KR20220029406A - 파워모듈의 제조방법, 및 파워모듈 - Google Patents

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나오유키 쿠시하라
카즈아키 스미타
마사히로 카네타
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신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
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Abstract

[과제] 성형시에 보이드의 발생이 적고, 신뢰성이 우수한 파워모듈의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[해결수단]
파워모듈의 제조방법으로서, 하기 (1)~(4)
(1)복수의 반도체소자가 탑재된 절연기판을 수납한 용기에, 25℃에서 고체의 열경화성 수지 조성물을 배치하는 배치공정,
(2)이어서, 상기 열경화성 수지 조성물이 배치된 상기 용기를, 가열, 가압, 감압할 수 있는 성형장치 내에 배치하여 가열하고, 상기 열경화성 수지 조성물을 용융하는 용융공정,
(3)그 후, 상기 성형장치 내를 1회 이상 감압 및 1회 이상 가압하는 가감압공정,
(4)추가로, 상기 성형장치 내를 가열하여 상기 열경화성 수지 조성물을 경화시키는 경화공정
의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.

Description

파워모듈의 제조방법, 및 파워모듈 {METHOD FOR MANUFACTURING POWER MODULE AND POWER MODULE}
본 발명은, 파워모듈의 제조방법 및 파워모듈에 관한 것이다.
최근, 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 철도, 발전기 등 폭넓은 분야에서, 파워모듈이 이용되고 있다. 최근에는, 파워모듈에 대하여, 정격전압 및 정격전류의 증가, 가동온도역의 확대와 같은 고성능화의 요구가 증가하고 있다.
파워모듈의 패키지구조는, 방열용 베이스판 상에 절연기판을 개재하여, 파워반도체소자가 실장되고, 베이스판에 대하여 케이스가 접착된 구조이다. 파워모듈의 봉지부재로는, 실리콘겔이 일반적으로 이용된다(특허문헌 1).
그러나, 최근 고온환경하에서의 사용에 있어서, 실리콘겔의 내열성 부족에 의해 겔이 굳어져 크랙이 발생하고, 또한 실리콘겔이 분해됨으로써 저휘발성분이 생성되어 기포를 형성함으로써, 실리콘겔과 절연기판의 사이에 박리가 발생한다. 이에 따라 파워모듈의 절연신뢰성이 저하되는 것과 같은 문제가 발생하고 있다.
이 문제를 해결할 목적으로, 실리콘겔을 대신하는 봉지재로서 액상 에폭시 수지가 검토되고 있다(특허문헌 2). 일반적으로 파워모듈의 봉지재로서 이용되는 액상 에폭시 수지는, 봉지 후의 휨을 억제하기 위하여 절연기판의 선팽창계수에 근접하기 때문에 다량의 무기충전재를 배합한다.
결과적으로 액상 에폭시 수지의 점도가 높아져, 봉지 후에 보이드가 없어지지 않고 크랙이나 박리가 발생하는 것과 같은 문제가 생긴다.
또한, 액상 에폭시 수지에 사용되는 레진은, 일반적으로 CMR물질(발암성, 변이원성, 생식독성이 있다고 여겨지는 물질)을 포함하고 있고 환경의식이 높은 EU에서의 사용이 제한되는 것과 같은 가능성이 있다.
일본특허공개 2012-79914호 공보 일본특허공개 2020-35965호 공보
따라서, 본 발명은, 성형시에 보이드의 발생이 적고, 신뢰성이 우수한 파워모듈의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는,
파워모듈의 제조방법으로서, 하기 (1)~(4)
(1)복수의 반도체소자가 탑재된 절연기판을 수납한 용기에, 25℃에서 고체의 열경화성 수지 조성물을 배치하는 배치공정,
(2)이어서, 상기 열경화성 수지 조성물이 배치된 상기 용기를, 가열, 가압, 감압할 수 있는 성형장치 내에 배치하여 가열하고, 상기 열경화성 수지 조성물을 용융하는 용융공정,
(3)그 후, 상기 성형장치 내를 1회 이상 감압 및 1회 이상 가압하는 가감압공정,
(4)추가로, 상기 성형장치 내를 가열하여 상기 열경화성 수지 조성물을 경화시키는 경화공정
의 공정을 포함하는 파워모듈의 제조방법을 제공한다.
이러한 제조방법이면, 성형시에 보이드나 크랙 등이 없고, 신뢰성이 우수하며, CMR물질을 포함하지 않는 파워모듈을 제공할 수 있다.
이 때, 상기 용융공정(2)에 있어서, 가열온도를 상기 열경화성 수지 조성물의 융점 혹은 연화점 이상으로 하고, 또한 200℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.
이러한 온도이면, 점도가 낮게 억제되어 보이드나 미충전을 방지할 수 있고, 또한 열경화성 수지 조성물이 경화하지 않고 내부보이드나 표면보이드의 제거를 할 수 있다.
또한 이 때, 상기 용융공정(2)에 있어서, 가열시의 승온속도를 0.5℃/분~50℃/분으로 하는 것이 바람직하다.
이러한 승온속도이면 수지가 증점하지 않고, 또한 수지를 완전히 용융시킬 수 있다.
나아가, 상기 가감압공정(3)에 있어서, 감압 및/또는 가압을 2회 이상 반복하는 것이 바람직하다.
가감압을 복수회 반복함으로써, 내부보이드나 표면보이드를 효과적으로 제거할 수 있다.
또한, 상기 가감압공정(3)의 가압공정에 있어서, 0.1MPa~10MPa로 가압하는 것이 바람직하다.
이러한 범위 내이면, 표면의 보이드가 남지 않고 협소부분에 수지가 충분히 침입하고, 또한 수지가 넘치는 일이 없다.
게다가, 상기 가감압공정(3)의 감압공정에 있어서, 670Pa~90,000Pa로 감압하는 것이 바람직하다.
이러한 범위 내이면, 열경화성 수지 조성물이 넘치는 일이 없고, 감압에 의한 탈포효과가 충분해진다.
게다가, 상기 가감압공정(3)의 감압공정에 있어서, 대기압으로부터 설정된 감압도까지의 감압속도를 100~60,000Pa/초로 하는 것이 바람직하다.
이러한 범위 내이면, 열경화성 수지 조성물이 증점하거나, 넘치거나 할 우려가 없다.
또한, 상기 배치공정(1)에 있어서, 상기 열경화성 수지 조성물을 봉지면적의 30%~95%의 면적이 되도록 배치하는 것이 바람직하다.
이러한 면적이면, 미충전이나 수지누설이 발생할 우려가 없다.
또한, 본 발명에서는, 열경화성 수지 조성물의 경화물로 봉지된 파워모듈로서, 상기 경화물 중의 직경 100μm 이상의 내부보이드의 수가 10개/cm3 이하인 파워모듈을 제공한다.
이러한 파워모듈은, 보이드나 크랙이 없고, 신뢰성이 우수하다.
이상과 같이, 본 발명의 제조방법이면, 성형시에 보이드나 크랙 등이 없고, 신뢰성이 우수하며, CMR물질을 포함하지 않는 파워모듈을 얻을 수 있다.
도 1은 25℃에서부터 300℃까지의 사이에 시험편의 치수변화를 측정한 결과에 대한 치수와 온도의 관계를 플롯한 그래프의 일례이며, 유리전이온도의 결정방법을 나타내는 것이다.
