(57)【要約】【課題】半導体装置のガラス層におけるクラックの発生を抑制する。【解決手段】第１の面と該第１の面に配置された第１の電極とを有する第１の回路基板と、第１の面と対向して配置された第２の面と該第２の面に配置された第２の電極とを有する第２の回路基板と、第１の面と第２の面との間に挟まれたガラス層と、ガラス層内に配置され第１の電極と第２の電極とにそれぞれ電気的に接続された半導体素子と、を備える半導体装置において、ガラス層には、第１の回路基板からガラス層に加えられる応力と第２の回路基板からガラス層に加えられる応力との和として、縁部から中央部に向かう方向に圧縮応力が加えられている。【選択図】図１
2017028003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面と、該第１の面に配置された第１の電極と、を有する第１の回路基板と、
前記第１の面と対向して配置された第２の面と、該第２の面に配置された第２の電極と、を有する第２の回路基板と、
前記第１の面と前記第２の面との間に挟まれたガラス層と、
前記ガラス層内に配置され、前記第１の電極と前記第２の電極とにそれぞれ電気的に接続された半導体素子と、
を備える半導体装置であって、
前記ガラス層には、前記第１の回路基板から前記ガラス層に加えられる応力と前記第２の回路基板から前記ガラス層に加えられる応力との和として、縁部から中央部に向かう方向に圧縮応力が加えられている、半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第１の回路基板と前記ガラス層との熱膨張係数の差により前記ガラス層に生じる前記縁部から前記中央部に向かう圧縮応力は、前記第２の回路基板と前記ガラス層との熱膨張係数の差により前記ガラス層に生じる前記中央部から前記縁部に向かう引っ張り応力に比べて大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、
前記ガラス層の熱膨張係数は、前記第２の回路基板の熱膨張係数よりも大きく且つ前記第１の回路基板の熱膨張係数よりも小さく、
前記第１の回路基板の熱膨張係数をαA、前記第２の回路基板の熱膨張係数をαB、前記ガラス層の熱膨張係数をαCとしたときに、（αA−αC）＞（αC−αB）を満たすことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記ガラス層は、主成分としてのガラスと、前記ガラスよりも熱膨張係数が小さい絶縁材により形成されるフィラーと、を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体装置において、
前記絶縁材は、無機酸化物と無機窒化物とのうちの少なくとも１つにより構成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記第１の回路基板と前記第２の回路基板とは、いずれもセラミックスを主成分として含有することを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板を備える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力制御用に用いられるパワーモジュール等の半導体装置として、薄膜状の電極が表面に形成された２枚の回路基板が対向して配置され、また、これら２枚の回路基板の間に半導体素子が配置され、かかる半導体素子と各電極とがフリップチップ接合やはんだ接合された半導体装置が提案されている（下記特許文献１）。特許文献１の半導体装置では、半導体素子と各回路基板との間の絶縁性を確保するため、２枚の回路基板の間はガラス層によって封着される。かかるガラス層は、例えば、２枚の回路基板の間にガラス組成物を配置して積層体を作製し、かかる積層体を焼成してガラス組成物を軟化させて各回路基板に接着させることにより形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１９７２５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の焼成工程において、各回路基板とガラス層との熱膨張係数差に起因する応力がガラス層に発生する。２枚の回路基板によりガラス層が挟み込まれた構成では、熱膨張係数差に起因する応力が影響し、ガラス層にクラックが発生するという問題がある。このような問題は、電力制御用の半導体装置に限らず任意の用途で用いられる半導体装置に共通する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一態様によれば、半導体装置が提供される。この半導体装置は：第１の面と、該第１の面に配置された第１の電極と、を有する第１の回路基板と；前記第１の面と対向して配置された第２の面と、該第２の面に配置された第２の電極と、を有する第２の回路基板と；前記第１の面と前記第２の面との間に挟まれたガラス層と、；前記ガラス層内に配置され、前記第１の電極と前記第２の電極とにそれぞれ電気的に接続された半導体素子と；を備える半導体装置であって、前記ガラス層には、前記第１の回路基板から前記ガラス層に加えられる応力と前記第２の回路基板から前記ガラス層に加えられる応力との和として、縁部から中央部に向かう方向に圧縮応力が加えられている。
