JP5170471B2 - 低ガス透過性シリコーン樹脂組成物及び光半導体装置 - Google Patents

低ガス透過性シリコーン樹脂組成物及び光半導体装置 Download PDF

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Description

本発明は、光半導体素子の封止材として有用な低ガス透過性シリコーン樹脂組成物、及び当該組成物を使用した光半導体装置に関する。
最近、光の強度が強く発熱が大きい高輝度LEDが商品化され、液晶テレビや携帯電話のBLU以外にも、一般照明などにも幅広く使用されるようになってきた。特開2010−1335号公報(特許文献1)には、フェニル系シリコーン樹脂にエポキシ系シリコーンを加え、接着性を向上させることで耐熱性、耐光安定性、耐候性に優れた封止材を提供できる旨の記載がある。また、特表2009−527622号公報(特許文献2)は、LEDの寿命を長くするために有用なフェニル系レジンと直鎖状フェニル系ハイドロジェンオリゴオルガノシロキサンから構成されるシリコーン樹脂組成物を記載している。
LEDのパッケージには、リードフレームと呼ばれる銅板の上に銀メッキされたものを用いる。しかし、硫黄分が発生する使用条件下で、シリコーン樹脂により封止されたLEDを放置すると、シリコーン樹脂のガス透過性が高いため、銀表面が硫化銀となり、黒色に変色することが知られている。リードフレームが黒色化することでLEDの輝度が低下することも分かっているため、封止樹脂の低ガス透過性が求められている。しかし、上記シリコーン樹脂は、耐光性、耐熱変色性、耐衝撃性に優れる一方で、フェニル系シリコーン樹脂へエポキシ基などを添加して接着性を向上させても、またフェニル系レジンと直鎖状フェニル系ハイドロジェンオリゴオルガノシロキサンとを組み合わせてある程度の信頼性を有する樹脂を用いても、硫化試験では、シリコーン樹脂の中でもガス透過性の低いと言われるフェニル系シリコーン樹脂であっても、なお、変色してしまうということが分かった。
特開2010−1335号公報 特表2009−527622号公報
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、従来のフェニル系シリコーン樹脂を用いた組成物よりも低いガス透過性を示す光半導体封止用のシリコーン樹脂組成物、及び当該組成物を使用した信頼性の高い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に種々検討を行った結果、末端ケイ素原子にアルケニル基と共にアリール基を有する三次元網状構造のオルガノポリシロキサンを用いた付加反応硬化型シリコーン樹脂組成物の硬化物は、付加反応末端のシルエチレン結合のそばにアリール基が存在するため、一般的な末端単位が(Me2ViSiO1/2)単位などであるフェニルシリコーン樹脂よりも、ポリマー構造が非常に密な状態になり、ガス透過性が低い値を示すことを知見した。また、該シリコーン樹脂組成物は、従来のシリコーン樹脂組成物の特徴を損なうことなく、熱や光により非常に負荷がかかるLEDパッケージのLEDチップの端や、リードフレームの根元などでのクラックの発生を防止することが可能になり、高い信頼性を示し、得られる硬化物の変色を抑制できることを見出した。更に、該シリコーン樹脂組成物の硬化物で光半導体素子(高輝度LED等)を封止することにより、耐変色性、耐衝撃性などの耐久性に優れた光半導体装置を提供できることを見出し、本発明をなすに至った。
従って、本発明は、下記に示す低ガス透過性シリコーン樹脂組成物及び光半導体装置を提供する。
請求項1:
(A)下記平均組成式(1)で示され、1分子中に2個以上のアルケニル基を含有するオルガノポリシロキサン 20〜95質量部、
(R1SiO3/2a(R2 2SiO)b(R123SiO1/2c (1)
(式中、R1は独立に炭素数6〜14のアリール基、R2は独立にR1と同じ又は異なる、非置換もしくは置換の1価炭化水素基であり、R3は炭素数2〜8のアルケニル基であり、aは0.3〜0.9、bは0〜0.5、cは0.05〜0.7の正数であり、但しa+b+c=1.0である。)
(B)下記平均組成式(2)で示され、1分子中に少なくとも2個のケイ素原子結合水素原子を含有するオルガノハイドロジェンポリシロキサン 0.01〜40質量部、
1 d2 efSiO(4-d-eーf)/2 (2)
(式中、R1、R2は上記と同じであり、dは0.6〜1.5、eは0〜0.5、fは0.4〜1.0の正数であり、但しd+e+f=1.0〜2.5である。)
(C)付加反応用触媒 触媒量
を含有してなることを特徴とする低ガス透過性シリコーン樹脂組成物。
請求項2:
(A)成分中のアルケニル基1モルあたり(B)成分中のSiH基が0.4〜4.0モルとなる量の(B)成分を含有する請求項1に記載のシリコーン樹脂組成物。
請求項3:
(B)成分の50〜100質量%が、下記一般式(3)で示されるものである請求項1又は2に記載のシリコーン樹脂組成物。
Figure 0005170471

(式中、R1は独立に炭素数6〜14のアリール基、R2は独立にR1と同じ又は異なる、非置換もしくは置換の1価炭化水素基であり、nは1以上の整数である。)
請求項4:
更に、(A’)下記一般式(4)で示されるオルガノポリシロキサンを(A)及び(B)成分の合計100質量部に対し、0.01〜50質量部含む請求項1〜3のいずれか1項に記載のシリコーン樹脂組成物。
Figure 0005170471

