説明

光半導体装置及びその製造方法

【目的】硬化後の樹脂硬化物が高温下に置かれても、長期保管によっても黄変することのきわめて少なく、優れた光透過性が維持できる光半導体装置及びその製造方法を提供する。
【構成】(A)脂環式エポキシ樹脂、(B)有機アルミニウム化合物、(C)水酸基を有する有機ケイ素化合物、を含む樹脂組成物を硬化させて透明樹脂で封止された光半導体装置であって、その透明樹脂の表面に透明ガラス保護膜が形成されている光半導体装置及びその製造方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は光半導体素子を樹脂封止してなる光半導体装置及びその製造方法に関し、特に、耐熱性、耐紫外線性に優れた光半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、バックライト、表示板、デイスプレイ、各種インジケーター等に使用されている発光ダイオード(LED)等の半導体発光素子は、透明樹脂による封止が一般的であり、使用される封止樹脂としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂を主剤とし、これに硬化剤として酸無水物を配合したものが、耐熱性、機械的強度、電気特性等が良好で、かつ透明性に優れることから多用されている。
【0003】
しかし、近年、発光効率の良い青色や白色等の短波長を発光するLEDが実用化され、それに伴い、次のような問題が生じてきている。
【0004】
青色や白色等の短波長の光を発するLED等の素子においては、副次的に近紫外光を発する。一方、従来の封止用樹脂に使用されているビスフェノールA型エポキシ樹脂はベンゼン環を含んでいる。そのため、従来の封止用樹脂で上記のようなLED等の発光素子を封止した場合、不飽和結合をもつベンゼン環等は紫外線を吸収しやすいため、発光素子が発する紫外線により、樹脂が劣化して着色してしまうため透明性の低下が生じてしまう。また、硬化剤として用いている酸無水物も紫外線を吸収をする不飽和結合を有するため、樹脂の透明性劣化の要因となっていた。
【0005】
この問題点を解消するために、潜在性触媒を用いてエポキシ樹脂を熱カチオン重合させることにより、酸無水物の使用を不要とし、樹脂中の不飽和結合の割合を低減する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【特許文献1】特開2003−73452号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、この潜在性触媒を用いた樹脂組成物の耐紫外線性は酸無水物硬化の樹脂組成物より良好であるが、耐熱性が悪く、酸無水物硬化の樹脂組成物に比べて熱劣化による着色により透明性の低下が激しい。
【0007】
また、一般に熱劣化による着色は酸化によるものであるため、不活性雰囲気下で樹脂硬化を行うこととすればある程度着色を抑えることが可能であるが、実際の製造工程において不活性雰囲気環境を作るのは手間やコストの面から大気中で硬化させることが好ましい。
【0008】
そこで、本発明は、封止樹脂の紫外線及び熱により劣化を防止する構成とすることで、封止樹脂の透明性の低下を防止して製品寿命の長い光半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、封止樹脂の表面に光透過性の保護膜を設けることで、耐熱性と耐紫外線性に優れ、かつ光透過性に優れた光半導体装置が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0010】
すなわち、本発明の光半導体装置は、透明樹脂で封止された光半導体装置であって、透明樹脂の表面に透明ガラス保護膜が形成されていることを特徴とするものである。
【0011】
また、本発明の光半導体装置の製造方法は、光半導体素子を透明樹脂で封止する工程と、光半導体素子を封止した透明樹脂の表面に透明ガラス保護膜を形成する工程と、を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、高エネルギー線を発生する白色LEDや青色LEDの光半導体素子を用いたものであっても、耐熱性、耐紫外線性に優れていることから、劣化耐性に優れ、動作を長時間安定して行うことができる信頼性の高い光半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図1は、本発明の光半導体装置の構成を示した図である。
