JP5605724B2 - 樹脂組成物 - Google Patents

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Description

本発明は、耐熱性及びガラス転移温度が向上した樹脂硬化物を得ることができる樹脂組成物に関する。
近年、大容量、高電圧環境下でも動作可能なＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）などのパワーモジュールが、民生用機器や産業用機器に広範に使用されている。これらの半導体素子を用いる各種のモジュール（以下、「半導体モジュール」という）の中には、搭載している半導体素子によって生成される熱が高温に達するものがある。その理由としては、半導体素子が扱う電力が大きい場合、半導体素子における回路の集積度が高い場合、または回路の動作周波数が高い場合などが挙げられる。この場合、半導体モジュールを構成している絶縁封止樹脂には、発熱温度以上のガラス転移温度（Ｔｇ）が必要となる。
絶縁封止樹脂に用いられるエポキシ樹脂硬化物に耐熱性を付与する場合、従来はエポキシ樹脂の分子構造を選択し、架橋密度を向上させることで、硬化物の高耐熱化、及びＴｇの向上を図ってきた。しかし、エポキシ樹脂の分子構造を変更して、架橋密度を向上することにより高耐熱化する方法は、絶縁封止樹脂に必要な、粘度特性、吸湿性等の性能を低下させることがある。
いっぽう、高温環境において高い機械強度を発現させるための繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物であって、シリカ微粒子、２官能エポキシ樹脂、多官能エポキシ樹脂およびアミン型硬化剤を必須成分として含む樹脂組成物が知られている（特許文献１）。しかし、この樹脂組成物は、強化繊維に含浸させ、硬化させて、繊維強化複合材料として所望の物性を得るものであり、このような構成では、半導体素子などの電子部品を封止する絶縁封止樹脂組成物としては使用できない、という問題がある。
このような、絶縁特性を有する樹脂は、他にも、燃料電池、太陽電池などの電気部品、電気製品といった、発熱温度が高くなるおそれがある機器において絶縁及び内部保護を目的として広く使用されており、それらの用途においても、高いガラス転移温度を有するものが求められている。
特開２００９−２９２８６６号公報
本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、樹脂の分子構造はそのままで、耐熱性及びガラス転移温度が向上した樹脂硬化物を得るための、樹脂組成物、及びかかる樹脂組成物で封止された半導体モジュールを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、一実施の態様によれば、樹脂組成物であって、ａ）熱硬化性樹脂及び硬化剤、またはｂ）熱可塑性樹脂から選択される樹脂と、平均粒径が１０００ｎｍ以下の粒径を有する無機フィラーとを含んでなる。
前記樹脂組成物における前記無機フィラーの配合割合が、前記樹脂組成物全体の質量に対し、０．１〜１０重量％であることが好ましい。
また、前記無機フィラーが、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＢＮ、ＡｌＮ、及びＳｉ３Ｎ４からなる群から選択される少なくとも１つであり、１〜１０００ｎｍの平均粒径を有することが好ましい。
さらには、前記樹脂が、熱硬化性樹脂及び硬化剤であり、前記熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂であり、前記硬化剤が分子構造中に−ＮＨ３、−ＮＨ２、−ＮＨ、のいずれか一種、または複数の官能基が含まれる分子を含んでなる硬化剤または酸無水物系硬化剤であって、前記無機フィラーが、１００ｎｍ以下の平均粒径を有することが好ましい。
特には、前記エポキシ樹脂が、３官能型のエポキシ樹脂であることが好ましい。
