JP6916997B2

JP6916997B2 - 半導体装置

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Publication number: JP6916997B2
Application number: JP2016053806A
Authority: JP
Inventors: 祐子仲俣; 裕司市村
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2036-03-17
Also published as: JP2017168723A

Description

本発明は、半導体装置に関する。本発明は、特には、パワーサイクル耐量が向上した半導体装置に関する。

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に、シリコーンゲルやエポキシ樹脂などから構成される封止材が用いられている。このような封止材には、接着助剤としてアルミキレート等の金属キレート剤を用いることが有効であることが知られている。

具体的には、金属と熱硬化性樹脂の密着性を向上させる技術として、熱硬化性樹脂に接着助剤としてキレート剤を混合させる方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１では、エポキシ樹脂にアルミキレートを混合することで、アルミ基板に対する密着性を向上させた樹脂組成物が提案されている。

特開2009-298875号公報

ＳｉＣなどの次世代半導体素子が実用化されるに伴って、半導体素子や部材を封止する封止樹脂の高温化が進んでいる。このため、封止樹脂には高耐熱化が要求されてきている。パワーサイクル試験では、半導体素子に、通電・遮断の電気的負荷を与え、熱ストレスを発生させ、ワイヤ接合部の寿命を評価する。ワイヤ接合部で剥離を生じるまでの電気的負荷のサイクルをパワーサイクル耐量というが、このパワーサイクル耐量をさらに向上させるには、特に、発熱量の大きい半導体素子周辺における封止材の更なる密着性能の改良が必要不可欠である。

上記のように金属キレート剤の有効性が検討され、研究されてきたが、実用化はされていない。これは、金属キレート剤を樹脂に添加すると気泡が発生して、外観品質が低下したり、絶縁不良を生じたりするおそれがあったためである。

本発明者らは、金属キレート剤の発泡メカニズムを調査した結果、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂及び／またはビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂に金属キレート剤を添加した場合に、発泡を抑えられることを見出した。そして、金属キレート剤を含む封止材を所定の態様で用いることで、パワーサイクル耐量を向上させることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、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てなり、少なくとも前記半導体素子と前記導電性接続部材との接続部が第１封止材により封止されており、前記第１封止材が、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂及び／またはビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂と、硬化剤と、金属キレート剤と、無機充填材とを含んでなる。

前記半導体装置において、封止材が、前記第１封止材と、前記第１封止材よりもガラス転移温度が高い第２封止材とを含む二層以上であることが好ましい。

前記半導体装置において、前記第２封止材が、脂環式エポキシ樹脂、または脂環式エポキシ樹脂と、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂及び／またはビスフェノールＡＤ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、前記第１封止材の厚みが、０．１〜２ｍｍであることが好ましい。

前記半導体装置において、前記金属キレート剤が、アルミニウムキレート剤であることが好ましい。

前記半導体装置において、前記金属キレート剤が、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂及び／またはビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂と、硬化剤と、金属キレート剤と、無機充填材との総質量を１００％として、０．１〜２質量％添加されていることが好ましい。

前記半導体装置において、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、封止材においてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂及び／またはビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂と金属キレート剤とを組み合わせることで、金属キレート剤に起因する、封止材硬化時の発泡を抑えることができ、高発熱量となる半導体素子の電極と導電性接合部材との接合箇所における封止材の密着性を向上させ、パワーサイクル耐量を向上させることができる。これにより、高信頼性のパワーモジュール製品を提供することができる。

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、本発明の実施例において用いた、密着性評価試験の試料形態の概要を示す図である。

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。

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、少なくとも前記半導体素子と導電性接続部材との接続部が第１封止材により封止されており、前記第１封止材が、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂及び／またはビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂と、硬化剤と、金属キレート剤と、無機充填材とを含んでなる。

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。出力端子５には、外部接続端子、中継端子、および導電配線を含む。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、蓋７は端子ケース４と同一の樹脂で構成されている。端子ケース４内には封止材８、９が充填され、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９は、半導体素子１と金属ワイヤ６との接続部を封止しており、第２封止材８がその周囲を含む、ケース４内全体を封止している。

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。

金属ワイヤ６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。金属ワイヤ６の直径は、例えば、２００〜７００μｍであってよく、３００〜５００μｍとすることができるが、これらには限定されない。

