TW201302904A - 光學半導體元件外圍封裝用樹脂組合物及使用其所得之光學半導體發光裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種光學半導體元件外圍封裝用形成絕緣樹脂層之樹脂組合物，該絕緣樹脂層具有凹入部分，在該凹入部分中，容納了金屬引線框架及安裝於該金屬引線框架上之光學半導體元件，其中該樹脂組合物包括以下成份(A)至成份(D)，且以0.26至3.0之重量摻合比(C)/(D)含有該成份(C)及該成份(D)：(A)環氧樹脂；(B)酸酐固化劑；(C)白色顏料；及(D)無機填料。

Description

光學半導體元件外圍封裝用樹脂組合物及使用其所得之光學半導體發光裝置
本發明係關於一種光學半導體元件外圍封裝用樹脂組合物，該樹脂組合物為將形成於發光元件周圍之絕緣樹脂層形成材料，且該樹脂組合物反射由該發光元件發射之光以提供指向性，且本發明係關於一種使用該樹脂組合物所得之光學半導體發光裝置。
迄今為止，具有自身中所安裝之發光元件的光學半導體發光裝置經規劃以使得光學半導體元件2安裝於金屬引線框架1上，且絕緣樹脂層3經形成以圍繞光學半導體元件2(除其上側外)，如圖1所示。在圖1中，4為將形成於金屬引線框架1上之電極電路(未圖示)電連接至光學半導體元件2之結合線。
在此光學半導體發光裝置中，絕緣樹脂層3由通常諸如聚醯胺樹脂或其類似物之熱塑性樹脂經由射出成形而形成。白色顏料一般併入至該熱塑性樹脂中以反射由光學半導體元件2發射之光且向其提供指向性(見專利文獻1)。
在需要高耐熱性之情況下，含有燒結氧化鋁之陶瓷材料主要用以形成替代絕緣樹脂層3之部分(見專利文獻2)。然而，由陶瓷材料形成與絕緣樹脂層3相應之部分在大量生產之適合性及此等封裝之成本等以及更進一步的反射體(反射部分)之形狀重現性方面存在問題。
近來，考慮到解決該等問題之情況，生產光學半導體發 光裝置之主流將為用熱固性樹脂進行轉注成形。用於經由轉注成形而生產之熱固性樹脂形成材料一般為包括諸如雙酚A環氧樹脂或其類似物之環氧樹脂及諸如酸酐或其類似物之固化劑的組合的環氧樹脂組合物，此係因為其固化材料之表面需具有高等級光反射率。
近來，在此情況下，發光裝置之亮度正進一步提高，且，相比以往，具有較高耐熱性及耐光性之材料為光學半導體發光裝置用樹脂組合物所需。舉例而言，作為用於增強光學半導體發光裝置用樹脂組合物之耐熱性及耐光性的方法，將脂環族環氧樹脂用於光吸收以抑制光降解，且此可在一些方面得以採用(見專利文獻3)。
專利文獻1：JP-A-2002-283498專利文獻2：JP-A-2004-288937專利文獻3：JP-A-2004-339319
然而，上述包括脂環族環氧樹脂之樹脂組合物可能尚未獲得足夠特性，此係因為該組合物之反射體材料可能難以大量填充且因為該樹脂組合物之成形性由於產生毛邊而低劣；且因此，直至現在，該絕緣樹脂層3一般由上文提及之熱塑性樹脂形成，如上文所提及。
然而，將熱塑性樹脂用作絕緣樹脂層3用形成材料涉及以下一些問題：具體言之，目前，諸如上文提及之光學半導體發光裝置之表面安裝封裝由於無引線技術對其之影響而需要具有耐熱性。因此，儘管對高焊接安裝溫度下之耐 熱變形性有所要求且進一步對提高功率且增加亮度之光學半導體元件2之長期耐熱性有所要求，但在高溫下元件發生褪色問題，且同時發生以下其他問題：光反射效率降低且與用於囊封該光學半導體元件2之上部的囊封樹脂材料之黏附性降低。
