JP2019057574A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本実施形態の目的は、高温環境下でも優れた耐久性を有する半導体装置を提供することである。【解決手段】本実施形態は、半導体素子と、リードフレームと、封止樹脂体と、前記リードフレーム及び前記封止樹脂体の間に配置されるプライマー層と、を含む半導体装置であって、前記プライマー層は、酸無水物とジアミンとの重合体であるポリアミック酸のイミド化物であるポリイミド重合体を含み、所定式で計算される値Ｘが0.182以上0.213以下である、半導体装置である。【選択図】図１
Description
本発明は、半導体素子を含む半導体装置に関する。
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子を搭載した半導体装置（例えばパワーモジュール又はパワーカード）としては、多様な形態が存在しており、例えば、リードフレーム、接合材としてのはんだ層及び半導体素子を含む積層体がケース内に収容され、さらにこのケース内に封止樹脂体が形成された構成を有するものが挙げられる。また、二つのリードフレームが上下に存在し、その間に半導体素子が接合材を介して配設された積層体が封止樹脂で一体化された半導体装置も知られている。この半導体装置の表面及び裏面は、はんだ層を介して各リードフレームと電気的及び熱伝導的に接合している。
パワーカードなどの半導体装置において、封止樹脂体とリードフレームが剥離すると、半導体装置内のはんだの割れや異物の混入などにより、半導体素子の機能が停止してしまう場合がある。そこで、封止樹脂体とリードフレームとの接着性を向上させるため、プライマーが用いられる。
特許文献１では、所定式で表されるアルコキシシリル基含有ポリアミドイミド樹脂を含む半導体封止用エポキシ樹脂成形材料接着用プライマー組成物が開示されている。特許文献１には、当該プライマー組成物は、半導体封止用エポキシ樹脂成形材料とこれによって封止される半導体素子との接着性に優れ、かつ、耐熱性、耐水性などの特性に優れた硬化皮膜を低温短時間の加熱硬化で与えることができると記載されている。
特許文献２では、所定式で表される構造を有するポリイミド重合体を含有するプライマー層を用いた電装部品が開示されている。特許文献２には、当該プライマー層は、エポキシ系樹脂及び／又はマレイミド系樹脂を含有する封止樹脂体と高い親和性を発揮することができるため、広範囲の温度領域において封止樹脂体の内部剥離を抑制することができると記載されている。
近年、車載用半導体装置において、性能向上を狙って素子の小型化やＳｉＣ化が提案されているが、小型化に伴う発熱温度の増加やＳｉＣ化に伴う発生応力の増加が懸念されている。具体的には、ＳｉＣ素子は、従来のＳｉ素子より線膨張係数が大きく、また、動作温度がＳｉＣ素子よりも高温であるため（例えば２４０℃超）、発生応力が大きくなる傾向があり、また、高温環境下に曝される可能性が高い。
しかしながら、上述の特許文献に開示されるポリイミドは、耐熱性の観点からは発熱温度の増加には対応できると推察されるが、接着強度の観点からは発熱応力の増加には十分に対応できない可能性がある。具体的には、上述の特許文献に開示されるポリイミドは、接着強度が十分でないため、半導体素子の発生応力が増加した場合に、封止樹脂体及びリードフレームの間で剥離が発生する可能性がある。そこで、高温環境下でも、部材間の剥離が抑制された半導体装置の開発が望まれている。
そこで、本発明は、高温環境下でも優れた耐久性を有する半導体装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、所定式で計算される値Ｘが所定の範囲であるポリイミド重合体を含むプライマー層を用いることにより、封止樹脂体とリードフレームとの接着強度を向上することができることを見出し、本発明に想到した。
そこで、本発明の一形態は、
半導体素子と、リードフレームと、封止樹脂体と、前記リードフレーム及び前記封止樹脂体の間に配置されるプライマー層と、を含む半導体装置であって、
前記プライマー層は、酸無水物とジアミンとの重合体であるポリアミック酸のイミド化物であるポリイミド重合体を含み、
下記式（１）で計算される値Ｘが0.182以上0.213以下である、半導体装置：
