(57)【要約】【課題】電力用半導体素子の破損を防止することにより、信頼性を向上させることが可能な半導体パワーモジュールを提供すること。【解決手段】半導体パワーモジュール１０は、配線基板１１と、配線基板１１の基板主面２１側に搭載される電力用半導体素子５１と、配線基板１１及び電力用半導体素子５１の間に介在される接合層４１とを備える。接合層４１は、導電部４７と絶縁部４８とを有する。導電部４７は、配線基板１１側の導体及び電力用半導体素子５１側の端子を電気的に接続させる。絶縁部４８は、無機絶縁材料を主成分として含み、互いに隣接する導電部４７同士の隙間に充填されるとともに、各導電部４７を取り囲むように配置される。なお、導電部４７のヤング率（ＧＰａ）と、導電部４７と絶縁部４８との熱膨張係数差（ｐｐｍ／Ｋ）との積は、８５０以下である。【選択図】図２
2015141952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板主面を有する板状の配線基板と、
前記基板主面側に搭載され、前記配線基板側の導体に電気的に接続される電力用半導体素子と、
前記配線基板及び前記電力用半導体素子の間に介在され、前記配線基板及び前記電力用半導体素子を接合する接合層と
を備える半導体パワーモジュールであって、
前記接合層は、
前記配線基板側の導体及び前記電力用半導体素子側の端子を電気的に接続させる複数の導電部と、
無機絶縁材料を主成分として含み、互いに隣接する前記導電部同士の隙間に充填されるとともに、前記複数の導電部を取り囲むように配置される絶縁部と
を有し、
前記導電部のヤング率（ＧＰａ）と、前記導電部と前記絶縁部との熱膨張係数差（ｐｐｍ／Ｋ）との積が、８５０以下である
ことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項２】
前記導電部は、導電性を有する金属材料と、前記金属材料よりも熱膨張係数が小さい無機フィラーとによって構成される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。
【請求項３】
前記導電部は多孔質体である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。
【請求項４】
前記絶縁部は、ガラスを主成分として含み、ヤング率が１０ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項５】
前記電力用半導体素子は、素子主面、素子裏面及び素子側面を有し、前記接合層に前記素子裏面及び前記素子側面が密着した状態で、前記接合層に埋設されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配線基板及び電力用半導体素子を接合層で接合した構造を有する半導体パワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力変換機器（インバータやＤＣ−ＤＣコンバータ）などの大電流を流す機器には、電力用のパワー半導体素子が用いられている。パワー半導体素子は、配線基板に実装された状態（半導体パワーモジュールの状態）で使用されるものである。また、近年、半導体パワーモジュールの小型化や高密度化が望まれている。半導体パワーモジュールの小型化や高密度化を実現する手法としては、例えば、パワー半導体素子の底面に配置された多数の端子を、配線基板側の導体に対してフリップチップ接続することなどが挙げられる。
【０００３】
しかしながら、フリップチップ接続を行う場合、小型化、高密度化に伴って発熱密度が増大するため、必然的に半導体パワーモジュール全体が高温化し、半導体パワーモジュールを構成する部材、特に樹脂部材の耐熱温度を超えてしまう。そこで、この問題を解決するための構造が種々提案されている（例えば特許文献１，２参照）。特許文献１に記載の半導体パワーモジュールは、半導体素子と、半導体素子を搭載する多層基板と、半導体素子及び多層基板を接合する接合層とを備え、接合層が、多層基板側の導体及び半導体素子側の端子を電気的に接続させる導電部と、多層基板及び半導体素子の間を絶縁させる絶縁部とを備えた構造を有している。また、特許文献２に記載の半導体パワーモジュールは、半導体素子と、半導体素子を搭載する回路基板と、半導体素子の裏面に設けられた突起電極（導電部）と、半導体素子を収容する凹部を有する熱拡散板とを備え、熱拡散板と半導体素子との隙間が絶縁部によって封止された構造を有している。なお、これらの絶縁部は、耐熱性が比較的高いガラスを主成分として含んでいる。この場合、半導体パワーモジュール全体が高温となっても、構成部材の耐熱温度を超える可能性が小さくなるため、半導体パワーモジュールの破損を防止することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−５１３８９号公報（図１等）
【特許文献２】特開２００５−２５１９９７号公報（図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来のシリコンデバイスを用いたパワー半導体素子は、１２５℃以下で使用されてきたが、近年の機器の小型化や一体化に伴い、シリコンデバイス自体の耐熱限界温度に近い１７５℃で使用されるようになりつつある。しかも、炭化珪素デバイスなどを用いたパワー半導体素子は、シリコンデバイスの耐熱限界温度以上の温度域（３００℃程度の高温域）でも使用可能であるため、その使用が検討されている。つまり、パワー半導体素子の使用環境下での最高温度は、従来よりも上昇してきている。また、使用される環境下（寒冷地での使用）では、低温になる場合もある。従って、高温で使用される半導体素子を備える半導体パワーモジュールには、半導体素子がオンオフすることによって、大きな熱ストレスが繰り返しかかることになる。
【０００６】
