(57)【要約】【課題】温度サイクルおよびヒートショックの作用による熱膨張と収縮による歪みの応力に耐えることができる高い信頼性を有する配線接合構造の配線基板、およびその配線基板を少ない工数かつ容易に製造することができる製造方法を提供すること。【解決手段】配線基板は、第１の金属配線と、第１の金属配線に対して空間距離を保持して配置された第２の金属配線と、第１の金属配線に設けられた貫通孔を介して第１および第２の金属配線を接合する金属柱とを備え、金属柱は、粒状の金属材料同士が接合されて形成される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属配線と、
第１の金属配線に対して空間距離を保持して配置された第２の金属配線と、
第１の金属配線に設けられた貫通孔を介して第１および第２の金属配線を接合する金属柱とを備え、
金属柱は、粒状の金属材料同士が接合されて形成される、配線基板。
【請求項２】
第１の金属配線に形成される貫通孔は、第１の金属配線に接合されるもう一方の金属配線に向かって広がるテーパー形状を有する、請求項１に記載の配線基板。
【請求項３】
粒状の金属材料は、第１の金属材料と、第１の金属材料を被覆するとともに第１の金属材料よりも融点が高い第２の金属材料とを備える、請求項１または２に記載の配線基板。
【請求項４】
金属柱によって接合される２つの金属配線は略平行に配置され、
第１の金属配線に形成される貫通孔は第１の金属配線表面の垂線方向に向かって形成される、請求項１から３のいずれか１つに記載の配線基板。
【請求項５】
第１の金属配線に対して第２の金属配線が配置される位置と反対側に、第１の金属配線に対して空間距離を保持して配置された第３の金属配線と、
第１の金属配線に設けられた貫通孔を介して第１および第３の金属配線を接合する金属柱とをさらに備える、請求項１から４のいずれか１つに記載の配線基板。
【請求項６】
第１の金属配線に貫通孔を形成する第１工程と、
第１の金属配線に対して空間距離を保持して第２の金属配線を配置する第２工程と、
第１の金属配線に形成された貫通孔を通して、加熱および加圧したガスにより、第２の金属配線に対して粒状の金属材料を噴射して金属柱を形成するとともに、金属柱によって第１および第２の金属配線を接合する第３工程と、を含む、配線基板の製造方法。
【請求項７】
第１工程において、貫通孔を、第１の金属配線に接合されるもう一方の金属配線に向かって広がるテーパー形状として形成する、請求項６に記載の配線基板の製造方法。
【請求項８】
第３工程において、粒状の金属材料として、第１の金属材料と、第１の金属材料を被覆するとともに第１の金属材料よりも融点が高い第２の金属材料とを備える粒状の金属材料を噴射する、請求項６または７に記載の配線基板の製造方法。
【請求項９】
第１工程において、貫通孔を、第１の金属配線表面の垂線方向に向かって形成し、
第２工程において、第２の金属配線を第１の金属配線と略平行に配置する、請求項６から８のいずれか１つに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１０】
第３工程において、粒状の金属材料を、第１の金属配線表面の垂線方向に向かって噴射する、請求項６から９のいずれか１つに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１１】
第１工程において、貫通孔として、第１の貫通孔と第２の貫通孔とを形成し、
第３工程において、第１の金属配線に形成された第１の貫通孔を通して第２の金属配線に対して粒状の金属材料を噴射して金属柱を形成し、
第１の金属配線に対して第２の金属配線が配置される位置と反対側に、第１の金属配線に対して空間距離を保持して第３の金属配線を配置する第４工程と、
第１の金属配線に形成された第２の貫通孔を通して、加熱および加圧したガスにより、第３の金属配線に対して粒状の金属材料を噴射して金属柱を形成するとともに、該金属柱によって第１および第３の金属配線を接合する第５工程と、をさらに含む、請求項６から１０のいずれか１つに記載の配線基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配線基板およびその製造方法に関し、特に大電力を用いる民生機器や産業機器、電気自動車などに搭載される電力制御機器など、パワーエレクトロニクス機器に適用できる配線基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用のエアコン、冷蔵庫などの民生機器や、インバータ、サーボコントローラなどの産業機器から最近の電気自動車まで、大きな電力を使用する機器は、環境保護意識の高まりに伴う省エネ要請に応える必要がある。