(57)【要約】【課題】  封止材と、被封止金属部材及び／またはケース部材との密着性を向上させた、高信頼性の半導体装置を提供する。【解決手段】  半導体素子１を実装した積層基板２と、封止材１０とを備える半導体装置であって、前記封止材１０が、エポキシ樹脂主剤と硬化剤とホスホン酸とを含む、半導体装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を実装した積層基板と、封止材とを備える半導体装置であって、前記封止材
が、エポキシ樹脂主剤と硬化剤とホスホン酸とを含む、半導体装置。
【請求項２】
前記半導体装置が、さらに樹脂ケースを備える、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記樹脂ケースが、表面処理された樹脂ケースである、請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記樹脂ケースが、ポリフェニレンサルファイド樹脂を含む、請求項２または３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記樹脂ケースの表面に前記ホスホン酸の層が形成されている、請求項２〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体素子及び前記積層基板を含む被封止部材の表面に前記ホスホン酸の層が形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記ホスホン酸が、前記封止材中に略均一に配合されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記ホスホン酸が、カルボキシル基を有するホスホン酸である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記ホスホン酸が、アミノ基を有するホスホン酸である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記エポキシ樹脂主剤が、脂環式エポキシ、及び／または脂肪族エポキシである、請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記エポキシ樹脂主剤が、脂肪族エポキシである、請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記封止材が無機充填材をさらに含む、及び／または前記硬化剤が酸無水物系硬化剤である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記半導体素子が、Ｓｉ半導体素子、ＳｉＣ半導体素子、またはＧａＮ半導体素子のいずれかを含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１４】
積層基板に半導体素子を実装する工程と、
前記積層基板及び前記半導体素子を含む部材の表面に、ホスホン酸層を形成する工程と、
前記ホスホン酸層に、エポキシ樹脂主剤と硬化剤とを含むエポキシ樹脂組成物を接触させる工程と
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
積層基板に半導体素子を実装する工程と、
前記半導体素子を実装した積層基板に、ケースを配設する工程と、
少なくとも前記ケースの表面に、ホスホン酸層を形成する工程と、
前記ホスホン酸層に、エポキシ樹脂主剤と硬化剤とを含むエポキシ樹脂組成物を接触させる工程と
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記ホスホン酸層を形成する工程の前に、前記ケースの表面に、表面処理を行う工程をさらに含む請求項１５に記載の製造方法。
【請求項１７】
積層基板に半導体素子を実装する工程と、
前記積層基板及び前記半導体素子を含む部材を、エポキシ樹脂主剤と硬化剤とホスホン酸とを含む封止材で封止する工程と
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記半導体素子を実装した積層基板に、ケースを配設する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
エポキシ樹脂と硬化剤とホスホン酸とを含む、電子機器封止用樹脂組成物。
【請求項２０】
請求項１９に記載の樹脂組成物により封止された電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。本発明は、特には、金属部材と封止材との密着性及びケース部材と封止材との密着性が向上した高信頼性の半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体装置は，効率的な電力変換を求められる分野で広く適用されている。例えば、近年注目を浴びている太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギー分野、ハイブリッド自動車や電気自動車などの車載分野、車両などの鉄道分野が挙げられる。これらパワー半導体装置には、スイッチング素子とダイオードが内蔵されており、従来、素子にはＳｉ(シリコン)半導体が用いられてきた。最近では、ＳｉＣ(シリコンカーバード)半導体などのワイドバンドギャップ半導体が用いられ始めている。ＳｉＣ半導体は、Ｓｉ半導体に比べ高耐圧、高耐熱、低損失といった特徴があり、パワー半導体装置に用いることにより、装置の小型化や低損失化が可能となる。また、Ｓｉ半導体も依然として広く使用されている。その際に、パワー半導体素子は、耐湿性、耐熱性、機械特性に優れたエポキシ樹脂を含む封止材で封止される。
【０００３】
しかしながら、エポキシ樹脂は、パワー半導体装置に用いられているパワー半導体素子の電極、導電性板、ワイヤ、ピンなどの金属部材及び／または樹脂ケースとの密着力が充分ではなく、信頼性の低下につながる場合があった。
【０００４】
密着性付与剤として、常温で固体のニトロトリスメチレンホスホン酸塩を含有する半導体封止用エポキシ樹脂が知られている（例えば、特許文献１を参照）。しかし、この技術においては、ホスホン酸塩の有機フィラーをエポキシ樹脂に混合しているため、例えば基材とホスホン酸、ホスホン酸とエポキシ樹脂との間に反応しにくく、密着強度が不十分であり、またホスホン酸塩のカチオンがエポキシ樹脂と反応してしまうため長期信頼性が不十分といった不利益がありうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2015-54898号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、エポキシ樹脂と半導体装置内に用いられている金属部材及び／またはケース部材との密着性を向上し、信頼性の高い半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、封止材を構成するエポキシ樹脂と、ホスホン酸とを組み合わせることで、エポキシ樹脂が本来有する優れた特性を保持したまま、エポキシ樹脂と、金属部材及び／またはケース部材との密着性を向上させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、一実施形態によれば、［１］半導体装置であって、半導体素子を実装した積層基板と、封止材とを備え、前記封止材が、エポキシ樹脂主剤と硬化剤とホスホン酸とを含む、半導体装置である。
【０００８】
［２］  前記［１］に記載の半導体装置において、前記半導体装置が、さらに樹脂ケースを備えることが好ましい。
【０００９】
［３］  前記［２］に記載の半導体装置において、前記樹脂ケースが、表面処理された樹脂ケースであることが好ましい。
【００１０】
［４］  前記［２］または［３］に記載の半導体装置において、前記樹脂ケースがポリフェニレンサルファイド樹脂を含むことが好ましい。
【００１１】
［５］  前記［２］〜［４］のいずれかに記載の半導体装置において、前記樹脂ケースの表面に前記ホスホン酸の層が形成されていることが好ましい。