ところが、特許文献１，２に示されるようなガラスを主成分とする絶縁部は、一般的に、樹脂を主成分とする絶縁部や、シリコーンを主成分とする絶縁部などに比べて硬度が高い。よって、半導体パワーモジュールに大きな熱ストレスがかかる際には、絶縁部が変形しない一方、導電部が大きく変形するため、導電部が絶縁部から突き出したり、導電部が絶縁部内に引っ込んだりするようになる。この導電部の変形は、半導体素子に対して局所的に大きな応力を発生させるものであるため、半導体素子の破損（具体的には、半導体素子の割れや、半導体素子の素子裏面に形成されたバンプの剥れ）に繋がることが懸念される。
【０００７】
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、電力用半導体素子の破損を防止することにより、信頼性を向上させることが可能な半導体パワーモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そして、上記課題を解決するための手段（手段１）としては、基板主面を有する板状の配線基板と、前記基板主面側に搭載され、前記配線基板側の導体に電気的に接続される電力用半導体素子と、前記配線基板及び前記電力用半導体素子の間に介在され、前記配線基板及び前記電力用半導体素子を接合する接合層とを備える半導体パワーモジュールであって、前記接合層は、前記配線基板側の導体及び前記電力用半導体素子側の端子を電気的に接続させる複数の導電部と、無機絶縁材料を主成分として含み、互いに隣接する前記導電部同士の隙間に充填されるとともに、前記複数の導電部を取り囲むように配置される絶縁部とを有し、前記導電部のヤング率（ＧＰａ）と、前記導電部と前記絶縁部との熱膨張係数差（ｐｐｍ／Ｋ）との積が、８５０以下であることを特徴とする半導体パワーモジュールがある。
【０００９】
従って、手段１に記載の発明によると、導電部のヤング率（ＧＰａ）と、導電部と絶縁部との熱膨張係数差（ｐｐｍ／Ｋ）との積が、８５０以下となることにより、温度変化の際に生じる、絶縁部からの導電部の突き出しや、絶縁部内への導電部の引っ込みを抑制することができる。その結果、導電部の変形に起因する電力用半導体素子の変形が抑制されるため、電力用半導体素子の破損を防止することができる。ゆえに、半導体パワーモジュールの信頼性を向上させることができる。
【００１０】
なお、「導電部の熱膨張係数」は、導電部が金属材料と無機フィラーとによって構成される場合に、下記の式によって算出される。
（導電部の熱膨張係数）＝（金属材料の熱膨張係数）×（１−無機フィラーの体積含有率）＋（無機フィラーの熱膨張係数）×（無機フィラーの体積含有率）
【００１１】
配線基板は、例えばセラミック材料を用いて基板主面を有する板状に形成される。配線基板を構成するセラミック材料としては、酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化珪素、窒化珪素などといった高温焼成セラミックの焼結体が好適に使用される。また、ホウケイ酸ガラスやホウケイ酸鉛系ガラスにアルミナ等の無機セラミックフィラーを添加したガラスセラミックのような低温焼成セラミックの焼結体を使用してもよい。
【００１２】
なお、配線基板は、ビア導体部が設けられた複数のセラミック層を積層配置してなり、複数のビア導体部をセラミック層の積層方向に連結することによってビア導体が構成され、複数のビア導体部は、セラミック層の積層方向において同軸上に配置されていてもよい。ここで、ビア導体としては特に限定されないが、例えば、メタライズ導体であってもよい。同時焼成法によってメタライズ導体及びセラミック層（配線基板）を形成する場合、メタライズ導体中の金属粉末は、セラミック層の焼成温度よりも高融点である必要がある。例えば、セラミック層がいわゆる高温焼成セラミック（例えばアルミナ等）からなる場合には、メタライズ導体中の金属粉末として、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）等やそれらの混合系が選択可能である。セラミック層がいわゆる低温焼成セラミック（例えばガラスセラミック等）からなる場合には、メタライズ導体中の金属粉末として、銅（Ｃｕ）または銀（Ａｇ）等やそれらの混合系が選択可能である。
【００１３】
電力用半導体素子は、１０Ａ以上の電流が流れることで２００℃以上の温度に発熱するパワー半導体素子であってもよい。パワー半導体素子を搭載する配線基板では、使用時における熱ストレスが大きくなる。なお、電力用半導体素子は、素子主面、素子裏面及び素子側面を有し、接合層に素子裏面及び素子側面が密着しかつ素子主面が放熱基板に接合された状態で、接合層に埋設されていてもよい。このようにした場合、電力用半導体素子の素子側面が接合層に接触するなどして、電力用半導体素子の平面方向への位置ずれが防止されるため、電力用半導体素子と配線基板との接続不良を防止することができる。
【００１４】
なお、配線基板において基板主面の反対側に位置する基板裏面側には、受動部品が搭載可能であってもよい。上述したように、配線基板の基板主面側にパワー半導体素子が搭載される場合、基板主面側は高温となる。この場合、耐熱性が比較的低い受動部品（コンデンサや抵抗などの電子部品）を基板裏面側に搭載すると、配線基板が有する断熱効果により、基板主面側の熱が基板裏面側に直接伝わらないため、熱による受動部品の性能劣化を抑えることができる。
【００１５】
また、接合層は、配線基板及び電力用半導体素子の間に介在され、配線基板及び電力用半導体素子を接合する。接合層は、配線基板側の導体及び電力用半導体素子側の端子を電気的に接続させる複数の導電部と、無機絶縁材料を主成分として含み、互いに隣接する導電部同士の隙間に充填されるとともに、複数の導電部を取り囲むように配置される絶縁部とを有する。
【００１６】
ここで、導電部は、導電性を有する金属材料と、金属材料よりも熱膨張係数が小さい無機フィラーとによって構成されていてもよい。このようにすれば、導電部と絶縁部との熱膨張係数差が小さくなるため、温度変化の際に生じる、絶縁部からの導電部の突き出しや、絶縁部内への導電部の引っ込みを抑制することができる。
【００１７】
