(57)【要約】本発明のパワーモジュールは、パワー素子が設けられたパワー配線と、上記パワー素子を制御する制御素子が設けられたガラスセラミック多層基板と、上記ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックより熱伝導率が高いセラミック材料から構成される高熱伝導セラミック基板とを備え、上記パワー配線は上記高熱伝導セラミック基板上に設けられ、上記高熱伝導セラミック基板には、上記ガラスセラミック多層基板が直接設けられたことを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー素子が設けられたパワー配線と、
前記パワー素子を制御する制御素子が設けられたガラスセラミック多層基板と、
前記ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックより熱伝導率が高いセラミック材料から構成される高熱伝導セラミック基板とを備え、
前記パワー配線は前記高熱伝導セラミック基板上に設けられ、
前記高熱伝導セラミック基板には、前記ガラスセラミック多層基板が直接設けられたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記高熱伝導セラミック基板には、前記ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミック成分が拡散している請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記高熱伝導セラミック基板の熱容量は、前記パワー配線の熱容量より大きい請求項１又は２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記高熱伝導セラミック基板の総体積は、前記パワー配線の総体積より大きい請求項３に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記ガラスセラミック多層基板の厚みは、前記パワー配線の厚みよりも厚い請求項１〜４のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記高熱伝導セラミック基板を構成するセラミック材料の熱伝導率は、前記ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックの熱伝導率の３倍以上である請求項１〜５のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記高熱伝導セラミック基板を構成するセラミック材料の熱伝導率が、１５Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であり、前記ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックの熱伝導率が、５Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以下である請求項６に記載のパワーモジュール。
【請求項８】
前記パワー配線と前記ガラスセラミック多層基板が、前記高熱伝導セラミック基板の同一面上に設けられ、前記パワー素子が前記パワー配線における前記高熱伝導セラミック基板が設けられた側と反対側に設けられ、前記制御素子が、前記ガラスセラミック多層基板における前記高熱伝導セラミック基板が設けられた側と反対側に設けられ、前記ガラスセラミック多層基板の厚みは、前記高熱伝導セラミック基板の厚み方向における前記パワー配線の厚みと前記パワー素子の高さの合計よりも大きい請求項１〜７のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項９】
前記パワー素子と前記制御素子との間に、前記ガラスセラミック多層基板が介在する請求項８に記載のパワーモジュール。
【請求項１０】
前記ガラスセラミック多層基板には、その内部に前記制御素子に電気的に接続される内部電極層が設けられ、前記内部電極層は、前記高熱伝導セラミック基板の厚み方向において、前記パワー配線の高さよりも上方に設けられる請求項８又は９に記載のパワーモジュール。
【請求項１１】
前記パワー配線上には、第１のパワー素子と第２のパワー素子を含む複数の前記パワー素子が設けられ、前記第１のパワー素子と前記第２のパワー素子との間には、前記ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックと同一の材料を含む隔壁が設けられている請求項８〜１０のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項１２】
前記ガラスセラミック多層基板の一部が、前記パワー配線の周縁部を被覆する部分にも設けられている請求項８〜１１のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項１３】
パワー素子の設置空間に封止樹脂が充填され、前記パワー素子が前記封止樹脂により封止されている請求項８〜１２のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項１４】
前記高熱伝導セラミック基板と前記ガラスセラミック多層基板の、３０℃〜３００℃における平均熱膨張係数差は、３．５ｐｐｍ・Ｋ−１以下である請求項１〜１３のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項１５】
前記パワー配線は、銀又は銅を含み、前記高熱伝導セラミック基板を構成するセラミック材料は、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ又は炭化ケイ素を含む請求項１〜１４のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項１６】
前記パワー配線は、前記銀又は前記銅を９８重量％以上含む請求項１５に記載のパワーモジュール。
【請求項１７】
前記パワー配線の厚みは、０．０４ｍｍ以上である請求項１５又は１６に記載のパワーモジュール。
【請求項１８】
前記ガラスセラミック多層基板は、ＳｉＯ２−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系ガラスセラミック又はＳｉＯ２−ＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系ガラスセラミックを含む請求項１５〜１７のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項１９】
前記パワー素子は、ワイドバンドギャップ半導体からなる素子である請求項１５〜１８のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項２０】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素又は窒化ガリウムである請求項１９に記載のパワーモジュール。
【請求項２１】
ガラスセラミック多層基板を、前記ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックより熱伝導率が高いセラミック材料から構成される高熱伝導セラミック基板上に直接設ける工程と、
前記高熱伝導セラミック基板上にパワー配線を設ける工程と、
前記パワー配線上にパワー素子を設ける工程と、
前記パワー素子を制御する制御素子を、前記ガラスセラミック多層基板上に設ける工程とを有することを特徴とする、パワーモジュールの製造方法。
【請求項２２】
高熱伝導セラミック基板となる焼結済みの高熱伝導セラミック焼結体と、ガラスセラミック多層基板となるガラスセラミックグリーンシートの積層体との加圧焼成により、ガラスセラミック多層基板を高熱伝導セラミック基板上に直接設ける請求項２１に記載のパワーモジュールの製造方法。
【請求項２３】
前記加圧焼成の加圧力が０．１ｋｇｆ／ｃｍ２以上、３０．０ｋｇｆ／ｃｍ２以下である請求項２２に記載のパワーモジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体などの電源部品、並びに、ＩＣ、チップコンデンサ、チップインダクタ及びチップレジスタなどの制御部品をともに搭載する回路基板が知られている。【０００３】
特許文献１には、モーター駆動の電装機器（電動コンプレッサ）における電力変換部の配置構成が開示されている。電力変換器は、電源回路であるインバータと、制御回路となる回路基板からなる。インバータは、ディスクリートのパワー素子で構成される。
