JP5303097B2 - 熱硬化性光反射用樹脂組成物、ならびにこれを用いた光半導体搭載用基板とその製造方法および光半導体装置。 - Google Patents
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Description
本発明は、光半導体素子と蛍光体などの波長変換手段とを組み合わせた光半導体装置に用いる熱硬化性光反射用樹脂組成物、該熱硬化性光反射用樹脂組成物を用いた光半導体素子搭載用基板とその製造方法および光半導体装置に関する。
光半導体素子を利用した光半導体装置としては、例えば、図５に示す構成のＳＭＤ（Ｓｕｒｆａｃｅｍｏｕｎｔｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）タイプのＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）が知られている。このＬＥＤは、通常、マウント基板リフレクタに形成されたカップ状部（凹部）に発光素子が配置され、さらに当該発光素子が配置されたカップ状部に透明封止樹脂が充填されている。リフレクタは、発光素子から側方に放射された光をその表面で拡散反射して軸方向に分配し、これによって軸上強度を高めることを目的として使用されている。特許文献１、２及び３には、熱可塑性のＳＭＤタイプのＬＥＤ用成形材料が開示されている。
近年、紫外領域に発光ピーク波長を有する光半導体素子が開発され、この素子についてもＳＭＤタイプのＬＥＤへの適用が期待されている。
しかしながら、一般に使用されているリフレクタ材料は、酸化チタンを顔料として用いているため、発光波長が短波長領域になると急激にその反射率が低下してしまう。また、紫外線による劣化が原因で可視領域の光に対しても反射率の低下が起こることが課題となっている。
特開２００５−１９４５１３号公報
特開２００４−２７７５３９号公報
特開２００４−０７５９９４号公報
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、硬化後の、可視光から近紫外光の反射率が高い熱硬化性光反射用樹脂組成物、該熱硬化性光反射用樹脂組成物を用いた光半導体搭載用基板とその製造方法および光半導体装置を提供するものである。
本発明は、以下の（１）〜（８）に記載の事項をその特徴とする。
（１）（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）硬化剤、（Ｃ）硬化触媒、（Ｄ）無機充填剤、（Ｅ）白色顔料、および（Ｆ）カップリング剤を含有する熱硬化性樹脂組成物において、熱硬化後の、波長８００ｎｍ〜３５０ｎｍにおける光反射率が８０％以上であり、熱硬化前には室温（２５℃）で加圧成型可能なことを特徴とする熱硬化性光反射用樹脂組成物。
（２）前記（Ｄ）無機充填剤が、シリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化アンチモン、水酸化アルミニウム、硫酸バリウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウムからなる群から選択される１種以上であることを特徴とする上記（１）に記載の熱硬化性光反射用樹脂組成物。
（３）前記（Ｅ）白色顔料が、無機中空粒子であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の熱硬化性光反射用樹脂組成物。
（４）前記（Ｅ）白色顔料の平均粒径が１〜５０μｍの範囲にあることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の熱硬化性光反射用樹脂組成物。
（５）前記（Ｄ）無機充填剤と前記（Ｅ）白色顔料の合計量が、樹脂組成物全体に対して７０体積％〜８５体積％の範囲であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の熱硬化性光反射用樹脂組成物。
（６）光半導体素子搭載領域となる凹部が１つ以上形成されている光半導体素子搭載用基板であって、少なくとも前記凹部の内周側面が上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の熱硬化性光反射用樹脂組成物からなることを特徴とする光半導体素子搭載用基板。
