JP6168153B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子の封止材料に関するもので、特定的には、ＳｉＣ（炭化シリコン）やＧａＮ（チッ化ガリウム）を用いた半導体装置に関する。
従来、一般的に用いられているＳｉ（シリコン）半導体素子を用いた半導体装置では、エポキシ樹脂やシリコーンゲルにより、封止を行い、絶縁性を確保していた。一方、ＳｉＣやＧａＮはＳｉに比べて優れた電気的特性を有しているため、近年、実用化に向けて研究開発が進められており、将来的には、半導体素子が、ＳｉからＳｉＣやＧａＮに置き換わることが想定されている。ＳｉＣやＧａＮにより構成される半導体素子は、Ｓｉ半導体素子に比べて、高温での動作特性が優れている。特にＳｉＣは、３００℃まで動作可能とも言われている。
半導体素子にＳｉＣを用いた場合、半導体素子の電流密度を高めることができるが、半導体素子を高電流密度にすると発熱量が増大し、半導体素子の温度が高温になる。このため、使用される封止材の耐熱性能を高める必要性が出てくる。従来技術による一般的なシリコーンゲルを封止材として用いた場合、１７５℃以上の高温、酸素雰囲気下ではシリコーンゲルが酸化劣化することによりクラックが生じる場合がある。また、一般的なエポキシ樹脂を封止材として用いた場合も同様に、樹脂が酸化劣化し、クラックなどが発生する問題が生じる場合がある。なお、上述のような高温、酸素雰囲気下で進行する劣化を、以下では、酸素の存在下での熱劣化という意味で「熱酸化劣化」とも称する。
半導体素子の封止において、耐湿性の観点から、第１の樹脂と第２の樹脂とを用いて、半導体素子を二重に被覆する技術が知られている（特許文献１を参照）。また、パワー半導体モジュールの製造において、半導体素子に隣接する半田層の熱疲労防止の観点から、第１封止材層と、第２封止材層で半導体素子を覆う技術が知られている（特許文献２を参照）。
しかし、いずれの技術も、ＳｉＣやＧａＮといった高温動作が意図される半導体素子において、例えば、１７５℃以上といった高温においても封止特性を保持することができるものではない。
特開平５−１３６２３号公報 特開２０１０−２１９４２０号公報
本発明の目的は、上述の問題点を解決するため、ＳｉＣやＧａＮ素子を用いた半導体装置に対応して、半導体素子の動作温度が例えば１７５℃以上と高温であっても、封止樹脂が熱酸化劣化しにくく、クラックの発生を防ぐことができ、信頼性及び耐久性の高い半導体装置を提供することにある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、一実施形態によれば、半導体装置であって、前記半導体素子の一方の面に接合された絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面に接合された外部回路との接続用プリント基板とを含む部材を、封止材で封止してなる成形体を備え、前記封止材が、エポキシ樹脂主剤と、硬化剤と、平均粒経が１〜１００ｎｍの無機充填材とを含んでなるナノコンポジット樹脂である第１の封止材と、熱硬化性樹脂もしくは熱可塑性樹脂あるいはそれらの混合物からなる第２の封止材とを含んでなる。
前記半導体装置において、前記第１の封止材が、前記半導体素子を被覆して前記半導体素子に近接する領域に設けられる第１封止層を構成し、前記第２の封止材が、前記第１封止層を被覆し、かつ前記成形体の外表面を形成する第２封止層を構成することが好ましい。
また、特には、前記第１封止層が、前記半導体素子の動作時に、前記半導体素子の最大動作温度から２５℃以内となる領域を少なくとも封止することが好ましい。
前記半導体装置において、前記第２の封止材が、前記半導体素子と前記絶縁基板と前記プリント基板とを被覆する第１封止層を構成し、前記第１の封止材が、前記第１封止層を被覆し、かつ前記成形体の外表面の少なくとも一部に面して、少なくとも３００μｍの厚みで設けられる第２封止層を構成することが好ましい。
また、特には、前記第２封止層が、３ｍｍ以下の厚みであることが好ましい。
前記半導体装置において、前記第１の封止材が、前記半導体素子を被覆して前記半導体素子に近接する領域に設けられる第１封止層を構成し、前記第２の封止材が、前記第１の封止材を被覆する第２封止層を構成し、前記第１の封止材が、前記第２封止層をさらに被覆し、かつ前記成形体の外表面の少なくとも一部に面して、少なくとも３００μｍの厚みで設けられる第３封止層を構成することが好ましい。
また、特には、前記第１封止層が、前記半導体素子の動作時に、前記半導体素子の最大動作温度から２５℃以内となる領域を少なくとも封止し、前記第３封止層が、３ｍｍ以下の厚みであることが好ましい。
前記半導体装置において、前記無機充填材が、溶融シリカもしくは破砕シリカの少なくとも一方を含むことが好ましい。
