JP2011222852A

JP2011222852A - 光半導体装置

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Publication number: JP2011222852A
Application number: JP2010092202A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kondo; 隆近藤; Mitsuharu Akazawa; 光治赤沢; Takashi Ozaki; 孝志尾崎
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2011-11-04

Abstract

【課題】ＬＥＤ点灯時に、高輝度を維持しながらも光半導体素子の封止材の温度上昇を抑制することができる光半導体装置、及び該装置に用いられている封止材を提供する。
【解決手段】光半導体素子２及び該光半導体素子２の上に直接積層されてなる封止材層１を有する光半導体装置において、前記封止材層１が光半導体素子２の上部には存在するが、側面には存在しない光半導体装置であって、前記封止材層１が蛍光体を含有し、該蛍光体の含有量が30〜80重量％であり、かつ、封止材層１の厚みが50μm以下であることを特徴とする光半導体装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、光半導体装置に関する。さらに詳しくは、光半導体点灯時の封止樹脂の温度上昇が抑制された光半導体装置、及び該装置に用いられている光半導体素子封止用シートに関する。

白熱電球や蛍光灯にかわり、光半導体(発光ダイオード、ＬＥＤ)の発光装置が普及してきている。白色のＬＥＤ装置には種々タイプが挙げられるが、青色ＬＥＤを用い、封止樹脂に青色を黄色に変換する蛍光体を分散させて、青色と黄色の混色で白色を発光する発光形態が現在の白色ＬＥＤ装置の主流である。

蛍光体を分散させた樹脂(蛍光体含有樹脂)を用いて封止する方法としては、一般的に、蛍光体含有樹脂でＬＥＤチップをコートする方法や、カップ形状のＬＥＤ装置に蛍光体含有樹脂をポッティングする方法がある。また、シート状の蛍光体含有樹脂層を積層して封止する方法も挙げられる。

例えば、特許文献１では、温度によって粘度が変化する、硬化していないポリマー樹脂に複数の蛍光体粒子を混合して蛍光体粒子の均一な懸濁物を形成し、該懸濁物をＬＥＤチップ上に配置後、樹脂の温度を高めて粘度を減少させて蛍光体粒子をＬＥＤチップ上の所望の位置に沈降させ、さらに樹脂温度を高めることにより樹脂を硬化させて得られる装置が開示されている。

特開２００８−１０３６８８号公報

しかしながら、特許文献１のように、蛍光体粒子を沈降させて装置を作製する場合には、ＬＥＤチップ直上の蛍光体含有層の厚みや濃度が一定になりにくいという問題がある。即ち、所望量の蛍光体粒子が沈降しない場合には、該蛍光体粒子が分布している樹脂層における蛍光体存在割合(蛍光体濃度)が低くなってしまい、該樹脂層の熱伝導率が小さくなる。すると、蛍光体粒子による波長変換の際に生じる発熱がＬＥＤチップに伝導し難くなり、封止樹脂層の温度が高くなりやすい。また、蛍光体濃度が低い樹脂層を用いる場合には、所望の色調の発光を得るために該樹脂層の厚みを厚くしなければならない。その結果、熱伝導性が劣ることになり、封止樹脂層の温度を低減することが難しい。一方、蛍光体の濃度が高くなり過ぎると封止樹脂層の形成性が劣り、好ましくない。

本発明の課題は、ＬＥＤ点灯時に、高輝度を維持しながらも光半導体素子の封止材の温度上昇を抑制することができる光半導体装置、及び該装置に用いられている封止材を提供することにある。

本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、光半導体素子及び該光半導体素子の上に直接積層された封止材層を有する光半導体装置において、前記封止材層が光半導体素子の上部には存在するが、側面には存在しない光半導体装置である場合に、前記封止材層が蛍光体を含有する際、該蛍光体の含有量を高くすることで封止材層の熱伝導率を上昇させ、しかも膜厚を薄くすることで熱を逃げ易くさせることによって、高い発光輝度を維持しながらも封止材の温度上昇を抑制することができる装置が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明は、
〔１〕光半導体素子及び該光半導体素子の上に直接積層されてなる封止材層を有する光半導体装置において、前記封止材層が光半導体素子の上部には存在するが、側面には存在しない光半導体装置であって、前記封止材層が蛍光体を含有し、該蛍光体の含有量が30〜80重量％であり、かつ、封止材層の厚みが50μm以下であることを特徴とする光半導体装置、ならびに
〔２〕蛍光体の含有量が30〜80重量％である封止材からなり、厚みが50μm以下である、前記〔１〕記載の光半導体装置に用いられる封止用シート
に関する。