なお、導電部を構成する金属材料としては、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウム（Ｉｎ）等やそれらの合金が選択可能である。一方、導電部を構成する無機フィラーとしては、絶縁性を有する無機フィラーや、導電性を有する無機フィラーが選択可能である。無機フィラーが絶縁性を有する無機フィラーであれば、導電性を有する無機フィラーよりも低コストで熱膨張係数のより小さな導電部を得ることができる。無機フィラーが導電性を有する無機フィラーであれば、導電部の電気抵抗を小さくすることができる。ここで、絶縁性を有する無機フィラーとしては、酸化ホウ素、窒化ホウ素、酸化珪素、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素などからなるセラミックフィラーや、ホウケイ酸ガラス、ホウ酸ガラス、リン酸ガラス、シリカガラスなどからなるガラスフィラー等が挙げられる。導電性を有する無機フィラーとしては、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）などからなる金属フィラー等が挙げられる。
【００１８】
また、導電部の無機フィラーの含有率は特に限定されないが、例えば、２０体積％以上６０体積％以下であることがよい。仮に、無機フィラーの含有率が２０体積％未満になると、導電部と絶縁部との熱膨張係数差があまり小さくならないため、温度変化の際に生じる、絶縁部からの導電部の突き出しや、絶縁部内への導電部の引っ込みをさほど抑制できなくなる。一方、無機フィラーの含有率が６０体積％よりも大きくなると、無機フィラーが絶縁性を有する場合には、導電部の電気抵抗や発熱量が大きくなってしまう。
【００１９】
なお、導電部は多孔質体であってもよい。このようにすれば、空隙の存在によって導電部が軟らかくなるため、温度変化に伴って導電部が大きく変形したとしても、電力用半導体素子に作用する応力を低減することができる。その結果、導電部の変形に起因する電力用半導体素子の変形が抑制されるため、電力用半導体素子の破損を防止することができる。なお、導電部の空隙率は特に限定されないが、例えば、１０％以上３０％以下であることがよい。仮に、空隙率が１０％未満になると、導電部が硬くなりすぎるため、温度変化に伴って導電部が変形した際に、電力用半導体素子に大きな応力が作用してしまう。一方、空隙率が３０％よりも大きくなると、導電部の電気抵抗や発熱量が大きくなってしまう。
【００２０】
また、絶縁部を構成する無機絶縁材料（主成分）としては、酸化ホウ素、窒化ホウ素、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素などからなるセラミックや、ホウケイ酸ガラス、ホウ酸ガラス、リン酸ガラスなどからなるガラス等が挙げられる。なお、絶縁部は、ガラスを主成分として含んでいることがよい。即ち、耐熱性が比較的高い材料を主成分として絶縁部を構成しているため、半導体パワーモジュール全体が高温になった場合でも、高い信頼性を確保することが可能である。なお、「主成分」として含むとは、絶縁部が無機絶縁材料を５０体積％以上含むことを示している。また、絶縁部のヤング率は特に限定されないが、例えば１０ＧＰａ以上であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明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。
【図２】半導体パワーモジュールを示す要部断面図。
【図３】半導体パワーモジュールを示す要部平面図。
【図４】無機フィラーの写真を示す説明図。
【図５】導電部の一例の写真を示す説明図。
【図６】導電部の一例の写真を示す説明図。
【図７】主面側電極パッド及び裏面側電極パッドを形成する工程を示す説明図。
【図８】セラミック配線基板に接合層を接合する工程を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［第１実施形態］
以下、本発明を具体化した第１実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２３】
図１に示されるように、半導体パワーモジュール１０は、自動車などにおける電力変換器（例えばインバータ）に用いられるパワーモジュールであり、セラミック配線基板１１、電力用半導体素子５１、受動部品６１（コンデンサ、抵抗などの低発熱部品）、放熱基板１４及び放熱器１５等を備えている。
【００２４】
セラミック配線基板１１は、基板主面２１（図１では下面）及び基板裏面２２（図１では上面）を有する板状をなしている。セラミック配線基板１１は、縦２８ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍの平面視矩形状をなしている。また、基板主面２１上には主面側電極パッド２４が配置され、基板裏面２２上には裏面側電極パッド２５が配置されている。主面側電極パッド２４及び裏面側電極パッド２５は、銅からなる導体層を含んでいる。また、各電極パッド２４，２５は、平面視長方形状をなしている。各電極パッド２４，２５の縦及び横の長さは４．０ｍｍ×７．０ｍｍ程度であり、各電極パッド２４，２５の厚さは１００μｍ程度である。なお、本実施形態では、基板主面２１や基板裏面２２に、電極パッド２４，２５以外の導体層として、図示しない回路パターンや部品実装用のパッドなどが配置されている。そして、セラミック配線基板１１には、主面側電極パッド２４及び裏面側電極パッド２５を接続する複数のビア導体２７からなる電力用のビアアレイ２８が設けられている。
【００２５】
また、セラミック配線基板１１は、ビア導体部３１が設けられた複数（本実施形態では２層）のセラミック層３２と導体層３３とを積層配置してなる焼結体である。ビア導体２７は、２つのビア導体部３１をセラミック層３２の積層方向に連結することによって構成されている。各ビア導体部３１は、セラミック層３２の積層方向において同軸上に配置されている。
【００２６】
