JP7476595B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置に関する。本発明は、特には吸湿性が低減し、信頼性の高い半導体装置に関する。
パワー半導体モジュールは、効率的な電力変換が求められる分野で広く適用されている。例えば、産業機器、電気自動車、家電製品などのパワーエレクトロニクス分野に適用領域が拡大している。これらのパワー半導体モジュールには、スイッチング素子とダイオードが内蔵されており、素子にはＳｉ(シリコン)半導体やＳｉＣ(シリコンカーバード)半導体が用いられている。
パワー半導体モジュールは、半導体素子からなるチップ並びにチップに接続されるリードフレームなどの導電性接続部材を絶縁性の樹脂封止材により封止することにより製造する。樹脂封止材は、熱硬化性樹脂と無機充填材とを主成分として含んでいる。樹脂自体の線膨張係数は、半導体モジュールに使われる金属部材等の線膨張係数よりは大きい。従って、半導体モジュールがヒートサイクルなどを受けると、高い熱応力を生じる。
半導体素子からなるチップ並びにチップ上に接続されるワイヤを含む収納部品の表面に、ポリイミドなどの柔らかい被覆樹脂層を設け、その上にエポキシ樹脂などのかたい封止樹脂を充填した半導体モジュールが知られている（特許文献１を参照）。特許文献１では、柔らかい被覆樹脂と所定の物性の封止樹脂との組み合わせにより、耐湿度サイクル性や耐湿性に富む長寿命のパワー半導体モジュールを提供できることを開示している。
特開2006-32617号公報
しかし、従来のパワー半導体モジュールの封止構造においては、経時的な吸湿による寿命低下（Ｔｊパワーサイクル耐量低下）という問題があった。より具体的には、特許文献１の技術では、吸湿により封止樹脂が劣化し、また、チップ上のリードフレームと被覆樹脂層の間で、界面剥離が生じ、Ｔｊパワーサイクル耐量が低下するという問題があった。
本発明者らは、通常のプライマーのない構造のみならず、特にプライマー層を含む封止構造において、封止構造の少なくとも一部を、水分の取り込みを抑止可能な撥水性材料により被覆することで、吸湿を防止し、封止樹脂の劣化を抑制し、導電性接続部材とプライマー層との界面剥離を抑制することに想到し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、一実施形態によれば、積層基板上に実装された半導体素子と導電性接続部材とを含む被封止部材を封止材にて封止してなる半導体装置であって、前記封止材が、熱硬化性樹脂主剤を含む第１封止層と、フッ素系シランカップリング剤を含む第２封止層とを備え、前記第１封止層が前記被封止部材に積層され、前記第２封止層が前記第１封止層の少なくとも一部を被覆する半導体装置に関する。
前記半導体装置において、前記第２封止層が、フッ素系シランカップリング剤からなることが好ましい。
前記半導体装置において、前記第２封止層が、フッ素系シランカップリング剤を含む熱硬化性樹脂層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封止層が、下地層と、フッ素系シランカップリング剤により表面が被覆された無機粒子とを含み、当該下地層が、フッ素系シランカップリング剤層であるか、またはフッ素系シランカップリング剤を含む熱硬化性樹脂層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封止層が、下地層と、無機粒子層と、フッ素系シランカップリング剤層とが順に積層されてなり、当該下地層が、シランカップリング剤層であるか、またはシランカップリング剤を含む熱硬化性樹脂層であることが好ましい。
前記半導体装置において、前記フッ素系シランカップリング剤が、ＣｎＦ（２ｎ＋１）（ＣＨ２）ｍＳｉ（ＯＲ１）３（式中、ｎは１～１０から選択される整数であり、ｍは１～５から選択される整数であって、Ｒ１はそれぞれ独立して、炭素数１～３の直鎖状アルキル基である）で表される化合物から選択される１以上のフルオロアルキルシランを含むことが好ましい。
前記半導体装置において、前記導電性接続部材が、リードフレーム、アルミワイヤ、ピンから選択されることが好ましい。
前記半導体装置において、前記半導体素子及び前記導電性接続部材を含む被封止部材と、前記封止材との界面に、プライマー層をさらに備え、前記第１封止層が前記プライマー層に接して設けられることが好ましい。
前記半導体装置において、前記プライマー層が、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂またはポリアミドイミド樹脂から選択されることが好ましい。
本発明によれば、吸湿性が低下し、信頼性の高い半導体装置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断面構造を示す概念的な断面図である。 図２は、本発明に係る半導体装置における、第１封止層及び第２封止層の第１態様による積層構造を示す概念的な断面図である。 図３は、本発明に係る半導体装置における、第１封止層及び第２封止層の第２態様による積層構造を示す概念的な断面図である。 図４は、本発明に係る半導体装置における、第１封止層及び第２封止層の第３態様による積層構造を示す概念的な断面図である。 図５は、本発明に係る半導体装置における、第１封止層及び第２封止層の第４態様による積層構造を示す概念的な断面図である。 図６は、第２封止層におけるフッ素系シランカップリング剤の添加量と、水の接触角、並びにガラス転移温度Ｔｇとの関係を示すグラフである。
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、半導体装置に関する。本実施形態による半導体装置は、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半導体装置であって、封止材は、第１封止層と、第２封止層とを備えている。
図１は、本実施形態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を示す。図示するパワーモジュールは、放熱板１３上に半導体素子１１及び積層基板１２を、はんだ接合層１７にて接合した積層構造を有する。放熱板１３には、外部端子１５を内蔵したケース１６が接着されている。半導体素子１１と積層基板１２の電極は、リードフレーム１８で接続され、半導体素子１１と外部端子１５はアルミワイヤ１４にて接続されている。半導体素子１１と積層基板１２、リードフレーム１８、アルミワイヤ１４等の被封止部材上には、プライマー層１９が積層されている。また、ケース１６内部にもプライマー層１９が設けられ、プライマー層１９と接触して第１封止層２０が充填されている。さらに、第１封止層２０と接触して、第２封止層２１が充填されている。
半導体素子１１は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）あるいはダイオードチップ等のパワーチップであり、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。半導体素子の搭載数は、１つであってもよく、複数搭載することもできる。
