CN101427388B - 发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供可以在无腔体的情况下实现高指向性，使断线、电极部的变形和气泡的产生达到最低限度的发光装置。发光装置具有配线基板、与配线基板以电气方式连接的LED和被覆LED的玻璃的发光装置。玻璃整体呈近似球形，LED嵌入玻璃的一部分中。并且，玻璃的曲面较好是与LED的侧面相接，LED较好是从正面观察时呈具有旋转中心的多边形的半导体芯片。
Description
技术领域
本发明涉及发光装置，更具体涉及发光元件被玻璃被覆的发光装置。
背景技术
目前，将白色的发光二极管(Light Emitting Diode，以下称为LED)用作发光元件的照明器材逐步被实用化。作为将白色LED用于照明时的优点，可以例举以下几点：1)与白炽灯和荧光灯相比，耗电量小，运转成本低；2)寿命长，因此省去更换的麻烦；3)可以小型化；4)不使用荧光灯中的如汞等有害物质等。
一般的白色LED具有LED被树脂密封的结构。例如，典型的单芯片型白色LED中，将GaN中添加In而得的InGaN作为发光层的LED被含有YAG荧光体的树脂密封。若向该LED导通电流，则从LED放出蓝色光。接着，YAG荧光体被蓝色光的一部分激发，从该荧光体放出黄色光。蓝色光和黄色光存在互补色的关系，所以若它们混合，则人眼识别为白色光。
但是，经树脂密封的LED存在如下的问题：由于长时间的使用，水分侵入树脂中，阻碍LED的工作；或者树脂因从LED放出的光而变色，树脂的透光率下降等。
此外，LED的从安装基板到发光部的热阻越小，耐热温度越高，则可以在越高的环境温度和越大的输入功率下使用。因此，热阻和耐热性是LED的高输出功率化的关键点。但是，LED的密封使用树脂的情况下，由于树脂的耐热性低，所以存在不适合在高输出功率下使用的问题。例如，采用环氧树脂的情况下，在130℃以上的温度下发生黄变。
针对这样的问题，揭示了用低熔点玻璃密封的LED(例如参照专利文献1和2)。
专利文献1中揭示了，将芯片键合于反射皿的凹部中央底面的LED元件通过引线接合部连接到导线部后，使用加热模具等将它们用低熔点玻璃密封而得的LED灯。
此外，专利文献2中记载了使用模压法和电炉以玻璃密封GaN的技术。图18中表示作为其实施例之一的发光装置的截面图。搭载于衬底(submount)202的发光二极管芯片201配置于导线203。此外，发光二极管芯片201通过键合丝205与导线204连接。另外，发光二极管芯片201与键合丝205一起被密封构件206密封。密封构件206为低熔点玻璃，通过加热使低熔点玻璃软化，从而将发光二极管芯片201、键合丝205和周边的电路密封。
通过以低熔点玻璃密封LED，可以减少通过密封材料的吸湿性和密封材料的变色引起的透光率下降的同时，能够使耐热性提高。
还有，这里所说的“低熔点玻璃”是指与典型的玻璃相比，屈服点低的玻璃材料。一般，玻璃材料的膨胀以检测部由于玻璃材料朝单轴方向膨胀并推压测定装置的检测部而移动的距离来评价。屈服点是指玻璃材料软化而无法推压检测部的温度。
专利文献1：日本专利特开平8-102553号公报
专利文献2：国际公开第2004/082036号文本
发明的揭示
然而，专利文献1和2中，不仅LED，引线接合部也被玻璃密封。例如，如图18所示，专利文献2中，发光二极管芯片201和键合丝205等全部被玻璃被覆。因此，制造器件时，键合丝可能会发生断线。
此外，像专利文献1和2那样用模具进行玻璃密封的方法中，LED的电极部可能会因成形时的压力而发生变形。
此外，以玻璃密封LED时，由于玻璃中带入空气，容易在玻璃中产生气泡。因此，也存在从LED放出的光的获取效率降低的问题。