(式中、R1は独立に炭素数6〜14のアリール基、R2は独立にR1と同じ又は異なる、非置換もしくは置換の1価炭化水素基であり、R4は独立にR1と同じ又は異なる、非置換もしくは置換の1価炭化水素基である。gは1、2又は3の整数であり、x、y及びzは0又は正の整数であり、但し、1≦x+y+z≦1,000を満足する数であり、x又はyの少なくとも1つは1以上である。)
請求項5:
更に、(D)接着付与剤を含む請求項1〜4のいずれか1項に記載のシリコーン樹脂組成物。
請求項6:
更に、(E)縮合触媒を含む請求項1〜5のいずれか1項に記載のシリコーン樹脂組成物。
請求項7:
更に、(F)無機質充填剤を含む請求項1〜6のいずれか1項に記載のシリコーン樹脂組成物。
請求項8:
厚さ1mmの硬化物の水蒸気透過率が15g/m2・day以下である請求項1〜7のいずれか1項に記載のシリコーン樹脂組成物。
請求項9:
光半導体素子の封止用である請求項1〜8のいずれか1項に記載のシリコーン樹脂組成物。
請求項10:
請求項1〜8のいずれか1項に記載のシリコーン樹脂組成物の硬化物で光半導体素子が封止された光半導体装置。
本発明によれば、(A)成分中の末端に存在するアリール基が、立体障害となりガス透過性を低くするという利点により、低ガス透過性シリコーン樹脂組成物を提供することができる。
以下、本発明について詳細に説明する。
(A)アルケニル含有オルガノポリシロキサン
本発明の(A)成分は、下記平均組成式(1)で示され、1分子中に2個以上のアルケニル基を含有するシリコーン樹脂である。
(R1SiO3/2a(R2 2SiO)b(R123SiO1/2c (1)
(式中、R1は独立に炭素数6〜14のアリール基、R2は独立にR1と同じ又は異なる、非置換もしくは置換の1価炭化水素基であり、R3は炭素数2〜8のアルケニル基であり、aは0.3〜0.9、bは0〜0.5、cは0.05〜0.7の正数であり、但しa+b+c=1.0である。)
上記式(1)において、R1は炭素数6〜14のアリール基であり、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等のアリール基等が挙げられ、特にフェニル基であることが望ましい。
2はR1と同じ又は異なる、非置換もしくは置換の1価炭化水素基であり、好ましくは脂肪族不飽和結合を除く炭素数1〜10、特に炭素数1〜6の1価炭化水素基である。このようなR2としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、ノニル基、デシル基等のアルキル基;シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基;R1と同様にフェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等のアリール基;ベンジル基、フェニルエチル基、フェニルプロピ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フッ素、臭素、塩素等のハロゲン原子、シアノ基等で置換したもの、例えばクロロメチル基、クロロプロピル基、ブロモエチル基、トリフロロプロピル基等のハロゲン置換アルキル基、及びシアノエチル基等のシアノ基置換アルキル基などが挙げられる。
上記式(1)において、R3は炭素数2〜8、好ましくは炭素数2〜6のアルケニル基である。このようなR3としては、ビニル基、アリル基、プロペニル基、イソプロペニル基、ブテニル基、ヘキセニル基、シクロヘキセニル基、オクテニル基等が挙げられ、ビニル基又はアリル基が望ましい。
なお、上記式(1)で示されるオルガノポリシロキサンの1分子中に含有するアルケニル基は2個以上であり、該オルガノポリシロキサンに含まれるアルケニル基含有量は0.001〜0.2mol/100g、特に0.005〜0.1mol/100gとすることが好ましい。
また、aは0.3〜0.9、好ましくは0.5〜0.8、bは0〜0.5、好ましくは0〜0.2、cは0.05〜0.7、好ましくは0.05〜0.4の正数であり、但しa+b+c=1.0である。
本発明においては、上記(A)成分と共に下記(A’)成分を用いることができる。
(A’)アルケニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン
(A’)成分のオルガノポリシロキサンは、主鎖がジオルガノシロキサン単位((R’)2SiO2/2単位)の繰り返しからなり、分子鎖両末端がトリオルガノシロキシ基((R’)3SiO1/2単位)で封鎖された直鎖状構造を有するオルガノポリシロキサンであることが一般的である。
なお、上記式において、R’は独立に非置換又は置換の好ましくは炭素数1〜10、より好ましくは炭素数1〜3の1価炭化水素基であり、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシ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、ビニル基、アリル基、プロペニル基等のアルケニル基、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、フェニルエチル基、フェニルプロピル基等のアラルキル基などや、これらの基の水素原子の一部又は全部がフッ素、臭素、塩素等のハロゲン原子、シアノ基などで置換されたもの、例えばクロロメチル基、クロロプロピル基、ブロモエチル基、トリフルオロプロピル基、シアノエチル基等が挙げられる。
中でも下記一般式(4)で表される分子鎖両末端のケイ素原子上に各1個以上のビニル基を有する直鎖状オルガノポリシロキサンであって、25℃における粘度が10〜1,000,000mPa・s、好ましくは1,000〜50,000mPa・sのものが作業性、硬化性等の観点から好ましい。粘度は、例えば回転粘度計により測定することができる(以下、同じ)。なお、このオルガノポリシロキサンは、少量の分岐状構造(三官能性シロキサン単位)を分子鎖中に含有してもよい。
Figure 0005170471

(式中、R1、R2は上述した通りであり、R4は独立にR1と同じ又は異なる、非置換もしくは置換の1価炭化水素基である。gは1、2又は3の整数であり、x、y及びzは0又は正の整数であり、但し、1≦x+y+z≦1,000を満足する数であり、x又はyの少なくとも1つは1以上である。)
上記式(4)において、R4はR1と同じ又は異なる、非置換もしくは置換の1価炭化水素基であり、R2と同様のものを例示することができる。
x、y及びzは、1≦x+y+z≦1,000を満足する0又は正の整数であり、好ましくは5≦x+y+z≦500、より好ましくは30≦x+y+z≦500であり、但し0.5<(x+y)/(x+y+z)≦1.0を満足する整数である。
このような上記式(4)で表されるオルガノポリシロキサンとしては、具体的に下記のものを挙げることができる。
Figure 0005170471
Figure 0005170471

