JP2009182159A - 金属／樹脂接着構造体及び樹脂封止型半導体装置とその製造方法 - Google Patents

金属／樹脂接着構造体及び樹脂封止型半導体装置とその製造方法 Download PDF

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Narihisa Motowaki
成久 元脇
Kazutoshi Ito
和利 伊藤
Hiroyuki Hozoji
裕之 宝蔵寺
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Abstract

【課題】
樹脂封止型半導体装置は、リードフレーム等の金属部材と封止樹脂の界面剥離が原因で、温度サイクル寿命が大幅に低下している。樹脂の剥離を防いで半導体装置の高信頼化を図る。
【解決手段】
半導体組立構造体にＮｉやＣｕと比較して酸素との結合力が強いＺｎやＺｒなどの金属種の有機金属化合物溶液を塗布し、酸化雰囲気中で加熱・焼成処理し、構造体の金属部材と封止樹脂の界面に厚さ５〜６００ｎｍ程度で表面に微細な凹凸が形成された酸化物の皮膜を形成した構造とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属と高分子樹脂の接着構造体の製造方法および金属／高分子樹脂界面の接着構造に係り、特に金属部材側に樹脂との接着性を向上する酸化物主体の皮膜を形成する方法と皮膜構造、および封止樹脂と半導体組立構造体の界面に前記皮膜が形成された高信頼の樹脂封止型半導体装置とその製造方法に関する。
半導体分野ではＮｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕなどの金属材料が高分子樹脂と複合化されて使われることが多い。しかしこれら金属は高分子樹脂との接着性が低く、製品の信頼性低下の一因となっている。従来の金属部材と高分子樹脂の接着強度を向上する方法として、金属部材表面にカップリング剤やトリアジン等の有機化合物を塗布する方法が知られている（例えば、特許文献１）。また、金属表面に電気めっき法で網目状のＺｎ合金皮膜を形成する方法（例えば、特許文献２）やＣｕに対して熱アルカリ溶液中で酸化処理して接着強度を上げる方法（例えば、非特許文献１）が知られている。
カップリング剤や有機化合物は、金属と強く結合する官能基と有機材料と化学結合する官能基の２種類のサイトを有する有機分子あるいは無機を含む有機分子から成るコート材料で、それらを金属表面に配向させて塗布することで、金属と樹脂が強く結合することを可能にしている。接着される材料は、金属以外の絶縁材料に対してもコート材料を選択することで、高接着強度化の効果が得られる。
また、電気めっきで網目状の金属皮膜を形成する方法は、めっき液をアルカリ系水溶液とし、電着材がＺｎとＣｒあるいはＺｎと他の金属の合金系とすることで皮膜の形態を網目状としたもので、高分子樹脂が網目状の皮膜に侵入しアンカー効果で強固に接着するというメカニズムである。接着部は高湿度環境や繰り返し熱応力環境下でも高接着強度を維持可能で、樹脂封止型半導体装置の水蒸気爆発に起因したポプコーン現象を防止できるとしている。
また、Ｃｕ材に対する熱アルカリ溶液中での酸化処理は、Ｃｕ表面に酸化銅の網目状構造を形成するもので、前段の電気めっき法と同様の効果が得られるが、適用できる材料が酸化処理で網目状構造が得られるＣｕに限定されている。
特開２００７−２６６５６２号公報 特表２００７−５０８４４８号公報 J Adhes Sci Technol,Vol.17, No.11, Page.1543-1560 (2003.11)
従来の有機系材料をコートする方法は、適用可能な接着面材質が幅広くいろいろな材料に対して効果が得られる反面、溶融半田の濡れが阻害されたりワイヤボンディングなど金属材料の接合性が悪くなるという問題がある。このため、半導体装置などへ適用する場合には、コーティングする領域を必要な箇所のみに限定する部分コートを行うか、あるいは樹脂をモールドした後に不要な箇所のコーティング皮膜を除去することが必要で、歩留まりや生産性の低下を引き起こすという問題がある。また、部分コーティングを行う場合にボンディングワイヤの下は塗布が難しいといったプロセス上の問題もある。
