CN101565549B

CN101565549B - 混合有环氧树脂和硅树脂的树脂组合物以及预成型材料

Info

Publication number: CN101565549B
Application number: CN2009101298892A
Authority: CN
Inventors: 柏木努
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: TW200948846A; KR101500757B1; JP2009256604A; JP5077894B2; CN101565549A; KR20090103812A; TWI441847B

Abstract

本发明提供用于封装光半导体元件且混合有环氧树脂和硅树脂的树脂组合物以及由该组合物制成的用于传递成型的预成型材料，该组合物能够得到硬度适度的耐龟裂性和耐光性优异的固化物。本发明的用于封装光半导体元件且混合有环氧树脂和硅树脂的树脂组合物，所述组合物含有：(A)有机聚硅氧烷，其具有至少两个环氧基，且具有式(R₂SiO)n表示的连续结构，式中，R独立地表示氢原子、或者非取代或取代的一价烃基，n为0以上的整数，n的平均值为3～10；(B)环氧树脂，其具有至少两个环氧基，但没有硅氧烷键；(C)固化剂，以及(D)固化催化剂。

Description

混合有环氧树脂和硅树脂的树脂组合物以及预成型材料

技术领域

本发明涉及用于封装光半导体元件且混合有环氧树脂和硅树脂的树脂组合物以及由该组合物制成的用于传递成型的预成型材料，该混合有环氧树脂和硅树脂的树脂组合物适合用于封装光半导体元件。

背景技术

目前，作为封装光半导体元件的光半导体元件封装树脂，广泛使用环氧树脂组合物(参考专利文献1)。这类的光半导体元件封装用树脂组合物，通常含有脂环式环氧树脂、固化剂和固化催化剂。可以使用浇注成型、传递成型等方法将该组合物浇注在设置有光半导体元件的模具中使其固化，从而封装光半导体元件。

然而，伴随着发光二极管(LED)的亮度以及功率的提高，环氧树脂存在变色劣化的问题。此外，还存在以下问题，用于封装的透明环氧树脂，在蓝色光或紫外线的照射下，随时间而变黄，使得元件的寿命变短。

于是，耐热性、耐光性优异的聚硅氧烷被使用于光半导体元件的封装中。

但是，这样的聚硅氧烷的固化物存在以下问题，即强度低，不能用于PKG结构。

于是，提出了将高硬度的有机硅树脂使用于光半导体元件的封装上的技术(参考专利文献2和专利文献3)。

然而，这些高硬度的硅树脂仍然欠缺粘结性。此外，对于在陶瓷和/或塑料的外壳体内设置发光元件，并在该外壳内部填充了这些高硬度硅树脂的壳型发光半导体装置而言，在-40℃～120℃下的热冲击试验中，存在硅树脂从作为外壳的陶瓷或塑料上剥离下来的问题。

作为解决上述问题的方法，公开了一种用于封装光半导体元件的树脂组合物，其含有，具有至少两个环氧环的倍半硅氧烷、环氧树脂、酸酐类固化剂和固化催化剂，且通过B级化而得到(参考专利文献4)，但对于其固化物的耐龟裂性，既没有公开，也没有任何的暗示。

此外，在专利文献5中，公开了一种由环氧树脂和硅树脂的混合物制成的光半导体元件封装用材料，但既没有记载或暗示该硅树脂具有至少两个环氧基团，也没有记载或暗示具有包括选自三官能硅氧烷单元和SiO₂单元中任意之一或二者的分支结构。

此外，在专利文献6中记载了，作为树脂组分含有环氧烷基硅氧烷和环氧树脂的含环氧烷基硅氧烷的浇注树脂组合物，但是，既没有记载或暗示该环氧烷基硅氧烷具有由环氧烷单元构成的直链状连续结构，也没有记载或暗示具有包括选自三官能硅氧烷单元和SiO₂单元中任意之一或二者的分支结构的技术特征。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2002-179807号公报

专利文献2：特开2002-314139号公报

专利文献3：特开2002-314143号公报

专利文献4：特开2005-263869号公报

专利文献5：特开2007-103935号公报

专利文献6：专利第3399652号公报

发明内容

发明所要解决的问题

本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的在于提供用于封装光半导体元件且混合有环氧树脂和硅树脂的树脂组合物以及由该组合物制成的用于传递成型的预成型材料，该组合物能够得到硬度适度且耐龟裂性和耐光性优异的固化物。