回路基板には、パワー素子のスイッチングを制御するためのＩＣ、チップコンデンサ、チップ抵抗などの制御素子が実装されている。また、パワー素子の足長リード端子の端部が回路基板と接合されている。これにより、電源回路と制御回路を電気的に接続している。
そして、熱伝導性部材に、パワー素子を直接取付け、パワー素子で生じる熱を、壁面を介して放熱させる構造となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−０９０４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には記載されていないが、制御回路となる回路基板には、一般的に、樹脂基板又はガラスセラミック基板が用いられる。
ガラスセラミック基板は、焼成温度が低く、内層、表層配線を低抵抗導体であるＡｇ，Ｃｕで形成できるため、信号伝送損失が小さく好ましい。【０００６】
また、電源回路に用いられる回路基板としては、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板、又は、ＡＭＣ（Ａｃｔｉｖｅ  Ｍｅｔａｌ  ｂｒａｚｅｄ  Ｃｏｐｐｅｒ）基板（以後「ＤＣＢ基板」とのみ記載）が用いられる。
これは、アルミナなどの高熱伝導セラミック基板の表面に厚銅配線が形成され、裏面に厚銅放熱板が形成されたものである。
特許文献１の電源回路に、ＤＣＢ基板を用いたとすると、ＤＣＢ基板表面の厚銅配線にベアのパワー素子を実装し、裏面の厚銅放熱板を熱伝導部材に接合する構造となる。【０００７】
このような従来技術における電力変換部の構成は、電源回路と制御回路を分離した「電源／制御分離型」となっている。しかし、この構成だと、電力変換部の大きさが大きくなり、電装機器を小型化できない。そのため、電気・電子機器市場から、電源回路と制御回路を一体化した「電源／制御一体」の電力変換部に対応できる回路基板が要求されている。【０００８】
電源回路と制御回路を一体化しようとした場合、選択肢となる回路基板としては、制御回路として用いられる樹脂基板若しくはガラスセラミック基板、又は、電源回路として用いられるＤＣＢ基板が考えられる。
しかし、樹脂基板は、耐熱性が低いため、高温作動が可能なワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣやＧａＮ）からなるパワー素子に対応できない。また、樹脂基板は熱伝導率が低いため、パワー素子で生じる熱を、効率良く放熱できない。
ガラスセラミック基板は、電源回路に必要な大電流対応の厚銅配線を形成できない。また、ガラスセラミック基板も熱伝導率が低いため、パワー素子で生じる熱を、効率良く放熱できない。さらには、ガラスセラミック基板は破壊靱性値が低いため、パワー素子を実装すると、パワー素子や実装部材との熱膨張係数差、及び、パワー素子の作動・非作動での局所的冷熱で発生する繰返し応力により、パワー素子の周囲に微小亀裂が発生し、実装強度を保つことができない。
一方、ＤＣＢ基板は、表面の厚銅板をエッチングして配線形成するため、微細配線を形成できず、かつ、内層配線を形成できないため、複雑な配線網となる制御回路には不適である。すなわち、「電源／制御一体」の電力変換部に対応できる回路基板の市場要求に対し、従来の回路基板では対応できないという問題があった。【０００９】
上記問題点を解決して「電源／制御一体」の電力変換部に対応できる回路基板の作製が可能になったとしても、電源回路と制御回路が近接することで、電源回路を構成するパワー素子の作動時において生じる熱が、回路基板を介して、制御回路を構成する制御素子に伝達し、該制御素子の温度が、その保証温度範囲を超えるため、電源回路に誤作動が生じるという問題が新たに浮上する。
特に、電源回路を構成するパワー素子として、近年注目されている、２００℃以上の高温作動が可能なワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣやＧａＮ）からなるパワー素子を適用するならば、この問題の解決が大きな課題となる。【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みて、電源回路と制御回路を一体化した「電源／制御一体」の電力変換部に対応できる回路基板であるパワーモジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のパワーモジュールは、パワー素子が設けられたパワー配線と、上記パワー素子を制御する制御素子が設けられたガラスセラミック多層基板と、上記ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックより熱伝導率が高いセラミック材料から構成される高熱伝導セラミック基板とを備え、上記パワー配線は上記高熱伝導セラミック基板上に設けられ、上記高熱伝導セラミック基板には、上記ガラスセラミック多層基板が直接設けられたことを特徴とする。【００１２】
上記構成のパワーモジュールでは、高熱伝導セラミック基板とガラスセラミック多層基板が一つのパワーモジュール内に一体化されて設けられているため、パワーモジュール全体が小型化される。
まず、高熱伝導セラミック基板は熱伝導率が高いセラミック材料から構成されるので、高熱伝導セラミック基板上に設けられたパワー配線及びパワー素子からの熱を放熱させることができる。
そして、高熱伝導セラミック基板に直接設けられたガラスセラミック多層基板に制御素子を設けている。
本明細書において「高熱伝導セラミック基板に直接設けられたガラスセラミック多層基板」とは、高熱伝導セラミック基板とガラスセラミック多層基板の間に樹脂層が存在せず、樹脂接着剤も用いられておらず、高熱伝導セラミック基板とガラスセラミック多層基板が直接接していることを意味している。
ガラスセラミック多層基板には微細配線を形成することができ、内層配線を形成することもできるので制御素子を制御するための制御回路をガラスセラミック多層基板に設けることができ、ガラスセラミック多層基板に設けられた制御素子を好適に作動させることができる。また、ガラスセラミック多層基板は高熱伝導セラミック基板と比べて熱伝導率が低いので、パワー素子からの熱が高熱伝導セラミック基板に伝熱されても、ガラスセラミック多層基板への伝熱は抑制され、制御素子への熱伝導を抑制することができる。【００１３】
本発明のパワーモジュールでは、上記高熱伝導セラミック基板には、上記ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミック成分が拡散していることが好ましい。
高熱伝導セラミック基板となる焼結済みの高熱伝導セラミック焼結体と、ガラスセラミック多層基板となるガラスセラミックグリーンシートの積層体を加圧焼成すると、ガラスセラミック成分が高熱伝導セラミック基板の中に拡散し、高熱伝導セラミック基板とガラスセラミック多層基板の界面に拡散層が形成されて高い結合強度が実現される。そのため、樹脂接着剤等を用いることなく高熱伝導セラミック基板にガラスセラミック多層基板を直接設けることができる。【００１４】
本発明のパワーモジュールでは、上記高熱伝導セラミック基板の熱容量は、上記パワー配線の熱容量より大きいことが好ましい。
また、本発明のパワーモジュールでは、上記高熱伝導セラミック基板の総体積は、上記パワー配線の総体積より大きいことが好ましい。
高熱伝導セラミック基板の熱容量を、パワー配線の熱容量より大きくすることにより、放熱効率が高くなり、パワー素子の冷却が促進される。また、高熱伝導セラミック基板の総体積をパワー配線の総体積より大きくすることにより、高熱伝導セラミック基板の熱容量を、パワー配線の熱容量より大きくすることができる。【００１５】
本発明のパワーモジュールでは、上記ガラスセラミック多層基板の厚みは、上記パワー配線の厚みよりも厚いことが好ましい。
ガラスセラミック多層基板の厚みを、パワー配線の厚みよりも厚くすることにより、制御素子への熱伝導を抑制することができる。【００１６】
本発明のパワーモジュールでは、上記高熱伝導セラミック基板を構成するセラミック材料の熱伝導率は、上記ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックの熱伝導率の３倍以上であることが好ましい。
また、本発明のパワーモジュールでは、上記高熱伝導セラミック基板を構成するセラミック材料の熱伝導率が、１５Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であり、上記ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックの熱伝導率が、５Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以下であることが好ましい。
