CN100521269C - 固态器件 - Google Patents

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Abstract

一种固态器件，该器件具有：固态组件；电力接收/供给部，在其上安装该固态组件，用于从该固态组件接收电力/向该固态组件供给电力；以及密封该固态组件的玻璃密封部。该玻璃密封部由B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基玻璃形成，其中该玻璃包含21wt%至23wt%的B2O3、11wt%至13wt%的SiO2、1wt%至1.5wt%的Li2O以及2wt%至2.5wt%的Na2O。

Description

固态器件
本申请基于日本专利申请第2006-212633号、第2007-112273号和第2007-190627号，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及配备有用玻璃材料密封的固态组件的固态器件。
背景技术
通常，已知固态器件配备有用透明树脂材料诸如环氧树脂密封的固态组件，例如发光二极管(LED)元件。固态器件存在的问题是透明树脂由于从固态组件发出的光而劣化。具体而言，当使用发射短波长光的第III族氮化物化合物半导体作为固态组件时，组件附近的透明树脂由于从组件发出的高能光和由组件本身产生的热而变成黄色，使得光取出效率可能随时间而降低。
为了防止密封材料劣化，提出了一种使用玻璃材料作为密封材料的发光器件(例如，JP-A-08-102553和JP-A-11-177129)。
JP-A-08-102553公开了一种发光器件，其中LED元件、导线接合部和引线顶部周围覆盖有玻璃材料制成的透明密封材料。玻璃材料包含添加用来产生130至350℃熔点的硒、铊、砷、硫等。
JP-A-11-177129公开了一种发光器件，其中用折射率为约2的低熔点玻璃密封折射率为约2.3的GaN基LED元件。在这种发光器件中，通过使用具有上述折射率的GaN基LED元件和低熔点玻璃，可以降低在LED元件和低熔点玻璃之间的界面上全反射的光。
然而，JP-A-08-102553和JP-A-11-177129中的固态器件需要通过加工即使在使用低熔点玻璃时仍然硬质的玻璃材料来生产，因而不可能利用传统的树脂密封过程来实现该器件。而且，实现该器件所需的性能和组分也是未知的。
因此，本发明人检验了在实现无机材料密封过程中的问题并解决了这些问题，其中提出了可以实际上获得玻璃密封所预期效果的发光器件(例如，JP-A-2006-108621)。JP-A-2006-108621公开的发光器件包括陶瓷材料制成的衬底和玻璃密封部，该玻璃密封部由包含19wt％至30wt％的B2O3、0.5wt％至15wt％的SiO2、1.5wt％至8wt％的Na2O、44wt％至60wt％的ZnO和9wt％至19wt％的Nb2O5的B2O3-SiO2-Na2O-ZnO-Nb2O5基玻璃制成。因此，该玻璃密封部可以防止衬底剥离并防止产生裂纹，从而可以确保在衬底和玻璃密封部之间稳定的接合强度。而且，证实该玻璃密封部可以防止由于其结晶引起透明度损失。
因此，JP-A-2006-108621教导用于提供稳定的玻璃密封部的玻璃材料组合物。而且，除了稳定性之外，本发明人还对玻璃密封部的耐候性进行了研究，以提高固态器件的耐久性。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种固态器件，其玻璃密封部可以具有良好的耐候性以及稳定性。
根据本发明的一个实施方案，一种固态器件包括：
固态组件；
电力接收/供给部，在其上安装所述固态组件，用于从所述固态组件接收电力/向所述固态组件供给电力；和
玻璃密封部，其密封所述固态组件并包括B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基玻璃，
其中，所述玻璃包含21wt％至23wt％的B2O3、11wt％至13wt％的SiO2、1wt％至1.5wt％的Li2O、以及2wt％至2.5wt％的Na2O。
在上述实施方案中，可以作出以下更改和变化。
(i)所述玻璃包括48wt％至51wt％的ZnO和11.5wt％至12wt％的Nb2O5。
(ii)所述玻璃包括总含量为3.5wt％至4wt％的Li2O和Na2O。
(iii)所述玻璃具有不高于540℃的屈服点。
(iv)所述玻璃具有不大于7.0×10-6/℃的热膨胀系数。
(v)所述玻璃密封部和固态组件满足它们的热膨胀系数中较低的热膨胀系数与较高的热膨胀系数的比率不小于0.85的关系。
(vi)所述固态组件具有不小于1mm的尺寸。
(vii)在所述电力接收/供给部上密集安装多个所述固态组件。
(viii)所述固态组件是倒装的。
(ix)所述固态器件还包括通过其安装所述固态组件的两个凸起，所述凸起分别形成在正极侧和负极侧。
(x)所述电力接收/供给部包括无机材料衬底，所述无机材料衬底包括用于从所述固态组件接收电力/向所述固态组件供给电力的导电图案，并且
所述玻璃密封部和所述固态组件满足它们的热膨胀系数中较低的热膨胀系数与较高的热膨胀系数的比率不小于0.85的关系。
(xi)所述无机材料衬底包括形成在所述固态组件的安装侧上的第一导电图案、形成在安装侧的相对侧上的第二导电图案、和电连接第一导电图案和第二导电图案的第三导电图案。
(xii)所述无机材料衬底包括氧化铝衬底。
(xiii)所述玻璃密封部包括具有耐湿性、耐酸性和耐碱性的涂层材料，并且所述涂层材料形成在所述玻璃密封部的表面上。
(xiv)所述固态组件包括光学元件，并且所述玻璃密封部包括透明材料。
(xv)所述光学元件包括发光元件。
(xvi)所述玻璃密封部包括分散在其中的荧光体，以在被从发光元件发出的光所激发时发射波长转换光。
(xvii)所述玻璃密封部具有对于波长为350nm至800nm的光，每1mm厚度不低于90％的内部透射率。
(xviii)所述玻璃密封部具有不小于1.6的折射率。
(xix)所述发光元件包括GaN基LED元件，所述GaN基LED元件包括生长衬底和形成在所述生长衬底上的GaN基半导体层。
(xx)所述生长衬底具有不小于1.8的折射率。
(xxi)所述光学元件包括光接收元件。
(xxii)所述玻璃密封部在其表面处利用树脂进行二次成型(overmold)。
(xxiii)所述玻璃还包括Bi2O3。
本发明的有益效果
根据本发明，固态器件可使玻璃密封部具有良好的耐候性以及稳定性。因此，由于玻璃密封部具有良好的耐候性，因而即使当该固态器件在苛刻环境下长时间使用时，该固态器件也可以有效地防止光提取率随时间劣化(time deterioration)。
附图说明
下面将参照附图说明根据本发明的优选实施方案，其中：
图1A是示出在根据本发明的第一优选实施方案中作为固态器件的LED的纵向截面图；
图1B是示出图1A中的LED元件的侧视图；
图2是示出由样品12制备的两个样品的波长和光谱透射率之间的关系的图；
图3A是示出在根据本发明的第一优选实施方案的变化实施例中的LED的纵向截面图；
图3B是示出图3A中的LED元件的侧视图；
图4是示出使用根据本发明的第一优选实施方案中的LED的发光器件的纵向截面图；
