JP2011063686A - 光半導体素子封止用組成物 - Google Patents

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Abstract

【課題】所定の直鎖ポリシロキサン構造を有するエポキシ変性シリコーン樹脂を含む組成物を耐熱衝撃性及びポットライフの点で更に改良する。
【解決手段】(A)不飽和基含有エポキシ化合物と、SiH基を有するオルガノポリシロキサンとの付加反応により調製される分岐シリコーン樹脂であって、1分子当たり、3以上のエポキシ基、1以上の所定のT単位、3以上の所定のM単位、及び、3以上の所定のジオルガノシロキサン構造を有する、分岐シリコーン樹脂 100質量部、(B)1分子当り2個以上のエポキシ基を有する非芳香族系エポキシ樹脂 (A)及び(B)成分の合計100質量部に対して50質量部以下、(C)硬化剤 (A)及び(B)成分のエポキシ基の合計1モルに対し該エポキシ基と反応性の基が0.4〜1.5モルとなる量、(D)硬化触媒 (A)〜(C)成分の合計100質量部に対し0.01〜3質量部を含む光半導体素子封止用組成物。
【選択図】なし

Description

本発明は、LED等の光半導体素子を封止するための組成物に関し、詳細には、エポキシ基が付加反応によりシリコーン鎖に導入された分岐シリコーン樹脂を含み、ポットライフが長く、耐熱衝撃性等に優れた硬化物を与える組成物に関する。
従来、光半導体素子を封止するために、エポキシ樹脂組成物が広く用いられている。該エポキシ樹脂組成物は、通常、脂環式エポキシ樹脂、硬化剤および硬化触媒を含有する。該組成物を、キャスティング、トランスファー成形などの成形法により、光半導体素子が配置された金型に流しこみ硬化させることにより、光半導体素子を封止する。しかし、LEDの輝度及びパワーUPに伴い、エポキシ樹脂の変色劣化が問題となっている。特に脂環式エポキシ樹脂は、青色光や紫外線により黄変するため、LED素子の寿命を短くするという問題があった。
そこで、耐熱耐光に優れたシリコーンをエポキシ化合物で変性した、エポキシ変性シリコーンを含む組成物が提案されている。該エポキシ変性シリコーンとしては、例えば、エポキシ基を有するシランと、シラノールとを縮合させて合成された樹脂(特許文献1)、エポキシ環を少なくとも2つ有するシルセスキオキサン(特許文献2)、一官能シロキサン単位(M単位)と四官能シロキサン単位(Q単位)からなるオルガノポリシロキサンにエポキシ基を導入したもの(特許文献3)等が知られている。
しかし、これらのシリコーン樹脂を含む組成物は、その硬化物の弾性率が低く且つ脆い。そのため、該組成物で封止したLEDは、温度サイクル試験において樹脂にクラックが入り易いという問題があった。
特開平7−97433号公報 特開2005−263869号公報 特開平7−18078号公報
本発明者らは、上記問題を解決すべく、所定の直鎖ポリシロキサン構造を有するエポキシ変性シリコーン樹脂を含む組成物を発明した(特願2008−195122号)。本発明は、該組成物を耐熱衝撃性及びポットライフの点でさらに改良することを目的とする。
本発明者らは、種々検討した結果、エポキシ基を付加反応によりシリコーン鎖に導入することによって、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。即ち、本発明は下記(A)、(B)、(C)及び(D)を含む光半導体素子封止用組成物である。
(A)不飽和基含有エポキシ化合物と、SiH基を有するオルガノポリシロキサンとの付加反応により調製される分岐シリコーン樹脂であって、1分子当たり、3以上のエポキシ基、1以上の(RSiO3/2)単位、3以上の(RSiO1/2)単位、及び、3以上の(RSiO)(nは1〜20の整数)構造を有する、分岐シリコーン樹脂 100質量部
[RはC1−20の一価の有機基、R及びRは、互いに独立に、C1−20の一価の有機基、RはC1−20の一価の有機基、但し、1分子中のRのうちの3以上はエポキシ基含有基である]
(B)1分子当り2個以上のエポキシ基を有する非芳香族系エポキシ樹脂
(A)成分と(B)成分の合計100質量部に対して50質量部以下
(C)硬化剤 (A)成分と(B)成分のエポキシ基の合計1モルに対し該エポキシ基と反応性の基が0.4〜1.5モルとなる量
(D)硬化触媒 (A)成分、(B)成分及び(C)成分の合計100質量部に対し0.01〜3質量部
上記本発明の光半導体素子止封止用組成物はポットライフが長く、保存中に粘度が上昇することが無い。また、該組成物の硬化物は、高硬度でありながら耐熱衝撃性に優れ、良好な光半導体パッケージを形成する。
本発明の組成物において、(A)分岐シリコーン樹脂は、不飽和基含有エポキシ化合物と、SiH基を有するオルガノポリシロキサンとの付加反応により調製される。これにより、縮合反応によりエポキシ基を導入したシリコーン樹脂を含む場合に比べて長いポットライフを達成することができる。付加反応は、定法に従い白金触媒の存在下で行う。
(A)分岐シリコーン樹脂は、1分子当り3以上のエポキシ基を有する。エポキシ基は、後述するR中に含まれ、上記付加反応により飽和となった結合、例えばビニル基由来のエチレン基、アリル基由来のプロピレン基、さらに、該飽和結合とエポキシ基とを連結する基を介して、ケイ素原子に結合されている。(A)分岐シリコーン樹脂のエポキシ当量は、200〜1500g/eq、好ましくは200〜1200g/eq、である。
(A)分岐シリコーン樹脂は、1分子当たり、1以上の(RSiO3/2)単位、3以上の(RSiO1/2)単位、及び、3以上の(RSiO)(nは1〜20の整数)構造を有する。分岐を有するので、硬化物の硬度が高い。
、R、R及びRはC1−20の一価の有機基、但し、1分子中のRのうちの3以上はエポキシ基含有基である。C1−20の一価の有機基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等のアルキル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ノルボニル基等の脂環式基、フェニル基等のアリール基等が挙げられる。好ましくは、Rがフェニル基であり、R及びRがメチル基である。
のエポキシ基含有基としては、γ−グリシドキシエチル基、及びβ−(3,4−エポキシシクロへキシル)エチル基及びこれらの組合せが例示される。好ましくはβ−(3,4−エポキシシクロへキシル)エチル基である。
好ましくは、(A)分岐シリコーン樹脂は下記式(2)で表される。
Figure 2011063686