本発明の光半導体装置は、ＬＥＤ点灯時に高い輝度を示しながらも封止材の温度上昇が抑制されるという優れた効果を奏する。

図１は、本発明の光半導体装置の一態様を示す図である。

本発明の光半導体装置は、光半導体素子(ＬＥＤチップ、あるいは単に素子ともいう)及び該光半導体素子の上に直接積層された封止材層を有する光半導体装置において、前記封止材層が光半導体素子の上部には存在するが、側面には存在しない光半導体装置であって、前記封止材層が特定量の蛍光体を含有し、かつ、該封止材層の厚みが特定であることに大きな特徴を有する。ここで、本明細書において、光半導体素子の上に封止材層が「直接積層」している状態とは、光半導体素子上に封止材層が直接積層又は配置された状態を表わす。なお、本発明の効果を阻害しない範囲内であれば、光半導体素子と封止材層は、接着剤として、任意の他の樹脂層(厚みが好ましくは2μm以下、より好ましくは1μm以下)を介して積層又は配置されていてもよい。

本発明における封止材層は蛍光体を含有する封止材からなる層であり、本明細書においては、その形状から蛍光体含有樹脂シートともいう。

本発明における蛍光体としては、特に限定はなく、光半導体装置で用いられる公知の蛍光体が挙げられる。具体的には、青色を黄色に変換する機能を有する好適な市販品の蛍光体として、黄色蛍光体(α−サイアロン)、YAG、TAG等が例示される。

蛍光体の含有量が高いほど封止材層の熱伝導率が高くなり、蛍光体が波長変換の際に発熱してもＬＥＤチップ側に熱が逃げ易い。また、蛍光体の含有量が高いほど、白色化に必要な封止材層の厚みが薄くなる。このような観点から、蛍光体の含有量は30重量％以上が好ましく、40重量％以上がより好ましい。一方、蛍光体の含有量が高いほど、封止材層の成形性が劣るため層状にすることが困難となる。よって、蛍光体の含有量は80重量％以下が好ましく、70重量％以下がより好ましい。従って、本発明における蛍光体の含有量は、30〜80重量％であり、40〜70重量％がより好ましい。

本発明における封止材層を構成する樹脂としては、従来から光半導体封止に用いられる樹脂であれば特に限定はなく、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、スチレン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ウレタン樹脂、ポリオレフィン樹脂等が挙げられ、これらは、１種又は２種以上組み合わせて用いることができる。なかでも、耐熱性及び耐UV性の観点から、シリコーン樹脂が好ましい。

シリコーン樹脂は、シロキサン骨格の架橋数により、ゲル状物、半硬化物、硬化物等のシリコーン樹脂が挙げられ、これらは単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。また、かかる樹脂として、２つの反応系を有するシリコーン樹脂や変性シリコーン樹脂を用いてもよい。

２つの反応系を有するシリコーン樹脂としては、例えば、シラノール縮合反応とエポキシ反応の２つの反応系を有するものや、シラノール縮合反応とヒドロシリル化反応の２つの反応系を有するもの(縮合-付加硬化型シリコーン樹脂)が例示される。

変性シリコーン樹脂としては、シロキサン骨格中のSi原子をB、Al、P、Tiなどの原子に一部置換した、ボロシロキサン、アルミノシロキサン、ホスファーシロキサン、チタナーシロキサン等のヘテロシロキサン骨格を有する樹脂や、シロキサン骨格中のSi原子にエポキシ基等の有機官能基を付加した樹脂が例示される。

これらの樹脂は、公知の製造方法により製造することができるが、縮合-付加硬化型シリコーン樹脂を例に挙げて説明する。例えば、両末端シラノール型シリコーンオイル、アルケニル基含有シラン化合物〔例、ビニル(トリメトキシ)シラン〕、及びエポキシ基含有ケイ素化合物〔例、(3-グリシドキシプロピル)トリメトキシシラン〕の混合物に、縮合触媒(例、水酸化テトラメチルアンモニウム)を添加後、室温で2時間攪拌混合し、そこに、オルガノハイドロジェンシロキサン及びヒドロシリル化触媒(例、白金触媒)を加えて混合することにより、縮合-付加硬化型シリコーン樹脂を得ることができる。

