JP2006100624A - 光モジュール用の３次元シート状接着材料 - Google Patents

Abstract

【課題】光半導体を含む複数の半導体部材を混載した電子部品の封止に適したシート状接着材料を提供する。
【解決手段】フィルムのうえに光透過性エポキシ樹脂系組成物を含む複数のエポキシ樹脂系組成物を並列又は及び積層したシート状接着材料。フィルムとしては、光透過性又は剥離性を有するフィルム又はこれらフィルムの加工品であることが好ましい。又は、これらフィルムと機能性フィルム（絶縁性、導電性、放熱性、低熱膨張性、遮光性、光反射性、耐熱性、撥水性、ガス透過性、電磁波遮蔽性から選ばれた特性を有するフィルム）又はその加工品との複合物であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、光半導体を含む複数の半導体部材を搭載した電子部品（光モジュールと称する）の封止に適したエポキシ樹脂系組成物の複合体に係わる。

民生用の光半導体装置、例えば、表示装置、受光装置等は大半が樹脂封止されている。一方、気密封止は高速通信等の長期寿命を要求される特殊用途で採用されている。現在の半導体封止用樹脂組成物（樹脂材料と称する）は、樹脂、硬化剤等で構成されており、樹脂としては主に熱硬化性樹脂、特に、エポキシ樹脂が使用されている。

光半導体封止用の光透過性樹脂材料（ＯＥ材料と称する）は、約３０年前に原型ができ現在に至っている。発光ダイオード（ＬＥＤ）や受光ダイオード（ＰＤ）を封止するため開発され現在もその組成はあまり変わっていない。例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と酸無水物を中心に構成されている。

又、封止方法もほとんど進化していない。ＯＥ材料が固形であれば移送成形、液状であれば滴下成形する方法が採用されている。又、光モジュールは、１種のＯＥ材料で封止するのが通常である。

光モジュールは、光半導体を含む複数の半導体部材を搭載している。即ち、機能、寸法及び性能等の異なる部材を混載している。このような光モジュールは、本来なら各部材毎に最適の材料で封止することが合理的である。例えば、光半導体はＯＥ材料及び他の半導体部材は該部材に適した樹脂材料で封止することが好ましい。

通常、光半導体以外の半導体（ＩＣと総称する）はＯＥ材料で封止しない。例えば、低熱膨張性の樹脂材料で封止される。現在、主たるＩＣ用の樹脂材料（ＩＣ材料と称する）は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、充填剤等で構成されている。

しかし、光モジュールは１種のＯＥ材料で封止されているのが実状である。生産性向上や低価格化への対応が大きな理由である。又、現在の封止方法では、一度の工程において複数の樹脂材料を成形することは難しいという技術問題も理由の一つである。

一方、光モジュールの高性能小型化は猛烈な勢いで進んでいる。例えば、携帯電話やデジタルカメラの用途である。これら光モジュールでは、樹脂材料及び封止方法の抜本的な見直しが要求されている。従来の材料や方法では応力特性や耐湿特性で大きな問題が発生しているからである。

即ち、光モジュールは構成半導体部材毎に最適の樹脂材料、例えば、光半導体はＯＥ材料、ＩＣはＩＣ材料で封止することが求められている。本発明者らは、複数の半導体部材の樹脂封止方法としてシート状材料の圧縮成形を既に提案している。

今後、光モジュールは非常に複雑で多機能になってゆく。多種、多数の半導体部材が３次元的に高密度実装された構造になると予想される。本発明者らは、これらに対応できる樹脂材料として３次元シート状接着材料を提案するものである。

特開昭６２−１３８５２１号 特公昭６２−４３４５２号 特開２００４−５６１４１号 ポリファイル、１９９５．１０、Ｐ４７ 電子材料、１９９８年５月別冊、Ｐ３３ 電子材料、２０００年５月別冊、Ｐ２

