JP5170463B2

JP5170463B2 - 可視光遮光性シリコーンゴム組成物及びその硬化物並びに光半導体装置

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Publication number: JP5170463B2
Application number: JP2009240058A
Authority: JP
Inventors: 克之今澤; 努柏木
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2029-10-19
Also published as: JP2010121117A; US20100103507A1

Description

本発明は、可視光領域において高い遮光性を有する硬化物を与え、光半導体装置封止に好適に用いられる可視光遮光性シリコーンゴム組成物及びその硬化物並びに該組成物の硬化物で封止された光半導体装置に関する。

従来、発光ダイオードは、その発光に寄与する面の保護と発光効率を向上するため、少なくとも発光に寄与する面が樹脂で覆われている（封止されている）。また、赤外発光ダイオードの場合、外部からの可視光の入射による発光効率の低下を防止するため、可視光を遮光する充填剤が含有された樹脂が使用されている。この封止用の樹脂としては、エポキシ樹脂組成物が従来広く使用されている。

しかしながら、一般にエポキシ樹脂で封止された発光ダイオードは、歪に対して脆いという欠点があり、最近の発光ダイオードの大型化に伴い、大きな障害となる。すなわち、エポキシ樹脂が硬化する際のエポキシ樹脂の収縮変形などによる内部応力のために、発光に寄与する面との界面にクラックを生じることがある。このような、クラックの発生は、たとえ微小であっても耐湿性を低下させ、長時間使用すると故障の原因となる。
このため、可視光遮光性でかつ低弾性樹脂組成物の開発が要望されている。
なお、本発明に関連する公知文献としては、下記のものがある。

特許第３２４１３３８号公報特開平７−０２５９８７号公報

本発明は、上記の従来技術の欠点を解消し、クラックを発生せず、可視光の遮光性に優れると共に、赤外領域の波長の光透過性に優れた硬化膜を形成しうる発光ダイオード封止用として好適な可視光遮光性シリコーンゴム組成物及びその硬化物並びに該組成物の硬化物で封止された光半導体装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、
（Ａ）一分子中に２個以上の脂肪族不飽和結合を有し、粘度が２５℃で１０〜１００，０００ｍＰａ・ｓであるオルガノポリシロキサン、（Ｂ）オルガノハイドロジェンポリシロキサン、（Ｃ）白金族金属系触媒、（Ｄ）光透過率測定方法Ａ（即ち、エタノール溶液にアゾ系染料を質量比で１００：５に混合し、その混合物を分光光度計で透過率を測定する方法）による６５０ｎｍ以下の波長範囲での光透過率が１０％以下で、かつ７５０ｎｍ以上の波長範囲で光透過率が８０％以上であるアゾ系染料を含有する可視光遮光性シリコーンゴム組成物なる構成とした場合、上記染料は、可視光領域の遮光性に優れたものであると共に、赤外光領域での光透過率に優れているので、光透過性シリコーンゴム組成物にこの染料を配合した場合、その硬化物は、例えば、１．０ｍｍ厚で６５０ｎｍの光透過率が５％以下と極めて良好な遮光性を有し、かつ８００ｎｍの光透過率が８０％以上と極めて良好な透明性を兼備し、しかも、シリコーンゴムの低収縮率、低膨張性の特性により、光半導体装置の封止に使用した場合、樹脂のクラックや素子の破壊を防止し得ることを見出し、本発明をなすに至ったものである。

従って、本発明は、上記（Ａ）〜（Ｃ）成分からなる付加反応硬化型シリコーンゴム組成物に（Ｄ）成分として上記測定方法Ａによる６５０ｎｍ以下の波長範囲での光透過率が１０％以下で、かつ７５０ｎｍ以上の波長範囲で光透過率が８０％以上であるアゾ系染料を配合してなることを特徴とする可視光遮光性シリコーンゴム組成物、及びその硬化物、並びに該組成物の硬化物で封止された光半導体装置を提供する。

