(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主としてセラミックを含んでなる誘電体層からなる基材と、
前記基材中に埋設された内層電極と、
前記基材の表面に形成された表面電極と、
を備える基板であって、
前記表面電極が、前記基材中に部分的に埋設された複数の柱状導体からなり、
前記複数の柱状導体が、前記内層電極を介して互いに導通しており、
前記柱状導体の前記基板の主面に略平行な平面による断面の等価円直径（Ｄ）と、前記柱状導体の前記基材から露出している部分の前記基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ１）と、前記柱状導体を構成する材質のヤング率（Ｇ）と、銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）とが、０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇ及びＧｃｕ／Ｇ＞１／１０によって表される関係を満たす、
基板。
【請求項２】
請求項１に記載の基板であって、
前記柱状導体が、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、及び銀（Ａｇ）から選ばれる少なくとも１種以上の金属によって構成される、
基板。
【請求項３】
主としてセラミックを含んでなる誘電体層からなる基材と、
前記基材中に埋設された内層電極と、
前記基材の表面に形成された表面電極と、
を備える基板であって、
前記表面電極が、前記基材中に部分的に埋設された複数の柱状導体からなり、
前記複数の柱状導体が、前記内層電極を介して互いに導通している、
基板の製造方法であって、
前記基板の焼成の前に、少なくとも部分的に前記基材中に埋設された状態で前記複数の柱状導体を仮固定し、
前記基板の焼成により前記複数の柱状導体を前記基板の表面に固定する、
基板の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の基板の製造方法であって、
前記柱状導体が、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、及び銀（Ａｇ）から選ばれる少なくとも１種以上の金属によって構成される、
基板の製造方法。
【請求項５】
請求項３又は４の何れか１項に記載の基板の製造方法であって、
前記焼成後の前記基板において、前記柱状導体の前記基板の主面に略平行な平面による断面の等価円直径（Ｄ）と、前記柱状導体の前記基材から露出している部分の前記基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ１）と、前記柱状導体を構成する材質のヤング率（Ｇ）と、銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）とが、０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇ及びＧｃｕ／Ｇ＞１／１０によって表される関係を満たすように、少なくとも部分的に前記基材中に埋設された状態で仮固定される前記柱状導体の前記基材から露出している部分の前記基板の主面の略法線方向における長さを調節する、
基板の製造方法。
【請求項６】
請求項３乃至５の何れか１項に記載の基板の製造方法であって、
保護基材に設けられた複数の穴に前記柱状導体を挿入し、当該保護基材上にセラミックを含むスラリーを注ぎ、当該スラリーを固化させて前記複数の柱状導体を仮固定することによって、少なくとも部分的に前記基材中に埋設された状態で前記複数の柱状導体が仮固定されたセラミック成形体を成形し、
前記セラミック成形体と、焼成後に前記内層電極を形成する導体パターンを前記複数の柱状導体が仮固定された位置に対応する領域に備えるセラミック成形体を含む、他のセラミック成形体とを積層し、
斯くして得られた積層体を焼成することによって、前記複数の柱状導体が表面に固定されたセラミック基板を得る、
基板の製造方法。
【請求項７】
請求項３乃至５の何れか１項に記載の基板の製造方法であって、
予め成形されたセラミックを含むグリーンシートに前記複数の柱状導体を突き刺して前記複数の柱状導体を仮固定することによって、少なくとも部分的に前記基材中に埋設された状態で前記複数の柱状導体が仮固定されたセラミックグリーンシートを調製し、
前記セラミックグリーンシートと、焼成後に前記内層電極を形成する導体パターンを前記複数の柱状導体が仮固定された位置に対応する領域に備えるセラミックグリーンシートを含む他のセラミックグリーンシートとを積層し、
斯くして得られた積層体を焼成することによって、前記複数の柱状導体が表面に固定されたセラミック基板を得る、
基板の製造方法。
【請求項８】
請求項３乃至５の何れか１項に記載の基板の製造方法であって、
予め成形されたセラミックを含むグリーンシートに設けられた複数の穴に前記柱状導体を挿入して前記複数の柱状導体を仮固定することによって、少なくとも部分的に前記基材中に埋設された状態で複数の柱状導体が仮固定されたセラミックグリーンシートを調製し、
前記セラミックグリーンシートと、焼成後に前記内層電極を形成する導体パターンを前記複数の柱状導体が仮固定された位置に対応する領域に備えるセラミックグリーンシートを含む他のセラミックグリーンシートとを積層し、
斯くして得られた積層体を焼成することによって、前記複数の柱状導体が表面に固定されたセラミック基板を得る、
基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュール基板に関する。より詳しくは、本発明は、高温環境下においても優れた信頼性を呈するパワーモジュール基板に関する。更に、本発明は、高温環境下においても優れた信頼性を呈するパワーモジュール基板の製造方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばインバータ等のパワーモジュールにおいては、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、及びＨＥＭＴ等のパワー半導体素子をＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄ  Ｃｏｐｐｅｒ）基板等の放熱ベース上に配設し、放熱ベースとの接合面とは反対側の主面上に配設された端子から、例えばアルミワイヤ等の金属ワイヤを用いるワイヤボンディングにより外部との電気的な接続を確保することが一般的に行われている。このような従来技術に係る実装形態においては、パワー半導体素子の放熱ベース側からは放熱ベースを介する放熱が可能であるが、放熱ベースの反対側においては細い金属ワイヤを介する熱伝導経路しか無く、放熱性が不十分となりがちであった。また、電気伝導性の面からも、細い金属ワイヤによって十分な導電性を確保することは困難であり、パワーモジュールにおける損失の低減が急務となっている。
【０００３】
かかる背景から、当該技術分野においては、金属ワイヤを用いるワイヤボンディングに代えて、例えば、銅等の金属製のリードフレームをパワー半導体素子の端子に半田接合する等して、高い熱伝導性と導電性とを両立させようとする試みも為されている。しかしながら、例えばインバータ等のパワーモジュールにおいては、パワー半導体とリードフレームとの接合時やパワー半導体と例えばセラミック基板等の基板との接合時のみならず、パワーモジュールの完成後の動作状態においても、パワー半導体素子に大電流が流れることに起因するパワー半導体素子からの発熱により、パワー半導体素子とリードフレームとの接合部やパワー半導体素子と基板との接合部は高い温度に曝される。この際、パワー半導体素子とリードフレームとの間やパワー半導体素子と基板との間には熱歪みが生ずる。この熱歪みによる応力は、パワー半導体素子とリードフレームとの接合部やパワー半導体素子と基板との接合部にかかる負荷となり、その結果、当該接合部近傍のパワー半導体素子や基板及び当該接合部において亀裂や断線等が発生する等の問題が生ずる虞がある。
【０００４】
そこで、当該技術分野においては、例えば、セラミック絶縁基板と基板表面に形成された配線回路層とを具備する配線基板において、低抵抗導体成分中に当該低抵抗導体成分よりも低い熱膨張率又は高い熱伝導率を有する導体材料からなるメッシュを内蔵した複合体によって配線回路層を形成することにより、低い電気抵抗及び高い熱伝導性を損なうこと無く熱膨張率を小さくしたり、熱伝導率を更に高めたりすることが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。また、配線基板上に半導体素子が配置されてなる半導体装置において、配線基板の、半導体素子から露出する電極線に対向する位置に、電極線の拡大配線を配設することにより、配線抵抗の増大及びエレクトロマイグレーションを抑制することが提案されている（例えば、特許文献２を参照）。更に、互いに対向する第１及び第２の主表面を有する半導体素子と、第１の主表面に接触し、貫通ビア及び磁気センサを含む多層配線基板と、第２の主表面に接触する導電性接合材とを備え、上記多層配線基板を介して上記半導体素子と大電流用リードとが接続される半導体素子の冷却構造により、単純な構成を有し、組付けが容易な半導体素子の冷却構造を提供することが提案されている（例えば、特許文献３を参照）。
【０００５】
しかしながら、当該技術分野においては、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、及びＨＥＭＴ等を含むパワー半導体素子の損失改善策として、従来使用されてきたシリコン（Ｓｉ）ウェーハに代えて、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）ウェーハや窒化ガリウム（ＧａＮ）ウェーハを使用する技術動向が顕著になってきている（例えば、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮ−ＨＥＭＴ等）。これらの新しいタイプのウェーハを使用するパワー半導体素子においては、従来のＳｉウェーハを使用するパワー半導体素子と比較して、より高い温度での動作が可能であるという特徴を有している。これにより、従来のＳｉウェーハを使用するパワー半導体素子においては必須であった冷却機構（例えば、ヒートシンクや水冷機構等）を大幅に簡略化することができる。その結果、これらの新しいタイプのウェーハを使用することにより、パワーモジュールの小型軽量化を図ることもできる。しかしながら、これらの新しいタイプのウェーハの使用に伴うパワーモジュールの動作温度の上昇により、パワー半導体素子周辺の温度は３００℃程度に及ぶ高温に達する場合があり、前述のような熱歪みによる応力に起因する種々の問題がより一層厳しいものとなる傾向にある。
【０００６】
従って、当該技術分野においては、例えば、セラミック基板とパワー半導体素子との接合時及びパワーモジュールの完成後の動作状態において、セラミック基板とパワー半導体素子との間に生ずる熱歪みによる応力に起因するセラミック基板とパワー半導体素子との接合部近傍のセラミック基板やパワー半導体素子及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題を低減することができる新たな技術が要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１０２７０１号公報
【特許文献２】特開２００４−２４７５８７号公報
【特許文献３】特開２００７−０１２６８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、当該技術分野においては、例えば、セラミック基板とパワー半導体素子との接合時及びセラミック基板を含むパワーモジュールの完成後の動作時等の高温環境下においてセラミック基板とパワー半導体素子との間に生ずる熱歪みによる応力に起因するセラミック基板とパワー半導体素子との接合部近傍のセラミック基板やパワー半導体素子及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題を低減することができる新たな技術が要求されている。
