JPH05183075A

JPH05183075A - 光半導体装置

Info

Publication number: JPH05183075A
Application number: JP3360709A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Aoki; 豊青木; Satoshi Tanigawa; 聡谷川
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 1991-12-27
Filing date: 1991-12-27
Publication date: 1993-07-23

Abstract

(57)【要約】【目的】内部応力が小さく、しかも低応力性に優れた
光半導体装置を提供する。【構成】下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含み、（Ｃ）成
分であるシリカ系粒子と、（Ａ）および（Ｂ）成分を主
体とするエポキシ樹脂硬化体の屈折率との差が±０．０
１の範囲に設定されているエポキシ樹脂組成物を用いて
光半導体素子を封止する。（Ａ）透明性エポキシ樹脂。（Ｂ）硬化剤。（Ｃ）表面が平滑なシリカ系粒子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光透過率および低応
力性の双方に優れた封止樹脂により樹脂封止された光半
導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光半導体素子を封止する際に用いられる
樹脂組成物としては、透明であることが要求され、一般
に、ビスフェノール型エポキシ樹脂，脂環式エポキシ樹
脂等のエポキシ樹脂と酸無水物系硬化剤とからなるエポ
キシ樹脂組成物が用いられている。

【０００３】しかし、上記エポキシ樹脂組成物を封止樹
脂として用いると、エポキシ樹脂組成物の硬化時の硬化
収縮、または硬化温度から室温に冷却するときの冷却収
縮により、封止樹脂と光半導体素子の接着界面におい
て、封止樹脂と光半導体素子の線膨張係数の差に起因す
る歪みが生じ内部応力が発生する。その結果、光半導体
素子が劣化するという問題が生じる。このため、従来か
ら、上記内部応力を低減させる方法として、シリカ粒子
等の線膨張係数の小さい透明な無機粉末を添加してエポ
キシ樹脂組成物硬化体の線膨張係数を小さくし、光半導
体素子のそれに近似させる方法が提案され一部で実行さ
れている。

【０００４】しかし、上記方法は、内部応力を低下させ
ることは可能でも、透明な無機粉末とエポキシ樹脂硬化
体との屈折率の差があるため、得られるエポキシ樹脂組
成物硬化体の光透過率が著しく低下するという光半導体
封止用樹脂組成物としては致命的な欠点を有している。
これに対し、上記欠点を解決するために、樹脂成分と透
明な無機粉末の屈折率の差を小さくする方法が提案され
実行されている（特開昭４９−２３８４７号）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、単に樹
脂成分と透明な無機粉末の屈折率の差を小さくするだけ
では、例えば、厚み２ｍｍのエポキシ樹脂硬化体の光透
過率は７０％程度であり、高輝度の発光素子（ＬＥＤ）
等の高性能光半導体素子の封止樹脂組成物としては、不
充分であり、より光透過率の高い、しかも低応力性に優
れた光半導体封止用樹脂組成物が切望されている。

【０００６】この発明は、このような事情に鑑みなされ
たもので、内部応力が小さく、しかも低応力性に優れた
光半導体装置の提供をその目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明の光半導体装置は、下記の（Ａ）〜（Ｃ）
成分を含み、（Ｃ）成分であるシリカ系粒子と、（Ａ）
および（Ｂ）成分を主体とするエポキシ樹脂硬化体の屈
折率との差が±０．０１の範囲に設定されているエポキ
シ樹脂組成物を用いて光半導体素子を封止するという構
成をとる。（Ａ）透明性エポキシ樹脂。（Ｂ）硬化剤。（Ｃ）表面が平滑なシリカ系粒子。

【０００８】

【作用】すなわち、本発明者らは、内部応力が小さくし
かも光透過性に優れた封止樹脂を得るために一連の研究
を重ねた。その研究の過程で、種々の粒子径のシリカ系
粒子を用いたところ、粒子径の大きい方が光透過率が高
くなる傾向を突き止めたが、ある程度粒子径が大きい場
合であっても、充分な光透過率は得られなかった。そこ
で、上記光透過性が低いのは、例えば見掛けは粒子径が
５０μｍの粒子であっても実際には、サブミクロンオー
ダーの微粒子（シリカ系微細片）が粒子表面に多数付着
あるいは遊離して存在しており、その微粒子が光を乱反
射させるのではないか、また球状溶融シリカのように粒
子の製造工程中で微粒子が副生成する場合は粒子表面に
微粒子が付着しているだけでなく、たとえその微粒子が
剥離しても微粒子の付着していた痕跡が粒子表面に残存
して表面が粗くなり、その粗さが光の乱反射を起こすた
めではないかと想起した。そして、このような乱反射を
防止し光透過率を高めるために、さらに研究を重ねた。
その結果、表面が平滑なシリカ系粒子を用い、さらにこ
のシリカ系粒子の屈折率をエポキシ樹脂硬化体のそれに
近似させると、透明で内部応力の低減された封止樹脂が
得られることを見出しこの発明に到達した。