式(2)において、R〜Rは上述のとおりであり、p、q、及びrは1〜20、好ましくは1〜10、の整数であり、sは1〜5、好ましくは1〜2、の整数である。
(A)分岐シリコーン樹脂は、上述のとおり、SiH基を有するオルガノポリシロキサンに、ビニル基等の不飽和基を有するエポキシ化合物を、白金等の金属触媒の存在下で、付加させて調製される。例えば、上記式(2)のものは、下記式(3)で表される末端にSiH基を有するルガノポリシロキサンに、不飽和基を有するエポキシ化合物を付加反応させて得ることができる。
Figure 2011063686

(式(3)において、R〜R、p、q、r及びsは上記のとおりである。)
該不飽和基を有するエポキシ化合物としては、ビニルシクロヘキセンモノオキサイド(セロキサイド2000Z、ダイセル化学工業社製)が例示される。
上記式(3)のオルガノポリシロキサンは、例えば、RSiX、HRSiXで表される有機ケイ素化合物(Xはアルコキシ基等の加水分解性の基)と(RSiO)n(n=1〜20)構造を有し、末端に加水分解性の基を有するオルガノポリシロキサンとを加水分解及び縮合反応に付することにより合成することができる。
(B)1分子当り2個以上のエポキシ基を有する非芳香族系エポキシ樹脂としては、(3,4−エポキシシクロヘキサン)メチル3’,4’−エポキシシクロヘキシルカルボキシレート等の脂環式エポキシ樹脂;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、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、アラルキル型エポキシ樹脂及びビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂等の芳香環を水素添加した水添型エポキシ樹脂;ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂などを挙げることができる。なかでも耐光性の点で、脂環式エポキシ樹脂が好適である。
(B)エポキシ樹脂の配合量は、(A)成分と(B)成分の合計100質量部に対して50質量部、好ましくは40質量部、以下である。50質量部を超えると、耐光性が低くなる傾向がある。
(C)硬化剤としては、任意のエポキシ樹脂の硬化剤を使用することができ、アミン系硬化剤、フェノール系硬化剤、酸無水物系硬化剤が挙げられる。好ましくは、酸無水物系硬化剤が使用される。酸無水物系硬化剤としては、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、3−メチル−ヘキサヒドロ無水フタル酸、4−メチル−ヘキサヒドロ無水フタル酸、あるいは3−メチル−ヘキサヒドロ無水フタル酸と4−メチル−ヘキサヒドロ無水フタル酸との混合物、テトラヒドロ無水フタル酸、無水ナジック酸、無水メチルナジック酸、ノルボルナン−2,3−ジカルボン酸無水物、メチルノルボルナン−2,3−ジカルボン酸無水物などを挙げることができる。
(C)硬化剤の配合量は、組成物中の(A)成分と(B)成分のエポキシ基の合計1モルに対して0.4〜1.5モル、即ち、全エポキシ樹脂1当量に対して硬化剤0.4〜1.5当量、好ましくは、0.5〜1.0当量、である。
(D)硬化触媒としては、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ート、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレートなどの第四級ホスホニウム塩、トリフェニルフォスフィン、ジフェニルフォスフィン等の有機フォスフィン系硬化触媒、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三級アミン系硬化触媒、2−メチルイミダゾール、2−フェニル−4−メチルイミダゾールなどのイミダゾール類などを挙げることができ、なかでも第四級ホスホニウム塩が好ましい。
(D)硬化触媒の配合量は、(A)、(B)及び(C)成分の合計100質量部に対して、
0.01〜3質量部である。硬化触媒の配合量が前記下限値より少ないと、エポキシ樹脂と硬化剤との反応を促進する効果を十分に得ることができないおそれがある。一方、硬化触媒の配合量が前記上限値より多いと、硬化時やリフロー試験時の変色の原因となるおそれがある。
上記各成分に加えて、本発明の目的を逸脱しない範囲で、慣用の添加剤、例えば酸化防止剤、変色防止剤、劣化防止剤、シリカなどの無機充填剤、シラン系カップリング剤、変性剤、可塑剤、希釈剤等を配合してよい。また、波長変更するための蛍光体や酸化チタン微粉末、シリカなどのような光散乱剤などを添加することもできる。
本発明の組成物は、(A)シリコーン樹脂、(B)エポキシ樹脂、(C)硬化剤および(D)硬化触媒および必要により各種の添加剤を配合して、溶融混合することで調製することができる。溶融混合は、公知の方法でよく、例えば、上記の成分をリアクターに仕込み、バッチ式にて溶融混合する方法、また上記の成分をニーダーや熱三本ロールなどの混練機に投入して、連続的に溶融混合する方法が挙げられる。
得られた溶融混合物を鋳型に注入した状態で所定の温度下において、Bステージ化して固形化した上で使用に供することも可能である。
本発明の組成物で発光半導体を封止する態様は特に制限されるものではなく、例えば、開口部を有する筐体内に配置された発光半導体を覆って筐体内に組成物を充填し、硬化させて封止することができる。また、マトリックス化された基板上にLEDを搭載したものを、印刷法、トランスファー成型、インジェクション成型、圧縮成形などにより封止することもできる。LEDなどの発光半導体素子をポッティングやインジェクションなどで被覆する場合、本発明の組成物は液状であることが好ましく、25℃の回転粘度計による測定値として10〜1,000,000mPa・s、特には100〜1,000,000mPa・s程度が好ましい。一方、トランスファー成型、等で発光半導体装置を製造する場合には、上記の液状樹脂を使用することもできるが、液状樹脂を増粘させて固形化(Bステージ化)し、ペレット化した後、成型することでも製造することができる。
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
<合成例1:(A)分岐シリコーン樹脂の合成>
反応容器に、セロキサイド−2000(ダイセル化学工業社製)112.71g(0.908モル)、トルエン208ml、塩化白金酸2%オクチルアルコール溶液を(Pt量20ppm)仕込んだ後、下記式(a)で表されるオルガノポリシロキサン(n=1)100g(0.303モル)、トルエン61mlを滴下し、16時間加熱還流した。
反応終了後、減圧下トルエンを除去し、ろ過を行い目的の樹脂(樹脂1)を得た。樹脂1のエポキシ当量は262g/eqであった。
Figure 2011063686

