JP2017171714A - 樹脂組成物 - Google Patents

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祐子 仲俣
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Abstract

【課題】封止樹脂が酸化し劣化すると、樹脂の高分子の結合が、一部切断され、樹脂中および樹脂と金属部材界面付近においてクラックや剥離を生じなく、着色されている時、退色やチョーキング（白亜化）を生じない樹脂組成物の提供。
【解決手段】熱硬化性樹脂主剤と、硬化剤と、フッ素樹脂粉末と、無機充填材と、ポリフッ化ビニリデン、ポリクロロテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン／パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）／クロロトリフルオロエチレン共重合体から選択される１以上のフッ素樹脂粉末とを含む樹脂組成物、及び前記樹脂組成物からなる封止材により封止されてなる半導体装置。熱硬化性樹脂主剤がエポキシ樹脂であり、硬化剤が、酸無水物系硬化剤である樹脂組成物。
【選択図】なし

Description

本発明は、樹脂組成物に関する。本発明は、特には、半導体装置の封止材として用いられる耐酸化性の高い樹脂組成物に関する。
近年、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を中心として、パワーモジュールが電力変換装置に広く用いられるようになっている。パワーモジュールは１つまたは複数のパワー半導体デバイスを内蔵して、変換接続の一部または全体を構成する。そして、パワー半導体とベースプレートまたは冷却面との間が電気的に絶縁された構造を持つ。
電気的な絶縁構造を実現するための封止材としては、一般的に、エポキシ樹脂が用いられている。エポキシ封止樹脂は、寸法安定性や、耐水性・耐薬品性および電気絶縁性が高く、封止材として適している。
炭化珪素（ＳｉＣ）などの次世代半導体が実用化されるに伴って、より高耐圧の半導体チップが出現している。例えば、従来のシリコン（Ｓｉ）では、耐電圧は１２００Ｖ程度であるが、ＳｉＣでは、耐電圧は３３００Ｖ、１３ｋＶに達する。ＳｉＣでは、耐電圧が高くなり、さらには使用環境温度も高温となる。そのため、従来のエポキシ樹脂を用いた封止材では、クラックが生じたり、樹脂と金属部材の間で剥離が生じたりする問題が起こってきた。高耐熱化を実現するため、高耐熱樹脂であるマレイミド樹脂とエポキシ樹脂とを混合した樹脂を封止材として用いる技術が知られている（例えば、特許文献１）。
また、高耐熱性と低吸湿性を実現するために、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ナノフィラーを含む封止材が知られている（例えば、特許文献２）。
特開2013-127022号公報 特開2013-14663号公報
封止樹脂の酸化がクラックや剥離の要因の一つであることがわかってきている。封止樹脂が酸化し劣化すると、樹脂の高分子の結合が、一部切断され、樹脂中および樹脂と金属部材界面付近においてクラックや剥離を生じることがある。
また、昨今では自社の特徴を出すために封止樹脂を着色することがある。この場合は、着色剤を含有させた封止樹脂を用いて成形する。パワーモジュールは出荷前の高温印加試験や出荷後の通電劣化で酸化により退色やチョーキング（白亜化）を生じる。また、これらの現象はモジュールの外側から内側に向かって進行することが分かっている。
これらの事情を鑑み、酸化劣化を抑制した樹脂が求められている。
本発明者らは、特定のフッ素樹脂を粉末として、熱硬化性樹脂に添加することにより、耐酸化性を向上させ、耐熱性をみたし、退色を防止しうることを見出し、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、樹脂組成物であって、熱硬化性樹脂主剤と、硬化剤と、無機充填材と、ポリフッ化ビニリデン、ポリクロロテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン／パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）／クロロトリフルオロエチレン共重合体から選択される１以上のフッ素樹脂粉末とを含む。
前記樹脂組成物において、前記フッ素樹脂粉末の平均粒子径が、１０〜２００μｍであることが好ましい。
前記樹脂組成物において、前記フッ素樹脂粉末が、前記熱硬化性樹脂主剤、前記硬化剤、前記無機充填材、及び前記フッ素樹脂粉末の総質量を１００％とした場合に、１質量％より多く、５０質量％未満含まれていることが好ましい。
前記樹脂組成物において、前記熱硬化性樹脂主剤が、エポキシ樹脂であることが好ましい。
前記樹脂組成物において、前記硬化剤が、酸無水物系硬化剤であることが好ましい。