用于解决问题的方法

本发明者为了达到上述目的，经潜心研究的结果发现，通过含有特定的环氧改性聚硅氧烷、特定的环氧树脂、固化剂、和固化催化剂的用于封装光半导体元件且混合有环氧树脂和硅树脂的树脂组合物能够解决上述问题。

即，本发明的第一方案提供一种用于封装光半导体元件且混合有环氧树脂和硅树脂的树脂组合物，所述组合物含有：

(A)有机聚硅氧烷，其具有至少两个环氧基，且具有式(R₂SiO)n表示的连续结构，式中，R独立地表示氢原子、或者非取代或取代的一价烃基，n为0以上的整数，n的平均值为3～10；

(B)环氧树脂，其具有至少两个环氧基，但没有硅氧烷键；

(C)固化剂；以及，

(D)固化催化剂。

本发明的第二方案提供一种用于传递成型的预成型材料，其由经B级化的上述组合物制成。

发明效果

用于封装光半导体元件且混合有环氧树脂和硅树脂的树脂组合物具有由硅氧烷单元构成的直链状的连续结构，因此，其固化物的硬度高，并且，耐龟裂性优异、耐光性良好。从而，通过使用该固化物来封装光半导体元件，能够制造具有高硬度、优异的耐龟裂性、以及良好的耐光性的光半导体装置，在工业上的优点非常多。

具体实施方式

本发明的组合物含有上述(A)组分～(D)组分。从得到的封装的应力(ストレス)松弛性观点考虑，在本发明的组合物中，低于玻璃化转变温度的温度下的线膨胀系数α₁与高于玻璃化转变温度的温度下的线膨胀系数α₂之比：α₁/α₂优选为0.5以上。上述比：α₁/α₂更优选为0.5以上且小于1.0，进一步优选为0.6～0.99。需要说明的是，上述玻璃化转变温度(Tg)可以通过差示扫描热量分析装置(DSC)测定，线膨胀率α₁和α₂可以通过热机械分析装置(TMA)测定。

(A)组分

(A)组分为有机聚硅氧烷，其具有至少两个环氧基，且具有由通式(R₂SiO)n(式中，R独立地表示氢原子或者非取代或取代的一价烃基，n为3～10的整数)表示的连续结构，优选是，在(A)组分具有上述连续结构的同时，还具有分支结构，该分支结构包括选自三官能硅氧烷单元(即有机倍半硅氧烷单元)和SiO₂表示的四官能硅氧烷单元中任意之一或二者。(A)组分可以单独使用其中一种，或可以组合两种以上使用。

(A)组分只要为上述有机聚硅氧烷即可，没有特别的限定，作为(A)组分，例如，由下述化合物通过水解、缩合而合成，所述化合物是：

通式R’SiX₃(式中，R’表示含有环氧基团的基团，X表示能够水解的基团)表示的三官能有机硅化合物、由通式Y-(R₂)SiO-((R₂)SiO)n-Si(R₂)-Y(式中，R与n的定义如上所述，Y是能水解的基团)表示的有机聚硅氧烷、以及任选的选自由通式RSiX₃(式中，R与n的定义如上所述)表示的三官能硅烷化合物和SiX₄(式中，X的定义如上所述)表示的四官能硅烷化合物中的任意之一或二者；

并且组分(A)具有由通式R’SiO_1.5(式中，R’的定义如上所述)表示的单元和由通式(R₂SiO)n(式中，R与n的定义如上所述)表示的连续的结构，而且可以任选含有由通式RSiO_1.5(式中，R的定义如上所述)表示的单元和SiO₂单元中的任意之一或二者。

