(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材上に設けられた錫系金属膜の表面に、前記錫系金属とは異なる金属粒子を接触させる工程と、
前記金属粒子を接触させた前記錫系金属膜を、前記錫系金属の融点まで加熱し、前記金属粒子によるアンカー部を備える表面を形成する工程と、
前記表面に樹脂を塗布し、加熱硬化する工程と
を含み、
前記金属粒子によるアンカー部を備える表面が、前記錫系金属膜と、錫系金属により少なくとも一部が被覆された前記金属粒子とで形成される凹凸を備える表面である、錫系金属膜上に樹脂層を製造する方法。
【請求項２】
前記金属粒子の平均粒径が前記錫系金属膜の厚みより小さく、前記金属粒子の比重が前記錫系金属の比重よりも小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記金属粒子の平均粒径が前記錫系金属膜の厚みより大きく、前記金属粒子の比重が、前記錫系金属の比重より小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記金属粒子が、アルミニウム、チタン、またはこれらを主成分とする合金から選択される一以上である、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記金属粒子の平均粒径が前記錫系金属膜の厚みより大きく、前記金属粒子の比重が、前記錫系金属の比重より大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記金属粒子が、銅、ニッケル、またはこれらを主成分とする合金から選択される一以上である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記金属粒子の表面張力が、前記錫系金属の表面張力よりも大きい、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記金属粒子の表面張力が、前記錫系金属の表面張力よりも小さい、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記金属粒子が、前記母材と同じ金属からなる、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂である、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の方法により製造された、錫系金属膜上に樹脂層を備える構造体。
【請求項１２】
母材上に設けられた錫系金属膜の表面に、前記錫系金属とは異なる金属粒子を接触させる工程と、
前記金属粒子を接触させた前記錫系金属膜を、前記錫系金属の融点まで加熱し、前記金属粒子によるアンカー部を備える表面を形成する工程と、
前記表面に樹脂を塗布し、加熱硬化する工程と
を含み、
前記金属粒子によるアンカー部を備える表面が、前記錫系金属膜と、錫系金属により少なくとも一部が被覆された前記金属粒子とで形成される凹凸を備える表面である、錫系金属膜上への樹脂の密着方法。
【請求項１３】
半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に接合された絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面に接合された外部回路との接続用プリント基板と、外部接続端子とを含む部材を、樹脂封止材で封止してなる半導体装置であって、
前記プリント基板及び／または前記外部接続端子が、母材上に設けられた錫めっき膜表面にアンカー部が形成された部材であって、
該アンカー部が形成された部材が、前記錫めっき膜と、錫により少なくとも一部が被覆された金属粒子とで形成される凹凸を備える部材であり、前記金属粒子が、銅、ニッケル、アルミニウム、チタンから選択される１以上の金属粒子であり、
前記アンカー部が、前記樹脂封止材と接触している、半導体装置。
【請求項１４】
前記金属粒子及び前記母材が銅である、請求項１３に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記半導体素子が、ＳｉＣ半導体素子である、請求項１３または１４に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、錫系金属膜上に樹脂層を製造する方法に関する。本発明は、特には、錫系金属膜上に、密着性の高い樹脂層を製造するに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大容量、高電圧環境下でも動作可能なＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）などのパワーモジュールが、民生用機器や産業用機器に広範に使用されている。これらの半導体素子を用いる各種のモジュール（以下、「半導体モジュール」という）では、金属と樹脂が密着する部分が多い。ＳｉあるいはＳｉＣ半導体チップや基板、配線表面等には、例えば銅やニッケル、アルミニウム、錫などの金属種が用いられている。これらの金属と樹脂の密着向上は、耐圧特性を満足するために重要となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、金属種によって樹脂との密着性が十分でないものがある。錫や錫を主成分とする金属材料は、通常、母材表面にめっき膜として形成される。以下、本明細書において、錫や錫を主成分とする金属を、錫系金属と指称する。錫系金属材料膜と樹脂の密着性は、銅やニッケルに比べ、１／３〜１／５程度の密着強度しかない。これを改善するために、錫系金属の表面を粗らすことによって、樹脂の密着性を向上させることが可能である。しかし、錫の融点が２３２℃であるため、熱硬化性樹脂を塗布してから、その樹脂の硬化温度（例えば２００℃）に上げると、錫系金属材料の軟化によって、表面粗さが低減し、樹脂とのアンカー効果が低減してしまうという問題がある。