上記構成であると、パワー素子からの熱は熱伝導率の高い高熱伝導セラミック基板から効率よく放熱され、パワー素子からの熱は熱伝導率の低いガラスセラミック多層基板側には伝わりにくいため制御素子への熱伝導が抑制される。
本明細書において、高熱伝導セラミック基板を構成するセラミック材料及びガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックの熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により測定することができる。【００１７】
本発明のパワーモジュールでは、上記パワー配線と上記ガラスセラミック多層基板が、上記高熱伝導セラミック基板の同一面上に設けられ、上記パワー素子が上記パワー配線における上記高熱伝導セラミック基板が設けられた側と反対側に設けられ、上記制御素子が、上記ガラスセラミック多層基板における上記高熱伝導セラミック基板が設けられた側と反対側に設けられ、上記ガラスセラミック多層基板の厚みは、上記高熱伝導セラミック基板の厚み方向における上記パワー配線の厚みと上記パワー素子の高さの合計よりも大きいことが好ましい。
パワー配線とガラスセラミック多層基板が高熱伝導セラミック基板の同一面上に設けられていると、パワーモジュールの大きさを小さく、コンパクトにすることができる。
そして、ガラスセラミック多層基板の厚みが、高熱伝導セラミック基板の厚み方向におけるパワー配線の厚みとパワー素子の高さの合計よりも大きくなっていると、制御素子の位置はパワー素子の位置よりも高い位置となるので、パワー素子からの輻射熱が制御素子に伝熱されにくくなる。【００１８】
本発明のパワーモジュールでは、上記パワー素子と上記制御素子との間に、上記ガラスセラミック多層基板が介在することが好ましい。
パワー素子と制御素子との間に熱伝導率の低いガラスセラミック多層基板が介在することで、パワー素子の輻射熱により制御素子が伝熱されることをより確実に防止できる。【００１９】
本発明のパワーモジュールにおいて、上記ガラスセラミック多層基板には、その内部に上記制御素子に電気的に接続される内部電極層が設けられ、上記内部電極層は、上記高熱伝導セラミック基板の厚み方向において、上記パワー配線の高さよりも上方に設けられることが好ましい。
内部電極層を構成する材料は、ガラスセラミック多層基板を構成するガラスセラミックよりも熱伝導率が高い。そして、内部電極層が、高熱伝導セラミック基板の厚み方向において、パワー配線の高さよりも上方に設けられる。この構成であると、ガラスセラミック多層基板においてパワー配線と接していてパワー配線からの熱が最も伝導伝熱しやすい部位が、内部電極層が設けられていない、ガラスセラミックからなる領域となる。そのため、制御素子に対する断熱効果を高めることができる。【００２０】
本発明のパワーモジュールにおいて、上記パワー配線上には、第１のパワー素子と第２のパワー素子を含む複数の上記パワー素子が設けられ、上記第１のパワー素子と上記第２のパワー素子との間には、上記ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックと同一の材料を含む隔壁が設けられていることが好ましい。
上記構成であると、パワー素子同士が、互いの輻射熱によって加熱されることを隔壁によって抑制できる。また、隔壁はガラスセラミック多層基板と同時に形成することができるので、隔壁を設けることによる工程の増加が生じない。【００２１】
本発明のパワーモジュールでは、上記ガラスセラミック多層基板の一部が、上記パワー配線の周縁部を被覆する部分にも設けられていることが好ましい。
パワー配線の周縁部をガラスセラミック多層基板の一部で被覆することによって、パワー配線と高熱伝導セラミック基板の密着性を高めることができる。【００２２】
本発明のパワーモジュールでは、パワー素子の設置空間に封止樹脂が充填され、上記パワー素子が上記封止樹脂により封止されていることが好ましい。
ガラスセラミック多層基板の厚みが高熱伝導セラミック基板の厚み方向におけるパワー配線の厚みとパワー素子の高さの合計よりも大きいということは、パワー素子の設置空間が、その周囲をガラスセラミック多層基板で囲まれた空間となることを意味する。パワー素子の設置空間の周囲のガラスセラミック多層基板が封止樹脂を充填する際のダムの役割を果たし、必要最小限の樹脂量でパワー素子を封止することが可能となる。【００２３】
本発明のパワーモジュールにおいて、上記高熱伝導セラミック基板と上記ガラスセラミック多層基板の、３０℃〜３００℃における平均熱膨張係数差は、３．５ｐｐｍ・Ｋ−１以下であることが好ましい。
高熱伝導セラミック基板とガラスセラミック多層基板の平均熱膨張係数差を所定範囲以内にすることにより、２００℃以上の高温使用環境であっても、高熱伝導セラミック基板とガラスセラミック多層基板との間での熱膨張係数差による破損を抑制することができる。【００２４】
本発明のパワーモジュールにおいて、上記パワー配線は、銀又は銅を含み、上記高熱伝導セラミック基板を構成するセラミック材料は、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ又は炭化ケイ素を含むことが好ましい。
上記したパワー配線及び高熱伝導セラミック基板の材料である金属又はセラミックは、いずれも熱伝導率の高い金属又はセラミックであるので、パワー素子からの熱を伝熱させるパワー配線及び高熱伝導セラミック基板の材料として適している。【００２５】
また、上記パワー配線は、上記銀又は上記銅を９８重量％以上含むことが好ましい。
銀を９８重量％以上又は銅を９８重量％以上含むということは、パワー配線がほぼ純粋な金属からなることを意味しており、樹脂を含む導電ペーストの硬化物とは明確に区別される。【００２６】
本発明のパワーモジュールにおいて、上記パワー配線の厚みは、０．０４ｍｍ以上であることが好ましい。
厚みが０．０４ｍｍ以上であるパワー配線は厚い配線であり、樹脂を含む導電ペーストの硬化物では達成が難しい厚さであることを意味している。すなわち、樹脂を含む導電ペーストの硬化物とは明確に区別される。【００２７】
本発明のパワーモジュールにおいて、上記ガラスセラミック多層基板は、ＳｉＯ２−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系ガラスセラミック又はＳｉＯ２−ＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系ガラスセラミックを含むことが好ましい。
これらのガラスセラミックは銅や銀を用いた内部電極層の焼結温度である比較的低温での焼成が可能なセラミックであるため、銅や銀を用いた内部電極層との同時焼結が可能であるため好ましい。【００２８】
本発明のパワーモジュールにおいて、上記パワー素子は、ワイドバンドギャップ半導体からなる素子であることが好ましい。また、上記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素又は窒化ガリウムであることが好ましい。
パワー素子が２００℃以上で動作可能な素子であり、実際に２００℃以上で動作させることを考えた場合、電源回路を構成するパワー素子の作動時において生じる熱が制御素子に伝達してしまうことによる問題があるが、本発明のパワーモジュールはこのような問題を解決することのできる構成を有しているので、パワー素子として２００℃以上で動作可能なワイドバンドバンドギャップ半導体からなる素子を使用することに特に適している。【００２９】
本発明のパワーモジュールの製造方法は、ガラスセラミック多層基板を、上記ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックより熱伝導率が高いセラミック材料から構成される高熱伝導セラミック基板上に直接設ける工程と、上記高熱伝導セラミック基板上にパワー配線を設ける工程と、上記パワー配線上にパワー素子を設ける工程と、上記パワー素子を制御する制御素子を、上記ガラスセラミック多層基板上に設ける工程とを有することを特徴とする。
ガラスセラミック多層基板を、樹脂接着剤等を介することなく高熱伝導セラミック基板上に直接設けることによって、電源回路と制御回路を一体化した「電源／制御一体」の電力変換部に対応できる回路基板である本発明のパワーモジュールを製造することができる。【００３０】
本発明のパワーモジュールの製造方法では、高熱伝導セラミック基板となる焼結済みの高熱伝導セラミック焼結体と、ガラスセラミック多層基板となるガラスセラミックグリーンシートの積層体との加圧焼成により、ガラスセラミック多層基板を高熱伝導セラミック基板上に直接設けることが好ましい。