前記半導体装置において、前記ナノコンポジット樹脂中、前記無機充填材が、０．１質量％〜２５質量％の量で含まれることが好ましい。
前記半導体装置において、前記半導体素子が、ＳｉＣ半導体素子であることが好ましい。
本発明に係る半導体装置によれば、ナノコンポジット樹脂を封止材の一つとして使用することで、半導体装置の内部構造体である半導体素子等を保護することができる。特には、半導体装置の封止部における長期における熱酸化劣化の進展を抑制し、クラックを抑制し、半導体装置の信頼性を向上することができる。その結果、ＳｉＣやＧａＮといったワイドギャップ半導体素子を用いた半導体装置においても好適に用いることができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体モジュール成形構造体の断面構造を示す概念図である。 図２は、本発明の第２実施形態に係る半導体モジュール成形構造体の断面構造を示す概念図である。 図３は、本発明の第３実施形態に係る半導体モジュール成形構造体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。
［第１実施形態］
本発明は、第１実施形態によれば、半導体装置であって、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に接合された絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面に接合された外部回路との接続用プリント基板とを含む部材を、封止材で封止してなる成形体を備え、エポキシ樹脂主剤と、硬化剤と、平均粒経が１〜１００ｎｍの無機充填材とを含んでなるナノコンポジット樹脂である第１の封止材が前記半導体素子を被覆して、前記半導体素子に近接する領域に設けられる第１封止層を構成し、熱硬化性樹脂もしくは熱可塑性樹脂あるいはそれらの混合物からなる第２の封止材が、前記第１封止層を被覆し、かつ前記成形体の外表面を形成する第２封止層を構成する、二層封止構造の封止部を備える。
図１は、第１実施形態に係る半導体装置の一例である、半導体モジュール成形構造体１００の断面構造を示す図である。半導体モジュール成形構造体１００においては、絶縁層１の一方の面である下面に略直方体状の第１銅ブロック２、他方の面である上面に略直方体状の第２銅ブロック３が配置されて絶縁基板４を構成する。絶縁基板４の第２銅ブロック３側の面である上面には、導電接合層ａ５を介して、ＳｉＣパワー半導体素子６が複数個搭載され取り付けられている。さらにＳｉＣパワー半導体素子６の上面には、導電接合層ｂ７によりインプラントピン８を備えたインプラント方式プリント基板９が取り付けられている。インプラント方式プリント基板９の上面と、第２銅ブロック３の上面には、それぞれ、外部接続端子１０が取り付けられ、半導体モジュール成形構造体１００の外部との電気的接続が可能に構成されている。ＳｉＣパワー半導体素子６の周囲は、ナノコンポジット樹脂１３からなる第１封止層で封止される。さらにその周囲が樹脂１１からなる第２封止層で封止されて成形体となっており、半導体モジュール成形構造体１００を構成している。また、樹脂１１からなる第２封止層には、半導体モジュール成形構造体１００を図示しない冷却器に取り付けるためのボルトの挿入孔である取り付け金具１２が埋め込まれている。なお、本明細書において、上面、下面とは、説明の目的で、図中の上下を指す相対的な用語であって、半導体装置の使用態様等との関係で上下を限定するものではない。
本実施形態による半導体モジュール成形構造体１００において、樹脂封止部が、第１の封止材であるナノコンポジット樹脂１３と、第２の封止材である熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂１１との二種類の樹脂により封止される。そして、ナノコンポジット樹脂１３が、半導体素子６を直接被覆して、前記半導体素子６の近傍に設けられる第１封止層を構成する。
ナノコンポジット樹脂１３は、エポキシ樹脂主剤と、硬化剤と、ナノサイズの無機充填剤とを少なくとも含んで構成され、硬化後のガラス転移温度が半導体素子６の最大動作温度以上、好ましくは、硬化後のガラス転移温度が２００℃以上の樹脂である。
エポキシ樹脂主剤としては、環状脂肪族系エポキシ樹脂を用いることが好ましいが、これには限定されない。
硬化剤は、酸無水物系硬化剤を用いる。酸無水物系硬化剤の具体例としては、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、およびそれらの異性体、変成体が挙げられるが、これらには限定されない。また、酸無水物系硬化剤は、これらのうち１種を単独で用いることができ、あるいは、２種以上を混合して用いることができる。