【０００４】
金属部材と樹脂との密着性が不十分であると、耐圧の低い半導体モジュールの場合には密着性の低い箇所でも問題にならなかったことが、耐圧を高くしていくと密着性の低い箇所で起こった剥離によって絶縁破壊が生じやすくなり、耐圧の低下を招くことが予測される。そのため、錫系金属材料と樹脂の密着性の向上が課題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、一実施形態によれば、錫系金属膜上に樹脂層を製造する方法であって、母材上に設けられた錫系金属膜の表面に、前記錫系金属とは異なる金属粒子を接触させる工程と、前記金属粒子を接触させた前記錫系金属膜を、前記錫系金属の融点まで加熱し、前記金属粒子によるアンカーを備える表面を形成する工程と、前記表面に樹脂を塗布し、加熱硬化する工程とを含む。
【０００６】
前記方法において、前記金属粒子の平均粒径が前記錫系金属膜の厚みより小さく、前記金属粒子の比重が前記錫系金属の比重よりも小さいことが好ましい。この場合、前記金属粒子が、アルミニウム、チタン、またはこれらを主成分とする合金から選択される一以上であることが好ましい。
【０００７】
あるいは、用途に応じて、前記金属粒子の平均粒径が前記錫系金属膜の厚みより大きく、前記金属粒子の比重が、前記錫系金属の比重より小さいことが好ましい。この場合、例えば、前記金属粒子が、アルミニウム、チタン、またはこれらを主成分とする合金から選択される一以上であってもよい。
【０００８】
あるいは、前記方法において、前記金属粒子の平均粒径が前記錫系金属膜の厚みより大きく、前記金属粒子の比重が、前記錫系金属の比重より大きいことが好ましい。この場合、前記金属粒子が、銅、ニッケル、またはこれらを主成分とする合金から選択される一以上であることが好ましい。
【０００９】
前記方法において、前記金属粒子の表面張力が、前記錫系金属の表面張力よりも大きいことが好ましい。あるいは、用途に応じて、前記金属粒子の表面張力が、前記錫系金属の表面張力よりも小さいことが好ましい。
【００１０】
また、前記金属粒子が、前記母材と同じ金属からなることが好ましい。
この場合、前記金属粒子が、銅、もしくはニッケル、またはこれらを主成分とする合金であることが好ましい。
【００１１】
前記方法において、前記熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂であることが好ましい。
【００１２】
本発明は、別の実施形態によれば、上述のいずれかに記載の方法により製造された、錫系金属膜上に樹脂層を備える構造体である。
【００１３】
本発明は、別の局面によれば、錫系金属膜上への樹脂の密着方法であって、母材上に設けられた錫系金属膜の表面に、前記錫系金属とは異なる金属粒子を接触させる工程と、前記金属粒子を接触させた前記錫系金属膜を、前記錫系金属の融点まで加熱し、前記金属粒子によるアンカーを備える表面を形成する工程と、前記表面に樹脂を塗布し、加熱硬化する工程とを含む。
【００１４】
本発明は、別の実施形態によれば、半導体装置であって、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に接合された絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面に接合された外部回路との接続用プリント基板とを含む部材を、樹脂封止材で封止してなり、前記半導体装置を構成するプリント基板及び／または外部接続端子が、母材上に設けられた錫めっき膜表面にアンカーが形成された部材であって、該アンカーが、錫めっき膜の表面に、銅、ニッケル、アルミニウム、チタンから選択される１以上の金属粒子を接触させる工程と、前記錫めっき膜に前記金属粒子を接触させた部材を、錫の融点より高い温度まで加熱し、前記金属粒子の少なくとも一部を前記錫で被覆する工程とにより形成され、前記アンカーが、前記樹脂封止材と接触している。
前記半導体装置において、前記金属粒子及び前記母材が銅であることが好ましい。
また、前記半導体素子が、ＳｉＣ半導体素子であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の方法によれば、錫系金属膜に対して密着させた樹脂層を製造することができる。本発明の方法では、熱硬化性樹脂の硬化温度まで加熱して、それによって錫が軟化しても、融点の高い金属粒子は特に軟化することなくそのまま残るので、凹凸が維持され、アンカー効果を持続させることが可能となる。硬化温度の高いエポキシ樹脂やポリイミド樹脂に対して特に効果が大きい。この方法では、錫系材料に熱硬化性樹脂を塗布する分野全般に適用することができるが、錫系材料が適用されているパワー半導体モジュールの封止樹脂との密着性向上にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態による方法を模式的に説明する概念図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態の変形形態による方法を模式的に説明する概念図である。