图5A是示出在根据本发明的第二优选实施方案中作为固态器件的LED的平面图；
图5B是示出在根据本发明的第二优选实施方案中的LED的纵向截面图；
图5C是示出在根据本发明的第二优选实施方案中的LED的底视图；
图6是示出在根据本发明的第三优选实施方案中作为固态器件的LED的纵向截面图；
图7是示出在根据本发明的第四优选实施方案中作为固态器件的安装有大尺寸LED元件(1mm2)的LED的纵向截面图；以及
图8是示出在根据本发明的变化例中具有由粉末玻璃材料形成的玻璃密封部的LED的纵向截面图。
具体实施方式
第一实施方案
图1A是示出在根据本发明的第一优选实施方案中作为固态器件的LED的纵向截面图，图1B是示出图1A中的LED元件的侧视图。
LED 1的组成
如图1A所示，作为固态器件的LED(＝发光二极管)1包括：由GaN基半导体材料形成的倒装型LED元件2、作为在其上安装LED元件2的无机材料衬底的Al2O3衬底3、由形成在Al2O3衬底3上的钨(W)-镍(Ni)-金(Au)制成的电路图案4、电连接LED元件2和电路图案4的Au钉头凸起5，以及作为透明无机密封部用于密封LED元件2同时接合至Al2O3衬底3的玻璃密封部6。在该实施方案中，Al2O3衬底3和电路图案4构成在其上安装LED元件2并从LED元件2接收电力/向LED元件2供给电力的电力接收/供给部。
如图1B所示，LED元件2包括在蓝宝石(Al2O3)生长衬底20上顺序生长的缓冲层21、n型层22、发光层23和p型层24。而且，LED元件2包括设置在p型层24的表面上的p型电极25和设置在n型层22上的n型电极26，该n型层22通过穿过n型层22部分蚀刻p型层24而暴露。LED元件2在不高于700℃的温度下外延生长，提供有不低于600℃的上限温度，并且通过使用以下描述的低熔点和热熔(heat melting)玻璃，LED元件2对于用于密封过程的加工温度是稳定的。LED元件2具有5.0×10-6/℃～7.0×10-6/℃的热膨胀系数(α)。
P型电极25用作光反射层，以反射从发光层23沿生长衬底20的方向发出的光。在该实施方案中，LED元件2具有0.34mm×0.34mm×0.09mm(厚度)的尺寸。而且，LED元件2具有470nm的峰值波长并发射蓝光。
Al2O3衬底3具有7.0×10-6/℃的热膨胀系数(α)，并且提供有多个通孔3A。通孔3A允许在Al2O3衬底3的正面和背面上金属化的电路图案4之间电连接。电路图案4包括设置在LED元件2的安装侧上的第一导电图案、设置在安装侧背面的第二导电图案、和由钨(W)制成的用于电连接上述两侧的第三导电图案。
玻璃密封部6由B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃制成，并且在Al2O3衬底3上形成具有上表面6A和侧表面6B的矩形。将热压接合至Al2O3衬底3的平板玻璃与Al2O3衬底3一起用切片机切割，形成侧表面6B。本文中，热熔玻璃定义为利用热熔融通过其熔融状态或软化状态生产的玻璃材料，并且不同于通过溶胶-凝胶法生产的玻璃。溶胶-凝胶玻璃在生产过程中体积变化很大并且趋向于产生裂纹，使其难以形成厚玻璃膜。相反，热熔玻璃可以排除上述问题。而且，溶胶-凝胶玻璃趋向于在其中产生细孔，因而可能降低其气密性。相反，热熔玻璃不产生该问题，因而可以安全地密封LED元件2。
通常，在超过树脂中视为高粘度水平的极高粘度下加工热熔玻璃。在玻璃的情况下，即使其温度超过屈服点(At)几十度(℃)，其粘度也不会低至一般密封树脂的水平。如果其粘度有意降低至一般密封树脂的水平，那么由于其温度可能超过LED元件2的晶体生长温度因而密封和模制成型变得困难，或者尽管玻璃可以不粘附到模具上，但也可能发生软化玻璃的流动。因此，优选在不小于104泊的粘度下进行热压。
LED 1的制造方法
下面将说明LED 1的制造方法。首先，提供具有通孔3A的Al2O3衬底3，并且根据电路图案将W浆料丝网印刷在Al2O3衬底3的表面上。
然后，在约1000℃下加热丝网印刷有W浆料的Al2O3衬底3，以使W烧制进衬底3，并且在W上镀覆Ni和Au以形成电路图案4。
接着，通过Au钉头凸起5，将多个LED元件2电连接至Al2O3衬底3的电路图案4(正面侧)上。在这种情况下，总共进行两个凸起连接(各自用于正极和负极)。
接着，设置板形的B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃平行于在其上安装有LED元件2的Al2O3衬底3，并且在氮气氛下进行热压。因此，热熔玻璃通过包含在其中的氧化物接合至Al2O3衬底3。优选在热压期间热熔玻璃具有105至107泊的粘度。该粘度范围防止玻璃材料粘附于上模具并防止由于较低粘度而流出，从而增加良品率。并且，该粘度范围防止玻璃材料与Al2O3衬底3的接合强度下降，并且防止Au钉头凸起5由于较高粘度而破裂。
然后，将与热熔玻璃结合为一体的Al2O3衬底3放置在切片机上，将陶瓷衬底3切片，以使各LED元件2彼此分开，从而可以完成每一个LED器件1。
玻璃密封部6的组成
下面将详细说明用于本实施方案的热熔玻璃。制备样品1至15，其每一个具有如表1所示的组成比并且选择性地包括作为构成玻璃密封部6的组分的B2O3、SiO2、Li2O、Na2O、ZnO、Nb2O5、TiO2和ZrO2。
下面将说明用于制备样品1至15的方法。
使用对应于以上组分的氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐等作为原料。以使样品1至15中的每一个在玻璃化后为100g的方式对原料进行称重，充分混合，并放入铂坩埚。然后，使原料在1150℃至1350℃下在电炉中熔化几小时，通过搅拌均质化，澄清，倒入模具中，并缓慢退火以得到玻璃材料(＝样品1至15)。由此获得的玻璃材料用于测量如表1所示的性能等。
表1
 
组成 样品1  样品2  样品3  样品4  样品5  样品6  样品7  样品8  样品9  样品10 样品11 样品12 样品13 样品14 样品15
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 25 23 23 23 23 21 24 23 23 23 23 21 21 21 23
SiO<sub>2</sub> 10 13 13 13 13 15 12 13 13 13 13 13 13 13 13
Li<sub>2</sub>O 2 1 2 2 2 2 2 2 2 1.5 1.5 1.5 1.5 1
Na<sub>2</sub>O 3 4 3 3 3 3 3 3 3 2.5 2.5 2.5 2 2 4
ZnO 46 51 45 44 46 46 47 46 47 48 48.5 50 50.5 51 48
 
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 10 8 14 15 13 13 12 12 11 12 11.5 12 12 12 12
TiO<sub>2</sub> 4
ZrO<sub>2</sub> 1 1
总计 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100