この形態の半導体装置によれば、ガラス層には、第１の回路基板からガラス層に加えられる応力と第２の回路基板からガラス層に加えられる応力との和として、縁部から中央部に向かう方向に圧縮応力が加えられているので、中央部から縁部に向かう方向に引っ張り応力が加えられている構成に比べて、ガラス層におけるクラックの発生を抑制できる。
【０００７】
（２）上記形態の半導体装置において、前記第１の回路基板と前記ガラス層との熱膨張係数の差により前記ガラス層に生じる前記縁部から前記中央部に向かう圧縮応力は、前記第２の回路基板と前記ガラス層との熱膨張係数の差により前記ガラス層に生じる前記中央部から前記縁部に向かう引っ張り応力に比べて大きいことを特徴としてもよい。この形態の半導体装置によれば、第１の回路基板の熱膨張係数と第２の回路基板の熱膨張係数とが互いに異なる構成においても、ガラス層に、第１の回路基板からガラス層に加えられる応力と第２の回路基板からガラス層に加えられる応力との和として、縁部から中央部に向かう方向に圧縮応力を加えることができる。
【０００８】
（３）上記形態の半導体装置において、前記ガラス層の熱膨張係数は、前記第２の回路基板の熱膨張係数よりも大きく且つ前記第１の回路基板の熱膨張係数よりも小さく、前記第１の回路基板の熱膨張係数をαA、前記第２の回路基板の熱膨張係数をαB、前記ガラス層の熱膨張係数をαCとしたときに、（αA−αC）＞（αC−αB）を満たすことを特徴としてもよい。この形態の半導体装置によれば、（αA−αC）＞（αC−αB）を満たすので、第１の回路基板とガラス層との熱膨張係数の差によりガラス層に生じる縁部から中央部に向かう圧縮応力を、第２の回路基板とガラス層との熱膨張係数の差によりガラス層に生じる中央部から縁部に向かう引っ張り応力に比べて大きく構成できる。これは、一般に、熱膨張係数の差が大きいほど発生する応力が大きいことに因る。
【０００９】
（４）上記形態の半導体装置において、前記ガラス層は、主成分としてのガラスと、前記ガラスよりも熱膨張係数が小さい絶縁材により形成されるフィラーと、を含むことを特徴としてもよい。この形態の半導体装置によれば、ガラス層において単位体積当たりに含まれるフィラーの量を調整することにより、ガラス層の熱膨張係数を制御できる。すなわち、ガラス層において単位体積当たりに含まれるフィラーの量を増加させることにより、ガラス層の熱膨張係数を減少させることができる。このようにガラス層の熱膨張係数を制御することにより、第１の回路基板とガラス層との熱膨張係数の差によりガラス層に生じる応力の向きおよび大きさと、第２の回路基板とガラス層との熱膨張係数の差によりガラス層に生じる応力の向きおよび大きさとを制御できる。
【００１０】
（５）上記形態の半導体装置において、前記絶縁材は、無機酸化物と無機窒化物とのうちの少なくとも１つにより構成されることを特徴としてもよい。この形態の半導体装置によれば、絶縁材は、無機酸化物と無機窒化物とのうちの少なくとも１つにより構成されるので、フィラーの絶縁性を確保できる。また、半導体装置の製造時における焼成温度、すなわち、ガラスの軟化温度において、フィラーが溶解することを抑制できる。
【００１１】
（６）上記形態の半導体装置において、前記第１の回路基板と前記第２の回路基板とは、いずれもセラミックスを主成分として含有することを特徴としてもよい。この形態の半導体装置によれば、基板がセラミックスを主成分として含有するので、基板の熱膨張係数を、例えば樹脂を主成分として含有する構成に比べて低減して半導体素子の熱膨張係数に近づけることができ、基板と半導体素子との間の電気的接続の信頼性を向上できる。
【００１２】
本発明は、半導体装置、および半導体装置の製造方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、パワーモジュールや、半導体装置を搭載した電気自動車，電車，および工作機械等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態としての半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】ガラス層１３０に加えられる応力を模式的に示す説明図である。
【図３】半導体装置１００の製造手順を示す工程表である。
【図４】変形例の半導体装置において、ガラス層に加えられる応力を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
Ａ．実施形態：
Ａ１．装置構成：
