CN105190872B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可靠性及耐久性较高的半导体装置，所述半导体装置与使用SiC、GaN元件的半导体装置相对应，即使半导体元件的动作温度是例如175℃以上的高温，密封树脂也不容易发生热氧化劣化，能防止裂纹的产生。半导体装置(100)包括用密封材料对包含半导体元件(6)、绝缘基板(4)以及印刷基板(9)的构件进行密封而形成的成形体，所述绝缘基板(4)与所述半导体元件的一个面相接合，所述印刷基板(9)用于连接与所述半导体元件的另一个面相接合的外部电路，所述密封材料包含：第一密封材料(13)，该第一密封材料(13)是包含环氧树脂主剂、固化剂及平均粒径为1～100nm的无机填充材料而构成的纳米复合树脂；以及第二密封材料(11)，该第二密封材料(11)由不包含无机填充材料的热固性树脂、热塑性树脂或两者的混合物构成。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体元件的密封材料，特别涉及使用SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)的半导体装置。
背景技术
以往，在使用一般所使用的Si(硅)半导体元件的半导体装置中，利用环氧树脂、硅胶来进行密封，以确保绝缘性。另一方面，由于SiC、GaN与Si相比具有优异的电气特性，因此，近年来面向实用化的研究开发正逐步推进，将来，设想将半导体元件由Si替换成SiC、GaN。由SiC、GaN所构成的半导体元件与Si半导体元件相比，在高温下的动作特性较为优异。特别是SiC据说甚至能在至300℃为止的温度下动作。
在将SiC用于半导体元件的情况下，能提高半导体元件的电流密度，但若将半导体元件设为高电流密度，则发热量会增大，半导体元件的温度会成为高温。因此，出现了提高所使用的密封材料的耐热性能的需要。在将现有技术中的一般硅胶用作为密封材料的情况下，在175℃以上的高温、氧气气氛下，有时硅胶会因发生氧化劣化而产生裂纹。另外，在将一般的环氧树脂用作为密封材料的情况也相同，有时会出现树脂发生氧化劣化而产生裂纹等的问题。此外，以下就在存在氧气的状态下的热劣化的意义来说，也将如上所示在高温、氧气气氛下所发生的劣化称为“热氧化劣化”。
在半导体元件的密封中，已知有如下技术：即，从耐湿性的观点来看，使用第一树脂和第二树脂，来对半导体元件进行双重覆盖(参照专利文献1)。另外，在功率半导体模块的制造中，已知有如下技术：即，从防止与半导体元件相邻的焊料层产生热疲劳的观点来看，用第一密封材料层和第二密封材料层来对半导体元件进行覆盖(参照专利文献2)。
然而，无论是哪种技术，都不是能在SiC、GaN这样的致力于高温动作的半导体元件中即使在例如175℃这样的高温下也能保持密封特性的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平5-13623号公报
专利文献2：日本专利特开2010-219420号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种可靠性及耐久性较高的半导体装置，所述半导体装置与使用SiC、GaN元件的半导体装置相对应，即使半导体元件的动作温度是例如175℃以上的高温，密封树脂也不容易发生热氧化劣化，能防止裂纹的产生。
解决技术问题所采用的技术手段
本发明是为了解决上述问题而完成的。即，根据本发明的一个实施方式，半导体装置包括用密封材料对包含绝缘基板和印刷基板的构件进行密封而形成的成形体，所述绝缘基板与所述半导体元件的一个面相接合，所述印刷基板用于连接与所述半导体元件的另一个面相接合的外部电路，所述密封材料包含：包含环氧树脂主剂、固化剂及平均粒径为1～100nm的无机填充材料而构成的纳米复合树脂即第一密封材料；以及由热固性树脂、热塑性树脂或两者的混合物所构成的第二密封材料。
