(57)【要約】      （修正有）【課題】封止樹脂とレンズの境界面での剥離を防止するとともに、指向特性及び輝度が低下することを抑制することが可能な半導体装置を提供する。さらに、酸化や硫化によるリードフレームの変色を防止し、反射率の低下を抑制することにより良好な発光特性を維持することが可能な光半導体装置を提供する。【解決手段】封止樹脂４と接触するレンズ１の少なくとも一部表面（空洞部１０２の表面）に対し、レンズ１及び封止樹脂４の双方に対して結合性を有する機能性有機分子の自己組織化膜として、有機被膜３を配設する。【選択図】図２
2011192874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に発光素子が実装され、当該発光素子を取り囲んで収容するようにリフレクターが配設されるとともに、前記リフレクターに取り囲まれる領域に封止樹脂が充填され、封止樹脂上にレンズが設けられた光半導体装置であって、
封止樹脂と接するレンズ表面には有機被膜が形成され、
当該有機被膜は、レンズ及び封止樹脂の双方に対して結合性を有する機能性有機分子を用いて構成されている
ことを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
レンズ及び封止樹脂はシリコーン樹脂を用いて構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
有機被膜は、機能性有機分子の自己組織化により形成されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
機能性有機分子は、主鎖部がグリコール鎖、メチレン鎖、フルオロメチレン鎖、またはシロキサン鎖のいずれか一つを含み、
前記主鎖部の一端にはヒドロキシル基に対する結合性を呈する化合物、化学構造体若しくは誘導体の少なくともいずれかで構成された第一官能基が存在し、
前記主鎖部のもう一方の一端にはシリコーン樹脂材料に対する結合性を呈する化合物、化学構造体若しくは誘導体の少なくともいずれかで構成された第二官能基が存在する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光半導体装置に関し、透明樹脂からなるカバーと封止樹脂との密着性を向上させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＬＥＤ素子等の半導体発光素子を利用した光半導体装置として、特許文献１に記載する構成等が知られている。図３は、従来の一般的な光半導体装置の構成を示す図である。
図３（ｂ）に示す光半導体装置１０Ｘでは、リードフレーム９を一部露出するように樹脂１１でモールドしてなる基板１２に対し、リードフレーム９上のダイパッド部に導電ペースト８を用いて半導体発光素子（ＬＥＤ素子）７が実装される。ＬＥＤ素子７は別途、ボンディングワイヤー６を用いてリードフレーム９のワイヤーボンディング領域とボンディングされる。このＬＥＤ素子７の実装領域を取り囲むように、反射面を持つリフレクター５が配設され、リフレクター５の内部に透明なシリコーン樹脂等からなる封止樹脂４が充填される。この封止樹脂４の上には、透明なカバー（レンズ１）が密着するように配設される。
【０００３】
図３（ａ）にレンズ１の外観を示す。レンズ１は、適度な柔軟性及び弾力性を有する樹脂材料で構成されており、ＬＥＤ素子７からの出射光を平行にする光学手段として用いられる。その構成としては、リング状の樹脂材料からなるベース部１０１に支持フレーム２を介し、その上に半球状のドーム部１００を形成してなる。レンズ１の内部には空洞部１０２が設けられている。支持フレーム２はレンズ１を補強し、寸法安定性を付与するものであり、ステンレス鋼またはこれに類似する金属材料で構成される。このようなレンズ１は、ベース部１０１の上に支持フレームを載置し、当該支持フレームの上に樹脂材料をオーバーモールドしてドーム部１００を形成して得られる。支持フレーム２を利用することで、レンズ１が不要な変形を生じるのを防止し、レンズ１を基板１２側に配設できるように図られている。
【０００４】