図１は、本発明の一実施形態としての半導体装置の構成を示す断面図である。半導体装置１００は、半導体素子５０と、２つの回路基板（第１の回路基板１１０および第２の回路基板１２０）と、２つの電極（第１の電極１０および第２の電極２０）と、複数の第１の導電接続部４１と、複数の第２の導電接続部４２と、ガラス層１３０とを備えている。なお、半導体装置１００は、複数の半導体素子５０を有しており、各半導体素子５０を中心とした半導体装置１００の構成は、互いに同様である。図１では、図示の便宜上、これら複数の半導体素子５０のうちの１つの半導体素子５０に注目して、かかる半導体素子５０を中心とした半導体装置１００の構成を表している。半導体装置１００は、いわゆるパワー半導体装置であり、電気自動車や電車や工作機械等における電力制御等に用いられる。図１に示す各機能部の厚さ（Ｚ軸と平行な方向の長さ）の相対的な大きさはあくまでも一例であり、任意に変更可能である。なお、電力制御用に限らず任意の用途に用いられる半導体装置に、本発明を適用してもよい。
【００１５】
半導体素子５０は、いわゆるパワーデバイスであり、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等）等により構成される。半導体素子５０は、ガラス層１３０の略中央部に配置されている。
【００１６】
第１の回路基板１１０および第２の回路基板１２０は、いずれもセラミックスを主成分として含有する材料により薄板状に形成されている。セラミックスとしては、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）などが用いられる。
【００１７】
第１の回路基板１１０の面Ｓｆ１には、第１の電極１０が形成されている。また、かかる面Ｓｆ１のうち、第１の電極１０が形成されている部分を除く他の部分は、ガラス層１３０と接着している。第１の回路基板１１０において面Ｓｆ１とは反対側の面Ｓｆ２には、第１の電極１０と同様な図示しない電極が形成され、かかる電極に制御回路やコンデンサ等の図示しない電子部品が電気的に接続される。第１の回路基板１１０の中央には、厚さ方向（Ｚ軸と平行な方向）に貫通して、２つの面Ｓｆ１，Ｓｆ２間を導通する貫通電極１１２を備えている。面Ｓｆ２に形成された図示しない電極は、貫通電極１１２を介して第１の電極１０と電気的に接続される。第１の回路基板１１０、第１の電極１０、および面Ｓｆ２に形成された図示しない電極により、半導体素子５０との間での電力や信号のやりとりを行なうための配線基板が構成される。
【００１８】
第２の回路基板１２０の一方の面Ｓｆ３には、第２の電極２０が形成されている。また、かかる面Ｓｆ３のうち、第２の電極２０が形成されている部分を除く他の部分は、ガラス層１３０と接着している。第２の回路基板１２０において面Ｓｆ３とは反対側の面Ｓｆ４には、第２の電極２０と同様な図示しない電極が形成されている。第２の回路基板１２０、第２の電極２０、および面Ｓｆ４に形成された図示しない電極により、半導体素子５０の熱を外部に放熱するための放熱基板が構成される。上述した２つの回路基板１１０，１２０は、第１の回路基板１１０の面Ｓｆ１と、第２の回路基板１２０の面Ｓｆ３とが対向するように、Ｚ軸方向に所定の距離だけ互いに離れて配置されている。なお、上述の第１の回路基板１１０の面Ｓｆ１は、請求項における第１の面の下位概念に相当する。また、上述の第２の回路基板１２０の面Ｓｆ３は、請求項における第２の面の下位概念に相当する。
【００１９】
第１の電極１０は、薄膜状の外観形状を有し、第１の回路基板１１０の表面（面Ｓｆ１）に形成されている。本実施形態において、第１の電極１０は、銅（Ｃｕ）により形成されており、その厚さ（Ｚ軸と平行な方向の長さ）は、１００〜１５０μｍである。第２の電極２０は、第２の回路基板１２０の表面（面Ｓｆ３）に形成されている。第２の電極２０は、第１の電極１０と同じ材料により同様な外観形状で形成されている。
【００２０】
複数の第１の導電接続部４１は、それぞれＺ軸と平行な方向に延設された柱状の導電部材であり、ガラス層１３０の略中央部分においてＺ軸と平行な方向に沿って形成された微細な貫通孔に収容されている。複数の第１の導電接続部４１は、それぞれ、自身の一端が第１の電極１０の表面と接し、他端が半導体素子５０と接し、第１の電極１０と半導体素子５０とを導通させる。本実施形態において、複数の第１の導電接続部４１は、銀（Ａｇ）を主成分として形成されている。
【００２１】
複数の第２の導電接続部４２は、複数の第１の導電接続部４１と同様に、銀（Ａｇ）を主成分として形成され、同様な外観形状を有する。複数の第２の導電接続部４２は、それぞれ、自身の一端が第２の電極２０の表面と接し、他端が半導体素子５０と接し、第２の電極２０と半導体素子５０とを導通させる。
【００２２】