本発明によれば、クラックを発生せず、可視光の遮光性に優れると共に、赤外領域の波長の光透過性に優れた硬化膜を形成し得、このため発光ダイオードの封止に有効に使用することができる。

実施例１〜３、比較例１の光透過率の測定結果を示すグラフである。

（Ａ）脂肪族不飽和結合含有オルガノポリシロキサン
本発明のシリコーンゴム組成物におけるベース成分である脂肪族不飽和結合含有オルガノポリシロキサンは一分子中に少なくとも２個のビニル基やアリル基などの脂肪族不飽和結合を有しているものであれば如何なるものでも使用することができる。中でも、下記一般式（１）で表されるもので、２５℃における粘度が１０〜１００，０００ｍＰａ・ｓ、好ましくは１００〜１０，０００ｍＰａ・ｓのものが作業性、硬化性などから望ましいものである。また、染料の相溶性からフェニル基を全置換基の合計の５〜３５モル％含有するものがより好ましい。なお、上記粘度値は回転粘度計での測定法による。

上記一般式（１）において、Ｒ¹は、同一又は異種の基であって、脂肪族不飽和結合、特には、脂肪族不飽和二重結合を有する、好ましくは炭素原子数が２〜６、より好ましくは２〜４程度の、非置換又は置換一価炭化水素基、ａは１〜３の整数、ｋ及びｍは、０又は正の整数である。Ｒ¹のうち、脂肪族不飽和結合を有する非置換の一価炭化水素基としてはビニル基、アリル基、プロペニル基、ブテニル基等のアルケニル基、特にはビニル基、アリル基を例示することができる。

Ｒ²は、同一又は異種の基であって、脂肪族不飽和結合を有しない一価の非置換もしくは置換炭化水素基であり、脂肪族不飽和結合を有しない一価の非置換もしくは置換炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等のアルキル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基、フェニル基、トリル基、キシリル基等のアリール基、ベンジル基等のアラルキル基、及びこれらの基の水素原子の一部又は全部をハロゲン原子、シアノ基等で置換した基、例えばクロロメチル基、シアノエチル基、３，３，３−トリフルオロプロピル基等を例示することができる。これらの中でも、炭素原子数が１〜１０、特に１〜６の範囲にあるものが好適である。

ａは１〜３の整数であり、好ましくは１又は２、最も典型的には１である。更にｋ及びｍは、０又は正の整数であり、特に２５℃の粘度が前述した範囲となるような数である。一般的には、０＜ｋ＋ｍ≦１０，０００を満足する整数であり、好ましくは、３０≦ｋ＋ｍ≦２，０００、かつ０≦ｍ／（ｋ＋ｍ）≦０．２、より好ましくは５０≦ｋ＋ｍ≦１，０００、かつ０≦ｍ／（ｋ＋ｍ）≦０．１を満足する整数である。本発明において、かかるオルガノポリシロキサンの代表例としては、これに限定されるものではないが、以下の式で表されるものを挙げることができる。

（上記式中、ｐ、ｑは正の整数であり、１０≦ｐ＋ｑ≦１，０００、好ましくは５０≦ｐ＋ｑ≦５００で、０＜ｑ／（ｐ＋ｑ）≦０．２を満足するものである。）

（上記各式中、ｎは１〜１，０００、好ましくは１０〜５００の整数である。）

（Ｂ）オルガノハイドロジェンポリシロキサン
（Ｂ）成分のオルガノハイドロジェンポリシロキサンは架橋剤として作用するものであり、該成分中のＳｉＨ基と（Ａ）成分中のビニル基等の脂肪族不飽和基とが付加反応することにより硬化物を形成するものである。かかるオルガノハイドロジェンポリシロキサンは、例えば、下記平均組成式
Ｈ_a（Ｒ³）_bＳｉＯ_(4-a-b)/2 （２）
（式中、Ｒ³は脂肪族不飽和結合を含有しない同一又は異種の非置換又は置換の一価炭化水素基であり、ａ及びｂは、０．００１≦ａ＜２、０．７≦ｂ≦２、かつ０．８≦ａ＋ｂ≦３を満たす数である。）
で表され、一分子中にケイ素原子に結合した水素原子（ＳｉＨ基）を少なくとも２個（通常、２〜３００個程度）、好ましくは３個以上（例えば３〜２００個）、更に好ましくは４〜１００個有するものが挙げられる。