前記樹脂組成物が、電子機器の封止に用いられることが好ましい。
本発明は、別の実施の形態によれば、半導体装置であって、積層基板上に実装された半導体素子と出力端子とを導電性接続部材にて接続し、封止材にて封止してなる半導体装置であって、前記封止材の外周部の少なくとも一部が前述のいずれかの樹脂組成物を含む。
前記半導体装置において、前記外周部の少なくとも一部が、外周面から１．０〜２．０ｍｍの厚みの部分であることが好ましい。
前記半導体装置において、前記熱硬化性樹脂主剤が、脂環式エポキシ樹脂とビスフェノールＡ型エポキシ樹脂との混合物であることが好ましい。
前記半導体装置において、前記導電性接続部材が、ワイヤ、ピン、またはリードフレームのいずれかを含むことが好ましい。
前記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。
本発明によれば、耐酸化性及び退色防止特性に優れ、電子機器の封止材の外周部を構成する部材として適した樹脂組成物を提供することができる。また、かかる樹脂組成物を封止材として得られた半導体装置は、耐熱性及び外観が良好で、封止材の着色による特徴を出したパワーモジュール製品とすることができる。
図１は、本発明に係る半導体装置の一例である、パワーモジュールの断面構造を示す概念図である。 図２は、本発明に係る半導体装置の別の例である、パワーモジュールの断面構造を示す概念図である。
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。特に、図面に示す各部材の相対的な寸法や配置は、本発明を限定するものではない。
［第１実施形態：樹脂組成物］
本発明は、第１実施形態によれば樹脂組成物である。当該樹脂組成物は、熱硬化性樹脂主剤と、硬化剤と、無機充填材と、ポリフッ化ビニリデン、ポリクロロテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン／パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）／クロロトリフルオロエチレン共重合体から選択される１以上のフッ素樹脂粉末とを含む
本実施形態に用いられる熱硬化性樹脂主剤としては、特に限定されず、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂等をあげることができる。電子部品の用途としては、１分子中に少なくとも２個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂が、寸法安定性や耐水性・耐薬品性および電気絶縁性が高いことから、特に好ましい。具体的には、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＥ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、マレイミドナフトール樹脂、マレイミドトリアジン樹脂、マレイミド樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂等を挙げることができるが、これらには限定されない。これらの熱硬化性樹脂主剤は、単独で用いてもよいが、２種以上を混合してもよい。共重合させるモノマー分子の組み合わせにより、耐熱性、強靭性、難燃性等の物性を適宜調整することができる。
また、熱硬化性樹脂主剤には、末端にエポキシ基などの架橋性官能基を有する反応性希釈剤を、任意選択的な成分として、適宜混合することができる。粘度および架橋密度を調整するためである。反応性希釈剤としては、例えば、フェニルグリシジルエーテル、２−エチルヘキシルグリシジルエーテル、ｎ−ブチルグリシジルエーテル、クレジルグリシジルエーテル、ｐ−ｓ−ブチルフェニルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、α−ピネンオキシドスチレンオキシド、メタクリル酸グリシジル、１−ビニル−３，４−エポキシシクロヘキサンを挙げることができるが、これらには限定されない。反応性希釈剤の添加量は、熱硬化性樹脂主剤の性状などに合せて当業者が適宜決定することができる。
本実施形態に用いられる硬化剤としては、熱硬化性樹脂主剤と反応し、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、熱硬化性樹脂主剤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。
また、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、熱硬化性樹脂主剤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。
