半导体模块，电路基板的制作方法
【专利摘要】提高供在表背两面具备电极的半导体元件安装的电路基板以及半导体模块的制造效率。半导体模块具备形成有通路以及布线图案的布线基板、配置于布线基板的第1面侧的半导体元件、以及由配置于布线基板侧的第1接合层和配置于半导体元件侧的第2接合层构成的接合部。第1接合层具备以无机材料为主要成分的第1绝缘层、形成于第1绝缘层的与通路对应的部位的贯通孔、以及配置于贯通孔内且用于使布线基板与形成于半导体元件的电极部导通的导电接合部，该第1接合层具有开始与布线基板接合的第1接合开始温度，第2接合层具备以无机材料为主要成分的第2绝缘层、以及与贯通孔连通且用于配置半导体元件的开口部，该第2接合层具有第2接合开始温度，该第2接合开始温度是第2接合层开始与半导体元件接合的温度，且不同于第1接合开始温度。
【专利说明】半导体模块，电路基板
【技术领域】
[0001]本发明涉及包含半导体元件、布线基板和散热器在内的半导体模块。
【背景技术】
[0002]一直以来，使用包括在表背两面具备电极的半导体元件、接合于半导体元件的各个面的第1、第2布线基板以及将第1、第2布线基板与半导体元件之间接合的接合层的多层构造的半导体模块。这样的半导体模块例如使用接合层进行制造，该接合层通过形成于第I布线基板侧的第I接合层、以及形成于第2布线基板侧且具有形成为能够容纳半导体元件的开口部的第2接合层层叠而成。
[0003]具体而言，通过第I工序和第2工序制造半导体模块，第I工序为，将半导体元件安装于第2接合层的开口部，检查配置于第I接合层上的第I布线基板与半导体元件之间的接合状态，第2工序为，在检查后，在第2接合层的、与层叠有第I接合层的面相反一侧的面上配置第2布线基板，利用第1、第2布线基板夹住半导体元件，并对布线基板、半导体元件以及接合层一体地进行加热压接，从而将半导体元件与布线基板密封、接合。
[0004]先行技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本特开2007 - 287833号公报
[0007]然而，在上述技术中，在第I接合层与第2接合层由相同材料形成的情况下，在第I工序与第2工序的各工序的加热处理中，由于第I接合层、第2接合层在大致相同的时刻开始软化，因此在各工序中会产生各种问题。例如，产生如下问题:在第I工序中，第2接合层侵蚀在半导体元件的安装中所使用的加压夹具而导致制造工序复杂化，在第I工序中已经与第I布线基板接合的第I接合层再次软化而导致第I接合层过度变形，向第2接合层施加的加压力减少等。另外，在现有技术中，为了使半导体元件顺利地嵌入开口部内，需要将开口部形成为比半导体元件的外形大。即，在层叠方向的截面中，开口部的截面积比半导体元件的截面积大。因此，在安装半导体元件之后，在半导体元件的侧面与开口部的侧壁之间产生空隙，半导体元件与布线基板之间的绝缘性能可能降低。此外，一直以来期望半导体模块的小型化、制造工序变容易、简单。
【发明内容】
[0008]本发明是为了解决上述问题的至少一部分而完成的，能够通过以下方式实现。
[0009](I)本发明的一个方式提供半导体模块。该半导体模块具备:布线基板，其形成有通路以及布线图案；半导体元件，其配置于上述布线基板的第I面侧；以及接合部，其配置于上述布线基板的上述第I面上，并使上述半导体元件与上述布线基板接合，该接合部由配置于上述布线基板侧的第I接合层和配置于上述半导体元件侧的第2接合层构成；上述第I接合层具备:第I绝缘层，其以无机材料为主要成分；至少一个贯通孔，其形成于上述第I绝缘层的、与上述通路对应的部位；以及导电接合部，其配置于上述贯通孔内，用于使上述布线基板与形成于上述半导体元件的电极部导通；该第I接合层具有开始与上述布线基板接合的温度亦即第I接合开始温度，上述第2接合层具备:第2绝缘层，其以无机材料为主要成分；以及开口部，其与上述贯通孔连通且用于配置上述半导体元件；该第2接合层具有第2接合开始温度，该第2接合开始温度是该第2接合层开始与上述半导体元件接合的温度，且不同于上述第I接合开始温度。根据该方式的半导体模块，用于使布线基板与半导体元件接合的接合层由具有第I接合开始温度的第I接合层和具有不同于第I接合开始温度的、第2接合开始温度的第2接合层形成。因此，在将布线基板与半导体元件进行接合过程中的加热、压接时，第I接合层和第2接合层各自在不同时刻开始与布线基板、半导体元件、其他电子部件接合。因此，能够抑制在第I接合层、第2接合层在大致相同的时刻开始接合的情况下产生的各种问题，能够提高使用电路基板制造半导体模块的情况下的制造效率。
[0010](2)在上述方式的半导体模块中，也可以是，上述第I接合开始温度比上述第2接合开始温度低。根据该方式的半导体模块，第I接合开始温度比第2接合开始温度低。因此，在以第I接合开始温度进行的半导体安装时的加热、加压处理中，抑制了第2接合层的变形。因此，能够在半导体安装时抑制第2接合层侵蚀在半导体安装中所使用的加压夹具，因此能够抑制制造工序的复杂化，能够提高制造效率。
[0011](3)在上述方式的半导体模块中，也可以是，上述第I接合开始温度比上述第2接合开始温度高。根据该方式的半导体模块，第I接合开始温度比上述第2接合开始温度高。因此，能够抑制在以第2接合开始温度使第2接合层与其他零件接合时，已经与半导体元件、布线基板接合的第I接合层因再次加热、加压而过度变形、向第2接合层施加的压力减少的情况。因此，能够提闻制造效率。
[0012](4)本发明的一个方式提供电路基板。该电路基板具备:布线基板，其形成有通路以及布线图案；以及接合部，其配置于上述布线基板的上述第I面上，且使半导体元件与上述布线基板接合，该接合部由配置于上述布线基板侧的第I接合层和配置于上述半导体元件侧的第2接合层构成；上述第I接合层具备:第I绝缘层，其以无机材料为主要成分；至少一个贯通孔，其形成于上述第I绝缘层的、与上述通路对应的部位；以及导电接合部，其配置于上述贯通孔内，用于使上述布线基板与形成于上述半导体元件的电极部导通，该第I接合层具有开始与上述布线基板接合的温度亦即第I接合开始温度；上述第2接合层具备:第2绝缘层，其以无机材料为主要成分；以及开口部，其与上述贯通孔连通且用于配置上述半导体元件；该第2接合层具有第2接合开始温度，该第2接合开始温度是该第2接合层开始与上述半导体元件接合的温度，且不同于上述第I接合开始温度。根据该方式的电路基板，用于使布线基板与半导体元件接合的接合层由具有第I接合开始温度的第I接合层和具有不同于第I接合开始温度的第2接合开始温度的第2接合层形成。因此，在将布线基板与半导体元件进行结合的过程中的加热、压接时，第I接合层和第2接合层各自在不同时刻开始与布线基板、半导体元件、其他电子部件接合。因此，能够抑制在第I接合层、第2接合层在大致相同的时刻开始接合的情况下产生的各种问题，能够提高使用电路基板制造半导体模块的情况下的制造效率。
[0013](5)在上述方式的电路基板中，也可以是，上述第I接合开始温度比上述第2接合开始温度低。根据该方式的电路基板，第I接合开始温度比第2接合开始温度低。因此，在以第I接合开始温度进行的半导体安装时的加热、加压处理中，抑制了第2接合层的变形。因此，能够抑制半导体安装时第2接合层侵蚀在半导体安装中所使用的加压夹具，因此能够抑制制造工序的复杂化，能够提高制造效率。
[0014](6)在上述方式的电路基板中，也可以是，上述第I接合开始温度比上述第2接合开始温度高。根据该方式的电路基板，第I接合开始温度比第2接合开始温度高。因此，能够抑制在以第2接合开始温度使第2接合层与其他零件接合时，已经与半导体元件、布线基板接合的第I接合层因再次加热、加压而过度变形、向第2接合层施加的压力减少的情况。因此，能够提高使用电路基板制造半导体模块的情况下的制造效率。
[0015](7)在上述方式的电路基板中，也可以是，在上述半导体元件配置于上述开口部内时，上述开口部的深度比上述开口部的顶面与上述半导体元件的底面之间的距离大。根据该方式的电路基板，接合层的开口部形成为开口部的深度比开口部的顶面与半导体元件的底面之间的距离大。因此，在接合层中，能够产生相当于开口部的深度和开口部的顶面与半导体元件的底面之间的距离的差的剩余构件。因此，在布线基板与接合层之间、接合层的开口部的侧壁与半导体元件的侧面之间产生空隙的情况下，能够利用剩余构件填补(填充)该空隙。因此，能够实现通过半导体元件与布线基板之间的绝缘性的提高来防止半导体元件的沿面放电，能够实现抑制存在空隙所导致的半导体元件的损伤。另外，在因制造时产生于布线基板的弯曲而在布线基板与接合层之间产生空隙的情况下，也能够利用剩余构件填补(填充)该空隙。因此，能够提高布线基板与接合层之间的接合强度。
[0016](8)在上述方式的电路基板中，也可以是，上述贯通孔形成为具有上述导电接合部的体积与上述半导体元件的上述电极部的体积的累计体积以上的容积，上述开口部的深度比上述半导体元件的壳体的厚度大。根据该方式的电路基板，贯通孔导形成为具有电接合部的体积与半导体元件的上述电极部的体积的累计体积以上的容积，且开口部深度形成为比半导体元件的厚度大。因此，在向开口部安装半导体元件时，电极部的整体容纳于贯通孔内，能够使半导体元件的壳体的上表面与开口部的顶面可靠地接触。因此，能够确保半导体元件的壳体的上表面与接合层之间的绝缘性，其结果，能够防止半导体元件的沿面放电。另外，能够利用接合层的剩余构件填充形成在半导体元件的侧面与开口部的侧壁之间的空隙。