この方法であると、高熱伝導セラミック基板に、ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミック成分を拡散させることができるので、高熱伝導セラミック基板とガラスセラミック多層基板の界面に拡散層が形成され、高い結合強度を実現することができる。
また、この方法の際の上記加圧焼成の加圧力が０．１ｋｇｆ／ｃｍ２以上、３０．０ｋｇｆ／ｃｍ２以下であることが好ましい。
加圧力が０．１ｋｇｆ／ｃｍ２以上であると拡散層の形成に適している。また、３０．０ｋｇｆ／ｃｍ２以下であると高熱伝導セラミック基板またはガラスセラミック多層基板の破壊を生じることが防止される。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、電源回路と制御回路を一体化した「電源／制御一体」の電力変換部に対応できる回路基板であるパワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明のパワーモジュールの一例を模式的に示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は、高熱伝導セラミック基板とガラスセラミック多層基板の界面を走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）で撮影した電子顕微鏡写真である。図２（ｂ）はアルミニウム、図２（ｃ）はシリコン、図２（ｄ）はカルシウムについて、図２（ａ）に示す電子顕微鏡写真について元素分析を行った結果を示す画像である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、パワーモジュールの一部を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、パワー素子及び制御素子が実装されていないパワーモジュールの一例を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、パワーモジュールの一部を模式的に示す断面図である。
【図６】図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）及び図６（ｅ）は、本発明のパワーモジュールの製造工程の一部を模式的に示す断面図である。
【図７】図７（ａ）、図７（ｂ）及び図７（ｃ）は、本発明のパワーモジュールの製造工程の一部を模式的に示す断面図である。
【図８】図８（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）は、本発明のパワーモジュールの製造工程の一部を模式的に示す断面図である。
【図９】図９は、曲げ試験における破断部の走査電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の一実施の形態に係るパワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法について説明する。
しかしながら、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。なお、以下において記載する本発明の一実施の形態に係るパワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法の個々の望ましい構成を２つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
【００３４】
図１は、本発明のパワーモジュールの一例を模式的に示す断面図である。
図１に示すパワーモジュール２００においては、高熱伝導セラミック基板１の表面１ａにパワー配線１１が設けられ、同じく高熱伝導セラミック基板１の表面１ａにガラスセラミック多層基板２が設けられている。すなわち、パワー配線１１とガラスセラミック多層基板２は高熱伝導セラミック基板１の同一面上に設けられている。
パワー素子２１は、パワー配線１１の、高熱伝導セラミック基板１が設けられた側の面１１ｂの反対側の面１１ａに設けられている。パワー素子２１はパワー配線１１とはんだ又は銀ナノ焼結材等の接合材３１により接合されている。
パワーモジュール２００にはパワー素子２１が２つ（パワー素子２１ａ及びパワー素子２１ｂ）設けられており、パワー素子２１ａとパワー素子２１ｂの間には、ガラスセラミック多層基板２に含まれるガラスセラミックと同一の材料を含む隔壁４１が設けられている。
ガラスセラミック多層基板２は、ガラスセラミック層２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ、２Ｇ、２Ｈが積層された多層基板である。
制御素子２２は、ガラスセラミック多層基板２における、高熱伝導セラミック基板１が設けられた側の面２ｂの反対側の面２ａに設けられている。制御素子２２は、ガラスセラミック多層基板２の内部に設けられた内部電極層１３を含む制御回路とはんだ等の接合材３２により電気的に接合されている。
また、パワー素子２１は、ワイヤボンディング２４によりガラスセラミック多層基板２に設けられた配線（表層配線１５）と電気的に接合されており、制御素子２２とも電気的に接合されている。
【００３５】
高熱伝導セラミック基板１は、焼結済みのセラミック基板であることが好ましく、その材質となるセラミック材料が窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ又は炭化ケイ素等であることが好ましい。
【００３６】
高熱伝導セラミック基板を構成するセラミック材料の熱伝導率は、ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックの熱伝導率より高い。高熱伝導セラミック基板を構成するセラミック材料の熱伝導率は１５Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であることが好ましく、３０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であることがより好ましい。また、３００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以下であることが好ましい。
高熱伝導セラミック基板を構成するセラミック材料の熱伝導率が１５Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であると、パワー素子が発熱した際に効率よく放熱することができる。
【００３７】
また、高熱伝導セラミック基板の比熱は５００Ｊ・（ｋｇ・℃）−１以上、９００Ｊ・（ｋｇ・℃）−１以下であることが好ましい。
また、高熱伝導セラミック基板の３０℃〜３００℃における平均熱膨張係数は２．０ｐｐｍ・Ｋ−１以上、９．０ｐｐｍ・Ｋ−１以下であることが好ましい。
【００３８】
また、高熱伝導セラミック基板の破壊靱性値は、４ＭＰａ・ｍ１／２以上であることが好ましく、７ＭＰａ・ｍ１／２以下であることが好ましい。また、抗折強度（三点曲げ強度）が３００ＭＰａ以上であることが好ましく、５５０ＭＰａ以下であることが好ましい。
このような特性を有すると、振動・衝撃環境下での使用においてパワーモジュールの信頼性を高めることができる。なお、ガラスセラミック多層基板を構成するガラスセラミックは、一般的に破壊靱性値が２ＭＰａ・ｍ１／２未満であり、振動や衝撃などに弱いため、回路基板がガラスセラミック多層基板のみからなるパワーモジュールを振動・衝撃環境下にある車載電装機器などに組み込むと、信頼性が確保できないという問題が生じることがある。ガラスセラミック多層基板を、破壊靱性値および抗折強度の高い高熱伝導セラミック基板と一体化することでこの問題を解消できる利点がある。
【００３９】
高熱伝導セラミック基板の具体的な例として、厚さは０．５ｍｍ、熱伝導率は２１Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１、３０℃〜３００℃における平均熱膨張係数は７．８ｐｐｍ・Ｋ−１、抗折強度（三点曲げ強度）は３５０ＭＰａ、破壊靱性は５ＭＰａ・ｍ１／２である、焼結済みの９６％アルミナからなる高熱伝導セラミック基板を使用することができる。
【００４０】
パワー配線１１は、パワー素子が設けられる配線である。
パワー配線は銀又は銅を含む配線であることが好ましく、とくに、銀又は銅を９８重量％以上含むことが好ましい。これは、銀を９８重量％以上含むか、銅を９８重量％以上含むことが好ましいという意味である。すなわち、パワー配線がほぼ純粋な金属からなることが好ましく、金属以外の成分を含む導電ペーストの硬化物とは明確に区別される。
