JP2011082340A - 光半導体封止材 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＬＥＤチップを被覆する封止樹脂層(透光性樹脂層)と、蛍光体を含有する樹脂層(蛍光体含有樹脂層)とを含むシート状封止材において、ＬＥＤ点灯時に蛍光体含有樹脂層の温度上昇を抑制するシート状光半導体封止材、前記各樹脂層のシート状成形体を含む光半導体封止用キット、ならびに該封止材及びシートで封止している光半導体装置を提供すること。
【解決手段】無機粒子を含有する第一樹脂層と、その上に直接又は間接的に積層されてなる、蛍光体を含有する第二樹脂層を含んでなる、シート状光半導体封止材。
【選択図】なし

Description

本発明は、光半導体封止材に関する。さらに詳しくは、発光ダイオードや半導体レーザー等の発光素子の封止用パッケージに関するもので、光半導体点灯時の封止樹脂の温度上昇を抑制するシート状光半導体封止材、シート状成形体を含む光半導体封止用キット、ならびに該封止材及びシートで封止している光半導体装置に関する。
青色ＬＥＤを用いて白色を発光する方法として、一般的に、蛍光体含有樹脂でＬＥＤチップをコートする方法や、カップ形状のＬＥＤ装置に蛍光体含有樹脂をポッティングする方法がある。また、シート状の蛍光体含有樹脂層を積層して封止する方法も挙げられる。
例えば、特許文献１では、ＬＥＤチップ周囲に透光性樹脂を封入して硬化後、その硬化された透光性樹脂上に蛍光材料を含有する樹脂で封止した発光装置が開示されている。かかる装置は、ＬＥＤチップの発光強度が強い上面方向でほぼ均一に蛍光材料を分布させることができるため、発光素子の発光色の色むらを防止すると共に、蛍光材料による波長変換の効率を向上させることが可能となる。また、高価な蛍光材料の使用が低減され、低コストの発光素子を実現することができる。
特開２０００−１５６５２８号公報
しかしながら、特許文献１のような構造をとる光半導体装置では、ＬＥＤチップの発光が、ＬＥＤチップ直上の蛍光材料にそのまま照射されるため、波長変換の際の損失エネルギーによって、該蛍光材料を含有する樹脂部分(蛍光体含有樹脂)が極端に温度が上昇して劣化しやすくなるという問題がある。
本発明の課題は、ＬＥＤチップを被覆する封止樹脂層(透光性樹脂層)と、蛍光体を含有する樹脂層(蛍光体含有樹脂層)とを含むシート状封止材において、ＬＥＤ点灯時に蛍光体含有樹脂層の温度上昇を抑制するシート状光半導体封止材、前記各樹脂層のシート状成形体を含む光半導体封止用キット、ならびに該封止材及びシートで封止している光半導体装置を提供することにある。
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、透光性樹脂の第一樹脂層と蛍光体含有樹脂の第二樹脂層とを含むシート状封止材において、第一樹脂層に無機粒子を分散させることにより、第二樹脂層の温度上昇を抑制することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、
〔１〕 無機粒子を含有する第一樹脂層と、その上に直接又は間接的に積層されてなる、蛍光体を含有する第二樹脂層を含んでなる、シート状光半導体封止材、
〔２〕 無機粒子を含有する第一樹脂層を含むシート状成形体と、蛍光体を含有する第二樹脂層を含むシート状成形体とを含んでなる、光半導体封止用キット。
〔３〕 前記〔１〕記載のシート状光半導体封止材を、第一樹脂層が光半導体素子に対向するように、光半導体素子搭載基板上に載置し、加圧成型して封止してなる、光半導体装置、ならびに
〔４〕 前記〔２〕記載の光半導体封止用キットを用いて封止してなる光半導体装置であって、第一樹脂層を含むシート状成形体を光半導体素子搭載基板上に載置し、さらに、第二樹脂層を含むシート状成形体を積層後、加圧成型して封止してなる、光半導体装置に関する。
本発明のシート状光半導体封止材は、透光性樹脂の第一樹脂層と蛍光体含有樹脂の第二樹脂層とを含む封止材であるが、ＬＥＤ点灯時の第二樹脂層の温度上昇を抑制することができるという優れた効果を奏する。また、前記第一樹脂層と第二樹脂層が直接又は間接的に積層されたシート状成形体は、該成形体を光半導体装置に積層して加圧成型することで、簡便に一括封止することができる。