無機充填剤は、平均粒径が、１〜１００ｎｍ、好ましくは、５〜５０ｎｍの、いわゆる、ナノフィラーを用いる。樹脂の耐熱性を高めるためである。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。無機充填剤を構成する化合物は、ＳｉＯ２、ＢＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ及びＳｉ３Ｎ４からなる群から選択される１つ以上であってよいが、これらには限定されない。
無機充填剤は、好ましくは、少なくとも一部がＳｉＯ２から構成され、さらに好ましくは、全部がＳｉＯ２から構成される。また、ＳｉＯ２の中でも、溶融シリカ、あるいは破砕シリカを用いることができ、これらの両方を用いることもできる。溶融シリカは、特には、過度の増粘を抑えながら、比較的多くの量を添加することができる点で有利である。
ナノコンポジット樹脂における無機充填剤の添加量は、ナノコンポジット樹脂全体の質量を１００％としたときに、０．１〜２５質量％とすることが好ましく、１〜１５質量％とすることがさらに好ましい。耐熱特性と粘度特性の観点からである。
硬化剤に加えて、任意成分として、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。硬化助剤の具体例としては、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、有機酸金属塩等が挙げられるが、これらには限定されない。
ナノコンポジット樹脂１３には、その他に、半導体封止用樹脂に通常添加される任意成分を含んでも良い。任意成分としては、例えば、難燃剤、樹脂を着色するための顔料、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。
ナノコンポジット樹脂１３からなる第１封止層は、好ましくは、半導体素子６の周囲の全面を完全に被覆し、かつ、樹脂封止部のうち、半導体素子６の最大動作温度から、最大動作温度よりも、２５℃〜３０℃低くなる領域に設けられる。半導体素子６周囲の樹脂封止部が、動作時、高温に曝されるためである。半導体素子の仕様が決定されれば、汎用のシミュレーションソフトウエアを用いて、動作時の樹脂封止部の温度を算出することができる。したがって、シミュレーションにより計算される樹脂封止部温度が、半導体素子６の最大動作温度から、最大動作温度よりも、２５℃低い領域まで、好ましくは３０℃低い領域までを少なくとも封止するように、第１封止層を設ける。例えば、半導体素子６の最大動作温度が、２００℃の場合には、シミュレーションによる樹脂封止部温度が、１７５〜２００℃となる領域が第１封止層で封止される。一般的な仕様の半導体モジュール成形構造体においては、半導体素子６の周囲の１ｍｍ程度の領域にナノコンポジット樹脂１３を配置することで上記温度となる領域を第１封止層で封止することができ、あるいは、半導体素子６とプリント基板との間の領域並びに半導体素子６の厚み方向の周囲１ｍｍ程度の領域にナノコンポジット樹脂１３を配置することで上記温度となる領域を第１封止層で封止することができる。
次に、第２の封止材である熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂１１は、前記第１の封止材からなる第１封止層を被覆して樹脂封止部の大部分を構成し、かつ前記成形体の外面を規定する第２封止層を構成する。なお、第１封止層が第２封止層に完全に被覆されている必要はなく、ナノコンポジット樹脂１３からなる第１封止層が、成形体の外面に部分的に露出していても良い。
樹脂１１は、無機充填材を含んでもよく、含まなくてもよい熱硬化性樹脂もしくは熱可塑性樹脂あるいはそれらの混合物である。このような樹脂１１は、先に詳述したナノコンポジット樹脂１３との関係で決定することができる。すなわち、樹脂１１は、ナノコンポジット樹脂１３との熱膨張率の差が、±１０ｐｐｍ／℃以内のものであることが好ましい。封止後の熱応力を少なくするためである。また、樹脂１１は、ナノコンポジット樹脂１３との接着強さが、１０ＭＰａ以上であることが好ましい。封止後に、樹脂１１とナノコンポジット樹脂１３との界面に、クラックが入ることを防止するためである。これらの条件を満たすものであれば、樹脂１１の種類は問わず、半導体装置の樹脂封止に通常用いられる、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂等であってよい。第２の封止材である樹脂１１はまた、前述の熱膨張率特性や接着特性の条件を満たすものであれば、第１の封止材と同様にナノコンポジット樹脂であってもよい。本実施形態においては、特に、第２封止層が、成形体の外表面を覆って外周部を構成し、外部雰囲気と接する部分であるため、酸化により劣化しにくい熱硬化性樹脂を用いることがより好ましい。