【図３】図３は、本発明の第２実施形態による方法を模式的に説明する概念図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態の変形形態による方法を模式的に説明する概念図である。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態の他の変形形態による方法を模式的に説明する概念図である。
【図６】図６は、錫系金属膜が表面張力により母材上に存在しなくなる場合を模式的に説明する概念図である。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態による半導体装置を模式的に説明する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。
【００１８】
［第１実施形態：金属粒子径よりも大きい厚みの錫系金属膜上における樹脂層製造］
本発明は、第１実施形態によれば、錫系金属膜上に樹脂層を製造する方法であって、母材上に設けられた錫系金属膜の表面に、前記錫系金属とは異なる金属粒子を接触させる第１工程と、前記金属粒子を接触させた前記錫系金属膜を、前記錫系金属の融点より高い温度まで加熱し、前記金属粒子によるアンカーを備える表面を形成する第２工程と、前記表面に熱硬化性樹脂を塗布し、加熱硬化する第３工程とを含む。
【００１９】
錫系金属膜上に樹脂層を製造する方法とは、少なくとも一部が錫系金属から構成される膜に接して、熱硬化性樹脂からなる層を形成する方法をいうものとする。少なくとも一部が錫系金属から構成される膜とは、主として錫系金属で構成される膜であって、他の金属種が例えばアンカーとして存在してもよい膜をいうものとする。熱硬化性樹脂からなる層は、熱硬化性樹脂が少なくとも連続的に設けられて特定の成形体となっていればよく、その厚みや形状は限定されるものではない。したがって、特定の部材の周辺を覆う封止材のような態様も、樹脂層と指称するものとする。第１実施形態においては、金属粒子の粒径が、錫系金属膜の厚みよりも小さく、かつ、金属粒子の比重が、錫系金属の比重よりも小さいことを特徴とする。
【００２０】
第１工程においては、母材上に設けられた錫系金属膜の表面に、前記錫系金属とは異なる金属粒子を接触させる。
【００２１】
ここで、錫系金属とは、錫、もしくは錫を主成分とする合金であって、例えば、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合金などが含まれる。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓ合金、およびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｇｅ合金などが挙げられるが、これらには限定されない。
【００２２】
母材とは、錫系金属膜が付される材料であって、一般的には金属であり、あるいは半導体基板を構成するシリコンなどであってもよい。一例として、銅、ニッケル、アルミニウム、チタン、それらの２以上から構成される合金、あるいは、それらとそのほかの金属から構成される合金が挙げられるが、これらに限定されるものではない。母材の形状は、特定の形状に限定されず、例えば、板状、立方体状、直方体状、棒状、球状が挙げられる。また、その寸法についても特に限定されるものではない。
【００２３】
母材上に設けられた錫系金属膜の厚みについても、特に限定されない。一般的な錫めっき膜の場合、例えば、１〜５０μｍ、好ましくは、１〜１０μｍの範囲で、適宜選択することができるが、これらの範囲には限定されない。
【００２４】
本発明において、母材上に設けられた錫系金属膜の表面とは、錫系金属膜の少なくとも一部の表面であって、後に詳述する樹脂を付着させる対象面をいうものとする。したがって、母材上の錫系金属膜の表面全体である場合もあり、錫系金属膜の表面の一部の場合もある。また、錫や錫系材料が、複数の面から構成されている場合には、ある一面のみ、あるいは、２以上の所望の面であってもよい。
【００２５】
錫系金属とは異なる金属粒子は、第１実施形態においては、錫系金属よりも融点が高く、錫系金属より比重が小さい金属からなる粒子をいう。図１に示す実施形態においては、金属粒子は、前述の融点、比重の条件を備え、好ましくは、錫系金属よりも表面張力の大きい金属からなる。例えば、アルミニウム粒子、チタン粒子、これらの合金からなる金属粒子、あるいは、アルミニウムまたはチタンを主成分とし、それ以外の金属を含む合金からなる金属粒子であってよい。錫の表面張力５４４ｍＮ／ｍに対して、アルミニウム、チタンの表面張力はそれぞれ９１４ｍＮ／ｍ、１６５０ｍＮ／ｍである。
【００２６】
金属粒子の形状としては、球状、針状などの他に、不定形のものであっても良い。特に不定形の方が後述するアンカー効果を得やすく、有利になる場合がある。一方、溶融した錫系金属による被覆のしやすさ、回り込みやすさの観点からは、球状が好ましく、性能と用途に合わせて形状を適宜選択すれば良い。
【００２７】
金属粒子の平均粒径は、前述の、錫系金属膜の厚みとの関係で決定され、本実施形態においては、金属粒子の平均粒径は、錫系金属膜の厚み以下である。また、金属粒子の平均粒径は、所望の表面粗さの２倍より大きくなるように決定することが好ましい。所望の粗さとは、金属粒子によりアンカーとなる凹凸が形成された表面において、金属粒子が錫系材料膜から突出する高さ、すなわち、錫系材料膜の母材表面に略平行に形成される面と、錫系材料膜で被覆されたもしくは被覆されずに露出している金属粒子の頂部との距離をいう。例えば、図１（ｂ）におけるＲ１で表される長さをいう。所望の粗さは、例えば、５μｍ以下であり、特には、半導体モジュールにおいては、１μｍ以下であることが好ましいが、特定の値には限定されない。