在所述半导体装置中，优选为所述第一密封材料构成第一密封层，所述第一密封层对所述半导体元件进行覆盖并设置于接近所述半导体元件的区域，所述第二密封材料构成第二密封层，所述第二密封层对所述第一密封层进行覆盖并形成所述成形体的外表面。
另外，特别优选为所述第一密封层至少对在所述半导体元件动作时与所述半导体元件的最大动作温度相差25℃以内的区域进行密封。
在所述半导体装置中，优选为所述第二密封材料构成第一密封层，所述第一密封层对所述半导体元件、所述绝缘基板及所述印刷基板进行覆盖，所述第一密封材料构成第二密封层，所述第二密封层对所述第一密封层进行覆盖，并且面朝所述成形体的外表面的至少一部分，以至少300μm的厚度来进行设置。
另外，特别优选为所述第二密封层的厚度在3mm以下。
在所述半导体装置中优选为所述第一密封材料构成第一密封层，所述第一密封层对所述半导体元件进行覆盖并设置于接近所述半导体元件的区域，所述第二密封材料构成第二密封层，所述第二密封层对所述第一密封材料进行覆盖，所述第一密封材料构成第三密封层，所述第三密封层进一步对所述第二密封层进行覆盖，并且面朝所述成形体的外表面的至少一部分，以至少300μm的厚度来进行设置。
另外，特别优选为所述第一密封层至少对在所述半导体元件动作时与所述半导体元件的最大动作温度相差25℃以内的区域进行密封，所述第三密封层的厚度在3mm以下。
在所述半导体装置中，优选为所述无机填充材料包含熔融二氧化硅和粉碎二氧化硅中的至少一种。
在所述半导体装置中，优选为在所述纳米复合树脂中含有0.1质量％～25质量％的量的所述无机填充材料。
在所述半导体装置中，优选为所述半导体元件是SiC半导体元件。
发明效果
根据本发明所涉及的半导体装置，使用纳米复合树脂作为密封材料的一种，从而能对半导体装置的内部结构体即半导体元件等进行保护。特别是能抑制半导体装置的密封部上的长期热氧化劣化的进展，抑制裂纹，提高半导体装置的可靠性。其结果是，即使在使用了SiC、GaN这样的宽带隙半导体元件的半导体装置中也能较好地适用。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体模块成形结构体的剖面结构的概念图。
图2是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体模块成形结构体的剖面结构的概念图。
图3是表示本发明的实施方式3所涉及的半导体模块成形结构体的剖面结构的概念图。
具体实施方式
下面参照附图，对本发明的实施方式进行说明。但是，本发明并不限定于以下说明的实施方式。
[实施方式1]
在本发明中，根据实施方式1，半导体装置包括用密封材料对包含半导体元件、绝缘基板和印刷基板的构件进行密封而形成的成形体，所述绝缘基板与所述半导体元件的一个面相接合，所述印刷基板用于连接与所述半导体元件的另一个面相接合的外部电路，该半导体装置包括两层密封结构的密封部，该密封部中，包含环氧树脂主剂、固化剂及平均粒径为1～100nm的无机填充材料而构成的纳米复合树脂即第一密封材料构成第一密封层，所述第一密封层对所述半导体元件进行覆盖并设置于接近所述半导体元件的区域，由热固性树脂、热塑性树脂或两者的混合物所构成的第二密封材料构成第二密封层，所述第二密封层对所述第一密封材料进行覆盖并形成所述成形体的外表面。
图1是表示实施方式1所涉及的半导体装置的一个示例即半导体模块成形结构体100的剖面结构的图。在半导体模块成形结构体100中，绝缘层1的一个面即下表面上配置有大致长方体状的第一铜块2，在另一个面即上表面上配置有大致长方体状的第二铜块3，从而构成绝缘基板4。在绝缘基板4的第二铜块3一侧的面即上表面上，隔着导电接合层a5搭载并安装有多个SiC功率半导体元件6。此外，在SiC功率半导体元件6的上表面上，通过导电接合层b7安装有包括植入引脚8的植入式印刷基板9。在植入式印刷基板9的上表面和第二铜块3的上表面上，分别安装有外部连接端子10，构成为能与半导体模块成形结构体100的外部进行电连接。SiC功率半导体元件6的周围被由纳米复合树脂13构成的第一密封层所密封。此外，其周围被由树脂11所构成的第二密封层所密封而成为成形体，从而构成半导体模块成形结构体100。另外，由树脂11构成的第二密封层上埋入有安装金属零件12，该安装金属零件12是用于将半导体模块成形结构体100安装于未图示的冷却器的螺栓的插入孔。此外，在本说明书中，为了方便说明，所谓上表面、下表面是指向图中上下的相对性术语，并非用与半导体装置的使用方式等的关系来对上下进行限定。