なお、図示する第１実施形態による半導体モジュール成形構造体１００は、第１銅ブロック２の絶縁層１とは反対側の面、すなわち、図中の下面が、樹脂１１と接して、樹脂１１に被覆され、外部と接触しない形態であるが、本発明はこのような形態には限定されない。第１銅ブロック２の下面の一部あるいは全体が露出していて、図示しない冷却部材等との接続が可能な状態であっても良い。また、図１は概念図であって、図示するナノコンポジット樹脂１３からなる第１封止層と、他の部材との位置関係は必ずしも図面の通りである必要はない。さらに、絶縁基板４やプリント基板９、インプラントピン８の構成は、図示する形態には限定されない。
次に、第１実施形態による半導体モジュール成形構造体１００を、その製造方法の観点から説明する。ＳｉＣパワー半導体モジュール成形構造体１００の製造方法は、主として、絶縁基板４、半導体素子６、並びにプリント基板９が接合された部材を組み立てる工程と、前記部材を樹脂封止する工程とから構成される。
絶縁基板４、半導体素子６、並びにプリント基板９が接合された部材を組み立てる工程は、絶縁層１の両面に第１銅ブロック２と第２銅ブロック３を熱圧着してなる絶縁基板４を形成する工程と、絶縁基板４の一方の面に、導電接合層ａ５により１以上のＳｉＣパワー半導体素子６を搭載する工程と、ＳｉＣパワー半導体素子６の絶縁基板４とは反対側の面に、導電接合層ｂ７により、インプラントピン８を有するインプラント方式のプリント基板９を取り付ける工程と、前記第２銅ブロック３及び前記プリント基板９に外部接続端子１０を接続する工程とを含む。
このような組み立て工程及び使用する部材の仕様等については、従来技術に開示される、通常の方法に従ってよい。例えば、出願人による、特開2013-004729号公報や、特開2012-191010号公報において説明した、樹脂封止以外の各工程を適用することができる。
樹脂封止する工程は、ナノコンポジット樹脂１３を用いて、第１封止層を形成する第１の封止工程と、次いで、樹脂１１を用いて、第２封止層を形成する第２の封止工程とを含む。
第１の封止工程では、未硬化のナノコンポジット樹脂１３を通常の条件で減圧脱泡した後、半導体素子６の周囲にディスペンサー等で注入し、あるいは任意の手段で塗布して、半導体素子６の周囲を覆い、第１封止層を形成する。この際、ナノコンポジット樹脂の粘度を所定の値、例えば、１〜１０Ｐａ・ｓ程度に調整することにより、ナノコンポジット樹脂による封止部の厚みを、所定の厚みに調整することができる。また、例えば、ナノコンポジット樹脂を載置することを所望する箇所を、テフロン（登録商標）ジグで囲むことにより、第１封止層の厚みは、前述のシミュレーションで得た値とすることができる。次いで、ナノコンポジット樹脂１３を所定の温度及び時間条件で、例えば、１００〜２００℃で、１〜３時間、熱硬化させて、第１の封止工程を完了する。
第２の封止工程では、第１の封止工程で得られた第１封止層の周囲に、通常の条件で減圧脱泡した樹脂１１を適用し、トランスファー成形、液状トランスファー成形、ポッティング、射出成型等の成形法により、成形体の外形となる所定の形状に成形し、第２封止層を形成する。次いで、樹脂１１を所定の温度及び時間条件で、例えば、ポッティングならば、１００〜２００℃で１〜３時間、熱硬化させて、第２の封止工程を完了する。なお、樹脂１１が熱可塑性樹脂の場合には、熱硬化させる工程を含まないものとする。このように、第１の封止工程と、次いで、第２の封止工程とを経ることにより、ナノコンポジット樹脂１３と樹脂１１とで二重に封止された、二層封止構造の樹脂封止部を備える成形体を得ることができる。さらに、成形体の第２封止層の成形時に、取り付け金具１２を挿入するための孔を第２封止層に形成し、第２封止層の硬化後に孔に取り付け金具１２を挿入する工程により、半導体モジュール成形構造体１００を得ることができる。
成形法の一例である液状トランスファー成形による第２の封止工程をさらに具体的に説明する。ＳｉＣパワー半導体モジュール２００への具体的な封止方法は、液状トランスファー成形用の上下型（図示しない）によって作られるキャビティーに、第１封止層で被覆された、絶縁基板４と半導体素子６とプリント基板９とを接合した部材を収納し、成形温度約１６０℃に昇温させた保温状態で待機する。トランスファー成形用の上下型には、封止材のポット部とランナー部を設ける。