稳定性 B B A B A A A A A A A A A A A
耐候性 B B B B B B B B B A A A A A A
nd - 1.68 1.7 1.7 1.7 1.7 1.69 1.7 1.69 1.7 1.69 1.7 1.71 1.71 1.69
Tg 467 482 474 475 475 476 474 473 472 487 485 482 487 498 508
At 505 517 499 512 510 511 511 512 500 528 529 519 525 534 546
α 69 68 72 72 69 68 69 69 70 64 65 66 64 58 61
在表1中，关于稳定性，具有良好稳定性的样品被评价为“B”，而具有极好稳定性的样品被评价为“A”。下面将说明用于评价稳定性的方法。首先，在1250℃下取出坩埚，在恒定冷却速度下冷却并通过铂搅拌器搅拌。实施搅拌约3分钟，并观察坩锅中玻璃材料的状况。样品1至15的搅拌熔体没有透明度损失，并且几乎是透明的，且稳定性都很好。在评价中，观察到具有很少白色混浊的样品被评价为“B”，而没有白色混浊的样品被评价为“A”。
关于耐候性，具有良好耐候性的样品被评价为“B”，而具有极好耐候性的样品被评价为“A”。根据在85℃、Rh 85％以及2000小时下进行耐候性测试之后，在样品的表面上是否观察到由于化学反应物导致的白色混浊来评价耐候性。在样品1至15的表面上没有观察到白色混浊，因而它们具有良好的耐候性。在该评价中，在其表面上具有通过显微镜在显微区域上观察到的很少白色混浊的样品被评价为“B”，而没有白色混浊的样品被评价为“A”。
如表1所示，样品1具有B2O3(25wt％)、SiO2(10wt％)、Li2O(2wt％)、Na2O(3wt％)、ZnO(46wt％)、Nb2O5(10wt％)和TiO2(4wt％)的组成。样品1具有467℃的玻璃化转变温度(Tg)、505℃的屈服点(At)和6.9×10-6/℃的热膨胀系数(α)。此处，热膨胀系数(α)在100℃至300℃范围内取得。
样品2具有B2O3(23wt％)、SiO2(13wt％)、Li2O(1wt％)、Na2O(4wt％)、ZnO(51wt％)和Nb2O5(8wt％)的组成比。样品2具有482℃的玻璃化转变温度(Tg)、517℃的屈服点(At)、6.8×10-6/℃的热膨胀系数(α)和1.68的折射率(nd)。
样品3具有B2O3(23wt％)、SiO2(13wt％)、Li2O(2wt％)、Na2O(3wt％)、ZnO(45wt％)和Nb2O5(14wt％)的组成比。样品3具有474℃的玻璃化转变温度(Tg)、499℃的屈服点(At)、7.2×10-6/℃的热膨胀系数(α)和1.70的折射率(nd)。
样品4具有B2O3(23wt％)、SiO2(13wt％)、Li2O(2wt％)、Na2O(3wt％)、ZnO(44wt％)、Nb2O5(15wt％)的组成比。样品4具有475℃的玻璃化转变温度(Tg)、512℃的屈服点(At)、7.2×10-6/℃的热膨胀系数(α)和1.70的折射率(nd)。
样品5具有B2O3(23wt％)、SiO2(13wt％)、Li2O(2wt％)、Na2O(3wt％)、ZnO(46wt％)和Nb2O5(13wt％)的组成比。样品5具有475℃的玻璃化转变温度(Tg)、510℃的屈服点(At)、6.9×10-6/℃的热膨胀系数(α)和1.70的折射率(nd)。
样品6具有B2O3(21wt％)、SiO2(15wt％)、Li2O(2wt％)、Na2O(3wt％)、ZnO(46wt％)和Nb2O5(13wt％)的组成比。样品6具有476℃的玻璃化转变温度(Tg)、511℃的屈服点(At)、6.8×10-6/℃的热膨胀系数(α)和1.70的折射率(nd)。
样品7具有B2O3(24wt％)、SiO2(12wt％)、Li2O(2wt％)、Na2O(3wt％)、ZnO(47wt％)、Nb2O5(12wt％)的组成比。样品7具有474℃的玻璃化转变温度(Tg)、511℃的屈服点(At)、6.9×10-6/℃的热膨胀系数(α)和1.69的折射率(nd)。
样品8具有B2O3(23wt％)、SiO2(13wt％)、Li2O(2wt％)、Na2O(3wt％)、ZnO(46wt％)、Nb2O5(12wt％)和ZrO2(1wt％)的组成比。样品8具有473℃的玻璃化转变温度(Tg)、512℃的屈服点(At)、6.9×10-6/℃的热膨胀系数(α)和1.70的折射率(nd)。
样品9具有B2O3(23wt％)、SiO2(13wt％)、Li2O(2wt％)、Na2O(3wt％)、ZnO(47wt％)、Nb2O5(11wt％)和ZrO2(1wt％)的组成比。样品9具有472℃的玻璃化转变温度(Tg)、500℃的屈服点(At)、7.0×10-6/℃的热膨胀系数(α)和1.69的折射率(nd)。
样品10具有B2O3(23wt％)、SiO2(13wt％)、Li2O(1.5wt％)、Na2O(2.5wt％)、ZnO(48wt％)和Nb2O5(12wt％)的组成比。样品10具有487℃的玻璃化转变温度(Tg)、528℃的屈服点(At)、6.4×10-6/℃的热膨胀系数(α)和1.70的折射率(nd)。
样品11具有B2O3(23wt％)、SiO2(13wt％)、Li2O(1.5wt％)、Na2O(2.5wt％)、ZnO(48.5wt％)和Nb2O5(11.5wt％)的组成比。样品11具有485℃的玻璃化转变温度(Tg)、529℃的屈服点(At)、6.5×10-6/℃的热膨胀系数(α)和1.69的折射率(nd)。
样品12具有B2O3(21wt％)、SiO2(13wt％)、Li2O(1.5wt％)、Na2O(2.5wt％)、ZnO(50wt％)和Nb2O5(12wt％)的组成比。样品12具有482℃的玻璃化转变温度(Tg)、519℃的屈服点(At)、6.6×10-6/℃的热膨胀系数(α)和1.70的折射率(nd)。
利用样品12制备厚度不同的两个样品，并测量各样品的光谱透射率。光谱透射率取决于样品表面上的光反射和样品内部的光吸收。虽然两个样品的厚度设计为0.35mm和0.70mm，但是实际测量的厚度分别为0.360mm和0.709mm。
图2是示出由样品12制备的两个样品的波长和光谱透射率之间的关系。如图2所示，厚度分别为0.360mm和0.709mm的板形式的由样品12制备的两个样品在350nm至800nm范围内的光谱透射率不低于85％。比较这两个样品，它们的厚度差为0.349mm，但是它们的光谱透射率在350nm至800nm范围内大致上相互一致。换言之，厚度约0.709mm的板形式的样品12的内部透射率不低于95％，这意味着厚度为1mm的板形式的样品12的内部透射率不低于90％。同时，“内部透射率”是指通过消除表面反射的影响所得到的样品内部的透射率，可以通过从光谱透射率中减去表面反射损失而得到。
样品13具有B2O3(21wt％)、SiO2(13wt％)、Li2O(1.5wt％)、Na2O(2wt％)、ZnO(50.5wt％)和Nb2O5(12wt％)的组成比。样品13具有487℃的玻璃化转变温度(Tg)、525℃的屈服点(At)、6.4×10-6/℃的热膨胀系数(α)和1.71的折射率(nd)。
