(57)【要約】【課題】乗用車やトラック等に搭載されるパワー半導体装置は、エポキシ樹脂、シリカやアルミナ、フェライト複合体等の無機充填材からなる封止材により封止されているが、近年半導体装置の発熱が増加し、封止材が２５０℃の連続加熱または−５０℃〜２５０℃の熱衝撃により半導体素子と封止材、および半導体素子が実装されているパッケージ内壁と封止材が剥離および封止するための封止材の厚みが１ｍｍ以上でもクラックが生じないガラスフリット複合材料およびそれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、前記課題を解決すべくなされたものであり無機材料で耐熱性、絶縁性に優れた鉛を含有しないガラスフリット１〜３０ｗｔ％、コージライト３０〜９０ｗｔ％、熱硬化性のシリコーン３〜４０ｗｔ％、１〜１０００ｐｐｍのアルカリ金属を含むシリカ１〜２０ｗｔ％を含有する事を特徴とするガラスフリット複合材料。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも熱硬化性のシリコーン３〜４０ｗｔ％と少なくとも１〜１０００ｐｐｍのアルカリ金属を含むシリカ１〜２０ｗｔ％と鉛を含有しないガラスフリット１〜３０ｗｔ％とコージライト３０〜９０ｗｔ％を含有する事を特徴とするガラスフリット複合材料
【請求項２】
前記熱硬化性のシリコーンはポリエステルシリコーンである事を特徴とする請求項１記載のガラスフリット複合材料
【請求項３】
前記ガラスフリットは少なくともＢｉ２Ｏ３とＳｎＯ２を含むＢｉ２Ｏ３系のフリットである事を特徴とする請求項１記載のガラスフリット複合材料
【請求項４】
半導体素子の少なくとも一部が、請求項１から３記載のガラスフリット複合材料により被覆または封止されていることを特徴とする封止型半導体装置
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、新規なガラスフリット複合材料およびそれを用いた封止型半導体装置に関し、特には、封止材料により被覆または封止を行う乗用車やトラック等に搭載される封止型パワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  乗用車やトラック等に搭載されるパワー半導体装置は、パワー半導体素子がパッケージ内に被覆あるいは封止され、信頼性保証のためには２５０℃の高温での耐熱性と、−５０℃〜２００℃に対して半導体装置が正常に作用するようにパッケージ内壁と封止材や半導体素子と封止材が剥離したり、封止材にクラックが入らないことが要求される。【０００３】  この半導体素子の被覆あるいは封止材料として、エポキシ樹脂、シリカやアルミナやフェライト複合体等の無機充填剤からなるエポキシ樹脂複合材料による封止材が、特開２００８−２７０４５５公報、特開２００１−１０４０３２、に報告されている。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】しかしながら、特開２００８−２７０４５５公報、特開２００１−１０４０３２によるエポキシ樹脂を含む封止材料は、信頼性の保証のための２５０℃以上の高温では、エポキシ樹脂が変質したり、−５０℃〜２００℃の熱サイクルの際に封止材料と半導体素子の熱膨張係数差や高温化と低温化での封止材の弾性率の差により封止材にクラックが生じたり、剥離したりすることがある。
【０００５】したがって、本発明の目的は、２５０℃以上の耐熱性と絶縁性を保持し、−５０℃〜２００℃の熱サイクルでも、半導体素子と封止材、および半導体素子が実装されているパッケージ内壁と封止材が剥離したり、封止するために封止材が１ｍｍ以上の厚さの場合でもクラックが生じないガラスフリット複合材料およびそれを用いた半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】本発明は、
