JP2016063018A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】退色を防止できる封止樹脂で被覆された半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】ＡＭＢ基板１と、前記ＡＭＢ基板１に電気的に接続された半導体チップ１１と、前記半導体チップ１１と電気的に接続された外部端１３子と、前記ＡＭＢ基板１、前記半導体チップ１１、前記外部端子１３の一部を着色剤と酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を含有する赤色樹脂組成物１５ａで封止する。この赤色樹脂組成物１５ａを封止樹脂１５に用いることで退色を防止することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。

図１１は、従来の半導体装置５００の要部断面図である。半導体装置５００は、樹脂封止構造のパワー半導体モジュールである。この半導体装置５００は、ＡＭＢ（Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｂｒａｚｉｎｇ）基板１と、ＡＭＢ基板１のおもて側の厚銅板３上にはんだ１０で電気的に接続した半導体チップ１１を備える。さらに、半導体チップ１１の上方には、絶縁板６と、絶縁板６のおもて側に配置された銅板７と、絶縁板６の裏側に配置された銅板８と、を備えた絶縁回路基板５が配置されている。絶縁回路基板５の銅板７、８は、銅ピン９とはんだ１２を介して半導体チップ１１と電気的に接続されている。そして、外部端子１３が、厚銅板３上にはんだ１４で電気的に接続されている。ＡＭＢ基板１裏面の厚銅板４の下面と外部端子１３の一部を除いて、ＡＭＢ基板１と絶縁回路基板５と外部端子１３と銅ピン９と半導体チップ１１と各はんだ１０，１２，１４は、封止樹脂３０で被覆されている。ＡＭＢ基板１は、セラミック板２のおもて側、裏側に厚銅板３，４をＡＭＢ法で接合した放熱用の絶縁基板であり、おもて側の厚銅板３には回路配線となるパターンが形成されている。絶縁回路基板５はポリイミドなどの絶縁板６のおもて側と裏側に固着した銅板７，８と、裏側の銅板８に固着した銅ピン９で構成され、銅ピン９がはんだ１２で半導体チップ１１に固着されている。前記の封止樹脂３０により、半導体チップ１１、ＡＭＢ基板１、絶縁回路基板５および外部端子１３の相互間の絶縁性が確保されている。

半導体装置５００は図示しない冷却体に取り付けられ放熱される。この場合、裏側の厚銅板４と冷却体との隙間を埋めて伝熱性を確保するために、一般にシリコーン系の放熱グリスを塗布している。また、放熱グリスの代わりに熱伝導シートを用いることもある。
上記のように、従来の半導体装置５００は、製品に特長を出すため封止樹脂３０の色をさまざまに変える要望がある。

また、特許文献１には、酸化防止剤に相当するポリフィノールをエポキシ樹脂に混合し、メイラード反応阻害物質に相当するポリフェニレンスルフィド樹脂を改質剤として添加されたエポキシ樹脂が開示されている。また、このエポキシ樹脂は電子部品の封止材料として用いられることが記載されている。

また、特許文献２では、ネギ類植物精油成分に含まれるモノスルフィド化合物、またはネギ類植物のモノスルフィド化合物含有画分を有効成分として含有するメイラード反応阻害剤を提供することが記載されている。

特開２００６−２９０９８９号公報 特開２００５−２６１３９６号公報

しかし、図１１において、封止樹脂３０の色(樹脂色)は環境により変化し、特に熱により変色する。また、出荷試験で初期不良を事前に低減させるためにバーンイン試験を行っているが、このバーンイン試験では封止樹脂３０は高温で加熱されるため、封止樹脂３０の色である樹脂色は黒褐色化する。この黒褐色化は、酸化およびメイラード反応により引き起こされ、退色と称せられる現象である。半導体装置５００としては、バーンイン試験で黒褐色化する（退色する）ことを防止することが望まれている。

また、特許文献１では、前記のエポキシ樹脂は吸湿率、耐熱性といった樹脂物性低下の少ない樹脂、難燃剤として用いられることは記載されているが、モノスルフィド化合物を含有させてエポキシ樹脂の退色を防止することについては記載されていない。

また、特許文献２では、前記したように、モノスルフィド化合物を含有させて、メイラード反応阻害剤を提供することについては記載されているが、酸化阻害物質と合わせてエポキシ樹脂に含有させて退色防止を図ることについては記載されていない。

