(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップ、導電性板および端子を実装した絶縁基板を備えた半導体装置であって、
ニッケルを主成分とする金属膜で覆われた前記端子と、
前記金属膜の表面に形成された酸化膜と、
前記絶縁基板を囲み、前記酸化膜に接して前記端子の第１の端部を内部に含む、前記酸化膜の上に塗布されたときに前記酸化膜に対する接触角が３５°以下になる封止材と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体チップ、導電性板および端子を実装した絶縁基板を備えた半導体装置であって、
ニッケルを主成分とする金属膜で覆われた前記端子と、
前記金属膜の表面に形成された酸化膜と、
前記絶縁基板を囲み、前記酸化膜に接して前記端子の第１の端部を内部に含む封止材と、
を備え、
前記封止材は、モノマレイミド樹脂であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記封止材は、ヒドロキシ基を有するモノマレイミド樹脂であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記端子の第２の端部は、前記封止材の外側に露出されており、
前記酸化膜は、前記端子の前記封止材の内部に位置する前記第１の端部に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記酸化膜は、前記半導体チップの表面電極および前記導電性板の表面に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項６】
半導体チップ、導電性板および端子を実装した絶縁基板を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記絶縁基板に、前記半導体チップ、前記導電性板、および、ニッケルを主成分とする金属膜で覆われた前記端子を実装する第１工程と、
前記第１工程の後、オゾン分子を含む雰囲気に前記端子を曝して前記金属膜を酸化することで、前記金属膜の表面に酸化膜を形成する第２工程と、
前記酸化膜の上に塗布されたときに前記酸化膜に対する接触角が３５°以下になる封止材を前記酸化膜に接触させて前記封止材の内部に前記端子の第１の端部が包まれるように、前記封止材で前記絶縁基板を囲む第３工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
半導体チップ、導電性板および端子を実装した絶縁基板を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記絶縁基板に、前記半導体チップ、前記導電性板、および、ニッケルを主成分とする金属膜で覆われた前記端子を実装する第１工程と、
前記第１工程の後、オゾン分子を含む雰囲気に前記端子を曝して前記金属膜を酸化することで、前記金属膜の表面に酸化膜を形成する第２工程と、
封止材を前記酸化膜に接触させて前記封止材の内部に前記端子の第１の端部が包まれるように、前記封止材で前記絶縁基板を囲む第３工程と、
を含み、
前記第３工程では、前記封止材として液状のモノマレイミド樹脂を熱硬化させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記封止材は、ヒドロキシ基を有するモノマレイミド樹脂であることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第２工程では、前記端子の前記封止材の外側に露出される第２の端部を保護テープで覆った後に、前記端子を前記雰囲気に曝すことを特徴とする請求項６〜８のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第２工程では、前記半導体チップの表面電極および前記導電性板を前記雰囲気に曝して酸化することで、前記表面電極および前記導電性板の表面に前記酸化膜を形成することを特徴とする請求項６〜９のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体モジュールなどの半導体装置では、ケース構造と呼ばれるパッケージ構造が主流である。このケース構造について、ケースの内側に互いに離して配置される半導体チップおよび回路基板の導体層同士を端子ピンにより電気的に接続したピン構造の半導体モジュールを例に説明する。図７は、従来のケース構造の半導体装置の断面構造を示す断面図である。図７では、ケースを図示省略する。図７に示すように、半導体素子を有する半導体チップ１０１の裏面は、はんだによりヒートスプレッダ１０２のおもて面に接合されている。ヒートスプレッダ１０２の裏面は、積層基板１０３のおもて面の導電性板１０４に接合されている。
【０００３】