図１は、本発明のシート状光半導体封止材によるＬＥＤチップの封止を示す図である。左が封止前、右が封止後の図である。 図２は、本発明の光半導体封止用キットによるＬＥＤチップの封止を示す図である。左が封止前、右が封止後の図である。
本発明のシート状光半導体封止材(本発明のシートともいう)は、第一樹脂層と第二樹脂層が直接又は間接的に積層されたものであり、該第一樹脂層が無機粒子を、第二樹脂層が蛍光体を含有することに特徴を有する。かかるシート状封止材を用いた光半導体装置の封止は、具体的には、前記第一樹脂層がＬＥＤチップ(光半導体素子)上に対向するように、光半導体素子搭載基板上に載置して、加圧成型して行われる。よって、ＬＥＤからの発光は、第一樹脂層を通過して、第二樹脂層中の蛍光体によって波長変換されてそのまま放射されるため、輝度の高い発光が得られる。しかしながら、第一樹脂層を通過した発光がそのまま蛍光体に到達し、そこで波長変換されるため、波長変換の際の蛍光体の損失エネルギーが第二樹脂層に吸収されて、第二樹脂層の温度が上昇することになる。そこで、本発明では、第一樹脂層に無機粒子を配合することで、無機粒子の光散乱効果により第二樹脂層に到達する光を分散させることができるので、蛍光体による発熱密度(樹脂層の単位体積あたりの発熱量)を低下させ、その結果、全体として発熱を抑制することができると考えられる。なお、本明細書において、「直接積層」しているシートとは、第一樹脂層上に第二樹脂層が直接積層されて形成されているシートを意味し、「間接的に積層」しているシートとは、第一樹脂層と第二樹脂層の間に、常法に従って、任意の他の層、例えば、エポキシ樹脂等の公知の樹脂層を介して積層され形成されているシートを意味する。
本発明における第一樹脂層は無機粒子を含有する。
無機粒子としては、可視光を散乱させることが出来るものであれば特に限定はないが、二酸化珪素及び硫酸バリウムからなる群より選ばれる少なくとも１種を含むものが好ましく、封止加工による輝度低下がないことから、二酸化珪素を含むものがより好ましい。
無機粒子の平均粒子径は、可視光を散乱でき、かつ第一樹脂層の厚み以下であればよいが、好ましくは0.1〜200μm、より好ましくは0.3〜40μmである。また、封止加工による輝度低下を抑制する観点から、5〜40μmがさらに好ましい。なお、本明細書において、無機粒子の平均粒子径は、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。
無機粒子の形状は、可視光を散乱できるものであればよく、球状、破砕形状が例示されるが、ＬＥＤの輝度低下を抑制する観点から、球状が好ましい。
第一樹脂層における無機粒子の含有量は、第一樹脂層中で均一に分散でき、かつ、第二樹脂層の温度上昇を抑制する観点から、0.1〜70重量％が好ましい。また、ＬＥＤの輝度低下を抑制する観点から、0.1〜55重量％がより好ましい。
第一樹脂層の構成樹脂は、従来から光半導体封止に用いられる樹脂であれば特に限定はなく、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、スチレン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ウレタン樹脂、ポリオレフィン樹脂等の透光性樹脂が挙げられ、これらは、１種又は２種以上組み合わせて用いることができる。なかでも、耐久性の観点から、シリコーン樹脂が好ましい。
本発明における第二樹脂層は蛍光体を含有する。
蛍光体としては、特に限定はなく、光半導体装置で用いられる公知の蛍光体が挙げられる。具体的には、青色を黄色に変換する機能を有する好適な市販品の蛍光体として、黄色蛍光体(α−サイアロン)、YAG、TAG等が例示される。
蛍光体の種類及び第二樹脂層の厚さによって混色程度が異なることから、蛍光体の含有量は一概には決定されない。
第二樹脂層の構成樹脂としては、従来から光半導体封止に用いられる樹脂であれば特に限定はなく、第一樹脂層の構成樹脂として例示された樹脂が同様に例示される。なかでも、耐久性の観点から、シリコーン樹脂が好ましい。