[0017](9)在上述方式的电路基板中，也可以是，与上述开口部的深度和上述开口部的顶面与上述半导体元件的底面之间的距离之差对应的上述接合层的剩余部分的体积为形成于上述半导体元件与上述开口部之间的空隙的容积以上。根据该方式的电路基板，接合层剩余部分的体积为形成于半导体元件与开口部之间的空隙的容积以上。因此，能够可靠地填充形成于半导体元件与开口部之间的空隙。
[0018](10)在上述方式的电路基板中，也可以是，上述开口部形成为锥状。根据该方式的电路基板，开口部形成为锥形状。因此，在将接合层与布线基板进行接合时沿层叠方向加压，能够提高空隙的填充效率，能够抑制气泡的产生。因此，能够提高布线基板与半导体元件之间的绝缘性。
[0019](11)在上述方式的电路基板中，也可以是，上述开口部的内壁形成为沿着上述层叠方向的平面状。根据该方式的电路基板，开口部的内壁形成为沿着层叠方向的平面状。因此，能够利用例如冲压等简单的方式制造开口部。[0020]上述本发明的各方式所具有的多个结构要素并非全部必须，为了解决上述课题的一部分或者全部或者为了实现本说明书所记载的效果的一部分或者全部，能够适当地改变、削除上述多个结构要素的一部分结构要素，与新的其他结构要素替换，删除限定内容的一部分。另外，为了解决上述课题的一部分或者全部或者为了实现本说明书所记载的效果的一部分或者全部，也能够使上述本发明的一个方式所包含的技术特征的一部分或者全部与上述本发明的其他方式所含的技术特征的一部分或者全部组合，形成本发明的独立的一个方式。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是示出作为本发明的一个实施方式的半导体模块的结构的剖视图。
[0022]图2是对第I实施方式的接合部20的简要结构进行说明的剖视图。
[0023]图3是示出第I实施方式的半导体模块的制造方法的顺序的流程图。
[0024]图4是对第I接合层130的制作进行说明的说明图。
[0025]图5是对第2接合层140的制作进行说明的说明图。
[0026]图6是示出图3所示的组装处理的详细顺序的流程图。
[0027]图7是对第I实施方式的步骤S405中的电路基板70的制作进行说明的说明图。
[0028]图8是对步骤S415中的接合工序进行说明的说明图。
[0029]图9是对步骤S415中的半导体元件30的电极部32与导电接合部136之间的接合状态进行说明的说明图。
[0030]图10是对步骤S440中的散热基板80以及散热器50向电路基板70的安装进行说明的说明图。
[0031]图11是对步骤S440中的接合部20、半导体元件30以及散热基板80之间的接合状态进行说明的局部放大剖视图。
[0032]图12是示出第3实施方式的半导体功率模块1010的简要结构的剖视图。
[0033]图13是第3实施方式的接合前的半导体功率模块1010的分解剖视图。
[0034]图14是对第3实施方式的半导体功率模块1010的制造方法进行说明的工序图。
[0035]图15是对第I接合层630的制作进行说明的说明图。
[0036]图16是对第2接合层640的制作进行说明的说明图。
[0037]图17是示出第3实施方式的第I布线基板600与第I接合层630之间临时粘合的说明图。
[0038]图18是示出第3实施方式的接合层620的形成的说明图。
[0039]图19是示出第3实施方式的半导体元件650的安装状态的说明图。
[0040]图20是示出第3实施方式的第2布线基板610与接合层620之间临时粘合的说明图。
[0041]图21是对扩散接合时的、剩余部648对空隙550部分的填充进行说明的说明图。
[0042]图22是对第4实施方式的接合层720与半导体元件650之间的空隙560部分的填充进行说明的说明图。
【具体实施方式】[0043]A.第I实施方式:
[0044]Al.半导体模块的结构:
[0045]图1是示出作为本发明的一个实施方式的半导体模块的结构的剖视图。该半导体模块100是所谓的功率模块，在汽车等的电力控制等中使用。半导体模块100具有布线基板10、多个半导体元件30、接合部20、散热基板80、散热器50以及多个螺丝19。半导体模块100具有各结构要素(除螺丝19之外的布线基板10、多个半导体元件30、接合部20、散热器50、散热基板80)层叠而成的多层构造。具体而言，在散热器50之上配置散热基板80，在散热基板80之上配置半导体元件30与接合部20，在接合部20之上配置布线基板10，利用螺丝19紧固布线基板10与散热器50。此外，能够在布线基板10之上层叠低发热部件200。低发热部件200是与半导体元件30相比发热量较低的电子零件，例如控制用半导体元件、电容器等较为符合。布线基板10与接合部20构成电路基板70。在第I实施方式中，布线基板10相当于权利要求书中的“布线基板”。
[0046]布线基板10具备陶瓷层11、控制电路用布线12、主电力直通路(straightvia)13、上部表面布线14、下部表面布线15、第I绝缘接合部16、螺丝容纳部17以及散热层18。
[0047]陶瓷层11由陶瓷材料或混合有玻璃成分的玻璃陶瓷材料形成。陶瓷材料例如能够采用氧化铝(A1203)、氮化铝(A1N)、氮化硅(Si3N4)等。控制电路用布线12是形成于陶瓷层11内部的布线，用于控制用信号(半导体元件30驱动用的信号)的传送等。主电力直通路13是在厚度方向(层叠方向)上贯通陶瓷层11的导电性构件，将上部表面布线14与下部表面布线15之间电连接。下部表面布线15配置于陶瓷层11的表面中的、与接合部20接触的表面(以下称作“第I表面”)。上部表面布线14配置于陶瓷层11的表面中的、能够与低发热部件200接合的面(以下称作“第2表面”)。第I绝缘接合部16利用以绝缘性的无机材料为主要成分的玻璃组成物形成，在第2表面中配置于上部表面布线14的周围。
[0048]此外，作为形成于上述陶瓷内部的控制电路用布线12、主电力直通路13的基材，例如，优选采用银、铜、钨、钥等任意导电性材料。并且，可以采用能够与陶瓷层11同时烧结的导电性材料。在表面布线14、15中，既可以采用与上述控制电路用布线12相同的材料，也可以在同时烧结由陶瓷层11、控制电路用布线12、主电力直通路13构成的多层布线基板之后，通过镀敷、印刷银、铜、镍、铝等导电性材料等其他工序而形成。此外，虽然在图1中记载为在布线基板10与接合部20之间的接合界面形成与下部表面布线15的层厚对应的台阶部，但实际上，下部表面布线15形成为薄膜状，在布线基板10与接合部20之间的接合界面，几乎不产生图示的台阶部。另外，也可以在布线基板10与接合部20之间的接合界面设置与台阶部对应的、由与接合部20相同材料构成的台阶部修正层。因此，以下在本说明书、附图中，省略下部表面布线15的记载。
[0049]螺丝容纳部17是贯穿第I绝缘接合部16、陶瓷层11、接合部20、电极布线层45与绝缘基板40的长孔，用于容纳螺丝19。螺丝容纳部17的容纳面被导热性优异的材料覆盖。该材料例如能够采用银、铜、镍、铝等。如后所述，螺丝容纳部17形成从半导体元件30产生的热量的散热路径的一部分。因此，在半导体模块100中，利用导热性优异的材料覆盖螺丝容纳部17的容纳面，由此提高散热性。作为覆盖方法，可以采用将含有高导热性材料的浆料涂敷于螺丝容纳部17的容纳面或将高导热性材料镀敷于螺丝容纳部17的容纳面的方法。此外，也可以在螺丝容纳部17的至少一部分形成螺纹牙。[0050]散热层18在陶瓷层11内部配置为与陶瓷层11平行。散热层18可以利用导热性优异的任意材料形成，例如，可以与上述控制电路用布线12、主电力直通路13的基材相同地采用银、铜、钨、钥等能够与陶瓷层同时烧结的任意导电性材料。在散热层18设置有未图示的多个贯通口，由于控制电路用布线12以及主电力直通路13配置于该贯通口，因此与半导体元件30之间没有电连接，散热层形成为与电布线无关的结构。另外，散热层18的边缘部的局部与螺丝容纳部17的容纳面以及螺丝19接触，能够形成从布线基板10的内部相连续的散热路径。
[0051]半导体元件30是电力用半导体元件(电力设备)，能够采用电力MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、二极管(肖特基势鱼二极管等)等。半导体元件30具备用于与下部表面布线15以及后述的电极布线电连接的电极部32以及电极布线层39。电极部32由电极板与凸块(突起状金属端子)构成。电极部32相当于权利要求书中的“电极部”。
[0052]接合部20是使半导体元件30与布线基板10、散热基板80之间绝缘的绝缘性薄玻璃片。接合部20以绝缘性的无机材料作为主要成分，由通过安装半导体元件时的加热工序发生软化的粉末玻璃形成。粉末玻璃例如由氧化硅、氧化锌、氧化硼、氧化铋等形成。参照图2说明接合部20的详细结构。