積層基板１２は、絶縁基板１２２とその一方の主面に形成される第１導電性板１２１と、他方の主面に形成される第２導電性板１２３ａ、ｂとから構成することができる。絶縁基板１２２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１２２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１導電性板１２１、第２導電性板１２３ａ、ｂ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。このようなＣｕ等からなる導電性板のうち、半導体素子と接していない導電性板を、裏面銅箔または裏面導電性板と指称することもある。また、導電性板は、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１２２上に導電性板１２１、１２３ａ、ｂ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。図示する実施形態においては、絶縁基板１２２上に、非連続的に２つの第２導電性板１２３ａ、ｂが設けられ、一方１２３ａが、半導体素子１１と接合される電極、他方１２３ｂがリードフレーム１８と接続される電極となっている。
リードフレーム１８は、半導体素子１１と第２導電性板１２３ｂとを接続する導電性接続部材である。リードフレーム１８は、銅、または銅を含む合金などの金属であってよい。リードフレーム１８の表面にはめっき法などにより、ＮｉまたはＮｉ合金層、あるいはＣｒまたはＣｒ合金層を形成してもよい。この場合、ＮｉまたはＮｉ合金層、あるいはＣｒまたはＣｒ合金層の膜厚は２０μｍ以下程度とすることができる。
放熱板１３としては、熱伝導性に優れた銅やアルミニウムなどの金属が用いられる。また、腐食防止のために、放熱板１３にＮｉおよびＮｉ合金を被覆することもできる。
接合層１７は、鉛フリーはんだを用いて形成することができる。例えば、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｓｂ系、Ｓｎ－Ｓｂ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｓｂ－Ａｇ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系、Ｓｎ－Ａｇ系などを用いることができるが、これらには限定されない。また、ナノ銀粒子の焼結体などの微小金属粒子を含む接続材を用いて接合層を形成することもできる。
ケース１６は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）や、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の熱可塑性樹脂であってよい。
本実施形態において、半導体素子１１、積層基板１２、リードフレーム１８を含む部材を、被封止部材とも指称する。被封止部材上には、プライマー層１９が形成される。プライマー層１９は、ポリアミド、ポリイミド、またはポリアミドイミドを含む樹脂からなる層であってよい。プライマー層１９は、リードフレーム１８やアルミワイヤ１４などの導電性接続部材や積層基板１２（特に導電性板１２３ａ、ｂ）、放熱板１３、ケース１６（内面）と封止材の界面の密着性を向上させ、応力を緩和せることができるため、有利に用いられる場合がある。プライマー層１９の厚みは、密着性を付与し、応力を緩和させることができる厚みであれば特には限定されない。プライマー層１９の厚みは、例えば、１～１５μｍ程度とすることができ、２～１０μｍとすることが好ましい。プライマー層１９は、上記部材の表面全体を被覆するように設けることができる。これらのプライマー層１９は吸湿しやすく、吸湿すると密着性は低下してしまう場合がある。図示はしないが、プライマー層を有さない半導体装置であってもよい。
ケース１６内には、プライマー層１９上に封止材が充填される。封止材は、半導体素子１１、積層基板１２、アルミワイヤ１４、外部端子１５、リードフレーム１８を含む部材を絶縁封止する。したがって、プライマー層１９が存在する場合、プライマー層１９は、半導体素子１１及びリードフレーム１８を含む被封止部材と封止材との界面に設けられるということができる。封止材は、少なくとも第１封止層２０と第２封止層２１とを備えている。図示はしないが、第２封止層の上部にさらに封止層を設けてもよい。
第１封止層２０は、プライマー層１９に接して設けられ、あるいは図示しないプライマー層を有さない半導体装置においては被封止部材に接して設けられ、主として半導体素子１１や積層基板１２、リードフレーム１８などの周囲を被覆する。第１封止層２０表面は、第２封止層２１に少なくとも部分的に覆われている。したがって、第１封止層２０は、封止材の表面を構成する場合もあるし、封止材の表面に露出することなく、すなわち大気などの雰囲気に接することのない態様で設けられる場合もある。第１封止層２０は、熱硬化性樹脂組成物から構成することができ、特には高耐熱性の熱硬化性樹脂組成物から構成することが好ましい。熱硬化性樹脂組成物は、熱硬化性樹脂主剤を含み、任意選択的に、無機充填材、硬化剤、硬化促進剤、及び必要な添加剤を含んでいてもよい。第１封止層２０を構成する熱硬化性樹脂組成物には、フッ素系シランカップリング剤は含まれていてもよく、含まれていなくてもよいが、含まれていないことが好ましい。第１封止層のガラス転移温度（Ｔｇ）を低下させる場合があるためである。
熱硬化性樹脂主剤としては、特に限定されず、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂等をあげることができる。中でも、１分子中に少なくとも２個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂が、寸法安定性や耐水性・耐薬品性および電気絶縁性が高いことから、特に好ましい。具体的には、脂肪族エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂またはこれらの混合物を用いることが好ましい。
脂肪族エポキシ樹脂とは、エポキシ基が直接結合する炭素が、脂肪族炭化水素を構成する炭素であるエポキシ化合物をいうものとする。したがって、主骨格に芳香環が含まれている化合物であっても、上記条件をみたすものは、脂肪族エポキシ樹脂に分類される。脂肪族エポキシ樹脂としては、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、ビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、３官能以上の多官能型エポキシ樹脂等が挙げられるが、これらには限定されない。これらを単独で、または二種類以上混合して使用することができる。また、ナフタレン型エポキシ樹脂や３官能以上の多官能型エポキシ樹脂はガラス転移点温度が高いため、高耐熱性エポキシ樹脂とも指称する。これらの高耐熱性エポキシ樹脂を含むことで耐熱性を向上させることができる。