当R为非取代或取代的一价烃基时，作为其具体例，可以举出烷基、环烷基、链烯基、芳基、芳烷基，以及这些基团的氢原子被卤原子、氰基等取代而得到的基团。

作为上述烷基，可以举出例如甲基、乙基、丙基、丁基等碳原子数为1～20，优选1～10，更优选1～6的烷基。

作为上述环烷基，可以举出例如环戊基、环己基、降冰片烷基(ノルボニル)等碳原子数为5～12的环烷基，优选碳原子数为6～8的环烷基。

作为上述链烯基，可以举出例如乙烯基、烯丙基、丙烯基、丁烯基、己烯基等碳原子数为2～6，优选2～4的链烯基。

作为上述芳基，可以举出例如苯基、甲苯基等碳原子数为6～12，优选6～8的芳基。

作为上述芳烷基，可以举出例如2-苯基乙基、3-苯基丙基等碳原子数为7～20，优选7～12的芳烷基。

作为R’的具体例，可以举出，环氧基、环氧丙基、环氧丙氧基、γ-环氧丙氧基丙基、3，4-环氧环己基、2-(3，4-环氧环己基)乙基、3-(3，4-环氧环己基)丙基等。

作为X和Y的具体例子，可以举出，羟基；氯原子等卤原子；甲氧基、乙氧基等碳原子数1～4，优选1～2的烷氧基。作为X和Y的组合，可以举出，羟基与羟基的组合、卤原子与卤原子的组合、烷氧基与烷氧基的组合、羟基与烷氧基的组合等。

(B)组分

(B)组分是具有至少两个环氧基，但分子中没有硅氧烷键的环氧树脂。(B)组分可以单独使用1种，也可以组合两种以上使用。

(B)组分只要是上述的环氧树脂即可，没有特别的限定，作为(B)组分，例如可以举出，双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、苯酚酚醛清漆型环氧树脂、甲酚酚醛清漆型环氧树脂、萘型环氧树脂、联苯型环氧树脂、双环戊二烯型环氧树脂、芳烷基型环氧树脂、联苯基芳烷基型环氧树脂、对上述各种环氧树脂的芳香环进行加氢而得到的氢化环氧树脂、脂环式环氧树脂、三缩水甘油基异氰尿酸酯等。其中，为了防止本发明组合物及其固化物因光而导致的劣化，优选使用氢化环氧树脂、脂环式环氧树脂、三缩水甘油基异氰尿酸酯等。

(B)组分的混合量，相对于(A)组分和(B)组分的总量，优选为5～80质量％，更优选为10～60质量％。当该混合量在上述范围内时，所得到的组合物的固化物强度充分，当使用该固化物封装了光半导体的情况下，即便施加了因温度循环等引起的热冲击，也不易发生龟裂或粘结不良等情况。此外，所得到的组合物中，环氧树脂的含量过量，因此，在使用该组合物的固化物封装半导体元件的情况下，即便是该元件为发出紫外线的元件，该组合物也不易发生因紫外线等引起的劣化。

(C)组分

(C)组分为固化剂，其用于与本发明组合物中的环氧基团反应而形成交联，由此使该组合物固化。如上所述的固化剂可以使用在固化环氧树脂时经常使用的固化剂。(C)组分可以单独使用1种，也可以组合两种以上使用。

作为(C)组分，可以举出，例如，酸酐类固化剂、胺类固化剂、酚类固化剂、或它们的组合，其中，优选使用酸酐类固化剂。

作为酸酐类固化剂的具体例，可以举出，邻苯二甲酸酐、马来酸酐、偏苯三酸酐、均苯四酸酐、六氢化邻苯二甲酸酐、3-甲基-六氢化邻苯二甲酸酐、4-甲基-六氢化邻苯二甲酸酐、3-甲基-六氢化邻苯二甲酸酐和4-甲基-六氢化邻苯二甲酸酐的混合物、四氢化邻苯二甲酸酐、纳迪克酸酐(無水ナジツク酸)、甲基纳迪克酸酐(無水メチルナジツク酸)、降冰片烷-2，3-二羧酸酐、甲基降冰片烷-2，3-二羧酸酐等。

作为胺类固化剂的具体例，可以举出，酰肼化合物、4，4-二氨基二苯基甲烷、4，4-二氨基二苯基醚、4，4-二氨基二苯基丙烷等。

作为苯酚类固化剂的具体例，可以举出，双酚A、双酚F、双酚AF等双酚类树脂，苯酚酚醛清漆树脂、甲酚酚醛清漆树脂等苯酚清漆型酚醛树脂、三酚烷型树脂、联苯基型树脂、联苯基芳烷基型树脂、脂环式酚醛树脂等各种酚醛树脂等。