パワー配線がほぼ純粋な金属からなると、パワー配線の熱伝導率が高くなるため、パワー素子からの熱を高熱伝導セラミック基板に熱伝導させることに適している。
パワー配線の熱伝導率は３００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であることが好ましく、５００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以下であることが好ましい。
【００４１】
パワー配線の厚みは、０．０４ｍｍ以上であることが好ましい。
厚みが０．０４ｍｍ以上であるパワー配線は厚い配線であり、樹脂を含む導電ペーストの硬化物では達成が難しい厚さであることを意味している。すなわち、樹脂を含む導電ペーストの硬化物とは明確に区別される。
パワー配線の厚みが厚いと抵抗が小さくなるので電流容量の大きい電力変換部の電源回路に対応できる配線として適している。
【００４２】
パワー配線の比熱は３００Ｊ・（ｋｇ・℃）−１以上、５００Ｊ・（ｋｇ・℃）−１以下であることが好ましい。
そして、高熱伝導セラミック基板の熱容量は、パワー配線の熱容量より大きいことが好ましい。また、高熱伝導セラミック基板の総体積は、パワー配線の総体積より大きいことが好ましい。
高熱伝導セラミック基板の熱容量を、パワー配線の熱容量より大きくすることにより、放熱効率が高くなり、パワー素子の冷却が促進される。また、高熱伝導セラミック基板の総体積をパワー配線の総体積より大きくすることにより、高熱伝導セラミック基板の熱容量を、パワー配線の熱容量より大きくすることができる。
【００４３】
ガラスセラミック多層基板２は、ガラスセラミック層が複数積層されてなる多層基板である。ガラスセラミック層の材質としては、低温焼結セラミック材料を使用することができる。
低温焼結セラミック材料とは、セラミック材料のうち、１０００℃以下の焼成温度で焼結可能であり、内部導体層を構成する金属材料として好ましく使用される銀や銅との同時焼成が可能である材料を意味する。
低温焼結セラミック材料としては、ＳｉＯ２−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系ガラスセラミック又はＳｉＯ２−ＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系ガラスセラミックを含むことが好ましい。
【００４４】
ガラスセラミック多層基板は、高熱伝導セラミック基板に直接設けられている。図１でいうと、高熱伝導セラミック基板１の表面１ａと、ガラスセラミック多層基板２の面２ｂ（最下層のガラスセラミック層２Ａの下面）とが、樹脂層や樹脂接着剤を介さずに直接接していることに対応している。
【００４５】
ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミック成分は、高熱伝導セラミック基板に拡散していることが好ましい。高熱伝導セラミック基板とガラスセラミック多層基板の界面に拡散層が形成されることにより、高い結合強度が実現される。そのため、樹脂接着剤等を用いることなく高熱伝導セラミック基板にガラスセラミック多層基板を直接設けることができる。
【００４６】
図２（ａ）は、高熱伝導セラミック基板とガラスセラミック多層基板の界面を走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）で撮影した電子顕微鏡写真である。図２（ｂ）はアルミニウム、図２（ｃ）はシリコン、図２（ｄ）はカルシウムについて、図２（ａ）に示す電子顕微鏡写真について元素分析を行った結果を示す画像である。
この撮影に使用した高熱伝導セラミック基板は９６％アルミナの焼結体からなり、ガラスセラミックはＳｉＯ２−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系ガラス粉末とアルミナ粉末の混合粉末を焼結させたものである。
図２（ａ）には高熱伝導セラミック基板１の表面１ａとガラスセラミック多層基板２の面２ｂの界面が示されている。図２（ｂ）、図２（ｃ）及び図２（ｄ）からアルミニウム、シリコン、カルシウムがそれぞれ界面の位置から、高熱伝導セラミック基板側に所定の幅を持って分布していることがわかる。
この撮影に使用した高熱伝導セラミック基板はシリコン及びカルシウムは含まないので、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に示すシリコン及びカルシウムの分布は、ガラスセラミック成分が高熱伝導セラミック基板に拡散しており、界面に拡散層が形成されていることを示している。
【００４７】
ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックの熱伝導率は、高熱伝導セラミック基板を構成するセラミック材料の熱伝導率より低い。ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックの熱伝導率は５Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以下であることが好ましく、３．５Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以下であることがより好ましい。また、１．５Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であることが好ましい。
ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックの熱伝導率が５Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以下であると、熱伝達がされにくく、パワー素子が発熱した際の制御素子の温度上昇が抑制される。
【００４８】
また、高熱伝導セラミック基板を構成するセラミック材料の熱伝導率との関係として、高熱伝導セラミック基板を構成するセラミック材料の熱伝導率が、ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックの熱伝導率の３倍以上であることが好ましい。
上記構成であると、パワー素子からの熱は熱伝導率の高い高熱伝導セラミック基板から効率よく放熱され、パワー素子からの熱は熱伝導率の低いガラスセラミック多層基板側には伝わりにくいため制御素子への熱伝導が抑制される。
【００４９】
ガラスセラミック多層基板の厚みは、パワー配線の厚みよりも厚いことが好ましい。
ガラスセラミック多層基板の厚みを、パワー配線の厚みよりも厚くすることにより、制御素子への熱伝導を抑制することができる。
【００５０】
また、ガラスセラミック多層基板の厚みはパワー配線の厚みとパワー素子の高さの合計よりも大きいことが好ましい。
図１には、ガラスセラミック多層基板２の厚み（両矢印ＴＡで示す）がパワー配線１１の厚み（両矢印ＴＢで示す）とパワー素子２１の高さＴｃ（両矢印ＴＣで示す）の合計よりも大きい例を示しており、ＴＡ＞ＴＢ＋Ｔｃとなっている。
ガラスセラミック多層基板の厚みは、高熱伝導セラミック基板にガラスセラミック多層基板が直接設けられた部分で定める。
ガラスセラミック多層基板の厚みが、高熱伝導セラミック基板の厚み方向におけるパワー配線の厚みとパワー素子の高さの合計よりも大きくなっていると、制御素子の位置はパワー素子の位置よりも高い位置となる。図１には、制御素子２２がパワー素子２１よりも高い位置になっていることを示している。
このように制御素子とパワー素子が配置されると、パワー素子からの輻射熱が制御素子に伝熱されにくくなる。
【００５１】
また、ガラスセラミック多層基板の３０℃〜３００℃における平均熱膨張係数は３．５ｐｐｍ・Ｋ−１以上、１０．５ｐｐｍ・Ｋ−１以下であることが好ましい。
ガラスセラミック多層基板の熱膨張係数は、ガラスセラミック多層基板を構成するガラスセラミック層の材質であるガラスセラミックの熱膨張係数として定める。
【００５２】
また、高熱伝導セラミック基板とガラスセラミック多層基板の３０℃〜３００℃における平均熱膨張係数差は、３．５ｐｐｍ・Ｋ−１以下であることが好ましい。これにより、実装不良の生じ難いパワーモジュールになるとともに、冷熱環境下での使用において信頼性の高いパワーモジュールとなる。平均熱膨張係数差が３．５ｐｐｍ・Ｋ−１より大きいと、パワーモジュールに熱膨張係数差による破損が生じ、パワー素子や制御素子の実装不良が生じる場合がある。また、平均熱膨張係数差が３．５ｐｐｍ・Ｋ−１より大きいと、パワー素子及び制御素子が実装されたパワーモジュールが冷熱環境下に曝されると、熱膨張係数差による応力が繰返して発生し、パワー素子及び制御素子が破壊されたり、それらの実装接合部が破断する場合がある。