そのため、使用される電源装置および制御装置には高効率な制御が可能なパワー半導体素子、例えばＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）を搭載した制御モジュールが広範囲にわたって適用されている。しかしながら、これらの制御モジュールは、配線回路上の金属配線や搭載する電子部品に大電流を流すと同時に多量の熱の発生を伴う。このような発熱に対処するため、高い放熱性と温度サイクルやヒートショックに対する高い信頼性とが要求されている。
【０００３】
図１は、ＩＧＢＴなどのパワー半導体素子を使用した従来の制御モジュール１００の断面図である。図１に示すように、配線基板１１０は、金属材料で形成されたベース基板１０１と、ベース基板１０１上に形成された絶縁層１０２と、絶縁層１０２の表面に形成された金属配線（回路パターン）１０８との３層構造を有する。金属配線１０８は、使用する電力（電流容量）に応じた厚みの金属材料として銅箔が用いられている。絶縁層１０２は、絶縁材料として酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミック材料を用いて形成されている。ベース基板１０１は、放熱性に優れたアルミニウム板や銅板などの金属材料により形成されている。
【０００４】
配線基板１１０の金属配線１０８上には、金属接合層１０７（例えば錫を主体としたハンダなど）を介して、パワー半導体素子１０３が接合されている。また、パワー半導体素子１０３の図示上面の電極は、金属ワイヤ線１０４を用いて金属配線１０８に接合（ボンディング）されている。この金属配線１０８には外部導通線１０５が接続されている。配線基板１１０において、絶縁層１０２は接合金属層１０９を介してベース金属１０１に接合されており、ベース金属１０１は放熱板１０６と接合されている。
【０００５】
金属配線１０８をセラミック基板である絶縁層１０２上に形成する方法として、例えば、図２（ａ）〜（ｇ）に示すような方法が用いられている。この方法では、セラミック基板を一度作成し、その両面に銅箔などの金属層を接合する。その後、エッチング加工等により、回路パターン形成面に回路パターンを有する金属配線を形成している。また、パワー半導体素子１０３は、図２（ｇ）に示すように、リフロー工程によりハンダなどの板状の接合金属（金属接合層１０７）を介して金属配線１０８上に実装される。
【０００６】
このように構成された制御モジュール１００の使用時においてパワー半導体素子１０３で制御する電力量が増加すると、パワー半導体素子１０３の発熱量も大きくなる。一方で、シリコン（Ｓｉ）を主体とした熱膨張率の小さいパワー半導体素子１０３と、熱膨張率の大きい接合金属１０７および金属配線１０８との間には、熱膨張率の違い（膨張量の差）がある。パワー半導体素子１０３の発熱量が大きくなると、このような熱膨張率の違いに起因して、パワー半導体素子１０３、接合金属１０７および金属配線１０８の間で歪みが生じる。
【０００７】
さらに長期間使用した場合には、制御モジュール１００の稼働に伴う温度サイクルの作用で熱膨張と収縮が繰り返されることにより、歪みが蓄積する。歪みが蓄積することにより、図３に示すように、接合金属１０７にマイクロクラック１３０が発生しやすくなる。あるいは、接合金属１０７とパワー半導体素子１０３または金属配線１０８との間で剥離１３１が発生することにより、断線などの不具合が生じる場合がある。
【０００８】
特に車載用として使用される制御モジュール１００などでは、例えば−４０℃〜＋１５０℃のヒートショックを繰り返し受けてもその性能を確保できるような高い信頼性が要求される。このように高い信頼性を確保しつつ、パワー半導体素子１０３の性能を最大限に引き出すためには、制御モジュール１００を構成する部材間の熱膨張率の差や温度サイクルおよびヒートショックの作用などによって生じる熱膨張や収縮による歪みの応力にも耐えることができるパワーエレクトロニクス用途に適した配線基板が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１１−２２８７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
配線基板に、パワー半導体素子１０３、金属配線１０８、およびパワー半導体素子１０３と金属配線１０８を接合する接合部分（接合金属１０７）における熱膨張率の差分による歪みを抑制する機能、またはその歪みの応力を緩和させる機能を持たせることにより、パワーエレクトロニクス機器に適した配線基板を提供することができる。
