JP5430850B2 - 半導体発光装置用封止材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光装置の製造方法に関するものである。

発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光装置は、通常発光素子が保護や発色変更のために、封止材で覆われている。特に、白色半導体発光装置は、青色発光素子とこれを覆うように形成された黄色蛍光体を含有する封止材とから構成されている。そして、この白色半導体発光装置の封止材としては、従来、エポキシ樹脂が一般であった（例えば、特許文献１参照）。

ところが、白色半導体発光装置に用いられる青色発光素子は、青色光とともに近紫外線も発光されるため、青色発光素子近傍で、エポキシ樹脂封止材が黄変したり、青色発光素子の発熱により熱劣化したりするという問題があった。特に、電灯などの高輝度が要求される用途では、青色発光素子からの発光量も多く、黄変や熱劣化が起こり易かった。

このため、高輝度環境下においても、近紫外線による黄変が発生せず、耐熱性を有する封止材としてシリコーン樹脂封止材が検討されてきた。しかしながら、ジメチルシロキサンからなるシリコーン樹脂は、発光素子や基板との密着性が悪く、またタック性を有するためゴミなどが付着しやすく、さらに、架橋時に形成される炭素−炭素結合が近紫外線により分解して封止材としての性能が損なわれることがあった。

一方、アルコキシシランモノマーを加水分解・縮合して形成したポリシロキサン膜は、厚膜を形成するとクラックが発生しやすく、発光素子の封止材には不適であった。
特開２００４−３３９３１９公報

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたもので、封止材のクラックの発生を低減した半導体発光装置の製造方法を提供することを目的としている。

上記の課題を達成するために、本発明の半導体発光装置用封止材の製造方法は、下記一般式（１）で表される低分子シラン類または下記一般式（２）で表されるシラノール類、およびアルコキシシロキサンを含有するアルコール混合溶液を調製する第１の工程と、
前記混合溶液を発光素子に塗布する第２の工程と、
前記混合溶液中の前記アルコール溶液成分を室温で乾燥する第３の工程と、
前記第３の工程に引続いて、加熱硬化させる第４の工程と
を備え、
前記封止材中に含まれる、下記一般式（１）で表される前記低分子シラン類または下記一般式（２）で表される前記シラノール類は、前記加熱硬化後の前記封止材重量に対して、１０重量％以上、５０重量％以下の含有量で混合されていることを特徴とする。

また、本発明の半導体発光装置の製造方法は、第１の工程に蛍光体およびフィラーを混合する工程を備えていてもよい。

さらに、本発明の半導体発光装置の製造方法は、第１の工程に、封止材の乾燥重量に対して４０重量％以上、８０重量％以下の蛍光体を混合する工程を備えることが望ましい。

また、さらに第１の工程に、封止材の乾燥重量に対して、０．１重量％以上、２０重量％以下のフィラーを混合する工程を備えていてもよい。

なお、蛍光体は、平均粒径が５μｍ以上、３０μｍ以下であることが好ましい。

さらに、フィラーは、平均粒径が０．００１μｍ以上、０．１μｍ以下であることが望ましい。

上記本発明半導体発光装置の製造方法によれば、封止材のクラックの発生を低減した半導体発光装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。

図1に本発明の半導体発光装置の製造方法のフローチャートを示す。

はじめに、アルコキシシロキサンを含有するアルコール溶液と、一般式（１）で表される低分子シラン類または一般式（２）で表されるシラノール類を混合し、混合溶液を調製する（Ｓ１）。

上記炭素数１〜２０のアルキル基としては、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、ｓ−又はｔ−ブチル、ペンチル、イソペンチル、ネオペンチル、オクチル、イソオクチル、ドデシル、テトラデシル等を挙げることができる。これらのうち、炭素数１〜１２のアルキル基が好ましく、炭素数２〜８のアルキル基がより好ましい。

上記炭素数１〜８の炭化水素基を有していてもよいフェニル基としては、例えば、フェニル、トリル、キシリル、クメニル等のほか、メチル、エチル、プロピル、ブチル、イソブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル等の置換基を有するフェニル基等を挙げることができる。

上記一般式（１）で表される低分子シランにおいてＲ２としては、炭素数２〜８のアルキル基、又は、炭素数１〜２の炭化水素基を有していてもよいフェニル基が好ましい。

上記一般式（１）で表される低分子シランの具体例としては、例えば、Ｒ１がメチル基であるか、エチル基であるか、メチル基が二つにエチル基が一つであるか、又は、メチル基が一つにエチル基が二つであって、そのそれぞれについて、Ｒ２がエチル、イソブチル、イソオクチル又はフェニル等であるもの等が挙げられる。