環状脂肪族系のエポキシ樹脂と酸無水物硬化剤と無機充填材とからなる１液状型のナノコンポジット樹脂１３からなる第１封止材を調製し、予め０．１Ｔｏｒｒ（１３．３３Ｐａ）の真空状態で１０分間１次脱泡し、次いで、シリンダー容器に注入する。シリンダー容器から金型内のポット部に、第１封止材を必要量注入し、その後、上下金型の型締めを行う。最後に、第１封止材を、ポット部からランナー部を経由して金型キャビティーに圧入し、成形を完了する。成形条件は、上下金型の型締め圧が１５０ｋｇ／ｃｍ２で、１６０℃でのゲル化時間は１分、硬化時間は３分、ナノコンポジット樹脂１３からなる第１封止材の粘度は、約１〜１０Ｐａ・ｓ程度とすることができる。
第１実施形態による半導体モジュール成形構造体１００及びその製造方法によれば、最高動作温度が約２００℃と高温になりうる半導体素子を用いた場合であっても、熱劣化しにくく、耐久性の高い半導体モジュール成形構造体１００を提供することができる。特に、ＳｉＣやＧａＮといったワイドバンドギャップ半導体を用いた場合に、高温となりうる半導体素子近傍の樹脂封止部を、ナノコンポジット樹脂で集中的に高耐熱化することができる点で、本実施形態は有利である。
［第２実施形態］
本発明は、第２実施形態によれば、半導体装置であって、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に接合された絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面に接合された外部回路との接続用プリント基板とを含む部材を、封止材で封止してなる成形体を備え、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂である第２の封止材が、前記半導体素子を被覆する第１封止層を構成し、ナノコンポジット樹脂である第１の封止材が、前記第１封止層を被覆し、かつ前記成形体の外表面の少なくとも一部に面して、少なくとも３００μｍの厚みで設けられる第２封止層を構成することを特徴とする。
図２は、第２実施形態に係る半導体装置の一例である、半導体モジュール成形構造体２００の断面構造を示す図である。半導体モジュール成形構造体２００において、絶縁基板４、半導体素子６、インプラントピン８を有するインプラント方式プリント基板９、並びに外部接続端子１０の構成は、第１実施形態において説明した図１と同様であり、同一の符号は同一の部材を指称するものとして説明を省略する。
本実施形態による半導体モジュール成形構造体２００において、樹脂封止部は、第１の封止材であるナノコンポジット樹脂１３と、第２の封止材である熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂１１との二種類の樹脂により封止される。そして、樹脂１１が、絶縁基板４、半導体素子６、プリント基板９とその接合界面を直接に被覆して、封止部の大部分を占める第１封止層を構成する。ナノコンポジット樹脂１３は、第１封止層を被覆して、成形体の外形を規定する第２封止層を形成する。第２封止層は、成形体の外周部にあって、少なくとも３００μｍの厚みで、略均一に形成されていることが好ましい。半導体装置の外部雰囲気による、樹脂封止部の酸化劣化を防止するためである。第２封止層の厚みは、例えば、３００μｍから３ｍｍ以下、さらに好ましくは３００μｍから１ｍｍ以下とすることができる。
ナノコンポジット樹脂１３及び樹脂１１のそれぞれの組成、およびナノコンポジット樹脂１３及び樹脂１１の好ましい組み合わせについては、第１実施形態において説明したとおりである。
なお、図示する第２実施形態による半導体モジュール成形構造体２００において、第１銅ブロック２の下面の一部もしくは全体が露出して、図示しない冷却部材等との接続が可能な状態になっていても良い。また、ナノコンポジット樹脂１３が、半導体モジュール成形構造体２００の外周全体を覆っていなくてもよい。例えば、半導体モジュール成形構造体２００が使用される目的に応じて、特に外周が高温雰囲気となる面のみに設けられても良い。さらに、絶縁基板４やインプラント式プリント基板９、インプラントピン８の構成は、図示する形態には限定されず、変形が可能である。
次に、第２実施形態による半導体モジュール成形構造体２００を、その製造方法の観点から説明する。ＳｉＣパワー半導体モジュール成形構造体の製造方法は、主として、絶縁基板４、半導体素子６、並びにプリント基板９が接合された部材を組み立てる工程と、前記部材を樹脂封止する工程とから構成される。前記部材を組み立てる工程は、第１実施形態と同様であり、同様にして行うことができる。
樹脂封止する工程は、樹脂１１を用いて第１封止層を形成する第１の封止工程と、ナノコンポジット樹脂１３を用いて第２封止層を形成する第２の封止工程とを含む。