【０００９】
本発明は、かかる要求に応えるために為されたものである。より具体的には、本発明は、例えば、セラミック基板とパワー半導体素子との接合時及びセラミック基板を含むパワーモジュールの完成後の動作時等の高温環境下においてセラミック基板とパワー半導体素子との間の熱歪みによって発生する応力を吸収・緩和して、当該応力に起因するセラミック基板とパワー半導体素子との接合部近傍のセラミック基板やパワー半導体素子及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題を低減することができるパワーモジュール基板を提供することを１つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の上記目的は、
主としてセラミックを含んでなる誘電体層からなる基材と、
前記基材中に埋設された内層電極と、
前記基材の表面に形成された表面電極と、
を備える基板であって、
前記表面電極が、前記基材中に部分的に埋設された複数の柱状導体からなり、
前記複数の柱状導体が、前記内層電極を介して互いに導通している、
基板によって達成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る基板によれば、例えば、セラミック基板とパワー半導体素子との接合時及びセラミック基板を含むパワーモジュールの完成後の動作時等の高温環境下においてセラミック基板とパワー半導体素子との間の熱歪みによって発生する応力を吸収・緩和して、当該応力に起因するセラミック基板とパワー半導体素子との接合部近傍のセラミック基板やパワー半導体素子及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の１つの実施態様に係る基板及び当該基板を含むパワーモジュールの構成を示す模式図である。
【図２】本発明の１つの実施態様に係る基板の製造方法を説明する模式図である。
【図３】本発明のもう１つの実施態様に係る基板の製造方法を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
前述のように、本発明は、例えば、セラミック基板とパワー半導体素子との接合時及びセラミック基板を含むパワーモジュールの完成後の動作時等の高温環境下においてセラミック基板とパワー半導体素子との間の熱歪みによって発生する応力を吸収・緩和して、当該応力に起因するセラミック基板とパワー半導体素子との接合部近傍のセラミック基板やパワー半導体素子及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題を低減することができるパワーモジュール基板を提供することを１つの目的とする。
【００１４】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究の結果、主としてセラミックを含んでなる誘電体層からなる基材と、当該基材中に埋設された内層電極と、当該基材の表面に形成された表面電極と、を備える基板において、当該基材中に部分的に埋設された複数の柱状導体によって当該表面電極を形成し、当該複数の柱状導体を介して当該基板とパワー半導体素子とを接合することにより、上述のような高温環境下においてセラミック基板とパワー半導体素子との間の熱歪みによって発生する応力に起因するセラミック基板とパワー半導体素子との接合部近傍のセラミック基板やパワー半導体素子及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題を低減することができることを見出し、本発明を想到するに至ったものである。
【００１５】
即ち、本発明の第１の実施態様は、
主としてセラミックを含んでなる誘電体層からなる基材と、
前記基材中に埋設された内層電極と、
前記基材の表面に形成された表面電極と、
を備える基板であって、
前記表面電極が、前記基材中に部分的に埋設された複数の柱状導体からなり、
前記複数の柱状導体が、前記内層電極を介して互いに導通している、
基板である。
【００１６】
上記のように、本実施態様に係る基板においては、基材の表面に形成された表面電極が、基材中に部分的に埋設された複数の柱状導体からなり、複数の柱状導体が、基材中に埋設された内層電極を介して互いに導通している。即ち、複数の柱状導体は、全体として、１つの表面電極を形成している。かかる表面電極とパワー半導体素子の端子とを接合することにより、例えば、当該基板とパワー半導体素子との接合時及び当該基板を含むパワーモジュールの完成後の動作時等の高温環境下にあっても、表面電極を形成する複数の柱状導体が変形することによって、当該基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して当該基板とパワー半導体素子との接合部に発生する応力を吸収・緩和して、当該応力に起因する当該基板とパワー半導体素子との接合部近傍の当該基板やパワー半導体素子及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題を低減することができる。
【００１７】
尚、上記のような熱歪みに起因して発生する応力は、基板の主面に平行な面内方向のみならず、基板の主面の法線方向にも発生するが、本実施態様に係る基板においては、表面電極が複数の柱状導体によって形成されていることから、何れの方向における応力も吸収・緩和することができる。
【００１８】
また、本実施態様に係る基板においては、表面電極が複数の柱状導体によって形成されていることから、パワー半導体素子と当該基板との間における電流経路の導通抵抗（電気抵抗）を効果的に下げることができる。加えて、本実施態様に係る基板においては、表面電極が複数の柱状導体によって形成されていることから、パワー半導体素子と当該基板との間において良好な熱伝導が行われるため、パワー半導体素子と当該基板との間における熱抵抗を効果的に下げ、パワー半導体素子から発生する熱を効率良く外部に放出することができる。
【００１９】
更に、上述のように、本実施態様に係る基板においては、基材の表面に形成された表面電極を形成する複数の柱状導体が、基材中に埋設された内層電極を介して互いに導通している。これにより、パワー半導体素子と当該基板との間における電流経路や熱伝導経路を効果的に拡大することができるのみならず、特定の柱状導体に電流や熱が集中して、熱歪みに起因して発生する応力が集中することを抑制することもできる。
【００２０】
以上のように、本実施態様に係る基板によれば、パワー半導体素子と当該基板との間における電気抵抗及び熱抵抗の増大を伴うこと無く、例えば、当該基板とパワー半導体素子との接合時及び当該基板を含むパワーモジュールの完成後の動作時等の高温環境下において当該基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する応力を、表面電極を形成する複数の柱状導体の変形によって吸収・緩和させることにより、当該応力に起因する当該基板とパワー半導体素子との接合部近傍の当該基板やパワー半導体素子及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題を低減することができる。
【００２１】
尚、本実施態様に係る基板が備える表面電極を形成する柱状導体の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、円柱状及び角柱状等、種々の形状とすることができる。尚、柱状導体は、前述のように、上述のような高温環境下において当該基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する応力を吸収・緩和することにより、当該応力に起因する当該基板とパワー半導体素子との接合部近傍の当該基板やパワー半導体素子及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題を低減する。かかる観点から、柱状導体としては、例えば、応力集中等に繋がる「くびれ」等を有する形状は望ましくなく、一様な太さ（基板の主面に略平行な平面による断面積）を有する形状が望ましい。また、同様の理由から、柱状導体は、複数の部材が集成されて形成されるものではなく、均一な材質を用いて一体的に形成されるものであることが望ましい。例えば、上記柱状導体は、導体材料からなるワイヤであってもよい。
【００２２】
ところで、本実施態様に係る基板が備える表面電極を形成する柱状導体は、上述のように、パワー半導体素子と当該基板との間における電流経路となることから、柱状導体を構成する材質は、良導体であることが望ましい。かかる良導体の具体例としては、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、及び銀（Ａｇ）等を挙げることができる。
【００２３】
従って、本発明の第２の実施態様は、
本発明の前記第１の実施態様に係る基板であって、
前記柱状導体が、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、及び銀（Ａｇ）から選ばれる少なくとも１種以上の金属によって構成される、
基板である。
【００２４】
上記のように、本実施態様に係る基板においては、柱状導体を構成する材質として、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、及び銀（Ａｇ）から選ばれる少なくとも１種以上の金属が用いられる。即ち、本実施態様に係る基板が備える表面電極を形成する柱状導体を構成する材質は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、又は銀（Ａｇ）の何れか１種（単体）であってもよい。あるいは、柱状導体を構成する材質は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、及び銀（Ａｇ）から選ばれる２種以上の金属を含む合金であってもよい。より好ましくは、柱状導体を構成する材質としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、及び銀（Ａｇ）から選ばれる少なくとも１種以上の金属が用いられる。
【００２５】
ところで、本発明に係る基板を例えばインバータ等のパワーモジュールにおいて用いる場合、当該基板とパワー半導体素子との接合時のみならず、パワーモジュールの完成後の動作状態においても、パワー半導体素子に大電流が流れることに起因するパワー半導体素子からの発熱により、当該基板とパワー半導体素子との接合部が高い温度に曝される。この際、当該基板とパワー半導体素子との間における熱歪みに起因して発生する応力は、当該基板の表面電極を形成する柱状導体の先端（即ち、パワー半導体素子の端子との接続部）にかかる負荷となり、その結果、柱状導体の根元（即ち、当該基板の主面と柱状導体とが交わる部分）に回転モーメントとして作用する。
【００２６】
かかる状況においても、本発明に係る基板によれば、表面電極を形成する複数の柱状導体が変形することによって、上述のような高温環境下において柱状導体の根元に作用する力を吸収・緩和することができるので、当該応力に起因する当該基板とパワー半導体素子との接合部近傍の当該基板やパワー半導体素子及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題を低減することができる。
【００２７】
しかしながら、本発明に係る基板を含むパワーモジュールにおいても、柱状導体の強度が過度に高い場合（例えば、柱状導体の高さに対して太さが過度に大きい（柱状導体が過度に太い）又は柱状導体の剛性が過度に高い等の場合）は、当該基板とパワー半導体素子との接合部近傍の当該基板やパワー半導体素子及び当該接合部において亀裂が発生する等の問題が生ずる虞がある。一方、柱状導体の強度が過度に低い場合（例えば、柱状導体の高さに対して太さが過度に小さい（柱状導体が過度に細い）又は柱状導体の剛性が過度に低い等の場合）は、柱状導体そのものが破損して、当該基板とパワー半導体素子との間の電気的接続が遮断される等の問題が生ずる虞がある。