自此等觀點而言，非常需要可解決熱塑性樹脂之長期高溫耐熱性之問題及陶瓷材料之可大量生產性之問題的技術。
本發明已考慮到上述情況，且本發明之目標為提供一種在長期高溫耐熱性方面優良且能夠提供良好光反射率之光學半導體元件外圍封裝用樹脂組合物，且提供一種用該樹脂組合物生產且在可大量生產性及成本效能方面優良的光學半導體發光裝置。
即，本發明係關於以下項目(1)至(5)。
(1)一種光學半導體元件外圍封裝用形成絕緣樹脂層之樹脂組合物，該絕緣樹脂層具有凹入部分，在該凹入部分中，容納了金屬引線框架及安裝於該金屬引線框架上之光學半導體元件，其中該樹脂組合物包括以下成份(A)至成份(D)，且以0.26至3.0之重量摻合比(C)/(D)含有該成份(C)及該成份(D)：(A)環氧樹脂；(B)酸酐固化劑；(C)白色顏料；及 (D)無機填料。
(2)如項目(1)之樹脂組合物，其中該成份(C)為氧化鈦。
(3)如項目(2)之樹脂組合物，其中該氧化鈦具有金紅石形態晶體結構。
(4)如項目(1)至(3)中任一項之樹脂組合物，其中基於整個樹脂組合物以10重量%至90重量%之總含量含有該成份(C)及該成份(D)。
(5)一種光學半導體發光裝置，其包括：絕緣樹脂層；形成於該絕緣樹脂層中之凹入部分；配置於該凹入部分內部之金屬引線框架；及配置於該金屬引線框架上之光學半導體元件，其中該絕緣樹脂層由如項目(1)至(4)中任一項之光學半導體元件外圍封裝用樹脂組合物形成。
具體言之，本發明者為了獲得光學半導體元件外圍封裝用樹脂組合物已進行刻苦研究，該樹脂組合物受到保護而免於由於熱造成褪色且在長期高溫耐熱性方面係優良的。因此，本發明者發現，當環氧樹脂(其為熱塑性樹脂)之使用與白色顏料及無機填料之額外使用相結合時且當白色顏料及無機填料兩者之重量摻合比界定為落入特定範圍內時，兩者之特性得以協同地展現；且由於該協同效應，該樹脂組合物可維持長期高耐熱褪色能力；且此外，由於其中環氧樹脂的使用，該樹脂組合物使得能夠經由在模具中轉注成形而在該模具中囊封；因此，該樹脂組合物自可大 量生產性之觀點而言係有利的，且可因此實現預期目標。基於此等發現，本發明者已實現本發明。
如上所述，本發明提供一種光學半導體元件外圍封裝用絕緣樹脂層之樹脂組合物，該絕緣樹脂層具有凹入部分，在該凹入部分中，容納了金屬引線框架及安裝於該金屬引線框架上之光學半導體元件，其中絕緣樹脂層形成材料包括含有環氧樹脂[成份(A)]、酸酐固化劑[成份(B)]、白色顏料[成份(C)]及無機填料[成份(D)]之樹脂組合物，且其中該白色顏料與該無機填料之重量摻合比[(C)/(D)]界定為落入0.26至3.0之範圍內。因此，該樹脂組合物在焊接耐熱性及長期高溫耐熱性方面係優良的，且展現優良的耐光降解性能力，且因而實現良好光反射率。因此，絕緣樹脂層由樹脂組合物形成的光學半導體發光裝置具有良好光指向性，因此，能夠發射穩定的光並充分展現其功能。
當氧化鈦用作白色顏料[成份(C)]時，氧化鈦由於其良好的分散性及化學穩定性而實現絕緣樹脂層之高白度及優良光反射率。
當使用具有金紅石形態晶體結構之氧化鈦時，氧化鈦進一步強化該絕緣樹脂層之優良的長期高溫耐熱性。
當該白色顏料[成份(C)]及該無機填料[成份(D)]之總含量基於整個樹脂組合物在10重量%至90重量%之範圍內時，該絕緣樹脂層之線性膨脹係數可減小且該樹脂組合物實現良好流動性。