도 2는 복수의 반도체소자가 탑재된 절연기판을 수납한 용기에, 25℃에서 고체의 열경화성 수지 조성물을 배치하는 배치공정을 나타낸다.
도 3은 열경화성 수지 조성물이 배치된 용기를, 가열, 가압, 감압할 수 있는 성형장치 내에 배치하는 공정을 나타낸다.
상술한 바와 같이, 성형시에 보이드나 크랙 등이 없고, 신뢰성이 우수하며, CMR물질을 포함하지 않는 파워모듈의 제조방법이 요구되고 있었다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해, 예의 연구를 거듭한 결과, 복수의 반도체소자가 탑재된 절연기판을 수납한 용기에, 25℃에서 고체의 열경화성 수지 조성물을 배치하고, 수지 조성물이 배치된 이 용기를 가열, 가압, 감압할 수 있는 성형용기 내에 배치하여 가열하고, 수지 조성물을 용융하는 공정을 거쳐, 수지가 용융 후, 성형용기 내를 감압 및 가압하고, 추가로 성형용기 내를 가열하여 수지를 경화시키는 공정에 의해 제조한 파워모듈은, 수지의 표면이나 내부에 보이드나 크랙이 없고, 신뢰성이 우수한 파워모듈을 제공하는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명은,
파워모듈의 제조방법으로서, 하기 (1)~(4)
(1)복수의 반도체소자가 탑재된 절연기판을 수납한 용기에, 25℃에서 고체의 열경화성 수지 조성물을 배치하는 배치공정,
(2)이어서, 상기 열경화성 수지 조성물이 배치된 상기 용기를, 가열, 가압, 감압할 수 있는 성형장치 내에 배치하여 가열하고, 상기 열경화성 수지 조성물을 용융하는 용융공정,
(3)그 후, 상기 성형장치 내를 1회 이상 감압 및 1회 이상 가압하는 가감압공정,
(4)추가로, 상기 성형장치 내를 가열하여 상기 열경화성 수지 조성물을 경화시키는 경화공정
의 공정을 포함하는 파워모듈의 제조방법이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하는데, 본 발명은 이들로 한정되는 것은 아니다.
[파워모듈의 제조방법]
(1)배치공정
본 발명의 제조방법에 있어서의 (1)배치공정에서는, 25℃에서 고체의 열경화성 수지 조성물을 복수의 파워반도체소자가 탑재된 절연기판을 수납한 용기에 배치한다. 배치하는 용기는, 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지나 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 수지, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 수지 등의 열가소성 수지의 케이스나 형틀 등을 구비하고 있을 수도 있다. 구체적으로는 도 2에 나타낸다.
도 2에 있어서 복수의 반도체소자가 탑재된 절연기판을 수납한 용기(1)는, 용기(5)와 그 중의 절연기판(4)으로 이루어지고, 절연기판(4) 상에는 파워반도체소자(3)와 본딩와이어(2)가 마련되어 있다. (1)배치공정에서는, 열경화성 수지 조성물(6)을 케이스 내의 절연기판(4) 상의 파워반도체소자(3)의 위에 배치한다.
상기 열경화성 수지 조성물은 봉지를 행한 개소에 대하여, 적당히 배치할 수 있다.
또한, 상기 열경화성 수지 조성물은, 수지의 충전성, 보이드 저감이나 수지누설방지의 관점에서 봉지면적의 30%~95%의 면적이 되도록 배치하는 것이 바람직하고, 40%~90%가 보다 바람직하고, 45%~85%가 더욱 바람직하다. 봉지면적의 30% 이상의 면적이 되도록 배치하면, 미충전이 발생할 우려가 거의 없고, 95% 이하의 면적이 되도록 배치하면, 수지누설이 발생할 우려가 없다.
한편, 케이스나 테두리 등이 있는 경우는, 그 내부에 배치하는 것이 바람직하다.
(2)용융공정
본 공정에서는, 열경화성 수지 조성물이 배치된 용기를, 가열, 가압, 감압할 수 있는 성형용기(성형장치) 내에 배치하여 가열하고, 열경화성 수지 조성물을 용융한다. 열경화성 수지 조성물을 용융할 때의 열경화성 수지 조성물의 온도는, 사용하는 열경화성 수지의 연화점이나 융점에 의해 적당히 변경할 수 있는데, 열경화성 수지 조성물의 점도를 저하시키는 관점에서, 상기 열경화성 수지 조성물의 연화점 또는 융점 이상 또한 200℃ 이하의 범위가 바람직하다. 온도의 범위 중 낮은 측은 연화점 또는 융점으로부터 20℃ 이상 높은 온도가 보다 바람직하고, 연화점 또는 융점으로부터 30℃ 이상 높은 온도가 더욱 바람직하다. 온도의 범위 중 높은 측은 180℃ 이하가 보다 바람직하고, 150℃ 이하가 더욱 바람직하다. 열경화성 수지 조성물의 융점 또는 연화점 이상이면, 점도가 낮게 억제되므로 보이드나 미충전의 원인으로는 되지 않고, 200℃ 이하이면, 열경화성 수지 조성물이 경화하여, 내부보이드나 표면보이드를 충분히 제거할 수 없다는 우려가 없다.
성형용기에 배치하는 공정으로는 도 3으로 나타내며, 열경화성 수지 조성물(6)을 실은 복수의 반도체소자가 탑재된 절연기판을 수납한 용기(1)를 성형용기(7) 내에 넣는다.
용융공정은, 대기압 또는 가압된 분위기 그대로 행해지는 것이 바람직하다. 용융공정에 있어서 대기압 또는 가압된 상태로 행함으로써, 복수의 반도체소자가 탑재된 절연기판과 열경화성 수지 조성물의 습윤성이 향상되고, 내부보이드나 표면보이드의 저감효과가 기대된다.
용융공정에 있어서의 가열의 승온속도는 특별히 제한되지 않는데, 성형시간의 단축 및 열경화성 수지 조성물의 점도상승을 억제하는 관점에서, 0.5℃/분~50℃/분이 바람직하고, 2.0℃/분~30℃/분인 것이 보다 바람직하고, 5.0℃/분~20℃/분인 것이 더욱 바람직하다. 0.5℃/분 이상의 속도이면, 설정의 온도에 도달할 때까지의 시간이 필요 충분하므로, 수지가 증점할 우려가 없고, 50℃/분 이하의 속도이면, 수지에 충분히 열이 전달되므로, 수지가 완전히 용융되지 않은 채로 다음 공정인 감압공정으로 이동할 우려가 없다.
또한, 용융공정에 있어서 승온속도는, 승온시키는 과정에 있어서 일정할 수도 있고 변동할 수도 있다. 또한, 설정된 온도에 도달 후, 온도를 일정시간 유지하여 열경화성 수지를 용융시킬 수도 있다.
용융공정의 시간은, 열경화성 수지 조성물의 가열을 개시하고 나서 1분~60분인 것이 바람직하고, 2분~45분인 것이 보다 바람직하고, 4분~30분인 것이 더욱 바람직하다.