另外，图18中，密封构件206呈扁平的形状。这被认为是由于低熔点玻璃具有粘度根据温度而急剧变化的性质。如果密封构件206具有这样的形状，则从发光二极管芯片201射出的光的指向性下降。另一方面，在光纤和投影仪所用的光源等用途中，对于具有高指向性的LED的要求高。
为了提高光的指向性，可以考虑将LED设置在腔体内，通过腔体使来自LED的光反射，在前方获取光的结构。该情况下，腔体一般采用氧化铝等陶瓷材料。但是，设置这样的腔体导致发光装置整体的成本升高。此外，陶瓷具有一定程度的透光性，所以从LED射出的光的一部分不被反射而透过。
本发明是鉴于这样的问题而完成的。即，本发明的目的在于提供可以在无腔体的情况下实现高指向性，使断线、电极部的变形和气泡的产生达到最低限度的发光装置。
本发明的其它目的和优点由以下的记载可知。
本发明的第1种形态是具有配线基板、与所述配线基板以电气方式连接的发光元件和被覆所述发光元件的玻璃的发光装置，其特征在于，所述玻璃为整体呈近似球形的形状，所述发光元件嵌入所述玻璃的一部分中，所述玻璃的曲面与所述发光元件的侧面相接。
本发明的第2种形态是具有配线基板、与所述配线基板以电气方式连接的发光元件和被覆所述发光元件的玻璃的发光装置，其特征在于，所述玻璃包含表面形状呈曲面的部分和表面形状平坦的部分，所述发光元件的与所述配线基板对向的面与所述平坦的部分大致在同一平面上，所述对向的面的自中心至端部的长度设为a，自该端部至所述平坦的部分的外周的长度设为b时，0<(b/a)≦0.2的关系成立。
本发明的第2种形态中，较好是所述玻璃的折射率在1.6以下时，0<(b/a)≦0.1的关系成立。
此外，本发明的第2种形态中，较好是所述曲面为球面的一部分。
本发明的第1和第2种形态中，所述发光元件可以采用从正面观察时呈具有旋转中心的多边形的半导体芯片。
本发明的第1和第2种形态中，所述发光元件可以采用LED和半导体激光器中的任一方。
本发明的第1和第2种形态中，较好是所述玻璃包含TeO2、B2O3和ZnO作为主要成分。
如果采用本发明的第1种形态，则发光元件嵌入整体呈近似球形的玻璃的一部分中，玻璃的曲面与发光元件的侧面相接，所以可以在无腔体的情况下实现高指向性。此外，也可以形成使断线、电极部的变形和气泡的产生达到最低限度的发光装置。
如果采用本发明的第2种形态，则发光元件的与配线基板对向的面与玻璃的平坦的部分大致在同一平面上，所述对向的面的自中心至端部的长度设为a，自该端部至玻璃的平坦的部分的外周的长度设为b时，0<(b/a)≦0.2的关系成立，所以可以在无腔体的情况下实现高指向性。此外，也可以形成使断线、电极部的变形和气泡的产生达到最低限度的发光装置。
附图的简单说明
图1是自球面射出的光的特性的说明图。
图2是本实施方式的发光装置的截面图的一例。
图3是偏转45度来观察图2的发光装置而得的图。
图4是本实施方式的发光装置的部分截面图。
图5是从LED侧观察图4而得的平面图。
图6是表示本实施方式中的(b/a)和角度θ′的关系的图。
图7是本实施方式中，评价出射光的角度依赖性的结果。
图8是本实施方式中，沿密封LED的玻璃的主轴的截面图。
图9是表示玻璃的折射率和焦距的关系的图。
图10是说明本实施方式的发光装置的制造方法的图。
图11是说明本实施方式的发光装置的制造方法的图。
图12是说明本实施方式的发光装置的制造方法的图。
图13是说明本实施方式的发光装置的制造方法的图。
图14是可适用于本实施方式的LED的平面图的一例。
图15是沿图14的A-A′线的截面图。
图16是可适用于本实施方式的LED的截面图的另一例。
图17是采用红外线的加热和采用电炉的加热的各温度分布型。