本發明之光學半導體元件外圍封裝用樹脂組合物(此在本文中可稱為「樹脂組合物」)用作用於形成圖1所示之光學半導體發光裝置中之絕緣樹脂層3的材料，如上文所述；且此樹脂組合物包括環氧樹脂[成份(A)]、酸酐固化劑[成份(B)]、白色顏料[成份(C)]及無機填料[成份(D)]。一般而言，樹脂組合物為液態的、粉狀的或呈藉由將粉末錠壓而製備之錠劑的形式，且用於囊封。
環氧樹脂[成份(A)]之實例包括：酚醛環氧樹脂，諸如，雙酚A環氧樹脂、雙酚F環氧樹脂、苯酚-酚醛環氧樹脂、甲酚-酚醛環氧樹脂等；脂環族環氧樹脂；含氮環狀環氧樹脂，諸如，異氰尿酸三縮水甘油酯、乙內醯脲環氧樹脂等；聯二苯環氧樹脂，其為低吸水性固化材料之主流，諸如，氫化雙酚A環氧樹脂、脂族環氧樹脂、縮水甘油醚環氧樹脂、雙酚S環氧樹脂等；二環環狀環氧樹脂及萘環氧樹脂。此等環氧樹脂在此可單獨使用或組合使用。此等環氧樹脂中，自優良的透明度及耐褪色性之觀點而言，較佳為單獨使用或組合使用脂環族環氧樹脂及異氰尿酸三縮水甘油酯。
環氧樹脂[成份(A)]在室溫下可為固態或液態的，但大體而言，本文所用之環氧樹脂之平均環氧當量較佳為90 g/eq至1000 g/eq。在環氧樹脂為固態的情況下，其軟化點較佳為160℃或更低。此係因為：當環氧當量過小時，樹脂組合物之固化材料可為脆性的，且當環氧當量過大時，樹脂組合物之固化材料之玻璃轉移溫度(Tg)趨向於低。
酸酐固化劑[成份(B)]之實例包括酞酸酐、順丁烯二酸酐、偏苯三酸酐、苯均四酸酐、六氫酞酸酐、四氫酞酸酐、甲基耐地酸酐、耐地酸酐、戊二酸酐、甲基六氫酞酸酐及甲基四氫酞酸酐。此等酸酐固化劑在此可單獨使用或組合使用。此等酸酐固化劑中，較佳使用酞酸酐、六氫酞酸酐、四氫酞酸酐、甲基六氫酞酸酐。更佳地，酸酐固化劑[成份(B)]具有約140至200之分子量，且亦較佳為無色或淡黃色酸酐固化劑。
環氧樹脂[成份(A)]與酸酐固化劑[成份(B)]之摻合比較佳經界定以使得酸酐固化劑[成份(B)]中能夠與環氧基反應的活性基(酸酐基或羥基)相對於環氧樹脂[成份(A)]中之環氧基之1當量可為0.5至1.5當量，更佳為0.7至1.2當量。此係因為：當活性基之量過小時，樹脂組合物之固化速率可為低的，且其固化材料之玻璃轉移溫度(Tg)趨向於低；但當活性基之量過大時，樹脂組合物之防潮性趨向於降低。
作為酸酐固化劑[成份(B)]，取決於其目的及用途，除了該酸酐固化劑外之任何其他環氧樹脂用固化劑(例如，酚系固化劑、胺固化劑、用醇部分地酯化之酸酐固化劑之偏酯或諸如六氫酞酸、四氫酞酸、甲基六氫酞酸或其類似物之羧酸固化劑)可單獨使用或與上文提及之酸酐固化劑及酚系固化劑組合使用。舉例而言，在羧酸固化劑組合使用之情況下，其可增加固化速率且可增強可生產性。當使用此等固化劑時，其摻合比可與使用上文提及之酸酐固化劑之情況下的摻合比(當量比)一致。