(3)가감압공정
본 공정에서는, 열경화성 수지 조성물이 배치된 용기를 성형용기 내에 있어서 감압 및 가압한다. 본 발명에 있어서 감압공정이란, 대기압으로부터 원하는 감압도까지 감압하기까지의 공정을 가리키고, 가압공정이란, 대기압으로부터 원하는 가압도까지 가압하기까지의 공정을 가리키는 것으로 한다. 한편, 가압 또는 감압상태로부터 대기압으로 되돌아가기까지의 과정은, 본 발명의 제조방법에 있어서 제조되는 파워모듈의 품질에는 영향이 없으므로, 고려하지 않는 것으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서 「대기압」이란 상기 성형용기 내의 압력이 성형용기 외의 공간의 압력과 평형상태에 있는 압력을 가리키고, 구체적으로는 1기압=1013hPa 부근의 압력을 가리키는 것으로 한다.
[감압공정]
감압시의 감압도는, 670Pa~90,000Pa로 설정할 수도 있다. 보이드의 발생을 억제하는 관점에서, 2,000Pa~50,000Pa인 것이 바람직하고, 4,000~40,000Pa인 것이 보다 바람직하다. 670Pa 이상이면, 열경화성 수지 조성물이 케이스로부터 넘칠 우려가 없고, 90,000Pa 이하이면 감압에 의한 탈포효과가 충분해진다.
대기압으로부터 설정된 감압도까지의 감압속도는, 100~60,000Pa/초로 설정할 수도 있다. 감압속도는 내부보이드 저감을 위해, 300~30,000Pa/초인 것이 바람직하고, 500~10,000Pa/초가 보다 바람직하다. 기기의 성능 등에 따라 설정할 수 있다. 100Pa/초 이상인 경우는, 감압도에 도달하기까지의 시간이 걸리지 않고, 열경화성 수지 조성물이 증점하지 않으므로 탈포를 충분히 행할 수 있다. 또한, 60,000Pa/초 이하인 경우는, 열경화성 수지 조성물이 케이스로부터 넘칠 우려가 없다.
여기서 말하는 감압속도란 하기 식으로 표시된다.
감압속도=(초기압력-감압한계압력)/(감압한계압력 도달시간)
(압력의 단위는 Pa, 도달시간의 단위는 초이다.)
감압공정에 있어서의 분위기의 온도는 특별히 제한되지 않는데, 열경화성 수지 조성물의 종류에 따라 적당히 설정할 수 있다. 감압공정을 통하여 열경화성 수지 조성물의 온도가 용융공정시의 온도와 동일한 것이 바람직하다.
감압공정은, 1회뿐만 아니라 복수회 행할 수 있다. 이 경우는, 설정된 감압도에 도달 후, 대기압 부근까지 대기개방을 행하고, 재차 설정된 감압도에 도달시킬 수도 있다. 이 경우, 1회째의 감압공정에 있어서의 감압도와 2회째 이후의 감압도는 동일할 수도 상이할 수도 있다. 감압공정은 1회 이상이며, 2회 이상이 바람직하다. 감압공정을 복수회 행함으로써, 열경화성 수지 조성물에 포함되는 내부보이드나 표면보이드를 효과적으로 제거하는 것이 가능해진다.
감압공정은, 설정된 감압도에 도달 후 그 상태를 일정한 시간, 유지할 수도 있다. 감압도를 유지하는 시간으로는, 2초간~10분간인 것이 바람직하고, 5초간~5분간인 것이 더욱 바람직하다.
[가압공정]
가압공정에 있어서의 가압도는, 보이드의 발생을 억제하는 관점에서, 0.1MPa~10MPa의 범위가 바람직하고, 0.2MPa~5MPa인 것이 보다 바람직하고, 0.2MPa~3MPa인 것이 더욱 바람직하다. 0.1MPa 이상이면, 표면의 보이드가 남기 어렵고, 협소부분에의 수지의 침입성이 양호해진다. 10MPa 이하이면, 수지가 지나치게 흐르지 않아, 케이스로부터 넘칠 우려가 없다.
가압속도는 특별히 제한되지 않는데, 0.1MPa/분~1.0MPa/분인 것이 바람직하고, 0.2MPa/분~1.0MPa/분인 것이 더욱 바람직하다.
여기서 말하는 가압속도란 하기 식으로 표시된다.
가압속도=(가압한계압력-초기압력)/(가압한계압력 도달시간)
(압력의 단위는 Pa, 도달시간의 단위는 초이다.)
가압공정에 있어서의 분위기의 온도는 특별히 제한되지 않는데, 열경화성 수지 조성물의 종류에 따라 적당히 설정할 수 있다. 가압공정을 통하여 열경화성 수지 조성물의 온도가 용융공정시의 온도와 동일한 것이 바람직하다.
가압공정은, 1회뿐만 아니라 복수회 행할 수 있다. 이 경우는, 설정된 가압도에 도달 후, 대기압 부근까지 대기개방을 행하고, 재차 설정된 가압도에 도달시킬 수도 있다. 이 경우, 1회째의 가압공정에 있어서의 가압도와 2회째 이후의 가압도는 동일할 수도 상이할 수도 있다. 가압공정은 1회 이상이며, 2회 이상이 바람직하다. 가압공정을 복수회 행함으로써, 열경화성 수지 조성물에 포함되는 내부보이드나 표면보이드를 효과적으로 제거하는 것이 가능해진다.
가압공정은, 설정된 가압도에 도달 후 그 상태를 일정한 시간, 유지할 수도 있다. 가압도를 유지하는 시간으로는, 5분간~4시간인 것이 바람직하고, 10분간~2시간인 것이 더욱 바람직하다.
감압공정과 가압공정의 순번은 특별히 제한되지 않는데, 감압공정 후에 가압공정을 행함으로써 표면상태가 우수하고, 내부보이드가 적은 파워모듈을 얻는 것이 가능해진다.
(4)경화공정
본 공정에서는, 가감압공정의 후에, 성형용기 내에 있어서 열경화성 수지 조성물을 더욱 가열하여 경화시킨다.
이때의 경화조건은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 에폭시 수지를 포함하는 열경화성 수지 조성물을 이용하는 경우에는, 150℃~250℃의 온도로 승온 후, 1시간~12시간의 시간으로 경화할 수도 있다. 또한 경화시는, 0.1MPa~10MPa의 가압상태로 경화할 수도 있다. 또한 성형용기 내로부터 취출하여 별도 오븐 등을 이용하여 추가로 경화를 행할 수도 있다. 또한, 필요에 따라 성형용기 내의 공기를 질소가스 등의 불활성 가스로 치환하여 경화를 행할 수도 있다.
[열경화성 수지 조성물]
본 발명의 파워모듈의 제조방법에 이용되는 열경화성 수지 조성물은 25℃에서 고체의 수지 조성물을 이용한다. 고체의 열경화성 수지 조성물의 형상은 어떠한 형상일 수도 있고, 분말상, 과립상, 시트상, 펠릿상 중 어느 것일 수도 있다. 시트상, 펠릿상의 형태이면, 수지가 용융할 때에 보이드가 발생하기 어려워진다. 또한, 시트상이나 펠릿상이면 가열용융시에 수지에 균일하게 열이 전달되기 쉬워지므로, 감압의 공정시에 거품빠짐성이 좋고, 표면이나 내부에 보이드가 남기 어려워진다.