本発明は、光モジュールの封止に適した３次元構造を有する樹脂材料を提供するものである。

フィルムのうえにＯＥ材料を含む複数の樹脂材料を並列又は及び積層したシート状接着材料。

フィルムが光透過性又は剥離性を有するフィルム、又は該フィルムの加工品であるシート状接着材料。

又は、フィルムが、上記フィルムと機能性フィルム又はその加工品との複合物であるシート状接着材料。ここでいう機能性フィルムとは、絶縁性、導電性、放熱性、低熱膨張性、遮光性、光反射性、耐熱性、撥水性、ガス透過性、電磁波遮蔽性から選ばれた特性を有するフィルムである。

本発明のシート状接着材料は、フィルム及びＯＥ材料を含む複数種の樹脂材料より構成されている。光モジュールの各半導体部材は、該部材の特性に適した複数種の樹脂材料で封止されることが必要である。

ＯＥ材料は、光モジュールの光半導体が発光又は受光する波長帯の光線を透過し、目標距離まで伝送する特性を有する樹脂材料である。光モジュールの光波長帯に適した光透過率及び光伝送損失を有する樹脂材料より選択することができる。例えば、可視光領域ならば従来の透明性樹脂材料（ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、酸無水物、硬化促進剤を主成分とする樹脂材料）、赤外光領域ならばＩＣ材料より光透過阻害物を除去し利用することができる。

他の樹脂材料（ＩＣ材料等）もエポキシ樹脂系組成物であり、樹脂成分（エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤）、充填剤及び必要に応じて添加剤（表面処理剤、粘着剤、撥水剤、粘度調整剤等）を配合したものである。樹脂成分としてはノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック、リン化合物等、充填剤成分としてはシリカ等が一般的である。

樹脂材料中の光透過阻害物としては、光散乱性の充填剤や光吸収性の染顔料等がある。但し、光モジュールの使用光に無関係であれば、そのままでもＯＥ材料として利用できる。

又、本発明の樹脂材料は、本来の特性に負となる成分を含まないことが好ましい。例えば、接着力や絶縁性を低下させる離型剤や染顔料等を添加しない方が良い。

本発明で用いるフィルムは、光透過性又は離型性を有することが好ましい。光モジュールの一部としてフィルムが残る場合には光線を通過させる必要がある。それ以外は、光モジュールより除去する必要がある。又、これらフィルムは目的に応じて加工しても良い。例えば、光透過部に凹凸レンズ形状を加工する等である。

フィルムは上記フィルムと機能フィルムを複合させても良い。機能フィルムとしては、絶縁性、導電性、放熱性、低熱膨張性、遮光性、光透過性、光反射性、耐熱性、撥水性、ガス透過性、電磁波遮蔽性を挙げることができる。

フィルムに有用な機能を持たせることで、樹脂材料を必須成分だけで構成することが可能となる。例えば、離型、空気抜き、光反射及び電波反射といった役割をフィルムに与えることにより、樹脂材料は本来の接着絶縁性に的を絞った成分で構成でき、該特性と矛盾する成分を排除することができる。

又、複数種のフィルムを併用することにより、多機能性を付与することもできる。例えば、金属箔フィルムと絶縁性フィルムを張り合わせて、放熱絶縁フィルムとして利用することもできる。

樹脂材料をフィルムのうえに配置する方法としては、従来の公知の技術、例えば、塗布、印刷、圧着、貼付、噴霧等の手法を用いることができる。樹脂材料の特性（粘度、融点等）により適した方法を選択しフィルム上に配列、積層することができる。

図１から図４は、本発明のシート状接着体、複数の半導体部材及び光モジュールを説明する図である。各図において、（Ａ）は複数の半導体部材（上部）及びシート状接着体（下部）を断面で示したものであり、（Ｂ）は両者を熱圧着した後の光モジュールの断面図である。又、これらは光モジュール集合体の一括封止法における光モジュール１個の部分を示した図である。