图18是以往例的发光装置的截面图。
符号的说明
1：发光装置，2、12、15：LED，3、11、13、16′：玻璃，4、17：配线基板，5、18：配线，6、19：凸点，7：光，8：中心，16：玻璃构件，20：密封树脂。
实施发明的最佳方式
首先，对从球面射出的光的特性进行说明。
图1中，折射率n的介质与具有球面的折射率n′的介质相接。本实施方式中，折射率n的介质对应于空气，折射率n′的介质对应于玻璃。
折射率n′的介质中，将形成球面的部分视作球体的一部分，将该球体的半径设为r。此外，将折射率n′的介质视作透镜，假设光通过该介质，从球面射出到折射率n的介质中。这时，将折射率n′侧的焦距设为f′，将折射率n侧的焦距设为f。如果在折射率n′的介质中置于自球面的距离S′的位置的物体M′Q′的像MQ在折射率n的介质中形成于自球面的距离S的位置，则式(1)的关系成立。
(n/S)+(n′/S′)＝(n′-n)/r (1)
式(1)中，如果假设n＝1、n′＝2，则式(2)的关系成立。
(1/S)+(2/S′)＝1/r (2)
此外，式(2)中，如果假设S′＝2r，则S＝∞。这意味着，自配置于球形介质的面上的点光源的光在介质中透过而从球面射出后，形成平行光。
图2是本实施方式的发光装置1的截面图的一例。此外，图3是偏转45度来观察图2的发光装置1而得的截面图。如这些图所示，LED2为从正面观察时呈矩形的半导体芯片，介以凸点6与配线基板4上的配线5以电气方式连接。此外，发光装置1具有LED2嵌入整体近似球形的玻璃3的一部分中的结构。并且，玻璃3的曲面与LED2的侧面相接。
图2和图3的发光装置1中，LED2的与配线基板4对向的面、即电极面为矩形。并且，图2是沿电极面的对角线的截面图，图3是沿通过电极面的中心且相对于其对角线成45度的角度的直线的截面图。电极面为矩形的各顶点与玻璃3的曲面相接的结构。因此，图3中，玻璃3的下方部分呈比图2稍稍扁平的形状。
LED2中设有与电极面平行的发光层(未图示)，光主要从与电极面对向的面获取。
如图2模式化所示，自LED2的光7透过玻璃3而射出到空气中。如上所述，自配置于球形介质的面上的点光源的光在介质中透过而从球面射出后，形成平行光。在这里，可以认为LED2的发光层的位置与电极面的位置大致相同。此外，图2中，玻璃3的形状视作近似球形，所以如果将从LED2和玻璃3相接的点、即电极面的顶点附近射出的光视作自配置于球形介质的面上的点光源的光，则可以认为该光在透过玻璃3后形成平行光。此外，可以认为这时出射角θ大致等于从电极面的顶点附近射出并通过玻璃3的中心8的光所成的角度θ′的1/2。
以下，考虑玻璃的曲面不与LED的侧面相接的情况，即LED的电极面的各顶点不与玻璃的曲面相接的情况。
图4是发光装置的部分截面图，表示LED被玻璃被覆的状况。此外，图5是从LED侧观察图4而得的平面图。还有，为了便于理解，图5中仅对后述的玻璃11的平坦的部分11b进行表示，省略了呈球面的部分11a。
如图4和图5所示，玻璃11具有呈球面的部分11a和平坦的部分11b。并且，LED12位于平坦的部分11b，而且电极面12a的各顶点位于玻璃11的球面的内侧。本例中，平坦的部分11b的外形可以视作圆形，所以如果将该部分的半径设为R而电极面12a的对角线的长度设为L，则自电极面12a的顶点至玻璃11的球面的距离以(R-L/2)表示。于是，本说明书中，设(L/2)＝a，(R-L/2)＝b，将玻璃11从电极面12a露出的比例以(b/a)表示。(b/a)为0的情况下，没有平坦的部分11b，所以形成对应于图2和图3的例子的结构。即，玻璃形成整体呈近似球形的形状，LED埋入其一部分中，并且玻璃的呈球面的部分与LED的侧面相接的结构。
