JP2010006880A - 光半導体封止用エポキシ樹脂組成物および光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトカプラなどの光半導体装置の光伝送に必要な光透過性を有すると共に、耐リフロー性にも優れた光半導体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を提供する。
【解決手段】エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分とし、硬化促進剤として（I）

（式中、Ｒはそれぞれ独立に炭素数２〜６のアルキル基を示す。）で表される第四級ホスホニウムの有機酸塩を含有し、無機充填材の配合量が組成物の全量に対して６５〜７５質量％であること。
【選択図】なし

Description

本発明は、光半導体封止用エポキシ樹脂組成物および光半導体装置に関するものである。

従来、光信号伝送用のデバイスとして、フォトカプラが使用されている。フォトカプラは発光素子と受光素子とを組み合わせたものであり、発光素子からの光を効率良く受光素子に伝えることなどが要求される。また、耐熱性や耐湿信頼性などが要求される場合もある。

このような要求を満足するためのフォトカプラの封止構造として、従来、二重封止構造が採用されている。すなわち、光伝送に必要な光透過性を有する一次封止樹脂で光半導体素子を封止し、次いで外部からの光に対して遮光性を有する二次封止樹脂で封止するようにしている。

従来、一次封止樹脂にはシリコーン樹脂組成物が用いられ、二次封止樹脂にはエポキシ樹脂組成物が用いられてきたが、近年、低コスト化などを目的として一次封止樹脂にもエポキシ樹脂組成物を用いることが検討されている。また、フォトカプラ以外の光半導体装置においては、封止材として光透過性のエポキシ樹脂組成物を用いることが提案されている（特許文献１〜３参照）。
特開２００３−２１８４０７号公報 特開２００７−２４６８１９号公報 特開２００７−２０１７号公報

しかしながら、フォトカプラの一次封止樹脂としてエポキシ樹脂組成物を用いた場合、フォトカプラの光伝送に必要な光透過性を有する配合処方とすると、耐リフロー性が低下するという問題点があった。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、フォトカプラなどの光半導体装置の光伝送に必要な光透過性を有すると共に、耐リフロー性にも優れた光半導体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を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分とする光半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、硬化促進剤として下記式（I）

（式中、Ｒはそれぞれ独立に炭素数２〜６のアルキル基を示す。）で表される第四級ホスホニウムの有機酸塩を含有し、無機充填材の配合量が光半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して６５〜７５質量％であることを特徴とする。

第２に、上記第１の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、無機充填材として平均粒子径８〜２０μｍの溶融球状シリカを含有することを特徴とする。

第３に、本発明の光半導体装置は、上記第１または第２の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて光半導体素子が封止されていることを特徴とする。

上記第１の発明によれば、硬化促進剤として上記式（I）の第四級ホスホニウムの有機酸塩を用い、かつ、無機充填材の配合量を特定範囲内としているので、フォトカプラなどの光半導体装置の光伝送に必要な高い光透過性を有すると共に、耐リフロー性にも優れた光半導体装置を得ることができる。

上記第２の発明によれば、無機充填材として特定範囲内の平均粒子径をもつ溶融球状シリカを配合するようにしたので、上記第１の発明の効果に加え、耐リフロー性を損なうことなく光半導体装置の光透過性をさらに高めることができる。また、光半導体封止用エポキシ樹脂組成物の成形性を良好なものとすることができる。

上記第３の発明によれば、上記第１または第２の発明の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止されているので、光伝送に必要な高い光透過性を有すると共に、耐リフロー性にも優れている。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明に用いられるエポキシ樹脂としては、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するものであれば特に制限なく使用することができる。このようなエポキシ樹脂の具体例としては、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、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、脂環式エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ブロム含有エポキシ樹脂などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