상기 열경화성 수지 조성물에 사용하는 열경화성 수지는, 일반적으로 공지의 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 에폭시 수지, 말레이미드 수지, 페놀 수지, 시아네이트 수지, 폴리아미드 수지, 폴리이미드 수지 등을 들 수 있다. 봉지재로서의 성형성이나 신뢰성 등의 관점에서는, 에폭시 수지, 말레이미드 수지, 시아네이트 수지를 포함하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 에폭시 수지를 포함하는 것이다.
에폭시 수지의 종류는 특별히 제한되지 않고, 일반적으로 공지의 것을 사용할 수 있다. 에폭시 수지로는, 예를 들어, 비스페놀A형 에폭시 수지, 비스페놀F형 에폭시 수지, 비스페놀S형 에폭시 수지, 페놀노볼락형 에폭시 수지, 크레졸노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀A노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀F노볼락형 에폭시 수지, 스틸벤형 에폭시 수지, 트리아진골격함유 에폭시 수지, 플루오렌골격함유 에폭시 수지, 트리페놀알칸형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 자일릴렌형 에폭시 수지, 비페닐아랄킬형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지, 지환식 에폭시 수지, 실리콘변성 에폭시 수지, 부타디엔변성 에폭시 수지, 다관능 페놀류 및 안트라센 등의 다환방향족류의 디글리시딜에테르 화합물 그리고 이들에 인 화합물을 도입한 인함유 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로 또는 2종 이상을 병용하여 이용할 수 있다.
말레이미드 수지로는, 1분자 중에 1개 이상의 말레이미드기를 갖는 것이면, 특별히 한정되지 않고, 일반적으로 공지의 것을 사용할 수 있다. 말레이미드 수지로는 예를 들어, 4,4-디페닐메탄비스말레이미드, 페닐메탄말레이미드, m-페닐렌비스말레이미드, 2,2-비스(4-(4-말레이미드페녹시)-페닐)프로판, 3,3-디메틸-5,5-디에틸-4,4-디페닐메탄비스말레이미드, 4-메틸-1,3-페닐렌비스말레이미드, 1,6-비스말레이미드-(2,2,4-트리메틸)헥산, 4,4-디페닐에테르비스말레이미드, 4,4-디페닐설폰비스말레이미드, 1,3-비스(3-말레이미드페녹시)벤젠, 1,3-비스(4-말레이미드페녹시)벤젠, 노볼락형 말레이미드 화합물, 비페닐아랄킬형 말레이미드, 다이머산디아민형 말레이미드, 상기 말레이미드 수지의 프리폴리머, 혹은 말레이미드 수지와 아민 화합물의 프리폴리머 등을 들 수 있다. 이들 말레이미드 화합물은 1종 또는 2종 이상 혼합하여 이용할 수 있다.
이 중에서도, 노볼락형 말레이미드 화합물, 및 비페닐아랄킬형 비스말레이미드 화합물이 바람직하다. 이러한 말레이미드 화합물을 이용함으로써, 내열성이 보다 향상되는 경향이 있다.
시아네이트 수지로는, 1분자 중에 1개 이상의 시아나토기를 갖는 것이면, 특별히 한정되지 않고, 일반적으로 공지의 것을 사용할 수 있다. 시아네이트 수지로는 예를 들어, 1,1-비스(4-시아나토페닐)에탄, 비스(3-메틸-4-시아나토페닐)메탄, 비스(3-에틸-4-시아나토페닐)메탄, 비스(3,5-디메틸-4-시아나토페닐)메탄, 2,2-비스(4-시아나토페닐)프로판, 2,2-비스(4-시아나토페닐)-1,1,1,3,3,3-헥사플루오로프로판, 디알릴비스페놀A형 시아네이트에스테르, 디알릴비스페놀F형 시아네이트에스테르 등의 비스페놀형 시아네이트에스테르; 2,2’-디시아나토비페닐, 4,4’-디시아나토비페닐, 3,3’,5,5’-테트라메틸-4,4’-디시아나토비페닐 등의 비페닐형 시아네이트에스테르; 1,3-디시아나토벤젠, 1,4-디시아나토벤젠, 2-tert-부틸-1,4-디시아나토벤젠, 2,4-디메틸-1,3-디시아나토벤젠, 2,5-디-tert-부틸-1,4-디시아나토벤젠, 테트라메틸-1,4-디시아나토벤젠, 1,3,5-트리시아나토벤젠 등의 시아나토벤젠; 1,3-디시아나토나프탈렌, 1,4-디시아나토나프탈렌, 1,5-디시아나토나프탈렌, 1,6-디시아나토나프탈렌, 1,8-디시아나토나프탈렌, 2,6-디시아나토나프탈렌, 2,7-디시아나토나프탈렌, 1,3,6-트리시아나토나프탈렌 등의 시아나토나프탈렌; 비스(4-시아나토페닐)에테르, 4,4’-(1,3-페닐렌디이소프로필리덴)디페닐시아네이트, 비스(4-시아나토페닐)티오에테르, 비스(4-시아나토페닐)설폰을 들 수 있다. 이들 시아네이트에스테르 화합물은 1종 또는 2종 이상 혼합하여 이용할 수 있다. 그 중에서도 바람직한 시아네이트에스테르 화합물은, 1,1-비스(4-시아나토페닐)에탄, 디알릴비스페놀A형 시아네이트에스테르, 디알릴비스페놀F형 시아네이트에스테르이다. 더욱 바람직하게는, 1,1-비스(4-시아나토페닐)에탄, 디알릴비스페놀F형 시아네이트에스테르이다.
상기 열경화성 수지 조성물은 경화제를 함유할 수도 있다. 경화제의 종류는 특별히 제한되지 않고, 일반적으로 공지의 것을 사용할 수 있다. 열경화성 수지가 에폭시 수지인 경우의 경화제로는, 아민계 경화제, 페놀계 경화제, 산무수물계 경화제, 티올계 경화제 등을 들 수 있다. 성형성 및 내열성의 관점에서, 경화제로서, 페놀계 경화제가 바람직하다.
페놀계 경화제로서 예를 들어, 페놀노볼락 수지, 나프탈렌환함유 페놀 수지, 아랄킬형 페놀 수지, 트리페놀알칸형 페놀 수지, 비페닐골격함유 아랄킬형 페놀 수지, 비페닐형 페놀 수지, 지환식 페놀 수지, 복소환형 페놀 수지, 나프탈렌환함유 페놀 수지, 레조르시놀형 페놀 수지, 알릴기함유 페놀 수지, 비스페놀A형 수지, 비스페놀F형 수지 등의 비스페놀형 페놀 수지 등을 들 수 있고, 이들을 1종 단독으로 또는 2종 이상을 병용하여 이용할 수 있다.
경화제로서 페놀계 경화제가 이용되는 경우, 에폭시 수지 중에 포함되는 에폭시기 1몰에 대하여, 경화제 중에 포함되는 페놀성 수산기의 몰비는, 0.5~1.5가 바람직하고, 0.8~1.2가 보다 바람직하다.