【００１２】
［６］  前記［１］〜［５］のいずれかの半導体装置において、前記半導体素子及び前記積層基板を含む被封止部材の表面に前記ホスホン酸の層が形成されていることが好ましい。
【００１３】
［７］  前記［１］〜［６］のいずれかの半導体装置において、前記ホスホン酸が、前記封止材中に略均一に配合されていることが好ましい。
【００１４】
［８］  前記［１］〜［７］のいずれかの半導体装置において、ホスホン酸が、カルボキシル基を有するホスホン酸であることが好ましい。
【００１５】
［９］  前記［１］〜［７］のいずれかの半導体装置において、前記ホスホン酸が、アミノ基を有するホスホン酸であることが好ましい。
【００１６】
［１０］  前記ホスホン酸が、カルボキシル基を有するホスホン酸である前記［８］の半導体装置において、前記エポキシ樹脂主剤が、脂環式エポキシ、及び／または脂肪族エポキシであることが好ましい。
【００１７】
［１１］  前記ホスホン酸が、アミノ基を有するホスホン酸である前記［９］の半導体装置において、前記エポキシ樹脂主剤が、脂肪族エポキシであることが好ましい。
【００１８】
［１２］  前記［１］〜［１１］のいずれかの半導体装置において、前記封止材が無機充填材をさらに含む、及び／または、前記硬化剤が、酸無水物系硬化剤であることが好ましい。
【００１９】
［１３］  前記［１］〜［１２］のいずれかの半導体装置において、前記半導体素子が、Ｓｉ半導体素子、ＳｉＣ半導体素子、またはＧａＮ半導体素子のいずれかを含むことが好ましい。
【００２０】
本発明は、別の局面によれば、［１４］  半導体装置の製造方法であって、積層基板に半導体素子を実装する工程と、前記積層基板及び前記半導体素子を含む部材の表面に、ホスホン酸層を形成する工程と、前記ホスホン酸層に、エポキシ樹脂主剤と硬化剤とを含むエポキシ樹脂組成物を接触させる工程とを含む。
【００２１】
本発明は、また別の局面によれば、［１５］  半導体装置の製造方法であって、積層基板に半導体素子を実装する工程と、前記半導体素子を実装した積層基板に、ケースを配設する工程と、少なくとも前記ケースの表面に、ホスホン酸層を形成する工程と、前記ホスホン酸層に、エポキシ樹脂主剤と硬化剤とを含むエポキシ樹脂組成物を接触させる工程とを含む。
【００２２】
［１６］  前記［１５］に記載の半導体装置の製造方法において、前記ホスホン酸層を形成する工程の前に、前記ケースの表面に、表面処理を行う工程をさらに含むことが好ましい。
【００２３】
本発明は、また別の局面によれば、［１７］  半導体装置の製造方法であって、積層基板に半導体素子を実装する工程と、前記積層基板及び前記半導体素子を含む部材を、エポキシ樹脂主剤と硬化剤とホスホン酸とを含む封止材で封止する工程とを含む。
【００２４】
［１８］  前記［１７］に記載の半導体装置の製造方法において、前記半導体素子を実装した積層基板に、ケースを配設する工程をさらに含むことが好ましい。
【００２５】
本発明は、さらにまた別の局面によれば、［１９］  エポキシ樹脂と硬化剤とホスホン酸とを含む、電子機器封止用樹脂組成物である。
【００２６】
本発明は、さらにまた別の局面によれば、［２０］  前記［１９］に記載の樹脂組成物により封止された電子機器である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る半導体装置によれば、封止材にホスホン酸を含めることで、金属部材及び／またはケースとエポキシ樹脂の密着性を向上させることができる。これにより、高信頼性を有する半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明に係る半導体装置の第１態様によるパワーモジュールの断面構造を示す概念図である。
【図２】図２は、本発明に係る半導体装置の第２態様によるパワーモジュールの断面構造を示す概念図である。
【図３】図３は、本発明に係る半導体装置の第３態様によるパワーモジュールの断面構造を示す概念図である。
【図４】図４は、本発明に係る半導体装置の第４態様によるパワーモジュールの断面構造を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
［第１実施形態：半導体装置］
本発明は第１実施形態によれば、半導体装置であって、半導体素子を実装した積層基板と、封止材とを備え、任意選択的にケースを備え、前記封止材が、エポキシ樹脂と硬化剤とホスホン酸とを含む。本発明においては、ホスホン酸が、半導体素子と積層基板とを含む部材の表面に局在して、ホスホン酸の層を形成している第１態様と、ホスホン酸がケース表面に局在してホスホン酸の層を形成している第３態様と、ホスホン酸が、封止材全体に略均一に分布している第２、第４態様とに大別することができる。なお、いずれの態様においても、ホスホン酸は、封止材中で、半導体素子と積層基板とを含む部材及び／またはケース、封止材を構成するエポキシ樹脂主剤等の他の化合物等と反応して、ホスホン酸反応物（ホスホン酸由来の各種化合物）の状態で存在しているものを含む。以下、各態様に分けて、本発明を説明する。
【００３１】
［第１態様］
図１は、本発明の第１態様に係る半導体装置の一例である、パワーモジュールの概念的な断面図である。図１において、半導体素子１は、はんだ等の接合層３を介して、積層基板２上に実装される。半導体素子１の上面には、はんだ等の接合層３を介して、インプラントピン６を備えたインプラント方式のプリント基板７が取り付けられている。積層基板２、半導体素子１、インプラントピン６、及びプリント基板７の表面には、ホスホン酸層９が形成され、ホスホン酸層９に接して樹脂層８が設けられる。そして、ホスホン酸層９と樹脂層８とが封止材１０を構成する。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、半導体モジュールの使用態様等との関係で上下を限定するものではない。また、以下の本明細書において、半導体素子１、積層基板２を含み、通常の封止態様により封止材により絶縁封止される部材を、被封止部材と指称する。図示する実施形態においては、被封止部材は、半導体素子１、積層基板２、接合層３、インプラントピン６、プリント基板７を含む。
【００３２】
半導体素子１は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳあるいはダイオードチップ等のパワーチップであり、種々のＳｉデバイス、ＳｉＣデバイス、ＧａＮデバイスなどを用いることができる。また、これらのデバイスを組み合わせて用いても良い。例えば、Ｓｉ−ＩＧＢＴとＳｉＣ−ＳＢＤを用いたハイブリッドモジュールなどを用いることができる。半導体素子１の搭載数は、図示する形態に限定されるものではなく、複数搭載することもできる。
【００３３】
積層基板２は、絶縁基板２２とその一方の面に形成される第２導電性板２１と、他方の面に形成される第１導電性板２３とから構成される。絶縁基板２２としては、電気絶縁性、熱伝導性に優れた材料を用いることができる。絶縁基板２２の材料としては、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＳｉＮなどが挙げられる。特に高耐圧用途では、電気絶縁性と熱伝導率を両立した材料が好ましく、ＡｌＮ、ＳｉＮを用いることができるが、これらには限定されない。第２導電性板２１、第１導電性板２３としては、加工性の優れているＣｕ、Ａｌなどの金属材料を用いることができる。また、防錆などの目的で、Ｎｉメッキなどの処理を行ったＣｕ、Ａｌであっても良い。絶縁基板２２上に導電性板２１、２３を配設する方法としては、直接接合法（Direct Copper Bonding法）もしくは、ろう材接合法（Active Metal Brazing法）が挙げられる。
【００３４】
接合層３は、鉛フリーはんだを用いて形成することができる。例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系、Ｓｎ−Ａｇ系などを用いることができるが、これらには限定されない。あるいは、鉛はんだを用いてもよい。