本発明は別の態様によれば、ナノコンポジット樹脂硬化物であって、前述の樹脂が、熱硬化性樹脂及び硬化剤である樹脂組成物を加熱硬化させることにより得られる。特には、フィラー間の平均距離が、１〜２００ｎｍであることが好ましい。
また、前記樹脂が熱可塑性樹脂であり、前記熱可塑性樹脂がナイロンであって、前記無機フィラーが、１０００ｎｍ以下の平均粒径を有することが好ましい。
本発明はまた別の態様によれば、ナノコンポジット樹脂硬化物であって、前述の、樹脂が熱可塑性樹脂である樹脂組成物を硬化させることにより得られる。特には、フィラー間の平均距離が、１〜２０００ｎｍであることが好ましい。
本発明は、さらにまた別の態様によれば、半導体モジュールであって、金属ブロックと、前記金属ブロックの一方の表面に張り合わされた絶縁層と、前記金属ブロックの他方の表面に実装された少なくとも１つの回路素子とを含んでなる組立体を、前述の樹脂組成物により封止してなる半導体モジュールである。
前記樹脂組成物による封止が、ポッティング、トランスファー成形、または液状トランスファー成形のいずれかにより行われたものであることが好ましい。
また、前記絶縁層が、エポキシ樹脂と、前記エポキシ樹脂に分散されており、１〜９９ｎｍの平均粒径を有する第１の無機フィラーと、前記エポキシ樹脂に分散されており、０．１〜１００μｍの平均粒径を有する第２の無機フィラーと、を含む絶縁材であって、前記第１及び第２の無機フィラーが、互いに独立して、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＢＮ、ＡｌＮ及びＳｉ３Ｎ４からなる群から選択される少なくとも１つであり、前記絶縁材における前記第１及び第２の無機フィラーの配合割合が、それぞれ、０．１〜７重量％及び８０〜９５重量％である絶縁材であることが好ましい。
本発明は、さらにまた別の態様によれば、半導体モジュールの製造方法であって、金属ブロックの一方の表面に、絶縁層を張り合わせるステップと、前記金属ブロックの他方の表面に、少なくとも１つの回路素子を実装するステップと、前記回路素子を実装して得られる組立体を、前述の樹脂組成物を用いて封止するステップとを含む。 前記封止するステップが、ポッティング、トランスファー成形、液状トランスファー成形、圧縮成型、または射出成型のいずれかの方法により行われることが好ましい。
本発明にかかる樹脂組成物はまた、半導体モジュール、太陽電池を含む電気部品における絶縁及び内部保護のために使用されることが好ましく、特には、半導体モジュールの絶縁封止に用いることが好ましい。
本発明は、さらなる実施形態によると、エポキシ樹脂と、分子構造中に−ＮＨ３、−ＮＨ２、−ＮＨ、のいずれか一種、または複数の官能基が含まれる分子を含んでなる硬化剤または酸無水物系硬化剤と、平均粒径が１００ｎｍ以下の粒径を有する無機フィラーとを含んでなる、半導体モジュール用絶縁封止樹脂組成物である。
前記樹脂組成物における前記無機フィラーの配合割合が、前記樹脂組成物全体の質量に対し、０．１〜１０重量％であることが好ましい。
前記無機フィラーが、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＢＮ、ＡｌＮ、及びＳｉ３Ｎ４からなる群から選択される少なくとも１つであり、１〜１００ｎｍの平均粒径を有することが好ましい。
前記エポキシ樹脂が、３官能型のエポキシ樹脂であることが好ましい。
本発明はまた、前記半導体モジュール用絶縁封止樹脂組成物を加熱硬化させることにより得られるナノコンポジット樹脂硬化物にも関する。
本発明はさらには、金属ブロックと、前記金属ブロックの一方の表面に張り合わされた絶縁層と、前記金属ブロックの他方の表面に実装された少なくとも１つの回路素子とを含んでなる組立体を、前述の半導体モジュール用絶縁封止樹脂組成物により封止してなる半導体モジュールにも関する。
前記半導体モジュール用絶縁封止樹脂組成物による封止が、ポッティング、トランスファー成形、または液状トランスファー成形のいずれかにより行われたものであることが好ましい。
