JP2022148684A - 半導体装置 - Google Patents

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Japan
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layer
sealing
semiconductor device
sealing layer
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祐子 仲俣
Yuko Nakamata
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

【課題】 封止材にワレが生じた場合であっても、ワレを通した水分の侵入を防ぐことができる半導体装置。【解決手段】 積層基板１２上に実装された半導体素子１１と導電性接続部材とを、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、前記積層基板１２、前記半導体素子１１、及び前記導電性接続部材を含む被封止部材を封止し、熱硬化性樹脂を含む封止層２０と、前記封止層を被覆し、シリコーンゴムを含む保護層２１とを備え、前記封止層２０の引張強さ×切断時伸びの値Ａ１が、前記保護層２１の引張強さ×切断時伸びの値Ａ２より小さく、Ａ２が１６００ＭＰａ以下である、半導体装置。【選択図】 図１

Description

本発明は半導体装置に関する。本発明は、特には、封止材の剥離やワレを防止した、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に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、リードフレームなどの金属部材の線膨張係数よりも大きい。したがって、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。
半導体素子を封止する第１の封止材と、配線部材を封止する第２の封止材とを備える半導体装置であって、第２の封止材が第１の封止材よりも柔らかいシリコーンゲルで構成される半導体装置が知られている（特許文献１を参照）。特許文献１では、硬い第１の封止材で半導体素子を封止して半導体素子の剥離を抑制するとともに、柔らかい第２の封止材により配線部材に対する熱応力を低減させることを開示している。
半導体素子の周囲を第一の封止樹脂で覆い、その外側を第二の封止樹脂が覆う半導体装置が知られている（特許文献２、３を参照）。特許文献２、３では、第二の封止樹脂として、弾性率が第一の封止樹脂の弾性率よりも小さいシリコーン樹脂やアクリル樹脂等を使用することで、封止樹脂と、封止される部材との間の剥離を防止し、封止樹脂の亀裂発生を防止したことを開示している。
国際公開WO2018/159678 国際公開WO2013/111276 特開2013-4766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、熱応力が繰り返し加わると、モジュール自体が変形（反り、ねじれなど）を繰り返し、封止樹脂にワレなどが生じることがあった。電極近傍にワレが生じると電気的絶縁性が低下し、Ｔｊパワーサイクル耐量が低下するという問題につながる。
ヒートサイクルや吸湿による封止樹脂自体の劣化やヒートサイクルやパワーサイクルなどによる熱応力により封止樹脂にワレ等が入ると、外部からワレ等を通って侵入した水分や腐食性ガスによりチップ及びその周辺の剥離や劣化が加速したり、亀裂進展によるワイヤ断線が生じたりするなどの問題があった。特には、リードフレームやワイヤなどの配線部材やチップ、またはチップを搭載する積層基板表面にプライマー層が設けられる場合に、水分とプライマーと反応してプライマーの剥離、並びに、絶縁不良といった問題を生じる場合があった。
本発明者らは鋭意検討の結果、封止材にワレが生じた場合であっても、ワレを通した水分の侵入を防ぐことができる所定の物性を備える保護層を設けた封止構造とすることにより、従来の封止構造では不可能であった剥離による信頼性低下を防止可能であることに想到し、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、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、前記積層基板、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を封止し、熱硬化性樹脂を含む封止層と、前記封止層を被覆し、シリコーンゴムを含む保護層とを備え、
前記封止層の引張強さ×切断時伸びの値Ａ１が、前記保護層の引張強さ×切断時伸びの値Ａ２より小さく、Ａ２が１６００ＭＰａ以下である、半導体装置に関する。
前記半導体装置において、前記Ａ１及びＡ２が以下の関係
Ａ１＜Ａ２＜Ａ１＊２５
を満たすことが好ましい。
前記半導体装置において、前記保護層が、無機充填材を含むことが好ましい。
前記半導体装置において、前記無機充填材が、板状または鱗片状の無機充填材であることが好ましい。
前記半導体装置において、前記保護層が、２０μｍから１０００μｍの厚さを有することが好ましい。
前記半導体装置において、前記封止層に含まれる熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂であり、前記封止層がエポキシ樹脂の硬化剤をさらに含み、当該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、前記積層基板、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、前記封止層との界面に、プライマー層を備えることが好ましい。