【００３５】
プリント基板７としては、ポリイミドフィルム基板やエポキシフィルム基板にＣｕ、Ａｌなどの導電層が形成されているものを用いることができる。インプラントピン６としては、銅を用いた銅ピンを用いることができる。プリント基板７の導電層も、インプラントピン６も、ＣｕやＡｌに、防錆などの目的でＮｉメッキなどの処理を施したものであってもよい。このプリント基板７とインプラントピン６は、半導体素子１どうし、もしくは、半導体素子１と積層基板２の間を電気的に接続する。インプラントピン６と積層基板２もしくは半導体素子１とは、上述のはんだ接合層３により接合することができる。また、図示はしないが、積層基板２上からインプラントピン６を封止材１０の外部にまで引き出すことにより、インプラントピン６を外部接続端子とすることができる。
【００３６】
第１態様においては、半導体素子１、積層基板２、インプラントピン６、プリント基板７を含み、図示しないその他の端子等を含んでもよい被封止部材の表面にホスホン酸層９が形成されている。ホスホン酸層９が形成されているとは、形成時にホスホン酸が被封止部材の表面に塗布され、被封止部材の表面全体もしくは部分的に付着している状態、好ましくは被封止部材の表面に結合されている状態をいうものとする。また、形成時あるいは形成後の脱水反応によって水酸基が取れ、被封止部材の表面に結合されている状態をいう。さらに、後述する樹脂層８と接触する際の、樹脂層８中の化合物等との反応により、ホスホン酸は、エポキシ樹脂主剤や、任意選択的に含まれてもよい無機充填材との反応物として存在するものを含む。しかし、ホスホン酸がそのままの状態で存在する場合もある。
なお、ホスホン酸は溶媒に溶解させて塗布されても良い。ホスホン酸は低分子化合物であるため、シランカップリング剤等と比較して、均一な層を形成しやすいという利点がある。半導体装置におけるホスホン酸層９の存在は、例えば、被封止部材と樹脂層との界面を、例えばＸ線光電子分光法や透過型電子顕微鏡などにより分析することで検知することができる。
【００３７】
ホスホン酸とは、少なくとも一つのホスホニル基−Ｐ（＝Ｏ）（ＯＨ）２を有する有機酸をいうものとする。なお、本発明においては、ホスホン酸塩は、好ましくない。酸（Ｈ＋）を被封止部材表面に供給することができないためである。ホスホン酸としては、アミノ基及び／またはカルボキシル基を有するホスホン酸を用いることができる。アミノ基を有するホスホン酸としては、例えば、（１−アミノエチル）ホスホン酸、（アミノメチル）ホスホン酸、４−アミノベンジルホスホン酸、３−アミノフェニルホスホン酸、４−アミノフェニルホスホン酸、４−アミノ−１−ヒドロキシブタン−１，１−ジホスホン酸などを用いることができる。カルボキシル基を有するホスホン酸としては、例えば、（３−カルボキシプロピル）ホスホン酸、（２−カルボキシエチル）ホスホン酸、（カルボキシメチル）ホスホン酸、（５−カルボキシペンチル）ホスホン酸、６−ホスホノヘキサン酸、１１−ホスホノウンデカン酸、１６−ホスホノヘキサデカン酸、グリシン−Ｎ，Ｎ−ビス（メチレンホスホン酸）などを用いることができる。アミノ基とカルボキシル基との両者を有するホスホン酸としては、２−アミノ−６−ホスホノヘキサン酸などを用いることができる。
【００３８】
ホスホン酸層９を構成するホスホン酸は、１種であってもよく、２種以上であってもよい。異なる２種以上のホスホン酸を用いる場合には、カルボキシルを有するホスホン酸どうし、アミノ基を有するホスホン酸どうしを組み合わせ、カルボキシルを有するホスホン酸とアミノ基を有するホスホン酸を混合して用いないほうが良い場合がある。詳細は後述する。ホスホン酸層９の厚みは特に限定されず、用いるホスホン酸の種類や後述する製造方法による、ホスホン酸溶液の濃度にもよるが、例えば、単分子膜は形成される厚み、例えば数ｎｍ〜数十ｎｍ、好ましくは、２ｎｍ〜５０ｎｍ程度とすることができる。
【００３９】
樹脂層８は、エポキシ樹脂主剤と、硬化剤とを含み、任意選択的に無機充填材やその他の添加剤を含んでもよいエポキシ樹脂組成物により形成することができる。エポキシ樹脂主剤としては、脂肪族エポキシ、または脂環式エポキシを用いることができる。
【００４０】
脂肪族エポキシとは、エポキシ基が直接結合する炭素が、脂肪族炭化水素を構成する炭素であるエポキシ化合物をいうものとする。したがって、主骨格に芳香環が含まれている化合物であっても、上記条件をみたすものは、脂肪族エポキシに分類される。脂肪族エポキシ樹脂としては、ビスフェノールＡ型エポキシ、ビスフェノールＦ型エポキシ、ビスフェノールＡＤ型エポキシ、ビフェニル型エポキシ、クレゾールノボラック型エポキシ、３官能以上の多官能型エポキシ等が挙げられるが、これらには限定されない。これらを単独で、または二種類以上混合して使用することができる。
【００４１】
脂環式エポキシ樹脂とは、エポキシ基を構成する２つの炭素原子が、脂環式化合物を構成するエポキシ化合物をいうものとする。脂環式エポキシ樹脂としては、単官能型エポキシ、２官能型エポキシ、３官能以上の多官能型エポキシ等が挙げられるが、これらには限定されない。脂環式エポキシ樹脂も、単独で、または異なる二種以上の脂環式エポキシ樹脂を混合して用いることができる。
【００４２】
硬化剤としては、エポキシ樹脂主剤と反応し、硬化しうるものであれば特に限定されないが、酸無水物系硬化剤を用いることが好ましい。酸無水物系硬化剤としては、例えば芳香族酸無水物、具体的には無水フタル酸、無水ピロメリット酸、無水トリメリット酸等が挙げられる。あるいは、環状脂肪族酸無水物、具体的にはテトラヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、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、無水メチルナジック酸等、もしくは脂肪族酸無水物、具体的には無水コハク酸、ポリアジピン酸無水物、ポリセバシン酸無水物、ポリアゼライン酸無水物等を挙げることができる。硬化剤の配合量は、エポキシ樹脂主剤１００質量部に対し、５０〜１７０質量部とすることが好ましく、８０〜１５０質量部とすることがより好ましい。硬化剤の配合量が５０質量部未満であると架橋不足からガラス転移温度が低下する場合があり、１７０質量部より多くなると耐湿性、高熱変形温度、耐熱安定性の低下を伴う場合がある。
【００４３】
エポキシ樹脂組成物には、さらに、任意選択的な成分として、硬化促進剤を添加することができる。硬化促進剤としては、イミダゾールもしくはその誘導体、三級アミン、ホウ酸エステル、ルイス酸、有機金属化合物、有機酸金属塩等を適宜配合することができる。
硬化促進剤の添加量は、エポキシ樹脂主剤１００質量部に対して、０．０１〜５０質量部とすることが好ましく、０．１〜２０質量部とすることがより好ましい。
【００４４】
また、エポキシ樹脂組成物が任意選択的な成分として含んでもよい無機充填材としては、例えば、溶融シリカ、シリカ、アルミナ、水酸化アルミニウム、チタニア、ジルコニア、窒化アルミニウム、タルク、クレー、マイカ、ガラス繊維等が挙げられるが、これらには限定されない。これらの無機充填材により、硬化物の熱伝導率を高め、熱膨張率を低減することができる。これらの無機充填材は、単独で用いてもよいが、２種以上を混合して用いてもよい。また、これらの無機充填材は、マイクロフィラーであってもよく、ナノフィラーであってもよく、粒径及びまたは種類が異なる２種以上の無機充填材を混合して用いることもできる。特には、平均粒径が、０．２〜２０μｍ程度の無機充填材を用いることが好ましい。無機充填材の添加量は、エポキシ樹脂主剤と硬化剤との総質量を１００質量部としたとき、１００〜６００質量部であることが好ましく、２００〜４００質量部であることがさらに好ましい。無機充填材の配合量が１００質量部未満であると封止材の熱膨張係数が高くなって剥離やクラックが生じ易くなる場合がある。配合量が６００質量部よりも多いと組成物の粘度が増加して押出し成形性が悪くなる場合がある。
【００４５】