第１封止材９は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂及び／またはビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂と、硬化剤と、金属キレート剤と、無機充填材とを含む封止材である。以下、本明細書において、第１封止材を、キレート含有封止材と指称する場合もある。

熱硬化性樹脂主剤は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂から選択される１種以上を用いることができる。ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂は、エポキシ基の反応性を変化させない限り、置換基を導入したビスフェノールＡ型エポキシ樹脂であってもよい。ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂は、キレート剤と混合し、加熱硬化した場合でも、発泡を生じにくいためである。また、ビスフェノールＡＤ型エポキシも、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と同様の反応性を備えるため、用いることができる。ビスフェノールＡＤ型エポキシも、エポキシ基の反応性を変化させない限り、置換基を導入したものであってよい。あるいは、熱硬化性樹脂主剤は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂とビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂との任意の質量比での混合物であってもよい。以下の説明において、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂またはビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂、あるいはこれらの混合物の総称として、熱硬化性樹脂主剤という場合がある。

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、キレート含有封止材９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。

金属キレート剤としては、特に限定されず、アルミニウム系キレート、チタン系キレート、ジルコニウム系キレートのいずれか一種類または二種類以上を混合して用いることができる。したがって、例えば、アルミニウム系キレートのうち、異なる二種以上を併用してもよいし、アルミニウム系キレートとチタン系キレートを併用してもよい。アルミニウム系キレートとしては、例えば、アルミニウムエチルアセトアセテート・ジイソプロピレート（ＡＬＣＨ）、アルミニウムトリスエチルアセトアセテート（ＡＬＣＨ−ＴＲ）、アルミニウムアルキルアセトアセテート・ジイソプロピレート、アルミニウムビスエチルアセトアセテート・モノアセチルアセトネート、アルミニウムトリスアセチルアセトネート、アルミニウムモノアセチルアセトネートビスエチルアセトアセテート等を用いることができるが、これらには限定されない。このようなアルミニウム系キレートは、川研ファインケミカルより市販されており、これらを適宜用いることができる。チタン系キレートとしては、例えば、チタンアセチルアセトネート（ＴＣ−１００）、チタンテトラアセチルアセトネート（ＴＣ−４０１）、チタンエチルアセトアセテート（ＴＣ−７１０）等を用いることができるが、これらには限定されない。ジルコニウム系キレートとしては、例えば、ジルコニウムテトラアセチルアセトネート（ＺＣ−１５０）、ジルコニウムモノアセチルアセトネート（ＺＣ−５４０）等を用いることができるが、これらには限定されない。列挙したチタン系キレート、ジルコニウム系キレートは、マツモトファインケミカルより市販されておりこれらを適宜用いることができる。これらの中でも、特にアルミニウム系キレートを用いることが好ましい。

金属キレート剤の添加量は、熱硬化性樹脂主剤と硬化剤と無機充填材と金属キレート剤との総質量を１００％としたときに、０．１〜２．０質量％とすることが好ましい。金属キレート剤の添加量が少ないと、密着性の向上の幅が小さい場合があり、多く添加しても密着力が低下する場合があるためである。さらには、０．３〜１．０質量％とすることがさらに好ましい。金属キレート剤の添加量に対して、密着性向上の効果が高いためである。あるいは、金属キレート剤の添加量は、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、０．３〜６．７質量部であることが好ましい。

キレート含有封止材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。

キレート含有封止材９には、また、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、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、およびその添加量は、半導体装置及び／または封止材に要求される仕様に応じて、当業者が適宜決定することができる。

キレート含有封止材９は、少なくとも、半導体素子１上の電極と金属ワイヤ６との接続箇所を覆うように配置する。接続箇所とは、電極と金属ワイヤ６とが接触している箇所、及びその周囲の電極表面や金属ワイヤ６の表面を含んでもよい。金属ワイヤの径にもよるが、例えば、金属ワイヤの先端から電極表面と接して配設されている部分においては、金属ワイヤの周囲全体が、キレート含有封止材９に被覆される態様であってもよい。発熱量が大きい半導体素子１と金属ワイヤ６との接続箇所及びその周囲において、封止樹脂の密着性が低下しやすいためである。しかし、キレート含有封止材９の配置態様は図示する態様には限定されない。さらに、出力端子５が接続された第２導電性板２２と金属ワイヤ６との接続箇所を覆うように配置してもよい。さらに、半導体素子１周囲全体を覆う配置態様、積層基板２全体を覆う配置態様であってもよい。また、半導体素子上に複数の電極が設けられ、金属ワイヤとの接続箇所が複数存在する場合には、半導体素子上に断続的に設けられた、複数のキレート含有封止材層が存在してもよい。