ガラス層１３０は、主成分としてのガラスと、絶縁材料により形成されるフィラーとを含み、第１の回路基板１１０の面Ｓｆ１と、第２の回路基板１２０の面Ｓｆ３との間に挟まれて配置されている。ガラス層１３０は、第１の回路基板１１０と第２の回路基板１２０との間の絶縁性を確保すると共に、半導体素子５０の表面と裏面との間の絶縁性を確保する。本実施形態において、ガラス層１３０の主成分であるガラスは、酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ナトリウム（Ｎａ2Ｏ）等を主成分とするホウケイ酸ガラスである。なお、ホウケイ酸ガラスに代えて、酸化ビスマス系ガラスやケイ酸系ガラスなど、他の任意のガラスを用いてもよい。また、ガラスに含まれる各成分は、任意の組成を用いてもよい。また、本実施形態において、ガラス層１３０に含まれるフィラーは、無機酸化物と無機窒化物とのうちの少なくとも１つにより形成されている。具体的には、アルミナ、シリカ、窒化珪素などの絶縁性を有するセラミック粉末により形成されている。
【００２３】
ガラス層１３０は、第１の回路基板１１０の面Ｓｆ１のうちの第１の電極１０が形成された部分を除く部分と接着されている。また、ガラス層１３０は、第１の電極１０のうちの複数の第１の導電接続部４１と接触する部分を除いた部分と、半導体素子５０の表面のうちの複数の第１の導電接続部４１および複数の第２の導電接続部４２と接触する部分を除いた部分と、第２の電極２０のうちの複数の第２の導電接続部４２と接触する部分を除いた部分と、第２の回路基板１２０の面Ｓｆ３のうちの第２の電極２０が形成された部分を除いた部分と、それぞれ接着されている。ガラス層１３０は、複数のガラスシート基材が積層されて焼成されることにより形成される。図１では、各ガラスシート基材（第１のガラスシート基材１３１、第２のガラスシート基材１３２、第３のガラスシート基材１３３、第４のガラスシート基材１３４、および第５のガラスシート基材１３５）を、説明の便宜のため破線にて表している。なお、ガラス層１３０の生成方法は、後ほど詳述する。ガラス層１３０の略中央部には半導体素子５０が収容されている。また、ガラス層１３０には、Ｚ軸方向と平行に延びる複数の第１の導電接続部４１および複数の第２の導電接続部４２が収容されている。
【００２４】
本実施形態の半導体装置１００において、第１の回路基板１１０の熱膨張係数αAと、第２の回路基板１２０の熱膨張係数αBと、ガラス層１３０の熱膨張係数αCとは、以下の式（１），（２）の関係を満たすように調整されている。
【００２５】
αA＞αC≧αB  ・・・（１）
（αA−αC）＞（αC−αB）  ・・・（２）
【００２６】
具体的には、例えば、第１の回路基板１１０の熱膨張係数αAは、５．０〜８．０ｐｐｍ／Ｋに調整され、第２の回路基板１２０の熱膨張係数αBは、３．０〜５．０ｐｐｍ／Ｋに調整され、ガラス層１３０の熱膨張係数αCは、４．０〜７．０ｐｐｍ／Ｋに調整されてもよい。
【００２７】
本実施形態の半導体装置１００では、上記式（２）を満たすことによりガラス層１３０におけるクラックの発生を抑制している。そのメカニズムについて、図２を用いて説明する。
【００２８】
図２は、ガラス層１３０に加えられる応力を模式的に示す説明図である。図２（ａ）は、ガラス層１３０の熱膨張係数αCが第２の回路基板１２０の熱膨張係数αBよりも大きい場合に、ガラス層１３０に加えられる応力を模式的に示し、図２（ｂ）は、ガラス層１３０の熱膨張係数αCが第２の回路基板１２０の熱膨張係数αBと等しい場合に、ガラス層１３０に加えられる応力を模式的に示している。図２では、図示の便宜上、貫通電極１１２、２つの電極１０，２０、半導体素子５０、複数の第１の導電接続部４１、および複数の第２の導電接続部４２が省略されている。
【００２９】
後述するように、半導体装置１００の製造時には、焼成工程が実行される。かかる焼成工程では、ガラス層１３０に含まれるガラスのガラス転移点以下の温度へと冷却する冷却工程が実行される。このとき、第１の回路基板１１０の熱膨張係数αAとガラス層１３０の熱膨張係数αCとの差に起因して、第１の回路基板１１０からガラス層１３０に応力Ｆ１が加えられる。具体的には、第１の回路基板１１０の熱膨張係数αAがガラス層１３０の熱膨張係数αCよりも大きいため、第１の回路基板１１０は、ガラス層１３０に比べて縁部から中央部に向かってより大きく収縮しようとする。このため、図２（ａ），（ｂ）に示すように、ガラス層１３０には、第１の回路基板１１０から、縁部から中央部に向かう方向の圧縮応力である応力Ｆ１が加えられる。
【００３０】
同様に、冷却工程において、第２の回路基板１２０の熱膨張係数αBとガラス層１３０の熱膨張係数αCとの差に起因して、第２の回路基板１２０からガラス層１３０に応力Ｆ２が加えられる。具体的には、第２の回路基板１２０の熱膨張係数αBがガラス層１３０の熱膨張係数αCよりも小さい場合、第２の回路基板１２０は、ガラス層１３０に比べて縁部から中央部に向かってより小さく収縮する。このため、図２（ａ）に示すように、ガラス層１３０には、第２の回路基板１２０から、中央部から縁部に向かう方向の引っ張り応力である応力Ｆ２が加えられる。なお、第２の回路基板１２０の熱膨張係数αBとガラス層１３０の熱膨張係数αCとが等しい場合には、図２（ｂ）に示すように、ガラス層１３０には熱膨張係数の差に起因する応力は生じない。