電気めっき法による網目状皮膜の形成は、導電性を持つ多くの材料に適用可能であるが、めっき液はアルカリ水溶液であるため、部材にＡｌ等の両極性の材料が含まれているとエッチングされてしまうという問題がある。特に表面処理工程をモールド直前の半導体デバイスを搭載した後に行う場合には、半導体デバイスの薄膜配線材料であるＡｌ膜が損傷を受け、回路特性に影響を与えてしまうという問題がある。また、電気的導通が必須となるため浮き島状に金属部材が配置されたような部材には適用が困難なこと、処理部材の寸法形状がめっき浴中に浸漬可能でかつめっきの電流密度に場所による大きな差がでないことなどの制約条件がある。また、プロセスにおける洗浄作業が必須であり生産性が低下するという問題や、洗浄が不十分だった場合には電解質の残渣が残り、製品使用時の高温・高湿さらにはバイアスが加わるような環境下において腐食損傷が生じる可能性があり耐食信頼性が低下するという問題がある。
Ｃｕの熱アルカリ溶液中での酸化処理は、電気めっき法と同様にアルカリ溶液によるエッチング作用で結線のＡｌワイヤや半導体デバイスのＡｌ配線が損傷を受けるという問題がある。また、高温・高湿環境下では接着界面のＣｕの酸化が進行し、酸化Ｃｕ皮膜の強度低下によって接着強度が低下してしまうという問題がある。また、プロセスにおける洗浄作業が必須であり、生産性が低下するという問題がある。
なお、リードフレーム部材の状態で電解質液に浸漬して電気めっき処理し、樹脂と強く接着する皮膜を予め形成しておくことは可能で腐食起因の信頼性低下という問題は生じないが、半導体を組み立てる工程で必須の半田付け性やワイヤボンディング性が低下し、組立歩留まりが低下するという問題がある。
本発明の第１の目的は、Ｎｉ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕなどの金属種に対して、部材の寸法形状に依存せず全ての箇所の金属部材と高分子樹脂との接着強度を向上でき、しかも半田に対する濡れ性を保持可能で生産性に優れた金属部材の表面処理方法を提供することである。さらには、金属／高分子樹脂界面の高強度な接着構造を提供することである。
本発明の第２の目的は、製造コストが安価で、高温高湿あるいは温度サイクル環境下における長期信頼性に優れた樹脂封止型半導体装置とその製造方法を提供することである。
第１の目的を達成するために、３５０℃以下の温度で分解が進行する有機金属化合物を含む溶液を金属部材表面に塗布し、酸化雰囲気中で加熱処理して前記金属酸化物を主体とする皮膜を形成し、その皮膜面に高分子樹脂を塗布あるいは射出成形して接着構造体を得る方法とした。金属酸化物を主体とする皮膜は１５０〜４００℃の加熱処理により形成することができる。また、この方法で得られる皮膜の構造として、金属酸化物を主体とし表面凹凸が顕著で内部に空隙を多く有する厚さ５〜５００ｎｍの第１の層と、その下に前記金属種の金属あるいは金属部材との合金または金属間化合物の第２の層を含む多層膜構造とし、その膜を介して金属部材と高分子樹脂が接着した構造とした。
半導体装置等でよく用いられるＮｉやＡｇ，Ａｕ，Ｃｕは、平滑な金属面の状態では高分子樹脂との接着力が低い。接着力が比較的高いＣｕでも５〜７ＭＰａ程度、他はそれ以下で接着力が得られない材料もある。また比較的密着力のあるＣｕでも、樹脂が水分を吸収し接着界面に水分が作用すると接着力は低下する。これは、金属／樹脂間の接着が化学結合に依存し、特にＮｉ，Ａｇ，Ａｕの金属は樹脂の官能基と化学結合しづらいことに原因がある。また、Ｃｕの場合は高温に保持されると接着界面のＣｕの酸化が進行し、酸化膜が厚くなると膜内や下地との界面で剥離するようになり、接着力が大きく低下する。
従来から樹脂との接着力が高い金属種は、酸化性の強い金属種であることが知られているが、ＮｉやＣｕ，Ａｇ，Ａｕの上に酸化性の強い金属種の皮膜を形成する方法は、湿式めっきや真空中で気相蒸着する物理蒸着の方法しか手段が知られていなかった。しかし、湿式めっき法は電解質の水溶液に金属部材を浸漬するため、金属部材によって表面の溶解を伴ったり、残渣で後日に腐食を引き起こす要因になったりする問題があった。また、洗浄も必須であった。一方の物理蒸着法は真空プロセスを必要とするため生産性が低く、設備も高価でプロセスコストが高いという問題があった。我々は、低温分解性の有機金属化合物に着目し、有機金属化合物を熱分解するだけで金属の微粒子素材が得られ、金属ナノ粒子のような低温融合性を発現させられれば簡単なプロセスで金属皮膜を形成できる可能性があるということを考えた。そして鋭意実験検討を重ね、Ｚｎ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｔｉなどの２エチルヘキサン酸やネオデカン酸といった有機金属化合物を難接着材であるＮｉ金属部材の表面に塗布し２００〜２８０℃の温度で大気中焼成し、エポキシ樹脂をその面にモールド・硬化処理すると、Ｎｉ金属／エポキシ樹脂の接着強度が数倍以上に向上し、皮膜の種類によっては破断モードが界面剥離から樹脂中の凝集破壊に改善されることを見出したのである。また、最初に塗布する有機金属化合物溶液の金属成分濃度を０.００１〜１.０ｗｔ％の範囲にすれば樹脂との接着強度向上に有効であり、濃度が低すぎると強度向上効果が弱く、濃度が濃いと皮膜厚さが厚くなって膜内の残留応力によって下地金属部材との密着力が低下し、最適な有機金属化合物の溶液濃度があることを確認したのである。また、このときに形成された皮膜の厚さは数〜数百ｎｍの厚さであり、皮膜は表面凹凸が顕著で皮膜内に多数の空隙があることを観察した。このような薄くて空隙の多い皮膜では、フラックスを含む半田ペーストを用いると、皮膜が比較的容易に破壊されて半田に濡れることも確認したのである。