【０００９】つぎに、この発明を詳しく説明する。

【００１０】この発明に用いるエポキシ樹脂組成物は、
透明性エポキシ樹脂（Ａ成分）と、硬化剤（Ｂ成分）
と、特定のシリカ系粒子（Ｃ成分）とを用いて得られる
ものであって、通常、液状，粉末状もしくはこの粉末を
打錠したタブレット状のものが用いられる。

【００１１】上記透明性エポキシ樹脂（Ａ成分）として
は、ビスフェノール型エポキシ樹脂，脂環式エポキシ樹
脂が透明性を有するために好ましく用いられるが、場合
により他のエポキシ樹脂を併用してもよい。そして、上
記他のエポキシ樹脂を併用する場合、その配合割合は、
通常、エポキシ樹脂成分全体の５０重量％（以下「％」
と略す）以下に設定するのが好適である。このようなエ
ポキシ樹脂としては、一般に、エポキシ当量１００〜１
０００、軟化点１２０℃以下のものが用いられる。な
お、上記透明性エポキシ樹脂の透明性とは、着色透明の
場合も含み、厚み１ｍｍ相当で、６００ｎｍの波長の光
透過率が８０〜１００％をいう（分光光度計により測
定）。

【００１２】上記透明性エポキシ樹脂（Ａ成分）ととも
に用いられる硬化剤（Ｂ成分）としては、例えば酸無水
物系硬化剤があげられる。上記酸無水物系硬化剤として
は、分子量１４０〜２００程度のものが好ましく用いら
れ、具体的には、ヘキサヒドロ無水フタル酸，テトラヒ
ドロ無水フタル酸，メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、
メチルテトラヒドロ無水フタル酸等の無色ないし淡黄色
の酸無水物があげられる。上記酸無水物系硬化剤の配合
量は、上記透明性エポキシ樹脂（Ａ成分）１００重量部
（以下「部」と略す）に対して５０〜２００部の範囲に
設定することが好ましい。

【００１３】上記特定のシリカ系粒子（Ｃ成分）として
は、表面が平滑なものを用いる必要がある。そして、こ
のようなシリカ系粒子として、粒子径１０μｍ以上、好
ましくは５０μｍ以上のものを用いるのが好ましく、実
質的に１μｍ以下の微粒子が含有されていないものが好
ましい。上記表面が平滑なシリカ系粒子とは、シリカ系
粒子の表面にシリカ微細片が付着していないものをい
う。なお、特定のシリカ系粒子には、屈折率の調整とい
う観点からシリカ以外に酸化鉛，酸化チタン等の金属酸
化物を所定量溶融混合してもよい。

【００１４】そして、上記１μｍ以下の微粒子の除去
は、超音波を用いて分級することにより行うことができ
る。すなわち、シリカ系粒子を水に分散させ、これに超
音波をかけた後、しばらく放置してこの上澄み液を除去
するという操作を必要回数繰り返すことにより、粒子表
面に付着していた微粒子および遊離の微粒子をほぼ完全
に除去することができる。

【００１５】また、上記特定のシリカ系粒子（Ｃ成分）
としては、表面が平滑であれば球状でも破砕状（図３参
照）でもいずれでもよいが、体積当たりの表面積を考慮
すると、好ましくは球状のものを用いるのが好ましい。
すなわち、破砕状のように表面積が大きいと、それだけ
光が散乱するからである。一般に、破砕状物は、マクロ
的には形状は凹凸であるが、光の波長レベルでは平滑と
みなすことができる。一方、球状物はマクロ的には表面
が平滑と考えられるが、光の波長レベルでは、表面が破
砕状物よりむしろ凹凸の激しい場合があり、このような
ものはこの発明においては好ましくない。例えば、溶融
球状シリカでは、その製造工程中に副生成する微粒子の
シリカ表面への付着により、光の波長レベルでは表面に
かなりの凹凸が形成される。この球状シリカ１表面に微
粒子２が付着した状態のシリカを図２に示す。この微粒
子２の副生成の原因は、高温で溶融時に、一部のシリカ
が熱分解した後、再びシリカを生成するという可逆反応
が生じ、その際に再生したシリカが微粒子２になるため
と考えられる。したがって、表面が平滑な球状のシリカ
系粒子を作製するためには、例えば、ガラスのように融
点の低いものであれば、その破砕状物を用いて溶融法に
より球状のシリカ系粒子を作製することができる。この
ようにして得られたシリカ系粒子は、図１に示すよう
に、いわゆるガラスビーズであり、略真球で平滑な表面
を有している。

