(57)【要約】【課題】金属体と樹脂体との接合強度を安定的に高強度とすることが可能な複合体の製造方法を提供する。【解決手段】複合体２の製造方法は、金属体Ｍの表面に、アミノ基を有するカップリング剤を含むカップリング剤水溶液を付着させ、付着させたカップリング剤水溶液を乾燥させて、プライマー層Ｐを形成する工程と、プライマー層Ｐに接して、エポキシ樹脂を含む熱硬化性樹脂からなる樹脂体Ｒを形成する工程とを有する。カップリング剤水溶液中のカップリング剤の濃度を０．２３〜１．４ｍｏｌ／Ｌとする。【選択図】図２Ａ
2017110258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属体と樹脂体とを含む複合体の製造方法であって、
前記金属体の表面に、アミノ基を有するカップリング剤を含むカップリング剤水溶液を付着させ、当該付着させたカップリング剤水溶液を乾燥させて、プライマー層を形成する工程と、
前記プライマー層に接して、エポキシ樹脂を含む熱硬化性樹脂からなる前記樹脂体を形成する工程とを有し、
前記カップリング剤水溶液中の前記カップリング剤の濃度を０．２３〜１．４ｍｏｌ／Ｌとする、
複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、インバータ等の用途には、パワーカード等のパワー半導体モジュールが用いられている。
【０００３】
近年、パワーカードとして、放熱板として機能する一対のリードフレームによりパワー半導体素子および電極を挟持した両面放熱構造のパワーカードが提案されている。
以下、かかる両面放熱構造のパワーカードの製造方法について、説明する。
Ｎｉめっき銅等からなるリードフレームの素子搭載部にパワー半導体素子を半田付けし、パワー半導体素子とリードフレームの複数のリードとをワイヤボンディングする。
次に、上記パワー半導体素子上に、銅ブロック等からなる電極を半田付けする。
次に、上記電極上に、Ａｕめっき銅等からなるリードフレームを半田付けする。
パワー半導体素子および電極を挟持する一対のリードフレームは、放熱板として機能することができる。
最後に、エポキシ樹脂等のモールド樹脂を用いて、パワー半導体素子、電極、およびこれらを挟持する一対のリードフレームを樹脂封止する。
以上のようにして、両面放熱構造のパワーカードが製造される（図１を参照）。
【０００４】
上記パワーカードでは、金属からなる電極および一対のリードフレームと、モールド樹脂とを異種接合する。
これら異種材料の接合性を高めるために、プライマーとしてシランカップリング剤を用いることができる。
例えば、特許文献１には、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属と、熱硬化性樹脂からなる絶縁被覆樹脂とを、アミノ基またはイミノ基を有するシランカップリング剤を介して、接合する技術が開示されている（請求項１、３、７等）。
特許文献１の［実施例］の項では、シランカップリング剤の１ｖｏｌ％水溶液中にアルミニウム合金を浸漬させ、取り出したアルミニウム合金を乾燥した後、絶縁被覆樹脂をコートし、焼き付けている（実施例１〜６）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−２１８０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、プライマーとして用いられるシランカップリング剤水溶液の濃度と、金属および樹脂の接合強度との関係について、検討された報告はない。特許文献１に記載のように、従来一般的には、プライマーとして用いられるシランカップリング剤水溶液の濃度は、０．１〜１ｍｏｌ／Ｌの範囲内に設定されている。
しかしながら、本発明者が検討したところ、上記低濃度では、金属と樹脂との反応点の数が少なく、金属体と樹脂体との接合強度が不充分となる場合があることが分かった。