この新しい手法の皮膜形成のメカニズムは以下のように推測される。すなわち、一般的には酸化雰囲気で有機金属化合物を加熱すると化合物が分解と同時に金属が酸化物に変わってしまい、金属部材表面に金属酸化物の微粉末が堆積した状態になると思われる。酸化物の状態で下地の金属と接触しても強い結合力は生まれないため、このプロセスでは下地との密着力は得られない。しかし実際には、下地と強固に密着した皮膜が形成されることが分かった。このことから逆に考えると、有機金属化合物の有機成分が熱分解した時に形成されるＨ，ＣＯ，ＣＨ系のガスが還元性を有しており、化合物が分解した時に形成される金属原子が短期間では活性な金属原子として振る舞い、下地金属と強固に金属結合したものと推測される。従って下地金属とは薄いながら合金か金属間化合物の層を形成し、皮膜の表面はその後の酸化雰囲気で酸化物に変わっていると考えられる。実際に、実験で作成した接着サンプルを断面観察した結果を図１０に示すが、下地との反応相と粒状物の凝集体のような内部に空隙が多く表面凹凸が顕著な酸化物層が形成されていることを確認したのである。
この内部に空隙の多い酸化物の皮膜は、他のめっきや蒸着の手法では形成困難で、本発明による有機金属化合物の焼成プロセスの手法でのみ形成可能である。また樹脂の接着機構は、金属部材の表面材質を化学結合が強い材質に変換しただけでなく、表面凹凸を付与したことで機械的な結合力も増しており、化学的と機械的結合の両方の作用を利用して接着性を向上しており、高強度の接着部が得られているのである。
このように本発明では、金属部材の表面に有機金属化合物を含む溶液を塗布して単に加熱処理するだけであるため、接着部材の寸法や形状に依存せず、どんな部位にも容易に皮膜形成が可能である。また、皮膜形成処理が簡単なプロセスで行えるため生産性に優れ、有機金属化合物の使用量がわずかでよいため材料コストも安く抑えられる。樹脂との接着強度は、表面材質の変換と凹凸形状の形成により化学的および機械的結合力が生まれて、強固な接着が可能となる。
第２の目的を達成するために、樹脂封止型半導体装置の製造方法として、配線基板やリードフレームの配線部材の上に半導体デバイスをダイボンディングし、さらに半導体デバイスの回路面の電極と別の配線部材とをワイヤボンディングやリード接合によって電気的に接続する従来工程の後に、配線部材と半導体デバイスと接続部材が一体化された半導体組立構造体の全面に有機金属化合物の溶液を塗布し大気中で焼成処理を行う表面処理工程を新たに追加し、その後、従来と同様に半導体組立構造体に封止樹脂をトランスファーモールドする製造方法とした。また、封止樹脂の接着構造として、半導体組立構造体と封止樹脂の界面にＺｎ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｍｇの金属種のいずれかの金属酸化物を主体とする厚さ５〜６００ｎｍの皮膜を形成した構造とした。
樹脂封止型半導体装置の信頼性低下は、半導体デバイスと第一配線部材のダイボンディング部に熱応力による亀裂が発生し熱や電気を伝え難くなることや、半導体デバイスの電極と第二配線部材の電気的接続部に亀裂が入り電気を伝えなくなることが直接的な原因であるが、その亀裂を引き起こす大きな要因は封止樹脂と半導体組立構造体の界面が剥離することにある。すなわち、半導体組立構造体と封止樹脂の剥離を防止できれば、半導体装置の信頼性は飛躍的に向上する。封止樹脂が接着される半導体組立構造体の材質として、配線部材のＮｉやＣｕ，Ａｇ，Ａｕなどの金属、ダイボンディングに用いられる半田材、半導体デバイスのＳｉや回路面のＡｌ電極と無機系の絶縁体、接続部材のＡｌワイヤなどがあるが、特に半導体装置の信頼性と関係が深いのはＮｉ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕなどの配線部材や半田材と封止樹脂との接着部である。有機金属化合物溶液を半導体組立構造体の全体に塗布することは浸漬法やスプレー法などによって簡単な設備で容易に処理することができ、また半導体組立構造体を１５０〜３００℃の温度に加熱することも安価な設備で容易に行える。