キレート含有封止材９は、その厚みが、０．１〜２．０ｍｍとなるように配置することが好ましい。０．１ｍｍより薄いと、十分な密着性効果が得られない場合があり、２．０ｍｍよりも厚いと、封止材の加熱硬化反応時に発生するボイドが抜けにくくなる場合がある。ここで、キレート含有封止材の厚みとは、半導体素子などの平面上に積層した場合、平面からの最大厚みをいうものとする。

第２封止材８は、キレート含有封止材９の周囲、及びキレート含有封止材９により封止されていない半導体素子１周囲や積層基板２２の沿面を覆うように形成される。以下、本明細書において、第２封止材８を、耐熱性封止材と指称する場合もある。耐熱性封止材８は、一般的に、キレート含有封止材９よりもガラス転移温度Ｔｇが高い封止材である。耐熱性封止材８の仕様は、半導体素子１の仕様等によって適宜決定することができる。耐熱性封止材８は、Ｔｇが、半導体素子１の接合部温度Ｔｊ（ジャンクション温度）よりも１０℃以上高いことが好ましく、Ｔｇが２００℃以上の封止材であることがさらに好ましい。耐熱性封止材８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。特に好ましくは、脂環式エポキシ樹脂とビスフェノールＡ型エポキシ樹脂とを、１：１〜４：１の質量比で混合したものであってよい。

耐熱性封止材８の硬化剤は、主剤の種類によっても異なるが、キレート含有封止材９において例示した硬化剤を同様に用いることができ、添加量についても、同様に決定することができる。例えば、主剤として、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を用いる場合には、硬化剤としては、酸無水物系硬化剤を、主剤１００質量部に対して、８０〜１２０質量部で用いることが好ましい。

耐熱性封止材８には、無機充填材、硬化促進剤や各種添加剤についても、キレート含有封止材９において例示したものを同様に用いることができる。そして、キレート含有封止材９を構成する硬化剤と、耐熱性封止材を構成する硬化剤とは、同一であっても異なっていてもよい。無機充填材や硬化促進剤、各種添加剤についても、キレート含有封止材９を構成する成分と、同一であっても異なっていてもよい。さらに、耐熱性封止材８には、一般的には金属キレート剤は含まれていないが、微量の金属キレート剤が含まれていてもよい。

耐熱性封止材８による封止態様は、図示する形態には限定されない。例えば、耐熱性封止材８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。また、ケースを備えておらず、耐熱性封止材８などの封止材が外周部分を構成する半導体装置であってもよい。あるいは、金属基板３を備えていない半導体装置や、金属基板３に替えてほかの放熱構造体を備える半導体装置であってもよい。

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と前記導電性接続部材６との接続箇所を、キレート含有封止材９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。

封止する工程は、例えば、ディスペンサーを用いて、半導体素子１上の所定の箇所に、所定の厚みでキレート含有封止材９を適用することができる。適用方法は他の任意の方法、例えばディップなどの方法を用いてもよい。キレート含有封止材９を適用後、キレート含有封止材９を加熱硬化する工程を実施する。この工程は、例えば、１００〜１２０℃で０．５〜１時間、次いで、１５０〜１８０℃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。キレート含有封止材９を加熱硬化した後、あるいはキレート含有封止材９を加熱硬化することなく、耐熱性封止材８をさらに適用し、加熱硬化する工程を実施することが好ましい。

本発明に係る半導体装置は、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場合や、ピン構造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、図示するワイヤに替えて、半導体素子上にリードフレームが接合される。リードフレームの半導体素子への接合には、はんだ等の接合材を用いることができる。そして、キレート含有封止材は、半導体素子とリードフレームとの接合箇所を覆うように、半導体素子上に積層することができる。その厚みについては、図示する実施形態において説明したのと同様とすることができる。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。

次に、ピン構造を備える半導体装置について説明する。ピン構造を備える半導体装置は、積層基板に半導体素子が実装され、半導体素子の積層基板と逆側の電極には、複数のインプラントピンが接合される。インプラントピンには、さらに、半導体素子に対向してプリント基板が固着される。そして、インプラントピンは、一方の端部が封止樹脂から突出して設け、外部接続端子とすることができる。