【００１１】
熱膨張と収縮の繰り返しによって生じる歪みの応力を緩和する方法として、図４に示すような方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の方法では、半導体素子２１８と金属配線２２４を、アスペクト比（高さ対幅）が１以上の金属柱２１２で接合することにより、温度サイクルの作用による熱膨張、収縮時の歪みを金属柱２１２で吸収している。
【００１２】
具体的には、図４に示すように、絶縁層を形成するセラミック基板２１４上に金属配線２２４を設け、金属配線２２４の上方に半導体素子２１８を配置する。半導体素子２１８の表面には接続パッド２１６が設けられ、接続パッド２１６の表面にはレジスト層２２０が設けられる。レジスト層２２０には複数の開口部２２２が形成され、開口部２２２には金属柱２１２が配置される。金属柱２１２は、銅などで形成されたアスペクト比が１以上の金属の柱である。金属柱２１２の下端部は、ハンダ２１５によって金属配線２２４に接合されている。このような構成により、半導体素子２１８は、金属柱２１２を介して金属配線２２４に接合される。
【００１３】
半導体素子２１８が発熱すると、半導体素子２１８と金属配線２２４およびセラミック基板２１４との熱膨張率の差分により歪みが発生する。しかしながら、図５に示すように、半導体素子２１８と金属配線２２４とを接合している金属柱２１２が撓む（または湾曲する）ことにより歪みの応力が吸収される。図５では、金属配線２２４およびセラミック基板２１４が半導体素子２１８に対して相対的に右方向（図示矢印）に移動するように金属柱２１２が撓んでいる。
【００１４】
特許文献１の方法では、金属柱２１２が撓むことにより応力を緩和するため、金属柱２１２が撓む時に生じる曲げ応力によって金属柱２１２が破壊されるのを防止する必要がある。そのためには、金属柱２１２のアスペクト比を大きく設定する必要がある。アスペクト比の大きな金属柱２１２を作成する方法として、開口２２２が形成されたレジスト層２２０をマスクとして接続パッド２１６にメッキ工法（電解メッキなど）を用いて金属を積層する方法や、接続パッド２１６に金属板を接合した後、エッチング工法を用いて金属柱を形成する方法などがある。しかしながら、これらの方法では、金属柱２１２の高さに比例して加工時間が長くなると同時に加工精度が低下する。また、金属柱２１２を作成する工程の次工程においてハンダ２１５などを用いて金属柱２１２と金属配線２２４を金属接合する場合には、リフロー工程が行われる。このような場合、リフロー工程での加熱・冷却時のバイメタル効果などによって、金属柱２１２に反りや歪みなど、予期せぬ変形が発生する。このような変形により金属柱２１２の高さにばらつきが生じ、金属柱２１２と金属配線２２４との接合不良の原因となっていた。
【００１５】
また、上述したメッキ工法やエッチング工法を用いない他の方法として、金属線にプレス加工などを施して予め単体の金属柱２１２を製作し、製作した金属柱２１２を半導体素子２１８と金属配線２２４との間に配置した後加圧しながら接合する方法がある。しかしながらこの方法では、金属柱２１２の位置決めに高い精度を必要とする。それと同時に、金属柱２１２の高さ寸法のバラツキによる接合不良を防止するために、金属柱２１２の形状・寸法精度を厳密に管理する必要がある。
【００１６】
上述のように、従来の構成および製造方法によれば、温度サイクルの作用による熱膨張と収縮による歪みの吸収機能を有する配線基板を安定した品質、かつ少ない工程（低価格）で製造および提供することができない。
【００１７】
従って、本発明の目的は、上記課題を解決することにあって、歪みの応力を緩和することができる、パワーエレクトロニクス用途に適した配線基板およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１９】
本発明の第１態様によれば、第１の金属配線と、
第１の金属配線に対して空間距離を保持して配置された第２の金属配線と、
第１の金属配線に設けられた貫通孔を介して第１および第２の金属配線を接合する金属柱とを備え、
金属柱は、粒状の金属材料同士が接合されて形成される、配線基板を提供する。
【００２０】
本発明の第２態様によれば、第１の金属配線に形成される貫通孔は、第１の金属配線に接合されるもう一方の金属配線に向かって広がるテーパー形状を有する、第１態様に記載の配線基板を提供する。
【００２１】