この表面処理工程が、従来の樹脂封止型半導体装置の組立工程に入っても、自動化ラインの構築で生産性の低下は生じない。また、有機金属化合物の材料価格は、原液を大幅に希釈して使うため使用量が微量となり、安価に抑えられる。また、前記有機金属化合物をＺｎ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｍｇのいずれかの金属種から成る材料とすることで、半導体組立構造体の表面に封止樹脂との密着力を向上する皮膜を形成でき、その結果、安価なモールド樹脂を選択してもダイボンディング部や電気的接続部材の亀裂発生を長期間抑制することが可能となる。なお、半導体組立構造体の表面には電気的に絶縁が要求される領域があるが、有機金属化合物を焼成した皮膜は膜厚が薄い場合には皮膜全体が酸化物の絶縁体あるいは高抵抗体になるため、短絡不良を引き起こすことがない。以上のことから、本発明の方法では樹脂封止型半導体装置の製造価格を従来とほぼ同程度に抑え、封止樹脂の密着性を改善したことにより実使用環境における長期信頼性を大幅に向上した樹脂封止型半導体装置を提供できるのである。
本発明よれば、部材の寸法形状に依存せず全ての箇所の金属部材と高分子樹脂との接着強度を向上でき、しかも半田に対する濡れ性を保持可能で生産性に優れた金属部材の表面処理方法を提供することができる。
さらには、低コストで高い信頼性を有する樹脂封止型半導体装置を提供することができる。
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明による高接着強度の金属／樹脂接着構造体を製造するプロセスフローの一実施例である。図において、まず高分子樹脂と接着する金属部材の表面に紫外線を照射して有機物系の汚染物を除去する。次に、金属部材を有機金属化合物の溶液中に浸漬・塗布し、大気雰囲気のベーク炉中で２８０℃−１０〜１２０分の加熱処理を行ってコート皮膜を形成する。次にシリカフィラーを混練したエポキシ系の封止樹脂を金属部材上にモールド形成し、１５０〜２００℃の温度で硬化ベーク処理し、接着工程を終了する。加熱焼成処理で形成されるコート皮膜は、有機金属化合物が分解してできた金属の酸化物層やその金属と下地の金属の反応層を含む多層膜構造となる。膜形成は有機金属化合物から遊離した金属原子が互いに融合・成長して進むがそのサイズには限界がある。そのため、膜構造は微小サイズの粒子の集合体の形態を呈し、必然的に膜質は粒子間の欠陥（空隙）が多い密度の低い膜となる。また、膜表面の微細な凹凸も顕著となる。
この方法で製造した金属／樹脂接着構造体の接着強度をボタン剪断試験法で測定した結果を図２に示す。図において、金属部材の表面は電気Ｎｉめっき面であり、表面処理に用いた有機金属化合物は２エチルヘキサン酸Ａｌ，ネオデカン酸Ｔｉ，２エチルヘキサン酸Ｚｎ，２エチルヘキサン酸Ｚｒである。有機金属化合物はトルエンやアセトンやアルコールの混合液溶剤で希釈して用いている。膜厚が厚いサンプルは金属成分濃度が０.１５〜０.２５ｗｔ％と高い液を使用し、膜厚が薄いサンプルは金属成分濃度が０.０４〜０.０６ｗｔ％と低い液を使用して作製している。焼成条件は２８０℃−６０分の大気中加熱で行っている。めっき完のサンプルは電気Ｎｉめっきしたままのものである。また、焼成のみのサンプルは電気Ｎｉめっきしたサンプルを大気中で２８０℃−６０分加熱処理したものである。一部のサンプルに対して、紫外線洗浄の有りと無しのデータを比較して記載している。モールド樹脂は難燃剤とシリカフィラーを含むエポキシ樹脂で、サイズが直径５mmφのボタン形状にモールド成形している。ボタン剪断試験は、剪断ツールを金属面から０.２mm高さの位置にセットし、試験速度０.１mm／ｓの条件で行っている。めっき完の接着強度は紫外線洗浄の有無に関わらず接着強度がほぼゼロであるが、ＺｎやＺｒをコートした面では紫外線洗浄を行うことで１０〜１６ＭＰａの高い接着強度が得られている。ＡｌやＴｉにおいても、明らかに接着強度の改善が認められる。コート膜の膜厚は、厚い方が比較的高強度となる傾向を示しているが、極端に厚いとコート膜内やコート膜と下地のＮｉめっき界面で剥離することを確認している。
図３は、Ｚｎコート処理した厚膜サンプルの接着部断面である。図において、Ｎｉめっき面とエポキシ系封止樹脂との界面にはＺｎコート皮膜が形成されており、Ｚｎコート皮膜は微細粒子が集積した酸化物層とＺｎとＮｉの反応層から構成されている。封止樹脂は球状あるいは粉砕形状の白っぽいシリカフィラーとマトリックスである高分子樹脂層から構成されている。コート皮膜の厚さは約１７０ｎｍで反応層が約４０ｎｍ、粒状の酸化物層が約１３０ｎｍである。