상기 열경화성 수지 조성물은 충전재를 함유할 수도 있다. 충전재의 종류는 특별히 제한되지 않고, 일반적으로 공지의 것을 사용할 수 있다. 충전재로서, 예를 들어, 구상 실리카, 용융실리카 및 결정성 실리카 등의 실리카류, 질화규소, 질화알루미늄, 보론나이트라이드 등의 무기질화물류, 알루미나, 유리섬유 및 유리입자 등을 들 수 있는데, 보강효과가 우수한, 얻어지는 경화물의 휨을 억제할 수 있는 등의 점에서, 실리카를 함유하는 것이 바람직하다. 이들은 1종 단독으로 또는 2종 이상을 병용하여 이용할 수 있다.
상기 충전재의 평균입경 및 형상은 특별히 한정되지 않는데, 평균입경은 0.1~40μm가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5~40μm이다. 한편, 본 발명에 있어서 평균입경은, 레이저광회절법에 의한 입도분포측정에 있어서의 질량평균값D50(또는 메디안직경)으로서 구한 값이다.
또한, 본 발명에서 이용하는 열경화성 수지 조성물의 고유동화의 관점에서, 상기 충전재로서 복수의 입경범위의 무기충전재를 조합한 것을 사용할 수도 있고, 이러한 경우에는, 0.1~3μm의 미세영역, 3~7μm의 중입경영역, 및 10~40μm의 조영역의 구상 실리카를 조합하여 사용하는 것이 바람직하고, 이들을 조합한 결과, 충전재의 평균입경이 0.5~40μm의 범위에 있는 것이 보다 바람직하다. 추가적인 고유동화를 위해서는, 평균입경이 더욱 큰 구상 실리카를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 충전재로는, 상기 열경화성 수지와의 결합강도를 강하게 하기 위해, 커플링제로 미리 표면처리한 것을 배합할 수도 있다.
충전재의 함유량은, 열경화성 수지와 그의 경화제의 합계 100질량부에 대하여 10~1900질량부인 것이 바람직하고, 100~900질량부인 것이 보다 바람직하고, 200질량부~850질량부인 것이 특히 바람직하다.
상기 열경화성 수지 조성물은 경화촉진제를 함유할 수도 있다. 경화촉진제의 종류는 특별히 제한되지 않고, 일반적으로 공지의 것을 사용할 수 있다.
이 경화촉진제로는, 예를 들어, 트리페닐포스핀, 트리부틸포스핀, 트리(p-메틸페닐)포스핀, 트리(노닐페닐)포스핀, 트리페닐포스핀·트리페닐보란, 테트라페닐포스핀·테트라페닐보레이트 등의 인계 화합물, 트리에틸아민, 벤질디메틸아민, α-메틸벤질디메틸아민, 1,8-디아자비시클로[5.4.0]운데센-7 등의 제3급 아민 화합물, 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸, 2-페닐-4-메틸이미다졸 등의 이미다졸 화합물, 과산화물, 요소 화합물, 살리실산 등을 사용할 수 있다.
경화촉진제의 함유량은, 열경화성 수지 100질량부에 대하여, 0.2질량부~10질량부인 것이 바람직하고, 0.5질량부~5질량부인 것이 보다 바람직하다.
상기 열경화성 수지 조성물은, 난연성을 높이기 위해 난연제를 배합할 수 있다.
난연제로는, 특별히 제한되지 않고 공지의 것을 사용할 수 있다. 예를 들어 포스파젠 화합물, 실리콘 화합물, 몰리브덴산아연담지 탈크, 몰리브덴산아연담지 산화아연, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 산화몰리브덴, 삼산화안티몬 등을 들 수 있고, 이들 1종 단독으로도 2종 이상을 조합하여 사용할 수도 있다. 난연제의 배합량은 열경화성 수지 100질량부에 대하여 2~100질량부인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3~50질량부이다.
상기 열경화성 수지 조성물은, 이온불순물에 의한 신뢰성의 저하를 방지하기 위해 이온트랩재를 배합할 수 있다.
이러한 이온트랩재로는, 특별히 제한되지 않고 공지의 것을 사용할 수 있다. 예를 들어 하이드로탈사이트류, 수산화비스무트 화합물, 희토류산화물 등을 사용할 수 있다. 이들을 1종 단독으로 사용할 수도 2종 이상을 조합하여 사용할 수도 있다. 이온트랩재의 배합량은 열경화성 수지 100질량부에 대하여 0.5~25질량부인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1.5~15질량부이다.
상기 열경화성 수지 조성물은, 열경화성 수지나 그의 경화제와 충전재와의 밀착성을 높이는 목적이나, 절연기판과의 접착성을 높이거나 하기 위해, 실란커플링제, 티타네이트커플링제 등의 커플링제를 배합할 수 있고, 그 중에서도 실란커플링제가 바람직하다.
이러한 커플링제로는, 예를 들어, γ-글리시독시프로필트리메톡시실란, γ-글리시독시프로필메틸디에톡시실란, β-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란 등의 에폭시관능성 알콕시실란, N-β-(아미노에틸)-γ-아미노프로필트리메톡시실란, γ-아미노프로필트리에톡시실란, N-페닐-γ-아미노프로필트리메톡시실란 등의 아미노관능성 알콕시실란, γ-메르캅토프로필트리메톡시실란 등의 메르캅토관능성 알콕시실란, γ-아미노프로필트리메톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란 등의 아민관능성 알콕시실란 등을 들 수 있다.
표면처리에 이용하는 커플링제의 배합량 및 표면처리방법에 대해서는 특별히 제한되는 것은 없고, 상법에 따라 행하면 된다. 또한, 전술한 바와 같이 미리 커플링제로 무기충전재를 처리할 수도 있고, 열경화성 수지나 그의 경화제 등의 수지성분과 충전재를 혼련할 때에, 커플링제를 첨가하여 표면처리하면서 조성물을 혼련할 수도 있다.
커플링재의 배합량은, 열경화성 수지 100질량부에 대하여, 0.1~25질량부인 것이 바람직하고, 특히 0.5~20질량부로 하는 것이 바람직하다. 0.1질량부 이상이면, 기재에의 접착효과가 충분히 얻어지고, 또한 25질량부 이하이면, 점도가 극단적으로 저하되어, 보이드의 원인이 될 우려가 없다.
상기 열경화성 수지 조성물은 이형제를 함유할 수도 있다. 이형제는 특별히 제한되지 않고, 일반적으로 공지의 것을 사용할 수 있다. 이형제는, 성형시의 이형성을 높이기 위해 배합하는 것이다. 이러한 이형제로는, 카나우바왁스, 라이스왁스를 비롯한 천연왁스, 산왁스, 폴리에틸렌왁스, 지방산에스테르를 비롯한 합성왁스가 있는데, 이형성의 관점에서 카나우바왁스가 바람직하다.
이형제의 배합량은, 열경화성 수지 100질량부에 대하여, 0.05~15질량부인 것이 바람직하고, 0.1~10질량부가 보다 바람직하다. 배합량이 0.05질량부 이상이면, 충분한 이형성이 얻어지지 않거나, 제조시의 용융혼련시에 과부하가 생기거나 하는 우려가 없고, 15질량부 이하이면, 스며듦 불량이나 접착성 불량 등이 일어날 우려가 없다.