これらの光モジュールは、光半導体を含む複数の半導体部材で構成されており、これらの寸法及び機能等は異なっている。各部材は各々に適した樹脂材料で封止することにより、各部材の特性を最大限に発揮できる。尚、シート状接着体は、対象とする半導体部材と相対していれば良く、縦型の圧着装置なら上下、横型の装置なら左右のいずれかに配置すれば良い。

本発明の接着材料を用いて光モジュールを封止することにより、その性能を最大限に発揮できる。

以下、本発明のシート状接着材料に関して実施例にて具体的に説明する。尚、本例で用いた部は全て重量部である。又、本例では半導体部材として市販の回路基板（新藤電子）、金線（田中金属）、光半導体及び模擬ＩＣ（ＮＴＴ−ＡＴ）を用いて擬似光モジュールを試作し接着材料の評価を行った。模擬ＩＣはシリコーンにアルミニウムを化学蒸着したもので、光半導体をデータ入出力装置とする複合ＩＣや光半導体用制御ＩＣ等を想定した８ｍｍ角の寸法を持つものである。

これらで使用する樹脂材料は次の通りである。
樹脂材料Ａ（ＯＥ材料）：エポキシ樹脂７０部（＃８２８、ＪＥＲ）、硬化剤３０部（ＴＨＰＡ、新日本理化）及び硬化促進剤０．５部（２ＭＺ、四国化成工業）を混合溶融した。この材料のガラス状態での熱膨張率（α１と称する）は２００ｐｐｍ／℃である。
樹脂材料Ｂ（ＩＣ材料）：エポキシ樹脂１４部（ＥＯＣＮ−１０２０-６５、日本化薬）、硬化剤６部（ＨＦ−１、明和化成工業）、シリカ８０部（ＨＰＳ−４、平均粒径４μｍ、東亞合成）、硬化促進剤０．２部（ＴＰＰ、北興化学工業）及び表面処理剤０．５部（ＫＢＭ−４０３、信越化学工業）を混合溶融した。α１は１８ｐｐｍ／℃である。
樹脂材料Ｃ：エポキシ樹脂６０部（ＸＤ−１０００、日本化薬）、硬化剤３０部（ＭＥＨ−７８００、明和化成工業）、シリカ１０部（ＳＧ−２０、平均粒径１０ｎｍ、トクヤマ）及び硬化促進剤０．３部（ＴＡＰ、日本化薬）を混合溶融したものである。このα１は１５０ｐｐｍ／℃である。

複数の半導体部材を本発明のシート状接着材料を用いて熱圧着し擬似光モジュールを得た（図１）。１０は回路基板、１１は光半導体（ＰＤ、浜松ホトニクス）、１２は模擬ＩＣである。１０と１１及び１２は金線によって電気接続されている。１５は樹脂材料Ａ、１６は樹脂材料Ｂであり、１７は剥離性フィルム（ルミラー、東レ）である。このモジュールは、半導体部材の変形もなく、樹脂組成物と隙間なく接着していた。又、該装置の信頼性評価として、吸湿半田試験や冷熱耐湿試験を実施したが不良発生は無かった。

従来の移送成形法により、樹脂材料Ａのみを用いて擬似光モジュールを封止した。得られたモジュールの信頼性を評価したところ模擬ＩＣ部で断線不良が認められた。樹脂材料Ａと模擬ＩＣの界面で熱応力による剥離が発生していた。樹脂材料Ａは樹脂材料Ｂに比べてα１が大いため、模擬ＩＣとの界面に剥離を発生したと思われる。又、ＰＤは１ｍｍ角と小さく応力は問題とならなかったと考えられる。

擬似光モジュールの信頼性評価における環境条件は次の通りである。
吸湿半田試験：加圧釜（１２５℃・１００％）に４８時間投入後、半田槽（２７０℃）に１０秒２回浸漬させる。
冷熱耐湿試験：冷熱試験機（−４０℃〜１２０℃）で５００サイクル熱衝撃を加えた後、恒温恒湿槽（８５℃・８５％）に１０００時間投入する。

