(57)【要約】【課題】信頼性の高い光結合性半導体素子を提供する。【解決手段】本発明の光結合型半導体素子は、発光素子１０１と、発光素子１０１に光学的に対向する位置に配置された受光素子１０２と、発光素子１０１と受光素子１０２とを一体的に封止する一次モールド樹脂層（第一の樹脂層）１０３と、発光素子１０１と受光素子１０２とを内包するように一次モールド樹脂層１０３を覆う二次モールド樹脂層（第二の樹脂層）１０４と、を有する。この光結合性半導体素子は、２３℃における１次モールド樹脂層１０３の熱膨張率をαＡとし、二次モールド樹脂層１０４の熱膨張率をαＢとしたとき、１．０＜αＡ／αＢ≦１．３を満たすものである。また、二次モールド樹脂層１０４は、高化式フローテスターを用いて測定される１７５℃における溶融粘度が１５Ｐａ．ｓ以下の樹脂組成物を硬化させてなる。【選択図】図１
2012169511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、
前記発光素子に光学的に対向する位置に配置された受光素子と、
前記発光素子と前記受光素子とを一体的に封止する第一の樹脂層と、
前記発光素子と前記受光素子とを内包するように前記第一の樹脂層を覆う第二の樹脂層と、
を有し、
２３℃における前記第一の樹脂層の熱膨張率をαＡとし、前記第二の樹脂層の熱膨張率をαＢとしたとき、１．０＜αＡ／αＢ≦１．３を満たし、
前記第二の樹脂層が、高化式フローテスターを用いて測定される１７５℃における溶融粘度が１５Ｐａ．ｓ以下の樹脂組成物を硬化させてなる、光結合型半導体素子。
【請求項２】
前記第一の樹脂層は光透過性エポキシ樹脂組成物を硬化させてなるものであり、前記第二の樹脂層は光不透過性エポキシ樹脂組成物を硬化させてなるものである、請求項１に記載の光結合型半導体素子。
【請求項３】
前記第一の樹脂層及び前記第二の樹脂層は、いずれも無機充填材を含み、
前記第二の樹脂層が、無機充填剤として金属水酸化物とシリカとを含む、請求項１又は２に記載の光結合型半導体素子。
【請求項４】
前記金属水酸化物が、水酸化アルミニウム及び水酸化マグネシウムから選ばれる少なくとも１種である、請求項３に記載の光結合型半導体素子。
【請求項５】
回路基板と、
前記回路基板に半田実装された請求項１乃至４のいずれか１項に記載された光結合型半導体素子と、
を備える光結合型半導体装置。
【請求項６】
発光素子に光学的に対向する位置に受光素子を配置する工程と、
前記発光素子と前記受光素子とを第一の樹脂層により一体的に封止する工程と、
第二の樹脂層により、前記発光素子と前記受光素子とを内包するように前記第一の樹脂層を覆う工程と、
を含み、
２３℃における前記第一の樹脂層の熱膨張率をαＡとし、前記第二の樹脂層の熱膨張率をαＢとしたとき、１．０＜αＡ／αＢ≦１．３を満たし、
前記第二の樹脂層により、前記第一の樹脂層を覆う前記工程において、高化式フローテスターを用いて測定される１７５℃における溶融粘度が１５Ｐａ．ｓ以下の樹脂組成物を硬化させて前記第二の樹脂層を形成する、光結合型半導体素子の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光結合型半導体素子を回路基板に半田実装する工程を含む、光結合型半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光結合型半導体素子、これを備えた光結合型半導体装置、及び、それらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光結合型半導体装置としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。この光結合型半導体装置は、リードフレームに固定された発光素子の発光面と、リードフレームに固定された受光素子の受光面とを光学的に対向し、光透過性樹脂で発光素子と受光素子とを一体的に封止し、さらに、この周囲を光不透過性樹脂で封止している。特許文献１では、内側の光透過性樹脂の熱膨張率を、外側の光不透過性樹脂の熱膨張率に比べ、大きくすることにより、半田実装時の急熱・急冷などの環境下で、内側樹脂と外側樹脂との過度的温度差による熱膨張差を少なくして、内側樹脂と外側樹脂との間の隙間の発生や外側樹脂のクラックの発生を防止することができるとされている。なお、特許文献１では、光透過性樹脂と、光不透過性樹脂との膨張率の差を設ける手段として、添加されているフィラー（結晶シリカ、溶融シリカアルミナ粉末等）の量を変えることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２−１０５４７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記文献記載の技術は、以下の点で改善の余地を有していた。