上記一般式（１）で表される低分子シランとしては、上述の基を有するものの１種又は２種以上を併用することができる。

アルコキシシロキサンはＳｉ−Ｏ結合（シロキサン結合）を持ち、分子内にアルコキシ基を有するものである。具体的には、ポリジアルコキシシロキサン類またはポリアルキル（アリール）アルコキシシロキサン類が好ましく用いられる。ポリジアルコキシシロキサン類としては、ポリ（ジエトキシシロキサン）、ポリ（ジプロポキシシロキサン）、ポリ（ジ−ｔ−ブトキシシロキサン）、ポリ（エトキシブトキシシロキサン）などが挙げられ、なかでも、ポリ（ジ−ｔ−ブトキシシロキサン）が原料として保存安定性に優れているため好ましい。アルコキシシロキサンは、その分子量や構造によって種々の粘度のものがあるためアルコール等通常の溶媒で希釈する。用いられるアルコール溶液としては、メタノール、エタノール、ｎ−プロピルアルコール、ｉ−プロピルアルコール、ｉ−ブチルアルコール、ｎ−ブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール、ｔ−ブチルアルコール、ｎ−ヘキシルアルコール、ｎ−オクチルアルコール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレンモノメチルエーテルアセテート、ジアセトンアルコールなどを挙げることができる。特に好ましくはイソプロピルアルコール、メタノール、n-ブタノールである。アルコキシシロキサンの濃度は、７〜９０％の範囲で、アルコール溶液の濃度は、３〜１０％ である。

一般式（１）で表される低分子シラン類は、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリプロポキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、３，３，３−トリフルオロプロピルトリメトキシシラン、３，３，３−トリフルオロプロピルトリエトキシシラン、パーフルオロオクチルエチルトリエトキシシラン、ブチルトリメトキシシラン、イソブチルトリメトキシシラン、イソブチルトリエトキシシラン、ペンチルトリメトキシシラン、ペンチルトリエトキシシラン、シクロペンチルトリメトキシシラン、シクロペンチルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、シクロヘキシルトリメトキシシラン、シクロヘキシルトリエトキシシラン、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、ベンジルトリメトキシシラン、ベン
オクチルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、トリメトキシシラン、トリエトキシシラン、トリｎ−プロポキシシラン、トリイソプロポキシキシシラン、トリブトキシシラン、トリイソプロペノキシシラン、ジエトキシプロペノキシシラン、メチルジメトキシシラン、メチルジエトキシシラン、メチルジｎ−プロポキシシラン、メチルジイソプロペノキシシラン、メチルジ（２−メトキシエトキシ）シラン、エチルジメトキシシラン、エチルジエトキシシラン、ｎ−プロピルジメトキシシラン、ｎ−プロピルジエトキシヘキシルジメトキシシラン、ヘキシルジエトキシ、オクチルジメトキシシラン、オクチルジエトキシ等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。特に好ましくは、エチルトリエトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、 ブチルトリエトキシシラン、イソブチルトリエトキシシラン、ペンチルトリエトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシランである。

一般式（２）で表される低分子シラノール類としては、トリメチルシラノール、トリエチルシラノール、トリプロピルシラノール、トリブチルシラノール等が挙げられる。特に好ましくはトリエチルシラノールである。

ここで、低分子シラン類（１）またはシラノール類（２）は封止剤の乾燥重量に対して、１０重量％以上、５０重量％以下の含有量で混合するのが望ましい。１０重量％に満たないと、弾性率が下がらないため好ましくなく、また５０重量％を超えると、脆さがでてくるため好ましくない。

なお、封止材の乾燥重量とは、ガラス材料を室温で２日以上放置後、１００℃で２時間硬化させたときの重量のことである。

また、Ｓ１での調製は公知の方法で調製され、ドラフト環境下で行う方法などが挙げられる。好ましくはクリーンルーム条件下で行うのが望ましい。

次に、Ｓ１で調整した混合溶液に蛍光体およびフィラーを添加する（Ｓ２）。

本発明で用いる蛍光体はＳｒ、Ｂａ、Ｅｕ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｏから選ばれる元素で構成された黄色蛍光体ＳＯＳＥまたはＢＯＳＥ、ＹＡＧが用いられる。蛍光体の大きさは、５μｍ以上、３０μｍ以下が好ましい。５μｍに満たないと、発光効率が悪くなり、３０μｍを超えると、封止材中における沈降が著しくなるためであり好ましくない。