在本实施方式的半导体模块成形结构体100中，利用第一密封材料即纳米复合树脂13、以及第二密封材料即热固性树脂或热塑性树脂11这两种树脂来对树脂密封部进行密封。然后，纳米复合树脂13构成第一密封层，所述第一密封层直接对半导体元件6进行覆盖，并设于所述半导体元件6的附近。
纳米复合树脂13构成为至少包含环氧树脂主剂、固化剂及纳米尺寸的无机填充剂，是固化后的玻璃化温度为半导体元件6的最大动作温度以上、优选为固化后的玻璃化温度为200℃以上的树脂。
作为环氧树脂主剂，优选使用脂环族类环氧树脂，但并不局限于此。
固化剂使用酸酐类固化剂。作为酸酐类固化剂的具体例，可以举出甲基四氢邻苯二甲酸酐、四氢邻苯二甲酸酐、甲基纳迪克酸酐、六氢化邻苯二甲酸酐、甲基六氢化邻苯二甲酸酐、以及它们的异构体、变体，但并不局限于此。另外，酸酐类固化剂能单独使用上述材料中的一种，或者能将两种以上混合来使用。
无机填充剂使用平均粒径为1～100nm、优选为5～50nm的所谓纳米填料。这是为了提高树脂的耐热性。在本说明书中，所谓平均粒径是指用激光衍射散射法所测得的值。构成无机填充剂的化合物可以是从由SiO2、BN、Al2O3、AlN及Si3N4所构成的组中选出的一个以上，但并不局限于此。
无机填充剂优选为至少一部分由SiO2构成，进一步优选为全部由SiO2构成。另外，在SiO2中，可以使用熔融二氧化硅或粉碎二氧化硅，也可以两者都使用。熔融二氧化硅特别在能抑制过度的增粘并能添加比较多的量这点上较为有利。
纳米复合树脂中的无机填充剂的添加量在将纳米复合树脂整体的质量设为100％时，优选设为0.1～25质量％，进一步优选设为1～15质量％。这是从耐热特性和粘度特性的观点来看。
也可以将固化助剂作为任意成分而添加至固化剂中。这是为了对固化反应进行控制。作为固化助剂的具体例，可以举出2-乙基-4-甲基咪唑等咪唑类、苄基二甲胺等叔胺类、三苯基膦等芳族膦类、三氟化硼单乙基胺等路易斯酸、硼酸酯、有机金属化合物、有机酸金属盐等，但并不局限于此。
除此以外，纳米复合树脂13中也可以包含通常添加于半导体密封用树脂的任意成分。作为任意成分，例如可以举出阻燃剂、用于对树脂进行着色的颜料、用于提高耐裂纹性的增塑剂、硅胶，但并不局限于此。这些任意成分的添加量能根据半导体装置的规格由本领域技术人员来适当决定。
由纳米复合树脂13构成的第一密封层优选为完全覆盖半导体元件6周围的整个面，并设置于树脂密封部中从半导体元件6的最大动作温度起比最大动作温度要低25℃～30℃的区域内。这是由于半导体元件6的周围的树脂密封部在动作时会暴露于高温中。若半导体元件的规格被决定，则能使用通用的仿真软件来计算动作时的树脂密封部的温度。因此，设置第一密封层，使得至少对通过仿真而计算出的树脂密封部温度在从半导体元件6的最大动作温度起至比最大动作温度要低25℃为止的区域、优选为至比最大动作温度要低30℃为止的区域进行密封。例如，在半导体元件6的最大动作温度为200℃的情况下，用第一密封层对通过仿真所获得的树脂密封部温度为175～200℃的区域进行密封。在一般规格的半导体模块成形结构体中，通过将纳米复合树脂13配置于半导体元件6周围的1mm左右的区域中，从而能用第一密封层来对成为上述温度的区域进行密封，或者，通过将纳米复合树脂13配置于半导体元件6与印刷基板之间的区域以及半导体元件6厚度方向的周围1mm左右的区域中，从而能用第一密封层来对成为上述温度的区域进行密封。
接着，作为第二密封材料的热固性树脂或热塑性树脂11对由所述第一密封材料构成的第一密封层进行覆盖，以构成树脂密封部的大部分，并构成规定所述成形体的外表面的第二密封层。此外，第一密封层无需完全被第二密封层所覆盖，由纳米复合树脂13构成的第一密封层也可以部分露出至成形体的外表面。