フッ素樹脂粉末は、常温、常圧下で粉末状態であるフッ素樹脂である。本実施形態に用いられるフッ素樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリクロロテトラフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）／クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＣＰＴ）が挙げられる。これらから選択される１種を用いてもよく、または２種以上を混合して用いてもよい。これらのフッ素樹脂はいずれも、耐熱性が高く、酸素透過性が低く、透明で難燃性が高い点から好ましい。なお、フッ素樹脂は、これらを主成分とするものであれば、そのほかの成分が混在していてもよい。
フッ素樹脂粉末の形状は特には限定されず、球状、針状、箔状、繊維状などであってよいが、特には球状粒子であることが好ましい。また、その平均粒径は、約１０〜２００μｍであることが好ましく、約１５〜５０μｍであることがより好ましいが、これらの範囲には限定されない。上記平均粒径よりも小さいと飛散するなど取扱いが困難となる場合がある。また、平均粒径をこの範囲とすることで、良好な分散性を確保することができるためである。なお、本明細書において平均粒径は、レーザー回折法により測定した値をいうものとする。これらのフッ素樹脂粉末は、市販の粉末状樹脂を用いることができる。あるいは、フッ素樹脂硬化物をミル等で粉末化し、所望の粒径のフッ素樹脂粉末を分別して、用いることもできる。
フッ素樹脂粉末は、熱硬化性樹脂主剤、硬化剤、無機充填材、及びフッ素樹脂粉末の総質量を１００％とした場合に、１質量％より多く、５０質量％未満含まれていることが好ましく、５〜３０質量％含まれていることがより好ましい。１質量％以下では、酸化防止効果及び退色性防止効果が充分に得られない場合があり、また、５０質量％よりも多いと、増粘し、作業性を低下させる場合があるためである。
樹脂組成物に添加して用いられる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、熱硬化性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。
本発明の樹脂組成物が半導体装置の封止材用途の樹脂として用いられる場合には、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、樹脂を着色するための顔料、難燃剤、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、半導体装置の仕様に応じて、当業者が適宜決定することができる。特に、本実施形態による樹脂組成物においては、硬化した樹脂自体の退色性を防止しうるため、着色顔料を含む樹脂組成物において、樹脂劣化による色変化を受けにくく、顔料本来の着色を保持することができる。
本実施形態に係る樹脂組成物の調製方法は、上記構成成分を通常の方法で混合し、好ましくは、樹脂組成物中にフッ素樹脂粉末を略均一に分散することにより調製することができる。
本発明の第１実施形態に係る樹脂組成物によれば、耐酸化性及び耐熱性に優れた樹脂硬化物を提供することができる。したがって、当該樹脂組成物は、電子部品の封止用途、特には半導体封止用途に好ましく用いることができる。
［第２実施形態：半導体装置］
本発明は一実施形態によれば、半導体装置であって、積層基板上に実装された半導体素子と出力端子とを導電性接続部材にて接続し、封止材にて封止してなる。そして、封止材の外周部の少なくとも一部が、第１実施形態に記載の樹脂組成物から構成される。
図１は、本発明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、ＩＧＢＴあるいはダイオードチップ等のパワーチップである。半導体素子１は、はんだ等の接合層１０を介して、積層基板２の上に実装される。この積層基板２は、ヒートスプレッダなどの金属基板３にはんだ等の接合層１０により接合されている。積層基板２の上には、はんだ接合層１０により固定された出力端子５が立ち上がっている。ここで、出力端子５とは、外部接続端子、中間端子、導電性板を含む概念であり、図示する実施形態においては外部接続端子である。出力端子５と半導体素子１とは、導電性接合部材である金属ワイヤ６により電気的に接続されている。端子ケース４はポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）等の熱可塑性樹脂で、出力端子５を固定するためインサート成形され、金属基板３に接着されている。端子ケース４内には第１封止材７が充填されている。さらに、第１封止材７を被覆する態様で、第１実施形態による樹脂組成物を含んでなる第２封止材８が設けられ、封止材の外周部を構成している。本発明において、封止材の外周部とは、封止材が大気に接触しうる面、及び／または半導体装置の製品としたときに外部から視認しうる面を含む部分をいうものとする。したがって、ケースが存在する態様においては、ケースに接する封止材部分は外周部に該当しない。また、外周部が存在する位置は、装置の態様により異なる。
