JP4924113B2 - 発光装置及び発光装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子を2種類の樹脂で二重に封止する発光装置において、２種類の樹脂間での剥離が起こり難く、配光や色度や軸光光度のバラツキの少ない発光装置及びその製造方法に関する。

従来、発光装置においては、発光素子が柔軟性のあるシリコン樹脂によって封止され、さらにそのシリコン樹脂がエポキシ樹脂等の硬い樹脂で封止された二重構造を有するものが知られている（特許文献１）。この二重にモールドされた発光装置では、発光素子が柔軟なシリコン樹脂等で封止されているため、熱膨張によるストレスが緩和され、発光素子が熱歪で破壊されたり、光特性が変化したりすることを防止することができる。また、シリコン樹脂は耐熱性に優れているため、発光素子から発する熱に十分耐えることができ、変色や光度劣化を防ぐことができる。さらには、外部からの機械的圧力に対しても、柔軟なシリコン樹脂が衝撃緩和材となり、発光素子を保護する。

また、発光素子の封止に適したシリコン樹脂として、線膨張係数が小さく、熱衝撃に対してもクラックの入り難いものも提案されている（特許文献２、３）
特開昭５４−１９６６０号公報 特開２００４−２２１３０８号公報 特開２００６−３３５８５７号公報

しかし、発光素子が二種類の樹脂によって二重に封止された、上記従来の発光装置では、シリコン樹脂と第2の樹脂との境界で剥離が生じるおそれがあった。剥離が発生した場合、シリコン樹脂と第2の樹脂との間に空気層が生じることとなり、発光素子から出た光はシリコン樹脂等からなるシリコン樹脂よりも屈折率の小さな空気層へ入射する際、入射角が臨界角を上回る光は全反射してしまい、光の透過が妨げられる。このため、剥離の発生は、配光のバラツキや、軸上光度や色度のバラツキの原因となる。

本発明は、上記従来の実情に鑑みなされたものであり、シリコン樹脂と第2の樹脂との境界で剥離が生じ難く、配光のバラツキや、軸上光度や色度のバラツキの生じ難い発光装置及びその製造方法を提供することを解決すべき課題としている。

本発明の発光装置は、発光素子をシリコン樹脂で封止するシリコン封止部と、該シリコン封止部をさらに第2の樹脂で封止する第２封止部とを備えた発光装置において、前記シリコン封止部と前記第２封止部との間には、有機ケイ素化合物の燃焼化学気相蒸着によって形成されたＳｉＯ_２皮膜が存在することを特徴とする。

本発明の発光装置では、シリコン樹脂と第2の樹脂との間に、有機ケイ素化合物の燃焼化学気相蒸着によって形成されたＳｉＯ_２皮膜が存在する。有機ケイ素化合物の燃焼化学気相蒸着とは、いわゆるイトロ処理と呼称される表面処理法であり、有機ケイ素化合物を酸化炎中に導入することによりｎｍオーダーの極めて細かいＳｉＯ_２を発生させ、さらにこの酸化炎に基材をかざすことにより、基材表面にナノサイズのＳｉＯ_２の極薄皮膜を形成させる方法である。この方法によってシリコン樹脂表面に形成したＳｉＯ_２皮膜には、化学的に活性なシラノール（Ｓｉ−ＯＨ）基が極めて多数存在しており、この活性なシラノール基が第2の樹脂の官能基との間で水素結合や共有結合を形成する。このため、ＳｉＯ_２からなる皮膜がプライマーの役割を果たし、第2の樹脂の密着性の向上に寄与することとなる。このため、シリコン樹脂と第2の樹脂との境界で剥離が生じて空気層ができるということを防止することができ、ひいては、配光のバラツキや、軸上光度や色度のバラツキが生じ難くなる。

シリコン樹脂の種類としては特に限定はなく、メチル系シリコン樹脂（側鎖が主としてメチル基からなるオルガノポリシロキサン）、フェニル系シリコン樹脂（側鎖としてフェニル基を有するオルガノポリシロキサン）、有機変性シリコン樹脂等を用いることできる。これらの中でもメチル系シリコン樹脂は、有機ケイ素化合物の燃焼化学気相蒸着による、エポキシ樹脂との密着性の向上
効果が顕著であり、特に好ましい。

