JP6349903B2 - 半導体装置 - Google Patents

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本発明は、高温動作時にも高い信頼性を有する半導体装置に関する。
近年、半導体パッケージ材料において、高温・高湿下での安定性や信頼性に優れた耐熱性が求められている。例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、電鉄、分散電源ではインバーターにパワー半導体が多く使われているが、パワー密度の向上が著しく、パッケージ材料は高温に晒される。また、カーエレクトロニクス分野で用いられる通常の半導体チップを使用するエレクトロニクスコントロールユニット（ＥＣＵ）も、これまで車室内に搭載されていたが、より環境の厳しいエンジンルーム内へ搭載される方向にあり、より高い耐熱性が要求されている。さらに、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）半導体も適用され始め、２００℃以上で高温動作させる用途も今後増えると予想される。
このような使用条件下でもパワー半導体装置の信頼性が損なわれないことが重要である。特に、半導体チップからの放熱性や、チップ接合材の接続信頼性等の確保が重要である。このため、特許文献１に示すような、半導体チップやワイヤ等を含む基板全体をトランスファーモールド樹脂によって封止することにより、シリコン半導体チップの放熱性と接合材の熱疲労に対する信頼性を向上した半導体装置が提案されている。
特開２００４−１６５２８１号公報
しかし、２００℃以上では樹脂の分解等による劣化が進みやすいため、封止材（以下、「封止樹脂硬化物」という。）等の機械特性の劣化等が懸念されている。また、高温では接着力も低下しやすいため、半導体素子やリードフレーム等から封止樹脂硬化物が剥離することが懸念される。
また、半導体素子の接合材としてはんだは広く使用されているが、はんだは溶融温度以下の温度でも、長時間高温に晒されることで金属間化合物の生成等によって劣化しやすい。そのため、２００℃以上の高温環境下でのはんだの接続信頼性が懸念されている。
そこで、本発明ではこれらの課題を解決し、高温環境下での信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とした。
本発明は以下のとおりである。
［１］半導体素子と、この半導体素子と接合されるリードフレームと、前記半導体素子とリードフレームとを接合する接合材と、前記半導体素子と接合材と一部のリードフレームとを封止する封止樹脂硬化物と、を有する半導体装置であって、前記接合材は銀粒子焼結体を含み、前記封止樹脂硬化物のガラス転移温度は２００℃以上、５０℃での弾性率は１０〜２０ＧＰａ、ガラス領域における線膨張係数は９×１０−６〜２４×１０−６／℃である半導体装置。
［２］銀粒子焼結体を含む接合材の緻密度は５０〜１００％である、項１に記載の半導体装置。
［３］銀粒子焼結体を含む接合材の厚さは５〜５０μｍである、項１または２に記載の半導体装置。
［４］封止樹脂硬化物がエポキシ樹脂と無機フィラーとを含有する熱硬化性樹脂の硬化物である、項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
［５］封止樹脂硬化物がトランスファーモールド工程によって封止されてなる、項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
［６］プライマー樹脂をさらに含む半導体装置であって、半導体素子のリードフレームとの接合面とは反対側の表面にプライマー樹脂が形成されている項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
［７］プライマー樹脂のガラス転移温度が２００℃以上である、項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
［８］プライマー樹脂の厚さが０．１〜２０μｍである、項１〜７のいずれか一項に記載の半導体装置。
［９］プライマー樹脂がポリアミド樹脂またはポリアミドイミド樹脂である、項１〜８のいずれか一項に記載の半導体装置。
［１０］プライマー樹脂が熱可塑性樹脂である、項１〜９のいずれか一項に記載の半導体装置。
本発明によれば、高温環境下での信頼性に優れた半導体装置を提供できる。
本発明にかかるＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージの断面模式図である。 本発明にかかるＳｉ ＴＥＧパッケージの断面模式図である。
本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
また本明細書において「〜」は、その前後に記載される数値をそれぞれ最小値および最大値として含む範囲を示すものとする。
さらに本明細書において組成物中の各成分の量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。
以下、本発明の実施形態の例を説明する。
本実施の形態において、リードフレームの一部であるヒートブロックおよびアウターリードは、Ｃｕ等の金属で構成されている。ヒートブロックおよびアウターリードは、酸化防止や接合材との接着力を向上させるために、ＮｉやＡｇ等のめっきが施されていてもよい。また、ヒートブロックやアウターリードの一部にめっきが施されていてもよく、例えば、全面にＮｉめっきが施されているが、接合部分のみＡｇめっきが施されていてもよい。本発明での半導体素子とリードフレームとの接合は、銀粒子の焼結現象を利用しているため、ヒートブロックの接合部分にはＡｇめっきが施されているほうが、ＮｉめっきやＣｕの場合よりも接合材の接着力は向上できる。また、ヒートブロックおよびアウターリードの一部は封止されるため、封止樹脂硬化物との接着力向上を目的に、めっきの種類を選択してもよい。
半導体素子はリードフレームの一部であるヒートブロックに接合される。本発明の接合材には、銀粒子接着剤組成物の焼結現象を利用して生成する銀粒子焼結体を含む焼結銀接合材（以下、単に「接合材」ということがある。）を用いる。通常、はんだによって接合されるが、はんだよりも高い耐熱性を有する焼結銀接合材を用いることで、半導体素子が高温で動作する場合、あるいは半導体装置が高温に晒される環境においても、高い接続信頼性が得られる。さらに、焼結銀接合材は、主に銀から構成されるために、はんだよりも熱伝導率が高く、電気伝導率も高い。その結果、焼結銀接合材によって半導体素子を接合した半導体装置は、同じ電流を通電した場合では、はんだ接合した半導体装置よりも、半導体素子の熱を放熱しやすくなり、かつ順方向電圧が低下する。その結果、放熱性が高く、かつチップ周辺のジュール熱発生量が低下するために、半導体素子の到達する最大ジャンクション温度（Ｔｊｍａｘ）が低くなる。
ヒートブロック上への銀粒子接着剤組成物層の形成方法は、スクリーン印刷のような通常の印刷方法で形成してもよく、スプレーのような塗布方法で形成してもよく、予め溶媒を乾燥させた銀粒子の凝集体を設置してもよい。この銀粒子接着剤組成物層に半導体素子を設置し、加圧状態あるいは無加圧状態にて加熱することで銀粒子接着剤組成物を焼結させ、銀粒子焼結体を含む焼結銀接合材を得ることができる。
本発明では、一例として加圧状態にて加熱した焼結銀接合材について記載しているが、加圧条件は０．１〜３０ＭＰａの範囲および温度条件は１５０〜３００℃の範囲によって焼結銀接合材を得ることができる。さらに、加圧の圧力が高いほど、加熱温度が高いほど、焼結銀の緻密度が向上し、すなわち接合材中の残留空孔の総体積が減少する。得られた焼結銀接合材の緻密度は５０〜１００％の範囲が好ましく、６０〜９９％の範囲がより好ましく、６５〜９９％の範囲がさらに好ましく、７０〜９８％の範囲が特に好ましい。この範囲よりも焼結銀接合材の緻密度が低い場合には、焼結銀接合材の機械的強度が低くなりすぎ、接続信頼性が低下すると考えられる。また、この範囲よりも焼結銀接合材の緻密度が高い場合には、接合にさらに高温や高圧力が必要となり、半導体素子の劣化や機械的ダメージが懸念される。