树脂11是热固性树脂或热塑性树脂或它们的混合物，所述热固性树脂或热塑性树脂或它们的混合物可以包含无机填充材料，也可以不包含无机填充材料。这样的树脂11能根据与之前所详细描述的纳米复合树脂13之间的关系来决定。即，树脂11优选为是与纳米复合树脂13之间的热膨胀率之差在±10ppm/℃以内的材料。这是为了减少密封后的热应力。另外，优选为树脂11与纳米复合树脂13之间的粘接强度为10MPa以上。这是为了在密封后防止裂纹进入树脂11与纳米复合树脂13之间的界面。若为满足这些条件的材料，则与树脂11的种类无关，可以是半导体装置的树脂密封所通常使用的环氧树脂、聚酰胺树脂等。另外，若作为第二密封材料的树脂11是满足前述热膨胀率特性、粘接特性的条件的材料，则可以与第一密封材料相同是纳米复合树脂。在本实施方式中，特别是第二密封层对成形体的外表面进行覆盖而构成外周部，是与外部气氛相接的部分，因此，进一步优选使用不容易因氧化而发生劣化的热固性树脂。
此外，在图示的实施方式1的半导体模块成形结构体100中，第一铜块2的与绝缘层1相反侧的面即图中的下表面与树脂11相接，被树脂11所覆盖而呈不与外部相接触的形态，但本发明并不局限于该形态。第一铜块2的下表面的一部分或整体也可以露出而呈能与未图示的冷却构件等相连接的状态。另外，图1是概念图，由图示的纳米复合树脂13所构成的第一密封层与其它构件之间的位置关系并不一定必须如图所示。此外，绝缘基板4、印刷基板9、植入引脚8的结构并不局限于图示的形态。
接着，从其制造方法的观点出发对实施方式1的半导体模块成形结构体100进行说明。SiC功率半导体模块成形结构体100的制造方法主要由对由绝缘基板4、半导体元件6及印刷基板9接合而成的构件进行组装的工序、以及对所述构件进行树脂密封的工序构成。
对由绝缘基板4、半导体元件6及印刷基板9接合而成的构件进行组装的工序包含：形成绝缘基板4的工序，所述绝缘基板4通过将第一铜块2和第二铜块3热压接于绝缘层1的两面而形成；通过导电接合层a5在绝缘基板4的一个面上装载1个以上的SiC功率半导体元件6的工序；通过导电接合层b7在SiC功率半导体元件6的与绝缘基板4相反侧的面上安装具有植入引脚8的植入式印刷基板9的工序；以及将外部连接端子10与所述第二铜块3和所述印刷基板9相连接的工序。
关于这样的组装工序及所使用的构件的规格等，可以遵从现有技术所公开的通常的方法。例如，可以运用申请人在日本专利特开2013-004729号公报、日本专利特开2012-191010号公报中所说明的、除树脂密封以外的各工序。
进行树脂密封的工序包含：使用纳米复合树脂13来形成第一密封层的第一密封工序；以及接下来使用树脂11来形成第二密封层的第二密封工序。
在第一密封工序中，在通常条件下对未固化的纳米复合树脂13进行减压脱泡后，用涂布机等在半导体元件6的周围注入该纳米复合树脂13，或利用任意手段来涂布该纳米复合树脂13，以覆盖半导体元件6的周围而形成第一密封层。此时，将纳米复合树脂的粘度调整至规定的值、例如1～10Pa·s左右，从而能将由纳米复合树脂所形成的密封部的厚度调整为规定的厚度。另外，例如用特氟龙(注册商标)夹具将希望载放纳米复合树脂的部位包围，从而能将第一密封层的厚度设为由前述仿真所获得的值。接着，在规定的温度及时间条件下，例如在100～200℃下使纳米复合树脂13进行1～3小时的热固化，从而完成第一密封工序。
在第二密封工序中，将在通常条件下进行减压脱泡后的树脂11用于在第一密封工序中所获得的第一密封层的周围，利用传递成形、液态传递成形、灌封、射出成型等成形法，将该树脂11成形为作为成形体的外形的规定的形状，以形成第二密封层。接着，在规定的温度及时间条件下，例如，若为灌封，则在100～200℃下使树脂11进行1～3小时的热固化，从而完成第二密封工序。此外，在树脂11是热塑性树脂的情况下，使得不包含热固化的工序。这样，经过第一密封工序及接下来的第二密封工序，从而能获得被纳米复合树脂13和树脂11所双重密封的、包括双层密封结构的树脂密封部的成形体。此外，在形成成形体的第二密封层时，在第二密封层中形成用于插入安装金属零件12的孔，并在第二密封层固化后将安装金属零件12插入孔中，利用上述工序，能获得半导体模块成形结构体100。
