JP2016146434A - 半導体発光装置の製造方法及び半導体発光装置 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]基板と、前記基板上に配置された半導体発光素子と、前記半導体発光素子の光射出面を覆って設けられた封止部とを備え、前記半導体発光素子が前記基板と前記封止部とによって周囲を囲まれて封止された、半導体発光装置の製造方法であって、前記基板上とは異なる場所で第1の樹脂組成物を硬化させて得られた第1の硬化体を、前記半導体発光素子の光射出面に載せる工程(a)と、平面視において、前記半導体発光素子及び前記第1の硬化体の周囲を囲むように、第2の樹脂組成物を配置する工程(b)と、前記第2の樹脂組成物を硬化させて第2の硬化体を形成し、前記第1の硬化体及び前記第2の硬化体からなる前記封止部を形成する工程(c)と、を備え、前記第2の樹脂組成物はシリコーン樹脂組成物である、半導体発光装置の製造方法。
[2]前記工程(a)は、前記半導体発光素子の光射出面又は前記第1の硬化体の表面に第3の樹脂組成物を配置する工程(a1)と、前記第1の硬化体を、前記第3の樹脂組成物を介して前記半導体発光素子の光射出面に載せる工程(a2)と、前記第3の樹脂組成物を硬化させて第3の硬化体を形成し、前記第1の硬化体を前記半導体発光素子上に固定する工程(a3)と、を備える、[1]に記載の製造方法。
[3]前記第1の硬化体は、前記第2の硬化体よりも硬い、[1]又は[2]に記載の製造方法。
[4]前記第1の樹脂組成物がフッ素樹脂組成物又はシリコーン樹脂組成物である、[1]〜[3]のいずれかに記載の製造方法。
[5]前記第1の樹脂組成物がシリコーン樹脂組成物である、[4]に記載の製造方法。
[6]前記第1の硬化体が下記式(1)で表される繰り返し単位を有する、[5]に記載の製造方法。
[R1 nSiO(4−n)/2] (1)
[式(1)中、R1は、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルキル基又は置換基を有していてもよい炭素数6〜10のアリール基を表し、nは0<n≦1.5を満たす実数である。]
[7]前記第2の硬化体が下記式(2)で表される繰り返し単位を有する、[1]〜[6]のいずれかに記載の製造方法。
[R1 mSiO(4−m)/2] (2)
[式(2)中、R1の定義は前記式(1)におけるものと同様であり、mは1.2<m≦2.5を満たす実数である。]
[8]前記半導体発光装置が紫外線LEDである、[1]〜[7]のいずれかに記載の製造方法。
[9]基板と、前記基板上に配置された半導体発光素子と、前記半導体発光素子の光射出面を覆って設けられた封止部とを備える半導体発光装置であって、前記封止部は、前記半導体発光素子の光射出面上に配置された第1の硬化体と、平面視において、前記半導体発光素子及び前記第1の硬化体の周囲を囲むように配置された第2の硬化体と、を備え、前記第1の硬化体は、前記第2の硬化体よりも硬い、半導体発光装置。
[10]前記第1の硬化体が第1の樹脂組成物の硬化体であり、前記第1の樹脂組成物がフッ素樹脂組成物又はシリコーン樹脂組成物である、[9]に記載の半導体発光装置。
[11]前記第1の樹脂組成物がシリコーン樹脂組成物である、[10]に記載の半導体発光装置。
[12]前記第1の硬化体が下記式(3)で表される繰り返し単位を有する、[11]に記載の半導体発光装置。
[R1 nSiO(4−n)/2] (3)
[式(3)中、R1の定義は前記式(1)におけるものと同様であり、nは0<n≦1.5を満たす実数である。]
[13]前記第2の硬化体が下記式(4)で表される繰り返し単位を有する、[9]〜[12]のいずれかに記載の半導体発光装置。
[R1 mSiO(4−m)/2] (4)
[式(4)中、R1の定義は前記式(1)におけるものと同様であり、mは1.2<m≦2.5を満たす実数である。]
[14]平面視において、前記第1の硬化体の面積が前記半導体発光素子の面積よりも大きい、[9]〜[13]のいずれかに記載の半導体発光装置。
[15]前記第1の硬化体の前記半導体発光素子と反対側の表面は、少なくとも一部に表面粗さRaが0.1〜10μmである凹凸形状を有する、[9]〜[14]のいずれかに記載の半導体発光装置。
[16]前記第1の硬化体は、前記第2の硬化体の表面から突出した突出領域を有しており、前記突出領域の表面形状の曲率半径の最小値が、前記第2の硬化体の表面形状の曲率半径の最小値よりも小さい、[9]〜[15]のいずれかに記載の半導体発光装置。
[17]紫外線LEDである、[9]〜[16]のいずれかに記載の半導体発光装置。
