JP2008308542A - 光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な透明性はもちろん、半田リフロー時の耐クラック性に優れる光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物を提供する。
【解決手段】トランスファー成形用の光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物であって、下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含み、室温で固体状を呈する光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物である。
（Ａ）軟化点が５０℃以上を示す固形エポキシ樹脂。
（Ｂ）室温にて液体である液状エポキシ樹脂。
（Ｃ）硬化剤。
【選択図】なし

Description

本発明は、各種光半導体素子の封止に用いられる光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いて光半導体素子を封止してなる光半導体装置に関するものである。

従来から、受光素子および発光素子等の光半導体素子の封止材料としては、透明性、耐湿性および耐熱性に優れていなければならないという観点より、エポキシ樹脂組成物が用いられている。このエポキシ樹脂組成物を、光半導体素子を設置した成形金型中にて、成形、例えば、トランスファー成形し、光半導体素子をパッケージして光半導体装置化されている（例えば、特許文献１参照）。

そして、この光半導体のパッケージにおいても、光半導体以外の半導体パッケージと同様に、小型・軽量化や実装生産性の向上を目的として、従来のピン挿入実装方式に代わり、表面実装方式が急速に普及してきている。このような表面実装型パッケージとしては、例えば、2 方向フラットパッケージ（スモールアウトラインパッケージ：ＳＯＰ）や、4 方向フラットパッケージ（クワッドフラットパッケージ：ＱＦＰ）、ＳＯＮ（スモールアウトラインノンリード）があげられる。
特開２００６−９３２７７号公報

上記表面実装方式ではピン挿入実装方式と異なり、実装時にパッケージ全体が最大で２６０℃の高温環境下にさらされる。その際、光半導体デバイス製造後の保管中に吸湿した水分が急激に気化膨張し、大きな応力が発生する。その応力が、パッケージの強度を超えた場合にパッケージにクラックが発生する。その防止対策として、光半導体メーカーでは、光半導体デバイスを出荷の際に防湿梱包したり、実装現場では、実装工程前に光半導体デバイスをオーブンで加熱乾燥するなどの工程を加えている。しかし防湿梱包によるコストアップや梱包開封による作業性の悪化、加熱乾燥のコストが大きな負担となっている。この水蒸気による封止樹脂のクラックの問題を解決するための一般的な手法としては、フィラー等の高強度構造物をその封止樹脂中に多く含有させる方法があるが、光半導体用途では、透明性の観点でこの手法を用いることは難しい。また、脂肪族基、フェニル基の含有量を増やし、樹脂自身の吸水率を低くすることで耐半田性の効果を上げる手法もあるが、この手法でも、エポキシ樹脂組成物のガラス転移温度（Ｔｇ）が高く、半田リフロー時の弾性率が高くなるため、リフローをかけた際の気化膨張による応力を緩和することができず、クラックが発生する。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、良好な透明性はもちろん、半田リフロー時の耐クラック性に優れる光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた、高い信頼性を備えた光半導体装置の提供をその目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、トランスファー成形用の光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物であって、下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含み、室温で固体状を呈する光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物であることを要旨とする。
（Ａ）軟化点が５０℃以上を示す固形エポキシ樹脂。
（Ｂ）室温にて液体である液状エポキシ樹脂。
（Ｃ）硬化剤。

そして、本発明は、上記光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物を用いて光半導体素子をトランスファー成形して封止してなる光半導体装置を第２の要旨とする。

本発明者らは、半田リフロー時の耐クラック性に優れる光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物を得るべく一連の研究を重ねた。その結果、特定の軟化点を示す固形エポキシ樹脂（Ａ）に対して、液状エポキシ樹脂（Ｂ）を組み合わせると、リフローをかけた際の気化膨張による応力を緩和することができ、クラックの発生が抑制されるようになることを見出し本発明に到達した。すなわち、上記Ａ成分およびＢ成分を併せて用いることにより、組成物中のエポキシ樹脂自身に幅広い分子量分布がもたらされ、トランスファー成形後の硬化物における分子ネットワーク（網目鎖）が撓んだり、振動することによって、気化膨張時に発生する応力が緩和され、耐半田リフローに優れるようになると推察される。

このように、本発明は、軟化点が５０℃以上を示す固形エポキシ樹脂（Ａ成分）と、室温にて液体である液状エポキシ樹脂（Ｂ成分）と、硬化剤（Ｃ成分）とを含む光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物である。このため、本発明は、トランスファー成形において耐リフロー性に優れる有用な封止材料となり、信頼性の高い光半導体装置を得ることが可能となる。