半導体素子１は、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。
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。導電性接続部材６である金属ワイヤは、導電性を備えるものであればよく、典型的にはＡｌ、Ｃｕワイヤを用いることができる。金属基板３は放熱体として有利な、例えばＣｕ板やＡｌ板であってよい。金属基板３に替えてほかの放熱構造体を備えていてもよい。
第２封止材８は、第１実施形態による樹脂組成物を含んでなる、耐酸化性に優れた封止材である。第２封止材８は、封止材の外周部を構成している。本実施形態においては、端子ケース４が存在するため、露出して空気に触れる外周面は、積層基板２に対向する位置にある一面である。第２封止材８は、外周面から、１〜２ｍｍの層状に形成されることが好ましい。封止材の酸化劣化は、通常、封止材の表面（空気との接触面）から１ｍｍ程度の深さまで進行しうる。大気中、２５０℃の条件で、フッ素樹脂粉末を含まない熱硬化性樹脂硬化物を１０００時間おいた場合に、酸化劣化の領域が表面から１ｍｍ弱であることを、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による断面観察および退色性により本発明者らが確認している。これに対し、酸素を透過しにくいフッ素樹脂粉末を含む樹脂組成物を、表面から０．５〜２ｍｍ程度、好ましくは０．５〜１．５ｍｍ程度の外周部に配置することで、効率的に樹脂の酸化を防止することができる。第２封止材８の層が厚すぎると、第１封止材と第２封止材の線膨張係数や弾性率などの物性の差異が生じてきて界面に応力がかかるおそれがある。
第１封止材７は、積層基板２の沿面及び半導体素子１を絶縁保護している。第１封止材７としては、特には限定されない。第１実施形態に詳述した、フッ素樹脂粉末を含む樹脂組成物を用いてもよく、その他の半導体封止用の一般的な封止材を用いてもよい。例えば、Ｔｇが、半導体素子１の接合部温度ジャンクション温度（Ｔｊ）よりも１０℃以上高い封止材を用いることが好ましく、ガラス転移温度（Ｔｇ）が２００℃以上の封止材であることがさらに好ましい。第１封止材７は、高耐熱性の熱硬化性樹脂主剤と、硬化剤と、無機充填材とを含み、任意選択的に硬化促進剤や各種添加剤を含んでもよい。高耐熱性の熱硬化性樹脂主剤は、特には限定されないが、好ましくは、脂環式エポキシ樹脂やマレイミド樹脂を含む。さらに好ましくは、高耐熱性の熱硬化性樹脂主剤は、脂環式エポキシ樹脂とビスフェノールＡ型エポキシ樹脂との混合物であってもよい。この場合、脂環式エポキシ樹脂とビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を、１：１〜４：１の質量比で混合したものであってもよい。また、第１封止材７として、第１実施形態に係る樹脂組成物を用いる場合には、第２封止材８と組成が同一であっても異なっていてもよい。第１封止材７と第２封止材８との組成が完全に同一の場合は、図示するように二層に分かれた封止材ではなく、連続した単一の封止材から構成される。また、第１封止材７による封止態様は、図示する形態には限定されず、例えば、第１封止材７が二層以上の異なる組成の封止材から構成されていてもよい。
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について簡単に説明する。本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、積層基板２上に半導体素子１を実装する工程と、前記半導体素子１と出力端子５とを導電性接続部材６にて接続する工程と、前記半導体素子１、出力端子５、導電性接続部材６及び積層基板２の沿面を第１封止材７で封止する工程と、外周部を第２封止材８で封止する工程とを含む。
積層基板２への半導体素子１の実装、半導体素子１と出力端子５との導電性接続部材６による接続は、半導体装置の分野で知られている通常の方法で実施することができる。また、これらの工程に加え、必要な部材を取り付ける工程を通常の方法で実施することができる。
第１封止材７で封止する工程は、通常の方法で実施することができる。例えば、図示するケース４を備える実施形態においてはポッティングにより実施することができ、ケースを備えない実施形態においては、トランスファー成型などにより実施することができるが、所定の方法には限定されない。
第２封止材８で封止する工程は、第１封止材７を好ましくは加熱硬化した後に、外周部に第２封止材８をさらに積層することにより実施することができる。図示するケースを備える実施形態においては、ディズペンサーを用いる方法や、スプレー法を用いて、第１封止材７上に、第２封止材８を適用することができる。ケースを備えない実施形態においては、第１封止材７で封止し、硬化したモジュールを、第２封止材８の組成物中に浸漬するディップ法や、スプレー法により、第２封止材８をさらに積層することができる。