【００１６】上記特定のシリカ系粒子（Ｃ成分）の含有
割合は、エポキシ樹脂組成物全体の１０〜８０％の範囲
内に設定することが好ましい。すなわち、シリカ系粒子
の含有量が１０％未満では硬化物の線膨張係数が充分に
低下せず、また８０％を超えると線膨張係数は低下する
が樹脂粘度が高くなり、成形性が劣る傾向がみられるか
らである。なお、上記シリカ系粒子の含有割合は、エポ
キシ樹脂組成物硬化体を燃焼させ、その灰分として残存
するシリカ系粒子の重量から算出することができる。

【００１７】そして、上記特定のシリカ系粒子（Ｃ成
分）の屈折率と、上記透明性エポキシ樹脂（Ａ成分）お
よび硬化剤（Ｂ成分）を主体とするエポキシ樹脂硬化体
の屈折率の差を±０．０１の範囲に設定する方法として
は、下記の〜の方法があげられる。

【００１８】上記ＡおよびＢ成分からなるエポキシ樹
脂組成物硬化体のみの屈折率を調整する方法（例えば、
Ａ成分の種類の選択，Ａ成分の２種類以上の併用あるい
はＢ成分の種類の選択，Ｂ成分の２種類以上の併用
等）。特定のシリカ系粒子（Ｃ成分）の屈折率を調整する方
法。上記およびを併用する方法。

【００１９】そして、上記の方法としては、具体的に
は酸化鉛，酸化チタン等の金属酸化物をシリカ系粒子に
所定量溶融混合することが一般的である。なお、上記
「主体とする」とは主体とする成分のみ（Ａ成分および
Ｂ成分）からなる場合も含める趣旨である。

【００２０】また、上記Ａ〜Ｃ成分ととに、シランカッ
プリング剤を用いてもよい。シランカップリング剤を用
いることによりエポキシ樹脂とシリカ系粒子の密着性が
高くなり、硬化物の透明性を向上させることができる。
このようなシランカップリング剤としては、エポキシ基
またはアミノ基を有するものが好ましく、具体的には、
エポキシ基を有するものとしては、β−（３，４−エポ
キシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、γ−
グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシ
ドキシプロピルメチルジエトキシシラン等があげられ
る。アミノ基を有するものとしては、Ｎ−β−アミノエ
チル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β
−アミノエチル−γ−アミノプロピルメチルジメトキシ
シラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−
フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン等が
あげられる。これらは単独でもしくは併せて用いられ
る。上記シランカップリング剤の使用量は、シリカ系粒
子１００部に対して０．５〜３部の範囲内に設定するの
が好ましい。

【００２１】なお、この発明に用いるエポキシ樹脂組成
物には、上記Ａ〜Ｃ成分以外に、必要に応じて硬化触
媒，染料，変性剤，変色防止剤，老化防止剤，離型剤，
反応性ないし非反応性の希釈剤等の従来公知の添加剤を
適宜配合することができる。

【００２２】上記硬化触媒としては、三級アミン，イミ
ダゾール化合物および有機金属錯塩等があげられる。

【００２３】このようなエポキシ樹脂組成物は、例えば
つぎのように製造することができる。すなわち、上記Ａ
〜Ｃ成分ならびにそれ以外の添加剤を適宜配合し、予備
混合した後、混練機にかけて混練して溶融混合する。そ
して、これを室温に冷却した後、公知の手段によって粉
砕し、必要に応じて打錠するという一連の工程により製
造することができる。また、上記透明性エポキシ樹脂
（Ａ成分）が常温で液状のものである場合には、これ以
外の成分をＡ成分とともに混合するのみで目的とするエ
ポキシ樹脂組成物を得ることができる。

【００２４】そして、この発明に用いるエポキシ樹脂組
成物として、上記Ａ成分およびＢ成分を主体とするエポ
キシ樹脂硬化体の屈折率と、上記特定のシリカ系粒子の
屈折率の差が±０．０１以内のものが用いられる。上記
屈折率はアッベ屈折計を用いて測定される。

【００２５】このようなエポキシ樹脂組成物を用いての
光半導体素子の封止は、特に限定するものではなく、通
常のトランスファー成形，注型等の公知のモールド方法
により行うことができる。その結果、光半導体素子を上
記エポキシ樹脂組成物硬化体からなる封止樹脂層によっ
て封止した光半導体装置が得られる。