【0014】
図1に示したように、本発明の光半導体装置1は、光半導体素子2、光半導体素子2を封止した透明樹脂3、透明樹脂3の表面に形成されたガラス保護膜4とからなるものである。
【0015】
本発明に用いる光半導体素子2としては、青色発光型LED、白色発光型LED等の発光素子が挙げられる。特に、380〜480nmの光を発する発光素子である場合に、本発明の光半導体素子はその効果を顕著に発揮するものである。
【0016】
また、光半導体素子2は透明樹脂3で封止されるが、このとき用いる透明樹脂としては、光半導体素子を封止するのに用いることができるものであれば特に制限されず、例えば、脂環式エポキシ樹脂、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、複素環式エポキシ樹脂等を主成分とした樹脂組成物の硬化物が挙げられる。
【0017】
その中でも、紫外線により着色しない脂環式エポキシ樹脂を主成分としたものであることが好ましく、特に(A)脂環式エポキシ樹脂と、(B)有機アルミニウム化合物と、(C)水酸基を有する有機ケイ素化合物と、を含有するエポキシ樹脂組成物であることが好ましい。
【0018】
このときのエポキシ樹脂組成物の各構成成分について、以下、具体的に説明する。
【0019】
まず、ここで用いる(A)脂環式エポキシ樹脂は、環状の脂肪族基からなるエポキシ樹脂であり、紫外線による樹脂の着色を防止する観点から不飽和結合を有しない樹脂であることが好ましい。
【0020】
また、脂環式エポキシ樹脂の他に1分子中に1個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂を一部用いることもできる。このとき用いるエポキシ樹脂としては、具体的には、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S型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、水素化ビスフェノールA型エポキシ樹脂、トリグリシジルイソシアネート等の多官能複素環式エポキシ樹脂等が挙げられる。これらのエポキシ樹脂は、単独又は2種以上を脂環式エポキシ樹脂に添加して用いてもよい。
【0021】
本発明に用いる透明樹脂としては、有色透明、無色透明のいずれであってもよいが、透明性の観点から波長400nmにおける光路長1mmの光透過率が80%以上である液状樹脂であることが好ましい。ただし、不飽和結合を多く含むエポキシ樹脂の配合量が増えると、望まれる耐紫外線性を得ることができなくなる点に注意すべきである。
【0022】
次に、ここで用いる(B)有機アルミニウム化合物としては、例えば、トリメトキシアルミニウム、トリエトキシアルミニウム、イソプロポキシアルミニウム、イソプロポキシジエトキシアルミニウム、トリブトキシアルミニウム等のアルコキシ化合物、トリアセトキシアルミニウム、トリステアラートアルミニウム、トリブチラートアルミニウム等のアシロオキシ化合物、アルミニウムイソプロピレート、アルミニウムsec−ブチレート、アルミニウムtert−ブチレート、アルミニウムトリス(エチルアセトアセテート)、トリスヘキサフルオロアセチルアセトナートアルミニウム、トリスエチルアセトアセテートアルミニウムトリス(n−プロピルアセトアセテート)アルミニウム、トリス(iso−プロピルアセトアセテート)アルミニウム、トリス(n−ブチルアセトアセテート)アルミニウム、トリスサリチルアルデヒドアルミニウム、トリス(2−エトキシカルボニルフェノラート)アルミニウム、トリス(アセチルアセトナート)等のキレート化合物が挙げられる。
【0023】
これらの有機アルミニウム化合物は、それぞれ単独で使用してもよく、2種以上を混合して使用してもよい。これらの中でもアルコキシ化合物、キレート化合物が好ましく、なかでもキレート化合物が特に好ましい。