積層基板１０３は、セラミック基板１０５のおもて面に銅（Ｃｕ）箔により導電性板１０４を形成し、セラミック基板１０５の裏面に銅箔により導電性板１０６を形成してなる。導電性板１０４は、主に銅で構成されている。積層基板１０３の裏面の導電性板１０６は、はんだによりヒートシンク１０７のおもて面に接合されている。ヒートシンク１０７の周縁には、ケース（不図示）が接着されている。ケースの内側には、外部電極用端子１０８、端子ピン１０９および回路基板１１０が設けられている。外部電極用端子１０８の一方の端部は導電性板１０４に接合され、他方の端部はケースの外側に露出されている。端子ピン１０９は複数配置されている。
【０００４】
各端子ピン１０９ともに、一方の端部が半導体チップ１０１のおもて面に設けられた図示しない電極に接合されている。端子ピン１０９の表面には、例えばニッケル（Ｎｉ）めっきが施されている。回路基板１１０は、半導体チップ１０１のおもて面に対向するように、半導体チップ１０１と離して配置されている。回路基板１１０のスルーホールには、各端子ピン１０９の他方の端部が挿入されている。回路基板１１０の導体層と、半導体チップ１０１のおもて面に設けられた電極とが端子ピン１０９を介して電気的に接続されている。ケースとヒートシンク１０７との間には、エポキシ樹脂など耐熱性の封止材１１１が充填されている。
【０００５】
このような半導体モジュールとして、少なくとも１種のエポキシ樹脂、少なくとも１種のイミダゾール化合物、および少なくとも１種のマレイミド化合物を含む、半導体封止用エポキシ樹脂組成物で封止した装置が提案されている（例えば、下記特許文献１参照。）。下記特許文献１には、半導体チップ表面との接着性が良好であり、かつ耐湿性に優れた硬化物について開示されている。
【０００６】
また、熱硬化性樹脂組成物として、フェノール性水酸基を含有する新規ビスマレイミド類、当該ビスマレイミド類と１分子中に２個以上のグリシジル基を有するエポキシ樹脂を含有する熱硬化性樹脂組成物が提案されている（例えば、下記特許文献２参照。）。また、別の熱硬化性樹脂組成物として、水酸基を含むポリマレイミドが提案されている（例えば、下記特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０１４−５２１７５４号公報
【特許文献２】特開２００９−１６１６０５号公報
【特許文献３】特開平５−１０５７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図７に示すようなピン構造の半導体モジュールでは、積層基板１０３と回路基板１１０との間隔ｈが例えば９００μｍ程度と狭い場合、次の問題が生じる。エポキシ樹脂など従来の封止材１１１は、半導体チップ１０１や、端子ピン１０９、積層基板１０３の導電性板１０４に対する濡れ性が悪く、積層基板１０３と回路基板１１０とに挟まれた間隔ｈの狭い部分への充填性が悪い。このため、積層基板１０３と回路基板１１０とに挟まれた部分において、封止材１１１にボイドが生じやすい。特に、ニッケルめっきを表面に施した端子ピン１０９との境界付近において封止材１１１にボイドが生じやすく、端子ピン１０９に対する封止材１１１の密着性が劣る。このため、例えばパワーサイクル等の信頼性が低下するという問題がある。
【０００９】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、封止材と各部材との密着性を向上させることができる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、半導体チップ、導電性板および端子を実装した絶縁基板を備えた半導体装置であって、次の特徴を有する。ニッケルを主成分とする金属膜で覆われた前記端子が配置されている。前記金属膜の表面に、酸化膜が形成されている。前記絶縁基板は、前記酸化膜の上に塗布されたときに前記酸化膜に対する接触角が３５°以下になる封止材に囲まれている。前記封止材は、前記酸化膜に接して前記端子の第１の端部を内部に含む。
【００１１】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記端子の第２の端部が前記封止材の外側に露出されている。前記酸化膜は、前記端子の前記封止材の内部に位置する前記第１の端部に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記酸化膜が前記半導体チップの表面電極および前記導電性板の表面に形成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、半導体チップ、導電性板および端子を実装した絶縁基板を備えた半導体装置であって、次の特徴を有する。ニッケルを主成分とする金属膜で覆われた前記端子が配置されている。前記金属膜の表面に、酸化膜が形成されている。前記絶縁基板は、封止材に囲まれている。前記封止材は、前記酸化膜に接して前記端子の第１の端部を内部に含む。前記封止材がモノマレイミド樹脂であることを特徴とする。