特許文献１の技術のように、内側の光透過性樹脂の熱膨張率と外側の光不透過性樹脂の熱膨張率との差を一定以上にすると、外側樹脂よりも内側樹脂の熱膨張が大きくなるため、両者の熱膨張率の差はごく狭い範囲に限られる。そこで、特性のばらつきを防ぐため、工程を工夫してフィラー量を厳密に制御したり、内側樹脂の表面に凹凸を設ける工程を追加して内側の光透過性樹脂と外側の光不透過性樹脂との間を構造的に強固に接着させたりする必要があった。
【０００５】
したがって、プロセスを煩雑にすることなく、半田実装時の急熱、急冷などの環境下に安定した耐性を有する信頼性の高い光結合性半導体素子が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、
発光素子と、
前記発光素子に光学的に対向する位置に配置された受光素子と、
前記発光素子と前記受光素子とを一体的に封止する第一の樹脂層と、
前記発光素子と前記受光素子とを内包するように前記第一の樹脂層を覆う第二の樹脂層と、
を有し、
２３℃における前記第一の樹脂層の熱膨張率をαＡとし、前記第二の樹脂層の熱膨張率をαＢとしたとき、１．０＜αＡ／αＢ≦１．３を満たし、
前記第二の樹脂層が、高化式フローテスターを用いて測定される１７５℃における溶融粘度が１５Ｐａ．ｓ以下の樹脂組成物を硬化させてなる、光結合型半導体素子が提供される。
【０００７】
また、本発明によれば、
回路基板と、
前記回路基板に半田実装された上記の光結合型半導体素子と、
を備える光結合型半導体装置が提供される。
【０００８】
また、本発明によれば、
発光素子に光学的に対向する位置に受光素子を配置する工程と、
前記発光素子と前記受光素子とを第一の樹脂層により一体的に封止する工程と、
第二の樹脂層により、前記発光素子と前記受光素子とを内包するように前記第一の樹脂層を覆う工程と、
を含み、
２３℃における前記第一の樹脂層の熱膨張率をαＡとし、前記第二の樹脂層の熱膨張率をαＢとしたとき、１．０＜αＡ／αＢ≦１．３を満たし、
前記第二の樹脂層により、前記第一の樹脂層を覆う前記工程において、高化式フローテスターを用いて測定される１７５℃における溶融粘度が１５Ｐａ．ｓ以下の樹脂組成物を硬化させて前記第二の樹脂層を形成する、光結合型半導体素子の製造方法が提供される。
【０００９】
さらに、本発明によれば、
上記の光結合型半導体素子を回路基板に半田実装する工程を含む、光結合型半導体装置の製造方法が提供される。
【００１０】
この発明によれば、第一の樹脂層と第二の樹脂層とで覆う二重モールド構造において、発光素子及び受光素子を封止する内側の第一の樹脂層の熱膨張率（αＡ）と、外側の第二の樹脂層の熱膨張率（αＢ）との比率（αＡ／αＢ）を１．０＜αＡ／αＢ≦１．３とし、かつ、１７５℃における溶融粘度が１５Ｐａ．ｓ以下の樹脂組成物を硬化させて第二の樹脂層を形成させることで、許容される第一の樹脂層と第二の樹脂層との熱膨張率の差が広がりフィラー量のコントロール幅が増大する。また、低粘度の樹脂組成物を用いて第二の樹脂層を形成することで、樹脂組成物が第一の樹脂層の表面にのび広がり、第二の樹脂層を第一の樹脂層に強固に接着させることができる。したがって、半田実装時の急熱、急冷による熱応力により発生する樹脂間の隙間やクラックを安定に低減できる信頼性の高い光結合型半導体素子が実現可能になる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、半田実装時の急熱、急冷などの環境下に安定した耐性を有する信頼性の高い光結合性半導体素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係る光結合性半導体素子を模式的に示した断面図である。
【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、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１４】
本実施の形態は、光結合性半導体素子である。図１は、本実施の形態の光結合性半導体素子を示す模式的な断面図である。図１で示すように、本実施の形態の光結合性半導体素子は、発光素子１０１と、発光素子１０１に光学的に対向する位置に配置された受光素子１０２と、発光素子１０１と受光素子１０２とを一体的に封止する一次モールド樹脂層（第一の樹脂層）１０３と、発光素子１０１と受光素子１０２とを内包するように一次モールド樹脂層１０３を覆う二次モールド樹脂層（第二の樹脂層）１０４と、を有する。この光結合性半導体素子は、２３℃における１次モールド樹脂層１０３の熱膨張率をαＡとし、二次モールド樹脂層１０４の熱膨張率をαＢとしたとき、１．０＜αＡ／αＢ≦１．３を満たすものである。また、二次モールド樹脂層１０４は、高化式フローテスターを用いて測定される１７５℃における溶融粘度が１５Ｐａ．ｓ以下の樹脂組成物を硬化させてなる。
