(57)【要約】【課題】  信頼性および光透過性に優れた光半導体素子を提供することにある。【解決手段】  光半導体チップ２を封止するモールド樹脂部７は、シリカガラスからなる透明フィラ４を含有するフェノール系硬化樹脂５を含んでいる。上記透明フィラ４と上記フェノール系硬化樹脂５との屈折率の差は少ないので、上記モールド樹脂部７の光透過率の低減を防止できる。また、上記透明フィラ４を含有するので、上記モールド樹脂部７の線膨張係数を低減できて、ワイヤの断線やパッケージクラックの発生を抑制できる。【選択図】  図１
2006179804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光半導体チップと、
この光半導体チップを封止する透光性を有するモールド樹脂部と
を備え、
上記光半導体チップは、上記モールド樹脂部の外部へ光を出射し、または、上記モールド樹脂部の外部から光を入射し、
上記モールド樹脂部は、シリカガラスからなる透明フィラを含有するフェノール系硬化樹脂を含むことを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光半導体素子において、
上記透明フィラと上記フェノール系硬化樹脂との屈折率の差の絶対値は、０．０２以下であることを特徴とする光半導体素子。
【請求項３】
請求項１に記載の光半導体素子において、
上記フェノール系硬化樹脂に含有される上記透明フィラの含有量は、４０〜８０ｗｔ％であることを特徴とする光半導体素子。
【請求項４】
請求項１に記載の光半導体素子において、
上記透明フィラは、略球状であることを特徴とする光半導体素子。
【請求項５】
請求項４に記載の光半導体素子において、
上記モールド樹脂部は、レンズを設けていることを特徴とする光半導体素子。
【請求項６】
請求項１に記載の光半導体素子において、
上記モールド樹脂部は、離型剤を含むことを特徴とする光半導体素子。
【請求項７】
請求項１に記載の光半導体素子を備えたことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、光半導体チップを有する光半導体素子、および、この光半導体素子を備える電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）またはフォトトランジスタ（ＰＴ：Photo transistor）等の光を送信または受信する機能を有する光半導体素子や、発光ダイオードとともにその光信号を制御する機能を持つＩＣを有する光半導体素子に関して、封止樹脂には、透明性に優れていることから酸無水物系硬化剤を含有するエポキシ樹脂（以下、酸無水系硬化エポキシ樹脂という）が用いられている。
【０００３】
例えば、上記光半導体素子は、図６に示すように、リードフレーム５１と、このリードフレーム５１に搭載された光半導体チップ５２とを備え、この光半導体チップ５２と上記リードフレーム５１とは、（金線等の）ワイヤ５３によって、電気的に接続されている。そして、上記光半導体チップ５２および上記ワイヤ５３は、酸無水系硬化エポキシ樹脂５４によって、封止されている。
【０００４】
この酸無水系硬化エポキシ樹脂５４は、光の送信や受信の効率向上のために、レンズ状に成型されている。この光半導体素子の成型時には、１ショット毎に、外部離型剤を金型に塗布して生産を行っている。この光半導体素子の一般的な動作温度の範囲は、−１０〜６０℃程度である。
【０００５】
一方、発光ダイオードとフォトダイオード（またはフォトトランジスタ）とを１つのパッケージ内で結合させた光結合半導体素子（フォトカプラやフォトインタラプタ等）に関して、封止樹脂には、透明性よりも高い信頼性が要求されるため、吸湿が少ないフェノール系硬化剤を含有するエポキシ樹脂（以下、フェノール系硬化エポキシ樹脂という）が用いられている。さらに、シリカ等のフィラを含有して線膨張係数を低減した樹脂が採用されている。
【０００６】