【００２８】
従って、上述のような高温環境下において発生する応力に起因する当該基板とパワー半導体素子との接合部近傍の当該基板やパワー半導体素子及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題をより確実に低減するには、表面電極を形成する柱状導体の形状及び剛性を適切なレベルに制御することがより望ましい。本発明者は、かかる観点に立ち、鋭意研究を重ねた結果、柱状導体の太さ及び基板から露出している部分の長さと、柱状導体を構成する材質の弾性率とが、所定の関係を満足する場合に、高温環境下における当該基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する応力を、柱状導体の変形によって、より効果的に吸収・緩和することができることを見出した。
【００２９】
具体的には、柱状導体の基板の主面に略平行な平面による断面の等価円直径（Ｄ）と、柱状導体の基材から露出している部分の基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ１）と、柱状導体を構成する材質のヤング率（Ｇ）と、銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）とが、０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇ及びＧｃｕ／Ｇ＞１／１０によって表される関係を満たす場合に、上述のような高温環境下における当該基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する応力を、柱状導体の変形によって、より効果的に吸収・緩和することができる。
【００３０】
従って、本発明の第３の実施態様は、
本発明の前記第１又は前記第２の実施態様の何れか１つに係る基板であって、
前記柱状導体の前記基板の主面に略平行な平面による断面の等価円直径（Ｄ）と、前記柱状導体の前記基材から露出している部分の前記基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ１）と、前記柱状導体を構成する材質のヤング率（Ｇ）と、銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）とが、０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇ及びＧｃｕ／Ｇ＞１／１０によって表される関係を満たす、
基板である。
【００３１】
上記のように、本実施態様に係る基板は、柱状導体の基板の主面に略平行な平面による断面の等価円直径（Ｄ）と、柱状導体の基材から露出している部分の基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ１）と、柱状導体を構成する材質のヤング率（Ｇ）と、銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）とが、０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇ及びＧｃｕ／Ｇ＞１／１０によって表される関係を満たすように構成されている。これにより、本実施態様に係る基板によれば、上述のような高温環境下における当該基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する応力を、表面電極を形成する複数の柱状導体の変形によって、より効果的に吸収・緩和させることができる。その結果、本実施態様に係る基板を含むパワーモジュールにおいては、当該応力に起因する当該基板とパワー半導体素子との接合部近傍の当該基板やパワー半導体素子及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題をより効果的に低減することができる。尚、上記において、銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）とは、具体的には、１１０×１０９［Ｎ／ｍ２］である。
【００３２】
尚、上記のように、本実施態様に係る基板において、柱状導体の基板の主面に略平行な平面による断面の等価円直径（Ｄ）の、柱状導体の基材から露出している部分の基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ１）に対する比（Ｄ／Ｌ１）は、０．１以上、より好ましくは０．２以上であることが望ましい。当該比（Ｄ／Ｌ１）が０．１未満である場合は、上述のような高温環境下における当該基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する応力に対する柱状導体の強度が過度に低くなり、柱状導体が破損して当該基板とパワー半導体素子との間の電気的接続が遮断される等の問題が生ずる虞があるので望ましくない。一方、当該比（Ｄ／Ｌ１）は、Ｇｃｕ／Ｇ以下であることが望ましい。当該比（Ｄ／Ｌ１）が、柱状導体を構成する材質のヤング率（Ｇ）に対する銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）の比（Ｇｃｕ／Ｇ）を超える場合は、上述のような高温環境下における当該基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する応力に対する柱状導体の強度が過度に高くなり、当該基板とパワー半導体素子との接合部近傍の当該基板やパワー半導体素子及び当該接合部において亀裂が発生する等の問題が生ずる虞があるので望ましくない。
【００３３】
また、柱状導体を構成する材質のヤング率（Ｇ）に対する銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）の比（Ｇｃｕ／Ｇ）は、上記のように、１／１０を超えることが望ましく、より好ましくは１／５を超えることが望ましい。当該比（Ｇｃｕ／Ｇ）が１／１０以下である場合は、柱状導体を構成する材質の剛性が過度に高く、結果として、上述のような高温環境下における当該基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する応力に対する柱状導体の強度が過度に高くなり、当該基板とパワー半導体素子との接合部近傍の当該基板やパワー半導体素子及び当該接合部において亀裂が発生する等の問題が生ずる虞があるので望ましくない。
【００３４】
ところで、本発明に係る基板は、基材中に部分的に埋設された複数の柱状導体からなる表面電極を備える。当該柱状導体は、上述のような高温環境下における当該基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する熱的応力のみならず、例えば、当該基板とパワー半導体素子との半田接合時等に発生する機械的応力にも曝される。従って、当該柱状導体は、かかる応力に曝された際にも基板から容易に脱落することの無いように、確実に基板に固定されていることが望ましい。
【００３５】
具体的には、本発明に係る基板が備える表面電極を構成する柱状導体は、上記のような応力を受けた際にも当該基板から容易に脱落することの無いように十分に深く基材中に部分的に埋設されていることが望ましい。より具体的には、本発明に係る基板が備える表面電極を構成する柱状導体は、例えば、柱状導体の基材から露出している部分の基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ１）に対する、柱状導体の基材中に埋設されている部分の基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ２）の比（Ｌ２／Ｌ１）が、ある程度以上大きいことが望ましい。
【００３６】
そこで、本発明者は、柱状導体の基材から露出している部分の基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ１）に対する、柱状導体の基材中に埋設されている部分の基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ２）の比（Ｌ２／Ｌ１）の好適な範囲についても検討した。その結果、当該比（Ｌ２／Ｌ１）が１／１０（＝０．１）以上である場合に、柱状導体が上記のような応力を受けた際にも、柱状導体が基板から容易に脱落することの無いことを見出した。
【００３７】
従って、本発明のもう１つの好ましい実施態様は、
本発明の前記第１乃至前記第３の実施態様の何れか１つに係る基板であって、
前記柱状導体の前記基材から露出している部分の前記基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ１）に対する、前記柱状導体の前記基材中に埋設されている部分の前記基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ２）の比（Ｌ２／Ｌ１）が１／１０以上である、
基板である。
【００３８】
上記のように、本実施態様に係る基板は、柱状導体の基材から露出している部分の基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ１）に対する、柱状導体の基材中に埋設されている部分の基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ２）の比（Ｌ２／Ｌ１）が１／１０以上、より好ましくは１／５以上であるように構成される。これにより、本実施態様に係る基板においては、当該基板が備える表面電極を構成する柱状導体が上述のような熱的応力又は機械的応力に曝された際にも、柱状導体が基板から容易に脱落することが無い。即ち、本実施態様によれば、より信頼性の高い基板を提供することができる。
【００３９】
以上、本発明の幾つかの実施態様に係る基板について詳細に説明してきたが、前述のように、本発明は、例えば、セラミック基板とパワー半導体素子との接合時及びセラミック基板を含むパワーモジュールの完成後の動作時等の高温環境下においても優れた信頼性を呈するパワーモジュール基板の製造方法にも関する。そこで、本発明の幾つかの実施態様に係る基板の製造方法について、以下に説明する。但し、本発明の幾つかの実施態様に係る基板について既に上述した事項については説明を割愛する。
【００４０】
先ず、本発明の第４の実施態様は、
主としてセラミックを含んでなる誘電体層からなる基材と、
前記基材中に埋設された内層電極と、
前記基材の表面に形成された表面電極と、
を備える基板であって、
前記表面電極が、前記基材中に部分的に埋設された複数の柱状導体からなり、
前記複数の柱状導体が、前記内層電極を介して互いに導通している、
基板の製造方法であって、
前記基板の焼成の前に、少なくとも部分的に前記基材中に埋設された状態で前記複数の柱状導体を仮固定し、
前記基板の焼成により前記複数の柱状導体を前記基板の表面に固定する、
基板の製造方法である。
【００４１】
上記のように、本実施態様に係る基板の製造方法は、主としてセラミックを含んでなる誘電体層からなる基材と、前記基材中に埋設された内層電極と、前記基材の表面に形成された表面電極と、を備える基板であって、前記表面電極が、前記基材中に部分的に埋設された複数の柱状導体からなり、前記複数の柱状導体が、前記内層電極を介して互いに導通している、基板の製造方法であって、前記基板の焼成の前に、少なくとも部分的に前記基材中に埋設された状態で前記複数の柱状導体を仮固定し、前記基板の焼成により前記複数の柱状導体を前記基板の表面に固定する、基板の製造方法である。
【００４２】