本発明の第３態様によれば、粒状の金属材料は、第１の金属材料と、第１の金属材料を被覆するとともに第１の金属材料よりも融点が高い第２の金属材料とを備える、第１態様または第２態様に記載の配線基板を提供する。
【００２２】
本発明の第４態様によれば、金属柱によって接合される２つの金属配線は略平行に配置され、
第１の金属配線に形成される貫通孔は第１の金属配線表面の垂線方向に向かって形成される、第１態様から第３態様のいずれか１つに記載の配線基板を提供する。
【００２３】
本発明の第５態様によれば、第１の金属配線に対して第２の金属配線が配置される位置と反対側に、第１の金属配線に対して空間距離を保持して配置された第３の金属配線と、
第１の金属配線に設けられた貫通孔を介して第１および第３の金属配線を接合する金属柱とをさらに備える、第１態様から第４態様のいずれか１つに記載の配線基板を提供する。
【００２４】
本発明の第６態様によれば、第１の金属配線に貫通孔を形成する第１工程と、
第１の金属配線に対して空間距離を保持して第２の金属配線を配置する第２工程と、
第１の金属配線に形成された貫通孔を通して、加熱および加圧したガスにより、第２の金属配線に対して粒状の金属材料を噴射して金属柱を形成するとともに、金属柱によって第１および第２の金属配線を接合する第３工程と、を含む、配線基板の製造方法を提供する。
【００２５】
本発明の第７態様によれば、第１工程において、貫通孔を、第１の金属配線に接合されるもう一方の金属配線に向かって広がるテーパー形状として形成する、第６態様に記載の配線基板の製造方法を提供する。
【００２６】
本発明の第８態様によれば、第３工程において、粒状の金属材料として、第１の金属材料と、第１の金属材料を被覆するとともに第１の金属材料よりも融点が高い第２の金属材料とを備える粒状の金属材料を噴射する、第６態様または第７態様に記載の配線基板の製造方法を提供する。
【００２７】
本発明の第９態様によれば、第１工程において、貫通孔を、第１の金属配線表面の垂線方向に向かって形成し、
第２工程において、第２の金属配線を第１の金属配線と略平行に配置する、第６態様から第８態様のいずれか１つに記載の配線基板の製造方法を提供する。
【００２８】
本発明の第１０態様によれば、第３工程において、粒状の金属材料を、第１の金属配線表面の垂線方向に向かって噴射する、第６態様から第９態様のいずれか１つに記載の配線基板の製造方法を提供する。
【００２９】
本発明の第１１態様によれば、第１工程において、貫通孔として、第１の貫通孔と第２の貫通孔とを形成し、
第３工程において、第１の金属配線に形成された第１の貫通孔を通して第２の金属配線に対して粒状の金属材料を噴射して金属柱を形成し、
第１の金属配線に対して第２の金属配線が配置される位置と反対側に、第１の金属配線に対して空間距離を保持して第３の金属配線を配置する第４工程と、
第１の金属配線に形成された第２の貫通孔を通して、加熱および加圧したガスにより、第３の金属配線に対して粒状の金属材料を噴射して金属柱を形成するとともに、該金属柱によって第１および第３の金属配線を接合する第５工程と、をさらに含む、第６態様から第１０態様のいずれか１つに記載の配線基板の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、粒状の金属材料を、加熱、加圧したガスにより噴射、積層させて金属柱を形成することにより、空間距離を保持して配置された第１および第２の金属配線を接合する。そのため、金属柱の形成と第１および第２の金属配線の接合を同時に実施することができる。よって、金属柱の高さ精度に関する要求を緩和することができ、さらに、別工程による金属柱と金属配線の接合工程が不要になるなど、パワーエレクトロニクス機器に適した配線基板を提供することができる。それとともに、このような配線基板を少ない工数（低価格）で製作できる製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来の配線基板を用いた、制御モジュール１００の構成を示す断面図
【図２】従来の配線基板の製造方法の説明図
【図３】従来の配線基板の断面図
【図４】従来の配線基板の断面図
【図５】従来の配線基板の熱膨張時の断面図
【図６】本発明の実施の形態に係る配線基板の断面図
【図７】本発明の実施の形態に係る配線基板の金属配線の製作工程を示す断面図
【図８】本発明の実施の形態に係る配線基板において、粒状の金属材料の接合状態を示す模式図
【図９】本発明の実施の形態に係る配線基板の金属柱を示す拡大断面図