脂環式エポキシ樹脂とは、エポキシ基を構成する２つの炭素原子が、脂環式化合物を構成するエポキシ化合物をいうものとする。脂環式エポキシ樹脂としては、単官能型エポキシ樹脂、２官能型エポキシ樹脂、３官能以上の多官能型エポキシ樹脂等が挙げられるが、これらには限定されない。脂環式エポキシ樹脂も、単独で、または異なる二種以上の脂環式エポキシ樹脂を混合して用いることができる。なお、脂環式族エポキシ樹脂を酸無水物硬化剤と混合して硬化すると、ガラス転移温度が高くなるため、脂肪族エポキシ樹脂に脂環式族エポキシ樹脂を混合して用いると高耐熱化を図ることができる。
本実施形態による組成物に用いる熱硬化性樹脂主剤は、上記の脂肪族エポキシ樹脂と脂環式エポキシ樹脂とを混合したものであってもよい。混合する場合の混合比は任意であってよく、脂肪族エポキシ樹脂と脂環式エポキシ樹脂との質量比が、２：８～８：２程度であって良いが、３：７～７：３程度であってもよく、特定の質量比には限定されない。好ましくは、熱硬化性樹脂主剤は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と脂環式エポキシ樹脂との質量比が、１：１～１：４である。
本実施形態による熱硬化性樹脂組成物には、任意選択的な成分として無機充填材を含んでもよい。無機充填材は、金属酸化物もしくは金属窒化物であってよく、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任意選択的に含まれ得る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。
熱硬化性樹脂組成物には、任意選択的な成分として、熱硬化性樹脂主剤に加えて、あるいは熱硬化性樹脂主剤及び無機充填材に加えて硬化剤を含んでもよい。硬化剤としては、熱硬化性樹脂主剤、好ましくはエポキシ樹脂主剤と反応し、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、エポキシ樹脂主剤１００質量部に対し、５０質量部以上であって１７０質量部以下程度とすることが好ましく、８０質量部以上であって１５０質量部以下程度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。なお、熱硬化性樹脂主剤として、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を単独で、またはビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と先に例示した高耐熱性エポキシ樹脂との混合物を用いる場合は、硬化剤を用いない方が、耐熱性が向上するため好ましい場合がある。高耐熱性エポキシ樹脂の配合比は、例えば、熱硬化性樹脂主剤の総質量を１００％とした場合に、１０質量％以上であって５０質量％以下であってよく、より好ましくは１０％以上であって２５質量％以下である。この範囲であれば、耐熱性も向上し、また増粘することもないため好ましい。
熱硬化性樹脂組成物には、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、エポキシ樹脂主剤１００質量部に対して、０．０１質量部以上であって５０質量部以下とすることが好ましく、０．１質量部以上であって２０質量部以下とすることがより好ましい。
熱硬化性樹脂組成物は、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。上述のような熱硬化性樹脂組成物から構成される第１封止層２０も吸湿し、極少量の未硬化成分と反応し劣化する場合がある。従って、後述する第２封止層２１による撥水効果によって防水されることにより、第１封止層２０の樹脂の劣化を抑制することができる。また、プライマー層１９を備える場合、プライマー層１９は第１封止層２０の樹脂より吸湿性が高く、その結果密着性が低下してしまう場合がある。従って、本発明はプライマー層１９を有する構造においてより高い効果を示す。
第２封止層２１は、第１封止層２０の表面を少なくとも部分的に被覆する態様で設けられる。第２封止層２１は半導体装置内部、特にはプライマー層１９近傍への水分の侵入を防止する層であって、撥水層とも指称することができる。第２封止層２１は、少なくともフッ素系シランカップリング剤を含み、任意選択的に、熱硬化性樹脂主剤、硬化剤、無機充填材、及び添加剤を含んでいてもよい。第２封止層２１は、第１封止層２０の表面のうち、少なくとも積層基板１２の上方にある表面を被覆することが好ましい。積層基板１２の上方とは、半導体装置を、積層基板１２の半導体素子１１載置面側から平面視した場合に、積層基板１２と重なる位置に存在する第１封止層２０をいうものとする。図示するように、第２封止層２１が、第１封止層２０の全面を被覆する形態であってもよい。また、プライマー層１９を備える半導体装置においては、第２封止層２１は、第１封止層２０の表面のうち、プライマー層１９が設けられている箇所の上方にある表面を被覆することが好ましい。上方の定義は先と同様である。
フッ素系シランカップリング剤は、分子内にＳｉ原子に直接結合したアルコキシ基と、Ｓｉ原子に直接結合したアルキル基を有する化合物であって、アルキル基を形成する水素原子の少なくとも一部がフッ素原子で置換されている化合物である。より具体的には、フッ素系シランカップリング剤は、ＣｎＦ（２ｎ＋１）（ＣＨ２）ｍＳｉ（ＯＲ１）３（式中、ｎは１～１０から選択される整数であり、ｍは１～５から選択される整数であって、Ｒ１はそれぞれ独立して、炭素数１～３の直鎖状アルキル基である）で表される化合物であってよい。中でも、ｍは、２であり、フッ素系シランカップリング剤がＳｉ原子に直接結合したエチレン基を有することが好ましい。つまり、フッ素系シランカップリング剤は一方の末端にアルコキシ基を有し、もう一方はフルオロカーボン基を有している。