ここで、上記式（２）中のＲ³は脂肪族不飽和結合を含有しない同一又は異種の非置換又は置換の炭素原子数１〜１０、特に炭素原子数１〜７の一価炭化水素基であることが好ましく、例えばメチル基等の低級アルキル基、フェニル基等のアリール基等、前述の一般式（１）の置換基Ｒ¹で例示したものが挙げられる。また、ａ及びｂは、０．００１≦ａ＜２、０．７≦ｂ≦２、かつ０．８≦ａ＋ｂ≦３を満たす数であり、好ましくは０．０５≦ａ≦１、０．８≦ｂ≦２、かつ１≦ａ＋ｂ≦２．７を満たす数である。ケイ素原子に結合した水素原子の位置は特に制約はなく、分子の末端でも途中でもよい。

なお、一分子中のケイ素原子の数（又は重合度）は２〜３００個、好ましくは３〜２００個、より好ましくは３〜１００個程度とすることができる。

具体的には、例えば両末端トリメチルシリル基封鎖のメチルハイドロジェンポリシロキサン、両末端トリメチルシリル基封鎖のジメチルシロキサン・メチルハイドロジェンポリシロキサン共重合体、両末端ジメチルハイドロジェンシリル基封鎖のメチルハイドロジェンポリシロキサン、両末端ジメチルハイドロジェンシリル基封鎖のジメチルシロキサン・メチルハイドロジェンシロキサン共重合体、テトラメチルテトラハイドロジェンシクロテトラシロキサン、ペンタメチルトリハイドロジェンシクロテトラシロキサン、トリ（ジメチルハイドロジェンシロキサン）メチルシラン等が挙げられる。

なお、本成分は、分子構造上直鎖状、分枝鎖状、環状、網状のいずれであってもよい。このようなオルガノハイドロジェンポリシロキサンは、通常、Ｒ³ＳｉＨＣｌ₂、（Ｒ³）₃ＳｉＣｌ、（Ｒ³）₂ＳｉＣｌ₂、（Ｒ³）₂ＳｉＨＣｌ（Ｒ³は、前記の通りである）のようなクロロシランを加水分解するか、加水分解して得られたシロキサンを平衡化することにより得ることができる。

このオルガノハイドロジェンポリシロキサンの配合量は、上記（Ａ）成分の硬化有効量であり、特にそのＳｉＨ基が（Ａ）成分中のビニル基等の脂肪族不飽和基の合計量当たり０．１〜４．０、特に好ましくは１．０〜３．０、更に好ましくは１．２〜２．８のモル比で使用されることが好ましい。０．１未満では硬化反応が進行せずシリコーンゴム硬化物を得ることが困難であり、４．０を超えると、未反応のＳｉＨ基が硬化物中に多量に残存するため、ゴム物性が経時的に変化する原因となる。

（Ｃ）白金族金属系触媒
この触媒成分は、本発明の組成物の付加硬化反応を生じさせるために配合されるものであり、白金系、パラジウム系、ロジウム系のものがあるが、コスト等の見地から白金系のもの、例えば、Ｈ₂ＰｔＣｌ₆・ｍＨ₂Ｏ，Ｋ₂ＰｔＣｌ₆，ＫＨＰｔＣｌ₆・ｍＨ₂Ｏ，Ｋ₂ＰｔＣｌ₄，Ｋ₂ＰｔＣｌ₄・ｍＨ₂Ｏ，ＰｔＯ₂・ｍＨ₂Ｏ（ｍは、正の整数）等や、これらと、炭化水素、アルコール又はビニル基含有オルガノポリシロキサンとの錯体等を例示することができ、これらは単独でも、２種以上の組み合わせでも使用することができる。これらの触媒成分の配合量は、所謂触媒量でよく、通常、前記（Ａ），（Ｂ）成分の合計量に対して、白金族金属の質量換算で０．１〜５００ｐｐｍ、特には０．５〜１００ｐｐｍの範囲で使用される。