前記絶縁層が、エポキシ樹脂と、前記エポキシ樹脂に分散されており、１〜９９ｎｍの平均粒径を有する第１の無機フィラーと、前記エポキシ樹脂に分散されており、０．１〜１００μｍの平均粒径を有する第２の無機フィラーと、を含む絶縁材であって、前記第１及び第２の無機フィラーが、互いに独立して、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＢＮ、ＡｌＮ及びＳｉ３Ｎ４からなる群から選択される少なくとも１つであり、前記絶縁材における前記第１及び第２の無機フィラーの配合割合が、それぞれ、０．１〜７重量％及び８０〜９５重量％である絶縁材であることが好ましい。
本発明はさらにまた、金属ブロックの一方の表面に、絶縁層を張り合わせるステップと、前記金属ブロックの他方の表面に、少なくとも１つの回路素子を実装するステップと、前記回路素子を実装して得られる組立体を、前述の半導体モジュール用絶縁封止樹脂組成物を用いて封止するステップとを含む半導体モジュールの製造方法にも関する。
前記封止するステップが、ポッティング、トランスファー成形、または液状トランスファー成形のいずれかの方法により行われることが好ましい。
本発明の樹脂組成物によれば、樹脂の分子構造を変更することなく、耐熱性、及びＴｇが向上したナノコンポジット樹脂硬化物を得ることが可能である。そして、本発明の樹脂組成物を使用して製造された半導体モジュールや、燃料電池、太陽電池などの部品は、高温動作を実現することができる。
本発明に係る半導体モジュール、及びその製造方法の一実施の形態を模式的に示す断面図である。
１ ナノコンポジット樹脂硬化物
２ 金属ブロック
３ 絶縁層
４ 回路素子
５ リードフレーム
６ ボンディングワイヤ
１０ 半導体モジュール
以下に、本発明の実施の形態を説明する。もっとも、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。
本発明の第一実施形態による、樹脂組成物は、熱硬化性樹脂と、硬化剤と、無機フィラーとを含んでなる。
熱硬化性樹脂は、種類は問わないが、特には、エポキシ樹脂が好ましい。
エポキシ樹脂としては、特に限定されないが、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等の２官能エポキシ樹脂、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、ビスフェノールＡノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂等の多官能型エポキシ樹脂を単独で又は複数組み合わせて使用することができる。これらの中でも、多官能型のエポキシ樹脂が特に好ましく、３官能型のエポキシ樹脂が最も好ましく用いられる。
硬化剤としては、エポキシ樹脂の硬化剤として一般に使用されているものを用いることができる。特には、硬化剤としては、分子構造中に−ＮＨ３、−ＮＨ２、−ＮＨ、のいずれか一種、または複数の官能基が含まれる分子、または酸無水物を使用することができる。具体的には、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホンのような芳香族アミン、脂肪族アミン、イミダゾール誘導体、ジシアンジアミド、テトラメチルグアニジンなどのグアニジン系硬化剤、チオ尿素付加アミン、アジピン酸ジヒドラジド、イソフタル酸ジヒドラジド、ドデカン酸ジヒドラジドなどのジヒドラジド系硬化剤、２−エチル−４−メチルイミダゾール等のイミダゾール系硬化剤、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸、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等の酸無水物系硬化剤およびそれらの異性体、変成体を用いることができる。また、硬化剤は、これらのうち１種のものを単独で用いることができ、あるいは、２種以上のものを混合して用いることができる。
