(57)【要約】【課題】Cu素材の基板表面にPAI含有プライマー処理をおこなった後にエポキシ樹脂からなる封止樹脂材を成形して半導体装置を製造する製造方法に関し、成形温度を最適な温度範囲に制御することにより、封止樹脂体と基板の接着強度が従来構造の半導体装置に比して格段に高くすることのできる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】CuもしくはCu合金からなる基板２の素子搭載面の上にはんだ層３を介して半導体素子１が接続され、基板２と半導体素子１がエポキシ樹脂からなる封止樹脂体４で封止されてなる半導体装置１０の製造方法であって、封止樹脂体を成形する前段で、基板２の表面のうち、少なくとも外部に露出する箇所にPAI含有プライマーをプライマー処理し、145℃〜165℃の成形温度範囲で封止樹脂体４を成形する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
CuもしくはCu合金からなる基板の素子搭載面の上にはんだ層を介して半導体素子が接続され、基板と半導体素子がエポキシ樹脂からなる封止樹脂体で封止されてなる半導体装置の製造方法であって、
封止樹脂体を成形する前段で、基板の表面のうち、少なくとも外部に露出する箇所にPAI含有プライマーをプライマー処理し、145℃〜165℃の成形温度範囲で封止樹脂体を成形する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記プライマー処理の前段で基板の表面からCu酸化被膜を除去する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
少なくともプライマー処理が真空雰囲気下、もしくは不活性ガス雰囲気下でおこなわれる請求項１または２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】
本発明は、基板と半導体素子が封止樹脂体で封止されてなる半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を搭載した半導体装置（パワーモジュール）は、回路基板の表面に半導体素子がはんだ層を介して接続されたユニットがケース内に収容され、さらにこのケース内に封止樹脂体が形成された構成のものや、ケースレス構造であって、比較的硬質の封止樹脂体で回路基板や半導体素子が保護された構成のものなど、その形態は多様に存在している。なお、ケースレス構造のもの、ケースを具備する構造のもののいずれであっても、それらの下方にはヒートシンクや冷媒を還流させる冷却器などが配され、半導体素子からの熱をこれらに放熱させる構造が一般に適用されている。
【０００３】
ところで、ケースレス構造の半導体装置においては、回路基板や半導体素子の表面を保護する硬質の封止樹脂体と回路基板の間の接着力を高めるために、封止樹脂体と接着する回路基板の接着面（すなわち、回路基板の表面のうち、半導体素子を搭載するはんだ層が形成されていない領域）には多数の凹溝を設けて封止樹脂体との接着面積を増加させ、接着界面における接着力を高めようとする半導体装置も開発されており、たとえば特許文献１にこのような構成の半導体装置が開示されている。
【０００４】
このようにケースレス構造であって、回路基板の表面に多数の凹溝を設けて封止樹脂体との接着面積を増加させる構成の半導体装置を図６に模擬している。同図で示す半導体装置Ｐ１は、Cu素材の基板Ｋの素子搭載面の上にはんだ層Ｈを介して半導体素子Ｓが接合され、基板Ｋと半導体素子Ｓが比較的硬質のエポキシ樹脂からなる封止樹脂体Ｆで封止されてなる半導体装置であり、基板Ｋのうち、封止樹脂体Ｆと接着される表面に多数の凹溝Ｋａ，…が設けられ、ここに封止樹脂体Ｆの一部が入り込んで双方の接着強度が高められた構成となっている。封止樹脂体Ｆの成形においては、大気雰囲気下、180℃程度の成形温度でエポキシ樹脂をトランスファー成形し、たとえば4時間以上の硬化時間を経て封止樹脂体Ｆが成形される。
【０００５】
特許文献１や図６で示されるケースレス構造の半導体装置においては、封止樹脂体と接着される基板表面に多数の凹溝が設けられて双方の接着界面が増加されたことにより、接着界面における接着力が高まると考えられており、理論上は確かに接着力が高められることになる。しかしながら、限られた範囲に多数の凹溝を設けることから個々の凹溝が細かくなってしまい、封止樹脂材が凹溝内に十分に充填されずにボイドが生じ、結果として接着力を十分に高めることができないことが本発明者等によって特定されている。