なお、レンズ１は封止樹脂４と同様にシリコーン樹脂等で構成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００７−５２０８９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで従来の光半導体装置では、レンズと封止樹脂との結合力が不足し、レンズと封止樹脂の境界面で剥離が発生することにより、半導体装置の指向特性及び輝度が低下するという課題が存在する。
また、一般的に半導体装置の封止樹脂には、耐光性と耐熱性に優れているシリコーン樹脂が用いられているが、シリコーン樹脂はガス透過性が高く、大気中のガスを容易に透過させるので、半導体発光素子を電気接続するリードフレームのダイパッド部やワイヤーボンディング部が変色するという課題を有する。さらに、リードフレームのダイパッド部にＡｇなどが用いられる場合には、封止樹脂中に侵入した大気中のガスが封止樹脂中の添加物と反応することで、酸化や硫化による変色を起こす問題が顕著になり、反射率が低下し光半導体装置の発光特性を著しく低下させるという課題がある。
【０００７】
本発明は、以上の各課題に鑑みてなされたものであって、第一の目的として、封止樹脂とレンズの境界面での剥離を防止するとともに、指向特性及び輝度が低下することを抑制することが可能な半導体装置を提供する。さらに第二の目的として、酸化や硫化によるリードフレームの変色を防止し、反射率の低下を抑制することにより良好な発光特性を維持することが可能な光半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明は、基板上に発光素子が実装され、当該発光素子を取り囲んで収容するようにリフレクターが配設されるとともに、前記リフレクターに取り囲まれる領域に封止樹脂が充填され、封止樹脂上にレンズが設けられた光半導体装置であって、
封止樹脂と接するレンズ表面には有機被膜が形成され、
当該有機被膜は、レンズ及び封止樹脂の双方に対して結合性を有する機能性有機分子を用いて構成されているものとした。
【０００９】
ここで、レンズ及び封止樹脂はシリコーン樹脂を用いて構成することもできる。
また、有機被膜は、機能性有機分子の自己組織化により形成することもできる。
また、機能性有機分子は、主鎖部がグリコール鎖、メチレン鎖、フルオロメチレン鎖、またはシロキサン鎖のいずれか一つを含み、前記主鎖部の一端にはヒドロキシル基に対する結合性を呈する化合物、化学構造体若しくは誘導体の少なくともいずれかで構成された第一官能基が存在し、前記主鎖部のもう一方の一端にはシリコーン樹脂材料に対する結合性を呈する化合物、化学構造体若しくは誘導体の少なくともいずれかで構成された第二官能基が存在する構成とすることもできる。
【発明の効果】
【００１０】
以上の構成を有する本発明の半導体発光装置では、封止樹脂と接触するレンズ表面に、レンズ及び封止樹脂の双方に対して結合性を有する機能性有機分子からなる有機被膜を配設する。これにより、封止樹脂とレンズとが良好に結合するため、これらの境界面においてレンズが剥離を発生する問題が効果的に防止できる。これにより本来、当該光半導体装置に求められる指向特性及び輝度を発揮することが期待できる。
【００１１】
しかも、有機被膜がレンズと封止樹脂との間に介在することで、大気中の水分や酸素等の不要ガスが封止樹脂側に侵入するのが遮断されるため、半導体発光素子を電気接続するリードフレームのダイパッド部やワイヤーボンディング部の反射体が、封止樹脂中に含まれる微量の添加物によって酸化や硫化反応を生じ、これにより変色する問題が防止される。従って、長期にわたって安定的に反射率の低下が生じることなく、高い信頼性で駆動することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態における光半導体装置に使用するレンズの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における光半導体装置の構成を示す断面図である。
【図３】従来の光半導体装置の構成を示す断面図とレンズの構成を示す外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は、本発明の実施の形態における光半導体装置に用いるレンズ１の構成を示す断面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ部拡大図である。