本発明に係る基板の製造方法において、少なくとも部分的に基材中に埋設された状態で複数の柱状導体を仮固定するための手順は、特定の手順に限定されるものではない。具体的な手順としては、例えば、本発明に係る基板を、所謂「ゲルキャスト法」を利用して製造する場合は、保護基材に設けられた複数の穴に柱状導体を挿入し、当該保護基材上にセラミックを含むスラリーを注ぎ、当該スラリーを固化させて複数の柱状導体を仮固定することができる。また、本発明に係る基板を、所謂「ドクターブレード法」等の手法によって成形されたグリーンシートを利用して製造する場合は、予め成形されたセラミックを含むグリーンシートに複数の柱状導体を突き刺して複数の柱状導体を仮固定したり、あるいは、予め成形されたセラミックを含むグリーンシートに設けられた複数の穴に柱状導体を挿入して複数の柱状導体を仮固定したりすることができる。
【００４３】
少なくとも部分的に基材中に埋設された状態で柱状導体を仮固定するための手順の如何に拘わらず、本実施態様に係る基板の製造方法においては、焼成により基板を製造した後に、当該基板の表面に複数の柱状導体を配設するのではなく、上記のように、基板を焼成する前に、少なくとも部分的に基材中に埋設された状態で複数の柱状導体を仮固定しておき、その後、斯くして少なくとも部分的に基材中に埋設された状態で複数の柱状導体が仮固定された基板を焼成する。この際、基材（及び内層電極）は焼成に伴う収縮挙動を呈する（以降、「焼き締まり」とも称する）。一方、柱状導体においては焼き締まりは起こらないため、少なくとも部分的に基材中に埋設された状態で仮固定された柱状導体は、基板の焼成に伴い、基材によって締め付けられ、強固に支持される。斯くして、複数の柱状導体が基板の表面に確実に固定される。
【００４４】
尚、詳しくは後述するように、基板の焼成時には、上記のように、基材（及び内層電極）は焼成に伴う収縮挙動（焼き締まり）を呈する一方で、柱状導体においては焼き締まりは起こらない。その結果、基板の焼成時には、柱状導体が基材から突き出る力が作用するものの、基板の焼成時には、柱状導体の一方の端部が内層電極（となるべき導体パターン）と接触しているため、柱状導体は当該端部側には突き出ることができない。このため、基板の焼成時には、柱状導体は、内層電極（となるべき導体パターン）と接触していない端部側（即ち、基材の露出面側）に突き出ることになる。
【００４５】
上記のように、基板の焼成時には、柱状導体の基材から露出している部分の長さが増大するので、本実施態様に係る基板の製造方法において基板の焼成の前に基材中に埋設された状態で複数の柱状導体を仮固定する際には、必ずしも柱状導体が基材から露出している必要は無く、複数の柱状導体が完全に基材中に埋設された状態で複数の柱状導体を仮固定してもよい。即ち、本実施態様に係る基板の製造方法においては、基板の焼成の前に、少なくとも部分的に基材中に埋設された状態で複数の柱状導体を仮固定する。
【００４６】
本実施態様に係る基板の製造方法によれば、例えば、セラミック基板とパワー半導体素子との接合時及びセラミック基板を含むパワーモジュールの完成後の動作時等の高温環境下においてセラミック基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する応力を、表面電極を形成する複数の柱状導体の変形によって吸収・緩和させることにより、当該応力に起因するセラミック基板とパワー半導体素子との接合部近傍のセラミック基板やパワー半導体素子及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題を低減することができる。結果として、本実施態様に係る基板の製造方法によれば、上述のような高温環境下においても優れた信頼性を呈するパワーモジュール基板を提供することができる。
【００４７】
ところで、前述のように、本実施態様に係る基板の製造方法によって製造される基板が備える表面電極を形成する柱状導体は、上述のように、パワー半導体素子と当該基板との間における電流経路となることから、柱状導体を構成する材質は、良導体であることが望ましい。かかる良導体の具体例としては、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、及び銀（Ａｇ）等を挙げることができる。
【００４８】
従って、本発明の第５の実施態様は、
本発明の前記第４の実施態様に係る基板の製造方法であって、
前記柱状導体が、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、及び銀（Ａｇ）から選ばれる少なくとも１種以上の金属によって構成される、
基板の製造方法である。
【００４９】
また、前述のように、本実施態様に係る基板の製造方法によって製造される基板においては、柱状導体の太さ及び基板から露出している部分の長さと、柱状導体を構成する材質の弾性率とが、所定の関係を満足する場合に、上述のような高温環境下においてセラミック基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する応力を、柱状導体の変形によって、より効果的に吸収・緩和することができる。
【００５０】
具体的には、柱状導体の基板の主面に略平行な平面による断面の等価円直径（Ｄ）と、柱状導体の基材から露出している部分の基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ１）と、柱状導体を構成する材質のヤング率（Ｇ）と、銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）とが、０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇ及びＧｃｕ／Ｇ＞１／１０によって表される関係を満たす場合に、上述のような高温環境下においてセラミック基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する応力を、柱状導体の変形によって、より効果的に吸収・緩和することができる。
【００５１】
従って、本発明の第６の実施態様は、
本発明の前記第４又は前記第５の実施態様の何れか１つに係る基板の製造方法であって、
前記焼成後の前記基板において、前記柱状導体の前記基板の主面に略平行な平面による断面の等価円直径（Ｄ）と、前記柱状導体の前記基材から露出している部分の前記基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ１）と、前記柱状導体を構成する材質のヤング率（Ｇ）と、銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）とが、０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇ及びＧｃｕ／Ｇ＞１／１０によって表される関係を満たすように、少なくとも部分的に前記基材中に埋設された状態で仮固定される前記柱状導体の前記基材から露出している部分の前記基板の主面の略法線方向における長さを調節する、
基板の製造方法である。
【００５２】
尚、前述のように、基板の焼成に伴う基材（及び内層電極）の焼き締まりは、基板の主面に平行な面内方向のみならず、基板の主面の法線方向にも発生する。一方、柱状導体においては、上述のように、焼き締まりは起こらない。その結果、基板の焼成時には、柱状導体が基材から突き出る力が作用するものの、基板の焼成時には、柱状導体の一方の端部が内層電極（となるべき導体パターン）と接触しているため、柱状導体は当該端部側には突き出ることができない。一方、基板の焼成時において、柱状導体の他方の端部は、内層電極（となるべき導体パターン）や他の基材層（誘電体層）が積層されていない、基材の露出面側にあり、柱状導体が基材から突き出るのを妨げるものが存在しない。このため、基板の焼成時には、柱状導体は、内層電極（となるべき導体パターン）と接触していない端部側（即ち、基材の露出面側）に突き出ることになる。
【００５３】
上記の結果、基板の焼成の前に複数の柱状導体を仮固定した際に、柱状導体が部分的に基材中に埋設され、柱状導体が基材から露出している場合は、基板の焼成時に柱状導体が基材から更に突き出て、基材から露出している部分の長さが増大することになる。一方、基板の焼成の前に複数の柱状導体を仮固定した際に、柱状導体が完全に基材中に埋設され、柱状導体が基材から露出していない場合も、基板の焼成時に柱状導体が基材から突き出て、結果として柱状導体が基材から露出することになる。
【００５４】
従って、焼成後の基板において、柱状導体の基板の主面に略平行な平面による断面の等価円直径（Ｄ）の、柱状導体の基材から露出している部分の基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ１）に対する比（Ｄ／Ｌ１）が、上述の望ましい範囲から逸脱することの無いように注意を払う必要がある。具体的には、本実施態様に係る基板の製造方法において、少なくとも部分的に基材中に埋設された状態で仮固定される柱状導体の基材から露出している部分の基板の主面の略法線方向における長さを調節する際には、上述したような、基板の焼成時における柱状導体の基材から露出している部分の長さの増大を考慮に入れる必要がある。尚、ここで言う「長さ」とは、少なくとも部分的に基材中に埋設された状態における柱状導体の基板の主面の略法線方向における長さを指す。
【００５５】
ところで、前述のように、本発明に係る基板の製造方法において、少なくとも部分的に基材中に埋設された状態で複数の柱状導体を仮固定するための具体的な手順としては、例えば、本発明に係る基板を、所謂「ゲルキャスト法」を利用して製造する場合は、保護基材に設けられた複数の穴に柱状導体を挿入し、当該保護基材上にセラミックを含むスラリーを注ぎ、当該スラリーを固化させて複数の柱状導体を仮固定することができる。また、本発明に係る基板を、所謂「ドクターブレード法」等の手法によって成形されたグリーンシートを利用して製造する場合は、予め成形されたセラミックを含むグリーンシートに複数の柱状導体を突き刺して複数の柱状導体を仮固定したり、あるいは、予め成形されたセラミックを含むグリーンシートに設けられた複数の穴に柱状導体を挿入して複数の柱状導体を仮固定したりすることができる。
【００５６】
従って、本発明の第７の実施態様は、
本発明の前記第４乃至前記第６の実施態様の何れか１つに係る基板の製造方法であって、
保護基材に設けられた複数の穴に前記柱状導体を挿入し、当該保護基材上にセラミックを含むスラリーを注ぎ、当該スラリーを固化させて前記複数の柱状導体を仮固定することによって、少なくとも部分的に前記基材中に埋設された状態で前記複数の柱状導体が仮固定されたセラミック成形体を成形し、
前記セラミック成形体と、焼成後に前記内層電極を形成する導体パターンを前記複数の柱状導体が仮固定された位置に対応する領域に備えるセラミック成形体を含む、他のセラミック成形体とを積層し、
斯くして得られた積層体を焼成することによって、前記複数の柱状導体が表面に固定されたセラミック基板を得る、
基板の製造方法である。
【００５７】
上記のように、本実施態様に係る基板の製造方法は、所謂「ゲルキャスト法」を利用するものである。ゲルキャスト法とは、例えば、フィルム状または薄板状の保護基材の表面に、例えばスクリーン印刷法等の印刷法によって導体パターンを配設し、導体パターンが配設されなかった部分にはセラミック等の誘電体材料のスラリーを注入し、当該スラリーを固化させて得られる導体パターンが埋設された誘電体材料のシートを必要な枚数だけ積層して、導体パターンを表面電極や内層電極として構成し、焼成することによって、セラミック配線基板を得る方法である。
【００５８】
上記保護基材としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルム等の樹脂フィルムを用いることが望ましく、また樹脂フィルム以外にも、ガラス板や紙、金属などのフィルム状または板状の種々の材料を用いることができる。但し、保護基材としては、剥離操作の容易性の観点から、可撓性を備えたものを用いることが好ましい。
【００５９】