高熱伝導セラミック基板と、ガラスセラミック多層基板の３０℃〜３００℃における平均熱膨張係数差が、３．５ｐｐｍ・Ｋ−１以下となる組合せとして、高熱伝導セラミック基板がアルミナ、ガラスセラミック多層基板を構成するガラスセラミックがＳｉＯ２−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系ガラスセラミックからなる組合せ、高熱伝導セラミック基板が窒化アルミニウム又は窒化ケイ素、ガラスセラミック多層基板を構成するガラスセラミックがＳｉＯ２−ＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系ガラスセラミックの組合せなどが挙げられる。
【００５３】
ガラスセラミック多層基板の内部には、制御素子に電気的に接続される内部電極層が設けられている。図１に示すパワーモジュール２００では、内部電極層１３は、各ガラスセラミック層に設けられ、全体として多層配線を形成している。
また、内部電極層１３は、内部電極層１３を層間で電気的に接続するビア導体１４を介して、最表面層の配線である表層配線１５に電気的に接続されている。表層配線１５には制御素子２２が実装されているので、内部電極層１３も制御素子２２に電気的に接続される。この内部電極層１３、ビア導体１４及び表層配線１５で制御回路が形成される。
また、ガラスセラミック多層基板２には、電源配線１２が設けられていてもよい。電源配線１２は、パワー配線１１を介してパワー素子２１と電気的に接合される。
【００５４】
内部電極層、ビア導体及び表層配線は、銀または銅を主成分とする電気伝導度の高い金属からなることが好ましい。電気伝導度の低い金属を使用すると、電気抵抗が大きくなることにより伝送損失が大きくなるため、誤動作が発生し易くなる場合がある。
また、内部電極層の厚みは０．０１ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、ガラスセラミック多層基板の最表面に凹凸が発生することが防止されるので、制御素子の実装不良が生じ難くなる。
【００５５】
内部電極層は、高熱伝導セラミック基板の厚み方向において、パワー配線の高さよりも上方に設けられることが好ましい。図１を参照してこのことを説明する。
図１に示すパワーモジュール２００では、パワー配線１１と同じ高さのガラスセラミック層２Ａ及びガラスセラミック層２Ｂには内部電極層１３が設けられていない。パワー配線１１の高さよりも上方のガラスセラミック層２Ｃに設けられた内部電極層１３ａが、最も低い内部電極層１３であるので、このような場合に内部電極層が高熱伝導セラミック基板の厚み方向において、パワー配線の高さよりも上方に設けられているといえる。
この構成であると、ガラスセラミック多層基板２においてパワー配線１１と接していてパワー配線からの熱が最も伝導伝熱しやすい部位が、内部電極層１３が設けられていないガラスセラミック層２Ａ及びガラスセラミック層２Ｂである。そのため、制御素子２２に対する断熱効果を高めることができる。
【００５６】
パワー素子２１は、電源回路を構成する素子であり、パワー配線１１の上に設けられている。パワー素子２１はパワー配線１１とはんだ又は銀ナノ焼結材等の接合材３１により接合されている。
パワー素子はワイドバンドギャップ半導体からなる素子であることが好ましい。
ワイドバンドギャップ半導体としては、２．２ｅＶ以上のバンドギャップを有し、２００℃以上で動作可能である半導体が挙げられる。具体的には炭化ケイ素又は窒化ガリウムであることが好ましい。炭化ケイ素からなる半導体の例として、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ等が挙げられる。パワー素子は一つのパワーモジュール内に複数個設けられていてもよい。
【００５７】
制御素子２２は、パワー素子２１を制御するための素子であり、制御回路の表層配線１５とはんだ等の接合材３２により接合されている。
制御素子はＩＣ、チップコンデンサ、チップインダクタ、チップレジスタといった素子であることが好ましく、ＩＣとしてはＭＯＳＦＥＴゲート駆動用ＩＣ等が挙げられる。
制御素子は一つのパワーモジュールに複数個設けられていてもよいし、一つのパワーモジュールに異なる種類の制御素子が設けられていてもよい。
【００５８】
ここまで、パワーモジュールを構成する各要素の構成について説明したが、以下には各要素の位置関係等についてさらに説明する。
【００５９】
図１に示すパワーモジュール２００では、パワー配線１１に、第１のパワー素子２１ａと第２のパワー素子２１ｂが設けられており、第１のパワー素子２１ａと第２のパワー素子２１ｂとの間には、ガラスセラミック多層基板２に含まれるガラスセラミックと同一の材料を含む隔壁４１が設けられている。
パワー素子が複数個設けられている場合にパワー素子の間に隔壁が設けられていると、パワー素子同士が、互いの輻射熱によって加熱されることを隔壁によって抑制できる。
また、隔壁はガラスセラミック多層基板と同時に形成することができるので、隔壁を設けることによる工程の増加が生じない。
【００６０】
パワーモジュールにおいて、パワー素子と制御素子との間に、ガラスセラミック多層基板が介在することが好ましい。このことを図面を用いて説明する。
図１に示すパワーモジュール２００において、パワー素子に最も近い制御素子２２ａと、制御素子に最も近いパワー素子２１ａの位置関係を考える。制御素子２２ａの上面のパワー素子側の点αと、パワー素子２１ａの上面の制御素子側の点α´を結ぶ線を引いた場合に、ガラスセラミック多層基板２の一部を横切るので、このような場合にはパワー素子と制御素子との間に、ガラスセラミック多層基板が介在すると定める。
【００６１】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、パワーモジュールの一部を模式的に示す断面図である。
図３（ａ）に示すパワーモジュールの一部では、パワー素子に最も近い制御素子２２ａと、制御素子に最も近いパワー素子２１ａの位置関係を示している。
図１に示すパワーモジュール２００において対応する位置と比較して、パワー素子に最も近い制御素子２２ａがパワー素子に近い位置に配置されており、制御素子に最も近いパワー素子２１ａの高さが高くなっている。
パワー素子に最も近い制御素子２２ａと、制御素子に最も近いパワー素子２１ａの位置関係がこのようになっていると、制御素子２２ａの上面のパワー素子側の点βと、パワー素子２１ａの上面の制御素子側の点β´を結ぶ線を引いた場合に、この線がガラスセラミック多層基板を横切らない。すなわち、パワー素子と制御素子との間に、ガラスセラミック多層基板が介在していないこととなる。
【００６２】
図３（ｂ）は、パワー素子に最も近い制御素子２２ａと、制御素子に最も近いパワー素子２１ａの位置関係が図３（ａ）に示すようになっている場合に、ガラスセラミック多層基板４２を、パワー素子と制御素子との間に介在するように配置した例である。
このガラスセラミック多層基板４２は、制御素子とパワー素子の間で壁になるような位置に配置されていて、パワー素子の輻射熱により制御素子が伝熱されることをより確実に防止する作用を発揮する。
制御素子２２ａの上面のパワー素子側の点γと、パワー素子２１ａの上面の制御素子側の点γ´を結ぶ線を引いた場合に、この線がガラスセラミック多層基板４２を横切るようになっている。
ガラスセラミック多層基板４２は、高熱伝導セラミック基板に直接設けられているガラスセラミック多層基板２の一部であることが好ましく、パワーモジュールの製造工程においてはガラスセラミック多層基板２と同時に形成することができるので、この構成を設けることによる工程の増加が生じない。
【００６３】
図４は、パワー素子及び制御素子が実装されていないパワーモジュールの一例を模式的に示す断面図である。
図４には、パワー素子２１及び制御素子２２が実装されていないパワーモジュール１００（以下、実装前のパワーモジュールともいう）を示している。
図４には、実装前のパワーモジュール１００に設けられた、パワー素子の設置空間３を示している。
パワー素子の設置空間３は、その底面にパワー配線１１が存在しており、その周囲がガラスセラミック多層基板２となっている。また、その周囲の一部はガラスセラミック多層基板２に含まれるガラスセラミックと同一の材料を含む隔壁４１となっている。
パワー素子の設置空間３は、パワーモジュールをその上方から垂直方向に見た場合に、ガラスセラミック多層基板２に囲まれており、底面にパワー配線１１が存在する、キャビティとなっている空間であるともいえる。
なお、パワー素子の設置空間の周囲の一部が、ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミックと同一の材料を含む隔壁であっても、パワー素子の設置空間はガラスセラミック多層基板に囲まれているとみなしてよい。