前記半導体装置において、前記プライマー層が、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂及び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、熱硬化性樹脂を含む封止層にワレが生じた場合でも、保護層により水分の浸入を防止し、封止層と被封止部材間の剥離を抑制することができる、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、保護層の弾性率を横軸に、吸湿処理後のパワー半導体モジュールのパワーサイクル耐量（Ｐ／Ｃ耐量）を縦軸にプロットしたグラフである。 図３は、図２から、比較例２、４、実施例６のエポキシ樹脂を除き、横軸の弾性率が４００ＭＰａまでの範囲を拡大して示したグラフを示す。 図４、保護層の引張強さＴ２を横軸に、吸湿処理後のパワー半導体モジュールのＰ／Ｃ耐量を縦軸にプロットしたグラフである。 図５は、図４から、比較例２のエポキシ樹脂を除き、横軸の引張強さが１５ＭＰａまでの範囲を拡大して示したグラフを示す。 図６は、保護層の切断時伸びＥ２を横軸に、吸湿処理後のパワー半導体モジュールのＰ／Ｃ耐量を縦軸にプロットしたグラフである。 図７は、保護層の引張強さ×切断時伸びＡ２を横軸に、吸湿処理後のパワー半導体モジュールのＰ／Ｃ耐量を縦軸にプロットしたグラフである。 図８は、保護層におけるマイカ（白雲母）の添加量を変えて、保護層の引張強さ×切断時伸びＡ２及び吸湿処理後のＰ／Ｃ耐量を評価した結果を示す
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、封止層と、保護層とを備えている。
図１は、本実施形態に係る半導体装置の一例である、パワー半導体モジュールの概念的な断面図を示す。図示するパワー半導体モジュールは、放熱板１３上に半導体素子１１及び積層基板１２を、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、導電性接続部材であるリードフレーム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、導電性接続部材であるアルミワイヤ１４等の被封止部材上に接触して封止層２０が充填されている。さらに、封止層２０と接触して、保護層２１が設けられている。
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、Ｓｉデバイスであってもよく、ＳｉＣデバイス、ＧａＮデバイス、ダイヤモンドデバイス、ＺｎＯデバイスなどのワイドギャップ半導体デバイスであってもよい。また、これらのデバイスを組み合わせて用いてもよい。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、加工性に優れるＣｕ、Ａｌなどの金属材料を用いることができる。また、導電性板は、防錆などの目的で、Ｎｉめっきなどの処理を行ったＣｕ、Ａｌであってもよい。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して機能する。
リードフレーム１８は、半導体素子１１と第２導電性板１２３ｂ等とを接続する導電性接続部材である。具体的には、半導体素子１１の電極（表電極）に、はんだ材などの接合層１７で接合される。また、第２導電性板１２３ｂ等の配線部ともはんだ材などの接合層１７で接合される。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またはＮｉ合金を被覆することもできる。放熱板は、水冷や空冷などの機能を有する冷却器であってもよい。
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。あるいは、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、並びにリードフレーム１８及びアルミワイヤ１４などの導電性接続部材を含む部材を、被封止部材とも指称する。被封止部材上には、封止材が充填される。封止材は、少なくとも封止層２０と保護層２１とを備えている。
封止層２０は、半導体素子１１、積層基板１２、及び導電性接続部材に接触して、あるいはプライマー層（図示せず）を介してこれらの被封止部材の周囲を被覆する。保護層２１は、封止層２０に接触して、封止層２０を覆うように設けられる。保護層２１は、封止層２０の欠陥を補修し、封止層２０への水分の浸入を保護する機能を有する。一般的には、保護層２１は、半導体素子１１、積層基板１２、導電性接続部材などの被封止部材には接触しない。そして、図示する形態のように、封止材がケースに充填される実施形態においては、保護層２１が大気に接触する表面を構成する。封止層２０は大気に接触しないことが好ましい。保護層は、封止層２０の全面を覆ってもよいが、少なくともケースとの境界部及び／または半導体素子１１の上部に配置されることが好ましい。ケースとの境界部は最も熱応力が高くなる箇所であり、半導体素子１１の上部は高温化しやすい箇所だからである。半導体素子１１の上部とは、封止層２０の表面のうち、半導体素子１１の上面電極に概ね対向する部位をいうものとする。半導体素子の上面電極１１とは、半導体素子１１の電極のうち、積層基板１２に接していない側の電極をいうものとする。
封止層２０は熱硬化性樹脂組成物、好ましくはエポキシ樹脂組成物の硬化物である。保護層２１はシリコーンゴムを含む組成物の硬化物である。封止層２０及び保護層２１は、後述する各成分を含んで硬化した状態において、以下の式（１）で表される物性の関係式を充足する。封止層２０の引張強さＴ１（ＭＰａ）と切断時伸びＥ１（％）の積（Ｔ１×Ｅ１）で表されるパラメータをＡ１（ＭＰａ）、保護層２１の引張強さＴ２（ＭＰａ）と切断時伸びＥ２（％）の積（Ｔ２×Ｅ２）で表されるパラメータＡ２（ＭＰａ）とすると、
Ａ１＜Ａ２ （１）