[0053]图2是对第I实施方式的接合部20的简要结构进行说明的剖视图。在图2中示出相当于图1的圆A部分的部位，为了对安装半导体元件时的半导体元件与接合部20之间的位置关系进行说明，也一并记载有半导体元件30。接合部20由第I接合层130和第2接合层140构成。
[0054]第I接合层130具有利用无机材料、例如由Bi2O3与B2O3构成的粉末玻璃形成的绝缘性的玻璃片330、至少一个形成于玻璃片330的与下部表面布线15对应的位置P的贯通孔135、以及配置于贯通孔135内的导电接合部136，该第I接合层130使布线基板10与半导体元件30之间绝缘。换言之，第I接合层130的贯通孔135形成于后述的第2接合层140的开口部145的顶面145a。通过在贯通孔135内配置导电接合部136而利用导电接合部136与贯通孔135的侧壁135a形成凹陷部137。此外，在布线基板10与接合部20之间的接合界面配置有与台阶部对应的台阶部修正部的情况下，台阶部修正部也可以构成为第I接合层130的一部分。玻璃片330相当于权利要求书中的“第I绝缘层”。
[0055]第I接合层130具有第I接合层130与布线基板10以及半导体元件30开始接合的温度、亦即第I接合开始温度。所谓第I接合开始温度是构成第I接合层130的材料的至少一部分开始进行烧结反应的烧结开始温度以上的温度。所谓构成第I接合层130的材料的至少一部分开始进行烧结反应的温度是由构成第I接合层130的成分的至少一部分形成液相或在固相下的粘合界面处的反应所产生的烧结反应的开始温度。即使第I接合层130没有熔融，通过成分中的一小部分产生液相，烧结固定进展，开始与其他构件接合。构成第I接合层130的、由Bi2O3与B2O3形成的粉末玻璃的烧结反应的开始温度为357°C。因此，第I接合开始温度为357°C以上即可，例如，也可以是熔点、软化点以上的温度。在第I实施方式中，第I接合开始温度是比构成第I接合层130的粉末玻璃(Bi2O3与B2O3)的软化点(435°C)略高的 450°C。
[0056]导电接合部136以导电性的金属作为主要成分而形成。导电性的金属例如也可以使用铜、银、锡、铝等。导电接合部136在半导体元件30配置于开口部145时使半导体元件30的电极部32与布线基板10导通。
[0057]第2接合层140具有:绝缘性的玻璃片340，其由无机材料、例如由Na203、B2O3与SiOjQ成的粉末玻璃形成；以及开口部145，其形成于玻璃片340并与通孔135连通，且用于配置半导体元件30 ;第2接合层140使半导体元件30与散热基板80之间绝缘。另外，第2接合层140形成于与用于层叠布线基板10的第I面131不同的第2面132侧。若半导体元件30配置于开口部145，则半导体元件30的电极部32容纳于贯通孔135内，电极部32与布线基板10导通。玻璃片340相当于权利要求书中的“第2绝缘层”。
[0058]第2接合层140具有第2接合开始温度，该第2接合开始温度是第2接合层140与散热基板80以及半导体元件30开始接合的温度，且比第I接合开始温度高。所谓第2接合开始温度是构成第2接合层140的材料的至少一部分开始进行烧结反应的烧结开始温度以上的温度。所谓构成第2接合层140的材料的至少一部分开始进行烧结反应的温度是由构成第2接合层140的成分的至少一部分形成液相或在固相下的粘合界面处的反应所产生的烧结反应的开始温度。即使第2接合层140没有熔融，通过成分中的一小部分产生液相，烧结固定发展，开始与其他构件接合。构成第2接合层140的、Na203、B203与SiO2形成的粉末玻璃的烧结反应的开始温度是比第I接合开始温度357°C高的495°C。因此，第2接合开始温度为495°C以上即可，例如，也可以是熔点、软化点以上的温度。在第I实施方式中，第2接合开始温度是比构成第2接合层140的粉末玻璃(Na203、B203与SiO2)的软化点(585°C)略高的600°C。
[0059]另外，如图2所示，开口部145形成为比半导体元件30的壳体31的外形大，以便在半导体元件30的侧面34与开口部145的侧壁145b之间产生几μπι?几mm左右的空隙。这样，能够顺利地进行半导体元件30向开口部145的嵌入。
[0060]返回图1继续说明。散热基板80具有绝缘基板40和配置在绝缘基板40上的电极布线层45，电极布线层45配置为与半导体元件30相对。
[0061]电极布线层45具备电极布线46与第3绝缘接合部47。电极布线46与半导体元件30以及主电力直通路13连接。第3绝缘接合部47配置于电极布线46的周围。第3绝缘接合部47利用绝缘性材料形成，确保电极布线46与布线基板10之间的绝缘性。此外，在本实施方式中，第3绝缘接合部47由与第2接合层140相同的基材形成。另外，在第3绝缘接合部47的基材与第2接合层140的基材不同的情况下，也可以在第3绝缘接合部47与接合部20之间的接合界面设置与接合部分的台阶部对应的、由与接合部20相同材料构成的台阶部修正层。台阶部修正部也可以构成为第2接合层140的一部分。
[0062]绝缘基板40确保半导体元件30与散热器50之间的绝缘性以及电极布线46与散热器50之间的绝缘性。在本实施方式中，绝缘基板40的基材采用上述陶瓷材料。绝缘基板40与散热器50不相互粘合但紧贴。之所以这样不粘合但紧贴是基于以下理由。
[0063]由于绝缘基板40的基材(陶瓷)与散热器50的基材(金属)的热膨胀率彼此不同，因此若使绝缘基板40与散热器50粘合，则在半导体模块100因半导体元件30的热量而处于高温时，可能在绝缘基板40与散热器50之间产生较大应力，或者可能因随着散热器50的变形而产生的绝缘基板40以及电极布线层45 (特别是以与半导体元件30接触的方式配置的电极布线46)的变形而在半导体元件30与电极布线层45 (电极布线46)之间的接合界面产生较大应力。
[0064]与此相对，若绝缘基板40与散热器50以不粘合但接触的方式配置，由于绝缘基板40或者散热器50能够在绝缘基板40与散热器50之间的界面滑动(偏移)，因此抑制了在绝缘基板40与散热器50之间的接合界面可能产生的应力、以及绝缘基板40以及电极布线层45 (电极布线46)的变形和起因于该变形而可能产生于绝缘基板40与电极布线层45 (电极布线46)之间的接合界面的应力，另外，由于能够使产生的应力减少，因此能够抑制绝缘基板40以及散热器50的破损、以及绝缘基板40的变形和起因于该变形的绝缘基板40与半导体元件30的破损。
[0065]此外，在本实施方式中，所谓“接合”表示半导体元件30与表面布线15借助凸块等导电接合材而热熔融等从而固定为一体，与此相对，如上所述，所谓“紧贴”表示允许绝缘基板40以及散热器50在界面处的滑动(偏移)，并且绝缘基板40以及散热器50以相互接触的方式配置。
[0066]散热器50配置于散热基板80的、与配置有接合部20的面相反侧的面。与半导体元件30导热地连接，吸收并释放半导体元件30的热量。散热器50具有在壳体52内部形成有散热片51的结构。在本实施方式中，作为壳体52以及散热片51的基材，采用导热性优异的金属(例如，铜、铝、钥等)。壳体52具备形成有螺纹牙的螺孔53，螺丝19与该螺孔53卡合。在壳体52设置有未图示的开口，利用该开口交换因从散热片51的散热而变热的制冷剂和壳体52外部的制冷剂。
[0067]螺丝19容纳于螺丝容纳部17以及螺孔53，沿着布线基板10、接合部20、散热基板80的层叠方向(以下也简称作“层叠方向”)贯穿以上各结构要素，以预定的紧固力紧固布线基板10与散热器50。此外，螺丝19的头部抵接于布线基板10的能够与低发热部件200接合的面。这样使用螺丝19以预定的紧固力紧固布线基板10与散热器50是因为，能够使各层(结构要素)彼此紧贴而提高导电性、导热性，并且即便在绝缘基板40与散热器50之间产生应力的情况下，也能够抑制各层的变形、界面剥离。
[0068]另外，螺丝19由导热性优异的基材形成。作为这样的基材，能够采用铜、铝、钥等。另外，例如也能够采用以不锈钢作为基材并在表面镀敷有铜、铝等的螺丝作为螺丝19。如后所述，螺丝19与前述的螺丝容纳部17的容纳面相同，形成从半导体元件30散发的热量的散热路径的一部分。因此，在半导体模块100中，通过利用导热性优异的基材形成螺丝19来提高散热性。
[0069]在图1中，利用粗实线箭头例示了从半导体元件30散发的热量的散热路径。如图1所示，在半导体模块100的散热路径中包含图1所示的两条路径(路径Rl以及路径R2)。路径Rl是经由电极布线层45 (或者电极布线46)以及绝缘基板40到达散热器50的路径。路径R2是经由接合部20以及陶瓷层11到达散热层18并沿着散热层18到达螺丝容纳部17的容纳面以及螺丝19进而经由螺丝容纳部17、螺孔53以及螺丝19到达散热器50的路径。在图1中，仅示出了最靠左的半导体元件30的散热路径，其他半导体元件30也存在相同的两条散热路径。
[0070]A2.半导体模块100的制造方法:
[0071]图3是示出第I实施方式的半导体模块的制造方法的顺序的流程图。首先，执行布线基板10的制作处理(步骤S100)。该处理包含形成由构成布线基板10的陶瓷材料构成的陶瓷层11、陶瓷层11内部的布线(控制电路用布线12、主电力直通路13、散热层18)。