【0024】
次に、このような有機アルミニウム化合物とともに使用する(C)有機ケイ素化合物は、少なくとも1つのケイ素原子に直接結合した少なくとも1つの水酸基を有することを特徴とするものである。
【0025】
この(C)有機ケイ素化合物としては、水酸基を有するか又は加水分解により水酸基を生ずる化合物を使用することができ、例えば、次の一般式(1)で表されるオルガノシラン
【化1】

(ただし、式中Rはアルキル基、フェニル基、アラルキル基、ビニル基又はアリル基であり、Rは同一又は異なって、アルキル基、フェニル基、アラルキル基、ビニル基、アリル基、水酸基及びアルコキシル基から選択される基であって、少なくとも1つは水酸基又はアルコキシル基である。)や一般式(2)で表されるようなポリシロキサン化合物
【化2】

(ただし、Rは同一又は異なって、アルキル基、フェニル基、アラルキル基、ビニル基、アリル基、水酸基及びアルコキシル基から選択される基であって、少なくとも1つは水酸基又はアルコキシル基である。また、nは0又は1以上の正の整数を表す。)が挙げられる。
【0026】
これらの例として具体的には、ジフェニルジシラノール、ジフェニルメチルシラノール、トリメチルシラノール、トリフェニルシラノール等のアルキルシラノール化合物、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、ジフェニルイソプロポキシシラン、ジフェニルジアセトキシシラン、トリフェニルメトキシシラン、トリフェニルエトキシシラン、ジフェニルビニルエトキシシラン等のアルコキシシラン化合物等が挙げられる。この有機ケイ素化合物は1種又は2種以上の混合系で用いてもよい。
【0027】
これらの硬化促進剤は、エポキシ樹脂100重量部に対して有機アルミニウム化合物が0.005〜10重量部、有機ケイ素化合物が0.01〜20重量部配合することが好ましい。
【0028】
有機アルミニウム化合物及び有機ケイ素化合物のいずれか一方でも配合量が前記範囲に満たないとエポキシ樹脂の硬化が不十分となり、接着性が十分に発現しないおそれがある。また、逆に有機アルミニウム化合物及び有機ケイ素化合物のいずれか一方でも前記範囲を超えて配合された場合には、反応が加速して極度の発熱又は発火のおそれがある。配合量のより好ましい範囲は、有機アルミニウム化合物が0.01〜5重量部、有機ケイ素化合物が0.01〜10重量部の範囲である。
【0029】
また、本発明の効果を阻害しない範囲で前記有機アルミニウム化合物及び有機ケイ素化合物以外の硬化促進剤を併用することができる。併用する硬化促進剤としては、一般的にエポキシ樹脂の硬化促進剤として用いられるものであればよく、イミダゾール、リン化合物、ジアザ化合物、第3級アミン等をあげることができる。
【0030】
本発明の透明樹脂の組成物は、前記脂環式エポキシ樹脂、硬化促進剤の他に必要に応じて無機フィラー、反応希釈剤、消泡剤、カップリング剤等の添加剤を混合し、真空脱泡することにより製造することができる。
【0031】
上記透明樹脂組成物は、LED等の半導体素子の封止に使用することが好適であり、この樹脂組成物は、DSC(示差走査熱分析計)の発熱開始温度が60〜100℃かつ100℃以下で硬化するもので、チップ部品を封止する時の硬化条件は、大気中で60〜120℃、30分以上加熱することで透明に硬化させることができる。
【0032】
またその硬化物が、350nm以下の波長をフィルターカットし、365nmで約30mW/cmの照度である高圧水銀灯を100時間照射後、波長400nmにおける光路長1mmの光透過率が80%以上であることが好ましい。硬化条件の温度が100℃以上になると熱変色により、成形直後の波長400nmにおける光路長1mmの光透過率が80%以下になってしまう。また、硬化時間が60℃以下では硬化するまでの時間がかかりすぎ、実用的ではない。
【0033】
次に、本発明に用いる透明樹脂の表面に形成された透明ガラス保護膜4は、透明のガラスであればよく、有色透明、無色透明のいずれも用いることがきるが、無色透明であることが好ましく、半導体素子の発する光を阻害しないように波長400nmにおける光路長1mmの光透過率が80%以上であることが好ましい。
【0034】