Ｘ＝（αａ＋αｂ）／（Ｖa＋Ｖｂ） 式（１）
［式（１）中、αａは酸無水物の分極率であり、αｂはジアミンの分極率であり、Ｖaは酸無水物のファンデルワールス体積であり、Ｖｂはジアミンのファンデルワールス体積である。］。
半導体素子と、リードフレームと、封止樹脂体と、前記リードフレーム及び前記封止樹脂体の間に配置されるプライマー層と、を含む半導体装置であって、
前記プライマー層は、酸無水物とジアミンとの重合体であるポリアミック酸のイミド化物であるポリイミド重合体を含み、
下記式（１）で計算される値Ｘが0.182以上0.213以下である、半導体装置：
Ｘ＝（αａ＋αｂ）／（Ｖa＋Ｖｂ） 式（１）
［式（１）中、αａは酸無水物の分極率であり、αｂはジアミンの分極率であり、Ｖaは酸無水物のファンデルワールス体積であり、Ｖｂはジアミンのファンデルワールス体積である。］。
本発明により、高温環境下でも優れた耐久性を有する半導体装置を提供することができる。
本実施形態は、半導体素子と、リードフレームと、封止樹脂体と、前記リードフレーム及び前記封止樹脂体の間に配置されるプライマー層と、を含む半導体装置に関する。本実施形態において、前記プライマー層は、酸無水物とジアミンとの重合体であるポリアミック酸のイミド化物であるポリイミド重合体を含む。また、本実施形態において、上記式（１）で計算される値Ｘが0.182以上0.213以下である。
本実施形態に係る半導体装置において、上記ポリイミド重合体は、耐熱性を有し、かつ封止樹脂体とリードフレームとを強固に接着することができる。そのため、本実施形態に係る半導体装置は、高温条件下においても封止樹脂体とリードフレームの剥離を効果的に抑制でき、高温条件下における耐久性に優れている。
以下、本実施形態に係る半導体装置の構成について説明する。
リードフレームは、主に金属材料から構成され、金属材料としては、例えば、アルミニウム、銅、又はそれらの合金などが挙げられる。リードフレームは、例えば、アルミニウムやその合金、銅やその合金などの金属コアの周囲にニッケルめっき層が施されて形成され得る。さらに、ニッケルめっき層の表面に金めっき層が形成されていてもよい。
半導体素子としては、例えば、ＳｉＣ基板などを含むパワー素子が挙げられるが、特にこれに限定されるものではない。
半導体素子は、リードフレームの上に接合材を介して配置される。接合材としてのはんだ層は、特に制限されるものではなく、例えば、Ｐｂ系はんだ又はＰｂフリーはんだのいずれであってもよい。はんだ層としては、環境への影響を低減する観点から、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだなどのＰｂフリーはんだが好ましい。
封止樹脂体の材料（封止樹脂）としては、特に制限されるものではないが、例えば、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂などが挙げられる。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂などが挙げられ、熱可塑性樹脂としては、ポリアミドイミドなどが挙げられる。エポキシ樹脂は、熱硬化型の合成樹脂であり、例えば、その末端に反応性のエポキシ基を持つエポキシ化合物と、硬化剤とを含む。エポキシ樹脂の具体例としては、例えば、ビスフェノールＡとエピクロルヒドリンとの縮合反応により製造されるビスフェノールＡ型エポキシ樹脂や、ノボラック系エポキシ樹脂、トリスフェノールメタン型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、多官能エポキシ樹脂、可撓性エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、高分子型エポキシ樹脂およびグリシジルエステル型エポキシ樹脂などを挙げることができ、これらを単独で用いてもよく、又は二種以上を組み合わせて用いてもよい。熱硬化性樹脂に関しては、ポリアミドイミド以外にも、ポリフェニレンサルファイドやポリブチレンテレフタレートなどのエンジニアリングプラスチック、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、又はポリ塩化ビニルなどが挙げられる。