【００２８】
例えば、一般的な半導体装置部材において、母材上に設けられる錫めっき膜の膜厚１μｍ〜１０μｍとの関係では、金属粒子の平均粒径は、１〜１０μｍ程度の範囲であればよいが、この範囲には限定されず、所望のアンカー機能や用途に合わせて、当業者が適宜選択することができる。ここでいう平均粒径は、ＢＥＴ法により測定したものである。なお、金属粒子の形状が針状あるいは不定形の場合には、平均粒径とは、平均長径をいうものとする。平均長径とは、例えば細長い針状粒子では長手方向の粒子の長さのことであり、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定して得られた値をいうものとする。このような金属粒子は、所定の平均粒径を有する市販品をそのまま使用してもよいし、上記平均粒径よりも大きな粒径を有する粒子をビーズミル等で粉砕して、所望の粒径としてもよい。
【００２９】
第１の工程では、錫系金属の表面に金属粒子を接触させる。接触させる方法は任意の方法であってよく、特には限定されない。一例として、溶剤に金属粒子を分散させて、流動性を向上させ、溶剤とともに、金属粒子を錫系金属の表面に付着させる方法が挙げられる。具体的には、例えば、ビーカーに溶剤と金属粒子を入れ、スターラー等で攪拌する。溶剤としては、例えば、エタノール、アセトンなどの、金属と反応性の低い、汎用の有機溶媒が挙げられるが、これらには限定されない。錫系金属の表面の面積が小さい場合には、例えば、スポイト等を用いて、所望の表面に、溶剤に分散させた金属粒子を塗布する方法が挙げられる。半導体モジュールの製造においては、スポイト等を用いる方法が好ましく使用される。錫系金属の表面の面積が比較的大きい場合は、溶剤に分散させた金属粒子を噴霧により、錫系金属の表面に付着させる方法や、錫系金属膜が形成された部材全体を、スターラー等で攪拌している溶液中に、直接浸漬することにより、付着させる方法が挙げられる。
【００３０】
このとき、錫系金属の所定の表面に付着させる金属粒子の量は、金属粒子の粒径や種類、所望のアンカー効果にもよるが、例えば、粒径が１μｍの場合では、５×１０３〜５×１０５個／ｍｍ２とすることができ、５×１０４〜３×１０５個／ｍｍ２とすることが好ましい。粒径が１０μｍの場合では５０〜５×１０３個／ｍｍ２とすることができ、５００〜３×１０３個／ｍｍ２とすることが好ましい。しかし、これに限定されるものではない。表面に付着させる金属粒子の量は、分散させる溶媒中の金属粒子濃度によって、適宜、調節することができる。
【００３１】
図１は、第１実施形態による方法を模式的に説明する概念図であり、図１（ａ）は、第１工程により得られる母材２上に設けられた錫系金属膜１の表面に、金属粒子３を接触させ、付着させた状態を示す概念的な断面図である。
【００３２】
第２工程は、前記金属粒子を接触させた前記錫系金属膜を、前記錫系金属の融点より高い温度まで加熱し、前記金属粒子によるアンカーを備える表面を形成する工程である。ここで、金属粒子によるアンカーを備える表面とは、金属粒子の存在に起因して生じる、凹凸を備える表面であって、金属粒子の表面の一部あるいは全体が錫系金属で被覆されている場合もあるし、金属粒子が露出して凸部を構成している場合もある。ここで、図１に示す実施形態においては、図１（ｂ）に示されるように、金属粒子によるアンカーを備える表面は、金属粒子が錫系金属膜上に存在して凹凸を与え、かつ金属粒子が前記錫系金属で被覆された表面である。
【００３３】
錫の融点は２３２℃であるので、第２工程では、それ以上の温度で加熱する。例えば、融点より３℃〜７０℃程度高い温度、具体的には、２３５℃〜３００℃で、３０秒から５分程度加熱する。錫を含む合金の場合にはその融点に基づいて、融点より、例えば、３℃〜７０℃程度高い加熱温度を決定することができ、また、加熱時間を適宜決定することができる。ただし、これらの加熱温度や加熱時間に限定されるものではなく、用途等に応じて適宜決めることができる。図１（ｂ）は、第２工程により得られる、金属粒子によるアンカーを備える表面を示す概念的な断面図である。このとき、錫系金属よりも表面張力が大きい金属粒子３を選択することにより、金属粒子３の周囲に錫系金属１が回り込む。金属粒子３は、錫系金属１より比重が小さいので、錫系金属膜１内に完全に沈み込むことはない。なお、粒子の形状や凝集態様によっては、金属粒子３が錫系金属１で被覆されていない箇所がある場合もあり、そのような場合であっても、第２工程において所定の加熱操作を行っていれば、本発明に包含されるものとする。
【００３４】
第３工程は、前記表面に熱硬化性樹脂を塗布し、加熱硬化する工程である。第２工程の後、加熱炉内で室温まで冷却し、その後速やかに樹脂を塗布する。なお、第２工程後、すぐに樹脂を塗布しない場合には除湿した不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気のデシケータ内や、減圧した容器内に保管することが好ましい。錫系金属の過度の表面酸化を防止するためである。
【００３５】
熱硬化性樹脂としては、硬化温度が高い樹脂を用いることが好ましい。例えば、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂を挙げることができるが、これらには限定されるものではない。熱硬化性樹脂には、熱硬化性樹脂主剤と、硬化剤と、必要に応じて硬化促進剤とを含む。硬化促進剤は、硬化反応を制御するために有効に用いることができる。
【００３６】