與上文提及之成份(A)及成份(B)一起包含於樹脂組合物中的白色顏料[成份(C)]之實例包括諸如氧化鈦、氧化鋅、鉛白、高嶺土、碳酸鈣、氧化鋯之無機白色顏料。此等白色顏料中之一或多者在此可單獨或組合使用。此等白色顏料中，較佳使用具有優良白度、大的光反射率、良好遮罩能力及著色能力、高分散性、優良耐候性及極優良化學穩定性之各種良好特性的氧化鈦。特定言之，自暴露於高溫長時段時於約450 nm之波長下維持高的光反射率的能力而言，更佳單獨使用具有金紅石形態晶體結構之氧化鈦，或與具有銳鈦礦形態晶體結構之氧化鈦組合使用，其中金紅石形態氧化鈦之摻合比較高。在組合系統中，較佳地，銳鈦礦氧化鈦之量處於雜質級別上，或亦即，需要組合系統實質上為金紅石形態氧化鈦之單一系統。此等白色顏料中，自流動性及遮光性之觀點而言，較佳使用具有0.05至1.0 μm之平均粒徑的氧化鈦。自光反射率之觀點而言，更佳使用具有0.08至0.5 μm之平均粒徑的氧化鈦。可使用雷射繞射/散射型粒徑分佈分析儀來量測平均粒徑。
較佳地，白色顏料[成份(C)]之含量界定為落入整個樹脂組合物之4重量%至89重量%之範圍內，但自可著色性及反射率之觀點而言，該含量較佳在整個樹脂組合物之10重量%至65重量%之範圍內，且尤其較佳在整個樹脂組合物之10重量%至60重量%之範圍內。此係因為：當成份(C)之含量過低時，其自身之白度可降低且反射率可藉此降低；但當成份(C)之含量過高時，絕緣樹脂層之表面可能幾乎不 光滑，且反射率可傾向於藉此降低。
與上文提及之成份(A)至成份(C)一起包含於樹脂組合物中的無機填料[成份(D)]之實例包括諸如石英玻璃粉末之矽石粉末、滑石、諸如熔融矽石之粉末及結晶矽石之粉末的矽石粉末、氧化鋁粉末、氮化鋁粉末及氮化矽粉末。上述所有無機填料中，自降低絕緣樹脂層之線性膨脹係數之觀點而言，較佳使用矽石粉末；且尤其自高填充能力及高流動性之觀點而言，更佳使用球狀熔融矽石粉末。更佳使用具有5至60 μm且更佳具有15至45 μm之平均粒徑之粉末。可使用雷射繞射/散射型粒徑分佈分析儀來量測平均粒徑。
無機填料[成份(D)]之含量較佳經界定以使得白色顏料[成份(C)]及無機填料之總含量基於整個樹脂組合物可為5重量%至90重量%，更佳地，自降低樹脂層之線性膨脹係數及確保樹脂組合物之流動性而言，其總含量可為10重量%至90重量%。
白色顏料[成份(C)]與無機填料[成份(D)]之摻合比[成份(C)]/[成份(D)]必須經界定以使得成份(C)/成份(D)之重量比落入0.26至3.0之範圍內。尤其較佳地，自分散性之觀點而言，成份(C)/成份(D)之比界定為落入0.5至2.0之範圍內。此係因為：當摻合比超過上述範圍時且當成份(C)/成份(D)之比過小時，樹脂層之長期高溫耐熱性可降低，但相比而言，當成份(C)/成份(D)之比過大時，流動性可降低且樹脂組合物可能難以經由轉注成形而塑形，且此最終可 能對絕緣樹脂層之反射率具有負面影響，從而使得固化材料之平滑度可能低劣。
除上文提及之成份(A)至(D)外，若需要，各種添加劑可併入於本發明之樹脂組合物中，諸如固化加速劑、抗氧化劑、改質劑、消泡劑、調平劑、脫模劑等。
固化加速劑之實例包括：三級胺，諸如，1,8-二氮二環[5.4.0]十一烷-7、三伸乙二胺及三-2,4,6-二甲基胺甲酚；咪唑化合物，諸如，2-乙基-4-甲基咪唑及2-甲基咪唑；磷化合物，諸如，三苯膦、四苯基硼酸四苯基鏻、二甲基磷酸甲基三丁基鏻及o,o-二乙基二硫代磷酸四正丁基鏻；四級胺鹽；有機金屬鹽；及其衍生物。此等固化加速劑可單獨使用或以其兩者或兩者以上之組合使用。此等固化加速劑中之較佳者為三級胺、咪唑化合物及磷化合物。尤其較佳使用此等固化加速劑中之磷化合物，以便獲得具有低著色度且透明並堅固的固化材料。