図１に示されるように、各セラミック層３２は、セラミック材料であるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いて形成されている。各セラミック層３２の間に設けられている導体層３３は、例えばタングステン、モリブデン、またはこれらの合金のメタライズ層からなる。この導体層３３は、電力用半導体素子５１の駆動信号を伝達する制御回路用配線を含んでいる。各ビア導体２７（ビア導体部３１）も、導体層３３と同様に、タングステン、モリブデン、またはこれらの合金のメタライズ層からなっている。
【００２７】
なお、本実施形態のセラミック配線基板１１には、複数のビアアレイ２８が設けられており、隣接する２つのビアアレイ２８においては、それぞれ異なる方向に電流が流れるようになっている。例えば、図１において右側に位置するビアアレイ２８では、下側（基板主面２１側）から上側（基板裏面２２側）に電流が流れ、図１において左側に位置するビアアレイ２８では、上側から下側に電流が流れるようになっている。各ビアアレイ２８を構成する複数のビア導体２７は、セラミック配線基板１１の厚さ方向に直線的に延設された主電力用のストレートビアである。なお、各ビア導体２７は、断面円形状をなしており、直径が２００μｍとなっている。さらに、隣接するビア導体２７同士の距離は３００μｍである。
【００２８】
図１に示されるように、放熱基板１４は、セラミックからなる絶縁基板を備え、ガラスシートからなる接合部を介してセラミック配線基板１１の下面上（セラミック配線基板１１の基板主面２１上）に設けられている。放熱器１５は、熱伝導性に優れる金属（例えば、アルミニウム）からなり、放熱基板１４の下面に複数のネジ（図示略）を用いて固定されている。この放熱器１５には、表面積を増すためのフィン（図示略）が複数設けられており、放熱器１５の放熱性能が高められている。
【００２９】
図１〜図３に示されるように、セラミック配線基板１１の基板主面２１側には、セラミック配線基板１１側の導体（具体的には、主面側電極パッド２４、裏面側電極パッド２５、ビア導体２７及び導体層３３）に電気的に接続される電力用半導体素子５１が搭載されている。電力用半導体素子５１は、１つの素子主面５２（図２では上面）、１つの素子裏面５３（図２では下面）、及び、４つの素子側面５４を有する平面視矩形状をなす板状物である。ここで、電力用半導体素子５１は、縦３．０ｍｍ程度×横４．０ｍｍ程度×厚さ０．５ｍｍであって、熱膨張係数が３．０ｐｐｍ／Ｋ、ヤング率が１７０ＧＰａのシリコン（Ｓｉ）からなっている。電力用半導体素子５１の熱膨張係数は、３０℃〜３００℃間の測定値の平均値をいう。なお、電力用半導体素子５１は、熱膨張係数が３．７〜４．５ｐｐｍ／Ｋ、ヤング率が４５０ＧＰａの炭化珪素（ＳｉＣ）からなっていてもよい。また、電力用半導体素子５１の素子裏面５３側には、図示しない回路素子が形成されている。さらに、電力用半導体素子５１の素子裏面５３側には、電力用半導体素子５１側の端子であるバンプ（図示略）が３００μｍピッチで格子状に設けられている。なお、本実施形態の電力用半導体素子５１は、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor ）や、ダイオード（ショットキーバリアダイオード）などのパワー半導体素子（パワーデバイス）である。この電力用半導体素子５１には、例えば５０Ａ程度の大電流が流れ、その際には２００℃程度の温度に発熱する。
【００３０】
図１〜図３に示されるように、セラミック配線基板１１の基板裏面２２側には、セラミック配線基板１１側の導体（具体的には、主面側電極パッド２４、裏面側電極パッド２５及びビア導体２７）に電気的に接続される受動部品６１が搭載されている。受動部品６１は、１つの部品主面６２（図２では上面）、１つの部品裏面６３（図２では下面）、及び、４つの部品側面６４を有する板状物である。そして、受動部品６１は、はんだまたはそれに準じた接合材料によって裏面側電極パッド２５上に接合されている。なお、セラミック配線基板１１の基板裏面２２には、電力の入出力用のバスバー（図示略）も搭載されている。
【００３１】
そして、セラミック配線基板１１及び電力用半導体素子５１の間には、セラミック配線基板１１及び電力用半導体素子５１を接合する接合層４１が介在されている。接合層４１は、主面４２及び裏面４３を有しており、縦２８ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍの平面視矩形状をなしている。よって、接合層４１は、セラミック配線基板１１の基板主面２１全体に形成されている（図１参照）。即ち、接合層４１は、全てのビアアレイ２８に対して共通して用いられる接合層である。
【００３２】
図１〜図３に示されるように、接合層４１は、主面４２にて開口する平面視で矩形状の収容凹部４４を有している。ここで、収容凹部４４は、縦３．０ｍｍ程度×横４．０ｍｍ程度×深さ０．５ｍｍとなっている。接合層４１の収容凹部４４内には、電力用半導体素子５１が埋め込まれた状態で収容されている。電力用半導体素子５１は、接合層４１に素子裏面５３及び素子側面５４が密着した状態で、接合層４１に埋設されている。
【００３３】
また、接合層４１には、収容凹部４４の底面４５及び裏面４３を連通する複数の貫通孔４６が格子状に形成され、各貫通孔４６内には複数の導電部４７が設けられている。接合層４１に設けられた導電部４７は、セラミック配線基板１１の主面側電極パッド２４に直接接合された導体ポストであり、セラミック配線基板１１側の導体（主面側電極パッド２４、裏面側電極パッド２５、複数のビア導体２７及び導体層３３）と電力用半導体素子５１側のバンプとを電気的に接続させるようになっている。なお、各導電部４７は、導電性を有する金属材料（母材）と、金属材料よりも熱膨張係数が小さい無機フィラー（図４参照）とを含む導電ペーストによって形成されている（図５，図６参照）。本実施形態では、導電部４７の金属材料として銀が用いられ、導電部４７の無機フィラーが、導電性を有する高誘電金属（本実施形態ではタングステン）からなっている。なお、導電部４７は、無機フィラーの含有率が５０体積％、熱膨張係数が１２．０ｐｐｍ／Ｋ、ヤング率が１５９．０ＧＰａとなっている。
【００３４】