焼結銀接合材の緻密度は、接合材の断面観察によって評価することができる。まず、パッケージを切断し、その断面を鏡面研磨する。さらに、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ、株式会社日立製作所製ＦＢ−２０００Ａ）装置やＣＰ（Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｐｏｌｉｓｈｅｒ）装置、イオンミリング装置によって断面加工することが望ましい。これらの加工によって、平滑で加工歪やだれの無い断面を得ることができる。その後、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）やＳＩＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、接合材の断面を観察することで、焼結過程で接合材中に残存した空隙（残留空孔）の分布を観察することができる。ＳＥＭやＳＩＭによって観察した画像において、画像処理ソフトによって残留空孔を黒く塗りつぶし、焼結銀部分を白く塗りつぶし、画像を２値化した。２値化した接合材部分に対する白い部分（焼結銀部分）の面積比率を焼結銀の緻密度として評価した。
焼結銀接合材の厚さは５〜５０μｍの範囲が好ましく、８〜５０μｍの範囲がより好ましく、１０〜４０μｍ以下の範囲がさらに好ましく、１５〜４０μｍの範囲が特に好ましい。この範囲よりも焼結銀接合材が薄い場合には、焼結銀接合材の応力や塑性ひずみが大きくなりやすく、焼結銀接合材が劣化しやすくなる。また、この範囲よりも厚い焼結銀接合材を得るには、印刷等では厚い銀粒子接着剤組成物層の形成が困難となる。そのため、この範囲よりも焼結銀接合材が厚い場合は、銀粒子接着剤組成物層の形成方法に制約が生じるために好ましくない。
半導体素子のヒートブロック（リードフレームの一部）との接合面とは反対側の面には、ワイヤボンディングやリボンボンディング等によって配線材が接続される。あるいはアウターリードをはんだ等の接合材によって接続してもよい。ワイヤやリボンはＡｌやＣｕ等の金属が通常用いられるが、半導体素子に損傷を与えずに配線材を接続させる方法であれば、特に限定されない。
半導体素子と焼結銀接合材、配線材、ヒートブロックの一部とアウターリードの一部は封止樹脂硬化物によって封止される。半導体素子はＳｉの場合が多く、その線膨張係数は約３×１０−６／℃と小さい。一方、リードフレームや配線材はＣｕやＡｌの場合が多く、線膨張係数はそれぞれＣｕが１７×１０−６／℃、Ａｌが２４×１０−６／℃と大きい。これら線膨張係数の差によって生じる熱応力によって、接合材の劣化や配線材接続部の劣化、半導体素子の劣化が発生する。封止樹脂硬化物は、配線材やヒートブロック等の線膨張係数の大きな材料の熱変形を抑制し、さらに半導体素子のように線膨張係数の小さな材料を熱変形しやすくする効果がある。その結果、線膨張係数によって生じる熱応力が低減し、接合材や配線材接続部、半導体素子の劣化が抑制されるため、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
本発明の接合材である焼結銀接合材を用いた場合、半導体装置の高温信頼性を向上できる封止樹脂硬化物の弾性率（「Ｅ」ということがある。）および線膨張係数（「ＣＴＥ」ということがある。）の範囲を見出した。５０℃での弾性率は１０〜２０ＧＰａの範囲が好ましく、１０〜１９ＧＰａの範囲がより好ましく、１１〜１８ＧＰａの範囲がさらに好ましく、１２〜１７ＧＰａの範囲が特に好ましい。この範囲よりも低い弾性率では封止樹脂硬化物以外の部材の熱変形を抑制するには不十分であり、この範囲よりも高い弾性率では接合材への応力が高まりすぎるため、接合材の劣化を進行しやすくすると考えられる。
封止樹脂硬化物のガラス転移温度以下、即ちガラス領域での線膨張係数は９×１０−６〜２４×１０−６／℃以下の範囲が好ましく、９×１０−６〜２２×１０−６／℃の範囲がより好ましく、１０×１０−６〜２０×１０−６／℃の範囲がさらに好ましく、１１×１０−６〜１８×１０−６／℃の範囲が特に好ましい。この範囲よりも低い線膨張係数ではリードフレームやワイヤ等の金属材料の線膨張係数と封止樹脂硬化物の線膨張係数の差が大きくなりすぎ、例えばワイヤ接続部の劣化が進行しやすくなる。また、この範囲よりも大きい線膨張係数では半導体素子と封止樹脂硬化物の線膨張係数の差が大きくなり過ぎ、半導体素子あるいは接合材の劣化が進行しやすくなり、半導体装置の信頼性を低下させる傾向がある。
封止樹脂硬化物のガラス転移温度（「Ｔｇ」ということがある。）は、１９５℃以上が好ましく、２００℃以上がより好ましく、２０５℃以上がさらに好ましく、２１０℃以上が特に好ましい。この範囲よりも低いガラス転移温度では、２００℃を超える温度環境において、弾性率の低下や線膨張係数の増加が発生し、前述の好ましい範囲からずれる傾向があり、好ましくない。
封止樹脂硬化物は、エポキシ樹脂と無機フィラーとを含有する熱硬化性樹脂（封止樹脂）の硬化物であるものを用いることができる。
封止樹脂に用いるエポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールＡ型、ビスフェノールＦ型、ビスフェノールＳ型、ナフタレン型、フェノールノボラック型、クレゾールノボラック型、ジヒドロキシベンゼンノボラック型、フェノールアラルキル型、ビフェニル型、ジシクロペンタジエン型、グリシジルエステル型、グリシジルアミン型、ヒダントイン型、イソシアヌレート型、トリスフェノールメタン型のエポキシ樹脂が挙げられる。これらのエポキシ樹脂は、単独で用いても２種以上を組み合わせて用いることができる。
封止樹脂に用いる無機フィラーとしては、溶融シリカ、結晶シリカ、ガラス、アルミナ、炭酸カルシウム、ケイ酸ジルコニウム、ケイ酸カルシウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ベリリア、ジルコニア、ジルコン、フォステライト、ステアタイト、スピネル、ムライト、チタニア、タルク、クレー、マイカ等の微粉未、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、マグネシウムと亜鉛の複合水酸化物等の複合金属水酸化物、硼酸亜鉛、モリブデン酸亜鉛などを用いることができる。無機フィラーの含有量は、エポキシ樹脂組成物全体の５０〜９５重量％の範囲に設定することが好ましい。５０重量％未満では、望ましい物性を得ることが困難となる傾向がみられ、９５重量％を超えると、流動性が低下し、成形性が低下する傾向がみられる。
封止樹脂には、エポキシ樹脂と無機フィラーに加えて、硬化剤、硬化促進剤、難燃剤、離型剤や密着性付与剤等を必要に応じて加えてもよい。
封止樹脂に用いる硬化剤は、上記エポキシ樹脂の硬化剤としての作用を奏するものであり、特に限定するものではなく１分子内に２個以上のフェノール性水酸基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般や酸無水物等などがある。例えば、フェノール、クレゾール、レゾルシノール、カテコール、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ、フェニルフェノール、アミノフェノール等のフェノール類及び／又はα−ナフトール、β−ナフトール、ジヒドロキシナフタレン等のナフトール類と、ホルムアルデヒド、ベンズアルデヒド、サリチルアルデヒド等のアルデヒド基を有する化合物とを酸性触媒下で縮合又は共縮合させて得られるノボラック型フェノール樹脂；フェノール類及び／又はナフトール類と、ジメトキシパラキシレン又はビス（メトキシメチル）ビフェニルとから合成されるフェノールアラルキル樹脂、ビフェニレン型フェノールアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂等のアラルキル型フェノール樹脂；フェノール類及び／又はナフトール類と、ジシクロペンタジエンとから共重合により合成されるジシクロペンタジエン型フェノールノボラック樹脂、ジシクロペンタジエン型ナフトールノボラック樹脂等のジシクロペンタジエン型フェノール樹脂；トリフェニルメタン型フェノール樹脂；テルペン変性フェノール樹脂；パラキシリレン及び／又はメタキシリレン変性フェノール樹脂；メラミン変性フェノール樹脂；シクロペンタジエン変性フェノール樹脂；これら２種以上を共重合して得たフェノール樹脂、ナフタレンジオールアラルキル樹脂等を用いることができる。