この発明の目的は、前記の課題を解決して、退色を防止できる封止樹脂で被覆された半
導体装置およびその製造方法を提供することである。

前記の目的を達成するために、第１の発明の態様によれば、ＡＭＢ基板と、前記ＡＭＢ基板に電気的に接続された半導体チップと、前記半導体チップと電気的に接続された外部端子と、前記ＡＭＢ基板、前記半導体チップ、前記外部端子の一部を封止し、着色剤と酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を含有する樹脂組成物とを備える構成とする。着色剤と酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を含有する樹脂組成物とすることで、退色防止を図ることができる。

また、第２の発明の態様によれば、ＡＭＢ基板と、前記ＡＭＢ基板に電気的に接続された半導体チップと、前記半導体チップと電気的に接続された外部端子と、前記ＡＭＢ基板、前記半導体チップ、前記外部端子の一部を封止し、表面層に着色剤と酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を含有する樹脂組成物とを備える構成とする。表面層に着色剤と酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を含有する樹脂組成物を被覆することで退色防止を図ることができる。

また、第３の発明の態様によれば、ＡＭＢ基板と、前記ＡＭＢ基板に電気的に接続された半導体チップと、前記半導体チップと電気的に接続された外部端子と、前記ＡＭＢ基板、前記半導体チップ、前記外部端子の一部を封止し、表面層に酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を含有する浸透層を有する樹脂組成物とを備える構成とする。表面層に酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を含有する浸透層を有する樹脂組成物を形成することで退色防止を図ることができる。

また、第４の発明の態様によれば、第１〜第３のいずれかの発明において、前記樹脂組成物が、エポキシ樹脂、マレイミド変性エポキシ樹脂、マレイミド変性フェノール樹脂、マレイミド樹脂のいずれかであるとよい。

また、第５の発明の態様によれば、第１〜第４のいずれかの発明において、前記着色剤が、アゾ染料もしくはアゾ顔料であるとよい。

また、第６の発明の態様によれば、第１〜第５のいずれかの発明において、前記酸化阻害物質が、ポリフェノールであるとよい。

また、第７の発明の態様によれば、第１〜６のいずれかの発明において、前記メイラード反応阻害物質が、モノスルフィドであるとよい。

また、第８の発明の態様によれば、第６の発明において、前記ポリフェノールが、レスベラトロールであるとよい。

また、第９の発明の態様によれば、第１の発明の半導体装置の製造方法において、無添加の液状の樹脂組成物に着色剤と酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を含有させる工程と、含有後の液状の樹脂組成物で、前記ＡＭＢ基板、前記半導体チップ、前記外部端子を備えるモジュール構造体を被覆し、硬化させて樹脂組成物で封止された半導体装置を形成する工程と、を含む半導体装置の製造方法とする。硬化した樹脂組成物に酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を含有させることで、退色防止を図ることができる。

また、第１０の発明の態様によれば、第２の発明の半導体装置の製造方法において、
着色剤と酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を含有した粉体状の樹脂組成物で前記モジュール構造体を封止している樹脂組成物上に粉体塗装する。粉体状の樹脂組成物に酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を含有させることで、退色防止を図ることができる。

また、第１１の発明の態様によれば、第３の発明の半導体装置の製造方法において、
前記モジュール構造体を収納し液状の樹脂組成物を注型する金型の内面に酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を含有した離型剤を塗布し、液状の樹脂組成物が硬化するときに酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を硬化した樹脂組成物に浸透させ前記硬化した樹脂組成物の表面に浸透層を形成する。浸透層に酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を含有させることで、退色防止を図ることができる。

この発明によれば、退色を防止できる封止樹脂で被覆された半導体装置およびその製造方法を提供することができる。

この発明に係る第１実施例の半導体装置１００の要部断面図である。 この発明に係る第２実施例の半導体装置２００の要部断面図である。 この発明に係る第３実施例の半導体装置３００の要部断面図である。 この発明に係る第４実施例の半導体装置１００の要部製造工程断面図である。 図４に続く、この発明に係る第４実施例の半導体装置１００の要部製造工程断面図である。 図５に続く、この発明に係る第４実施例の半導体装置１００の要部製造工程断面図である。 樹脂組成物に含有される添加物の化学式を示す図である。 この発明に係る第５実施例の半導体装置２００の要部製造工程図である。 この発明に係る第６実施例の半導体装置３００の要部製造工程断面図である。 半導体装置１００〜３００との比較例を示す半導体装置４００の要部断面図である。 従来の半導体装置５００の要部断面図である。