また、例えば、上記誘電体材料のシートを保護基材から容易に剥離することができるようにすること等を目的として、上記保護基材の表面には、例えば、剥離剤等が塗布されていてもよい。かかる剥離剤には、例えば、当該技術分野において離型剤として知られている各種薬剤が含まれる。より具体的には、かかる剥離剤としては、公知のシリコーン系剥離剤、フッ素系剥離剤等を使用することができる。
【００６０】
上記導体パターンは、主成分として、例えば、少なくとも１種類以上の金属と熱硬化性樹脂前駆体を含んでなる導体ペーストを、例えば、スクリーン印刷等の方法により上記保護基材の表面上に形成することによって配設されることが望ましい。かかる熱硬化性樹脂前駆体としては、フェノール樹脂、レゾール樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂等を使用することができる。これらの中では、フェノール樹脂、レゾール樹脂であることが特に好ましい。かかる導体ペーストを上記保護基材の表面上に印刷した後、この導体ペーストに含まれるバインダーを硬化させることによって、導体パターンを得ることができる。
【００６１】
上記誘電体材料のスラリーとしては、例えば、樹脂、セラミック粉末、及び溶剤を含んでなるスラリーを挙げることができる。ここで、樹脂は所謂「バインダー」として機能するものであり、例えば、フェノール樹脂、レゾール樹脂、若しくはポリウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂、又はポリオール及びポリイソシアネートを含んでなるポリウレタン前駆体等を使用することができる。これらの中では、ポリオール及びポリイソシアネートを含んでなる熱硬化性樹脂前駆体が特に好ましい。
【００６２】
セラミック粉末として使用されるセラミック材料としては、酸化物系セラミック又は非酸化物系セラミックの何れを使用してもよい。例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ２）、酸化ネオジム（Ｎｄ２Ｏ３）等を使用することができる。また、これらの材料は、１種類単独で、または２種以上を組み合わせて使用してもよい。更に、スラリーを調製可能な限りにおいて、セラミック材料の粒子径は特に限定されない。
【００６３】
ところで、基板における配線抵抗に起因する抵抗損失を低減する観点からは、上記導体パターンを構成する金属として、小さい電気抵抗を有する低抵抗導体を選択することが望ましい。かかる低抵抗導体としては、例えば、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、及び銀（Ａｇ）、並びにこれらの２種以上の金属を含む合金等を挙げることができるが、これらの低抵抗導体は、他の金属と比較して、相対的に低い融点を有する。このような低い融点を有する金属を含んでなる導体パターンが埋設された誘電体材料のシート（誘電体層）を当該金属の融点以上の温度において焼成すると、当該金属が融解し、導体パターンの所望の形状を維持することが困難となる虞がある。従って、かかる低抵抗導体を表面電極や内層配線を構成する導体において使用する場合、使用される低抵抗導体の融点未満の温度において焼成することができるセラミック材料を使用することが望ましい。
【００６４】
尚、上記のように、使用される低抵抗導体の融点未満の温度において焼成することができるセラミックとしては、所謂「低温同時焼成セラミックス」（ＬＴＣＣ：Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ）を使用することが望ましい。かかるＬＴＣＣは、例えば、セラミック材料にガラス成分等を添加することによって調製することができる。ＬＴＣＣを使用することにより、低抵抗導体である銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、及び銀（Ａｇ）、並びにこれらの２種以上の金属を含む合金等を前記導体として使用することができる。これにより、基板における配線抵抗を抑制して、当該基板を使用するモジュールにおける抵抗損失を低減することができるのみならず、このような低い融点を有する金属を含んでなる導体パターンが埋設された誘電体材料のシート（誘電体層）を焼成する際に、当該金属が融解して、導体パターンの所望の形状を維持することが困難となる問題を回避することができる。
【００６５】
また、上記溶剤としては、上記バインダーとしての樹脂（及び、使用する場合には分散剤）を溶解するものであれば特に限定されない。溶剤の具体例としては、例えば、多塩基酸エステル（例えば、グルタル酸ジメチル等）、多価アルコールの酸エステル（例えば、トリアセチン（グリセリルトリアセテート）等）等の、２つ以上のエステル結合を有する溶剤を挙げることができる。
【００６６】
更に、上記誘電体材料のスラリーは、上述の樹脂、セラミック粉末、及び溶剤以外に、分散剤を含んでいてもよい。分散剤の具体例としては、例えば、ポリカルボン酸系共重合体、ポリカルボン酸塩等を挙げることができる。かかる分散剤を添加することにより、成形前のスラリーを低粘度とし、且つ高い流動性を有するものとすることができる。
【００６７】
本実施態様に係る基板の製造方法においては、上述のように、保護基材に設けられた複数の穴に柱状導体を挿入する。その後、上記ゲルキャスト法と同様に、当該保護基材上にセラミックを含むスラリーを注ぎ、当該スラリーを固化させる。これにより、少なくとも部分的に基材中に埋設された状態で複数の柱状導体が仮固定されたシート状のセラミック成形体が成形される。次に、必要に応じて導体パターンが埋設された他のシート状のセラミック成形体を必要な枚数だけ積層し、焼成することによって、セラミック配線基板を得ることができる。
【００６８】
但し、前述のように、本発明に係る基板においては、複数の柱状導体が、基材中に埋設された内層電極を介して互いに導通していることが必要である。従って、少なくとも部分的に基材中に埋設された状態で複数の柱状導体が仮固定されたシート状のセラミック成形体の複数の柱状導体が露出していない側に、複数の柱状導体が仮固定された位置に対応する領域に焼成後に内層電極を形成する導体パターンを備える、もう１つのセラミック成形体を積層する。必要に応じて、当該もう１つのセラミック成形体の、複数の柱状導体が仮固定されたシート状のセラミック成形体に対向する主面とは反対側の主面に、更なるセラミック成形体を積層してもよい。また、これらのシート状のセラミック成形体を積層する際に、加熱及び／又は加圧により、結果として得られる積層体の一体化を促進してもよい。斯くして得られた積層体を所定の条件下で焼成することにより、複数の柱状導体が表面に固定されたセラミック基板を得ることができる。
【００６９】
一方、前述のように、本発明に係る基板を、所謂「ドクターブレード法」等の手法によって成形されたグリーンシートを利用して製造することもできる。この場合、例えば、予め成形されたセラミックを含むグリーンシートに複数の柱状導体を突き刺して複数の柱状導体を仮固定してもよい。
【００７０】
即ち、本発明の第８の実施態様は、
本発明の前記第４乃至前記第６の実施態様の何れか１つに係る基板の製造方法であって、
予め成形されたセラミックを含むグリーンシートに前記複数の柱状導体を突き刺して前記複数の柱状導体を仮固定することによって、少なくとも部分的に前記基材中に埋設された状態で前記複数の柱状導体が仮固定されたセラミックグリーンシートを調製し、
前記セラミックグリーンシートと、焼成後に前記内層電極を形成する導体パターンを前記複数の柱状導体が仮固定された位置に対応する領域に備えるセラミックグリーンシートを含む他のセラミックグリーンシートとを積層し、
斯くして得られた積層体を焼成することによって、前記複数の柱状導体が表面に固定されたセラミック基板を得る、
基板の製造方法である。
【００７１】
上記のように、本実施態様に係る基板の製造方法は、所謂「ドクターブレード法」等の手法によって成形されたグリーンシートを利用するものである。本実施態様に係る基板の製造方法においては、例えば、ドクターブレード法等の手法によって前述のようなセラミック材料のスラリーからシート状のグリーンシートを成形する。次に、当該グリーンシートに複数の柱状導体を突き刺して複数の柱状導体を仮固定することにより、少なくとも部分的に基材中に埋設された状態で複数の柱状導体が仮固定されたセラミックグリーンシートを調製する。次に、必要に応じて導体パターンが埋設された他のセラミックグリーンシートを必要な枚数だけ積層し、焼成することによって、セラミック配線基板を得ることができる。
【００７２】
但し、前述のように、本発明に係る基板においては、複数の柱状導体が、基材中に埋設された内層電極を介して互いに導通していることが必要である。従って、少なくとも部分的に基材中に埋設された状態で複数の柱状導体が仮固定されたセラミックグリーンシートの複数の柱状導体が露出していない側に、複数の柱状導体が仮固定された位置に対応する領域に焼成後に内層電極を形成する導体パターンを備える、もう１つのセラミックグリーンシートを積層する。必要に応じて、当該もう１つのセラミックグリーンシートの、複数の柱状導体が仮固定されたシート状のセラミックグリーンシートに対向する主面とは反対側の主面に、更なるセラミックグリーンシートを積層してもよい。また、これらのセラミックグリーンシートを積層する際に、加熱及び／又は加圧により、結果として得られる積層体の一体化を促進してもよい。斯くして得られた積層体を所定の条件下で焼成することにより、複数の柱状導体が表面に固定されたセラミック基板を得ることができる。
【００７３】
尚、上記においては、ドクターブレード法によってグリーンシートを製造する態様として、本実施態様に係る基板の製造方法を説明したが、ドクターブレード法以外の手法によってグリーンシートを製造することもできる。例えば、前述のゲルキャスト法によってグリーンシートを製造してもよい。
【００７４】
更に、前述のように、本発明に係る基板を、所謂「ドクターブレード法」等の手法によって成形されたグリーンシートを利用して製造する場合において、例えば、予め成形されたセラミックを含むグリーンシートに設けられた複数の穴に柱状導体を挿入して複数の柱状導体を仮固定してもよい。
【００７５】
即ち、本発明の第９の実施態様は、
本発明の前記第４乃至前記第６の実施態様の何れか１つに係る基板の製造方法であって、
予め成形されたセラミックを含むグリーンシートに設けられた複数の穴に前記柱状導体を挿入して前記複数の柱状導体を仮固定することによって、少なくとも部分的に前記基材中に埋設された状態で前記複数の柱状導体が仮固定されたセラミックグリーンシートを調製し、
前記セラミックグリーンシートと、焼成後に前記内層電極を形成する導体パターンを前記複数の柱状導体が仮固定された位置に対応する領域に備えるセラミックグリーンシートを含む他のセラミックグリーンシートとを積層し、
斯くして得られた積層体を焼成することによって、前記複数の柱状導体が表面に固定されたセラミック基板を得る、
基板の製造方法である。
【００７６】
上記のように、本実施態様に係る基板の製造方法もまた、所謂「ドクターブレード法」等の手法によって成形されたグリーンシートを利用するものである。本実施態様に係る基板の製造方法においては、例えば、ドクターブレード法等の手法によって前述のようなセラミック材料のスラリーからシート状のグリーンシートを成形する。次に、当該グリーンシートに柱状導体を挿入するための複数の穴を設け、当該グリーンシートに設けられた複数の穴に柱状導体を挿入して複数の柱状導体を仮固定することにより、少なくとも部分的に基材中に埋設された状態で複数の柱状導体が仮固定されたセラミックグリーンシートを調製する。次に、必要に応じて導体パターンが埋設された他のセラミックグリーンシートを必要な枚数だけ積層し、焼成することによって、セラミック配線基板を得ることができる。
【００７７】