（Ｄ）アゾ系染料
本発明では、上述した（Ａ）〜（Ｃ）成分を含有するシリコーンゴム組成物に、下記の光透過率測定方法Ａによる６５０ｎｍ以下の波長範囲での光透過率が１０％以下、特に５％以下で、かつ７５０ｎｍ以上の波長範囲での光透過率が８０％以上、特に８５％以上であるアゾ系染料を配合するものである。
光透過率測定方法Ａ：アゾ系染料をエタノールに（エタノール）：（アゾ系染料）＝１００：５（質量比）で溶解し、該アゾ系染料のエタノール溶液について２３℃において分光光度計で透過率を測定する。

本発明のアゾ系染料の範疇としては、アゾ系染料に加えてアゾクロム含有系染料をも包含するものであるが、可視光域（即ち、４００〜７００ｎｍ）での遮光性の好適性から、アゾ系染料が好ましい。特に限定はしないが、本発明の上記測定法による光透過率の条件を満足するアゾ系染料として、具体的には、日本化薬製、ＫａｙａｓｅｔＢｌａｃｋ１５１−Ｈ（６５０ｎｍ以下の波長範囲での光透過率が５％で７５０ｎｍ以上の波長範囲での光透過率が８５％）、日本化薬製ＰＣＢｌａｃｋ００６Ｐ（６５０ｎｍ以下の波長範囲での光透過率が１０％で７５０ｎｍ以上の波長範囲での光透過率が８０％）等が例示できる。

（Ｄ）成分の添加量は、通常、（Ａ）成分１００質量部に対して０．１〜１０質量部、好ましくは０．２〜５質量部添加することによって、優れた可視光遮光性を得ることができる。

その他の配合成分
本発明の組成物には、上述した（Ａ），（Ｂ）成分以外にも、必要に応じて、それ自体公知の各種の添加剤を配合することができる。例えば、ヒュームドシリカ、ヒュームド二酸化チタン等の補強性無機充填剤、炭酸カルシウム、ケイ酸カルシウム、二酸化チタン、酸化第二鉄、カーボンブラック、酸化亜鉛等の非補強性無機充填剤を、（Ａ），（Ｂ）成分の合計量１００質量部当り１００質量部以下の範囲で適宜配合することができる。

また、本組成物には、上述した成分の他に、必要に応じて、本発明の目的効果を損なわない限度において他の成分を配合することができる。例えば、付加タイプの反応抑制剤、接着を付与する公知成分、例えば、アルコキシシラン、シランカップリング剤等を配合することができる。

シリコーンゴム組成物
本発明のシリコーンゴム組成物は、上述した各成分を均一に混合することによって調製されるが、通常は、硬化が進行しないように２液に分けて保存され、使用時に２液を混合して硬化を行なう。勿論、アセチレンアルコール等の硬化抑制剤を少量添加して１液として用いることもできる。この組成物は、必要により加熱することにより直ちに硬化して、電気電子部品等の保護コート剤や、ポッティング、キャスティング、モールド剤等を始めシリコーンゴムキーボードの表面コートなどのシリコーンの粘着性が問題となる汎用用途として広く使用することができる。