封止樹脂の黒褐色化は酸化とメイラード反応により引き起こされ、封止樹脂内のアミノ基（−ＮＨ２−）とカルボニル基（−ＣＯ−）の縮合反応で起こる。そのため、封止樹脂に酸化阻害物質およびメイラード反応阻害物質を添加したり、表面をコーティングすることで退色を防止する。

実施の形態を以下の実施例で説明する。従来構造と同一な部位には同一の符号を付した。
（実施例１）
図１は、この発明に係る第１実施例の半導体装置１００の要部断面図である。半導体装置１００は、樹脂封止構造（樹脂モールド）を有するパワー半導体モジュールである。

従来の半導体装置５００との違いは、封止樹脂１５に赤色着色剤と酸化阻害物質であるポリフィノール化合物とメイラード反応阻害物質であるモノスルフィド化合物を配合した赤色樹脂組成物１５ａを用いた点である。実施例では着色剤の色として、赤色の場合を示したが、この他に、黄色、青色、緑色などの色の異なる着色剤を用いる場合もある。尚、封止樹脂１５は総称を示す。

半導体装置１００は、ＡＭＢ基板１と、絶縁回路基板５と、銅ピン９と、半導体チップ１１と、はんだ１０、１２、１４と、外部端子１３と、前記した封止樹脂１５である赤色樹脂組成物１５ａとを備えている。

ＡＭＢ基板１は、セラミック板２と、セラミック板２の表側に厚銅板３と、セラミック板２の裏側に厚銅板４とを備えている。厚銅板３には回路配線パターンが形成されている。絶縁回路基板５は、絶縁板６と、絶縁板６の表側にある銅板７と、絶縁板６の裏側にある銅板８とを備えている。銅板７、８には、回路配線パターンが形成されている。絶縁回路基板５の銅板７，８には半導体チップ１１の主電流を流すので、絶縁回路基板５の銅板７，８の厚さは主電流の容量に応じた厚さを備えている。

半導体チップ１１の下面は、厚銅板３の上にはんだ１０を介して電気的に接続されている。半導体チップ１１の上面は、はんだ１２で銅ピン９と電気的に接続されている。銅ピン９は、絶縁回路基板５の銅板７、銅板８と電気的に接続されている。

外部端子１３は、厚銅板３の上に電気的に接続されており、厚銅板３とはんだ１０を介して半導体チップ１１と電気的に接続されている。

前記の赤色樹脂組成物１５ａは、絶縁回路基板５と、銅ピン９と、半導体チップ１１と、はんだ１０、１２、１４と、外部端子１３とを封止している。ただし、外部端子１３の上部と、厚銅板４の下面は、赤色樹脂組成物１５ａから露出している。

半導体装置１００は、赤色樹脂組成物１５ａによって、内部に配置された半導体チップ１１、ＡＭＢ基板１、絶縁回路基板５および外部端子１３などの相互間の絶縁性が確保されている。

半導体装置１００の放熱は、厚銅板４の下面に図示しない冷却体を取り付けて行われる。またこの場合に、厚銅板４の下面と冷却体の間に、シリコーン系の放熱グリスなどのサーマルコンパウンドを塗布し、伝熱性を向上させている。また、放熱グリスの代わりに熱伝導シートを用いることもある。

２００℃、１００ｈのバーンイン試験前後で半導体装置１００の外観色の変化は認められなかった。つまり、半導体装置１００は退色を防止することができる。
（実施例２）
図２は、この発明に係る第２実施例の半導体装置２００の要部断面図である。図１との違いは、封止樹脂１５がナチュラル樹脂組成物１５ｄの表面を赤色着色剤とポリフェノール化合物とモノスルフィド化合物が添加した赤色樹脂組成物１５ｂで粉体塗装した行った点である。封止樹脂１５の表面層のみが着色される。２００℃、１００ｈのバーンイン試験前後で半導体装置２００の外観色の変化は認められなかった。つまり、半導体装置２００は退色を防止することができる。尚、ナチュラル樹脂組成物１５は着色剤を添加しない樹脂組成物のことである。
（実施例３）
図３は、この発明に係る第３実施例の半導体装置３００の要部断面図である。図１との違いは、封止樹脂１５は、赤色着色剤を含有した赤色樹脂組成物１５ｅと、その表面がポリフェノール化合物とモノスルフィド化合物を浸透させた浸透層１５ｃで構成されている点である。ポリフェノール化合物とモノスルフィド化合物を浸透させた浸透層１５ｃで赤色樹脂組成物１５ｅが被覆されているので、２００℃、１００ｈのバーンイン試験前後で半導体装置３００の外観色の変化は認められなかった。つまり、半導体装置３００は退色を防止することができる。
（比較例）
図１０は、半導体装置１００〜３００との比較例を示す半導体装置４００の要部断面図である。図１との違いは、封止樹脂１５に退色防止剤を添加しない赤色樹脂組成物１５ａを用いた点である。２００℃、１００ｈのバーンイン後で半導体装置４００の外観色は、バーンイン前に比べて黒褐色化した。