図１〜図３に示されるように、接合層４１は、無機絶縁材料（本実施形態ではホウケイ酸ガラス）を主成分として含む絶縁部４８を有している。絶縁部４８は、互いに隣接する導電部４７同士の隙間に充填されるとともに、全ての導電部４７を取り囲むように配置されている。なお、絶縁部４８のヤング率は、一般的なアンダーフィル材のヤング率（８ＧＰａ程度）よりも大きくなっており、具体的には１０ＧＰａ以上（本実施形態では９６．８ＧＰａ）となっている。また、絶縁部４８の熱膨張係数は７．８ｐｐｍ／Ｋであるため、導電部４７の熱膨張係数（１２．０ｐｐｍ／Ｋ）と絶縁部４８の熱膨張係数との差（熱膨張係数差）は４．２ｐｐｍ／Ｋとなる。なお、導電部４７及び絶縁部４８の熱膨張係数は、３０℃〜ガラス転移温度（Ｔｇ）間の測定値の平均値をいう。そして、導電部４７のヤング率（１５９．０ＧＰａ）と、導電部４７と絶縁部４８との熱膨張係数差（４．２ｐｐｍ／Ｋ）との積は、８５０以下（本実施形態では４８１．６）となる。
【００３５】
次に、半導体パワーモジュール１０の製造方法について説明する。
【００３６】
アルミナ粉末を主成分とするセラミック材料を用いてグリーンシートを複数枚形成する。そして、複数枚のグリーンシートに対してレーザー加工を行い、所定の位置に複数の貫通孔を形成する。なお、貫通孔の形成は、パンチング加工、ドリル加工等によって行ってもよい。
【００３７】
その後、従来周知のペースト印刷装置（図示略）を用いて、各グリーンシートの貫通孔に導電性ペースト（例えば、タングステンペーストやモリブデンペースト）を充填し、ビア導体２７となる未焼成のビア導体部３１を形成する。さらに、従来周知のペースト印刷装置を用いて、導電性ペーストを印刷して未焼成の導体層３３を形成する。
【００３８】
そして、導電性ペーストの乾燥後、それら複数枚のグリーンシートを積み重ねて配置し、グリーンシートの積層方向に押圧力を付与することにより、各グリーンシートを圧着、一体化してセラミック積層体を形成する。次に、セラミック積層体を脱脂し、さらに所定温度で所定時間焼成を行う。その結果、グリーンシートのアルミナ及びペースト中のタングステンが同時焼結し、ビア導体２７及び導体層３３を有するセラミック配線基板１１が形成される。さらに、セラミック配線基板１１の基板主面２１に、銅ペーストを用いた印刷によって主面側電極パッド２４を形成するとともに、セラミック配線基板１１の基板裏面２２に、銅ペーストを用いた印刷によって裏面側電極パッド２５を形成する（図７参照）。なお、各電極パッド２４，２５は、銅ペーストの印刷以外に銅めっき等によって形成してもよい。また、導体層３３と同様に導電性ペーストの印刷後、グリーンシートと同時焼結させることで各電極パッド２４，２５を形成してもよい。
【００３９】
次に、接合層４１を形成する。具体的には、まず、以下の手順でスラリーを調製する。ガラス粉末と、熱分解性の有機バインダ（例えば、８０℃程度で軟化し、２５０℃程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合する。その結果、接合層４１となる接合層用シート７１，７２（図８参照）を形成する際の出発材料となるスラリーを得る。次に、このスラリーを用いて接合層用シート７１，７２の形成を以下のように行う。即ち、所定幅のＰＥＴフィルムのロールを用意して、このロールをキャスティング装置の供給側にセットし、ドクターブレード法やリップコーティングなどの従来周知の手法によりＰＥＴフィルムの上面にスラリーを薄く均一な厚さでキャスティング（塗工）する。その後、シート上にキャスティングされたスラリーをキャスティング装置の供給側と巻き取り側との間に配置されているヒータで加熱乾燥し、接合層用シート７１，７２を形成する。
【００４０】
次に、接合層用シート７１に対してメカニカルドリル、ＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザー、エキシマレーザー、パンチング装置等を用いて孔あけ加工を行い、接合層用シート７１を貫通する貫通孔４６（図８参照）を形成する。次に、従来周知の印刷法により、導電部４７となる導電ペースト７３を、貫通孔４６の内部に充填する（図８参照）。具体的に言うと、まず、接合層用シート７１を支持台（図示略）に載置する。次に、従来周知のスクリーン印刷装置を用いて、貫通孔４６の内部に導電ペースト７３を充填する。また、接合層用シート７１とは別の接合層用シート７２に対して、ＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザー、エキシマレーザー等を用いた加工を行い、収容凹部４４となる貫通孔７４（図８参照）を所定位置に形成する。
【００４１】
そして、次に、下記の要領で接合工程を実施する（図８参照）。まず、セラミック配線基板１１の基板主面２１上に接合層用シート７１を重ねる。次に、接合層用シート７１に含まれる有機バインダが軟化温度以上の温度となるように加熱を行いながら、積層方向（接合方向）に加圧する。これに伴い、セラミック配線基板１１及び接合層用シート７１が積層方向に沿って押圧されるとともに、熱により有機バインダの結合力が大きくなる。その結果、接合層用シート７１が基板主面２１上に接着される。なお、加圧のみを行うことにより、接合層用シート７１を基板主面２１上に接着するようにしてもよい。
【００４２】
さらに、接合層用シート７１の表面（図８では上面）上に接合層用シート７２を重ねる。次に、接合層用シート７２に含まれる有機バインダが軟化温度以上の温度となるように加熱を行いながら、積層方向（接合方向）に加圧する。これに伴い、セラミック配線基板１１及び各接合層用シート７１，７２が積層方向に沿って押圧されるとともに、熱により有機バインダの結合力が大きくなる。その結果、各接合層用シート７１，７２が接合層４１となるとともに、接合層用シート７２が接合層用シート７１の表面上に接着される。なお、加圧のみを行うことにより、接合層用シート７２を接合層用シート７１の表面上に接着するようにしてもよい。
【００４３】
さらに、接合層４１の収容凹部４４に電力用半導体素子５１を収容する。そして、接合層４１に含まれる有機バインダが軟化温度以上の温度となるように加熱を行いながら、積層方向に加圧する。その結果、接合層４１の収容凹部４４の底面４５上に電力用半導体素子５１が接着される。なお、加圧のみを行うことにより、収容凹部４４の底面４５上に電力用半導体素子５１を接着するようにしてもよい。