なお、本発明の組成物の硬化は、通常８０〜１８０℃で３０分〜６時間、好ましくは１００〜１６０℃で１〜４時間等の条件を採用することができる。

本発明（Ａ）〜（Ｄ）成分を含有する組成物を硬化してなるシリコーンゴム（硬化物）は、例えば、１．０ｍｍ厚で６５０ｎｍの光透過率が５％以下と極めて良好な遮光性を有し、かつ８００ｎｍの光透過率が８０％以上と極めて良好な透明性を兼備し、しかも、シリコーンゴムの低収縮率、低膨張性の特性により、光半導体装置の封止に使用した場合、樹脂のクラックや素子の破壊を防止し得るものである。

以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。なお、部は質量部を意味し、また粘度は回転粘度計により測定した２５℃での測定値を示す。

［実施例１］
下記式：

（ｋ＝６８、ｍ＝３０）
で示される粘度が約４，０００ｍＰａ・ｓのポリシロキサン１００部に、ＳｉＨ基量が、前記ポリシロキサン中のビニル基の合計量当り１．５倍モルとなる量の、下記式：

（ｋ＝１０、ｍ＝８）
で示されるオルガノハイドロジェンポリシロキサン、及び、塩化白金酸のオクチルアルコール変性溶液０．０５部と、日本化薬製ＫａｙａｓｅｔＢｌａｃｋ１５１−Ｈを２部加え、よく攪拌し、シリコーンゴム組成物を調製した。この組成物を、１００℃／４時間にて加熱成型して硬化物を形成し、ＪＩＳＫ６３０１に準拠して、引張強度、硬度（Ａ型スプリング試験機を用いて測定）を測定すると共に、該硬化物についての光透過率を測定した。なお、光透過率の測定は、光透過率測定装置Ｖ−４１００（（株）日立製作所製）を用いて樹脂（硬化物）厚１．０ｍｍにて測定した。このとき、波長６５０ｎｍで光透過率０％、波長８００ｎｍで光透過率９６％であった。
次に、未封止発光ダイオードに上記組成物を充填して、１００℃／４時間で加熱をした後、これを−４０℃（３０分間）〜１５０℃（３０分間）の熱サイクルを繰り返して加え、５００サイクル後の発光に寄与する面と樹脂との界面におけるクラックの発生率を調べた（ｎ＝１０）。

［実施例２］
下記式：

（ｋ＝８３、ｍ＝１５）
で示される粘度が約２，０００ｍＰａ・ｓのポリシロキサン１００部に、ＳｉＨ基量が、前記ポリシロキサン中のビニル基の合計量当り１．５倍モルとなる量の、下記式：

（ｋ＝１０、ｍ＝８）
で示されるオルガノハイドロジェンポリシロキサン、及び、塩化白金酸のオクチルアルコール変性溶液０．０５部と、日本化薬製ＫａｙａｓｅｔＢｌａｃｋ１５１−Ｈを２部加え、よく攪拌し、シリコーンゴム組成物を調製した。この組成物を、１００℃／４時間にて加熱成型して硬化物を形成し、ＪＩＳＫ６３０１に準拠して、引張強度、硬度（Ａ型スプリング試験機を用いて測定）を測定すると共に、該硬化物（１．０ｍｍ厚）についての光透過率を測定した。このとき、波長６５０ｎｍで光透過率０％、波長８００ｎｍで光透過率９５％であった。
次に、未封止発光ダイオードに上記組成物を充填して、１００℃／４時間で加熱をした後、これを−４０℃（３０分間）〜１５０℃（３０分間）の熱サイクルを繰り返して加え、５００サイクル後の発光に寄与する面と樹脂との界面におけるクラックの発生率を調べた（ｎ＝１０）。