本発明において、硬化剤としては、フェノール性水酸基を有する硬化剤が好ましく用いられる。フェノール性水酸基を有する硬化剤としては、多価フェノール化合物、多価ナフトール化合物などが挙げられる。多価フェノール化合物の具体例としては、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル樹脂などが挙げられる。多価ナフトール化合物の具体例としては、ナフトールアラルキル樹脂などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

その他、硬化剤として、無水ヘキサヒドロフタル酸、無水テトラヒドロフタル酸などの酸無水物を用いることができる。

硬化剤の配合量は、好ましくは、エポキシ樹脂との化学量論上の当量比（硬化剤当量／エポキシ基当量）が０．５〜１．５となる量であり、より好ましくは当量比が０．８〜１．２となる量である。当量比が小さ過ぎると光半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化特性が低下する場合があり、当量比が大き過ぎると耐湿信頼性などが低下する場合がある。

本発明の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、硬化促進剤として上記式（I）の第四級ホスホニウムの有機酸塩が配合される。硬化促進剤として上記式（I）の第四級ホスホニウムの有機酸塩を用いることで、光透過性と耐リフロー性を両立した光半導体装置を得ることができる。

式（I）において、Ｒはそれぞれ独立に炭素数２〜６の直鎖または分岐のアルキル基を示し、好ましくは炭素数２〜６の直鎖アルキル基、より好ましくは炭素数３〜５の直鎖アルキル基である。

本発明の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、式（I）の第四級ホスホニウムの有機酸塩と共に他の硬化促進剤を配合することができる。このような他の硬化促進剤の具体例としては、トリフェニルホスフィン、ジフェニルホスフィン等の有機ホスフィン類、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリエタノールアミン、ベンジルジメチルアミン等の第三級アミン類、２−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、１−ベンジル−２−フェニルイミダゾール等のイミダゾール類などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

硬化促進剤の配合量は、エポキシ樹脂と硬化剤の合計量に対して０．０５〜５質量％が好ましい。硬化促進剤の配合量が少な過ぎると、エポキシ樹脂と硬化剤との反応の促進効果が十分に得られず成形サイクルが悪化する場合があり、硬化促進剤の配合量が多過ぎると、ゲル化時間が短くなり過ぎるためボイドや未充填などの成形性悪化を招く場合がある。

本発明の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、光半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して６５〜７５質量％の無機充填材が配合される。無機充填材の配合量が少な過ぎると耐リフロー性が低下する場合があり、無機充填材の配合量が多過ぎると光伝送に必要な光透過性が得られない場合がある。

本発明に用いられる無機充填材の具体例としては、溶融球状シリカ、破砕シリカ、結晶シリカなどが挙げられる。中でも、平均粒子径８〜２０μｍの溶融球状シリカが好ましい。ここで平均粒子径は、例えばレーザ回折散乱法、画像解析などの方法で測定することができる。溶融球状シリカの平均粒子径が小さ過ぎると、封止成形時において樹脂漏れや樹脂バリなどに起因する成形不具合が生じて生産性や歩留まりの低下を生じる場合があり、平均粒子径が大き過ぎると、パッケージ薄肉部への光半導体封止用エポキシ樹脂組成物の充填性が悪化し未充填などの不具合を生じる場合がある。

本発明の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、さらに他の成分を配合することができる。このような成分の具体例としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等のシランカップリング剤、カルナバワックス、ステアリン酸、モンタン酸、カルボキシル基含有ポリオレフィン等の離型剤、難燃剤、シリコーン可とう剤などが挙げられる。

本発明の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材、および必要に応じて他の成分を配合し、ミキサー、ブレンダーなどを用いて十分均一になるまで混合した後、熱ロールやニーダーなどの混練機により加熱状態で溶融混合し、これを室温に冷却した後、公知の手段によって粉砕することにより製造することができる。なお、光半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、取り扱いを容易にするために、成形条件に合うような寸法と質量を有するタブレットとしてもよい。

本発明の光半導体装置は、上記のようにして得られた光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて受光素子、発光素子などの光半導体素子を封止することにより製造することができる。この封止には、トランスファー成形、コンプレッション成形、インジェクション成形などの従来より用いられている成形方法を適用することができる。