【０００６】
また、多数の凹溝を基板表面に形成することからそのための加工手間を要し、これが製造効率低下に繋がる恐れもある。たとえば流動性の良好な樹脂を適用して細かな凹溝内への樹脂の充填性を保証しようとすると、結局は、使用できる樹脂素材が限定されたり、あるいは、放熱性を高めるために樹脂内にフィラーを含有させたい場合に、フィラーの含有に起因して樹脂の流動性が低下することからフィラーの含有を断念せざるを得ないといった問題などもある。
【０００７】
さらに、封止樹脂材によってCu基板表面が酸化し易く、脆弱な酸化被膜が介在することで封止樹脂体と基板の接着強度が著しく低下する恐れがある。
【０００８】
一方、特許文献２には、Cuからなる基板にPAI（ポリアミドイミド）を含有したプライマーをプライマー処理し、封止樹脂材を175℃でモールド成形する技術が開示されている。
【０００９】
このことを図７を参照して説明すると、同図で示す半導体装置Ｐ２は、Cu素材の基板Ｋの素子搭載面の上にはんだ層Ｈを介して半導体素子Ｓが接合され、基板Ｋと半導体素子Ｓが比較的硬質のエポキシ樹脂からなる封止樹脂体Ｆで封止されてなる半導体装置であり、基板Ｋのうち、封止樹脂体Ｆと接着される表面にプライマー処理層Ｑを形成しておき、これと封止樹脂体Ｆを接着させることによって接着強度が高められた構成となっている。
【００１０】
基板の露出面に凹凸が形成されていないことから封止樹脂体の成形に際してボイドの発生が抑制でき、封止樹脂材の流動性の制限も緩和される。また、PAI含有プライマー層が形成されていることから、Cu素材の基板表面の酸化が抑制でき、もって封止樹脂体と基板の接着強度の向上が期待できるはずである。
【００１１】
そこで、本発明者等は、図６，７にかかる従来の半導体装置Ｐ１，Ｐ２を構成する基板と封止樹脂体を接着させた不図示の試験体を作成し、不図示のシェアテスターで封止樹脂体の途中位置をせん断した際の封止樹脂体と基板の間の接着強度を測定する実験をおこなった。なお、この実験条件の詳細は後述する。実験結果を図８に示している。
【００１２】
同図より、半導体装置Ｐ１の試験体、Ｐ２の試験体ともに、接着強度に大きな差異はなく、Ｐ２の試験体の方が接着強度が低下するという結果が得られている。
【００１３】
この比較例に関する実験結果を踏まえ、本発明者等は、Cu素材の基板表面にPAI含有プライマー処理をおこなうことを前提としながら、エポキシ樹脂からなる封止樹脂材の成形温度を最適な温度範囲に制御することにより、封止樹脂体と基板の接着強度が従来構造の半導体装置に比して格段に高くなる製造方法を見出し、本願発明に至っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特許第３７４８８４９号公報
【特許文献２】特開２００６−２４１４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、Cu素材の基板表面にPAI含有プライマー処理をおこなった後にエポキシ樹脂からなる封止樹脂材を成形して半導体装置を製造する製造方法に関し、成形温度を最適な温度範囲に制御することにより、封止樹脂体と基板の接着強度を従来構造の半導体装置に比して格段に高くすることのできる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】
【００１６】
前記目的を達成すべく、本発明による半導体装置の製造方法は、CuもしくはCu合金からなる基板の素子搭載面の上にはんだ層を介して半導体素子が接続され、基板と半導体素子がエポキシ樹脂からなる封止樹脂体で封止されてなる半導体装置の製造方法であって、封止樹脂体を成形する前段で、基板の表面のうち、少なくとも外部に露出する箇所にPAI含有プライマーをプライマー処理し、145℃〜165℃の成形温度範囲で封止樹脂体を成形するものである。
【００１７】
本発明の製造方法は、基板のうち、はんだ層を介して半導体素子と接続される領域以外の領域、すなわち、本来的には封止樹脂体と密着する領域（露出表面）に封止樹脂体の成形の前段でPAI（ポリアミドイミド）含有プライマーをプライマー処理しておくことと、エポキシ樹脂からなる封止樹脂材の射出（射出成形、トランスファー成形など）の際の成形温度を145℃〜165℃の温度範囲でおこなうこと、を特徴とするものである。
【００１８】
前者の特徴構成により、基板の露出表面の凹凸処理が不要となり、凹凸内に生じ得るボイドによって接着強度が低下するといった課題を解消でき、基板の該露出表面の酸化を抑制することができる。
【００１９】