であり、Ａ２が１６００ＭＰａ以下である。このような物性値を満たす封止層２０、保護層２１を設けることで、封止層２０にワレが生じた場合であっても、保護層２１が封止層２０への水分の浸入を防ぎ、絶縁破壊を防いで、半導体装置の信頼性を確保することができる。Ａ１の下限値は特には限定されないが、概ね１０～１５０ＭＰａである。例えば、Ａ１が８０～１５０ＭＰａの場合、Ａ２の上限値は２００～１６００ＭＰａであってよく、２００～１０００ＭＰａであることがより好ましい。
ここで、封止層２０の引張強さＴ１（ＭＰａ）、切断時伸びＥ１（％）の値は、ＪＩＳ Ｋ ７１６１、ＪＩＳ Ｋ ７１６２、ＡＳＴＭ Ｄ ６３８（プラスチック材料の引張強さ）によって測定することができる。また、保護層２１の引張強さＴ２（ＭＰａ）、切断時伸びＥ２（％）の値は、ＪＩＳ Ｋ ６２５１またはＡＳＴＭ Ｄ ４１２（ゴム材料の引張強さ）により測定することができる。
封止層２０と、保護層２１は、以下の式（２）で表される物性の関係式を充足することがさらに好ましい。
Ａ１＜Ａ２＜Ａ１＊２５ （２）
Ａ２の値を、Ａ１の値の２５倍未満とすることで、封止層２０と、保護層２１との界面における剥離を低減することができる。より好ましくは、Ａ２の値を、Ａ１の値の１５倍未満とすることで、剥離をさらに低減することができる。すなわち、封止層２０にワレが生じた場合であっても、保護層２１が封止層２０に追従して伸び、保護層２１と封止層２０との密着性を確保して、保護層２１の外側からの水分の浸入を防ぐことができる。
封止層２０の厚さは、少なくとも半導体素子１１、積層基板１２、導電性接続部材を含む被封止部材を内包し、絶縁封止することができる厚さであることが好ましい。なお、半導体装置の態様により、導電性接続部材やプリント基板の一部が、封止されない構成とすることが望ましい場合もある。保護層２１の厚さは、２０μｍから１０００μｍとすることが好ましく、１００μｍから５００μｍとすることがより好ましい。２０μｍよりも薄いと、封止層２０のワレをカバーしきれない等、保護層２１としての機能を十分に果たせない場合がある。１０００μｍよりも厚いと、熱応力により、封止層２０との間で剥離が生じやすくなる場合がある。保護層２１として機能する層が複数あってもよく、その場合は、総膜厚が、上記範囲内であることが好ましい。
上記の物性の関係式を充足する封止層２０と、保護層２１は、以下の組成を有する樹脂組成物を硬化させて得ることができる樹脂硬化物から選択することができる。
封止層２０は、熱硬化性樹脂主剤と、無機充填材とを含み、任意選択的に硬化剤、硬化促進剤、添加剤を含んでもよい熱硬化性樹脂組成物を硬化して得られる熱硬化性樹脂硬化物であってよい。
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。なお、封止樹脂としては、耐熱性、高絶縁性を要件とするため熱硬化性樹脂が好ましく、特にエポキシ樹脂は高弾性であり好ましい。
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、上記条件を満たすものは、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。
封止層２０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程度であってよいが、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。好ましい態様においては、封止層２０に用いる熱硬化性樹脂主剤は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と脂環式エポキシ樹脂との質量比が、１：１～１：４の混合物である。
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（酸化ケイ素）、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、封止層２０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、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。封止層２０における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。
封止層２０を構成する熱硬化性樹脂組成物には、任意選択的な成分として、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、硬化剤を用いないほうが、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。
封止層２０を構成する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、熱硬化性樹脂主剤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。
封止層２０を構成する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。
保護層２１は、シリコーンゴムを含み、任意選択的に、無機充填材と添加剤を含んでもよいシリコーンゴム硬化物である。シリコーンゴムは、主鎖がシロキサン結合で構成される有機ケイ素ポリマーで、主鎖にＣ－Ｃ結合を含む従来のゴム（有機ゴム）より耐熱性が高く、耐候性、耐薬品性も高い。また、シリコーンゴムは、伸縮疲労性も良好で、発塵も少ないことから半導体モジュールの保護層として好ましい。さらに、シリコーンゴムは、上述の封止層に用いられる熱硬化性樹脂とも密着性が良いため好ましい。シリコーンゴムは、熱硬化後の１分子中のシロキサン結合が５０００～１００００の直鎖構造の分子であってよい。シリコーンゴムは、熱硬化させた後の弾性率が約１０５Ｐａ（０．１ＭＰａ）を超え、１００００ＭＰａ未満程度であることが好ましい。さらに好ましくは保護膜の剛性を維持する点から１MＰａ以上であって、５０００ＭＰａ未満程度が好ましい。また、シリコーンゴムは、１７５℃以上の耐熱性を有することが好ましい。ここでいう耐熱性とは、熱分解しない温度であり、ここでは半導体モジュールとした際、所定温度で６０００時間放置した後に絶縁破壊電圧が低下しないとことをいう。なお、シリコーンゴムには硬化過程により主に縮合反応による室温硬化型、付加反応による熱硬化型やＵＶ硬化型があるが、所定の物性値を有していればこれらの硬化過程の種類によらない。また、シリコーンゴムは、側鎖の種類や構造によりいくつかの種類があるが、本発明の効果を有するためには、側鎖の種類や構造は特に限定されず、所定の物性値Ａ２の条件を満たせばよい。