样品14具有B2O3(21wt％)、SiO2(13wt％)、Li2O(1wt％)、Na2O(2wt％)、ZnO(51wt％)和Nb2O5(12wt％)的组成比。样品14具有498℃的玻璃化转变温度(Tg)、534℃的屈服点(At)、5.8×10-6/℃的热膨胀系数(α)和1.71的折射率(nd)。
样品15具有B2O3(23wt％)、SiO2(13wt％)、Li2O(0wt％)、Na2O(4wt％)、ZnO(48wt％)和Nb2O5(12wt％)的组成比。样品15具有508℃的玻璃化转变温度(Tg)、546℃的屈服点(At)、6.1×10-6/℃的热膨胀系数(α)和1.69的折射率(nd)。
如上所述，证实样品1至15对Al2O3衬底3具有稳定的接合强度并且没有剥离和裂纹。所有的样品1至15都是透明的或即使在其中发生透明度损失也仅有极小的透明度变化，因此它们具有良好的稳定性(在表1中评价为B或A)。另外，作为85℃、Rh 85％和2000小时的耐候性测试的结果，样品1至15在其表面上几乎没有观察到白色混浊，因此它们具有良好的耐候性(在表1中评价为“B”或“A”)。
特别地，在样品1至15中，样品3和样品5至15具有极好的稳定性(表1中评价为“A”)。并且，样品10至15具有极好的耐候性(在表1中评价为“A”)。
通常，碱金属氧化物(alkali oxide)在玻璃生产中是对提高溶解度和降低玻璃的软化温度具有非常大影响的化合物。然而，当碱金属氧化物的含量超过一定程度时，其可能急剧降低耐候性。在作为碱金属氧化物的Na2O、Li2O和K2O中，Li2O是一种对降低玻璃的软化温度具有大的影响并对耐候性影响最小的化合物。在它们之中，K2O最急剧地降低耐候性。Na2O具有介于Li2O和K2O之间的中间性能。
在B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃中，如果试图仅用Na2O来满足热性能，那么Na2O在玻璃中的含量可能过大，以致不可能获得具有如上所述极好耐候性的玻璃。如果试图获得具有极好耐候性的玻璃，那么可能产生缺少适合用于密封的热性能的玻璃，如样品15中所示。关于适合用于密封的热性能例如(Tg)和(At)，玻璃化转变温度(Tg)优选不大于500℃，更优选不大于490℃，并且屈服点(At)优选不大于540℃，更优选不大于530℃。因此，如样品10至14中所示，通过用Li2O代替给定部分的Na2O，玻璃可以满足适合用于密封的良好热性能以及极好的耐候性(表1中评价为“A”)。
生产在B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃中加入Bi2O3的样品13-2并测量性能等。同时，除了ZnO和Bi2O3的含量外，样品13-2具有与样品13相同的组成。换言之，样品13-2具有样品13的部分ZnO被Bi2O3替代的组成。
表2
 
组成 样品13 样品13-2
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 21 21
SiO<sub>2</sub> 13 13
Li<sub>2</sub>O 1.5 1.5
Na<sub>2</sub>O 2 2
ZnO 50.5 40.5
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 12 12
Bi<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 10
总计 100 100
nd 1.71 1.73
Tg 487 484
At 525 526
α 64 66
如表2所示，样品13-2具有B2O3(21wt％)、SiO2(13wt％)、Li2O(1.5wt％)、Na2O(2wt％)、ZnO(40.5wt％)、Nb2O5(12wt％)和Bi2O3(10wt％)的组成比。样品13-2具有484℃的玻璃化转变温度(Tg)、526℃的屈服点(At)和6.6×10-6/℃的热膨胀系数(α)以及1.73的折射率(nd)。因此，通过用Bi2O3代替部分ZnO，玻璃化转变温度(Tg)可以降低至不高于490℃，屈服点(At)可以降低至不低于530℃，并且同时可以提高折射率(nd)。
第一实施方案的优点
根据上述的第一优选实施方案，可以获得以下优点。
(1)可以实现具有良好耐候性以及良好稳定性的玻璃密封部6。因此，即使在苛刻环境等条件下长时间使用LED 1时，仍可以防止玻璃密封部6劣化，并且还可以有效地防止光取出效率随时间降低。
(2)玻璃密封部6具有高折射率和高透射率特性以及良好的稳定性，因而可以同时获得高可靠性和高发光效率。如果用低折射率材料密封具有高折射率的LED元件2，则在LED元件2中产生的光可不从LED元件2的内部向外发射并且可内部吸收。随着密封材料的折射率增加，从LED元件2内部的光取出效率增加。通常，随着密封材料的折射率增加，在尤其小于500nm的波长处的透射率作为初始特征或随时间变化特征时存在劣化的趋势。因此，密封材料的光取出效率变差。迄今为止，经常使用折射率(nd)为1.55的环氧树脂作为蓝色LED元件2的密封材料，但是由于LED元件2的自发光和热的增加以及其增加的光输出，透射率显著降低。因此，目前，尽管其光取出效率比环氧树脂低约20％，但经常使用折射率(nd)为1.4的甲基类硅树脂，因为它们对于自发光和热是稳定的。
在本实施方案中，密封材料由热熔玻璃制成，因此可以同时获得高可靠性和高光取出效率。
如图2所示，本实施方案的玻璃在350nm至800nm具有不低于90％(每1mm厚度)的内部透射率，因而可以不仅适合于在可见光区使用而且还适于在树脂材料急剧劣化的接近汞(Hg)光谱的365nm处紫外区中使用。对于蓝宝石衬底(nd＝1.76-1.77)上的GaN基LED元件2，在利用折射率(nd)为1.7的玻璃密封时的光取出效率近似于利用折射率(nd)为1.55的环氧树脂密封时的光取出效率。然而，对于在折射率(nd)不小于1.8的衬底例如Ga2O3衬底、GaN衬底和SiC衬底上的GaN基LED元件，与传统的树脂(折射率(nd)<1.6)相比，可以改善利用折射率(nd)不小于1.6的玻璃密封时的光取出效率。
(3)由于B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃用于玻璃密封部6并且在高粘度条件下进行热压，因此可以在比晶体生长温度足够低的温度下进行加工。
(4)Al2O3衬底3和玻璃密封部6基于通过氧化物的化学键合而接合，从而可以获得强的密封强度(sealing strength)。因此，还可以实现具有小的接合区(bonding area)的小封装件。
(5)Al2O3衬底3和玻璃密封部6具有基本相同的热膨胀系数，使得即使在高温接合后暴露在室温或低温时，也难以发生接合失效例如剥离和裂纹。
另外，由于玻璃材料很难通过压缩应力产生裂纹，尽管通过拉应力易于产生裂纹，因此设定玻璃密封部6具有比Al2O3衬底3略低一点的热膨胀系数。