また、上記液状エポキシ樹脂（Ｂ）の配合比率が、エポキシ樹脂成分全体の３〜３０重量％の範囲であると、耐リフロー性がより一層向上するようになる。

つぎに、本発明の実施の形態を詳しく説明する。

本発明の光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物（以下、単に「エポキシ樹脂組成物」という）は、室温で固体状であって、上記Ａ〜Ｃ成分を含むものであり、通常、粉末状、もしくはこの粉末を打錠したタブレット状になっている。ここで、「室温で固体状」とは、その温度で一定の形・体積を保つ状態いい、例えば、塊状、粉末状もしくはそれを打錠したタブレット等が一定の形を保つ状態をいう。また、本発明において、「Ａ〜Ｃ成分を含む」とは、Ａ〜Ｃ成分のみからなる場合と、Ａ〜Ｃ成分に加えて、その他の成分を含有する場合も含む趣旨である。

上記Ａ成分である固形エポキシ樹脂としては、軟化点が５０℃以上であり、室温において固体状でなくてはならない。そして、エポキシ当量としては２３０〜１０００であることが好ましく、さらに軟化点は、１２０℃以下のものが特に好ましい。なお、本発明において「室温」とは、２５℃の温度をいい、「軟化点」とは、環球法により測定される値をいう。

上記固形エポキシ樹脂（Ａ成分）としては、例えば、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、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、トリグリシジルイソシアヌレート、ヒダントインエポキシ樹脂等の含窒素環エポキシ樹脂、水添加ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、脂肪族系エポキシ樹脂、グリシジルエーテル型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、低吸水率硬化体タイプの主流であるビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロ型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂等があげられ、これらは単独で使用してもあるいは２種以上併用してもよい。上記各種エポキシ樹脂の中でも、光半導体封止後、エポキシ樹脂組成物の硬化体が変色しにくいという点から、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、水添加ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂脂を用いることが好ましい。

上記Ａ成分とともに用いられる液状エポキシ樹脂（Ｂ成分）は、溶剤等を用いて液状になっているのではなく、エポキシ樹脂自体が、少なくとも室温において流動特性を示し、液状状でなくてはならない。そして、エポキシ当量としては１６０〜４００程度が好ましい。このような液状エポキシ樹脂としては、例えば、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、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、トリグリシジルイソシアヌレート、ヒダントインエポキシ樹脂等の含窒素環エポキシ樹脂、水添加ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、脂肪族系エポキシ樹脂、グリシジルエーテル型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、低吸水率硬化体タイプの主流であるビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロ型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂等があげられ、これらは単独で使用してもあるいは２種以上併用してもよい。上記各種エポキシ樹脂の中でも、光半導体封止後、エポキシ樹脂組成物の硬化体が変色しにくいという点から、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、水添加ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を用いることが好ましい。

上記固形エポキシ樹脂（Ａ成分）と液状エポキシ樹脂（Ｂ成分）との配合割合は、特に限定されるものではないが、液状エポキシ樹脂（Ｂ成分）の配合比率が、エポキシ樹脂成分全体の３〜３０重量％の範囲であることが好ましい。液状エポキシ樹脂（Ｂ成分）が上記上限値を超えると、エポキシ組成物自体を固体化することが困難となる傾向がみられるからである。すなわち、エポキシ樹脂組成物の固体化ができないと、粉砕したり、タブレット化ができないため、トランスファー成形をすることができなくなる。逆に、液状エポキシ樹脂（Ｂ成分）が上記下限値未満であると、耐リフロー性に劣る傾向がみられるからである。

上記Ａ成分およびＢ成分とともに用いられる上記硬化剤（Ｃ成分）としては、特に限定されるものではなく、従来公知のものが用いられるが、エポキシ樹脂組成物の硬化体が変色しにくいという点から、特に、酸無水物系硬化剤を用いることが好ましい。

この酸無水物系硬化剤としては、例えば、無水フタル酸、無水マレイン酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸、無水ナジック酸、無水グルタル酸、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。これらは単独で使用してもあるいは２種以上併用してもよい。そして、上記酸無水物系硬化剤の中でも、短波長領域の吸収がより低いという点から、無水フタル酸、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を用いることが好ましい。また、上記酸無水物系硬化剤の中でも、特に、分子量１４０〜２００程度のものが好ましく用いられる。

さらに、上記酸無水物系硬化剤以外に、従来公知のアミン系硬化剤、フェノール系硬化剤、または、ヘキサヒドロフタル酸、テトラヒドロフタル酸、メチルヘキサヒドロフタル酸等のカルボン酸類等の硬化剤を単独で使用してもよいし、あるいは２種以上併用してもよい。

