JP6168259B1 - 封止用樹脂組成物、および半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明者が検討した結果、上記文献に記載の樹脂ペーストにおいて、下記のようなパワー半導体素子を封止する封止材に適用した場合、高温の環境下における長時間使用に対する耐久性の点で改善の余地を有していることが判明した。
SiC、GaN、Ga2O3、またはダイヤモンドにより形成されたパワー半導体素子を封止するために用いられる封止用樹脂組成物であって、
熱硬化性樹脂(A)と、
シリカ(B)と、
を含み、
前記シリカ(B)がFeを含んでおり、
前記Feの含有量が、前記シリカ(B)全量に対して220ppm以下であり、
顆粒状、タブレット状またはシート状である、封止用樹脂組成物が提供される。
基板上に搭載され、かつSiC、GaN、Ga2O3、またはダイヤモンドにより形成されたパワー半導体素子と、
上述の封止用樹脂組成物を硬化して得られる硬化物により構成され、かつ前記パワー半導体素子を封止してなる封止材と、
を備える半導体装置が提供される。
本実施形態に係る封止用樹脂組成物は、SiC、GaN、Ga2O3、またはダイヤモンドにより形成されたパワー半導体素子を封止するために用いられる封止用樹脂組成物であって、熱硬化性樹脂(A)と、シリカ(B)と、を含む。また、シリカ(B)は、Feを含んでおり、かかるFeの含有量が、シリカ(B)全量に対して220ppm以下である。
しかしながら、200℃を超えるような高温環境下における封止材の長期保管特性については十分に検討されていなかった。ここで、SiC、GaN、Ga2O3、またはダイヤモンドのようなワイドバンドギャップ材料を使用したパワー半導体素子を封止する封止材については、200℃を超えるような高温環境下における長期使用に耐え得る特性を有することが求められる。このような高温長期保管特性は、たとえば250℃という高温環境下において封止材を長時間保管した場合における質量減少率に基づいて評価することが可能である。
このような知見に基づいて更に検討した結果、本発明者は、封止用樹脂組成物中に含まれているシリカ(B)中のFeや、Mnなどの他の不純物の含有量を所定値以下となるように制御することにより、封止用樹脂組成物を用いて形成される封止材の、200℃を超える高温環境下における保管特性を向上させることができることを新たに見出した。このため、本実施形態によれば、封止材の高温環境下における長時間使用に対する耐久性を向上させることが可能となる。これにより、半導体装置の信頼性向上に寄与することもできる。
本実施形態の封止用樹脂組成物は、上述のとおり、熱硬化性樹脂(A)と、シリカ(B)と、を含む。
熱硬化性樹脂(A)は、たとえばマレイミド基を2つ以上有する化合物、ベンゾオキサジン環を2つ以上有する化合物、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア(尿素)樹脂、メラミン樹脂等のトリアジン環を有する樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、シアネート樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、およびベンゾシクロブテン樹脂から選択される一種または二種以上を含むことができる。
シリカ(B)は、たとえば溶融球状シリカ、溶融破砕シリカ、および結晶シリカから選択される一種または二種以上を含むことができる。これらの中でも、封止用樹脂組成物の充填性や、封止材の高温長期保管特性等を向上させる観点からは、溶融球状シリカを含むことがより好ましい。また、シリカ(B)は、非晶質であってもよい。
また、シリカ(B)には、Feの他に、Mn(マンガン)、Ni(ニッケル)、Ti(チタン)、Ca(カルシウム)、P(リン)、からなる群から選択される一種以上の成分が不純物として含まれていてもよい。
詳細なメカニズムは定かでないが、パワー半導体素子の使用環境(例えば、200℃以上や250℃以上という高温条件)下において、Feや、Mn、NiおよびTiなどの他の不純物が触媒として働くことにより、上記のような、剥離・クラックや樹脂自体の酸化分解という樹脂層の劣化が生じる、と考えられる。
このような知見に基づいて、本発明者が鋭意検討した結果、不純物の種類と含有量について適切に制御することにより、高温環境下における長時間使用に対する耐久性を向上できることを見出し、本発明を完成するに至った。