通常，玻璃材料具有其热膨胀系数在高于Tg(玻璃转化)点的温度下会增大的性质。因此，当在高于Tg点的温度下进行玻璃密封时，优选不仅考虑在低于Tg点的温度下的热膨胀系数而且考虑在高于Tg点的温度下的热膨胀系数，以便获得稳定的玻璃密封。换言之，考虑到热膨胀系数，包括如上所述高于Tg点的温度下的热膨胀系数，构成玻璃密封部6的玻璃材料需要具有与Al2O3衬底3的热膨胀系数近似的热膨胀系数。由此，可以降低在Al2O3衬底3中引起挠曲的内应力，并且可以防止在玻璃中出现剪切失效，即使在可以确保Al2O3衬底3和玻璃密封部6之间接合时也是如此。
因此，通过增大Al2O3衬底3和玻璃密封部6的尺寸，可以增加一起生产的器件的数量。本发明人证实，即使在液相热冲击试验(-40℃至100℃)的1000次循环中也没有发生剥离或裂纹。而且，当对5mm×5mm尺寸的玻璃材料进行与陶瓷衬底的接合基试验(bondingbase test)，其中在使用具有不同热膨胀系数的玻璃材料和陶瓷衬底组合的场合，证实如果具有较低热膨胀系数的一种材料与具有较高热膨胀系数的另一材料的热膨胀系数比率为0.85或更高，则可以实现接合而不产生裂纹。“具有近似的热膨胀系数”是指以上比率范围，尽管其取决于材料的刚度(stiffness)、尺寸等。
例如，当Al2O3衬底3具有7.0×10-6/℃的热膨胀系数时，玻璃密封部6优选具有不低于5.95×10-6/℃的热膨胀系数。样品10至13具有不低于5.95×10-6/℃的热膨胀系数以及极好的透明稳定性和耐候性(表1中评价为“A”)。因此，如果Li2O和Na2O在热熔玻璃中的总含量为3.5wt％至4wt％(参见表1中的样品10至13)，则玻璃密封部6可以具有合适的热膨胀系数(即，与衬底3近似的热膨胀系数)以及极好的透明稳定性和耐候性。
(6)由于LED元件2是倒装安装的并且不需要导线，因此即使在高粘度下进行密封过程时，在电极中也不发生失效。即，在密封过程期间热熔玻璃的粘度高达104至108泊，并且其性能非常不同于液体形式的并且在热硬化之前仅具有约5泊粘度的环氧树脂。因此，如果使用正装(face-up)型的LED元件，其中元件表面上的电极通过导线连接供电构件例如引线，则在玻璃密封过程中可能发生导线的破裂或变形，但是这可以通过使用倒装安装来防止。而且，如果使用倒装型LED元件，其中元件表面上的电极通过Au凸起等倒装安装在供电构件如引线上，则由于基于玻璃粘度沿供电构件方向对LED元件2施加的压力，可能发生凸起破裂或凸起间的短路，但这也可以防止。
常规地，考虑到在密封过程后的热应力，凸起接合经常在三点或更多点处实施。然而，在本实施方案中，由于Al2O3衬底3、玻璃密封部6以及LED元件2具有彼此近似的热膨胀系数，因此即使在密封过程后的热应力下，也可以平衡LED元件2的安装，并且即使在两点处进行凸起接合时也可以确保足够的可靠性。因此，发光层23位于其下的p型电极25的焊盘电极仅需具有单点凸起所需要的面积，可以减少焊盘电极的光吸收。因此，其是光学上有利的，并且可以提高光取出效率。
(7)板状热熔玻璃设置平行于Al2O3衬底3，并且在高粘度下进行热压，其中热熔玻璃平行于Al2O3衬底3的表面压制并与其平面接合。因此，在密封GaN基LED元件2时，没有出现孔洞。
(8)用于对Al2O3衬底3布线的电路图案4穿过通孔3A引至背面。因此，可以简化生产过程而不需要对玻璃材料渗透入不必要的位置和电终端被玻璃材料覆盖的问题采用具体措施。而且，由于板状热熔玻璃同时密封多个器件，因此可以通过切割容易地批量生产多个LED 1。同时，由于热熔玻璃在高粘度下加工，因此即使不使用通孔，只要外终端引至背面，也可以充分实现批量生产，其中对于树脂密封所需的措施是不必要的。
(9)LED元件2是倒装安装的，因而可以实现超小LED 1如0.5mm2，同时解决实施玻璃密封过程的问题。这是因为不需要用于导线的接合空间，并且即使在小接合空间的情况下，界面处也没有剥离，这是因为玻璃密封部6和Al2O3衬底3具有近似的热膨胀系数并且基于化学键合被牢固接合。
(10)LED元件2和玻璃密封部6具有近似的热膨胀系数。因此，由于包括Al2O3衬底3的所有相邻构件具有近似的热膨胀系数，因此即使在玻璃密封过程中的高温和室温之间的温差下，引起的热应力也可以非常低，因而可以获得稳定的可加工性而不产生裂纹。而且，由此可以降低热应力，以提高耐冲击性，从而可以获得具有高可靠性的玻璃密封型LED。
(11)使用Al2O3衬底3作为氧化铝衬底，因为容易得到因而可以降低部件成本，并可以实现器件成本降低以及批量生产能力。而且，Al2O3具有良好的热导率，因而其可以充分适合高亮度或高输出型器件。此外，由于Al2O3衬底3具有小的光吸收，因此其是光学上有利的。
变化实施例
热熔玻璃可以包括ZrO2和TiO2作为任选组分。在这种情况下，优选其包括0至3wt％的ZrO2和0至5wt％的TiO2。
如前所述，样品10至14具有极好的稳定性和耐候性(表1中评价为“A”)，以及适用于密封过程的热性能如(Tg)和(At)。即，当热熔玻璃包含B2O3(21至23wt％)、SiO2(11至13wt％)、Li2O(1至1.5wt％)和Na2O(2至2.5wt％)时，其可以具有极好的耐候性。
在这种情况下，当热熔玻璃进一步包括ZnO(48至51wt％)和Nb2O5(11.5至12wt％)时，其也可以具有极好的稳定性和适用于玻璃密封部6的热性能，例如屈服点(At)不高于540℃和热膨胀系数(α)不大于7.0×10-6/℃。而且，ZnO和Bi2O3的总含量优选为48wt％至51wt％，这是由于样品13中的部分ZnO被Bi2O3替代的样品13-2具有极好的稳定性、不高于540℃的屈服点(At)和不大于7.0×10-6/℃的热膨胀系数(α)。
另外，从热性能的观点看，在上述范围内的ZnO和Nb2O5中，优选Li2O和Na2O的总含量为3.5wt％至4wt％，这是由于样品10至13具有比样品14更低的玻璃化转变温度(Tg)和屈服点(At)。而且，Li2O和Na2O的总含量优选为3.5wt％至4wt％，其中ZnO和Bi2O3的总含量为48wt％至51wt％，并且Nb2O5的含量为11.5wt％至12wt％，这是由于其中样品13中的部分ZnO被Bi2O3替代的样品13-2具有比样品14更低的玻璃化转变温度(Tg)和屈服点(At)。
虽然在第一实施方案中，LED 1使用由GaN基半导体材料制成的LED元件2，但LED元件不限于GaN基LED元件2，并且可以由其它半导体材料制成。
LED元件2可以通过划片来生产。在这种情况下，通过划片生产的LED元件2在其作为切断部的侧表面上可以具有尖的凹面和凸面，并且LED元件2的侧表面优选用元件涂层材料涂覆。元件涂层材料包括具有光学透明性的SiO2基涂层材料。元件涂层材料可以防止在二次成型等情况下出现裂纹和孔洞。
在第一实施方案中，将W-浆料丝网印刷在Al2O3衬底3的表面上，加热，并在其上形成Ni镀层和Au镀层，从而形成电路图案4。作为替代方案，可以在Al2O3衬底3的表面上沉积Ti、Cr等，并在其上形成Ni镀层和Au镀层，或通过电镀在Al2O3衬底3的表面上沉积Cu，并且在其上形成Ni镀层和Au镀层，从而形成电路图案4。