発光素子の封止材として用いるためには、一定の大きさの蛍光体粒子を混合溶液内で均一に分散させる必要があるため、増粘効果があるフィラーを添加する。フィラーにはシリカゲル、アルミナ、カオリンクレー、天然珪酸カルシウム、合成珪酸カルシウム、金属酸化物、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、天然シリカ、タルク、炭酸カルシウム、チタン酸カリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、窒化アルミニウム、膣化硼素、ハイドロタルサイト、硼酸亜鉛、硼酸アルミニウム、マイカ、塩基性硫酸マグネシウム、モンロリナナイト、硫酸バリウムがあり、適宜選択され使用される。このフィラーは球状であっても粉砕状であってもよいが、粉砕状の方が増粘効果がより発揮される。なお、フィラーの粒径は０．００１μｍ以上、０．１μｍ以下が好ましく、０．０１０μｍ以上、０．０５０μｍ以下が最も好ましい。０．００１μｍに満たないと、クリーンルームなどでの取り扱いが困難であり、また、０．１μｍを超えると、比表面積が減少し添加重量に対する増粘効果が下がるため好ましくない。フィラーの含有量は、封止材の乾燥重量に対して、１０重量％〜５０重量％である。

なお、蛍光体、フィラーの他に拡散剤を添加することができる。拡散剤には炭酸カルシウム、シリカ、シリコーン、硫化亜鉛、酸化亜鉛、酸化チタン、リン酸チタン、チタン酸マグネシウム、チタン酸マグネシウム、マイカ、ガラスフィラー、硫酸バリウム、クレー、タルク、シリコーンゴム状弾性体、ポリメチルシルセスオキサンなどの無機系拡散剤が挙げられるが、これらは発光素子の光学特性を改善するものであり、均一な光を放つ発光素子を作製することができる。

拡散剤の含有量は、封止材の乾燥重量に対して０〜１０重量％程度である。１０重量％を超えると、機械的強度や発光特性に影響を及ぼす可能性がある。

次に、得られた混合溶液を自転公転ミキサーで混練する（Ｓ３）。

自転公転ミキサーとは材料を入れた容器自体を「自転」させながら同時に「公転」させ、材料内の泡を取りながら、混ぜ合わせる方式の攪拌・脱泡機のことであり、市販のものが使用される。混練する時間は５分程度であり、室温、大気圧の環境で行われる。

次に、発光素子にＳ３で混練した混合溶液を塗布する（Ｓ４）。

図２に半導体発光装置の断面模式図の一例を示す。半導体発光装置１はリードフレーム２の表面にＡｇメッキを施した凹部４を介して、発光素子７を載置している。リードフレーム２の上部にはすり鉢状にダイボンド材５を形成し、リードフレーム２の凹部とダイボンド材５のすり鉢状部には封止材６を充填している。

発光素子７は３６５〜５５０ｎｍの波長で発光する窒化ガリウム系化合物からなり、本実施形態では発光波長のピークが４４０〜４７０ｎｍのＧａＮ系の青色発光半導体素子を使用する。青色発光半導体素子は、周知のエピタキシャル成長法等でサファイアを含有する基体としてリードフレーム２上に形成され、Ｉｎ（１−Ｘ）ＧａＸＮ（０＜Ｘ≦１）で表される。発光素子７にはＳ３で得られた混合溶液を塗布し、その上面および側面が被覆される。

次に、Ｓ４で得られた半導体発光装置１を室温で乾燥する（Ｓ５）。

半導体発光装置１に塗布された混合溶液は、空気中または酸素雰囲気中で加熱すると、成分の分解または酸素の吸収により透明な封止材を形成する。

最後に、Ｓ５で得られた半導体発光装置１を加熱、硬化させる（Ｓ６）。

発光素子７の上部より蛍光体を含む混合溶液をリードフレーム２の凹部４とダイボンド材５のすり鉢状部に注入して、約１５０℃〜２００℃の温度で加熱、硬化させる。封止材６の焼成温度は発光素子７の接合部の融点よりも十分に低い。封止材６上部には発光素子７から発光され、凹部４の表面で反射した光を集光するレンズ部（図示しない）が形成される。

なお、発光素子７の上面および側面を被覆をした後、筺体２の凹部とダイボンド材５のすり鉢状部にわたって、同じ混合溶液を封止材６として充填することが望ましいが、別の被覆材、封止材でもよい。

