素子５３０に形成されている金属製の突状部５３５の合計体積以上の容積を有し、図１０および図１１に示すように、導電接続部５１１の厚みをｄ１、絶縁接合部５１２の厚みをｄ２、突状部５３５の高さをｄ３とし、セラミックス多層基板５００の反りにより発生する、突状部５３５の高さバラつきの許容値をｄ４とすると、突状部５３５の高さｄ３は、絶縁接合部５１２と導電接続部５１１により形成される窪み部５１６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。

セラミックス多層基板５００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５１６の厚み方向の高さと、突状部５３５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５００の微小な反りの影響により、突状部５３５の窪み部５１６側の先端と対向する窪み部５１６との間に隙間が生じてしまうことがある。つまり、突状部５３５と導電接続部５１１との電気的接続が担保できなくなる。そのため、窪み部５１６の厚み方向の高さは、セラミックス多層基板５００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５１６内への半導体素子５３０の配置時、突状部５３５と導電接続部５１１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５００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。

　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、導電接続部５１１や絶縁接合部５１２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５３０の突状部５３５は、第５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、導電接続部５１１における、セラミックス多層基板５００の第１の面５０５から、導電接続部５１１の半導体素子５３０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５００の第１の面５０５から、絶縁接合部５１２の、半導体素子５３０側の面までの距離の最大値を表し、ｄ３は、半導体素子５３０の、接合層５１０との接合面からの、突状部５３５の積層方向の高さの最大値である。

　半導体素子５３０は、既述の通り突状部５３５を備えており、突状部５３５は、電極パッド５３１と、金属製のバンプ５３３からなる。電極パッド５３１は、例えば、金（Ａｕ）を主成分として形成されている。バンプ５３３は、電極パッド５３１上に、突状に形成されている。バンプ５３３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５３１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。

　半導体素子５３０は、突状部５３５が窪み部５１６内に収まるように、接合層５１０上に配置される。半導体素子５３０がセラミックス多層基板５００および接合層５１０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５００と半導体素子５３０とは、導電接続部５１１、突状部５３５、すなわち、バンプ５３３、電極パッド５３１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５３３および導電接続部５１１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５３３と導電接続部５１１は接合時の加熱変形により、窪み部５１６内にて、その空間部を充填するように変形し、絶縁接合部５１２と半導体素子５３０の界面が平面状に形成される。図１０に示される窪み部５１６の容積と突状部５３５の体積との差は、半導体素子５３０との一体化前の窪み部５１６の容積よりも小さくなる。半導体素子５３０とセラミックス多層基板５００との接合強度は突状部５３５、導電接続部５１１に加え、絶縁接合部５１２により発揮され、半導体素子５３０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、導電接続部５１１および絶縁接合部５１２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５３０の稼働時に発生する熱は、突状部５３５、導電接続部５１１を介してセラミックス多層基板５００へ拡散されるとともに、絶縁接合部５１２を介してセラミックス多層基板５００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。

　なお、突状部５３５および窪み部５１６は、突状部５３５の体積と窪み部５１６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５１６の容積＞突状部５３５の体積　であってもよい。

Ｅ２．製造方法：
　半導体パワーモジュール１０１０の製造方法を、図１２～図１６を用いて説明する。図１２は、第５実施例における半導体パワーモジュール１０１０の製造方法を説明する工程図である。

　内層ビアホール５０１および配線パターン５０９が形成されたセラミックス多層基板５００を作製する（ステップＳ１００）。セラミックス多層基板５００の作製には、セラミックス多層基板５００の表面に、半導体素子５３０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。第５実施例において、ステップＳ１００は、請求の範囲における「基板作製工程」にあたる。

　作製されたセラミックス多層基板５００の第１の面５０５上に、絶縁接合部５１２を配置する（ステップＳ１０２）。絶縁接合部５１２の配置工程について、図１３を参照して説明する。

　図１３は、ステップＳ１０２における絶縁接合部５１２の配置工程について説明する説明図である。絶縁接合部５１２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５１８を生成し、図１３に示すように、セラミックス多層基板５００の第１の面５０５上に塗布する。

　セラミックス多層基板５００上に形成された絶縁接合部５１２に、開口部５１５を形成する（ステップＳ１０４）。開口部５１５の形成工程において、図１４を参照して説明する。