第一樹脂層及び第二樹脂層には、前記無機粒子、蛍光体、構成樹脂に加えて、硬化剤や硬化促進剤、さらに老化防止剤、変性剤、界面活性剤、染料、顔料、変色防止剤、紫外線吸収剤等の添加剤が原料として配合されていてもよい。
本発明のシート状光半導体封止材は、第一樹脂層及び第二樹脂層が前記組成となるのであれば、当業者に公知の方法に従って調製することができる。
例えば、各樹脂層の構成樹脂又は該樹脂の有機溶媒溶液に、第一樹脂層は無機粒子を、第二樹脂層は蛍光体を、それぞれ添加して攪拌混合して樹脂層溶液を調製し、例えば、表面を剥離処理した離型シート(例えば、ポリエチレン基材)の上に、アプリケーター等を用いて適当な厚さに塗工し、溶媒の除去が可能な程度の温度で加熱して乾燥することにより、各樹脂層を成形することができる。加熱温度は、樹脂や溶媒の種類によって異なるため一概には決定できないが、80〜150℃が好ましく、90〜150℃がより好ましい。なお、得られたシートは、複数枚積層して20〜100℃で熱プレスして圧着させて一体化したものを、一枚の樹脂層として用いてもよい。
得られた第一樹脂層と第二樹脂層は、前記と同様にして圧着させて、シート状光半導体封止材とすることができる。
また、前記と同様にして、第一樹脂層又は第二樹脂層の一方を成形後、その上に直接、他方の層の樹脂層溶液をアプリケーター等を用いて適当な厚さに塗工して、加熱乾燥することにより、本発明のシート状光半導体封止材を成形することができる。
かくして、第一樹脂層と第二樹脂層が積層したシート状光半導体封止材が得られる。なお、第一樹脂層と第二樹脂層の間に、任意の樹脂層を含む場合は、前記と同様にして、予め成形した該樹脂層を、第一樹脂層と第二樹脂層の間に積層して圧着してもよく、また、第一樹脂層又は第二樹脂層のいずれか一方の層上に該樹脂層を成形後、該樹脂層上に残りの層を成形してもよい。
第一樹脂層の厚みは、光半導体素子の封止性の観点から、100〜1000μmが好ましく、300〜800μmがより好ましい。第二樹脂層の厚みは、蛍光体濃度と塗工性の観点から、20〜300μmが好ましく、30〜200μmがより好ましい。また、一体化した本発明のシート状光半導体封止材の厚みは、120〜1300μmが好ましく、330〜1000μmがより好ましい。
また、本発明は、前記第一樹脂層と第二樹脂層が積層せずに、前記第一樹脂層を含むシート状成形体(第一シートともいう)と、前記第二樹脂層を含むシート状成形体(第二シートともいう)とを含む、光半導体封止用キットを提供する。
第一シートは、本発明のシートにおける第一樹脂層を含むシート状成形体であれば、特に限定はなく、本発明のシートにおける各樹脂層を成形する方法と同様にして製造することができる。また、第二樹脂層を含むシート状成形体も同様である。
なお、本発明の光半導体封止用キットは、前記第一シート及び第二シート以外に、任意の樹脂層を含む他のシート状成形体を含有してもよい。他のシート状成形体は、前記第一シート及び第二シートと同様にして製造することができる。
またさらに、本発明は、本発明のシート状光半導体封止材又は本発明の光半導体封止用キットで封止した光半導体装置を提供する。具体的には、
本発明のシート状光半導体封止材を、第一樹脂層が光半導体素子に対向するように、光半導体素子搭載基板上に載置し、加圧成型して封止した光半導体装置、
本発明の光半導体封止用キットを用いて、第一樹脂層を含むシート状成形体を光半導体素子搭載基板上に載置し、さらに、第二樹脂層を含むシート状成形体を積層後、加圧成型して封止した光半導体装置
が挙げられる。
本発明の光半導体装置は、本発明のシート状光半導体封止材又は本発明の光半導体封止用キットを用いるのであれば特に限定はなく、当業者に公知の方法に従って製造することできる。
例えば、本発明のシート状光半導体封止材を用いる場合は、第一樹脂層が光半導体素子に対向するように、光半導体素子搭載基板上に載置し、加圧成型することにより得られる。
また、本発明の光半導体封止用キットを用いる場合は、第一樹脂層を含むシート状成形体を光半導体素子搭載基板上に載置し、さらに、第二樹脂層を含むシート状成形体を積層後、一括して加圧成型することにより得られる。