上記エポキシ樹脂（Ａ成分とＢ成分の合計量）と硬化剤（Ｃ成分）との配合割合は、例えば、硬化剤（Ｃ成分）として酸無水物系硬化剤を用いる場合、上記エポキシ樹脂成分中のエポキシ基１当量に対して、酸無水物系硬化剤における酸無水物当量を、０．５〜１．５当量となるように設定することが好ましい。特に好ましくは０．７〜１．２当量である。すなわち、上記配合割合において、酸無水物当量が上記下限値未満では、得られるエポキシ樹脂組成物の硬化後の色相が悪くなる傾向がみられ、逆に、上記上限値を超えると、耐湿性が低下する傾向がみられるからである。

なお、硬化剤（Ｃ成分）として、酸無水物系硬化剤以外に前記のアミン系硬化剤、フェノール系硬化剤、または、ヘキサヒドロフタル酸，カルボン酸類等の硬化剤を単独で使用あるいは２種以上併用する場合においても、その配合割合は、上記酸無水物を使用した配合割合（当量比）に準ずる。

本発明のエポキシ樹脂組成物は、必要により、硬化促進剤を含有することができる。硬化促進剤としては、例えば、三級アミン類、イミダゾール類、四級アンモニウム塩および有機金属塩類、リン化合物等があげられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。そして、上記硬化促進剤の中でも、三級アミン類、イミダゾール類を用いることが好ましい。

上記硬化促進剤の配合量は、前記エポキシ樹脂（Ａ成分とＢ成分との合計量）１００重量部（以下「部」と略す）に対して、０．０５〜７．０部の範囲に設定することが好ましく、より好ましくは０．２〜３．０部である。すなわち、硬化促進剤の配合量が上記下限値未満では、充分な硬化促進効果が得られない傾向がみられ、逆に、上記上限値を超えると、エポキシ樹脂組成物の硬化体に変色がみられる傾向があるからである。

また、本発明のエポキシ樹脂組成物には、上記エポキシ樹脂（Ａ成分，Ｂ成分）、硬化剤（Ｃ成分）および硬化促進剤以外に、エポキシ樹脂組成物の硬化体の透明性を損なわない範囲であれば必要に応じて、従来から用いられている劣化防止剤、変性剤、シランカップリング剤、脱泡剤、離型剤、染料、顔料等の従来公知の各種添加剤を適宜配合することができる。

上記劣化防止剤としては、例えば、フェノール系化合物、アミン系化合物、有機硫黄系化合物、ホスフィン系化合物等の従来公知のものがあげられる。

上記変性剤としては、例えば、グリコール類、シリコーン類、アルコール類等の、従来から公知の変性剤があげられる。

上記シランカップリング剤としては、例えば、シラン系、チタネート系等の、従来から公知のシランカップリング剤があげられる。

上記脱泡剤としては、例えば、シリコーン系等の、従来から公知の脱泡剤があげられる。

上記離型剤としては、例えば、ステアリン酸、ベヘニン酸、モンタン酸およびその金属塩、ポリエチレン系、ポリエチレン−ポリオキシエチレン系、カルナバ等の従来公知のものがあげられる。そして、上記離型剤の中でも、ポリエチレン−ポリオキシエチレン系が、エポキシ樹脂組成物の硬化体の透明性が良好となるため、好ましく用いられる。

なお、光分散性が必要な場合には、上記成分以外にさらに充填剤を配合してもよい。この充填剤としては、例えば、石英ガラス粉末、タルク、シリカ粉末、アルミナ粉末、炭酸カルシウム等の無機質充填剤等があげられる。

本発明のエポキシ樹脂組成物は、例えば、次のようにして製造することができる。すなわち、上記Ａ〜Ｃ成分および必要に応じて、硬化促進剤、劣化防止剤、変性剤、シランカップリング剤、脱泡剤、離型剤、染料、顔料、充填剤等の従来公知の各種添加剤を所定の割合で配合する。そして、これらを常法に準じてドライブレンド法または溶融ブレンド法を適宜採用して混合、混練する。ついで、得られた混練物を冷却したのち粉砕し、さらに必要に応じて打錠することにより、本発明の、室温で固体状のエポキシ樹脂組成物を製造することができる。

このような、エポキシ樹脂組成物を用いた光半導体素子の封止は、トランスファーモールド等の公知のモールド方法により行うことができる。

なお、本発明のエポキシ樹脂組成物の硬化体は、厚み１ｍｍにおいて、分光光度計の測定により、波長６００ｎｍの光透過率が７０％以上のものが好ましく、特に好ましくは８０％以上である。ただし、上記充填剤、染料、あるいは顔料を用いた場合の光透過率に関してはこの限りではない。