▲１▼少なとも熱硬化性のシリコーン３〜４０ｗｔ％と少なくとも１〜１０００ｐｐｍのアルカリ金属を含むシリカ１〜２０ｗｔ％と鉛を含有しないガラスフリット１〜３０ｗｔ％とコージライト３０〜９０ｗｔ％を含有する事を特徴とするガラスフリット複合材料、
▲２▼前記熱硬化性のシリコーンはポリエステルシリコーンである事を特徴とする▲１▼記載のガラスフリット複合材料、
▲３▼前記ガラスフリットは少なくともＢｉ２Ｏ３とＳｎＯ２を含むＢｉ２Ｏ３系のフリットである事を特徴とする▲１▼記載のガラスフリット複合材料、
▲４▼半導体素子の少なくとも一部が、▲１▼から▲３▼記載のガラスフリット複合材料により被覆または封止されていることを特徴とする封止型半導体装置
である。
【発明の効果】
【０００７】本発明のガラスフリット複合材料は、無機材料で耐熱性・絶縁性に優れるガラスフリットとコージライトと弾性な熱硬化性のポリエステルシリコーンとシリコーンと付加反応を起こすアルカリ金属を含むシリカを含有するガラスフリット複合材料により、２５０℃以上の耐熱性と絶縁性を保持し、−５０℃〜２００℃の熱サイクルでも、クラックが生じる事はなく、熱衝撃に優れている。また本発明のガラスフリット複合材料により被覆または封止した半導体装置は、５０℃以上の耐熱性と絶縁性を保持し、−５０℃〜２００℃の熱サイクルでも半導体素子と封止材、あるいは半導体素子が実装されているパッケージ内壁と封止材も剥離したり、封止材を１ｍｍ以上の厚さで封止した場合でも封止材にクラックが生じる事はないため、信頼性に優れる。
かつ、鉛を含まないので環境にやさしく、作業者の健康面においても好ましい。
【発明を実施するための形態】
【０００８】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明におけるガラスフリット複合材料は、熱硬化性のシリコーン３〜４０ｗｔ％と少なくとも１〜１０００ｐｐｍのアルカリ金属を含むシリカ１〜２０ｗｔ％と鉛を含有しないガラスフリット１〜３０ｗｔ％とコージライト３０〜９０ｗｔ％を均一に混ぜ合わせることにより作製出来る。
本発明は、上記熱硬化性のシリコーンとしてポリエステルシリコーン、上記Ｐｂを含有しないガラスフリットとして少なくともＢｉ２Ｏ３とＳｎＯ２を含むＢｉ２Ｏ３系のフリットが好ましい。
なお、上記、Ｂｉ２Ｏ３系ガラスフリットは、軟化点を下げる目的で、適宜アルカリ金属酸化物として、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、アルカリ土類金属酸化物として、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＢｅＯを添加しても良い。
上記シリカはアルカリ金属を１〜１０００ｐｐｍあれば良いが、１０〜１００ｐｐｍの範囲の方が好ましい。
【０００９】また、本発明は、上記ガラスフリット複合材料を、溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、キシレン、アルコール系、グリコールエーテル系、などの有機溶剤に混ぜ合わせて液状にすることで、扱いやすくできる。上記溶媒としての有機溶剤は、適宜選択可能だが、ポリエステルシリコーンが溶解しやすいＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）が好ましい。
【００１０】本発明のガラスフリット複合材料は、例えば、以下のようにして使用する。
（第一の工程）平均粒径２００μｍ以下のシリカ１０ｇにＮａＯＨ０．０１ｍｇを加える。
（第二の工程）次に平均粒径２００μｍ以下熱硬化性シリコーン１０ｇ、平均粒径２００μｍ以下Ｂｉ２Ｏ３系のフリット１０ｇ、平均粒径２００μｍ以下コージライト７０ｇをそれぞれ加え、混ぜ合わせる。
（第三の工程）（第二の工程）で混ぜ合わせた粉体を２２０℃で１０分間、攪拌しながら熱処理し、ペースト状にする。
（第四の工程）熱処理後、さらに８０℃で１２時間、熱処理し、ペースト状のガラスフリット複合材料にする。
（第五の工程）熱処理後、室温まで冷却してガラスフリット複合材料を作製する。
