JP5009835B2 - 光半導体封止用エポキシ樹脂組成物および光半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体封止用エポキシ樹脂組成物および光半導体装置に関するものである。

従来、光信号伝送用のデバイスとして、フォトカプラが使用されている。フォトカプラは発光素子と受光素子とを組み合わせたものであり、発光素子からの光を効率良く受光素子に伝えることなどが要求される。また、耐熱性や耐湿信頼性などが要求される場合もある。

このような要求を満足するためのフォトカプラの封止構造として、従来、二重封止構造が採用されている。すなわち、光伝送に必要な光透過性を有する一次封止樹脂で光半導体素子を封止し、次いで外部からの光に対して遮光性を有する二次封止樹脂で封止するようにしている。

従来、一次封止樹脂にはシリコーン樹脂組成物が使用され、二次封止樹脂にはエポキシ樹脂組成物が使用されてきたが、近年、低コスト化などを目的として一次封止樹脂にもエポキシ樹脂組成物を使用することが検討されている。また、フォトカプラ以外の光半導体装置においては、封止材として光透過性のエポキシ樹脂組成物を使用することが提案されている（特許文献１〜３参照）。
特開２００３−２１８４０７号公報 特開２００７−２４６８１９号公報 特開２００７−２０１７号公報

しかしながら、フォトカプラの一次封止樹脂としてエポキシ樹脂組成物を使用した場合、光伝送に必要な光透過性を有する処方とすると、耐リフロー性と吸湿ハンダ耐熱性が低下するという問題点があった。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、フォトカプラなどの光半導体装置の光伝送に必要な光透過性を有すると共に、耐リフロー性と吸湿ハンダ耐熱性にも優れた光半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた光半導体装置を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、および無機充填材を必須成分とする光半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、エポキシ樹脂として、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂をエポキシ樹脂の全量に対して５〜３０質量％の配合量で含有すると共に、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂を含有し、硬化剤として、フェノール性水酸基を有する硬化剤を含有し、無機充填材として溶融球状シリカを光半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して８０〜９０質量％の配合量で含有することを特徴とする。

第２に、本発明の光半導体装置は、上記第１の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて光半導体素子が封止されていることを特徴とする。

上記第１の発明によれば、エポキシ樹脂として特定量のジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂を配合すると共に、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂を配合し、硬化剤として、フェノール性水酸基を有する硬化剤を配合し、無機充填材として特定量の溶融球状シリカを配合するようにしたので、フォトカプラなどの光半導体装置の光伝送に必要な高い光透過性を有すると共に、耐リフロー性と吸湿ハンダ耐熱性にも優れた光半導体装置を得ることができる。

上記第２の発明によれば、上記第１の発明の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止されているので、光伝送に必要な高い光透過性を有すると共に、耐リフロー性と吸湿ハンダ耐熱性にも優れている。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明において使用されるジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂は、下記式（Ｉ）で表される。

（式中、Ｒは水素原子、ハロゲン原子、炭素数１〜８の直鎖状、分岐状、もしくは環状の脂肪族アルキル基、炭素数１〜１０のアルコキシ基、またはフェニル基を示し、繰り返し単位数ｎは０〜５０の整数を示し、繰り返し単位数ｎの平均値は０〜１５、好ましくは０〜１の範囲である。）
ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂の配合量は、エポキシ樹脂の全量に対して５〜３０質量％である。当該配合量が５質量％未満であると、耐リフロー性と吸湿ハンダ耐熱性が低下する場合があり、当該配合量が３０質量％を超えると、光伝送に必要な光透過性が得られない場合がある。

本発明では、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂と共に使用されるエポキシ樹脂として、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するものであれば特に制限なく使用することができる。このようなエポキシ樹脂の具体例としては、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、ブロム含有エポキシ樹脂などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂との組み合わせによって耐リフロー性と吸湿ハンダ耐熱性および光伝送に必要な高い光透過性が得られる点からは、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂が好ましい。

本発明において、硬化剤としては、フェノール性水酸基を有する硬化剤が好ましく用いられる。フェノール性水酸基を有する硬化剤としては、多価フェノール化合物、多価ナフトール化合物などが挙げられる。多価フェノール化合物の具体例としては、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル樹脂などが挙げられる。多価ナフトール化合物の具体例としては、ナフトールアラルキル樹脂などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

その他、硬化剤として、無水ヘキサヒドロフタル酸、無水テトラヒドロフタル酸などの酸無水物を使用してもよい。

硬化剤の配合量は、好ましくは、エポキシ樹脂との化学量論上の当量比（硬化剤当量／エポキシ基当量）が０．５〜１．５となる量であり、より好ましくは当量比が０．８〜１．２となる量である。当量比が小さ過ぎると光半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化特性が低下する場合があり、当量比が大き過ぎると耐湿信頼性などが低下する場合がある。