1実施形態において、本発明は、基板と、前記基板上に配置された半導体発光素子と、前記半導体発光素子の光射出面を覆って設けられた封止部とを備え、前記半導体発光素子が前記基板と前記封止部とによって周囲を囲まれて封止された、半導体発光装置の製造方法であって、前記基板上とは異なる場所で第1の樹脂組成物を硬化させて得られた第1の硬化体を、前記半導体発光素子の光射出面に載せる工程(a)と、平面視において、前記半導体発光素子及び前記第1の硬化体の周囲を囲むように、第2の樹脂組成物を配置する工程(b)と、前記第2の樹脂組成物を硬化させて第2の硬化体を形成し、前記第1の硬化体及び前記第2の硬化体からなる前記封止部を形成する工程(c)と、を備え、前記第2の樹脂組成物はシリコーン樹脂組成物である、半導体発光装置の製造方法を提供する。
本工程において、基板110上とは異なる場所で第1の樹脂組成物を硬化させて得られた第1の硬化体140を、半導体発光素子120の光射出面121に載せる。
基板110としては、一般的に半導体発光装置の基板として用いられるものであれば特に限定されず、例えば、ナイロン、エポキシ、LCP(Liquid Crystal Polymer、液晶ポリマー)等の樹脂、アルミナ、窒化アルミニウム、LTCC(Low−temperature Co−fired Ceramics、低温同時焼成セラミックス)等のセラミックスで構成されたものが用いられる。基板110には、通常、搭載する半導体発光素子120を電気的に接続するための電極が備えられている。
半導体発光素子120としては、一般的に半導体発光素子として用いられるものであれば特に限定されず、例えば、青色LED(Light Emitting Diode)、赤色LED、緑色LED、白色LED、紫外線LED等が挙げられる。これらのLEDは、例えば、サファイアや窒化アルミニウム等の上にAlInGaP、InGaN、AlGaN等のIII−V族半導体をMOCVD法やHVPE法により成長させて製造されるものである。なお、本明細書において、紫外線とは380nm以下の波長の光を意味する。
本実施形態の製造方法において、第1の硬化体140は、基板110上とは異なる場所で第1の樹脂組成物を硬化させて製造されたものである。これにより、封止部160の設計の自由度を高めることができ、後述するように封止部160の機能が向上した半導体発光装置を製造することができる。
フッ素樹脂組成物としては、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、4−フルオロエチレン−6−フルオロプロピレン共重合体、4−フルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、4−フルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリビニルフルオライド、フルオロエチレン−炭化水素系ビニルエーテル共重合体などを主体とする市販のフッ素樹脂組成物を使用できる。
第1の樹脂組成物がシリコーン樹脂組成物(以下、「第1のシリコーン樹脂組成物」という場合がある。)である場合、第1のシリコーン樹脂組成物としては、下記式(5)で表されるモノマー化合物を加水分解及び重縮合させて得られたシリコーン樹脂(以下、「第1のシリコーン樹脂」という場合がある。)を主成分とする組成物が挙げられる。ここで「主成分とする」とは、固形分換算で、第1のシリコーン樹脂組成物が含有する第1のシリコーン樹脂が、例えば50質量%以上、例えば60質量%以上、例えば70質量%以上、例えば80質量%以上、例えば90質量%以上であることを意味する。
式(5)中、R1はそれぞれ独立に、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルキル基又は置換基を有していてもよい炭素数6〜10のアリール基を表し、R2はそれぞれ独立に、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数6〜10のアリール基又は水素原子を表し、nは0〜4の整数を表す。また、第1のシリコーン樹脂の材料となるモノマー化合物の混合物において、nの平均値は0<n≦1.5であることが好ましく、0<n≦1.2であることがより好ましく、0<n≦1.0であることが更に好ましい。
シリコーンオリゴマーとしては、例えば、下記式(6)において、官能数が2を超え、重量平均分子量が300〜1500の熱硬化性シリコーンオリゴマーを用いることができる。官能数は2.5〜4.0であるものが好ましい。
(R11R12R13SiO1/2)M(R14R15SiO2/2)D(R16SiO3/2)T(SiO4/2)Q (6)
式(6)中、R11〜R16は、それぞれ独立して、アルキル基、フェニル基等の炭化水素基又はハロゲン原子である。R11〜R16がハロゲン原子である場合、これらの原子は、上記式(6)における酸素原子と見なして官能数をカウントする。