また、この透明ガラス保護膜4は、光半導体装置の使用環境が高温となっても透明樹脂の劣化を抑制し、光透過率を低下させないように樹脂を保護することができる、250℃以上の耐熱性を有しているものであることが好ましい。
【0035】
本発明の透明ガラス保護膜の形成は、例えば、次のように行うことができる。まず、透明ガラス保護膜の形成が可能な液状前駆体として、有機シラン化合物と揮発性の有機酸とを混合し、反応させて反応溶液を得る。次いで、この反応溶液を用いて光半導体の透明樹脂の表面に薄膜を形成し、これを280℃以下の低温で焼成して、透明樹脂表面にシロキサンポリマーからなるガラス質の保護膜を形成する。
【0036】
このとき用いる有機シラン化合物としては、式(RO)Siで表される化合物(ただし、式中、Rは炭素数1〜4の低級アルキル基である。)が挙げられ、なかでも、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシランであることが好ましい。
【0037】
また、揮発性の有機酸としては、有機シラン化合物と相溶性を有し有機シラン化合物と混合、加熱して液状体となるものであり、ガラス質とするときの焼成温度以下で揮発するものであればよく、例えば、酢酸、無水酢酸、ギ酸等が挙げられ、酢酸又は無水酢酸であることが好ましい。この有機酸の使用量は、有機シラン化合物 100重量部に対して、20〜150重量部であることが好ましい。
【0038】
この無機ガラス材料の形成は、これまでのゾル・ゲル法のように水を添加することなく、有機シラン化合物と揮発性の有機酸の反応混合物を加熱するとガラス材料が形成されることを利用するものである。
【0039】
このとき、有機シラン化合物と有機酸のみを混合し、加熱処理したものを塗布、加熱するとひび割れ、剥離等が生じやすく、膜の形成が困難となる場合があるので、有機溶媒を混合することが好ましい。
【0040】
この有機溶媒としては、水を含んでいないものであって、有機シラン化合物と有機酸とを均一に混合することができ、焼成する際の温度で揮発することが好ましく、例えば、ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン等が挙げられ、ヘキサン、シクロヘキサンであることが好ましい。このとき用いる有機溶媒の使用量は、有機シラン化合物 100重量部に対して、100〜500重量部であることが好ましい。
【0041】
本発明における液状前駆体を調整するには、有機シラン化合物と有機酸とを混合した溶液を、100〜125℃で1〜2時間加熱して得られた溶液に、揮発性の有機溶媒を加えて、125〜150℃で1〜2時間加熱することが好ましい。これにより透明な液状前駆体を得ることができる。
【0042】
有機溶媒の添加、加熱の工程は、繰り返し行っても良く、必要に応じてろ過を行うことで均一な透明の液状前駆体とすることができる。
【0043】
さらに、この液状前駆体を光半導体装置の透明樹脂表面に塗布する際には、膜状にコーティングすることが容易となる観点から有機溶媒で希釈することが好ましく、ここで用いる有機溶媒としては、先に挙げた有機溶媒、例えば、ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン等が挙げられ、ヘキサン、シクロヘキサンであることが好ましい。
【0044】
このように得られた液状前駆体を、光半導体装置の透明樹脂表面に塗布して膜を形成し、これを250℃以下、好ましくは180〜200℃で焼成して、透明ガラスの保護膜を有する光半導体装置が得られる。
【0045】
なお、焼成温度における加熱による透明樹脂の劣化は、樹脂が酸素に接触しない条件下であれば抑制することができ、通常、液状前駆体が透明樹脂の表面を被覆して行うため問題とならない。また、より万全を期すために、窒素等の不活性ガス雰囲気下でガラス保護膜を形成するようにしてもよい。
【0046】
このとき形成される透明ガラス保護膜の厚さは1〜200μmであることが好ましく、5〜50μmであることが特に好ましい。
【0047】
このような低温焼成により無機ガラスの薄膜を形成することで、熱的に安定なガラス保護膜を光半導体装置の透明樹脂表面に形成することができ、得られたガラス保護膜は透明樹脂の外部からの熱及び紫外線による劣化を抑制するのに効果的である。