【００１４】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記封止材がヒドロキシ基を有するモノマレイミド樹脂であることを特徴とする。
【００１５】
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、半導体チップ、導電性板および端子を実装した絶縁基板を備えた半導体装置の製造方法であって、次の特徴を有する。まず、前記絶縁基板に、前記半導体チップ、前記導電性板、および、ニッケルを主成分とする金属膜で覆われた前記端子を実装する第１工程を行う。次に、前記第１工程の後、オゾン分子を含む雰囲気に前記端子を曝して前記金属膜を酸化することで、前記金属膜の表面に酸化膜を形成する第２工程を行う。次に、前記酸化膜の上に塗布されたときに前記酸化膜に対する接触角が３５°以下になる封止材を前記酸化膜に接触させて前記封止材の内部に前記端子の第１の端部が包まれるように、前記封止材で前記絶縁基板を囲む第３工程を行う。
【００１６】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第２工程では、前記金属膜の前記端子の前記封止材の外側に露出される第２の端部を保護テープで覆った後に、前記端子を前記雰囲気に曝すことを特徴とする。
【００１７】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第２工程では、前記半導体チップの表面電極および前記導電性板を前記雰囲気に曝して酸化することで、前記表面電極および前記導電性板の表面に前記酸化膜を形成することを特徴とする。
【００１８】
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、半導体チップ、導電性板および端子を実装した絶縁基板を備えた半導体装置の製造方法であって、次の特徴を有する。まず、前記絶縁基板に、前記半導体チップ、前記導電性板、および、ニッケルを主成分とする金属膜で覆われた前記端子を実装する第１工程を行う。次に、前記第１工程の後、オゾン分子を含む雰囲気に前記端子を曝して前記金属膜を酸化することで、前記金属膜の表面に酸化膜を形成する第２工程を行う。次に、封止材を前記酸化膜に接触させて前記封止材の内部に前記端子の第１の端部が包まれるように、前記封止材で前記絶縁基板を囲む第３工程を行う。前記第３工程では、前記ケースの内側に前記封止材として液状のモノマレイミド樹脂を封入して熱硬化させることを特徴とする。
【００１９】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記封止材は、ヒドロキシ基を有するモノマレイミド樹脂であることを特徴とする。
【００２０】
上述した発明によれば、狭い間隔で配置された導体部間（端子間や、端子、表面電極および導電性板と他部材との間）に充填された封止材にボイドが生じることを低減させることができる。これにより、導体部と封止材との密着性を向上させることができるため、例えばパワーサイクル等の信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、封止材と各部材との密着性を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態１にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。
【図３】実施の形態１にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。
【図４】実施の形態２にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。
【図５】実施の形態２にかかる半導体装置の別の一例の構造を示す断面図である。
【図６】実施例の評価結果を示す図表である。
【図７】従来のケース構造の半導体装置の断面構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付す＋および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２４】
（実施の形態１）