上式(a)で表されるオルガノポリシロキサンのH−NMR(300MHz, CDCl)では、0.38ppm、4.98ppm(Si−H)、7.50ppm、及び7.75ppmにピークが観察された。一方、樹脂1のH−NMR(300MHz, CDCl)では、0.09ppm、0.51ppm、1.15ppm、1.29ppm、2.12ppm、3.12ppm、及び7.24ppmにピークが観察され、末端に脂環式エポキシ基が結合されていることを確認した。また、樹脂1の29Si−NMR(60MHz, CDCl)では、−76〜−80ppm(PhSiO3/2)、及び8〜11ppm(MeSiO)にピークが観察され、縮合反応により調製される樹脂で通常観察されるアルコキシ基が存在しないことを確認した。
<合成例2:(A)分岐シリコーン樹脂の合成>
反応容器に、セロキサイド−2000(ダイセル化学工業社製)74.51g(0.600モル)、トルエン150ml、塩化白金酸2%オクチルアルコール溶液を(Pt量20ppm)仕込んだ後、上記式(a)で表されるオルガノポリシロキサン(n=5)161g(0.200モル)、トルエン40mlを滴下し、16時間加熱還流した。反応終了後、減圧下トルエンを除去し、ろ過を行い目的の樹脂(樹脂2)を得た。樹脂2のエポキシ当量は546g/eqであった。
<合成例3:(A)分岐シリコーン樹脂の合成>
反応容器に、セロキサイド−2000(ダイセル化学工業社製)74.51g(0.600モル)、トルエン150ml、塩化白金酸2%オクチルアルコール溶液を(Pt量20ppm)仕込んだ後 、上記式(a)で表されるオルガノポリシロキサン(n=10)520g(0.200モル)、トルエン100mlを滴下し、16時間加熱還流した。反応終了後、減圧下トルエンを除去し、ろ過を行い目的の樹脂(樹脂3)を得た。樹脂3のエポキシ当量は1023g/eqであった。
<合成例4:(A)分岐シリコーン樹脂の合成>
反応容器に、セロキサイド−2000(ダイセル化学工業社製)99.35g(0.800モル)、トルエン180ml、塩化白金酸2%オクチルアルコール溶液を(Pt量20ppm)仕込んだ後、下記式(b)で表されるオルガノポリシロキサン84g(0.200モル)、トルエン40mlを滴下し、加熱還流した。反応終了後、減圧下トルエンを除去し、ろ過を行い目的の樹脂(樹脂4)を得た。樹脂4のエポキシ当量は269g/eqであった。
Figure 2011063686

上式(b)で表されるオルガノポリシロキサンのH−NMR(300MHz, CDCl)では、0.31ppm、4.85ppm(Si−H)、7.39ppm、7.76ppmにピークが観察された。一方、樹脂4のH−NMR(300MHz, CDCl)では、0.02ppm、0.43ppm、1.07ppm、1.53ppm、1.90ppm、2.06ppm、3.10ppm、7.17ppmにピークが観察され、末端に脂環式エポキシ基が結合されていることを確認した。樹脂4の29Si−NMR(60MHz, CDCl)では、−74〜−83ppm(PhSiO3/2)、7〜11ppm(MeSiO)にピークが観察され、縮合反応により調製される樹脂で通常観察されるアルコキシ基が存在しないことを確認した。
<比較合成例5:縮合反応による分岐シリコーン樹脂の調製>
