(57)【要約】【課題】高温動作可能な化合物半導体素子を用いた場合においても、半導体素子とモールド樹脂との密着性を確保することができる半導体装置を得る。【解決手段】金属部材に半導体素子を搭載した実装体を封止樹脂によって封止して形成した半導体装置であって、半導体素子１の表面が親水性であり、半導体素子１と封止樹脂８との界面に、無機材料に結合する第一の反応基と有機材料に結合する第二の反応基とを有するカップリング剤９が介在する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材に半導体素子を搭載した実装体を封止樹脂によって封止して形成した半導体装置であって、
前記半導体素子の表面が親水性であり、前記半導体素子と前記封止樹脂との界面に、無機材料に結合する第一の反応基と有機材料に結合する第二の反応基とを有するカップリング剤が介在することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
金属部材に半導体素子を搭載した実装体を封止樹脂によって封止して形成した半導体装置であって、
前記半導体素子の表面が親水性であり、前記封止樹脂には、無機材料に結合する第一の反応基と有機材料に結合する第二の反応基とを有するカップリング剤を添加されることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記半導体素子は、化合物半導体で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記化合物半導体は、炭化ケイ素または窒化ガリウムであることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
金属部材に半導体素子を搭載した実装体を封止樹脂によって封止して形成した半導体装置の製造方法であって、
前記半導体素子の表面を親水化する工程と、
前記親水化した表面に、無機材料に結合する第一の反応基と有機材料に結合する第二の反応基とを有するカップリング剤を塗布する工程と、
前記カップリング剤塗布後に、前記半導体素子を前記封止樹脂によって封止する工程とを備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項６】
金属部材に半導体素子を搭載した実装体を封止樹脂によって封止して形成した半導体装置の製造方法であって、
前記半導体素子の表面を親水化する工程と、
前記半導体素子を、無機材料に結合する第一の反応基と有機材料に結合する第二の反応基とを有するカップリング剤を添加した前記封止樹脂によって封止する工程とを備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項７】
前記半導体素子は、化合物半導体で形成されていることを特徴とする請求項５または請求項６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記化合物半導体は、炭化ケイ素または窒化ガリウムであることを特徴とする請求項７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、半導体素子を樹脂で封止して形成される半導体装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置（以下、パワーモジュールと称す）は、電源（電力）の制御や供給を行う半導体素子（以下、パワー半導体素子と称す）を樹脂で封止して電気的な絶縁を確保する。従来からこの種のパワーモジュールとしては、金属体およびこの金属体にシリコン（Ｓｉ）製パワー半導体素子などの電子素子を搭載してなる実装体を、モールド樹脂で封止したものが利用されている（例えば、特許文献１参照）。モールド樹脂としては、エポキシ樹脂、硬化剤および無機質充填材を主成分とするエポキシ樹脂組成物が用いられる。シリコン（Ｓｉ）製パワー半導体素子とモールド樹脂との密着性が低いと、モールド樹脂による実装体の封止が不十分となり信頼性を確保できなくなる。そのため、シリコン（Ｓｉ）製パワー半導体素子とモールド樹脂との密着性向上の手段として、カップリング剤の使用が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
一般的に、カップリング剤として用いられるシリコーン系カップリング剤（例えば、シランカップリング剤）は、一分子中に第一の反応基としてアルコキシシラン部位と第二の反応基として有機官能基とを併せもつ有機ケイ素化合物である。第一の反応基であるアルコキシシラン部位は、水分の存在下で加水分解してシラノール基を生成し、実装体表面の水酸基との水素結合を介して実装体表面に移行し、さらに脱水縮合反応により無機物表面と強固な共有結合する。一方、第二の反応基である有機官能基は使用するモールド樹脂成分に応じて様々な官能基が選択でき、樹脂成分と化学的に結合する。この２種類の反応によりカップリング剤を介して実装体とモールド樹脂との結合が得られる。