実施の形態１にかかる半導体装置の構造について、ピン構造の半導体モジュールを例に説明する。図１は、実施の形態１にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。図１に示す実施の形態１にかかる半導体装置は、積層基板３上の導体層と回路基板１０の導体層とを端子ピン９により電気的に接続したピン構造の半導体モジュールである。図１には、例えばインバータ回路一相分（Ｕ相）の半導体モジュールの一例を示す。積層基板３上の導体層とは、積層基板３のおもて面に実装された半導体チップ１のおもて面に設けられた図示しない電極（以下、おもて面電極とする）、または、積層基板３のおもて面に実装された導電性板４である。なお、積層基板のおもて面とは、半導体チップ１や導電性板４が実装され、後述する封止材１１に覆われる側の面である。
【００２５】
具体的には、図１に示すように、半導体素子を有する半導体チップ１の裏面は、放熱性のよい例えばアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などの金属からなる板状のヒートスプレッダ２のおもて面にはんだにより接合されている。ヒートスプレッダ２の裏面は、積層基板３のおもて面の導電性板４に接合されている。ヒートスプレッダ２を設けずに、半導体チップ１の裏面を積層基板３のおもて面の導電性板４にはんだにより接合してもよい。積層基板３は、絶縁基板であるセラミック基板５のおもて面に銅箔により導電性板４を形成し、セラミック基板５の裏面に銅箔により導電性板６を形成してなる。絶縁基板は、アルミナ（酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3））や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミックで構成される。導電性板４は、主に銅で構成される。積層基板３の裏面の導電性板６は、放熱性のよい例えばアルミニウムや銅などの金属からなる板状のヒートシンク７の表面にはんだ、またはサーマルグリース等により接合されている。ヒートシンク７を設けずに、積層基板３の裏面の導電性板６の厚さを分厚くした構成としてもよい。
【００２６】
ヒートシンク７の周縁には図示省略するケースが接着されており、ケースによってヒートシンク７上に配置された各部材（半導体チップ１、ヒートスプレッダ２および積層基板３）が囲まれている。ヒートシンク７を設けない場合には、積層基板３の周縁にケースが接着され、ケースによって積層基板３のおもて面上の各部材が囲まれる。ケースの内側には、さらに外部電極用端子８（太縦線で図示）、端子ピン９（太縦線で図示）、回路基板１０、主端子Ｐ，Ｎ，Ｕなどが設けられている。外部電極用端子８、端子ピン９および主端子Ｐ，Ｎ，Ｕの表面には、例えばニッケル（Ｎｉ）−リン（Ｐ）合金などのニッケルめっき（不図示）が施されている。外部電極用端子８の一方の端部（第１の端部）は導電性板４に接合され、他方の端部（第２の端部）はケースの内側から外側に突き抜けて外側に露出されている。外部電極用端子８は、例えばボンディングワイヤーを介して電気的に接続された半導体チップ１の電極をケースの外側へ引き出す機能を有する。なお、端子として、外部電極用端子８、端子ピン９および主端子Ｐ，Ｎ，Ｕを配置する場合を例に説明しているが、さらに、これらの端子と同様の材料構成を有する他の端子を配置してもよい。
【００２７】
外部電極用端子８によって外側へ引き出される半導体チップ１の電極とは、半導体チップ１のおもて面電極や、半導体チップ１の裏面に設けられた図示しない電極（以下、裏面電極とする）である。ケースの内側とは、ケースとヒートシンク７とに囲まれ、後述する封止材１１が充填される空間である。すなわち、ケースは封止材１１に接触し、封止材１１の外寸とほぼ同じサイズで封止材１１の周囲を覆う蓋状（例えば封止材１１を内包する凹状）の外型を有する（図４，５においても同様）。ケースの外側とは、ケースによってヒートシンク７上の各部材が配置された空間と隔てられた外部の空間である。また、ケースを設けない構成とすることも可能である。ケースを設けない構成とは、ヒートシンク７上の各部材を内包するように封止材１１を固めて一体化する場合であり、封止材１１の表面が外側に露出された構成である。
【００２８】
端子ピン９は、半導体チップ１のおもて面上に複数配置されている。各端子ピン９ともに一方の端部が半導体チップ１のおもて面電極や、積層基板３の導電性板４、回路基板１０の導体層などの各導体層に接合されている。図１には、端子ピン９の一方の端部が半導体チップ１のおもて面電極に接合された状態を示す。端子ピン９のピッチ（隣り合う端子ピン９の間隔）ｄは狭く、例えば０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下程度である。Ｐ，Ｎ，Ｕの一方の端部は導電性板４に接合され、他方の端部はケースの内側から外側に突き抜けて外側に露出されている。主端子Ｐは例えば主電源の正極（プラス）側の入力端子であり、主端子Ｎは例えば主電源の負極（マイナス）側の入力端子である。主端子Ｕは、例えばインバータのＵ相の出力端子である。
【００２９】