　図１４は、ステップＳ１０４における開口部５１５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５１２）が塗布されたセラミックス多層基板５００を、レジストが熱分解する温度（例えば、７００℃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５０１に対応する部位５０７に開口部５１５を形成する。第５実施例において説明するように、絶縁接合部５１２となるペーストに対して処理を施し、開口部を形成する態様は、請求の範囲における「開口部を有する絶縁接合部を第１の面上に配置する工程」に含まれる。

　半導体素子５３０に形成されている導電性の突状部５３５の体積よりも大きな容積を有する窪み部５１６が、絶縁接合部５１２の開口部５１５内に形成されるように、絶縁接合部５１２より薄い導電接続部５１１を、開口部５１５内に配置する（ステップＳ１０６）。具体的には、後述するステップＳ１１２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５１５内の一部に充填する。この際、導電接続部５１１と絶縁接合部５１２とにより窪み部５１６が形成されるように、ペーストを印刷する。

　図１５は、ステップＳ１０６における導電接続部５１１の配置工程を説明する説明図である。スクリーン印刷機６００は、スクリーン６０２と、スキージ６０３と、スキージホルダー６０４とを備える。スクリーン６０２には、内層ビアホール５０１に対応する部位５０７、すなわち、絶縁接合部５１２に形成されている開口部５１５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６５０をスクリーン６０２に載せ、スクリーン６０２上からスキージ６０３を摺動させる。こうすることにより、ペースト６５０はスクリーンの貫通孔を通過し、絶縁接合部５１２の開口部５１５内の、セラミックス多層基板５００の第１の面５０５上に転写される。導電接続部５１１が開口部５１５内に配置されると、絶縁接合部５１２の開口部５１５の内周面５１５ａと、導電接続部５１１の、セラミックス多層基板５００側の面と反対側の面５１１ａにより、窪み部５１６が形成される。第５実施例において、ステップＳ１０２～ステップＳ１０６は、請求の範囲における「第１の配置工程」にあたる。

　セラミックス多層基板５００と導電接続部５１１および絶縁接合部５１２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１０２０を構成している。

　半導体素子５３０の電極パッド５３１上に、バンプ５３３を形成する（ステップＳ１０８）。バンプ５３３は、電極パッド５３１とバンプ５３３の合計の体積が、窪み部５１６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Ｓ１１０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５３１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５３０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。

　半導体素子５３０の突状部５３５が接合層５１０の窪み部５１６内に配置されるように、半導体素子５３０を接合層５１０上に配置し（ステップＳ１１０）、セラミックス多層基板５００、接合層５１０および半導体素子５３０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Ｓ１１２）。第５実施例において、ステップＳ１０８およびステップＳ１１０は、請求の範囲における「第２の配置工程」にあたり、ステップＳ１１２は、請求の範囲における「接合工程」にあたる。

　図１６は、第５実施例における半導体パワーモジュール１０１０の接合工程を説明する説明図である。図１６に示すように、セラミックス多層基板５００、接合層５１０および半導体素子５３０を、加圧するとともに、導電接続部５１１、絶縁接合部５１２およびバンプ５３３が熱融着する温度に加熱する。こうすることにより、導電接続部５１１、絶縁接合部５１２、セラミックス多層基板５００の第１の面５０５が溶融し、セラミックス多層基板５００と接合層５１０の間、および、接合層５１０と半導体素子５３０の間は、空隙の存在しない均一な平面で拡散接合される。導電接続部５１１、絶縁接合部５１２が熱融着する温度とは、例えば、導電接続部５１１、バンプ５３３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５１２の材料として軟化点６４０℃のＺｎＯ－Ｂ₂Ｏ₃－ＳｉＯ₂ガラスを用いた場合には、両材料が熱融着する温度６７０℃に加熱し、接合層５１０を含むセラミックス多層基板と半導体素子５３０を５００ｋPa程度の圧力で加圧接合する。

　加圧および加熱により、セラミックス多層基板５００と接合層５１０との接合面で原子の拡散が生じ、セラミックス多層基板５００と接合層５１０とは接合される。また、半導体素子５３０のバンプ５３３と導電接続部５１１とについても、加熱により両材料が溶融し、接合される。