[0072]在步骤SlOO之后，执行外装布线图案制作处理(步骤S200)。在该处理中，在利用步骤SlOO制作的布线基板10的表面形成上部表面布线14以及下部表面布线15。
[0073]在步骤S200之后，执行接合部20的制作处理(步骤S300)。在该处理中，形成构成接合部20的第I接合层130和第2接合层140。图4是对第I接合层130的制作进行说明的说明图。图5是对第2接合层140的制作进行说明的说明图。
[0074]首先，制作构成第I接合层130的玻璃片330 (图4的(a))以及构成第2接合层140的玻璃片340(图5的(a))。具体而言，使用有机溶剂、水等溶剂使通过后述的扩散接合处理中的加热而发生软化的粉末玻璃和具有热分解性的有机粘结剂形成的糊状物通过基于刮刀法的薄片注浆或挤压成型等方法而形成为片状并进行干燥，从而制作出玻璃片330、340。作为粉末玻璃，可以使用由氧化硅、氧化锌、氧化硼、氧化铅、氧化铋等形成的粉末玻璃。另外，也可以在玻璃片330、340中混合氧化铝等陶瓷粉末材料作为填充物。
[0075]在制作出的构成第I接合层130的玻璃片330中，如图4的(b)所示，在布线基板10的与下部表面布线15对应的位置实施激光或微型计算机冲压等机械加工，形成贯通孔135。
[0076]接下来，如图4的(C)所示，在贯通孔135内形成导电接合部136。具体而言，利用网板印刷在贯通孔135的局部填充构成导电接合部136的浆料。浆料以金属作为主要成分，例如，使用有机溶剂、水等溶剂将铝金属、氧化银、铜、纳米金属、钎料合金这样的通过后述扩散接合而熔融的金属种类和具有热分解性的有机粘结剂混匀而形成。该有机粘接剂在热处理时被分解、除去。此外，浆料的填充不限于网板印刷，例如，也可以使用利用分液器排出等方法。伴随着导电接合部136在贯通孔135内的形成而形成凹陷部137。如此，形成第I接合层130。
[0077]另外，在构成第2接合层140的玻璃片340中，如图5的(b)所示，对安装半导体元件30的位置实施激光或微型计算机冲压等机械加工，形成开口部145。此时，开口部145形成为比半导体元件30的壳体31的外形大，以便在半导体元件30的侧面34与开口部145的侧壁145b之间形成几μ m左右的空隙。如此，形成第2接合层140。
[0078]在步骤S300之后，执行组装处理(步骤S400)。利用该处理将布线基板10与其他结构要素(电极布线层45、绝缘基板40、散热器50)组装起来。
[0079]图6是示出图3所示的组装处理的详细顺序的流程图。首先，制作电路基板70(步骤S405)。参照图7对电路基板70的制作进行说明。
[0080]图7是对第I实施方式的步骤S405中的电路基板70的制作进行说明的说明图。具体而言，利用玻璃片330所含有的有机粘结剂的粘合力使布线基板10与构成第I接合层130的玻璃片330临时粘合。
[0081]接着，将第2接合层140 (玻璃片340)对位并层叠于玻璃片330的、与配置有布线基板10的面相反一侧的面上，利用玻璃片330以及第2接合层140所含有的有机粘结剂的粘合力使玻璃片330与第2接合层140临时粘合。向玻璃片330的贯通孔135内填充导电接合部136而形成第I接合层130从而形成接合部20，并且制作出由布线基板10与接合部20构成的电路基板70。玻璃片330与第2接合层140的对位包含贯通孔135与开口部145以适合半导体元件30的安装的方式对位，换言之，贯通孔135与开口部145连通、且以在向开口部145内配置半导体元件30时电极部32容纳于凹陷部137内的方式对位。
[0082]接下来，将在表背两面具有电极的半导体元件30载置于开口部145内(步骤S410)，对布线基板10、半导体元件30以及接合部20实施加热、加压处理，使半导体元件30的电极部32与导电接合部136接合(回流)，并且利用扩散接合使布线基板10、接合部20以及半导体元件30接合。(步骤S415)。
[0083]图8是对步骤S415中的接合工序进行说明的说明图。如图8所示，在开口部145内配置有半导体元件30的状态下，利用由上侧夹具60以及下侧夹具61构成的加压夹具夹持布线基板10、接合部20以及半导体元件30，以第I接合开始温度进行加热，并且在层叠方向上加压。通过以第I接合开始温度进行加热以及加压，半导体元件30与接合部20的第I接合层130以及布线基板10与接合部20的第I接合层130通过扩散接合而接合。在第I实施方式中，第I接合开始温度如已叙述那样为450°C。由于第2接合层140由具有比第I接合开始温度高的第2接合开始温度的材料形成，因此不会在该接合工序的加热处理中熔融、软化。因此，抑制了第2接合层140向下侧夹具61侵蚀。
[0084]图9是对步骤S415中的半导体元件30的电极部32与导电接合部136之间的接合状态进行说明的说明图。图9的(a)放大示出被加热、压接前的半导体元件30的安装位置，图9的(b)放大示出被加热、压接后的半导体元件30的安装位置。
[0085]如图9的(a)所示，半导体元件30的电极部32的水平方向(与层叠方向垂直的方向)的直径形成为比凹陷部137的水平方向的直径小。因此，在半导体元件30容纳于开口部145且电极部32容纳于凹陷部137内的状态下，在电极部32与137的侧壁135a之间形成有空隙500。
[0086]如图9的(b)所示，若布线基板10、接合部20以及半导体元件30在步骤S415的接合工序中被加热并在层叠方向上被按压，则第I接合层130被按压于布线基板10。此时，由于第I接合层130以第I接合开始温度被加热，因此第I接合层130软化并成为充分具有流动性的状态，凹陷部137的侧壁135a与半导体元件30的电极部32之间的空隙500由第I接合层130填充。
[0087]当半导体元件30的载置(步骤S410)以及接合(步骤S415)结束时，检查半导体元件30的接合状态(步骤S420)，进行接合是否正常的判断(步骤S425)。在半导体元件30的接合异常的情况下(步骤S425:N0)，执行半导体元件30的取下以及再接合等修理(步骤S435)，返回步骤S410。
[0088]在前述的步骤S425中，若判断为半导体元件30的接合正常(步骤S425:YES), PJ制成散热基板80 (步骤S430)。
[0089]散热基板80的制作具体而言如下所示。首先，制作用于形成绝缘基板40的陶瓷薄板状构件。此外，在陶瓷薄板状构件设置有用于形成螺丝容纳部17a的孔。接下来，在陶瓷薄板状构件上制作电极布线46用的图案。制作在用于配置电极布线46的位置形成有通路的玻璃片并使其粘贴于陶瓷薄板状构件。此外，在该玻璃片设置有用于形成螺丝容纳部17a的孔。这样，制作出在绝缘基板40上形成有电极布线层45的散热基板80。
[0090]当制作出散热基板80时，将散热基板80以及散热器50安装于配置有半导体元件30的电路基板70(步骤S440)。图10是对步骤S440中的散热基板80以及散热器50向电路基板70的安装进行说明的说明图。首先，将电路基板70载置在散热基板80上，并且将载置有电路基板70的散热基板80载置于散热器50但不与散热器50粘合。将螺丝19容纳于螺丝容纳部17以及螺孔53，一边以第2接合开始温度进行加热一边使螺丝19卡合于螺孔53，以预定的紧固力紧固布线基板10与散热器50。
[0091]第2接合开始温度如已叙述那样为600°C。对接合部20的第2接合层140与散热基板80施加基于上述螺丝19的紧固的加压力，并且第2接合层140与散热基板80以第2接合开始温度被加热而熔融、软化，在第2接合层140与散热基板80之间产生原子扩散并接合。同样地，接合部20的第2接合层140与半导体元件30的壳体31以第2接合开始温度被加热而熔融、软化，在第2接合层140与壳体31之间产生原子扩散并接合。
[0092]图11是对步骤S440中的接合部20、半导体元件30以及散热基板80之间的接合状态进行说明的局部放大剖视图。图11的(a)放大示出加热、压接前的半导体元件30的安装位置，图11的(b)放大示出加热、压接后的半导体元件30的安装位置。
[0093]如图11的(a)所示，由于开口部145形成为比半导体元件30的壳体31的外形大，因此在半导体元件30容纳于开口部145的状态下，在开口部145的侧壁145b与半导体元件30的侧面34之间形成空隙510。
[0094]如图11的(b)所示，当接合部20、半导体元件30以及散热基板80在扩散接合中被加热并因螺丝19的紧固而在层叠方向上被按压时，散热基板80被按压于半导体元件30以及第2接合层140。此时，由于第2接合层140以第2接合开始温度被加热，因此第2接合层140软化并成为充分具有流动性的状态，开口部145的侧壁145b与半导体元件30之间的空隙510由第2接合层140填充。这样，由于半导体元件30的外表面被绝缘性的第2接合层140覆盖，因此半导体元件30的电极部32与散热基板80之间的绝缘性提高，防止半导体元件30的沿面放电。