表１に前記した半導体装置１００〜４００についての要約した内容を示した。

実施例１〜３の赤色着色剤であるｐ−（フェニルアゾ）フェノールが３ｗｔ％であり、退色防止剤であるレスベラトロールが５ｗｔ％、アリルメチルスルフィドが２ｗｔ％であり、樹脂である液体マレイミドが９０ｗｔ％である。

また、比較例の赤色着色剤であるｐ−（フェニルアゾ）フェノールが３ｗｔ％であり、退色防止剤であるレスベラトロールとアリルメチルスルフィドが共に０ｗｔ％（無しということ）であり、樹脂である液体マレイミドが９７ｗｔ％である。

表１に示すように、実施例１〜３ではバーンインによる変色を抑制できた。これにより、退色を防止した半導体装置１００〜３００を提供することができる。
（実施例４）
図４〜図６は、この発明に係る第４実施例の半導体装置１００の製造方法であり、工程順に示した要部製造工程断面図である。

図４において、封止樹脂１５で被覆される前のスケルトン状のモジュール構造体２０を形成する。

図５（ａ）において、容器２１に液状のナチュラル樹脂組成物を入れ、この液状のナチュラル樹脂組成物に赤色着色剤と退色防止剤であるポリフェノール化合物とモノスルフィド化合物を添加して液状の赤色樹脂組成物２２を形成する。

図５（ｂ）において、金型２３にモジュール構造体２０を配置し、液状の赤色樹脂組成物２２を注型する。

図６において、液状の赤色樹脂組成物２２を固化し、モジュール構造体２０を金型２３から取り出して、退色防止剤を含有した赤色樹脂組成物１５ａで封止された半導体装置１００が完成する。

図７は、樹脂組成物に含有される添加物の化学式を示す図である。前記ポリフィノール化合物は図７（ａ）の化学式で示されるレスベラトール（３，５，４‘−トリヒドロキシ−ｔｒａｎｓ−スチルベン）などである。

前記モノスルフィド化合物は、図７（ｂ）の化学式で示されるアリルメチルスルフィド、図７（ｃ）の化学式で示されるジメチルスルフィドなどである。

前記樹脂は、エポキシ樹脂、マレイミド変性エポキシ樹脂、マレイミド変性フェノール樹脂、マレイミド樹脂などの耐熱樹脂である。

前記赤色着色剤はアゾ染料（例えば、図７（ｄ）の化学式で示されるｐ−（フェニルアゾ）フェノール）、アゾ顔料などである。他の色の着色剤はこれとは異なる染料や顔料である。

これらの配合量は、着色剤，ポリフェノール化合物およびモノスルフィド化合物がそれぞれ数ｗｔ％程度であり、最大でもそれぞれ１０ｗｔ％程度である。また、樹脂は１００ｗｔ％から前記の添加物の合計量を差し引いた残量（ｗｔ％）である。
（実施例５）
図８は、この発明に係る第５実施例の半導体装置２００の製造方法であり、（ａ）〜（ｃ）は工程順に示した要部製造工程図である。

図７との違いは、赤色着色剤とポリフェノール化合物とモノスルフィド化合物を配合した樹脂組成物を硬化した後粉砕し、モジュール構造体２０を封止するナチュラル樹脂組成物１５ｄ上に粉体塗装を行った点である。

図８（ａ）において、赤色着色剤とポリフェノール化合物とモノスルフィド化合物を配合した硬化した赤色樹脂組成物２４を形成する。

つぎに、図８（ｂ）において、硬化した赤色樹脂組成物２４を粉体状の赤色樹脂組成物２５にする。

つぎに、図８（ｃ）において、モジュール構造体２０を封止しているナチュラル樹脂組成物１５ｄ上に粉体状の赤色樹脂組成物２５を粉体塗装する。粉体塗装された層は赤色樹脂組成物１５ｂとなる。これで、ナチュラル樹脂組成物１５ｄを赤色樹脂組成物１５ｂで被覆した半導体装置２００が完成する。
（実施例６）
図９は、この発明に係る第６実施例の半導体装置３００の要部製造工程断面図である。図７との違いは、予め金型２３にポリフェノール化合物とモノスルフィド化合物を添加した離型剤２６を塗布した点である。