好ましい熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂の主剤としては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等の２官能エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂等の多官能型エポキシ樹脂を単独で又は複数組み合わせて使用することができる。
【００３７】
熱硬化性樹脂の硬化剤は、熱硬化性樹脂主剤との関係で選択することができる。例えば、熱硬化性樹脂主剤として、エポキシ樹脂主剤を用いる場合には、エポキシ樹脂の硬化剤として一般に使用されているものを用いることができる。特には、硬化剤としては酸無水物系が良い。具体的には、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸等の酸無水物系硬化剤およびそれらの異性体、変成体を用いることができる。また、硬化剤は、これらのうち１種のものを単独で用いることができ、あるいは、２種以上のものを混合して用いることができる。
【００３８】
硬化促進剤としては、２−エチル−４−メチルイミダゾール等のイミダゾール類、ベンジルジメチルアミン等の３級アミン類、トリフェニルフォスフィン等の芳香族フォスフィン類、三フッ化ホウ素モノエチルアミン等のルイス酸、ホウ酸エステル等を用いることができるが、これらには限定されない。
【００３９】
硬化剤の配合割合は、エポキシ樹脂主剤のエポキシ当量及び硬化剤のアミン当量もしくは酸無水物当量から決定することができる。エポキシ樹脂以外の熱硬化性樹脂主剤を用いる場合にも、同様に、各樹脂主剤の反応当量、硬化剤の反応当量に基づき、配合割合を決定することができる。また、硬化促進剤を用いる場合には、硬化促進剤の配合割合は、エポキシ樹脂主剤の質量を１００％としたときに、０．１〜５質量％とすることが好ましい。
【００４０】
熱硬化性樹脂には、任意選択的に他の成分を含むものであってもよい。例えば、ＳｉＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等からなる、１〜１００μｍ程度の平均粒径を有する無機フィラー、ガラス繊維、炭素繊維、黒鉛繊維、アラミド繊維等の強化繊維を含んでいてもよい。このような、無機フィラーや強化繊維の添加量は、熱硬化性樹脂全体の質量を１００％とした場合に、例えば、６０〜９０質量％であってよい。あるいは、熱硬化性樹脂を半導体封止用途に用いる場合には、難燃剤、樹脂を着色するための顔料、耐クラック性を向上するための可塑剤やシリコンエラストマーを含んでいても良い。これらの任意成分の添加量は、用途に応じて、当業者が適宜決定することができるが、熱硬化性樹脂全体の質量を１００％とした場合に、通常１０質量％以下である。その他、本発明の目的の範囲内で樹脂と金属材料の密着性を損なわない限り、その他の添加物を含んでいても良い。
【００４１】
次いで、前記熱硬化性樹脂を硬化させる、加熱硬化工程を実施する。ここでは、通常の方法にしたがって、塗布した樹脂を、熱硬化性樹脂の硬化温度以上の温度で加熱し、硬化させる。加熱は、例えばエポキシ樹脂の場合には、１００〜２５０℃において、１〜３０時間程度行うことが好ましい。一次硬化と、二次硬化の二段階にわけて実施することもできる。図１（ｃ）は、第３工程により得られる、硬化後の状態を示す概念的な断面図である。錫系金属膜１の表面は、被覆された金属粒子３に起因して、アンカーが形成されているため、そのアンカー効果で、熱硬化性樹脂４との密着性が向上している。この方法によって、例えば、半導体モジュールなどの半導体装置において、錫系金属材料と封止樹脂の密着性を向上させ、それによって耐圧を高めることが可能となる。
【００４２】
第１実施形態の変形形態として、金属粒子として、性能や用途に応じて、錫系金属よりも表面張力の小さい金属種を選択することも可能である。錫系金属よりも比重が小さく、表面張力も小さい金属種としては、例えば、アンチモンが挙げられる。この場合も、上記第１実施形態と同様にして、第１工程〜第３工程を実施することができる。図２は、錫系金属よりも表面張力の小さい金属種を金属粒子として使用した場合の、第２工程終了後の状態を示す概念的な断面図である。金属粒子３の表面張力が小さい場合、錫系金属の融点より高い温度にまで加熱しても、錫系金属膜１が金属粒子３に回り込むことはないが、錫系金属と金属粒子が接している箇所で結合しているので、金属粒子の存在により、表面積が増大して、アンカー効果を得ることが可能となり、樹脂の密着性を向上させることができる。
【００４３】
なお、本実施形態は、上記第１工程〜第３工程を含む、錫系金属膜に熱硬化性樹脂を密着させる方法ということもできる。この場合も、錫系金属膜、金属粒子、母材、並びに熱硬化性樹脂については、上記において説明したとおりであり、各工程についても上記において説明したとおりである。また、本実施形態は、上記方法により製造された、錫系金属膜上に樹脂層を備える構造体ともいうことができる。このような構造体は、後述する電子部材を含め、各種部材において有用である。
【００４４】
［第２実施形態：金属粒子径よりも小さい厚みの錫系金属膜上における樹脂層製造］
本発明は、第２実施形態によれば、錫系金属膜上に樹脂層を製造する方法であって、母材上に設けられた錫系金属膜の表面に、前記錫系金属とは異なる金属粒子を接触させる第１工程と、前記金属粒子を接触させた前記錫系金属膜を、前記錫系金属の融点より高い温度まで加熱し、前記金属粒子によるアンカーを備える表面を形成する第２工程と、前記表面に熱硬化性樹脂を塗布し、加熱硬化する第３工程とを含む。
【００４５】