反応容器に、MeO(Me)SiO(MeSiO)Si(Me)OMe (n=約1.5個)596.82g(2.10モル)、フェニルトリメトキシシラン(信越化学工業社製KBM103)95.34g(0.70モル)、イソプロピルアルコール1250mlを仕込んだ後、水酸化テトラメチルアンモニウムの25%水溶液21.75g、水195.75gを添加し、室温で3時間攪拌した。反応終了後、系内にトルエン1250mlを入れ、リン酸二水素ナトリウム水溶液で中和した。分液漏斗を用いて、残渣を熱水にて洗浄した。減圧下トルエンを除去してオリゴマーを得た。さらにオリゴマーに、3−(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(信越化学工業社製KBM303)517.44g(2.10モル)、イソプロピルアルコール600mlを仕込んだ後、水酸化テトラメチルアンモニウムの25%水溶液21.75g、水195.75gを添加し、室温で3時間攪拌した。反応終了後、系内にトルエン1250mlを入れ、リン酸二水素ナトリウム水溶液で中和した。分液漏斗を用いて、残渣を熱水にて洗浄した。減圧下トルエンを除去して目的の樹脂(「樹脂5」とする)を得た。樹脂5のエポキシ当量は441g/eqであった。
また、樹脂5の29Si−NMR(60MHz, CDCl)では、−64〜−56ppm(PhSiO3/2)、−52〜−44ppm(完全縮合T単位Si部分)、−41〜−36ppm(アルコキシ含有T単位Si部分)、−4〜3ppm(完全縮合D単位Si部分)、6〜10ppm(アルコキシ含有D単位Si部分)にピークが観察され、アルコキシ基が残留していることを確認した。
得られた樹脂及び以下の成分を用いて、組成物を調製した。
(B)エポキシ樹脂:(3,4−エポキシシクロヘキサン)メチル3’,4’−エポキシシクロヘキシルカルボキシレート(セロキサイド2021P、ダイセル工業(株)製)
(C)硬化剤:メチルヘキサヒドロ無水フタル酸(MH、新日本理化(株)製)
(D)硬化触媒:有機ホスホニウム塩(UCAT−5003、サンアプロ(株)製)
接着助剤:3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン(KBM−803、信越化学工業(株)製)
<実施例1〜4、比較例1>
表1に示す処方(質量部)に従い、組成物を調製した。
得られた組成物を用いて、100℃で2時間、さらにポストキュアを150℃4時間行って、厚み5mmの棒状硬化物を得た。この棒状硬化物を用いて、外観、曲げ弾性率及び曲げ強度(JIS K−6911)、耐光試験後の外観について評価した。耐光試験は初期の400nmにおける透過率を100%としたときの、12時間UV照射(高圧水銀灯 30mW/cm、365nm)後の透過率を求めた。また、23℃での初期粘度に対する23℃/8hr保存後の粘度比を測定した。結果を表1に示す。
Figure 2011063686
LED装置
実施例2、3及び比較例1の組成物を用いて、以下の方法でLED装置を各3個ずつ作成した。厚さ1mm、一辺が3mmで開口部が直径2.6mm、底辺部が銀メッキされたLED用プレモールドパッケージにInGaN系青色発光素子を銀ペーストにより固定した。次に外部電極と発光素子を金ワイヤーにて接続した。各組成物をパッケージ開口部に注入した。100℃で1時間、さらに150℃で2時間硬化させてLED装置を作成した。作成したLED装置を用い、下記条件での温度サイクル試験と、65℃/95%RH下で3000時間LED点灯試験を行い、パッケージ界面の接着不良、クラックの有無、並びに変色の有無を目視観察した。結果を表2に示す。
Figure 2011063686
表1から分かるように、縮合反応により得られた樹脂5を含む比較例1の組成物は、粘度上昇が顕著であった。また、表2から分かるように、比較例1の組成物から得られたパッケージは、実施例の組成物から得られた硬化物に比べて耐熱衝撃性、耐光性に劣った。
本発明の光半導体素子止封止用組成物はポットライフが長く、耐光性、・耐熱衝撃性に優れた光半導体装置を形成するために有用である。