また、シランカップリング剤水溶液の濃度を上げることで、金属と樹脂との反応点の数が増し、金属体と樹脂体との接合強度が向上するが、シランカップリング剤水溶液の濃度が高くなりすぎると、溶液中でカップリング剤の自己縮合が進行して、金属体と樹脂体との接合強度が低下する傾向があることが分かった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、金属体と樹脂体との接合強度を安定的に高強度とすることが可能な複合体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】
【０００８】
本発明の複合体の製造方法は、
金属体と樹脂体とを含む複合体の製造方法であって、
前記金属体の表面に、アミノ基を有するカップリング剤を含むカップリング剤水溶液を付着させ、当該付着させたカップリング剤水溶液を乾燥させて、プライマー層を形成する工程と、
前記プライマー層に接して、エポキシ樹脂を含む熱硬化性樹脂からなる前記樹脂体を形成する工程とを有し、
前記カップリング剤水溶液中の前記カップリング剤の濃度を０．２３〜１．４ｍｏｌ／Ｌとするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、金属体と樹脂体との接合強度を安定的に高強度とすることが可能な複合体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る一実施形態の複合体（パワーカード）の構造を示す模式断面図である。
【図２Ａ】［実施例］の項において製造した複合体の構造を示す模式断面図である。
【図２Ｂ】金属体と樹脂体との間のせん断強度の測定方法を示す模式断面図である。
【図３】［実施例］の項において、シランカップリング剤水溶液の濃度と、金属および樹脂の接合強度との関係を示すグラフである。
【図４】［実施例］の項において、シランカップリング剤水溶液の濃度と、プライマー層の押込み硬さおよび押込み弾性率との関係を示すグラフである。
【図５】［実施例］の項において、シランカップリング剤水溶液の濃度と、モノマー（単量体）、ダイマー（２量体）、および、トリマー以上（３量体以上）のＳｉ原子数比率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
「複合体の製造方法」
本発明は、金属体と樹脂体とを含む複合体の製造方法に関する。
本発明の複合体の製造方法は、
金属体の表面に、アミノ基を有するカップリング剤を含むカップリング剤水溶液を付着させ、付着させたカップリング剤水溶液を乾燥させて、プライマー層を形成する工程と、
プライマー層に接して、エポキシ樹脂を含む熱硬化性樹脂からなる樹脂体を形成する工程とを有する。
本発明の複合体の製造方法においては、カップリング剤水溶液中のカップリング剤の濃度を０．２３〜１．４ｍｏｌ／Ｌとする。
【００１２】
図面を参照して、放熱板として機能する一対のリードフレームによりパワー半導体素子および電極を挟持した両面放熱構造のパワーカードを例として、本発明に係る一実施形態の複合体の構造について、説明する。
図１は模式断面図である。
【００１３】
図１に示すように、
両面放熱構造のパワーカード（複合体）１は、
Ｎｉめっき銅等からなるリードフレーム１１と、
リードフレーム１１の素子搭載部（符号略）に半田付けされたパワー半導体素子１２と、
パワー半導体素子１２に半田付けされた銅ブロック等からなる電極１３と、
電極１３に半田付けされたＡｕめっき銅等からなるリードフレーム１４とを備える。
図中、符号２１〜２３は、半田層である。
パワー半導体素子１２とリードフレーム１１の複数のリード１１Ｌとがそれぞれ、ボンディングワイヤ１５を介して、電気的に接続されている。
パワーカード１において、パワー半導体素子１２および電極１３を挟持する一対のリードフレーム１１、１４は、放熱板として機能することができる。
なお、図示するパワーカードは一例に過ぎず、適宜設計変更可能である。
【００１４】
パワー半導体素子１２、電極１３、およびこれらを挟持する一対のリードフレーム１１、１４を含む素子積層体１０は、エポキシ樹脂を含む熱硬化性樹脂からなるモールド樹脂４０を用いて、樹脂封止されている。
【００１５】
素子積層体１０において、電極１３および一対のリードフレーム１１、１４は金属体である。