　セラミックス多層基板５００、接合層５１０、半導体素子５３０と直行する方向（セラミックス多層基板５００、接合層５１０および半導体素子５３０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５３０と接合層５１０との界面、ならびに接合層５１０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５００の表面との界面が、図１６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、５００μｍ以上としてもよい。

以上説明した第５実施例の半導体パワーモジュール１０１０によれば、開口部５１５への突状部５３５の嵌りこみにおいて、導電接続部５１１の厚みｄ１、絶縁接合部５１２の厚みｄ２、および、突状部５３５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５１６内への半導体素子５３０の配置時、突状部５３５と導電接続部５１１との電気的接続を確実に担保できる。

　また、第５実施例の半導体パワーモジュール１０１０によれば、接合層５１０は、半導体素子５３０に形成されている突状部５３５の体積以上の容積を有する窪み部５１６を有しているので、回路基板１０２０への半導体素子５３０の実装時において、窪み部５１６内に半導体素子の突状部５３５が収容され、接合層５１０と半導体素子５３０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５００と接合層５１０とは平面で接合される。従って、セラミックス多層基板５００と接合層５１０との接合面、および、接合層５１０と半導体素子５３０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５００と接合層５１０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５００への熱拡散性能の向上を図ることができる。

Ｆ．第６実施例：
Ｆ１．半導体パワーモジュールの概略構成：
　図１７および図１８は、第６実施例における半導体パワーモジュール１０３０の構成を説明する断面図である。図１７および図１８に示すように、第６実施例の半導体パワーモジュール１０３０は、セラミックス多層基板７００と、接合層７１０と、半導体素子７３０を備える。第６実施例において、セラミックス多層基板７００、半導体素子７３０は、それぞれ、第５実施例のセラミックス多層基板５００、半導体素子５３０と同様の構成を備える。

　半導体パワーモジュール１０３０は、第５実施例の半導体パワーモジュール１０１０と、接合層７１０の構成が異なる。接合層７１０は、導電接続部７１１と、絶縁接合部７１２と、導電接続部７１１および絶縁接合部７１２により形成される窪み部７１６と、を有する。接合層７１０の、セラミックス多層基板７００との接合面は、平面状に形成されている。

　絶縁接合部７１２には、セラミックス多層基板７００の内層ビアホール７０１に対応する部位に開口部７１５が形成されている、絶縁接合部７１２は、図１８の円Ｃに示すように、半導体素子７３０側の端部からセラミックス多層基板７００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。

　窪み部７１６は、開口部７１５内に導電接続部７１１が配置されることにより形成される。窪み部７１６は、半導体素子７３０の電極パッド７３１とバンプ７３３とからなる突状部７３５の体積以上の容積を有する。

　半導体パワーモジュール１０３０は、第５実施例の半導体パワーモジュール１０１０を製造する方法により製造しても良い。また、テーパー形状部を作製するため、絶縁接合部７１２と導電接続部７１１の形成を複数回に分けて製造しても良い。具体的には、絶縁接合部７１２の材料であるガラス粉末のペーストを、絶縁接合部７１２の所望厚みよりも、薄く形成されるよう、スクリーンマスクを用いて印刷を行う。この際利用されるスクリーンマスクは、開口部７１５に対応する部位のみマスクされている。引き続き開口部７１５に導電接合部７１１を形成する。これらの工程を絶縁接合部７１２に形成される開口部が徐々に小さくなるように、開口部に対応する部位のマスクのサイズが異なる複数のスクリーンマスクを用いて複数回行い、所望の絶縁接合部７１２の厚みとなるように形成する。こうすることにより、内層ビアホール７０１に対応する部位に、テーパー形状の開口部７１５を有する絶縁接合部７１２を形成できる。

　半導体素子７３０の電極パッド７３１上に、金属製のバンプ７３３を形成する。バンプ７３３は、電極パッド７３１とバンプ７３３との合計の体積が、窪み部７１６の容積以下となるように形成される。突状部７３５が窪み部７１６内に配置されるように、半導体素子７３０を接合層７１０上に配置し、セラミックス多層基板７００、接合層７１０および半導体素子７３０を加熱・加圧して接合する（図１２のステップＳ１１０、Ｓ１１２に対応）。