また、封止樹脂は、熱伝導性と熱膨張の改善を目的として、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素又は酸化マグネシウムなどの無機フィラーを含んでもよい。
プライマー層は、酸無水物とジアミンとの重合体であるポリアミック酸のイミド化物であるポリイミド重合体を含む。また、酸無水物とジアミンについて、式（１）で計算される値Ｘが0.182以上0.213以下である。
Ｘ＝（αａ＋αｂ）／（Ｖa＋Ｖｂ） 式（１）
［式（１）中、αａは酸無水物の分極率であり、αｂはジアミンの分極率であり、Ｖaは酸無水物のファンデルワールス体積であり、Ｖｂはジアミンのファンデルワールス体積である。］。
Ｘ＝（αａ＋αｂ）／（Ｖa＋Ｖｂ） 式（１）
［式（１）中、αａは酸無水物の分極率であり、αｂはジアミンの分極率であり、Ｖaは酸無水物のファンデルワールス体積であり、Ｖｂはジアミンのファンデルワールス体積である。］。
値Ｘは、ポリイミド重合体の電荷の偏りを表すパラメーターであり、値Ｘが大きくなる程、ポリイミド重合体の電荷の偏りに起因する分子間力が大きくなり、結果としてポリイミド重合体の封止樹脂体に対する接着強度が増加する。値Ｘが0.182以上である場合、ポリイミド重合体と封止樹脂体との接着力を有効に向上させることができる。また、値Ｘは0.213以下と規定したが、これはポリイミド重合体の製造上可能な範囲として選択したものである。
酸無水物又はジアミンの分極率は、一般に公表されている値を用いることができ、例えば、「新訂版 最新ポリイミド−基礎と応用−、エヌ・ティー・エス、102-128(2010)」に記載されている。また、酸無水物又はジアミンの分極率は、Ｌｏｒｅｎｔｚ−Ｌｏｒｅｎｚの式から近似的に求めることができる。
酸無水物又はジアミンのファンデルワールス体積は、一般に公表されている値を用いることができ、例えば、「新訂版 最新ポリイミド−基礎と応用−、エヌ・ティー・エス、102-128(2010)」に記載されている。また、酸無水物又はジアミンのファンデルワールス体積は、密度汎関数法で最適化した分子構造に対して、各ファンデルワールス半径を用いて算出することができる。
ポリアミック酸は、酸無水物とジアミンとを重合させることにより得ることができる。具体的には、酸無水物、ジアミン及び溶剤を混合して混合液を調製し、混合液中で酸無水物及びジアミンを反応させることによりポリアミック酸を含むプライマー液を得ることができる。プライマー液中のポリアミック酸の含有量は、好ましくは２〜５０質量％であり、より好ましくは１０〜２５質量％である。また、酸無水物及びジアミンの配合割合は、両者の官能基の当量比などを考慮して、適宜調整することができる。
酸無水物は、下記式（２）で表される構造を有することが好ましい。
ジアミンは、下記式（３）で表される構造を有することが好ましい。
プライマー層は、酸無水物とジアミンとの重合体であるポリアミック酸を含むプライマー液を塗布して加熱することにより形成することができる。この加熱により、ポリアミック酸の脱水及び閉環反応（イミド化）が起こり、ポリイミド重合体を形成することができる。
プライマー液は、酸無水物及びジアミンに加え、適宜溶剤や添加剤などを含むことができる。溶剤としては、例えば、Ｎ−メチル−ピロリドン（ＮＭＰ）が挙げられる。
ポリイミド重合体としては、下記式（Ａ）で表される構造を含むことが好ましい。
式（Ａ）のＲ２に関し、アルキレン基は、例えば、メチレン基（−ＣＨ２−）又はエチレン基（−ＣＨ２ＣＨ２−）である。また、アルキレン基は、直鎖状又は分岐鎖状であってもよい。
式（Ａ）において、ｎは、例えば、１〜１０００００の整数である。
ポリイミド重合体は、上記式（Ａ）で表される構造を含むことが好ましく、本発明の効果を実質的に奏する範囲内で、上記式（Ａ）以外の構造を部分的に含んでもよい。