回路基板１０は、ケースの内側に互いに離して配置されるヒートシンク７上の各部材と高さ方向に対向する。すなわち、回路基板１０は、ヒートシンク７上の積層基板３の導電性板４および半導体チップ１のおもて面に対向するように、最下層となるヒートシンク７（または積層基板３）の上方に積層基板３の導電性板４および半導体チップ１と離して配置されている。回路基板１０のスルーホールには、各端子ピン９の他方の端部が挿入されている。回路基板１０の少なくとも一方の主面（おもて面または裏面）に、導体層（不図示）が設けられている。回路基板１０の導体層と、半導体チップ１のおもて面電極とは端子ピン９を介して電気的に接続されている。図１には、回路基板１０の両主面にそれぞれ導体層が設けられた場合を示す。積層基板３と回路基板１０との間隔ｈは狭く、例えば９００μｍ程度である。
【００３０】
ケース内側の各導体部は、他部材とのコンタクト（電気的接触部）以外の部分をそれぞれ酸化膜２１〜２９で覆った状態となっている。ケース内側の各導体部とは、半導体チップ１のおもて面電極、積層基板３の導電性板４，６、回路基板１０の導電層、外部電極用端子８、端子ピン９、主端子Ｐ，Ｎ，Ｕ、ヒートスプレッダ２およびヒートシンク７などである。これらケース内側の導体部のうち、少なくとも端子ピン９の表面に酸化膜２５が形成されていればよい。その理由は、狭いピッチｄで隣り合う端子ピン９の間が後述する封止材１１を最も充填しにくい箇所となるからである。図１には、ケース内側のすべての導体部が他部材とのコンタクト以外の部分を酸化膜２１〜２９で覆われた状態を示す。
【００３１】
具体的には、半導体チップ１のおもて面電極の表面には、端子ピン９などとのコンタクト以外の部分に酸化膜２１が形成されている。積層基板３のおもて面の導電性板４の表面には、ヒートスプレッダ２、外部電極用端子８および主端子Ｐ，Ｎ，Ｕなどとのコンタクト以外の部分に酸化膜２２が形成されている。積層基板３の裏面の導電性板６の表面には、ヒートシンク７とのコンタクト以外の部分に酸化膜２２が形成されている。回路基板１０の導体層の表面には、他部材とのコンタクト以外の部分に酸化膜２３が形成されている。外部電極用端子８および主端子Ｐ，Ｎ，Ｕの表面には、半導体チップ１のおもて面電極や積層基板３の導電性板４、外部装置などとのコンタクト以外の部分にそれぞれ酸化膜２４，２６〜２８が形成されている。端子ピン９の表面には、半導体チップ１のおもて面電極や回路基板１０の導体層などとのコンタクト以外の部分にそれぞれ酸化膜２５が形成されている。ヒートスプレッダ２およびヒートシンク７の表面には、他部材とのコンタクト以外の部分に酸化膜２９が形成されている。つまり、封止材１１と接する各導体部の表面に酸化膜２４，２６〜２８が形成されている。
【００３２】
ケースとヒートシンク７との間には、耐熱性の封止材１１が充填されている。封止材１１は、酸化膜２１〜２９（例えば酸化銅（Ｃｕ2Ｏ）や酸化ニッケル（ＮｉＯ）、ニッケル−リン合金の酸化物）に対する濡れ性の高い熱硬化性の材料を熱処理により硬化させてなる。上述したようにケース内側の各導体部の、他部材とのコンタクト以外の部分はそれぞれ酸化膜２１〜２９で覆われている。このため、酸化膜２１〜２９に対する濡れ性の高い材料を封止材１１として用いることで、封止材１１の充填性を向上させることができる。封止材１１の濡れ性がよいことで、封止材１１は各部材の表面に均一に濡れ広がってゆき、各部材間に隙間なく充填される。具体的には、封止材１１として、例えば、非エポキシ系のモノマレイミド樹脂を用いることがよく、より好ましくはヒドロキシ基（水酸基（−ＯＨ））を有するモノマレイミド樹脂を用いることがよい。
【００３３】
マレイミド樹脂（マレイミド化合物）は、通常トランスファー成形により成形される材料（固体）であるが、液状化する技術が開示されており（例えば上記特許文献３等）、液状化可能である。液状のマレイミド樹脂（高耐熱液状封止樹脂）は、ガラス転移温度Ｔｇが高く（例えばＴｇ≧２００℃）耐熱性が高い。さらに、発明者らは、鋭意研究の結果、液状のモノマレイミド樹脂が酸化膜２１〜２９に対する接触角が小さいため（親水性）、濡れ性が高くかつ密着性がよいことを見出した。すなわち、液状のモノマレイミド樹脂は、上述した狭い間隔ｈで配置された積層基板３と回路基板１０との間や、狭いピッチｄで配置された端子ピン９間にも容易に充填可能である。この効果は、モノマレイミド樹脂の中でも特にヒドロキシ基を有するモノマレイミド樹脂で高く得られる。
【００３４】