【０００４】
また、シランカップリング処理は、シランカップリング剤を水や有機溶剤に溶かして十分に加水分解させた水溶液を調整し、これを実装体表面にスプレー、浸漬などの方法で塗布した後で乾燥して実装体表面に固着させるとともに、有機官能基を実装体表面の外に配向させる。その後、モールド樹脂で封止する際に樹脂成分と有機官能基とを化学的に結合させてなる。また、モールド樹脂中にシランカップリング剤を混入し、実装体表面の吸着水を利用してシラノール基との反応を生じさせる方法もとられる。金属体およびシリコン（Ｓｉ）製パワー半導体素子の表面には自然酸化膜が形成されているため親水性が高く、カップリング処理により実装体表面で効果的に作用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１２９８２２（第６頁、第１図）
【特許文献２】特開平９−２２１５８０（第２−４頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のパワー半導体装置では、パワー半導体素子とモールド樹脂との密着性を強化するために、カップリング剤が用いられている。ところで、従来のシリコン（Ｓｉ）製パワー半導体素子に比べて、低損失、高耐圧、高温動作が可能な化合物半導体素子のパワーモジュールへの適用が進められている。化合物半導体素子、たとえばパワーモジュールへの適用が検討されている炭化ケイ素（ＳｉＣ）製パワー半導体素子は、従来のシリコン（Ｓｉ）製パワー半導体素子に比べて損失が小さく高温動作が可能であり、使用環境において生じる温度変化の増大が想定される。このとき、エポキシ樹脂と化合物半導体素子、あるいはエポキシ樹脂と金属体の熱膨張係数の差によって各界面に発生するひずみが増加し、この部分での剥離発生・進行によって電気的絶縁信頼性が損なわれる。さらに、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）など化合物半導体素子は、その表面が疎水性を示す場合が多く、水を介した反応が生じにくい性質がある。そのため、表面が疎水性を示し、高温動作が可能な化合物半導体においては、パワー半導体素子とモールド樹脂との密着性強化のためにカップリング剤を用いても、高温動作環境に耐えうる密着性を得ることが難しいという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高温動作可能な化合物半導体素子をパワー半導体素子として用いた場合においても、パワー半導体素子とモールド樹脂との密着性を向上させることができる半導体装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る半導体装置においては、金属部材に半導体素子を搭載した実装体を封止樹脂によって封止して形成した半導体装置であって、前記半導体素子の表面が親水性であり、前記半導体素子と前記封止樹脂との界面に、無機材料に結合する第一の反応基と有機材料に結合する第二の反応基とを有するカップリング剤が介在することを特徴とする半導体装置。
【発明の効果】
【０００９】
この発明は、半導体素子の表面が親水性であり、半導体素子と封止樹脂との界面に、無機材料に結合する第一の反応基と有機材料に結合する第二の反応基とを有するカップリング剤が介在するので、高温動作可能な化合物半導体素子をパワー半導体素子として用いた場合においても、パワー半導体素子とモールド樹脂との密着性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１におけるパワー半導体装置の断面概略図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるパワー半導体装置の製造工程を示すフロー図である。
【図３】この発明の実施の形態１におけるパワー半導体素子とモールド樹脂間の密着強度の測定結果を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２におけるパワー半導体装置の断面概略図である。
【図５】この発明の実施の形態２におけるパワー半導体装置の製造工程を示すフロー図である。
【図６】この発明の実施の形態３におけるパワー半導体装置の断面概略図である。