　第６実施例の半導体パワーモジュール１０３０によれば、接合層７１０の絶縁接合部７１２は、半導体素子７３０側からセラミックス多層基板５００側に向けて細いテーパー形状に形成されているので、第５実施例の絶縁接合部５１２に比して、絶縁接合部７１２と半導体素子７３０との接触面積が広くなる。従って、第５実施例の半導体パワーモジュール１０１０に比して、半導体素子７３０から接合層７１０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７００と半導体素子７３０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７３０の放熱を促進できる。

また、絶縁接合部７１２を半導体素子７３０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７３０と接合層７１０が形成されたセラミックス多層基板７００との接合時に半導体素子７３０と絶縁接合部７１２の接合面積がバンプ７３３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７３０とセラミックス多層基板７００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。

Ｇ．変形例：
Ｇ１．変形例１：
　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。

　絶縁接合部１１２を形成する。具体的には、粉末ガラスと熱分解性の有機結着剤（例えば８０℃程度の温度で軟化し、２５０℃程度の温度で熱分解するブチラール系バインダ）とを、有機溶媒や水などの溶媒を用いて混練してスラリーを形成し、スラリーを、ドクターブレード法によるシートキャスティング、押し出し成型などの手法により、シート形状に成型する。シートの、導電接合部１１１に対応する部位に、レーザーまたはマイコンパンチなどの機械加工により貫通孔を形成する。このように、絶縁接合部１１２は、貫通孔が形成されたガラスシートとして作製される。

　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。

　次に、導電接続部１１１ａを形成する。具体的には、上記作製された絶縁接合部１１２の貫通孔に、導電接続部１１１ａを形成するペーストをスクリーン印刷により充填する。ペーストは、金属を主成分としており、例えば、アルミニウム金属や酸化銀、銅、ナノ金属、ハンダ合金のような、図３のステップＳ１８における加熱工程により溶融する金属種と、熱分解性の有機結着剤とを、有機溶媒や水などの溶媒を用いて混練することにより形成される。なお、ペーストの充填には、スクリーン印刷に限られず、例えば、ディスペンサーによる吐出などの方法を用いてもよい。

　以上の通り積層されたセラミックス多層基板１００、導電接続部１１１ａ、絶縁接合部１１２に対し、半導体素子１３０を絶縁接合部１１２および導電接続部１１１ａを構成する主成分であるガラス、金属の融点以上の温度に加熱の上、加圧接合して、絶縁接合部１１２に含まれる有機結着材成分を熱分解により除去した上で、拡散層１２０が形成された半導体パワーモジュール１０を製造する（図１のステップＳ１８）。

　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。

Ｇ２.変形例２：
　半導体パワーモジュール１０の作製方法として、例えば、作製した絶縁接合部１１２に、導電接続部１１１ａが形成される貫通孔を形成しない状態でセラミックス多層基板１００に仮積層し、レーザー加工により多層基板１００に仮接着された状態で絶縁接合部１１２に接合層で導電接合部１１１ａが形成される貫通孔を設けても良い。こうする事で仮圧着時の貫通孔のつぶれを抑制する事ができ、絶縁接合部１１１ａの口径サイズを寄り精確に制御する事が可能となる。またレーザー光を斜めに当てる事によりテーパー形状の貫通孔を形成する事が出来る。

Ｇ３.変形例３：
　第１実施例では、セラミックス多層基板１００と接合層１１０を予め有機結着材の接合力により仮積層した上で半導体素子１３０を積層して、加圧および加熱を行い接合しているが、例えば、シート状に形成された絶縁接合部１１２に形成された空孔を導電接続部１１１ａで予め穴埋めして形成されたシートを作製し、セラミックス多層基板１００と半導体素子１３０で矜持した上で加熱、圧着する事で、半導体パワーモジュール１０を作製してもよい。こうすれば、接合層１１０に含まれる有機結着材の添加量を減少させる事が可能となり、有機残渣による接合層１１０の劣化などを防ぐ事ができる。