本実施形態では、金属体である電極１３および一対のリードフレーム１１、１４を含む素子積層体１０と、モールド樹脂４０とが異種接合されている。
本実施形態では、上記異種接合の接合性を向上させるために、素子積層体１０とモールド樹脂４０との間にプライマー層３０が形成されている。
プライマー層３０は、アミノ基を有するカップリング剤を含むカップリング剤水溶液を用いて形成された層である。
【００１６】
以下、両面放熱構造のパワーカード１の製造方法について、説明する。
【００１７】
Ｎｉめっき銅等からなるリードフレーム１１の素子搭載部にパワー半導体素子１２を半田付けし、パワー半導体素子１２とリードフレーム１１の複数のリード１１Ｌとをそれぞれワイヤボンディングする。
次に、パワー半導体素子１２上に、銅ブロック等からなる電極１３を半田付けする。
次に、電極１３上に、Ａｕめっき銅等からなるリードフレーム１４を半田付けする。
以上のようにして、パワー半導体素子１２、電極１３、およびこれらを挟持する一対のリードフレーム１１、１４を含む素子積層体１０が得られる。
【００１８】
次に、素子積層体１０の露出面のうち、少なくともモールド樹脂４０が形成される部分にアミノ基を有するカップリング剤を含むカップリング剤水溶液を付着させ、この付着させたカップリング剤水溶液を乾燥させて、プライマー層３０を形成する。
【００１９】
アミノ基を有するカップリング剤としては特に制限されず、公知のものを使用することができる。
カップリング剤としては、シランカップリング剤が好ましい。
シランカップリング剤は、１分子中に有機物との反応あるいは相互作用が可能な有機官能基（以下、この基は、「−Ｙ」と表記する。）と、加水分解性基（以下、この基は、「−ＯＲ」と表記する。ここで、−ＯＲは、−ＯＣＨ３、−ＯＣ２Ｈ５、および−ＯＣＯＣＨ３等である。）とを有する有機ケイ素化合物である。
加水分解性基（−ＯＲ）は、水溶液中で水酸基となる。この水酸基は、金属体の表面に存在する水酸基等の官能基と反応あるいは相互作用が可能である。
シランカップリング剤は、金属および樹脂の双方と反応あるいは相互作用して、これらの接合性を向上させることができる。
本実施形態では、有機官能基（−Ｙ）がアミノ基であるシランカップリング剤（以下、「アミノシラン」とも言う。）を用いることができる。
アミノシランは、脂肪族アミノ基または芳香族アミノ基のいずれを含むものであってもよい。
アミノシランとしては、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、および３−アミノプロピルトリメトキシシラン等が挙げられる。
【００２０】
アミノ基を有するカップリング剤の水溶液は、少なくともカップリング剤と水とを含み、必要に応じて１種または２種以上の任意成分を含むことができる。
カップリング剤水溶液の溶媒としては、水とエタノールの混合溶媒等が好ましい。
【００２１】
本実施形態において、カップリング剤水溶液中のカップリング剤の濃度を０．２３〜１．４ｍｏｌ／Ｌの範囲内とする。
後記［実施例］の項において、図３に示すように、カップリング剤水溶液の濃度を０ｍｏｌ／Ｌから上げていくと、金属と樹脂との反応点の数が増し、金属体と樹脂体との接合強度が向上する。しかしながら、カップリング剤水溶液がある濃度を超えて、カップリング剤水溶液の濃度をさらに上げていくと、溶液中でカップリング剤の自己縮合が進行するため、金属体と樹脂体との接合強度が低下する。
図３に示すように、カップリング剤水溶液の濃度を０．２３〜１．４ｍｏｌ／Ｌの範囲内とすることで、金属体と樹脂体との接合強度を安定的に高強度とすることができる。
後記［実施例］の項において、図４に示すように、カップリング剤水溶液の濃度が増すにつれて、プライマー層の押込み硬さおよび押込み弾性率が低下する傾向がある。カップリング剤水溶液の濃度が０．２３〜１．４ｍｏｌ／Ｌの範囲内であれば、押込み硬さおよび押込み弾性率は良好である。