上記硬化剤に加えて、硬化助剤を添加してもよい。硬化反応を制御するためである。硬化助剤として、２−エチル−４−メチルイミダゾール等のイミダゾール類、ベンジルジメチルアミン等の３級アミン類、トリフェニルフォスフィン等の芳香族フォスフィン類、三フッ化ホウ素モノエチルアミン等のルイス酸、ホウ酸エステル、有機金属化合物、有機酸金属塩等を用いることができるが、これらには限定されない。
無機フィラーは、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＢＮ、ＡｌＮ及びＳｉ３Ｎ４からなる群から選択される少なくとも１つであってよいが、これらには限定されない。無機フィラーは、特に好ましくは、ＳｉＯ２である。
本実施形態に係る無機フィラーは、１〜１０００ｎｍの平均粒径を有するものであってよく、１〜１００ｎｍの平均粒径を有することが好ましく、３〜５０ｎｍの平均粒径を有することがより好ましく、５〜３０ｎｍの平均粒径を有することがさらに好ましい。十分なＴｇ向上効果が得られるという点で、熱硬化性樹脂を用いる本実施形態に係る無機フィラーは上述のように１〜１００ｎｍの平均粒径を有することが好ましい。本明細書において、平均粒径とは、レーザー回折散乱法で測定した値をいうものとする。
樹脂組成物における無機フィラーの配合割合は、硬化前の樹脂組成物の重量を１００％として、０．１〜１０重量％であることが好ましく、１．５〜６重量％がより好ましい。無機フィラーの配合割合が０．１重量％より少ないと、十分なＴｇ向上効果が得られない場合がある。また、無機フィラーの配合割合が１０重量％を超えると、粘度の上昇により注型材として使用できなくなる場合がある。
硬化剤の配合割合は、硬化前の樹脂組成物の重量を１００重量％として、１〜１０重量％が好ましい。さらに詳細には、硬化剤の配合割合は、エポキシ樹脂のエポキシ当量及び硬化剤のアミン当量もしくは酸無水物当量から決定することができる。エポキシ樹脂以外の熱硬化性樹脂を使用する場合にも、硬化剤の量は、樹脂と硬化剤との化学当量にしたがって、当業者が適宜、決定することができる。また、硬化助剤を用いる場合には、硬化助剤の配合割合は、硬化前の樹脂組成物の重量を１００重量％として、０．１〜５重量％が好ましい。なお、本実施形態による樹脂組成物の各原料の配合割合を上述してきたが、それらの残部がエポキシ樹脂もしくはエポキシ樹脂以外の熱硬化性樹脂の配合割合である。
本実施形態による樹脂組成物の製造方法は、エポキシ樹脂と無機フィラーとを所定の配合割合で混合するステップと、無機フィラーを分散させるステップと、無機フィラーを分散させた混合物に、硬化剤を所定の配合割合で添加するステップと、さらに混練するステップとを含む。
無機フィラーを分散させるステップでは、例えば、オリフィス加圧通過型分散機を用いて実施することができる。
本実施形態に係る樹脂組成物を、加熱硬化させると、ガラス転移温度が従来よりも向上したナノコンポジット樹脂硬化物が得られる。このような硬化物においては、フィラー間の平均距離が、好ましくは、１〜２００ｎｍ、さらに好ましくは、１〜１００ｎｍで分散されている。ここでいうフィラー間の平均距離とは、隣接する二つのフィラーの中心点間を結ぶ距離であって、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察で測定し、計算した値である。本実施形態による樹脂硬化物では、フィラー間の平均距離が小さいことにより、大きな分子間力を作用させ、Ｔｇの向上に寄与することができると考えられる。そのため、かかる樹脂組成物を用いて、例えば、半導体素子を封止することができ、生成される熱が高温に達する半導体素子であっても有効に封止することができる。
本実施形態による樹脂組成物は、半導体素子に限定されず、他にも、太陽電池、ブレーカーなどの電気部品、電気製品などに絶縁及び内部保護を目的として使用することができる。使用態様は、例えば、太陽電池のセルを保護する為の封止材や保護フィルム、ブレーカーに関してはカバー材が挙げられるが、これらには限定されない。