第１の封止工程では、予め通常の方法で減圧脱泡した樹脂１１で、絶縁基板４、半導体素子６、並びにプリント基板９が接合された部材を封止する。封止は、トランスファー成形、液状トランスファー成形、射出成型等の成形法により、所定の形状に成形することにより実施する。その後、樹脂１１を所定の温度及び時間条件で、例えば、１００〜１８０℃で、１〜１０分、熱硬化させて第１封止層を形成し、第１の封止工程を完了する。本実施形態による第１の封止工程は、例えば、第１実施形態の第２の封止工程について具体的に説明した液状トランスファー成形法の工程及び手順により行うことができる。なお、樹脂１１が熱可塑性樹脂の場合も、第１の封止工程は、熱硬化させる工程を除いて同様に実施することができる。
第２の封止工程では、予め通常の方法で減圧脱泡したナノコンポジット樹脂１３を、第１の封止工程で得られた成形体の外周の少なくとも一部に、塗布、成形、あるいはポッティング等の方法により所定の厚みとなるように被覆する。その後、ナノコンポジット樹脂１３を所定の温度及び時間条件で、例えば、ポッティングならば、１００〜２００℃で、１〜３時間、熱硬化させて、第２封止層を形成し、第２の封止工程を完了する。このように、第１の封止工程と、次いで、第２の封止工程とを経ることにより、樹脂１１とナノコンポジット樹脂１３とで二重に封止された、二層封止構造の樹脂封止部を備える成形体を得ることができる。さらに、成形体の第１封止層の成形時に、取り付け金具１２を挿入するための孔を第１封止層に形成し、第１封止層及び第２封止層の硬化後に孔に取り付け金具１２を挿入する工程により、半導体モジュール成形構造体２００を得ることができる。
第２実施形態による半導体モジュール成形構造体２００及びその製造方法によれば、特には、使用雰囲気が高温となる半導体装置において、半導体装置を長期において酸化劣化から保護することができる。また従来と比べて使用されている材料の酸化劣化を防ぐことができることから、モジュール構造の小型化が可能となり、半導体装置の信頼性を高めると共に、コストを低減することができる。
［第３実施形態］
本発明は、第３実施形態によれば、半導体装置であって、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に接合された絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面に接合された外部回路との接続用プリント基板とを含む部材を、封止材で封止してなる成形体を備え、ナノコンポジット樹脂である第１の封止材が、前記半導体素子を被覆して前記半導体素子に近接する領域に設けられる第１封止層を構成し、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂である第２の封止材が、前記第１封止層を被覆する第２封止層を構成し、ナノコンポジット樹脂である第１の封止材が、前記第２の封止材をさらに被覆して、かつ、前記成形体の外表面の少なくとも一部に面して、少なくとも３００μｍの厚みで設けられる第３封止層を構成することを特徴とする。
図３は、第３実施形態に係る半導体装置の一例である、半導体モジュール成形構造体３００の断面構造を示す図である。半導体モジュール成形構造体３００において、絶縁基板４、半導体素子６、インプラントピン８を有するインプラント方式プリント基板９、並びに外部接続端子１０の構成は、第１実施形態において説明した図１と同様であり、同一の符号は同一の部材を指称するものとして説明を省略する。
本実施形態による半導体モジュール成形構造体３００において、樹脂封止部は、第１の封止材であるナノコンポジット樹脂１３と、第２の封止材である熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂あるいはそれらの混合物１１との二種類の樹脂により、三重に封止される三層封止構造を有する。図３中、ナノコンポジット樹脂１３からなる第１封止層は半導体素子６を被覆して、半導体素子６の近傍に設けられる。第１封止層の態様は、第１実施形態における第１封止層と同様である。第１封止層の周囲には、第１封止層を被覆して、樹脂１１からなる第２の封止材が、第２封止層を構成する。さらに、第２封止層の周囲には、ナノコンポジット樹脂１３が第２封止層を被覆して、成形体の外周部に、少なくとも３００μｍの厚みに、略均一な第３封止層を形成する。第３封止層の厚みは、例えば、３００μｍから３ｍｍ以下、さらに好ましくは３００μｍから１ｍｍ以下とすることができる。
ナノコンポジット樹脂１３及び樹脂１１のそれぞれの組成、およびナノコンポジット樹脂１３及び樹脂１１の好ましい組み合わせについては、第１実施形態において説明したとおりである。なお、本実施形態においては、第１封止層を構成するナノコンポジット樹脂と、第３封止層を構成するナノコンポジット樹脂とが同一であってもよく、異なっていても良い。