但し、前述のように、本発明に係る基板においては、複数の柱状導体が、基材中に埋設された内層電極を介して互いに導通していることが必要である。従って、少なくとも部分的に基材中に埋設された状態で複数の柱状導体が仮固定されたセラミックグリーンシートの複数の柱状導体が露出していない側に、複数の柱状導体が仮固定された位置に対応する領域に焼成後に内層電極を形成する導体パターンを備える、もう１つのセラミックグリーンシートを積層する。必要に応じて、当該もう１つのセラミックグリーンシートの、複数の柱状導体が仮固定されたシート状のセラミックグリーンシートに対向する主面とは反対側の主面に、更なるセラミックグリーンシートを積層してもよい。また、これらのセラミックグリーンシートを積層する際に、加熱及び／又は加圧により、結果として得られる積層体の一体化を促進してもよい。斯くして得られた積層体を所定の条件下で焼成することにより、複数の柱状導体が表面に固定されたセラミック基板を得ることができる。
【００７８】
尚、上記においては、ドクターブレード法によってグリーンシートを製造する態様として、本実施態様に係る基板の製造方法を説明したが、ドクターブレード法以外の手法によってグリーンシートを製造することもできる。例えば、前述のゲルキャスト法によってグリーンシートを製造してもよい。
【００７９】
更に、前述のように、本発明に係る基板の製造方法によって製造される基板においては、基板が備える表面電極を構成する柱状導体の基材から露出している部分の基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ１）に対する、柱状導体の基材中に埋設されている部分の基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ２）の比（Ｌ２／Ｌ１）が１／１０（＝０．１）以上である場合に、前述のような熱的応力や機械的応力を柱状導体が受けた際にも、柱状導体が基板から容易に脱落することを抑制することができる。
【００８０】
従って、本発明のもう１つの好ましい実施態様は、
本発明の前記第４乃至前記第６の実施態様の何れか１つに係る基板であって、
前記柱状導体の前記基材から露出している部分の前記基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ１）に対する、前記柱状導体の前記基材中に埋設されている部分の前記基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ２）の比（Ｌ２／Ｌ１）が１／１０以上である、
基板の製造方法である。
【００８１】
上記のように、本実施態様に係る基板の製造方法によって製造される基板は、柱状導体の基材から露出している部分の基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ１）に対する、柱状導体の基材中に埋設されている部分の基板の主面の略法線方向における長さ（Ｌ２）の比（Ｌ２／Ｌ１）が１／１０以上、より好ましくは１／５以上であるように構成される。これにより、本実施態様に係る基板の製造方法によって製造される基板においては、当該基板が備える表面電極を構成する柱状導体が上述のような熱的応力又は機械的応力に曝された際にも、柱状導体が基板から容易に脱落することが無い。即ち、本実施態様によれば、より信頼性の高い基板を提供することができる。
【００８２】
本発明の幾つかの実施態様に係る基板及び当該基板の製造方法に関する上記説明からも明らかであるように、本発明によれば、例えば、本発明に係るセラミック基板とパワー半導体素子との接合時及びセラミック基板を含むパワーモジュールの完成後の動作時等の高温環境下にあっても、表面電極を形成する複数の柱状導体が変形することによって、セラミック基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因してセラミック基板とパワー半導体素子との接合部に発生する応力を吸収・緩和して、当該応力に起因するセラミック基板とパワー半導体素子との接合部近傍のセラミック基板やパワー半導体素子及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題を低減することができる。
【００８３】
以下、本発明の幾つかの実施態様に係る基板及び当該基板を含むパワーモジュールの構成、並びに当該基板の製造方法等につき、添付図面等を参照しつつ説明する。但し、以下に述べる説明はあくまでも例示を目的とするものであり、本発明の範囲が以下の説明に限定されるものと解釈されるべきではない。
【実施例１】
【００８４】
図１は、前述のように、本発明の１つの実施態様に係る基板及び当該基板を含むパワーモジュールの構成を示す模式図である。具体的には、図１（ａ）は、本発明の１つの実施態様に係る基板１１０を含むパワーモジュール１００の構成を示す模式図である。図１（ａ）に示すように、本発明の１つの実施態様に係る基板１１０は、基材１１１、内層電極１１２、及び複数の柱状導体１１３からなる３つの表面電極を備えている。また、これら３つの表面電極のそれぞれにおいては、複数の柱状導体１１３が基材１１１の内部に埋設された内層電極１１２を介して互いに導通している。尚、本実施例に係る基板においては、複数の柱状導体１１３からなる３つの表面電極を備える主面（図１における下側の主面。以降、「第１表面」とも称する）とは反対側の主面（図１における上側の主面。以降、「第２表面」とも称する）にも３つの表面電極が配設されており、これら第２表面上の３つの表面電極のうち２つは、内層電極１１２を介して、第１表面上の複数の柱状導体１１３からなる３つの表面電極と導通している。一方、これら第２表面上の３つの表面電極のうち１つは、内層電極を介して、第１表面上に配設された、複数の柱状導体１１３からなる３つの表面電極以外の、もう１つの表面電極と導通している。
【００８５】
本発明の１つの実施態様に係る基板１１０が備える複数の柱状導体１１３からなる３つの表面電極は、それぞれの表面電極を構成する複数の柱状導体１１３を介して、基板１１０とは別の基板上に配設されたパワー半導体素子１１４と接合されている。また、基板１１０の第１表面上に配設された、複数の柱状導体１１３からなる３つの表面電極以外の、もう１つの表面電極は、パワー半導体素子１１４が配設された基板上の電極と接合されている。更に、パワー半導体素子が配設された基板のパワー半導体素子１１４とは反対側の主面には、パワー半導体素子１１４から発生する熱を外部に放出するためのヒートシンクが配設されている。
【００８６】
尚、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す点線で囲まれた、複数の柱状導体１１３とパワー半導体素子１１４との接合部近傍の拡大図である。図１（ｂ）において、柱状導体１１３の基板１１０の主面に略平行な平面による断面の等価円直径（Ｄ）、柱状導体１１３の基材１１１から露出している部分の基板１１０の主面の略法線方向における長さ（Ｌ１）、及び柱状導体１１３の基材１１１中に埋設されている部分の基板１１０の主面の略法線方向における長さ（Ｌ２）を、それぞれ図中に示す。前述のように、本発明のより好ましい実施態様においては、上記Ｄ及びＬ１と、柱状導体１１３を構成する材質のヤング率（Ｇ）と、銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）とが、０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇ及びＧｃｕ／Ｇ＞１／１０によって表される関係を満たす場合に、上述のような高温環境下において当該基板１１０とパワー半導体素子１１４との間の熱歪みに起因して発生する応力を、柱状導体１１３の変形によって、更に効果的に吸収・緩和することができる。
【００８７】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、本実施例に係る基板１１０においては、当該基板１１０とパワー半導体素子１１４とを接合する表面電極のそれぞれが、複数の柱状導体１１３によって構成されている。これにより、例えば、本実施例に係る基板１１０とパワー半導体素子１１４との接合時及び当該基板１１０を含むパワーモジュール１００の完成後の動作時等の高温環境下にあっても、表面電極を形成する複数の柱状導体１１３が変形することによって、当該基板１１０とパワー半導体素子１１４との間の熱歪みに起因して当該基板１１０とパワー半導体素子１１４との接合部に発生する応力を吸収・緩和して、当該応力に起因する当該基板１１０とパワー半導体素子１１４との接合部近傍の当該基板１１０やパワー半導体素子１１４及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題を低減することができる。
【００８８】
尚、前述のように、上記のような熱歪みに起因して発生する応力は、基板の主面に平行な面内方向のみならず、基板の主面の法線方向にも発生するが、本実施例に係る基板１１０においては、表面電極が複数の柱状導体１１３によって形成されていることから、何れの方向における応力も吸収・緩和することができる。
【００８９】
また、本実施例に係る基板１１０においては、表面電極が複数の柱状導体１１３によって形成されていることから、パワー半導体素子１１４と当該基板１１０との間における電流経路の導通抵抗（電気抵抗）を効果的に下げることができる。加えて、本実施例に係る基板１１０においては、表面電極が複数の柱状導体１１３によって形成されていることから、パワー半導体素子１１４と当該基板１１０との間において良好な熱伝導が行われるため、パワー半導体素子１１４と当該基板１１０との間における熱抵抗を効果的に下げ、パワー半導体素子１１４から発生する熱を効率良く外部に放出することができる。従って、図１（ａ）に示す実施態様においては、本実施例に係る基板１１０の第２表面に、例えば、パワー半導体素子１１４の動作を制御する制御用ＩＣやコンデンサ等の回路素子が配設されているが、かかる回路素子に加えて、あるいは、かかる回路素子に代えて、当該基板１１０の第２表面にも第２のヒートシンクを配設し、パワー半導体素子１１４から発生する熱を、当該基板１１０を介して上記第２のヒートシンクに伝導して外部に放出することにより、パワーモジュール１００の放熱効率を向上させることもできる。
【００９０】
更に、上述のように、本実施例に係る基板１１０においては、第１表面に形成された表面電極を形成する複数の柱状導体１１３が、基材１１１中に埋設された内層電極１１２を介して互いに導通している。これにより、パワー半導体素子１１４と当該基板１１０との間における電流経路や熱伝導経路を効果的に拡大することができるのみならず、特定の柱状導体１１３に電流や熱が集中して、熱歪みに起因して発生する応力が特定の柱状導体１１３に集中することを抑制することもできる。
【００９１】
以上のように、本実施例に係る基板１１０によれば、パワー半導体素子１１４と当該基板１１０との間における電気抵抗及び熱抵抗の増大を伴うこと無く、例えば、当該基板１１０とパワー半導体素子１１４との接合時及び当該基板１１０を含むパワーモジュール１００の完成後の動作時等の高温環境下において当該基板１１０とパワー半導体素子１１４との間の熱歪みに起因して発生する応力を、表面電極を形成する複数の柱状導体１１３の変形によって吸収・緩和させることにより、当該応力に起因する当該基板１１０とパワー半導体素子１１４との接合部近傍の当該基板１１０やパワー半導体素子１１４及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題を低減することができる。
【００９２】
尚、図１に示す本実施例に係る基板及び当該基板を含むパワーモジュールの構成は、あくまでも一例に過ぎず、本発明に係る基板及び当該基板を含むパワーモジュールの構成は本実施例によって限定されるものと解釈されるべきではない。また、図１は、本発明の１つの実施態様に係る基板及び当該基板を含むパワーモジュールの構成を説明することを目的として示される模式図であり、本実施例に係る基板及び当該基板を含むパワーモジュールを構成する個々の構成要素の大きさや形状等は必ずしも正確なものではないことを念のため申し添えておく。
