JP4655032B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子が封止されてなる半導体装置に関し、詳細には、所定の組成物を用いて封止されていることによって、安価且つ容易に製造することができ、且つ、光出力の劣化が少ない半導体装置に関する。

発光ダイオードやレーザダイオードを備えた半導体装置では、これらの発光素子を配置した容器等の開口部に封止部材を接合して該開口部を閉じ、該容器内部に発光素子を封止することが行われている。封止に用いる方法としては、封止部材を容器に、樹脂系の接着剤を介して接合するのが簡易である。しかし、発光素子の波長、出力によっては、樹脂が光劣化されて変色し、また、発光素子自体が汚染等されて光出力の低下が起こるという問題があった。

斯かる問題を解決するために、樹脂系の接着剤を使用せずに封止することが知られている。たとえば、メタルガスケットをシュテムとキャップとの間にはさんで、真空状態にしたチャンバ内で冷間圧接を行う方法（特許文献１参照）、ドライエア雰囲気でリングウェルド封止する方法（特許文献２）がある。
特開平７−１２２６６７号公報 特開２００４−１４８２０号公報

しかし、圧接又は溶接するためには特別な装置が必要であり、工程が煩雑であり、製造コストも高い。そこで、本発明は、樹脂の劣化を抑制し、簡易且つ安価に製造することができる半導体装置を提供することを目的とする。

即ち、本発明は、
発光素子と、
前記発光素子が配置された素子支持体と、
前記素子支持体と接合されて前記発光素子を封止する蓋状封止部材と、
を備え、前記素子支持体と前記蓋状封止部材とが、芳香族エポキシ樹脂を含む組成物から得られる硬化物により接合されていることを特徴とする半導体装置、
である。

上記本発明の半導体装置は、樹脂組成物で封止するので、安価且つ容易に製造することができる。また、該樹脂組成物は所定の樹脂を含み、光劣化等が無く、且つ、発光素子が汚染されることもない。

以下に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置１００の概略断面図である。同図において、半導体装置１００は、発光素子１１０と、発光素子１１０が配置された平板状の素子支持体１２０と、蓋状封止部材１３０と、素子支持体１２０と蓋状封止部材１３０を接合する樹脂硬化物１４０を備える。素子支持体１２０には、スルーホール１７０などの導通部材が設けられており、素子支持体１２０の裏面に備えられた電極１８０に接続される。発光素子１１０には、これらスルーホール１７０及び電極１８０を介して電力が供給される。蓋状封止部材１３０は、発光素子１１０から発せられる光を透過するガラスなどからなる。本実施形態では、蓋状封止部材１３０がレンズ形状に形成されており、発光素子１１０から放射状に発せられた光を絞ることができる。

発光素子は、窒化物系発光素子、特に、窒化物系発光ダイオードや窒化物系レーザダイオードなどを用いることが好ましく、より好ましくは、可視光の短波長側の光や紫外線領域の光、即ち発光ピーク波長が３００ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲にある光を発する窒化物系発光ダイオードや窒化物系レーザダイオードなどである。また、発光素子の数は特に限定されず、１以上であればよい。２以上の発光素子を用いる場合は、少なくとも１つが上記した窒化物系発光素子、特に、窒化物系発光ダイオードや窒化物系レーザダイオード、なかでも、可視光の短波長側の光や紫外線領域の光を発する窒化物系発光ダイオードや窒化物系レーザダイオードが好ましい。

素子支持体は、樹脂硬化温度に耐える材質で構成されていればよいが、好ましくはセラミック製である。また、蓋状封止部材は、光を透過させる場合は、少なくともその一部の材質が、例えば、ガラス、クォーツ等で構成されていることが望ましい。電極は、従来使用されている銀、金等の貴金属、アルミニウム製等であってよい。

樹脂硬化物１４０は、芳香族エポキシ樹脂を含む組成物の硬化物である。該芳香族エポキシ樹脂としては、式（２）のクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、或いは式（３）のビスフェノール型エポキシ樹脂が好ましい。