열경화성 수지 조성물은, 착색제를 함유할 수도 있다. 착색제로는 카본블랙, 유기염료, 유기안료, 산화티탄, 벵갈라 등의 공지의 착색제를 들 수 있다. 열경화성 수지에의 분산성의 관점에서 카본블랙이 바람직하다.
착색제의 배합량은, 열경화성 수지 100질량부에 대하여, 0.01질량부~10질량부인 것이 바람직하고, 0.1질량부~5질량부인 것이 보다 바람직하다.
열경화성 수지 조성물은, 용융공정이나 가감압공정시에 있어서 수지의 발포를 억제하는 목적으로 소포제를 배합할 수 있다.
이러한 소포제로는, 폴리에테르, 폴리에스테르, 고급알코올, 고급알코올 유도체, 지방산 유도체, 급속비누, 실리콘오일, 폴리실록산, 왁스, 광물유 등의 공지의 소포제를 들 수 있다.
소포제의 배합량은, 열경화성 수지 100질량부에 대하여 0.01질량부~10질량부인 것이 바람직하고, 0.01질량부~5질량부인 것이 보다 바람직하다.
[열경화성 수지 조성물의 조제방법]
본 발명에서 이용하는 열경화성 수지 조성물의 조제방법으로는, 종래 공지의 방법을 적당히 이용할 수 있다. 조제방법으로는, 예를 들어, 열롤, 니더, 엑스트루더 등을 들 수 있다. 얻어진 열경화성 수지 조성물을 분쇄함으로써 분말상으로 할 수도 있고, 분말로 하고 나서 타정함으로써 태블릿상 혹은 과립상으로 할 수도 있고, 또는 프레스장치나 T다이를 이용하여 시트상으로 할 수도 있다. 성형시의 보이드저감의 관점에서 펠릿상 또는 시트상이 바람직하다.
이와 같이 하여 얻어지는 열경화성 수지 조성물은, 시트상이면, 두께가 1~20mm인 것이 바람직하고, 2~10mm인 것이 보다 바람직하다. 또한, 펠릿상이면, 직경은 10~100mm인 것이 바람직하고, 20~80mm인 것이 보다 바람직하고, 길이는 0.5~50mm인 것이 바람직하고, 1~40mm인 것이 보다 바람직하다.
[열경화성 수지 조성물의 물성]
열경화성 수지 조성물의 120℃에 있어서의 점도로는, 0.01Pa·s~500Pa·s가 바람직하고, 0.1Pa·s~300Pa·s가 더욱 바람직하고, 0.1Pa·s~100Pa·s가 특히 바람직하다. 본 발명에 있어서, 열경화성 수지 조성물의 120℃에 있어서의 점도란, JIS K 7244-10:2005에 기재된 레오미터를 이용하여 측정한 값을 가리킨다. 레오미터로는, 예를 들어, HR-2(TA Instruments사제)가 이용된다.
열경화성 수지 조성물의 120℃에 있어서의 점도가 초기의 10배가 되는 시간은, 5~60분인 것이 바람직하고, 10~60분인 것이 더욱 바람직하다. 5분 이상이면, 충전성이 나빠지지 않고, 내부보이드나 표면보이드가 발생할 우려가 없다.
열경화성 수지 조성물은, 경화물로 했을 때의 유리전이온도는, 120~250℃인 것이 바람직하고, 150~250℃인 것이 더욱 바람직하다. 유리전이온도가 상기 범위에 있음으로써, 파워모듈의 내열신뢰성이 향상된다.
본 발명에 있어서, 유리전이온도(Tg)는 TMA법에 의해 구한 값을 가리킨다. TMA법의 측정으로는, 열경화성 수지 조성물을 경화시켜 얻은 경화물을, 5×5×15mm의 시험편에 각각을 가공한 후, 그들의 시험편을 열팽창계 TMA8140C(주식회사리가쿠사제)에 세트한다. 그리고, 승온프로그램을 승온속도 5℃/분으로 설정하고, 19.6mN의 일정하중이 가해지도록 설정한 후, 25℃로부터 300℃까지의 사이에서 시험편의 치수변화를 측정한다. 이 치수변화와 온도의 관계를 그래프에 플롯한다(그래프의 일례를 도 1에 나타낸다). 이와 같이 하여 얻어진 치수변화와 온도의 그래프로부터, 하기에 설명하는 유리전이온도의 결정방법에 의해, 유리전이온도를 구할 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 변곡점의 온도 이하에서 치수변화-온도곡선의 접선이 얻어지는 임의의 온도 2점을 T1 및 T2로 하고, 변곡점의 온도 이상에서 동일한 접선이 얻어지는 임의의 온도 2점을 T1’ 및 T2’로 한다. T1 및 T2에 있어서의 치수변화를 각각 D1 및 D2로 하여, 점(T1, D1)과 점(T2, D2)을 잇는 직선과, T1’ 및 T2’에 있어서의 치수변화를 각각 D1’ 및 D2’로 하여, 점(T1’, D1’)과 점(T2’, D2’)을 잇는 직선의 교점을 유리전이온도(Tg)로 한다.
열경화성 수지 조성물을 경화했을 때의 40℃~80℃에서의 평균열팽창계수가, 3ppm/℃~30ppm/℃인 것이 바람직하고, 5ppm/℃~25ppm/℃인 것이 보다 바람직하다. 평균열팽창계수가, 상기 범위 내이면, 반도체소자나 절연기판과의 열팽창계수의 차가 작아지고, 봉지 후의 휨의 발생을 억제하는 것이 가능해진다. 본 발명에 있어서의 평균열팽창계수는, 상기 유리전이온도측정과 동일한 조건으로 경화물의 열기계분석을 행하여, 40℃에서부터 80℃까지의 온도범위의 측정결과로부터 산출한 선팽창계수의 평균값이다.
열경화성 수지 조성물은, 그의 경화물의 25℃에서의 굽힘탄성률이, 5GPa~35GPa인 것이 바람직하고, 10GPa~30GPa인 것이 보다 바람직하다. 25℃에서의 굽힘탄성률이 5GPa 이상이면, 히트사이클시험이나 고온방치시험 등의 신뢰성 시험에 있어서, 절연기판과 열경화성 수지 조성물의 박리를 억제할 수 있고, 파워모듈의 불량을 억제하는 것이 가능해진다. 25℃에서의 탄성률이 35GPa 이하이면, 열경화성 수지 조성물의 경화물 자신에 기인하여 발생하는 응력을 효과적으로 억제할 수 있는 경향이 있다.
한편 25℃에서의 굽힘탄성률은, JIS K 6911:2006에 준하여, 경화물을 제작하여 측정할 수 있다.
[파워모듈]
본 발명의 파워모듈은, 파워반도체디바이스가 접합된 절연기판과, 이 절연기판을 봉지하는 열경화성 수지 조성물의 경화물을 구비한 것으로 할 수 있다.
파워반도체디바이스의 구체예로는, IGBT(절연게이트형 바이폴러 트랜지스터), 다이오드, Si계 MOSFET(금속산화물반도체 전계효과 트랜지스터), SiC계 MOSFET, GaN계 FET(질화갈륨 전계효과 트랜지스터) 등의 반도체디바이스(파워반도체칩)를 들 수 있다.