積層基板は、図示する実施形態と同様に、絶縁基板とその両面にそれぞれ設けられる導電性板から構成される。それらの材料も、図示する実施形態と同様であってよい。本実施形態による導電性板は、厚みの大きいブロック状であることが好ましい。また、本実施形態による半導体素子は、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。インプラントピンは、半導体素子どうし、あるいは半導体素子とプリント基板とを電気的に接続する。インプラントピンは、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。このようなピン構造を備える半導体装置は、本出願人らによる特開2012-191010号公報に開示された構成を備える半導体装置であってよいが、特定の装置構成には限定されない。

ピン構造を備える半導体装置においても、キレート含有封止材を、半導体素子とインプラントピンとの接合箇所を覆う態様で設けることができる。例えば、半導体素子とプリント基板との間に充填される態様であってもよい。その厚みについては、図示する実施形態において説明したのと同様とすることができる。

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。

［実験例］
金属キレート剤を含むキレート含有封止材用の樹脂組成物、及び金属キレート剤を含まない以外は同様の組成とした樹脂組成物について、ガラス転移温度測定及び密着性試験を行った。ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（新日鉄住金株式会社製、商品名「ＹＤ−８２５ＧＳ」）に、硬化剤として、酸無水物系硬化剤をビスフェノールＡ型エポキシ樹脂１００質量部に対して１２０質量部添加した。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。無機充填剤の添加量は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と硬化剤の総質量を１００質量部としたときに、３００質量部となるように調合した。金属キレート剤としては、川研ケミカルのＡＬＣＨ（アルミニウムエチルアセトアセテートジイソプロピレート）を用い、その添加量は、樹脂組成物全体の総質量を１００％としたときに、それぞれ、添加無し、０．１質量％、０．３質量％、０．５質量％、１．０質量％、２．０質量％とした。これらを混合し、未硬化の樹脂組成物を得た。
［ガラス転移温度測定］
各樹脂組成物に対し、ＳＩＩ社製の熱機械分析（ＴＭＡ）装置ＴＭＡ／ＳＳ７１００を用いて、樹脂の温度に対する長さの変化量を測定し、その変曲点をガラス転移温度と定義した。

［密着性試験］
キレート含有封止材の密着力を測定した。密着力測定試験片の形状を図２に示す。10 ｍｍ角の正方形のアルミニウム基板をエタノールで清浄化し、１００℃で１時間乾燥後、アルミニウム基板表面に、所定の寸法を有する専用のプリン型を固定した。プリン型に上記樹脂組成物を注入し、１００℃で１時間、次いで、１８０℃で１時間硬化させ、基板上に接着面積１０ｍｍ^２（φ３．５７ｍｍ）、上面φ３ｍｍ、高さ４ｍｍの硬化物を形成した。この硬化物を固定し、前記硬化物の側面を、押し込み治具で、基板面と平行に１ｍｍ／ｓｅｃで押し込み、最大破壊荷重を測定した。試験は各ｎ５で実施し、単位接合面積当たりの荷重測定値を密着力とした。

結果を表１に示す。表中、密着力は、実験例１の測定値を１とした場合の規格値で表した。また、ガラス転移温度Ｔｇも、実験例１の測定値（℃）を１．０とした場合の規格値で表した。

［実施例］
図１に示す構成を備える試験用半導体デバイスを作製した。キレート含有封止材としては、上記実験例３（アルミキレート添加量０．３％）の組成を持つ樹脂組成物を調製した。耐熱性封止材としては、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（新日鉄住金株式会社製、商品名「ＹＤ−８２５ＧＳ」）と、脂環式エポキシ樹脂（株式会社ダイセル）とを、質量比３：２で混合した主剤に、硬化剤として、酸無水物系硬化剤を主剤１００質量部に対して１２０質量部添加した。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、主剤と硬化剤の総質量を１００質量部としたときに、１００質量部となるように添加した。キレート含有封止材は、半導体素子と金属ワイヤの接続箇所に層厚みを変えて適用し、１５０℃で３０分硬化させた。その後、耐熱性封止材をケースに充填し、１００℃で１時間、次いで、１８０℃で１時間硬化させた。キレート含有封止材の層の厚みと、発泡性、並びにデバイスの信頼性について下記にしたがって評価した。キレート含有封止材の層の厚みは、硬化終了時点で、半導体素子（チップ）の表面からの最大厚みを有する部分を、ノギスおよびレーザー変位計により測定した。