进一步对利用作为成形法的一个示例的液态传递成形的第二密封工序进行具体说明。在对SiC功率半导体模块200进行密封的具体密封方法中，将被第一密封层所覆盖的、由绝缘基板4、半导体元件6及印刷基板9相接合而成的构件收纳于由液态传递成形用的上下模(未图示)所形成的空腔，在升温至成形温度约160℃的保温状态下进行待机。在传递成形用的上下模上设置密封材料的灌封部(potting portion)和浇口部(runner portion)。
调制由一种液态型的纳米复合树脂13所构成的第一密封材料，所述液态型的纳米复合树脂13由脂环族类的环氧树脂、酸酐固化剂及无机填充材料构成，预先在0.1Torr(13.33Pa)的真空状态下每10分钟进行一次脱泡，接着，将该第一密封材料注入气筒容器。将所需量的第一密封材料从气筒容器注入模具内的灌封部，然后，将上下模具进行合模。最后，将第一密封材料从灌封部经由浇口部压入模具空腔，以完成成形。成形条件可以设为如下条件：上下模具的合模压力为150kg/cm2，160℃下的凝胶化时间为1分钟，固化时间为3分钟，由纳米复合树脂13所构成的第一密封材料的粘度为约1～10Pa·s左右。
根据实施方式1的半导体模块成形结构体100及其制造方法，能提供一种耐久性较高的半导体模块成形结构体100，该半导体模块成形结构体100即使在使用最高动作温度可能成为约200℃那样的高温的半导体元件的情况下，也不容易发生热劣化。本实施方式特别在以下这点上是有利的：即，在使用SiC、GaN这样的宽带隙半导体的情况下，能利用纳米复合树脂使可能成为高温的半导体元件附近的树脂密封部集中性地高耐热化。
[实施方式2]
在本发明中，根据实施方式2，半导体装置的特征在于，包括用密封材料对包含半导体元件、绝缘基板以及印刷基板的构件进行密封而形成的成形体，所述绝缘基板与所述半导体元件的一个面相接合，所述印刷基板用于连接与所述半导体元件的另一个面相接合的外部电路，作为热固性树脂或热塑性树脂的第二密封材料构成第一密封层，所述第一密封层对所述半导体元件进行覆盖，作为纳米复合树脂的第一密封材料构成第二密封层，所述第二密封层对所述第一密封层进行覆盖，并且面朝所述成形体的外表面的至少一部分，以至少300μm的厚度来进行设置。
图2是表示实施方式2所涉及的半导体装置的一个示例即半导体模块成形结构体200的剖面结构的图。在半导体模块成形结构体200中，绝缘基板4、半导体元件6、具有植入引脚8的植入式印刷基板9、以及外部连接端子10的结构与实施方式1中所说明的图1相同，设相同标号指代相同的构件并省略说明。
在本实施方式的半导体模块成形结构体200中，利用第一密封材料即纳米复合树脂13、以及第二密封材料即热固性树脂或热塑性树脂11这两种树脂来对树脂密封部进行密封。然后，树脂11直接对绝缘基板4、半导体元件6、印刷基板9及其接合界面进行覆盖，从而构成占据密封部的大部分的第一密封层。纳米复合树脂13对第一密封层进行覆盖，从而形成规定成形体的外形的第二密封层。优选为第二密封层位于成形体的外周部，以至少300μm的厚度大致均匀地形成。这是为了防止树脂密封部因半导体装置的外部气氛而发生氧化劣化。第二密封层的厚度例如能为从300μm起至3mm以下，进一步优选为从300μm起至1mm以下。
关于纳米复合树脂13及树脂11的各自的组成及纳米复合树脂13和树脂11的优选组合，与实施方式1中所说明的相同。
此外，在图示的实施方式2的半导体模块成形结构体200中，第一铜块2的下表面的一部分或整体也可以露出，呈能与未图示的冷却构件等相连接的状态。另外，纳米复合树脂13也可以不对半导体模块成形结构体200的整个外周进行覆盖。例如，也可以根据使用半导体模块成形结构体200的目的而仅特别设置于外周成为高温气氛的面。此外，绝缘基板4、植入式印刷基板9、植入引脚8的结构并不局限于图示的形态，可以进行变形。