官能数=(1×M+2×D+3×T+4×Q)/(M+D+T+Q) (7)
第1のシリコーン樹脂組成物は、光によって蛍光を発する蛍光体及び無機粒子を含有していてもよい。これにより、封止部160が半導体発光素子120からの光の強度を高めることが可能になる。
シランカップリング剤は、第1のシリコーン樹脂組成物と半導体発光素子120や後述する第2の硬化体との密着性を向上させる効果がある。シランカップリング剤としては、ビニル基、エポキシ基、スチリル基、メタクリル基、アクリル基、アミノ基、ウレイド基、メルカプト基、スルフィド基及びイソシアネート基からなる群から選ばれる少なくとも1つ以上を有するシランカップリング剤が好ましく、中でもエポキシ基又はメルカプト基を含むカップリング剤が好ましい。具体的には、2−(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、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等が好ましい。
硬化用触媒としては、第1のシリコーン樹脂の架橋反応を促進し得るものであれば特に制限されず、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸等の無機酸、蟻酸、酢酸、蓚酸、クエン酸、プロピオン酸、酪酸、乳酸、コハク酸、リン酸エステル、亜リン酸エステル等の有機酸を用いることができる。また、酸性化合物だけではなく、アルカリ性の化合物を用いることも可能である。具体的には、水酸化アンモニウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム等を用いることができる。また、アルミニウムアセチルアセトネート、ジルコニウムアセチルアセトネートのような金属アセチルアセトネート系触媒や、ジメチル錫ジラウレートのような有機金属カルボン酸塩等も用いることができる。
第1のシリコーン樹脂組成物は、更に、第1のシリコーン樹脂及びシリコーンオリゴマーとは異なる改質用シリコーン化合物、並びに添加剤を含んでいてもよい。
第1の硬化体140は、基板110上とは異なる場所で第1の樹脂組成物を硬化させて製造されたものである。
[R1 nSiO(4−n)/2] (1)
式(1)中、R1は上述した式(5)におけるものと同様である。また、nは0<n≦1.5を満たす実数であることが好ましい。nは0<n≦1.2であることがより好ましく、0<n≦1.0であることが更に好ましい。
第1の硬化体140は、第2の硬化体150よりも硬い(硬度が高い)ことが好ましい。硬度が高い硬化体は、耐熱性が高い傾向にある。したがって、発熱する半導体発光素子120の直上に配置しても劣化が少なく、半導体発光装置の製品寿命を長くすることができる。
例えば、第1の樹脂組成物をシート状に硬化させて第1の硬化体を形成した後、半導体発光素子のサイズに応じて切断してもよい。第1の硬化体140の形状は、例えば縦1.5mm×横1.5mm×厚さ500μm程度の板状であってもよい。
上述のようにして得られた第1の硬化体140を、基板110上に配置された半導体発光素子120の光射出面121に載せる。
本工程では、平面視において、半導体発光素子120及び第1の硬化体140の周囲を囲むように、第2の樹脂組成物をポッティング等により配置する。なお、本明細書において、平面視とは、基板110に対して垂直な方向から基板110の方向を見た状態を意味する。
第2の樹脂組成物はシリコーン樹脂組成物(以下、「第2のシリコーン樹脂組成物」という場合がある。)である。第2のシリコーン樹脂組成物としては、下記式(8)で表されるモノマー化合物を加水分解及び重縮合させて得られたシリコーン樹脂(以下、「第2のシリコーン樹脂」という場合がある。)を主成分とする組成物が挙げられる。ここで「主成分とする」とは、固形分換算で、第2のシリコーン樹脂組成物が含有する第2のシリコーン樹脂が、例えば50質量%以上、例えば60質量%以上、例えば70質量%以上、例えば80質量%以上、例えば90質量%以上であることを意味する。
式(8)中、R1及びR2は上述した式(5)におけるものと同様であり、mは0〜4の整数を表す。また、第2のシリコーン樹脂の材料となるモノマー化合物の混合物において、mの平均値は1.2<m≦2.5であることが好ましく、1.5<m≦2.2であることがより好ましい。
本工程において、第2のシリコーン樹脂組成物を硬化させて第2の硬化体150を形成し、第1の硬化体140及び第2の硬化体150からなる封止部160を形成する。第2のシリコーン樹脂組成物の硬化条件は、上述した第1のシリコーン樹脂組成物の硬化条件と同様である。