一方、後者の特徴構成により、基板のCuがPAI含有プライマー内に広範囲に拡散することを防止でき、PAIの有する高接着力性能、高耐熱性能を期待することができ、このプライマーを介して封止樹脂体と基板の高い接続強度を奏するものとなる。なお、既述する特許文献２で開示する170℃以上の温度条件では、基板のCuがプライマー内に拡散しながら酸化され易くなってしまい、PAIの有する上記特性を期待し難くなってしまうことが本発明者等の知見によって分かっている。
【００２０】
ここで、「封止樹脂体を成形する前段」とは、封止樹脂体の成形前の多様な段階を包含する意味であり、基板に半導体素子がはんだ付けされた後に基板の露出表面にプライマー処理をおこなってもよいし、基板表面のうち、はんだ層形成箇所にマスキングを施してその他の表面部位にプライマー処理を施し、マスキングを剥がして半導体素子をはんだ付けしてもよい。
【００２１】
また、「基板」とは、回路基板、もしくは回路基板と絶縁基板の組み合わせ、もしくは回路基板と絶縁基板と応力緩和基板の組み合わせなど、のすべてを総称するものである。また、この絶縁基板は、たとえば純Alからなる基板とAlN(窒化アルミニウム)からなる基板を積層してなる積層体（DBA）であってもよいことは勿論のことである。また、この半導体装置は、上記基板の下方に、ヒートシンク板や、ヒートシンク板と冷媒還流路を具備する冷却器とのアルミダイキャスト一体成形体を具備するものであってもよい。
【００２２】
また、封止樹脂体がエポキシ樹脂からなることで比較的硬質な封止樹脂体で半導体素子等を防護することができるため、ケースレス構造の半導体装置に好適である。なお、封止樹脂体の放熱性を高めるべく、エポキシ樹脂にシリカやアルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウム等の熱伝導性フィラーが含有された素材を適用してもよい。
【００２３】
また、「PAI含有プライマー」とは、PAIを主成分として含み、その他の成分は任意であって、エポキシ樹脂やポリオール樹脂などの他の樹脂成分、硬化剤（フェノール樹脂やアミノ樹脂などからなる）などが所望の含有割合で混合されたプライマー組成物のことである。なお、PAIにエポキシ樹脂を加えることで低温硬化性、高接着性が得られる。
【００２４】
また、本発明による半導体装置の製造方法の好ましい実施の形態として、前記プライマー処理の前段で基板の表面からCu酸化被膜を除去する製造方法を挙げることができる。
【００２５】
Cu酸化被膜を除去する方法としては、酸化被膜除去剤を用いて洗浄する方法を挙げることができ、Cu素材の基板の露出表面に形成され易い酸化被膜を予め除去しておくことで基板とプライマーとの接着性が良好となる。
【００２６】
さらに、本発明による半導体装置の製造方法の好ましい実施の形態として、少なくともプライマー処理が真空雰囲気下、もしくは不活性ガス雰囲気下でおこなわれる製造方法を挙げることができる。
【００２７】
ここで、「少なくともプライマー処理が」とは、プライマー処理工程を真空雰囲気（減圧雰囲気を含む）下等でおこなうこと、プライマー処理工程に加えて射出成形工程（トランスファー成形）を真空雰囲気下等でおこなうこと、プライマー処理工程と射出成形工程に加えて樹脂が硬化するまでのキュア工程までの全工程を真空雰囲気下等でおこなうこと、などを包含する意味である。
【００２８】
本発明者等の検証によれば、PAI含有プライマーで基板の露出表面をプライマー処理すること、145℃〜165℃の成形温度範囲で封止樹脂体を成形すること、に加えて、真空雰囲気下等でプライマー処理等をおこなうことで封止樹脂体と基板の接着強度が一層高めることが知見として得られている。
【００２９】
上記する本発明の製造方法で得られた半導体装置は、上記のごとく基板と封止樹脂体の接着強度が極めて高いものであることから、耐衝撃性、耐久性に優れており、さらには、基板の露出表面にプライマー処理を施すだけの簡易な製法改良ゆえに基板表面に凹凸を付したりすることに比べて製法も簡易となり、このことは製造コスト低減に繋がる。これらのことから、上記する本発明の製造方法で得られた半導体装置は、搭載部品等に対して高耐久性と製造コスト低減を要求する近時のハイブリッド車や電気自動車に車載されるインバータ等への適用に最適である。
【発明の効果】
【００３０】