接着，从其制造方法的观点出发对实施方式2的半导体模块成形结构体200进行说明。SiC功率半导体模块成形结构体的制造方法主要由对由绝缘基板4、半导体元件6及印刷基板9接合而成的构件进行组装的工序、以及对所述构件进行树脂密封的工序构成。所述组装构件的工序与实施方式1相同，能以同样的方式进行。
进行树脂密封的工序包含：使用树脂11来形成第一密封层的第一密封工序；以及使用纳米复合树脂13来形成第二密封层的第二密封工序。
在第一密封工序中，用预先以通常的方法进行减压脱泡后的树脂11来对由绝缘基板4、半导体元件6、以及印刷基板9接合而成的构件进行密封。利用传递成形、液态传递成形、射出成型等成形法成形为规定的形状，从而实施密封。然后，在规定的温度及时间条件下，例如在100～180℃下使树脂11进行1～10分钟的热固化，以形成第一密封层，从而完成第一密封工序。本实施方式的第一密封工序能通过例如对实施方式1的第二密封工序进行具体说明的液态传递成形法的工序及步骤来进行。此外，即使在树脂11为热塑性树脂的情况下，除了热固化的工序以外，也能同样地实施第一密封工序。
在第二密封工序中，利用涂布、成形或灌封等方法将预先以通常方法进行减压脱泡后的纳米复合树脂13覆盖于在第一密封工序中所获得的成形体的外周的至少一部分上，并形成规定的厚度。然后，在规定的温度及时间条件下，例如若为灌封，则在100～200℃下使纳米复合树脂13进行1～3小时的热固化，以形成第二密封层，从而完成第二密封工序。这样，经过第一密封工序及接下来的第二密封工序，从而能获得被树脂11和纳米复合树脂13所双重密封的、包括双层密封结构的树脂密封部的成形体。此外，在形成成形体的第一密封层时，在第一密封层中形成用于插入安装金属零件12的孔，并在第一密封层和第二密封层固化后将安装金属零件12插入孔中，利用上述工序，能获得半导体模块成形结构体200。
根据实施方式2的半导体模块成形结构体200及其制造方法，特别是在使用气氛为高温的半导体装置中，能长期保护半导体装置不受氧化劣化的影响。另外，与以往相比，能防止所使用的材料发生氧化劣化，因此，能使模块结构实现小型化，提高半导体装置的可靠性，并降低成本。
[实施方式3]
在本发明中，根据实施方式3，半导体装置的特征在于，包括用密封材料对包含半导体元件、绝缘基板以及印刷基板的构件进行密封而形成的成形体，所述绝缘基板与所述半导体元件的一个面相接合，所述印刷基板用于连接与所述半导体元件的另一个面相接合的外部电路，作为纳米复合树脂的第一密封材料构成第一密封层，所述第一密封层对所述半导体元件进行覆盖并设置于接近所述半导体元件的区域，作为热固性树脂或热塑性树脂的第二密封材料构成第二密封层，所述第二密封层对所述第一密封层进行覆盖，作为纳米复合树脂的第一密封材料构成第三密封层，所述第三密封层进一步对所述第二密封材料进行覆盖，并且面朝所述成形体的外表面的至少一部分，以至少300μm的厚度来进行设置。
图3是表示实施方式3所涉及的半导体装置的一个示例即半导体模块成形结构体300的剖面结构的图。在半导体模块成形结构体300中，绝缘基板4、半导体元件6、具有植入引脚8的植入式印刷基板9、以及外部连接端子10的结构与实施方式1中所说明的图1相同，设相同标号指代相同的构件并省略说明。
在本实施方式的半导体模块成形结构体300中，树脂密封部具有如下三层密封结构：即，利用第一密封材料即纳米复合树脂13、以及第二密封材料即热固性树脂、热塑性树脂或它们的混合物11这两种树脂来进行三重密封。图3中，由纳米复合树脂13所构成的第一密封层对半导体元件6进行覆盖，设置于半导体元件6的附近。第一密封层的形态与实施方式1中的第一密封层相同。在第一密封层的周围，由树脂11所构成的覆盖第一密封层的第二密封材料构成第二密封层。此外，在第二密封层的周围，纳米复合树脂13对第二密封层进行覆盖，在成形体的外周部以至少300μm的厚度形成大致均匀的第三密封层。第三密封层的厚度例如能为从300μm起至3mm以下，进一步优选为从300μm起至1mm以下。