したがって、フッ素系シランカップリング剤は、Ｃ１Ｆ３（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、Ｃ２Ｆ５（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、Ｃ３Ｆ７（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、Ｃ４Ｆ９（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、Ｃ５Ｆ１１（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、Ｃ６Ｆ１３（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、Ｃ７Ｆ１５（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、Ｃ８Ｆ１７（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、Ｃ９Ｆ１９（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、Ｃ１０Ｆ２１（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、Ｃ１Ｆ３（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３、Ｃ２Ｆ５（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３、Ｃ３Ｆ７（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３、Ｃ４Ｆ９（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３、Ｃ５Ｆ１１（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３、Ｃ６Ｆ１３（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３、Ｃ７Ｆ１５（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３、Ｃ８Ｆ１７（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３、Ｃ９Ｆ１９（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３、Ｃ１０Ｆ２１（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３、Ｃ１Ｆ３（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ３Ｈ７）３、Ｃ２Ｆ５（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ３Ｈ７）３、Ｃ３Ｆ７（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ３Ｈ７）３、Ｃ４Ｆ９（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ３Ｈ７）３、Ｃ５Ｆ１１（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ３Ｈ７）３、Ｃ６Ｆ１３（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ３Ｈ７）３、Ｃ７Ｆ１５（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ３Ｈ７）３、Ｃ８Ｆ１７（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ３Ｈ７）３、Ｃ９Ｆ１９（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ３Ｈ７）３、Ｃ１０Ｆ２１（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ３Ｈ７）３であってよい。なお、ＣｎＦ（２ｎ＋１）で表される基は、ｎが３以上の場合は、直鎖状であっても分岐状であってもよい。また、列挙した化合物のいずれにおいても、（ＣＨ２）２基に代えて、ＣＨ２基、（ＣＨ２）３基、、（ＣＨ２）４基、、（ＣＨ２）５基を備えるものであってもよい。この場合の、（ＣＨ２）３基、（ＣＨ２）４基、（ＣＨ２）５基は、直鎖状であっても分岐状であってもよい。
フッ素系シランカップリング剤は、より好ましくは、フッ素原子を１７個有するシランカップリング剤であるＣ８Ｆ１７（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３［トリエトキシ－１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ－ヘプタデカフルオロデシルシラン（別名：トリエトキシ－１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ－ペルフルオロデシルシラン）］、フッ素原子を１３個有するシランカップリング剤であるＣ６Ｆ１３（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３［トリエトキシ－１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ－トリデカフルオロ－ｎ－オクチルシラン（別名：トリエトキシ－１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ－ペルフルオロ－ｎ－オクチルシラン）］、フッ素原子を９個有するシランカップリング剤であるＣＦ３（ＣＦ２）３（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３［トリエトキシ（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ－ノナフルオロヘキシル）シラン（別名：トリエトキシ（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ－ペルフルオロヘキシル）シラン）］であってよいが、これらには限定されない。なお、これらの化合物のエトキシ基をメトキシ基で置換した化合物も同様に用いることができる。
第２封止層２１には、少なくとも１種のフッ素系シランカップリング剤を含んでいればよく、２種以上のフッ素系シランカップリング剤の混合物を含んでいてもよい。その場合の混合比は特には限定されず、任意であってよい。
第２封止層２１は、種々の態様が可能である。以下に、第２封止層２１の第１態様から第４態様を、図面を参照してさらに説明する。
図２は、第２封止層の第１態様を説明する図であって、第１封止層と第２封止層との積層部分を概念的に示す断面図である。図２を参照すると、第１封止層２０上に単一の層からなる第２封止層２１ａが設けられている。第１態様による第２封止層２１ａは、フッ素系シランカップリング剤からなる層である。第２封止層２１ａは、１～２０μｍの厚さで、第１封止層２０上に略均一に設けられることが好ましく、２～１０μｍとすることがさらに好ましい。前記範囲にすることにより、フッ素系シランカップリング剤が第１封止層に均一に配置され、十分な撥水性の機能を有し、また、耐久性も満足することができる。なお、第２封止層等の膜厚は、第２封止層の形成部と非形成部とを段差計で測定することにより求めることができる。また、光干渉計によっても求めることができる。
第１態様による第２封止層２１ａの形成は、第１封止層２０を１００～１２０℃で１～２時間にわたって仮硬化し、１７５～１８５℃程度で１～２時間にわたって本硬化した後、例えば、スプレーやディスペンサーを用いて、フッ素系シランカップリング剤を塗布することにより行うことができる。塗布後の加熱は、１００℃から１５０℃の温度で、１０分から６０分程度行うことができ、これによりフッ素系シランカップリング剤からなる第２封止層２１ａが、第１封止層２０に固定される。