封止樹脂に用いる硬化剤促進剤としては、１，８−ジアザビシクロ［５．４．０］ウンデセン−７、１，５−ジアザビシクロ［４．３．０］ノネン−５、５，６−ジブチルアミノ−１，８−ジアザビシクロ［５．４．０］ウンデセン−７等のシクロアミジン化合物及びこれらの化合物に無水マレイン酸、１，４−ベンゾキノン、２，５−トルキノン、１，４−ナフトキノン、２，３−ジメチルベンゾキノン、２，６−ジメチルベンゾキノン、２，３−ジメトキシ−５−メチル−１，４ベンゾキノン、２，３−ジメトキシ−１，４−ベンゾキノン、フェニル−１，４−ベンゾキノン等のキノン化合物、ジアゾフェニルメタン、フェノール樹脂等のπ結合をもつ化合物を付加してなる分子内分極を有する化合物；ベンジルジメチルアミン、トリエタノールアミン、ジメチルアミノエタノール、トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール等の三級アミン類及びこれらの誘導体；２−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、２―フェニル−４−メチルイミダゾール、２−ヘプタデシルイミダゾール等のイミダゾール類及びこれらの誘導体；トリブチルホスフィン、メチルジフェニルホスフィン、トリフェニルホスフィン、トリス（４−メチルフェニル）ホスフィン、トリス（４−ブチルフェニル）ホスフィン、ジフェニルホスフィン、フェニルホスフィン等の有機ホスフィン類及びこれらのホスフィン類に無水マレイン酸、上記キノン化合物、ジアゾフェニルメタン、フェノール樹脂等のπ結合をもつ化合物を付加してなる分子内分極を有するリン化合物；テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート、トリフェニルホスフィンテトラフェニルボレート、２−エチル−４−メチルイミダゾールテトラフェニルボレート、Ｎ−メチルモルホリンテトラフェニルボレート等のテトラフェニルボロン塩及びこれらの誘導体；などが挙げられる。これらの１種を単独で用いても２種以上組合せて用いることができる。
封止樹脂に用いる各種添加剤としては、例えば、難燃剤、離型剤、密着性付与剤等があげられる。
封止樹脂に用いる難燃剤としては、ハロゲン原子、アンチモン原子、窒素原子又はリン原子を含む公知の有機若しくは無機の化合物、金属水酸化物が挙げられる。これらは１種を単独で用いても２種以上を組み合わせて用いることができる。
封止樹脂に用いる離型剤としては、カルナバワックス、モンタン酸、ステアリン酸等の高級脂肪酸、高級脂肪酸金属塩、モンタン酸エステル等のエステル系ワックス、酸化ポリエチレン、非酸化ポリエチレン等のポリオレフィン系ワックスが挙げられ、これらの１種を単独で用いても２種以上を組み合わせて用いることができる。
封止樹脂に用いる密着性付与剤としては、特に限定するものではなく各種シランカップリング剤を用いることができ、エポキシシラン、メルカプトシラン、アミノシラン、アルキルシラン、ウレイドシラン、ビニルシラン等の各種シラン系化合物、チタン系化合物、アルミニウムキレート類、アルミニウム／ジルコニウム系化合物等の公知のカップリング剤をこれらは単独でもしくは２種以上併せて用いることができる。
封止樹脂硬化物の形成方法としては、封止樹脂をトランスファーモールド工程によって封止する方法を用いることができる。
本発明の封止樹脂硬化物用のプライマー樹脂を、半導体素子や接合材、配線材、ヒートブロックの一部、アウターリードの一部に形成することで、封止樹脂硬化物との接着力を向上させることができる。封止樹脂硬化物と半導体素子の接着を維持することで、半導体素子の熱変形を増加させる効果が持続し、半導体素子や接合材の劣化が抑制され、半導体装置の信頼性を向上できる。また、封止樹脂硬化物とヒートブロックの接着を維持することで、ヒートブロックの熱変形を封止樹脂硬化物によって拘束する効果が持続し、半導体素子や接合材の劣化が抑制され、半導体装置の信頼性を向上できる。封止樹脂硬化物と配線材の接着を維持することで、配線材の熱変形を抑制させる効果が持続し、配線材の半導体素子への接続部の劣化を抑制することができる。
封止樹脂硬化物用のプライマー樹脂の形成は、スクリーン印刷やディスペンス塗布、刷毛塗り等の公知の塗布方法を用いることができる。溶媒を乾燥させた後の厚さは０．１〜２０μｍが好ましく、０．２〜１５μｍがより好ましく、０．３〜１０μｍがさらに好ましく、０．５〜７μｍ以下が特に好ましい。この範囲よりも薄い場合では接着力が低下しやすくなり、封止樹脂硬化物と半導体素子その他の部材との接着を維持する効果を低下させやすいために好ましくない。この範囲よりも厚い場合では溶媒が乾燥されにくくなり、形成されたプライマー樹脂層に溶媒が残存しやすくなり、信頼性試験における封止樹脂硬化物の接着信頼性を低下させやすいために好ましくない。
封止樹脂硬化物用プライマー樹脂のガラス転移温度は、２００℃以上が好ましく、２１０℃以上がより好ましく、２２０℃以上がさらに好ましく、２３０℃以上が特に好ましい。この範囲よりも低いガラス転移温度では、２００℃を超える温度環境において、接着力が低下しやすくなり、封止樹脂硬化物と半導体素子その他の部材との接着を維持する効果を低下させやすい。
２００℃以上のガラス転移温度を有するプライマー樹脂として、ポリイミド樹脂やポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、あるいはそれらの変性物等が挙げられる。半導体素子の表面保護材や層間絶縁膜に用いられているポリイミド樹脂やポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、あるいはそれらの変性物等は本発明の封止樹脂硬化物用プライマー樹脂として好適に用いることができる。しかし、ポリイミド樹脂では、半導体素子等の上に適切な厚みで形成した後にイミド化する必要がある。その結果、３００℃以上の高温でポリイミド樹脂を硬化させるため、半導体素子や接合材の熱劣化やヒートブロック等の酸化等の問題が発生しやすい。そのため、３００℃以下で硬化できるポリアミド樹脂やポリアミドイミド樹脂がプライマー樹脂としてより好ましく用いることができる。さらに、熱可塑性のポリアミド樹脂やポリアミドイミド樹脂を用いることで、高温での硬化工程が不要となり、２００℃以下の溶媒乾燥の工程のみでプライマー樹脂を形成することができる。そのような熱可塑性のプライマー樹脂として日立化成株式会社製ＨＩＭＡＬ（「ＨＩＭＡＬ」は登録商標）が挙げられ、好適に用いることができる。
なお、半導体素子にはシリコン（Ｓｉ）やシリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）が特に限定されずに用いることができる。また、半導体素子としては、メモリー系やロジック系のＩＣから、ダイオードやＩｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＢＴ）、Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）のようなパワー半導体まで特に限定されずに用いることができる。特に、パワー半導体は、高温環境に晒されやすいため、本発明の半導体素子として好適に用いることができる。
本発明の半導体装置の形状等は特に限定されないが、例えばパワー半導体素子を用いた場合では、ディスクリートパッケージ、パワーモジュールと呼ばれるパッケージとして用いることができる。