（実施例１）
（サンプル板作製）
アルコキシシロキサンを含有するアルコール溶液としてテリオスコート（（株）日興製）３mＬをピペットで量りとりアルミプレートに滴下し、低分子シラノールとしてトリエチルシラノールを封止材の乾燥重量の１０重量％である０．１７ｍＬ加え混合溶液を調製した。

常温で２日間乾燥させたところ、末端部、中心部ともアルミプレートと付着しており、全く反りのない組成物が得られた。平均厚みは４２０μｍであった。

（半導体発光装置作製)
サンプル板と同様の割合でテリオスコート及びトリエチルシラノールをガラス容器中に調整し、自転公転ミキサーで５分間攪拌した。得られた溶液を半導体発光装置の凹部内に注入し、常温で２日間乾燥後、乾燥機で２００℃で焼成した。得られた封止材のクラックの発生率、膜厚を表１に示す。

（実施例２)
封止材の乾燥重量の３０重量％のトリエチルシラノールを加える以外は実施例１と同様の操作を行った。クラックの発生確率を表１に示す。

（実施例３）
封止材の乾燥重量の５０重量％のトリエチルシラノールを加える以外は実施例１と同様の操作を行った。クラックの発生確率を表１に示す。

（比較例１）
（サンプル板作製）
テリオスコートを３ｍｌ量りとり、アルミカップ上に滴下し、常温で二日間乾燥させた。封止材の中心はアルミプレートに接触していたが、末端部が5mmほど浮き上がり、反りのある組成物が得られた。

（半導体発光装置作製)
封止材の乾燥重量の７０重量％のトリエチルシラノールを加える以外は実施例１と同様の操作を行った。クラックの発生はなかったが、透明度が悪くなり白色を帯びた材料となり非常に脆いものとなった。これは材料中のＳｉ−Ｏ結合の数が減少するためと考えられる。

（比較例２）
テリオスコートのみを半導体発光装置の凹部内に注入し、常温で２日間乾燥後、乾燥機で２００℃で焼成した。クラックの発生率は１００％となった。

（比較例３）
低分子シランとして、０．１７ｍＬのドデシルメトキシシランを用いて混合溶液を調製した。

封止材は、表面に深さ２ｍｍ程度の凹凸が確認され平坦性が確認できなかった。なお、焼成後のクラックの発生率、膜厚を表１に示す。

本発明の半導体発光装置の製造方法の一例を示すフローチャート。 半導体発光装置の断面模式図。

符号の説明

１ 半導体発光装置
２ リードフレーム
３ 絶縁性樹脂
４ 凹部
５ ダイボンド材
６ 封止材
７ 発光素子

Claims (6)

1. 「下記一般式（１）で表される低分子シラン類または下記一般式（２）で表されるシラノール類、およびアルコキシシロキサンを含有するアルコール混合溶液を調製する第１の工程と、
   前記混合溶液を発光素子に塗布する第２の工程と、
   前記混合溶液中の前記アルコール溶液成分を室温で乾燥する第３の工程と、
   前記第３の工程に引続いて、加熱硬化させる第４の工程と
   を備え、
   前記封止材中に含まれる、下記一般式（１）で表される前記低分子シラン類または下記一般式（２）で表される前記シラノール類は、前記加熱硬化後の前記封止材重量に対して、１０重量％以上、５０重量％以下の含有量で混合されていることを特徴とする半導体発光装置用封止材の製造方法。
   

   

   
2. 前記第１の工程は、蛍光体およびフィラーを混合する工程を備えることを特徴とする請求
   項１に記載の半導体発光装置用封止材の製造方法。
3. 前記第１の工程は、前記封止材の乾燥重量に対して、４０重量％以上、８０重量％以下の
   前記蛍光体を混合する工程を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発
   光装置用封止材の製造方法。
4. 前記第１の工程は、前記封止材の乾燥重量に対して、０．１重量％以上、２０重量％以下
   の前記フィラーを混合する工程を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記
   載の半導体発光装置用封止材の製造方法。
5. 前記蛍光体は、平均粒径が、５μｍ以上、３０μｍ以下であることを特徴とする請求項２
   乃至４のいずれかに記載の半導体発光装置用封止材の製造方法。
6. 前記フィラーは、平均粒径が、０．００１μｍ以上、０．１μｍ以下であることを特徴と
   する請求項２乃至４のいずれかに記載の半導体発光装置用封止材の製造方法。

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