（７）光半導体素子搭載領域となる凹部が１つ以上形成されている光半導体素子搭載用基板の製造方法であって、少なくとも前記凹部を上記（１）〜（５）のいずれか１項記載の熱硬化性光反射用樹脂組成物を用いたトランスファー成型により形成することを特徴とする光半導体搭載用基板の製造方法。
（８）上記（６）に記載の光半導体素子搭載用基板または上記（７）に記載の製造方法により製造された光半導体素子搭載用基板と、前記光半導体素子搭載用基板の凹部底面に搭載される光半導体素子と、前記光半導体素子を覆うように形成される封止樹脂と、を備える光半導体装置。
本発明によれば、硬化後の、可視光から近紫外光の反射率が高い熱硬化性光反射用樹脂組成物、該熱硬化性光反射用樹脂組成物を用いた光半導体搭載用基板とその製造方法および光半導体装置を提供することが可能となる。
本発明で用いる（Ａ）エポキシ樹脂としては、電子部品封止用エポキシ樹脂成形材料で一般に使用されているものを用いることができ、特に限定されないが、例えば、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂をはじめとするフェノール類とアルデヒド類のノボラック樹脂をエポキシ化したもの、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ、ビスフェノールＳ、アルキル置換ビフェノール等のジグリシジエーテル、ジアミノジフェニルメタン、イソシアヌル酸等のポリアミンとエピクロルヒドリンの反応により得られるグリシジルアミン型エポキシ樹脂、オレフィン結合を過酢酸等の過酸で酸化して得られる線状脂肪族エポキシ樹脂、及び脂環族エポキシ樹脂等があり、これらは単独でも、２種以上併用してもよい。また、使用するエポキシ樹脂は比較的着色のないものであることが好ましく、そのようなエポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、トリグリシジルイソシアヌレートを挙げることができる。
上記（Ｂ）硬化剤としては、エポキシ樹脂と反応するものであれば、特に制限なく用いることができるが、比較的着色のないものが好ましい。例えば、酸無水物系硬化剤、フェノール系硬化剤などが挙げられる。酸無水物系硬化剤としては、例えば、無水フタル酸、無水マレイン酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸、無水ナジック酸、無水グルタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸などが挙げられる。これら酸無水物系硬化剤の中では、無水フタル酸、へキサヒドロ無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸を用いることが好ましい。酸無水物系硬化剤は、その分子量が、１４０〜２００程度のものが好ましく、また、無色ないし淡黄色の酸無水物が好ましい。
これらの硬化剤は単独で用いても、二種以上併用しても良い。エポキシ樹脂と、硬化剤との配合割合は、エポキシ樹脂中のエポキシ基１当量に対して、硬化剤におけるエポキシ基と反応可能な活性基（酸無水基または水酸基）が０．５〜１．５当量となるような割合であることが好ましく、０．７〜１．２当量となるような割合であることがより好ましい。活性基が０．５当量未満の場合には、エポキシ樹脂組成物の硬化速度が遅くなるとともに、得られる硬化体のガラス転移温度が低くなる場合があり、一方、１．５当量を超える場合には、耐湿性が低下する場合がある。
上記（Ｃ）硬化促進剤としては、特に限定されるものではなく、例えば、１，８−ジアザ−ビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリエチレンジアミン、トリ−２，４，６−ジメチルアミノメチルフェノールなどの３級アミン類、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−メチルイミダゾールなどのイミダゾール類、トリフェニルホスフィン、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−ｎ−ブチルホスホニウム−ｏ，ｏ−ジエチルホスホロジチオエートなどのリン化合物、４級アンモニウム塩、有機金属塩類、およびこれらの誘導体などが挙げられる。これらは単独で使用してもよく、あるいは、併用してもよい。これら硬化促進剤の中では、３級アミン類、イミダゾール類、リン化合物を用いることが好ましい。