对于(C)组分的含量，相对于(A)组分和(B)组分的总量中所含有的1摩尔环氧基，使(C)组分所含有的酸酐基团、氨基、酚羟基等能够与环氧基反应的官能团的比率到达0.2～1.5摩尔、更优选0.3～1.0摩尔、进一步优选0.4～0.8摩尔的量。

(D)组分

(D)组分是固化催化剂，可以使用在用于固化环氧树脂时经常使用的化合物。(D)组分可以单独使用1种，也可以组合两种以上使用。

作为(D)组分的具体例，可以举出，四丁基鎓-o，o-二乙基偶磷二硫醚(テトラブチルホスホニウムo，o-ジエチルホスホロジチオエ一ト)、四苯基鎓·四苯基硼酸酯等季鎓盐；三苯基膦、二苯基膦等有机膦类固化催化剂；1，8-二氮杂双环(5，4，0)十一碳烯-7、三乙醇胺、苄基二甲胺等叔胺类固化催化剂；2-甲基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑等咪唑类等。

作为(D)组分的混合量优选是0.05～3phr(per hundred resin，表示(D)组分相对于100g全部组合物的混合量(g)的单位)。该混合量在该范围内时，容易获得加快环氧树脂与固化剂之间反应的充分的效果。此外，在固化所得到的组合物时，或是对于使用该组合物的固化物封装好的光半导体装置进行回流(reflow)时，容易防止固化物的变色。

其它组分

在本发明的组合物中，在不违背本发明的目的的范围内，根据需要，可以添加其它组分。作为其它组分，例如可以添加用来改变光半导体元件所发出的光波长的荧光体或氧化钛微粉末等光散射剂，其中，上述光半导体元件是待用上述组合物的固化物封装的光半导体元件。另外，作为其它组分，可以举出，抗氧剂、防变色剂、防劣化剂、二氧化硅等无机填充剂、硅烷偶联剂、改性剂、增塑剂、稀释剂等。

用于传递成型的预成型材料

本发明的用于传递成型的预成型材料由经B级化(即，半固化状态)的本发明的组合物制成。在本发明中，B级化条件是，将上述的(A)组分～(D)组分以及根据需要添加的其它组分，在80～120℃下、优选在80～100℃下熟化1～20小时、优选5～15小时的方法达到。所述B级化是指，半固化状态的组合物在150℃下的胶凝时间优选10～70秒、更优选10～40秒的状态。

本发明的用于传递成型的预成型材料可以通过以下方法制备得到，例如，将熔融的本发明组合物在与所希望得到的形状相符的浇注模具中熟化，从而使其B级化。

熔融的本发明的组合物可以通过将上述(A)组分～(D)组分以及根据需要添加的其它组分进行熔融混合而得到。熔融混合根据目前公知的方法进行即可，例如，可以将上述组分同时装入反应器中，采用间歇式方法进行熔融混合，也可以将上述组分同时投入捏合机或热三辊机(熱三本ロ一ル)等混炼机中，连续地进行熔融混合。

此外，经熔融的本发明的组合物优选如下制得：首先，将(A)组分、(B)组分以及根据需要添加的其它组分均匀熔融混合，接着，在得到的熔融混合物中添加(C)组分固化剂，进行均匀的熔融混合，然后在该熔融混合物中，混合(D)组分固化催化剂，使之熔融混合均匀。如果采用如上所述的熔融混合，由于在已充分且均匀混合了(A)组分～(C)组分的熔融混合物中，混合有(D)组分固化催化剂，可以防止在(A)组分～(C)组分在充分混合之前，在其局部发生固化反应的现象。

本发明的用于传递成型的预成型材料，无需对原料进行粉碎或压片而得到，因此，在其内部混入气泡的可能性低，品质良好。

用途

可以使用本发明的用于传递成型的预成型材料来进行传递成型。作为传递成型的通常方法，可以采用以下方法进行：在预热室中使该传递成型用预制料预热软化，然后利用柱塞(plunger)使其通过小孔送至封装用模具的腔室，并在该腔室中使之固化。作为成型机，可以使用辅助活塞式成型机、滑动式成型机、双层活塞式成型机、低压封装用成型机中的任意成型机。