以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれによって制限されるものではない。
［実施例１］
（銀粒子接着剤組成物の作製）
次に示す工程にて銀粒子接着剤組成物を作製した。まず、ＤＰＭＡ（ダイセル工業株式会社製、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート）１２質量部と、ＭＴＰＨ（日本テルペン化学株式会社製、イソボルニルシクロヘキサノール）１２質量部、ステアリン酸０．８８質量部をらいかい機にて１０分間混練し、液状成分を得た。この液状成分に、リン片状銀粒子（福田金属箔粉工業株式会社製、ＡｇＣ−２３９）４４質量部と球状銀粒子（メタロー・テクノロジー社製、Ｋ−００８２Ｐ）４４質量部を加えてらいかい機にて１５分間混練し、銀粒子接着剤組成物を得た。
（銀粒子接着剤組成物層の形成）
リードフレームとして、厚み４μｍのＡｇめっきが形成されたＣｕリードフレームを用意した。Ｃｕリードフレームのヒートブロック部（縦２４ｍｍ×横１９ｍｍ×厚さ３ｍｍ）にギャップ４０μｍのメタルマスクを設置し、焼結銀ペースト（銀粒子接着剤組成物）を縦１０．５ｍｍ×横８ｍｍの範囲にスクリーン印刷した。ついで、Ｃｕリードフレームを１６０℃のホットプレート上で１８０秒間加熱し、銀粒子接着剤組成物層を形成した。
（銀粒子接着剤組成物層による接合工程）
半導体素子であるＳｉ ｐ／ｎダイオードチップ（縦８．５ｍｍ×横６ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ、陽極最表面：Ａｌ、陰極最表面：Ａｕ）の陰極側と銀粒子接着剤組成物層とが接触するように、Ｓｉ ｐ／ｎダイオードチップを銀粒子接着剤組成物層上に設置し、圧着用サンプルを用意した。ここで、Ｓｉ ｐ／ｎダイオードチップは、Ｓｉを用いたｐｎ接合ダイオードをいう。以下、「Ｓｉ ｐ／ｎダイオードチップ」を、単に「チップ」ということがある。３００℃に加熱されたステンレス製ステージとステンレス製ヘッドによって、圧着用サンプルを２０ＭＰａで１０分間にて加圧し、Ｓｉ ｐ／ｎダイオードチップをＣｕリードフレームの一部であるヒートブロックに接合した。この接合材を、「焼結銀接合材」と呼ぶ。なお、加圧の際にＳｉ ｐ／ｎダイオードチップの陽極面とステンレス製ヘッドの間にテフロンシート（厚さ１ｍｍ、「テフロン」は登録商標）を挟み、Ｓｉ ｐ／ｎダイオードチップを保護した。
（ワイヤボンディング）
Ｓｉ ｐ／ｎダイオードチップの陽極面（リードフレームとの接合面とは反対側の面）と、＋側アウターリードを直径４００μｍのＡｌワイヤ、１８本によって接続した。なお、ワイヤボンダーによって、超音波を加えながらＡｌワイヤをＳｉ ｐ／ｎダイオードチップのＡｌ陽極に押し付けることでＡｌワイヤの接続を行った。
（プライマー樹脂の形成）
接合後のサンプルにおいて、Ｓｉ ｐ／ｎダイオードチップ及びＡｌワイヤの全ての露出面と、ヒートブロック及びアウターリードの封止される部分に、プライマー樹脂を形成した。プライマー樹脂の塗布液には日立化成株式会社製ＨＩＭＡＬ（ＨＬ−１２１０−Ｈ０００１、ガラス転移温度２６０℃、ポリアミドイミド系樹脂のＮ−メチル−２−ピロリドン４０質量％／エチレングリコールモノブチルエーテル６０質量％混合溶媒溶液）を用い、刷毛によって塗布した。その後、１００℃のホットプレート上で５分加熱し、さらに２００℃のホットプレート上で１時間加熱し、塗布膜から溶媒を乾燥させて厚さ５μｍのプライマー樹脂を形成した。
（封止樹脂の作製）
エポキシ樹脂として三菱化学株式会社（旧ジャパンエポキシレジン株式会社）製エポキシ樹脂（１０３２Ｈ６０）を１００質量部、フェノール樹脂Ａとして新日鐵化学株式会社製（旧東都化成株式会社）フェノール樹脂（ＳＮ−３９５）を６５質量部、酸化防止剤として、ヒンダードフェノール系酸化防止剤（ＡＤＥＫＡ社製、ＡＯ−６０）を５質量部、硬化促進剤としてトリフェニルホスフィンと１，４−ベンゾキノンの付加反応物を２質量部、無機充填剤として平均粒径（Ｄ５０）１７．５μｍ、比表面積３．８ｍ２／ｇの球状溶融シリカを１０２３質量部、カップリング剤としてエポキシシラン（γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン）を１１質量部、着色剤としてカーボンブラック（三菱化学株式会社製、商品名「ＭＡ−１００」）を２．６質量部、離型剤としてカルナバワックス（株式会社セラリカＮＯＤＡ製）を１質量部、の配合物を混練温度８０℃、混練時間１５分の条件でロール混練を行うことによって封止樹脂Ａを作製した。
（封止樹脂硬化物のガラス転移温度の評価）
長さ８０ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚さ３ｍｍの試験片を成形する金型を用いて、封止にはトンラスファーモールド装置を用いて、金型温度１８０℃、成形圧力６．９ＭＰａ、硬化加熱時間９０秒にて、封止樹脂硬化物の試験片を成形し、さらに２００℃で６時間アフターキュアした。次いで、試験片をダイヤモンドカッターを用いて、長さ５０ｍｍ×幅５ｍｍ×厚さ３ｍｍに切断し、粘弾性測定装置ＲＳＡ３（ＴＡインスツルメンツ社製）を用い、３点曲げモードで昇温速度５℃／分、周波数６．２８ｒａｄ／秒の条件で測定した。ｔａｎδが最大となる温度をガラス転移温度として評価し、表１に示した。
（封止樹脂硬化物の弾性率評価）
弾性率測定用サンプルには上記ガラス転移温度の測定サンプルと同様に作製したサンプルを用いた。この試料について粘弾性測定装置ＲＳＡ３（ＴＡインスツルメンツ社製）を用い、３点曲げモードで昇温速度５℃／分、周波数６．２８ｒａｄ／秒の条件で測定した。そして、５０℃時の弾性率（Ｅ）の評価結果を表１に示した。
（封止樹脂硬化物の線膨張係数評価）
長さ２０ｍｍ×幅３ｍｍ×厚さ３ｍｍの試験片を成形する金型を用いたこと以外は、上記ガラス転移温度の測定サンプルと同様に作製したサンプルを用いた。熱機械分析（ＴＭＡ）（セイコーインスツルメント株式会社製、ＥＸＳＴＡＲ ＴＭＡ／ＳＳ６０００）によって昇温速度５℃／ｍｉｎ、圧縮モードで測定し、得られたＴＭＡ曲線の４０〜６０℃（ガラス転移温度以下の温度）における傾きから線膨張係数を算出した。得られた結果を表１に示した。
（パッケージ封止工程）
プライマー樹脂形成後のサンプルにおいて、Ｓｉ ｐ／ｎダイオードチップとＡｌワイヤの表面の全てと、ヒートブロックとアウターリードのプライマー樹脂を形成した部分を封止樹脂Ａによって封止した。封止にはトンラスファーモールド装置を用いて、金型温度１８０℃、成形圧力６．９ＭＰａ、硬化加熱時間９０秒にて、封止を行った。その後、封止後のサンプルを２００℃のオーブンにて６時間加熱することで封止樹脂の硬化を完了した。最後にアウターリードを切断し、封止樹脂硬化物の外形が縦５０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ９ｍｍであるＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージを作製した。これまでの工程を繰り返し２つのＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージを作製した。図１には作製した半導体装置であるＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージ１（以下、単に「パッケージ」ということがある。）の断面模式図を示した。
（焼結銀接合材の緻密度評価）
一つ目のＳｉ ｐ／ｎパッケージを切断し、断面を鏡面に研磨した後に、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ、株式会社日立製作所製ＦＢ−２０００Ａ）によって、焼結銀接合材の周辺を断面加工し、同装置のＳＩＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて断面観察を行った。得られた焼結銀接合材の断面画像において、画像処理ソフトによって残留空孔を黒く塗りつぶし、画像を２値化した。焼結銀接合材部分の２値化画像の白い部分の面積比率を焼結銀の緻密度として評価した。得られた焼結銀接合材の緻密度を表１に示した。