【００４４】
次に、接合層４１の主面４２上に対して、ガラスシートからなる接合部と、放熱基板１４とを順番に重ねる。そして、加熱を行いながら積層方向（接合方向）に加圧する。その結果、放熱基板１４が主面４２上に接合され、電力用半導体素子５１の素子主面５２が放熱基板１４に接合された状態となる。
【００４５】
そして、導電ペースト７３が焼結しうる所定の温度（例えば５００℃〜６００℃）に加熱する焼成工程を行う。この焼成を経ると、導電ペースト７３中の金属（例えば、銀）が焼結して、導電部４７が得られる。それとともに、接合層４１の絶縁部４８に含まれるガラス成分（ホウケイ酸ガラス）が溶融して、電力用半導体素子５１が封止される。以上の工程によって半導体パワーモジュール１０が製造される。
【００４６】
次に、半導体パワーモジュールの評価方法及びその結果を説明する。
【００４７】
まず、測定用サンプルを次のように準備した。導電部の金属材料が銀（Ａｇ）であり、導電部の無機フィラーがガラスからなる半導体パワーモジュールを準備し、これを実施例１〜３とした。具体的には、無機フィラーの含有率が２０体積％となるものを実施例１とし、無機フィラーの含有率が３０体積％となるものを実施例２とし、無機フィラーの含有率が５０体積％となるものを実施例３とした。導電部の金属材料が銅（Ｃｕ）であり、導電部の無機フィラーがガラスからなる半導体パワーモジュールを準備し、これを実施例４，５とした。具体的には、無機フィラーの含有率が２０体積％となるものを実施例４とし、無機フィラーの含有率が５０体積％となるものを実施例５とした。
【００４８】
導電部の金属材料が銀（Ａｇ）であり、導電部の無機フィラーがアルミナからなる半導体パワーモジュールを準備し、これを実施例６，７とした。具体的には、無機フィラーの含有率が４０体積％となるものを実施例６とし、無機フィラーの含有率が６０体積％となるものを実施例７とした。導電部の金属材料が銅（Ｃｕ）であり、導電部の無機フィラーがアルミナからなる半導体パワーモジュールを準備し、これを実施例８，９とした。具体的には、無機フィラーの含有率が３０体積％となるものを実施例８とし、無機フィラーの含有率が５０体積％となるものを実施例９とした。
【００４９】
導電部の金属材料が銀（Ａｇ）であり、導電部の無機フィラーがタングステン（Ｗ）からなる半導体パワーモジュールを準備し、これを実施例１０，１１とした。具体的には、無機フィラーの含有率が２５体積％となるものを実施例１０とし、無機フィラーの含有率が５０体積％となるものを実施例１１とした。導電部の金属材料が銅（Ｃｕ）であり、導電部の無機フィラーがタングステン（Ｗ）からなる半導体パワーモジュールを準備し、これを実施例１２，１３とした。具体的には、無機フィラーの含有率が２０体積％となるものを実施例１２とし、無機フィラーの含有率が５０体積％となるものを実施例１３とした。
【００５０】
導電部の金属材料が銀（Ａｇ）であり、導電部の無機フィラーがモリブデン（Ｍｏ）からなる半導体パワーモジュールを準備し、これを実施例１４，１５とした。具体的には、無機フィラーの含有率が２５体積％となるものを実施例１４とし、無機フィラーの含有率が５０体積％となるものを実施例１５とした。導電部の金属材料が銅（Ｃｕ）であり、導電部の無機フィラーがモリブデン（Ｍｏ）からなる半導体パワーモジュールを準備し、これを実施例１６，１７とした。具体的には、無機フィラーの含有率が２０体積％となるものを実施例１６とし、無機フィラーの含有率が５０体積％となるものを実施例１７とした。
【００５１】
また、実施例１〜３のフィラー含有率を小さい値に変更した半導体パワーモジュールを準備し、これを比較例１，２とした。具体的には、無機フィラーの含有率が５体積％となるものを比較例１とし、無機フィラーの含有率が１０体積％となるものを比較例２とした。実施例４，５のフィラー含有率を小さい値に変更した半導体パワーモジュールを準備し、これを比較例３，４とした。具体的には、無機フィラーの含有率が５体積％となるものを比較例３とし、無機フィラーの含有率が１０体積％となるものを比較例４とした。
【００５２】
実施例６，７のフィラー含有率を小さい値に変更した半導体パワーモジュールを準備し、これを比較例５，６とした。具体的には、無機フィラーの含有率が１０体積％となるものを比較例５とし、無機フィラーの含有率が３０体積％となるものを比較例６とした。実施例８，９のフィラー含有率を小さい値に変更した半導体パワーモジュールを準備し、これを比較例７，８とした。具体的には、無機フィラーの含有率が１０体積％となるものを比較例７とし、無機フィラーの含有率が２０体積％となるものを比較例８とした。
【００５３】
実施例１０，１１のフィラー含有率を小さい値に変更した半導体パワーモジュールを準備し、これを比較例９，１０とした。具体的には、無機フィラーの含有率が１０体積％となるものを比較例９とし、無機フィラーの含有率が２０体積％となるものを比較例１０とした。実施例１２，１３のフィラー含有率を小さい値に変更した半導体パワーモジュールを準備し、これを比較例１１，１２とした。具体的には、無機フィラーの含有率が１０体積％となるものを比較例１１とし、無機フィラーの含有率が１５体積％となるものを比較例１２とした。
【００５４】
実施例１４，１５のフィラー含有率を小さい値に変更した半導体パワーモジュールを準備し、これを比較例１３，１４とした。具体的には、無機フィラーの含有率が１０体積％となるものを比較例１３とし、無機フィラーの含有率が２０体積％となるものを比較例１４とした。実施例１６，１７のフィラー含有率を小さい値に変更した半導体パワーモジュールを準備し、これを比較例１５，１６とした。具体的には、無機フィラーの含有率が１０体積％となるものを比較例１５とし、無機フィラーの含有率が１５体積％となるものを比較例１６とした。
【００５５】