以下、図面を参照して本実施形態に係る半導体装置の構成について説明する。図１は、本実施形態の半導体装置の構成例を説明するための概略断面図である。図１において、半導体装置１０は、リードフレーム１及び半導体素子２を含んでいる。図１において、リードフレーム１の上に、半導体素子２がはんだ層３を介して配置されている。プライマー層４は、リードフレーム１、半導体素子２及びはんだ層３の積層体を被覆するように配置されている。より具体的には、リードフレーム１の半導体素子２が配置される側の面のうちはんだ層３が接着していない領域、はんだ層３の表面のうちリードフレーム１及び半導体素子２が接着していない領域、及び半導体素子２の表面のうちはんだ層３が接着していない領域が、プライマー層４でコーティングされている。また、プライマー層４の上に、封止樹脂体５がプライマー層４を介して前記積層体を覆うように配置されている。なお、図において半導体素子２に接続されるワイヤなどは省略されている。
また、本実施形態に係る半導体装置は、複数の半導体装置を含んでいてもよい。また、本実施形態に係る半導体装置は、２つのリードフレームを含んでいてもよい。図２は、本実施形態の半導体装置の構成例を説明するため概略断面図である。図２において、半導体装置１００は、二つの半導体素子、すなわち第１の半導体素子１０２ａ及び第２の半導体素子１０２ｂを含んでいる。半導体装置１００では、二つの半導体素子が並列に搭載されている。また、半導体装置１００は、二つのリードフレーム、すなわち第１のリードフレーム１０１ａ及び第２のリードフレーム１０１ｂを含んでいる。図２において、第１のリードフレーム１０１ａの上に、第１の半導体素子１０２ａ及び第２の半導体素子１０２ｂがそれぞれ第１のはんだ層（１０３ａ、１０３ｂ）を介して配置されている。また、第１の半導体素子１０２ａ及び第２の半導体素子１０２ｂの上には、それぞれ第２のはんだ層（１０７ａ、１０７ｂ）を介して第１の金属ブロック１０６ａ及び第２の金属ブロック１０６ｂが配置されている。また、第１の金属ブロック１０６ａ及び第２の金属ブロック１０６ｂの上には、それぞれ第３のはんだ層（１０８ａ、１０８ｂ）を介して第２のリードフレーム１０１ｂが配置されている。プライマー層１０４は、リードフレーム（１０１ａ、１０１ｂ）、はんだ層（１０３ａ、１０３ｂ、１０７ａ、１０７ｂ、１０８ａ、１０８ｂ）、半導体素子（１０２ａ、１０２ｂ）、金属ブロック（１０６ａ、１０６ｂ）を含む積層体を被覆するように配置されている。また、プライマー層１０４の上に、封止樹脂体１０５がプライマー層１０４を介して前記積層体を覆うように配置されている。金属ブロックは、好ましくは銅製である。
（半導体装置の製造例）
図３は、本実施形態の半導体装置を製造する方法例を説明するための概略断面図である。
図３は、本実施形態の半導体装置を製造する方法例を説明するための概略断面図である。
まず、図３（Ａ）に示すように、リードフレーム１の上に半導体素子２をはんだ層３を介して配置し、半導体装置の中間体１０’を作製する。
次に、図３（Ｂ）に示すように、半導体装置の中間体１０’の表面に、プライマー液を塗布し、加熱処理を施してイミド化反応を起こし、プライマー層４を形成する。プライマー液の塗布方法としては、例えば、スピンコート法、スプレー法、又はディッピング法などが挙げられる。
次に、図３（Ｃ）に示すように、プライマー層４の上に封止樹脂を配置して硬化させ、封止樹脂体５を形成する。これにより、半導体装置１０が製造される。
本実施形態の半導体装置は、特に制限されるものではないが、例えば、ハイブリッド車用のパワーコントロールユニットに用いられる半導体装置（パワーカード）として用いることができる。
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例の記載により限定されるものではない。
（実施例）
＜積層体の作製＞
それぞれの下記式（Ａ１）〜（Ａ４）及び（Ｂ１）〜（Ｂ５）のポリイミド重合体に対応するポリアミック酸をそれぞれ含むプライマー液Ａ１〜Ａ４及びＢ１〜Ｂ５を用意した。それぞれのプライマー液は、それぞれの原料となる酸無水物とジアミンを等モル量でＮ−メチルピロリドン溶液中に添加し、終夜撹拌することで得た。なお、式（Ａ１）〜（Ａ４）及び（Ｂ１）〜（Ｂ５）のポリイミド重合体の値Ｘを下記表１に示す。また、式（Ａ１）〜（Ａ４）及び（Ｂ１）〜（Ｂ５）のポリイミド重合体に対応するポリアミック酸を製造するための酸無水物及びジアミンについて、分極率（αａ、αｂ）、ファンデルワールス体積（Ｖａ、Ｖｂ）も併せて表１に示す。なお、これらの値は、「新訂版 最新ポリイミド−基礎と応用−、エヌ・ティー・エス、102-128(2010)」を参照して使用した。
＜積層体の作製＞