なお、図示する第３実施形態による半導体モジュール成形構造体３００において、第１銅ブロック２の絶縁層１とは反対側の面、すなわち、図中の下面が、面全体にわたって露出していて、図示しない冷却部材等との接続が可能な状態になっていても良い。また、第３封止層が、半導体モジュール成形構造体３００の外周全体を覆っていなくてもよく、例えば、特に外周が高温雰囲気となる面のみに、第３封止層が設けられても良い。また、絶縁基板４やインプラント式プリント基板９、インプラントピン８の構成は、図示する形態には限定されず、変形が可能である。
次に、第３実施形態による半導体モジュール成形構造体３００を、その製造方法の観点から説明する。ＳｉＣパワー半導体モジュール成形構造体３００の製造方法は、主として、絶縁基板４、半導体素子６、並びにプリント基板９が接合された部材を組み立てる工程と、前記部材を樹脂封止する工程とから構成される。前記部材を組み立てる工程は、第１実施形態と同様であり、同様にして行うことができる。
樹脂封止する工程は、ナノコンポジット樹脂１３を用いて、第１封止層を形成する第１の封止工程と、次いで、樹脂１１を用いて第２封止層を形成する第２の封止工程と、ナノコンポジット樹脂１３を用いて、第３封止層を形成する第３の封止工程と含む。
本実施形態による第１の封止工程は、第１実施形態による第１の封止工程と同様に実施することができる。
第２の封止工程では、第１の封止工程で得られた第１封止層の周囲に、樹脂１１を適用し、トランスファー成形、液状トランスファー成形、ポッティング、等の成形法により、所定の形状に成形する。次いで、樹脂１１を所定の温度及び時間条件で、例えば、ポッティングならば１００〜２００℃で１〜３時間、熱硬化させて、第２封止層を形成し、第２の封止工程を完了する。本実施形態による第２の封止工程は、例えば、第１実施形態の第２の封止工程について詳述した液状トランスファー成形法の工程及び手順により行うことができる。なお、樹脂１１が熱可塑性樹脂の場合も、第２の封止工程は、熱硬化させる工程を除いて同様に実施することができる。
第３の封止工程では、第２封止工程で得られた第２封止層の外周に、塗布、成形、あるいはポッティング等の方法により所定の厚みとなるようにナノコンポジット樹脂１３を被覆する。次いで、ナノコンポジット樹脂１３を所定の温度及び時間条件で、例えば、１００〜２００℃で、１〜３時間、熱硬化させて、第３封止層を形成し、第３の封止工程を完了する。このように、第１封止工程から第３封止工程を経ることにより、ナノコンポジット樹脂１３と樹脂１１とを交互に設け、三重に封止された、三層封止構造の樹脂封止部を備える成形体を得ることができる。さらに、成形体の第２封止層の成形時に、取り付け金具１２を挿入するための孔を第２封止層に形成し、第１封止層から第３封止層を全て硬化させた後に孔に取り付け金具１２を挿入する工程により、半導体モジュール成形構造体３００を得ることができる。
第３実施形態による半導体モジュール成形構造体３００及びその製造方法によれば、特には、動作時に高温となり易い半導体素子６の周囲、及び酸化劣化しやすい半導体モジュール成形構造体３００の外周の両方を、耐熱性に優れたナノコンポジット樹脂１３で集中的に封止することで、動作温度が高くなる半導体素子の周辺が熱劣化しにくいとともに、使用雰囲気が高温となる半導体モジュールの外表面が酸化劣化しにくく、耐久性の高い半導体モジュール成形構造体を提供することができる。
以下に、実施例により、本発明をより詳細に説明する。以下の実施例は、本発明の例示であって、本発明を限定するものではない。
第２実施形態において説明したとおりに、図２に示すＳｉＣパワー半導体モジュール成形構造体２００を組み立てた。封止材として用いたエポキシ樹脂の組成を表１に示す。試料番号１〜４で共通して、主剤は環状脂肪族エポキシ樹脂、硬化剤は酸無水物系硬化剤を用いた。硬化助剤や、そのほかの任意成分は含めなかった。無機充填剤としては、試料番号３では、平均粒径１０ｎｍのシリカが２ｗｔ％含まれている組成、試料番号４では、平均粒径１０ｎｍのシリカが１５ｗｔ％含まれている組成とした。一方、試料番号１の樹脂では、無機充填剤を使用せず、試料番号２では、平均粒径２０μｍのシリカ、すなわちマイクロサイズのシリカが８３ｗｔ％含まれている組成とした。
試料番号１〜４の封止材を用いて曲げ試験片を作製し、熱劣化試験後の曲げ強度保持率を測定した。曲げ試験片は、４ｍｍ×６ｍｍ×７０ｍｍの形状に作製した。試験条件は、２００℃、大気下で１００時間、１０００時間、１００００時間放置した後、曲げ試験をして保持率を求めた。曲げ強度の保持率は、初期の曲げ強度を分母、熱劣化試験後の曲げ強度を分子にとり１００乗算した値とした。