(上記式において、x、y、zは上述した通りである。)
(A’)成分を用いる場合の配合量は、(A)及び(B)成分の合計100質量部に対し0.01〜50質量部であることが好ましく、より好ましくは10〜30質量部である。(A’)成分の配合量が多すぎると、樹脂表面のべたつき感(タック性)がでてきたり、ガス透過性が高くなってしまう場合がある。
本発明の(A)成分は、レジン構造(即ち、三次元網状構造)のオルガノポリシロキサンであり、(A’)成分は直鎖状のオルガノポリシロキサンであり、これらオルガノポリシロキサンは、R6SiO1.5単位、R5 k6 pSiO単位及びR5 q6 rSiO0.5単位(上記式において、R5は独立にビニル基又はアリル基であり、R6は独立に非置換又は置換の脂肪族不飽和結合を含まない1価炭化水素基であり、kは0又は1、pは1又は2の整数であり、但しk+p=2であり、qは1、rは2の整数である。)の1種又は2種以上のオルガノポリシロキサンから形成することができる。なお、R6としては、上記R2で例示したものと同様の基を挙げることができ、中でもフェニル基であることが好ましい。
レジン構造のオルガノポリシロキサンは、R6SiO1.5単位をa’単位、R5 k6 pSiO単位をb’単位、R5 q6 rSiO0.5単位をc’単位とした場合、モル比で(b’+c’)/a’=0.01〜2、好ましくは0.1〜1.2、c’/a’=0.05〜2、好ましくは0.1〜1.0となる量で構成されていることが好ましい。また、該オルガノポリシロキサンは、GPCによるポリスチレン換算の重量平均分子量が500〜10,000、特に1,000〜4,000の範囲にあるものが好適である。
レジン構造のオルガノポリシロキサンは、上記a’単位、b’単位、c’単位の単位源となる化合物を上記モル比となるように組み合わせ、例えば、酸の存在下で共加水分解反応を行うことによって容易に合成することができる。また、直鎖状のオルガノポリシロキサンもb’及びc’単位源を用いて同様に合成し得る。
a’単位源としては、フェニルトリクロロシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、シクロへキシルトリクロロシラン、シクロヘキシルトリメトキシシラン、シクロへキシルトリエトキシシラン、シクロペンチルトリクロロシラン、n−プロピルトリクロロシラン、メチルトリクロロシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシランなどを用いることができる。
b’単位源としては、下記のものを用いることができる。
Figure 0005170471
c’単位源としては、下記のものを用いることができる。
Figure 0005170471
上記式(1)で示されるオルガノポリシロキサンとして、具体的には、下記に示すものが例示できる。下記式中、a、b、cは上記と同じである。
Figure 0005170471
(B)オルガノハイドロジェンポリシロキサン
本発明の(B)成分である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、該成分中のケイ素原子に結合した水素原子(以下、SiH基)と(A)成分中のアルケニル基とが付加反応することにより硬化物を形成する。該オルガノハイドロジェンポリシロキサンは、下記平均組成式(2)で示され、1分子中に少なくとも2個のケイ素原子結合水素原子を含有するものである。
1 d2 efSiO(4-d-eーf)/2 (2)
(式中、R1、R2は上記と同じであり、dは0.6〜1.5、eは0〜0.5、fは0.4〜1.0の正数であり、但しd+e+f=1.0〜2.5である。)
上記式(2)において、R1、R2は上述したR1、R2で例示したものが挙げられるが、炭素数1〜7の1価炭化水素基であることが好ましく、例えば、メチル基等の炭素数1〜3の低級アルキル基、フェニル基等のアリール基などが挙げられ、特にR1、R2中、フェニル基を含むものが好ましい。また、dは0.6〜1.5、好ましくは0.6〜1.4、eは0〜0.5、好ましくは0〜0.4、fは0.4〜1.0、好ましくは0.4〜0.8の正数であり、但しd+e+f=1.0〜2.5、好ましくは1.5〜2.4を満たす。分子中SiH基の位置は特に制限されず、分子鎖の末端であっても途中であってもよい。
(B1)直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン
本発明においては、(B)成分であるオルガノハイドロジェンポリシロキサン中、50質量%以上、特に50〜100質量%、とりわけ60〜90質量%が、末端にSiH基を2個有し、一部分岐を有してもよい直鎖状のオルガノハイドロジェンポリシロキサンであることが好ましい。この直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサンとしては、下記一般式(3)で示されるものである。
Figure 0005170471