保護層２１は、任意選択的な成分として無機充填材を含むことが好ましい。無機充填材を含むことにより、Ａ２の値が大きくなり、半導体装置のパワーサイクル耐量を大きくすることができる。無機充填材の添加量は、シリコーンゴム１００質量部に対し、５０質量部から２００質量部とすることが好ましく、５０質量部から１５０質量部とすることがより好ましい。無機充填材の添加量が５０質量部未満、並びに２００質量部を超える場合、Ａ２の値の増加効果が小さく、Ｐ／Ｃ耐量の増加に寄与しない場合がある。
保護層２１に添加する無機充填材を構成する化合物種は、封止層２０に添加する無機充填材と同じ選択肢の範囲から選択することができ、特には限定されない。２種以上の異なる化合物種を混合して用いることもできる。無機充填材の形状は特には限定されず、球形、破砕された形状、繊維状、板状などの無機充填材を用いることができる。中でも、アスペクト比の大きい板状の無機充填材が好ましい。アスペクト比の大きい板状の無機充填材は、保護層にクラックが生じにくく、半導体モジュールの信頼性を向上させる効果があるためである。仮にクラックが入った場合であっても、無機充填材の主面で止まり、それ以上のクラックの成長・伸展を防止する効果がある。本明細書において、板状の無機充填材のアスペクト比は、板状体の主面を構成する長径もしくは長辺の長さをａ、短径もしくは短辺の長さをｂ、板厚さに相当する最短辺の長さをｃ、ｂ≧ａ＞ｃとした場合に、ｂ／ａ、及びａ／ｃの値にて定義することができ、ｂ／ａが１～１００であってよく、１～２０であることが好ましい。かつ、ａ／ｃが１０～１００であってよく、２０～５０であることが好ましい。板状の無機充填材の中でもさらに好ましい態様として鱗片状の無機充填材がある。鱗片状の無機充填材とは、主面の形状が楕円、円、扇型、これらが湾曲してできる形状など、外形の少なくとも一部が、曲線で形成される形状をもつものをいうことができる。鱗片状の無機充填材においては、主面における最長径をＡ、厚さに相当する最短辺の長さをＣとした場合に、Ａ／Ｃが１０～１０，０００であってよく、１００～２，０００であることが好ましい。鱗片状の無機充填材の具体例としては、雲母が挙げられる。
無機充填材の平均粒子径または長径は、例えば、１μｍから５０μｍ程度であることが好ましく、１０μｍから４０μｍ程度であることがより好ましい。分散性の観点からである。なお、板状、鱗片状などの無機充填材における長径とは、主面の最長径ａまたはＡであってよい。
保護層２１にも、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等が挙げられるが、これらには限定されない。
封止材は、先のパラメータＡ１、Ａ２の条件を満たす封止層２０と保護層２１とが接して配置されていればよく、保護層２１が、シリコーンゴムを含み、先のパラメータＡ１、Ａ２の関係式を満たす物性値を有する複数の層を備えていてもよい。例えば、図示する保護層２１のさらに外側（封止層２０とは反対側の主面）に、第２の保護層を備えていてもよく、第２の保護層のさらに外側に第３の保護層を備えていてもよい。そして、第２の保護層、第３の保護層の材料組成はいずれも保護層２１の材料組成を満たし、かつ、第２の保護層のパラメータをＡ３、第３の保護層のパラメータをＡ４とした場合に、Ａ２＜Ａ３＜Ａ４の関係式を満たすことが好ましく、Ａ２＜Ａ３＜Ａ４＜Ａ１＊２５の関係式を満たすことがより好ましい。例えば、保護層２１を、無機充填材を含まないシリコーンゴム硬化物とし、第２、第３の保護層を、無機充填材を含むシリコーンゴム硬化物とすることができるが、特定の組成には限定されない。また、封止層２０も、先に定義した熱硬化性樹脂硬化物であって、先のパラメータＡ１、Ａ２の関係式を満たす物性値を有する複数の層を備えていてもよい。
次に、図示するパワー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、ケース１６内に、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、９０～１２０℃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時間にわたり加熱を実施することができる（本硬化）。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。
次いで、ケース１６内の封止層２０に接するように、保護層２１を構成するシリコーンゴム組成物を塗布し形成し、硬化させる。室温硬化型のシリコーンゴム組成物の場合は、湿気による縮合反応によって硬化するので、室温（約１５℃から２５℃）で、湿度約４０％ＲＨから６０％ＲＨの恒温恒湿下で所定時間（例えば、１日から１週間程度）保持してもよい。また、加熱硬化型の場合は、およそ１００℃から２００℃で、０．５時間から５時間程度保持してもよく、複数の加熱工程を有してもよい。しかし、硬化の条件は、特定の温度、湿度、時間には限定されない。なお、保護層２１の態様により、封止層２０を完全に硬化した後に、保護層２１を形成する場合もあるし、封止層２０を仮硬化した状態で保護層２１を形成する場合もある。また、保護層２１が、複数の層を備える場合の積層と硬化の順序は、保護層を複数積層してから硬化させても、各保護層を硬化させてから積層してもよい。