第１封止材７と、第２封止材８の組成が完全に同一の場合には、それぞれを別に適用して封止する必要はなく、一度のポッティングまたはトランスファー成型により、封止することができる。
第１封止材７の加熱硬化、第２封止材８の加熱硬化ともに、加熱硬化の工程は、例えば、１００〜１２０℃で１〜２時間、次いで、１７５〜１８５℃で１〜２時間にわたり実施することができるが、特定の温度、時間には限定されず、二段階硬化である必要もない場合がある。また、第１封止材７をポッティングによりケース内に充填した後、加熱なしまたは、１００〜１２０℃で１〜２時間の仮硬化後に第２封止材８を適用し、最後に加熱硬化することもできる。いずれの場合であっても、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂主剤の硬化温度ではフッ素樹脂が反応することはない。
また、本実施形態の変形形態として、ケースを備えておらず、積層基板が位置する面以外は、封止材が外周部分を構成する半導体装置も本発明に含まれる。この場合、図１に示す一面のみならず、この面に略垂直な四面の表層に、第２封止材８の層が位置することが好ましい。そして、その場合の層厚みは、図１に示す実施形態において例示した厚みと同様であって良い。かかる実施形態においては、封止材の外部から視認しうる部分が多いため、製品としたときに、本発明による退色防止効果が顕著である。
本発明に係る半導体装置のさらなる変形形態として、導電性接続部材が金属ワイヤの態様のみならず、例えば、リードフレームである態様であってもよい。リードフレーム構造を備える半導体装置においては、半導体素子上にリードフレームが接合される。リードフレームを備える半導体装置構成は、例えば、本出願人らによる特開2005-116702号公報に開示されているものが挙げられるが、特定の構成には限定されない。そして、リードフレーム構造を備える半導体装置においても、封止材の態様は、図１に示す態様と同様に、第１封止材と第２封止材とにより封止されており、封止材の外周部に位置する少なくとも第２封止材は、第１実施形態による樹脂組成物を含む。
次に、ピン構造を備える半導体装置について説明する。図２は、本発明に係る半導体装置の一例である、ピン構造を備えるパワーモジュールの概念的な断面図である。ピン構造を備える半導体装置は、積層基板２に接合層１０を介して半導体素子１が実装され、半導体素子１の積層基板２と逆側の電極には、導電性接続部材６である複数のインプラントピンが接合される。インプラントピン６には、さらに、半導体素子１に対向してプリント基板１１が固着される。第２導電性板２１の上面には、主端子Ｎ１２、Ｐ１３、Ｕ１４の一方の端部が取り付けられ、主端子の他方の端部はモジュールの外側に引き出される。また、第２導電性板２１の上面には、制御端子５が取り付けられ、半導体モジュールの外部との電気的接続が可能に構成されている。第１封止材７は、半導体素子１、積層基板２の沿面、インプラントピン６、プリント基板１１、及び端子５、１２、１３、１４に接触して設けられ、これらの部材を絶縁封止する。さらに、第１封止材７を被覆する態様で、第１実施形態による樹脂組成物を含んでなる第２封止材８が設けられ、封止材の外周部を構成している。本実施形態においては、端子ケースは存在せず、第２封止材８が露出して、外周部を構成する。
積層基板２は、絶縁基板２２とその両面にそれぞれ設けられる導電性板２１、２３から構成される。本実施形態による導電性板２１、２３は、厚みの大きいブロック状であることが好ましい。本実施形態による半導体素子１は、典型的にはワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子であり、複数の半導体素子が実装される。インプラントピン６は、半導体素子１どうし、あるいは半導体素子１とプリント基板１１とを電気的に接続する。インプラントピン６は、Ｃｕからなるものであってよいが、防錆などの目的でＮｉメッキなどの処理を行ったＣｕ部材であってもよい。プリント基板１１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などの回路電極が形成されているものを用いることができる。本実施形態における第２封止材も、表面からの層の厚みは、図１に示す実施形態と同様、１〜２ｍｍであってよく、外周面全体に、略均一に設けることができる。第１封止材７は、図１を参照して説明したのと同様であってよく、任意の封止樹脂であってよい。第１封止材と第２封止材とが区別なく、第１実施形態による樹脂組成物から構成されていてもよい。
本実施形態においても、半導体装置の製造方法は図１に示す実施形態と概ね同様であってよい。第１封止材による封止は、ケースを備えないため、トランスファー成型などの方法によって実施することができる。第２封止材による封止は、トランスファー成型、圧縮成型、ディップ法、吹き付け法等によって実施することができるが、これらには限定されない。