图6表示通过计算求(b/a)和从电极面12a顶点附近射出并通过玻璃11的中心的光所成的角度θ′(＝2θ)的关系而得的结果。还有，角度θ′的值具体可以如下求得。
如上所述，L是LED的电极面中的对角线的长度，所以其值可以通过实测求得。此外，对于密封LED的玻璃，将呈球面的部分视作球体的一部分，将该球体的半径设为R′，其值也可以通过实测求得。于是，首先(L/2)乘以适当的(b/a)的值后，再加上(L/2)，从而求出玻璃的平坦的部分的半径R。接着，由半径R和半径R′求出自玻璃的中心至电极面的距离。根据所得的距离和半径R′可以求出(θ′/2)的值，所以通过将该值加倍就可以得到角度θ′。还有，该例中，假设电极面是边长为320μm的正方形，L/2＝226m。此外，半径R′对R′＝0.5mm的情况和R′＝0.75mm的情况进行了考虑。
(b/a)不为0的情况下，电极面的顶点不在球面上，所以从顶点附近射出的光透过球面后，严格来说不会形成平行光。因此，(b/a)等于0的情况下，根据图2的结构，虽然可以视作角度θ′的1/2大致与出射角θ相等，但随着(b/a)的增大，其间的偏差也不断增大。然而，因为角度θ′越大则出射角θ也越大，所以通过研究(b/a)的值和角度θ′的关系，可以推测(b/a)的值和角度θ的关系。
图6中，(b/a)的值越大，则角度θ′也越大。这是因为，图5中，随着自电极面12a的顶点至玻璃11的球面的距离b的增大，自玻璃11的中心8(参照图2)至LED12的距离变短。因此，(b/a)的值越大，则出射角θ也越大，可以认为从LED12射出的光的指向性下降。
此外，图6中，(b/a)为0时的角度θ′在半径R′的值较小时较大。因此，可以认为密封LED12的玻璃11越小，则出射角θ越大。另一方面，半径R′的值较大时，角度2θ相对于(b/a)的变化较小。根据这一点，可以认为密封LED12的玻璃11越大，自电极面12a的顶点至玻璃11的球面的距离b增大所产生的指向性的下降量越小。
图7是实际制成发光装置，评价出射光的角度依赖性的结果。还有，使用的LED中，L/2＝226μm，主发光峰波长为460nm。此外，密封该LED的玻璃的半径R为0.23mm，半径R′为0.5mm，波长λ＝460nm时的折射率为1.98。另外，该发光装置中，(b/a)的值为0。
出射角θ是与显示出最高的强度的角度、一般为0度附近的出射光成分相比相对的强度为1/2的角度，所以根据图7估计为约24度。另一方面，图6中，半径R′为0.5mm时的角度θ′为约53度，由该值导出的出射角θ为26.5度。因此，确认与通过实测所得的值的差异不大。
实施例
图7的发光装置如下制成。但是，这是一例，并不限定本实施方式的发光装置的制造方法。
<配线基板的形成>
作为基板，使用纯度99.6％、厚1mm的氧化铝基板。接着，调合配线形成用的金糊料。具体为，将金(80重量％)、第1玻璃成分(2重量％)和有机质清漆(18重量％)混合，在磁研钵中混匀1小时后，使用三辊机进行3次分散，制成金糊料。
作为金，使用平均粒径2μm的球形的微粉。此外，作为第1玻璃成分，使用由SiO2(44.65mol％)、B2O3(13.13mol％)、ZnO(18.44mol％)、Li2O(6.58mol％)、Na2O(7.06mol％)、K2O(0.71mol％)、TiO2(3.15mol％)、Bi2O3(5.28mol％)和CeO2(1.0mol％)形成，平均粒径为1μm的片状的玻璃粉末。还有，该第1玻璃成分的软化点为550℃。此外，作为有机质清漆，使用将聚合度7的乙基纤维素树脂以浓度达到20重量％的条件溶解于α-萜品醇而得的清漆。