（パッケージの微小電圧温度依存性の評価）
二つ目のＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージを恒温槽に入れ、微小電流ＩＣを１Ａ、１秒間通電し、＋側リードフレームと−側リードフレームの間に発生する微小電圧Ｖｊを測定した。２５℃、５０℃、１００℃、１５０℃、２００℃の各温度でＶｊを測定し、Ｖｊの温度依存性を求めた。
（パッケージの初期特性評価）
２５℃の冷却水によって温度調節された銅製冷却ブロック（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ２０ｍｍ）に、放熱シート（信越化学工業株式会社製、ＴＣ−１００ＴＸＳ、熱伝導率５Ｗｍ−１Ｋ−１、縦６０ｍｍ×横４０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）を貼り、その上に、Ｓｉ ｐ／ｎダイオードパッケージのヒートブロックの露出面を放熱シートに接するように、Ｓｉ ｐ／ｎダイオードパッケージを設置した。Ｓｉ ｐ／ｎダイオードパッケージの上面にガラスエポキシ板（縦８０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）を配置し、クリップによってガラスエポキシ板と銅製冷却ブロックを挟むことでＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージを固定した。
＋側アウターリードから−側アウターリードに電流ＩＯＮを２２０Ａ通電させ、１．１秒後に通電を停止した。その時に＋側アウターリードと−側アウターリードの両側に発生する電圧をオシロスコープにて測定した。通電時間中の電圧を平均し、順方向電圧ＶＯＮとして評価した。また、ＩＯＮの通電直前と通電直後に微小電流ＩＣを１Ａ通電し、＋側アウターリードと−側アウターリードの両側に発生する微小電圧Ｖｊをオシロスコープにて測定した。Ｖｊの温度依存性を用いて、通電開始の１０ミリ秒前のＶｊから最低ジャンクション温度Ｔｊｍｉｎを求め、通電停止から１ミリ秒後のＶｊから最低ジャンクション温度Ｔｊｍａｘを求めた。ＴｊｍａｘからＴｊｍｉｎを差し引いた温度差ΔＴｊによってＶＯＮを除算し、熱抵抗ＲＴを求めた。これらＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージの初期特性を表１に示した。なお、順方向抵抗は、ＶＯＮをＩＯＮで除算して求めた。
（パッケージのパワーサイクル試験）
初期特性評価と同様にＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージを固定した。＋側アウターリードから−側アウターリードに電流ＩＯＮを２２０Ａ、１．７秒間通電し、その後、１３秒間通電を停止した。これをパワーサイクルの１回として、通電の開始と停止を上記条件で寿命に達するまで繰り返した。パワーサイクル試験を継続しながら、パワーサイクル１００回目の時のＴｊｍａｘをとＴｊｍｉｎを測定した結果、それぞれ約２００℃と約４０℃であった。このパワーサイクル試験を継続しながら測定したＴｊｍａｘが２２０℃を超えた時のパワーサイクル回数をパワーサイクル寿命として評価した。得られたパワーサイクル寿命（ＰＣ寿命）を表１に示した。
［実施例２］
実施例１の銀粒子接着剤組成物層による接合工程にて、加圧圧力を１５ＭＰａにした以外は、実施例１と同様にしてＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージを作製した。さらに実施例１と同様に焼結銀接合材の緻密度と、パッケージの初期特性、パワーサイクル寿命を評価し、結果を表１に示した。
［実施例３］
実施例１の銀粒子接着剤組成物層による接合工程にて、加圧圧力を１０ＭＰａにした以外は、実施例１と同様にしてＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージを作製した。さらに実施例１と同様に焼結銀接合材の緻密度と、パッケージの初期特性、パワーサイクル寿命を評価し、結果を表１に示した。
［実施例４］
実施例１の銀粒子接着剤組成物層による接合工程にて、加圧圧力を５ＭＰａにした以外は、実施例１と同様にしてＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージを作製した。さらに実施例１と同様に焼結銀接合材の緻密度と、パッケージの初期特性、パワーサイクル寿命を評価し、結果を表１に示した。
［実施例５］
実施例１の銀粒子接着剤組成物層による接合工程にて、加圧圧力を３ＭＰａにした以外は、実施例１と同様にしてＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージを作製した。さらに実施例１と同様に焼結銀接合材の緻密度と、パッケージの初期特性、パワーサイクル寿命を評価し、結果を表１に示した。
［実施例６］
実施例１の銀粒子接着剤組成物層による接合工程にて、加圧圧力を１ＭＰａにした以外は、実施例１と同様にしてＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージを作製した。さらに実施例１と同様に焼結銀接合材の緻密度と、パッケージの初期特性、パワーサイクル寿命を評価し、結果を表１に示した。
［実施例７］
実施例１の銀粒子接着剤組成物層による接合工程にて、加圧圧力を１５ＭＰａにしたこと、およびプライマー樹脂の形成を省略した以外は、実施例１と同様にしてＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージを作製した。さらに実施例１と同様に焼結銀接合材の緻密度と、パッケージの初期特性、パワーサイクル寿命を評価し、結果を表１に示した。
［比較例１］
実施例１の銀粒子接着剤組成物の作製、銀粒子接着剤組成物層の形成、銀粒子接着剤組成物層による接合の工程を、以下に示す、はんだ接合工程に変更した以外は、実施例１と同様にしてＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージを作製した。
（はんだ接合工程）
厚み４μｍのＮｉめっきが形成されたＣｕリードフレームを用意した。Ｃｕリードフレームの一部のヒートブロック（縦２４ｍｍ×横１９ｍｍ×厚さ３ｍｍ）に、中心に開口部（縦８．７ｍｍ×横６．２ｍｍ）を有するカーボンマスク（縦１５ｍｍ×横１５ｍｍ×厚さ１．５ｍｍ）を設置し、カーボンマスクの開口部に高温はんだのシート（９５質量％Ｐｂ−３．５質量％Ｓｎ−１．５質量％Ａｇ、縦８．５ｍｍ×横６ｍｍ×厚さ１３０μ）を入れ、高温はんだのシートの上に、半導体素子であるＳｉ ｐ／ｎダイオードチップ（縦８．５ｍｍ×横６ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ、陽極最表面：Ａｌ、陰極最表面：Ａｕ）を陰極側と高温はんだとが接触するように置いた。
次の工程により、ギ酸リフロー炉にて高温はんだを溶融させた。まず、サンプルを炉内のヒーター上に設置し、炉内を１３Ｐａまで真空排気した。次に、ギ酸容器に窒素を導入し、バブリングさせながら、ギ酸容器から炉内にギ酸ガスを飽和させた窒素を８Ｌ／ｍｉｎで導入した。炉内圧力が８００００Ｐａに達した後に、ギ酸ガスを飽和させた窒素の導入を停止し、炉内圧力が８００００Ｐａを維持するように、真空排気量を調整した。ヒーターを１５℃／ｍｉｎで室温から３５０℃まで昇温させた。昇温過程の２３０℃の時に排気を開始し、１３Ｐａ以下に真空排気した。３５０℃に達した後、温度を３５０℃に保持し、保持から５分経過後に窒素を炉内に１０Ｌ／ｍｉｎで導入した。炉内圧力が大気圧に達した後に、２０℃／ｍｉｎで３５０℃から５０℃までヒーターを降温させた。その後、サンプルを炉内から取り出し、はんだ接合工程を完了した。