図１（ａ）に示すレンズ１は、リング状のベース部１０１の上に同様の形状を有する支持フレーム２を載置し、その上に所定の樹脂材料を射出成型（オーバーモールド）してドーム部１００を形成したレンズ構造体である。ベース部１０１、ドーム部１００は、いずれも適度な透明性、柔軟性及び弾力性を有するシリコーン樹脂等の樹脂材料で構成される。
【００１４】
支持フレーム２は、鉄などの金属薄板材料をプレスまたはエッチング加工して形成される。
ドーム部１００の裏面には空洞部１０２が設けられている。この空洞部１０２の表面には、図１（ｂ）に示すように、機能性有機分子を用いてなる有機被膜３が形成されている。
【００１５】
図２（ａ）は、レンズ１を用いた光半導体装置１０の構成を示す断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ部拡大図である。当該光半導体装置１０の構成は、有機被膜３以外の部分は従来構成（図３）とほぼ同様である。
光半導体装置１０では、所定の形状にパターニングされたリードフレーム９を樹脂１１でモールド成形してなる基板１２に対し、その上面において、凹部断面形状を持つリフレクター５が形成される。リフレクター５に取り囲まれる領域において露出しているリードフレーム９の表面（ダイパッド部）には、導電ペースト８を介して半導体発光素子（ＬＥＤ素子６）がマウントされる。ＬＥＤ素子６は、別途、ボンディングワイヤー４を用いてリードフレーム９の別の領域（ワイヤーボンディング部）と導通接続（ボンディング）されている。
【００１６】
ＬＥＤ素子６はリフレクター５に取り囲まれた領域に収容されるように配された状態で、上方より封止樹脂４が充填される。封止樹脂４の上方には、前記レンズ１が密着されるように配される。
リードフレーム９は、支持フレーム２と同様に、鉄などの金属薄板材料をプレスまたはエッチング加工により成形されてなる。
【００１７】
リフレクター５は、エポキシ系、シリコーン系の樹脂を成型し、その表面に金属薄膜による反射面が形成されてなる。
導電ペースト９は例えばＡｇペーストを利用することができる。
ボンディングワイヤー６は例えばＡｕ等の導電性に優れる金属細線で構成される。
封止樹脂５は、良好な透光性を有する樹脂、例えばエポキシ系やシリコーン系の樹脂を利用することができる。
【００１８】
ここで光半導体装置１０では、封止樹脂４と接触するレンズ１の少なくとも一部以上の表面（ここでは主に空洞部１０２の表面）に、所定の機能性有機分子からなる有機被膜３を配している。有機被膜４は図１（ｂ）、図２（ｂ）にそれぞれ示すように、主鎖部Ｂ１の一端側に、レンズ表面と結合性を呈する官能基ａ１が配され、主鎖部ｂ１の他端側に、封止樹脂４と結合性を呈する官能基ｃ１がそれぞれ配されてなる。
【００１９】
このような特性を持つ機能性有機分子からなる有機被膜３の配設により、光半導体装置１０では、レンズ１と封止樹脂４の境界面の接合強度が向上される。その結果、封止樹脂４とレンズ１の境界面においてレンズ１の剥離が効果的に防止され、長期にわたり、優れた指向特性及び輝度低下の防止効果を期待することができる。
また、有機被膜３は所定の機能性有機分子が自己組織化によって緻密に配列してなる単分子膜として構成されており、ガス透過性が極めて低く、良好な遮断効果を発揮する。従って、レンズ１と封止樹脂４との間に有機被膜３を配設することにより、大気中の水分や酸素等の不要な腐食性ガスが封止樹脂４側に侵入するのが防止され、リードフレーム９のダイパッド部やワイヤーボンディング部の変色を抑制することができる。さらに、これらのガスが封止樹脂４中に含まれる添加物と酸化反応や硫化反応を生じ、リードフレームが変色して反射率が低下する問題も防止される。このため、リードフレームにＡｇ等を用いても良好な反射率を維持することができる。
【００２０】
なお、有機被膜３はリフレクター５の反射面にも設けることができる。これにより、リフレクター５を腐食ガスから保護する効果が期待でき、長期にわたり良好な反射率を得ることができる。
（機能性有機分子について）
次に有機被膜３を構成する機能性有機分子の化学構造について、詳細に説明する。
【００２１】
図１（ｂ）、図２（ｂ）に示されるように機能性有機分子は、第一官能基ａ１、主鎖部ｂ１、第二官能基ｃ１が同順に結合される。その化学構造は一般式としてａ１−ｂ１−ｃ１で表すことができる。
このうち主鎖部ｂ１は、グリコール鎖、メチレン鎖、フルオロメチレン鎖、またはシロキサン鎖等で構成することができる。
【００２２】