例えば、上記光結合半導体素子がフォトカプラである場合、このフォトカプラは、図７に示すように、リードフレーム５１と、このリードフレーム５１に搭載された発光側の光半導体チップ５２ａおよび受光側の光半導体チップ５２ｂとを備え、上記発光側の光半導体チップ５２ａおよび上記受光側の光半導体チップ５２ｂと上記リードフレーム５１とは、（金線等の）ワイヤ５３によって、電気的に接続されている。
【０００７】
上記発光側の光半導体チップ（ＬＥＤ）５２ａには、応力緩和のために、シリコーン樹脂５５によって、プリコートを施している。上記リードフレーム５１を半透明のフェノール系硬化エポキシ樹脂５６で１層目の成型を行い、さらに、この半透明のフェノール系硬化エポキシ樹脂５６の外側を不透明のフェノール系硬化エポキシ樹脂５７で覆っている。この両方の樹脂５６，５７には、フィラが含有されており、ヒートサイクル性、耐熱性および耐湿性に優れている。この光結合半導体素子の一般的な動作温度の範囲は、−４０〜１０５℃程度である。
【０００８】
現在、自動車のインテリジェント化が進み、車内の様々なセンサとして使用される光半導体素子についても、高い信頼性が要求されつつある。要求される動作温度は、前述したフォトカプラと同等のレベル（つまり、動作温度の範囲が、−４０〜１０５℃程度である）であり、この動作温度の範囲でのヒートサイクル試験や高温高湿試験に耐えうる素子が必要である。
【０００９】
しかし、現行の光半導体素子に関しては、図６を用いて、前述した通り酸無水系硬化エポキシ樹脂５４が使用されている。この酸無水系硬化エポキシ樹脂５４は、透明性に優れているが吸湿性が高いために、高温高湿の条件下では、光半導体素子内部の上記半導体チップ５２に影響を与えやすい。また、上記リードフレーム５１、上記光半導体チップ５２および上記ワイヤ５３と、上記酸無水系硬化エポキシ樹脂５４との線膨張係数が大きく異なることによって、高温時には、上記ワイヤ５３の断線やパッケージのクラック等が発生する等の課題があり、車載デバイスとしての厳しい環境下での使用には問題があった。
【００１０】
これらの欠点を解決するために、樹脂にフィラを含有し線膨張係数を下げて信頼性を向上させる方法や、エポキシ樹脂にシリコーン系付与剤を含有する方法等が知られているが、車載用途の信頼性レベル（つまり、動作温度の範囲が、−４０〜１０５℃程度である）には至っていない。
【００１１】
そして、特開平６−１８４２８１号公報には、信頼性に優れたフェノール系硬化エポキシ樹脂の光透過性を上げる手段が開示されている。しかし、この樹脂はフィラを含有していないので、リードフレームおよび内部素子と上記樹脂との線膨張係数の差が大きくなって、上述の車載用途の信頼性レベルは満足しない。
【００１２】
また、特開昭６１−１７６１６９号公報には、フェノール系硬化エポキシ樹脂の光結合効率を上げる手段が示されている。しかし、この光半導体素子においては、更なる光透過性の向上が必要である。
【００１３】
また、特開２００３−３０４３号公報には、優れた透明性を維持し、信頼性に優れた樹脂が開示されている。しかし、使用する透明フィラが無アルカリガラス系からなるものであり、光の屈折率や樹脂の膨張係数等を調整するための添加剤が含有されないという欠点がある。
【特許文献１】特開平６−１８４２８１号公報
【特許文献２】特開昭６１−１７６１６９号公報
【特許文献３】特開２００３−３０４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、この発明の課題は、信頼性および光透過性に優れた光半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、この発明の光半導体素子は、
光半導体チップと、
この光半導体チップを封止する透光性を有するモールド樹脂部と
を備え、
上記光半導体チップは、上記モールド樹脂部の外部へ光を出射し、または、上記モールド樹脂部の外部から光を入射し、
上記モールド樹脂部は、シリカガラスからなる透明フィラを含有するフェノール系硬化樹脂を含むことを特徴としている。
【００１６】
ここで、フェノール系硬化樹脂とは、フェノール系硬化剤を含有する（エポキシ樹脂等の）樹脂である。
【００１７】