ａは０以上の整数、好ましくは０乃至８の整数である。

ｂは０以上の整数、好ましくは１乃至５の整数であり、Ｘはメチレン基または２、２-プロピレン基である。該クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、或いはビスフェノール型エポキシ樹脂は、気密性が高い封止を形成する。樹脂硬化物１４０がこれらの樹脂を含むことは、ＩＲ分析で確認することができる。

好ましくは、該芳香族エポキシ樹脂はその軟化点が５０〜１００℃、より好ましくは６０〜９０℃である。ここで軟化点が前記下限値未満であるものは、硬化物の変色、接着物周囲に在る素子の汚染等が起こす場合がある。一方、軟化点が前記上限値を越えると、取り扱い性が困難になる。なお、樹脂の軟化点は、例えば、ＪＩＳ Ｋ７２３４、示差熱分析（ＤＳＣ）により測定することができる。

上記クレゾールノボラック型エポキシ樹脂としては、例えば、ＥＯＣＮ１０２０（５５）、ＥＯＣＮ１０２０（６５）（いずれも商品名、日本化薬（株）製）が挙げられる。また、ビスフェノール型エポキシ樹脂としては、例えばＥＰＩＫＯＴＥ１００１（商品名、油化シェルエポキシ（株）製）が挙げられる。

好ましくは、樹脂硬化物１４０はフェノール樹脂を含む。フェノール樹脂は、上記エポキシ樹脂と反応して、気密性が高い封止を形成する。また、アミン系硬化剤等と比べて、硬化前のＢステージでの保存安定性が高い。

フェノール樹脂としては、エポキシ樹脂と同様の理由で、軟化点が５０℃〜１００℃、好ましくは６０〜９０℃である。好ましくは、式（４）で表されるフェノールノボラック樹脂である。

上式において、ｃは０以上の整数、好ましくは１〜８の整数である。上記フェノールノボラック樹脂としては、例えばＤＬ-９２（商品名、明和化成製）が挙げられる。

樹脂硬化物１４０は、無機充填剤を含むことができ、例えば、シリカ、アルミナ、酸化チタンが挙げられる。該無機充填剤の含有量は、樹脂分の合計量１００重量部に対して、１００〜９００重量部、好ましくは２００〜４００重量部である。該含有量は、例えば、熱天秤で測定することができる。

樹脂硬化物１４０は、芳香族エポキシ樹脂、フェノール樹脂、及び無機充填剤を含む組成物から得られる。フェノール樹脂は、エポキシ樹脂のエポキシ基モル量に対する、フェノール性水酸基のモル量の比が０．８〜１．２となる量で配合する。ここで、前記比が前記範囲外である場合は、封止の気密性が不十分となり得る。

該組成物は、熱可塑性樹脂をさらに含むことが好ましい。該熱可塑性樹脂は、組成物を硬化させるための加熱により、組成物の粘度が低下し過ぎて、蓋状封止部材がずれるのを防止する効果を奏する。該熱可塑性樹脂として好ましいものは、重量平均分子量（ポリスチレン換算）が５０００〜１５００００、より好ましくは１００００〜１０００００のフェノキシ樹脂である。

該熱可塑性樹脂は、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の合計量の１００重量部に対して１〜１００重量部である。含有量が前記下限値未満である場合は、組成物の適切な粘度を維持することが困難となる。一方、熱可塑性樹脂の添加量が前記上限値より多い場合は、組成物の粘度を高く維持しすぎ、組成物の接着性を阻害する場合がある。

該組成物は、エポキシ樹脂のグリシジル基とフェノール樹脂の水酸基との反応を速くするために、硬化促進剤を含むことができる。好ましい硬化促進剤としては、下式（１）のテトラフェニルホスフィン・テトラフェニルボロン誘導体が挙げられる。