【0048】
なお、本発明の光半導体装置1のガラス保護膜の形成前の工程は、LED等の光半導体素子2を、リードフレーム上のダイパッド等にボンディングした後、透明樹脂組成物をポッティングすることにより光半導体素子2を透明樹脂3封止する従来と同様の工程を用いればよい。
【実施例1】
【0049】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【0050】
[液状前駆体Aの合成]
還流冷却機付きのガラス製の加熱合成容器に、液状のテトラエトキシシラン(多摩化学工業株式会社製) 100重量部を投入後、特級の酢酸(和光純薬工業株式会社製) 100重量部を緩やかに滴下投入し、撹拌下、125℃で1時間反応させた。
次に合成容器中で反応物を常温まで急冷し、へキサン 100重量部を滴下投入し、125℃で1時間撹拌した後、へキサンを加熱蒸留により除去した。更に反応を完結させる為、再度、合成容器中で反応物を常温に冷却後、へキサン 100重量部を加え、125℃で1時間さらに撹拌した後、ヘキサンを加熱蒸留により除去した。その後、得られた液状物をろ過する事で無色透明の液状前駆体Aとし、この液状前駆体Aを担体(エポキシ樹脂成形板)に塗り、150℃で2時間、次いで190℃で14時間低温焼成してガラス保護膜を形成した。
なお、ここで得られた液状前駆体Aの赤外分光スペクトルを取得し、ガラス保護膜のEDX分析を行い、形成された無機膜がガラス質からなることを確認した。
【0051】
[液状前駆体Bの合成]
還流冷却機付きのガラス製の加熱合成容器に、液状のテトラメトキシシラン(多摩化学工業株式会社製) 80重量部を投入後、特級の酢酸(和光純薬工業株式会社製) 100重量部を緩やかに滴下投入し、撹拌下、125℃で1時間反応させた。
次に合成容器中で反応物を常温まで急冷し、へキサン 100重量部を滴下投入し、125℃で1時間撹拌した後、へキサンを加熱蒸留により除去した。更に反応を完結させる為、再度、合成容器中で反応物を常温に冷却後、へキサン 100重量部を加え、125℃で1時間さらに撹拌した後、ヘキサンを加熱蒸留により除去した。
その後、得られた液状物をろ過する事で無色透明の液状前駆体Bが得られた。
【0052】
[透明樹脂組成物1の調製]
液状の脂環式エポキシ樹脂(ダイセル化学株式会社製、商品名:CEL 2021)を100重量部、有機アルミニウム化合物としてアルミニウムトリスアセチルアセトネート(川研ファインケミカル株式会社製、商品名:アルミキレートA)を1重量部、水酸基を有する有機ケイ素化合物としてテトラエトキシシラン(多摩化学工業株式会社製)を1重量部混合し、真空脱泡することにより透明樹脂組成物1を得た。
【0053】
[透明樹脂組成物2の調製]
液状の脂環式エポキシ樹脂(ダイセル化学株式会社製、商品名:CEL 2021)を100重量部、有機アルミニウム化合物としてアルミニウムトリスアセチルアセトネート(川研ファインケミカル株式会社製、商品名:アルミキレートA)を1重量部、水酸基を有する有機ケイ素化合物としてテトラエトキシシラン(多摩化学工業株式会社製)を1重量部、エポキシシランカップリング剤(信越シリコーン株式会社製、商品名:KBE−403)を1重量部を混合し、真空脱泡することにより透明樹脂組成物2を得た。
【0054】
[透明樹脂組成物3の調整]
さらに、従来の酸無水物硬化タイプである樹脂組成物として、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン株式会社製、商品名:エピコート828) 100重量部、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸(日立化成工業株式会社製、商品名:HN−5500) 30重量部、2−エチル−4−メチルイミダゾール(四国化成工業株式会社製、商品名:2E4MZ) 1.8重量部を混合し、真空脱泡することにより透明樹脂組成物3を得た。
【0055】
(実施例1)