なお、輝度向上の観点から、第一樹脂層よりも第二樹脂層がＬＥＤチップから離れて配置されるのであれば、基板との接着性の観点から、透光性樹脂からなる液状封止材(第三封止材ともいう)をポッティングしてから、本発明のシート状光半導体封止材、又は本発明のキットの第一シートを光半導体素子搭載基板に積層してもよい。第三封止材の構成樹脂としては、特に限定はないが、第一樹脂層の構成樹脂と同一であることが好ましい。
加圧成型は、当業者に公知の方法に従って行うことができ、例えば、金型をのせた後、好ましくは0.1〜0.5MPa、より好ましくは0.1〜0.3MPaの加圧下で、好ましくは100〜160℃、1〜10分加熱することにより行うことができる。なお、加圧成型後、室温下においても形状が変化しなくなるまで放置し、金型をはずして、ポストキュアを行うことができる。ポストキュアは、例えば、好ましくは100〜150℃の温度の乾燥機で、好ましくは15分〜6時間放置して行うことができる。
本発明の光半導体装置は、封止樹脂の温度上昇が抑制される本発明のシート状光半導体封止材、又は本発明の光半導体封止用キットを封止材として含有するために、青色素子等の高輝度ＬＥＤ素子や緑色ＬＥＤ素子等を搭載した光半導体装置であっても、発光輝度を高い状態で取り出しながらも、封止樹脂の温度上昇が抑制されて劣化が抑制されるため、好適に使用することができる。
以下、本発明を実施例及び比較例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例等によりなんら限定されるものではない。
〔無機粒子の平均粒子径〕
本明細書において、金属酸化物微粒子の平均粒子径とは一次粒子の平均粒子径を意味し、金属酸化物微粒子の粒子分散液について動的光散乱法で測定して算出される体積中位粒径(Ｄ50)のことである。
実施例１
＜第一樹脂層＞
シリコーンエラストマー(旭化成ワッカーシリコーン社製、ELASTOSIL LR-7665)9.95gに、二酸化珪素(電気化学合成社製、FB-7SDC、平均粒子径5.8μm、球状)を0.05g(無機粒子含有量：0.5重量％)加え、手攪拌により均一に分散し、液状の二酸化珪素含有樹脂を得た。
＜第二樹脂層＞
シリコーンエラストマー(LR-7665)8.4gに、YAGを1.6g(蛍光体含有量：16重量％)加え、手攪拌により均一に分散し、液状の蛍光体含有樹脂を得た。
＜光半導体封止用シート＞
蛍光体含有樹脂を、アプリケーターを用いてPC上に100μmの厚みに塗工し、90℃で4分30秒乾燥して、蛍光体含有樹脂シートを得た。得られた蛍光体含有樹脂シートの上に、同様にして、二酸化珪素含有樹脂を500μmの厚みに塗工し、125℃で9分乾燥して、光半導体封止用シートを得た。
＜光半導体封止＞
光半導体素子(波長域450nm)を実装した平板の基板上に、シリコーンエラストマー(LR-7665)を適量のせ、その上に、第一樹脂層が基板に対向するよう、光半導体封止用シートをのせた。その上に、大きさ8mmφ、高さ500μmの金型を載せて、真空プレス装置(ニチゴーモートン社製、V-130)を用いて、0.1MPa、160℃の条件下で5分プレスすることにより、光半導体装置を得た。
実施例２
第一樹脂層における、シリコーンエラストマー(LR-7665)の量を9.5gに、二酸化珪素(FB-7SDC)の量を0.5g(無機粒子含有量：5重量％)に変更する以外は、実施例１と同様にして、光半導体装置を得た。
実施例３
第一樹脂層における、シリコーンエラストマー(LR-7665)の量を7.0gに、二酸化珪素(FB-7SDC)の量を3.0g(無機粒子含有量：30重量％)に変更する以外は、実施例１と同様にして、光半導体装置を得た。
実施例４
第一樹脂層における、シリコーンエラストマー(LR-7665)の量を5.0gに、二酸化珪素(FB-7SDC)の量を5.0g(無機粒子含有量：50重量％)に変更する以外は、実施例１と同様にして、光半導体装置を得た。
実施例５
第一樹脂層における、シリコーンエラストマー(LR-7665)の量を3.0gに、二酸化珪素(FB-7SDC)の量を7.0g(無機粒子含有量：70重量％)に変更する以外は、実施例１と同様にして、光半導体装置を得た。
実施例６
第一樹脂層における二酸化珪素の種類を、二酸化珪素(電気化学合成社製、FB-40S、平均粒子径39.8μm、球状)に変更する以外は、実施例３と同様にして、光半導体装置を得た。