第１態様による第２封止層２１ａは、フッ素系シランカップリング剤を単独で用いるため、第１封止層２０上への付着量が多く、撥水効果が大きいという利点がある。第１態様による第２封止層２１ａのフッ素系シランカップリング剤の炭化水素基は、第１封止層２０のエポキシ樹脂等と結合し、第２封止層２１ａの表面にはフルオロカーボンが露出する。このことにより、密着性が良く、撥水性の高い第２封止層を形成することができる。
図３は、第２封止層の第２態様を説明する図であって、第１封止層２０と第２封止層２１ｂとの積層部分を概念的に示す断面図である。図３を参照すると、第１封止層２０上に単一の層からなる第２封止層２１ｂが設けられている。第２態様による第２封止層２１ｂは、熱硬化性樹脂主剤とフッ素系シランカップリング剤とを含み、任意選択的に硬化剤、硬化促進剤、無機充填材を含んでもよい組成物からなる層である。熱硬化性樹脂主剤、並びに硬化剤、硬化促進剤、無機充填材は、先の第１封止層２０の熱硬化性樹脂主剤として挙げた化合物の中から適宜選択することができる。好ましくは、第１封止層２０に含まれる熱硬化性樹脂主剤と同一の熱硬化性樹脂主剤を用いることができる。また、第１封止層が、硬化剤、硬化促進剤などを含む場合には、第２封止層２１ｂにも、第１封止層２０に用いたのと同一の硬化剤、硬化促進剤などを、主剤に対して同じ割合で含むことができる。好ましくは、熱硬化性樹脂主剤は、熱硬化性樹脂主剤は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と脂環式エポキシ樹脂との質量比が、１：１～１：４であり、硬化剤は酸無水物系硬化剤である。
フッ素系シランカップリング剤は、熱硬化性樹脂主剤１００質量部に対し、１～１０質量部となるように混合することが好ましく、４～７質量部となるように混合することがさらに好ましい。フッ素系シランカップリング剤による撥水による効果と、第２封止層２１ｂのガラス転移温度を所定の好ましい範囲、例えば、１９０℃以上に保つ効果とを両立するためである。上記範囲より少ないと撥水性が損なわれ、多すぎるとガラス転移温度が低下してしまう場合がある。フッ素系シランカップリング剤は主剤であるエポキシ樹脂等中に分散し、第２封止層２１ｂの表面には、フッ素系シランカップリング剤のフルオロカーボン部が露出し、撥水性を生じる。第２封止層２１ｂは、１～５０μｍの厚さで、第１封止層２０上に略均一に設けることが好ましく、５～２０μｍとすることがさらに好ましい。上記範囲より薄いと撥水性が損なわれ、厚いと熱応力により割れなどが生じやすくなる場合がある。
第２態様による第２封止層２１ｂは、第１封止層２０を１００～１２０℃で１～２時間にわたって仮硬化する。その後、第２封止層２１ｂを設け、１００～１２０℃程度で１～２時間にわたって仮硬化し、１７５～１８５℃程度で１～２時間にわたって本硬化することができる。
第２態様による第２封止層２１ｂは、膜厚、膜質が均一で、第２封止層２１ｂの第１封止層２０への密着性が高い点で有利である。
図４は、第２封止層の第３態様を説明する図であって、第１封止層と第２封止層との積層部分を概念的に示す断面図である。図４を参照すると、第１封止層２０上に、第２封止層２１ｃが設けられている。第２封止層２１ｃはさらに、下地層２１１ｃとフッ素系シランカップリング剤２１３ｃで被覆された無機粒子２１２ｃの層とを含んでなる
下地層２１１ｃは第１封止層２０に接して設けられる層であって、フッ素系シランカップリング剤からなる層であってもよい。あるいは、下地層２１１ｃは熱硬化性樹脂主剤とフッ素系シランカップリング剤とを含み、任意選択的に硬化剤、硬化促進剤、無機充填材を含んでもよい組成物からなる層であってもよい。すなわち、本態様による下地層２１１ｃは、第１態様による第２封止層２１ａ、または第２態様による第２封止層２１ｂと同じ組成であってよい。
フッ素系シランカップリング剤２１３ｃで被覆された無機粒子２１２ｃからなる層は、表面がフッ素系シランカップリング剤２１３ｃで被覆された無機粒子２１２ｃから構成される。無機粒子２１２ｃは、第１封止層２０を構成する無機充填材と同一の選択肢の中から選択することができ、好ましくは、ＳｉＯ２である。無機粒子２１２ｃは、平均粒子径が２０～４５μｍ程度のものを用いることが好ましい。この範囲の粒子径とすることで、均一に分散することができ、粒子が脱離することなく密着性も満足することができる。無機粒子２１２ｃに対するフッ素系シランカップリング剤２１３ｃの被覆量は、Yoshioka, H. (1985). J. adhes. Soc. Jpn., 21, 252に記載の以下の式から求められる単分子層被覆量Ｘの２～５倍程度とすることができる。
Ｘ＝（Ｓ×Ｍ）／（Ａ×６．０２×１０２３）
ここで、Ｓは無機粒子の比表面積であり、Ｍはフッ素系シランカップリング剤２１３ｃの分子量であり、Ａはフッ素系シランカップリング剤２１３ｃ一分子の専有面積である。シランカップリング剤の専有面積は、Ｓｉ－Ｏ結合を半径とする円の面積とすることができ、Ａ＝０．１３ｎｍ２とすることができる。
本態様においては、下地層２１１ｃを２～３０μｍの厚さで、第１封止層２０上に略均一に設けることが好ましく、７～２０μｍとすることがさらに好ましい。前記範囲より薄いと、厚さが不均一となり、フッ素系シランカップリング剤２１３ｃで被覆された無機粒子２１２ｃの層の密着性が低下する場合がある。また、厚いと割れなどが生じてしまう。また、フッ素系シランカップリング剤２１３ｃで被覆された無機粒子２１２ｃ層は、２０～４５μｍの厚さで、下地層２１１ｃ上に略均一に設けることが好ましく、２５～４０μｍとすることがさらに好ましい。前記範囲より薄いと、撥水性は不十分であり、厚いと割れなどが生じてしまう。下地層２１１ｃとフッ素系シランカップリング剤２１３ｃで被覆された無機粒子２１２ｃ層との合計の厚みを、２２～７５μｍとすることが好ましく、３０～４５μｍとすることがさらに好ましい。この範囲にすることで、撥水性を持続することができる。なお、下地層中のフッ素系シランカップリング剤の炭化水素基は第１封止樹脂のエポキシ樹脂と結合し、下地層の表面には、フッ素系シランカップリング剤のフルオロカーボン部が露出する。そして、無機粒子２１２ｃを覆うフッ素系シランカップリング剤２１３ｃのフルオロカーボン部は下地層と結合するとともに、第２封止層の表面に露出する。