Ｇ４．変形例４：
　第１実施例では、第１の接合開始温度として、導電接合部１１１を構成する材料が十分に融解する温度を用い、第２の接合開始温度として、絶縁接合部１１２を構成する材料が十分に軟化する温度を用いているが、それぞれ、構成材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度以上であればよい。こうすれば、導電接合部１１１、絶縁接合部１１２の各々について、融点まで加熱することなく他部材との接合を行うことができる。よって、製造工程の低温化を図ることができる。例えば、絶縁接合部１１２がＮａ₂Ｏ₃とＢ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂とからなる粉末ガラスから構成されている場合、第２の接合開始温度は、当該粉末ガラスの焼結反応の開始温度である４９５℃以上であればよい。

Ｇ５．変形例５：
　図１９は、変形例５における半導体パワー１０４０の概略構成を示す説明図である。半導体パワー１０４０は、回路基板１０４５と、半導体素子８３０とを備える。回路基板１０４５は、セラミックス多層基板８００と、接合層８１０と、拡散層８２０とを備え、接合層８１０は、導電接続部８１１と絶縁接合部８１２を備える。変形例４において、セラミックス多層基板８００、接合層８１０、導電接続部８１１および半導体素子８３０は、第５実施例のセラミックス多層基板５００、接合層５１０、導電接続部５１１および半導体素子５３０と同様の構成を備える。

　絶縁接合部８１２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８１５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８１５が含有されていることにより、絶縁接合部８１２の伝熱性能が向上する。絶縁接合部８１２は、フィラー８１５が含有されていること以外は、第５実施例の絶縁接合部５１２と同様の構成を備える。

　拡散層８２０は、セラミックス多層基板８００と接合層８１０との拡散接合により形成される層である。拡散層８２０は、導電拡散部８２１と絶縁拡散部８２２を備える。導電拡散部８２１は、セラミックス多層基板８００と接合層８１０の導電接続部８１１との拡散接合により形成される。絶縁拡散部８２２は、セラミックス多層基板８００と、接合層８１０の絶縁接合部８１２との拡散接合により形成される。絶縁拡散部８２２には、絶縁接合部８１２と同様に、フィラー８１５が含有されていてもよい。なお、図１９では、説明の便宜上、導電拡散部８２１と絶縁拡散部８２２の境界は明確に記載されているが、導電拡散部８２１と絶縁拡散部８２２の境界は曖昧であってもよい。

　図２０は、変形例５における接合層８１０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５実施例の図１２のステップＳ１００に続く処理である。

　セラミックス多層基板８００の第１の面８０５上であって、内層ビアホール８０１に対応する部位８０７に、導電接続部８１１を配置する。具体的には、図１２のステップＳ１１０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８００の第１の面８０５の部位８０７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。

　導電接続部８１１を配置したセラミックス多層基板８００の第１の面８０５上であって、部位８０７とは異なる部位８０８に絶縁接合部８１２を配置する。

　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８００の第１の面８０５上の、導電接続部８１１の空隙を埋めるように、部位８０８に、スクリーン印刷によりに印刷する。この際、絶縁接合部８１２を構成するガラス粉末ペーストを、導電接続部８１１より厚みを有するように印刷する。

　上述のように導電接続部８１１および絶縁接合部８１２を配置することにより、窪み部８１６（図１９）が形成される。

　変形例５の半導体パワー１０４０によれば、セラミックス多層基板８００と接合層８１０の拡散接合時に、セラミックス多層基板８００と接合層８１０の間に、拡散層８２０が形成される。従って、セラミックス多層基板８００と接合層８１０との接合強度を向上できる。

　また、変形例５の半導体パワー１０４０によれば、接合層８１０の絶縁接合部８１２および拡散層８２０の絶縁拡散部８２２にフィラー８１５が含まれるので、半導体素子８３０からセラミックス多層基板８００への熱拡散性能を向上できる。

Ｇ６.変形例６：
　図２１は、変形例６における半導体パワーモジュール１０５０を示す平面図である。図２２は、変形例６における半導体パワーモジュール１０５０を示す断面図である。図２２は、図２１におけるＤ－Ｄ断面で切断した断面を示す。