(式中、R1、R2は上記と同じである。nは1以上、好ましくは1〜50、より好ましくは1〜10の整数である。)
上記式(3)中、R1、R2は上記の通りであり、上述したR1、R2で例示したものが挙げられる。
(B2)(B1)成分以外のオルガノハイドロジェンポリシロキサン
上記(B1)成分以外のオルガノハイドロジェンポリシロキサンとしては、1分子中にSiH基を少なくとも3個、好ましくは3〜10個、より好ましくは3〜6個有する、好ましくは分岐状のオルガノハイドロジェンポリシロキサンが好適に用いられる。分子中のSiH基の位置は特に制限されず、分子鎖の末端であっても途中であってもよい。このオルガノハイドロジェンポリシロキサンは任意成分であり、(B)成分であるオルガノハイドロジェンポリシロキサン中、50質量%未満、特に0〜30質量%配合することができ、必要に応じては加えなくてもよい。
以上のようなオルガノハイドロジェンポリシロキサンとしては、トリス(ジメチルハイドロジェンシロキシ)メチルシラン、トリス(ジメチルハイドロジェンシロキシ)フェニルシラン、1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン、1,3,5,7−テトラメチルシクロテトラシロキサン、両末端トリメチルシロキシ基封鎖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、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、両末端トリメチルシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンシロキサン・ジフェニルシロキサン共重合体、両末端トリメチルシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンシロキサン・ジフェニルシロキサン・ジメチルシロキサン共重合体、(CH32HSiO1/2単位とSiO4/2単位とから成る共重合体、(CH32HSiO1/2単位とSiO4/2単位と(C65)SiO3/2単位とから成る共重合体等が挙げられる。
また、下記式で示されるオルガノハイドロジェンポリシロキサンも用いることができる。
Figure 0005170471
このオルガノハイドロジェンポリシロキサンの分子構造は、直鎖状、環状、分岐状、三次元網状構造のいずれであってもよいが、1分子中のケイ素原子の数(又は重合度)が3〜100、好ましくは3〜10のものを使用するのがよい。
このようなオルガノハイドロジェンポリシロキサンは、公知の方法により調製することができ、通常、R7SiHCl2、(R73SiCl、(R72SiCl2、(R72SiHCl(R7は、非置換又は置換の脂肪族不飽和結合を含まない1価炭化水素基であり、上記R6と同様のものが例示できる。)のようなクロロシランを加水分解縮合するか、加水分解縮合して得られたシロキサンを、強酸触媒を用いて平衡化することにより得ることができる。
なお、このようにして得られるオルガノハイドロジェンポリシロキサンは、末端ケイ素原子に水素原子のみでなく、水酸基やアルコキシ基(原料のアルコキシシランを用いた場合)が残存、含有している場合があり、本発明はこれをそのまま使用し得るが、この場合、該水酸基及びアルコキシ基置換量は、ケイ素原子結合水素原子とケイ素原子結合水酸基とケイ素原子結合アルコキシ基の合計量の0.1〜8モル%が望ましく、更に望ましくは1〜7モル%である。該置換基量が上記数値より多いと、末端がアルコキシ基や水酸基のシロキサンが多く存在することになり、信頼性試験などを行った際、熱や光が強い条件や、水分が多く存在する条件などでは、接着助剤としての働きより、シロキサン結合を切断したりすることにより、封止材内にクラックが発生したり、パッケージの銀との界面で剥離が起こるなど、信頼性の低下を引き起こす場合がある。
なお、(B)成分のオルガノハイドロジェンポリシロキサンは、水素ガス発生量が、70〜200ml/gであることが好ましい。
このオルガノハイドロジェンポリシロキサン(B)の配合量は、上記(A)及び(A’)成分の硬化有効量であり、特にそのSiH基が(A)及び(A’)成分中のアルケニル基(たとえばビニル基)の合計量当たり0.4〜4.0、好ましくは0.5〜4.0、特に好ましくは0.8〜2.0、更に好ましくは0.9〜1.5のモル比で使用されることが好ましい。上記下限値未満では、硬化反応が進行せず硬化物を得ることが困難であり、上記上限値超では、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場合が生じる。
また、後述する任意成分である(D)成分の接着付与剤として、アルケニル基を含有する化合物を用いる場合、(B)成分中のSiH基が(A)、(A’)及び(D)成分中のアルケニル基の合計量当たり0.5〜4.0、特に好ましくは0.8〜2.0、更に好ましくは0.9〜1.5のモル比で使用されることが好ましい。
(A)、(A’)及び(B)成分中のフェニル基含有量は、(A)、(A’)及び(B)成分の合計質量に対し20質量%以上50質量%以下、好ましくは30質量%以上45質量%以下であるのがよい。20質量%未満ではガス透過性が増大し、LEDパッケージ内の銀面を腐食してLEDの輝度低下につながる場合がある。またフェニル基含有量が多すぎると耐熱性や耐光性が乏しくなる場合がある。なお、後述する任意成分である(D)成分の接着付与剤として、フェニル基を含有する化合物を用いる場合、上記(A)、(A’)及び(B)成分と(D)成分中のフェニル基含有量が、(A)、(A’)、(B)及び(D)成分の合計質量に対し20〜50質量%、好ましくは30〜45質量%であることが好ましい。
(C)付加反応用触媒
(C)成分の付加反応用触媒は、(A)成分中のアルケニル基と(B)成分中のSiH基との付加反応を促進するために配合され、白金系、パラジウム系、ロジウム系の触媒が使用できるが、コスト等の見地から白金族金属系触媒であることがよい。白金族金属系触媒としては、例えば、H2PtCl6・mH2O、K2PtCl6、KHPtCl6・mH2O、K2PtCl4、K2PtCl4・mH2O、PtO2・mH2O(mは、正の整数)等が挙げられる。また、前記白金族金属系触媒とオレフィン等の炭化水素、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用いることができる。上記触媒は1種単独でも2種以上の組み合わせであってもよい。
付加反応用触媒は、いわゆる触媒量で配合すればよく、通常、前記(A)及び(B)成分の合計量100質量部に対し、白金族金属換算(質量)で、好ましくは0.0001〜2質量部、より好ましくは0.0001〜0.05質量部となる量で使用される。
(D)接着付与剤
本発明のシリコーン樹脂組成物は、上述した(A)〜(C)成分以外に、更に接着付与剤(D)を配合してもよい。接着付与剤としては、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、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−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等のシランカップリング剤や、トリメトキシシラン、テトラメトキシシラン及びそのオリゴマー等が挙げられる。
また、下記式で示される1分子中にビニル基、エポキシ基、ケイ素原子に結合したアルコキシ基、ケイ素原子に結合した水酸基から選ばれる1種又は2種以上の基を有する有機ケイ素化合物が挙げられる。
Figure 0005170471
Figure 0005170471
Figure 0005170471
Figure 0005170471
Figure 0005170471
Figure 0005170471
Figure 0005170471
Figure 0005170471