第２実施形態においても、錫系金属膜上に樹脂層を製造する方法の定義、少なくとも一部が錫系金属から構成される膜の定義、並びに、熱硬化性樹脂からなる層の定義は、第１実施形態において説明したのと同様とする。第２実施形態においては、錫系金属の膜厚より金属粒子の粒径が大きいことを特長とする。
【００４６】
錫系金属とは異なる金属粒子は、第２実施形態においては、錫系金属よりも融点が高い金属種であればよい。図３に示す実施形態においては、金属粒子は、錫系金属より比重が大きく、錫系金属よりも表面張力の大きい金属からなる。例えば、銅粒子、ニッケル粒子、これらの合金からなる金属粒子、あるいは、銅またはニッケルを主成分とし、それ以外の金属を含む合金からなる金属粒子であってよい。錫の表面張力５４４ｍＮ／ｍに対して、銅、ニッケルの表面張力はそれぞれ１２８５ｍＮ／ｍ、１７７８ｍＮ／ｍである。
【００４７】
第２実施形態においては金属粒子の平均粒径が、錫系金属膜の厚みよりも大きいことを特徴とする。したがって、金属粒子の平均粒径φは、錫系金属膜の厚みとの関係で選択することができる。錫系金属膜の厚みは、第１実施形態において説明した一般的な厚みであってよい。金属粒子の平均粒径の最大値は、このような錫系金属膜の厚みに所望の表面粗さを加えた値とすることが好ましく、最小値は錫系金属膜の厚みとすることが好ましい。したがって、例えば、錫系金属膜の厚みが５μｍで、所望の粗さの最大値が５μｍであれば、前記金属粒子の平均粒径を、５〜１０μｍの範囲とすることが好ましい。所望の粗さは、金属粒子により凹凸が形成された表面において、金属粒子が錫系材料膜から突出する高さ、すなわち、錫系材料膜の母材表面に略平行に形成される面と、錫系材料膜で被覆されたもしくは被覆されずに露出している金属粒子の頂部との距離をいう。例えば、図３（ｂ）においては、Ｒ２で表される長さをいう。
【００４８】
樹脂の組成については、第１実施形態において説明したすべての形態を第２実施形態においても適用することができるため、ここでは説明を省略する。
【００４９】
第２実施形態の第１工程は、錫系金属膜の膜厚と、金属粒子の種類を、上記のようにして選択すること以外は、第１実施形態の第１工程と同様にして実施することができる。図３は、第２実施形態による方法を模式的に説明する図であり、図３（ａ）は、第１工程により得られる母材２上に設けられた錫系金属膜１の表面に、金属粒子３を接触させ、付着させた状態を示す概念的な断面図である。
【００５０】
第２実施形態の第２工程は、第１実施形態の第２工程と同様にして実施することができる。図３（ｂ）は、第２工程により得られる、金属粒子を錫系金属で被覆し、金属粒子によるアンカーを形成した表面を示す概念的な断面図である。第２工程では、加熱により、錫系金属膜１が溶解し、金属粒子３が錫系金属膜１に沈み込んで、母材と概ね接触する。そして、錫系金属よりも表面張力が大きい金属粒子３を選択することにより、金属粒子３の周囲に錫系金属１が回り込んで被覆している。
【００５１】
第２実施形態の第３工程は、第１実施形態の第３工程と同様にして実施することができる。図３（ｃ）は、第３工程により得られる、硬化後の樹脂を示す概念的な断面図である。錫系金属膜１の表面は、被覆された金属粒子３の存在に起因して、凹凸が形成されているため、表面積が増大しており、そのアンカー効果で、熱硬化性樹脂４との密着性が向上している。
【００５２】
第２実施形態の変形形態として、金属粒子として、性能や用途に応じて、錫系金属よりも表面張力の小さい金属種を選択することも可能である。錫系金属よりも比重が大きく、表面張力が小さい金属種としては、例えば、ビスマスや鉛が挙げられる。この場合も、上記第２実施形態と同様にして、第１工程〜第３工程を実施することができる。図４は、錫系金属よりも表面張力の小さい金属種を金属粒子として使用した場合の、第２工程終了後の状態を示す概念的な断面図である。金属粒子３の表面張力が小さい場合、錫系金属の融点より高い温度にまで加熱しても、錫系金属膜１が金属粒子３に回り込むことは無いが、錫系金属膜１と金属粒子３とが接している箇所で結合しているので、露出した金属粒子３によるアンカー効果を得ることが可能となり、樹脂４の密着性を向上させることができる。
【００５３】
第２実施形態のさらに別の変形形態として、金属粒子として、錫系金属より比重が小さい金属粒子、例えばアルミニウムやチタンを用いることもできる。図５は、錫系金属よりも比重の小さい金属種を金属粒子として使用した場合の、第２工程終了後の状態を示す概念的な断面図である。その場合、金属粒子３は完全に沈み込むことは無いが、粒径の大きな金属粒子３が凹凸を形成するので、金属粒子３によるアンカー効果を得ることが可能となり、樹脂４の密着性を向上させることができる。
【００５４】
第２実施形態においては、金属粒子と母材の種類を同じにすることが好ましい。第２実施形態においては、錫系金属の膜厚が、金属粒子の平均粒系よりも小さいため、母材の表面張力が金属粒子の表面張力より小さい場合、錫や錫系材料のほとんどが金属粒子に移ってしまう場合があるためである。金属粒子の表面張力が、母材の表面張力より非常に大きい場合の模式図を図６に示す。図６（ａ）は、第１工程により得られる、母材２上に設けられた錫系金属膜１の表面に、金属粒子３を接触させ、付着させた状態を示す概念的な断面図である。図６（ｂ）は、次いで、第２工程を実施した後の状態を示す概念的な断面図である。図６（ｂ）においては、金属粒子３の表面に溶解した錫系金属１のほとんどが付着し、母材２の表面が露出している。このような場合、錫系金属１と母材２の接触面積が非常に小さくなることから、錫系金属１と母材２との密着性が低下し、錫系金属膜がはがれやすくなることや、はんだの濡れ性が低下するなど、信頼性が低下するという問題が発生する場合がある。錫系金属膜の厚みが薄い場合には、この問題が顕著になる場合がある。金属粒子と母材の種類を同じにすることによって、金属粒子と母材両方に対する濡れ性を確保することができ、そのような問題を解決することができる。例えば、パワー半導体モジュールでは錫や錫系材料膜の母材としては銅が良く用いられているので、その場合には金属粒子として銅を用いるのがより好ましい。