第2の硬化体150は、上述した第2のシリコーン樹脂組成物の硬化体である。第2の硬化体150は、実質的に下記式(2)で表される繰り返し単位から構成されていてもよい。ここで「実質的に」とは、上述したものと同様の意味である。
[R1 mSiO(4−m)/2] (2)
[式(2)中、R1は上述した式(5)におけるものと同様である。また、mは1.2<m≦2.5を満たす実数であることが好ましい。mは、1.5<m≦2.2であることがより好ましい。
第2の硬化体150は、第1の硬化体140よりも柔らかい(硬度が低い)ことが好ましい。硬度が低い硬化体は柔軟性があり、ヒートショック耐性に優れる傾向がある。そこで、硬度が高い第1の硬化体140と硬度が低い第2の硬化体150との組み合わせにより構成された封止部160は、耐熱性に優れ、光照射による劣化が少なく、ヒートショック耐性にも優れるものとなる。
1実施形態において、本発明は、基板と、前記基板上に配置された半導体発光素子と、前記半導体発光素子の光射出面を覆って設けられた封止部とを備える半導体発光装置であって、前記封止部は、前記半導体発光素子の光射出面上に配置された第1の硬化体と、平面視において、前記半導体発光素子及び前記第1の硬化体の周囲を囲むように配置された第2の硬化体と、を備え、前記第1の硬化体は、前記第2の硬化体よりも硬い、半導体発光装置を提供する。本実施形態の半導体発光装置は、紫外線LEDであってもよい。
[R1 nSiO(4−n)/2] (3)
式(3)中、R1は、上述した式(5)におけるものと同様である。また、nは0<n≦1.5を満たす実数であることが好ましい。nは0<n≦1.2であることがより好ましく、0<n≦1.0であることが更に好ましい。
[R1 mSiO(4−m)/2] (4)
式(4)中、R1は、上述した式(5)におけるものと同様である。また、mは1.2<m≦2.5を満たす実数であることが好ましい。mは、1.5<m≦2.2であることがより好ましい。
(第1の硬化体の作製)
第1のシリコーン樹脂として、下記式(9)で表されるオルガノポリシロキサン構造を有する樹脂1(重量平均分子量3500、式(9)中、R21はメチル基を表し、R22はメトキシ基又は水酸基を表し、p1、q1、a1及びb1は、[p1+b1×q1]:[a1×q1]=1:0.25〜9となる任意の正数を表す。)と、シリコーンオリゴマーとして、下記式(9)で表されるオルガノポリシロキサン構造を有する樹脂2(重量平均分子量450、式(9)中、R21はメチル基を表し、R22はメトキシ基を表し、p1、q1、a1及びb1は、[p1+b1×q1]:[a1×q1]=1:0.25〜9となる任意の正数を表す。)とを含有する第1のシリコーン樹脂組成物を調製した。樹脂1及び樹脂2の各繰り返し単位の存在比率を、表1及び2にそれぞれ示す。
[R1 nSiO(4−n)/2] (1)
(第2のシリコーン樹脂組成物の調製)
攪拌機、温度計及び窒素導入管を備えた設備に、両末端シラノールポリジメチルシロキサン(Gelest社製、商品名「DMS−S27」、重量平均分子量26400)186質量部と、メチルトリメトキシシラン部分縮合物(信越化学工業株式会社製、商品名「KR−500」、粘度27mPa・s(25℃)14重量部とを仕込み加熱した。120℃で3時間保持したのち、140℃で5時間加熱混合させ、樹脂組成物(B−1)を得た。
[R1 mSiO(4−m)/2] (2)
(半導体発光装置の作製)
縦3.5mm×横3.5mmのLTCC基板上に配置された半導体発光素子上に、製造例2で調製した第2のシリコーン樹脂組成物を0.02mgポッティング(滴下)し、その上に製造例1で作製した第1の硬化体を載せた。続いて、これらを150℃で5時間加熱処理し、第1の硬化体を半導体発光素子上に固定した。図6(a)は、加熱処理により第1の硬化体を固定後の半導体発光素子及び基板を示す写真である。
(半導体発光装置の作製)
縦3.5mm×横3.5mmのLTCC基板上に、製造例1で調製した第1のシリコーン樹脂組成物を16.7mgポッティングし、150℃で5時間加熱処理することにより、第1の硬化体のみからなる封止部を形成して半導体発光素子を封止し、比較例1の半導体発光装置を得た。
(ヒートショック試験)
実施例1及び比較例1の半導体発光装置について、−30℃及び85℃各30分ずつの温度サイクルを50回繰り返すヒートショック試験を行い、クラックの発生について評価した(n=3)。
Claims (17)
- 基板と、前記基板上に配置された半導体発光素子と、前記半導体発光素子の光射出面を覆って設けられた封止部とを備え、前記半導体発光素子が前記基板と前記封止部とによって周囲を囲まれて封止された、半導体発光装置の製造方法であって、
前記基板上とは異なる場所で第1の樹脂組成物を硬化させて得られた第1の硬化体を、前記半導体発光素子の光射出面に載せる工程(a)と、