当发生结露冷凝时，玻璃密封部6会劣化，尽管如前所述在高温耐湿测试中不发生劣化。即使在这种情况下，也可以通过在玻璃密封部6的表面上涂覆硅树脂等来防止由于高温下的结露冷凝导致的玻璃密封部6劣化。涂覆在玻璃密封部6表面上的涂层材料优选包含诸如SiO2基材料和Al2O3基材料的无机材料，其不仅具有耐湿性而且具有耐酸性和耐碱性。
通过向第一实施方案的B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃中加入荧光体，LED 1可以形成为波长转换型，其中进行波长转换使得通过来自GaN基LED元件2的光激发产生的荧光与来自GaN基LED元件2的光混合。在这种情况下，将热熔玻璃粉碎成具有约10至100μm平均颗粒直径的颗粒，使该粉碎的热熔玻璃与具有约10μm平均颗粒直径的YAG(钇铝石榴石)荧光体颗粒混合，并且将它们再次熔化，从而可以制备含荧光体的玻璃。当将含荧光体的玻璃材料用于玻璃密封部6时，即使玻璃材料具有相对高的粘度，该荧光体也可以均匀分散在玻璃密封部6中。
可以利用具有390nm峰值波长的LED元件、蓝荧光体、绿荧光体和红荧光体构建固态器件，以发射色度稳定的白光。或者，可以利用单一荧光体构建固态器件，以发射不同于白光的任意发射光。即使在使用具有400nm或更低的短波长的LED元件时，作为密封材料的B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃也不劣化。或者，可以在玻璃密封部6的表面上形成薄荧光体层。在荧光体层中，可以任选选择用来粘合荧光体的粘合剂，例如可以使用硅树脂或溶胶-凝胶玻璃。使用硅树脂作为粘合剂的荧光体层可以通过例如在玻璃密封部6的表面上涂覆包含荧光体的硅树脂并硬化该硅树脂来形成。使用溶胶-凝胶玻璃作为粘合剂的荧光体层可以通过例如在玻璃密封部6的表面上涂覆包含荧光体的金属醇盐并水解该金属醇盐来形成。
B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃可以包含Bi2O3以具有较高折射率。在使用这种热熔玻璃的情况下，优选LED元件包括折射率(nd)不小于1.8的衬底，以增加来自LED元件的光取出效率。例如，具有折射率(nd)不小于1.8的衬底的LED元件可以通过在任意Ga2O3衬底、GaN衬底、SiC衬底等上形成GaN基半导体而构建。
在使用替代用于硬化UV可固化树脂的光源的传统汞灯的具有370nm峰值发射波长的LED元件的LED光源中，可以使用B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃作为密封材料。常规地，为了防止LED元件的密封材料劣化，将裸露的LED元件安装在管座(stem)上并通过气密封来密封以确保气密性。由此，固态器件尺寸增大并且生产成本增加。相反，利用B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃来密封LED元件，可以减小固态器件的尺寸以降低生产成本，同时提高来自LED元件的光取出效率，从而实现高输出器件。
虽然在第一实施方案中，固态器件使用GaN基LED元件2，但也可以使用其它LED元件2，例如如图3A和图3B所示的。图3A是示出LED的纵向截面图，并且图3B是示出作为LED光源的AlInGaP基LED元件的侧视图。
如图3A所示，LED1包括由AlInGaP基半导体材料形成的LED元件2，并且如图3B所示，通过热压缩将AlInGaP基半导体材料接合到衬底(GaP衬底)20上。玻璃密封部6由与在第一实施方案中所用相同的B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃制成。在以下各附图和说明中，用相同的附图标记表示与用于第一实施方案中的组件相同或等同的组件。
如图3A所示，LED1包括具有相对高折射率(n＝3.5)的GaP衬底20、由AlInGaP基半导体材料形成并具有接近于衬底20的折射率(n＝3.0至3.6)的LED元件2、和由B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃形成的用于密封LED元件2的玻璃密封部6。因此，其可以具有增加的光取出效率和良好的热辐射性能以及安装性能。而且，由于其用折射率比环氧类树脂和硅氧烷类树脂高的玻璃密封，因此孔径角可以形成立体角增加30至40％，以提高来自LED元件2的光取出效率。衬底20可以由GaP形成。
使用LED 1的发光器件100的组成
图4是示出使用第一实施方案的LED的发光器件100的纵向截面图。将第一实施方案的LED1接合至引线框8，并用由透明丙烯酸树脂制成的透明树脂9覆盖整个器件，从而构成发光器件100。如前所述，通过用由B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃制成的玻璃密封部6密封GaN基LED元件2而形成LED 1。
透明树脂9具有以LED元件2为原点的半球形光学形状表面9A，并且通过注射成型而形成。
发光器件100的优点
根据上述发光器件100，可以获得以下优点。
(1)使用树脂材料例如丙烯酸树脂和聚碳酸酯树脂，通过注射成型可以容易地在玻璃密封的LED上形成具有任选光学形状表面的光学系统。Al2O3衬底3具有承受在注射成型期间的保持压力和通过注射树脂施加的外部压力的机械强度，从而可以与具有根据发光器件100的应用自由选择的可选光学形状的透明树脂9相结合。由于LED元件2被玻璃密封部6覆盖，因此即使当树脂材料的注射速度增加时，其也不被损坏。
(2)利用树脂材料对玻璃密封的LED 1进行二次成型，以使玻璃密封部6可以具有增强的耐湿性以及防止劣化。
(3)通过玻璃密封部6将透明树脂9配置在LED元件2上，从而甚至可以使用就光学劣化而言不能直接密封LED元件2的树脂材料。因此，可以提高设计自由度。例如，透明树脂9可以由彩色透明树脂材料制成。
(4)LED 1具有可以最容易批量生产的长方体形状，并且形成为可以由相同的陶瓷衬底低成本大量生产的密集封装件。通过用树脂密封，来自LED元件2的光可以向外辐射，而基本不在LED1和透明树脂9的界面上折射，并且可以确保形成光学表面所必需的尺寸。即，其可以比仅利用玻璃材料形成相同形状和尺寸更容易和以更低成本的方式形成。
虽然上述发光器件100用丙烯酸树脂密封，但也可以用环氧树脂密封。因此也可以对其采用其它成型方法，如传递成型和灌封成型(potting molding)。光学表面的形状不限于半球状，也可以为其它形状。
透明树脂9可以包括荧光体。荧光体可以是YAG(钇铝石榴石)荧光体、硅酸盐荧光体、或YAG荧光体和硅酸盐荧光体以预定比率的混合物。
第二实施方案
图5A是示出在根据本发明的第二优选实施方案中作为固态器件的LED的平面图，图5B是示出该LED的纵向截面图，而图5C是示出该LED的底视图。
LED 1的组成