以上の説明から理解できるように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、基板のうち、本来的には封止樹脂体と密着する領域（露出表面）に封止樹脂体の成形の前段でPAI含有プライマーをプライマー処理しておくこと、および、エポキシ樹脂からなる封止樹脂材の射出の際の成形温度を145℃〜165℃の温度範囲でおこなうこと、によって、封止樹脂体と基板の接着強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の製造方法で製造された半導体装置の一実施の形態の縦断面図である。
【図２】基板（の表面のフライマー層）と封止樹脂体の接着強度を評価する実験で使用した試験体と試験概要を模擬した図である。
【図３】封止樹脂材（エポキシ樹脂）の硬化温度を種々変化させ、これと基板−封止樹脂体の接着強度の関係に関する実験結果を示す図である。
【図４】封止樹脂材（エポキシ樹脂）の成形条件を種々変化させ、それぞれの成形条件と基板−封止樹脂体の接着強度の関係に関する実験結果を示す図である。
【図５】成形温度が175℃の場合のCu素材の基板とPAI含有プライマー層の界面の状態を示したTEM画像図である。
【図６】従来の半導体装置の一実施の形態の縦断面図である。
【図７】従来の半導体装置の他の実施の形態の縦断面図である。
【図８】図６，７で示す従来の半導体装置を構成するそれぞれの基板−封止樹脂体の接着強度を検証した実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照して本発明の半導体装置の製造方法とこの方法によって製造された半導体装置の一実施の形態を説明する。なお、製造される半導体装置は図示例のものに何等限定されるものではなく、他の構成要素として、他の構成要素、たとえば、絶縁基板や応力緩和板、ヒートシンクや冷却器などがさらに付加された半導体装置であってもよく、これらの積層体がケース内に収容された形態、ケース内に封止樹脂体がポッティングされた形態などであってもよい。
【００３３】
（半導体装置とその製造方法の実施の形態）
図１は本発明の製造方法で製造された半導体装置の一実施の形態の縦断面図である。図示する半導体装置１０は、CuもしくはCu合金からなる基板２（回路基板）の上にはんだ層３を介して半導体素子１（ICチップやトランジスタ、ダイオードなど）が接続され、回路基板２の露出表面にPAI含有プライマー層５が形成され、PAI含有プライマー層５の表面、はんだ層３の露出部および半導体素子１が比較的硬質のエポキシ樹脂からなる封止樹脂体４で包囲されてその全体が大略構成されており、ケースレス構造を呈するものである。
【００３４】
ここで、封止樹脂体４を形成するエポキシ樹脂内には、シリカやアルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウム等の熱伝導性フィラーが含有されていてもよい。
【００３５】
はんだ層３は、Pb系はんだ、Pbフリーはんだのいずれであってもよいが、環境影響負荷低減を図るべく、Sn−Ag系はんだ、Sn−Cu系はんだ、Sn−Ag−Cu系はんだ、Sn−Zn系はんだ、Sn−Sb系はんだなどのPbフリーはんだからなるものが好ましい。
【００３６】
PAI含有プライマーは、PAIを主成分として含み、その他の成分としては、エポキシ樹脂やポリオール樹脂などの他の樹脂成分、硬化剤（フェノール樹脂やアミノ樹脂などからなる）などが所望の含有割合で混合されたプライマー組成物からなる。
【００３７】
次に、図示する半導体装置１０の製造方法を概説する。
【００３８】
まず、基板２の表面のうち、はんだ層３が形成される箇所に不図示のマスキングを施してその他の表面部位にPAI含有プライマーを塗工（プライマー処理）し、これが硬化してPAI含有プライマー層５が形成された段階でマスキングを剥がす。
【００３９】
次に、半導体素子１を基板２の中央領域にはんだ層３を介してはんだ付けし、基板２と半導体素子１の組み付けユニットを不図示の成形型内に収容し、エポキシ樹脂をトランスファー成形し、熱硬化させて封止樹脂体４が成形されることで図１で示す半導体装置１０が製造される。
【００４０】
この製造過程において、トランスファー成形の際の成形温度を145℃〜165℃の温度範囲でおこなうことにより、基板２のCuがPAI含有プライマー層５の内部に拡散することのを防止することができ、PAIの有する高接着力性能、高耐熱性能を期待することのできるプライマー層５を介して封止樹脂体４と基板２を高い接続強度で接続することができる。
【００４１】