　変形例６の半導体パワーモジュール１０５０は、図２１および図２２に示すように、セラミックス多層基板９００と、接合層９１０と、複数（変形例６では６個）の半導体素子９３０を備える。接合層９１０は、導電接続部９１１と絶縁接合部９１２を備える。半導体素子９３０は、電極パッド５３１とバンプ５３３とからなる突状部９３５を備える。変形例６において、セラミックス多層基板９００、接合層９１０、導電接続部９１１、絶縁接合部９１２および各半導体素子９３０は、それぞれ、第５実施例のセラミックス多層基板５００、接合層５１０、導電接続部５１１、絶縁接合部５１２および半導体素子５３０と同様の構成を備える。

　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６の半導体パワーモジュール１０５０は、接合層９１０が平面状に形成されているので、半導体素子９３０とセラミックス多層基板９００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９３０からセラミックス多層基板９００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９３０）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１０５０を提供できる。

Ｇ７．変形例７：
　第５実施例における、半導体パワーモジュール１０１０の製造方法（図１２）に変えて、以下の方法によって、半導体パワーモジュール１０１０を製造してもよい。以下に、ステップＳ１００に続く処理を説明する。なお、各部材の符号は、第５実施例の符号を用いる。

　絶縁接合部５１２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、導電接続部５１１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５１５を形成する。このように、絶縁接合部５１２は、開口部５１５が形成されたガラスシートとして作製される。

　絶縁接合部５１２の所望の面に、セラミックス多層基板５００の第１の面１０５が対向するように、セラミックス多層基板５００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５１２に含まれる有機結着材の結合力により仮接着させる。

次に、導電接続部５１１を形成する。具体的には、上記作製された絶縁接合部５１２の貫通孔に、導電接続部５１１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１２のステップＳ１１２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５１５内に導電接続部５１１が配置されることにより、窪み部５１６が形成される。

　接合層１１０の、窪み部５１６が形成されている面に、突状部５３５を窪み部５１６に合わせ、半導体素子５３０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５００、導電接続部５１１、絶縁接合部５１２に対し、半導体素子５３０を絶縁接合部５１２および導電接続部５１１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５１２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１０１０を製造する（図１２のステップＳ１１２）。

　以上説明した製造方法によっても、平面状の接合層５１０を作製できる。従って、半導体素子５３０と接合層５１０、接合層５１０とセラミックス多層基板５００とを面で接合することができ、半導体素子５３０からセラミックス多層基板５００への熱伝導性能、および、セラミックス多層基板５００と半導体素子５３０との接合強度を向上することができる。

Ｇ８.変形例８：
　第５実施例では、セラミックス多層基板５００と導電接続部５１１および絶縁接合部５１２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５３０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５１２に形成された空孔を導電接続部５１１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５００と半導体素子５３０で狭持した上で加熱、圧着する事で、半導体パワーモジュール１０１０を作製してもよい。こうすれば、接合層５１０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５１０の劣化などを防ぐ事ができる。

Ｇ９．変形例９：
　変形例７では予め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５１５を形成したガラスシートを、セラミックス多層基板５００に配置し加熱圧着しているが、変形例２のように、セラミックス多層基板５００に穴を有さないガラスシートを加熱圧着した後、レーザー加工等により、開口部５１５を形成しても良い。こうすることで、加熱圧着時の変形による開口部５１５の変形を抑制し、開口部５１５を精確な口径にて形成する事ができる。

Ｇ１０．変形例１０：
　突状部５３５は、窪み部５１６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５１６内への半導体素子５３０の配置時、突状部５３５と導電接続部５１１との電気的接続を確実に担保できる。なお、突状部５３５が、窪み部５１６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５１０上への半導体素子５３０の配置時に、半導体素子５３０が接合層５１０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５３３は溶融し、溶融した状態で加圧され、半導体素子５３０と接合層５１０とは空隙のない面で接合される。