关于纳米复合树脂13及树脂11的各自的组成及纳米复合树脂13和树脂11的优选组合，与实施方式1中所说明的相同。此外，在本实施方式中，构成第一密封层的纳米复合树脂与构成第三密封层的纳米复合树脂可以相同，也可以不同。
此外，在图示的实施方式3的半导体模块成形结构体300中，第一铜块2的与绝缘层1相反侧的面即图中的下表面也可以整个面都露出，呈能与未图示的冷却构件等相连接的状态。另外，第三密封层也可以不对半导体模块成形结构体300的整个外周进行覆盖，例如也可以仅特别在外周为高温气氛下的面上设置第三密封层。另外，绝缘基板4、植入式印刷基板9、植入引脚8的结构并不局限于图示的形态，可以进行变形。
接着，从其制造方法的观点出发对实施方式3的半导体模块成形结构体300进行说明。SiC功率半导体模块成形结构体300的制造方法主要由对由绝缘基板4、半导体元件6及印刷基板9接合而成的构件进行组装的工序、以及对所述构件进行树脂密封的工序构成。所述组装构件的工序与实施方式1相同，能以同样的方式进行。
进行树脂密封的工序包含：使用纳米复合树脂13来形成第一密封层的第一密封工序；接下来使用树脂11来形成第二密封层的第二密封工序；以及使用纳米复合树脂13来形成第三密封层的第三密封工序。
本实施方式的第一密封工序能以与实施方式1的第一密封工序相同的方式来实施。
在第二密封工序中，在第一密封工序中所获得的第一密封层的周围，运用树脂11，利用传递成形、液态传递成形、灌封等成形法来将树脂11成形为规定的形状。接着，在规定的温度及时间条件下，例如若为灌封，则在100～200℃下使树脂11进行1～3小时的热固化，以形成第二密封层，从而完成第二密封工序。本实施方式的第二密封工序能通过例如对实施方式1的第二密封工序进行详述的液态传递成形法的工序及步骤来进行。此外，即使在树脂11为热塑性树脂的情况下，除了使得热固化的工序以外，也能同样地实施第二密封工序。
在第三密封工序中，在第二密封工序中所获得的第二密封层的外周，利用涂布、成形或灌封等方法来覆盖纳米复合树脂13，并形成规定的厚度。接着，在规定的温度及时间条件下，例如在100～200℃下使纳米复合树脂13进行1～3小时的热固化，以形成第三密封层，从而完成第三密封工序。这样，能获得包括三层密封结构的树脂密封部的成形体，所述三层密封结构的树脂密封部通过如下方式获得：经过第一密封工序至第三密封工序，来交叉设置纳米复合树脂13和树脂11并进行三重密封。此外，在成形体的第二密封层成形时，在第二密封层中形成用于插入安装金属零件12的孔，并在第一密封层至第三密封层全部固化后将安装金属零件12插入孔中，利用上述工序，能获得半导体模块成形结构体300。
根据实施方式3的半导体模块成形结构体300及其制造方法，特别是通过利用耐热性优异的纳米复合树脂13来对动作时容易达到高温的半导体元件6的周围、以及容易发生氧化劣化的半导体模块成形结构体300的外周这两处集中进行密封，从而能提供耐久性较高的半导体模块成形结构体，在该半导体模块成形结构体中，动作温度较高的半导体元件的周围不容易发生热劣化，且使用气氛为高温的半导体模块的外表面不容易发生氧化劣化。
以下，利用实施例来对本发明进行更详细的说明。以下的实施例是本发明的示例，并不对本发明进行限定。
实施例
如在实施方式2中所说明的那样，组装图2所示的SiC功率半导体模块成形结构体200。作为密封材料来使用的环氧树脂的组成如表1所示。主剂采用脂环族环氧树脂，固化剂采用酸酐类固化剂，这点对于试料编号1～4是共通的。不含有固化助剂或其它的任意成分。作为无机填充剂，在试料编号3中，采用含有2wt％平均粒径10nm的二氧化硅的组成，在试料编号4中，采用含有15wt％平均粒径10nm的二氧化硅的组成。另一方面，在试料编号1的树脂中，不使用无机填充剂，在试料编号2中，采用含有83wt％平均粒径20μm的二氧化硅即微小尺寸的二氧化硅的组成。
使用试料编号1～4的密封材料来制作弯曲试验片，对热劣化试验后的弯曲强度保持率进行测定。弯曲试验片制作成4mm×6mm×70mm的形状。试验条件为200℃，在大气下放置100小时、1000小时、10000小时，然后，进行弯曲试验，求出保持率。弯曲强度的保持率采用通过以下获得的数值：以初始弯曲强度为分母，以热劣化试验后的弯曲强度为分子，进行乘以100的计算。