次に、ナノコンポジット樹脂硬化物について説明する。本実施形態によるナノコンポジット樹脂硬化物は、上記樹脂組成物を硬化することにより得られる。硬化は、二段階に分けて行うことができる。このようなナノコンポジット樹脂硬化物は、後述の半導体モジュールの製造方法において、半導体モジュールと一体になって製造される。
本発明の第二実施形態による、樹脂組成物は、熱可塑性樹脂と、無機フィラーとを含んでなる。熱可塑性樹脂は、種類は問わないが、特には、ポリアミド樹脂であることが好ましく、特には、ナイロン６、ナイロン６，６、ナイロンＭＸＤが好ましい。
第二実施形態による、樹脂組成物は、第一実施形態における熱硬化性樹脂、硬化剤、及び硬化助剤を用いることなく、それらの替わりに熱可塑性樹脂と有機溶媒を用いる。フィラーの種類については、上記第一実施形態で説明したのと同様とすることができる。いっぽう、フィラーの粒径については、本実施形態においては、平均粒径が１０００ｎｍ以下の無機フィラーを用いることが特に好ましい。フィラーの添加量は、樹脂組成物全体の質量に対し、０．１〜１０重量％であることが好ましい。
第二実施形態による樹脂組成物の調製は、熱可塑性樹脂を有機溶媒に溶解する工程と、有機溶媒に溶解した熱可塑性樹脂にフィラーを添加して分散させる工程とを含んでなる。有機溶媒は、熱可塑性樹脂の種類にもよるが、フェノール類、クレゾール類等を使用することができる。また、特に、熱可塑性樹脂としてナイロンを用いる場合には、有機溶媒は、ヘキサフルオロイソプロパノールを用いることが好ましい。有機溶媒の希釈倍率は、１〜１０００倍とすることが好ましい。
第二実施形態による樹脂組成物から樹脂硬化物を製造するためには、前記組成物から有機溶媒を蒸発させることができる。かかる熱可塑性樹脂による樹脂硬化物においては、フィラー間の平均距離が、好ましくは、１〜２０００ｎｍ、さらに好ましくは、１〜１０００ｎｍで分散されている。
次に、本発明の第三実施形態による、半導体モジュールについて説明する。図１（ｅ）は、本実施形態にかかる半導体モジュールを模式的に示す断面図である。半導体モジュール１０は、主として、金属ブロック２と、絶縁層３と、回路素子４とを含んでなる組立体が、樹脂組成物を硬化させたナノコンポジット樹脂硬化物１により封止されている。
本実施形態による半導体モジュール１０を、図１（ａ）〜（ｅ）を参照し、その製造方法の観点から説明する。半導体モジュール１０の製造方法は、金属ブロック２の一方の表面に、絶縁層３を張り合わせるステップと、前記金属ブロック２の他方の表面に、少なくとも１つの回路素子４を実装するステップと、前記回路素子４を実装して得られる組立体を、樹脂組成物を用いて封止するステップとを含む。
図１（ａ）に示すように、先ず、金属板をプレス加工により正方形や長方形などの所定の形状に打ち抜いて、金属ブロック２を製作する。金属ブロック２は、例えば、ＣｕやＭｏなどを用いることができる。金属ブロック２の厚さは、特に限定しないが、１．０〜６．０ｍｍの範囲が好ましい。
金属ブロック２の一方の表面に、絶縁層３を張り合わせるステップでは、図１（ｂ）に示すように、金属ブロック２の一方の表面に、絶縁材からなる絶縁層３をあてて、加熱プレスによってこれらを接着する。絶縁層３は、絶縁材を成形、硬化させて得られるものである。絶縁材は、一実施形態によれば、エポキシ樹脂と、前記エポキシ樹脂に分散されており、１〜９９ｎｍの平均粒径を有する第１の無機フィラーと、前記エポキシ樹脂に分散されており、０．１〜１００μｍの平均粒径を有する第２の無機フィラーと、を含む絶縁材であって、前記第１及び第２の無機フィラーが、互いに独立して、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＢＮ、ＡｌＮ及びＳｉ３Ｎ４からなる群から選択される少なくとも１つであり、前記絶縁材における前記第１及び第２の無機フィラーの配合割合が、それぞれ、０．１〜７重量％及び８０〜９５重量％である。なお、ここで、各成分の配合割合（重量％）は、硬化前の絶縁材全体の重量を１００％としたときの重量％を表す。