　本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

　　１０、３０、４０…半導体パワーモジュール
　　１００…セラミックス多層基板
　　１０１…内層ビアホール
　　１０４…電極端子
　　１０９…配線パターン
　　１１０…接合層
　　１１０ａ…接合部
　　１１１…導電接合部
　　１１１ａ…導電接続部
　　１１２…絶縁接合部
　　１２０…拡散層
　　１２１…導電拡散部
　　１２２…絶縁拡散部
　　１３０…半導体素子
　　１３１…電極パッド
　　２０２…スクリーン
　　２０３…スキージ
　　２０４…スキージホルダー
　　２５０…ガラス粉末ペースト
　　３００…セラミックス多層基板
　　３１０…接合層
　　３２０…拡散層
　　３３０…半導体素子
　　４００…セラミックス多層基板
　　４１０…接合層
　　４１１…導電接合部
　　４１２…絶縁接合部
　　４２０…拡散層
　　４３０…半導体素子
　　５００…セラミックス多層基板
　　５０１…内層ビアホール
　　５０４…電極端子
　　５０５…第１の面
　　５０６…第２の面
　　５０９…配線パターン
　　５１０…接合層
　　５１１…導電接続部
　　５１２…絶縁接合部
　　５１５…開口部
　　５１５ａ…内周面
　　５１６…窪み部
　　５１８…ガラス粉末ペースト
　　５３０…半導体素子
　　５３１…電極パッド
　　５３３…バンプ
　　５３５…突状部
　　６００…スクリーン印刷機
　　６０２…スクリーン
　　６０３…スキージ
　　６０４…スキージホルダー
　　６５０…ペースト
　　７００…セラミックス多層基板
　　７０１…内層ビアホール
　　７１０…接合層
　　７１１…導電接続部
　　７１２…絶縁接合部
　　７１５…開口部
　　７１６…窪み部
　　７３０…半導体素子
　　７３１…電極パッド
　　７３３…バンプ
　　７３５…突状部
　　８００…セラミックス多層基板
　　８０１…内層ビアホール
　　８０５…第１の面
　　８１０…接合層
　　８１１…導電接続部
　　８１２…絶縁接合部
　　８１５…フィラー
　　８１５…無機系フィラー
　　８１６…窪み部
　　８２０…拡散層
　　８２１…導電拡散部
　　８２２…絶縁拡散部
　　８３０…半導体素子
　　９００…セラミックス多層基板
　　９１０…接合層
　　９１１…導電接合部
　　９１２…絶縁接合部
　　９３０…半導体素子
　　９３５…突状部
　　１０１０…半導体パワーモジュール
　　１０２０…回路基板
　　１０３０…半導体パワーモジュール
　　１０４０…半導体パワー
　　１０４５…回路基板
　　１０５０…半導体パワーモジュール