また、本実施形態の封止用樹脂組成物によれば、上記のような樹脂自体の酸化分解による劣化を抑制することができる。
本発明者によれば200℃以上という高温条件下において、鉄が樹脂の酸化分解を促進する作用が要因の一つとして想定されている。
本発明者は、シリカ(B)全量に対するFeの含有量が上記数値範囲内となるように制御した場合に、結果として、封止材内部において生じる樹脂の酸化量を低減できるため、封止材内部の酸化に起因した劣化を抑制できるものと考えている。なお、シリカ(B)中におけるFeの含有量の下限値は、とくに限定されず、0ppm以上としてもよく、1ppm以上としてもよい。
ここで、シリカ(B)全量に対するMn(マンガン)の含有量は、できるだけ少ないことが好ましい。これにより、封止用樹脂組成物を用いて形成される封止材の、200℃以上という高温条件下における長期保管特性を向上させることが可能となる。
Mnの含有量ができるだけ少ないシリカ(B)を含むことにより封止材の高温長期保管特性を向上させることができる理由は明らかではないが、200℃以上という高温条件下における封止材内部の酸化に起因した劣化を抑制できることが要因の一つとして想定される。具体的には、本発明者は、Mnの含有量ができるだけ少ないシリカ(B)を用いた場合、200℃以上という高温条件下における封止材内部において、酸化剤の1つであるMnにより当該封止材内部に存在する樹脂成分が酸化されてしまうことを抑制できているものと考えている。また、このような劣化の抑制については、たとえば封止材を250℃の高温環境下で1000時間保管した場合の質量減少率に基づいて評価することが可能である。なお、シリカ(B)中におけるMnの含有量の下限値は、とくに限定されず、0ppm以上としてもよく、1ppm以上としてもよい。
ここで、シリカ(B)全量に対するNi(ニッケル)の含有量は、できるだけ少ないことが好ましい。
これにより、封止材の高温における長期保管特性や機械的特性をより効果的に向上させることが可能となる。この理由は明らかではないが、本発明者は、Ni(ニッケル)の含有量ができるだけ少ないシリカ(B)を用いた場合、200℃以上という高温条件下における封止材内部において樹脂成分が酸化される量を低減できるため、封止材内部の酸化に起因した劣化を抑制できるものと考えている。なお、シリカ(B)中におけるNiの含有量の下限値は、とくに限定されず、0ppm以上としてもよく、1ppm以上としてもよい。
ここで、シリカ(B)全量に対するTi(チタン)の含有量は、できるだけ少ないことが好ましい。これにより、封止材の高温における長期保管特性や機械的特性をより効果的に向上させることが可能となる。この理由は明らかではないが、本発明者は、Ti(チタン)の含有量ができるだけ少ないシリカ(B)を用いた場合、200℃以上という高温条件下における封止材内部において樹脂成分が酸化される量を低減できるため、封止材内部の酸化に起因した劣化を抑制できるものと考えている。なお、シリカ(B)中におけるTiの含有量の下限値は、とくに限定されず、0ppm以上としてもよく、1ppm以上としてもよい。
封止用樹脂組成物は、熱硬化性樹脂(A)とともに、必要に応じて硬化剤(C)を含むことができる。
封止用樹脂組成物は、たとえば硬化促進剤(D)を含むことができる。硬化促進剤(D)は、熱硬化性樹脂(A)の架橋反応を促進させるものであればよい。たとえば有機ホスフィン、テトラ置換ホスホニウム化合物、ホスホベタイン化合物、ホスフィン化合物とキノン化合物との付加物、ホスホニウム化合物とシラン化合物との付加物等のリン原子含有化合物;2−メチルイミダゾール等のイミダゾール類;1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデセン−7、ベンジルジメチルアミン等が例示されるアミジンや3級アミン、前記アミジンやアミンの4級塩等の窒素原子含有化合物から選択される1種類または2種類以上を含むことができる。
封止用樹脂組成物は、たとえばカップリング剤(E)を含むことができる。カップリング剤(E)は、たとえばカップリング剤(E)により表面処理が施されたシリカ(B)を熱硬化性樹脂(A)等と混合することにより封止用樹脂組成物中に含ませることができる。一方で、シリカ(B)に対して上記表面処理を行わず、熱硬化性樹脂(A)およびシリカ(B)等の各成分とともにカップリング剤(E)をミキサー等へ投入し、これを混合することによってカップリング剤(E)を封止用樹脂組成物中に含ませてもよい。