複数の半導体部材を本発明の接着材料で封止し擬似光モジュールを得た（図２）。２０は回路基板、２１は光半導体（赤色ＬＥＤ、０．３×０．１ｍｍ、シャープ）、２２は模擬ＩＣ、２５は樹脂材料Ａ、２６は樹脂材料Ｂで、２８は光透過性フィルム（ゼオノア、日本ゼオン）である２０と２１及び２２は金線結合されている。圧着後のモジュールは信頼性評価で不良発生は無かった。尚、光透過性フィルムの光半導体被覆部にはフレネルレンズ加工を施した。

従来の液状成形法に準じて、樹脂材料Ａを滴下し半導体部材を封止したところ、実施例１同様に模擬ＩＣにおいて不良が発生した。

回路基板３０、半導体素子３１（ＶＣＳＥＬ、２ｍｍ角、ＯＳＲＡＭ）、模擬ＩＣ３２をシート状接着材料で圧着した例である（図３）。模擬ＩＣは回路基板に半田接合した。３５は樹脂材料Ｃ、３６は樹脂材料Ｂ、３７は剥離性フィルム、３９は遮光性フィルム（日東電工）である。遮光性フィルムの光半導体対向部３ｍｍ角は切除されている。本実施例の擬似光モジュールも圧着工程や信頼性評価において全く問題がなかった。

本例の接着材料は樹脂材料部が２層構造となっている。又、微粒シリカを配合した樹脂材料ＣはＯＥ材料及びＩＣ材料の役割を果たす。ＶＣＳＥＬ（中心波長８５０ｎｍ）より発する光を透過する特性及び模擬ＩＣの半田接合部に充填し絶縁する特性を有する。

回路基板４０、光半導体４１（センサー、浜松ホトニクス）と模擬ＩＣ４２及びシート状接着体を圧着し図４のような擬似光モジュールを試作した。接着体材料は、光透過性フィルム４８、グラファイト製電磁波遮蔽フィルム（松下電器）と樹脂材料Ａ及びＢより構成されている。本実施例の擬似光モジュールも信頼性評価において問題がなかった。

従来、光半導体装置はＩＣに比べて信頼性で劣っていたが、本発明によりＩＣ同等の信頼性を有する光モジュールが得られる。これは、半導体毎にその特性に合った樹脂材料で封止するため、各半導体がその性能を最大限発揮できるためである。光モジュールの信頼性向上は、今後の光高速データ伝送社会の実現へ大きく寄与するものと期待される。

本発明の接着体による光モジュール封止を示す一例の説明図である。 本発明の接着体による光モジュール封止を示す一例の説明図である。 本発明の接着体による光モジュール封止を示す一例の説明図である。 本発明の接着体による光モジュール封止を示す一例の説明図である。

符号の説明

１０、２０、３０、４０ 回路基板
１１、２１、３１、４１ 光半導体
１２、２２、３２、４２ 模擬ＩＣ
１５、２５、３５、４５ ＯＥ材料
１６、２６、３６、４６ 樹脂材料
１７、３７ 剥離性フィルム
２８、４８ 光透過性フィルム
３９、４９ 機能性フィルム

Claims (3)

1. フィルムのうえに光透過性エポキシ樹脂系組成物を含む複数のエポキシ樹脂系組成物を並列又は及び積層したシート状接着材料。
2. フィルムが光透過性又は剥離性を有するフィルム又はこれらフィルムの加工品であることを特徴とする請求項１に記載のシート状接着材料。
3. フィルムが請求項２に記載のフィルムと下記の機能性フィルム又はその加工品との複合物であることを特徴とするシート状接着材料。
   機能性フィルム：絶縁性、導電性、放熱性、低熱膨張性、遮光性、光反射性、耐熱性、撥水性、ガス透過性、電磁波遮蔽性から選ばれた特性を有するフィルム

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