シリコン封止部は、表面改質処理がなされていることが好ましい。シリコン樹脂の表面を表面改質処理することにより、シリコン樹脂の表面の有機汚染物が除去されたり、カルボニル基や水酸基などの活性な官能基が形成されたりするため、シリコン樹脂とＳｉＯ_２皮膜との密着性が改善される。このような表面改質処理としては、例えば、プラズマ放電処理、コロナ放電処理、電子線処理、大気圧プラズマ処理等が挙げられる。

ＳｉＯ_２皮膜は、カップリング剤による表面処理がなされていることも好ましい。有機ケイ素化合物の燃焼化学気相蒸着によって形成されたＳｉＯ_２皮膜には、化学的に活性の高いシラノール基がたくさん存在しており、このシラノール基がカップリング剤の官能基と化学結合を形成する。こうして、カップリング剤で処理された表面は、第2の樹脂との相溶性が改善されるため、ＳｉＯ_２皮膜と第2の樹脂との間の接着強度を高めることができる。

このようなカップリング剤としては、各種のシラン系カップリング剤、各種のチタネート系カップリング剤、各種のアルミネート系カップリング剤、各種のジルコニウム系カップリング剤が挙げられる。

また、発光素子はシリコン樹脂によってリードフレームに固定されていることが好ましい。従来、発光素子のリードフレームへの固定は、エポキシ樹脂によってなされているが、エポキシ樹脂の硬化成分が拡散によって発光素子を封止するシリコン樹脂にまで浸透し、黒変を起こすという問題があった。シリコン樹脂は変色原因とならないため、黒変を現象を防止することができ、光出力の低下を防ぐことができる。

本発明の発光装置は、次の方法によって製造することができる。
すなわち、本発明の発光装置の製造方法は、発光素子をシリコン樹脂で封止する第1封止工程と、該第1封止工程後、有機ケイ素化合物の燃焼化学気相蒸着によって該シリコン樹脂の表面にＳｉＯ_２皮膜を形成する皮膜形成工程と、該皮膜形成工程後、該ＳｉＯ_２皮膜の上から第2の樹脂で封止する第2封止工程と、を備えることを特徴とする。

また、第1封止工程後、シリコン樹脂表面を改質する表面改質処理工程を行ってから皮膜形成工程を行うことが好ましい。こうであれば、前述したように、シリコン樹脂表面をプラズマ放電処理、コロナ放電処理、電子線処理、大気圧プラズマ処理等によって表面改質処理することにより、シリコン樹脂の表面の有機汚染物が除去されたり、カルボニル基や水酸基などの活性な官能基が形成されたりするため、シリコン樹脂とＳｉＯ２皮膜との密着性が改善される。

さらには、皮膜形成工程後、ＳｉＯ_２皮膜をカップリング剤で表面処理してから第2封止工程を行うことも好ましい。こうであれば、前述したように、第2の樹脂との相溶性が改善されるため、ＳｉＯ_２皮膜と第2の樹脂との間の密着性を高めることができる。

（第1封止工程）
発光素子はリードフレームに形成されたカップ内にシリコンペースト等によって固定され、ワイヤボンディングによってリード配線がなされた後、カップ内にシリコン樹脂が充填される。
発光素子を封止するシリコン樹脂としては、シリコーン樹脂、シリコーンエラストマー等のオルガノポリシロキサンが挙げられる。オルガノポリシロキサンは、耐熱性及び耐光性に優れるため、発光素子から発せられる光や熱によってシリコン樹脂が変色することを防止することができる。これらのオルガノポリシロキサンの中でも、特許文献２及び特許文献３に記載の発光素子封止用のメチル系のオルガノポリシロキサンは特に好適に用いることができる。

（皮膜形成工程）
シリコン樹脂によって発光素子が封止された後、有機ケイ素化合物の燃焼化学気相蒸着が行われる。有機ケイ素化合物は燃焼用空気の中に気化させ、空気と一緒にガスバーナへ供給される。このガスバーナは液化石油ガス等を燃料としており、フレーム中に空気と共に供給された有機ケイ素化合物は、フレームの熱によって酸化され、ナノオーダーのＳｉＯ_２微粒子となる。このフレーム上にシリコン封止部の表面をかざすことにより、シリコン封止部の表面にＳｉＯ_２皮膜が形成される。