本発明における封止材層は、ＬＥＤの光散乱効果を得る観点から、前記蛍光体及び構成樹脂以外に、シリカ粒子を含有してもよい。

シリカ粒子の平均粒子径は、可視光を散乱でき、封止加工による輝度低下を抑制する観点から、1〜80μmが好ましく、2〜50μmがより好ましい。

シリカ粒子の形状は、可視光を散乱できるものであればよく、球状、破砕形状が例示されるが、ＬＥＤの輝度低下を抑制する観点から、球状が好ましい。

封止材層におけるシリカ粒子の含有量は、封止材層中で均一に分散でき、かつ、封止材層の温度上昇を抑制する観点から、5〜60重量％が好ましい。また、ＬＥＤの輝度低下を抑制する観点から、5〜50重量％がより好ましい。

また、本発明における封止材層は、前記以外に、硬化剤や硬化促進剤、さらに老化防止剤、変性剤、界面活性剤、染料、顔料、変色防止剤、紫外線吸収剤等の添加剤を含有することができる。

封止材層は、前記組成となるのであれば、当業者に公知の方法に従って調製することができる。例えば、前記構成樹脂又は該樹脂の有機溶媒溶液に、蛍光体を添加して攪拌混合して樹脂溶液を調製し、例えば、表面を剥離処理した離型シート(例えば、ポリエチレン基材)の上に、アプリケーター等を用いて適当な厚さに塗工し、溶媒の除去が可能な程度の温度で加熱して乾燥することにより、シート状に成形することができる。加熱温度は、樹脂や溶媒の種類によって異なるため一概には決定できないが、80〜150℃が好ましく、90〜150℃がより好ましい。なお、得られたシートは、複数枚積層して20〜200℃で熱プレスして圧着させて一体化したものを、一枚の封止材層として用いてもよい。

封止材層の厚みは、蛍光体の含有量に応じて光半導体素子の発光を白色化するために必要な厚みが異なることから、一概には決定されないが、蛍光体の波長変換による発熱を光半導体素子へ逃げ易くする観点から、本発明では50μm以下であり、45μm以下がより好ましい。また、白色の発光を放射し、封止機能を発揮する観点から、1μm以上が好ましく、5μm以上がより好ましい。従って、本発明における封止材層の厚みは、1〜50μmが好ましく、5〜45μmがより好ましい。

かくして得られた封止材層を、該封止材層が光半導体素子の上部には存在するが、側面には存在しないように、光半導体素子上に直接積層して成形することにより、本発明の光半導体装置が得られる。

本発明に用いられる光半導体素子は、通常、光半導体装置に用いられるものであれば特に限定されず、例えば、窒化ガリウム(GaN、屈折率：2.5)、ガリウムリン(GaP、屈折率：2.9)、ガリウム砒素(GaAs、屈折率：3.5)などが挙げられ、これらの中では、青色を発光し、蛍光体を介して白色ＬＥＤの製造ができるという観点から、GaNが好ましい。

光半導体素子が搭載される基板も特に限定されないが、例えば、メタル基板、ガラス−エポキシ基板に銅配線を積層したリジッド基板、ポリイミドフィルム上に銅配線を積層したフレキシブル基板などが挙げられ、平板や凹凸板等いずれの形態のものも用いることができる。

当該基板への光半導体素子の搭載方法としては、発光面に電極が配置された光半導体素子を搭載するのに好適なフェイスアップ搭載法、発光面とは逆の面に電極が配置された光半導体素子を搭載するのに好適なフリップリップ搭載法などが挙げられる。

成形方法としては、封止材層が光半導体素子側面に配置されないようにする必要があるが、それ以外は特に限定はない。例えば、ウエハのダイシング前に前記シート状の封止材層を貼り付けてダイシングする方法(ウエハレベルパッケージの調製方法)、光半導体素子のサイズに合わせて裁断した封止材層をボンダー等で載置する方法が挙げられる。封止材層がＢステージの樹脂を構成樹脂とする場合には、封止材層を積層後に好ましくは100〜150℃に加熱して成形する方法も挙げられる。また、封止材層の厚みが前記範囲内となるのであれば、シート状の封止材層を調製する際に用いる樹脂溶液をそのまま光半導体素子上にポッティングして加熱、硬化することにより、封止材層が光半導体素子上に直接積層された装置としてもよい。なお、封止材層の光半導体素子への接着性の観点から、シート状の封止材層を用いる場合には、透光性樹脂からなる液状樹脂(接着剤ともいう)をポッティングしてから、前記方法に従って封止材層を光半導体素子上に積層してもよい。接着剤の構成樹脂としては、例えば、シリコーン樹脂(旭化成ワッカーシリコーン社製、WACKER SilGel612)が例示される。