接着，在氧化铝基板的表面丝网印刷金糊料，形成配线图案。然后，在120℃进行10分钟的加热处理后，在800℃煅烧30分钟，从而在氧化铝基板上形成金配线。
<LED>
使用丰田合成株式会社(豊田合成株式会社)制的E1C60-OB011-03(商品名)。该LED的电极面是边长为320μm的正方形，L/2＝226μm。
<键合>
首先，在LED的电极上形成总共2个凸点。具体为，使用伟邦公司(ウエストボンド社)制的手动引线键合机(制品名7700D)，通过直径25μm的金丝(住友金属矿山株式会社(住友金属鉱山株式会社)制的SGH-25(商品名))形成金凸点。所形成的金凸点的直径为100μm，高度为25μm。
接着，通过金凸点键合设于LED的电极和金配线。这时，施加规定的压力进行安装，使LED相对于基板平行。具体为，使用海梭株式会社(ハイソル社)制的倒装式键合机(制品名MOA-500)，将LED倒装安装于氧化铝基板上。安装后的金凸点的直径为100μm左右，高度为15μm～20μm左右。
<玻璃密封>
作为玻璃构件，使用由TeO2(45.0mol％)、TiO2(1.0mol％)、GeO2(5.0mol％)、B2O3(18.0mol％)、Ga2O3(6.0mol％)、Bi2O3(3.0mol％)、ZnO(15mol％)、Y2O3(0.5mol％)、La2O3(0.5mol％)、Gd2O3(3.0mol％)和Ta2O5(3.0mol％)形成的构件。
接着，将上述玻璃构件加工成适当大小的块状后，承载于倒装安装了的LED上，进行加热处理。
作为加热装置，使用株式会社萨模理工(株式会社サ—モ理工)的红外线加热装置IVF298W(商品名)。该装置的红外线灯的辐射波长带为600nm～1100nm，在900nm附近具有最大辐射强度。还有，本申请人申请的日本专利特愿2006-111089中，对玻璃密封发光元件的结构和制造方法进行了提案。此外，日本专利特愿2006-072612中，提出了采用红外线聚光加热器的玻璃熔融方法。本发明可以采用任一专利中记载的加热方法。
上述加热装置的室内，作为红外线吸收构件，设置直径20mm的旭硝子陶瓷株式会社(旭硝子セラミツクス株式会社)制的钛酸铝(Al2O3·TiO2)(商品名：LOTEC TM)，在其上承载上述的安装有LED的配线基板，再在LED上放置上述的玻璃构件。还有，温度通过使热电偶接触陶瓷来测定。
自上述的红外线吸收构件侧，以2kW的输出功率照射红外线。温度变化为，从室温用15分钟升温至630℃，在630℃停留30秒～1分50秒左右后，用5分钟降温至室温。
对上述中得到的发光装置的评价方法如下。
从LED射出的光的指向性通过出射角θ评价。并且，出射角θ与从LED电极面的顶点附近射出并通过玻璃的中心的光所成的角度θ′相关。在这里，如果以玻璃从电极面露出的比例(b/a)表示，则(b/a)的值越大，角度θ′也越大。即，通过改变(b/a)的值，可以改变角度θ′，结果改变出射角θ。这意味着可以通过(b/a)的值来控制指向性。例如，如果增大(b/a)的值，则出射角θ也增大，所以从LED射出的光的指向性下降。因此，仅通过改变(b/a)的值，就可以提供具有所要求的出射角θ的发光装置。该情况下，(b/a)为0，即呈玻璃的曲面与LED的侧面相接的结构时，可以实现特别高的指向性。另外，如果(b/a)≦0.2，则可以减小指向性的变化，所以也可以确保足够的制造容限。
从提高光的指向性的角度来看，(b/a)的值越小越好，最好是该值为0的情况。另一方面，由图6可知，(b/a)的值越大，则角度θ的变化的比例也越大。如果(b/a)≦0.2，则在R′＝0.5mm和R′＝0.75mm的情况下都可以将角度θ的变化控制在3度以下。因此，从提高光的指向性的角度来看，较好是使(b/a)≦0.2，最好是使(b/a)＝0。