この発明の光半導体素子によれば、上記シリカガラスからなる透明フィラと上記フェノール系硬化樹脂との屈折率の差が少ないので、上記モールド樹脂部の光透過率の低減を防止できる。また、上記シリカガラスからなる透明フィラを含有するので、上記モールド樹脂部の線膨張係数を低減でき、上記光半導体チップ、リードフレームおよびワイヤ（金線）との線膨張係数の差異を小さくすることができて、熱ストレスによるボンディングワイヤの断線やパッケージクラックの発生を抑制できる。
【００１８】
このように、信頼性および光透過性に優れた光半導体素子を実現できる。特に、車載用デバイスに要求される高い信頼性レベル（例えば、動作温度が−４０℃〜１０５℃である）を満足している。
【００１９】
また、一実施形態の光半導体素子では、上記透明フィラと上記フェノール系硬化樹脂との屈折率の差の絶対値は、０．０２以下である。
【００２０】
この一実施形態の光半導体素子によれば、上記透明フィラと上記フェノール系硬化樹脂との屈折率の差の絶対値は、０．０２以下であるので、上記モールド樹脂部の光透過率は、ほとんど低減しない。
【００２１】
また、一実施形態の光半導体素子では、上記フェノール系硬化樹脂に含有される上記透明フィラの含有量は、４０〜８０ｗｔ％である。
【００２２】
この一実施形態の光半導体素子によれば、上記透明フィラの含有量は、４０〜８０ｗｔ％であるので、上記モールド樹脂部とこのモールド樹脂部に封止される部材（以下、被封止部材という）との線膨張係数の差を確実に低減できて、信頼性に優れたものになる。すなわち、上記透明フィラの含有量が４０ｗｔ％未満であると、上記モールド樹脂部と上記被封止部材との線膨張係数の差が大きくなって、ワイヤの断線やパッケージクラックが発生するおそれがある一方、上記透明フィラの含有量が８０ｗｔ％を越えると、成型時の樹脂の流れが悪くなる欠点がある。
【００２３】
また、一実施形態の光半導体素子では、上記透明フィラは、略球状である。
【００２４】
この一実施形態の光半導体素子によれば、上記透明フィラは、略球状であるので、上記透明フィラと上記フェノール系硬化樹脂との界面での光の散乱が抑えられる。
【００２５】
また、一実施形態の光半導体素子では、上記モールド樹脂部は、レンズを設けている。
【００２６】
この一実施形態の光半導体素子によれば、上記モールド樹脂部は、レンズを設けているので、上記球状の透明フィラとともに、光出力を向上できて、光透過性の優れたものになる。
【００２７】
また、一実施形態の光半導体素子では、上記モールド樹脂部は、離型剤を含む。
【００２８】
この一実施形態の光半導体素子によれば、上記モールド樹脂部は、離型剤を含むので、この光半導体素子を金型にてモールド成型する前に、この金型に離型剤を塗布する必要がなくて、製造効率を向上できる。
【００２９】
また、この発明の電子機器は、上記光半導体素子を備えることを特徴としている。
【００３０】
この発明の電子機器によれば、上記光半導体素子を備えているので、例えば車載用デバイスとしての厳しい環境下で使用することができる。
【発明の効果】
【００３１】
この発明の光半導体素子によれば、上記モールド樹脂部は、シリカガラスからなる透明フィラを含有するフェノール系硬化樹脂を含むので、信頼性および光透過性に優れた光半導体素子を実現できる。
【００３２】
また、この発明の電子機器によれば、上記光半導体素子を備えているので、例えば車載用デバイスとしての厳しい環境下で使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３４】
（第１の実施形態）
図１は、この発明の光半導体素子の一実施形態である断面図を示している。この光半導体素子は、リードフレーム１と、このリードフレーム１に搭載された光半導体チップ２とを備える。
【００３５】
上記光半導体チップ２は、上記リードフレーム１に、Ａｇペースト等の導電性樹脂を用いてダイボンドされている。上記リードフレーム１と上記光半導体チップ２とは、（金線等の）ワイヤ３によって、電気的に接続されている。
【００３６】
上記光半導体チップ２および上記ワイヤ３は、透光性を有するモールド樹脂部７によって、封止されている。
【００３７】