燃焼化学気相蒸着の前に、シリコン封止部を常法に従ってプラズマ放電処理、コロナ放電処理、表面電子線処理、大気圧プラズマ処理等の表面改質処理しておくことも好ましい。これらの表面改質処理によって、シリコン封止部の表面の汚れを除去したり、活性な官能基を修飾・生成させたりすることができ、シリコン封止部とＳｉＯ_２皮膜との密着性を高めることができる。

（第２封止工程）
そして、さらにＳｉＯ_２皮膜の上から第2の樹脂が被覆される。第2の樹脂としては、取り扱い易さや汎用性、耐衝撃性などの観点からエポキシ樹脂が好適である。被覆の方法は特に制限されるものではないが、実施例のように、上記の工程で得られたワークをインサートとして第２の封止樹脂を型成形してもよい。また、第２の樹脂をポッティングその他の方法でシリコン封止部の上へ積層してもよい。
なお、第2の樹脂の充填に先立って、ＳｉＯ_２皮膜を各種のシラン系カップリング剤、各種のチタネート系カップリング剤、各種のアルミネート系カップリング剤等のカップリング剤によって表面処理を行っておくことも好ましい。これにより、ＳｉＯ_２皮膜に数多く存在するシラノール基がビニル基などの疎水基によって修飾され、第2の樹脂とのなじみが良くなり、ＳｉＯ_２皮膜と第2の樹脂との間の密着性を高めることができる。

シラン系カップリング剤としては、ビニルアルコキシシラン、エポキシアルコキシシラン、アミノアルコキシシラン、メルカプトアルコキシシラン、アリルアルコキシシラン等が挙げられる。ビニルアルコキシシランとしては、例えばビニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリス（β−メトキシエトキシ）シラン等が挙げられる。エポキシアルコキシシランとしては、例えばγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、β−（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、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン等が挙げられる。アミノアルコキシシランとしては、例えば、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン等が挙げられる。メルカプトアルコキシシランとしては、例えば、γ−メルカプト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エトキシシラン等が挙げられる。アリルアルコキシシランとしては、例えばγ−ジアリルアミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アリルアミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アリルチオプロピルトリメトキシシラン等が挙げられる。

また、チタネート系カップリング剤としては、イソプロピルトリイソステアロイルチタネート、イソプロピルトリ-ｎ-ドデシルベンゼンスルホニルチタネート、イソプロピルトリス（ジオクチルピロホスフェート）チタネート、テトライソプロピルビス（ジオクチルホスファイト）チタネート、テトラオクチルビス（ジトリデシルホスファイト）チタネート、テトラ（２,２-ジアリルオキシメチル-1-ブチル）ビス（ジ-トリデシル）ホスファイトチタネート、ビス（ジオクチルピロホスフェート）オキシアセテートチタネート、ビス（ジオクチルピロホスフェート）エチレンチタネート、イソプロピルトリ（Ｎ-アミノエチル-アミノエチル）チタネート等が挙げられる。

さらに、アルミネート系カップリング剤としてはアルキルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレート等を用いることができる。

また、ジルコニウム系カップリング剤としては、ジ（２−エチルヘキソオキシ）ジルコニウムビス（メチルピバロイロアセテート）、ジ（ｎ−ブトキシ）ジルコニウムビス（メチルピバロイロアセテート）等が挙げられる。