金属ブロック２の他方の表面に、少なくとも１つの回路素子４を実装するステップでは、図１（ｃ）に示すように、金属ブロック２の他方の表面に、パワー半導体素子や駆動ＩＣなどの回路素子４を、はんだ付けにより接合する。はんだ付けは、ペレット状のはんだを利用し、水素還元が可能な炉において行うことが好ましい。水素還元が可能な炉を使うのは、金属ブロック２の表面の酸化膜を水素還元により除去し、活性化させることにより、はんだとの濡れ性を向上させるためである。はんだ材料としては、例えば、ＳｎＰｂＡｇなどの高温はんだ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリーはんだを用いる。はんだ付けの温度は、はんだの融点に応じて設定する。パワー半導体素子と金属ブロックのはんだ層（図示省略）にボイドが残留すると、熱抵抗が高くなり、パワー半導体素子から生じる熱を効率良く放熱することができない。そこで、ボイドを発生しないように、はんだが溶融している状態で、１０Ｔｏｒｒ以下の真空引きを行うことが好ましい。

さらに、回路素子を実装するステップでは、図１（ｄ）に示すように、ボンディングワイヤ６により、回路素子４とリードフレーム５との接続を行い、半導体素子の組立体を得る。ボンディングワイヤ６としては、線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤを使用することが好ましい。ボンディングワイヤ６は超音波接合することが好ましい。

そして、図１（ｅ）に示すように、本発明の一実施形態に係る樹脂組成物を、所定の方法で成形、硬化することにより得られるナノコンポジット樹脂硬化物１でこの組立体を封止する。封止は、ポッティング、トランスファー成形、液状トランスファー成形、圧縮成型、または射出成型のいずれかの方法により行うことができる。
トランスファー成形により封止を行う場合には、トランスファー成形機に取り付けた金型に、図１（ｄ）に示す組立体を設置して、タブレット状の樹脂組成物を、プランジャーにて予熱した金型内に流し込んだ後、数十秒で硬化することから金型から直ぐに取り出して、恒温槽で後硬化することで封止を完了する。金型は１７０〜１８０℃に保温しておくことが好ましい。トランスファー成形によれば、短時間で注入硬化させることができるため、安価で大量生産することができる利点がある。
液状トランスファー成形により封止を行う場合には、高温の金型内に、図１（ｄ）に示す組立体を設置して、液状の樹脂組成物を金型内に射出成形して加熱硬化させる。金型は１７０〜１８０℃に保温して、金型内で硬化させ、恒温槽で後硬化することで封止を完了する。液状トランスファー成形もまた、短時間で実施でき、生産性が高いという利点がある。
ポッティングにより封止を行う場合には、ケース内に、図１（ｄ）に示す組立体を設置して、液状の樹脂組成物を、ディスペンサーにて流下させて封止する。
本実施の形態による、半導体モジュール及びその製造方法によれば、本発明の一実施形態に係る樹脂組成物を用いて半導体素子の組立体を封止することで、高耐熱性の半導体モジュールを得ることが出来る。
本発明に係る樹脂組成物、及び比較例の組成物を調製し、さらに加熱硬化させて、ナノコンポジット樹脂硬化物を製造した。
エポキシ樹脂、無機フィラーを、表１にそれぞれ示す割合で混合し、オリフィス加圧通過型分散機を用いて、無機フィラーを分散させた。無機フィラーを分散させた混合物に、硬化剤を表１にそれぞれ示す割合で添加した。これをさらに混練し、樹脂組成物、及び比較例の組成物を得た。なお、表１中の配合割合（重量％）は、硬化前の樹脂組成物全体の重量を１００％としたときの、各成分の配合割合（重量％）で示している。
それぞれの組成物について、表１に示す条件で加熱硬化し、ナノコンポジット樹脂硬化物を製造した。