エポキシ樹脂組成物には、また、その特性を阻害しない範囲で、任意選択的な添加剤を含んでいてもよい。添加剤としては、例えば、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が挙げられるが、これらには限定されない。これらの任意成分、およびその添加量は、半導体装置及び／または封止材に要求される仕様に応じて、当業者が適宜決定することができる。
【００４６】
本態様においては、ホスホン酸の側鎖官能基の種類により、好適なエポキシ樹脂主剤を選択することが好ましい。ホスホン酸の側鎖官能基と、エポキシ基との反応性がより高い組み合わせを選択することによって、ホスホン酸と、エポキシ樹脂主剤との強固な結合を形成するためである。
【００４７】
具体的には、カルボキシル基を有するホスホン酸層９を被封止部材上に形成する場合には、樹脂層８を構成するエポキシ樹脂主剤として、脂環式エポキシ樹脂と、脂肪族エポキシ樹脂のどちらでも好適に配合することができる。あるいは、エポキシ樹脂主剤は、脂環式エポキシ樹脂と、脂肪族エポキシ樹脂の混合物であってもよい。より好ましくは、エポキシ樹脂主剤として、脂環式エポキシ樹脂を用いる。
【００４８】
アミノ基を有するホスホン酸層９を被封止部材に形成する場合には、樹脂層８を構成するエポキシ樹脂主剤として、脂肪族エポキシ樹脂を用いることが好ましい。一般的に脂環式エポキシ樹脂は、アミン官能基とは反応性が低いためである。しかし、脂肪族エポキシ樹脂をエポキシ樹脂主剤の主成分として配合していれば、脂環式エポキシ樹脂が混入してもよい。
【００４９】
カルボキシル基とアミノ基の両方を有するホスホン酸層９を被封止部材に形成する場合には、樹脂層８を構成するエポキシ樹脂主剤は、脂肪族エポキシ樹脂、または脂肪族エポキシ樹脂と脂環式エポキシ樹脂との混合物であることが好ましい。
【００５０】
なお、ホスホン酸層９を構成するホスホン酸の種類に関わらず、上記好ましいエポキシ樹脂主剤以外のエポキシ樹脂主剤や、その他の熱硬化性樹脂主剤が少量混入しても問題とならない場合がある。
【００５１】
図示はしないが、樹脂層は、組成が異なる２種以上の樹脂組成物を２層以上に積層した構成としてもよい。その場合には、少なくともホスホン酸層と接する箇所において、上記特定のエポキシ樹脂主剤を含有するエポキシ樹脂組成物を用いた第１の樹脂層を形成する。第１の樹脂層は、少なくとも１０μｍ以上の厚みを持つことが好ましい。そして、第１の樹脂層に接して設けられ、ホスホン酸層とは接していない第２の樹脂層は、任意の組成であってよい。第２の樹脂層は、ガラス転移温度（Ｔｇ）が高く、高耐熱性であることが特に好ましい。例えば、第２の樹脂層は、熱硬化性樹脂主剤として少なくとも脂環式エポキシを含み、任意選択的にこれに加えてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を含む樹脂組成物から構成されることが好ましい。また、硬化剤としては、酸無水物硬化剤を含み、無機充填材をさらに含むことが好ましい。そして、このような組成を持つ第２の樹脂層のＴｇが、半導体素子のジャンクション温度（Ｔｊ）より、１０℃以上高いことが好ましく、Ｔｇが２００℃以上であることがさらに好ましい。
【００５２】
本実施態様による半導体装置の製造方法は、積層基板２に半導体素子１を実装する工程と、前記積層基板２及び前記半導体素子１を含む部材に、ホスホン酸層９を形成する工程と、前記ホスホン層９に、エポキシ樹脂主剤と硬化剤とを含む樹脂組成物を接触させる工程とを含む。積層基板２に半導体素子１を実装する工程は、通常の方法に従って、積層基板２に、はんだ１を用いて、半導体素子１、インプラントピン６、プリント基板７、及び必要な接続端子等を接合することにより実施することができる。
【００５３】
これらの接合した被封止部材に、ホスホン酸層９を形成する工程は、ホスホン酸溶液を任意の方法で、被封止部材の表面に付着させることにより実施することができる。具体的なホスホン酸層９の形成方法の例について説明する。まず、ホスホン酸を有機溶媒に溶解してホスホン酸溶液を調製する。有機溶媒としては、例えば、トルエン、２−プロパノール、ＴＨＦなどが挙げられるが、これらには限定されない。ホスホン酸溶液を調製する際に、用いるホスホン酸は、１種であってもよく、２種以上であってもよい。ホスホン酸溶液濃度は、特には限定されないが、１〜１０ｍｍｏｌ／Ｌとすることができる。この溶液に、被封止部材を接触させる。典型的には、被封止部材を、溶液に浸漬する。次いで、浸漬した被封止部材を溶液から回収し、有機溶媒で洗浄する。そして、被封止部材を、例えば、約１００〜１５０℃で、約０．５〜２４時間にわたって乾燥する。これにより、ホスホン酸層９を、被封止部材の表面に付着させ、好ましくは被封止部材の表面に共有結合させることができる。上記に例示した方法の他、ホスホン酸溶液をスプレー法により吹き付ける方法や、刷毛やディスペンサを用いて被封止部材の表面に適用する方法も、ホスホン酸層９を形成する工程に含まれるものとする。これらの方法においても、溶剤による洗浄や、乾燥については、上記に例示した方法と同様にすることができる。
【００５４】
形成されたホスホン酸層９に、エポキシ樹脂主剤と硬化剤とを含むエポキシ樹脂組成物を接触させる工程は、エポキシ樹脂主剤と、硬化剤と、場合により任意選択的な成分とを混合し、エポキシ樹脂組成物を調製する。このエポキシ樹脂組成物を好ましくは真空脱泡した後、例えばポッティングやトランスファー成型により、ホスホン酸層９に接触させる。次いで、エポキシ樹脂主剤の硬化温度で加熱硬化する。例えば８０〜１５０℃のいずれかの温度で、約３０分から１時間保持し、その後、約１００〜２００℃のいずれかの温度で、約１〜１０時間程度保時する二段階硬化により、硬化することができるが、特定の温度範囲には限定されない。異なる二種以上の樹脂組成物を用いて、二層以上の封止構造とする場合には、各層を硬化後、あるいは硬化前に、次の層を形成することができる。
【００５５】
なお、本態様による半導体装置は、図示する構造を備えるものには限定されない。例えば、封止材を充填する際の外枠となるケースを有する構造であってもよく、積層基板２の導電性板２３に、接合材を介して放熱構造体を備えるものであってもよい。また、プリント基板が存在せず、インプラントピンが外部接続端子として機能して、外部でプリント基板等に接続されていてもよい。
【００５６】
あるいは、半導体素子と、導電性板や外部端子、中継端子を含む接続端子とが、金属ワイヤやリードフレームで接続された構造を備えるものであってもよい。具体的には、積層基板上に半導体素子が実装され、半導体素子と、積層基板に接合された接続端子が、ＡｌやＣｕなどのワイヤやリードフレームで電気的に接続された構造であってよい。積層基板の半導体素子と逆側の導電性板には、ヒートスプレッダが接合されていてもよく、ヒートスプレッダ上に、外部端子を内蔵したケースが接着されていてもよい。このような半導体装置においても、半導体素子や積層基板に加え、金属ワイヤやリードフレームの表面に、上記と同様にして、ホスホン酸層を形成することができる。そして、ホスホン酸層に、上記特定のエポキシ樹脂主剤を含むエポキシ樹脂組成物を接触させ、封止することで、金属とエポキシ樹脂との間の密着性を向上させることができる。
【００５７】
本態様による半導体装置においては、被封止部材に接するホスホン酸層と、ホスホン酸層に接する樹脂層とにより封止材を構成している。理論に拘束される意図はないが、ホスホン酸のホスホニル基が、被封止部材の金属表面及び／または金属酸化物などのセラミクス表面に存在するＯＨ基やＯ−基と反応し、ホスホン酸の側鎖カルボキシル基及び／またはアミノ基とエポキシ樹脂とが反応し、強固な共有結合を形成する。そのため、本実施態様によれば、金属／エポキシ樹脂間の密着性を向上することができる。
【００５８】