如图5A、图5B所示，LED 1包括多个倒装型的GaN基LED元件2；多层并在平面图上形成方形、用于安装多个LED元件2的Al2O3衬底3；以及由钨(W)制成的、形成在Al2O3衬底3的表面上的或形成在Al2O3衬底3中的电路图案4。而且，在电路图案4中进行镀Ni和镀Au。LED 1还包括电连接LED元件2与电路图案4的Au钉头凸起5；由B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃制成的用于密封LED元件2并接合至Al2O3衬底3的玻璃密封部6；以及暴露在多层的中间层和Al2O3衬底3底部的四个角的底部电路图案16A、16B。B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃具有与第一实施方案中说明的玻璃材料相同的组成。在本实施方案中，LED 1还包括由铜(Cu)箔制成的辐射图案17，其设置在Al2O3衬底3的背表面上并向外扩散LED元件2处产生的热。
在Al2O3衬底3的表面处，具有圆形外形的电路图案4上，在长度和宽度方向上3×3排列九个LED元件2(340μm2)，并通过钉头凸起5以长度和宽度方向上600μm的间隔密集安装。
Al2O3衬底3具有包括由W制成的内部布线的多层结构，并且如图5A所示，通过串联连接横向排列的三个LED元件2而形成元件组。如图5C所示，Al2O3衬底3形成为用于LED元件2组的正极与底部电路图案16A之一连接，并且该元件组的负极与底部电路图案16C连接。用于正极的底部电路图案16A形成在Al2O3衬底3底部四个角中的三个上，而用于负极的底部电路图案16C在其余角上形成。三个元件组的正极均连接至用于正极的底部电路图案16A。并且，三个元件组的负极全部连接至用于负极的底部电路图案16C。
第二实施方案的优点
根据上述第二实施方案，可以获得以下优点。
(1)虽然多个LED元件2以小于LED元件2的两倍宽度的排列节距密集安装，但LED 1可以具有良好的可靠性而不产生裂纹，这是因为LED元件2和玻璃密封部6具有近似的热膨胀系数(α)。而且，由于它们具有近似的热膨胀系数，因此在玻璃密封部6和Al2O3衬底3之间可以确保良好的接合强度。
(2)通过使用Al2O3衬底3，即使在密集安装GaN基LED元件2而产生大量热时，也可以获得稳定的热辐射性能。可以容易地图案化串联和并联电路，并且可以容易地制订布线，用于实施电解镀。
(3)从内层中引出外部电终端，并将金属辐射图案17安装在底表面上，从而可以使在密集安装的九个LED元件2的发射期间产生的热可以快速从辐射图案17传导到散热器等。
图4所示的发光器件100也可以通过用透明树脂9覆盖第二实施方案的LED 1而形成。
第三实施方案
图6是示出在根据本发明的第三优选实施方案中作为固态器件的LED的纵向截面图。更具体地，图6示出了通过玻璃密封并在晶片Al2O3衬底3上形成的多个LED 1。
LED 1的组成
如图6所示，LED 1包括由GaN基半导体材料形成的倒装LED元件2；在其上安装LED元件2的Al2O3衬底3；在Al2O3衬底3上形成的电路图案4；电连接LED元件2和电路图案4的Au钉头凸起5；以及由B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃制成、形成为具有光学形状表面、用于密封LED元件2并通过热压缩接合至Al2O3衬底3的玻璃密封部6。B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃具有与在第一实施方案中说明的玻璃相同的组成。
Al2O3衬底3具有以预定间距形成在其上的分离沟槽3B，以在玻璃密封后切割晶片时，限定衬底的分离部位。
通过热压具有通过预成型预先形成的光学形状表面6C和薄平坦部6D的预成型玻璃材料，将玻璃密封部6接合到Al2O3衬底3的表面上。平坦部6D形成为当通过对分离槽施加应力而分开晶片时其厚度足以不在位于分离槽3B附近的LED 1中引起损坏，例如裂纹。
安装LED元件2并通过玻璃密封部6密封，在Al2O3衬底3的分离槽3B处施加应力，并根据应力集中分割Al2O3衬底3，其中玻璃密封部6可以在平坦部6D处同时分开，从而形成LED 1。
第三实施方案的优点
根据上述第三优选实施方案，可以获得以下优点。
(1)使用常用的Al2O3衬底3，并用具有热膨胀系数与衬底3的热膨胀系数近似的玻璃密封部6来密封LED元件2。因此，可以降低在加工过程中的内应力，以提高玻璃密封过程的可靠性，并可以提高规模生产率。
(2)Al2O3衬底3具有承受划片的机械强度，因此LED元件2可以安装在比需要切割余量的划片情况下更窄的节距，由此可以提高生产良品率。例如，在其中标准尺寸(0.3mm2)的LED元件2通过玻璃材料以0.5mm节距密封的小尺寸LED 1的情况下，在使用具有约13×10-6/℃的热膨胀系数的陶瓷衬底和密封玻璃的情况下，当LED元件2以0.5mm节距安装在陶瓷衬底上且没有切割余量并且随后进行玻璃密封时，可能由于密封玻璃和LED元件2之间的热膨胀系数差而产生裂纹。然而，在本实施方案中，由于玻璃密封部6和LED元件2具有近似的热膨胀系数，并且即使减少玻璃密封部6和Al2O3衬底3之间的接合面积，玻璃封装部6和Al2O3衬底3也仅具有小的热膨胀系数差，因此不会出现由于玻璃密封和划片过程导致的玻璃密封部6从Al2O3衬底3的剥离和玻璃密封部6中的裂纹。
(3)在通过切片分离LED 1的情况下，当通过切片机切割晶片时，在玻璃中可能出现残余应变，因此由于热冲击可能在玻璃密封部6中产生缺陷。然而，在通过划片分离LED 1的情况下，残余应力降低而不引起缺陷。
LED 1可以通过不同于划片的其它方法分离，例如通过使用激光束。
第四实施方案
图7是示出在根据本发明的第四优选实施方案中作为固态器件的安装有大尺寸(1mm2)LED元件的LED的纵向截面图。
LED 1的组成
LED 1包括由GaN基半导体材料形成的大尺寸倒装LED元件2、在其上安装有LED元件2的Al2O3衬底3、形成在Al2O3衬底3上的电路图案4、由高导热材料如铜箔制成并在Al2O3衬底3的外部连接侧(底侧)形成的具有预定面积的热辐射图案40、电连接LED元件2和电路图案4的Au钉头凸起5、以及用于密封LED元件2并接合于Al2O3衬底3的玻璃密封部6，玻璃密封部6由B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃制成并具有光学形状表面。B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃具有与在第一实施方案中说明的玻璃相同的组成。
第四实施方案的优点
根据上述第四实施方案，即使使用大尺寸LED元件2时，也可以获得可靠的LED 1而不会由于Al2O3衬底3和玻璃密封部6之间的热膨胀系数差而产生裂纹。当玻璃密封过程中的无应力状态被转换至室温时，所产生的应力将与LED元件2的尺寸成比例。通常，由于玻璃是比树脂硬的材料，特别是由于拉伸应力和剪切应力，可能引起裂纹。然而，本发明人证实，LED元件2(1mm2)可以用本实施方案的Al2O3衬底3和玻璃密封部6密封而不引起裂纹。
图4示出的发光器件100也可以通过使用第四实施方案的LED 1和所示出的透明树脂9来形成。
第五实施方案
如下形成LED，使用第四实施方案中说明的大尺寸LED元件2，在Al2O3衬底3上在长度和宽度方向上3×3安装九个GaN基LED元件2，类似第二实施方案中所说明的LED 1，并且将其用由B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基热熔玻璃形成的玻璃密封部6密封。
第五实施方案的优点