また第一官能基ａ１は、ヒドロキシル基に対する結合性を呈する化合物、化学構造体若しくは誘導体の少なくともいずれかで構成された機能部である。この主鎖部ｂ１には適宜側鎖が結合されていてもよい。
また第二官能基ｃ１は、シリコーン樹脂材料に対して結合性を呈する化合物、化学構造体若しくは誘導体の少なくともいずれかで構成された機能部である。
【００２３】
第一官能基ａ１、第二官能基ｃ１は、それぞれレンズ１、封止樹脂４の各材料に対し、結合性を呈するものを適宜選択している。従って機能性有機分子の各々は、図１（ｂ）、図２（ｂ）に示すように、レンズ１の表面に第一官能基ａ１が配向結合するので、主鎖部ｂ１の他方末端に配された第二官能基ｃ１が前記表面の外方へ向けて配向する。これにより分子配向性に係る化学特性（相互親和性）が整えられ、いわゆる自己組織化構造体としての単分子膜が自然に構成されている。当該有機被膜３の膜厚は、前記機能性有機分子の大きさに依存するため、例えば数ｎｍオーダーに調整される。従って、光半導体装置１０では有機被膜３の膜厚が問題となることはない。
【００２４】
なお、第一官能基ａ１との良好な結合性を発揮させるため、有機被膜３を配設する対象（ここではレンズ１の空洞部１０２の表面）には、予め、ヒドロキシル基を露出させておくことが好ましい。これにより有機被膜３はレンズ表面を単分子レベルのサイズで緻密に保護することができるので、腐食性ガスの透過を防止し、光半導体装置内の基板１２やリードフレーム９に対してＡｇめっき等を施す場合も、Ａｇめっきの変色防止および酸素ガスや水分付着による腐食の防止機能を発揮できる。
【００２５】
以下、本発明の機能性有機分子として取りうる化学的構造のバリエーションについて、詳細を説明する。
（第一官能基ａ１について）
前記の通り第一官能基ａ１には、レンズ１に対して結合性を有することが要求される。レンズ１がシリコーン樹脂で構成される場合、ヒドロキシル基に対する結合性を有することが求められる。この特性を有するものであれば、第一官能基ａ１は、一種以上を含む化合物、化学構造体若しくは誘導体のいずれであってもよい。
【００２６】
例えばシラノール基、クロロシラン、アルコキシシラン、チタノール基、アルコキシチタンまたはこれらの一種以上を含む化合物、化学構造体若しくは誘導体のいずれかであれば、金属原子に対して水素結合性又は配位結合性を有するので好適である。
第一官能基ａ１がシラノール基（Ｒ−Ｓｉ−ＯＨ、ただし、Ｒはアルカンやアルケン等の任意の官能基）を有する場合、Ｓｉ−ＯＨなどと脱水縮合し、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−Ｒ等の共有結合により、機能性有機分子がレンズ表面に被着される。同様に、チタノール基（Ｒ−Ｔｉ−ＯＨ、ただし、Ｒはアルカンやアルケン等の任意の官能基）を有する場合、Ｓｉ−ＯＨなどと脱水縮合し、Ｓｉ−Ｏ−Ｔｉ−Ｒ等の共有結合により、機能性有機分子がレンズ表面に被着され、強固な結合構造が形成される。
（主鎖部ｂ１について）
主鎖部ｂ１は、一般的なメチレン系有機分子及びその類型種（メチレン鎖、フルオロメチレン鎖、シロキサン鎖、グリコール鎖のうち一種以上を含む化合物、化学構造体若しくは誘導体）等で構成することができる。メチレン鎖は、分子間で互いに会合し、超分子的に炭化水素鎖の緻密な炭素鎖を形成できるので好適である。また、メチレン鎖を用いれば、比較的迅速に有機被膜を形成できることが発明者らの検討により明らかにされている。
【００２７】
主鎖部ｂ１にフルオロメチレン鎖を用いた場合、疎水性がメチレン鎖よりも強いため、有機被膜形成後にはレンズ表面と当該被膜との間への水分の浸入が強く抑制される。その結果、有機被膜とレンズ表面との良好な結合が保たれ、熱履歴によって有機被膜の剥離が生じにくくなるので好適である。
主鎖部ｂ１にシロキサン鎖を用いた場合、耐熱性および耐候性に優れる有機被膜を形成できる。このため、半導体装置実装工程において、有機被膜が比較的高温環境下に曝された場合にも、当該被膜自体の変質・損傷の防止効果が奏される。
【００２８】
主鎖部ｂ１にグリコール鎖を用いた場合、水等の極性溶媒に簡単に溶解させることができるので、被膜を形成する上で利点を有する。
従って、主鎖部ｂ１に、グリコール鎖を用いること、あるいは、メチレン鎖、フルオロメチレン鎖、シロキサン鎖の一種以上とグリコール鎖とで構成された構造を用いることも好ましい。
【００２９】