还有，上述例中，使用了电极面是边长为320μm的正方形、L/2＝226μm的LED，但本实施方式并不局限于此。对于具有其它尺寸的电极面的LED，从提高光的指向性的角度来看，也较好是使(b/a)≦0.2，最好是使(b/a)＝0。
另外，上述例中，电极面的形状采用矩形，但本实施方式并不局限于此。即，只要是LED嵌入整体呈近似球形的玻璃的一部分中，玻璃的曲面与LED的侧面相接的结构，就可以获得本发明的效果。此外，如果是玻璃包含其表面形状呈曲面的部分和表面形状平坦的部分，LED的电极面与玻璃的平坦的部分大致在同一平面上的结构，使自电极面的中心至端部的长度对应于上述的a，使自该端部至玻璃的平坦的部分的外周的长度对应于上述的b时，0<(b/a)≦0.2的关系成立，藉此也可以获得本发明的效果。该情况下，(b/a)为0的情况对应于上述的LED嵌入整体呈近似球形的玻璃的一部分中，玻璃的曲面与LED的侧面相接的结构。
但是，从提高指向性的角度来看，较好是LED的光轴和玻璃的旋转轴一致。因此，LED的电极面较好是从正面观察时呈具有旋转中心的多边形。例如，作为电极面的形状，可以例举正方形、长方形、平行四边形或菱形等。
例如，电极面的形状为圆形的情况下，可以如下考虑。即，如果将玻璃的平坦的部分的半径设为R，电极面的直径设为L，则与上述同样，可以通过(b/a)的值来讨论光的指向性。该情况下，(b/a)＝0为电极面的外周整体与玻璃的球面相接的情况。
另外，玻璃的形状越接近球形，则出射光的指向性越高。于是，下面对玻璃的形状进行说明。
图8是沿密封LED的玻璃13的主轴的截面图。图中，玻璃13的表面形状由呈曲面的部分13a和平坦的部分13b构成。此外，玻璃13的形状由呈曲面的部分13a的沿水平方向的主轴的尺寸A、其沿铅垂方向的主轴的尺寸B和平坦的部分13b的尺寸C这3种参数确定。在这里，在尺寸A、B、C之间，A>B>C的关系成立。
还有，本实施方式的发光装置中，LED的电极面位于平坦的部分13b，所以上述的水平方向是指相对于电极面的水平方向。此外，LED以电极面朝下设于配线基板上，所以“相对于电极面的水平方向”也可以说成“相对于配线基板的水平方向”。对于铅垂方向也是同样。
从提高指向性的角度来看，呈曲面的部分较好是球面或椭圆体面的一部分，特别好是球面的一部分。换言之，玻璃12越接近球形越好。
表1表示尺寸A、B、C与玻璃的扁平率(B/r)的关系。
还有，r是将呈曲面的部分13a视作球体的一部分时的球体的半径。
表1的例子中，各玻璃如下形成。首先，作为玻璃构件，准备由TeO2(45.0mol％)、TiO2(1.0mol％)、GeO2(5.0mol％)、B2O3(18.0mol％)、Ga2O3(6.0mol％)、Bi2O3(3.0mol％)、ZnO(15mol％)、Y2O3(0.5mol％)、La2O3(0.5mo1％)、Gd2O3(3.0mol％)和Ta2O5(3.0mol％)形成的构件。接着，在形成有氮化硼或碳等的脱模剂层的平板上承载玻璃构件。然后，通过加热使玻璃构件熔融后冷却，形成包含表面形状呈曲面的部分和表面形状平坦的部分的玻璃。在这里，“平坦的部分”形成于玻璃构件和脱模剂层接触的部分，所以平坦的部分的形状近似圆形，其表面大致依照脱模剂层的表面形状。
[表1]
| 玻璃 | A(mm) | B(mm) | C(mm) | 扁平率(B/r) |
| 1 | 1.421 | 1.255 | 0.725 | 0.950 |
| 2 | 1.412 | 1.266 | 0.665 | 0.953 |