(式中、Rは非置換もしくは置換の1価炭化水素基であり、好ましくは炭素数1〜6の1価炭化水素基である。このようなRとしては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、ノニル基、デシル基等のアルキル基が挙げられ、i、j、hは自然数で、i=1,2,3又は4、h=1,2又は3、j=1又は2である。s、t、uは0以上の正数であり、0≦s≦1、0≦t≦1、0≦u≦1であり、s+t+u=1を満たす数である。vは自然数で、1≦v≦100を満たす数である。分子量はGPCによるポリスチレン換算の重量平均分子量で1,000〜20,000、好ましくは1,000〜10,000、更に好ましくは1,000〜6,000を満たす数である。)
これらの中でも、下記式で示される接着付与剤を用いることが好ましい。
Figure 0005170471

(式中、R、j、hは上記と同じである。)
これらの接着付与剤は、1種単独でも2種以上混合して使用してもよい。
接着付与剤は、(A)〜(C)成分の合計質量に対し0〜10質量%、特に0〜5質量%となる量で配合することが好ましく、配合する場合は1質量%以上とすることが好ましい。接着付与剤の配合量が多すぎるとクラックが発生したり、封止材としての信頼性が低下する場合がある。
(E)縮合触媒
縮合触媒は、(B)成分の分子間における加水分解縮合反応、及び(B)成分と基板表面に存在する水酸基との縮合反応を促進するために配合する。縮合触媒としては、ジラウリン酸スズ、ジラウリン酸ジn−ブチルスズ、ジオクトエートスズビス(2−エチルヘキサノエート)スズ、ビス(ネオデカノエート)スズ、ジ−n−ブチルジアセトキシスズ及びテトラブチルスズ等の錫(II)及び錫(IV)化合物、並びにチタンテトライソプロポキシド、チタンテトラオクトキシド、チタンテトラn−ブトキシド、チタンプトキシドダイマー、チタンテトラ−2−エチルヘキソキシド、チタンジイソプロポキシビス(アセチルアセトネート)、チタンジオクチロキシビス(オクチレングリコレート)、チタンジイソプロポキシビス(エチルアセトアセテート)などのチタン化合物、アルミニウムトリスアセチルアセトナート、アルミニウムトリスアセトアセテート、トリス(sec−ブトキシ)アルミニウムなどのアルミニウム化合物、ニッケルビスアセチルアセトネートなどのニッケル化合物、コバルトトリスアセチルアセトナートなどのコバルト化合物、亜鉛ビスアセチルアセトナートなどの亜鉛化合物、ジルコニウムテトラノルマルプロポキシド、ジルコニウムテトラノルマルブトキシド、ジルコニウムテトラアセチルアセトネート、ジルコニウムトリブトキシモノアセチルアセトネート、ジルコニウムモノブトキシアセチルアセトネート、ジルコニウムジブトキシビス(エチルアセトアセテート)、ジルコニウムテトラアセチルアセトネート、ジルコニウムトリブトキシモノステアレートなどのジルコニウム化合物が挙げられる。上記縮合触媒は1種単独でも2種以上の組み合わせであってもよい。特に耐変色性が高く、反応性に富むジルコニウム系触媒のオルガチックスZAシリーズ((株)マツモト交商製)を用いることが好ましい。
(E)成分を使用する場合の配合量は、(A)、(B)成分の合計100質量部に対し0.0001〜1質量部、好ましくは0.0001〜0.1質量部となる量で使用される。前記上限値超では、硬化物の変色の原因となる場合があり、前記下限値未満では接着促進効果が低くなる場合がある。
本発明のシリコーン樹脂組成物は、上述した(A)〜(E)成分以外に、必要に応じて公知の各種添加剤を配合することができる。各種添加剤としては、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質充填剤、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質充填剤などの無機質充填剤(F)、ヒンダードアミン等の光劣化防止剤、ビニルエーテル類、ビニルアミド類、エポキシ樹脂、オキセタン類、アリルフタレート類、アジピン酸ビニル等の反応性希釈剤などが挙げられる。これらの各種添加剤は、本発明の目的を損なわない範囲で適宜配合することができる。
また、フェニル系シリコーンは、ジメチルシリコーンに比べて耐熱性が悪いので、酸化防止剤を適宜配合することができる。
このような酸化防止剤としては、ペンタエリスリトールテトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、N,N’−プロパン−1,3−ジイルビス[3−(3,5−ジ−tert−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオナミド]、チオジエチレンビス[3−(3,5−ジ−tert−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート、6,6’−ジ−tert−ブチル−2,2’−チオジ−p−クレゾール、N,N’−ヘキサン−1,6−ジイルビス[3−(3,5−ジ−tert−ブチル−4−ヒドロキシフェニルプロピオンアミド)]、ベンゼンプロパン酸,3,5−ビス(1,1−ジメチルエチル)−4−ヒドロキシ,C7−C9側鎖アルキルエステル、ジエチル[[3,5−ビス(1,1−ジメチルエチル)−4−ヒドロキシフェニル]メチル]ホスフォネート、2,2’−エチリデンビス[4,6−ジ−tert−ブチルフェノール]、3,3’,3”,5,5’,5”−ヘキサ−tert−ブチル−a,a’,a”−(メシチレン−2,4,6−トリイル)トリ−p−クレゾール、カルシウムジエチルビス[[[3,5−ビス(1,1−ジメチルエチル)−4−ヒドロキシフェニル]メチル]ホスホネート]、4,6−ビス(オクチルチオメチル)−o−クレゾール、4,6−ビス(ドデシルチオメチル)−o−クレゾール、エチレンビス(オキシエチレン)ビス[3−(5−tert−ブチル−4−ヒドロキシ−m−トリル)プロピオネート]、ヘキサメチレンビス[3−(3,5−ジ−tert−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート、1,3,5−トリス(3,5−ジ−tert−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−1,3,5−トリアジン−2,4,6−トリオン、1,3,5−トリス[(4−tert−ブチル−3−ヒドロキシ−2,6−キシリル)メチル]−1,3,5−トリアジン−2,4,6(1H,3H,5H)−トリオン、6,6’−ジ−tert−ブチル−4,4’−チオジ−m−クレゾール、ジフェニルアミン、N−フェニルベンゼンアミンと2,4,4−トリメチルペンテンの反応生成物、2,6−ジ−tert−ブチル−4−(4,6−ビス(オクチルチオ)−1,3,5−トリアジン−2−イルアミノ)フェノール、3,4−ジヒドロ−2,5,7,8−テトラメチル−2−(4,8,12−トリメチルトリデシル)−2H−1−ベンゾピラン−6−オール、2’,3−ビス[[3−[3,5−ジ−tert−ブチル−4−ヒドロキシフェニル]プロピオニル]]プロピオノヒドラジド、ジドデシル3,3’−チオジプロピオネート、ジオクタデシル3,3’−チオジプロピオネート等が例示される。また、望ましくはIrganox245、259、295、565、1010、1035、1076、1098、1135、1130、1425WL、1520L、1726、3114、5057(BASFジャパン(株))などが挙げられる。これらの酸化防止剤は1種単独でも2種以上を混合して用いてもよい。