【００１５】
より具体的には、発光素子１０１は、リードフレーム１０５に固定されている。また、受光素子１０２は、リードフレーム１０６に固定されている。発光素子１０１の発光面と受光素子１０２の受光面とが、光学的に対向している。発光素子１０１は、例えば、発光ダイオードとし、受光素子１０２はフォトトランジスタとする。このような光結合性半導体素子としては、フォトカプラや光ＭＯＳＦＥＴがある。
【００１６】
一次モールド樹脂層１０３は、（Ａ１）エポキシ樹脂と（Ｂ１）無機充填材とを含有する光透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ１を硬化したものであることが好ましい。
【００１７】
（Ａ１）エポキシ樹脂としては、その分子中にエポキシ基を２個以上有するものである限り、分子構造、分子量などは特に制限されるものではなく、一般に電子部品の封止に用いられるものを広く用いることができる。例えば、ビスフェノール型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン骨格やビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂が挙げられる。
【００１８】
（Ｂ１）無機充填材としては、シリカ（結晶性シリカ、角状及び球状の溶融シリカ）、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、金属水酸化物（水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム）等が例示される。
【００１９】
（Ｂ１）無機充填材の含有量は、光透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ１全体に対して、６５〜７５重量％であることが好ましい。
【００２０】
また、光透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ１には、適宜の量の硬化剤、硬化促進剤、離型剤、難燃剤、着色剤等の添加剤を含んでいてもよい。
【００２１】
硬化剤としては、フェノール樹脂が好ましい。フェノール樹脂としては、エポキシ樹脂と反応し得るフェノール性水酸基を２個以上有するものであれば特に限定されるものではなく、フェノールノボラック、クレゾールノボラック等のノボラック樹脂、無水ピロメリット酸等の酸無水物などが用いられる。これらは１種のみで用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００２２】
光透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ１に含まれる離型剤、難燃剤、着色剤等の添加剤は、通常、封止材に用いるものであれば特に制限はない。また、必要に応じて可撓化剤、流動性付与剤等の他の添加剤を用いることもできる。
【００２３】
二次モールド樹脂層１０４は、（Ａ２）エポキシ樹脂と（Ｂ２）無機充填材とを含有する光不透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ２を硬化したものであることが好ましい。
【００２４】
（Ａ２）エポキシ樹脂としては、（Ａ１）エポキシ樹脂で例示したものと同じものを用いることができる。（Ａ２）エポキシ樹脂としては、（Ａ１）エポキシ樹脂と同じ種類のエポキシ樹脂であってもよいし、異なる種類のエポキシ樹脂であってもよいが、（Ａ１）エポキシ樹脂と（Ａ２）エポキシ樹脂とは、同じ種類とすることが好ましい。
【００２５】
（Ｂ２）無機充填材としては、難燃性を付与できるという観点から、金属水酸化物とシリカとを含むことが好ましい。金属水酸化物としては、水酸化アルミニウム及び水酸化マグネシウムから選ばれる少なくとも１種を用いることができる。また、シリカとしては、結晶性シリカ、角状及び球状の溶融シリカ等を用いることができる。また、他の成分として、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム等を含むことができる。
【００２６】