また、プライマー処理工程を真空雰囲気もしくは窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下でおこなうこと、もしくは、プライマー処理工程に加えて射出成形工程を真空雰囲気下等でおこなうこと、もしくはプライマー処理工程と射出成形工程に加えて樹脂が硬化するまでのキュア工程までの全工程を真空雰囲気下等でおこなうことにより、封止樹脂体４と基板２の接着強度を一層高めることができる。
【００４２】
[基板（の表面のフライマー層）と封止樹脂体の接着強度を評価する実験とその結果]
本発明者等は、本発明の製造方法で得られた基板（の表面のフライマー層）と封止樹脂体の接着強度を評価する実験をおこなった。ここで、図２は、実験で使用した試験体と試験概要を模擬した図である。
【００４３】
同図において、Cu素材の基板試験片Ｍ３の表面にPAI含有プライマーを塗布し、乾燥させてPAI含有プライマー層Ｍ１を形成し、PAI含有プライマー層Ｍ１の上にエポキシ樹脂をトランスファー成形し、アフターキュア（硬化）させて封止樹脂体試験片Ｍ２を成形してPAI含有プライマー層Ｍ１と接着させ、試験片Ｍを製作した。
【００４４】
本実験では、成形時の温度条件を種々変化させ、大気雰囲気下、4時間の硬化時間で試験片を作成し、それぞれの試験片に対してシェアテスターＴを使用して（移動方向はＸ方向）接着強度を測定している。
【００４５】
ここで、シェアテスターＴのシェア速度は50μm/s、シェア高さは30μm、測定温度は25±3℃である。封止樹脂材の硬化温度と基板−封止樹脂体の接着強度の関係に関する実験結果を図３に示している。
【００４６】
同図では、各試験片の接着強度を近似曲線で繋いだグラフをともに示している。同グラフより、エポキシ樹脂からなる封止樹脂材の硬化温度が145℃、165℃でともに変曲点を迎え、145℃〜165℃の間で16MPa程度と最も高い接着強度を示すことが実証されている。
【００４７】
なお、図８で示す従来構造の半導体装置Ｐ１，Ｐ２の試験体も図２と同じような方法で作成しており、シェアテスターＴを使用して上記条件で接着強度を測定したものである。
【００４８】
図８の結果と図３の結果を比較すると明らかであるが、従来構造の半導体装置Ｐ１の試験体の接着強度に対して2倍以上、従来構造の半導体装置Ｐ２の試験体の接着強度に対して3倍以上の接着強度を有することが分かる。
【００４９】
この実験結果より、エポキシ樹脂からなる封止樹脂材の硬化温度、すなわち、成形温度を145℃〜165℃の間に調整するのがよいと規定することができる。
【００５０】
次に、本発明者等は、トランスファー成形とアフターキュアの際の温度条件、時間条件、雰囲気条件を種々変化させて試験片を作成し、それぞれの試験片に対して上記と同様にシェアテスターＴを使用して（移動方向はＸ方向）接着強度を測定している。
【００５１】
実施例1の試験片は、プライマー処理前に酸化銅被膜を除去し、プライマー処理、トランスファー成形、キュアの全工程を真空雰囲気下でおこなったものである。また、実施例2の試験片は、成形温度が150℃で硬化時間が2時間のもの、実施例3の試験片は、成形温度が150℃で、プライマー処理、トランスファー成形、キュアの全工程を真空雰囲気下でおこなったものである。さらに、実施例4の試験片は、プライマー処理前に酸化銅被膜を除去し、成形温度が150℃で硬化時間が2時間であって、プライマー処理、トランスファー成形、キュアの全工程を真空雰囲気下でおこなったものである。測定結果を図４に示している。
【００５２】
同図において、温度制御のみの場合の接着強度（約15MPa）を点線で示している。実施例1〜4の中でも、プライマー処理前に酸化銅被膜の除去をおこない、全工程を真空雰囲気下でおこなう実施例4の結果が温度制御のみの場合よりも格段に高い接着強度を有することが実証されている。
【００５３】
また、図５には、Cu素材の基板とPAI含有プライマー層の界面の状態を示したTEM画像図を示しており、封止樹脂材の硬化温度が175℃の場合のものである。
【００５４】
この硬化温度で封止樹脂材を成形すると、基板のCuが酸化銅としてプライマー層に拡散することが確認できる。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５６】
１…半導体素子、２…基板（回路基板）、３…はんだ層、４…封止樹脂体、５…PAI含有プライマー層、１０…半導体装置
【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】
2013135061.tif 000009
【図８】
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