マレイミド樹脂の末端は、水素（Ｈ）原子で終端されるか、芳香族残基を介して水素原子またはヒドロキシ基で終端されている。この芳香族残基は、炭素原子数６以上２０以下の二価の芳香族炭化水素基（アリール基（Ａｒ−））であり、無置換（官能基）であってもよいし、置換されていてもよい。アリール置換基とは、例えば、炭素原子数１以上６以下の直鎖状または分岐状のアルキル基（好ましくはメチル基（−ＣＨ3）、エチル基（−ＣＨ2ＣＨ3））で置換されたフェニレン基（−Ｃ6Ｈ4）などである。ヒドロキシ基を有していないモノマレイミド樹脂として、例えば、Ｎ−フェニルマレイミド（ＭＰｉ）やＮ−（２メチルフェニル）マレイミドなどが挙げられる。ヒドロキシ基を有するモノマレイミド樹脂として、例えば、Ｎ−フェニル（４−ヒドロキシ）−マレイミドやＮ−（２メチル−４ヒドロキシフェニル）−マレイミドなどが挙げられる。
【００３５】
次に、実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図２，３は、実施の形態１にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。まず、図２に示すように、一般的な組立工程により、半導体チップ１、ヒートスプレッダ２、積層基板３、外部電極用端子８、端子ピン９および主端子Ｐ，Ｎ，Ｕをそれぞれヒートシンク７のおもて面側の所定位置に接合する。半導体チップ１のおもて面電極、積層基板３の導電性板４，６、回路基板１０の導体層、外部電極用端子８、端子ピン９、主端子Ｐ，Ｎ，Ｕ、ヒートスプレッダ２およびヒートシンク７などの各導体部のケース内側に露出されている部分の表面にそれぞれ酸化膜２１〜２９を形成する。酸化膜２１〜２９は、例えば、次のように形成する。
【００３６】
外部電極用端子８、端子ピン９および主端子Ｐ，Ｎ，Ｕの表面には、上述したようにニッケルめっきとして例えばニッケル−リン合金めっきが施されていることで自然酸化膜が形成されにくい。また、半導体チップ１のおもて面電極、積層基板３の導電性板４，６、回路基板１０の導体層などアルミニウムや銅を材料とする各導体部の表面にも、均一な自然酸化膜は形成されにくい。そこで、本発明者らは、外部電極用端子８、端子ピン９および主端子Ｐ，Ｎ，Ｕのニッケル−リン合金めっきの表面に、オゾン（Ｏ3）酸化処理によって酸化膜２４〜２８を形成可能であることを新たに見出した。ニッケル−リン合金めっきの表面にオゾン酸化処理を行うことで、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さで酸化膜２４〜２８を形成することができる。また、このオゾン酸化処理時、半導体チップ１のおもて面電極、積層基板３の導電性板４，６、回路基板１０の導体層、ヒートスプレッダ２およびヒートシンク７の表面にも、各端子表面の酸化膜２４〜２８と同様に酸化膜２１〜２３，２９が形成される。
【００３７】
具体的には、酸化膜２１〜２９を形成するためのオゾン酸化処理は、まず、外部電極用端子８および主端子Ｐ，Ｎ，Ｕのケース外側に露出される部分（第２の端部）１２ａ〜１２ｄにそれぞれポリイミドテープなどの保護テープ３１ａ〜３１ｄを巻きつけて保護する。次に、組立途中の半導体モジュールを処理炉（チャンバー）内のステージに載置する。次に、低圧の大気圧環境下の処理炉内に酸素（Ｏ2）ガスを導入し、例えば、電力５０ｍＷの水銀（Ｈｇ）ランプ等のＵＶ（ＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ）ランプから照射される１８４．９ｎｍの波長の紫外線により酸素ガス中の酸素分子（Ｏ2）を分解して酸素原子（Ｏ）を生成する。このとき、部材表面に付着する有機汚染物質の結合も分解される。生成された酸素原子は、処理炉内の酸素分子と結合してオゾン分子（Ｏ3）となる。このオゾン分子を含むガス雰囲気に曝されることによって各導体部が酸化され、図３に示すように、各導体部の表面にそれぞれ酸化膜２１〜２９が形成される。
【００３８】
このオゾン酸化処理時、外部電極用端子８および主端子Ｐ，Ｎ，Ｕのケース外側に露出される部分１２ａ〜１２ｄは保護テープ３１ａ〜３１ｄで覆われているため、酸化されない。すなわち、外部電極用端子８および主端子Ｐ，Ｎ，Ｕには、保護テープ３１ａ〜３１ｄで保護されていないケース内側の部分１３ａ〜１３ｄの他部材とのコンタクト以外の部分に酸化膜２４，２６〜２８が形成される。半導体チップ１のおもて面電極、積層基板３の導電性板４，６、回路基板１０の導体層、ヒートスプレッダ２およびヒートシンク７の表面の酸化膜２１〜２３，２９は自然酸化膜であってもよい。次に、外部電極用端子８および主端子Ｐ，Ｎ，Ｕのケース外側に露出される部分１２ａ〜１２ｄから保護テープ３１ａ〜３１ｄを剥がす。次に、ヒートシンク７の周縁にケースを接着して、ケースによって半導体チップ１や回路基板１０などを囲む。その後、一般的な方法により、ケースの内側に液状のモノマレイミド樹脂を封入して熱処理により硬化させることで、ケース内側を封止材１１で充填する。これによって、図１に示す半導体モジュールが完成する。
【００３９】