（第六の工程）作製したガラスフリット複合材料を再度８０℃まで加熱し、ペースト状にした後、予め実装されたパワー半導体素子に塗布した後、２１０℃３０分熱処理し、室温まで冷却し、ガラスフリット複合材料を硬化させて封止する。
【００１１】本発明は、上記（第二の工程）で混ぜ合わせた粉体に、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）１００ｇを加えて攪拌するとより均一に混合出来るため、好ましい。その後は、（第三の工程）以降の工程を同様に行い封止する。
また、（第四の工程）の後に（第六の工程）を行っても構わない。
また、（第四の工程）の際に攪拌するとさらに均一に混合出来るので好ましい。
【００１２】（第一の工程）と（第二の工程）の際の粒径は数ミリ程度でもそれぞれが混ざり合えば構わないが、平均粒径２００μｍ以下、より好ましくは、１０μｍ以下が好ましい。それぞれの比率は、半導体素子の各材料、配線材料、パッケージの材質と内壁の材質等に合わせて適宜設定する。
【００１３】（第一の工程）は、シリカに不純物としてアルカリ金属が１〜１０００ｐｐｍ含んでいる場合は行う必要はなく、（第二の工程）から行ってもよい。
【００１４】（第三の工程）の熱処理は、使用した熱硬化性シリコーンが溶融し、熱硬化性シリコーンとアルカリ金属を含有したシリカが付加反応する温度以上で完全に硬化する温度以下、時間は完全に硬化する以内で、使用する材料の比率に合わせ適宜設定する。１８０℃〜２５０℃、３０秒〜１２０分が好ましく、より好ましくは２００℃〜２３０℃、３分〜１０分の範囲で使用する材料の比率に合わせ適宜設定する。
【００１５】（第四の工程）の熱処理は、シリコーンとアルカリ金属を含有したシリカが反応・重合の促進と、その際に発生するガス・水の脱ガスや、ＮＭＰ等の溶媒を用いた場合はＮＭＰ等の溶媒が蒸発する際に発生するガス・水が脱ガス出来る温度以上で、使用した熱硬化性シリコーンが硬化しない温度以下であればよく、５０℃〜１８０℃、１時間〜２４時間が好ましい。脱ガスが不十分でガスが気泡として内在した状態で硬化・封止すると、熱サイクル試験の際、内在した気泡からクラックが生じるので、出来るだけ十分脱ガスするのが好ましいので、８０℃〜１００℃、で使用する材料の比率に合わせ適宜設定が、４時間以上行うのがより好ましい。
【００１６】（第六の工程）の熱処理は、熱硬化性シリコーンが硬化する温度以上で、半導体素子、半導体装置の耐熱温度以下で適宜設定するが、１８０℃〜３００℃以下が好ましく、２００℃〜２５０℃の温度範囲がより好ましい。
【実施例】
【００１７】以下、好ましい実施例を挙げて本発明を更に詳述するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の目的が達成される範囲内での各要素の置換や設計変更、工程順の変更がなされたものをも包含する。
【実施例１】
【００１８】（第二の工程）アルカリ金属を不純物として１０ｐｐｍ含まれている平均粒径２μｍ以下のシリカ７ｇに、平均粒径２μｍ以下の熱硬化性シリコーンであるポリエステルシリコーン１０ｇ、平均粒径１０μｍ以下のＢｉ２Ｏ３系のフリット９ｇ、平均粒径１０μｍ以下のコージライト７４ｇをそれぞれ加え、攪拌する。
（第三の工程）（第二の工程）で混ぜ合わせた粉体を２２０℃まで加熱し、２２０℃で５分間、攪拌しながら熱処理し、ペースト状にする。
（第四の工程）熱処理後、さらに８０℃で１２時間、熱処理し、ペースト状のガラスフリット複合材料にする。
（第五の工程）熱処理後、室温まで冷却した。
以上より、本発明の第一のガラスフリット複合材料を作製した。
【実施例２】
【００１９】実施例１の（第二の工程）のあとの混合した粉体１００ｇに、Ｎ−メチル−２ピロリドン（ＮＭＰ）１００ｇを加え、液状にした以外は、実施例１と同様にして、本発明、第二のガラスフリット複合材料を作製した。
【実施例３】
【００２０】  本発明の半導体装置を図１に示す。実装基板１に半導体素子２が実装され、ガラスフリット複合材料３により封止されている半導体装置４をそれぞれ示す。