硬化促進剤の含有率は、エポキシ樹脂に対して、０．０１〜８．０重量％であることが好ましく、より好ましくは、０．１〜３．０重量％である。硬化促進剤の含有率が、０．０１重量％未満では、充分な硬化促進効果を得られない場合があり、また、８．０重量％を超えると、得られる硬化体に変色が見られる場合がある。
上記（Ｄ）無機充填剤としては、例えば、シリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化アンチモン、水酸化アルミニウム、硫酸バリウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウムなどを挙げることができ、単独でも、併用しても構わない。熱伝導性、光反射特性、成型性、難燃性の点からは、シリカ、アルミナ、酸化アンチモン、水酸化アルミニウムのうちの２種以上の混合物であることが好ましい。また、無機充填剤の粒径は、特に限定されるものではないが、白色顔料とのパッキング効率を考慮すると、平均粒径が１〜１００μｍの範囲であることが好ましい。
上記（Ｅ）白色顔料としては、無機中空粒子のものを用いることが好ましく、例えば、珪酸ソーダガラス、アルミ珪酸ガラス、硼珪酸ソーダガラス、アルミナ、シラス等を挙げることができ、単独でも、併用しても構わない。なお、中空粒子とは略球状の粒子内部が空洞になっているものを指し、０．５〜３μｍ程度の均一な厚みの膜（外殻）で形成されているものであることが好ましい。また、白色顔料の粒径は、平均粒径が１〜５０μｍの範囲にあることが好ましい。平均粒径が１μｍ未満であると粒子が凝集しやすく分散性が悪くなる傾向にあり、５０μｍを超えると反射特性が十分に得られなくなる傾向にある。
上記（Ｄ）無機充填剤と上記（Ｅ）白色顔料の合計量は、樹脂組成物全体に対して、７０体積％〜８５体積％の範囲であることが好ましい。この合計量が７０体積％未満であると光反射特性が不十分になる恐れがあり、８５体積％を超えると樹脂組成物の成型性が悪くなり、光半導体搭載用基板の作製が困難となる。
上記（Ｆ）カップリング剤としては、特に限定されないが、例えば、シラン系カップリング剤やチタネート系カップリング剤等を用いることができ、シランカップリング剤としては、例えば、エポキシシラン系、アミノシラン系、カチオニックシラン系、ビニルシラン系、アクリルシラン系、メルカプトシラン系、およびこれらの複合系等を用いることができる。カップリング剤の種類や処理条件は特に限定しないが、カップリング剤の配合量は５重量％以下であることが好ましい。
また、本発明の樹脂組成物には、必要に応じて、酸化防止剤、離型剤、イオン補足剤等の添加剤を添加してもよい。
以上のような成分を含有する本発明の樹脂組成物は、熱硬化前、室温（約２５℃）において固体であり、好ましくは加圧成形可能であり、熱硬化後の、波長８００ｎｍ〜３５０ｎｍにおける光反射率が８０％以上である。上記加圧成形は、例えば、室温（約２５℃）において、０．５〜２ＭＰａ、１〜５秒程度の条件下で行うことができればよい。また、上記光反射率が８０％未満であると、光半導体装置の輝度向上に十分寄与できない傾向がある。より好ましくは、光反射率は９０％以上である。
熱硬化後の本発明の樹脂組成物は、その熱伝導率が１〜１０Ｗ／ｍＫの範囲であることが好ましい。この熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ未満であると光半導体素子から発生する熱を十分に逃がすことができず、封止樹脂等を劣化させてしまう恐れがある。
本発明の光半導体素子搭載用基板は、光半導体素子搭載領域となる凹部が１つ以上形成されており、少なくとも前記凹部の内周側面が本発明の熱硬化性光反射用樹脂組成物からなることを特徴とするものである。本発明の光半導体素子搭載用基板の一実施形態を図１に示す。
本発明の光半導体素子搭載用基板の製造方法は、特に限定されないが、例えば、本発明の熱硬化性光反射用樹脂組成物をトランスファー成型により成型し、製造することができる。より具体的には、例えば、図２（ａ）に示すように、金属箔から打ち抜きやエッチング等の公知の方法により金属配線１０５を形成し、ついで、該金属配線１０５を所定形状の金型３０１に配置し（図２（ｂ））、金型３０１の樹脂注入口３００から本発明の樹脂組成物を注入し、これを好ましくは金型温度１７０〜１９０℃で６０〜１２０秒、アフターキュア温度１２０℃〜１８０℃で１〜３時間の条件にて熱硬化させた後、金型３０１を外し、硬化した樹脂組成物からなるリフレクター１０３に周囲を囲まれてなる光半導体素子搭載領域（凹部）２００の所定位置に、電気めっきによりＮｉ／銀めっき１０４を施すことで製造することができる（図２（ｃ））。