以上、説明したように、実施の形態１によれば、ケース内側に配置される導体部（少なくとも端子ピン）の表面に酸化膜を形成し、封止材として酸化膜に対する濡れ性の高い材料を用いることで、狭い間隔で配置された導体部間に充填された封止材にボイドが生じることを低減させることができる。これにより、導体部と封止材との密着性を向上させることができるため、例えばパワーサイクル等の信頼性を向上させることができる。
【００４０】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる半導体装置の構造について説明する。図４は、実施の形態２にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。図５は、実施の形態２にかかる半導体装置の別の一例の構造を示す断面図である。実施の形態２にかかる半導体装置が実施の形態１にかかる半導体装置と異なる点は、酸化膜２１〜２９に対する濡れ性の高い熱硬化性の材料（液状のモノマレイミド樹脂）を硬化させてなる封止材（以下、第１封止材とする）４１，５１によってケース内側の一部の導体部のみを覆っている点である。ケース内側において第１封止材４１，５１以外の部分には、第１封止材４１，５１と材料の異なる封止材（以下、第２封止材とする）４２，５２が充填されている。すなわち、ケース内側の異なる位置に充填された２種類以上の樹脂材料で封止材１１が構成されている。
【００４１】
具体的には、図４に示すように、端子ピン９の、半導体チップ１と回路基板１０とに挟まれた部分、および半導体チップ１を第１封止材４１で覆い、ケース内側の第１封止材４１以外の部分に第２封止材４２を充填した構成としてもよい。また、図５に示すように、積層基板３と回路基板１０とに挟まれた空間全体に第１封止材５１を充填して、第１封止材５１によって端子ピン９の、半導体チップ１と回路基板１０とに挟まれた部分、半導体チップ１、およびヒートスプレッダ２のみを覆う構成としてもよい。ケース内側の第１封止材５１以外の部分には、第２封止材５２が充填される。第２封止材４２，５２として、例えば第１封止材４１，５１よりも低コストの樹脂材料を用いてもよい。具体的には、第２封止材４２，５２として、例えば、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等を用いることが好ましい。その理由は、チップ周辺が最も発熱しやすく、それ以外の場所はチップ周辺ほど高温にならないため、高耐熱で高価な樹脂で封止する必要がないからである。
【００４２】
以上、説明したように、実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態２によれば、狭い間隔で配置されボイドの生じやすい導体部間（例えば端子ピン間）に酸化膜に対する濡れ性の高い第１封止材を充填することでボイドの発生を抑制し、かつボイドの生じやすい箇所以外に第１封止材よりも低コストの第２封止材を充填することで半導体モジュールの低コスト化を図ることができる。
【００４３】
（実施例）
次に、封止材１１の接触角θ、および、封止材１１にボイドが発生する度合について検証した。図６は、実施例の評価結果を示す図表である。まず、上述した実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法にしたがってオゾン酸化処理したニッケル−リン合金片の表面の酸化膜上にモノマレイミド樹脂を塗布し、一般的な接触角計を用いて酸化膜に対する樹脂の接触角θを測定した（以下、実施例とする）。ニッケル−リン合金片が端子ピン９に相当し、モノマレイミド樹脂が封止材１１に相当する。実施例においては、非エポキシ系のモノマレイミド樹脂を用いた第１，２試料と、ヒドロキシ基を有するモノマレイミド樹脂を用いた第３，４試料と、について検証した。
【００４４】
比較として、オゾン酸化処理を行わずに、ニッケル−リン合金片の表面に直にマレイミド樹脂を塗布し、ニッケル−リン合金片に対する樹脂の接触角θを測定した（第５試料：以下、比較例１とする）。比較例１では、マレイミド樹脂の種類によらず同様の結果となるため、マレイミド樹脂の種類の記載を省略している。さらに、ニッケル−リン合金片の表面の酸化膜上に塗布する樹脂を、非エポキシ系のビスマレイミド樹脂とした第６試料と、エポキシ樹脂とした第７試料とについても、実施例と同様に酸化膜に対する樹脂の接触角θを測定した（以下、比較例２とする）。比較例２の樹脂の種類以外の条件は実施例と同様である。実施例および比較例１，２ともに樹脂の粘性はほぼ同じとした。これら実施例および比較例１，２における樹脂の接触角θを図６に示す。
【００４５】