図４は、Ｚｎコート処理した厚膜サンプルの剪断試験後の破断面外観と、破断位置を示す模式図である。図において、破断面外観の黒っぽく見える領域は封止樹脂が付着している領域で、白っぽく見える領域はＺｎやＺｎ−Ｎｉ反応層が露出している領域である。すなわち、剪断破断は樹脂内の凝集破断とコート皮膜内の破断となっており、樹脂とコート皮膜の界面やコート皮膜と下地Ｎｉの界面では破断していないことが確認され、各界面の密着力は非常に高くなっていることが分かる。
図５は、Ｚｒコート処理した厚膜サンプルの集束イオンビーム加工で作製した接着部断面である。樹脂とＮｉめっきの界面には欠陥は無く、白っぽく不鮮明な厚さ３０ｎｍ程度の層が形成されている。層構造は不明だが、樹脂と嵌合した状態での接着構造となっているように見える。図６は、図５と同様の接着部断面であるが、組織を出すためにイオンエッチングしている。接着界面に形成されたＺｒの酸化物層はエッチングされやすい組織となっていて深く掘られており、明瞭な酸化物層としては見えていない。
本実施例においては、３５０℃以下の温度で分解する低濃度の有機金属化合物溶液を金属部材の表面に塗布して、大気中で２８０℃の温度で加熱焼成するだけの簡単な処理で、Ｎｉ面に微細な凹凸があるＺｎやＺｒやＡｌやＴｉなどの酸化物の皮膜を形成できる。そのため、Ｎｉとは接着しにくい高分子樹脂とでも高い接着強度を得ることができ、高信頼の金属／樹脂接着構造体を提供できる。
なお、コート皮膜の厚さは有機金属化合物の金属種によっても変わるが、剪断強度の向上が確保できる厚さの上限はおよそ５００〜６００ｎｍであった。また同様に剪断強度の向上が確保できる厚さの下限はおよそ５ｎｍであった。この結果から、樹脂との接着性を改善する目的で形成するコート皮膜の厚さは５〜６００ｎｍの範囲が適当と判断した。
また、接着強度改善に用いる有機金属化合物の金属種は、上記４種以外でも、Ｎｉより酸素との結合が強い、換言すれば酸化物生成自由エネルギーが低い金属種：Ｖ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｔａなどを用いても、同様の有効が得られることを確認している。
図７は、本発明による金属／樹脂接着構造体の界面構造を示す一実施例である。図において、Ｃｕ素材１の上にＮｉめっき２が施され、その上にＮｉと強酸化性金属との反応層３，強酸化性金属の層４，強酸化性金属の酸化物層５から成るコート被膜６が形成され、凹凸のある酸化物層に高分子樹脂７が接着されている。強酸化性金属としてＺｎ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｔａが有効で、特にＺｎが最も有効である。
本実施例によれば、高分子樹脂と密着性の低いＮｉ面に樹脂と強く化学結合する金属種の酸化物層を形成しており、さらにその表面に凹凸が形成されているため高い接着強度を有する金属／樹脂接着構造体を提供できる。また、コート膜とＮｉ面の間には両者の反応層が形成され、金属結合された界面構造となっているため皮膜の剥離が生じることも無く、高信頼の金属／樹脂接着構造体を提供できるのである。
なお、本実施例においては有機金属化合物の配位子として２エチルヘキサン酸やネオデカン酸の例で示したが、オクチル酸，メタクリル酸，アクリル酸，ナフテン酸，アセテイト，ジエチルなどの有機金属化合物でも同様の効果が得られる。
図８は、本発明による金属／樹脂接着構造体の界面構造を示す他の一実施例である。図において、Ｃｕ素材１１の上にＮｉめっき１２が施され、その上にＮｉと強酸化性金属との局所的な反応層１３，強酸化性金属の粒子１４、その粒子を取り巻く強酸化性金属の酸化物層１５から成るコート被膜１６が形成され、凹凸のある酸化物層に高分子樹脂１７が接着されている。
本実施例によれば、図７と同様に高接着強度で高信頼の金属／樹脂接着構造体を提供できるのである。
図９は、本発明による高接着強度のＣｕ部材／樹脂接着構造体を製造するプロセスフローの一実施例である。Ｃｕは酸化が進行し易い金属材料で、酸化雰囲気中で長時間の加熱を行うと酸化膜が厚く成長する性質がある。酸化膜が厚くなると酸化膜自体の強度が低下し、弱い力でこの層が剥離してしまう。このため、Ｃｕの場合は厚い酸化膜の形成を防ぐ必要がある。図において、まずＣｕ部材表面に紫外線を照射して有機系の付着物を洗浄処理し、続いて有機金属化合物溶液中へ浸漬して塗布する。その後、大気中で加熱と紫外線照射を加えて有機金属化合物の分解を促進し、より低温で焼成処理を行う。この焼成処理で金属部材表面に有機金属の酸化物の皮膜を形成するが、その下地のＣｕ部材表面にも酸化層が形成されるので、次に、水素を含む還元雰囲気中で焼成処理と同様の加熱処理を行い、Ｃｕ酸化層の還元処理を行う。表面にコートした酸化物の皮膜は、金属種が水素によって還元されない材料であるため、還元処理による変化は生じない。その後、樹脂のモールド・加熱硬化処理を行って金属／樹脂接着構造体の製造を完了する。焼成処理の加熱温度は、有機金属化合物として２エチルヘキサン酸Ｚｎを用いた場合で、加熱のみの場合の２３０〜２８０℃に比べ紫外線照射を加えることで１５０〜２３０℃まで低温化し、Ｃｕの酸化を低減している。また、還元処理は短時間化を図るため加熱温度を２５０℃としている。