本発明の光半導体装置は、封止材が特定量の蛍光体を含有し、かつ、成形後の厚みが特定範囲内の層状であるために、青色素子等の高輝度ＬＥＤ素子や緑色ＬＥＤ素子等を搭載した光半導体装置であっても、発光輝度を高い状態で取り出しながらも、封止樹脂の温度上昇が抑制されて劣化が抑制されるため、好適に使用することができる。従って、本発明はまた、本発明の光半導体装置に用いられる、蛍光体の含有量が30〜80重量％である封止材からなり、厚みが50μm以下である封止用シートを提供する。

本発明の封止用シートは、ダイシング前のウエハに貼り付けたり、予め裁断したものを光半導体素子上に載置したりして用いることができ、発光輝度の低下を抑制しながら、簡便に封止樹脂の温度上昇を抑制することができる。

以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例等によりなんら限定されるものではない。

〔シートの熱伝導率〕
100μm厚さのシートをサンプルとして、アイフェイズ社製の温度依存性・熱伝導率測定装置(ai-Phase)を用いて測定する。

実施例１
＜封止材層＞
シリコーンエラストマー(旭化成ワッカーシリコーン社製、LR-7665)7gに、YAGを3g(蛍光体含有量：30重量％)加え、均一に攪拌分散し、液状の蛍光体含有樹脂を得た。得られた蛍光体含有樹脂を、アプリケーターを用いて50μmの厚みに塗工し、100℃で10分乾燥して、蛍光体含有樹脂シートを得た。

＜光半導体装置＞
平板の基板上に実装された光半導体素子(波長域450nm、サイズ：1mm×1mm×高さ200μm)の上に、接着剤としてシリコーン樹脂(旭化成ワッカーシリコーン社製、WACKER SilGel612)を適量滴下し、その上に、裁断した蛍光体含有樹脂シート(サイズ：1mm×1mm×高さ45μm)を載置することにより、光半導体装置を得た。なお、接着剤の厚さは1μmであった。

実施例２
封止材層における、シリコーンエラストマー(LR-7665)の量を6gに、YAGの量を4g(蛍光体含有量：40重量％)に、シート厚みを45μmに変更する以外は、実施例１と同様にして、光半導体装置を得た。

実施例３
封止材層における、シリコーンエラストマー(LR-7665)の量を4gに、YAGの量を6g(蛍光体含有量：60重量％)に、シート厚みを15μmに変更する以外は、実施例１と同様にして、光半導体装置を得た。

実施例４
＜封止材層＞
両末端シラノール型シリコーン樹脂100g、ビニルトリメトキシシラン0.77g、及び、(3-グリシドキシプロピル)トリメトキシシラン0.14gを攪拌混合後、水酸化テトラメチルアンモニウムメタノール溶液(濃度10重量％)0.19mLを加え、室温(25℃)で１時間攪拌後、オルガノハイドロジェンシロキサン2.19g、及び白金−1,3-ジビニル-1,1,3,3-テトラメチルジシロキサン錯体(白金濃度2重量％)0.025mLを加えて得られたシリコーン樹脂組成物(VHS3)4gに、YAGを6g(蛍光体含有量：60重量％)加え、均一に攪拌分散し、液状の蛍光体含有樹脂を得た。得られた蛍光体含有樹脂を、アプリケーターを用いて15μmの厚みに塗工し、135℃で1分乾燥して、Ｂステージの蛍光体含有樹脂シートを得た。

＜光半導体装置＞
実施例１と同様の光半導体素子上に直接、裁断したＢステージの蛍光体含有樹脂シート(サイズ：1mm×1mm×高さ15μm)を載置し、130℃で10分加熱することにより、光半導体装置を得た。

実施例５
封止材層における、シリコーンエラストマー(LR-7665)の量を2gに、YAGの量を8g(蛍光体含有量：80重量％)に、シート厚みを5μmに変更する以外は、実施例１と同様にして、光半導体装置を得た。

比較例１
封止材層における、シリコーンエラストマー(LR-7665)の量を8.4gに、YAGの量を1.6g(蛍光体含有量：16重量％)に、シート厚みを100μmに変更する以外は、実施例１と同様にして、光半導体装置を得た。