次に、各測定用サンプル（実施例１〜１７，比較例１〜１６）において、導電部の熱膨張係数を算出するとともに、導電部のヤング率Ｅを算出した。さらに、各測定用サンプルにおいて、導電部の熱膨張係数と絶縁部の熱膨張係数との差（熱膨張係数差Δα）を算出した。なお、絶縁部としては、熱膨張係数が７．８ｐｐｍ／Ｋとなるものを使用した。そして、各測定用サンプルにおいて、熱膨張係数差Δαとヤング率Ｅとの積（Δα×Ｅ）を算出した。以上の結果を表１に併せて示す。
【表１】
2015141952.tif 000003
【００５６】
その結果、Δα×Ｅが、比較例１では８９１．３、比較例２では８５６．８、比較例３では９９０．２、比較例４では９１３．２、比較例５では９１８．０、比較例６では８８８．０、比較例７では８７６．９、比較例８では８５４．０、比較例９では９０１．６、比較例１０では８６５．２、比較例１１では９３４．８、比較例１２では８７５．０、比較例１３では９００．９、比較例１４では８５８．５、比較例１５では９３９．４、比較例１６では８８０．４となった。即ち、比較例１〜１６では、Δα×Ｅが８５０よりも大きくなった。そして、Δα×Ｅが８５０よりも大きくなる比較例１〜１６では、導電部が絶縁部から突き出したり絶縁部内に引っ込んだりしていること、即ち、導電部及び電力用半導体素子の導電部形成領域の少なくとも一方が破損していることが確認された。
【００５７】
一方、Δα×Ｅは、実施例１では７６７．７、実施例２では５９８．４、実施例３では５０９．６、実施例４では６４５．６、実施例５では４２２．３、実施例６では８５０．０、実施例７では７３６．０、実施例８では８１８．４、実施例９では６４６．８、実施例１０では８４７．０、実施例１１では６６７．８、実施例１２では８２５．６、実施例１３では４８１．６、実施例１４では８３４．６、実施例１５では６３６．４、実施例１６では８２５．５、実施例１７では５０２．２となった。即ち、実施例１〜１７では、Δα×Ｅが８５０以下になった。そして、Δα×Ｅが８５０以下となる実施例１〜１７では、導電部の突き出しや引っ込みの発生は確認されなかった。以上のことから、Δα×Ｅを８５０以下にすれば、導電部や電力用半導体素子の破損を防止できることが確認された。
【００５８】
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００５９】
（１）本実施形態の半導体パワーモジュール１０によれば、導電部４７のヤング率（ＧＰａ）と、導電部４７と絶縁部４８との熱膨張係数差（ｐｐｍ／Ｋ）との積が、８５０以下（本実施形態では４８１．６）となることにより、温度変化の際に生じる、絶縁部４８からの導電部４７の突き出しや、絶縁部４８内への導電部４７の引っ込みを抑制することができる。その結果、導電部４７の変形に起因する電力用半導体素子５１の変形が抑制されるため、電力用半導体素子５１の破損を防止することができる。ゆえに、半導体パワーモジュール１０の信頼性を向上させることができる。
【００６０】
（２）本実施形態の電力用半導体素子５１は、接合層４１に素子裏面５３及び素子側面５４が密着した状態で、接合層４１に埋設されている。この場合、電力用半導体素子５１の素子側面５４が接合層４１に接触することにより、電力用半導体素子５１の平面方向への位置ずれが防止されるため、電力用半導体素子５１とセラミック配線基板１１との接続不良を防止することができる。
【００６１】
（３）本実施形態において、セラミック配線基板１１に搭載される電力用半導体素子５１は、１０Ａ以上の電流が流れることで２００℃以上の温度に発熱するパワー半導体素子である。このような電力用半導体素子５１を搭載するセラミック配線基板１１では、使用時における温度変化が大きくなるが、上記のように、導電部４７のヤング率（ＧＰａ）と、導電部４７と絶縁部４８との熱膨張係数差（ｐｐｍ／Ｋ）との積を、８５０以下とすることにより、導電部４７の変形を確実に抑制することができる。
【００６２】
［第２実施形態］
以下、本発明の半導体パワーモジュールを具体化した第２実施形態を説明する。ここでは、第１実施形態と相違する部分を中心に説明する。本実施形態では、接合層の導電部の構造などが上記第１実施形態の導電部４７とは異なっている。
【００６３】
詳述すると、本実施形態の導電部は、導電性を有する金属材料（本実施形態では銀）によって形成された多孔質体である。なお、導電部は、空隙率が３０％、熱膨張係数が１９．１ｐｐｍ／Ｋ、ヤング率が３２．８２ＧＰａとなっている。
【００６４】
次に、本実施形態の半導体パワーモジュールの評価方法及びその結果を説明する。
【００６５】
まず、測定用サンプルを次のように準備した。導電部の金属材料が銀（Ａｇ）となる半導体パワーモジュールを準備し、これを実施例１８〜２０とした。具体的には、空隙率が１０％となるものを実施例１８とし、空隙率が２０％となるものを実施例１９とし、空隙率が３０％となるものを実施例２０とした。導電部の金属材料が銅（Ｃｕ）となる半導体パワーモジュールを準備し、これを実施例２１〜２３とした。具体的には、空隙率が２０％となるものを実施例２１とし、空隙率が２５％となるものを実施例２２とし、空隙率が３０％となるものを実施例２３とした。
【００６６】
また、実施例１８〜２０の空隙率を小さい値に変更した半導体パワーモジュールを準備し、これを比較例１７とした。具体的には、空隙率が０％となるものを比較例１７とした。実施例２１〜２３の空隙率を小さい値に変更した半導体パワーモジュールを準備し、これを比較例１８，１９とした。具体的には、空隙率が０％となるものを比較例１８とし、空隙率が１０％となるものを比較例１９とした。
【００６７】
次に、各測定用サンプル（実施例１８〜２３，比較例１７〜１９）において、導電部の熱膨張係数を算出するとともに、導電部のヤング率Ｅを算出した。さらに、各測定用サンプルにおいて、導電部の熱膨張係数と絶縁部の熱膨張係数との差（熱膨張係数差Δα）を算出した。そして、各測定用サンプルにおいて、熱膨張係数差Δαとヤング率Ｅとの積（Δα×Ｅ）を算出した。以上の結果を表２に併せて示す。
【表２】
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【００６８】