【００２６】このようにして得られる光半導体装置は、
透明性に優れ、内部応力が極めて小さく高い信頼性を備
えている。

【００２７】

【発明の効果】以上のように、この発明の光半導体装置
は、その屈折率がエポキシ樹脂硬化体と略等しい表面が
平滑なシリカ系粒子（Ｃ成分）を含むエポキシ樹脂組成
物を用いて光半導体素子を樹脂封止して得られたもので
ある。このため、この封止樹脂は光透過性に優れ、しか
もその内部応力が小さくなっており、例えばＬＥＤでは
その輝度劣化の抑制等が効果的になされ、信頼性が極め
て高くなる。

【００２８】つぎに、実施例について比較例と併せて説
明する。

【００２９】

【実施例１】エポキシ当量１８５のビスフェノールＡ型
エポキシ樹脂（液状樹脂）を７０部、下記の構造式で表
されるエポキシ当量２５２の脂環式エポキシ樹脂（液状
樹脂）３０部、

【００３０】

【化１】

【００３１】メチルヘキサヒドロ無水フタル酸１００
部、２−エチル−４−メチルイミダゾール０．４部、酸
化防止剤２．５部（上記各成分配合の樹脂組成物硬化体
の屈折率は１．５３０である）に、屈折率が１．５３０
で、平均粒子径１２５μｍ（粒子径１００μｍ除去）
で、実質的に１μｍ以下の微粒子を含まないシリカ系粒
子（ガラスビーズ）１５０部を添加し混合した。つい
で、これを１２０℃で熱硬化させてシリカ系粒子含有エ
ポキシ樹脂組成物硬化体を得た。この硬化体の光透過率
は厚み４ｍｍで８２％という高い値であった。

【００３２】

【実施例２】エポキシ当量６５０のビスフェノールＡ型
エポキシ樹脂（液状樹脂）を７５部、下記の構造式で表
されるエポキシ当量１８７の脂環式エポキシ樹脂（固形
樹脂）２５部、

【００３３】

【化２】〔上記式において、Ｒはトリメチロールプロパン残基
で、ｎ≒１５である。〕

【００３４】テトラヒドロ無水フタル酸３４部、２−エ
チル−４−メチルイミダゾール０．３部、酸化防止剤
２．５部（上記各成分配合の樹脂組成物硬化体の屈折率
は１．５６５である）に、屈折率が１．５６５で、平均
粒子径１２５μｍ（粒子径１００μｍ除去）で、実質的
に１μｍ以下の微粒子を含まないシリカ系粒子（ガラス
ビーズ）１３０部を添加し溶融混合を行い、冷却固化し
た後、粉砕して粉末状エポキシ樹脂組成物を得た。この
粉末状エポキシ樹脂組成物をトランスファー成形で１５
０℃で熱硬化させ、シリカ系粒子含有エポキシ樹脂組成
物硬化体を得た。この硬化体の光透過率は厚み４ｍｍで
８２％という高い値であった。

【００３５】

【実施例３】シリカ系粒子の配合量を２０部に変えた。
それ以外は実施例２と同様にしてシリカ系粒子含有エポ
キシ樹脂組成物硬化体を得た。この硬化体の光透過率は
厚み４ｍｍで８５％という高い値であった。

【００３６】

【実施例４】シリカ系粒子の配合量を５４０部に変え
た。それ以外は実施例２と同様にしてシリカ系粒子含有
エポキシ樹脂組成物硬化体を得た。この硬化体の光透過
率は厚み４ｍｍで７５％という高い値であった。

【００３７】

【実施例５】β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）
エチルトリメトキシシランを添加した。それ以外は実施
例２と同様にしてシリカ系粒子含有エポキシ樹脂組成物
硬化体を得た。この硬化体の光透過率は厚み４ｍｍで８
３％という高い値であった。

【００３８】

【比較例１】エポキシ当量６５０のビスフェノールＡ型
エポキシ樹脂（液状樹脂）を７５部、下記の構造式で表
されるエポキシ当量１８７の脂環式エポキシ樹脂（固形
樹脂）２５部、

【００３９】

【化３】〔上記式において、Ｒはトリメチロールプロパン残基
で、ｎ≒１５である。〕

【００４０】テトラヒドロ無水フタル酸３４部、２−エ
チル−４−メチルイミダゾール０．４部、酸化防止剤
２．５部（上記各成分配合の樹脂組成物硬化体の屈折率
は１．５６５である）に、屈折率が１．５６５で、粒子
径が０．１〜７μｍの範囲になるシリカ系粒子を１３０
部添加し溶融混合を行い、冷却固化した後、粉砕して粉
末状エポキシ樹脂組成物を得た。この粉末状エポキシ樹
脂組成物をトランスファー成形で１５０℃で熱硬化さ
せ、シリカ系粒子含有エポキシ樹脂組成物硬化体を得
た。上記エポキシ樹脂組成物硬化体とシリカ系粒子の屈
折率を一致させたにもかかわらず、得られた硬化体の光
透過率は厚み４ｍｍで４０％という低い値であった。