【００３１】
図２（ａ）の場合について検討すると、第１の回路基板１１０とガラス層１３０との熱膨張係数の差に起因する応力Ｆ１の大きさと、第２の回路基板１２０とガラス層１３０との熱膨張係数の差に起因する応力Ｆ２の大きさとは、いずれもその熱膨張係数の差の大きさに比例する。本実施形態では、上記式（２）を満たすため、応力Ｆ１の大きさは、応力Ｆ２の大きさに比べて大きい。したがって、互いに向きが反対である応力Ｆ１と応力Ｆ２との和としての応力Ｆ１０（図２（ａ）における白抜きの矢印）は、縁部から中央部に向かう方向の圧縮応力となる。一般に、ガラスは圧縮応力には強く、引っ張り応力には弱いため、このようにガラス層１３０に圧縮応力が加えられた状態においては、ガラス層１３０に引っ張り応力が加えられた状態に比べて、ガラス層１３０にクラックが生じることが抑制される。以降、第１の回路基板１１０からガラス層１３０に加えられる熱膨張係数の差に起因する応力と、第２の回路基板１２０からガラス層１３０に加えられる熱膨張係数の差に起因する応力との和の応力を、合成応力とも呼ぶ。
【００３２】
図２（ｂ）の場合について検討すると、白抜きの矢印で示す合成応力Ｆ１１は、応力Ｆ１のみからなり、かかる応力は、圧縮応力である。したがって、図２（ａ）の場合と同様に、ガラス層１３０に加えられる合成応力は縁部から中央部に向かう圧縮応力となるため、ガラス層１３０におけるクラックの発生が抑制される。
【００３３】
本実施形態では、上記式（１），（２）を満たすために、半導体装置１００の製造時において、ガラス層１３０に含まれるフィラーの量を調整するようにしている。ガラス層１３０に含まれるフィラーは、ガラス層１３０の主成分であるホウケイ酸ガラスよりも熱膨張係数が小さい。したがって、ガラス層１３０における単位体積当たりのフィラー量を増加させることにより、ガラス層１３０の熱膨張係数αCを低減し、また、かかるフィラー量を減少させることにより、ガラス層１３０の熱膨張係数αCを増加できる。ここで、ガラス層１３０の熱膨張係数αCを、第２の回路基板１２０の熱膨張係数αBよりも小さくなるまでガラス層１３０が含有するフィラー量をさらに増加させた場合、縁部から中央部に向かう合成応力をより大きくすることができる一方、ガラスの流動性が低下して、各回路基板１１０，１２０とガラス層１３０との接着性が低下するおそれがある。しかしながら、上記式（１）を満たすことにより、かかる接着性の低下を抑制しつつ、合成応力を縁部から中央部に向かう圧縮応力とすることができる。
【００３４】
Ａ２．半導体装置の製造：
図３は、半導体装置１００の製造手順を示す工程表である。先ず、第１の回路基板１１０の面Ｓｆ１に第１の電極１０を形成し、第２の回路基板１２０の面Ｓｆ３に第２の電極２０を形成する（工程Ｓ１０５）。これら電極１０，２０の形成は、例えば、第１の金属である銅（Ｃｕ）を用いた、めっき法、印刷法、物理蒸着法（ＰＶＤ：Physical Vapor Deposition）、化学蒸着法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）、ＤＢＣ法（ＤＢＣ：Direct Bond Copper）、ろう付け法等により実行できる。
【００３５】
第１〜５のガラスシート基材１３１〜１３５を作製する（工程Ｓ１１０）。具体的には、例えば、酸化ケイ素や酸化亜鉛等の無機材料からなる粉末ガラスと、所望の含有量となるように秤量されたアルミナ、シリカ、窒化珪素などのセラミックス粉末からなるフィラーと、熱分解性の有機結着剤とを、有機溶媒や水などの媒体に混ぜ合わせてスラリーを作製し、かかるスラリーを用いてドクターブレード法によるシートキャスティングや押し出し成型等によりシート状の部材に成形し、かかるシート状の部材を乾燥させることにより、各ガラスシート基材１３１〜１３５を作製する。なお、所望の含有量となるフィラー量は、上記式（１），（２）を満たすように予め実験等により定めておくことができる。
【００３６】
第１，５のガラスシート基材１３１，１３５に、電極収容部を形成する（工程Ｓ１１５）。電極収容部とは、第１のガラスシート基材１３１において第１の電極１０を収容する貫通孔、および第５のガラスシート基材１３５において第２の電極２０を収容する貫通孔を意味する。かかる電極収容部の形成は、例えば、パンチングマシン等よる機械加工やレーザー加工によって実行できる。
【００３７】
第２，４のガラスシート基材１３２，１３４に、厚さ方向の複数の微細な貫通孔を形成する（工程Ｓ１２０）。各貫通孔の形成は、例えば、パンチングマシン等による機械加工やレーザー加工により実行できる。
【００３８】