[0095]此外，伴随着空隙510的填充，第2接合层140的厚度比接合前的厚度略薄。伴随着第2接合层140变薄，熔融的散热基板80的电极布线层45向水平方向扩张，厚度略微变薄。电极布线层45如此流动，能够使散热基板80、第2接合层140以及半导体元件30各自的接合界面形成不存在空隙、气泡的大致平坦的状态，能够确保接合强度。
[0096]此外，将散热基板80以不粘合于散热器50的方式载置于散热器50的理由如下。基于散热器50与散热基板80 (绝缘基板40)之间的热膨胀系数率的不同，散热器50与散热基板80 (绝缘基板40)之间的变形量(伴随着温度变化而产生的变形量)不同，因此因该变形量的差而可能产生应力。然而，能够通过将散热基板80以不粘合于散热器50的方式载置于散热器50而使散热器50与散热基板80 (绝缘基板40)以彼此不粘合的方式接触配置，因此能够抑制因散热器50与绝缘基板40的变形量的差而产生应力，另外，能够减少应力。因此，能够抑制在半导体元件30与电极布线层45 (电极布线46)之间的接合界面产生较大应力，因此能够抑制连接位置处的损伤。
[0097]执行完以上工序，则半导体模块100完成。之后，能够将低发热部件200接合于半导体模块100。具体而言，例如，在低发热部件200是具有凸块的半导体元件的情况下，通过以该凸块与上部表面布线14接触的方式载置半导体元件30并进行回流，能够使凸块与上部表面布线14接合。
[0098]根据以上说明的第I实施方式的半导体模块100，在将布线基板10、散热基板80与半导体元件30接合的过程中的加热、压接时，第I接合层130和第2接合层140各自在不同时刻开始与布线基板10、80、半导体元件30、其他电子部件接合。因此，能够抑制在第I接合层130、第2接合层140在大致相同的时刻开始接合的情况下产生的各种问题，能够提高在制造用于安装在表背两面具有布线图案的半导体元件的半导体模块的情况下的制造效率。在第I实施方式中，由于第I接合开始温度比第2接合开始温度低，因此在以第I接合开始温度进行的安装半导体元件30时的加热、加压处理中，抑制了第2接合层140的变形。因此，在半导体模块的制造工序中，能够抑制第2接合层140侵蚀在半导体元件30的安装中所使用的加压夹具的下侧夹具61，能够抑制制造工序的复杂化，能够提高制造效率。
[0099]另外，根据以上说明的第I实施方式的半导体模块100的制造方法，第I接合层130通过以第I接合开始温度被加热压接而软化，并发生变形以填充贯通孔与第I电极之间的空隙。因此，能够实现抑制半导体元件的损伤以及提高第I布线基板与第2布线基板之间的绝缘性。
[0100]另外，根据以上说明的第I实施方式的半导体模块100的制造方法，第2接合层通过以第2接合开始温度被加热压接而软化，并发生变形以填充开口部与半导体元件之间的空隙。因此，由于抑制了半导体元件的损伤并且提高了布线基板10、散热基板80与半导体元件30之间的绝缘性、更具体地说提高了半导体元件30的电极部32与散热基板80的电极布线46之间的绝缘性，因此能够实现防止半导体元件30的沿面放电。另外，能够抑制在半导体元件周围存在空隙而导致半导体元件30的损伤。
[0101]B.第2实施方式:
[0102]在第2实施方式中，以第I接合层130的第I接合开始温度成为比第2接合层140的第2接合开始温度高的温度的方式确定构成第I接合层130以及第2接合层140的材料。具体而言，第I接合层130利用由Na203、B2O3与SiO2构成的粉末玻璃形成。由于由Na203、B2O3与SiO2构成的粉末玻璃的软化点为585°C，因此第I接合开始温度限定为比585°C更高的温度、例如600°C。另外，第2接合层140利用由Bi2O3与B2O3构成的粉末玻璃形成。由于由Bi2O3与B2O3构成的粉末玻璃的软化点为435°C，因此第2接合开始温度限定为比作为第I接合开始温度的600°C低且比作为软化点的435°C高的温度、例如450°C。
[0103]根据以上说明的具有第2实施方式的接合部的电路基板、半导体模块，在以第2接合开始温度使第2接合层140与其他零件接合时，能够抑制在安装半导体元件时已经与半导体元件30、布线基板10接合的第I接合层130因再次加热、加压而过度变形、向第2接合层140施加的压力减少。因此，能够提高半导体模块的制造效率。
[0104]C.第3实施方式:
[0105]Cl.半导体模块简要结构:
[0106]图12是示出第3实施方式的半导体功率模块1010的简要结构的剖视图。图13是第3实施方式的接合前的半导体功率模块1010的分解剖视图。半导体功率模块1010具备第I布线基板600、第2布线基板610、接合层620、以及半导体元件650。第I布线基板600与接合层620构成电路基板1015。以下，在说明书中，也将第I布线基板600与第2布线基板610简称为布线基板。
[0107]布线基板600、610由陶瓷材料或混合有玻璃成分的玻璃陶瓷材料形成。陶瓷材料例如使用氧化铝(A1203)、氮化铝(A1N)、氮化硅(Si3N4)等。
[0108]第I布线基板600除了具备用于安装控制电路、电容器等电子零件的第I面605、形成于与第I面605相反一侧的第2面606、用于使第I面605与第2面606之间电连接的内层通孔601以及布线图案609之外，还具备配置于第I面605上的外部连接用的电极端子(未图示)等。布线图案609形成于第I布线基板600的表面、内部的层的表面。在图12中，省略了形成于第I布线基板600的内部的层的布线图案。
[0109]第2布线基板610具备用于安装半导体元件650的第I面615、能够安装散热板等零件的第2面616、用于与半导体元件650电导通的金属制的凸块618以及布线图案619。第2布线基板610例如使用在陶瓷板直接接合有电路图案布线619的基板、即所谓的被称作 DBC (Direct Bonding Copper)基板的基板。
[0110]半导体兀件650具备壳体651、形成于壳体651的表面653的电极部652、以及形成于壳体651的背面655侧的薄膜状的电极层659。电极部652由电极板以及形成在电极板上的金属制的突状的凸块构成。电极部652以及电极层659例如形成为以金(Au)为主要成分。电极部652的凸块既可以通过预先将加工成凸块形状的金属柱配置于所希望的位置而形成，也可以通过利用光刻图案进行转印的方法、利用网板印刷进行印刷的方法将以铝、铜、锡、氧化银等金属种类为主要成分的浆料形成在电极板上。半导体元件650经由导电接合部636、布线图案609以及内层通孔601而与第I布线基板600电连接。另外，半导体元件650经由第2布线基板610的凸块618、布线图案619而与第2布线基板610电连接。电极部652相当于权利要求书中的“电极部”。
[0111]接合层620是配置于第I布线基板600的第2面606侧且由第I接合层630、第2接合层640构成的绝缘性的薄玻璃片。接合层620使半导体元件650与布线基板600、610绝缘。参照图13对接合层620的详细结构进行说明。
[0112]第I接合层630使第I布线基板600与半导体元件650绝缘。第I接合层630具有以绝缘性的无机材料为主要成分且由通过安装半导体元件时的加热工序而发生软化的粉末玻璃构成的绝缘性的玻璃片830、至少一个形成于玻璃片830的与内层通孔601对应的位置P的贯通孔635、以及配置于贯通孔635内的导电接合部636。换言之，第I接合层630的贯通孔635形成于后述的第2接合层640的开口部645的顶面645a。粉末玻璃例如形成为ZnO - B2O3 - SiO2等氧化硅、氧化锌、氧化硼、氧化铋等的混相。通过在贯通孔635内配置导电接合部636而利用导电接合部636与贯通孔635的侧壁635a形成凹陷部637。玻璃片830相当于权利要求书中的“第I绝缘层”。
[0113]导电接合部636形成为以导电性的金属为主要成分。导电性的金属例如也可以使用铜、银、锡、铝等。当半导体元件650配置于开口部645时，导电接合部636使半导体元件650的电极部652与第I布线基板600导通。
[0114]凹陷部637具有后述的半导体元件650的电极部652的体积以上的容积，如图13所示，若将导电接合部636的厚度设为dl，将第I接合层630的厚度设为d2，将电极部652的高度设为d3，将因第I布线基板600的弯曲而产生的、电极部652的高度偏差的允许值设为d4，则电极部652的高度d3设计为比凹陷部637的高度d5=(导电接合部636的厚度d2 一第I接合层630的厚度dl)与允许值d4相加后的大小大、即满足电极部652的高度d3 >凹陷部637的高度d5 +允许值d4。通过这样设计，能够使导电接合部636与电极部652可靠地接触，能够确保第I布线基板600与半导体元件650的导通。其理由如下进行说明。[0115]由于第I布线基板600在制造时会产生微小的弯曲等，因此若使凹陷部637的厚度方向的高度与电极部652的厚度方向的高度d3相等，则在第1布线基板600的微小弯曲的影响下，会在电极部652的凹陷部637侧的顶端和与之相对的凹陷部637之间产生缝隙。换句话说，无法确保电极部652与导电接合部636之间的电连接。因此，电极部652的厚度方向的高度d3需要考虑到第1布线基板600的厚度方向的高度偏差d4，换句话说，通过满足电极部652的高度d3 >凹陷部637的高度d5，能够在向凹陷部637内配置半导体元件650时，可靠地确保电极部652与导电接合部636之间的电连接。即使在第I布线基板600产生微小的弯曲等，也允许“电极部652的高度d3 —凹陷部637的高度d5”以下的接合面的高度偏差。