その結果、Δα×Ｅが、比較例１７では９３４．５、比較例１８では１１３５．２、比較例１９では９０８．２となった。即ち、比較例１７〜１９では、Δα×Ｅが８５０よりも大きくなった。そして、Δα×Ｅが８５０よりも大きくなる比較例１７〜１９では、導電部が絶縁部から突き出したり絶縁部内に引っ込んだりしていること、即ち、導電部及び電力用半導体素子の導電部形成領域の少なくとも一方が破損していることが確認された。
【００６９】
一方、Δα×Ｅは、実施例１８では７４１．３、実施例１９では５５６．０、実施例２０では３７０．６、実施例２１では６８１．１、実施例２２では５６７．６、実施例２３では４５４．１となった。即ち、実施例１８〜２３では、Δα×Ｅが８５０以下になった。そして、Δα×Ｅが８５０以下となる実施例１８〜２３では、導電部の突き出しや引っ込みの発生は確認されなかった。以上のことから、Δα×Ｅを８５０以下にすれば、導電部や電力用半導体素子の破損を防止できることが確認された。
【００７０】
従って、本実施形態によれば、空隙の存在によって導電部が軟らかくなるため、温度変化に伴って導電部が大きく変形したとしても、電力用半導体素子５１に作用する応力を低減することができる。その結果、導電部の変形に起因する電力用半導体素子５１の変形が抑制されるため、電力用半導体素子５１の破損を防止することができる。ゆえに、よりいっそう信頼性に優れた半導体パワーモジュール１０を得ることができる。
【００７１】
なお、本実施形態を以下のように変更してもよい。
【００７２】
・上記第１実施形態では、接合層４１を構成する導電部４７の無機フィラーが、導電性を有するタングステンからなっていたが、モリブデンなどの他の導電性を有する材料からなっていてもよい。また、導電部４７の無機フィラーは、ガラスやアルミナなどの絶縁性を有する材料からなっていてもよい。
【００７３】
・上記実施形態では、ビア導体２７が、２つのビア導体部３１をセラミック層３２の積層方向に連結することによって構成されていた。しかし、ビア導体２７は、セラミック配線基板１１の基板主面２１から基板裏面２２に延びる１本の導体であってもよい。
【００７４】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００７５】
（１）上記手段１において、前記導電部のヤング率は、ビッカース硬さから導出される見かけヤング率であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【００７６】
（２）上記手段１において、前記導電部は、導電性を有する金属材料と、前記金属材料よりも熱膨張係数が小さい無機フィラーとによって構成され、前記導電部における前記無機フィラーの含有率は、２０体積％以上６０体積％以下であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【００７７】
（３）上記手段１において、前記導電部は、導電性を有する金属材料と、前記金属材料よりも熱膨張係数が小さい無機フィラーとによって構成され、前記無機フィラーは、絶縁性を有する無機フィラーであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【００７８】
（４）上記手段１において、前記導電部は、導電性を有する金属材料と、前記金属材料よりも熱膨張係数が小さい無機フィラーとによって構成され、前記無機フィラーは、導電性を有する無機フィラーであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【００７９】
（５）技術的思想（４）において、前記無機フィラーは、導電性を有する高融点金属からなる無機フィラーであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【００８０】
（６）上記手段１において、前記導電部は多孔質体であり、前記導電部の空隙率は１０％以上３０％以下であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【００８１】
（７）上記手段１において、前記導電部は導体ポストであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【００８２】
（８）上記手段１において、前記電力用半導体素子は、２００℃以上の温度に発熱するパワー半導体素子であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【００８３】
（９）上記手段１において、前記電力用半導体素子は、１０Ａ以上の電流が流れるパワー半導体素子であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【００８４】
（１０）上記手段１において、前記配線基板は、ビア導体部が設けられた複数のセラミック層を積層配置してなり、複数の前記ビア導体部を前記セラミック層の積層方向に連結することによってビア導体が構成され、複数の前記ビア導体部は、前記セラミック層の積層方向において同軸上に配置されていることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【符号の説明】
【００８５】
１０…半導体パワーモジュール
１１…配線基板としてのセラミック配線基板
２１…基板主面
２４…配線基板側の導体としての主面側電極パッド
２５…配線基板側の導体としての裏面側電極パッド
２７…配線基板側の導体としてのビア導体
３３…配線基板側の導体としての導体層
４１…接合層
４７…導電部
４８…絶縁部
５１…電力用半導体素子
５２…素子主面
５３…素子裏面
５４…素子側面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図７】
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【図８】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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