トランスファー成形を適用する場合、例えば、光半導体素子を搭載したリードフレームを成形金型のキャビティに配置した後、キャビティに光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を充填し、これを加熱下にて硬化させることで、光半導体素子を光半導体封止用エポキシ樹脂組成物で封止した光半導体装置を製造することができる。

トランスファー成形を適用する場合、例えば、金型温度１７０〜１８０℃、成形時間３０〜１２０秒に設定することができるが、金型温度、成形時間およびその他の成形条件は、光半導体封止用エポキシ樹脂組成物の配合組成などに応じて適宜に変更すればよい。

本発明の光半導体装置の具体例としては、リードフレーム上に光半導体素子を固定し、ボンディングパッドなどの光半導体素子の端子部と、リードフレームのリード部とをワイヤボンディングやバンプで接続した後、光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いてトランスファー成形などにより封止してなる、ＤＩＰ（Dual Inline Package）、ＰＬＣＣ（Plastic Leaded Chip Carrier）、ＳＯＰ（Small Outline Package）、ＳＯＪ（Small Outline J-lead package）、ＴＳＯＰ（Thin Small Outline Package）、ＱＦＰ（Quad Flat Package）、ＴＱＦＰ（Thin Quad Flat Package）、ＬＱＦＰ（Lowprofile Quad Flat Package）などが挙げられる。

本発明の光半導体装置は、例えば発光ダイオードなどの発光素子とフォトダイオードなどの受光素子を共に搭載したフォトカプラとして好適に用いることができ、本発明の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いることで、耐リフロー性を維持しつつ、封止樹脂の波長９４０ｎｍにおける光透過率（厚さ１ｍｍ当たり）を２０％以上として高い電流伝達値（ＣＴＲ）を得ることができる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。なお、表１に示す配合量は質量部を表す。

表１に示す各配合成分を、表１に示す割合で配合し、ブレンダーで３０分間混合して均一化した後、８０℃に加熱したニーダーで混練溶融させて押し出し、冷却後、粉砕機で所定粒度に粉砕して粒状の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得た。

表１に示す配合成分として、以下のものを用いた。
無機充填材：溶融球状シリカ、平均粒子径 １５μｍ（レーザ回折散乱法）
無機充填材：溶融球状シリカ、平均粒子径 ２５μｍ（レーザ回折散乱法）
無機充填材：破砕シリカ、平均粒子径 １２μｍ（レーザ回折散乱法）
エポキシ樹脂：ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ＤＩＣ（株）製、エピクロン Ｎ６７２ＥＸＰ
硬化剤：フェノールノボラック樹脂、群栄化学工業（株）製、ＰＳＭ６２００
硬化促進剤：式（I）の第四級ホスホニウムの有機酸塩、日本化学工業（株）製、ＰＸ−４ＭＣＨ
硬化促進剤：２−フェニルイミダゾール、四国化成工業（株）製、キュアゾール ２ＰＺ
離型剤：カルナバワックス、大日化学工業（株）製、Ｆ１−１００
シランカップリング剤：γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、信越化学工業（株）製、ＫＢＭ４０３
上記のようにして得られた光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて下記の評価を行った。
[光透過率]
光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を金型温度１７５℃、硬化時間９０秒の条件でトランスファー成形し、次いで１７５℃で６時間後硬化することにより、直径５０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍのテストピースを作製した。

このテストピースについて、（株）島津製作所製の積分球付き分光光度計により波長９４０ｎｍにおける光透過率（厚さ１ｍｍ当たり）を測定し、下記基準に従って評価した。
◎：光透過率２３％超
○：光透過率２０〜２３％
×：光透過率２０％未満
[耐リフロー性]
光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を金型温度１７５℃、硬化時間９０秒の条件でトランスファー成形し、次いで１７５℃で６時間後硬化することにより、１８ピンＳＯＰパッケージを作製した。