（Ｂ２）無機充填材の含有量は、光不透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ２全体に対して、５０〜８５重量％であることが好ましい。こうすることで、二次モールド樹脂層１０４に難燃性を付与しつつ、フォトカプラの良好な特性を得ることができる。
【００２７】
また、（Ｂ２）無機充填材に含まれるシリカの含有量は、二次モールド樹脂層１０４全体に対して、５０〜７５重量％とすることが好ましい。光不透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ２中のシリカの含量を小さくすることで、光不透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ２の１７５℃における溶融粘度を低下させることができる。
【００２８】
また、光不透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ２には、光透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ１と同様に、適宜の量の硬化剤、硬化促進剤、離型剤、非ハロゲン系難燃剤、着色剤等の添加剤を含むことができる。
【００２９】
また、光不透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ２は、カーボン粉末を微量に含むことで光不透過性を付与することができる。具体的には、カーボン粉末の含有量は、光不透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ２全体に対して、０．０５〜０．５重量％とすることができる。
【００３０】
光不透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ２は、１７５℃における溶融粘度が１５Ｐａ．ｓ以下である。本明細書において「溶融粘度」とは、１７５℃高化式フローテスター粘度（ＪＩＳ７２１０）で測定して得られる最低溶融粘度である。低粘度のエポキシ樹脂や硬化剤を選択することにより、光不透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ２を低粘度化させることができる。
【００３１】
上述のとおり、本実施の形態では、一次モールド樹脂層１０３、及び、二次モールド樹脂層１０４との熱膨張率は、１．０＜αＡ／αＢ≦１．３を満たすように、一次モールド樹脂層１０３、及び、二次モールド樹脂層１０４の組成を制御する。
光透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ１に含まれる無機充填材（Ｂ１）、及び、光不透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ２中に含まれる無機充填材（Ｂ２）の量を制御することで、一次モールド樹脂層１０３及び二次モールド樹脂層１０４の熱膨張率を制御することができる。これらエポキシ樹脂組成物の熱膨張率は、無機充填材の含有量に比例し、無機充填材の量が多いほど熱膨張率は小さくなる。
本実施の形態で、一次モールド樹脂層１０３、及び、二次モールド樹脂層１０４の熱膨張率は、光透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ１及び光不透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ２をトランスファー成型条件１７５〜１８５℃、３〜６ＭＰａ、９０〜１２０秒、アフターキュア条件１７５〜１８０℃で５〜６時間の条件下で硬化させたものをＴＭＡ（熱機械分析）装置を用いて常温（２３℃）での熱膨張率を測定することにより求めることができる。
【００３２】
つづいて、本実施の形態の光結合性半導体素子の製造方法の一例について、図１を用いつつ説明する。まず、受光素子１０２をリードフレーム１０６に銀ペーストで取り付けた後、金ワイヤ等にてリード端子に電気的接続する。
【００３３】
ついで、銀ペーストを用いて発光素子１０１をリードフレーム１０５に取り付けた後、金ワイヤ等にて、電気的接続する。
【００３４】
その後、リードフレーム１０５の発光素子１０１の全体を光透過性の液状の光透過性シリコーン樹脂でコーティングし、さらに熱処理を加えてシリコーン樹脂を硬化させて、ゲル状の樹脂コーディング膜１０７を形成する。
【００３５】