シリコーン樹脂組成物の調製方法
シリコーン樹脂組成物は、上述した各成分を同時に、又は別々に、必要により加熱処理を加えながら撹拌、溶解、混合及び分散させることにより調製されるが、通常は、使用前に硬化反応が進行しないように、(A)、(B)及び(C)成分と、(B)及び(D)成分を2液に分けて保存し、使用時に該2液を混合して硬化を行う。例えば(C)成分と(D)成分を1液で保存すると脱水素反応を起こす危険性があるため、(C)成分と(D)成分を分けて保存するのがよい。また、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。
撹拌等の操作に用いる装置は特に限定されないが、撹拌、加熱装置を備えたライカイ機、3本ロール、ボールミル、プラネタリーミキサー等を用いることができる。また、これら装置を適宜組み合わせてもよい。
なお、得られたシリコーン樹脂組成物の回転粘度計により測定した25℃における粘度は、100〜10,000,000mPa・s、特には300〜500,000mPa・s程度であることが好ましい。
このようにして得られるシリコーン樹脂組成物は、必要によって加熱することにより直ちに硬化して、高い透明性を有し、かつLCP等のパッケージ材料や金属基板に非常によく接着するため、光半導体素子の封止材として有効であり、光半導体素子としては、例えばLED、フォトダイオード、CCD、CMOS、フォトカプラなどが挙げられ、特にLEDの封止材として有効である。
本発明のシリコーン樹脂組成物の硬化物による光半導体装置の封止方法は、光半導体素子の種類に応じた公知の方法を採用することができる。ここで、本発明のシリコーン樹脂組成物の硬化条件は特に制限されるものではないが、通常、40〜250℃、好ましくは60〜200℃で、5分〜10時間、好ましくは30分〜6時間程度で硬化させることができる。
銀メッキしたリードフレームに封止する場合、銀メッキしたリードフレームは、上記シリコーン樹脂組成物の濡れ性を高めるため、予め表面処理をしておくことが好ましい。このような表面処理は、作業性や設備の保全等の観点から、紫外線処理、オゾン処理、プラズマ処理等の乾式法が好ましく、特にプラズマ処理が好ましい。
また、プレモールドパッケージの材質は、シリコーン樹脂組成物の相溶性を高めるため、プレモールドパッケージ中のシリコーン成分の含有量が全有機成分の15質量%以上とすることが好ましい。ここにいうシリコーン成分とは、Si単位を有する化合物及びそのポリマーと定義されるものであり、シリコーン成分が全有機成分の15質量%未満であると、シリコーン樹脂組成物との相溶性が低下するため、樹脂封止する際シリコーン樹脂組成物とプレモールドパッケージ内壁との間に隙間(空泡)が生じてしまい、クラックの入り易い光半導体装置になってしまうため好ましくない。
本発明のシリコーン樹脂組成物は、厚さ1mmの硬化物とした場合の水蒸気透過率が15g/m2・day以下、特に1〜15g/m2・day、とりわけ5〜15g/m2・dayであることが好ましい。ここで、本発明のシリコーン樹脂組成物の水蒸気透過率を上記値とするには、上記ビニルレジン(A)の末端アリールビニル基含有シロキサン単位の量を20mol%以上とすることが好ましい。なお、水蒸気透過率は、JIS K 7129に準拠してLyssy法(装置名 Lyssy社 L80−5000)により測定できる。
本発明のシリコーン樹脂組成物の硬化物は、ガス透過性が低く、該硬化物により封止して得られる光半導体装置は、硬化物の変色が抑制され、反射効率の耐久性に優れた光半導体装置となる。
以下、実施例及び比較例を示し、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。
[合成例1]
フラスコにキシレン718g、水2,571gを加え、フェニルトリクロロシラン1,269.6g(6.00mol)、ビス(メチルフェニルビニルシロキサン)621.08g(2.00mol)、キシレン1,078gを混合したものを滴下した。滴下終了後3時間撹拌し、廃酸分離して水洗した。共沸脱水後に50質量%KOH水溶液19.26g(0.172mol)を加え、内温150℃で終夜加熱還流を行った。トリメチルクロロシラン31.7g(0.293mol)を加え、酢酸カリウム28.7g(0.293mol)で中和し、濾過後、溶剤を減圧留去し、メタノールで洗浄して再び留去し、下記平均組成式で示されるシロキサン樹脂(樹脂1)を合成した。得られたシロキサン樹脂のGPCによるポリスチレン換算の重量平均分子量は1,400であり、ビニル当量は0.233mol/100gであった。
Figure 0005170471
[合成例2]
フラスコにキシレン1,142g、水4,629gを加え、フェニルトリクロロシラン2,285g(10.8mol)、ビス(メチルフェニルビニルシロキサン)718.7g(2.31mol)、キシレン1,712gを混合したものを滴下した。滴下終了後3時間撹拌し、廃酸分離して水洗した。共沸脱水後に50質量%KOH水溶液20.64g(0.184mol)を加え、内温150℃で終夜加熱還流を行った。トリメチルクロロシラン34.0g(0.313mol)を加え、酢酸カリウム30.7g(0.313mol)で中和し、濾過後、溶剤を減圧留去し、メタノールで洗浄して再び減圧留去し、下記平均組成式で示されるシロキサン樹脂(樹脂2)を合成した。得られたシロキサン樹脂のGPCによるポリスチレン換算の重量平均分子量は1,770であり、ビニル当量は0.186mol/100gであった。
Figure 0005170471
[合成例3]
フラスコにキシレン1,050g、水5,096gを加え、フェニルトリクロロシラン2,285g(10.8mol)、ジメチルジクロロシラン199g(1.54mol)、ビス(メチルフェニルビニルシロキサン)479g(1.54mol)、キシレン1,576gを混合したものを滴下した。滴下終了後3時間撹拌し、廃酸分離して水洗した。共沸脱水後に50質量%KOH水溶液21.82g(0.194mol)を加え、150℃で終夜加熱還流を行った。トリメチルクロロシラン35.8g(0.330mol)を加え、酢酸カリウム32.4g(0.330mol)で中和し、濾過後、溶剤を減圧留去し、下記平均組成式で示されるシロキサン樹脂(樹脂3)を合成した。得られたシロキサン樹脂のGPCによるポリスチレン換算の重量平均分子量は1,850であり、ビニル当量は0.161mol/100gであった。
Figure 0005170471
[合成例4]
フラスコにジフェニルジメトキシシラン5,376g(22.0mol)、アセトニトリル151.8gを仕込み、10℃以下まで冷却し、以下の滴下反応を内温10℃以下で行った。濃硫酸303.69gを滴下し、水940.36gを1時間で滴下し、(HSiMe22O2,216g(16.5mol)を滴下し、終夜撹拌した。廃酸分離を行い、水洗し、減圧留去を行い、下記式で示されるオルガノハイドロジェンポリシロキサン1を合成した。水素ガス発生量は90.32ml/g(0.403mol/100g)であった。
Figure 0005170471