光半導体素子として白色LEDに対し、まず透明樹脂組成物Aのポッティングを行い、これを100℃で2時間加熱硬化させて封止した。次いで、封止樹脂の表面に液状前駆体Aを塗布して、窒素気流下200℃で焼成することにより約20μm厚さのガラス質に転換させ、光半導体装置を製造した。
【0056】
(実施例2〜7)
LED、透明樹脂組成物、液状前駆体の組合わせを表1のように変えて、実施例1と同様の操作により、光半導体装置を製造した。
【0057】
(比較例1〜4)
LED、透明樹脂組成物、液状前駆体の組合わせを表1のようにして、LEDに対し、透明樹脂組成物のポッティングを行い、これを100℃で2時間加熱硬化させて封止して光半導体装置とした。
【0058】
(試験例)
実施例及び比較例で用いた組合わせにより、樹脂の着色、光透過率、耐熱性、耐紫外線性について評価を行い、その結果を表2に示した。
【0059】
【表1】

【0060】
【表2】

【0061】
なお、ここで用いた評価方法は次の通りである。
[硬化後の光透過率の測定]:透明樹脂組成物をそれぞれ表1の硬化条件で成形し、厚さ1mmの成形品を得た。この成形品の表面に表1の条件で、厚さ20μmの耐熱性のガラス保護膜を形成し、得られた成形板について分光光度計(日本分光株式会社製、商品名:V−530)を用いて波長400nmでの光透過率を測定した。
[加熱試験後の光透過率]:硬化後の光透過率の測定で得られた成形板を、120℃の乾燥機中に100時間放置した後、波長400nmでの光透過率を上記と同様の方法で測定した。
[紫外線照射後の光透過率]:硬化後の光透過率の測定で得られた成形板を、高圧水銀ランプ(オーク製作所製、商品名:HANDY UV−800)を用いて350nm以下の波長をフィルターカットした365nmの光を約30mW/cmの照度で100時間照射し、波長400nmでの光透過率を上記と同様の方法で測定した。
【図面の簡単な説明】
【0062】
【図1】本発明の光半導体装置を基板上に実装したときの構成を例示した図である。
【符号の説明】
【0063】
1…光半導体装置、2…光半導体素子、3…透明樹脂、4…ガラス保護膜、5…封止樹脂、6…プリント基板

【特許請求の範囲】
【請求項1】
透明樹脂で封止された光半導体装置であって、前記透明樹脂の表面が透明ガラス保護膜で被覆されていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項2】
前記透明ガラス保護膜が、有機シラン化合物と揮発性の有機酸とを含む液状前駆体を250℃以下の温度で焼成することにより得られたものであることを特徴とする請求項1記載の光半導体装置。
【請求項3】
前記透明樹脂が、(A)脂環式エポキシ樹脂を100重量部、(B)有機アルミニウム化合物を0.005〜10重量部、(C)水酸基を有する有機ケイ素化合物を0.01〜20重量部含んでなることを特徴とする請求項1又は2記載の光半導体装置。
【請求項4】
光半導体素子を透明樹脂で封止する工程と、
前記光半導体素子を封止した透明樹脂の表面に透明ガラス保護膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項5】
前記透明ガラス保護膜の形成を、有機シラン化合物と揮発性の有機酸とを含む液状前駆体を250℃以下の温度で焼成して行うことを特徴とする請求項4記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項6】
前記透明樹脂が、(A)脂環式エポキシ樹脂を100重量部、(B)有機アルミニウム化合物を0.005〜10重量部、(C)水酸基を有する有機ケイ素化合物を0.01〜20重量部含んでなることを特徴とする請求項4又は5記載の光半導体装置の製造方法。

【図1】
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【公開番号】特開2006−287133(P2006−287133A)
【公開日】平成18年10月19日(2006.10.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−107935(P2005−107935)
【出願日】平成17年4月4日(2005.4.4)
【出願人】(390022415)京セラケミカル株式会社 (424)
【Fターム(参考)】