［実施例３］
下記式：

（ｋ＝１０、ｍ＝８）
で示されるオルガノハイドロジェンポリシロキサン、及び、塩化白金酸のオクチルアルコール変性溶液０．０５部と、アゾクロム含有系染料である日本化薬製ＰＣＢｌａｃｋ００６Ｐを２部加え、よく攪拌し、シリコーンゴム組成物を調製した。この組成物を、１００℃／４時間にて加熱成型して硬化物を形成し、ＪＩＳＫ６３０１に準拠して、引張強度、硬度（Ａ型スプリング試験機を用いて測定）を測定すると共に、該硬化物（１．０ｍｍ厚）についての光透過率を測定した。このとき、波長６５０ｎｍで光透過率５％、波長８００ｎｍで光透過率８１％であった。
次に、未封止発光ダイオードに上記組成物を充填して、１００℃／４時間で加熱をした後、これを−４０℃（３０分間）〜１５０℃（３０分間）の熱サイクルを繰り返して加え、５００サイクル後の発光に寄与する面と樹脂との界面におけるクラックの発生率を調べた（ｎ＝１０）。

［比較例１］
両末端ビニルジメチルシロキシ基封鎖ジメチルポリシロキサン（２５℃での粘度：約５，０００ｍＰａ・ｓ）１００部、両末端ジメチルハイドロジェンシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・メチルハイドロジェンシロキサン共重合体（重合度：約１５、ＳｉＨ基：約０．００７ｍｏｌ／ｇ）１．５部、塩化白金酸のオクチルアルコール変性溶液０．１部とオイルブラックＣＢ−１０を１部加え、よく攪拌し、シリコーンゴム組成物を調製した。この組成物を、１００℃／４時間にて加熱成型して硬化物を形成し、ＪＩＳＫ６３０１に準拠して、引張強度、硬度（Ａ型スプリング試験機を用いて測定）を測定すると共に該硬化物（１．０ｍｍ厚）についての光透過率を測定した。このとき、波長６５０ｎｍで光透過率１８％、波長８００ｎｍで光透過率６７％であった。
次に、未封止発光ダイオードに上記組成物を充填して、１００℃／４時間で加熱をした後、これを−４０℃（３０分間）〜１５０℃（３０分間）の熱サイクルを繰り返して加え、５００サイクル後の発光に寄与する面と樹脂との界面におけるクラックの発生率を調べた（ｎ＝１０）。

［比較例２］
エピコートＹＸ８０００（ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、商品名、ジャパンエポキシレジン社製）２５部、４−メチルヘキサヒドロ無水フタル酸（新日本理化製、商品名、リカシッドＭＨ７００）２２．５部、オイルブラックＣＢ−１０を１部配合し、７０℃で３０分間溶融混合した後、キュアゾール２Ｅ４ＭＺ−ＣＮを０．２５部加え、７０℃で１０分間混合してエポキシ樹脂組成物を調製した。
次に、未封止発光ダイオードに上記組成物を充填して、１００℃／４時間で加熱をした後、これを−４０℃（３０分間）〜１５０℃（３０分間）の熱サイクルを繰り返して加え、５００サイクル後の発光に寄与する面と樹脂との界面におけるクラックの発生率を調べた（ｎ＝１０）。

上記光透過率の結果を図１に、また各物性値及びクラック発生率の結果を表１に示す。

Claims

（Ａ）一分子中に２個以上の脂肪族不飽和結合を有し、粘度が２５℃で１０〜１００，０００ｍＰａ・ｓであるオルガノポリシロキサン、
（Ｂ）オルガノハイドロジェンポリシロキサン、
（Ｃ）白金族金属系触媒、
（Ｄ）下記光透過率測定方法Ａによる６５０ｎｍ以下の波長範囲での光透過率が１０％以下で、且つ７５０ｎｍ以上の波長範囲で光透過率が８０％以上であるアゾ系染料
を含有することを特徴とする可視光遮光性シリコーンゴム組成物。
光透過率測定方法Ａ
エタノール溶液にアゾ系染料を質量比で１００：５に混合し、その混合物を分光光度計で透過率を測定する。
請求項１記載の可視光遮光性シリコーンゴム組成物を硬化させてなる、１．０ｍｍ厚で６５０ｎｍの光透過率が５％以下で、かつ８００ｎｍの光透過率が８０％以上である硬化物。
請求項１記載の可視光遮光性シリコーンゴム組成物の硬化物で封止された光半導体装置。