従来、樹脂と金属との密着性を向上させる方法としては、シランカップリング剤を用いる方法が検討されてきた。しかしながら、シランカップリング剤は活性が高く、水分があると容易に加水分解してしまい、密着性向上の効果を発揮するのが難しかった。これに対し、本発明においては、より安定性の高いホスホン酸を用いて密着性の向上効果を実現した。さらに、ホスホン酸の膜は、シランカップリング剤に比べ高密度であるため、エポキシ樹脂との反応点が増加し、より密着性を向上することができる。シランカップリング剤は、接合対象となる表面に存在しているＯＨとしか反応できないのに対し、ホスホン酸は基板にＨ＋を供給することによりＯＨを再生し、次々に基板とホスホン酸が反応することでき高密度化すると考えられる。また、常温で固体のニトロトリスメチレンホスホン酸塩を用いる特許文献１の技術では、ホスホン酸塩の有機フィラーは固体でかつ、反応性の側鎖官能基を持たず、エポキシ樹脂に混合しているため、ホスホン酸の反応性、例えば基材とホスホン酸、ホスホン酸とエポキシ樹脂との間に共有結合を形成しにくく、密着性向上が期待できない。またホスホン酸塩のカチオンがエポキシ樹脂と反応してしまうため長期信頼性が不十分といった不利益がある。
【００５９】
［第２態様］
図２は、本発明の第２態様に係る半導体装置の一例である、パワーモジュールの概念的な断面図である。図２においても、積層基板２、半導体素子１、インプラントピン６及びプリント基板７の構成及び材料は、図１に示す態様と同様であってよい。図２に示すパワーモジュールには、ホスホン酸層が存在しないが、封止材１０に、熱硬化樹脂主剤、硬化剤、及びホスホン酸が含まれる。ホスホン酸は、封止材１０中で、略均一に混合されていることが好ましい。
【００６０】
本態様においても、ホスホン酸の種類、並びにホスホン酸とエポキシ樹脂主剤との好ましい組み合わせは、第１態様において説明したのと同様であってよく、ここでは説明を省略する。また、封止材１０の成分である硬化剤や、任意選択的に含んでもよい無機充填材やその他の成分についても、第１態様において説明したのと同様であってよい。なお、第２態様においても、ホスホン酸は、脱水反応等によって水酸基が取れ、被封止部材や、封止材中に任意選択的に存在してもよい無機充填材の表面全体に、もしくは部分的に結合されている状態のものを含む。また、封止材に混合する際の、酸の状態のまま存在するものが残存してもよい。
【００６１】
第２態様における封止材１０中、ホスホン酸は、エポキシ樹脂主剤の質量を１００質量部とした場合に、０．０１〜１質量部含むことが好ましく、０．０５〜０．２質量部含むことがさらに好ましい。上記範囲よりも少ないと、密着性の効果が充分でない場合があり、多すぎると、封止材のガラス転移温度が低下する場合がある。
【００６２】
図示はしないが、封止材は、組成が異なる２種以上の樹脂組成物を２層以上に積層した構成としてもよい。その場合には、少なくとも被封止部材と接する箇所に配設される第１の封止材層が、ホスホン酸を含む封止材である。この場合、第１の封止材層は、少なくとも１０μｍ以上の厚みを持つことが好ましい。そして、それ以外の箇所に配設される第２の封止材層は、任意の組成であってよい。第２の封止材層は、ホスホン酸を含んでも含まなくてもよいが、ガラス転移温度Ｔｇが高く、高耐熱性であることが特に好ましい。その例は、第１態様において、第２の樹脂層として説明した組成であってよい。
【００６３】
第２態様による半導体装置の製造方法は、積層基板に半導体素子を実装する工程と、前記積層基板及び前記半導体素子を含む被封止部材を、エポキシ樹脂主剤と硬化剤とホスホン酸とを含む封止材で封止する工程とを含む。積層基板に半導体素子を実装する工程は、第１態様と同様にして実施することができる。また、封止する工程は、封止材にホスホン酸を混合すること以外は、通常の半導体封止の方法と同様にして実施することができる。
【００６４】
第２態様による半導体装置及びその製造方法においては、第１態様と同様の利点を備えている。すなわち、理論に拘束される意図はないが、本実施形態においても、封止材中に混合されたホスホン酸のホスホニル基が、これと接触している被封止部材の金属表面及び／または金属酸化物などのセラミクス表面に存在するＯＨ基やＯ−基と反応し、ホスホン酸の側鎖カルボキシル基及び／またはアミノ基とエポキシ樹脂とが反応し、強固な共有結合を形成する。そして、金属／エポキシ樹脂間の密着性を向上することができる。また、封止材が無機充填材を含む場合には、エポキシ樹脂中に略均一に存在するホスホン酸が、無機充填材とエポキシ樹脂との密着性を向上させる効果も備えている。これに加えて、エポキシ樹脂にホスホン酸を混合後、封止するため、ホスホン酸層を形成する製造工程を短縮することもできる。
【００６５】
さらなる変形態様として、第１態様と第２態様との両者の特徴を併せ持つ半導体装置であってもよい。すなわち、被封止材の表面にホスホン酸層が形成され、樹脂層にも略均一に混合されたホスホン酸を含み、これらのホスホン酸層と樹脂層とにより封止材を構成する態様であってもよい。
【００６６】
［第３態様］
図３は、本発明の第３態様に係る半導体装置の一例である、パワーモジュールの概念的な断面図である。図３において、半導体素子１は、はんだ等の接合層３を介して、積層基板２上に実装される。積層基板２は、はんだ等の接合層４を介して、ベース５上に実装される。外部端子１２を配設され、ケース１１は、接着剤等を介して、ベース５上に実装される。半導体素子１の上面には、ワイヤ１３を介して、他の半導体素子上面、積層基板２上やケース１１に配設されている外部端子１２上に取り付けられている。積層基板２、半導体素子１、ケース１１表面には、ホスホン酸層９が形成され、ホスホン酸層９に接して樹脂層８が設けられる。そして、ホスホン酸層９と樹脂層８とが封止材１０を構成する。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、半導体モジュールの使用態様等との関係で上下を限定するものではない。また、以下の本明細書において、半導体素子１、積層基板２、ケース１１を含み、通常の封止態様により封止材により絶縁封止される部材を、被封止部材と指称する。図示する実施形態においては、被封止部材は、半導体素子１、積層基板２、接合層３、４、ベース５、ワイヤ１３及びケース１１を含む。
【００６７】
半導体素子１、積層基板２、及び、接合層３、４の構成については、第１態様と同様とすることができ、ここでは説明を省略する。ベース５は、半導体装置において一般的に用いられるものであれば特に限定されないが、熱伝導率が高く、はんだ付け等の高温熱処理を経ても反りにくい材料、例えばＣｕ板、Ａｌ−ＳｉＣ板等が好適に用いられる。または、冷却フィンなどの放熱構造体を備えるものであっても良い。その場合はＡｌなどの材料が用いられる。
【００６８】
ワイヤ１３は、半導体装置において一般的に用いられるものであれば特に限定されず、例えばＡｌ線、Ａｌめっき鋼線、Ｃｕ線等を用いることができる。ワイヤ径も特に限定されないが、大電流用途では、例えば直径３００μｍ〜５００μｍのワイヤが好適に用いられる。もしくは、ワイヤ１３の代わりに、第１態様において説明したリードフレーム、もしくは配線基板と導電ピンを用いて、電気的に接続し回路を構成してもよい。したがって、本態様は、被封止部材の構成が図３に示されるものには限定されず、ケースを備える任意の半導体装置の構成に適用することができる。外部端子１２は、半導体装置内部の電気回路と半導体装置外部の他の装置とを電気的に接続することができる部材であればよく、Ｃｕ部材、ＮｉめっきＣｕ部材、Ｃｕめっき部材等を用いることができるが、これらには限定されない。
【００６９】