【実施例２】
【００９３】
図２は、前述のように、本発明の１つの実施態様に係る基板の製造方法を説明する模式図である。本実施例に係る基板の製造方法においては、直径１００μｍ、長さ２００μｍの銅（Ｃｕ）製のワイヤを柱状導体として採用し、前述のようにゲルキャスト法を利用して、部分的に基材中に埋設された状態で当該柱状導体を仮固定した。具体的には、図２（ａ）に示すように、２００μｍの間隔（ピッチ）にて複数の穴を設けた、７５μｍの厚みを有するＰＥＴシート製の保護基材２０１を用意し、図２（ｂ）に示すように、それぞれの穴に、柱状導体２０２を挿入し、固定した。次に、図２（ｃ）に示すように、斯くして柱状導体２０２が挿入・固定された保護基材２０１を金属枠（金型２０４）内に固定し、前述のように熱硬化性樹脂等を含むセラミック材料のスラリーを当該金属枠（金型２０４）中に流し込み、加熱することにより、当該スラリーを固化させた。次いで、図２（ｄ）に示すように、斯くして得られたテープ状のセラミック成形体を他の誘電体セラミックシート（セラミック成形体２０５）と圧着して、セラミック成形体の積層体とし、当該積層体を焼成して、図２（ｅ）に示す本実施例に係る基板２００を製造した。
【００９４】
ところで、前述のように、本発明に係る基板においては、複数の柱状導体が、基材中に埋設された内層電極を介して互いに導通していることが必要である。上記説明を解り易くする目的で、本実施例においては割愛したが、セラミック成形体２０５の少なくとも柱状導体２０２と接触する領域には、個々の柱状導体２０２と導通する内層電極が配設されている必要がある。
【００９５】
尚、上記積層体の焼成時には、前述のように、主としてセラミックからなる基材（及び内層電極）は焼成に伴う収縮挙動（焼き締まり）を呈する。一方、銅（Ｃｕ）製のワイヤである柱状導体においては焼き締まりは起こらないことに加え、柱状導体２０２の基材中に埋設された側の端部は他のセラミック成形体２０５（に配設された内層電極）と接触することから、柱状導体２０２の基材中に埋設されていない端部側（柱状導体２０２が基材から露出している側）に、柱状導体２０２が更に突き出る。本実施例においては、上記積層体の焼成に伴い、柱状導体２０２がセラミックシートから更に２５μｍ突き出た。これにより、焼成後の本実施例に係る基板２００においては、柱状導体２０２の基材から露出している部分の（基板２００の主面の略法線方向における）長さＬ１が１００μｍとなった（７５＋２５＝１００μｍ）。また、柱状導体２０２の基材中に埋設されている部分の（基板の主面の略法線方向における）長さＬ２は、１００μｍとなった（２００−１００＝１００μｍ）。従って、焼成後の本実施例に係る基板２００におけるＤ／Ｌ１は１．０となる（１００／１００＝１．０）。
【００９６】
また、本実施例に係る基板２００において採用した柱状導体２０２の材質は、上述のように銅（Ｃｕ）である。即ち、本実施例に係る基板２００において採用した柱状導体２０２を構成する材質のヤング率（Ｇ）は、銅（Ｃｕ）のヤング率である１１０×１０９［Ｎ／ｍ２］となる。一方、銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）は、前述のように、１１０×１０９［Ｎ／ｍ２］である。従って、本実施例に係る基板２００における、柱状導体２０２を構成する材質のヤング率（Ｇ）に対する銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）の比（Ｇｃｕ／Ｇ）は１．０となる（１１０／１１０＝１．０）。
【００９７】
以上より、焼成後の本実施例に係る基板２００におけるＤ／Ｌ１（１．０）及びＧｃｕ／Ｇ（１．０）は、本発明のより好ましい実施態様において規定される前述の関係式０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇ及びＧｃｕ／Ｇ＞１／１０の両方を満足している。このことから、本実施例に係る基板２００は、前述のような高温環境下において当該基板２００とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する応力を、柱状導体２０２の変形によって、更に効果的に吸収・緩和することができるものと期待される。
【００９８】
そこで、上述のようにして得られた本実施例に係る基板２００とパワー半導体素子とを、高温半田を用いて接合したところ、個々の柱状導体２０２が、高温半田により、パワー半導体表面素子の端子に接合・固定された。この際、セラミック基板２００、パワー半導体素子、及び高温半田による接合部の何れにおいても、亀裂や断線等の異常の発生は観察されなかった。
【実施例３】
【００９９】
図３は、前述のように、本発明のもう１つの実施態様に係る基板の製造方法を説明する模式図である。本実施例に係る基板の製造方法においては、直径５０μｍ、長さ３００μｍの銀（Ａｇ）製のワイヤを柱状導体として採用した。また、本実施例に係る基板の製造方法においては、前述のようにドクターブレード法等の手法によって成形されたグリーンシートを利用して、基材中に完全に埋設された状態で当該柱状導体を仮固定した。具体的には、図３（ａ）に示すように、３００μｍの厚みを有するセラミックグリーンシート２０６に柱状導体２０２を突き刺して埋設することにより、１５０μｍの間隔（ピッチ）を有するアレー状に柱状導体２０２を配列した。次に、図３（ｂ）に示すように、斯くして得られたセラミックグリーンシート２０６を他のセラミックグリーンシート２０７と積層し、当該積層体を焼成して、図３（ｃ）に示す本実施例に係る基板２００を製造した。
【０１００】
ところで、前述のように、本発明に係る基板においては、複数の柱状導体が、基材中に埋設された内層電極を介して互いに導通していることが必要である。上記説明を解り易くする目的で、本実施例においては割愛したが、セラミックグリーンシート２０７の少なくとも柱状導体２０２と接触する領域には、個々の柱状導体２０２と導通する内層電極が配設されている必要がある。
【０１０１】
尚、本実施例に係る基板２００においては、上記積層体の焼成に伴い、柱状導体２０２がセラミックグリーンシートから６０μｍ突き出た。即ち、焼成後の本実施例に係る基板２００において、柱状導体２０２の基材から露出している部分の（基板の主面の略法線方向における）長さＬ１は６０μｍ、柱状導体２０２の基材中に埋設されている部分の（基板の主面の略法線方向における）長さＬ２は２４０μｍであった（３００−６０＝２４０μｍ）。従って、焼成後の本実施例に係る基板２００におけるＤ／Ｌ１は約０．８となる（５０／６０≒０．８）。
【０１０２】
また、本実施例に係る基板２００において採用した柱状導体２０２の材質は、上述のように銀（Ａｇ）である。即ち、本実施例に係る基板２００において採用した柱状導体２０２を構成する材質のヤング率（Ｇ）は、銀（Ａｇ）のヤング率である７６×１０９［Ｎ／ｍ２］となる。一方、銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）は、前述のように、１１０×１０９［Ｎ／ｍ２］である。従って、本実施例に係る基板２００における、柱状導体２０２を構成する材質のヤング率（Ｇ）に対する銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）の比（Ｇｃｕ／Ｇ）は約１．４となる（１１０／７６≒１．４）。
【０１０３】
以上より、焼成後の本実施例に係る基板２００におけるＤ／Ｌ１（約０．８）及びＧｃｕ／Ｇ（約１．４）は、本発明のより好ましい実施態様において規定される前述の関係式０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇ及びＧｃｕ／Ｇ＞１／１０の両方を満足している。このことから、本実施例に係る基板２００もまた、前述のような高温環境下において当該基板２００とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する応力を、柱状導体２０２の変形によって、更に効果的に吸収・緩和することができるものと期待される。
【０１０４】
そこで、上述のようにして得られた本実施例に係る基板２００とパワー半導体素子とを、高温半田を用いて接合したところ、個々の柱状導体２０２が、高温半田により、パワー半導体表面素子の端子に接合・固定された。この際、セラミック基板２００、パワー半導体素子、及び高温半田による接合部の何れにおいても、亀裂や断線等の異常の発生は観察されなかった。
【実施例４】
【０１０５】
本実施例に係る基板の製造方法については、対応する図面は添付していない。本実施例に係る基板の製造方法においては、直径３００μｍ、長さ１０００μｍの銅（Ｃｕ）製のワイヤを柱状導体として採用した。また、本実施例に係る基板の製造方法においては、前述のようにドクターブレード法等の手法によって成形されたグリーンシートを利用して、基材中に部分的に埋設された状態で当該柱状導体を仮固定した。具体的には、３００μｍの厚みを有するセラミックグリーンシートに、６００μｍの間隔（ピッチ）にてアレー状に配列された、２８０μｍの直径を有する複数の穴を設けた。次に、それぞれの穴に、上記柱状導体を挿入し、固定した。斯くして得られたセラミックグリーンシートを他のセラミックグリーンシートと積層し、当該積層体を焼成して、本実施例に係る基板を製造した。
【０１０６】
ところで、前述のように、本発明に係る基板においては、複数の柱状導体が、基材中に埋設された内層電極を介して互いに導通していることが必要である。上記説明を解り易くする目的で、本実施例においては割愛したが、上記他のセラミックグリーンシートの少なくとも柱状導体と接触する領域には、個々の柱状導体と導通する内層電極が配設されている必要がある。
【０１０７】
尚、本実施例に係る基板においては、上記積層体の焼成に伴い、柱状導体がセラミックグリーンシートから更に６０μｍ突き出た。これにより、焼成後の本実施例に係る基板においては、柱状導体の基材から露出している部分の（基板の主面の略法線方向における）長さＬ１が７６０μｍとなった（１０００−３００＋６０＝７６０μｍ）。また、柱状導体の基材中に埋設されている部分の（基板の主面の略法線方向における）長さＬ２は、２４０μｍとなった（１０００−７６０＝２４０μｍ）。従って、焼成後の本実施例に係る基板におけるＤ／Ｌ１は約０．４となる（３００／７６０≒０．４）。
【０１０８】
また、本実施例に係る基板において採用した柱状導体の材質は、上述のように銅（Ｃｕ）である。即ち、本実施例に係る基板において採用した柱状導体を構成する材質のヤング率（Ｇ）は、銅（Ｃｕ）のヤング率である１１０×１０９［Ｎ／ｍ２］となる。一方、銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）は、前述のように、１１０×１０９［Ｎ／ｍ２］である。従って、本実施例に係る基板における、柱状導体を構成する材質のヤング率（Ｇ）に対する銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）の比（Ｇｃｕ／Ｇ）は１．０となる（１１０／１１０＝１．０）。
【０１０９】
以上より、焼成後の本実施例に係る基板におけるＤ／Ｌ１（約０．４）及びＧｃｕ／Ｇ（１．０）は、本発明のより好ましい実施態様において規定される前述の関係式０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇ及びＧｃｕ／Ｇ＞１／１０の両方を満足している。このことから、本実施例に係る基板もまた、前述のような高温環境下において当該基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する応力を、柱状導体の変形によって、更に効果的に吸収・緩和することができるものと期待される。
【０１１０】