【図７】この発明の実施の形態３におけるパワー半導体装置の製造工程を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるパワー半導体装置の断面概略図である。図１に示すように、半導体装置であるパワー半導体装置１０は、半導体素子であるパワー半導体素子１、接合材２，４、金属体３、ボンディングワイヤ５、金属製リード６ａ，６ｂ、実装体７、モールド樹脂８、カップリング剤９で構成されている。
【００１２】
パワー半導体素子１は、たとえば炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）などの化合物半導体よりなるもので、公知の半導体プロセスによりウエハ上にデバイスが形成されたものであり、金属体３は銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）などの金属からなる板形状のものであり、接合材２，４はハンダや導電性接着剤など導電性接合材料のほか、樹脂接着剤などが挙げられる。金属製リード６ａ，６ｂは銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）などの金属からなり、ボンディングワイヤ５はアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）などが使用できる。封止樹脂は、金属体３にパワー半導体素子１を搭載した実装体７の全体を覆い封止するためのものである。封止樹脂であるモールド樹脂８はエポキシ樹脂、硬化剤および無機質充填材を主成分とするエポキシ樹脂組成物のほか、一般的な樹脂封止材が使用できる。
【００１３】
また、パワー半導体素子１の表面は、親水化処理により親水性にする。この親水化処理を行うのが親水化工程（親水化する工程）である。パワー半導体素子１の親水化処理を施した表面とモールド樹脂８のパワー半導体素子１と対向する面とにより形成される界面には、無機材料に結合する第一の反応基と有機材料に結合する第二の反応基とを有するカップリング剤９があり、このカップリング剤９が介在した状態で、パワー半導体素子１はモールド樹脂８により樹脂封止される。このカップリング剤９をパワー半導体素子１表面に形成するのが、カップリング剤９を塗布する工程であるカップリング工程であり、モールド樹脂８によりパワー半導体素子１を搭載した実装体７を樹脂封止するのが封止する工程である封止工程である。
【００１４】
図２は、本実施の形態によるパワー半導体装置の製造工程を示すフロー図である。まず始めに、ダイシング工程において、多数のパワー半導体素子１が形成されたウエハをダイシングテープに固着し、ダイシングして個片化する。次に、ピックアップ工程において、個片化されたパワー半導体素子１をピックアップする。次に、ダイボンド工程において、ピックアップしたパワー半導体素子１は接合材２を介して金属体３に搭載する。次に、配線工程において、パワー半導体素子１の金属体３と逆側の主面を、接合材４により直接金属リード６ｂの一端と、あるいはボンディングワイヤ５を介して金属製リード６ａの一端と電気的に接続して実装体７を形成する。ボンディングワイヤ５の接続方法としては、アルミのスティッチボンドのほか、金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）のボールボンディングなどの公知のワイヤボンディング工程が利用できる。
【００１５】
実装体７形成後に、親水化工程において、パワー半導体素子１の表面を親水化し、カップリング工程において、親水化処理したパワー半導体素子１表面にカップリング剤９を塗布する。次に、乾燥工程において、カップリング処理した実装体７を乾燥させる。その後、樹脂封止工程において、トランスファモールドや液状注型などのモールド工法によって、実装体７をモールド樹脂８で覆う。つまり、実装体７は本実施の形態のパワー半導体装置１０において、カップリング剤９を介してモールド樹脂８の内部に封止される。そして、キュア工程において、モールド樹脂８を硬化してパワー半導体装置１０を得る。なお、金属製リード６ａ，６ｂの他端はモールド樹脂８から外部へ突出しており、パワー半導体装置１０を外部と電気的に接続できるようになっている。
【００１６】
パワー半導体素子１の表面を親水化する方法として、アルカリ溶液処理、熱(火炎)処理、フッ素化処理、紫外線照射、電子線照射、低圧プラズマ、常圧プラズマ、コロナ放電、ブラスト、スパッタ成膜などが挙げられる。処理は単一であっても、２種類以上を複合したものであってもよく、処理後にオゾン、水系溶媒、水蒸気、水素など親水基を導入しやすい雰囲気に晒してもよい。
【００１７】