さらに、実施例１と同様に、焼結銀接合材の緻密度評価と、パッケージの初期特性評価を行ない、結果を表１に示した。また、Ｓｉ ｐ／ｎダイオードパッケージのパワーサイクル試験において、ＩＯＮ通電時間を１．１秒としたこと以外は、実施例１と同様にパッケージのパワーサイクル試験にて寿命を評価し、結果を表１に示した。なお、パッケージのパワーサイクル試験において、パッケージのパワーサイクル試験を継続しながら、パワーサイクル１００回目の時のＴｊｍａｘとＴｊｍｉｎを測定した結果、実施例１と同様にそれぞれ約２００℃と約４０℃であった。
表１に、Ｓｉ ｐ／ｎダイオードパッケージの初期特性とパワーサイクル試験結果を示す。表１中の「焼結銀」は各実施例における「焼結銀接合材」を、「高温はんだ」は比較例１における「９５質量％Ｐｂ−３．５質量％Ｓｎ−１．５質量％Ａｇの高温はんだ」を、「プライマー」は各実施例及び比較例における「プライマー樹脂」を、「封止材」は各実施例及び比較例１における「封止樹脂」を、「初期特性」は各実施例及び比較例１における「パッケージの初期特性」を、「信頼性」の「ＰＣ寿命」は各実施例及び比較例１の「パッケージのパワーサイクル試験」における寿命を、「Ｔｇ」は「ガラス転移温度」を、「Ｅ」は「弾性率」を、「ＣＴＥ」は「線膨張係数」を表す。
Figure 0006349903
表１の初期特性より、同じ電流でＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージを動作させた場合、焼結銀接合材の熱抵抗と電気抵抗（順方向抵抗）は高温はんだよりも低かった。その結果、Ｓｉ ｐ／ｎダイオードチップから熱が逃げやすくなり、Ｓｉ ｐ／ｎダイオードチップ周辺で発生するジュール熱が小さくなる。そのため、焼結銀接合材の方が高温はんだよりもＴｊｍａｘを約３０℃低減できた。一般的に、半導体素子は１０℃温度が下がったときに寿命が２倍延びるといわれている。そのため、通常のＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージの動作環境では、焼結銀接合材の使用によって寿命が高温はんだよりも数倍延びることが予想される。
表１のパワーサイクル寿命の数値より、試験初期のＴｊｍａｘを同じ条件（２００℃）に揃えたパワーサイクル試験でさえも、焼結銀接合材のほうが高温はんだよりも最大２倍程度に寿命が延びた。また、プライマー処理（プライマー樹脂を形成する処理）および焼結銀接合材の緻密度向上によってパワーサイクル寿命が向上することがわかった。
［実施例８］
（銀粒子接着剤組成物の作製）
次に示す工程にて銀粒子接着剤組成物を作製した。まず、ＤＰＭＡ（ダイセル工業株式会社製、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート）１２質量部と、ＭＴＰＨ（日本テルペン化学株式会社製、イソボルニルシクロヘキサノール）１２質量部、ステアリン酸０．８８質量部をらいかい機にて１０分間混練し、液状成分を得た。この液状成分に、リン片状銀粒子（福田金属箔粉工業株式会社製、ＡｇＣ−２３９）８８質量部を加えてらいかい機にて１５分間混練し、銀粒子接着剤組成物を得た。
（銀粒子接着剤組成物層の形成）
厚み４μｍのＡｇめっきが形成されたＣｕリードフレームを用意した。Ｃｕブロック（縦２４ｍｍ×横１９ｍｍ×厚さ３ｍｍ）にギャップ４０μｍのメタルマスクを設置し、焼結銀ペースト（銀粒子接着剤組成物）を縦１０ｍｍ×横６ｍｍの範囲にスクリーン印刷した。ついで、銅リードフレームを１６０℃のホットプレート上で１８０秒間加熱し、銀粒子接着剤組成物層を形成した。
（銀粒子接着剤組成物層による接合工程）
半導体素子であるＳｉダミーチップ（縦８ｍｍ×横４ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ、表面：Ａｌ膜、裏面：Ａｇ膜）のＡｇ膜側と銀粒子接着剤組成物層とが接触するように、Ｓｉチップを銀粒子接着剤組成物層上に設置し、圧着用サンプルを用意した。ここで、Ｓｉダミーチップとは、Ｓｉを用いた試験用のＴＥＧ（ｔｅｓｔ ｅｌｅｍｅｎｔ ｇｒｏｕｐ）チップをいう。以下、「Ｓｉダミーチップ」を、単に「チップ」ということがある。３００℃に加熱されたステンレス製ステージとステンレス製ヘッドによって、圧着用サンプルを１５ＭＰａで１０分間にて加圧し、チップをヒートブロックに接合した。この接合材を「焼結銀接合材」と呼ぶ。なお、加圧の際にＳｉ ｐ／ｎダイオードチップの陽極面とステンレス製ヘッドの間にカーボンシート（厚さ３ｍｍ）を挟み、Ｓｉダミーチップを保護した。
（プライマー樹脂の形成）
接合後のサンプルにおいて、Ｓｉダミーチップの全ての露出面とヒートブロックの封止される部分にプライマー樹脂を形成した。プライマー樹脂の塗布液には日立化成株式会社製ＨＩＭＡＬ（ＨＬ−１２１０−Ｈ０００１、ガラス転移温度２６０℃、ポリアミドイミド系樹脂のジエチレングリコールジメチルエーテル溶液）を用い、刷毛によって塗布した。その後、１００℃のホットプレート上で５分加熱し、さらに２００℃のホットプレート上で１時間加熱し、塗布膜から溶媒を乾燥させて厚さ２μｍのプライマー樹脂を形成した。
（パッケージ封止工程）
プライマー樹脂形成後のサンプルにおいて、ＳｉダミーチップとＣｕブロックのプライマー樹脂を形成した部分を封止樹脂によって封止した。封止樹脂には日立化成株式会社製固形封止材（ＣＥＬ−４２０ＨＦＣ、ガラス転移温度２１１℃、無機充填剤含有エポキシ系樹脂、弾性率１４．２ＧＰａ、線膨張係数１１．９×１０−６／℃）を用いた。封止にはトンラスファーモールド装置を用いて、金型温度１８０℃、成形圧力６．９ＭＰａ、硬化加熱時間９０秒にて、封止を行った。その後、封止後のサンプルを２００℃のオーブンにて６時間加熱することで封止樹脂の硬化を完了し、封止樹脂硬化物の外形が縦５０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ９ｍｍであるＳｉ ＴＥＧパッケージを作製した。これまでの工程を繰り返し、２つのＳｉ ＴＥＧパッケージを作製した。図２には作製した半導体装置であるＳｉ ＴＥＧパッケージ８（以下、単に「パッケージ」ということがある。）の断面模式図を示した。
封止樹脂硬化物のガラス転移温度と弾性率、線膨張係数は実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。
（焼結銀接合材の緻密度評価）
一つ目のパッケージを切断し、断面を鏡面に研磨した後に、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ、株式会社日立製作所製ＦＢ−２０００Ａ）によって接合材の周辺を断面加工し、同装置のＳＩＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて断面観察を行った。得られた焼結銀接合材の断面画像において、画像処理ソフトによって残留空孔を黒く塗りつぶし、画像を２値化した。焼結銀接合材部分の２値化画像の白い部分の面積比率を焼結銀の緻密度として評価した。得られた焼結銀接合材の緻密度を表１に示した。
（焼結銀接合材の密着面積率評価）
二つ目のＳｉ ＴＥＧパッケージをＳＡＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察し、次のようにして温度サイクル試験前の密着面積率Ｓ０を評価した。まず、Ｓｉ ＴＥＧパッケージのＣｕブロック側から１５ＭＨｚの超音波を照射し、接合材で反射された超音波を測定し、ＳＡＭ画像を観察した。次に温度サイクル４００回後に同様に接合材のＳＡＭ画像を観察した。温度サイクル試験前のＳＡＭ画像よりもコントラストが明るくなった箇所の面積ＳＡを評価した。ＳＡを接合材の面積ＳＤＢで除算し、接合材の密着面積率Ｓ４００（％）を評価した。次に温度サイクル１０００回後に同様に接合材のＳＡＭ画像を観察した。温度サイクル試験前のＳＡＭ画像よりもコントラストが明るくなった箇所の面積ＳＡを評価した。ＳＡを接合材の面積ＳＤＢで除算し、接合材の密着面積率Ｓ１０００（％）を評価した。得られた結果を表２に示した。