본 발명에 있어서의 절연기판이란, 절연성 재료의 편면 또는 양면에, 방열성을 높이는 것을 목적으로 구리판이나 구리판에 금도금, 은도금, 니켈도금 등의 도금이 실시된 금속패턴이 첩부되어 있는 기판을 가리키고, 기판의 두께방향으로 절연성을 가진다. 상기 절연성 재료의 구체예로는, 알루미나나 질화규소 등의 세라믹을 들 수 있다. 또한, 열경화성 수지 조성물의 경화물로는, 상술한 것과 동일한 것을 이용할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 의해 제조된 파워모듈은, 보이드나 크랙 등이 없고, 신뢰성이 우수한 파워모듈이다. 구체적으로는, 상기 파워모듈이 봉지되어 있는 열경화성 수지 조성물의 경화물에 있어서, 상기 경화물 중의 직경 100μm 이상의 내부보이드의 수가 10개/cm3 이하인 것이 특징이며, 바람직하게는 5개/cm3 이하, 보다 바람직하게는 2개/cm3 이하이다.
[실시예]
이하 실시예 및 비교예를 들어, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1~19 및 비교예 1~4>
[열경화성 수지 조성물의 조제]
표 1에 기재된 배합량(질량부)으로 혼합하여, 열경화성 수지 조성물을 얻었다. 각 성분의 상세는 하기와 같다.
에폭시 수지1: 비페닐형 에폭시 수지(YX-4000K: 미쯔비시케미칼사제)
에폭시 수지2: 트리페놀메탄형 에폭시 수지(EPPN-501H: 일본화약사제)
경화제: 페놀노볼락 수지(BRG-555: 아이카공업사제)
경화촉진제: 요소형 촉매(U-CAT3513N: 산아프로사제)
커플링제: γ-글리시독시프로필트리메톡시실란(상품명: KBM403, 신에쯔화학공업사제)
용융실리카: 평균입경 14μm의 용융구상 실리카(타츠모리사제)
착색제: 카본블랙(미쯔비시케미칼사제)
[연화점의 측정]
조제한 조성물의 연화점을 JIS K 7234(1986)에 따라 측정하고, 그 결과를 표 1에 기재하였다.
[점도의 측정]
조제한 열경화성 수지 조성물을 120℃로 설정한 레오미터(플레이트직경 25mm, 측정주파수 1Hz)를 이용하여 측정을 행하고, 수치를 표 1에 기재하였다. 또한, 초기의 점도의 10배에 도달하는 시간을 표 1에 기재하였다.
[경화물 샘플의 제작]
표 1에 나타낸 열경화성 수지 조성물을 120℃×30분, 추가로 180℃×1시간으로 가열경화하여 성형해서, 경화물을 얻었다.
[유리전이온도의 측정]
열경화성 수지 조성물을 경화시켜 얻은 경화물을, 5×5×15mm의 시험편에 각각을 가공한 후, 그들 시험편을 열팽창계 TMA8140C(주식회사 리가쿠사제)에 세트하였다. 그리고, 승온프로그램을 승온속도 5℃/분으로 설정하고, 19.6mN의 일정하중이 가해지도록 설정한 후, 25℃로부터 300℃까지의 사이에 시험편의 치수변화를 측정하였다. 이 치수변화와 온도의 관계를 그래프에 플롯하였다(그래프의 일례를 도 1에 나타낸다). 이와 같이 하여 얻어진 치수변화와 온도의 그래프로부터, 하기에 설명하는 유리전이온도의 결정방법에 의해, 실시예 및 비교예에 있어서의 유리전이온도를 구하였다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 변곡점의 온도 이하에서 치수변화-온도곡선의 접선이 얻어지는 임의의 온도 2점을 T1 및 T2로 하고, 변곡점의 온도 이상에서 동일한 접선이 얻어지는 임의의 온도 2점을 T1’ 및 T2’로 하였다. T1 및 T2에 있어서의 치수변화를 각각 D1 및 D2로 하여, 점(T1, D1)과 점(T2, D2)을 잇는 직선과, T1’ 및 T2’에 있어서의 치수변화를 각각 D1’ 및 D2’로 하여, 점(T1’, D1’)과 점(T2’, D2’)을 잇는 직선과의 교점을 유리전이온도(Tg)로 하였다.
[선팽창계수(CTE1)의 결정방법]
상기 유리전이온도 측정과 동일한 조건으로 경화물의 열기계분석을 행하고, 40℃로부터 80℃까지의 온도범위의 측정결과로부터, 선팽창계수를 산출하여, CTE1로 하였다.
[굽힘탄성률의 측정]
굽힘탄성률은, JIS K 6911:2006에 준하여, 상기의 경화물을 이용하여 측정을 행하였다.
Figure pat00001
(실시예 1)
폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지제의 테두리가 부착된, 110mm×90mm의 니켈도금된 구리와 절연성의 세라믹으로 이루어지는 DBC(다이렉트본드구리)절연기판 상에, 땜납을 개재하여 Si칩을 다이본드하고, 알루미늄와이어로 와이어본딩을 행한 용기를 준비하였다. 표 1에 기재된 열경화성 수지 조성물을 봉지면적에 대하여 95%의 면적이 되도록, 용기 내에 배치하였다. 가압오븐 내에, 열경화성 수지 조성물이 배치된 용기를 배치하였다. 그 후, 가압오븐 내를 10℃/분의 속도로, 100℃까지 승온하여 조성물을 용융하였다. 100℃ 도달 후, 가압오븐 내를 50,000Pa까지 300Pa/초의 감압속도로 감압을 행하여, 50,000Pa 도달 후, 1분간 유지하였다. 그 후, 가압오븐 내를 대기압으로 하고, 100℃에서 1.0MPa까지 0.1MPa/분의 속도로 가압하였다. 1.0MPa 도달 후, 10분간 유지하였다. 그 후, 가압오븐 내를 1.0MPa로 가압한 상태로, 10℃/분의 속도로, 150℃까지 승온하였다. 150℃ 도달 후, 2시간 유지하여 열경화성 수지 조성물을 가열경화해서, 파워모듈을 얻었다.
(실시예 2)
열경화성 수지 조성물을 봉지면적에 대하여 30%의 면적이 되도록, 용기 내에 배치한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(실시예 3)
가압오븐 내를 100℃로 승온할 때의 승온속도를 0.5℃/분으로 하고, 열경화성 수지 조성물을 용융한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(실시예 4)
가압오븐 내를 100℃로 승온할 때의 승온속도를 30℃/분으로 하고, 열경화성 수지 조성물을 용융한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(실시예 5)
가압오븐 내를 180℃로 승온하고, 열경화성 수지 조성물을 용융한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(실시예 6)
가압오븐 내를 2,000Pa까지 감압한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(실시예 7)
가압오븐 내를 100Pa/초로 감압한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(실시예 8)
가압오븐 내를 60,000Pa/초로 감압한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(실시예 9)
가압오븐 내를 0.2MPa로 가압한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(실시예 10)
가압오븐 내를 5MPa로 가압한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(실시예 11)
열경화성 수지 조성물을 봉지면적에 대하여 20%의 면적이 되도록, 용기 내에 배치한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(실시예 12)
가압오븐 내를 100℃로 승온할 때의 승온속도를 0.3℃/분으로 하고, 열경화성 수지 조성물을 용융한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(실시예 13)
가압오븐 내를 100℃로 승온할 때의 승온속도를 60℃/분으로 하고, 열경화성 수지 조성물을 용융한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(실시예 14)
가압오븐 내를 60℃로 승온하고, 열경화성 수지 조성물을 용융한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(실시예 15)
가압오븐 내를 220℃로 승온하고, 열경화성 수지 조성물을 용융한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(실시예 16)
가압오븐 내를 300Pa까지 감압한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(실시예 17)
가압오븐 내를 50Pa/초로 감압한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(실시예 18)
가압오븐 내를 75,000Pa/초로 감압한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(실시예 19)
가압오븐 내를 0.06MPa로 가압한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(비교예 1)
가압오븐 내를 가열하지 않고, 열경화성 수지 조성물을 용융하는 공정을 포함하지 않는 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(비교예 2)
가압오븐 내를 감압하는 공정을 포함하지 않는 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(비교예 3)
가압오븐 내를 가압하는 공정을 포함하지 않는 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
(비교예 4)
가압오븐 내를 가열하고, 열경화성 수지 조성물을 경화하는 공정을 포함하지 않는 것 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 파워모듈을 얻었다.