後記［実施例］の項において、図５に示すように、シランカップリング剤水溶液の濃度が増すにつれて、溶液中でのシランカップリング剤の自己縮合が進行し、トリマー以上（３量体以上）のシランカップリング剤の比率が増す傾向がある。自己縮合が生じると、金属体と樹脂体との接合強度が低下してしまう。カップリング剤水溶液の濃度が０．２３〜１．４ｍｏｌ／Ｌの範囲内であれば、溶液中でのシランカップリング剤の自己縮合は実用上支障のない範囲内である。
【００２２】
素子積層体１０に対してカップリング剤水溶液を付着させる方法は特に制限されず、素子積層体１０をカップリング剤水溶液中に浸漬させる方法等が好ましい。
素子積層体１０に付着させたカップリング剤水溶液の乾燥方法は特に制限されず、加熱乾燥、減圧乾燥、および減圧加熱乾燥等が好ましい。
プライマー層３０の乾燥後厚みは特に制限されず、１０〜２０００ｎｍ程度が好ましい。
【００２３】
上記のようにプライマー層３０を形成した後、モールド樹脂としてエポキシ樹脂を含む熱硬化性樹脂を用いて、素子積層体１０を樹脂封止する。
樹脂封止は公知方法にて実施することができる。
例えば、公知方法にてトランスファー成形を実施し、得られた複合体をモールドから取り出し、エポキシ樹脂を含む熱硬化性樹脂のポストキュアを実施する方法が好ましい。
以上のようにして、両面放熱構造のパワーカード１が製造される。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態によれば、金属体と樹脂体との接合強度を安定的に高強度とすることが可能な複合体の製造方法を提供することができる。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明に係る実施例について、説明する。
【００２６】
リードフレーム模擬基板として、Ｎｉめっき銅基板を用意した。
アミノ基を有するシランカップリング剤として、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、信越シリコーン社製「ＫＢＭ−６０３」）を用意した。溶媒として、水とエタノールとを質量比１：１で混合した混合溶媒を用意した。
上記アミノシランを上記溶媒に溶解させて、０．１〜２．７５ｍｏｌ／Ｌの範囲内で濃度の異なる複数種類のシランカップリング剤水溶液を用意した。
上記Ｎｉめっき銅基板を常温（２０〜２５℃）のシランカップリング剤水溶液に１分間浸漬させた。その後、Ｎｉめっき銅基板を取り出し、余分な液を除いた後、スピンコート法により基板表面上にあるシランカップリング剤水溶液をならし、シランカップリング剤水溶液の薄膜を形成した。その後、１００℃で１５分間加熱することにより、基板表面にシランカップリング剤を固定化させて、２００ｎｍ厚のプライマー層を形成した。
次に、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を用い、トランスファー成形により、プライマー層を形成した上記基板上に、底面の径が３．７ｍｍφであり、上面の径が２．７ｍｍφであり、高さが４ｍｍである円錐台状の樹脂成形体を形成した。成形条件は、１７５℃、７ＭＰａとした。
上記トランスファー成形後、モールドから取り出した複合体を１８０℃で２時間加熱して、エポキシ樹脂のポストキュアを実施した。
以上のようにして、図２Ａに示す複合体２を製造した。
図２Ａは、模式断面図である。
図２Ａ中、符号ＭはＮｉめっき銅基板（金属体）であり、符号Ｐはプライマー層であり、符号Ｒは樹脂成形体（樹脂体）である。
【００２７】
（接合強度の測定）
得られた複合体２について、測定装置として、アイコーエンジニアリング社製「フォースゲージ」を用いて、金属体と樹脂体との間のせん断強度を測定した。
図２Ｂに示すように、ブロックＢを用いて、樹脂成形体Ｒに対して側方から接合面に平行方向に６ｍｍ／ｍｉｎの移動速度で荷重をかけ、樹脂成形体２が金属体Ｍから剥離したときの荷重の大きさから、金属体Ｍと樹脂体Ｒとの間のせん断強度を測定した。
なお、ブロックＢとプライマー層Ｐとの離間距離は０．１ｍｍとした。
【００２８】
評価結果を図３に示す。
図３に示すように、シランカップリング剤水溶液の濃度を０ｍｏｌ／Ｌから上げていくと、金属と樹脂との反応点の数が増し、金属体と樹脂体との接合強度が向上した。しかしながら、シランカップリング剤水溶液がある濃度を超えて、シランカップリング剤水溶液の濃度をさらに上げていくと、溶液中でカップリング剤の自己縮合に起因する金属体と樹脂体との接合強度の低下が見られた。
