(57)【要約】【課題】  広い温度範囲で信頼性の高い光半導体装置を提供する。【解決手段】  モールド樹脂によって覆われた光半導体素子を含む光半導体装置において、そのモールド樹脂がコロイダルシリカ粒子および第１と第２の透明樹脂を含み、シリカ粒子は第１透明樹脂によってクラスタ（８）を形成しており、第２透明樹脂（６）は分散されたクラスタ（８）を含むことを特徴としている。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モールド樹脂によって覆われた光半導体素子を含む光半導体装置であって、
前記モールド樹脂はコロイダルシリカ粒子および第１と第２の透明樹脂を含み、
前記シリカ粒子は前記第１透明樹脂によってクラスタにされており、
前記第２透明樹脂は分散された前記クラスタを含むことを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記第２透明樹脂は前記クラスタに加えて分散された前記シリカ粒子をも含む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】
前記モールド樹脂は８０質量％以上の前記シリカ粒子を含んで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】
前記コロイダルシリカは有機溶剤中でアルコキシシラン反応により得られたものであり、０．０１μｍ以下の粒径を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記第１透明樹脂は熱硬化性の樹脂であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記シリカ粒子および前記第１と前記第２の透明樹脂において、相互の屈折率差が±０．０１以内であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光半導体装置。
【請求項７】
前記第１と前記第２の透明樹脂は同一材料であることを特徴とする請求項１から６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、特に、光半導体装置に含まれる光半導体素子を覆うモールド樹脂の改善に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光半導体装置においては、発光ダイオード、フォトダイオード等の光半導体素子がモールド樹脂によって封止されている。そのような光半導体装置の作製の際には、一方のリードフレーム上にチップボンドされた光半導体素子上の電極と他方のリードフレームとを直径２５ミクロン程度の金線などのボンディングワイヤによって接続した後に、その構造を封止するように透明樹脂をモールドする。このモールド樹脂としては、透明性が要求されることから、一般にエポキシ樹脂またはそれを含む組成物が使用されている。
【０００３】
このような樹脂モールドの際、一般的にエポキシ樹脂とボンディングワイヤでは線膨張係数が例えば６倍程度異なることから、温度の変化によってエポキシ樹脂とボンディングワイヤの間に応力が発生する。この条件下で、温度変化が繰り返される場合、この応力変動の繰り返しによる金属疲労によってワイヤが断線するという問題が生じる。このため、光半導体以外の集積回路などでは、温度変化による応力を低減させる方法として、シリカ粉末等の線膨張係数の小さい無機粉末をフィラーとして樹脂に添加し、混合物としての樹脂（以下、「混合樹脂」と呼ぶ）の線膨張係数をボンディングワイヤの線膨張係数に近似させる方法が実施されている。
【０００４】
しかし、金のボンディングワイヤと混合樹脂の線膨張係数を合わせるためには、質量含有率にして８０〜９０％の多量のシリカを樹脂に添加させる必要がある。ところが、通常使用される数ミクロン以上の直径を有するシリカ粉末をフィラーとして多量に含む混合樹脂は、光透過率が低下してしまうことから、従来の低応力樹脂は光半導体装置には適用できなかった。
【０００５】
他方、特許文献１の特開平５−６９４６号公報では、シリカ粒子とエポキシ樹脂との屈折率差を±０．０１の範囲内に設定するとともに、シリカ粒子の平均粒径を０．５μｍ以下にし、それによって混合樹脂の光透過率低下を抑制し得る技術が開示されている。また、特許文献２の特開平６−３０２７２６号公報では、光の波長に比べて小さい０．１μｍ以下の粒径を含む或る粒子径分布を有するシリカ粒子を用い、それによって混合樹脂の光透過率低下を抑制し得る技術が開示されている。
【特許文献１】特開平５−６９４６号公報
【特許文献２】特開平６−３０２７２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
エポキシ樹脂に配合するシリカの粒子径を小さくすれば、混合樹脂の光透過率の低下は抑制されるが、シリカ粒子の比表面積が増大することから混合樹脂の粘度が増大し、モールド時の混合樹脂の流動性に悪影響を及ぼす。
【０００７】