Ｒ^１乃至Ｒ^８は水素原子、或いは炭素数１乃至１０の炭化水素基、或いはハロゲン原子であり、より好ましくは、下記のものである。

上記テトラフェニルホスフィン・テトラフェニルボロン誘導体は、反応活性温度が２００℃近辺と高温であるために、組成物が後述する希釈剤を含む場合に、該希釈剤を除去してＢステージ化する際の温度或いは時間の条件の幅を広く設定することを可能にし、さらにＢステージで組成物を保存する際の安定性を達成する。

硬化促進剤は、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の合計量の１００重量部に対して０．１〜１０重量部とすることが望ましい。ここで硬化促進剤の含有量が０．１重量未満である場合は、十分に硬化反応が進行しない場合がある。一方硬化促進剤の含有量が１０重量部より多い場合は、組成物の保存安定性が損なわれる場合がある。

該組成物は、被着対象物に塗付する際の作業性を向上するために、希釈剤を含むことができる。好ましくは、沸点が１８０℃〜２３０℃のグリコールエステル、特にカルビトールアセテートが好ましい。

この希釈剤の含有量は、樹脂組成物全体の１００重量部に対して５〜９０重量部である。ここで希釈剤の含有量が５重量部未満である場合は、組成物の粘度が十分に低くならず、作業性に支障をきたす恐れがある。一方希釈剤の含有量が９０重量部より多い場合は、無機充填剤が長期保存中に沈降する恐れがある。

該組成物は上述の６種類の必須成分以外にも、アルコキシシラン等の接着助剤、難燃助剤、イオントラップ剤等が目的や用途に応じて任意に添加される。

該組成物は、上記各成分をミキサー、ロール等を用い、混合して製造することができる。得られた組成物を、例えば以下の方法で使用して、本発明の装置を作ることができる。
（工程１）蓋状封止部材の、素子支持体の上端面に接着する部分に、上記組成物を施与し、
（工程２）前記組成物が施与された蓋状封止部材を８０〜１２０℃で３０〜９０分間加熱し、
（工程３）前記蓋状封止部材を、施与された組成物を介して、その内部に発光素子が配置された素子支持体の上端面に圧着し、
（工程４）得られた蓋状封止部材及び素子支持体を１５０〜２００℃で６０〜２４０分間加熱する。
これにより、蓋状封止部材と素子支持体とが硬化組成物により固定され、半導体装置を作ることができる。
ここで工程１では組成物が、ディスペンサー、プリンター等によって蓋に施与され、工程２では開閉式や連続式のオーブンで加熱されて、希釈剤が除去されて固形状にされ（Ｂステージ化）、工程３では必要に応じて加熱、加圧が可能なボンダー等で蓋状封止部材が素子支持体上に搭載され、工程４では開閉式や連続式のオーブンで組成物が硬化される。工程２で得られるＢステージの組成物が施与された状態で、蓋状封止部材を保存し、必要な時に工程３以降を行ってもよい。

該組成物は、工程４において、ほとんど揮発分を発生しない。このことは、例えば、発生ガスのＧＣ／ＭＳ分析により半定量することができ、その詳細は実施例で述べる。このように硬化中の揮発分が少ないことによって、装置内に備えられた発光素子等を汚染することが無く、光出力の低下が極めて小さい。

光出力の低下は、所定の通電試験で測定することができる。通電試験としては、例えば、半導体装置の、素子支持体の温度を６０℃に維持し、初期光出力が６５ｍＷになるように電流を設定した後、該電流値で１０００時間通電後の光出力の変動を測定する。電流投入時の光出力を１００％とし、１０００時間経過後の光出力を測定したものを相対値で表す。本発明の装置は、図４に示すように、前記発光素子の光出力の低下が２０％以下、好ましくは１０％以下である。即ち、半導体装置の寿命が長い。

再び図１を参照すると、本発明の装置は、素子支持体に吸着剤１５０を備えることが好ましい。さらに、好ましくは光触媒１６０を備える。吸着剤は、たとえば、活性炭やゼオライトなどを用いることができる。また、光触媒としては、酸化チタン等を用いることができる。