上記光半導体チップ２は、例えば、発光ダイオードであって、上記モールド樹脂部７の外部へ光を出射する。または、上記光半導体チップ２は、例えば、フォトダイオードであって、上記モールド樹脂部７の外部から光を入射する。
【００３８】
上記モールド樹脂部７は、複数の透明フィラ４を含有するフェノール系硬化樹脂５を含む。このフェノール系硬化樹脂５とは、フェノール系硬化剤を含有する（エポキシ樹脂等の）樹脂である。上記透明フィラ４は、略球状であり、シリカガラスからなる。
【００３９】
上記モールド樹脂部７は、レンズ６を設けている。すなわち、上記樹脂５には、上記レンズ６が一体に形成されている。上記レンズ６内には、上記透明フィラ４が配置している。
【００４０】
次に、図２は、フィラの含有量と光出力との関係を示す。図２に示すように、フィラの含有量が０％の場合の光出力を１とすると、フィラの含有量が８０％の場合、通常フィラの光出力は、０．４程度に低下する一方、透明フィラの光出力は、実使用上問題のない０．９程度の低下におさまっている。ここで、通常フィラとは、屈折率の調整を行っていない破砕状のフィラのことである。
【００４１】
このように、この発明の光半導体素子では、上記透明フィラ４を用いているので、通常フィラに比較して、光出力が一層良好になる。
【００４２】
次に、図３は、透明フィラの屈折率と光出力との関係を示す。図３に示すように、屈折率が１．６２の場合の光出力を１とすると、含有する透明フィラの屈折率が１．６０、１．６４では、光出力が±１０％の範囲におさまっており、含有する透明フィラの屈折率が１．５７では、光出力が２０％程度低下することがわかる。
【００４３】
このように、ベースである上記フェノール系硬化樹脂５の屈折率が１．６２であることより、上記透明フィラ４と上記フェノール系硬化樹脂５との屈折率の差の絶対値を、０．０２以下とすることで、上記モールド樹脂部７の光透過率は、ほとんど低減しない。
【００４４】
次に、図４は、透明フィラの含有量と線膨張係数との関係を示す。まず、この発明の光半導体素子に使用される部材の線膨張係数について説明する。上記リードフレーム１は、１７ｐｐｍ程度であり、上記光半導体チップ２は、３〜８ｐｐｍ程度であり、上記ワイヤ（金線）３は、１４ｐｐｍ程度である。
【００４５】
そして、上述した車載用途の信頼性を確保するために（つまり、−４０〜１０５℃程度の使用に耐えうるために）、上記各部材間の線膨張係数を、できるだけ合わせ込むことが重要である。上記部材の線膨張係数を踏まえると、上記モールド樹脂部７の線膨張係数は少なくとも４０ｐｐｍ以下にする必要がある。なお、従来の光半導体素子に用いられている酸無水系硬化エポキシ樹脂の線膨張係数は、６５ｐｐｍ程度である。
【００４６】
つまり、図４に示すように、透明フィラの含有量は、４０ｗｔ％以上が必要となる。一方、透明フィラの含有量を増やしすぎると、成型時の樹脂の流れが悪くなる欠点があるので、成型上、透明フィラの含有量の上限は、８０ｗｔ％である。
【００４７】
このように、上記透明フィラの含有量を、４０〜８０ｗｔ％とすることで、上記モールド樹脂部７とこのモールド樹脂部７に封止される上記部材（以下、被封止部材という）との線膨張係数の差を確実に低減できて、信頼性に優れたものになる。
【００４８】
上記構成の光半導体素子によれば、上記フェノール系硬化樹脂５を使用し、さらに、上記フェノール系硬化樹脂５との屈折率の差の絶対値を０．０２以下としたシリカガラスからなる上記透明フィラ４を、４０〜８０ｗｔ％含有することによって、酸無水系硬化樹脂と同等レベルの光透過性を有し、かつ、上記ワイヤ３の断線やパッケージクラックの発生が抑えられて、信頼性の高い光半導体素子の提供が可能になる。
【００４９】
次に、図５は、球状の透明フィラの有無およびレンズ構造の有無による光出力特性について示す。図５に示すように、上記球状の透明フィラを含有した場合、上記透明フィラと上記フェノール系硬化樹脂との界面での光の散乱が抑えられると共に、フィラなしと比較して、光出力のレンズによる効果が大きいことがわかる。
【００５０】
すなわち、上記球状の透明フィラを含有し、さらに、上記モールド樹脂部に上記レンズを設ける（つまり、パッケージをレンズ状に成型してレンズ構造にする）ことで、光出力を向上させることが可能となり、さらに、光透過性の優れた光半導体素子の提供が可能になる。