また、図６には、実施の形態１にかかる半導体装置の構造を備えた半導体モジュールに実施例（第１〜４試料）および比較例１，２（第５〜７試料）を適用し、封止材１１にボイドが発生する度合を評価した結果（ボイド評価）も示す。すなわち、ボイド評価では、封止材１１として第１〜７試料に用いた樹脂を用いて半導体モジュールを作製した。この半導体モジュールにおいて、積層基板３と回路基板１０との間隔ｈ、端子ピン９のピッチｄは実施の形態１に記載した上記条件とした。図６のボイド評価において、◎は顕微鏡にて１０倍に拡大して観察したときにボイドを検出しなかったことを意味する（以下、最良とする）。○は目視によりボイドを検出しなかったことを意味する（以下、良好とする）。△は目視によりボイドを５か所未満検出したことを意味する（以下、正常とする）。×は目視によりボイドを５か所以上検出したことを意味する（以下、不良とする）。
【００４６】
図６に示す結果より、実施例においては、比較例２よりも酸化膜に対する樹脂の接触角θを小さくすることができることが確認された。また、半導体モジュールの封止材１１にボイドが発生する度合を、ボイド評価が最良（◎）、良好（○）および正常（△）になる程度に抑制することができることが確認された。その理由は、次の通りである。酸化膜の表面には部分的にヒドロキシ基が存在することで、親水性となっている。モノマレイミド樹脂は、末端を酸素原子で終端した有機化合物であり、親水性を示す酸化膜の表面との親和性が高い。すなわち、モノマレイミド樹脂は、酸化膜に対する濡れ性が高いからである。また、ヒドロキシ基を有するモノマレイミド樹脂を用いた第３，４試料は、ヒドロキシ基を有していないモノマレイミド樹脂を用いた第１，２試料と比べて、酸化膜に対する樹脂の接触角θを小さく、かつボイド評価を高くすることができることが確認された。その理由は、酸化膜の表面は酸素原子で終端されており、ヒドロキシ基は酸素原子で終端された面になじみがよく、かつ酸素原子との共有結合を作りやすいからである。
【００４７】
一方、比較例２では、ニッケル−リン合金片の表面に酸化膜を形成したとしても、酸化膜に対する樹脂の接触角θおよびボイド評価がともに、ニッケル−リン合金片の表面に直に樹脂を塗布した比較例１とほぼ同じく悪い結果になることが確認された。特に比較例２の第７試料のようにエポキシ樹脂を用いた場合、比較例１と同じ悪い結果となる。その理由は、エポキシ樹脂の濡れ性が低いからである。エポキシ樹脂の濡れ性が低い理由は、エポキシ樹脂が末端にメチル基を有しているからであると推測される。また、比較例２の第６試料のようにビスマレイミド樹脂を用いた場合、酸化膜に対する樹脂の接触角θが大きくなる。その理由は、次の通りである。ビスマレイミド樹脂は、末端を酸素原子で終端しているが、末端基を挟んで２つのモノマレイミドを配置した対称構造であり、かつ末端基にヒドロキシ基を含有しない。このため、ビスマレイミド樹脂は、モノマレイミド樹脂に比べて酸化膜に対する濡れ性が低いからである。
【００４８】
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、本発明は、上述した狭いピッチで端子ピンが隣り合っていたり、狭い間隔で積層基板と回路基板とが配置されるピン構造の半導体モジュールで特に効果を奏するが、ヒートシンク上（または積層基板上）の各部材が封止材に内包されたさまざまな構成の半導体モジュールに本発明を適用可能である。すなわち、回路基板や端子ピンを設けない構成であっても、積層基板の周囲などボイドの発生しやすい箇所を有する従来構造に本発明を適用にした場合においても同様の効果を奏する。また、上述した各実施の形態では、封止材として非エポキシ系のモノマレイミド樹脂を用いる場合を例に説明しているが、封止材は酸化膜に対する濡れ性の高い熱硬化性の材料であればよく、他の材料を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、インバータなどの電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置や自動車のイグナイタなどに使用されるパワー半導体装置に有用であり、特に導電部間の間隔が狭いピン構造の半導体モジュールに適している。
【符号の説明】
【００５０】
１  半導体チップ
２  ヒートスプレッダ
３  積層基板
４，６  導電性板
５  セラミック基板
７  ヒートシンク
８  外部電極用端子
９  端子ピン
１０  回路基板
１１  封止材
１２ａ  外部電極用端子のケース外側に露出される部分
１２ｂ〜１２ｄ  主端子のケース外側に露出される部分
１３ａ〜１３ｄ  主端子の保護テープで保護されていないケース内側の部分（主端子のケース内側に位置する部分）
２１〜２９  酸化膜
３１ａ〜３１ｄ  保護テープ
４１，５１  第１封止材
４２，５２  第２封止材
Ｐ，Ｎ，Ｕ  主端子
ｄ  端子ピンのピッチ
ｈ  積層基板と回路基板との間隔
【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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