固化加速劑之含量較佳界定為相對於環氧樹脂[成份(A)]為0.01重量%至8.0重量%，更佳為0.1重量%至重量3.0%。此係因為：當固化加速劑之含量過小時，樹脂無法獲得足夠的固化促進效應，但當固化加速劑之含量過大時，待獲得之固化材料可傾向於褪色。
抗氧化劑之實例包括酚系化合物、胺化合物、有機硫化合物及膦化合物之抗氧化劑。改質劑之實例包括通常已知的改質劑，諸如，乙二醇、聚矽氧及醇。消泡劑之實例包括通常已知的消泡劑，諸如，聚矽氧。
可(例如)如下生產本發明之樹脂組合物：簡言之，適當地摻合成份(A)至(D)成份與各種可選添加劑，用捏合機捏合且熔混，且隨後冷卻至室溫並研磨以提供細粉狀樹脂組合物。
因此如上文所得樹脂組合物之固化材料較佳具有至少80%、更佳至少90%、更佳至少94%之430至1300 nm之波長下的光反射率。光反射率之上限為100%。光反射率係按照(例如)以下方式量測。在預定固化條件下(例如，在150℃下成形4分鐘且隨後在150℃下固化3小時)生產樹脂組合物之1 mm厚之固化材料。可用分光光度計(例如，由JASCO Corp.製造之分光光度計V-670)在室溫(25±10℃)下量測此波長下之此固化材料的反射率。
可如下生產使用本發明之樹脂組合物所得之光學半導體發光裝置：簡言之，製備具有安裝於自身上之光學半導體元件的金屬引線框架，將此金屬引線框架設置於轉注成形機之模具中，且將上文提及之樹脂組合物轉注成形於其中以形成絕緣樹脂層。如圖1所示，以此方式生產光學半導體發光裝置，該光學半導體發光裝置包括絕緣樹脂層3、形成於絕緣樹脂層3中之凹入部分、配置於凹入部分內部之金屬引線框架1及安裝於金屬引線框架1上之光學半導體元件2。
由安裝於金屬引線框架1上之光學半導體元件2上方之絕緣樹脂層3圍繞的凹入部分空間進一步由透明樹脂填充且由透明樹脂囊封。該透明樹脂可為(例如)透明環氧樹脂或 通常用於此項技術中之類似物。因此，生產出預期之光學半導體發光裝置。
實例
下文描述實例與比較實例。然而，本發明應不限於此等實例。
在生產樹脂組合物之前預先製備下文提及之組成成份。
環氧樹脂：1,3,5-三縮水甘油異氰尿酸(環氧當量：100 g/eq，熔點：100℃)。
酸酐：甲基六氫酞酸酐(酸當量：168 g/eq)。
氧化鈦c1：具有0.21 μm之平均粒徑的金紅石形態氧化鈦。
氧化鈦c2：具有0.18 μm之平均粒徑的銳鈦礦形態氧化鈦。
矽石粉末：具有23 μm之平均粒徑的球狀熔融矽石。
抗氧化劑：9,10-二氫-9-氧雜-10-磷菲-10-氧化物。
固化加速劑：o,o-二乙基二硫代磷酸四正丁基鏻。
實例1至實例6，參考實例1及參考實例2，比較實例1及比較實例2
按照下表1中所示之比摻合其中所示之成份，隨後在燒杯中熔混，老化，接著冷卻至室溫並研磨以製備預期的細粉狀環氧樹脂組合物。
因此生產後，分析實例及比較實例之環氧樹脂組合物以量測其反射率(在初期，在長時間處於高溫下後)。結果展示於下表1中。
反射率
環氧樹脂組合物形成為在預定固化條件下(條件：在150℃下塑形4分鐘並在150℃下固化3小時)具有1 mm之厚度的測試件；且在初期及處於150℃下168小時後量測該測試件(固化材料)之總反射率。由JASCO Corp.製造之分光光度計V-670可用作測試器。在室溫(25℃)下量測每一樣本之處於450 nm之波長下的光反射率。