また、本発明の光半導体装置は、例えば、図３および図４に示すように、本発明の光半導体素子搭載用基板１１０の光半導体素子搭載領域（凹部）２００の所定位置に光半導体素子１００を搭載し、該光半導体素子１００と金属配線１０５とをボンディングワイヤ１０２やはんだバンプ１０７などの公知の方法により電気的に接続した後、公知の蛍光体１０６を含む透明封止樹脂１０１により該光半導体素子１００を覆うことで製造することができる。
以下、本発明を実施例によって詳述する。
＜光反射用樹脂組成物の作製＞
下記表１に示す組成の材料を混練温度２０〜３０℃、混練時間１０分の条件でロール混練し、実施例１〜３、比較例１および２の光反射用樹脂組成物を作製した。
※表中の数字は全て重量部
※エポキシ樹脂：トリグリシジルイソシアヌレート（エポキシ当量１００、日産化学社製、ＴＥＰＩＣ−Ｓ）、硬化剤：ヘキサヒドロ無水フタル酸（新日本理化製、リカシッドＨＨ）、硬化促進剤：テトラ−ｎ−ブチルホスホニウム−ｏ，ｏ−ジエチルホスホロジチオエート（日本化学工業社製、ヒシリコーンＰＸ−４ＥＴ）、無機充填剤：溶融シリカ（平均粒径２０μｍ、電気化学工業社製、ＦＢ−９５０）、アルミナ（平均粒径１μｍ、アドマッテクス社製、ＡＯ−８０２）、カップリング剤：エポキシシラン（東レダウコーニング社製、ＳＨ６０４０）、酸化防止剤：９，１０−ジヒドロ−９−オキサ−１０−ホスファフェナントレン−１０−オキシド（三光株式会社製、ＨＣＡ）、白色顔料：ほう珪酸ガラスＡ（平均粒径２７μｍ、住友３Ｍ社製、グラスバブルズＳ６０ＨＳ）、ほう珪酸ガラスＢ（平均粒径１０μｍ、旭硝子社製、ファインパールＨＳＮ−７Ｈ）、ほう珪酸ガラスＣ（平均粒径５μｍ、東海工業製、セルスターＸ−１００）、ほう珪酸ガラスＤ（平均粒径１３５μｍ、住友３Ｍ社製、グラスバブルズＫ１）
下記表１に示す組成の材料を混練温度２０〜３０℃、混練時間１０分の条件でロール混練し、実施例１〜３、比較例１および２の光反射用樹脂組成物を作製した。
※エポキシ樹脂：トリグリシジルイソシアヌレート（エポキシ当量１００、日産化学社製、ＴＥＰＩＣ−Ｓ）、硬化剤：ヘキサヒドロ無水フタル酸（新日本理化製、リカシッドＨＨ）、硬化促進剤：テトラ−ｎ−ブチルホスホニウム−ｏ，ｏ−ジエチルホスホロジチオエート（日本化学工業社製、ヒシリコーンＰＸ−４ＥＴ）、無機充填剤：溶融シリカ（平均粒径２０μｍ、電気化学工業社製、ＦＢ−９５０）、アルミナ（平均粒径１μｍ、アドマッテクス社製、ＡＯ−８０２）、カップリング剤：エポキシシラン（東レダウコーニング社製、ＳＨ６０４０）、酸化防止剤：９，１０−ジヒドロ−９−オキサ−１０−ホスファフェナントレン−１０−オキシド（三光株式会社製、ＨＣＡ）、白色顔料：ほう珪酸ガラスＡ（平均粒径２７μｍ、住友３Ｍ社製、グラスバブルズＳ６０ＨＳ）、ほう珪酸ガラスＢ（平均粒径１０μｍ、旭硝子社製、ファインパールＨＳＮ−７Ｈ）、ほう珪酸ガラスＣ（平均粒径５μｍ、東海工業製、セルスターＸ−１００）、ほう珪酸ガラスＤ（平均粒径１３５μｍ、住友３Ｍ社製、グラスバブルズＫ１）
＜光反射率の測定＞
各実施例及び各比較例の光反射用樹脂組成物を、金型温度１８０℃、キュア時間９０秒の条件でトランスファー成形を行った後、１５０℃の温度で２時間ポストキュアを行うことによって厚み１．０ｍｍのテストピースを作製した。ついで、各テストピースの、波長３５０〜８００ｎｍにおける光反射率を積分球型分光光度計Ｖ−５７０型（日本分光株式会社製）を用いて測定した。また、１５０℃、７２時間熱処理後の各テストピースの光反射特性も合わせて評価した。評価基準は下記のとおりである。結果を表２に示す。
（光反射率の評価基準）
○：光反射率８０％以上
△：光反射率７０％以上、８０％未満
×：光反射率７０％未満
各実施例及び各比較例の光反射用樹脂組成物を、金型温度１８０℃、キュア時間９０秒の条件でトランスファー成形を行った後、１５０℃の温度で２時間ポストキュアを行うことによって厚み１．０ｍｍのテストピースを作製した。ついで、各テストピースの、波長３５０〜８００ｎｍにおける光反射率を積分球型分光光度計Ｖ−５７０型（日本分光株式会社製）を用いて測定した。また、１５０℃、７２時間熱処理後の各テストピースの光反射特性も合わせて評価した。評価基準は下記のとおりである。結果を表２に示す。