図示するパワー半導体モジュールの変形形態として、積層基板、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、封止材との界面に、プライマー層を備えていてもよい。プライマー層は、封止材と被封止部材との界面において密着性を確保する観点から好ましく用いられる場合がある。プライマー層は、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。プライマー層の厚さは、密着性を付与することができる厚さであれば特には限定されない。プライマー層の厚さは、例えば、１～２０μｍ程度とすることができ、１～１０μｍとすることが好ましい。前記範囲においては、プライマー層が応力緩和の効果も有することから、密着性を向上することができるので、より好ましい。プライマー層は、図１に示す半導体素子１１、積層基板１２、リードフレーム１８、アルミワイヤ１４の表面全体を被覆するように設けることができる。
プライマー層を備えるパワー半導体モジュールの製造方法は、被封止部材を組み立てた後、封止材を注入する前に、プライマー層を形成する。プライマー層は、図１に示す半導体素子１１、リードフレーム１８、積層基板１２、アルミワイヤ１４、ケース１６を含む被封止部材の全面に、例えばスプレー塗布、浸漬方式やディスペンサーによる塗布等により設けることができる。プライマー層の形成後は、窒素ガスを導入したイナートオーブン中で、段階的に７０～１００℃で、６０分～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、リードフレーム１８を構成するＣｕを加熱し、溶媒を気化させプライマーを固体化することができる。プライマー層の形成後は、図１に示すパワー半導体モジュールの製造方法と同様に、封止材による絶縁封止を行うことができる。
図示したパワー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。導電性接続部材がインプラントピンを備えるモジュールにおいてプライマー層を設ける場合、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る。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プライマー層を設ける場合、ワイヤ表面にプライマー層を形成することができる。
また、ケースを備えないケースレスのパワー半導体モジュールであってもよい。ケースレスのパワー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のリードフレーム及び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メッキ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。かかる態様のパワー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、封止層を構成する熱硬化性樹脂組成物を金型に充填して仮硬化する。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、ポッティングなどが挙げられるが、所定の成形法には限定されない。次いで、シリコーンゴム組成物を、スプレーやディスペンサーにより塗布することにより保護層を形成し、本硬化する。ケースレスのパワー半導体モジュールにおいても、封止層は大気に接触せず、保護層で覆われる態様とすることが好ましい。ケースレスのパワー半導体モジュールにおいても、所定の物性条件を満たす保護層を、封止層の表面に形成することにより、封止層にワレが生じた場合であっても、保護層により封止層への水分浸入を防止し、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
本実施形態に係る半導体装置によれば、封止材の一部にワレが生じた場合であっても、保護層として機能する保護層により水分の浸入を防止し、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
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。
１．保護層の機械的特性と信頼性（Ｐ／Ｃ耐量）
図１に示す封止層、保護層の二層封止構造を持つパワー半導体モジュールを、保護層の材料を変えて製造し、吸湿処理を行った上で、信頼性を評価した。また、各実施例、比較例に使用した封止層、保護層を構成する樹脂硬化物の物性を評価し、信頼性との関連を調べた。
封止層はエポキシ樹脂硬化物とした。エポキシ樹脂主剤としては、エポキシ樹脂ＭＥ－２７６（ペルノックス（株）社製）を用い、酸無水物系硬化剤として、ＭＶ－１３８（ペルノックス（株）社製）を主剤１００質量部に対して、１２１質量部添加した。無機充填材は、平均粒子径が１０μｍの球状シリカ（ＡＧＣ（株）社製）を用い、エポキシ樹脂の主剤と硬化剤の総質量を１００質量部とした場合に、２７０質量部添加した。
保護層は、無機充填材を添加せず、表１、２に示す各材料を用いて製造した。また、実施例７においては、主成分がポリアミドであるハイマルＨＬ１２００Ｆ（昭和電工マテリアルズ）からなる１０μｍのプライマー層を、積層基板、半導体素子、リードフレーム、ワイヤ、及びケース上に形成した。
Figure 2022148684000002
Figure 2022148684000003