このような設置空間にパワー素子を実装すると、パワー素子で生じる熱を、ガラスセラミック多層基板を介することなく、パワー配線及び高熱伝導セラミック基板のみを介して効率良くパワーモジュールの裏面に伝達できるため、放熱性を高くすることができる。
【００６４】
パワー素子がパワー素子の設置空間に設置されて、パワー素子の設置空間には封止樹脂が充填され、パワー素子が封止樹脂により封止されていることが好ましい。
パワー素子が封止樹脂により封止されている態様は、後述する図８（ｃ）に示している。
このような態様では、パワー素子の設置空間の周囲のガラスセラミック多層基板が封止樹脂を充填する際のダムの役割を果たすので、必要最小限の樹脂量でパワー素子を封止することが可能となる。
【００６５】
図５は、パワーモジュールの一部を模式的に示す断面図である。
図５は、パワーモジュールにおいて、ガラスセラミック多層基板の一部が、パワー配線の周縁部を被覆する部分にも設けられていることを説明するための図面である。
図５には、パワー配線１１の周縁部４が示されており、ガラスセラミック多層基板２がパワー配線１１の周縁部４を被覆していることが併せて示されている。
ガラスセラミック多層基板２が、パワー配線１１の周縁部４を被覆するように設けられていると、パワーモジュールをその上方から垂直方向に見た場合に、ガラスセラミック多層基板がパワー配線の周縁を枠状に覆うようになる。このような位置関係であるとガラスセラミック多層基板がパワー配線の周縁部を固定するフレーミング部として機能するため、パワー配線が高熱伝導セラミック基板から剥がれ難くなる。そのため、パワーモジュールが振動や衝撃により強い構造となる。
【００６６】
続いて、本発明のパワーモジュールの製造方法の一例について説明する。
図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）及び図６（ｅ）は、本発明のパワーモジュールの製造工程の一部を模式的に示す断面図である。
図７（ａ）、図７（ｂ）及び図７（ｃ）は、本発明のパワーモジュールの製造工程の一部を模式的に示す断面図である。
図８（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）は、本発明のパワーモジュールの製造工程の一部を模式的に示す断面図である。
【００６７】
まず、図６（ａ）に示すように、高熱伝導セラミック基板１となる、焼結済みの高熱伝導セラミック焼結体を用意する。高熱伝導セラミック焼結体の具体例としては、材質が９６％アルミナであり、厚さは０．５ｍｍ、熱伝導率は２１Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１、３０℃〜３００℃における平均熱膨張係数は７．８ｐｐｍ・Ｋ−１、抗折強度（三点曲げ強度）が３５０ＭＰａ、破壊靱性が５ＭＰａ・ｍ１／２であるものを使用することができる。
【００６８】
続いて、図６（ｂ）に示すように、ガラスセラミック層となるガラスセラミックグリーンシート２０２を、高熱伝導セラミック基板１の上に直接積層する。積層後、熱プレスして圧着する。
図６（ｂ）では、ガラスセラミックグリーンシート２０２を２枚（ガラスセラミックグリーンシート２０２Ａ、２０２Ｂ）積層して圧着している。
ガラスセラミックグリーンシートの無機固形分としては、ＳｉＯ２−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系ガラス粉末とアルミナ粉末の混合粉末を使用することができる。
ガラスセラミックグリーンシートの例としては、上記混合粉末に、樹脂、分散剤、可塑剤及び溶剤を添加し、混合したスラリーを、ドクターブレード法により厚み０．１ｍｍでシート化したものが挙げられる。
また、ガラスセラミックグリーンシートの例としては、焼結後の３０℃〜３００℃における平均熱膨張係数が５．５ｐｐｍ・Ｋ−１、焼結後の熱伝導率が３Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１となるものを使用することができる。図６（ｂ）には、積層したガラスセラミックグリーンシート２０２が、パワー配線を配置するための開口部２０３を有することを示している。
この開口部の寸法は、形成予定のパワー配線の寸法に合わせて設計することが好ましい。
また、パワー配線を配置するための開口部２０３を形成するためのガラスセラミックグリーンシート２０２（２０２Ａ、２０２Ｂ）には、内部電極層やビア導体となるための導電性ペースト部が設けられていないことが好ましい。そのようにすると、内部電極層が、高熱伝導セラミック基板の厚み方向において、パワー配線の高さよりも上方に設けられた構成のパワーモジュールとすることができる。
【００６９】
続いて、図６（ｃ）に示すように、ガラスセラミックグリーンシート２０２に設けられた開口部２０３に、パワー配線となる導電性ペースト２１１を充填する。
導電性ペースト２１１としては、銀又は銅を含むペーストを使用することが好ましい。
【００７０】
続いて、図６（ｄ）に示すように、ガラスセラミックグリーンシート２０２をさらに積層する。
パワー配線よりも上方に設けられるガラスセラミックグリーンシートには、内部電極層、表層配線又はビア導体となるための導電性ペースト部を設けることが好ましい。
例えば、ガラスセラミックグリーンシート２０２にレーザーパンチャー又はメカパンチャー等で形成したビアに金属ペーストを印刷充填してビア導体用の導電性ペースト部２１４とする。また、ガラスセラミックグリーンシート２０２の表面に、内部電極層となるパターンで導電性ペーストを印刷して、内部電極層用の導電性ペースト部２１３とする。
また、最表面のガラスセラミックグリーンシート２０２（２０２Ｈ）の表面には、表層配線となるパターンで導電性ペーストを印刷して、表層配線用の導電性ペースト部２１５とする。
導電性ペースト部を設けるための導電性ペーストとしては、銀又は銅を含むペーストを使用することが好ましい。
図６（ｄ）には、ガラスセラミックグリーンシート２０２をさらに６枚（ガラスセラミックグリーンシート２０２Ｃ、２０２Ｄ、２０２Ｅ、２０２Ｆ、２０２Ｇ、２０２Ｈ）積層し、熱プレスして圧着した状態を示している。なお、ガラスセラミックグリーンシート２０２のうち、最表面からの２枚（２０２Ｇ、２０２Ｈ）は、電源配線用の開口部２０４を有する。
【００７１】
続いて、図６（ｅ）に示すように、ガラスセラミックグリーンシート２０２のうち最表面からの２枚（２０２Ｇ、２０２Ｈ）に設けた、電源配線用の開口部２０４に、電源配線となる導電性ペースト２１２を充填する。
導電性ペースト２１２としては、銀又は銅を含むペーストを使用することが好ましい。
ここまでの工程により、その底面にパワー配線となる導電性ペースト２１１が存在しており、その周囲がガラスセラミックグリーンシート２０２となっている、パワー素子の設置空間となるキャビティ２２３を設けておくようにする。
【００７２】
続いて、図７（ａ）に示すように、最表面のガラスセラミックグリーンシート２０２の最表面層（２０２Ｈ）の上及びキャビティ２２３の内部に、拘束層２３１を設ける。
拘束層は、後の加圧焼成工程で焼結しない材料であるセラミック粉末に、樹脂、分散剤、可塑剤及び溶剤を添加及び混合したスラリーを、ドクターブレード法によりシート化したものである。拘束層に用いるセラミック粉末としてはアルミナ粉末が好ましい。また、シート化の厚みとしては例えば０．２ｍｍとすることが好ましい。
拘束層を設けることにより、後の加圧焼成工程におけるガラスセラミックグリーンシートの収縮量を制御することができ、ガラスセラミック多層基板の寸法精度を高めることができる。
ここまでの工程で得られたものが、高熱伝導セラミック基板となる焼結済みの高熱伝導セラミック焼結体１と、ガラスセラミック多層基板となるガラスセラミックグリーンシート２０２の積層体１０１である。
続いて、この積層体１０１を加圧焼成する。
【００７３】
図７（ｂ）は、加圧焼成後の積層体１０２を模式的に示している。
加圧焼成における焼成温度は、８５０℃以上、９９０℃以下とすることが好ましい。
加圧焼成の時間(焼成温度での保持時間）は１０分以上、３０分以下とすることが好ましい。
加圧焼成の加圧力が０．１ｋｇｆ／ｃｍ２以上、３０．０ｋｇｆ／ｃｍ２以下となるようにすることが好ましい。
また、加圧焼成時の雰囲気は大気雰囲気とすることが好ましい。
【００７４】
加圧焼成により、積層されたガラスセラミックグリーンシート２０２を構成する低温焼結セラミック材料が焼結してガラスセラミック多層基板２となる。