また、シート状の封止用樹脂組成物は、ワニス状である封止用樹脂組成物をフィルム化することにより得ることができる。例えば、封止用樹脂組成物を塗布して得られた塗布膜に対して、溶剤を除去することにより得ることができる。このようなシート状の封止用樹脂組成物においては、溶剤含有率が全体に対して5質量%以下とすることができる。
本実施形態の封止用樹脂組成物を、たとえば200℃、120秒の条件で加熱し、その後250℃、240分間の条件で加熱して得られる硬化物の、室温における曲げ弾性率の上限値は、例えば、50GPa以下でもよく、40GPa以下でもよく25GPa以下でもよい。これにより、外部からの応力を効果的に緩和して、半導体装置の信頼性向上を図ることができる。一方で、上記硬化物の室温における曲げ弾性率の下限値は、例えば、10GPa以上であり、好ましくは11GPa以上であり、より好ましくは12GPa以上である。これにより、高温環境下でも機械強度を向上させることができる。
図1は、本実施形態に係る半導体装置100の一例を示す断面図である。本実施形態に係る半導体装置100は、基板30上に搭載された半導体素子20と、半導体素子20を封止してなる封止材50と、を備えている。半導体素子20は、SiC、GaN、Ga2O3、またはダイヤモンドにより形成されたパワー半導体素子である。また、封止材50は、本実施形態に係る封止用樹脂組成物を硬化して得られる硬化物により構成されている。
各実施例、および各比較例のそれぞれについて、以下のように封止用樹脂組成物を調製した。まず、表2に示す配合に従い、各成分をミキサーにより混合した。次いで、得られた混合物をロール混練した後、冷却、粉砕して打錠成形することでタブレット状の封止用樹脂組成物を得た。
表2中における各成分の詳細は下記のとおりである。また、表2中に示す各成分の配合割合は、封止用樹脂組成物全体に対する配合割合(質量%)を示している。
熱硬化性樹脂1:下記式(5)に示すマレイミド基を二つ以上有する化合物
熱硬化性樹脂2:下記式(6)に示すベンゾオキサジン環を二つ以上有する化合物(四国化成工業社製、P−d型ベンゾオキサジン)
熱硬化性樹脂3:ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂(日本化薬社製、NC−3000L)
熱硬化性樹脂4:トリスフェニルメタン型フェノール樹脂(明和化成社製、MEH−7500)
表2中に示す、各実施例および各比較例の封止用樹脂組成物を調製するために用いたシリカ(B1)〜(B4)としては、以下の表1に示すものを用いた。
また、シリカ(B1)の平均粒径d50は0.5μm、シリカ(B2)の平均粒径d50は1μm、シリカ(B3)の平均粒径d50は32μm、シリカ(B4)の平均粒径d50は12μmである。
硬化促進剤:2−メチルイミダゾール(四国化成工業社製、2MZ−H)
カップリング剤:フェニルアミノプロピルトリメトキシシラン(東レ・ダウコーニング社製、CF−4083)
離型剤:モンタン酸エステル(クラリアントジャパン社製、リコルブWE−4)
着色剤:カーボンブラック(三菱化学社製、#5)
各実施例および各比較例について、得られた封止用樹脂組成物の硬化物のガラス転移温度を、次のように測定した。まず、トランスファー成形装置を用いて、所定の金型温度に設定し、注入圧力9.8MPa、硬化時間120秒で封止用樹脂組成物を注入成形し、15mm×4mm×4mmの成形品を得た。具体的には、上記金型温度は、200℃に設定した。
次いで、得られた成形品を250℃、240分間で後硬化して試験片を作製した。その後、得られた試験片に関し、熱機械分析装置(セイコーインスツル社製、TMA100)を用いて、測定温度範囲0℃〜320℃、昇温速度5℃/分の条件下でガラス転移温度を測定した。表2中におけるガラス転移温度の単位は℃である。
各実施例および各比較例について、得られた封止用樹脂組成物の硬化物の曲げ弾性率を次のように測定した。まず、トランスファー成形装置を用いて金型温度200℃、注入圧力9.8MPa、硬化時間120秒で封止用樹脂組成物を注入成形し、幅10mm×厚さ4mm×長さ80mmの成形品を得た。次いで、得られた成形品を250℃、240分間で後硬化して、試験片を作製した。次いで、試験片の、室温25℃、および250℃における曲げ弾性率をJIS K 6911に準拠して測定した。表2における曲げ弾性率の単位はGPaである。