また、この硬化体におけるガラス転移温度（Ｔｇ）は、１１５℃以下が好ましく、より好ましくは、９０〜１１０℃の範囲である。すなわち、Ｔｇが上記上限値を超えると、耐リフロー性に劣る傾向がみられるからであり、上記下限値未満であると、導電部等のぐらつきが生じる等の不具合が発生する傾向がみられるからである。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。ただし、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。

まず、実施例および比較例に先立って下記に示す各成分を準備した。

〔固形エポキシ樹脂ａ（Ａ成分）〕
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（エポキシ当量６５０、軟化点８０℃、固体状〔２５℃〕）

〔固形エポキシ樹脂ｂ（Ａ成分）〕
ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（エポキシ当量９５０、軟化点８５℃、固体状〔２５℃〕）

〔液状エポキシ樹脂ｃ（Ｂ成分）〕
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（エポキシ当量１８５、粘度１０Ｐａ・ｓ〔２５℃〕、液体状〔２５℃〕）

〔液状エポキシ樹脂ｄ（Ｂ成分）〕
ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（エポキシ当量１７０、粘度４Ｐａ・ｓ〔２５℃〕、液体状〔２５℃〕）

〔硬化剤（Ｃ成分）〕
テトラヒドロ無水フタル酸

〔硬化促進剤〕
２−エチル−４−メチルイミダゾール

〔実施例１〜５、比較例１〜４〕
下記の表１および表２に示す各成分を同表に示す割合で配合し、８０〜１３０℃に加熱したミキシングロールに３分間かけて溶融混練を行い、熟成した後、室温（２５℃）まで冷却して粉砕することにより目的とする微粉末状のエポキシ樹脂組成物を得た。

このようにして得られた実施例および比較例のエポキシ樹脂組成物を用いて、下記に示す方法にしたがって各種特性評価を行った。その結果を上記の表１および表２に併せて示す。

〔ガラス転移温度（Ｔｇ）〕
上記エポキシ樹脂組成物をトランスファー成形（１５０℃×４分間成形、１５０℃×３時間後硬化）した後、その成形物からＴｇ測定用の試料片（３２．５ｍｍ×０．５ｍｍ×厚み１ｍｍ）を切り出し、レオメトリックス社製の粘弾性測定装置（ＤＭＡ）を用い、昇温速度５℃／分でＴｇ（℃）を測定した。

〔耐リフロー性〕
上記エポキシ樹脂組成物を用いて光半導体素子（ＳｉＮフォトダイオード：1 ．５ｍｍ×１．５ｍｍ×厚み０．３７ｍｍ）をトランスファー成形（１５０℃×４分間成形、１５０℃×３時間後硬化）でモールドすることにより表面実装型光半導体装置を得た（ワイヤー径は２５μｍ）。この表面実装型光半導体装置は、図１に示すように、８ピンのスモールアウトラインパッケージ（ＳＯＰ−８：４．９ｍｍ×３．９ｍｍ×厚み１．５ｍｍ）３で、リードフレームは４として、４２アロイ合金素体の表面全面に銀メッキ層（厚み０．２μｍ）を形成したものを用いた。

このようにして得られた光半導体装置２０個を、３０℃／６０％ＲＨの条件で、１９２時間吸湿させ、実際のリフロー炉（トップピ−ク２６０℃×１０秒）に３回通した。その後、顕微鏡により目視でリードフレムと素子との樹脂界面の剥離、クラックの有無を観察し、それが生じている光半導体装置の個数を数えた。

上記表１および表２に示す特性評価の結果より、全ての実施例において、Ｔｇ値は、比較例品よりも低く抑えられたものとなり、また、リードフレームと素子との樹脂界面の剥離やクラックは全く観察されなかった。

これに対し、比較例２，４については、素子の剥離、クラックが観察された。また、比較例１については、樹脂系の粘度が高いため、硬化剤との混合分散が悪く硬化しないため、パッケージを得ることができなかった。比較例３については液状の樹脂系であり、エポキシ組成物自体を固体化できないことから、トランスファー成形をすることができず、パッケージを得ることができなかった。

表面実装型光半導体装置の一例であるＳＯＰ−８を示す斜視図である。

Claims (4)

1. トランスファー成形用の光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物であって、下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含み、室温で固体状を呈することを特徴とする光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物。
   （Ａ）軟化点が５０℃以上を示す固形エポキシ樹脂。
   （Ｂ）室温にて液体である液状エポキシ樹脂。
   （Ｃ）硬化剤。
2. 上記液状エポキシ樹脂（Ｂ）の配合比率が、エポキシ樹脂成分全体の３〜３０重量％の範囲である請求項１記載の光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 上記光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物が、表面実装方式用のものである請求項１または２記載の光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物。
4. 請求項１〜３のいすれか一項に記載の光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物を用いて光半導体素子をトランスファー成形して封止してなる光半導体装置。

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