[0116]此外，由于电极部652的高度d3≥凹陷部637的高度d5 +允许值d4，因此在第I布线基板600、接合层620以及半导体元件650接合前将半导体元件650配置于开口部645内时，在半导体元件650的表面653与第2接合层640之间会产生少量缝隙。但是，如已叙述那样，由于凹陷部637的容积比电极部652的体积大，因此电极部652因接合时的加热压接而熔融并全部容纳于凹陷部637内，电极部652的高度d3=凹陷部637的高度d5，从而半导体元件650的表面653与第I接合层630的第2面632紧贴。
[0117]另外，为了方便说明，在上述内容中，将导电接合部636的厚度dl以及第I接合层630的厚度d2简单表示为厚度，但由于第I接合层630、导电接合部636厚度并非完全均匀，因此有时因测量位置的不同而在厚度中产生偏差。另外，半导体元件650的电极部652不仅形成为第3实施方式所示的平面状，例如，有时也因焊锡球的载置等而形成为球状。因此，也可以如下定义dl~d3。即，导电接合部636的厚度dl表不导电接合部636的、从第I布线基板600的第I面605到导电接合部636的半导体元件650侧的面之间的距离的最大值，第I接合层630的厚度d2表示从第I布线基板600的第I面605侧的面到第I接合层630的半导体元件650侧的面之间的距离的最大值，电极部652的高度d3表示从半导体元件650的表面653起的、电极部652的层叠方向上的高度的最大值。
[0118]第2接合层640以绝缘性的无机材料为主要成分，具有:绝缘性的玻璃片840，其由通过安装半导体元件时的加热工序而发生软化的粉末玻璃构成；以及开口部645，其形成于玻璃片840并与贯通孔635连通，且该开口部645形成于与用于层叠第I布线基板600的第I面631不同的第2面632侧并用于配置半导体元件650。粉末玻璃形成为例如ZnO —B2O3 - SiO2等氧化硅、氧化锌、氧化硼、氧化铋等的混相。半导体元件650配置于开口部645时，半导体元件650的电极部652容纳于贯通孔635内，电极部652与第I布线基板600被导通。玻璃片840相当于权利要求书中的“第2绝缘层”。
[0119]如图13所示，开口部645形成为比半导体元件650的壳体651的外形大，以便在半导体元件650的侧面654与开口部645的侧壁645b之间产生几μ m~几mm左右的空隙。这样，能够顺利地向开口部645嵌合半导体兀件650。另外,相当于从开口部645的顶面645a (第I面641)到第2接合层640的第2面642之间的距离的、开口部645的层叠方向的深度H比在开口部645内配置有半导体元件650的状态下的、开口部645的顶面645a与半导体元件650的背面655之间的距离h (图12)大。
[0120]若半导体元件650配置于第2接合层640的开口部645内，则在接合层620中产生相当于开口部645的深度H和开口部645的顶面645a与半导体元件650的背面655之间的距离h之差Ah的剩余部648。第2布线基板610层叠配置于半导体元件650的背面侦U、即第2接合层640的第2面642上，在布线基板600、610、半导体元件650以及接合层620通过扩散接合所带来的加热、加压一体接合时，剩余部648因接合时的加热、压缩所导致的变形而发生变形，以便填充开口部645的侧壁645b与半导体元件650的侧面654之间的空隙。其结果，半导体元件650的侧面654的周围被第2接合层640密封，提高了布线基板600、610与半导体元件650之间的绝缘性。另外，利用剩余部648填补(填充)因布线基板600、610在制造时的弯曲而形成于第I布线基板600、第2布线基板610与接合层620之间的空隙，第I布线基板600、610与接合层620之间的接合强度提高。关于利用剩余部648填充空隙，在后述的制造方法详细说明。
[0121]若布线基板600、610、半导体元件650以及接合层620 —体地接合，则第I布线基板600与半导体元件650经由导电接合部636、电极部652而电连接，半导体元件650与第2布线基板610经由半导体兀件650的背面655的布线层659、第2布线基板610的凸块618以及布线图案619而电连接。
[0122]另外，电极部652与导电接合部636因接合时的加热变形而在凹陷部637内发生变形以填充该空间部。伴随着变形，半导体元件650向第I布线基板600侧移动，第I接合层630的第2面632 (换言之开口部645的顶面645a)与半导体元件650的表面653之间无缝隙地接合。
[0123]此外，虽然优选的是电极部652以及凹陷部637形成为电极部652的体积与凹陷部637的容积相等，但只要确保电连接，也可以是“凹陷部637的容积 > 电极部652的体积”。
[0124]C2.制造方法:
[0125]使用图14?图21对半导体功率模块1010的制造方法进行说明。图14是对第3实施方式的半导体功率模块1010的制造方法进行说明的工序图。
[0126]在步骤S500中，制作包含内层通孔601和布线图案609的布线基板600以及包含布线图案619的第2布线基板610。
[0127]在步骤S502中，制作构成接合层620的第I接合层630、第2接合层640。图15是对第I接合层630的制作进行说明的说明图。图16是对第2接合层640的制作进行说明的说明图。
[0128]制作构成第I接合层630的玻璃片830 (图15的(a))以及构成第2接合层640的玻璃片840(图16的(a))。具体而言，使用有机溶剂、水等溶剂使通过后述的扩散接合处理中的加热而发生软化的粉末玻璃和具有热分解性的有机粘结剂所形成的糊状物通过基于刮刀法的薄片注浆或挤压成型等方法而形成为片状并进行干燥，从而制作出玻璃片830、840。作为粉末玻璃，能够使用由氧化硅、氧化锌、氧化硼、氧化铅、氧化铋等形成为混相的粉末玻璃、例如ZnO-B2O3-SiO215另外，也可以在第I接合层630、第2接合层640中混合氧化铝等陶瓷粉末材料作为填充物。
[0129]如图15的(b)所示，在制作出的构成第I接合层630的玻璃片830中，在第I布线基板600的与内层通孔601对应的位置P实施激光或微型计算机冲压等机械加工而形成贯通孔635。
[0130]接下来，如图15的(C)所示，在贯通孔635内形成导电接合部636。具体而言，利用网板印刷在贯通孔635的局部填充构成导电接合部636的浆料。浆料以金属作为主要成分，例如，使用有机溶剂、水等溶剂将铝金属、氧化银、铜、纳米金属、钎料合金这样的通过后述扩散接合而熔融的金属种类和具有热分解性的有机粘结剂混匀而形成。此外，浆料的填充不限于网板印刷，例如，也可以使用利用分液器排出等方法。伴随着导电接合部636在贯通孔635内的形成而形成凹陷部137。如此，形成第I接合层630。
[0131]另外，在构成第2接合层640的玻璃片840中，如图16的(b)所示，对用于安装半导体元件650的位置实施激光或微型计算机冲压等机械加工而形成开口部645。此时，开口部645形成为比半导体元件650的壳体651的外形大，以便在半导体元件650的侧面654与开口部645的侧壁645b之间形成几μ m?几mm左右的空隙。另外，开口部645形成为，层叠方向的深度H比半导体元件650配置于开口部645内的状态下的、第2接合层640的第I面641与半导体元件650的背面655之间的距离h大。换言之，第2接合层640的厚度形成为比第2接合层640的第I面641与半导体元件650的背面655之间的距离h大。如此，形成第2接合层640。
[0132]在步骤S504中，第I布线基板600与接合层620临时粘合。图17是示出第3实施方式中的第I布线基板600与第I接合层630临时粘合的说明图。图18是示出第3实施方式中的接合层620的形成的说明图。如图17所示，以第I接合层630的导电接合部636与第I布线基板600的内层通孔601能够导通的方式使导电接合部636与内层通孔601相对，在第I接合层630的第I面631上层叠第I布线基板600(换言之，在第I布线基板600的第2面606上层叠第I接合层630)，利用第I接合层630所含有的有机粘结剂的粘合力进行临时粘合。该有机粘接剂在热处理时被分解、除去。
[0133]接着，如图18所示，将第2接合层640对位并层叠于第I接合层630的第2面632上，利用第I接合层630以及第2接合层640所含有的有机粘结剂的粘合力对第I接合层630与第2接合层640进行临时粘合，形成接合层620。玻璃片630与第2接合层640的对位包含贯通孔635与开口部645以适合半导体元件650的安装的方式对位，换言之，贯通孔635与开口部645连通、且以在向开口部645内配置半导体元件650时电极部652容纳于凹陷部637内的方式对位。