Claims

　半導体パワーモジュールであって、
　ビアおよび配線パターンが形成された多層基板と、
　前記多層基板の第１の面側に配置される半導体素子と、
　前記多層基板の第１の面上に形成され、前記多層基板と半導体素子とを接合する接合層と、
　を備え、
　前記接合層は、
　　前記ビアに対応する第１の部位に配置されている平面状の導電接合部であって、前記半導体素子に形成されている導電性の突状部と、前記突状部と前記多層基板とを導通する導電接続部と、からなる導電接合部と、
　　前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とする平面状の絶縁接合部と、を有する半導体パワーモジュール。
　請求項１記載の半導体パワーモジュールであって、
　前記多層基板と前記接合層および前記半導体素子と前記接合層とは、拡散接合により接合され、
　前記半導体パワーモジュールは、更に、
　　前記多層基板と前記接合層および前記半導体素子と前記接合層との間に、前記拡散接合時に形成される拡散層を備える、半導体パワーモジュール。
　請求項１記載の半導体パワーモジュールであって、
　前記導電接合部を構成する材料の接合開始温度である第１の接合開始温度は、前記絶縁接合部を構成する材料の接合開始温度である第２の接合開始温度よりも低い、半導体パワーモジュール。
　請求項３記載の半導体パワーモジュールにおいて、
　前記第１の接合開始温度は、前記導電接合部を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度である焼結開始温度以上であり、
　前記第２の接合開始温度は、前記絶縁接合部を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する温度である焼結開始温度以上である、半導体パワーモジュール。
　半導体パワーモジュールの製造方法であって、
　ビアおよび配線パターンを有する多層基板を作製する基板作製工程と、
　前記ビアに対応する第１の部位に、前記配線パターンと半導体素子とを導通する平面状の導電接続部を有し、前記第１の部位とは異なる第２の部位に、平面状の絶縁接合部を有する接合部を、前記多層基板の第１の面上に配置する第１の配置工程と、
　前記接合部上に、前記半導体素子を、前記半導体素子に形成されている導電性の突状部と前記導電接続部とが導通可能となるように配置する第２の配置工程と、
　前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、加熱圧着し、前記多層基板と前記接合部、および、前記接合部と前記半導体素子を拡散接合する接合工程と、
　を備える半導体パワーモジュールの製造方法。
　請求項５記載の半導体パワーモジュールの製造方法であって、
　前記導電接続部を構成する材料が前記半導体素子と接合を開始する温度を第１の接合開始温度とし、
　前記絶縁接合部を構成する材料が前記多層基板および前記半導体素子と接合を開始する温度であって、前記第１の接合開始温度よりも高い温度を第２の接合開始温度とし、
　前記接合工程は、
　　前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第１の接合開始温度で加熱圧着することにより、前記導電接続部と前記半導体素子の前記突状部とを接合する工程と、
　　前記導電接続部と前記半導体素子の前記突状部との接合後に、前記多層基板、前記接合部および前記半導体素子を、前記第２の接合開始温度で加熱圧着することにより、前記多層基板と前記接合部、および、前記接合部と前記半導体素子とを接合する工程と、を含む、半導体パワーモジュールの製造方法。
　請求項６記載の半導体パワーモジュールの製造方法において、
　前記第１の接合開始温度は、前記導電接続部を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する焼結開始温度以上であり、
　前記第２の接合開始温度は、前記絶縁接合部を構成する材料の少なくとも一部が焼結反応を開始する焼結開始温度以上である、半導体パワーモジュールの製造方法。
　請求項５記載の半導体パワーモジュールの製造方法であって、
　前記導電接続部を構成する材料が前記半導体素子と接合を開始する温度を第１の接合開始温度とし、
　前記絶縁接合部を構成する材料が前記多層基板および前記半導体素子と接合を開始する温度であって、前記第１の接合開始温度よりも高い温度を第２の接合開始温度とし、
　前記接合工程において、
　　前記第１の接合開始温度が、所定時間、保持された後、前記第２の接合開始温度が所定時間保持されるように設定されている温度プロファイルに基づき、前記加熱を行う、半導体パワーモジュールの製造方法。
　請求項５記載の半導体パワーモジュールの製造方法であって、
　前記第１の配置工程は、
　　前記第１の部位に開口部を有する絶縁接合部を、前記第１の面上に配置する工程と、
　　前記絶縁接合部より薄い前記導電接続部を、前記開口部内に配置する工程と、を含み、
　前記第２の配置工程は、
　　前記半導体素子の前記突状部と前記導電接続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部上に配置する工程を含み、
　前記導電接続部の厚みを表す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。
　請求項９記載の半導体パワーモジュールの製造方法であって、
　前記絶縁接合部を配置する工程において、
　　前記絶縁接合部を、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配置する、半導体パワーモジュールの製造方法。
　請求項１０記載の半導体パワーモジュールの製造方法であって、
　前記絶縁接合部を配置する工程において、
　　前記絶縁接合部がテーパー形状となるように、前記絶縁接合部を配置する、半導体パワーモジュールの製造方法。
　回路基板であって、
　ビアおよび配線パターンが形成された多層基板と、
　前記多層基板の第１の面上に配置され、前記多層基板に半導体素子を接合するための接合層と、
　を備え、
　前記接合層は、
　　前記ビアに対応する第１の部位に配置され、前記配線パターンと前記半導体素子と導通し、少なくとも前記第１の面側が平面状に形成されている導電接続部と、
　　前記第１の部位とは異なる第２の部位に配置され、無機系材料を主成分とし、少なくとも前記第１の面側が平面状に形成されている絶縁接合部と、
　を有する回路基板。
　請求項１２記載の回路基板であって、
　前記導電接続部は、前記絶縁接合部よりも薄く形成されており、
　前記接合層は、前記絶縁接合部と前記導電接続部とにより形成される窪み部を有し、
　前記半導体素子に形成されている導電性の突状部が前記窪み部へ嵌りこむ前において、前記導電接続部の厚みを表す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、回路基板。　
　請求項１２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。
　請求項１２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。