曲げ試験の結果を、表２に示す。試料番号１と試料番号２の封止材は、１００００時間後の曲げ強度の保持率は２８％と３４％であった。一方、試料番号３の封止材を用いた試験片では、１００００時間後の保持率の低下は小さくなり４７％となった。試料番号３の封止材よりも、ナノサイズの無機充填剤の含有量が多い試料番号４の封止材を用いた試験片では、保持率の低下をさらに抑えることができ、保持率は６１％となった。
次に、封止材の熱劣化試験後の樹脂表面からの変色の結果を表２に示す。表面からの変色は、熱劣化の時間と共に表面から内部に広がっていき、２００℃の大気下にて１００００時間後の変色の長さはそれぞれ、試料番号１は８５０μｍ、試料番号２は７００μｍ、試料番号３は４２０μｍ、試料番号４は３２０μｍであった。変色に関しても、ナノフィラーを添加することで抑制することができることがわかった。
試料番号１〜４の封止材で、熱劣化試験を行いクラック発生の有無を調査した。試験条件は２００℃で１０００時間放置した後に目視でクラック発生の有無を確認した。試料番号１、２の封止材には熱劣化試験によりクラックが発生した。一方、試料番号３、４の封止材による表面層にはクラックの発生は無かった。
Figure 0006168153
Figure 0006168153
本発明に係る半導体装置は、ＳｉＣやＧａＮといった半導体素子を用いて構成された高温動作となるパワー半導体モジュールにおいて有用である。
１ 絶縁層
２ 第１銅ブロック
３ 第２銅ブロック
４ 絶縁基板
５ 導電接合層ａ
６ ＳｉＣ半導体素子
７ 導電接合層ｂ
８ インプラントピン
９ インプラント方式プリント基板
１１ 樹脂
１２ 取り付け金具
１３ ナノコンポジット樹脂
１００ 半導体モジュール成形構造体
２００ 半導体モジュール成形構造体
３００ 半導体モジュール成形構造体

Claims (6)

  1. 半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に接合された絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面に接合された外部回路との接続用プリント基板とを含む部材を、封止材で封止してなる成形体を備える半導体装置であって、
    前記封止材が、
    エポキシ樹脂主剤と、硬化剤と、平均粒経が１〜１００ｎｍの無機充填材と、難燃剤とを含んでなるナノコンポジット樹脂である第１の封止材と、
    熱硬化性樹脂もしくは熱可塑性樹脂あるいはそれらの混合物からなる第２の封止材とを含んでなり、
    前記第１の封止材が、前記半導体素子を被覆して前記半導体素子に近接する領域に設けられる第１封止層を構成し、
    前記第２の封止材が、前記第１封止層を被覆し、かつ前記成形体の外表面を形成する第２封止層を構成する、半導体装置。
  2. 前記第１封止層が、前記半導体素子の動作時に、前記半導体素子の最大動作温度から２５℃以内となる領域を少なくとも封止する、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に接合された絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面に接合された外部回路との接続用プリント基板とを含む部材を、封止材で封止してなる成形体を備える半導体装置であって、
    前記封止材が、
    エポキシ樹脂主剤と、硬化剤と、平均粒経が１〜１００ｎｍの無機充填材と、難燃剤とを含んでなるナノコンポジット樹脂である第１の封止材と、
    熱硬化性樹脂もしくは熱可塑性樹脂あるいはそれらの混合物からなる第２の封止材と
    を含んでなり、
    前記第１の封止材が、前記半導体素子を被覆して前記半導体素子に近接する領域に設けられる第１封止層を構成し、
    前記第２の封止材が、前記第１の封止材を被覆する第２封止層を構成し、
    前記第１の封止材が、前記第２封止層をさらに被覆し、かつ前記成形体の外表面の少なくとも一部に面して、少なくとも３００μｍの厚みで設けられる第３封止層を構成する、
    半導体装置。
  4. 前記第１封止層が、前記半導体素子の動作時に、前記半導体素子の最大動作温度から２５℃以内となる領域を少なくとも封止し、
    前記第３封止層が、３ｍｍ以下の厚みである、請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記無機充填材が、溶融シリカもしくは破砕シリカの少なくとも一方を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体素子が、ＳｉＣ半導体素子である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
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