得られたナノコンポジット樹脂硬化物において、示差走査熱量測定法によりガラス転移温度を評価した。ガラス転移温度の評価には、示差走査熱量計（ＤＳＣ６２００ ＳＩＩ製）を用い、２５〜２７０℃の範囲で１０℃／ｍｉｎの昇温速度、Ｎ２ガス ３５ｍｌ／ｍｉｎ下で測定を行った。
実施例１、２及び比較例１、２に用いた樹脂組成物の組成、硬化条件、及び樹脂硬化物の物性の測定結果を表１にまとめて示す。

Figure 0005605724
なお本実施例で使用した原料は、以下のとおりである。
・エポキシ樹脂１（商品名「ＪＥＲ８２８」三菱化学製 ＢｉｓＡ型エポキシ樹脂 エポキシ当量１９４）
・エポキシ樹脂２（商品名「ＪＥＲ６３０」三菱化学製 多官能型エポキシ樹脂 エポキシ当量１０５）
・無機フィラー（商品名「ＡＥＲＯＳＩＬ２００」日本アエロジル製 シリカ 平均粒径１２ｎｍ）
・硬化剤１（商品名「ＪＥＲキュア１１３」三菱化学製 変性アミン型硬化剤）
・硬化剤２（商品名「ＪＥＲキュア３０７」三菱化学製 酸無水物硬化剤）
・硬化助剤１（商品名「ＥＭＩ２４」三菱化学製 イミダゾール硬化促進剤）
実施例１、比較例１はいずれも、エポキシ樹脂として、ＢｉｓＡ型エポキシ樹脂を用いた。これらの配合は、実施例１は無機フィラーあり、比較例１は無機フィラーなし、という点で異なる。表１より、無機フィラーを添加することによりＴｇが数℃向上することが確認された。実施例２、比較例２はいずれも、エポキシ樹脂として、３官能型エポキシ樹脂を用いた。これらの配合は、実施例２は無機フィラーあり、比較例２は無機フィラーなし、という点で異なる。表１より、無機フィラーを添加することにより、Ｔｇが３３℃向上することが確認された。
次に、硬化剤として、酸無水物系硬化剤を用いて、上記実施例１、２、比較例１、２と同様に樹脂組成物を調製した。次にこの組成物を加熱硬化し、ナノコンポジット樹脂硬化物を製造した。無機フィラーは、上記で使用したものと同じである。ガラス転移温度の評価も、上記と同様に行った。実施例３及び比較例３に用いた樹脂組成物の組成、硬化条件、及び樹脂硬化物の物性の測定結果を、表２にまとめて示す。

Figure 0005605724
硬化剤として、酸無水物系硬化剤を用いた場合であっても、同様に無機フィラーの添加によるナノコンポジット樹脂硬化物のＴｇの向上が観察された。
エポキシ樹脂の種類を問わずＴｇの向上効果はみられたが、特に、３官能型エポキシ樹脂を用いることにより、無機フィラーを添加することによる、ナノコンポジット樹脂硬化物のＴｇの向上効果が大きくなることがわかった。
次に、フィラーを模擬した石英板上に液状の樹脂を塗布した後、硬化させて、実施例４及び実施例５の試料を作成した。実施例４では、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用い、実施例５では、熱可塑性樹脂としてナイロンを用いた。この試料が示す特性は、本発明のフィラーと樹脂硬化物における樹脂との相互作用を模擬している。すなわち、石英板と、そこから特定の距離にある樹脂との相互作用は、マクロなレベルで捉えると、本願発明の樹脂硬化物中のフィラーと樹脂硬化物における樹脂との関係と同様であるといえ、これらの相互作用を十分に反映していると考えられる。
具体的には、実施例４の試料において、エポキシ樹脂は、上記実施例１で用いたエポキシ樹脂１の１００重量部に対して硬化剤２を１１０重量部、硬化助剤1を１重量部の混合割合のものを石英板上に塗布する試料とした。実施例５の試料において、ナイロンは有機溶媒に溶かしたものを石英板上に塗布する試料とした。ナイロンは、ナイロンＭＸＤ６（三菱ガス化学社製）を用い、有機溶媒は、ヘキサフルオロイソプロパノールを用いた。
エポキシ樹脂及びナイロンは石英板に塗布した後、８０〜１００℃にまで加熱することにより樹脂を硬化、または有機溶媒を気化させることにより、石英板上に樹脂の硬化膜を作製し、樹脂を斜め切削したものを評価試料とした。