以下のそうの製造方法を説明する。
まず、実施例２の（第四の工程）の工程まで行い、ペースト状のガラスフリット複合材料を作製する。
その後、（第六の工程）の工程として、予め実装基板１に実装された半導体素子２を８０℃に加熱し、半導体素子２上に、ガラスフリット複合材料３を約２ｍｍの高さに塗布し、半導体素子２の全体を覆い、その後、２１０℃で３０分熱処理し、室温まで冷却し、ペースト状のガラスフリット複合材料３を硬化し、封止して、本発明の半導体装置４を作製する。
【実施例４】
【００２１】  本発明の半導体装置４１を図２に示す。パッケージ５２に複数の半導体素子２１を複数の半導体素子を実施例２のガラスフリット複合材料３１を用いて、予め個々のパッケージ６１に実装した半導体素子２１を封止した実施例を図２に示す。
まず、実施例２の（第四の工程）の工程まで行い、ペースト状のガラスフリット複合材料３１を作製する。
その後、（第六の工程）の工程としての個々のパッケージ５１にそれぞれをあらかじめ実装された半導体素子２１を８０℃に加熱し、それぞれの半導体素子２１上に、ガラスフリット複合材料３１を約５ｍｍの高さに塗布し、それぞれの半導体素子２１の全体を覆い、その後、２１０℃で３０分熱処理し、室温まで冷却し、ペースト状のガラスフリット複合材料３１を硬化し、封止し、本発明の半導体装置４１を作製する。【００２２】耐熱試験
実施例３，４、ポリイミド樹脂厚さ２ｍｍを比較例１、熱可塑性のシリコーン厚さ２ｍｍを比較例２の封止材を使用して作製した半導気装置を、２５０℃で１００時間大気雰囲気化で熱処理し、封止材の変色をチェックした。その結果、本発明のガラスフリット複合材料は変色も絶縁性も確認されなかった。比較例１、２は、封止材が絶縁性不良で導通が確認され、変色していた。
本発明のガラスフリット複合材料は高温条件下でも優れた耐熱性が保持されていることが確認できた。【００２３】熱サイクル試験
実施例３，４、ポリイミド樹脂を比較例１、熱可塑性のシリコーンを比較例２の封止材を使用して作製した半導気装置を、−５０℃〜２００℃の熱サイクル試験を１，０００回繰り返し行った。その結果、本発明のガラスフリット複合材料を用いた実施例３，４の半導体装置は、封止材が２ｍｍ、５ｍｍの厚さがあっても、半導体素子と封止材、および半導体素子が実装されているパッケージ内壁と封止材が剥離したり、クラックが生じなていなかった。また、その後の半導体素子の特性も問題なかった。一方、比較例１，２はともにパッケージ内壁と封止材が剥離し、封止材にもクラックが生じており、半導体装置の特性も絶縁不良を起こし、駆動できなかった。
本発明のガラスフリット複合材料は低温・高温が繰り返さる厳しい熱環境化での熱酎性に優れ、半導体装置の特性を保持できることが確認できた。【００２４】  上記評価結果を表１に示す。
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００２５】本発明のガラスフリット複合材料およびそれを用いた封止型半導体装置は、耐熱性と絶縁性を保持し、低温、高温が繰り返される厳しい熱環境化での耐性に優れるだけでなく、塗布の作業性に優れ、環境に優しく取り扱いが容易であり、広範な用途の被覆・封止に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】半導体装置の断面図である。
【図２】（ａ）（ｃ）は、半導体装置の断面図、（ｂ）（ｄ）は、半導体装置の上面図である。
【符号の説明】
【００２７】１：実装基板に実装され、により封止されてが
２、２１：半導体素子
３、３１：ガラスフリット複合材料
４、４１：半導体装置
５１、５２：パッケージ
【図１】
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【図２】
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