このパッケージに８５℃／６０％ＲＨ／４８時間の吸湿処理を行った後、２６５℃ピークのリフローテスト処理を行った。

その後、このパッケージにおける剥離やクラックの有無をマイクロスコープによる観察および超音波探査装置による観察により確認した。そして、観察したパッケージの総数（１００個）に対する不良品の割合を不良率として求め、下記基準に従って耐リフロー性を評価した。
○：不良品が発見されなかった。
△：不良品が発見されたが不良率が５％未満であった。
×：不良率が５％以上であった。
[密着性]
２５ｍｍ×２５ｍｍの銅金属板の表面に、底面が直径３．６ｍｍの円錐台状の成形品を光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて金型温度１７５℃、硬化時間９０秒の条件で成形した。次いで、この成形品を１７５℃で６時間後硬化した後、成形品の銅金属板に対する密着力をボンドテスター（アークテック社製）を用いて測定した。具体的には、銅金属板上の成形品を金属のツメで銅金属板に対して平行方向に押したときに、成形品が銅金属板から剥がれる際の力を測定し、この測定値（ＭＰａ）に基づき密着力を下記基準に従って評価した。
○：測定値７ＭＰａ以上
△：測定値３ＭＰａ以上７ＭＰａ未満
評価結果を表１に示す。

表１より、硬化促進剤として式（I）の第四級ホスホニウムの有機酸塩を配合し、かつ、無機充填材の配合量を６５〜７５質量％とした実施例１〜７の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物では、所要の光透過率を有しており、耐リフロー性も良好であった。さらに、リードフレームとの密着性の指標となり耐リフロー性とも関連する上記の密着性評価においても所要の密着性を有していた。

実施例２では、実施例１における硬化促進剤の一部を式（I）の第四級ホスホニウムの有機酸塩からイミダゾール系硬化促進剤に変更した。実施例１に比べると全体として物性の低下がみられたものの光透過率、耐リフロー性、密着性のそれぞれについて所要の物性を有していた。

実施例３では、実施例１における無機充填材の一部を溶融球状シリカから破砕シリカに変更した。実施例１と同様に所要の光透過率を有しており、耐リフロー性、密着性も良好であった。

実施例４では、実施例１における無機充填材の全てを平均粒子径１５μｍの溶融球状シリカから平均粒子径が２０μｍを超える溶融球状シリカに変更した。実施例１に比べると光透過率が低下したが、所要の光透過率を有していた。耐リフロー性および密着性は実施例１と同様に良好であった。

実施例５では、実施例１における無機充填材の全てを溶融球状シリカから破砕シリカに変更した。実施例１に比べると光透過率が低下したが、所要の光透過率を有していた。耐リフロー性および密着性は実施例１と同様に良好であった。

実施例６、７では、実施例１における無機充填材の配合量を６５〜７５質量％の範囲内で変更した。光透過率、耐リフロー性、密着性のそれぞれについて実施例１と同様に良好な物性を有していた。

一方、比較例１では、実施例１における硬化促進剤の全てを式（I）の第四級ホスホニウムの有機酸塩からイミダゾール系硬化促進剤に変更したが、全体として物性が大きく低下した。

比較例２では、無機充填材の配合量が少ないため耐リフロー性が大きく低下した。

比較例３では、無機充填材の配合量が過剰であるため所要の光透過率を有していなかった。

Claims (3)

1. エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分とする光半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、硬化促進剤として下記式（I）
   

   

   （式中、Ｒはそれぞれ独立に炭素数２〜６のアルキル基を示す。）で表される第四級ホスホニウムの有機酸塩を含有し、無機充填材の配合量が光半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して６５〜７５質量％であることを特徴とする光半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
2. 無機充填材として平均粒子径８〜２０μｍの溶融球状シリカを含有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 請求項１または２に記載の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて光半導体素子が封止されていることを特徴とする光半導体装置。