[0134]在步骤S506中，半导体元件650安装于接合层620的开口部645内。图19是示出第3实施方式中的半导体元件650的安装状态的说明图。如图19所示，通过将半导体元件650配置于开口部645内，半导体元件650的电极部652容纳于接合层620的贯通孔635内并与导电接合部636电导通。电极部652预先形成为凹陷部637的容积以下的体积。具体而言，将利用铝、氧化银、铜、锡、纳米金属、钎料合金这样的在后述的步骤S510的加热工序中熔融的金属种类形成的金属制的凸块配置在电极部652上。凸块既可以通过在所希望的位置配置形成为球状的金属并利用加热处理形成柱状形状的、焊锡球安装法形成，也可以通过针对半导体元件650的预先对应的位置，转印成为凸块的金属的方法、利用网板印刷印刷以已叙述的金属种类为主要成分的浆料的方法、利用光刻图案实施掩膜进行镀敷的方法在所希望的位置形成金属凸块。
[0135]在步骤S508中，在半导体元件650配置于开口部645内的状态下，接合层620与第2布线基板610临时粘合。图20是示出第3实施方式中的第2布线基板610与接合层620临时粘合的说明图。如图20所示，以第2布线基板610的凸块618与半导体元件650的背面655的布线层659相对的方式使接合层620与第2布线基板610对位，并利用接合层620所含有的有机粘结剂的粘合力进行临时接合。该有机粘接剂在热处理时被分解、除去。
[0136]利用扩散接合使布线基板600、610、接合层620以及半导体元件650接合，制造半导体功率模块(步骤S510)。具体而言，在层叠方向上对布线基板600、610、接合层620以及半导体元件650加压，并且加热至接合层620、导电接合部636、电极部652、凸块618进行热融合的温度。通过加压以及加热，在第I布线基板600与接合层620之间的接合面、接合层620与第2布线基板610之间的接合面产生原子扩散，布线基板600、610与接合层620接合。另外，对于半导体元件650的电极部652与导电接合部636、以及半导体元件650的背面655的布线层659与凸块618，两种材料通过加热而熔融并接合。
[0137]图21是对扩散接合时的、剩余部648填充空隙550部分进行说明的说明图。图21的(a)放大示出加热、压接前的半导体元件650的安装位置，图21的(b)是放大示出加热、压接后的半导体元件650的安装位置。
[0138]如图21的(a)所示，在半导体元件650收纳于开口部645的状态下，半导体元件650安装为，抵接于第2布线基板610的背面655位于开口部645的端部、即从第2接合层640的第2面642向开口部645内进入Ah (深度H—距离h)的位置。因此，在第2接合层640中的、除了开口部645以外的部分存在厚度为Ah的剩余部648。对厚度Ah进行限定以使剩余部648的体积为空隙550的容积以上。
[0139]如图21的(b)所示，若布线基板600、610、接合层620以及半导体元件650在扩散接合中被加热并在层叠方向上被按压，则第2布线基板610按压于半导体兀件650以及第2接合层640。此时，由于形成为比第2接合层640的基材亦即玻璃组成物的软化温度高的温度，因此第2接合层640充分具有流动性，开口部645的侧壁645b与半导体元件650之间的空隙550被第2接合层640填充。这样，由于半导体元件650的壳体651的外表面(表面653、侧面654)被绝缘性的第2接合层640覆盖，因此半导体元件650的电极部652与第2布线基板610的布线图案619之间的绝缘性提高，防止半导体元件650的沿面放电。
[0140]伴随着空隙550的填充，第2接合层640的厚度变为比接合前的厚度H略薄的Hl。伴随着第2接合层640变薄，熔融的第2布线基板610的凸块618在水平方向(与按压方向大致正交的方向)上扩张，厚度略微变薄。凸块618以此方式流动，从而能够确保第2布线基板610与第2接合层640、半导体元件650之间的接合强度。
[0141]接合层620、导电接合部636、电极部652以及凸块618进行热融合的温度例如也可以是构成导电接合部636、电极部652以及凸块618的金属的熔点以及接合层620的材料的玻璃组成物的软化点中的较高的温度。在第3实施方式中，作为导电接合部636、电极部652以及凸块618的材料，使用熔点660°C的铝，作为接合层620的材料，使用软化点为640°C的ZnO - B2O3 一 SiO2玻璃，在两种材料进行热融合的温度670°C下加热5分钟。另夕卜，在第3实施方式中，以IOOkPa左右的压力对布线基板600、610、接合层620以及半导体元件650加压。如以上所说明那样制作图12所示的第3实施方式的半导体功率模块1010。
[0142]根据以上说明的第3实施方式的电路基板1015、半导体功率模块1010、半导体功率模块1010的制造方法，接合层620的开口部645形成为开口部645的深度比开口部645的顶面645a与半导体元件650的背面655之间的距离h大。因此，在接合层620中能够产生相当于开口部645的深度H和开口部645的顶面645a与半导体元件650的背面655之间的距离h之差Ah的剩余部648。因此，在布线基板600、200与接合层620之间、接合层620的开口部645的侧壁645b与半导体元件650的侧面654之间产生有空隙550的情况下，能够利用剩余部648填补(填充)该空隙550。因此，提高了半导体元件650与布线基板600、610之间的绝缘性，更具体而言，提高了半导体元件650的电极部652与第2布线基板610的布线图案619之间的绝缘性，因此能够实现防止半导体元件650的沿面放电。另外，能够抑制因在半导体元件周围存在空隙所导致的半导体元件650的损伤。另外，在因制造时产生于布线基板600、610的弯曲而在布线基板600、610与接合层620之间产生空隙的情况下，也能够利用剩余部648填补(填充)该空隙。因此，能够提高布线基板600、610与接合层620之间的接合强度。
[0143]另外，根据第3实施方式的电路基板1015、半导体功率模块1010、半导体功率模块1010的制造方法，贯通孔635形成为具有导电接合部636的体积与半导体元件650的电极部652的体积的累计体积以上的容积，开口部645形成为深度H比半导体元件650的厚度大。因此，在向开口部645安装半导体元件650时，电极部652整体容纳到贯通孔635内，能够使半导体元件650的表面653与开口部645的顶面645a可靠地接触。因此，能够确保半导体元件650的表面653与接合层620之间的绝缘性从而抑制半导体元件650的沿面放电，并且利用接合层620填充形成于半导体元件650的侧面654与开口部645的侧壁645b之间的空隙。
[0144]另外，根据第3实施方式的电路基板1015、半导体功率模块1010、半导体功率模块1010的制造方法，开口部的内壁形成为沿着层叠方向的平面状。因此，能够通过例如冲压等简单的方法制造开口部。
[0145]D.第4实施方式:
[0146]在第4实施方式中，将用于安装半导体元件650的接合层的开口部的形状形成为随着从第I布线基板600朝向第2布线基板610而扩径的锥形状。此外，在第4实施方式中，除了接合层的开口部的形状以外，具有与第3实施方式相同的结构、功能、作用，因此使用第3实施方式的附图标记进行说明。另外，第4实施方式的半导体功率模块1020利用与第3实施方式的半导体功率模块1010相同的制造工序制造。
[0147]图22是对第4实施方式中的接合层720与半导体元件650之间的空隙部分的填充进行说明的说明图。图22的(a)放大示出加热、压接前的半导体元件650的安装位置，图22的(b)放大示出加热、压接后的半导体元件650的安装位置。接合层720由第I接合层730与第2接合层740构成。如图22所示，在第4实施方式中，接合层720的第2接合层740的开口部745形成为随着从第I布线基板600朝向第2布线基板610而扩径的锥形状。开口部745的深度H与第3实施方式的开口部645的深度H相同。
[0148]如图22的(a)所示，在半导体元件650容纳于开口部745的状态下，半导体元件650安装为，抵接于第2布线基板610的背面655位于开口部745的端部、即从第2接合层740的第2面742向开口部745内进入Ah (深度H—距离h)的位置。因此，在第2接合层740的除了开口部745以外的部分存在厚度为Ah的剩余部748。
[0149]如图22的(b)所示，若布线基板600、610、接合层720以及半导体元件650在扩散接合中被加热并在层叠方向上被按压，则第2布线基板610按压于半导体兀件650以及第2接合层740。此时，由于形成为比第2接合层740的基材亦即玻璃组成物的软化温度高的温度，因此第2接合层740充分具有流动性，开口部745的侧壁745b与半导体元件650之间的空隙560由第2接合层740填充。此外，在图22的(b)中利用虚线表示被填充之前的开口部745。这样，半导体元件650的壳体651的表面被绝缘性的第2接合层740覆盖，因此半导体元件650的电极部652与第2布线基板610的布线图案619之间的绝缘性提高，防止半导体元件650的沿面放电。