本发明的组合物以及用于传递成型的预成型材料，可适用于光半导体元件等的封装。光半导体元件可以通过以下方法进行封装：将该组合物或经软化的该预成型材料涂布在上述光半导体元件上，然后通过固化该组合物或者该预成型材料的方法。作为光半导体元件，例如，发光二极管、光电二极管、光敏晶体三极管、激光二极管等。

实施例

以下，通过实施例以及比较例，对本发明进行具体说明，但本发明并不限于下述的实施例。

(A)组分

作为(A)组分的有机聚硅氧烷，按照如下所述的方法制备。

合成例1

将900g异丙醇、四甲基氢氧化铵的25％水溶液24g、216g水装入反应器中，接着，加入490g(2.0摩尔)的2-(3，4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷(信越化学工业社制造的KBM 303)作为含有环氧基的三官能环氧烷单元的来源，565.2g(1.0摩尔)由MeO(Me)₂Si-O-(Me₂SiO)_nSi(Me)₂OMe(n的平均值为5)表示的有机聚硅氧烷作为由式(R₂SiO)_n表示的连续结构的来源，在室温下搅拌20小时，进行反应。

在反应终止后，向反应体系中添加1200g的甲苯，在减压条件下除去异丙醇等。使用分液漏斗，用热水洗净了残渣。用水洗净至水层变中性，然后，使用无水硫酸钠对甲苯层进行脱水。通过过滤分离无水硫酸钠，然后在减压条件下除去甲苯，得到了目标树脂(树脂1)。该树脂的环氧当量为432g/摩尔。

合成例2

使用712g(1.0摩尔)由MeO(Me)₂Si-O-(Me₂SiO)_nSi(Me)₂OMe(n的平均值为7)表示的有机聚硅氧烷来代替合成例1的565.2g(1.0摩尔)由MeO(Me)₂Si-O-(Me₂SiO)_nSi(Me)₂OMe(n的平均值为5)表示的有机聚硅氧烷，除此之外，按照与合成例1相同的方法，制备目标树脂(树脂2)。该树脂的环氧当量为540g/摩尔。

合成例3

使用1304g(1.0摩尔)由MeO(Me)₂Si-O-(Me₂SiO)_nSi(Me)₂OMe(n的平均值为15)表示的有机聚硅氧烷来代替合成例1的565.2g(1.0摩尔)由MeO(Me)₂Si-O-(Me₂SiO)_nSi(Me)₂OMe(n的平均值为5)表示的有机聚硅氧烷，除此之外，按照与合成例1相同的方法，制备目标树脂(树脂3)。该树脂的环氧当量为740g/摩尔。

(B)组分

作为(B)组分的环氧树脂，使用脂环式环氧树脂，即大赛璐化学工业公司制造的“CELLOXIDE(セロキサイド)2021P”(商品名)。

(C)组分

作为(C)组分固化剂，使用新日本理化公司制造的“MH”(商品名)，即甲基六氢邻苯二甲酸酐。

(D)组分

作为(D)组分的固化催化剂，使用有机鎓盐，即UCAT-5003(商品名，sun-apollo(サンアポロ)公司制造)。

实施例1

将各个组分以如下所述的质量份按照以下顺序进行混合，由此得到用于封装光半导体元件且混合有环氧树脂和硅树脂的树脂组合物以及由该组合物制成的用于传递成型的预成型材料。

首先，将87质量份树脂1、34质量份“CELLOXIDE 2021P”、26质量份MH，以及0.6质量份UCAT-5003在80℃下进行熔融混合，得到混合有环氧树脂和硅树脂的树脂组合物。将该熔融后的组合物注入模铸用模具中，在该模铸用模具中，以90℃熟化10小时，进行B级化，由此，制作该组合物的用于传递成型的预成型材料。