特許文献１に開示された技術では、シリカ粒子の粒径として０．１μｍ以上が望ましいとし（段落［００１３］参照）、さらに混合樹脂の増粘を防ぐためにシリカ粒子の添加量を１０〜８０質量％に限定しているので（段落［００２１］参照）、線膨張係数の低減効果としては不十分なものである。
【０００８】
また、特許文献２に開示された技術では、混合樹脂の増粘を防ぐために、光透過率向上に有効な０．０１μｍ径以下のシリカ粒子の含有率を２０質量％以下に抑制しており、光半導体装置における混合樹脂の透過率の改善効果としては不充分である。
【０００９】
上述のように、従来の技術においては、粒径０．０１μｍ程度のシリカ粒子を混合樹脂へ８０質量％以上添加することは、混合樹脂の流動性を損なうことになり、混合樹脂の成形性の面で品質劣化をもたらすという課題がある。
【００１０】
このような従来技術の状況に鑑み、本発明は、ボンディングワイヤとの膨張係数差が小さくて光透過性に優れかつモールド時の流動性に優れた混合樹脂を用いて、広い温度範囲で信頼性の高い光半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によるモールド樹脂によって覆われた光半導体素子を含む光半導体装置においては、そのモールド樹脂がコロイダルシリカ粒子および第１と第２の透明樹脂を含み、シリカ粒子は第１透明樹脂によってクラスタにされており、第２透明樹脂は分散されたクラスタを含むことを特徴としている。
【００１２】
なお、第２透明樹脂は、クラスタに加えて分散されたシリカ粒子をも含んでいてもよい。モールド樹脂は、８０質量％以上のシリカ粒子を含んでいることが好ましい。コロイダルシリカは、有機溶剤中でアルコキシシラン反応により得ることができ、０．０１μｍ以下の粒径を有することが好ましい。第１透明樹脂は、熱硬化性の樹脂であり得る。シリカ粒子および第１と第２の透明樹脂において、相互の屈折率差が±０．０１以内であることが好ましい。第１と第２の透明樹脂は、同一材料であり得る。
【発明の効果】
【００１３】
このような本発明によれば、第１樹脂によってクラスタ化されたコロイダルシリカ粒子をフィラーとして第２樹脂に配合した混合樹脂をモールドすることにより、混合樹脂の光透過率改善に有効な０．０１μｍ径以下のシリカ粒子の含有率を高めつつ、シリカ粒子と第２樹脂との界面比率の増大を抑制でき、混合樹脂の良好な流動性を実現できる。したがって、モールド後の混合樹脂の均質性が高められた信頼性の高い光半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１の模式的な断面図において、本発明の実施形態による光半導体装置の一例が図解されている。この光半導体装置の形状は、砲弾型と呼ばれ、発光ダイオードでは一般的なものである。図１の砲弾型光半導体装置は混合樹脂であるモールド樹脂１によってモールドされている。そのモールド樹脂１内において、光半導体素子２の下部電極が図示しない導電性接着剤によって一方のリードフレーム３ａ上に接着固定されている。光半導体素子２の上部電極は金を主成分とするボンディングワイヤ４によって他方のリードフレーム３ｂに接続されている。すなわち、光半導体素子２とその接続構造を含む全体が、シリカ粒子の充填されたエポキシ樹脂を主成分とするモールド樹脂１により封止されている。
【００１５】
図２の断面図は、図１中のモールド樹脂１の構造を模式的に図解している。すなわち、モールド樹脂１においては、第１の透明樹脂を含むシリカ粒子クラスタ８がフィラーとして第２の透明樹脂６の中に充填されており、それらのクラスタは１〜１０μｍ程度の径を有している。
【００１６】
図３の断面図は、そのようなクラスタの構造を模式的に図解している。図示されているように、シリカ粒子クラスタ８においては、熱硬化性を有する第１の透明樹脂５中で直径０．０１μｍ程度のコロイダルシリカ粒子７が凝集させられている。そして、第１透明樹脂５を加熱硬化させることによって、凝集されたコロイダルシリカ粒子７を含むシリカ粒子クラスタ８が形成されている。
【００１７】
混合樹脂のモールドの際には、図２に示されているようにシリカ粒子クラスタ８を含んだ第２透明樹脂６が、モールド方法に応じた形で供給される。例えば、トランスファモールドであれば粉末またはペレットで供給され、注型モールドであれば液状で供給される。
【００１８】
モールド途中の混合樹脂１においては、流動状態の第２透明樹脂６中にシリカ粒子クラスタ８が充填されている。この時、コロイダルシリカ粒子７は、あらかじめ第１透明樹脂で凝結されているので、モールド樹脂１中ではシリカ粒子クラスタ８がフィラーとして振舞う。したがって、混合樹脂の粘度に影響するフィラーの比表面積は、コロイダルシリカ粒子７そのものでなくてシリカ粒子クラスタ８のサイズに依存することとなる。その結果、モールド樹脂１としては直径０．０１μｍ程度の極めて微細なコロイダルシリカ粒子７を含有しているものの、その流動性は従来のモールド樹脂と遜色ないものとなる。
【００１９】