こうして得られた発光素子１０１の発光面と、受光素子１０２の受光面とを光学的に対向させ、光透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ１にて、トランスファー成形し、発光素子１０１と、受光素子１０２とを一次モールド樹脂層１０３により一体的に封止する。さらに、この周囲を光不透過性エポキシ樹脂組成物Ｐ２でトランスファー成形し、発光素子１０１と受光素子１０２とを内包するように一次モールド樹脂層１０３を覆うように二次モールド樹脂層１０４で封止する。
【００３６】
こうして得られた光結合型半導体素子は、回路基板に半田実装することができる。
【００３７】
つづいて、本実施の形態についての効果を説明する。本実施の形態の半導体素子によれば、一次モールド樹脂層１０３と二次モールド樹脂層１０４とで覆う二重モールド構造において、発光素子１０１及び受光素子１０２を封止する内側の一次モールド樹脂層１０３の熱膨張率（αＡ）と、外側の二次モールド樹脂層１０４の熱膨張率（αＢ）との比率（αＡ／αＢ）を１．０＜αＡ／αＢ≦１．３とし、かつ、一次モールド樹脂層１０３を覆う二次モールド樹脂層１０４が、高化式フローテスターを用いて測定される１７５℃における溶融粘度が１５Ｐａ．ｓ以下の樹脂組成物を硬化させて形成させることで、許容される一次モールド樹脂層１０３と二次モールド樹脂層１０４との熱膨張率の差が広がりフィラー量のコントロール幅が増大する。また、低粘度の樹脂組成物を用いて二次モールド樹脂層１０４を形成することで、樹脂組成物が一次モールド樹脂層１０３の表面にのび広がり、二次モールド樹脂層１０４を一次モールド樹脂層１０３に強固に接着させることができる。したがって、半田実装時の急熱、急冷による熱応力により発生する樹脂間の隙間やクラックを安定に低減できる信頼性の高い光結合型半導体素子が実現可能になる。
【００３８】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【実施例】
【００３９】
図１に示すフォトカプラを組み立て、３００℃はんだ浸漬評価を行った。不良判定基準は、得られたフォトカプラ表面のクラック発生有無により判定した。
実施例１〜３、比較例１〜５の一次モールド樹脂層は、それぞれ光透過性エポキシ樹脂組成物をトランスファー成形条件１７５〜１８５℃、３〜６ＭＰａ、９０〜１２０秒、アフターキュア条件１７５〜１８０℃で５〜６時間の条件下でトランスファー成形することで形成した。
実施例１〜３、比較例１〜５の二次モールド樹脂層は、下記Ａ〜Ｈの光不透過性エポキシ樹脂組成物をトランスファー成形条件１７５〜１８５℃、３〜６ＭＰａ、９０〜１２０秒、アフターキュア条件１７５〜１８０℃で５〜６時間でトランスファー成形することで形成した。
本評価で使用したエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、無機充填材、硬化剤、硬化促進剤、離型剤、カーボンブラック等をミキサー等を用いて混合し、加熱ニーダーなどで混練した後、ローラでシート状にて冷却したものを粉砕し、押し固めてタブレット化したものを使用した。
なお、光透過性エポキシ樹脂組成物中の無機充填材の含有量は、７０〜８０重量％とし、光不透過性エポキシ樹脂組成物の無機充填材の含有量は、７０〜８５重量％とした。
【００４０】
上記の光透過性エポキシ樹脂組成物又は上記Ａ〜Ｈの光不透過性エポキシ樹脂組成物をトランスファー成形条件１７５〜１８５℃、３〜６ＭＰａ、９０〜１２０秒、アフターキュア条件１７５〜１８０℃で５〜６時間で硬化させた後、ＴＭＡ（熱機械分析）装置を用いて２３℃での熱膨張率を測定し、得られた光透過性エポキシ樹脂組成物の硬化体の熱膨張率を一次モールド樹脂層の熱膨張率とし、光不透過性エポキシ樹脂組成物の硬化体の熱膨張率を二次モールド樹脂層の熱膨張率とした。
【００４１】
上記Ａ〜Ｈの光不透過性エポキシ樹脂組成物の粘度は、１７５℃での高化式フローテスター（ＪＩＳ７２１０）で測定された最低溶融粘度とした。
【００４２】
評価は、はんだ浸積法により行った。フォトカプラのリードを溶融はんだ（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）に浸積し、フォトカプラ表面のクラックの発生の有無を判定し、評価数に対するクラックの発生した製品個数の割合を不良発生率とした。試験温度は、３００℃とした。
【００４３】
結果を表１に示す。実施例１−３では、不良が発生しなかったが、比較例１−５では、不良が見られた。
【００４４】
【表１】
2012169511.tif 000003
【符号の説明】
【００４５】
１０１    発光素子
１０２    受光素子
１０３    一次モールド樹脂層
１０４    二次モールド樹脂層
１０５    リードフレーム
１０６    リードフレーム
１０７    樹脂コーディング膜
【図１】
2012169511.tif 000004