図３に示すように、実施例で製造した複合体では、シランカップリング剤水溶液の濃度を０．２３〜１．４ｍｏｌ／Ｌの範囲内とすることで、金属体と樹脂体との接合強度（せん断強度）を２０ＭＰａ以上とすることができることが分かった。
【００２９】
（プライマー層の物性の測定）
得られた複合体のプライマー層について、ISO 14577 :2002およびJIS Z 2255 :2003に準拠して、押込み硬さ試験を実施した。
測定装置として、エリオニクス社製「ＥＮＴ−２１００」を用い、プライマー層の露出面（上に樹脂成形体が形成されずに露出した面）に対して、４μＮで圧子を押し込んだ時のプライマー層の押込み硬さＨｒｒおよび押込み弾性率Ｅｒｒを測定した。１サンプルについて、任意の１０箇所の点で測定を実施した。
【００３０】
押込み硬さＨｒｒは、半永久的な変形あるいは損傷に対する抵抗を測定する値であり、下記式で表される。
【００３１】
【数１】
2017110258.tif 000003
【００３２】
上記式中、各記号は以下の意味を示す。
Ｆｍａｘは、最大負荷試験力である。
Ａｐは、圧子と試験片とが接している投影面積である。
【００３３】
押込み弾性率Ｅｒｒは、材料のヤング率に対応する値であり、下記式で表される。
【００３４】
【数２】
2017110258.tif 000004
【００３５】
上記式中、各記号は以下の意味を示す。
ｖｓは、試料のポアソン比である。
ｖiは、圧子のポアソン比である。
【００３６】
Ｅｒは、押込み接点の減少弾性率であり、下記式で表される。
【数３】
2017110258.tif 000005
（ここで、Ｃは、接点のコンプライアンスであり、Ｃ＝ｄｈ／ｄＦで表される。）
【００３７】
Ｅｉは、圧子の弾性率である。
Ａｐは、圧子と試験片とが接している投影面積である。
【００３８】
評価結果を図４に示す。
シランカップリング剤水溶液の濃度が増すにつれて、プライマー層の押込み硬さおよび押込み弾性率が低下することが分かった。
シランカップリング剤水溶液の濃度が０．２３〜１．４ｍｏｌ／Ｌの範囲内であれば、押込み硬さおよび押込み弾性率は良好である。
【００３９】
（シランカップリング剤水溶液の組成分析）
濃度の異なるシランカップリング剤水溶液について、Ｓｉ−ＮＭＲ分析を実施し、溶液中のシランカップリング剤の組成分析を実施した。
モノマー（単量体）、ダイマー（２量体）、および、トリマー以上（３量体以上）のＳｉ原子数比率を求めた。
以下に、モノマー（単量体）、ダイマー（２量体）、および、トリマー以上（３量体以上）の化学構造式の例を示しておく。
【００４０】
【化１】
2017110258.tif 000006
【００４１】
評価結果を図５に示す。
シランカップリング剤水溶液の濃度が増すにつれて、溶液中でのシランカップリング剤の自己縮合が進行し、トリマー以上（３量体以上）のシランカップリング剤の比率が増すことが分かった。
シランカップリング剤水溶液の濃度が０．２３〜１．４ｍｏｌ／Ｌの範囲内であれば、溶液中でのシランカップリング剤の自己縮合は実用上支障のない範囲内である。
【００４２】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、適宜設計変更が可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１  パワーカード（複合体）
１０  素子積層体
１１  リードフレーム
１１Ｌ  リード
１２  パワー半導体素子
１３  電極
１４  リードフレーム
１５  ボンディングワイヤ
３０  プライマー層
４０  モールド樹脂
【図１】
2017110258.tif 000007
【図２Ａ】
2017110258.tif 000008
【図２Ｂ】
2017110258.tif 000009
【図３】
2017110258.tif 000010
【図４】
2017110258.tif 000011
【図５】
2017110258.tif 000012