各実施例および各比較例について、得られた封止用樹脂組成物の硬化物の高温保管特性を次のように測定した。まず、トランスファー成形装置を用いて金型温度200℃、注入圧力9.8MPa、硬化時間120秒間で封止用樹脂組成物を注入成形し、直径10mmΦ×厚さ4mmの成形品を得た。次いで、得られた成形品を250℃、240分間で後硬化した後、150℃で16時間乾燥して試験片を得て、この初期質量を測定した。次いで、250℃のオーブンに投入し100、250、500、1000時間後に取り出して質量を測定した。表2における質量減少率は、初期質量に対する1000時間後の質量減少量を算出したものであり、単位は質量%である。
Claims (13)
- SiC、GaN、Ga2O3、またはダイヤモンドにより形成されたパワー半導体素子を封止するために用いられる封止用樹脂組成物であって、
熱硬化性樹脂(A)と、
シリカ(B)と、
を含み、
前記シリカ(B)がFeを含んでおり、
前記Feの含有量が、前記シリカ(B)全量に対して220ppm以下であり、
顆粒状、タブレット状またはシート状である、封止用樹脂組成物。 - 請求項1に記載の封止用樹脂組成物において、
前記シリカ(B)がMnをさらに含むものであり、
前記Feおよび前記Mnの含有量の合計値が、前記シリカ(B)全量に対して220ppm以下である、封止用樹脂組成物。 - 請求項2に記載の封止用樹脂組成物において、
前記シリカ(B)がNiおよびTiをさらに含むものであり、
前記Fe、前記Mn、前記Niおよび前記Tiの含有量の合計値が、前記シリカ(B)全量に対して250ppm以下である、封止用樹脂組成物。 - 請求項3に記載の封止用樹脂組成物において、
前記Fe、前記Mn、前記Niおよび前記Tiの含有量の合計値に対する、前記Feの含有量の比率が、86.0%以下である、封止用樹脂組成物。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の封止用樹脂組成物において、
前記熱硬化性樹脂(A)は、マレイミド基を2つ以上有する化合物を含む封止用樹脂組成物。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載の封止用樹脂組成物において、
前記シリカ(B)全量に対するSiO2の含有量が99.8質量%以上である封止用樹脂組成物。 - 請求項1から6のいずれか1項に記載の封止用樹脂組成物において、
前記シリカ(B)の含有量は、当該封止用樹脂組成物全体に対して55質量%以上90質量%以下である封止用樹脂組成物。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載の封止用樹脂組成物において、
当該封止用樹脂組成物を、200℃、120秒の条件で加熱し、その後250℃、240分間の条件で加熱して得られる硬化物の、250℃における曲げ弾性率が、3GPa以上16GPa以下である、封止用樹脂組成物。 - 請求項1から8のいずれか1項に記載の封止用樹脂組成物において、
当該封止用樹脂組成物を、200℃、120秒の条件で加熱し、その後250℃、240分間の条件で加熱して得られる硬化物のガラス転移温度が250℃以上350℃以下である封止用樹脂組成物。 - 請求項1から9のいずれか1項に記載の封止用樹脂組成物において、
当該封止用樹脂組成物は、基板上に搭載された前記パワー半導体素子の面のうち、前記基板と対向する一面とは反対側の他面を覆うように封止するものである、封止用樹脂組成物。 - 請求項1から10のいずれか1項に記載の封止用樹脂組成物において、
動作環境が200℃以上である前記パワー半導体素子を封止する封止材を形成するための、封止用樹脂組成物。 - 基板上に搭載され、かつSiC、GaN、Ga2O3、またはダイヤモンドにより形成されたパワー半導体素子と、
請求項1から11のいずれか1項に記載の封止用樹脂組成物の硬化物により構成され、かつ前記パワー半導体素子を封止してなる封止材と、
を備える半導体装置。 - 請求項12に記載の半導体装置において、
前記封止材は、前記パワー半導体素子のうちの前記基板と対向する一面とは反対側の他面を覆うように前記パワー半導体素子を封止したものである半導体装置。
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