図２は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置２００の概略断面図である。同図２に示すように、半導体装置２００は、発光素子２１０と、発光素子２１０が配置される箱状の素子支持体２２０と、蓋状封止部材２３０と、素子支持体２２０と蓋状封止部材２３０とを接合する樹脂硬化物２４０と、を備えている。素子支持体２２０には、スルーホール２７０などの導通部材が設けられており、素子支持体２２０の裏面には、スルーホール２７０に接して電極２８０が設けられている。発光素子２１０には、これらスルーホール２７０及び電極２８０を介して電力が供給される。また、素子支持体２２０の底に凹部が設けられ、この凹部に発光素子２１０が配置されている。蓋状封止部材２３０は、樹脂硬化物２４０によって素子支持体２２０と接合され、発光素子２１０を封止し、発光素子２１０から発せられる光を透過するガラスなどからなる。好ましくは、吸着剤２５０、さらには、光触媒２６０を備える。

図３は、本発明の第３の実施の形態に係るレーザカプラ３００の概略断面図である。図３に示すように、同レーザカプラ３００は、２波長レーザダイオード３１０と、素子支持体３２０と、蓋状封止部材の一例である波長板３３０と、素子支持体３２０と波長板３３０とを接合する樹脂硬化物３４０と、吸着剤３５０と、複合レンズ３６０と、複合プリズム３７０と、受光素子３８０と、マイクロプリズム３９０と、を有している。本実施の形態に係るレーザカプラ３００においては、２波長レーザダイオード３１０からの光がマイクロプリズム３９０で反射され、波長板３３０、複合レンズ３６０、複合プリズム３７０を介して、ディスクに照射される。また、ディスクからの光は、複合プリズム３７０、複合レンズ３６０、波長板３３０を介して、受光素子３８０に入射する。好ましくは、吸着剤３５０を備える。なお、図示してはいないが、第３の実施の形態においても、第１の実施の形態及び第２の実施の形態の場合と同様にして、光触媒を備えることができる。なお、第２及び第３の実施形態において、発光素子、素子支持体、蓋状封止部材、電極については、第１の実施形態に関して記載したものを使用することができる。

以下に発明の装置を実施例によりさらに詳細に説明する。
１）組成物の調製
下表に示す重量部の各物質を、２５℃で、プラネタリーミキサーで混合した後、３本ロールで混練後、プラネタリーミキサーで再度混合して、樹脂組成物を得た。

フェノキシ樹脂

ｎの平均値は２６である。

２）揮発分の測定
上記組成物を、アルミ製板（５ｍｍ×６６ｍｍ）２枚の表面上に、厚みが１５０μｍになるように夫々塗布し、１００℃で１時間乾燥した。得られた試料を、１５０℃に設定したヘッドスペースサンプラー内で１時間保持し、その間に揮発される成分をガスサンプリングして、ガスクロマトグラフィー（ＳＥ−３０キャピラリカラム、注入温度２５０℃、５０℃で２分間保持後１０℃／分で２７０℃まで昇温、検出器ＦＩＤ）で、ベンゼン及びフェノールについて定量し、試料１ｃｍ２当たりの試料の重量に対する揮発量（重量％）を計算し、平均を求めた。結果は、０．４８重量％であった。
３）装置の作成（実施例１〜１５）
図２に示す装置を１５個作成した。発光素子２１０として発光ピーク波長が約４０５ｎｍの窒化ガリウム系レーザダイオードを、素子支持体２２０としてセラミックス部材を、蓋状封止部材２３０としてガラスを、吸着剤２５０としてゼオライトを用いた。樹脂硬化物２４０は、実施例１〜１５では上記組成物１を、前記ガラスの上端面にスクリーン印刷した後、１００℃のオーブン中で６０分間加熱し溶剤を揮発させた。次いで、前記ガラスを塗布された組成物を介して素子支持体に圧着して、１５０℃で２４０分間加熱して硬化させた。
４）１０００時間通電試験
上記のようにして作成した半導体装置の素子支持体の温度を６０℃に維持し、初期光出力が６５ｍＷになるように電流値一定で通電した後、１０００時間経過後の光出力の変動を測定した通電試験で評価する。電流投入時の光出力を１００％とし、１０００時間経過後の光出力を測定したものを相対値で表す。図４に、実施例１乃至１５で作成した半導体装置の１０００時間通電試験の結果を示す。