【図１０】本発明の変形例に係る配線基板の金属配線の製作工程を示す断面図
【図１１】本発明の変形例に係る配線基板の金属配線の製作工程を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３３】
以下の図面においては、説明の簡潔化のために、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００３４】
図６は、本発明の一の実施の形態に係る配線基板１０の構成を示す断面図である。本実施の形態の配線基板１０は、ベース基板１２と、ベース基板１２上に配置された絶縁層１３と、絶縁層１３の表面に配置された金属配線（金属配線パターン）１４とを備える。配線基板１０はさらに、金属配線１４に接続される板状の金属電極である第１の金属配線１６と、半導体素子１８や電子部品の接続パッドで構成される第２の金属配線１９と、第１の金属配線１６および第２の金属配線１９を接合する金属柱２０とを備える。金属柱２０は、第１の金属配線１６に形成された貫通孔２４を介して第１の金属配線１６および第２の金属配線１９を接合している。
【００３５】
第１の金属配線１６には複数の貫通孔２４が形成されている。絶縁層１３上に配置された金属配線１４と第１の金属配線１６とは図６に示すように、第１の金属配線１６に形成された貫通孔２４を介して金属柱２０により接合される。また、第１の金属配線１６と金属配線１４との間には空間距離を確保するための突起部１７が設けられており、突起部１７によって第１の金属配線１６が下方から支持される。
【００３６】
ベース基板１２は、配線基板１０に搭載された半導体素子１８などの電子部品の発熱を速やかに拡散放熱させるために、放熱性に優れた材料が用いられる。例えば、比較的安価で放熱性に優れたアルミニウムや銅などの金属材料が用いられている。更なる放熱性能の向上のために、高熱伝導グラファファイト材や、ダイヤモンドライクカーボンなどの熱伝導に優れた材料、さらにこれらの材料と各種の金属材料などを組合せた複合材を、ベース基板１２の形成材料に用いても良い。
【００３７】
ベース基板１２に接合された絶縁層１３は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどのセラミック材料により形成されたセラミック層や、セラミックフィラーを混練したエポキシなどの耐熱性樹脂基板で構成される。絶縁層１３は、ベース基板１２上に必要に応じて下地処理を施した後、高温ガスやプラズマで溶融させたセラミック材料を、高圧で直接吹き付けて成膜する溶射工法や、セラミック粒子などを粒子状態のまま高速で衝突させ積層する方法などにより、接合金属を介さずに直接ベース基板１２上に形成される。
【００３８】
第１の金属配線１６は、銅、アルミニウム又はそれらを含む合金など、電気抵抗が低く、放熱性に優れた金属材料によって板状に形成されている。第２の金属配線１９は、半導体素子１８などの電子部品に設けられた接続パッドや電極で構成されている。なお、本明細書における金属配線には、無垢の金属材料やガラスエポキシ上の配線層なども含まれる。
【００３９】
第１の金属配線１６には、第２の金属配線１９を臨む位置に、金属柱２０を配置するための少なくとも１つの貫通穴２４が設けられている。本実施の形態では、貫通穴２４の形状はテーパー形状（すなわち円錐台形状）であるがストレート形状（円柱形状）であっても良い。貫通孔２４の数、形状および寸法は、半導体素子１８へ供給する電力容量や必要とされる放熱性などを勘案して決定される。
【００４０】
金属柱２０は、粒状の金属材料２３が積層されることにより、貫通孔２４内に挿通するように概略Ｔ字形状に形成される。金属柱２０が貫通孔２４を介して第１よび第２の金属配線１６、１９を接合することにより、第１および第２の金属配線１６、１９は互いに空間距離を保持した状態にて配置される。
【００４１】
金属柱２０を形成するには、まず、第１の金属配線１６に貫通孔２４を形成する（第１工程）。次に、貫通孔２４の形成された第１の金属配線１６に対して空間距離を保持して第２の金属配線１９を配置する（第２工程）。
【００４２】
図７は、第１の金属配線１６に対して空間距離を保持して第２の金属配線１９が配置された状態を示す。図７に示すように、ヒーター３５により加熱（約３００〜５００℃程度）した噴射ノズル３０内に、加圧（約２〜１０バール程度）した空気、窒素ガス、またはアルゴンガスなどのガスをガス供給源３１より供給し、加熱噴流３２を形成する。この加熱噴流３２の中に、金属柱２０を構成する粒状の金属材料２３（例えば、粒径５〜１００ミクロン程の銅、銀、アルミニウム、ニッケル、金、錫の何れか一種もしくはこれらの合金による金属粉や、これら金属粉にビスマス、チタン、モリブデンなどの金属を加えた合金または混合物などからなる金属粒）をホッパー３４から供給する。噴射ノズル３０から、粒状の金属材料２３を含んだ加熱噴流３２が、第１の金属配線１６に形成された貫通孔２４の上縁部およびその周囲に向かって噴射される。すなわち、粒状の金属材料２３が上方から下方へ噴射される。