なお、ダイスボンディングやワイヤーボンディングの際の加熱条件が比較的高温に設定される場合などには、機能性有機分子を用いた有機被膜３の耐熱性をさらに向上させることが望ましい。この場合、主鎖部ｂ１の中に、水酸基（ヒドロキシル基）、ケトン、チオケトン、第一級アミン、第二級アミン、第三級アミン、エーテル、スルフィド、芳香族化合物から選択される一種以上の極性基を含むものを用いることもできる。
【００３０】
特に、この極性基として、アミド基（ケトンと第二級アミンで構成される）、芳香族アミド、あるいは芳香族イミド基（ケトンと第三級アミンと芳香族環で構成される）、あるいはそれらの組み合わせを有することは好ましい。
このような極性基を含む主鎖部ｂ１を用いれば、有機被膜３において隣接する機能性有機分子の主鎖部ｂ１同士の間に、強力な相互結合作用（水素結合、あるいはロンドン分散力によるスタッキング効果）が働き、これによって有機被膜３が強化される。すなわち、高温環境下においても有機被膜３が安定に維持されるので、有機被膜３の耐熱性を向上させることができる。  
（第二官能基ｃ１）について
第二官能基ｃ１には、封止樹脂４を構成する熱硬化樹脂等に対する樹脂硬化性又は樹脂硬化促進性を有することが要求される。当該性能を有するものであれば、一種以上を含む化合物、化学構造体若しくは誘導体のいずれの構成であってもよい。
【００３１】
例えば、水酸基を有する化合物、カルボン酸を有する化合物、酸無水物を有する化合物、第一級アミンを有する化合物、第二級アミンを有する化合物、第三級アミンを有する化合物、第四級アンモニウム塩を有する化合物、アミド基を有する化合物、イミド基を有する化合物、ヒドラジド基を有する化合物、イミン基を有する化合物、アミジン基を有する化合物、イミダゾールを有する化合物、トリアゾールを有する化合物、テトラゾールを有する化合物、チオール基を有する化合物、スルフィド基を有する化合物、ジスルフィド基を有する化合物のうちの一種以上を含む化合物、化学構造体若しくは誘導体のいずれか等が挙げられる。これらの化合物又はその誘導体等を用いれば、封止樹脂４をなす熱硬化樹脂と接触した場合に瞬時に硬化反応を生じ、第二官能基ｃ１と当該樹脂とが結合する。
【００３２】
また、特に封止樹脂４が付加重合型シリコーン樹脂である場合は、ビニル基、有機ハイドロジェンシランの内の一種以上を含む化合物、化学構造体若しくは誘導体のいずれかを第二官能基ｃ１に用いることが好ましい。
更に、エポキシ基もしくはアルコキシシリル基の少なくともいずれかを含む付加重合型シリコーン樹脂に対しては、第二官能基ｃ１にエポキシ基またはアルコキシシリル基と結合性を有する官能基又は化合物、構造体を用いる。具体的には水酸基、酸無水物、第一級アミン、第二級アミンの内の一種類以上を含む化合物、化学構造体若しくは誘導体のいずれかを用いることができる。
【００３３】
上記エポキシ基またはアルコキシシリル基と結合性を有する官能基又は化合物、構造体は、ビニル基や有機ハイドロジェンシランよりも安定性が高いため、当該有機被膜の安定化・長寿命化を図る事が可能になる。
以上の構成を持つ機能性有機分子を用いることにより、本発明の光半導体装置では、レンズと封止樹脂との剥離を防止でき、たとえ封止樹脂が駆動熱を受けて多少の熱変形等を生じても、レンズが封止樹脂側から剥離や脱離を生ずるのが抑制される。そのため、高温になりやすい環境や、長時間駆動される条件下であっても、光半導体装置の本来の性能を安定して発揮することを期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、各種発光手段として用いられる光半導体装置に対して広範囲に利用することができ、特に長期にわたって良好な発光効率を安定的に維持する必要がある用途に適している。
【符号の説明】
【００３５】
１    レンズ（カバー）
２    支持フレーム
３    有機被膜
４    封止樹脂
５    リフレクター
６    ボンディングワイヤー
７    発光素子（ＬＥＤ素子）
８    導電ペースト
９    リードフレーム
１０、１０Ｘ    光半導体装置
１１    成形樹脂
１２    基板
１００    ドーム部
１０１    ベース部
１０２    空洞部
【図１】
2011192874.tif 000003
【図２】
2011192874.tif 000004
【図３】
2011192874.tif 000005