この発明の発光装置へ有効に適用される発光素子は短波長の光を放出するものである。かかる発光素子に対する耐久性からシリコン封止材が採用される。短波長の光を発光する発光素子として、III族窒化物系化合物半導体発光素子を用いることが好ましい。ここに、III族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。Ａｌを含むものはこのうち、ＡｌＮのいわゆる２元系、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ及びＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。III族窒化物系化合物半導体において、III族元素の少なくとも一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の少なくとも一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。
また、III族窒化物系化合物半導体は任意のドーパントを含むものであっても良い。ｎ型不純物として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、カーボン（Ｃ）等を用いることができる。ｐ型不純物として、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）等を用いることができる。なお、ｐ型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことができるが必須ではない。
III族窒化物系化合物半導体層はＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法により形成される。素子を構成する全ての半導体層を当該ＭＯＣＶＤ法で形成する必要はなく、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法等を併用することが可能である。
発光素子の構成としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。発光層として量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用することもできる。かかるIII族窒化物系化合物半導体発光素子として、主たる光受発光方向（電極面）を光デバイスの光軸方向にしたフェイスアップタイプや主たる光受発光方向を光軸方向と反対方向にして反射光を利用するフリップチップタイプを用いることができる。

以下実施例により本発明の構成をより詳細に説明する。
（実施例１）
実施例１の発光装置は、図１に示すように、砲弾型ＬＥＤ１である。発光素子１０はリードフレーム２０の先端に設けられたカップ状部２０ａにメチル系シリコン樹脂からなるシリコンペースト１３を用いてマウントされている。発光素子１０のｎ電極１０ａ及びｐ電極１０ｂは、それぞれワイヤ１１及び１２によりリードフレーム２０及び２１にワイヤボンディングされている。さらに、カップ状部２０ａにはシリコン樹脂２２が充填されており、シリコン樹脂２２の表面は有機ケイ素化合物の燃焼化学気相蒸着によってＳｉＯ_２皮膜２３が形成されている。そして、さらにＳｉＯ_２皮膜２３の上から、エポキシ樹脂２４が砲弾形状にシリコン樹脂２２を封止している。シリコン樹脂２２がシリコン封止部であり、エポキシ樹脂２４が第２封止部である。
以上のように構成された実施例１の砲弾型ＬＥＤ１は、次のようにして製造される。

＜第1封止工程＞
先端にカップ状部２０ａが設けられたリードフレーム２０及びリードフレーム２１を用意し、図２に示すように、シリコンペースト１３によってカップ形状部２０ａに発光素子１０を固定する。さらに、図３に示すように、カップ状部２０ａにシリコン樹脂２２を充填し、加熱硬化させて、ＬＥＤ本体２６を得る。

＜皮膜形成工程＞
図４に示すように、帯形状のガスバーナ３０に液化石油ガスと空気と有機シリコンガスの混合気体を導入し、点火して帯状の炎３１とする。そして、ＬＥＤ本体２６のシリコン樹脂２２の表面を炎３１にかざし、短時間で通過させる。ここで、液化石油ガス及び空気とともにガスバーナ３０に導入された有機シリコンガスは、液化石油ガスの燃焼熱によって空気酸化され、極めて微小なＳｉＯ_２粒子となり、図５に示すように、シリコン樹脂２２の表面にＳｉＯ_２皮膜２３が形成される。

＜第2封止工程＞
さらに、ＳｉＯ_２皮膜２３の上からエポキシ樹脂２４を砲弾型形状に型成形して、図１に示す実施例１の発光装置１が完成する。

以上のように製造された発光装置１は、シリコン樹脂２２の表面が、極めて微小なＳｉＯ_２粒子の皮膜で覆われ、さらにその上にエポキシ樹脂２４で型成形されている。このため、シリコン樹脂の上に直接エポキシ樹脂で型成形した場合と比較して、密着性が良好となる。このため、シリコン樹脂２２とエポキシ樹脂２４との界面で剥離が生じ難くなり、剥離を原因とする配光のバラツキや、軸上光度や色度のバラツキが生じ難くなる。
また、発光素子がメチル系シリコン樹脂からなるシリコンペースト１３で固定されているため、エポキシ樹脂で発光素子を固定した場合に生じるようなシリコン樹脂２２の黒変を防止することができる。

なお、上記第１封止工程と皮膜形成工程の間に、プラズマ放電処理装置、コロナ放電処理装置、電子線処理装置、大気圧プラズマ処理装置等のチャンバー内で、ＬＥＤ本体２６（図３）の表面処理を行うこともできる。こうした表面処理を行うことにより、ＬＥＤ本体２６のシリコン樹脂２２表面の有機汚染物が除去され、さらにＳｉＯ_２皮膜２３やエポキシ樹脂２４との接着強度を高めることができる。