図４から分かるように、実施例１〜１５の半導体装置は、１０００時間経過後の光出力の低下が２０％以下（図４縦軸の０．８以上）であった。

以上説明した半導体装置は、発光素子を有する任意の半導体装置、たとえば、レーザカプラなど、にも適用できる。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の概略を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の概略を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るレーザカプラ３００の概略を示す断面図である。 本発明の実施例１乃至１５で作成した半導体装置の１０００時間通電試験の結果を示すグラフである。

１００、２００ 半導体装置
１１０、２１０ 発光素子
１２０、２２０、３２０ 素子支持体
１３０、２３０ 蓋状封止部材
１４０、２４０、３４０ 樹脂硬化物
１５０、２５０、３５０ 吸着剤
１６０、２６０ 光触媒
１７０、２７０ スルーホール
１８０、２８０ 電極
３００ レーザカプラ
３１０ ２波長レーザダイオード
３３０ 波長板
３６０ 複合レンズ
３７０ 複合プリズム
３８０ 受光素子
３９０ マイクロプリズム

Claims (11)

1. 発光素子と、
   前記発光素子が配置された素子支持体と、
   前記素子支持体と接合されて前記発光素子を封止する蓋状封止部材と、
   を備え、前記素子支持体と前記蓋状封止部材とが、
   （Ａ）軟化点が５０℃〜１００℃のクレゾールノボラック型エポキシ樹脂又はビスフェノール型エポキシ樹脂、
   （Ｂ）軟化点が５０℃〜１００℃のフェノールノボラック樹脂 成分（Ａ）のエポキシ基モル量に対するフェノール性水酸基のモル量の比が０．８〜１．２となる量、
   （Ｃ）熱可塑性樹脂 成分（Ａ）と成分（Ｂ）の合計量の１００重量部に対して１〜１００重量部、
   （Ｄ）下記式（１）：
   

   

   
   （Ｒ ^１ 〜Ｒ ^８ は、互いに独立に、水素原子、炭素数１〜１０の炭化水素基、又はハロゲン原子である）、
   で表される硬化促進剤 成分（Ａ）と成分（Ｂ）の合計量の１００重量部に対して０．１〜１０重量部、及び
   （Ｆ）希釈剤
   を含む組成物から得られる硬化物により接合されていることを特徴とする半導体装置。
2. （Ｆ）成分の希釈剤が前記組成物全体の１００重量部に対して５〜９０重量部含まれることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記蓋状封止部材が、素子支持体上に配置された発光素子を囲む空間を封止している請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記素子支持体の温度を６０℃に維持した状態で、初期光出力が６５ｍＷになるように電流を設定し、該電流を１０００時間流した後の光出力の低下が前記初期光出力の２０％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記組成物が、無機充填剤をさらに含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記素子支持体と前記蓋状封止部材とで囲まれた空間に、吸着剤をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記吸着剤が、ゼオライトであることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記素子支持体と前記蓋状封止部材とで囲まれた空間に、光触媒をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記発光素子がレーザダイオードであり、前記素子支持体と前記蓋状封止部材とで囲まれた空間に、マイクロプリズムをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
10. 前記発光素子がレーザダイオードであり、前記素子支持体と前記蓋状封止部材とで囲まれた空間に、受光素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
11. 前記発光素子が、窒化物系半導体発光素子であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体装置。

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