実施例・比較例のパワー半導体モジュールの製造は、被封止部材を組み立てた後、実施例７についてはプライマー層を形成した。プライマー層の形成後は、窒素ガスを導入したイナートオーブン中で、１００℃で、６０分加熱し、さらに２００℃で、６０分加熱した。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等を構成するＣｕを加熱し、プライマー層とＣｕとの反応が促進し、プライマー層とリードフレーム等との密着性を向上させた。次いで、ケース１６内に、封止層２０を構成する上述の熱硬化性樹脂組成物を注入し、加熱硬化した。加熱硬化の工程は、１２０℃で１時間加熱して半硬化状態とし、さらに、１７５℃で１時間にわたり加熱を実施した。次いで、保護層を構成するシリコーンゴム組成物をディスペンサーで塗布し、硬化させた。硬化の条件は下記の表３の通りとした。
Figure 2022148684000004
製造されたパワー半導体モジュールは、８５℃、８５％ＲＨで３００時間静置することにより吸湿処理を行った。吸湿処理は、製造直後のパワー半導体モジュールではなく、製造後、製品の飽和吸水と同程度の吸湿条件を再現するために行った。なお、製品を構成する封止材やケース材は水を吸う性質があるが、飽和吸水とは、吸水率がほぼ飽和に達した状態をいう。次いで、吸湿処理後のパワー半導体モジュールの信頼性を、Ｔｊパワーサイクル耐量（ＴｊＰ／Ｃ耐量）により評価した。パワーサイクル試験は、４０～１７５℃（ΔＴｊ１３５℃）で、通電運転２秒、休止９秒の条件を１サイクルとして、電気特性が異常値になるまでのサイクル数を調べた。十分な信頼性を得るためには、５０ｋサイクル以上が必要とされる。絶縁性は絶縁試験により評価した。具体的には、通常取り扱う電圧の１０倍から２０倍の交流電圧または直流電圧で、規定された電圧を規定された時間印加したとき、絶縁破壊（オームの法則に従わない急激な電流の増加）を起こさなければ、その絶縁物は十分な絶縁耐力を持つと判断した。
表１、２に実施例・比較例の保護層（保護層）における弾性率、引張強さＴ２、切断時伸びＥ２、強度×切断時伸びＡ２、絶縁性及び膜厚と、ＴｊＰ／Ｃ耐量、信頼性の評価結果を示す。なお、ＴｊＰ／Ｃ耐量の単位は、ｋサイクルである。封止層は、全ての実施例、および比較例において、比較例２と同じ材料を共通して用いており、引張強さＴ１が１００ＭＰａ、切断時伸びＥ１が１％、強度×切断時伸びＡ１が１００ＭＰａであった。
（１）保護層の弾性率と信頼性
実施例１～７、比較例１～５について、保護層の弾性率を横軸に、信頼性（Ｐ／Ｃ耐量）を縦軸にプロットして評価した。図２は弾性率が０から１００００ＭＰａの範囲にある実施例、比較例を示し、図２中、白丸〇は比較例２のエポキシ樹脂を保護層とした場合の結果を示す。図３は、図２の中で弾性率が小さい範囲、０から４００ＭＰａの範囲にある実施例、比較例を示す。したがって、図３は、図２から、比較例２のエポキシ樹脂、実施例６、及び比較例４を除いた部分に該当する。図２、３から、各種保護層の弾性率と信頼性（Ｐ／Ｃ耐量）は明確な相関がないことが示された。
（２）保護層の引張強さと信頼性
実施例１～７、比較例２、５について、保護層の引張強さを横軸に、信頼性（Ｐ／Ｃ耐量）を縦軸にプロットして評価した。図４は引張強さが０から１５０ＭＰａの範囲にある実施例、比較例を示し、図４中、白菱形◇は比較例２のエポキシ樹脂を保護層とした場合の結果を示す。図５は、図４の中で引張強さが小さい範囲、０から１５ＭＰａの範囲にある実施例、比較例を示す。したがって、図５は、図４から、比較例２のエポキシ樹脂を除いた部分に該当する。図４、５から、各種保護層の引張強さと信頼性（Ｐ／Ｃ耐量）も相関がないことが示された。
（３）保護層の切断時伸びと信頼性
実施例１～７、比較例２、５について、保護層の切断時伸びを横軸に、信頼性（Ｐ／Ｃ耐量）を縦軸にプロットして評価した。図６に結果を示す。図６から、各種保護層の切断時伸びと信頼性（Ｐ／Ｃ耐量）も明確な相関がないことが示された。
（４）保護層の「引張強さ×切断時伸びＡ２」と信頼性
実施例１～７、比較例２、５について、保護層の「引張強さ×切断時伸び」を横軸に、信頼性（Ｐ／Ｃ耐量）を縦軸にプロットして評価した。図７に結果を示す。図７中、白丸〇は比較例２のエポキシ樹脂を保護層とした場合の結果を示す。図７から、保護層の「引張強さ×切断時伸びＡ２」と信頼性（Ｐ／Ｃ耐量）には相関がみられた。封止層の「引張強さ×切断時伸びＡ１」は、比較例２の値と同じであり、図７より、Ａ１＜Ａ２の条件を満たす場合に、Ｐ／Ｃ耐量が好ましい基準を上回り、十分な信頼性が得られることが示された。また、特に、Ａ２が、Ａ１の１５倍未満の場合に、Ｐ／Ｃ耐量が２４０ｋサイクルを超え、高い信頼性が得られることがわかった。つまり、Ａ２が増加すれば、信頼性は単調に増加するわけではなく、大きすぎても信頼性は向上せず、好適な範囲があることがわかった。具体的には、Ａ２が２００から１６００ＭＰaの場合、保護膜がない場合に比べて、Ｐ／Ｃ耐量は５倍以上向上し、さらに、Ａ２が概ね２００から１０００ＭＰaの場合は１０倍以上向上することがわかった。なお、Ａ２が概ね２００から１６００ＭＰaの場合はＡ２が、Ａ１の２５倍未満の場合に相当する。この結果は、保護層は引張強さと切断時伸びの積が大きいほどモジュールとしての信頼性は向上することを示している。これは、保護層に熱応力が働き、曲げ応力が加わった際、直ぐに割れない引張強さと、一定応力が加わっても容易に伸びたり割れたりせずに耐え（引張強さ）、割れずに伸びる延性を有する（切断時伸び）の両方の特性を備えることによって信頼性を向上させることができると推定される。つまり、本発明によれば保護層自体がワレを生じたりせずに封止層を保護することができると推定される。
従来技術によるエポキシ樹脂のみからなる封止材で封止したパワー半導体モジュールは、経時的な使用により熱応力が印可されると変形を繰り返し、特にリードフレームの端部から上方に、あるいは半導体素子の周囲部分から上方に向けてワレが発生する傾向があった。なお、ここでいう上方とは、半導体素子から、積層基板と反対側へ向かう向きをいう。このようなワレから水分が侵入し、リードフレーム部分や半導体素子の部分での絶縁破壊に繋がることが多かった。本実施例によれば、所定の物性条件を満たす封止層、保護層を用いることにより、十分なＰ／Ｃ耐量を得ることができた。