根据上述第五实施方案，即使在安装多个大尺寸LED元件2时，也可以获得如第四实施方案中所描述的稳定玻璃密封性能，从而提供可靠的LED 1。
可以使用由较高导热性的材料制成的其它衬底来代替如第五实施方案中说明的Al2O3衬底3。较高导热性衬底可以由例如BeO(具有7.6×10-6/℃的热膨胀系数(α)和250W/(m·k)的导热系数)形成。由于BeO衬底的热膨胀系数(α)近似于玻璃密封部6，因此BeO衬底可以具有良好的玻璃密封性能。
并且，较高导热性的衬底可以由例如W-Cu形成。当W-Cu衬底是W90-Cu10衬底(具有6.5×10-6/℃的热膨胀系数(α)和180W/(m·k)的热传导系数)或W85-Cu15衬底(具有7.2×10-6/℃的热膨胀系数(α)和190W/(m·k)的热传导系数)时，可以向玻璃密封部提供高导热率以及良好的接合强度。因此，可以充分适合用于高亮度或高输出型LED。
在以上实施方案中，通过热压将板状玻璃材料接合至Al2O3衬底3上。作为替代选择，可以熔化粉末玻璃材料并使其硬化在Al2O3衬底3上。在利用粉末玻璃材料形成玻璃密封部6的情况下，与使用板状玻璃材料的情况相比，可以提高形成玻璃密封部6的设计自由度。
图8是示出具有由粉末玻璃材料形成的玻璃密封部的LED的纵向截面图。在图8中，LED 1具有正装(face-up)安装在Al2O3衬底3上的GaN基LED元件2。LED 1的玻璃密封部6具有类似透镜的外表面，因而可以提高光取出效率。如图8所示，由于使用正装安装，因此LED元件2的电极通过导线27与电路图案4连接。在LED 1中，由于玻璃密封部6利用粉末玻璃材料形成，因此对导线不产生过多的内部应力，从而防止导线断裂。
在第一至第五实施方案中，以使用LED元件的LED举例作为固态组件。然而，固态组件并不限于LED元件，并且例如，其中也可以使用其它光学元件例如光接收元件和太阳能电池。
虽然为了完整和清楚地公开，已参照具体实施方案描述了本发明，但所附权利要求并不限于此，而是应解释为包括本领域普通技术人员可以想到的合理落在本文提出的基本教导范围内的所有改变和可选构造。

Claims (24)

1.一种固态器件，包括：
固态组件；
电力接收与供给部，在其上安装所述固态组件，用于从所述固态组件接收电力和向所述固态组件供给电力；和
玻璃密封部，其密封所述固态组件并包括B2O3-SiO2-Li2O-Na2O-ZnO-Nb2O5基玻璃，
其中所述玻璃包含21wt％至23wt％的B2O3、11wt％至13wt％的SiO2、1wt％至1.5wt％的Li2O和2wt％至2.5wt％的Na2O。
2.根据权利要求1的固态器件，其中所述玻璃包含48wt％至51wt％的ZnO和11.5wt％至12wt％的Nb2O5。
3.根据权利要求2的固态器件，其中所述玻璃包含总含量为3.5wt％至4wt％的Li2O和Na2O。
4.根据权利要求1的固态器件，其中所述玻璃具有不高于540℃的屈服点。
5.根据权利要求1的固态器件，其中所述玻璃具有不大于7.0×10-6/℃的热膨胀系数。
6.根据权利要求1的固态器件，其中所述玻璃密封部和所述固态组件满足它们的热膨胀系数中较低的热膨胀系数与较高的热膨胀系数的比率不小于0.85的关系。
7.根据权利要求6的固态器件，其中所述固态组件具有不小于1mm的尺寸。
8.根据权利要求6的固态器件，其中在所述电力接收与供给部上密集安装有多个所述固态组件。
9.根据权利要求1的固态器件，其中所述固态组件是倒装的。
10.根据权利要求9的固态器件，还包括：两个凸起，通过所述凸起安装所述固态组件并且使所述固态组件的正极和负极电连接至所述电力接收与供给部。
11.根据权利要求1的固态器件，其中：
所述电力接收与供给部包括含导电图案的无机材料衬底，所述导电图案用以从所述固态组件接收电力和向所述固态组件供给电力，和
所述玻璃密封部和所述固态组件满足它们的热膨胀系数中较低的热膨胀系数与较高的热膨胀系数的比率不小于0.85的关系。
12.根据权利要求11的固态器件，其中：所述无机材料衬底包括形成在所述固态组件的安装侧上的第一导电图案、形成在所述安装侧的相对侧上的第二导电图案、以及电连接所述第一导电图案与所述第二导电图案的第三导电图案。
13.根据权利要求11的固态器件，其中所述无机材料衬底包括氧化铝衬底。
14.根据权利要求1的固态器件，其中所述玻璃密封部包括涂层材料，所述涂层材料具有耐湿性、耐酸性和耐碱性并形成在所述玻璃密封部的表面上。
15.根据权利要求1的固态器件，其中所述固态组件包括光学元件，并且所述玻璃密封部包括透明材料。
16.根据权利要求15的固态器件，其中所述光学元件包括发光元件。
17.根据权利要求16的固态器件，其中所述玻璃密封部包括分散在其中的荧光体，以在被所述发光元件发出的光激发时发射波长转换光。
18.根据权利要求16的固态器件，其中所述玻璃密封部具有对于350nm至800nm波长的光，每1mm厚度不小于90％的内部透射率。
19.根据权利要求16的固态器件，其中所述玻璃密封部具有不小于1.6的折射率。
20.根据权利要求16的固态器件，其中所述发光元件包括GaN基LED元件，所述LED元件包括生长衬底和在所述生长衬底上形成的GaN基半导体层。
21.根据权利要求20的固态器件，其中所述生长衬底具有不小于1.8的折射率。
22.根据权利要求15的固态器件，其中所述光学元件包括光接收元件。
23.根据权利要求1的固态器件，其中所述玻璃密封部在其表面上利用树脂进行二次成型。
24.根据权利要求1的固态器件，其中所述玻璃还包含Bi2O3。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4780203B2 (ja) * 2009-02-10 2011-09-28 日亜化学工業株式会社 半導体発光装置
CN102332522A (zh) * 2010-07-15 2012-01-25 展晶科技(深圳)有限公司 发光二极管封装结构及封装方法
CN103943763B (zh) * 2014-03-28 2019-07-16 晶丰电子封装材料（武汉）有限公司 一种倒装led芯片的封装结构及方法
CN106025028B (zh) * 2016-05-20 2018-06-26 天津三安光电有限公司 倒装发光二极管芯片及其制作方法
CN108963054B (zh) * 2017-05-26 2019-10-15 黄秀璋 覆晶式发光二极管及其制造方法
CN110265521B (zh) * 2019-04-29 2020-10-27 华灿光电(苏州）有限公司 倒装发光二极管芯片及其制作方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106449934A (zh) * 2011-03-07 2017-02-22 肖特公开股份有限公司 用于密封地接合Cu部件的玻璃系统以及用于电子部件的壳体
CN106449934B (zh) * 2011-03-07 2020-03-27 肖特公开股份有限公司 用于密封地接合Cu部件的玻璃系统以及用于电子部件的壳体

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