【００５５】
なお、本実施形態も、上記第１工程〜第３工程を含む、錫系金属膜に熱硬化性樹脂を密着させる方法ということもできる。この場合も、錫系金属膜、金属粒子、母材、並びに熱硬化性樹脂については、上記において説明したとおりであり、各工程についても上記において説明したとおりである。また、本実施形態は、上記方法により製造された、錫系金属膜上に樹脂層を備える構造体ともいうことができる。このような構造体は、後述する電子部材を含め、各種部材において有用である。
【００５６】
［第３実施形態：半導体装置］
本発明は、第３実施形態によれば、半導体装置であって、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に接合された絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面に接合された外部回路との接続用プリント基板と、外部接続端子とを含む部材を、樹脂封止材で封止してなり、前記半導体装置を構成する前記プリント基板及び／または前記外部接続端子が、母材上に設けられた錫めっき膜表面にアンカーが形成された部材であって、該アンカーが、錫めっき膜の表面に、銅、ニッケル、アルミニウム、チタンから選択される１以上の金属粒子を接触させる工程と、前記錫めっき膜に前記金属粒子を接触させた部材を、錫の融点より高い温度まで加熱し、前記金属粒子の少なくとも一部を前記錫で被覆する工程とにより形成され、前記アンカーが、前記樹脂封止材と接触している。
【００５７】
図７は、第３実施形態に係る半導体装置の一例である、半導体モジュール１００の断面構造を示す図である。半導体モジュール１００においては、絶縁層１１の一方の面である下面に略直方体状の第１銅ブロック１２、他方の面である上面に略直方体状の第２銅ブロック１３が配置されて絶縁基板１４を構成する。絶縁基板１４の第２銅ブロック１３側の面である上面には、導電接合層ａ１５を介して、ＳｉＣパワー半導体素子１６が複数個搭載され取り付けられている。さらにＳｉＣパワー半導体素子６の上面には、導電接合層ｂ１７によりインプラントピン１８を備えたインプラント方式プリント基板１９が取り付けられている。インプラント方式プリント基板１９の上面と、第２銅ブロック３の上面には、それぞれ、外部接続端子２０が取り付けられ、半導体モジュール１００の外部との電気的接続が可能に構成されている。そして、ＳｉＣパワー半導体素子１６を含む積層された部材の周囲は、樹脂封止材１０で封止されている。また、封止層１０には、半導体装置１００を図示しない冷却器に取り付けるためのボルトの挿入孔である取り付け金具２１が埋め込まれている。なお、本明細書において、上面、下面とは、説明の目的で、図中の上下を指す相対的な用語であって、半導体装置の使用態様等との関係で上下を限定するものではない。
【００５８】
ここで、第１実施形態もしくは第２実施形態で説明した錫系金属膜１は、図示する半導体モジュール１００において、インプラント方式プリント基板１９、または外部接続端子２０、あるいはそれらの両方に、錫めっき膜として、設けられている。典型的には、銅からなる母材金属上に、錫めっき膜として存在している。このとき、上記部材を製造する工程において、第１実施形態もしくは第２実施形態で説明した第１工程及び第２工程を実施して、錫めっき膜表面にアンカーが形成されたインプラント方式プリント基板１９、または外部接続端子２０、あるいはそれらの両方を製造する。アンカーは、第１実施形態及び第２実施形態において、図１〜５に示したいずれの形態であってもよい。すなわち、金属粒子の少なくとも一部が錫で被覆されていればよく、アンカー部が錫で被覆されていてもよいし、アンカー部は金属粒子が露出していてもよい。母材金属が銅である場合、金属粒子も好ましくは、銅である。そして、第１実施形態もしくは第２実施形態で説明した第３工程として、半導体モジュール１００の製造方法における封止工程を実施することで、半導体モジュール１００を構成するインプラント方式プリント基板１９、または外部接続端子２０、あるいはそれらの両方を、封止樹脂に密着させることができる。
【００５９】
半導体モジュール１００を構成する部材として、錫めっき膜表面にアンカーが形成されたインプラント方式プリント基板１９、または外部接続端子２０、あるいはそれらの両方を用い、硬化温度の高いエポキシ樹脂やポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂を用いて樹脂封止した場合でも、融点の高い金属粒子は特に軟化することなくそのまま残るので、凹凸が維持され、アンカー効果を持続させることができる。これにより、錫めっき膜と熱硬化性樹脂との密着性を高め、高耐圧性に優れて、絶縁破壊を起こしにくい半導体モジュールを提供することができる。具体的には、耐圧性や絶縁破壊特性を向上させることができる。
【実施例】
【００６０】
以下、本発明を実施例と比較例を用いてさらに詳細に説明する。ただし、以下の実施例は本発明を限定するものではない。
【００６１】
［実施例１］