| 3 | 1.419 | 1.236 | 0.870 | 0.973 |
| 4 | 0.997 | 0.900 | 0.555 | 0.986 |
| 5 | 0.993 | 0.901 | 0.505 | 0.975 |
| 6 | 0.992 | 0.913 | 0.495 | 0.986 |
| 7 | 0.988 | 0.917 | 0.410 | 0.972 |
| 8 | 0.714 | 0.706 | 0.260 | 1.024 |
| 9 | 0.719 | 0.704 | 0.220 | 1.003 |
| 10 | 0.718 | 0.688 | 0.260 | 0.992 |
由表1可知，尺寸A越小，则扁平率(B/r)越接近1。即，所用的玻璃构件的容积越小，则形状越接近正圆，所以可以形成具备适合于上述的式(1)和式(2)的球面的玻璃。即，可以使作为发光装置的光学设计变得容易。具体来说，较好是A≦1.5mm，更好是A≦1.0mm。
此外，从提高指向性的角度来看，较好是缩短焦距。图9表示玻璃的折射率和焦距的关系。纵轴为焦距乘以半径R′而得的值。还有，R′是将玻璃的呈球面的部分视作球体的一部分时的球体的半径。此外，焦距对应于图1的f′。
由图9可知，玻璃的折射率越高，则焦距越短。因此，从提高指向性的角度来看，较好是提高玻璃的折射率。另一方面，对于折射率低的玻璃，较好是进一步减小表示玻璃从电极面露出的比例的(b/a)的值。具体来说，折射率在1.6以下的玻璃的情况下，较好是使(b/a)≦0.1。
如上所述，通过减小(b/a)的值，可以提高从LED射出的光的指向性。此外，如果是同样大小的玻璃，其形状越接近球形，则指向性越高。另一方面，因为玻璃的尺寸越小则越接近球形，所以可以形成具备适合于上述的式(1)和式(2)的球面的玻璃。即，可以使作为发光装置的光学设计变得容易。并且，如果采用如图2所示的本实施方式的发光装置，则可以在无腔体的情况下实现高指向性。因此，例如可以作为适合于光纤和投影仪所用的光源等用途。
此外，图2的发光装置1中，LED2介以凸点6与配线5以电气方式连接。即，不是像专利文献1和2那样引线接合部被玻璃密封的结构。因此，可以避免制造器件时发生断线的危险。
另外，图2的发光装置1中，也可以使玻璃3中产生的气泡达到最低限度。对于这一点，以下进行详述。
用玻璃被覆安装于配线基板的LED时，首先需要通过加热使玻璃构件软化。软化了玻璃因重力而垂向下方，这时如果玻璃构件接触配线基板，则在配线基板和玻璃构件之间被封入空气。并且，如果玻璃构件在该状态下被冷却，则结果会在玻璃的内部产生气泡。这是用玻璃被覆LED时，玻璃中带入空气，从而在玻璃中产生气泡的机理。
与之相对，图2的发光装置1中，玻璃3和配线基板4不接触。因此，不会在其间封入空气，所以可以抑制在玻璃3中产生气泡。
还有，图2的发光装置1中，LED2嵌入玻璃3的一部分中，玻璃3的曲面与发光元件2的侧面相接，但本发明的效果也可以通过除此以外的结构获得。即，如果是玻璃包含其表面形状呈曲面的部分和表面形状平坦的部分，LED的电极面与玻璃的平坦的部分大致在同一平面上的结构，将自电极面的中心至端部的长度设为a，自该端部至玻璃的平坦的部分的外周的长度设为b时，0<(b/a)≦0.2的关系成立，则也可以减小与图2的结构中的角度θ′的偏差。
但是，该情况下，玻璃的折射率在1.6以下时，较好是使(b/a)≦0.1。
图2中，玻璃3的曲面与LED2的侧面相接，不与LED的电极面相接。但是，高指向性可通过(b/a)为0、即形成电极面的矩形的各顶点与玻璃3的曲面相接来获得，所以只要满足该要件，可以是玻璃3包围至电极面的结构。电极面具有除矩形以外的其它形状的情况也同样。