図９（ａ）において、ポリフェノール化合物とモノスルフィド化合物を添加した離型剤２６を塗布した金型２３にモジュール構造体２０を配置し、液状の赤色樹脂組成物２２を注型し、昇温して液状の赤色樹脂組成物２２を固化する。この固化時に離型剤２６に添加されたポリフェノール化合物とモノスルフィド化合物が固化した赤色樹脂組成物１５ｅの表面に浸透し、ポリフェノール化合物とモノスルフィド化合物を含有した浸透層１５ｃを形成する。この浸透層１５ｃは下地の色が出て赤色の退色防止層となる。

図９（ｂ）において、固化した赤色樹脂組成物１５ａで封止されたモジュール構造体２０を金型２３から取り出して、ポリフェノール化合物とモノスルフィド化合物を含有した浸透層１５ｃで被覆された赤色樹脂組成物１５ａを有する半導体装置３００が完成する。

１ ＡＭＢ基板
２ セラミック板
３，４ 厚銅板
５ 絶縁回路基板
６ 絶縁板
７，８ 銅板
９ 銅ピン
１０，１２，１４ はんだ
１１ 半導体チップ
１３ 外部端子
１５，３０ 封止樹脂
１５ａ，１５ｂ，１５ｅ 赤色樹脂組成物
１５ｃ 浸透層
１５ｄ ナチュラル樹脂組成物
２０ モジュール構造体
２１ 容器
２２ 液状の赤色樹脂組成物
２３ 金型
２４ 硬化した赤色樹脂組成物
２５ 粉体状の赤色樹脂組成物
２６ 離型剤
１００，２００，３００，４００，５００ 半導体装置

Claims (11)

1. ＡＭＢ基板と、
   前記ＡＭＢ基板に電気的に接続された半導体チップと、
   前記半導体チップと電気的に接続された外部端子と、
   前記ＡＭＢ基板、前記半導体チップ、前記外部端子の一部を封止し、着色剤、酸化阻害物質およびメイラード反応阻害物質を含有する樹脂組成物と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。
2. ＡＭＢ基板と、
   前記ＡＭＢ基板に電気的に接続された半導体チップと、
   前記半導体チップと電気的に接続された外部端子と、
   前記ＡＭＢ基板、前記半導体チップ、前記外部端子の一部を封止し、表面層に着色剤と酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を含有する樹脂組成物と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。
3. ＡＭＢ基板と、
   前記ＡＭＢ基板に電気的に接続された半導体チップと、
   前記半導体チップと電気的に接続された外部端子と、
   前記ＡＭＢ基板、前記半導体チップ、前記外部端子の一部を封止し、表面層に酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を含有する浸透層を有する樹脂組成物と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。
4. 前記樹脂組成物が、エポキシ樹脂、マレイミド変性エポキシ樹脂、マレイミド変性フェノール樹脂、マレイミド樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記着色剤が、アゾ染料もしくはアゾ顔料であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記酸化阻害物質が、ポリフェノールであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 前記メイラード反応阻害物質が、モノスルフィドであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 前記ポリフェノールが、レスベラトロールであることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
9. 前記請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   無添加の液状の樹脂組成物に着色剤と酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を含有させる工程と
   添加後の液状の樹脂組成物で、前記ＡＭＢ基板、前記半導体チップ、前記外部端子を備えるモジュール構造体を被覆し、硬化させて樹脂組成物で封止された半導体装置を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
10. 前記請求項２に記載の半導体装置の製造方法において、
    着色剤と酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を含有した粉体状の樹脂組成物で前記モジュール構造体を封止している樹脂組成物上に粉体塗装することを特徴とする半導体装置の製造方法。
11. 前記請求項３に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記モジュール構造体を収納し液状の樹脂組成物を注型する金型の内面に酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質とを含有した離型剤を塗布し、液状の樹脂組成物が硬化するときに酸化阻害物質とメイラード反応阻害物質を硬化した樹脂組成物に浸透させ前記硬化した樹脂組成物の表面に浸透層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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