そこで、上述のようにして得られた本実施例に係る基板とパワー半導体素子とを、高温半田を用いて接合したところ、個々の柱状導体が、高温半田により、パワー半導体表面素子の端子に接合・固定された。この際、セラミック基板、パワー半導体素子、及び高温半田による接合部の何れにおいても、亀裂や断線等の異常の発生は観察されなかった。
【実施例５】
【０１１１】
本実施例においては、本発明に係る基板の製造方法ではなく、比較例に係る基板の製造方法について説明する。本実施例に係る基板の製造方法においては、直径１００μｍ、長さ１５０μｍの銅（Ｃｕ）製のワイヤを柱状導体として採用し、前述のようにゲルキャスト法を利用して、部分的に基材中に埋設された状態で当該柱状導体を仮固定した。具体的には、２００μｍの間隔（ピッチ）にて複数の穴を設けた、７５μｍの厚みを有するＰＥＴシート製の保護基材を用意し、それぞれの穴に、上記柱状導体を挿入し、固定した。次に、斯くして柱状導体が挿入・固定された保護基材を金属枠（金型）内に固定し、前述のように熱硬化性樹脂等を含むセラミック材料のスラリーを当該金属枠（金型）中に流し込み、加熱することにより、当該スラリーを固化させた。次いで、斯くして得られたテープ状のセラミック成形体を他の誘電体セラミックシート（セラミック成形体）と圧着して、セラミック成形体の積層体とし、当該積層体を焼成して、本実施例に係る基板を製造した。
【０１１２】
尚、本実施例に係る基板においては、上記積層体の焼成に伴い、柱状導体がセラミックグリーンシートから更に１５μｍ突き出た。これにより、焼成後の本実施例に係る基板においては、柱状導体の基材から露出している部分の（基板の主面の略法線方向における）長さＬ１が９０μｍとなった（７５＋１５＝９０μｍ）。また、柱状導体の基材中に埋設されている部分の（基板の主面の略法線方向における）長さＬ２は、６０μｍとなった（１５０−９０＝６０μｍ）。従って、焼成後の本実施例に係る基板におけるＤ／Ｌ１は約１．１となる（１００／９０≒１．１）。
【０１１３】
また、本実施例に係る基板において採用した柱状導体の材質は、上述のように銅（Ｃｕ）である。即ち、本実施例に係る基板において採用した柱状導体を構成する材質のヤング率（Ｇ）は、銅（Ｃｕ）のヤング率である１１０×１０９［Ｎ／ｍ２］となる。一方、銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）は、前述のように、１１０×１０９［Ｎ／ｍ２］である。従って、本実施例に係る基板における、柱状導体を構成する材質のヤング率（Ｇ）に対する銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）の比（Ｇｃｕ／Ｇ）は１．０となる（１１０／１１０＝１．０）。
【０１１４】
以上より、焼成後の本実施例に係る基板におけるＧｃｕ／Ｇ（１．０）は、本発明のより好ましい実施態様において規定される前述の関係式Ｇｃｕ／Ｇ＞１／１０を満足しているものの、Ｄ／Ｌ１（約１．１）は、本発明のより好ましい実施態様において規定される前述の関係式０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇを満足していない。このことから、本実施例に係る基板は、前述のような高温環境下において当該基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する応力を、柱状導体の変形によって、効果的に吸収・緩和することができないものと危惧される。
【０１１５】
そこで、上述のようにして得られた本実施例に係る基板とパワー半導体素子とを、高温半田を用いて接合したところ、個々の柱状導体が、高温半田により、パワー半導体表面素子の端子に接合・固定された。しかしながら、比較例としての本実施例においては、セラミック基板表面における柱状導体の根元部近傍に亀裂の発生が認められた。
【実施例６】
【０１１６】
次に、本実施例においては、柱状導体の直径（Ｄ）及び焼成後の基板において基材から露出している柱状導体の（基板の主面の略法線方向における）長さ（Ｌ１）を種々に変更することにより、これらの比（Ｄ／Ｌ１）を種々に変更して、各種サンプル基板を製造した。尚、本実施例においては、基材を構成するセラミック材料として前述のＬＴＣＣを採用し、柱状導体の素材として銀（Ａｇ）を採用し、前述のようにゲルキャスト法を利用して、部分的に基材中に埋設された状態で当該柱状導体を仮固定した。その他の製造工程については、前述の実施例１と同様である。
【０１１７】
本実施例において製造した各種サンプル基板において採用した柱状導体の材質は上述のように銀（Ａｇ）である。また、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）のヤング率は、前述のように、それぞれ７６×１０９［Ｎ／ｍ２］及び１１０×１０９［Ｎ／ｍ２］である。結果として、本実施例において製造した各種サンプル基板において採用した柱状導体を構成する材質のヤング率（Ｇ）に対する銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）の比（Ｇｃｕ／Ｇ）は約１．４となる（１１０／７６≒１．４）。従って、本実施例において、本発明のより好ましい実施態様において規定される前述の関係式０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇを満足するＤ／Ｌ１の範囲は、０．１以上であり、約１．４以下である。尚、本実施例におけるＧｃｕ／Ｇの値（約１．４）は、本発明のより好ましい実施態様において規定される前述の関係式Ｇｃｕ／Ｇ＞１／１０を満足している。
【０１１８】
以上のように製造した各種サンプル基板とパワー半導体素子とを高温半田を用いて接合し、サンプル基板とパワー半導体素子との接合部における断線の発生状況及びサンプル基板の表面における柱状導体の根元部近傍での亀裂の発生状況について観察した結果を以下の表１に列挙する。
【０１１９】
【表１】
0005631857.tif 000002
【０１２０】
表１に列挙した結果からも明らかであるように、本実施例において製造した各種サンプル基板の構成においては、柱状導体の直径（Ｄ）と焼成後の基板において基材から露出している柱状導体の（基板の主面の略法線方向における）長さ（Ｌ１）との種々の組み合わせを有する各種サンプル基板の中でも、これらの比（Ｄ／Ｌ１）が本発明のより好ましい実施態様において規定される前述の関係式０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇ（具体的には、０．１≦Ｄ／Ｌ１≦約１．４）を満足するサンプル基板においてのみ、サンプル基板とパワー半導体素子とを高温半田を用いて接合した際に、サンプル基板とパワー半導体素子との接合部における断線及びサンプル基板の表面における柱状導体の根元部近傍での亀裂が何れも発生していない。
【０１２１】
以上の結果から、焼成後において本発明のより好ましい実施態様において規定される前述の関係式０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇ及びＧｃｕ／Ｇ＞１／１０の両方を満足するＤ／Ｌ１及びＧｃｕ／Ｇを有する本発明に係る基板においては、前述のような高温環境下においても、セラミック基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する応力を、表面電極を構成する柱状導体の変形によって更に効果的に吸収・緩和することにより、当該応力に起因するセラミック基板とパワー半導体素子との接合部近傍のセラミック基板やパワー半導体素子及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題を更に効果的に低減することができることが確認された。
【実施例７】
【０１２２】
本実施例においても、前述の実施例６と同様に、柱状導体の直径（Ｄ）及び焼成後の基板において基材から露出している柱状導体の（基板の主面の略法線方向における）長さ（Ｌ１）を種々に変更することにより、これらの比（Ｄ／Ｌ１）を種々に変更して、各種サンプル基板を製造した。尚、本実施例においては、柱状導体の素材としてニッケル（Ｎｉ）を採用した。その他の事項については、前述の実施例６と同様である。
【０１２３】
本実施例において製造した各種サンプル基板において採用した柱状導体の材質は上述のようにニッケル（Ｎｉ）である。また、ニッケル（Ｎｉ）及び銅（Ｃｕ）のヤング率は、それぞれ２０７×１０９［Ｎ／ｍ２］及び１１０×１０９［Ｎ／ｍ２］である。結果として、本実施例において製造した各種サンプル基板において採用した柱状導体を構成する材質のヤング率（Ｇ）に対する銅（Ｃｕ）のヤング率（Ｇｃｕ）の比（Ｇｃｕ／Ｇ）は約０．５となる（１１０／２０７≒０．５）。従って、本実施例において、本発明のより好ましい実施態様において規定される前述の関係式０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇを満足するＤ／Ｌ１の範囲は、０．１以上であり、約０．５以下である。尚、本実施例におけるＧｃｕ／Ｇの値（約０．５）は、本発明のより好ましい実施態様において規定される前述の関係式Ｇｃｕ／Ｇ＞１／１０を満足している。
【０１２４】
以上のように製造した各種サンプル基板とパワー半導体素子とを高温半田を用いて接合し、サンプル基板とパワー半導体素子との接合部における断線の発生状況及びサンプル基板の表面における柱状導体の根元部近傍での亀裂の発生状況について観察した結果を以下の表２に列挙する。
【０１２５】
【表２】
0005631857.tif 000003
【０１２６】
表２に列挙した結果からも明らかであるように、本実施例において製造した各種サンプル基板の構成においては、柱状導体の直径（Ｄ）と焼成後の基板において基材から露出している柱状導体の（基板の主面の略法線方向における）長さ（Ｌ１）との種々の組み合わせを有する各種サンプル基板の中でも、これらの比（Ｄ／Ｌ１）が本発明のより好ましい実施態様において規定される前述の関係式０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇ（具体的には、０．１≦Ｄ／Ｌ１≦約０．５）を満足するサンプル基板においてのみ、サンプル基板とパワー半導体素子とを高温半田を用いて接合した際に、サンプル基板とパワー半導体素子との接合部における断線及びサンプル基板の表面における柱状導体の根元部近傍での亀裂が何れも発生していない。
【０１２７】
以上の結果から、焼成後において本発明のより好ましい実施態様において規定される前述の関係式０．１≦Ｄ／Ｌ１≦Ｇｃｕ／Ｇ及びＧｃｕ／Ｇ＞１／１０の両方を満足するＤ／Ｌ１及びＧｃｕ／Ｇを有する本発明に係る基板においては、前述のような高温環境下においても、セラミック基板とパワー半導体素子との間の熱歪みに起因して発生する応力を、表面電極を構成する柱状導体の変形によって更に効果的に吸収・緩和することにより、当該応力に起因するセラミック基板とパワー半導体素子との接合部近傍のセラミック基板やパワー半導体素子及び当該接合部における亀裂の発生や、当該接合部の断線等の問題を更に効果的に低減することができることが改めて確認された。
【０１２８】
以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する幾つかの実施態様について説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることができることは言うまでも無い。
【符号の説明】
【０１２９】
１００…パワーモジュール、１１０…基板、１１１…基材、１１２…内層電極、１１３…柱状導体、１１４…パワー半導体素子、２００…基板、２０１…保護基材、２０２…柱状導体、２０３…セラミックスラリー、２０４…金型、２０５…他のセラミック成形体、２０６…セラミックグリーンシート、及び２０７…他のセラミックグリーンシート。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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