それぞれの下記式（Ａ１）〜（Ａ４）及び（Ｂ１）〜（Ｂ５）のポリイミド重合体に対応するポリアミック酸をそれぞれ含むプライマー液Ａ１〜Ａ４及びＢ１〜Ｂ５を用意した。それぞれのプライマー液は、それぞれの原料となる酸無水物とジアミンを等モル量でＮ−メチルピロリドン溶液中に添加し、終夜撹拌することで得た。なお、式（Ａ１）〜（Ａ４）及び（Ｂ１）〜（Ｂ５）のポリイミド重合体の値Ｘを下記表１に示す。また、式（Ａ１）〜（Ａ４）及び（Ｂ１）〜（Ｂ５）のポリイミド重合体に対応するポリアミック酸を製造するための酸無水物及びジアミンについて、分極率（αａ、αｂ）、ファンデルワールス体積（Ｖａ、Ｖｂ）も併せて表１に示す。なお、これらの値は、「新訂版 最新ポリイミド−基礎と応用−、エヌ・ティー・エス、102-128(2010)」を参照して使用した。
無電解ニッケルリンメッキを施したリードフレームにプライマー液Ａ１〜Ａ４及びＢ１〜Ｂ５をそれぞれスピンコートにより塗布した。塗布後のプライマー液の膜厚は、約１μｍであった。そして、１２０℃で１時間乾燥処理を行った後、２１０℃で１時間硬化処理（イミド化）を行い、プライマー層を形成した。次に、プライマー層の上に封止樹脂体（エポキシ樹脂）をプリンカップ状に形成し、積層体Ａ１〜Ａ４及びＢ１〜Ｂ５を形成した。
＜評価試験＞
作製した積層体Ａ１〜Ａ４及びＢ１〜Ｂ５を２５０℃の高温環境下に配置した。そして、封止樹脂体部分にツールを当て、封止樹脂体がリードフレームから外れたときの圧力をプライマー層と封止樹脂体との接着強度（ＭＰａ）として測定した。結果を表１に示す。なお、測定装置はノードソン・アドバンスト・テクノロジー株式会社の万能型ボンドテスター ＳＥＲＩＥＳ４０００を使用した。
作製した積層体Ａ１〜Ａ４及びＢ１〜Ｂ５を２５０℃の高温環境下に配置した。そして、封止樹脂体部分にツールを当て、封止樹脂体がリードフレームから外れたときの圧力をプライマー層と封止樹脂体との接着強度（ＭＰａ）として測定した。結果を表１に示す。なお、測定装置はノードソン・アドバンスト・テクノロジー株式会社の万能型ボンドテスター ＳＥＲＩＥＳ４０００を使用した。
表１からも明らかな通り、プライマー層に含まれるポリイミド重合体の値Ｘが高いほどプライマー層と封止樹脂体との接着強度が高いことがわかる。
以上、本発明の実施の形態を図面とともに詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更などがあっても、それらは本発明に含まれる。
１ リードフレーム、
２ 半導体素子
３ はんだ層
４ プライマー層
５ 封止樹脂体
１０ 半導体装置
１０’ 半導体装置の中間体、
１０１ａ 第１のリードフレーム
１０１ｂ 第２のリードフレーム
１０２ａ 第１の半導体素子
１０２ｂ 第２の半導体素子
１０３ａ、１０３ｂ 第１のはんだ層
１０４ プライマー層
１０５ 封止樹脂体
１０６ａ、１０６ｂ 金属ブロック
１０７ａ、１０７ｂ 第２のはんだ層
１０８ａ、１０８ｂ 第３のはんだ層
１００ 半導体装置
２ 半導体素子
３ はんだ層
４ プライマー層
５ 封止樹脂体
１０ 半導体装置
１０’ 半導体装置の中間体、
１０１ａ 第１のリードフレーム
１０１ｂ 第２のリードフレーム
１０２ａ 第１の半導体素子
１０２ｂ 第２の半導体素子
１０３ａ、１０３ｂ 第１のはんだ層
１０４ プライマー層
１０５ 封止樹脂体
１０６ａ、１０６ｂ 金属ブロック
１０７ａ、１０７ｂ 第２のはんだ層
１０８ａ、１０８ｂ 第３のはんだ層
１００ 半導体装置
Claims (1)
- 半導体素子と、リードフレームと、封止樹脂体と、前記リードフレーム及び前記封止樹脂体の間に配置されるプライマー層と、を含む半導体装置であって、
前記プライマー層は、酸無水物とジアミンとの重合体であるポリアミック酸のイミド化物であるポリイミド重合体を含み、
下記式（１）で計算される値Ｘが0.182以上0.213以下である、半導体装置：
Ｘ＝（αａ＋αｂ）／（Ｖa＋Ｖｂ） 式（１）
［式（１）中、αａは酸無水物の分極率であり、αｂはジアミンの分極率であり、Ｖaは酸無水物のファンデルワールス体積であり、Ｖｂはジアミンのファンデルワールス体積である。］。
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