ケース１１は、封止材を充填する際の外枠となる部材であり、耐熱性、耐薬品性に優れる樹脂から構成される樹脂ケースであってよい。樹脂としては、例えば、ポリフェニレンスルファイド樹脂（PPS樹脂）、ポリビニレンテレフタレート樹脂（PBT）、ポリアセタール樹脂（POM）等を含む樹脂ケースを用いることができるが、これらには限定されない。好ましくは、PPS樹脂を含むか、PPS樹脂からなるケースを用いることができる。ケース１１は、表面処理がなされていることが好ましい。この場合、少なくとも封止材１０を構成するホスホン酸層９と接する面に、表面処理がなされていることが好ましい。ホスホン酸による密着性向上効果をさらに高めるためである。表面処理方法は、UVオゾン処理、大気圧プラズマ処理、または減圧プラズマ処理などの親水化処理であってよい。UVオゾン処理とは、UV（紫外線）処理またはオゾン処理のことである。樹脂ケースにUV照射すると、樹脂を構成する分子の結合を切断することにより、活性な表面を形成し、表面を親水化することができる。また、大気中などの酸素を有する環境でUV処理すると、オゾンが発生し、そのオゾンの酸化効果により、樹脂表面を親水化する。また、オゾンのみを誘導して樹脂の表面処理に用いてもよい。特には、オゾンによる処理を含むことが好ましい。具体的には、主要波長として254nmと185nmを有する低圧水銀ランプを用いることができるが、これらには限定されない。表面処理をすることで、樹脂表面、特にはPPS樹脂表面を親水性に変化させることができる。表面処理がなされた樹脂表面、特にはPPS樹脂表面には、COOH、OH、及び／またはSO3Hなどの官能基が存在しており、ホスホン酸が結合しやすくなる。
【００７０】
第３態様においては、ケース１１の表面にホスホン酸層９が形成され、第１態様と同様に、ホスホン酸層９と樹脂層８とが一緒に封止材１０を構成している。また、任意選択的に、半導体素子１、積層基板２、ベース５、ワイヤ１３、図示しないその他の部材等を含んだ被封止部材の表面にホスホン酸層９が形成されていても良い。図３では、これらの被封止部材全体にホスホン酸層９が形成された態様を示しているが、第３態様はかかる態様には限定されず、少なくともケース１１表面にホスホン酸層９が形成されていればよい。「ホスホン酸層が形成されている」状態及びその検知法については、第１態様において説明したとおりである。
【００７１】
本態様においても、ホスホン酸層９に含まれていてもよいホスホン酸の種類、並びに樹脂層８を構成するエポキシ樹脂組成物に含まれていてもよいエポキシ樹脂主剤とホスホン酸との好ましい組み合わせは、第１態様において説明したのと同様であってよく、ここでは説明を省略する。また、樹脂層８を構成するエポキシ樹脂組成物に含まれる硬化剤や、任意選択的に含まれていてもよい無機充填材やその他の成分についても、第１態様において説明したのと同様の選択肢の中から適宜選択することができる。なお、第３態様においても、ホスホン酸は、脱水反応等によって水酸基が取れ、被封止部材や、封止材中に任意選択的に存在してもよい無機充填材の表面全体に、もしくは部分的に結合されている状態のものを含む。また、封止材に混合する際の、酸の状態のまま存在するものが残存してもよい。
【００７２】
また、図示はしないが、樹脂層８は、組成が異なる２種以上の樹脂組成物を２層以上に積層した構成としてもよい。その場合の第１の樹脂層及び第２の樹脂層の好ましい組成や厚み、配設位置は、第１態様において説明したのと同様であってよい。
【００７３】
本実施態様による半導体装置の製造方法は、積層基板２に半導体素子１を実装する工程と、前記半導体素子１を実装した積層基板２に、ケース１１を配設する工程と、少なくとも前記ケース１１の表面に、ホスホン酸層９を形成する工程と、前記ホスホン酸層９に、エポキシ樹脂主剤と硬化剤とを含むエポキシ樹脂組成物を接触させる工程とを含む。積層基板２に半導体素子１を実装する工程は、通常の方法に従って、積層基板２に、はんだ３を用いて、半導体素子１を接合することにより実施することができる。前記半導体素子１を実装した積層基板２に、ケース１１を配設する工程は、詳細には、ベース５に、はんだなどの接合層４により、上記積層基板２を接合する工程と、積層基板２を接合したベース５に接着剤を用いて、ケース１１を接合する工程とにより実施することができるが、特定の方法には限定されない。任意選択的に、ケースを配設する工程の前、あるいは後に、少なくともケース１１の表面処理工程を実施することができる。表面処理は、先に記載した、UVオゾン処理、大気圧プラズマ処理、または減圧プラズマ処理などの親水化処理であってよく、ホスホン酸層９を形成する表面に実施することができる。ケースを配設する工程の後に表面処理を行う場合には、ケース１１のみではなく、積層基板２、半導体素子１、及びケース１１を含む被封止部材全体の、少なくとも封止材と接触する面に表面処理を施してもよい。
【００７４】
少なくとも前記ケース１１の表面に、ホスホン酸層９を形成する工程は、ホスホン酸溶液を任意の方法で、ケース１１の表面に付着させることにより実施することができる。具体的なホスホン酸層９の形成方法の例は、第１態様において説明したのと同様とすることができる。この工程では、任意選択的に、ケース１１以外の被封止部材の表面に、ホスホン酸層９を形成してもよい。
【００７５】
形成されたホスホン酸層９に、エポキシ樹脂主剤と硬化剤とを含むエポキシ樹脂組成物を接触させる工程については、第１態様において説明したのと同様に実施することができる。第３態様においても、異なる二種以上の樹脂組成物を用いて、二層以上の封止構造とする場合には、各層を硬化後、あるいは硬化前に、次の層を形成することができる。
【００７６】
本態様による半導体装置においては、少なくともケースに接するホスホン酸層と、ホスホン酸層に接する樹脂層とにより封止材を構成している。理論に拘束される意図はないが、ホスホン酸のホスホニル基が、被封止部材のケース樹脂表面に存在するＯＨ基やＯ−基と反応し、ホスホン酸の側鎖カルボキシル基及び／またはアミノ基とエポキシ樹脂とが反応し、強固な共有結合を形成する。そのため、本実施態様によれば、ケース樹脂／エポキシ樹脂間の密着性を向上することができる。また、任意選択的にケース以外の被封止部材の表面にもホスホン酸層９が形成される場合には、ケース樹脂だけはなく、他の被封止部材の金属表面及び／または金属酸化物などのセラミクス表面に存在するＯＨ基やＯ−基と反応し、ホスホン酸の側鎖カルボキシル基及び／またはアミノ基とエポキシ樹脂とが反応し、強固な共有結合を形成しても良く、金属／エポキシ樹脂間の密着性を向上することができる。従来、樹脂ケースと封止樹脂との界面は、熱応力による剥離が生じるおそれがあり、シランカップリング剤を用いた密着性向上方法が検討されてきたが、その不利益点は第１態様においても議論したとおりである。本態様により、特に、樹脂ケースと封止樹脂との密着性が向上し、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００７７】
［第４態様］
図４は、本発明の第４態様に係る半導体装置の一例である、パワーモジュールの概念的な断面図である。図４においても、積層基板２、半導体素子１、表面処理を施したケース１１の構成及び材料は、図３に示す態様と同様であってよい。図４に示すパワーモジュールには、ホスホン酸層が存在しないが、封止材１０に、熱硬化樹脂主剤、硬化剤、及びホスホン酸が含まれる。ホスホン酸は、封止材１０中で、略均一に混合されていることが好ましい。
【００７８】
第４態様において、封止材１０の組成及び配設態様は、第２実施形態と同様であってよい。すなわち、ホスホン酸の種類、封止材１０中のホスホン酸の含有量、並びにホスホン酸とエポキシ樹脂主剤との好ましい組み合わせは、第１〜３態様において説明したのと同様であってよく、ここでは説明を省略する。また、封止材１０の成分である硬化剤や、任意選択的に含んでもよい無機充填材やその他の成分についても、第１〜３態様において説明したのと同様であってよい。なお、第４態様においても、ホスホン酸は、脱水反応等によって水酸基が取れ、被封止部材や、封止材中に任意選択的に存在してもよい無機充填材の表面全体に、もしくは部分的に結合されている状態のものを含む。また、封止材に混合する際の、酸の状態のまま存在するものが残存してもよい。
【００７９】
また、図示はしないが、封止材は、組成が異なる２種以上の樹脂組成物を２層以上に積層した構成としてもよい。その場合の第１の封止材層及び第２の封止材層の好ましい組成や厚み、配設位置は、第２態様において、説明したのと同様であってよい。
【００８０】