上記工程Ｓ１２０において形成された第２，４のガラスシート基材１３２，１３４の複数の微細な貫通孔に、複数の第１の導電接続部４１および複数の第２の導電接続部４２を形成する（工程Ｓ１２５）。具体的には、第２のガラスシート基材１３２に形成された各貫通孔に、スクリーン印刷法により、銀（Ａｇ）を含むペーストを充填することにより、第２のガラスシート基材１３２において複数の第１の導電接続部４１を形成する。同様に、第４のガラスシート基材１３４に形成された各貫通孔に、スクリーン印刷法により、銀（Ａｇ）を含むペーストを充填することにより、第４のガラスシート基材１３４において複数の第２の導電接続部４２を形成する。なお、スクリーン印刷法に代えて、ディスペンサーを用いて銀（Ａｇ）を含むペーストを各貫通孔に充填してもよい。なお、上述の銀（Ａｇ）を含むペーストは、例えば、銀（Ａｇ）と熱分解性の有機結着剤と有機溶媒や水などの溶媒とを混練することにより形成される。
【００３９】
第３のガラスシート基材１３３に、素子収容部を形成する（工程Ｓ３２５）。素子収容部とは、半導体素子５０を収容するためのキャビティであり、上述した電極収容部の形成と同様に実行できる。
【００４０】
第１の回路基板１１０の上に、まず、第１〜３のガラスシート基材１３１〜１３３を貼り合わせ、第３のガラスシート基材１３３のキャビティに半導体素子５０を収容したのち、第４，５のガラスシート基材１３４，１３５と第２の回路基板１２０を貼り合わせ、半導体素子５０を収容した積層体を得る（工程Ｓ１３５）。このとき、複数の第１の導電接続部４１の一端が第１の電極１０と接し、他端が半導体素子５０と接するように、ガラスシート基材１３１〜１３３が貼り合わせられる。同様に、複数の第２の導電接続部４２の一端が第２の電極２０と接し、他端が半導体素子５０と接するように、ガラスシート基材１３３〜１３５が貼り合わせられる。なお、各ガラスシート基材１３１〜１３５および各回路基板１１０，１２０を貼り合わせる際には、貼り合わせ面に圧着溶剤を塗布してもよい。また、積層体を得るために第１〜５のガラスシート基材１３１〜１３５を貼り合わせる順番を変更してもよい。詳述すると、まず、第２の回路基板１２０上に、第３〜５のガラスシート基材１３３〜１３５を貼り合わせ、第３のガラスシート基材１３３のキャビティに半導体素子５０を収容したのち、第１，２のガラスシート基材１３１，１３２と第１の回路基板１１０を貼り合わせることにより、半導体素子５０を収容した積層体が得られる。
【００４１】
上記工程Ｓ１３５で得られた積層体を焼成（加熱）する（工程Ｓ１４０）。このとき、積層体に重石等によって所定の荷重を加えてもよい。焼成温度を、例えば６００℃〜７００℃の間の任意の温度に調整してもよい。また、焼成時間を、例えば１時間としてもよい。この焼成工程により、第１〜５ガラスシート基材１３１〜１３５が互いに溶着するだけでなく、形成されたガラス層１３０が、回路基板１１０，１２０、電極１０，２０、半導体素子５０の各表面に接着される。そして、この焼成工程において、上述した熱膨張係数の差に起因する応力Ｆ１，Ｆ２がガラス層１３０において発生する。上述のように、ガラス層１３０における合成応力は、縁部から中央部に向かう方向の圧縮応力であるため、ガラス層１３０におけるクラックの発生が抑制される。
【００４２】
以上説明した実施形態の半導体装置１００では、ガラス層１３０には、第１の回路基板１１０からガラス層１３０に加えられる応力と第２の回路基板１２０からガラス層１３０に加えられる応力との和（合成応力）として、縁部から中央部に向かう方向に圧縮応力が加えられているので、中央部から縁部に向かう方向に引っ張り応力が加えられている構成に比べて、ガラス層１３０におけるクラックの発生を抑制できる。加えて、第１の回路基板１１０の熱膨張係数αAと第２の回路基板１２０の熱膨張係数αBとが互いに異なる構成においても、ガラス層１３０に、合成応力として、縁部から中央部に向かう方向に圧縮応力を加えることができる。
【００４３】
また、半導体装置１００では、上記式（２）を満たすので、第１の回路基板１１０とガラス層１３０との熱膨張係数の差によりガラス層１３０に生じる縁部から中央部に向かう圧縮応力の大きさを、第２の回路基板１２０とガラス層１３０との熱膨張係数の差によりガラス層１３０に生じる中央部から縁部に向かう引っ張り応力の大きさに比べてより大きく構成できる。これは、一般に、熱膨張係数の差が大きいほど、かかる差に起因する応力が大きいことに因る。
【００４４】
また、半導体装置１００において、ガラス層１３０は、主成分としてのガラスと、ガラスよりも熱膨張係数が小さい絶縁材により形成されるフィラーとを含むので、ガラス層１３０において単位体積当たりに含まれるフィラーの量を調整することにより、ガラス層１３０の熱膨張係数を制御できる。また、半導体装置１００において、フィラーを形成する絶縁材は、無機酸化物と無機窒化物とのうちの少なくとも１つにより形成されているので、フィラーの絶縁性を確保できると共に、焼成温度、すなわちガラスの軟化温度においてフィラーが溶解することを抑制できる。また、半導体装置１００において、回路基板１１０，１２０は、セラミックスを主成分として含有するので、回路基板１１０，１２０の熱膨張係数αA，αBを、例えば樹脂を主成分として含有する構成に比べて低減して半導体素子５０の熱膨張係数に近づけることができ、回路基板１１０，１２０と半導体素子５０との間の電気的接続の信頼性を向上できる。