第３態様による第２封止層２１ｃの製造においては、予めフッ素系シランカップリング剤２１３ｃで被覆された無機粒子２１２ｃを調製する。調製は、フッ素系シランカップリング剤に無機粒子を分散させたのち、１００～１４０℃で１０～２０分程度加熱することにより実施することができる。第３態様において下地層２１１ｃがフッ素系シランカップリング剤からなる場合には、第１封止層２０を第１態様と同様の条件で本硬化させた後に、第１封止層２０上に下地層２１１ｃを形成し、任意選択的に１００～１２０℃で１０～２０分仮硬化することができる。下地層２１１ｃを仮硬化の状態とすることで、下地層２１１ｃに積層される上層との密着性を向上することができるため好ましい。しかし、下地層２１１ｃの仮硬化の工程を行わない場合もある。仮硬化の工程を行わない場合は、１００～１５０℃で、１０～６０分にわたって硬化することが好ましい。その後、下地層２１１ｃにフッ素系シランカップリング剤２１３ｃで被覆された無機粒子２１２ｃを配置して、１００℃～１５０℃で、１０分～６０分加熱することで、第２封止層２１ｃを形成することができる。
第３態様において、下地層２１１ｃが熱硬化性樹脂主剤とフッ素系シランカップリング剤とを含む場合には、第１封止層２０を１００～１２０℃で１～２時間にわたって仮硬化する。その後、第２封止層２１ｃの下地層２１１ｃを設け、１００～１２０℃程度で１～２時間仮硬化し、さらに１７５～１８５℃で１～２時間にわたって本硬化する。下地層２１１ｃの本硬化後、下地層２１１ｃにフッ素系シランカップリング剤２１３ｃで被覆された無機粒子２１２ｃを配置して、１００℃～１５０℃で、１０分～６０分加熱することで、第２封止層２１ｃを形成することができる。
第３態様による第２封止層２１ｃは、撥水層として機能する第２封止層の耐久性が高く、また、第２封止層に無機粒子を含むことで表面積が大きくなり、フルオロカーボンを多く配置することができ、また、第２封止層の膜厚の制御がしやすい点で有利である。
図５は、第２封止層の第４態様を説明する図であって、第１封止層と第２封止層との積層部分を概念的に示す断面図である。図５を参照すると、第１封止層２０上に、下地層２１１ｄと、無機粒子２１２ｄ層と、フッ素系シランカップリング剤２１３ｄの層とをこの順に含んでなる第２封止層２１ｄが設けられている。
本態様による下地層２１１ｄは、シランカップリング剤からなる層、または熱硬化性樹脂主剤とシランカップリング剤とを含み、任意選択的に硬化剤、硬化促進剤、無機充填材を含んでもよい組成物からなる層である。すなわち、本態様による下地層２１１ｄは、第３態様による下地層２１１ｃに含まれるフッ素系シランカップリング剤を、フッ素系に限定されない任意のシランカップリング剤に置換したものを用いることができる。任意のシランカップリング剤としては、非フッ化系シランカップリング剤を用いることが好ましい。非フッ化系シランカップリング剤は、分子内にＳｉ原子に直接結合したアルコキシ基と、Ｓｉ原子に直接結合したビニル基、エポキシ基、アミノ基などの反応性の官能基を有する化合物が好ましい。これらのシランカップリング剤を下地層２１１ｃとすると、シランカップリング剤は第１封止層２０を構成するエポキシ樹脂や無機充填材と、第２封止層の無機粒子２１２ｄとを結合して、第１封止層２０と第２封止層２１ｄの密着性を向上させることができるためである。
無機粒子２１２ｄ層は、無機粒子２１２ｄからなる層である。無機粒子２１２ｄは、第１封止層２０を構成する無機充填材と同一の選択肢の中から選択することができ、好ましくは、ＳｉＯ２である。無機粒子２１２ｄは、平均粒子径が２０～４５μｍ程度のものを用いることが好ましい。この範囲の粒子径とすることで、均一に分散することができ、粒子が脱離することなく密着性も満足することができる。本態様における無機粒子２１２ｄは、１つ１つの粒子が個別にシランカップリング剤で被覆されていないものであることが好ましいが、シランカップリング剤で被覆されているものであってもよい。
フッ素系シランカップリング剤２１３ｄ層は、第１態様による第２封止層２１ａと同様の構成であってよい。
本態様においては、下地層２１１ｄを５～３０μｍの厚さで、第１封止層２０上に略均一に設けることが好ましく、７～２０μｍとすることがさらに好ましい。前記範囲より薄いと、厚さが不均一となり、フッ素系シランカップリング剤２１３ｄで被覆された無機粒子２１２ｄの層の密着性が低下する場合があり、厚いと割れなどが生じてしまう場合がある。また、無機粒子２１２ｄ層は、無機粒子の平均粒子径に応じて２０～４５μｍの厚さで、下地層２１１ｄ上に略均一に設けることが好ましく、２５～４０μｍとすることがさらに好ましい。前記範囲より薄いと、撥水性が不十分であり、厚いと割れなどが生じてしまう場合がある。下地層２１１ｄと無機粒子２１２ｄ層とフッ素系シランカップリング剤２１３ｄ層との合計の厚みを、２５～７５μｍとすることが好ましく、４０～５０μｍとすることがさらに好ましい。この範囲にすることで、撥水性を持続することができる。
第４態様において下地層２１１ｄがシランカップリング剤からなる場合には、第１封止層２０を第１態様と同様の条件で本硬化させた後に、第１封止層２０上に下地層２１１ｄを形成し、任意選択的に１００～１２０℃で１０～２０分にわたって仮硬化することができる。下地層２１１ｄを仮硬化の状態とすることで、下地層２１１ｄに積層される上層との密着性を向上することができるため好ましい。しかし、仮硬化の工程を行わない場合もある。仮硬化の工程を行わない場合は、１００～１５０℃で、１０～６０分にわたって硬化することが好ましい。その後、下地層２１１ｄに無機粒子２１２ｄを配置し、さらにフッ素系シランカップリング剤２１３ｄを積層して、１００℃～１５０℃で、１０分～６０分加熱することで、第２封止層２１ｄを形成することができる。
第４態様において下地層２１１ｄが熱硬化性樹脂主剤とシランカップリング剤とを含む場合には、第１封止層２０を１００～１２０℃で１～２時間仮硬化する。その後、下地層２１１ｄを設け、１００～１２０℃程度で１～２時間にわたって仮硬化し、さらに１７５～１８５℃で１～２時間にわたって本硬化する。下地層２１１ｄの本硬化後、下地層２１１ｄに無機粒子２１２ｄを配置し、さらにフッ素系シランカップリング剤２１３ｄを積層して、１００℃～１５０℃で、１０分～６０分加熱することで、第２封止層２１ｄを形成することができる。
本態様においては、無機粒子２１２ｄは下地層２１１ｄのシランカップリング剤と結合して保持され、フッ素系シランカップリング剤２１３ｄは無機粒子２１２ｄと結合し、第１封止層２０を覆う。従って、第４態様による第２封止層２１ｄは、第３態様と同様の利点を備え、さらに、フッ素系シランカップリング剤はより強固に第１封止層２０の表面に固定されるので撥水層として高い耐久性を有るといった点で有利である。
第２封止層２１は、上記の第１から第４態様のいずれとしても、撥水層として機能し、第１封止層２０と剥離することなく、吸湿を防止することができる。
なお、本実施形態においては、第１封止層２０に接して第２封止層２１が設けられ、封止材が第１封止層と第２封止層からなる構造を例示したが、本発明は、二層構造の封止材には限定されない。第２封止層が第１封止層の少なくとも一部を被覆し、撥水層として機能すればよい。したがって、上記の第１から第４態様のいずれにおいても、上記において説明した第１封止層と、第２封止層との間に別の組成を有する別の層を設けてもよく、第２封止層にさらに別の層を被覆することもできる。