第４態様による半導体装置の製造方法は、積層基板２に半導体素子１を実装する工程と、半導体素子１を実装した積層基板２に、ケース１１を配設する工程と、前記積層基板２、前記半導体素子１及びケース１１を含む被封止部材を、エポキシ樹脂主剤と硬化剤とホスホン酸とを含む封止材１０で封止する工程とを含む。積層基板２に半導体素子１を実装する工程、及び半導体素子１を実装した積層基板２に、ケース１１を配設する工程は、第３態様と同様にして実施することができる。また、封止する工程は、第２態様と同様にして実施することができ、具体的には、封止材にホスホン酸を混合すること以外は、通常の半導体封止の方法と同様にして実施することができる。
【００８１】
第４態様による半導体装置及びその製造方法においては、第３態様と同様の利点を備えている。すなわち、理論に拘束される意図はないが、本実施形態においても、封止材中に混合されたホスホン酸のホスホニル基が、これと接触している被封止部材のケース樹脂表面や金属表面及び／または金属酸化物などのセラミクス表面に存在するＯＨ基やＯ−基と反応し、ホスホン酸の側鎖カルボキシル基及び／またはアミノ基とエポキシ樹脂とが反応し、強固な共有結合を形成する。そして、金属／エポキシ樹脂間の密着性を向上することができる。また、封止材が無機充填材を含む場合には、エポキシ樹脂中に略均一に存在するホスホン酸が、無機充填材とエポキシ樹脂との密着性を向上させる効果も備えている。これに加えて、エポキシ樹脂にホスホン酸を混合後、封止するため、ホスホン酸層を形成する製造工程を短縮することもできる。
【００８２】
さらなる変形態様として、第３態様と第４態様との両者の特徴を併せ持つ半導体装置であってもよい。すなわち、ケースを含む被封止材の表面にホスホン酸層が形成され、樹脂層にも略均一に混合されたホスホン酸を含み、これらのホスホン酸層と樹脂層とにより封止材を構成する態様であってもよい。
【００８３】
［第２実施形態：樹脂組成物］
本発明は、第２実施形態によれば、封止用樹脂組成物であって、エポキシ樹脂主剤と、硬化剤と、ホスホン酸とを含み、任意選択的に、無機充填材、硬化促進剤、難燃剤や着色剤等の添加剤を含んでなる。本実施形態による封止用樹脂組成物は、上記第１実施形態の第２態様及び第４態様において説明した封止材の構成と同様であってよく、ここでは説明を省略する。
【００８４】
本実施形態による樹脂組成物は、電子機器における絶縁封止のための封止材として好適に用いられる。電子機器については後述する。
【００８５】
［第３実施形態：電子機器］
本発明は、第３実施形態によれば、第２実施形態による樹脂組成物により封止された電子機器に関する。電子機器は典型的には、第１実施形態による半導体装置であってよい。
その他には、自動車、車両、航空機、船舶、自動販売機、空調機、発電機などの電気・電力機器が挙げられる。具体的には、半導体モジュール、モールドトランス、ガス絶縁開閉装置等があるが、特には限定されない。
【００８６】
本実施形態による電子機器は、金属との密着性に優れた封止材を用いているため、環境管理の難しい、屋外で使用される機器であっても、高い信頼性を備える。
【実施例】
【００８７】
以下に、本発明の実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施例の範囲に限定されるものではない。
【００８８】
＜実施例１−１＞
ヒートサイクル評価用に、３．３ｋＶ用のパワー半導体装置を作製した。積層基板としては、導電性板厚さ０．３ｍｍ、絶縁基板厚さ０．６２５ｍｍのデンカＳＩＮプレート（電気化学工業製、額縁長１．０ｍｍ）を用いた。積層基板上に、はんだ及びパワー半導体素子、はんだ及び銅ピン、プリント基板を、Ｎ２リフロー炉ではんだ接合を行い、配設した。次に、アミノメチルホスホン酸（東京化成製）を２−プロパノールに溶解し、５ｍｍｏｌ／Ｌのホスホン酸溶液を調製した。このホスホン酸溶液に、積層基板及びこれに実装した半導体素子、はんだ、銅ピン、プリント基板を含む被封止部材を１２時間浸漬した。
その後、２−プロパノールで洗浄後、１００℃で１時間、乾燥した。ホスホン酸処理をした被封止部材を金型にセットした。
【００８９】
脂肪族エポキシ樹脂主剤：ｊＥＲ６３０（三菱化学製）、硬化剤：ｊＥＲキュア１１３（三菱化学製）、無機充填剤：エクセリカ  平均粒径数μｍ〜数十μｍ（トクヤマ）を、質量比１０：５：３で混合した後、真空脱泡を行い、金型に注入した。これを、１００℃１時間で一次硬化後、１５０℃３時間で二次硬化を行い、パワー半導体装置を得た。
【００９０】
＜実施例１−２＞
積層基板に半導体素子、はんだ、銅ピン、プリント基板を実装する工程は、実施例１−１と同じ部材を用いて、同様に実施した。この部材を、金型にセットした。
【００９１】
脂肪族エポキシ樹脂主剤：ｊＥＲ６３０（三菱化学製）、硬化剤：ｊＥＲキュア１１３（三菱化学製）、無機充填剤：エクセリカ  平均粒径数μｍ〜数十μｍ（トクヤマ）、アミノメチルホスホン酸（東京化成）を、質量比１０：５：３：０．０１で混合した封止材を真空脱泡し、金型に注入した。これを、１００℃、１時間で一次硬化後、１５０℃、３時間で二次硬化を行い、パワー半導体装置を得た。
【００９２】
＜実施例１−３＞
ホスホン酸として、３−カルボキシプロピルホスホン酸（東京化成）を用いたこと以外は実施例１−１と同様にして、パワー半導体装置を得た。
【００９３】
＜実施例１−４＞
ホスホン酸として、３−カルボキシプロピルホスホン酸（東京化成）を用いたこと以外は実施例１−２と同様にして、パワー半導体装置を得た。
【００９４】
＜実施例１−５＞
ホスホン酸として、３−カルボキシプロピルホスホン酸（東京化成）を用い、エポキシ樹脂主剤として、脂環式エポキシ：セロキサイド２０２１Ｐ（ダイセル）、硬化剤としてリカシッドＭＨ−７００（新日本理化）を用いたこと以外は実施例１−１と同様にして、パワー半導体装置を得た。
【００９５】
＜実施例１−６＞
ホスホン酸として、３−カルボキシプロピルホスホン酸（東京化成）を用い、エポキシ樹脂主剤として、脂環式エポキシ：セロキサイド２０２１Ｐ（ダイセル）、硬化剤としてリカシッドＭＨ−７００（新日本理化）を用いたこと以外は実施例１−２と同様にして、パワー半導体装置を得た。
【００９６】
＜比較例１−１＞
ホスホン酸を用いなかったこと以外は、実施例１−１と同様にして、比較例１−１のパワー半導体装置を得た。
【００９７】
＜比較例１−２＞
ホスホン酸を用いなかったこと以外は、実施例１−３と同様にして、比較例１−２のパワー半導体装置を得た。
【００９８】
［評価］
実施例１−１〜１−６、比較例１−１、１−２のパワー半導体装置について、ヒートサイクル試験を実施した。ヒートサイクルは、−４０℃〜１５０℃で、最大１０００サイクルとした。そして、１００サイクル毎に部分放電評価を行った。部分放電評価は、ＡＣ３．５ｋＶを１分間印加し、２．６ｋＶを３０秒間印加した後、放電電荷量が１０ｐＣ以下の場合に、部分放電が見られなかったものとした。結果を表１に示す。なお、表中、ヒートサイクル試験結果が「良好」とは、１０００サイクルの実施後にも、部分放電が見られなかったことをいい、「不良」は、１０００サイクルに達するまでに部分放電が観察されたものをいう。
【００９９】
【表１】
2017183695.tif 000003
【０１００】
ホスホン酸を用いた実施例１−１〜１−６では、ヒートサイクルによって剥離が起きず、部分放電が発生しなかった。理論に拘束される意図はないが、実施例の結果は、金属とエポキシ樹脂との密着性が向上しているためと考えられる。さらに具体的には、ホスホン酸のホスホニル基と金属もしくは金属酸化物表面のＯＨ基またはＯ−基が共有結合し、ホスホン酸の側鎖官能基と脂肪族エポキシ樹脂の芳香環または脂環式エポキシ樹脂の脂環基が結合することにより、金属とホスホン酸とエポキシ樹脂のネットワークが形成され、密着性を向上させるものと推定される。比較例では、密着性向上の効果はなく、比較例１−１では、４００サイクル、比較例１−２では、５００サイクルで、部分放電が発生した。これらの比較例においては、ヒートサイクルによって金属と樹脂間で剥離が発生し、部分放電が発生したと考えられる。
【０１０１】