(式中、n=2.0(平均)、Xは水素原子が95.0モル%、アルコキシ基と水酸基の合計が5.0モル%である。)
[合成例5]
フラスコにキシレン1,000g、水5,014gを加え、フェニルトリクロロシラン2,285g(10.8mol)、ビニルジメチルクロロシラン326g(2.70mol)、キシレン1,478gを混合したものを滴下した。滴下終了後3時間撹拌し、廃酸分離して水洗した。共沸脱水後にKOH6g(0.15mol)を加え、150℃で終夜加熱還流を行った。トリメチルクロロシラン27g(0.25mol)を加え、酢酸カリウム24.5g(0.25mol)で中和し、濾過後、溶剤を減圧留去し、下記平均組成式で示されるシロキサン樹脂(樹脂4)を合成した。得られたシロキサン樹脂のGPCによるポリスチレン換算の重量平均分子量は1,820であり、ビニル当量は0.131mol/100gであった。
Figure 0005170471

[合成例6]
ビニルメチルジメトキシシラン264.46g(2.00mol)、ジフェニルジメトキシシラン733.08g(3.00mol)、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン1,181.5g(5.00mol)、IPA2,700mlを仕込み、25質量%テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液82.00g、水740gを加えて混合し、3時間撹拌した。トルエンを加え、リン酸二水素ナトリウム水溶液で中和し、水洗を行い、減圧留去を行い、下記平均組成式で示される接着付与剤を合成した。
Figure 0005170471

(式中、h=1、2又は3、j=1又は2、R=水素原子、メチル基又はイソプロピル基である化合物の混合物。)
[実施例1〜5]
合成例1〜4、6で調製した各成分、及び以下の成分を表1に示す組成で混合し、シリコーン樹脂組成物を調製した。
(A’)下記式で示される分子鎖両末端ビニルジメチルシロキシ基含有フェニルメチルポリシロキサン
フェニル基含有率:30質量%、ビニル当量:0.0185mol/100g
Figure 0005170471

(式中、xは30、zは68である。)
(B)下記式で示されるフェニル基含有分岐型メチルハイドロジェンポリシロキサン2
水素ガス発生量:170.24ml/g(0.760mol/100g)
Figure 0005170471