上記態様の半導体モジュールの製造について説明する。放熱板１３、積層基板１２、及びに半導体素子１１を接合し、放熱板１３にケース１６を取り付けた後、リードフレーム１８の接合、並びにアルミワイヤ１４にてワイヤボンディングを行う。次いで、プライマー層１９を形成する。プライマー層１９は、半導体素子１１、積層基板１２、リードフレーム１８、アルミワイヤ１４及びケース１６に、例えばスプレー塗布等により設けることができる。プライマー層１９の形成後は、窒素ガスを導入したイナートオーブン中で、７０～９０℃で、６０～８０分程度加熱し、さらに２００～２２０℃で、６０～８０分加熱することが好ましい。この加熱操作により、Ｃｕ表面の酸化を抑制してリードフレーム１８を構成するＣｕを加熱し、プライマー層１９とＣｕとの反応が促進し、プライマー層１９とリードフレーム１８との密着性を向上することができる。なお、本発明の半導体モジュールは、プライマー層を設けない半導体モジュールであってもよく、その場合はスプレー塗布及びイナートオーブン中での加熱操作を省略することができる。次いで、ケース１６内に、第１封止層２０を構成する熱硬化性樹脂組成物を注入し、加熱硬化する。加熱硬化の工程は、例えば、二段階硬化とすることができ、熱硬化性樹脂主剤としてエポキシ樹脂を用いる場合には、１００～１２０℃で１～２時間加熱して半硬化状態とする。その後、さらに、１７５～１８５℃で１～２時間にわたり実施することができる。しかし、特定の温度、時間には限定されず、二段階硬化とする必要がない場合もある。なお、第２封止層２１の態様により、第１封止層２０を完全に硬化した後に、第２封止層２１を形成する場合もあるし、第１封止層２０を仮硬化した状態で第２封止層２１を形成する場合もある。詳細は、第１態様から第４態様による第２封止層の製造方法において説明したとおりである。また、リードフレームや積層基板の導電性板にあらかじめプライマー層を上記と同様に塗布及びその後の加熱により形成しておき、プライマー層が形成された部材を組み立てることもできる。
なお、図示した半導体モジュールの構成は、一例であって、本発明は当該構成に限定されるものではない。例えば、任意の導電性接続部材を用いてもよく、インプラントピンを用いることもできる。また、導電性接続部材が、リードフレームのみ、あるいはワイヤのみの構成もありうる。導電性接続部材としてインプラントピンを備えるモジュールにおいては、インプラントピン表面にプライマー層を形成することができ、導電性接続部材がワイヤのみの構成のモジュールにおいては、ワイヤ表面にプライマー層を形成することができるが、いずれの構成においてもプライマー層を形成しない場合もある。さらに、ケースを備えておらず、その外形が成型された封止材から構成される半導体モジュールであってもよい。この場合も、フッ素系シランカップリング剤を含む第２封止層が第１封止層の少なくとも一部を被覆し、第１態様から第４態様のいずれかの態様にて設けられていることが好ましい。またある実施形態においては、露出する封止材の表面に第２封止層が設けられていてもよい。積層基板に放熱板が直接に接していない態様であってもよい。
ケースレスの半導体モジュールの構造としては、図示はしないが、例えば図１のアルミワイヤに替えて、インプラントピンと、インプラントピンに接合されたプリント基板を含み、これらを含む部材が封止材により封止された構造が挙げられる。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などの導電層が形成されているものを用いることができる。インプラントピンとしては、銅を用いた銅ピンを用いることができる。プリント基板の導電層も、インプラントピンも、ＣｕやＡｌに、防錆などの目的でＮｉめっきなどの処理を施したものであってもよい。このプリント基板とインプラントピンは、半導体素子どうし、もしくは、半導体素子と積層基板の間を電気的に接続する。インプラントピンと積層基板もしくは半導体素子とは、はんだ接合層により接合することができる。また、積層基板上からインプラントピンを封止材の外部にまで引き出すことにより、インプラントピンを外部接続端子とすることができる。かかる態様の半導体モジュールの製造は、積層基板、半導体素子、インプラントピン、並びにプリント基板を含む被封止部材を組み立て、任意選択的にインプラントピン表面にスプレー塗布等の方法によりプライマー層を形成した後、被封止部材を適切な金型に載置し、第１封止材を金型に充填して加熱硬化する。このような封止体の成形法としては、真空注型、トランスファー成形、液状トランスファー成形が挙げられるが、所定の成形法には限定されない。次いで、第１態様から第４態様のいずれかの態様にて第２封止層を形成することができる。
本実施形態によれば、封止材内部への水分の取り込みを抑制した、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。被封止材と第１封止層との間にプライマー層を備える半導体装置においては、プライマー層と封止材との界面剥離の発生を低減させることができる。
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。
（１）半導体装置の製造
図１に示すパワーモジュールを製造した。プライマー層は、主成分がポリアミドであるハイマルＨＬ１２００Ｆ（日立化成）を、１０μｍの膜厚で、半導体素子、リードフレーム、積層基板、ケース、アルミワイヤ上に形成した。第１封止層は、熱硬化性樹脂と硬化剤と無機充填材を含む熱硬化性樹脂化合物を加熱硬化させて製造した。熱硬化性樹脂主剤としては、ビスフェノールＡ型エポキシと脂環式エポキシの質量比３：２の混合物ＭＥ２７６（ペルノックス製）を用い、酸無水物系硬化剤として、ＨＶ－１３８（ペルノックス製）をエポキシ樹脂の主剤に対して質量比で、１：１で添加した。無機充填材は、平均粒子径が４０μｍのシリカ（ＡＧＣ製）を、エポキシ樹脂の主剤と硬化剤と無機充填材の総質量を１００％とした場合に、７３質量％となるように添加した。
実施例１では、第２封止層は、本発明の第２態様により製造した。第２封止層を構成する熱硬化性樹脂主剤、硬化剤とその添加量は、第１封止層と同様とし、フッ素系シランカップリング剤としては、ＣＦ３（ＣＦ２）３（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３（製品名：Ｔ－２８６０（東京化成製））を用いた。フッ素系シランカップリング剤は、第２封止層を構成する樹脂組成物の総質量を１００％としたときに、４質量％となるように添加した。製造後の膜厚は表１に示す。
実施例２では、第２封止層は、本発明の第３態様により製造した。下地層は、ＣＦ３（ＣＦ２）３（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３（製品名：Ｔ－２８６０（東京化成製））を用いた。フッ素系シランカップリング剤で被覆された無機粒子の層としては、平均粒子径が４０μｍのシリカを、実施例１と同じフッ素系シランカップリング剤中に分散することにより１２０℃で１０分加熱し、フッ素系シランカップリング剤で被覆された無機充填材を調製した。フッ素系シランカップリング剤は、シリカに対して１質量％とした。シリカ（無機充填材）に対してフッ素系シランカップリング剤を１質量％から５質量％添加することで、シリカを均一に被覆することができた。下地層にフッ素系シランカップリング剤で被覆された無機粒子の層を形成した後、１５０℃で、１５分加熱して、第２封止層を形成した。製造後の膜厚は表１に示す。