【００５１】
（第２の実施形態）
上記第１の実施形態と相違する点を説明すると、この第２の実施形態では、上記モールド樹脂部７は、離型剤を含む。このように、上記フェノール系硬化樹脂５に離型剤を含有させることにより、製造効率の優れた光半導体素子の提供が可能となる。
【００５２】
すなわち、通常、酸無水系硬化樹脂での樹脂の封止工程では、モールド成型の１ショット毎に、離型剤を金型上に塗布して、生産を行っていた。しかし、金型に離型剤を塗布する工程がネックになって、生産の自動化に支障をきたしていた。そこで、この生産上の問題点をクリアするために、予め樹脂に離型剤を含有させておいて、１ショット毎の離型剤の塗布工程を削減して、生産の自動化が可能になった。要するに、この光半導体素子を金型にてモールド成型する前に、この金型に離型剤を塗布する必要がなくて、製造効率を向上できる。
【００５３】
（第３の実施形態）
この発明の電子機器は、上記第１の実施形態または上記第２の実施形態の光半導体素子を備えている。この電子機器は、特に動作温度範囲の広い環境に使用される電子機器であり、例えば、車載用機器、工場内のロボットのセンサ、または、制御用機器等の電子機器である。上記車載用機器は、例えば、カーオーディオ、カーナビまたはセンサ等である。
【００５４】
上記電子機器は、一般的な環境で使用される電子機器であり、例えば、デジタルＴＶ(television：テレビジョン)、デジタルＢＳ(Broadcasting Satellite：ブロードキャスティング・サテライト)チューナ、ＣＳ(Communication Satellite：コミュニケーション・サテライト)チューナ、ＤＶＤ(Digital Versatile Disc：デジタル多用途ディスク)プレーヤー、スーパーオーディオＣＤ(Compact Disc：コンパクト・ディスク)プレーヤー、ＡＶ(Audio Visual：オーディオ・ビジュアル)アンプ、オーディオ、パソコン、パソコン周辺機器、携帯電話、または、ＰＤＡ(Personal Digital Assistant：パーソナル・デジタル・アシスタント)等の電子機器である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の光半導体素子の一実施形態を示す断面図である。
【図２】フィラの含有量と光出力との関係を示すグラフ図である。
【図３】透明フィラの屈折率と光出力との関係を示すグラフ図である。
【図４】透明フィラの含有量と線膨張係数との関係を示すグラフ図である。
【図５】透明フィラの有無およびレンズ構造の有無と光出力との関係を示すグラフ図である。
【図６】従来の光半導体素子を示す断面図である。
【図７】従来の光結合半導体素子（フォトカプラ）を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１    リードフレーム
２    光半導体チップ
３    ワイヤ（金線）
４    透明フィラ
５    フェノール系硬化樹脂
６    レンズ
７    モールド樹脂部
５１    リードフレーム
５２    光半導体チップ
５２ａ    発光側の光半導体チップ
５２ｂ    受光側の光半導体チップ
５３    ワイヤ（金線）
５４    酸無水系硬化エポキシ樹脂
５５    シリコーン樹脂
５６    半透明のフェノール系硬化エポキシ樹脂
５７    不透明のフェノール系硬化エポキシ樹脂
【図１】
2006179804.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006179804.tif 000005
【図４】
2006179804.tif 000006
【図５】
2006179804.tif 000007
【図６】
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【図７】
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