（パッケージの温度サイクル試験）
二つ目のＳｉ ＴＥＧパッケージの温度サイクル試験を実施した。試験槽内にてパッケージには温風と冷風によって温度サイクルが与えられた。まず、試験槽内の温度が２００℃±５℃を５分以上保持するように、温風を１５分送風した。次に、試験槽内の温度が−４０℃±５℃を５分以上保持するように、冷風を１５分送風した。これを温度サイクル１回とし、１０００回まで温度サイクル試験を実施した。温度サイクル４００回の時点と、１０００回において、ＳＡＭ観察を行い、接合材の密着面積率を評価した。
［実施例９］
パッケージ封止工程にて、封止樹脂硬化物に日立化成製固形封止材（ＣＥＬ−４２０ＨＦＢ（Ｖ６）、ガラス転移温度２１０℃、無機充填剤含有エポキシ系樹脂、弾性率１５．１ＧＰａ、線膨張係数１１．８×１０−６／℃）を用いたこと以外は、実施例８と同様にして、Ｓｉ ＴＥＧパッケージを作製した。なお、封止樹脂硬化物のガラス転移温度と弾性率、線膨張係数は実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。さらに、実施例８と同様にして、パッケージの接合材の密着面積率評価とパッケージの温度サイクル試験を実施し、結果を表２に示した。
［実施例１０］
パッケージ封止工程にて、封止樹脂に、次に製造方法を示す封止樹脂Ｂ（ガラス転移温度２１７℃、無機充填剤含有エポキシ系樹脂、弾性率１７．９ＧＰａ、線膨張係数１７．４×１０−６／℃）を用いたこと以外は、実施例８と同様にして、Ｓｉ ＴＥＧパッケージを作製した。なお、封止樹脂硬化物のガラス転移温度と弾性率、線膨張係数は実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。さらに、実施例８と同様にして、パッケージの焼結銀接合材の密着面積率評価とパッケージの温度サイクル試験を実施し、結果を表２に示した。
（封止樹脂の作製）
エポキシ樹脂として、トリスフェノールメタン型エポキシ樹脂（三菱化学株式会社（旧ジャパンエポキシレジン株式会社）製、１０３２Ｈ６０）を１００質量部、フェノール樹脂Ａとして新日鐵化学株式会社製（旧東都化成株式会社）フェノール樹脂（ＳＮ−３７５）を５９質量部、酸化防止剤として、ヒンダードフェノール系酸化防止剤（ＡＤＥＫＡ社製、ＡＯ−６０）を５質量部、硬化促進剤としてトリフェニルホスフィンと１，４−ベンゾキノンの付加反応物を２質量部、無機充填剤として平均粒径（Ｄ５０）１７．５μｍ、比表面積３．８ｍ２／ｇの球状溶融シリカを１０２３質量部、カップリング剤としてエポキシシラン（γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン）を１１質量部、着色剤としてカーボンブラック（三菱化学株式会社製、商品名「ＭＡ−１００」）を２．６質量部、離型剤としてカルナバワックス（株式会社セラリカＮＯＤＡ製）を１質量部、の配合物を混練温度８０℃、混練時間１５分の条件でロール混練を行うことによって封止樹脂Ｂを作製した。
［実施例１１］
パッケージ封止工程にて、封止樹脂に、日立化成株式会社製固形封止材（ＧＥ−５０００、ガラス転移温度２１７℃、無機充填剤含有エポキシ系樹脂、弾性率１７．１ＧＰａ、線膨張係数１２．８×１０−６／℃）を用いたこと、封止樹脂を１７５℃６時間の条件で硬化させたこと以外は、実施例８と同様にして、Ｓｉ ＴＥＧパッケージを作製した。なお、封止樹脂硬化物のガラス転移温度と弾性率、線膨張係数は実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。さらに、実施例８と同様にして、パッケージの接合材の密着面積率評価とパッケージの温度サイクル試験を実施し、結果を表２に示した。
［実施例１２］
パッケージ封止工程にて、封止樹脂に、日立化成株式会社製固形封止材（ＣＥＬ−４００ＺＨＦ１６、ガラス転移温度２０４℃、無機充填剤含有エポキシ系樹脂、弾性率１７．１ＧＰａ、線膨張係数１０．２×１０−６／℃）を用いたこと、封止樹脂を１７５℃６時間の条件で硬化させたこと以外は、実施例８と同様にして、Ｓｉ ＴＥＧパッケージを作製した。なお、封止樹脂硬化物のガラス転移温度と弾性率、線膨張係数は実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。さらに、実施例８と同様にして、パッケージの接合材の密着面積率評価とパッケージの温度サイクル試験を実施し、結果を表２に示した。
［実施例１３］
銀粒子接着剤組成物層の形成工程にてギャップ２０μｍのメタルマスクを用いたこと以外は、実施例８と同様にして、Ｓｉ ＴＥＧパッケージを作製した。なお、封止樹脂硬化物のガラス転移温度と弾性率、線膨張係数は実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。さらに、実施例８と同様にして、パッケージの接合材の密着面積率評価とパッケージの温度サイクル試験を実施し、結果を表２に示した。
［実施例１４］
銀粒子接着剤組成物層の形成工程にてギャップ７０μｍのメタルマスクを用いたこと以外は、実施例８と同様にして、Ｓｉ ＴＥＧパッケージを作製した。なお、封止樹脂硬化物のガラス転移温度と弾性率、線膨張係数は実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。さらに、実施例８と同様にして、パッケージの接合材の密着面積率評価とパッケージの温度サイクル試験を実施し、結果を表２に示した。
［実施例１５］
銀粒子接着剤組成物層の形成工程にてギャップ７０μｍのメタルマスクを用いたこと、および銀粒子接着材組成物層の接合工程にて５ＭＰａで加圧したこと以外は、実施例８と同様にして、Ｓｉ ＴＥＧパッケージを作製した。なお、封止樹脂硬化物のガラス転移温度と弾性率、線膨張係数は実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。さらに、実施例８と同様にして、パッケージの接合材の密着面積率評価とパッケージの温度サイクル試験を実施し、結果を表２に示した。
［実施例１６］
プライマー樹脂の形成工程にて、プライマー樹脂の塗布液には日立化成株式会社製ＨＩＭＡＬ（ＨＬ−１２１０、ガラス転移温度２２０℃、ポリアミドイミド系樹脂のジエチレングリコールジメチルエーテル溶液）を用いたこと以外は、実施例８と同様にして、Ｓｉ ＴＥＧパッケージを作製した。なお、封止樹脂硬化物のガラス転移温度と弾性率、線膨張係数は実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。さらに、実施例８と同様にして、パッケージの接合材の密着面積率評価とパッケージの温度サイクル試験を実施し、結果を表２に示した。
［実施例１７］
プライマー樹脂の形成工程を省略したこと以外は、実施例８と同様にして、Ｓｉ ＴＥＧパッケージを作製した。なお、封止樹脂硬化物のガラス転移温度と弾性率、線膨張係数は実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。さらに、実施例８と同様にして、パッケージの接合材の密着面積率評価とパッケージの温度サイクル試験を実施し、結果を表２に示した。
［実施例１８］
プライマー樹脂の形成工程を省略したこと、およびパッケージ封止工程にて、封止樹脂に、日立化成株式会社製固形封止材（ＣＥＬ−４２０ＨＦＢ（Ｖ６）、ガラス転移温度２１０℃、無機充填剤含有エポキシ系樹脂、弾性率１５．１ＧＰａ、線膨張係数１１．８×１０−６／℃）を用いたこと以外は、実施例８と同様にして、Ｓｉ ＴＥＧパッケージを作製した。なお、封止樹脂硬化物のガラス転移温度と弾性率、線膨張係数は実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。さらに、実施例８と同様にして、パッケージの接合材の密着面積率評価とパッケージの温度サイクル試験を実施し、結果を表２に示した。
［実施例１９］