なお、ピン構造を備える半導体装置においても、端子ケースを備えた実施形態とすることができる。その場合、図１に示す実施形態と同様に、積層基板２に対向する一面が外部に露出しており、当該面が、第２封止材から構成されていてもよい。
本発明の第２実施形態に係る半導体装置によれば、封止材の耐熱性を向上させ、酸化劣化を防止して、封止材の剥離、割れを防止し、半導体装置の信頼性を高めることができる。また、封止材の退色性を改善することができ、外観が良好な半導体装置を提供することができる。フッ素樹脂は一般的に他の熱硬化性樹脂との密着性が低く、樹脂膜として封止材に適用することができない。本発明においては、フッ素樹脂粉末を熱硬化性樹脂に混合することで、熱硬化性樹脂にガス透過性を付与し、封止材の酸化劣化を防止することができた。
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。
［１．フッ素樹脂粉末の種類と、添加量の効果］
実施例１〜６では、図１に示すパワーモジュールの試験用デバイスを作製し、特性を評価した。第２封止材を調製した。熱硬化性樹脂主剤のエポキシ樹脂として、ビスフェノールＡエポキシ樹脂と脂環式エポキシ樹脂の質量比３：２での混合物（ペルノックス社製ＭＥ２７２）を用いた。硬化剤として、シクロヘキサン−１，２ジカルボン酸無水物（ペルノックス社製ＨＶ１３６）を用いた。これらの主剤と硬化剤との組み合わせを樹脂の基本組成とした。なお、硬化剤は、熱硬化性樹脂主剤１００質量部に対して、酸無水物硬化剤が１００質量部となるように用いた。さらに、無機充填剤として、平均粒径５μｍの溶融シリカ粒子（瀧森社製、商品名「ZA−30」）を用いた。添加量は、熱硬化性樹脂主剤と硬化剤の総質量を１００質量部としたときに、前記無機充填剤の総質量が２５０質量部となるように調合した。平均粒径が２０μｍとなるように粉末化したフッ素樹脂粉末は、下記に示す量で混合した。以下のフッ素樹脂粉末の含有量は、熱硬化性樹脂主剤、硬化剤、無機充填材、フッ素樹脂粉末の総質量を１００％とした場合のフッ素樹脂粉末の質量％で表した。また、第２封止材には、封止材を着色するために青色顔料を混合した。
試験用デバイスは、図１に示す部材を組み立て、フッ素樹脂粉末を含まないこと以外は上記の第２封止材と同じ組成で調整した第１封止材により封止し、加熱硬化した。この外周に、注型法で、第２封止材を適用し、１００℃、１時間保持し、その後１８０℃で１時間保持した。これにより、外周部に、厚みが１ｍｍの封止材の層を形成した。
［２．封止材外周部分のフッ素樹脂粉末含有樹脂層の厚みの効果］
実施例７〜９では、上記１と同様にして、フッ素樹脂粉末ＰＶＤＦを３０質量％配合した第２封止材を調製した。そして、上記１と同様にして図１に示す部材を組み立て、第１封止材により封止し、加熱硬化した。次いで、第２封止材による封止層を外周部に形成した。形成法及び加熱硬化条件は、上記１と同様としたが、厚みを、０．２ｍｍ〜２ｍｍで変化させた。また、第２封止材を設けず、第１封止材のみで封止した試験デバイスを作製し、比較例１とした。比較例１の試験デバイスでは、第１封止材に青色顔料を添加して着色した。
（ヒートサイクル試験）
耐熱性評価の一つとして、試験用デバイスをヒートサイクル試験して、評価した。具体的には、ヒートサイクルは、−４０℃で３０分間保持し、その後１７５℃で３０分間保持することを５００回繰り返し、チップと封止樹脂の乖離がない場合を「良好」とし、５００回に達成する前にチップと封止樹脂が乖離した場合を「不良」とした。なお、剥離は、目視および倍率５００倍の光学顕微鏡により確認した。
（作業性評価）
作業性は、パワーモジュール等の半導体装置を作成する際に、端子ケースに樹脂を流し込みやすいか否かを示す。樹脂の粘度が高いと、端子ケースに流し込みにくくなり、作業の手間が増え、半導体装置のパッケージを作成するための工数が増えるため、好ましくない。また、粘度が高いと泡抜けが悪く、また、表面凹凸が生じやすく好ましくない。このため、実施例および比較例において、作業性も評価した。作業性は、樹脂の粘度により評価した。例えば、２５℃での樹脂の粘度が４０Ｐａ・ａ以下である場合、作業性が良好になるため、作業性を「良好」に、４０Ｐａ・ａを超える場合、作業性が悪化するため、作業性を「不良」とした。粘度は、ＪＩＳ Ｚ８８０３に基づき、単一円筒回転型粘度計により測定した。
（退色性）