（光反射率の評価基準）
○：光反射率８０％以上
△：光反射率７０％以上、８０％未満
×：光反射率７０％未満
＜タブレット作製＞
各実施例及び各比較例の光反射用樹脂組成物について、室温（２５℃）でタブレット成型できるものを○、タブレット成型できないものを×として評価した。なお、タブレットの成型は、ＭＴＶ−Ｉ−３７（（株）丸七鉄工所製、商品名）を用い、０．７ＭＰａ、２秒の条件で行った。結果を表２に示す。
各実施例及び各比較例の光反射用樹脂組成物について、室温（２５℃）でタブレット成型できるものを○、タブレット成型できないものを×として評価した。なお、タブレットの成型は、ＭＴＶ−Ｉ−３７（（株）丸七鉄工所製、商品名）を用い、０．７ＭＰａ、２秒の条件で行った。結果を表２に示す。
表２に示したように、各実施例は各比較例と比べて、反射特性、作業性（タブレット成型性）に優れている。したがって、本発明に係る熱硬化性光反射用樹脂組成物を用いると、硬化後、可視光から近紫外光領域において高い反射率を有する光半導体素子搭載用基板を効率的に得ることができる。
１００・・・・・光半導体素子（ＬＥＤ素子）
１０１・・・・・（透明）封止樹脂
１０２・・・・・ボンディングワイヤ
１０３・・・・・リフレクター
１０４・・・・・Ｎｉ／Ａｇめっき
１０５・・・・・金属配線
１０６・・・・・蛍光体
１０７・・・・・はんだバンプ
１１０・・・・・光半導体素子搭載用基板
２００・・・・・光半導体素子搭載領域（凹部）
３００・・・・・樹脂注入口
３０１・・・・・金型
４００・・・・・ＬＥＤ素子
４０１・・・・・ワイヤボンド
４０２・・・・・透明封止樹脂
４０３・・・・・リフレクタ
４０４・・・・・リード
４０５・・・・・蛍光体
４０６・・・・・ダイボンド材
１０１・・・・・（透明）封止樹脂
１０２・・・・・ボンディングワイヤ
１０３・・・・・リフレクター
１０４・・・・・Ｎｉ／Ａｇめっき
１０５・・・・・金属配線
１０６・・・・・蛍光体
１０７・・・・・はんだバンプ
１１０・・・・・光半導体素子搭載用基板
２００・・・・・光半導体素子搭載領域（凹部）
３００・・・・・樹脂注入口
３０１・・・・・金型
４００・・・・・ＬＥＤ素子
４０１・・・・・ワイヤボンド
４０２・・・・・透明封止樹脂
４０３・・・・・リフレクタ
４０４・・・・・リード
４０５・・・・・蛍光体
４０６・・・・・ダイボンド材
Claims (7)
- 光半導体素子搭載領域となる凹部が１つ以上形成されている光半導体素子搭載用基板であって、少なくとも前記凹部の内周側面が、熱硬化性光反射用樹脂組成物を用いたトランスファー成型により形成され、前記熱硬化性光反射用樹脂組成物が、（Ａ）エポキシ樹脂及び（Ｅ）白色顔料を含有し、前記（Ｅ）白色顔料が無機中空粒子である、光半導体素子搭載用基板。
- 前記熱硬化性光反射用樹脂組成物が、さらに（Ｄ）無機充填剤を含有する請求項１に記載の光半導体素子搭載用基板。
- 前記熱硬化性光反射用樹脂組成物が、熱硬化後の、波長８００ｎｍ〜３５０ｎｍにおける光反射率が８０％以上であり、熱硬化前には室温（２５℃）で加圧成型可能である請求項１又は請求項２に記載の光半導体素子搭載用基板。
- 前記（Ｄ）無機充填剤が、シリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化アンチモン、水酸化アルミニウム、硫酸バリウム、炭酸マグネシウム、及び炭酸バリウムからなる群から選択される１種以上である請求項２又は請求項３に記載の光半導体素子搭載用基板。
- 前記（Ｅ）白色顔料の平均粒径が、１μｍ〜５０μｍの範囲にある請求項１〜４のいずれか１項記載の光半導体素子搭載用基板。
- 前記（Ｄ）無機充填剤と前記（Ｅ）白色顔料との合計量が、前記熱硬化性光反射用樹脂組成物全体に対して７０体積％〜８５体積％の範囲にある請求項２〜５のいずれか１項記載の光半導体素子搭載用基板。
- 請求項１〜６のいずれか１項記載の光半導体素子搭載用基板と、前記光半導体素子搭載用基板の凹部底面に搭載された光半導体素子と、前記光半導体素子を覆うように形成された封止樹脂と、を備えた光半導体装置。
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