(C)白金触媒:塩化白金酸のオクチルアルコール変性溶液(白金濃度2質量%)
[比較例1,2]
合成例5及び上記成分を表1に示す割合で混合し、シリコーン樹脂組成物を調製した。
実施例1〜5及び比較例1,2のシリコーン樹脂組成物を、150℃/4時間にて加熱成型(縦×横×厚み=110mm×120mm×2mm)して硬化物を形成し、外観を目視で観察した。また、JIS K 6301に準拠して引張強度、硬度(A型及びD型スプリング試験機を用いて測定)及び伸び率を測定した。更に、JIS K 7129に準拠してLyssy法(装置名 Lyssy社 L80−5000)により透湿度を測定した。
また、上記実施例1〜5及び比較例1,2のシリコーン樹脂組成物の硬化物で封止した光半導体装置を作製した。
LED装置の作製
底面に厚さ2μmの銀メッキを施した銅製リードフレームを配したカップ状のLED用プレモールドパッケージ(3mm×3mm×1mm、開口部の直径2.6mm)に対し、減圧下でArプラズマ(出力100W、照射時間10秒)処理を行い、該底面の該リードフレームにInGaN系青色発光素子の電極を、銀ペースト(導電性接着剤)を用いて接続すると共に、該発光素子のカウンター電極を金ワイヤーにてカウンターリードフレームに接続し、各種付加硬化型シリコーン樹脂組成物をパッケージ開口部に充填し、60℃で1時間、更に150℃で4時間硬化させて封止した。
このようにして得られたLED装置を、25mAの電流を流して点灯させながら10ppmの濃度に硫化水素を発生させ、100℃硫化水素雰囲気下で100時間放置した後、パッケージ内の銀メッキ表面近傍の変色度合いを目視で調べた。
また、作製したLED装置5個を用い、温度サイクル試験(−40℃×10分間⇔100℃×10分間を200サイクル)と、60℃/90%RH下で500時間LED点灯試験を行い、パッケージ界面の接着不良、クラックの有無、並びに変色の有無を目視にて観察した。
これらの結果を表1に示す。
Figure 0005170471
上記表1に示すように、本発明のシリコーン樹脂組成物の硬化物は、透湿性が低く、硫化試験でも変色が起こらなかった。また、信頼性試験を行っても、クラック、剥離の発生は見られなかった。
本発明のシリコーン樹脂組成物は、一般的なフェニル系シリコーンを用いた組成物に比べて、ガス透過性の低い硬化物を与え、耐ガス透過性に優れた光半導体装置を提供することができ、光半導体素子封止用として好適に使用される。

Claims (10)

  1. (A)下記平均組成式(1)で示され、1分子中に2個以上のアルケニル基を含有するオルガノポリシロキサン 20〜95質量部、
    (R1SiO3/2a(R2 2SiO)b(R123SiO1/2c (1)
    (式中、R1は独立に炭素数6〜14のアリール基、R2は独立にR1と同じ又は異なる、非置換もしくは置換の1価炭化水素基であり、R3は炭素数2〜8のアルケニル基であり、aは0.3〜0.9、bは0〜0.5、cは0.05〜0.7の正数であり、但しa+b+c=1.0である。)
    (B)下記平均組成式(2)で示され、1分子中に少なくとも2個のケイ素原子結合水素原子を含有するオルガノハイドロジェンポリシロキサン 0.01〜40質量部、
    1 d2 efSiO(4-d-eーf)/2 (2)
    (式中、R1、R2は上記と同じであり、dは0.6〜1.5、eは0〜0.5、fは0.4〜1.0の正数であり、但しd+e+f=1.0〜2.5である。)
    (C)付加反応用触媒 触媒量
    を含有してなることを特徴とする低ガス透過性シリコーン樹脂組成物。
  2. (A)成分中のアルケニル基1モルあたり(B)成分中のSiH基が0.4〜4.0モルとなる量の(B)成分を含有する請求項1に記載のシリコーン樹脂組成物。
  3. (B)成分の50〜100質量%が、下記一般式(3)で示されるものである請求項1又は2に記載のシリコーン樹脂組成物。
    Figure 0005170471

    (式中、R1は独立に炭素数6〜14のアリール基、R2は独立にR1と同じ又は異なる、非置換もしくは置換の1価炭化水素基であり、nは1以上の整数である。)
  4. 更に、(A’)下記一般式(4)で示されるオルガノポリシロキサンを(A)及び(B)成分の合計100質量部に対し、0.01〜50質量部含む請求項1〜3のいずれか1項に記載のシリコーン樹脂組成物。
    Figure 0005170471

    (式中、R1は独立に炭素数6〜14のアリール基、R2は独立にR1と同じ又は異なる、非置換もしくは置換の1価炭化水素基であり、R4は独立にR1と同じ又は異なる、非置換もしくは置換の1価炭化水素基である。gは1、2又は3の整数であり、x、y及びzは0又は正の整数であり、但し、1≦x+y+z≦1,000を満足する数であり、x又はyの少なくとも1つは1以上である。)
  5. 更に、(D)接着付与剤を含む請求項1〜4のいずれか1項に記載のシリコーン樹脂組成物。
  6. 更に、(E)縮合触媒を含む請求項1〜5のいずれか1項に記載のシリコーン樹脂組成物。
  7. 更に、(F)無機質充填剤を含む請求項1〜6のいずれか1項に記載のシリコーン樹脂組成物。
  8. 厚さ1mmの硬化物の水蒸気透過率が15g/m2・day以下である請求項1〜7のいずれか1項に記載のシリコーン樹脂組成物。
  9. 光半導体素子の封止用である請求項1〜8のいずれか1項に記載のシリコーン樹脂組成物。
  10. 請求項1〜8のいずれか1項に記載のシリコーン樹脂組成物の硬化物で光半導体素子が封止された光半導体装置。
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