また、上記皮膜形成工程を行ったＬＥＤ本体２６をシランカップリング剤溶液等のカップリング剤溶液に浸漬した後、加熱・乾燥することにより表面処理を行ってもよい。このような表面処理を行うことにより、ＳｉＯ_２皮膜２３の表面に存在するシラノール基を介してカップリング剤の疎水基が修飾され、エポキシ樹脂２４とのなじみが良くなり、ＳｉＯ２皮膜とエポキシ樹脂２４との間の接着強度をさらに高めることができる。

−剥離試験−
皮膜形成工程を行うことによる接着性の向上効果を調べるために、以下の剥離試験を行った。
シリコン樹脂片を用意し、このシリコン樹脂片に対して、上述の皮膜形成工程を行ってシリコン樹脂片上にＳｉＯ_２皮膜を形成した後、エポキシ接着剤（ファインポリマーズ製 Ｘ−１７８７：Ｈ−６７８）を用いてエポキシ樹脂を接着し（接着面積１０×１０ｍｍ）、硬化させた（一次硬化：１２０℃，１時間、二次硬化：１５０℃，４時間）その後、引張試験機によってせん断力を測定した。
また、比較のために、皮膜形成工程を行っていないシリコン樹脂片を用いて同様にエポキシ樹脂との接着を行い、せん断力を測定した。

用いたシリコン樹脂片の種類及び測定結果を表１に示す。この表から、有機ケイ素化合物の燃焼化学気相蒸着によって皮膜形成工程を行った場合（すなわち表中の「処理有」の場合）には、皮膜形成工程を行わなかった場合（すなわち表中の「処理無」の場合）に比べて、接着強度が格段に向上していることが分かる。特に、メチル系シリコン樹脂を用いた場合には、皮膜形成工程を行ったことによる接着強度の向上効果が顕著であり、接着強度も高いことが分かる。

この発明は上記発明の実施形態に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

実施例１の発光装置の模式断面図である。 リードフレームに発光素子を搭載した状態の模式断面図である。 リードフレームに搭載した発光素子をシリコン樹脂で封止した状態の模式断面図である。 有機ケイ素化合物の燃焼化学気相蒸着を行っているところの模式図である。 シリコン樹脂上にＳｉＯ_２皮膜が形成された状態を示す模式断面図である。

符号の説明

１０…発光素子
２２…シリコン樹脂（シリコン封止部）
２４…エポキシ樹脂（第２封止部）
２３…ＳｉＯ_２皮膜
１３…シリコン樹脂
２０…リードフレーム

Claims (7)

1. 発光素子をシリコン樹脂（シリコーンゴムを除く）で封止するシリコン封止部と、該シリコン封止部をさらにエポキシ樹脂で封止する第2封止部とを備えた発光装置において、
   前記シリコン封止部と前記第２封止部との間には、有機ケイ素化合物の燃焼化学気相蒸着によって形成されたＳｉＯ_２皮膜が存在することを特徴とする発光装置。
2. シリコン封止部は、表面改質処理がなされていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. ＳｉＯ_２皮膜は、カップリング剤による表面処理がなされていることを特徴とする請求項１又は２記載の発光装置。
4. 発光素子はシリコン樹脂によってリードフレームに固定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の発光装置。
5. 発光素子をシリコン樹脂で封止する第1封止工程と、
   該第1封止工程後、有機ケイ素化合物の燃焼化学気相蒸着によって該シリコン樹脂の表面にＳｉＯ_２皮膜を形成する皮膜形成工程と、
   該皮膜形成工程後、該ＳｉＯ_２皮膜の上から第2の樹脂で封止する第2封止工程と、
   を備えることを特徴とする発光装置の製造方法。
6. 第1封止工程後、シリコン樹脂表面を改質する表面改質処理工程を行ってから皮膜形成工程を行うことを特徴とする請求項５記載の発光装置の製造方法。
7. 皮膜形成工程後、ＳｉＯ_２皮膜をカップリング剤で表面処理してから第2封止工程を行うことを特徴とする請求項５又は６記載の発光装置の製造方法。

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