図１０は、図９のプロセスフローにおける焼成処理後と還元処理後のＣｕ部材表面の断面構造の一例を示す。焼成処理後はＣｕ部材２１の表面にＺｎ酸化物の被膜２４とＣｕ−Ｚｎ反応層２３が形成され、その下にＣｕ酸化物層２２が形成された構造となる。Ｃｕ酸化物層の強度は低いため、この状態で樹脂を接着するとＣｕ酸化物層で破断し低い接着強度しか得られない。還元処理を施すと、Ｚｎ酸化物は２５０℃の加熱では水素で還元されないためそのまま残り、Ｃｕ酸化物は水素によって還元されるため、Ｃｕ−Ｚｎ反応層の下のＣｕ酸化物は全て金属Ｃｕに変わる。Ｚｎ酸化物層は空隙の多い膜となっているため、水素がＺｎコート膜を透過して、Ｃｕの還元が可能となっている。Ｚｎ酸化物と樹脂の接着は、皮膜表面の微細な凹凸による機械的嵌合効果と両者の酸素を介した化学的結合で強固に接着しており、Ｚｎ酸化物層とＣｕ−Ｚｎ反応層の界面，Ｃｕ−Ｚｎ反応層とＣｕ部材の界面，Ｃｕ−Ｚｎ反応層自体のそれぞれの強度は高いため、樹脂とＣｕの接着強度は樹脂で決まる強度まで高強度化できる。
本実施例によれば、酸化が容易に進行し低強度の酸化皮膜を形成するＣｕ部材に対しても、有機Ｚｎ化合物の焼成処理と還元処理を組み合わせることにより高い接着強度を有する金属／樹脂接着構造体を提供できるのである。
図１１は、本発明による樹脂封止型半導体装置の製造方法を示す一実施例である。図において、（１）は全面にＮｉめっきを施したリードフレームのダイパッド３１上に半導体デバイス３４を高融点の高鉛半田３５でダイボンディングする工程、（２）は半導体デバイスの電極とリード部材３３の間をＡｌワイヤボンディング３６で電気的に結線する工程、（３）はボンディングされた半導体組立体の全面に有機金属化合物溶液３７を塗布する工程、（４）は塗布された有機金属化合物を加熱処理によって分解し、遊離した金属の酸化物層：焼成皮膜３８を半導体組立体の表面に密着性よく形成する工程（焼成工程）、（５）は半導体デバイスとＡｌワイヤの全体、及びダイパッドとリード部材３２，３３の一部を覆うように封止樹脂３９でモールドする工程、（６）は露出している金属面に半田めっき４０，４１を施す工程である。図１２は、その一連の工程を示すプロセスフロー図である。有機金属化合物溶液を塗布する前に、焼成皮膜とＮｉめっき面との密着性を浴するため紫外線照射を行って清浄化処理を行っており、焼成処理の工程では加熱処理温度を低温化するため紫外線照射を付加している。
本実施例によれば、半導体装置の組立工程を従来と同じとし、封止樹脂のモールド工程前に金属酸化物層の焼成皮膜を形成する１工程を加えることによって、封止樹脂と半導体構成部材との密着力を大幅に向上できるため、従来と同等の安価な製造コストで高温高湿環境下や繰返し熱負荷が加わる温度サイクル環境下において長期の製品寿命を有する高信頼の樹脂封止型半導体装置を提供できるのである。
図１３は、本発明による樹脂封止型半導体装置の製造方法を示す他の一実施例である。図において、（１）はめっきレスのＣｕリードフレーム５１，５２，５３の全面に有機金属化合物溶液５４を塗布する工程、（２）は加熱焼成処理により有機Ｚｎ化合物を分解して酸化Ｚｎ主体の焼成皮膜を形成し、その後で下地のＣｕ酸化膜を還元処理して密着強度の高いコート膜５５を形成する工程、（３）はコート膜を形成したＣｕリードフレームのダイパッド５１上に半導体デバイス５６を鉛フリー半田５７でダイボンディングする工程、（４）は半導体デバイス上の電極とリード部材５３の間を表面に酸化Ｚｎ主体のコート膜５９を形成したＣｕ小片５８の半田接合６０，６１によって電気的に結線する工程（リード接合工程）、（５）は半導体デバイスとＣｕ小片の全体、及びダイパッドとリード部材５２，５３の一部を覆うように封止樹脂６２でモールドする工程、（６）は露出している金属面に半田めっき６３，６４を施す工程である。焼成処理温度は、リードフレーム単体の状態で熱劣化する部材が付属していないため、３２０℃で行っている。また、その後の還元処理は処理時間短縮のため水素雰囲気中で３５０℃に加熱して行っている。ダイボンディング及びリード接合は、フラックス入りの高温タイプの鉛フリー半田で行っている。