耐熱性の評価として、上記ヒートサイクル試験後、試験用デバイスの外周部にある封止材の退色性を評価した。すなわち、実施例ではフッ素樹脂粉末を含む第２封止材の退色性、比較例ではフッ素樹脂粉末を含まない封止材の退色性を評価した。退色性は、色彩色差計を用いて測定し、JIS Z8781-4:2013に規定されたＬ＊ａ＊ｂ＊表色系を用いて評価した。Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系は、明度をＬ＊色相と、彩度を示す色度をａ＊、ｂ＊とし、これら三つの数値から色を表すものである。本実施例においては、用いたフッ素樹脂粉末は透明であり、第２封止材を青色に着色したため、色の変化は、ｂ＊値で表すことができる。一般的に、初期値に対して、変化の幅が１８以上となるものを不良とすることができる。具体的には、本試験においては、上記ヒートサイクル試験前の第２封止材の初期ｂ＊値が−３３であったのに対して、ヒートサイクル試験後のｂ＊値が、−１５より大きくなるものを不良とした。評価用の試験片は、試験用デバイス外周部の封止材から２ｍｍ角に切りだした。なお、変化の幅を１８以上とする試験基準は、本実施例の特定の態様について適用するものであって、本発明を限定するものではない。
（評価結果）
表１に実施例１〜６の評価結果を示す。第２封止層を設けずに、第１封止材のみを設けた場合と比較して、第２封止層を用いることにより外周部の酸化状態が抑制された。これはヒートサイクル試験によるチップと封止樹脂が乖離の頻度から判断される。しかし、フッ素樹脂粉末の添加量が１質量％以下では、退色を抑える効果が充分ではなかった。また、添加量が６０質量％以上では増粘し、作業性が低下した。
Figure 2017171714
表２に実施例１、７〜９及び比較例の評価結果を示す。なお表示の関係上、実施例１は、表１、２に両者に掲載するが、同一の試験デバイスから得られた試験結果に基づくものである。実施例１、７〜９では、いずれも退色が進むことはなく、良好な結果を示した。一方、比較例１の場合には、明らかな退色がみられた。
Figure 2017171714
理論に拘束される意図はないが、実施例のデバイスを構成する第２封止材においては、ガス透過性（酸素含む）の低いフッ素樹脂の粉末を、エポキシ樹脂（液状）に混合して、エポキシの硬化温度（低硬化温度）で硬化させたため、相分離構造となっていると考えられる。そして、第２封止材により、外環境の酸素の透過が阻害され、封止材の酸化が防止される。その結果、樹脂劣化（着色等）を低減することができると考えられる。
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 ヒートスプレッダ
４ ケース
５ 出力端子
６ 導電性接続部材
７ 第１封止材
８ 第２封止材
１０ 接合層
１１ プリント基板
１２ 主端子Ｎ
１３ 主端子Ｐ
１４ 主端子Ｕ

Claims (11)

  1. 熱硬化性樹脂主剤と、硬化剤と、無機充填材と、ポリフッ化ビニリデン、ポリクロロテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン／パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）／クロロトリフルオロエチレン共重合体から選択される１以上のフッ素樹脂粉末とを含む樹脂組成物。
  2. 前記フッ素樹脂粉末の平均粒子径が、１０〜２００μｍである、請求項１に記載の樹脂組成物。
  3. 前記フッ素樹脂粉末が、前記熱硬化性樹脂主剤、前記硬化剤、前記無機充填材、及び前記フッ素樹脂粉末の総質量を１００％とした場合に、１質量％より多く、５０質量％未満含まれている、請求項１または２に記載の樹脂組成物。
  4. 前記熱硬化性樹脂主剤が、エポキシ樹脂である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の樹脂組成物。
  5. 前記硬化剤が、酸無水物系硬化剤である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の樹脂組成物。
  6. 電子機器の封止に用いられる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の樹脂組成物。
  7. 積層基板上に実装された半導体素子と出力端子とを導電性接続部材にて接続し、封止材にて封止してなる半導体装置であって、前記封止材の外周部の少なくとも一部が請求項１〜６のいずれか１項に記載の樹脂組成物を含む、半導体装置。
  8. 前記外周部の少なくとも一部が、外周面から１．０〜２．０ｍｍの厚みの部分である、請求項７に記載の半導体装置。
  9. 前記熱硬化性樹脂主剤が、脂環式エポキシ樹脂とビスフェノールＡ型エポキシ樹脂との混合物である、請求項７または８に記載の半導体装置。
  10. 前記導電性接続部材が、ワイヤ、ピン、またはリードフレームのいずれかを含む、請求項７〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
  11. 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７〜１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
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