【００４５】
Ｂ．実施例：
上記実施形態に従って、５つの半導体装置１００（サンプル１〜５）を製造した。工程Ｓ１４０における焼成温度は、６００℃〜７００℃の間の温度に制御した。また、焼成時間は１時間とした。下記表１は、各サンプル１〜５および後述の比較例のサンプル６〜８に関する熱膨張係数およびクラックの有無の確認結果を示している。
【００４６】
【表１】
2017028003.tif 000003
【００４７】
サンプル１〜５のうち、サンプル５を除く他のサンプル１〜４において、第１の回路基板１１０の熱膨張係数αAは、いずれも７．１ｐｐｍ／Ｋであった。サンプル５における第１の回路基板１１０の熱膨張係数αAは、５．６ｐｐｍ／Ｋであった。いずれのサンプル１〜５においても、第２の回路基板１２０の熱膨張係数αBは、４．８ｐｐｍ／Ｋであった。サンプル１〜５におけるガラス層１３０の熱膨張係数αCを適宜変更して、サンプル１〜５における（αA−αC）の値と、（αC−αB）の値との組み合わせをそれぞれ異なるようにした。なお、いずれもサンプル１〜５においても、上記式（１），（２）を満たしている。各サンプル１〜５の各熱膨張係数は、後述のクラックの確認を行った後、各サンプル１〜５を、第１の回路基板１１０と、ガラス層１３０と、第２の回路基板１２０とに分離し、分離後の各層を対象としてＴＭＡ（Thermomechanical Analysis：熱機械分析）を行なって求めた。なお、ＴＭＡに代えて、ＸＲＤ（X-ray Diffraction：Ｘ線回折）を用いて熱膨張係数を測定してもよい。
【００４８】
このようにして製造された５つのサンプル１〜５について、ガラス層１３０におけるクラックの有無を確認した。具体的には、製造した各サンプル１〜５を電極１０，２０を通りＺ軸と平行な方向の断面が得られるように切断し、ガラス層１３０の断面においてクラックが生じているか否かを、顕微鏡により確認した。表１では、１箇所でもクラックを発見した場合に「有り」と記載され、１箇所もクラックが発見されなかった場合に「無し」と記載されている。
【００４９】
実施例１〜５のサンプル１〜５に加えて、比較例として半導体装置を３つ（サンプル６〜８）製造した。これら比較例１〜３のサンプル６〜８は、上記式（２）を満たさないように、ガラス層の熱膨張係数を制御して製造された。具体的には、比較例１〜３のサンプル６〜８のいずれにおいても、（αA−αC）の値は、（αC−αB）の値よりも小さい。加えて、サンプル８においては、上記式（１）も満たしていない。
【００５０】
表１に示すように、実施例１〜５のサンプル１〜５のいずれにおいても、ガラス層１３０にクラックは生じていなかった。これは、各サンプル１〜５が上記式（２）を満たすため、ガラス層１３０に加えられる合成応力が縁部から中央部に向かう圧縮応力となり、クラックの発生が抑制されたためであると推測される。これに対して、比較例１〜３のサンプル６〜８のいずれにおいてもガラス層にクラックが生じていた。これは、サンプル６〜８において、（αA−αC）の値は、（αC−αB）の値よりも小さいため、ガラス層に加えられる合成応力が中央部から縁部に向かう引っ張り応力となり、クラックの発生が促されたためであると推測される。
【００５１】
Ｃ．変形例：
Ｃ１．変形例１：
上記実施形態および実施例では、半導体装置１００は、上記式（１），（２）をいずれも満たしていたが、本発明はこれに限定されない。図４は、変形例の半導体装置において、ガラス層に加えられる応力を模式的に示す説明図である。図４（ａ）は変形例における第１の態様を示し、図４（ｂ）は変形例における第２の態様を示し、図４（ｃ）は変形例における第３の態様を示す。
【００５２】
図４（ａ）に示す変形例における第１の態様では、第１の回路基板１１０ａの熱膨張係数αAと、第２の回路基板１２０ａの熱膨張係数αBと、ガラス層１３０ａの熱膨張係数αCとは、下記式（３），（４）を満たす。
【００５３】
αB＞αC＞αA  ・・・（３）
（αB−αC）＞（αC−αA）  ・・・（４）
【００５４】
この図４（ａ）に示す態様は、すなわち、上述の実施形態における２つの回路基板１１０，１２０の熱膨張係数の大小関係が逆転した態様に相当する。かかる態様において、第１の回路基板１１０ａからガラス層１３０ａに加えられる応力Ｆ１ａは、中央部から縁部に向かう引っ張り応力となる。また、第２の回路基板１２０ａからガラス層１３０ａに加えられる応力Ｆ２ａは、縁部から中央部に向かう圧縮応力となる。この態様においても、合成応力Ｆ１０ａは、ガラス層１３０ａにおいて、縁部から中央部に向かう圧縮応力となるので、上記実施形態および実施例の半導体装置１００と同様に、クラックの発生が抑制される。
【００５５】