本実施例によれば、リードフレームや半導体デバイスや電極接続導体を含む半導体組立構造体と封止樹脂との高密着化が可能となるので、Ｃｕリードフレームを用いた半導体パッケージの高温高湿環境下や温度サイクル環境下における製品寿命を大幅に改善でき、信頼性の高い樹脂封止型半導体装置を提供できる。また、Ｃｕの表面に酸化金属の皮膜を形成しているため、高温環境下におけるＣｕの酸化進行速度を遅くすることができ、Ｃｕのリードフレームを用いて高温信頼性を高めた樹脂封止型半導体装置を提供できる。
図１４は、図１２の樹脂封止型半導体装置の製造フローにおける表面処理工程の他の実施例を示す。図において、紫外線照射による洗浄と有機金属化合物の浸漬・塗布は同様で、焼成方法が加熱のみでなく低温化のため紫外線照射をアシストとして用いている点が異なっている。
図１５は、図１２の樹脂封止型半導体装置の製造フローにおける表面処理工程の他の実施例を示す。図において、紫外線照射による洗浄は図１２と同様で、有機金属化合物溶液の塗布方法をスプレー方式とし、一度、不活性雰囲気中で乾燥処理を行った後、参加雰囲気中で焼成処理を加え、さらに還元雰囲気中で加熱して還元する工程としている。
本実施例によれば、可燃性の有機溶媒で希釈した有機金属化合物溶液を不活性雰囲気中で乾燥させているため、可燃性蒸気ガスによる爆発の危険性が無く、安全性の高い組立工程とすることができるという効果がある。
本発明によるの金属／樹脂接着構造体を製造するプロセスフローの一実施例。 本発明による金属／樹脂接着構造体の接着強度の測定結果。 本発明によるＺｎコート処理したサンプルの接着部断面。 本発明によるＺｎコート処理したサンプルの接着部破断面の外観。 本発明によるＺｎコート処理したサンプルの接着部の集束イオンビーム加工断面。 図５の加工断面をイオンエッチング処理した断面組織。 本発明による金属／樹脂接着構造体の界面構造を示す一実施例。 本発明による金属／樹脂接着構造体の界面構造を示す他の一実施例。 本発明によるＣｕ部材／樹脂接着構造体を製造するプロセスフローの一実施例。 図９のプロセスフローにおける焼成処理後と還元処理後のＣｕ部材表面の断面構造の一例。 本発明による樹脂封止型半導体装置の製造方法を示す一実施例。 図１１の製造方法を示すプロセスフロー。 本発明による樹脂封止型半導体装置の製造フローにおける表面処理工程の他の一実施例。 本発明による樹脂封止型半導体装置の製造フローにおける表面処理工程の他の一実施例。 図１２の樹脂封止型半導体装置の製造フローにおける表面処理工程。
符号の説明
１，１１ Ｃｕ素材
２，１２ Ｎｉめっき
３，１３ 反応層
４ 強酸化性金属の層
５，１５ 強酸化性金属の酸化物層
６，１６ コート被膜
７，１７ 高分子樹脂
１４ 強酸化性金属の粒子
２１ Ｃｕ部材
２２ Ｃｕ酸化物層
２３ Ｃｕ−Ｚｎ反応層
２４ Ｚｎ酸化物の被膜
３１ ダイパッド
３２，３３ リード部材
３４ 半導体デバイス
３５ 高鉛半田
３６ Ａｌワイヤボンディング
３７ 有機金属化合物溶液
３８ 焼成皮膜
３９ 封止樹脂
４０，４１ 半田めっき

Claims (16)

  1. 金属部材と高分子樹脂の接着構造体において、
    金属部材の表面に３５０℃以下の温度で分解する有機金属化合物を含む溶液を塗布する工程と、
    酸化雰囲気中で有機金属化合物を加熱処理して金属酸化物を含む皮膜を金属部材表面に形成する工程と、
    金属酸化物を含む皮膜の上に高分子樹脂を供給し、高分子樹脂を硬化処理して金属部材と高分子樹脂の接着構造を得る工程と、
    を有することを特徴とする金属／樹脂接着構造体の製造方法。
  2. 請求項１において、金属酸化物を含む皮膜の上に高分子樹脂を塗布、あるいは、射出成形により供給することを特徴とする金属／樹脂接着構造体の製造方法。
  3. 請求項１において、前記溶液は、前記金属部材表面の金属種と異なる金属元素Ｍと、Ｃ，ＨあるいはＣ，Ｈ，Ｏから成る有機金属化合物と、前記有機金属化合物が可溶な有機溶剤あるいは水とで構成され、金属成分含有量が０.００１〜１.０ｗｔ％の濃度範囲にあることを特徴とする金属／樹脂接着構造体の製造方法。
  4. 請求項３において、前記溶液を前記金属部材表面に塗布した後、酸化雰囲気中で１５０〜４００℃の温度に加熱処理して前記金属元素Ｍの酸化物を主体とする皮膜を金属部材表面に形成することを特徴とする金属／樹脂接着構造体の製造方法。
  5. 請求項３において、前記溶液を前記金属部材に塗布する前に、金属部材の表面をＵＶ照射やオゾンによるドライな化学的洗浄、あるいはＡｒ又は酸素のプラズマによる物理的及び化学的洗浄、あるいは還元雰囲気中で２００℃以上の加熱を加える方法で清浄化処理することを特徴とする金属／樹脂接着構造体の製造方法。