［比較例］
実施例において、キレート含有封止材を用いることなく、全体を耐熱性封止材で封止した以外は、実施例と同様にして試験用半導体デバイスを作製した。

［発泡性評価］
目視および顕微鏡にて、上面及び断面より、硬化後のキレート含有封止材の形成個所を観察し、最大径が0.1ｍｍ以上の泡がある場合を不適、無い場合を良好と判定した。

［信頼性評価］
信頼性の評価として、パワーサイクル試験をおこなった。パワーサイクル試験は、通電により、ジャンクション温度（Ｔｊ）を２秒で急激に上昇させ、Ｔｊｍａｘ１７５℃にし、初期のケース温度Ｔｃ（５５℃）まで１８秒で下降させた。これを１サイクルとして、１００サイクル毎に電気特性を評価した。１０００サイクルまで所定の特性を満たした場合を良好とし、外れた場合を不良とした。また、所定の特性を満たすサイクル数をパワーサイクル耐量とする。その結果、実施例のデバイスのパワーサイクル耐量は、比較例に対していずれも２．３倍以上であった。そして、比較例では信頼性は不良であった。

結果を下記表２に示す。キレート含有封止材層の厚みが０．１ｍｍより薄い領域ではカバレッジが悪く、２ｍｍよりも厚いと発泡が生じた。

反応のメカニズムは定かではないが、各種触媒の入った樹脂に金属キレート剤を接着助剤として添加すると、金属キレート剤が触媒として作用し、樹脂の硬化作用を促進していたと考えられる。そのため、反応速度が急激になり発泡していたと考えられる。また、樹脂の主剤であるビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と脂環式エポキシ樹脂を比べた場合、脂環式エポキシ樹脂の両端の環構造の反応により開環しやすいため、架橋反応はビスフェノールＡ型エポキシ樹脂よりも早い。このことから、金属キレート剤を用いても急速に架橋反応が起こらないビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と金属キレート剤との組み合わせが発泡を生じさせないと考えられる。同様の反応性の観点から、ビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂と金属キレート剤との組み合わせも、金属キレート剤の発泡を生じさせることはないと考えられる。なお、かかる説明は、本発明の理解のための考察に過ぎず、本発明は上記の特定の理論に限定されるものではない。従来、封止材にはシランカップリング剤を添加することで、密着性の向上を図ってきたが、本発明によれば、シランカップリング剤を添加することなくとも、シランカップリング剤よりも優れた密着効果を実現することができた。

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金属ワイヤ
７蓋
８第２封止材（耐熱性封止材）
９第１封止材（キレート含有封止材）
１０接合層

Claims

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てなる半導体装置であって、
少なくとも前記半導体素子と前記導電性接続部材との接続部が第１封止材により封止されており、
前記第１封止材が、熱硬化性樹脂主剤と、硬化剤と、金属キレート剤と、無機充填材とを含んでなり、前記熱硬化性樹脂主剤がビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂からなり、前記金属キレート剤が、前記熱硬化性樹脂主剤と、前記硬化剤と、前記金属キレート剤と、前記無機充填材との総質量を１００％として、０．１〜２質量％添加されており、
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、半導体装置。
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てなる半導体装置であって、
少なくとも前記半導体素子と前記導電性接続部材との接続部が第１封止材により封止されており、
前記第１封止材が、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂及び／またはビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂と、硬化剤と、金属キレート剤と、無機充填材とを含んでなり、
封止材が、前記第１封止材と、前記第１封止材よりもガラス転移温度が高い第２封止材とを含む二層以上であり、
前記第２封止材が、脂環式エポキシ樹脂、また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る、半導体装置。
前記第２封止材が、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、質量比が１：１〜４：１の混合物である、請求項２に記載の半導体装置。
前記第１封止材の厚みが、０．１〜２ｍｍである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記金属キレート剤が、アルミニウムキレート剤である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記金属キレート剤が、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂及び／またはビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂と、硬化剤と、金属キレート剤と、無機充填材との総質量を１００％として、０．１〜２質量％添加されている、請求項５に記載の半導体装置。
前記硬化剤が、酸無水物系硬化剤である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記第１封止材に含まれるエポキシ樹脂がビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂であり、前記金属キレート剤が、アルミニウムエチルアセトアセテートジイソプロピレートであり、前記硬化剤が酸無水物系硬化剤である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
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２に記載の半導体装置。
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１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。