实施例2

使用树脂2来代替实施例1的树脂1，除此之外，按照与实施例1相同的方法，得到混合有环氧树脂和硅树脂的树脂组合物以及由该组合物制成的用于传递成型的预成型材料。

比较例1

使用树脂3来代替实施例1的树脂1，除此之外，按照与实施例1相同的方法，得到混合有环氧树脂和硅树脂的树脂组合物以及由该组合物制成的用于传递成型的预成型材料。

比较例2

未使用树脂1，除此之外，按照与实施例1相同的方法，得到混合有环氧树脂和硅树脂的树脂组合物以及由该组合物制成的用于传递成型的预成型材料。

评价

使用实施例1和实施例2以及比较例1和比较例2中制备的用于传递成型的预成型材料，进行传递成型(150℃、5分钟)，然后，在150℃下进行四小时的后固化，由此，制得具有5mm×10mm的截面、长度为100mm的棒状固化物。使用该棒状固化物，观察了外观以及在260℃下进行IR回流试验后的变色情况，并且，按照JIS K 6911测定了弯曲弹性模量以及弯曲强度。其结果示于表1中。

此外，搭载光半导体元件，使用压模，对上述组合物进行压缩成型(压力：6MPa、150℃、5分钟)，然后，在150℃下进行四小时的后固化，由此封装了光半导体元件，制成光半导体装置，其中，所述压模中插入了引线框，该引线框通过连接线连接了光半导体元件。对于光半导体装置，进行了200次的低温侧为-40℃、高温侧为120℃的热冲击试验。对50个光半导体装置进行了热冲击试验，测定发生龟裂的制品所占的比率。其结果示于表1中。

进一步，对于实施例1和实施例2以及比较例1和比较例2中制备的各个预成型材料，使用精工电子公司制造的差示扫描热量分析装置DSC-6220(测定条件：-100℃～200℃范围内，升温速度：10℃/分钟)测定了玻璃化转变温度Tg。使用精工电子公司制造的热机械分析装置TMA SS-6100(测定条件：-100℃～200℃范围内，升温速度：10℃/分钟)测定了低于玻璃化转变温度时的线膨胀率α₁和高于玻璃化转变温度时的线膨胀率α₂。其结果示于表1中。

表1

	实施例1	实施例2	比较例1	比较例2
					外观	无色透明	无色透明	白色不透明	无色透明
弯曲弹性模量(N/mm²)	1200	560	30	1200
					弯曲强度(N/mm²)	45	23	无法测定^*1	60
IR回流试验后是否存在变色	没有变色	没有变色	没有变色	变为茶色
					热冲击试验 (发生龟裂的样品所占比率)	0/50	0/50	0/50	25/50
玻璃化转变温度Tg(℃)	60	30	-5	120
					α₁/α₂	160/200	170/210	200/230	70/160

^*1：固化物过软，因此无法测定。

Claims

1.一种用于封装光半导体元件且混合有环氧树脂和硅树脂的树脂组合物，所述组合物含有：

(A)有机聚硅氧烷，其具有至少两个环氧基，且具有式(R₂SiO)_n表示的连续结构，式中，R独立地表示氢原子、或者非取代或取代的一价烃基，n为0以上的整数，n的平均值为3～10；

(B)环氧树脂，其具有至少两个环氧基，但没有硅氧烷键；

(C)固化剂；以及，

(D)固化催化剂。

2.权利要求1所述的组合物，其中，(A)组分具有式(R₂SiO)_n表示的连续结构，同时具有分支结构，该分支结构包括选自三官能硅氧烷单元和SiO₂单元中任意之一或二者，式中，R与n的定义与权利要求1相同。

3.权利要求1所述的组合物，其中，在低于玻璃化转变点的温度下的线膨胀系数α₁与高于玻璃化转变点的温度下的线膨胀系数α₂之比：α₁/α₂为0.5以上。

4.权利要求1所述的组合物，其中，相对于(A)组分和(B)组分的总量，(B)组分的混合量为5～80质量％。

5.权利要求1所述的组合物，其中，相对于(A)组分和(B)组分的总量中所含有的环氧基1摩尔，(C)组分的混合量为使(C)组分中与环氧基反应的官能团的比率达到0.2～1.5摩尔的量。

6.权利要求1所述的组合物，其中，相对于全部组合物100g，(D)组分的混合量为0.05～3phr。

7.一种用于传递成型的预成型材料，其由经B级化的权利要求1～6中任一项所述的组合物制成。