また、ホスホン酸を、２−アミノ−６−ホスホノヘキサン酸に代えた以外は、実施例１−１、１−２、１−５、１−６のそれぞれと同様の実験を行った場合も、ヒートサイクル試験結果は良好であった。さらに、実施例１−３、１−４のそれぞれにおいて、エポキシ樹脂主剤を、脂肪族エポキシ樹脂主剤：ｊＥＲ６３０と脂環式エポキシ：セロキサイド２０２１Ｐ（ダイセル）との質量比１：２の混合物とし、硬化剤としてリカシッドＭＨ−７００を用いた実験も行った。その結果、ヒートサイクル試験結果は変わらず良好であり、脂肪族エポキシ樹脂主剤のみを用いた場合と比較して、ガラス転移温度の有意な上昇がみられた。
【０１０２】
本発明の実施例を用いることにより、エポキシ樹脂と半導体装置内に用いられている金属との密着性を向上することで、ヒートサイクル耐性が向上することがわかり、高信頼性なパワー半導体装置を提供することができる。
【０１０３】
＜実施例２−１＞
ヒートサイクル評価用に、３．３ｋＶパワー半導体装置を作製した。積層基板としては、導電性板厚さ０．３ｍｍ、絶縁基板厚さ1.0ｍｍのデンカAlNプレート（電気化学工業製、額縁長１．０ｍｍ）を用いた。積層基板上に、はんだ及びパワー半導体素子をH2リフローではんだ接合を行い、配設した。次に、積層基板をCuベース（電気化学工業製）上にはんだ接合を行い、配設した。次に、積層基板を実装したCuベースに、接着剤を介しPPS樹脂からなる外部端子付きケースを配設した。次に、チップ間、チップ/積層基板上のCu箔間、チップ/外部端子間をΦ300μmのAlワイヤで配線した。次にケースの表面処理として、UVオゾン処理を行い、表面処理を行った。表面処理は、Ｕ字オゾンランプを用い、処理条件：積算量12J/cm2で行った。なお、オゾンランプは２００ｎｍ以下の波長を有するもので、処理環境に酸素があると、オゾンを発生するものを用いた。
【０１０４】
次に、アミノメチルホスホン酸（東京化成製）を２−プロパノールに溶解し、５ｍｍｏｌ／Ｌのホスホン酸溶液を調製した。このホスホン酸溶液に、積層基板及びこれに実装した半導体素子、表面処理を行ったケースを含む被封止部材を１２時間浸漬した。その後、２−プロパノールで洗浄後、１００℃で１時間、乾燥した。次に、ホスホン酸処理をした被封止部材に、脂肪族エポキシ樹脂主剤：ｊＥＲ６３０（三菱化学製）、硬化剤：ｊＥＲキュア１１３（三菱化学製）、無機充填剤：エクセリカ  平均粒径数μｍ〜数十μｍ（トクヤマ）を、質量比１０：５：３で混合した後、注入し、真空脱泡を行い、これを、１００℃１時間で一次硬化後、１５０℃３時間で二次硬化を行い、パワー半導体装置を得た。
【０１０５】
＜実施例２−２＞
積層基板に半導体素子などを実装する工程は、実施例２−１と同じ部材を用いて、同様に実施した。この部材に、脂肪族エポキシ樹脂主剤：ｊＥＲ６３０（三菱化学製）、硬化剤：ｊＥＲキュア１１３（三菱化学製）、無機充填剤：エクセリカ  平均粒径数μｍ〜数十μｍ（トクヤマ）、アミノメチルホスホン酸（東京化成）を、質量比１０：５：３：０．０１で混合した封止材を注入し、真空脱泡し、これを、１００℃、１時間で一次硬化後、１５０℃、３時間で二次硬化を行い、パワー半導体装置を得た。
【０１０６】
＜実施例２−３＞
ホスホン酸として、３−カルボキシプロピルホスホン酸（東京化成）を用いたこと以外は実施例２−１と同様にして、パワー半導体装置を得た。
【０１０７】
＜実施例２−４＞
ホスホン酸として、３−カルボキシプロピルホスホン酸（東京化成）を用いたこと以外は実施例２−２と同様にして、パワー半導体装置を得た。
【０１０８】
＜実施例２−５＞
ホスホン酸として、３−カルボキシプロピルホスホン酸（東京化成）を用い、エポキシ樹脂主剤として、脂環式エポキシ：セロキサイド２０２１Ｐ（ダイセル）、硬化剤としてリカシッドＭＨ−７００（新日本理化）を用いたこと以外は実施例２−１と同様にして、パワー半導体装置を得た。
【０１０９】
＜実施例２−６＞
ホスホン酸として、３−カルボキシプロピルホスホン酸（東京化成）を用い、エポキシ樹脂主剤として、脂環式エポキシ：セロキサイド２０２１Ｐ（ダイセル）、硬化剤としてリカシッドＭＨ−７００（新日本理化）を用いたこと以外は実施例２−２と同様にして、パワー半導体装置を得た。
【０１１０】
＜実施例２−７、２−８＞
UVオゾン処理をしなかったこと以外は、実施例２−１と同様にして、実施例２−７のパワー半導体装置を得た。また、UVオゾン処理をしなかったこと以外は、実施例２−２と同様にして、実施例２−８のパワー半導体装置を得た。
【０１１１】
＜比較例２−１＞
ホスホン酸を用いなかったこと以外は、実施例２−１と同様にして、比較例２−１のパワー半導体装置を得た。
【０１１２】
［評価］
実施例２−１〜２−８、比較例２−１のパワー半導体装置について、ヒートサイクル試験を実施した。ヒートサイクルは、−４０℃〜１５０℃で、最大１０００サイクルとした。そして、１００サイクル毎に部分放電評価を行った。部分放電評価は、ＡＣ３．５ｋＶを１分間印加し、２．６ｋＶを３０秒間印加した後、放電電荷量が１０ｐＣ以下の場合に、部分放電が見られなかったものとした。結果を表２に示す。なお、表中、ヒートサイクル試験結果が「良好」とは、１０００サイクルの実施後にも、部分放電が見られなかったことをいい、「不良」は、１０００サイクルに達するまでに部分放電が観察されたものをいう。
【０１１３】
【表２】
2017183695.tif 000004
【０１１４】
ホスホン酸を用いた実施例２−１〜２−６では、ヒートサイクルによって剥離が起きず、部分放電が発生しなかった。理論に拘束される意図はないが、実施例の結果は、ケース樹脂とエポキシ樹脂との密着性が向上しているためと考えられる。さらに具体的には、ホスホン酸のホスホニル基とUVオゾン処理されたPPS樹脂表面のＯＨ基またはＯ−基が共有結合し、ホスホン酸の側鎖官能基と脂肪族エポキシ樹脂の芳香環または脂環式エポキシ樹脂の脂環基が結合することにより、PPS樹脂とホスホン酸とエポキシ樹脂のネットワークが形成され、密着性を向上させるものと推定される。実施例２−７、２−８では、ヒートサイクル試験結果は良好であった。しかし、微弱な部分放電が観察された。これは、UVオゾン処理をしていないため、ホスホン酸がケース表面に構築されにくかったために密着性向上の効果は若干弱いためであると推察される。比較例２−１では、ホスホン酸がないために、４００サイクルで、部分放電が発生した。これらの比較例においては、ヒートサイクルによってケース樹脂と封止材間で剥離が発生し、部分放電が発生したと考えられる。
【０１１５】
また、ホスホン酸を、２−アミノ−６−ホスホノヘキサン酸に代えた以外は、実施例２−１、２−２、２−５、２−６のそれぞれと同様の実験を行った場合も、ヒートサイクル試験結果は良好であった。さらに、実施例２−３、２−４のそれぞれにおいて、エポキシ樹脂主剤を、脂肪族エポキシ樹脂主剤：ｊＥＲ６３０と脂環式エポキシ：セロキサイド２０２１Ｐ（ダイセル）との質量比１：２の混合物とし、硬化剤としてリカシッドＭＨ−７００を用いた実験も行った。その結果、ヒートサイクル試験結果は変わらず良好であり、脂肪族エポキシ樹脂主剤のみを用いた場合と比較して、ガラス転移温度の有意な上昇がみられた。
【０１１６】
本発明の実施例を用いることにより、エポキシ樹脂と半導体装置内に用いられているPPS樹脂からなるケースとの密着性を向上することで、ヒートサイクル耐性が向上することがわかり、高信頼性なパワー半導体装置を提供することができる。
【符号の説明】
【０１１７】
１        半導体素子
２        積層基板
２１      第２導電性板
２２      絶縁基板
２３      第１導電性板
３        接合層
４        接合層
５        ベース
６        インプラントピン
７        プリント基板
８        樹脂層
９        ホスホン酸層
１０      封止材
１１      ケース
１２      外部端子
１３      ワイヤ
【図１】
2017183695.tif 000005
【図２】
2017183695.tif 000006
【図３】
2017183695.tif 000007
【図４】
2017183695.tif 000008