Claims (6)

  1. 下記(A)、(B)、(C)及び(D)を含む光半導体素子封止用組成物。
    (A)不飽和基含有エポキシ化合物と、SiH基を有するオルガノポリシロキサンとの付加反応により調製される分岐シリコーン樹脂であって、1分子当たり、3以上のエポキシ基、1以上の(RSiO3/2)単位、3以上の(RSiO1/2)単位、及び、3以上の(RSiO)(nは1〜20の整数)構造を有する、分岐シリコーン樹脂 100質量部
    [RはC1−20の一価の有機基、R及びRは、互いに独立に、C1−20の一価の有機基、RはC1−20の一価の有機基、但し、1分子中のRのうちの3以上はエポキシ基含有基である]
    (B)1分子当り2個以上のエポキシ基を有する非芳香族系エポキシ樹脂
    (A)成分と(B)成分の合計100質量部に対して50質量部以下
    (C)硬化剤 (A)成分と(B)成分のエポキシ基の合計1モルに対し該エポキシ基と反応性の基が0.4〜1.5モルとなる量
    (D)硬化触媒 (A)成分、(B)成分及び(C)成分の合計100質量部に対し0.01〜3質量部
  2. 分岐シリコーン樹脂が下記式(2)で示される請求項1に係る組成物。
    Figure 2011063686

    (式(2)において、R〜Rは上述のとおりであり、p、q、及びrは1〜20の整数、sは1〜5の整数である)
  3. がフェニル基、R及びRがメチル基、及びエポキシ基含有基がβ−(3,4−エポキシシクロへキシル)エチル基である請求項1又は2に係る組成物。
  4. (B)1分子当り2個以上のエポキシ基を有する非芳香族系エポキシ樹脂が、脂環式エポキシ樹脂である請求項1〜3のいずれか1項係る組成物。
  5. (C)硬化剤が酸無水物である請求項1〜4のいずれか1項係る組成物。
  6. メルカプト系シランカップリング剤をさらに含む請求項1〜5のいずれか1項係る組成物。
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