自上述結果可見實例之樣本全部在初期及處於高溫中長時段後皆具有高反射率資料，且因此在長期高溫耐熱性方面係優良的。
與此等樣本相反，氧化鈦與矽石粉末之重量摻合比落入特定範圍內但替代具有金紅石形態之氧化鈦c1而使用具有銳鈦礦形態之氧化鈦c2的參考實例1及參考實例2之樣本具 有高於90%之初始反射率，但其在處於高溫下長時段後之反射率低於實例之反射率。就使用具有金紅石形態之氧化鈦c1但氧化鈦c1與矽石粉末之重量摻合比落入特定範圍外的比較實例1及比較實例2的樣本而言，其在初期及在處於高溫下長時段後的反射率皆低，或亦即，比較樣本之包括長期高溫耐熱性的耐熱性低劣。
使用上述實例之樣本之細粉狀環氧樹脂組合物，生產具有圖1中所示之構造的光學半導體發光裝置。簡言之，光學半導體元件(大小：0.3 mm×0.3 mm)2安裝於42-合金(鍍Ag的)引線框架1上，且形成於金屬引線框架1上之電極電路及光學半導體元件2藉由結合線4而相互電連接。因此製備後，光學半導體發光裝置放置於轉注成形機中並在其中轉注成形，從而生產如圖1中所示之預期光學半導體發光裝置單元，該光學半導體發光裝置單元包括絕緣樹脂層3、形成於絕緣樹脂層3中之凹入部分、配置於凹入部分內部之金屬引線框架及安裝於金屬引線框架1上之光學半導體元件2(成形條件：在150℃下成形4分鐘並在150℃下固化3小時)。因此所得之光學半導體發光裝置良好且無任何問題。
儘管本發明已參考其特定實施例而詳細描述，但熟習此項技術者顯而易知的是，可作出各種改變及修改而不脫離本發明之精神及範疇。
順便提及，本申請案係基於2011年2月24日申請之日本專利申請案第2011-038072號，且其內容以引用之方式併 入本文中。
本文所引用之所有參考文獻以全文引用的方式併入本文中。
本發明之光學半導體元件外圍封裝用樹脂組合物適用於絕緣樹脂層形成材料，該絕緣樹脂層形成材料形成於發光元件周圍以圍繞發光元件，且反射安裝於光學半導體發光裝置中之發光元件所發射的光以提供指向性。
1‧‧‧金屬引線框架
2‧‧‧光學半導體元件
3‧‧‧絕緣樹脂層
4‧‧‧結合線
圖1為圖解地展示光學半導體發光裝置之構成的橫截面圖。
1‧‧‧金屬引線框架
2‧‧‧光學半導體元件
3‧‧‧絕緣樹脂層
4‧‧‧結合線

Claims (5)

  1. 一種光學半導體元件外圍封裝用形成絕緣樹脂層之樹脂組合物，該絕緣樹脂層具有凹入部分，在該凹入部分中，容納了金屬引線框架及安裝於該金屬引線框架上之光學半導體元件，其中該樹脂組合物包含以下成份(A)至成份(D)，且以0.26至3.0之重量摻合比(C)/(D)含有該成份(C)及該成份(D)：(A)環氧樹脂；(B)酸酐固化劑；(C)白色顏料；及(D)無機填料。
  2. 如請求項1之樹脂組合物，其中該成份(C)為氧化鈦。
  3. 如請求項2之樹脂組合物，其中該氧化鈦具有金紅石形態晶體結構。
  4. 如請求項1之樹脂組合物，其中基於整個樹脂組合物以10重量%至90重量%之總含量含有該成份(C)及該成份(D)。
  5. 一種光學半導體發光裝置，其包含：絕緣樹脂層；形成於該絕緣樹脂層中之凹入部分；配置於該凹入部分內部之金屬引線框架；及配置於該金屬引線框架上之光學半導體元件，其中該絕緣樹脂層由如請求項1之光學半導體元件外圍封裝用樹脂組合物形成。
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