２．保護層の厚さと信頼性（Ｐ／Ｃ耐量）
実施例４の保護層材料を使用し、保護層の厚さを変えて、吸湿処理後のＰ／Ｃ耐量を評価した。剥離は超音波探傷装置（ＳＡＴ）により評価した。結果を表４に示す。表４より、保護層の厚さが１．５ｍｍ以上になると、保護層と封止樹脂層の界面付近で、熱応力による剥離が生じた。一方、２０μｍと薄すぎると、エポキシ樹脂のワレをカバーしきれない場合があり、また保護層が薄い箇所ができ、Ｐ／Ｃ耐量は劣る場合がある。なお、Ｐ／Ｃ耐量は２０ｋサイクル以上が必要であり、１００ｋ以上が望ましい。そのため、１００ｋサイクル以上の場合を判定〇とし、２０ｋサイクル以上１００ｋサイクル未満の場合を△とした。保護膜厚が２０μｍ、１．５ｍｍの場合は５０ｋサイクルであり、△と判定した。また、剥離の判定は、主に、リードフレーム等の配線部材や半導体素子や積層基板等の被封止部材の表面と封止層の界面近傍や封止層と保護層の界面近傍において、ＳＡＴ（超音波探傷検査:Scanning Acoustic Tomography）及び断面ＳＥＭ（走査電子顕微鏡：Scanning Electron Microscope）により観察評価し、大きさが１０μｍ以上の剥離がない場合を〇、１０μｍ以上３０μｍ未満の大きさの剥離が３か所未満の場合を△とした。表４より保護膜の厚さは１００μｍから１ｍｍがより好ましいことがわかった。なお、剥離判定が△の場合も、剥離判定が〇の場合と同様に半導体モジュールとしても電気的特性は良好であった。
Figure 2022148684000005
３．保護層への無機充填材の添加効果
実施例４の保護層材料を使用し、異なる種類の無機充填材を種々の量で添加して、パラメータＡ２及び吸湿処理後のＰ／Ｃ耐量を評価した。使用した無機充填材のうち、ＳｉＯ２は平均粒子径が３０μｍの球状シリカ、マイカ（白雲母）は先に定義したａ、ｂ、ｃがそれぞれ５０、２００、２の板状体であり、マイカ（金雲母）は先に定義したＡ、Ｃがそれぞれ２１０、２の鱗片状体であった。評価結果を表５に示す。添加量は、保護層を構成するシリコーンゴムを１００質量部とした場合の質量部で示す。
Figure 2022148684000006
表５より、球状の無機充填材よりも鱗片状、板状の無機充填材（雲母系）のほうがパラメータＡ２の値が大きく、Ｐ／Ｃ耐量も大きいことが確認された。板状、鱗片状の無機充填材を添加した場合、保護層にクラックが入りにくく、保護層自体がワレ難くなりためと推定される。
次に、保護層におけるマイカ（白雲母）の添加量を変えて保護層の引張強さ×切断時伸びＡ２及び吸湿処理後のＰ／Ｃ耐量を評価した。結果を図８に示す。図８から、無機充填材の添加量は、保護層を構成するシリコーンゴムを１００質量部とした場合に、５０から２００質量部とすることが好ましいことが確認された。少ないと効果が低く、多すぎると、「引張強さ×切断時伸び」が低下した。
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 接合層、１８ リードフレーム
２０ 封止層、２１ 保護層
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に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（シリコンカーバイド）半導体が用いられている。
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、保護層の弾性率を横軸に、吸湿処理後のパワー半導体モジュールのパワーサイクル耐量（Ｐ／Ｃ耐量）を縦軸にプロットしたグラフである。 図３は、図２から、比較例２のエポキシ樹脂、比較例４、実施例６を除き、横軸の弾性率が４００ＭＰａまでの範囲を拡大して示したグラフを示す。 図４、保護層の引張強さＴ２を横軸に、吸湿処理後のパワー半導体モジュールのＰ／Ｃ耐量を縦軸にプロットしたグラフである。 図５は、図４から、比較例２のエポキシ樹脂を除き、横軸の引張強さが１５ＭＰａまでの範囲を拡大して示したグラフを示す。 図６は、保護層の切断時伸びＥ２を横軸に、吸湿処理後のパワー半導体モジュールのＰ／Ｃ耐量を縦軸にプロットしたグラフである。 図７は、保護層の引張強さ×切断時伸びＡ２を横軸に、吸湿処理後のパワー半導体モジュールのＰ／Ｃ耐量を縦軸にプロットしたグラフである。 図８は、保護層におけるマイカ（白雲母）の添加量を変えて、保護層の引張強さ×切断時伸びＡ２及び吸湿処理後のＰ／Ｃ耐量を評価した結果を示す。
封止層２０は、半導体素子１１、積層基板１２、及び導電性接続部材に接触して、あるいはプライマー層（図示せず）を介してこれらの被封止部材の周囲を被覆する。保護層２１は、封止層２０に接触して、封止層２０を覆うように設けられる。保護層２１は、封止層２０の欠陥を補修し、封止層２０への水分の浸入を保護する機能を有する。一般的には、保護層２１は、半導体素子１１、積層基板１２、導電性接続部材などの被封止部材には接触しない。そして、図示する形態のように、封止材がケースに充填される実施形態においては、保護層２１が大気に接触する表面を構成する。封止層２０は大気に接触しないことが好ましい。保護層は、封止層２０の全面を覆ってもよいが、少なくともケースとの境界部及び／または半導体素子１１の上部に配置されることが好ましい。ケースとの境界部は最も熱応力が高くなる箇所であり、半導体素子１１の上部は高温化しやすい箇所だからである。半導体素子１１の上部とは、封止層２０の表面のうち、半導体素子１１の上面電極に概ね対向する部位をいうものとする。半導体素子１１の上面電極とは、半導体素子１１の電極のうち、積層基板１２に接していない側の電極をいうものとする。
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。
保護層２１にも、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、着色するための顔料等が挙げられるが、これらには限定されない。