他方、モールド後の混合樹脂の光透過率に関しては、第１透明樹脂５と第２透明樹脂６を同一材料にするか、または双方の樹脂の硬化後の屈折率差が±０．０１以内に整合する材料を採用することによってクラスタの境界を透明化できる。これによって、光学的には、微細なコロイダルシリカ粒子７のみをモールド樹脂１中に含有していることと等価的な状態が得られる。この時、第１透明樹脂５と第２透明樹脂６ともに、それらの屈折率はコロイダルシリカの屈折率と整合させる必要があることは言うまでもない。
【００２０】
なお、図４の模式的断面図に示されているように、シリカ粒子クラスタ８に加えて直径０．０１μｍ程度のコロイダルシリカ粒子７を第２透明樹脂６中に含有させることもできる。こうすることにより、混合樹脂の流動性を損なわずに、直径０．０１μｍ程度の微小なシリカ粒子を高い含有率で充填することが可能となる。
【００２１】
このようにして樹脂モールドされた光半導体装置における混合樹脂のシリカ粒子含有量と応力低減効果の関係についての解析結果が、表１に示されている。この解析では、０．５５ｐｐｍの線膨張係数と７０ＧＰａのヤング率を有するシリカ、６２ｐｐｍの線膨張係数と３．２ＧＰａのヤング率を有するエポキシ樹脂、および１４．２ｐｐｍの線膨張係数と７８．５ＧＰａのヤング率を有する金線（直径２５μｍ）を前提とし、２５℃から１０５℃への温度上昇時にボンディングワイヤに印加される引張り応力を計算した。
【００２２】
【表１】
2005064196.tif 000003
【００２３】
この表１から、モールド樹脂中のシリカ粒子の高密度充填によって、飛躍的にボンディングワイヤの応力低下を図り得ることが理解できる。ボンディングされた金ワイヤの破断応力は一般に１６０ＭＰａ程度であるので、この結果から８０質量％以上のシリカ粒子含有率が望まれることがわかる。さらに、繰り返し温度変化に耐えるべきことを考慮すれば、８５質量％以上のシリカ粒子含有率がより好ましい。
【００２４】
この発明に用いる透明樹脂としては、ビスフエノール型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂等が透明性の高いエポキシ樹脂として好適に用いられ得る。
【００２５】
シリカ粒子クラスタ８に含有されるコロイダルシリカ粒子７は、０．０１μｍ径以下の球形に近い形状を有するものである。このような微細なシリカ微粒子としては、アルコキシシランからゾルゲル法によつて生成するものがある。例えば、扶桑化学工業製クオートロンＰＬシリーズオルガノゾルを利用した場合のように、粒子の形が球形に近くて粒子径が均一でありかつ粒子表面の有機処理によって有機溶媒に均一分散するシリカ粒子が好ましく使用され得る。
【００２６】
図５は、シリカ粒子クラスタ８の製造方法の一例を模式的な断面図で図解している。この方法において、シリンダ１０内の混合樹脂１１は熱硬化性の第１透明樹脂５と所定の含有率のコロイダルシリカ粒子７を含んでいる。シリンダ１０に接続されたノズル１３にはその先端部近くに圧電素子１４が取り付けられている。ノズル１３の前方には、容器１５内に蓄えられた溶剤１６が配置されている。
【００２７】
ヒータ１２の加熱によって一旦流動状態にされた混合樹脂１１は、ピストン９によって加圧されてノズル１３に浸入し、圧電素子１４によって衝撃を加えられて、ノズル先端から空間へ放出される。この時、混合樹脂１１はその表面張力によって微小な液滴となり、空間中で冷却されてシリカ粒子クラスタ８となり、溶剤１６内に格納される。
【００２８】
こうして得られたシリカ粒子クラスタ８と溶剤１６の混合液を第２透明樹脂６に配合し、その後に溶剤１６を除去することによってシリカ粒子クラスタ８と第２透明樹脂６の配合が完了する。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上のように、本発明を利用することによって、温度変化に対して安定でかつ光ロスの少ない光半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による光半導体装置の一例を示す模式的断面図である。
【図２】図１の光半導体装置におけるモールド樹脂の構造を示す模式的断面図である。
【図３】図２のモールド樹脂に含まれるシリカ粒子クラスタの構造を示す模式的断面図である。
【図４】図１の光半導体装置におけるモールド樹脂の他の構造を示す模式的断面図である。
【図５】シリカ粒子クラスタの製造装置の一例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  モールド樹脂、２  光半導体素子、３ａ、３ｂ  リードフレーム、４  ボンディングワイヤ、５  第１の透明樹脂、６  第２の透明樹脂、７  コロイダルシリカ粒子、８  シリカ粒子クラスタ、９  ピストン、１０  シリンダ、１１  混合樹脂、１２  ヒータ、１３  ノズル、１４  圧電素子、１５  容器、１６  溶剤。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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