[표면보이드의 평가]
실시예 1~19 및 비교예 1~4에서 얻어진 파워모듈에 대하여, 광학현미경을 이용하여, 표면의 보이드의 유무를 확인하였다. 표면의 직경 100μm 이상의 보이드의 수가 2개/cm3 이하를 ◎, 표면의 보이드의 수가 3~5개/cm3를 ○, 표면의 보이드의 수가 6~10개/cm3를 △, 표면의 보이드의 수가 10개/cm3를 초과하는 것을 ×로 하여 표 2에 기재하였다.
[내부보이드의 평가]
실시예 1~19 및 비교예 1~4에서 얻어진 파워모듈에 대하여, 초음파탐사장치를 이용하여 내부의 보이드의 유무를 확인하였다. 내부의 직경 100μm 이상의 보이드의 수가 2개/cm3 이하를 ◎, 내부의 보이드의 수가 3~5개/cm3를 ○, 내부의 보이드의 수가 6~10개/cm3를 △, 내부의 보이드의 수가 10개/cm3를 초과하는 것을 ×로 하여 표 2에 기재하였다.
[히트사이클 시험(내열성)]
실시예 1~19 및 비교예 1~4에서 얻어진 파워모듈에 대하여, 히트사이클 시험(-65℃에서 30분간 유지, 150℃에서 30분간 유지를 1,000사이클 반복한다)에 제공하여, 히트사이클 시험 후의 열경화성 수지 조성물과 DBC절연기판 상의 박리상태를, 초음파탐사장치를 이용하여 확인하였다. 합계 5개의 성형품의, 박리가 보인 성형품을 세었다.
[내습신뢰성 시험]
실시예 1~19 및 비교예 1~4에서 얻어진 파워모듈에 대하여, 내습신뢰성 시험(프레셔쿠커로 121℃, 2.03×105Pa의 포화수증기하에서 48시간 폭로)에 제공하고, 내습신뢰성 시험 후의 열경화성 수지 조성물과 DBC절연기판 상의 박리상태를, 초음파탐사장치를 이용하여 확인하였다. 합계 5개의 성형품의, 박리가 보인 성형품을 세었다.
Figure pat00002
이들 결과로부터, 실시예와 비교예를 비교하면 용융, 감압, 가압, 경화 중 어느 공정이나 결여되면 보이드나 절연기판으로부터의 박리가 보이고, 신뢰성이 우수한 파워모듈을 얻을 수 없는 것을 알 수 있다. 또한, 봉지면적, 승온속도, 가열용융온도, 감압시의 압력, 감압속도, 가압시의 압력을 바람직한 범위 내로 설정한 실시예 1~10과, 이들 파라미터 중의 어느 하나를 바람직한 범위 외로 설정한 실시예 11~19에서는, 모두 본 발명의 파워모듈을 얻을 수 있었지만, 각 파라미터를 바람직한 범위 내로 설정한 실시예 1~10이 보다 좋은 결과를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명은, 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 예시이며, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 동일한 작용효과를 나타내는 것은, 어떠한 것이어도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
1: 복수의 반도체소자가 탑재된 절연기판을 수납한 용기,
2: 본딩와이어, 3: 파워반도체소자, 4: 절연기판, 5: 용기,
6: 열경화성 수지 조성물, 7: 성형용기

Claims (18)

  1. 파워모듈의 제조방법으로서, 하기 (1)~(4)
    (1)복수의 반도체소자가 탑재된 절연기판을 수납한 용기에, 25℃에서 고체의 열경화성 수지 조성물을 배치하는 배치공정,
    (2)이어서, 상기 열경화성 수지 조성물이 배치된 상기 용기를, 가열, 가압, 감압할 수 있는 성형장치 내에 배치하여 가열하고, 상기 열경화성 수지 조성물을 용융하는 용융공정,
    (3)그 후, 상기 성형장치 내를 1회 이상 감압 및 1회 이상 가압하는 가감압공정,
    (4)추가로, 상기 성형장치 내를 가열하여 상기 열경화성 수지 조성물을 경화시키는 경화공정
    의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용융공정(2)에 있어서, 가열온도를 상기 열경화성 수지 조성물의 융점 혹은 연화점 이상으로 하고, 또한 200℃ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용융공정(2)에 있어서, 가열시의 승온속도를 0.5℃/분~50℃/분으로 하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 용융공정(2)에 있어서, 가열시의 승온속도를 0.5℃/분~50℃/분으로 하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가감압공정(3)에 있어서, 감압 및/또는 가압을 2회 이상 반복하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 가감압공정(3)에 있어서, 감압 및/또는 가압을 2회 이상 반복하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 가감압공정(3)에 있어서, 감압 및/또는 가압을 2회 이상 반복하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 가감압공정(3)에 있어서, 감압 및/또는 가압을 2회 이상 반복하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가감압공정(3)의 가압공정에 있어서, 0.1MPa~10MPa로 가압하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 가감압공정(3)의 가압공정에 있어서, 0.1MPa~10MPa로 가압하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 가감압공정(3)의 가압공정에 있어서, 0.1MPa~10MPa로 가압하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 가감압공정(3)의 가압공정에 있어서, 0.1MPa~10MPa로 가압하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 가감압공정(3)의 감압공정에 있어서, 670Pa~90,000Pa로 감압하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 가감압공정(3)의 감압공정에 있어서, 670Pa~90,000Pa로 감압하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 가감압공정(3)의 감압공정에 있어서, 대기압으로부터 설정된 감압도까지의 감압속도를 100~60,000Pa/초로 하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 가감압공정(3)의 감압공정에 있어서, 대기압으로부터 설정된 감압도까지의 감압속도를 100~60,000Pa/초로 하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배치공정(1)에 있어서, 상기 열경화성 수지 조성물을 봉지면적의 30%~95%의 면적이 되도록 배치하는 것을 특징으로 하는 파워모듈의 제조방법.
  18. 열경화성 수지 조성물의 경화물로 봉지된 파워모듈로서, 상기 경화물 중의 직경 100μm 이상의 내부보이드의 수가 10개/cm3 이하인 것을 특징으로 하는 파워모듈.
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