得られた実施例４及び実施例５の試料は、セイコー・インスツルメンツ株式会社製のナノサーマル顕微鏡によりガラス転移温度及び融点の測定を行った。測定結果を表３および表４に示す。
エポキシ樹脂はガラス転移温度の評価を行った。測定結果を表３に示す。石英板上のエポキシ樹脂の厚みが２００ｎｍから４０ｎｍの距離になることによって、ガラス転移温度が１７℃向上した。なお、かかる実施例４の試料におけるエポキシ樹脂の厚みは、本発明に係る樹脂硬化物におけるフィラー間距離の中間点に相当する。

Figure 0005605724
ナイロンは融点の評価を行った。測定結果を表４に示す。石英板上のナイロンの厚みが４０００ｎｍから９２ｎｍになることで融点が５５．４℃高くなることが確認された。なお、かかる実施例５の試料におけるナイロンの厚みは、本発明に係る樹脂硬化物におけるフィラー間距離の中間点に相当する。

Figure 0005605724
本発明に係る樹脂組成物によれば、生成される熱が高温に達する半導体素子であっても有効に封止することができ、半導体モジュールの製造に極めて有用であるほか、種々の電気部品、電気製品の絶縁及び内部保護に有効に使用することができる。

Claims (9)

  1. ３官能型以上の多官能型のエポキシ樹脂と、
    分子構造中に−ＮＨ３、−ＮＨ２、−ＮＨ、のいずれか一種または複数が含まれる分子を含んでなる硬化剤または酸無水物系硬化剤と、
    ５〜３０ｎｍの平均粒径を有する、Ａｌ ２ Ｏ ３ またはＳｉＯ ２ である無機フィラーと
    を含んでなる、半導体モジュールの絶縁封止のための樹脂組成物であって、
    前記無機フィラーが、樹脂組成物の重量を１００％として、０．１〜１０重量％含まれる、樹脂組成物。
  2. 前記樹脂組成物における前記無機フィラーの配合割合が、前記樹脂組成物全体の質量に対し、１．５〜６重量％である、請求項１に記載の樹脂組成物。
  3. 請求項１または２に記載の樹脂組成物を加熱硬化させることにより得られるナノコンポジット樹脂硬化物。
  4. フィラー間の平均距離が、１〜２００ｎｍである、請求項３に記載のナノコンポジット樹脂硬化物。
  5. 金属ブロックと、
    前記金属ブロックの一方の表面に張り合わされた絶縁層と、
    前記金属ブロックの他方の表面に実装された少なくとも１つの回路素子と
    を含んでなる組立体を、請求項１または２に記載の樹脂組成物により封止してなる半導体モジュール。
  6. 前記樹脂組成物による封止が、ポッティング、トランスファー成形、または液状トランスファー成形のいずれかにより行われたものである、請求項５に記載の半導体モジュール。
  7. 前記絶縁層が、エポキシ樹脂と、前記エポキシ樹脂に分散されており、１〜９９ｎｍの平均粒径を有する第１の無機フィラーと、前記エポキシ樹脂に分散されており、０．１〜１００μｍの平均粒径を有する第２の無機フィラーと、を含む絶縁材であって、前記第１及び第２の無機フィラーが、互いに独立して、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＢＮ、ＡｌＮ及びＳｉ３Ｎ４からなる群から選択される少なくとも１つであり、前記絶縁材における前記第１及び第２の無機フィラーの配合割合が、それぞれ、０．１〜７重量％及び８０〜９５重量％である絶縁材である、請求項５または６に記載の半導体モジュール。
  8. 金属ブロックの一方の表面に、絶縁層を張り合わせるステップと、
    前記金属ブロックの他方の表面に、少なくとも１つの回路素子を実装するステップと、
    前記回路素子を実装して得られる組立体を、請求項１または２に記載の樹脂組成物を用いて封止するステップと
    を含む半導体モジュールの製造方法。
  9. 前記封止するステップが、ポッティング、トランスファー成形、液状トランスファー成形、圧縮成型、または射出成型のいずれかの方法により行われる、請求項８に記載の製造方法。
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