また、カップリング剤９としては、シリコーン系カップリング剤のほかアルミ系、チタン系など一分子中に第一の反応基として加水分解により無機物と結合する部位と第二の反応基として有機官能基とを併せもつ化合物が利用でき、モールド樹脂８に応じて有機官能基を自由に選択できる。このカップリング剤を予め、水やアルコールなどからなる水系溶媒中で加水分解させた水溶液を塗布、スプレー、浸漬により、実装体７表面に付着させ、乾燥することで、実装体７表面に定着させることができる。カップリング剤中には、無機材料に結合する第一の反応基と有機材料に結合する第二の反応基があり、第一の反応基が化合物半導体表面と第二の反応基が封止樹脂と結合することで、それぞれの界面での密着性を向上させることができる。さらに、本発明のようにパワー半導体素子１の表面に親水化処理を施すことにより、親水性となった化合物半導体素子表面と無機材料に結合する第一の反応基との反応が生じやすくなり、その結果、密着性を大幅に向上させることができる。
【００１８】
以下、本実施の形態によるパワー半導体装置において、パワー半導体素子１の表面とモールド樹脂８とのモールド樹脂密着強度の測定結果を説明し、パワー半導体素子１の表面とモールド樹脂８との密着性向上の効果を明らかにする。図３に、表面処理条件別に測定したパワー半導体素子１とモールド樹脂８との常温における密着強度の測定結果を示す。図３において、横軸は表面処理条件で、縦軸はモールド樹脂密着強度（単位％）である。ここで、モールド樹脂密着強度は未処理の場合の値を１００％としたときの相対値を用いている。
【００１９】
表面処理条件は、パワー半導体素子１として炭化ケイ素（ＳｉＣ）素子の表面に、（ａ）表面処理をしない場合である未処理、（ｂ）親水化処理のみした場合、（ｃ）カップリング処理のみした場合、（ｄ）親水化処理後にカップリング処理した場合の４条件である。親水化処理条件は、実装体７の素子表面に大気中で低圧水銀ランプ（波長２５４、１８５ｎｍ）を１０分間照射した。カップリング処理は、信越シリコーン（株）社製シランカップリング剤ＫＢＥ６０３（Ｎ−２−アミノエチル−３−アミノプロピルトリメトキシシラン）を０．５ｗｔ％酢酸水溶液に１．０ｗｔ％滴下し、よく攪拌した処理液中に実装体７を浸漬し、引き上げた実装体７表面からエアブローで過剰な処理液を除去し、１１０℃のオーブン中で５分間乾燥した。モールド樹脂は日立化成工業（株）製ＣＥＬ−４６５０を用いた。
【００２０】
密着力評価は、素子表面に直径３ｍｍのプリンカップ形状に、トランスファモールド装置で成形したものを、プッシュプルテスタ（アイコーエンジニアリング株式会社製ＲＸ−２０）を用いて１ｍｍ/ｓｅｃの定速で横荷重をかけ、せん断破壊したときの強度を測定した。
【００２１】
図３より、（ｂ）親水化処理のみ、（ｃ）カップリング処理のみの場合の条件では、（ａ）未処理の場合に比べて、ほとんど密着力に変化が見られないのに対して、（ｄ）親水化処理後にカップリング処理することで密着力が（ａ）未処理の場合に対して約３倍となる効果が得られた。
【００２２】
以上のように、カップリング処理を実施する前に、パワー半導体素子１の表面を親水化処理により親水性にすることで、パワー半導体素子１とモールド樹脂８との密着性にすぐれた信頼性の高い半導体装置を得ることができる。このため、高温動作時においても、パワー半導体素子とモールド樹脂との密着性を向上させることが可能となる。また、電気的絶縁信頼性を向上させることができる。
【００２３】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２におけるパワー半導体装置の断面概略図である。図４に示すように、実装体７形成前に、パワー半導体素子１をダイシングテープに貼り付けたまま、予め親水化処理およびカップリング処理を行った点が実施の形態１と異なる。
【００２４】
図５は、本実施の形態におけるパワー半導体装置の製造工程を示すフロー図である。まず始めに、ダイシング工程において、多数のパワー半導体素子１が形成されたウエハをダイシングテープに固着し、ダイシングして個片化する。次に、ダイシング処理で個片化したものを、ダイシングテープに貼り付けたまま、親水化工程において、パワー半導体素子１の表面を親水化処理により親水化する。次に、カップリング工程において、親水化処理したパワー半導体素子１表面にカップリング剤９を塗布する。次に、乾燥工程において、ダイシングテープに貼り付けたままカップリング処理したパワー半導体素子１を乾燥させる。次に、ピックアップ工程において、乾燥したパワー半導体素子１をピックアップする。次に、ダイボンド工程において、ピックアップしたパワー半導体素子１は接合材２を介して金属体３に搭載する。次に、配線工程において、パワー半導体素子１の金属体３と逆側の主面を、接合材４により直接金属リード６ｂの一端と、あるいはボンディングワイヤ５を介して金属製リード６ａの一端と電気的に接続して実装体７を形成する。ボンディングワイヤ５の接続方法としては、アルミのスティッチボンドのほか、金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）のボールボンディングなどの公知のワイヤボンディング工程が利用できる。