図４（ｂ）に示す変形例における第２の態様では、第１の回路基板１１０ｂの熱膨張係数αAと、第２の回路基板１２０ｂの熱膨張係数αBと、ガラス層１３０ｂの熱膨張係数αCとは、下記式（５）を満たす。
【００５６】
αB＞αA＞αC  ・・・（５）
【００５７】
かかる態様において、第１の回路基板１１０ｂからガラス層１３０ｂに加えられる応力Ｆ１ｂと、第２の回路基板１２０ｂからガラス層１３０ｂに加えられる応力Ｆ２ｂとは、いずれも縁部から中央部に向かう圧縮応力となる。かかる態様においても、合成応力Ｆ１０ｂは、ガラス層１３０ｂにおいて、縁部から中央部に向かう圧縮応力となるので、上記実施形態および実施例の半導体装置１００と同様に、クラックの発生が抑制される。
【００５８】
図４（ｃ）に示す変形例における第３の態様では、第１の回路基板１１０ｃの熱膨張係数αAと、第２の回路基板１２０ｃの熱膨張係数αBと、ガラス層１３０ｃの熱膨張係数αCとは、下記式（６）を満たす。
【００５９】
αA＝αB＞αC  ・・・（６）
【００６０】
かかる態様において、第１の回路基板１１０ｃからガラス層１３０ｃに加えられる応力Ｆ１ｃと、第２の回路基板１２０ｃからガラス層１３０ｃに加えられる応力Ｆ２ｃとは、いずれも縁部から中央部に向かう圧縮応力となる。かかる態様においても、合成応力Ｆ１０ｃは、ガラス層１３０ｂにおいて、縁部から中央部に向かう圧縮応力となるので、上記実施形態および実施例の半導体装置１００と同様に、クラックの発生が抑制される。
【００６１】
以上説明した実施形態、実施例、および変形例１の記載からも理解できるように、上記式（１），（２）を満たすか否かに関わらず、「ガラス層に、第１の回路基板からガラス層に加えられる応力と第２の回路基板からガラス層に加えられる応力との和として、縁部から中央部に向かう方向に圧縮応力が加えられている半導体装置」を、本発明の半導体装置に適用することができる。
【００６２】
Ｃ２．変形例２：
上記実施形態および実施例における半導体装置１００は、あくまでも一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態および実施例では、２つの回路基板１１０，１２０は、いずれもセラミックスを主成分とする材料により形成されていたが、これに代えて、ポリイミド等の樹脂を主成分とする材料により形成されてもよい。また、例えば、ガラス層１３０において、フィラーを省略してもよい。この構成においては、ガラス層１３０に圧縮応力が働くような熱膨張係数を有する組成のガラスを選択してもよい。また、例えば、上記実施形態および実施例では、ガラス層１３０は、複数のガラスシート基材を積層して形成していたが、本発明はこれに限定されない。ガラス組成物からなる単一部材に対して、レーザー加工やパンチング加工により適宜キャビティや貫通孔を形成してガラス層１３０を形成してもよい。また、第１の電極１０、第２の電極２０、複数の第１の導電接続部４１、および複数の第２の導電接続部４２のうちの少なくとも１つを、銀（Ａｇ）に代えて、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）など、他の任意の金属種により形成してもよい。
【００６３】
Ｃ３．変形例３：
上記実施形態における半導体装置１００の製造手順の少なくとも一部の工程について、順序を変更してもよい。例えば、図３に示す工程Ｓ１１５と、工程Ｓ１２０およびＳ１２５と、工程Ｓ１３０とを、上記実施形態とは異なる任意の順序で実行してもよい。
【００６４】
本発明は、上述の実施形態、実施例および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する本実施形態、実施例、および変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００６５】
Ｆ１０，Ｆ１０ａ，Ｆ１０ｂ，Ｆ１０ｃ…合成応力
Ｆ１，Ｆ１ａ，Ｆ１ｂ，Ｆ１ｃ…応力
Ｆ２，Ｆ２ａ，Ｆ２ｂ，Ｆ２ｃ…応力
Ｓｆ１，Ｓｆ２，Ｓｆ３，Ｓｆ４…面
１０…第１の電極
２０…第２の電極
４１…第１の導電接続部
４２…第２の導電接続部
５０…半導体素子
１００…半導体装置
１１０，１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ…第１の回路基板
１１２…貫通電極
１２０，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ…第２の回路基板
１３０，１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ…ガラス層
１３１…第１のガラスシート基材
１３２…第２のガラスシート基材
１３３…第３のガラスシート基材
１３４…第４のガラスシート基材
１３５…第５のガラスシート基材
【図１】
2017028003.tif 000004
【図２】
2017028003.tif 000005
【図３】
2017028003.tif 000006
【図４】
2017028003.tif 000007