平面視において、前記半導体発光素子及び前記第1の硬化体の周囲を囲むように、第2の樹脂組成物を配置する工程(b)と、
前記第2の樹脂組成物を硬化させて第2の硬化体を形成し、前記第1の硬化体及び前記第2の硬化体からなる前記封止部を形成する工程(c)と、
を備え、前記第2の樹脂組成物はシリコーン樹脂組成物である、半導体発光装置の製造方法。 - 前記工程(a)は、
前記半導体発光素子の光射出面又は前記第1の硬化体の表面に第3の樹脂組成物を配置する工程(a1)と、
前記第1の硬化体を、前記第3の樹脂組成物を介して前記半導体発光素子の光射出面に載せる工程(a2)と、
前記第3の樹脂組成物を硬化させて第3の硬化体を形成し、前記第1の硬化体を前記半導体発光素子上に固定する工程(a3)と、
を備える、請求項1に記載の製造方法。 - 前記第1の硬化体は、前記第2の硬化体よりも硬い、請求項1又は2に記載の製造方法。
- 前記第1の樹脂組成物がフッ素樹脂組成物又はシリコーン樹脂組成物である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記第1の樹脂組成物がシリコーン樹脂組成物である、請求項4に記載の製造方法。
- 前記第1の硬化体が下記式(1)で表される繰り返し単位を有する、請求項5に記載の製造方法。
[R1 nSiO(4−n)/2] (1)
[式(1)中、R1は、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルキル基又は置換基を有していてもよい炭素数6〜10のアリール基を表し、nは0<n≦1.5を満たす実数である。] - 前記第2の硬化体が下記式(2)で表される繰り返し単位を有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の製造方法。
[R1 mSiO(4−m)/2] (2)
[式(2)中、R1の定義は前記式(1)におけるものと同様であり、mは1.2<m≦2.5を満たす実数である。] - 前記半導体発光装置が紫外線LEDである、請求項1〜7のいずれか一項に記載の製造方法。
- 基板と、前記基板上に配置された半導体発光素子と、前記半導体発光素子の光射出面を覆って設けられた封止部とを備える半導体発光装置であって、
前記封止部は、
前記半導体発光素子の光射出面上に配置された第1の硬化体と、
平面視において、前記半導体発光素子及び前記第1の硬化体の周囲を囲むように配置された第2の硬化体と、を備え、
前記第1の硬化体は、前記第2の硬化体よりも硬い、半導体発光装置。 - 前記第1の硬化体が第1の樹脂組成物の硬化体であり、前記第1の樹脂組成物がフッ素樹脂組成物又はシリコーン樹脂組成物である、請求項9に記載の半導体発光装置。
- 前記第1の樹脂組成物がシリコーン樹脂組成物である、請求項10に記載の半導体発光装置。
- 前記第1の硬化体が下記式(3)で表される繰り返し単位を有する、請求項11に記載の半導体発光装置。
[R1 nSiO(4−n)/2] (3)
[式(3)中、R1の定義は前記式(1)におけるものと同様であり、nは0<n≦1.5を満たす実数である。] - 前記第2の硬化体が下記式(4)で表される繰り返し単位を有する、請求項9〜12のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
[R1 mSiO(4−m)/2] (4)
[式(4)中、R1の定義は前記式(1)におけるものと同様であり、mは1.2<m≦2.5を満たす実数である。] - 平面視において、前記第1の硬化体の面積が前記半導体発光素子の面積よりも大きい、請求項9〜13のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
- 前記第1の硬化体の前記半導体発光素子と反対側の表面は、少なくとも一部に表面粗さRaが0.1〜10μmである凹凸形状を有する、請求項9〜14のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
- 前記第1の硬化体は、前記第2の硬化体の表面から突出した突出領域を有しており、前記突出領域の表面形状の曲率半径の最小値が、前記第2の硬化体の表面形状の曲率半径の最小値よりも小さい、請求項9〜15のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
- 紫外線LEDである、請求項9〜16のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
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