【００２５】
実装体７形成後に、樹脂封止工程において、トランスファモールドや液状注型などのモールド工法によって、実装体７をモールド樹脂８で覆う。つまり、実装体７は本実施の形態のパワー半導体装置１０において、カップリング剤９を介してモールド樹脂８の内部に封止される。キュア工程において、モールド樹脂８を硬化してパワー半導体装置１０を得る。なお、金属製リード６ａ，６ｂの他端はモールド樹脂８から外部へ突出しており、パワー半導体装置１０を外部と電気的に接続できるようになっている。このように、パワー半導体素子１をダイシングテープに貼り付けたまま、親水化処理およびカップリング処理を行った点が実施の形態１と異なる。親水化およびカップリング処理の条件は実施の形態１と同様の方法で行い、カップリング剤は信越シリコーン（株）社製シランカップリング剤ＫＢＭ３０３（２−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン)を用いた。
【００２６】
以上のように、カップリング処理を実施する前に、パワー半導体素子１表面を親水化処理により親水性にすることで、パワー半導体素子１とモールド樹脂８との密着性にすぐれた信頼性の高い半導体装置を得ることができる。また、予めパワー半導体素子１に対してカップリング処理を行うことで、使用するカップリング剤をパワー半導体素子１用に調整することも可能となり、モールド樹脂８との密着性をより強化することが可能となる。さらに、パワー半導体素子１に対してのみ、カップリング処理を行うことで、カップリング剤の使用量の削減もできる。
【００２７】
実施の形態３．
本実施の形態３におけるパワー半導体装置の断面概略図は図４に示したものと同じである。ただし、ここでは、カップリング剤として、シランカップリング剤ＫＢＭ３０３原液を、親水化したパワー半導体素子１側面に選択的に付着させ、３００℃以上で硬化させてシロキサン膜とした。このように、カップリング剤として、シランカップリング剤ＫＢＭ３０３０原液を用いカップリング処理後に３００℃以上の熱処理を実施し、カップリング剤をシロキサン膜としたところが実施の形態１と異なる。
【００２８】
以上のように、カップリング処理を実施する前に、パワー半導体素子１の表面を親水化処理により親水性にすることで、パワー半導体素子１とモールド樹脂８との密着性にすぐれた信頼性の高い半導体装置を得ることができる。また、カップリング処理後熱処理を行うことでカップリング処理後の効果持続時間が実施の形態２に比べて２倍に延長することができ、プロセス管理時間のマージンが拡がり生産性に優れる。
【００２９】
実施の形態４．
図６は、本実施の形態によるパワー半導体装置の断面概略図である。図６に示すように、カップリング剤９を予め添加したモールド樹脂１１を用いて、パワー半導体素子１の表面を親水化した実装体７を封止する。このようにして、パワー半導体装置２０が形成される。
【００３０】
図７は、本実施の形態によるパワー半導体装置の製造工程を示すフロー図である。図７に示すように、カップリング剤をモールド樹脂１１中に添加することで、カップリング処理工程を省略できることが実施の形態１と異なる。
【００３１】
以上のように、カップリング剤９をモールド樹脂８中に添加したモールド樹脂１１を用いることで、カップリング処理を省略することが可能で、実施の形態１と同様に密着力を向上することが可能である。また、カップリング処理を実施する前に、パワー半導体素子１表面を親水化処理により親水性にすることで、パワー半導体素子１とモールド樹脂１１との密着性にすぐれた信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１  パワー半導体素子、２，４  接合材、３  金属体、５  ボンディングワイヤ、６ａ，６ｂ  金属製リード、７  実装体、８  モールド樹脂、９  カップリング剤、１０，２０  パワー半導体装置、１１  カップリング剤を添加したモールド樹脂。
【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】
2013157400.tif 000007
【図６】
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【図７】
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