本発明の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、硬化促進剤を配合することができる。硬化促進剤の具体例としては、トリフェニルホスフィン、ジフェニルホスフィン等の有機ホスフィン類、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第三級アミン類、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、テトラフェニルホスホニウム・ブロマイド等の有機酸塩類、２−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、１−ベンジル−２−フェニルイミダゾール等のイミダゾール類などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用して用いてもよい。

硬化促進剤の配合量は、エポキシ樹脂と硬化剤の合計量に対して０．０５〜５質量％が好ましい。硬化促進剤の配合量が少な過ぎると、エポキシ樹脂と硬化剤との反応の促進効果が十分に得られず成形サイクルが悪化する場合があり、硬化促進剤の配合量が多過ぎると、ゲル化時間が短くなり過ぎるためボイドや未充填などの成形性悪化を招く場合がある。

本発明では、無機充填材として溶融球状シリカが配合される。溶融球状シリカの配合量は、光半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して８０〜９０質量％である。当該配合量が８０質量％未満であると、耐リフロー性と吸湿ハンダ耐熱性が低下する場合があり、当該配合量が９０質量％を超えると、光伝送に必要な光透過性が得られなかったり、成形時の流動特性が低下したりする場合がある。

溶融球状シリカの平均粒子径は、成形時の流動特性などの点から４〜２５μｍのものが好ましい。平均粒子径は、たとえばレーザ回折散乱法、画像解析などの方法で測定することができる。

本発明の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、上記の溶融球状シリカと共に他の無機充填材を配合することができる。このような無機充填材の具体例としては、溶融破砕シリカ、微細シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素などが挙げられる。これらの無機充填材の配合量は、溶融球状シリカとの合計である無機充填材の全量が８０〜９０質量％となるように調整することが望ましい。

本発明の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、さらに他の成分を配合することができる。このような成分の具体例としては、γ−グリシドキシ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メトキシシラン等のカップリング剤、カルナバワックス、ステアリン酸、モンタン酸、カルボキシル基含有ポリオレフィン等の離型剤、難燃剤、シリコーン可とう剤などが挙げられる。

本発明の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、たとえば、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂を含むエポキシ樹脂、硬化剤、溶融球状シリカを含む無機充填材、および必要に応じて他の成分を配合し、ミキサー、ブレンダーなどを用いて十分均一になるまで混合した後、熱ロールやニーダーなどの混練機により加熱状態で溶融混合し、これを室温に冷却した後、公知の手段によって粉砕することにより製造することができる。なお、光半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、取り扱いを容易にするために、成形条件に合うような寸法と質量を有するタブレットとしてもよい。

本発明の光半導体装置は、上記のようにして得られた光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて受光素子、発光素子などの光半導体素子を封止することにより製造することができる。この封止には、トランスファー成形、コンプレッション成形、インジェクション成形などの従来より用いられている成形方法を適用することができる。

トランスファー成形を適用する場合、たとえば、光半導体素子を搭載したリードフレームを成形金型のキャビティに配置した後、キャビティに光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を充填し、これを加熱下にて硬化させることで、光半導体素子を光半導体封止用エポキシ樹脂組成物で封止した光半導体装置を製造することができる。

トランスファー成形を適用する場合、たとえば、金型温度１７０〜１８０℃、成形時間３０〜１２０秒に設定することができるが、金型温度、成形時間およびその他の成形条件は、光半導体封止用エポキシ樹脂組成物の配合組成などに応じて適宜に変更すればよい。

本発明の光半導体装置の具体例としては、リードフレーム上に光半導体素子を固定し、ボンディングパッドなどの光半導体素子の端子部と、リードフレームのリード部とをワイヤボンディングやバンプで接続した後、光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いてトランスファー成形などにより封止してなる、ＤＩＰ（Dual Inline Package）、ＰＬＣＣ（Plastic Leaded Chip Carrier）、ＳＯＰ（Small Outline Package）、ＳＯＪ（Small Outline J-lead package）、ＴＳＯＰ（Thin Small Outline Package）、ＱＦＰ（Quad Flat Package）、ＴＱＦＰ（Thin Quad Flat Package）、ＬＱＦＰ（Lowprofile Quad Flat Package）などが挙げられる。