【００４３】
粒状の金属材料２３は加熱噴流３２により加熱され、表層の一部が加熱溶融（あるいは軟化）した状態で、ガス圧により噴射ノズル３０から噴射飛翔する。このとき、貫通孔２４を形成した第１の金属配線１６がマスク機能を果たす。貫通孔２４を通過して下方に噴射された粒状の金属材料２３は、第１の金属配線１６の下方に配置された第２の金属配線１９上に付着する。本実施の形態では、第２の金属配線１９は第１の金属配線１６と略平行になるように配置されているが、このような配置に限らず、互いに傾斜させて配置しても良い。
【００４４】
第２の金属配線１９上に付着した粒状の金属材料２３は、図８（ａ）に示すように、表層の一部が加熱溶融した状態となる。したがって、圧力と熱の作用により粒状の金属材料２３と第２の配線電極１９とが確実に接合される。第２の配線電極１９に接合された粒状の金属材料２３に対して上方からさらに粒状の金属材料２３が噴射されることにより、粒状の金属材料２３同士も圧力と熱の作用により互いに接合する。すなわち、粒状の金属材料２３が積層されていく。このように粒状の金属材料２３が積層されることにより金属柱２０が形成される。
【００４５】
また、粒状の金属材料２３を含んだ加熱噴流３２が、貫通孔２４を介して第２の金属配線１９に向かって噴射されるとともに、貫通孔２４の周囲における第１の金属配線１６上に噴射・積層される。このように粒状の金属材料２３が第１の金属配線１６上および第２の金属配線１９上に積層されることにより、貫通孔２４を介して第１および第２の金属配線１６、１９を接合する金属柱２０が形成される（第３工程）。
【００４６】
図７に示すように、金属柱２０は概略Ｔ字形状に形成される。また金属柱２０は、粒状の金属材料２３が上方から噴射されることにより形成されるため、下側の体積が大きくなるように形成される。よって、図７に示すように、下側に向かって広がるテーパー形状となる。金属柱２０は、第１の金属配線１６と第２の金属配線１９とを強固に接合することができる。
【００４７】
粒状の金属材料２３同士が圧力と熱の作用により互いに強固に接合することにより、金属柱２０が自立した状態で形成されるため、高さ対幅のアスペクト比（すなわち、幅に対する高さの割合）が大きい金属柱２０を短時間で容易に製作することができる。さらに、ガスの加熱噴流３２により粒状の金属材料２３を噴射・積層する際に、粒状の金属材料２３の粒子間に数％の気泡（空孔）が含まれるため、出来上がった金属柱２０は、応力を受けた際に撓み（または湾曲し）やすく成る。よって、温度サイクルおよびヒートショックの作用による曲げ応力を受けても、撓みによる応力解放の効果が得られるため、金属柱２０は破壊されにくくなる。
【００４８】
所望の空間距離を保って配置された第１の金属配線１６（特に貫通孔２４の上縁部の周囲）および第２の金属配線１９上に、粒状の金属材料２３をガスの加熱噴流３２により積層させることにより、金属柱２０を形成すると同時に第１および第２の金属配線１６、１９を接合する。したがって、従来の金属柱形成工法と比較して、金属柱２０の製作時間を大幅に短縮できる。さらには、リフロー接合工程などの別工程を必要としないため、少ない工程で配線基板１０を製造することができる。また、金属柱２０を形成するには粒状の金属材料２３を含む加熱噴流３２を上方から貫通孔２４の上縁部付近に噴射すれば良いため、金属柱２０の寸法精度管理を大幅に緩和することができる。
【００４９】
また、金属柱２０の形状は、第１の金属配線１６から第１の金属配線１６に接合されるもう一方の金属配線に向かって広がるテーパー形状となる。これにより金属柱２０の底面積が大きくなる。すなわち金属柱２０と第２の金属配線１９との接合面積を大きくすることができる。したがって、金属柱２０と第２金属配線１９間の剥離対策の効果を得ることができる。
【００５０】