プライマー樹脂の形成工程を省略したこと、およびパッケージ封止工程にて、封止樹脂Ｂ（ガラス転移温度２１７℃、無機充填剤含有エポキシ系樹脂、弾性率１７．９ＧＰａ、線膨張係数１７．４×１０−６／℃）を用いたこと以外は、実施例８と同様にして、Ｓｉ ＴＥＧパッケージを作製した。なお、封止樹脂硬化物のガラス転移温度と弾性率、線膨張係数は実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。さらに、実施例８と同様にして、パッケージの接合材の密着面積率評価とパッケージの温度サイクル試験を実施し、結果を表２に示した。
［実施例２０］
プライマー樹脂の形成工程を省略したこと、およびパッケージ封止工程にて、封止樹脂に、日立化成株式会社製固形封止材（ＧＥ−５０００、ガラス転移温度２１７℃、無機充填剤含有エポキシ系樹脂、弾性率１７．１ＧＰａ、線膨張係数１２．８×１０−６／℃）を用いたこと、封止樹脂を１７５℃６時間の条件で硬化させたこと以外は、実施例８と同様にして、Ｓｉ ＴＥＧパッケージを作製した。なお、封止樹脂硬化物のガラス転移温度と弾性率、線膨張係数は実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。さらに、実施例８と同様にして、パッケージの接合材の密着面積率評価とパッケージの温度サイクル試験を実施し、結果を表２に示した。
［実施例２１］
プライマー樹脂の形成工程を省略したこと、およびパッケージ封止工程にて、封止樹脂に、日立化成株式会社製固形封止材（ＣＥＬ−４００ＺＨＦ１６、ガラス転移温度２０４℃、無機充填剤含有エポキシ系樹脂、弾性率１７．１ＧＰａ、線膨張係数１０．２×１０−６／℃）を用いたこと、封止樹脂を１７５℃６時間の条件で硬化させたこと以外は、実施例８と同様にして、Ｓｉ ＴＥＧパッケージを作製した。なお、封止樹脂硬化物のガラス転移温度と弾性率、線膨張係数は実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。さらに、実施例８と同様にして、パッケージの接合材の密着面積率評価とパッケージの温度サイクル試験を実施し、結果を表２に示した。
［比較例２］
プライマー樹脂の形成工程を省略したこと、およびパッケージ封止工程にて、封止樹脂に、日立化成株式会社製固形封止材（ＣＥＬ−２０ＣＦ、ガラス転移温度１９０℃、無機充填剤含有エポキシ系樹脂、弾性率１３．５ＧＰａ、線膨張係数１２．０×１０−６／℃）を用いたこと、封止樹脂を１７５℃６時間の条件で硬化させたこと以外は、実施例８と同様にして、Ｓｉ ＴＥＧパッケージを作製した。なお、封止樹脂硬化物のガラス転移温度と弾性率、線膨張係数は実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。さらに、実施例８と同様にして、パッケージの接合材の密着面積率評価とパッケージの温度サイクル試験を実施し、結果を表２に示した。
［比較例３］
プライマー樹脂の形成工程を省略したこと、およびパッケージ封止工程にて、封止樹脂に、日立化成株式会社製固形封止材（ＣＥＬ−４２０ＨＦＢ（Ｖ７）、ガラス転移温度２２１℃、無機充填剤含有エポキシ系樹脂、弾性率２１．８ＧＰａ、線膨張係数８．０×１０−６／℃）を用いたこと以外は、実施例８と同様にして、Ｓｉ ＴＥＧパッケージを作製した。なお、封止樹脂硬化物のガラス転移温度と弾性率、線膨張係数は実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。さらに、実施例８と同様にして、パッケージの接合材の密着面積率評価とパッケージの温度サイクル試験を実施し、結果を表２に示した。
［比較例４］
プライマー樹脂の形成工程を省略したこと、パッケージ封止工程を省略したこと以外は、実施例８と同様にして、Ｓｉ ＴＥＧパッケージを作製した。なお、封止樹脂硬化物のガラス転移温度と弾性率、線膨張係数は実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。さらに、実施例８と同様にして、パッケージの接合材の密着面積率評価とパッケージの温度サイクル試験を実施し、結果を表２に示した。
表２に、Ｓｉ ＴＥＧパッケージの信頼性試験結果を示す。表２中の「焼結銀」は各実施例及び各比較例における「焼結銀接合材」を、「プライマー」は各実施例における「プライマー樹脂」を、「封止材」は各実施例及び各比較例における「封止樹脂」を、「信頼性」の「接合面積率」は各実施例及び各比較例の温度サイクル試験における「焼結銀接合材の密着面積率」を、「Ｔｇ」は「ガラス転移温度」を、「Ｅ」は「弾性率」を、「ＣＴＥ」は「線膨張係数」を表す。
Figure 0006349903
表２より、パッケージ中の接合材の温度サイクル耐性（温度サイクル試験における各温度サイクルでの焼結銀接合材の密着面積率）を向上させるためには、封止樹脂硬化物によって封止すること、封止樹脂硬化物のガラス転移温度が２００℃以上であること、封止樹脂硬化物の弾性率が２０ＧＰａ以下であること、線膨張係数が１０×１０−６／℃以上であること、が有効であった。
さらに、プライマー樹脂を形成させること、プライマー樹脂のガラス転移温度を高めること、銀粒子焼結体を厚くすること、がパッケージ中の接合材の温度サイクル耐性を向上させるために有効であった。
本発明の半導体装置は、高温環境下での信頼性に優れた半導体装置を提供できるので、産業上有用である。
１．半導体装置、又はＳｉ ｐ／ｎダイオードパッケージ
２．半導体素子、又はＳｉ ｐ／ｎダイオードチップ、又はＳｉダミーチップ
３．リードフレーム、又はＣｕリードフレーム、又はＣｕブロック
３ａ．＋側アウターフレーム
３ｂ．−側アウターフレーム
３ｃ．ヒートブロック
４．接合材
５．封止樹脂硬化物
６．プライマー樹脂
７．Ａｌワイヤ
８．半導体装置、又はＳｉ ＴＥＧパッケージ

Claims (9)

  1. 半導体素子と、この半導体素子と接合されるリードフレームと、前記半導体素子とリードフレームとを接合する接合材と、前記半導体素子と接合材と一部のリードフレームとを封止する封止樹脂硬化物と、を有する半導体装置であって、前記接合材は銀粒子焼結体を含み、前記封止樹脂硬化物のガラス転移温度は１９５℃以上、５０℃での弾性率は１０ＧＰａ以上２０ＧＰａ以下、ガラス領域における線膨張係数は９×１０−６ ／℃以上２４×１０−６／℃以下である半導体装置。
  2. 銀粒子焼結体を含む接合材の緻密度は５０％以上１００％以下である、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 銀粒子焼結体を含む接合材の厚さは５μｍ以上５０μｍ以下である、請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 封止樹脂硬化物がエポキシ樹脂と無機フィラーとを含有する熱硬化性樹脂の硬化物である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. プライマー樹脂をさらに含む半導体装置であって、半導体素子のリードフレームとの接合面とは反対側の表面にプライマー樹脂が形成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. プライマー樹脂のガラス転移温度が２００℃以上である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. プライマー樹脂の厚さが０．１μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. プライマー樹脂がポリアミド樹脂またはポリアミドイミド樹脂である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. プライマー樹脂が熱可塑性樹脂である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体装置。
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