実施例１では、金属材料として銅板表面に錫めっき（めっき厚１０μｍ）したものを用いた。板材の形状は１００ｍｍ×１５ｍｍの長方形で、板厚は３ｍｍのものを用いた。錫めっきは片側の全面に施した。次に、錫めっき表面にアルミニウムの粒子を付着させた。適用したアルミニウム粒子の大きさは平均的に７μｍ程度である。１００ｍｌのビーカーに、エタノール溶液１００ｍｌとアルミニウム粒子を、５ｇ投入し、スターラーで撹拌した。その攪拌している液体をスポイトで取り出し、錫めっき表面に塗布した。塗布した範囲は、ここでは、１５ｍｍ×１０ｍｍとした。次いで、銅粒子を塗布した板材を３００℃、２時間加熱処理した。加熱処理後、室温に戻した板材にエポキシ樹脂を塗布し、引っ張り試験を行うために、同じ板でエポキシ樹脂を挟んだ。
【００６２】
エポキシ樹脂主剤には、二官能脂環式エポキシ（ダイセル社製、品番：ＣＥＬ２０２１Ｐ）を用いた。硬化剤には変性脂環式酸無水物（ハンツマン社製、品番：ＬＳＴ８７３４Ｈ−２Ｌ）を用いた。樹脂の組成は、エポキシ樹脂主剤１００質量部に対し、硬化剤１３５質量部とした。エポキシ樹脂主剤と硬化剤との混合物を攪拌したものを塗布した。エポキシ樹脂を塗布した範囲は１０ｍｍ×１５ｍｍとした。板で挟んだ状態のものをクリップで留めて、１２０℃で２時間保持した後（予備加熱）、２００℃で２４時間保持した。
【００６３】
［実施例２］
実施例２では、金属材料として銅板表面に錫めっき（めっき厚１μｍ）したものを用いた。板材の形状は１００ｍｍ×１５ｍｍの長方形で、板厚は３ｍｍのものを用いた。錫めっきは片側の全面に施した。次に、錫めっき表面に銅の粒子を付着させた。適用した銅粒子の大きさは平均的に３μｍ程度である。１００ｍｌのビーカーに、エタノール溶液１００ｍｌと銅粒子を、１０ｇ投入し、スターラーで撹拌した。錫めっき表面への塗布方法や塗布面積、加熱処理条件、使用したエポキシ樹脂、引っ張り試験用サンプルの作製は実施例１と同様にして実施した。
【００６４】
［実施例３］
実施例３では、金属材料として銅板表面に錫めっき（めっき厚１μｍ）したものを用いた。板材の形状は１００ｍｍ×１５ｍｍの長方形で、板厚は３ｍｍのものを用いた。錫めっきは片側の全面に施した。次に、錫めっき表面にアルミニウムの粒子を付着させた。適用したアルミニウム粒子は実施例１と同じで、粒子の平均的な大きさは３μｍ程度である。錫めっき厚以外は実施例１と同様にして実施した。
【００６５】
［実施例４］
実施例４では、実施例２と同様の錫めっき（めっき厚１０μｍ）した銅板を用いた。錫めっき表面には錫より比重と表面張力の小さいアンチモンの粒子を付着させた。適用したアンチモン粒子の平均的な大きさは７μｍ程度であった。他の工程等については実施例１と同様にして実施した。
【００６６】
［実施例５］
実施例５では、実施例２と同様の錫めっき（めっき厚１μｍ）した銅板を用いた。錫めっき表面には実施例３と同じアンチモンの粒子を付着させた。適用したアンチモン粒子の平均的な大きさは３μｍ程度である。他の工程等については実施例１と同様にして実施した。
【００６７】
［比較例１］
比較例１として、銅粒子を付着させない錫めっき板に、実施例１、２と同様にして、エポキシ樹脂を塗布し、同じ錫めっき板で挟んだ。すなわち、本発明の第１、第２工程を実施しなかった。
【００６８】
［比較例２］
比較例２として、錫めっきをしていない銅板に、実施例１、２と同様にして、エポキシ樹脂を塗布し、同じ銅板で挟んだ。比較例１と同様、本発明の第１、第２工程を実施しなかった。
【００６９】
［試験例］
［引張り試験］
実施例及び比較例で引張り試験を実施した。引張り試験では、張り合わせた２枚の板を逆方向に引っ張る試験方法である。強度は、万能試験機  AUTOGRAPH  AG-X（島津製作所製）を用いて測定した。引っ張り試験においては、実施例、比較例とも、試験サンプルを各５個用いた。
【００７０】
比較例１での密着強度は３ＭＰａであった。それに対し、実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５での密着強度は、それぞれ９ＭＰａ、１１ＭＰａ、９ＭＰａ、７ＭＰａ、７ＭＰａとなり、もともとエポキシ樹脂との密着性の良い銅板(比較例２)の密着強度１３ＭＰａに近い密着強度を得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、錫や錫を主成分とする錫系材料に熱硬化性樹脂を密着させる分野全般に適用することができる。さらに、錫系材料が適用されているパワー半導体モジュールの封止樹脂との密着性向上にも適用することができ、パワー半導体モジュールの耐圧特性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００７２】
１      錫系金属膜
２      母材
３      金属粒子
４      熱硬化性樹脂（封止材）
１１    絶縁層
１２    第１銅ブロック
１３    第２銅ブロック
１４    絶縁基板
１５    導電接合層ａ
１６    ＳｉＣ半導体素子
１７    導電接合層ｂ
１８    インプラントピン
１９    インプラント方式プリント基板
２０    外部接続端子
２１    取り付け金具
１００  半導体モジュール
【図１】
0006459670.tif 000002
【図２】
0006459670.tif 000003
【図３】
0006459670.tif 000004
【図４】
0006459670.tif 000005
【図５】
0006459670.tif 000006
【図６】
0006459670.tif 000007
【図７】
0006459670.tif 000008