弯曲试验的结果如表2所示。试料编号1和试料编号2的密封材料在10000小时后的弯曲强度的保持率为28％和34％。另一方面，在使用试料编号3的密封材料的试验片中，10000小时后的保持率的下降减小，为47％。在使用纳米尺寸的无机填充剂的含量比试料编号3的密封材料要多的试料编号4的密封材料的试验片中，能进一步抑制保持率的下降，保持率为61％。
接着，将密封材料的热劣化试验后的从树脂表面起的变色的结果示出于表2。从表面起的变色随着热劣化的时间而从表面向内部扩展，在200℃的大气下经过10000小时后的变色的长度分别如下：试料编号1为850μm，试料编号2为700μm，试料编号3为420μm，试料编号4为320μm。由此可知，关于变色，也能通过添加纳米填料来加以抑制。
用试料编号1～4的密封材料来进行热劣化试验，以对有无产生裂纹进行调查。在试验条件为200℃下放置1000小时后，通过肉眼观察来确认有无产生裂纹。在试料编号1、2的密封材料中因热劣化试验而产生了裂纹。另一方面，由试料编号3、4的密封材料所形成的表面层上未产生裂纹。
[表1]
[表2]
工业上的实用性
本发明所涉及的半导体装置在使用SiC、GaN这样的半导体元件来构成的进行高温动作的功率半导体模块中是有用的。
标号说明
1 绝缘层
2 第一铜块
3 第二铜块
4 绝缘基板
5a 导电接合层
6 SiC半导体元件
7b 导电接合层
8 植入引脚
9 植入式印刷基板
11 树脂
12 安装金属零件
13 纳米复合树脂
100 半导体模块成形结构体
200 半导体模块成形结构体300 半导体模块成形结构体

Claims (7)

1.一种半导体装置，该半导体装置包括用密封材料对包含半导体元件、绝缘基板以及印刷基板的构件进行密封而形成的成形体，所述绝缘基板与所述半导体元件的一个面相接合，所述印刷基板用于连接与所述半导体元件的另一个面相接合的外部电路，所述半导体装置的特征在于，
所述密封材料包含：
第一密封材料，该第一密封材料是包含环氧树脂主剂、固化剂及平均粒径为1～100nm的无机填充材料而构成的纳米复合树脂；以及
第二密封材料，该第二密封材料由热固性树脂、热塑性树脂或两者的混合物构成，
所述第一密封材料构成第一密封层，所述第一密封层对所述半导体元件进行覆盖并设置于接近所述半导体元件的区域，
所述第二密封材料构成第二密封层，所述第二密封层对所述第一密封层进行覆盖，
所述第一密封层至少对在所述半导体元件动作时与所述半导体元件的最大动作温度相差25℃以内的区域进行密封。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述第二密封层形成所述成形体的外表面。
3.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述第一密封材料构成第三密封层，所述第三密封层进一步对所述第二密封层进行覆盖，并且面朝所述成形体的外表面的至少一部分，以至少300μm的厚度来进行设置。
4.如权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，
所述第三密封层的厚度在3mm以下。
5.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述无机填充材料包含熔融二氧化硅和粉碎二氧化硅中的至少一种。
6.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
在所述纳米复合树脂中含有0.1质量％～25质量％的量的所述无机填充材料。
7.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述半导体元件是SiC半导体元件。
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