次に、図示するパワー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、ケース１６内に、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、９０～１２０℃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時間にわたり加熱を実施することができる（本硬化）。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。
本実施形態に係る半導体装置によれば、封止材の一部にワレが生じた場合であっても、保護層により水分の浸入を防止し、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
表１、２に実施例・比較例の保護層における弾性率、引張強さＴ２、切断時伸びＥ２、強度×切断時伸びＡ２、絶縁性及び膜厚と、ＴｊＰ／Ｃ耐量、信頼性の評価結果を示す。なお、ＴｊＰ／Ｃ耐量の単位は、ｋサイクルである。封止層は、全ての実施例、および比較例において、比較例２と同じ材料を共通して用いており、引張強さＴ１が１００ＭＰａ、切断時伸びＥ１が１％、強度×切断時伸びＡ１が１００ＭＰａであった。
従来技術によるエポキシ樹脂のみからなる封止材で封止したパワー半導体モジュールは、経時的な使用により熱応力が印加されると変形を繰り返し、特にリードフレームの端部から上方に、あるいは半導体素子の周囲部分から上方に向けてワレが発生する傾向があった。なお、ここでいう上方とは、半導体素子から、積層基板と反対側へ向かう向きをいう。このようなワレから水分が侵入し、リードフレーム部分や半導体素子の部分での絶縁破壊に繋がることが多かった。本実施例によれば、所定の物性条件を満たす封止層、保護層を用いることにより、十分なＰ／Ｃ耐量を得ることができた。
２．保護層の厚さと信頼性（Ｐ／Ｃ耐量）
実施例４の保護層材料を使用し、保護層の厚さを変えて、吸湿処理後のＰ／Ｃ耐量を評価した。剥離は超音波探傷装置（ＳＡＴ）により評価した。結果を表４に示す。表４より、保護層の厚さが１．５ｍｍ以上になると、保護層と封止層の界面付近で、熱応力による剥離が生じた。一方、２０μｍと薄すぎると、エポキシ樹脂のワレをカバーしきれない場合があり、また保護層が薄い箇所ができ、Ｐ／Ｃ耐量は劣る場合がある。なお、Ｐ／Ｃ耐量は２０ｋサイクル以上が必要であり、１００ｋ以上が望ましい。そのため、１００ｋサイクル以上の場合を判定〇とし、２０ｋサイクル以上１００ｋサイクル未満の場合を△とした。保護膜厚が２０μｍ、１．５ｍｍの場合は５０ｋサイクルであり、△と判定した。また、剥離の判定は、主に、リードフレーム等の配線部材や半導体素子や積層基板等の被封止部材の表面と封止層の界面近傍や封止層と保護層の界面近傍において、ＳＡＴ（超音波探傷検査:Scanning Acoustic Tomography）及び断面ＳＥＭ（走査電子顕微鏡：Scanning Electron Microscope）により観察評価し、大きさが１０μｍ以上の剥離がない場合を〇、１０μｍ以上３０μｍ未満の大きさの剥離が３か所未満の場合を△とした。表４より保護膜の厚さは１００μｍから１ｍｍがより好ましいことがわかった。なお、剥離判定が△の場合も、剥離判定が〇の場合と同様に半導体モジュールとしての電気的特性は良好であった。

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、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、前記積層基板、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を封止し、熱硬化性樹脂を含む封止層と、前記封止層を被覆し、シリコーンゴムを含む保護層とを備え、
    前記封止層の引張強さ×切断時伸びの値Ａ１が、前記保護層の引張強さ×切断時伸びの値Ａ２より小さく、Ａ２が１６００ＭＰａ以下である、半導体装置。
  2. 前記Ａ１及びＡ２が以下の関係
    Ａ１＜Ａ２＜Ａ１＊２５
    を満たす、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記保護層が、無機充填材を含む、請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記無機充填材が、板状または鱗片状の無機充填材である、請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記保護層が、２０μｍから１０００μｍの厚さを有する、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記封止層に含まれる熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂であり、前記封止層がエポキシ樹脂の硬化剤をさらに含み、当該硬化剤が酸無水物系硬化剤である、請求項３～５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記積層基板、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、プライマー層を備える、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、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂及び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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