  6. 金属導体部を有する配線部材と、半導体デバイスと、前記配線部材と前記半導体デバイスとを電気的に結線する接続部材と、前記配線部材，半導体デバイス、及び、接続部材の少なくとも一部を覆うように形成された絶縁性の封止樹脂とを有する半導体装置の製造方法において、
    第一配線部材の上に半導体デバイスをダイボンディングする工程と、
    半導体デバイスの回路面の電極と第二配線部材とを電気的に接続する工程と、
    前記第一及び第二配線部材，半導体デバイス、及び、接続部材が一体化された組立構造体に有機金属化合物を含む溶液を塗布し焼成処理を行う表面処理工程と、
    表面処理した組立構造体に封止樹脂をトランスファーモールドする工程と、
    を含むことを特徴とする樹脂封止型半導体装置の製造方法。
  7. 請求項６において、前記有機金属化合物がＣ，Ｈ，Ｏから成る有機分子と金属元素で構成され、Ｃ原子数が３０以下である有機金属化合物であり、前記溶液の金属成分濃度が０.００１〜１.０ｗｔ％であることを特徴とする樹脂封止型半導体装置の製造方法。
  8. 請求項６において、焼成処理を行う条件が酸化雰囲気中で１５０〜３００℃の温度に加熱する表面処理方法であることを特徴とする樹脂封止型半導体装置の製造方法。
  9. 請求項６において、金属部材の表面をＵＶ照射やオゾンによるドライな化学的洗浄、あるいはＡｒ又は酸素のプラズマによる物理的及び化学的洗浄、あるいは還元雰囲気中で２００℃以上の加熱を加える方法で清浄化処理を施した後に、前記組立構造体に有機金属化合物を含む溶液を塗布することを特徴とする樹脂封止型半導体装置の製造方法。
  10. 請求項６において、半導体組立構造体に有機金属化合物を塗布し酸化雰囲気中で加熱して焼成処理した後に、さらに水素を含む還元雰囲気中で加熱し還元処理を行う工程を加えたことを特徴とする樹脂封止型半導体装置の製造方法。
  11. 請求項６において、酸化雰囲気中で加熱する工程中に、紫外線照射を加えて焼成処理を行うことを特徴とする樹脂封止型半導体装置の製造方法。
  12. 金属部材と高分子樹脂の接着構造体において、
    前記金属部材の最表面に形成された厚さ５〜５００ｎｍの金属酸化物を主体とする第１の層と、
    前記金属部材と前記第１の層の間に形成された第１の層の金属種、あるいは、第１の層の金属種と金属部材最表面の金属種との合金または金属間化合物の層から成る第２の層とを有し、
    前記第１の層の金属種が前記金属部材の最表面の金属種と比較して酸化物生成の自由エネルギーが低い関係になっていることを特徴とする金属／樹脂接着構造体。
  13. 金属導体部を有する配線部材と、半導体デバイスと、それらを電気的に結線する接続部材と、それら構成部材の少なくとも一部を覆うように形成された絶縁性の封止樹脂とで構成された半導体装置において、前記配線部材と半導体デバイスと接続部材とが一体化された組立構造体の金属部材表面および絶縁部材表面と封止樹脂との界面に、Ｚｎ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｍｇのいずれかの酸化物を主体とする皮膜が介在した構造を有していることを特徴する樹脂封止型半導体装置。
  14. 請求項１３において、金属部材表面の前記酸化物を含む皮膜の構造が、樹脂側に酸化物を主体とする第一の皮膜が形成され、金属部材側に第一の皮膜を構成する金属種で構成された金属層あるいは第１の皮膜の金属種と金属部材表面の金属種で構成された合金層あるいは金属間化合物層からなる第２の皮膜が形成された多層膜構造となっていることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
  15. ＣｕまたはＣｕ合金からなるリードフレーム、あるいはその表面にＮｉめっき、あるいはさらにＡｇめっきを施したリードフレームであって、その最表面にＺｎ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ａｌの中から選択された元素の酸化物を主体とする厚さ５〜５００ｎｍ皮膜が形成されていることを特徴とするリードフレーム。
  16. セラミック絶縁基板にＣｕまたはＡｌパターンが形成され、その上にＮｉめっきが施された配線基板であって、Ｎｉめっき上にＺｎ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ａｌの中から選択された元素の酸化物を主体とする厚さ５〜５００ｎｍの皮膜が形成されていることを特徴とするセラミック配線基板。
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