[0150]伴随着空隙560的填充，第2接合层740的厚度变为比接合前的厚度H略薄的H1’。伴随着第2接合层740变薄，熔融的第2布线基板610的凸块618在水平方向(与按压方向大致正交的方向)上扩张，厚度略微变薄。凸块618以此方式流动，从而能够确保第2布线基板610与第2接合层740、半导体元件650之间的接合强度。
[0151]根据以上说明的第4实施方式的半导体功率模块1020，开口部形成为锥形状。因此，在使接合层与布线基板接合时沿层叠方向加压，从而能够提高空隙的填充效率，能够抑制气泡的产生。
[0152]E.变形例
[0153](I)在上述实施方式中，作为构成接合层的材料，作为一例记载有由Na203、B2O3与SiCUQ成的粉末玻璃、由Bi2O3与B2O3构成的粉末玻璃，例如，也可以使用由Na203、ZnO与B2O3构成的粉末玻璃(开始进行烧结反应的温度:460°C，熔点:560°C)等各种材料。
[0154](2)在第I实施方式、第2实施方式中，第I接合层130、第2接合层140的玻璃片也可以通过将多张玻璃片层叠而形成。这样，能够更灵活地对开口部145的形状(例如，第4实施方式中的锥形状等)的尺寸进行变更等，作为接合层的制作手法尤其有效。即，通过利用多层形成，能够使第I接合层、第2接合层具有倾斜功能，能够进行更细致的控制。例如，在第3实施方式中，在贯通孔635内的一部分填充导电接合部636,以便在第I接合层630形成凹陷部637，但也可以将具有与导电接合部636的层叠方向的厚度相当的厚度的层作为第I接合层，并且将由具有与凹陷部637的厚度相当的厚度的层和第3实施方式中的第2接合层640这两层构成的层作为第2接合层。在向第3实施方式的第I接合层630的贯通孔635内填充导电接合部636而形成凹陷部637的情况下，在填充构成导电接合部636的导电性的浆料时，该浆料附着于贯通孔635的壁面或泄漏，绝缘性有可能降低。另一方面，如本变形例所示，通过使第2接合层为多层，能够抑制导电性的浆料的附着、泄漏，能够抑制绝缘性的降低。
[0155](3)在第I实施方式中，在制作第I接合层130、第2接合层140 (在贯通孔135内填充有导电接合部136的状态)之后临时粘合于第I布线基板100，但也可以例如在制作构成第I接合层130、第2接合层140的玻璃片330、340、将玻璃片330临时粘合于第I布线基板100并将玻璃片340临时粘合于玻璃片330之后，利用激光等形成开口部145、贯通孔135，将导电接合部136填充到贯通孔135内。即，包含形成贯通孔135、开口部145的接合层120的形成、接合层120与布线基板10的临时粘合的顺序可以是任意顺序。第3实施方式也相同。
[0156](4)在第3实施方式中，接合层620具有多个玻璃片层叠而构成的多层构造，但也可以是单层构造。在该情况下，例如，能够使用通过对一枚玻璃片实施激光照射、冲压等加工而形成贯通孔635、开口部645的方法。[0157](5)在第3实施方式、第4实施方式中，如第I实施方式、第2实施方式那样，第I接合层的第I接合开始温度与第2接合层的第2接合开始温度也可以不同。
[0158]本发明不限定于上述实施方式、实施方式、变形例，能够在不脱离其主旨的范围内以各种结构实现。例如，为了解决上述问题的一部分或者全部，或者为了实现上述效果的一部分或者全部，能够适当地替换、组合与记载于发明概要部分的各方式中的技术特征对应的实施方式、实施方式、变形例中的技术特征。另外，该技术特征必需作为本说明书中的必要内容进行说明，能够适当地削除。
[0159]附图标记的i兑明
[0160]10…布线基板；11...陶瓷层；12...控制电路用布线；13…主电力直通路；14...上部表面布线；15…下部表面布线；16…第I绝缘接合部；17…螺丝容纳部；17a…螺丝容纳部;18…散热层;19…螺丝;20…接合部;30…半导体兀件;31…壳体;32…电极部;34…侧面；39...电极布线层；40…绝缘基板；45...电极布线层；46...电极布线；47...第3绝缘接合部；50...散热器；51...散热器；52...壳体；53...螺孔；60...上侧夹具；61...下侧夹具；70…电路基板；80…散热基板；100…半导体模块；120…接合层；130…第I接合层；131...第I面；132…第2面；135…贯通孔；135a…侧壁；136…导电接合部；137…凹陷部;140…第2接合层；145…开口部；145a…顶面；145b…侧壁;200…低发热部件;330…玻璃片;340…玻璃片；430…玻璃片;500…空隙;510…空隙;550…空隙;560…空隙;600…布线基板；601…内层通孔；605…第I面；606…第2面；609…布线图案；610…第2布线基板；615…第I面；616…第2面；618…凸块；619…布线图案；620…接合层；630…第I接合层；631...第I面；632…第2面；635…贯通孔;635a…侧壁;636…导电接合部；637…凹陷部;640…第2接合层；641…第I面；642…第2面；645…开口部；645a…顶面；645b…侧壁；648…剩余部；650…半导体兀件；651…壳体；652…电极部；653…表面；654…侧面；655…背面；659…电极布线层；720…接合层;730…第I接合层;740…第2接合层;742…第2面；745…开口部；745b…侧壁；748…剩余部；830…玻璃片；840…玻璃片；1010…半导体功率模块；1015…电路基板；1020…半导体功率模块。
【权利要求】
1.一种半导体模块，具备: 布线基板，其形成有通路以及布线图案； 半导体元件，其配置于上述布线基板的第I面侧；以及 接合部，其配置于上述布线基板的上述第I面上，并使上述半导体元件与上述布线基板接合，该接合部由配置于上述布线基板侧的第I接合层和配置于上述半导体元件侧的第2接合层构成； 上述第I接合层具备: 第I绝缘层，其以无机材料为主要成分； 至少一个贯通孔，其形成于上述第I绝缘层的、与上述通路对应的部位；以及导电接合部，其配置于上述贯通孔内，用于使上述布线基板与形成于上述半导体元件的电极部导通； 该第I接合层具有开始与上述布线基板接合的温度亦即第I接合开始温度， 上述第2接合层具备: 第2绝缘层，其以无机材料为主要成分；以及 开口部，其与上述贯通孔连通且用于配置上述半导体元件； 该第2接合层具有第2接合开始温度，该第2接合开始温度是该第2接合层开始与上述半导体元件接合的温度，且不同于上述第I接合开始温度。
2.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于， 上述第I接合开始温度比上述第2接合开始温度低。
3.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于， 上述第I接合开始温度比上述第2接合开始温度高。
4.一种电路基板，其具备: 布线基板，其形成有通路以及布线图案；以及 接合部，其配置于上述布线基板的上述第I面上，且使半导体元件与上述布线基板接合，该接合部由配置于上述布线基板侧的第I接合层和配置于上述半导体元件侧的第2接合层构成； 上述第I接合层具备: 第I绝缘层，其以无机材料为主要成分； 至少一个贯通孔，其形成于上述第I绝缘层的、与上述通路对应的部位；以及导电接合部，其配置于上述贯通孔内，用于使上述布线基板与形成于上述半导体元件的电极部导通， 该第I接合层具有开始与上述布线基板接合的温度亦即第I接合开始温度； 上述第2接合层具备: 第2绝缘层，其以无机材料为主要成分；以及 开口部，其与上述贯通孔连通且用于配置上述半导体元件； 该第2接合层具有第2接合开始温度，该第2接合开始温度是该第2接合层开始与上述半导体元件接合的温度，且不同于上述第I接合开始温度。
5.根据权利要求4所述的电路基板，其特征在于， 上述第I接合开始温度比上述第2接合开始温度低。
6.根据权利要求4所述的电路基板，其特征在于， 上述第I接合开始温度比上述第2接合开始温度高。
7.根据权利要求4所述的电路基板，其特征在于， 在上述半导体元件配置于上述开口部内时，上述开口部的深度比上述开口部的顶面与上述半导体元件的底面之间的距离大。
8.根据权利要求7所述的电路基板，其特征在于， 上述贯通孔形成为具有上述导电接合部的体积与上述半导体元件的上述电极部的体积的累计体积以上的容积， 上述开口部的深度比上述半导体元件的壳体的厚度大。
9.根据权利要求7所述的电路基板，其特征在于， 与上述开口部的深度和上述开口部的顶面与上述半导体元件的底面之间的距离之差对应的上述接合部的剩余部分的体积为形成于上述半导体元件与上述开口部之间的空隙的容积以上。
10.根据权利要求7所述的电路基板，其特征在于， 上述开口部形成为锥状。
11.根据权利要求7所述的电路基板，其特征在于， 上述开口部的内壁形成`为沿着上述层叠方向的平面状。
【文档编号】H01L23/12GK103782379SQ201280043286
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年9月6日 优先权日:2011年9月9日
【发明者】高山泰史 申请人:日本特殊陶业株式会社