実施例３では、第２封止層は、本発明の第４態様により製造した。下地層は、３－グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（ＫＢＭ－４０３（信越シリコーン製））を用い、下地層の形成後、１５０℃で、１５分加熱した。無機粒子２１２ｄ層は平均粒子径が４０μｍのシリカを、下地層の上に、積層し、次いで、フッ素系シランカップリング剤層として、実施例１と同じフッ素系シランカップリング剤を積層した。フッ素系シランカップリング剤はシリカに対して３質量％とした。シリカ（無機充填材）に対してフッ素系シランカップリング剤を１質量％から１０質量％塗布することで、シリカ層（無機粒子層）の表面を覆うことができた。その後、１５０℃で、１５分加熱して、第２封止層を形成した。製造後の膜厚は表１に示す。
比較例では、第２封止層を形成しなかったこと以外は、実施例と同様にしてパワーモジュールを製造した。
（２）パワーサイクル試験
上記（１）で製造したパワーモジュールを、４０℃から１７５℃で、運転２秒、休止９秒の条件を１サイクルとして、パワーサイクル試験を行った。判定は、１００Ｋサイクルを超えても電気特性に異常を生じない場合をパワーサイクル耐量「〇」、１００Ｋサイクルに達する前に断線や異常電流など電気特性に異常を生じた場合をパワーサイクル耐量「×」とした。
結果を表１に示す。
表１から、本発明の第３態様の第２封止層の膜厚は１０μｍから５０μｍにおいて、パワーサイクル耐量を満足し、封止樹脂または封止層とリードフレームの界面における割れや剥離などは生じなかった。本発明によって防水され信頼性を向上することができた。
（３）フッ素系シランカップリング剤の添加量
第２封止層を、本発明の第２態様にて形成する場合のフッ素系シランカップリング剤の添加量について検討した。熱硬化性樹脂主剤、硬化剤、フッ素系シランカップリング剤はいずれも上記実施例１と同様のものを用い、第２封止層を構成する熱硬化性樹脂組成物を調製した。熱硬化性樹脂組成物の質量を１００％とした場合の、フッ素系シランカップリング剤の添加量（含有量）を、１、３、４、６、８質量％と変化させ、硬化させて第２封止層を形成した。第２封止層表面の水に対する接触角を、接触角計を用いて測定した。また、第２封止層のガラス転移温度（Ｔｇ）を、ＴＭＡ（熱機械分析）を用いて測定した。結果を図２に示す。図２より、フッ素系シランカップリング剤の添加量が増加すると、水に対する接触角は増大し、撥水性は向上したものの、Ｔｇは低下することがわかった。所望の撥水性、Ｔｇは半導体装置の仕様によって異なるが、例えば、水の接触角が９０°以上、Ｔｇが１９０℃以上を好ましい仕様とする場合であって、フッ素系シランカップリング剤として、ＣＦ３（ＣＦ２）３（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３を用いた場合には、フッ素系シランカップリング剤の添加量は、４～６質量％程度が好ましいことが確認された。
１１ 半導体素子、１２ 積層基板、１２１ 導電性板、１２２ 絶縁基板
１２３ａ、ｂ 導電性板、１３ 放熱板、１４ アルミワイヤ、１５ 外部端子
１６ ケース、１７ はんだ接合層、１８ リードフレーム
１９ プライマー層、２０ 第１封止層、
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ 第２封止層
２１１ｃ、２１１ｄ 下地層、２１２ｃ、２１２ｄ 無機粒子
２１３ｃ、２１３ｄ フッ素系シランカップリング剤

Claims (8)

  1. 積層基板上に実装された半導体素子と導電性接続部材とを含む被封止部材を封止材にて封止してなる半導体装置であって、
    前記封止材が、
    熱硬化性樹脂主剤を含む第１封止層と、
    フッ素系シランカップリング剤を含む第２封止層と
    を備え、前記第１封止層が前記被封止部材に積層され、前記第２封止層が前記第１封止層の少なくとも一部を被覆し、
    （ａ）前記第２封止層が、下地層と、フッ素系シランカップリング剤により表面が被覆された無機粒子とを含み、当該下地層が、フッ素系シランカップリング剤層であるか、またはフッ素系シランカップリング剤を含む熱硬化性樹脂層である、または、
    （ｂ）前記第２封止層が、下地層と、無機粒子層と、フッ素系シランカップリング剤層とが順に積層されてなり、当該下地層が、シランカップリング剤層であるか、またはシランカップリング剤を含む熱硬化性樹脂層である、半導体装置。
  2. 積層基板上に実装された半導体素子と導電性接続部材とを含む被封止部材を封止材にて封止してなる半導体装置であって、
    前記封止材が、
    熱硬化性樹脂主剤を含む第１封止層であって、当該熱硬化性樹脂主剤が、脂肪族エポキシ樹脂と脂環式エポキシ樹脂を含む、第１封止層と、
    フッ素系シランカップリング剤を含む第２封止層と
    を備え、前記第１封止層が前記被封止部材に積層され、前記第２封止層が前記第１封止層の少なくとも一部を被覆する、半導体装置。
  3. 前記第２封止層が、フッ素系シランカップリング剤からなる、請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記第２封止層が、フッ素系シランカップリング剤を含む熱硬化性樹脂層である、請求項２に記載の半導体装置。
  5. 前記フッ素系シランカップリング剤が、ＣｎＦ（２ｎ＋１）（ＣＨ２）ｍＳｉ（ＯＲ１）３（式中、ｎは１～１０から選択される整数であり、ｍは１～５から選択される整数であって、Ｒ１はそれぞれ独立して、炭素数１～３の直鎖状アルキル基である）で表される化合物から選択される１以上のフルオロアルキルシランを含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記導電性接続部材が、リードフレーム、アルミワイヤ、ピンから選択される、請求項１～５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記半導体素子及び前記導電性接続部材を含む被封止部材と、前記封止材との界面に、プライマー層をさらに備え、前記第１封止層が前記プライマー層に接して設けられる、請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記プライマー層が、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂またはポリアミドイミド樹脂から選択される、請求項７に記載の半導体装置。
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