本発明の光半導体装置は、たとえば発光ダイオードなどの発光素子とフォトダイオードなどの受光素子を共に搭載したフォトカプラとして好適に使用することができ、本発明の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を使用することで、耐リフロー性と吸湿ハンダ耐熱性を維持しつつ、封止樹脂の波長９４０ｎｍにおける光透過率（厚さ１ｍｍ当たり）を２０％以上として高い電流伝達値（ＣＴＲ）を得ることができる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。なお、表１に示す配合量は質量部を表す。

表１に示す各配合成分を、表１に示す割合で配合し、ブレンダーで３０分間混合して均一化した後、８０℃に加熱したニーダーで混練溶融させて押し出し、冷却後、粉砕機で所定粒度に粉砕して粒状の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得た。

表１に示す配合成分として、以下のものを使用した。
無機充填材：溶融球状シリカ、平均粒子径 １５μｍ
無機充填材：溶融破砕シリカ
エポキシ樹脂：ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、大日本インキ化学工業（株）製、エピクロン Ｎ６６３
エポキシ樹脂：ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、大日本インキ化学工業（株）製、エピクロン ＨＰ７２００
硬化剤：フェノールノボラック樹脂、群栄化学工業（株）製、ＰＳＭ６２００
硬化促進剤：２−フェニルイミダゾール、四国化成工業（株）製、２ＰＺ
離型剤：カルナバワックス、大日化学工業（株）「Ｆ１−１００」
カップリング剤：γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、信越化学工業（株）製、ＫＢＭ４０３
上記のようにして得られた実施例１〜５および比較例１〜５の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて下記の評価を行った。
[光透過率]
光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて直径５０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍのテストピースを金型温度１７５℃、硬化時間９０秒でトランスファー成形した。このテストピースについて、（株）島津製作所製の積分球付き分光光度計により波長９４０ｎｍにおける光透過率（厚さ１ｍｍ当たり）を測定した。そして、光透過率が２０％以上であるものを「○」、光透過率が２０％未満であるものを「×」として評価した。
[耐リフロー性]
光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて金型温度１８０℃、硬化時間６０秒でトランスファー成形した後、１７５℃で５時間の後硬化を行うことにより、１８ピンＳＯＰパッケージを作製した。

次いで、このパッケージに８５℃／６０％ＲＨ／４８時間の吸湿処理を行った後、２６５℃ピークのリフローテスト処理を行った。

その後、このパッケージにおける剥離やクラックの有無をマイクロスコープによる観察および超音波探査装置による観察により確認した。そして、観察したパッケージの総数（１００個）に対する不良品の割合を不良率として求め、不良品が発見されなかったものを「○」、不良品が発見されたが不良率が５％未満であるものを「△」、不良率が５％以上であるものを「×」として耐リフロー性を評価した。
[吸湿ハンダ耐熱性]
光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて上記の耐リフロー性評価用のパッケージと同様の１８ピンＳＯＰパッケージを作製し、このパッケージ１０個を８５℃／８５％ＲＨの条件で７２時間処理した後、２５０℃のハンダに１０秒浸漬した。

次いで、浸漬処理後のパッケージを半分に切断し、切断面を研磨した後、顕微鏡でクラックの発生の有無を観察した。

評価結果を表１に示す。

表１より、エポキシ樹脂の全量に対して３〜５０質量％のジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂を配合し、かつ、無機充填材として溶融球状シリカを光半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して８０〜９０質量％配合した実施例１〜５の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物では、所要の光透過率を有しており、耐リフロー性と吸湿ハンダ耐熱性も良好であった。

一方、比較例１ではジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂の配合量が少ないため耐リフロー性と吸湿ハンダ耐熱性が低下した。

比較例２ではジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂の配合量が過剰であるため所要の光透過率を有していなかった。

比較例３では無機充填材である溶融球状シリカの配合量が少ないため耐リフロー性と吸湿ハンダ耐熱性が低下した。

比較例４では無機充填材である溶融球状シリカの配合量が過剰であるため所要の光透過率を有していなかった。

比較例５では、無機充填材として溶融球状シリカと共に溶融破砕シリカを配合し、無機充填材の全配合量を光半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して８０〜９０質量％の範囲内としたが、耐リフロー性と吸湿ハンダ耐熱性は良好であったものの、溶融球状シリカの配合量が少ないため所要の光透過率を有していなかった。

Claims (2)

1. エポキシ樹脂、硬化剤、および無機充填材を必須成分とする光半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、エポキシ樹脂として、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂をエポキシ樹脂の全量に対して５〜３０質量％の配合量で含有すると共に、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂を含有し、硬化剤として、フェノール性水酸基を有する硬化剤を含有し、無機充填材として溶融球状シリカを光半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して８０〜９０質量％の配合量で含有することを特徴とする光半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
2. 請求項１に記載の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて光半導体素子が封止されていることを特徴とする光半導体装置。