また、第１の金属配線１６に形成される貫通孔２４の形状も、第１の金属配線１６から第２の金属配線１９に向かって広がるテーパー形状としている。図９は、図７に示す金属柱２０および貫通孔２４の拡大断面図である。図９に示すように、下側に向かって広がるテーパー形状を有する貫通孔２４の側面は、金属柱２０の直立方向（第１の金属配線１６表面の垂線方向）に対して角度θ１で傾斜している。また、金属柱２０の側面も同様に、貫通孔２４の直立方向に対して角度θ２で傾斜している。ここで、角度θ１は角度θ２よりも大きくなるように設定される。このように設定することにより、貫通孔２４内の金属柱２０が、貫通孔２４を形成する第１の金属配線１６の側面全体に接触せずに貫通孔２４の上縁部付近のみに接触する。これにより、金属柱２０と第１の金属配線１６とが第１の金属配線１６の下側端部にて接触せず、その接触部分に応力が集中して破壊が生じるというおそれがなくなる。このように、金属柱２０と第１の金属配線１６との干渉（剪断力の作用）を抑制することができる。
【００５１】
さらに、本実施の形態による金属柱２０の形成方法によれば、第１の金属配線１６と、第２の金属配線１９を設けた半導体素子などの電子部品との空間距離に制約がある場合などに、その制約を満たす所望の金属柱２０のアスペクト比を容易に確保することができる。なお、本実施の形態では、貫通孔２４を第１の金属配線１６に直接形成する場合について説明したが、例えば配線基板１０において、絶縁基板の両面に設けられた第１の金属配線１６に貫通孔２４を設けるような場合であっても良い。
【００５２】
また、金属柱２０の作製が完了したときに、ノズル３０を第１の金属配線１６に沿って移動させることにより、異なる貫通孔２４に対して、加熱噴流３２を噴射して新たな金属柱２０を形成することができる。このようにノズル３０を適宜移動させることにより、複数の金属柱２０を連続的に短時間で作成することができる。
【００５３】
上述した方法により、図６に示すように、第１の金属配線１６と、半導体素子１８などの電子部品に設けた接続パッドや電極からなる第２の金属配線１９とを接合することができる。一方で、半導体素子１８および第２の金属配線１９との接合が完了した第１の金属配線１６と、絶縁層１３上に配置された金属配線１４とを接合するために、上述した方法と同じ方法により新たな金属柱２０を製作することができる。具体的には、図１０に示すように、第１の金属配線１６に対して、下方に空間距離を空けて（第３の）金属配線１４を配置する（第４工程）。第１の金属配線１６は、金属配線１４上に配置された突起部１７によって支持されている。金属配線１４が配置される位置は、第１の金属配線１６に対して第２の金属配線１９が配置される位置と反対側である。このような状態にて、上述した方法と同じ方法により金属柱２０を製作する。そうすると、図６、１０に示すように、第１の金属配線１６および金属配線１４が空間距離を保持した状態で、新たに製作された金属柱２０によって接合される（第５工程）。
【００５４】
図１０に示すように、突起部１７をスペーサとして個別に配置して、突起部１７で第１の金属配線１６を支持している。これにより、金属配線間の空間距離を容易に確保・管理することができる。なお、突起部１７の代わりに、金属配線間に配置した絶縁層によって空間距離を保持しても良い。あるいは、治具などを用いて第１の金属配線１６を保持することにより、金属配線間の空間距離を保持するようにしても良い。
【００５５】
本実施の形態による配線基板１０の製造方法によれば、空間距離を保持した状態で金属配線同士を接合するため、金属配線と金属配線との接合や金属配線と電極との接合を簡単かつ確実に行う方法として極めて有効である。
【００５６】
なお、本実施の形態における第１の金属配線１６と第２の金属配線１９との空間距離とは、両金属配線１６、１９の相対的な距離のことである。すなわち、図１１に示すように、第１の金属配線１６と第２の金属配線１９との間に絶縁層４０がある場合でも、図７に示すように絶縁層がない場合でも、両金属配線１６、１９間の空間距離ｄは同じである。両金属配線１６、１９間の空間距離を決定する際には、金属柱２０の材料や強度、あるいは配線基板１０の各構成部材の熱膨張率などが考慮される。
【００５７】
大電力用途のパワーエレクトロニクス機器に用いられる半導体素子は発熱量が多く高温になる場合があるため、金属柱２０にはこれらの発熱に伴う温度上昇に耐えられるような一定以上の耐熱性が要求される。一方で、半導体素子などの電子部品を実装する工程においては、配線基板の反りや変形を軽減するために、接合工程における加熱温度をできるだけ低く管理する必要がある。
【００５８】