比較例２
封止材層における、シリコーンエラストマー(LR-7665)の量を8gに、YAGの量を2g(蛍光体含有量：20重量％)に、シート厚みを80μmに変更する以外は、実施例１と同様にして、光半導体装置を得た。

比較例３
封止材層における、シリコーンエラストマー(LR-7665)の量を7.5gに、YAGの量を2.5g(蛍光体含有量：25重量％)に、シート厚みを60μmに変更する以外は、実施例１と同様にして、光半導体装置を得た。

比較例４
＜封止材層＞
比較例１と同様にして蛍光体含有樹脂シートを得た。

＜他の層＞
蛍光体を含有しない以外は蛍光体含有樹脂シートと同様にして、シリコーンエラストマー(LR-7665)からなる樹脂シート(厚み20μm)を調製した。

＜光半導体装置＞
実施例１と同様の光半導体素子の上に、接着剤のシリコーン樹脂(WACKER SilGel612、適量)、裁断したシリコーンエラストマー(LR-7665)からなる樹脂シート(1mm×1mm×高さ0.020mm)、接着剤のシリコーン樹脂(WACKER SilGel612、適量)、裁断した蛍光体含有樹脂シート(1mm×1mm×高さ0.100mm)を順に積載することにより、光半導体装置を得た。

比較例５
封止材層における、シリコーンエラストマー(LR-7665)の量を4gに、YAGの量を6g(蛍光体含有量：60重量％)に、シート厚みを15μmに変更する以外は、比較例４と同様にして、光半導体装置を得た。

得られた光半導体装置について、以下の試験例１〜３に従って、特性を評価した。結果を表１に示す。

試験例１(封止材層の温度)
ヒートシンク(材質：銅)の上に、放熱用シリコーン(サンハヤト社製、SCH-30、熱伝導率0.96W/mK)を適量垂らし、その上に光半導体装置を固定し、点灯開始から10秒までは、100mA/秒で電流値を上げ、1Aに達してから3分後の封止材層の最高温度(℃)を測定する。なお、温度測定は、サーモグラフィ(チノー社製、CPA1000)を用いて、点灯中の光半導体装置の上方よりフォーカスを合わせて行う。封止材層の温度は150℃以下であれば好ましく、120℃以下であればより好ましい。

試験例２(発光輝度)
各光半導体装置を50mA又は1Aで点灯させ、その際の発光輝度(μW/cm²/nm)を全天輝度計測に従って測定する。なお、輝度測定には積分球を使用し、マルチ測光システム(大塚電子社製、MCPD-3000)を用いて行う。1Aで点灯させた場合の発光輝度は、10000(μW/cm²/nm)以上が好ましい。

試験例３(色度)
光半導体装置に50mAの電流を流して、光半導体素子直上の色度をCIE色度指標(x、y)で表わした。

表１より、蛍光体含有量が高く、かつ、シート厚さが薄い封止材層を光半導体素子に直接積層した形態を有する実施例の光半導体装置は、封止材層の温度上昇が抑制され、かつ、高い発光輝度を示すことが分かる。また、実施例４より、Ｂステージの樹脂を構成成分とする封止材層を用いた場合にも、良好な特性の装置が得られることが分かる。一方、比較例５より、蛍光体含有量が高く、かつ、シート厚さが薄い封止材層を用いた場合でも、光半導体素子と封止材層の間に厚みのある他の層が存在するため、封止材層の熱伝導率が高いにも関わらず、他の層の熱伝導率が0.15W/mKと低いために熱が逃げず、封止材層の温度が高いことが分かる。

本発明の光半導体装置は、例えば、液晶画面のバックライト、信号機、屋外の大型ディスプレイや広告看板等に好適に用いられる。

１封止材層
２ＬＥＤチップ
３基板

Claims

光半導体素子及び該光半導体素子の上に直接積層されてなる封止材層を有する光半導体装置において、前記封止材層が光半導体素子の上部には存在するが、側面には存在しない光半導体装置であって、前記封止材層が蛍光体を含有し、該蛍光体の含有量が30〜80重量％であり、かつ、封止材層の厚みが50μm以下であることを特徴とする光半導体装置。
封止材層が、さらにシリカ粒子を含有してなる、請求項１記載の光半導体装置。
蛍光体の含有量が30〜80重量％である封止材からなり、厚みが50μm以下である、請求項１又は２記載の光半導体装置に用いられる封止用シート。