実施例７
第一樹脂層における二酸化珪素の種類を、二酸化珪素(電気化学合成社製、SFP-20M、平均粒子径0.3μm、球状)に変更する以外は、実施例３と同様にして、光半導体装置を得た。
実施例８
第一樹脂層における二酸化珪素の種類を、二酸化珪素(龍森社製、クリスタライト 5X、平均粒子径1.5μm、破砕状)に変更する以外は、実施例３と同様にして、光半導体装置を得た。
実施例９
第一樹脂層における無機粒子の種類を、硫酸バリウム(竹原化学工業社製、W-6、平均粒子径5.0μm、破砕状)に変更する以外は、実施例２と同様にして、光半導体装置を得た。
実施例１０
第一樹脂層における二酸化珪素の種類を、二酸化珪素(FB-40S)に変更する以外は、実施例４と同様にして、光半導体装置を得た。
比較例１
第一樹脂層において無機粒子を添加しない以外は、実施例１と同様にして、光半導体装置を得た。
比較例２
第一樹脂層における無機粒子の種類を、アルミナ(AS-50)に変更する以外は、実施例２と同様にして、光半導体装置を得た。
得られた光半導体装置について、以下の試験例１〜２に従って、特性を評価した。結果を表１に示す。
試験例１(第二樹脂層の温度)
ヒートシンク(材質：銅)の上に、放熱用シリコーン(サンハヤト社製、SCH-30、熱伝導率0.96W/mK)を適量垂らし、その上に光半導体装置を固定し、点灯開始から10秒までは、100mA/秒で電流値を上げ、500mAに達してから3分後の第二樹脂層の最高温度を測定する。なお、温度測定は、サーモグラフィ(チノー社製、CPA1000)を用いて、点灯中の光半導体装置の上方よりフォーカスを合わせて行う。また、樹脂温度は低いほど好ましい。
試験例２(発光輝度)
各光半導体装置を50mAで点灯させ、その際の発光輝度を全天輝度計測に従って測定する。なお、輝度測定には積分球を使用し、マルチ測光システム(大塚電子社製、MCPD-3000)を用いて行う。また、発光輝度(Y値)は2000以上がより好ましい。
Figure 2011082340
表１より、二酸化珪素又は硫酸バリウムを含有する光半導体装置は、第二樹脂層の温度上昇が抑制されている。
本発明のシート状光半導体封止材は、例えば、液晶画面のバックライト、信号機、屋外の大型ディスプレイや広告看板等の半導体素子を製造する際に好適に用いられる。
１ 第一樹脂層
２ 無機粒子
３ 蛍光体を含有する第二樹脂層
４ 第三封止材
５ 金型
６ 基板
７ ＬＥＤチップ

Claims (10)

  1. 無機粒子を含有する第一樹脂層と、その上に直接又は間接的に積層されてなる、蛍光体を含有する第二樹脂層を含んでなる、シート状光半導体封止材。
  2. 第一樹脂層の構成樹脂がシリコーン樹脂を含有してなる、請求項１記載のシート状光半導体封止材。
  3. 無機粒子が、二酸化珪素及び硫酸バリウムからなる群より選ばれる少なくとも１種を含んでなる、請求項１又は２記載のシート状光半導体封止材。
  4. 第二樹脂層の構成樹脂がシリコーン樹脂を含有してなる、請求項１〜３いずれか記載のシート状光半導体封止材。
  5. 無機粒子を含有する第一樹脂層を含むシート状成形体と、蛍光体を含有する第二樹脂層を含むシート状成形体とを含んでなる、光半導体封止用キット。
  6. 第一樹脂層の構成樹脂がシリコーン樹脂を含有してなる、請求項５記載の光半導体封止用キット。
  7. 無機粒子が、二酸化珪素及び硫酸バリウムからなる群より選ばれる少なくとも１種を含んでなる、請求項５又は６記載の光半導体封止用キット。
  8. 第二樹脂層の構成樹脂がシリコーン樹脂を含有してなる、請求項５〜７いずれか記載の光半導体封止用キット。
  9. 請求項１〜４いずれか記載のシート状光半導体封止材を、第一樹脂層が光半導体素子に対向するように、光半導体素子搭載基板上に載置し、加圧成型して封止してなる、光半導体装置。
  10. 請求項５〜８いずれか記載の光半導体封止用キットを用いて封止してなる光半導体装置であって、第一樹脂層を含むシート状成形体を光半導体素子搭載基板上に載置し、さらに、第二樹脂層を含むシート状成形体を積層後、加圧成型して封止してなる、光半導体装置。
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