これらの要求を満足するための粒状の金属材料同士の接合状態について、図８（ｂ）を用いて説明する。金属柱２０は粒状の金属材料から構成されるが、金属柱２０の構成材料として、図８（ｂ）に示すように、例えば銅などの高融点の金属材料４６の表層に、錫などの低融点の金属材料４７を被覆させて構成される粒状の金属材料４５を用いる。銅などの比較的高融点の金属材料の表層を一部だけでも溶融させるには、ガスの温度を４００〜５５０℃に設定する必要があるが、上述した構成によれば、表層を低融点金属である錫で形成することにより、２００〜２５０℃で金属柱２０（の表層）を溶融することができる。すなわち、内部に高融点の銅を含んだ金属材料４５を積層して金属柱２０を形成することにより金属柱２０の耐熱温度を保つことができ、加えて、金属材料４５の表層を低融点の錫で形成することにより金属柱２０表層の溶融温度を下げて、金属柱２０を形成する際に用いるガスの加熱噴流３２の温度を下げることも同時に可能となる。
【００５９】
金属材料４５を比較的低温で加熱・加圧して積層させると、表層に形成された低融点の金属材料４７が先に溶融して金属材料４７同士が接合されると同時に、低融点の金属材料４７と高融点の金属材料４６との間で液相拡散が生じる。液相拡散により、金属材料４７同士の接合により完成された金属柱２０全体の融点は高融点側に移動する。また、金属柱２０の構成材料の大部分を占める高融点の金属材料４６の表層は、金属材料４７によって被覆されているため外部からの高温に直接晒されない。したがって、金属材料４６の酸化による配線抵抗の上昇を極めて小さくすることができる。
【００６０】
このように本実施の形態の配線基板２０の製造方法によれば、耐熱性の高い金属柱２０を比較的低温のプロセスで製作することができるため、環境面でも有利であり、さらに、工程の実施による配線基板１０への熱的影響による負荷が低減されるなど、新たな利点を得ることができる。
【００６１】
本実施の形態による配線基板１０の製造方法は、第１の金属配線１６に貫通孔２４を形成する第１工程と、第１の金属配線１６に対して空間距離を保持して第２の金属配線１９を配置する第２工程と、第１の金属配線１６に形成された貫通孔２４を通して、加熱および加圧したガスにより、粒状の金属材料２３を噴射して金属柱２０を形成するとともに、金属柱２０によって第１および第２の金属配線１６、１９を接合する第３工程とを含む。これらの工程を実施することにより、配線基板１０を製造することができる。
【００６２】
以上説明したように、本発明の配線基板の製造方法では、加熱、加圧したガスにより粒状の金属材料を噴射して、第１の金属配線に形成された貫通孔を介して金属材料を積層することにより、高いアスペクト比を有する複数の金属柱を短時間かつ簡単に形成することができる。そのため、金属柱の高さ精度に関する要求を緩和することができる。
【００６３】
また、金属柱の形成と同時に、空間距離を保持して配置された第１および第２の金属配線を接合するため、別工程での接合作業が不要になるなど、少ない工数（低価格）で簡単に配線基板を製造することができる。
【００６４】
また、貫通孔および金属柱の形状を第１の金属配線から第２の金属配線に向かって広がるテーパー形状にすることにより、金属柱が形成される配線基板において高い信頼性を確保することができる。
【００６５】
さらに、金属柱を形成する材料として、高融点の金属材料の表層に低融点の金属材料を被覆して構成した粒状の金属材料を用いることにより、低温プロセスで金属柱を製造することができるため、環境にも配慮した金属柱の製造方法を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明によれば、温度サイクルおよびヒートショックの作用による歪みの応力を緩和することができる配線基板および、少ない工数（低価格）で製造が容易な配線基板の製造方法を提供することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１０  配線基板
１１  ベース基板
１６  第１の金属配線
１８  半導体素子
１９  第２の金属配線
２０  金属 
２３  粒状の金属材料
２４  貫通孔
３０  噴射ノズル
３２  加熱噴流
３５  ヒーター
４６  高融点の金属材料
４７  低融点の金属材料
【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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【図１０】
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【図１１】
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