【００４１】

【比較例２】シリカ系粒子を用いなかった。それ以外は
実施例２と同様にして粉末状エポキシ樹脂組成物を得
た。

【００４２】つぎに、実施例１〜５および比較例２で得
られたエポキシ樹脂組成物を用いてＬＥＤを樹脂封止し
て光半導体装置を作製した。そして、この光半導体装置
の通電輝度劣化を測定した。その結果を下記の表１に示
す。なお、上記通電輝度劣化の測定方法は、つぎのよう
にして行った。すなわち、上記光半導体装置（ＬＥＤデ
バイス）に定電流を流し、輝度として電流印加５秒後の
受光素子の出力電流値を求め劣化率を測定した。〔測定条件〕パッケージ：直径５ｍｍのパイロットランプ。評価素子：ＧａＡｓ，０．５ｍｍ×０．５ｍｍ。評価条件：−３０℃放置で２０ｍＡ通電の１０００時間
後の輝度劣化率を測定した。

【００４３】

【表１】

【００４４】上記表１の結果から、実施例品は比較例品
に比べて輝度劣化が抑制され、光透過性とともに低応力
性も向上していることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】表面が平滑な球状のシリカ系粒子の形態を示す
説明図である。

【図２】球状シリカ表面に微粒子が付着した形態を示す
説明図である。

【図３】表面が平滑な破砕状のシリカ系粒子の形態を示
す説明図である。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年３月５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】また、上記特定のシリカ系粒子（Ｃ成分）
としては、表面が平滑であれば球状でも破砕状（図３参
照）でもいずれでもよいが、体積当たりの表面積を考慮
すると、好ましくは球状のものを用いるのが好ましい。
すなわち、破砕状のように表面積が大きいと、それだけ
光が散乱するからである。一般に、破砕状物は、マクロ
的には形状は凹凸であるが、光の波長レベルでは平滑と
みなすことができる。一方、球状物はマクロ的には表面
が平滑と考えられるが、光の波長レベルでは、表面が破
砕状物よりむしろ凹凸の激しい場合があり、このような
ものはこの発明においては好ましくない。例えば、溶融
球状シリカでは、その製造工程中に副生成する微粒子の
シリカ表面への付着により、光の波長レベルでは表面に
かなりの凹凸が形成される。この球状シリカ表面に微粒
子が付着した状態のシリカ系粒子の粒子構造を図２に示
す。上記付着した微粒子の副生成の原因は、高温で溶融
時に、一部のシリカが熱分解した後、再びシリカを生成
するという可逆反応が生じ、その際に再生したシリカが
微粒子になるためと考えられる。したがって、表面が平
滑な球状のシリカ系粒子を作製するためには、例えば、
ガラスのように融点の低いものであれば、その破砕状物
を用いて溶融法により球状のシリカ系粒子を作製するこ
とができる。このようにして得られたシリカ系粒子は、
図１に示すように、いわゆるガラスビーズであり、略真
球で平滑な表面を有している。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】表面が平滑な球状のシリカ系粒子の粒子構造を
示す電子顕微鏡写真である。

【図２】球状シリカ表面に微粒子が付着した粒子構造を
示す電子顕微鏡写真である。

【図３】表面が平滑な破砕状のシリカ系粒子の粒子構造
を示す電子顕微鏡写真である。

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含み、
（Ｃ）成分であるシリカ系粒子と、（Ａ）および（Ｂ）
成分を主体とするエポキシ樹脂硬化体の屈折率との差が
±０．０１の範囲に設定されているエポキシ樹脂組成物
を用いて光半導体素子を封止してなる光半導体装置。（Ａ）透明性エポキシ樹脂。（Ｂ）硬化剤。（Ｃ）表面が平滑なシリカ系粒子。
【請求項２】下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含み、
（Ｃ）成分であるシリカ系粒子と、（Ａ）および（Ｂ）
成分を主体とするエポキシ樹脂硬化体の屈折率との差が
±０．０１の範囲に設定されている光半導体封止用エポ
キシ樹脂組成物。（Ａ）透明性エポキシ樹脂。（Ｂ）硬化剤。（Ｃ）表面が平滑なシリカ系粒子。