ガラスセラミック多層基板２には、ガラスセラミック層が８層（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ、２Ｇ、２Ｈ）含まれる。
加圧焼成により、パワー配線となる導電性ペースト２１１はパワー配線１１となり、電源配線となる導電性ペースト２１２は電源配線１２となる。
また、加圧焼成により、ビア導体用の導電性ペースト部２１４はビア導体１４となり、内部電極層用の導電性ペースト部２１３は内部電極層１３となり、表層配線用の導電性ペースト部２１５は表層配線１５となる。
【００７５】
加圧焼成前の積層体１０１において、ガラスセラミックグリーンシート２０２は高熱伝導セラミック基板１の上に直接設けられている。
加圧焼成により、ガラスセラミック多層基板２が高熱伝導セラミック基板１上に直接設けられた積層体が得られる。そして、この加圧焼成により、ガラスセラミック成分が高熱伝導セラミック基板の中に拡散し、高熱伝導セラミック基板とガラスセラミック多層基板の界面に拡散層が形成されて高い結合強度が実現される。
また、加圧焼成前の積層体１０１において、パワー配線となる導電性ペースト２１１は高熱伝導セラミック基板１の上に直接設けられている。
加圧焼成により、パワー配線１１を高熱伝導セラミック基板１上に直接設けることができる。
【００７６】
続いて、図７（ｃ）に示すように、拘束層２３１を積層体１０２から除去する。
拘束層の除去は超音波洗浄により行うことができる。
拘束層が除去されることで、焼成前にパワー素子の設置空間となるキャビティ２２３であった部分が、パワー素子の設置空間３となる。
さらに、必要に応じて、表面に露出したパワー配線１１、表層配線１５、電源配線１２の表面にニッケルメッキ及び金メッキ被膜を形成することが好ましい。
このようにして、パワー素子及び制御素子が実装されていないパワーモジュール１００（実装前のパワーモジュール１００）が得られる。
【００７７】
ここまでの工程により得られた実装前のパワーモジュールの具体例は以下の通りである。
高熱伝導セラミック基板が、材質が９６％アルミナであり、厚さは０．５ｍｍ、熱伝導率は２１Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１、３０℃〜３００℃における熱膨張係数は７．８ｐｐｍ・Ｋ−１、抗折強度（三点曲げ強度）が３５０ＭＰａ、破壊靱性が５ＭＰａ・ｍ１／２である。
ガラスセラミック多層基板は、ガラスセラミック層を８層有しており、ガラスセラミック層１層の厚みが０．０５ｍｍ、ガラスセラミック多層基板の総厚みが０．４ｍｍであり、ガラスセラミック層の間の必要な箇所に厚さ０．００５ｍｍの内部電極層を有する。
高熱伝導セラミック基板とガラスセラミック多層基板が接する界面では、ガラスセラミック多層基板に含まれるガラスセラミック成分が、高熱伝導セラミック基板に拡散して拡散層を形成して、高熱伝導セラミック基板とガラスセラミック多層基板が接合されている。
パワー素子の設置空間が設けられており、パワー素子の設置空間の深さは０．３ｍｍである。
パワー素子の設置空間の底面、かつ高熱伝導セラミック基板の表面に、厚さ０．１ｍｍのパワー配線が形成されている。
また、ガラスセラミック多層基板の表面、すなわち実装前のパワーモジュールの表面に、電源配線を有する。
【００７８】
実装前のパワーモジュール１００に、パワー素子２１を実装し、制御素子２２を実装し、その他必要な工程を行うことにより本発明のパワーモジュールが得られる。
図８（ａ）では、パワー素子の設置空間３にパワー素子２１を実装している。
パワー配線１１の上に接合材３１をディスペンサで塗布したのち、パワー素子２１を搭載し、加熱処理して、パワー素子２１を実装する。
パワー素子を実装するための接合材３１としては、銀ナノ焼結材が好ましい。
また、加熱処理条件は、例えば、窒素雰囲気、３００℃／１０分とすることが好ましい。
パワー素子２１としては、厚さ０．１５ｍｍのＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ等の素子を使用することができる。
【００７９】
続いて、図８（ｂ）に示すように、制御素子２２を実装する。
表層配線１５の上に接合材３２をスクリーン印刷で塗布したのち、制御素子２２を実装する。制御素子２２を接合材３２に載せて、リフロー処理することにより、制御素子２２を実装することができる。
制御素子を実装するための接合材３２としては、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｃｕハンダ等を用いることができ、リフロー条件は、窒素雰囲気、最高温度２５０℃での５０秒の保持を行う条件であることが好ましい。
パワー素子２１と制御素子２２が実装されることにより、本発明のパワーモジュール２００が製造される。
【００８０】
必要に応じて、図８（ｃ）に示すように、パワー素子２１をワイヤボンディング２４によりガラスセラミック多層基板２に設けられた配線（表層配線１５）と電気的に接合する。
また、パワー素子２１が実装された、パワー素子の設置空間に封止樹脂２５を充填してパワー素子を封止する。
【００８１】
上記工程により得られたパワーモジュールの具体例としては、パワー素子を接合するための接合材の厚さが０．０５ｍｍ、パワー素子としてのＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの厚さが０．１５ｍｍのものが挙げられる。この場合、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの表面が、実装前のパワーモジュールにおけるパワー素子の設置空間の底面から高さ０．２ｍｍに位置する。パワー素子の設置空間の深さは０．３ｍｍなので、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの表面は、パワーモジュールの表面から０．１ｍｍ低くなっている。
このような位置関係であると、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの作動時に生じる輻射熱による、制御素子の直接加熱を防止することができる。
【００８２】
なお、高熱伝導セラミック基板とガラスセラミック多層基板の接合強度を確認するために、厚みが０．５ｍｍの９６％アルミナ基板の上に、無機固形分としてＳｉＯ２−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系ガラスとアルミナを含む厚さ０．５ｍｍのガラスセラミックグリーンシートを積層した積層体を、加圧力５．０ｋｇｆ／ｃｍ２、最高温度８７０℃で１０分間保持する加圧焼成条件により焼成して接合させた。
これを長さ４０ｍｍ、幅５ｍｍに切り出して曲げ試験用サンプルとした。
この曲げ試験用サンプルを、アルミナ基板側から圧子荷重を掛けて三点曲げ（スパン３０ｍｍ、圧子送り速度２ｍｍ・ｍｉｎ−１）し、破断部を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。
図９には、曲げ試験における破断部の走査電子顕微鏡写真を示した。
高熱伝導セラミック基板（アルミナ基板）とガラスセラミック多層基板（ガラスセラミック層）の接合界面での亀裂は認められなかったことから、高熱伝導セラミック基板とガラスセラミック多層基板の界面が強固に接合していることが分かった。
【符号の説明】
【００８３】
１  高熱伝導セラミック基板
１ａ  高熱伝導セラミック基板の表面
２、４２  ガラスセラミック多層基板
２ａ、２ｂ  ガラスセラミック多層基板の面
２Ａ〜２Ｈ  ガラスセラミック層
３  パワー素子の設置空間
４  パワー配線の周縁部
１１  パワー配線
１１ａ、１１ｂ  パワー配線の面
１２  電源配線
１３  内部電極層
１４  ビア導体
１５  表層配線
２１、２１ａ、２１ｂ  パワー素子
２２、２２ａ  制御素子
２４  ワイヤボンディング
２５  封止樹脂
３１、３２  接合材
４１  隔壁
１００  実装前のパワーモジュール
１０１  加圧焼成前の積層体
１０２  加圧焼成後の積層体
２００  パワーモジュール
２０２、２０２Ａ〜２０２Ｈ  ガラスセラミックグリーンシート
２０３、２０４  開口部
２１１  パワー配線となる導電性ペースト
２１２  電源配線となる導電性ペースト
２１３  内部電極層用の導電性ペースト部
２１４  ビア導体用の導電性ペースト部
２１５  表層配線用の導電性ペースト部
２２３  パワー素子の設置空間となるキャビティ
２３１  拘束層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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