另外，本实施方式的发光装置可以在不使用模具的情况下用玻璃被覆LED。因此，也可以避免LED的电极部因成形时的压力而发生变形等缺陷。
使用图10～图13，对本实施方式的发光装置的制造方法进行说明。
首先，准备用于被覆LED15的玻璃构件16。
作为玻璃构件16，使用软化点在500℃以下、较好是490℃以下，温度50℃～300℃时的平均线膨胀系数为65×10-7/℃～95×10-7/℃，对于波长405nm的光的厚1mm时的内部透射率在80％以上、较好是85％以上、更好是90％以上、特别好是93％以上，对于该光的折射率在1.7以上、较好是1.9以上、更好是2.0以上的材料。特别优选软化点在500℃以下，温度50℃～300℃时的平均线膨胀系数为65×10-7/℃～95×10-7/℃，对于波长405nm的光的厚1mm时的内部透射率在80％以上，对于该光的折射率在1.8以上的材料。如果是这样的玻璃，则与LED15的热膨胀系数的差小，所以可以减小残留压力，防止密封后玻璃上产生裂缝。此外，因为透射率高，折射率也大，所以可以在不损害从LED15放出的光的获取效率的情况下被覆LED15。
作为本实施方式的玻璃构件16，优选使用包含TeO2、B2O3和ZnO的材料，其中特别优选使用包含10mol％以上、理想的是40mol％～54mol％的TeO2的材料。这是因为通过增加TeO2的含量，可以提高折射率。
具体来说，可以使用TeO2和GeO2的总含量为42mol％～58mol％，B2O3、Ga2O3和Bi2O3的总含量为15mol％～35mol％，Zn的含量为3mol％～20mol％，Y2O3、La2O3、Gd2O3和Ta2O5的总含量为1mol％～15mol％，TeO2和B2O3的总含量在75mol％以下的材料。
其中，特别优选使用TeO2的含量为40mol％～53mol％，GeO2的含量为0mol％～10mol％，B2O3的含量为5mol％～30mol％，Ga2O3的含量为0mol％～10mol％，Bi2O3的含量为0mol％～10mol％，Zn的含量为3mol％～20mol％，Y2O3的含量为0mol％～3mol％，La2O3的含量为0mol％～3mol％，Gd2O3的含量为0mol％～7mol％，Ta2O5的含量为0mol％～5mol％的材料。
例如，作为玻璃构件16，可以使用由TeO2(45.0mol％)、TiO2(1.0mol％)、GeO2(5.0mol％)、B2O3(18.0mol％)、Ga2O3(6.0mol％)、Bi2O3(3.0mol％)、ZnO(15mol％)、Y2O3(0.5mol％)、La2O3(0.5mol％)、Gd2O3(3.0mol％)和Ta2O5(3.0mol％)形成的构件。该组成不仅不含碱金属，而且在较低的温度下软化(例如软化点490℃左右)，平均线膨胀系数为86×10-7/℃左右。因此，与通常用于LED的蓝宝石基板的平均线膨胀系数(与C轴平行为68×10-7/℃，与C轴垂直为52×10-7/℃)接近。此外，波长405nm时的折射率高达2.01，提高自LED15的发射光的获取效率的同时，可以使光的指向性良好。
玻璃构件16可以含有荧光体。例如，如果在玻璃构件中添加放出黄色光的荧光体，则从LED15放出的蓝色光和荧光体被该蓝色光的一部分激发而放出的黄色光混合，藉此可以获得白色光。
从环境问题的角度来看，玻璃构件16较好是实质上不含铅。另外，从防止LED15的电气特性下降的角度来看，较好是不含碱金属。
接着，使玻璃构件16形成可承载于LED15上的形状。例如，较好是加工成块状或片状。此外，可以采用将大的玻璃块粉碎而得的碎片。还有，从抑制熔融时产生的泡的角度来看，较好是预先使玻璃构件的表面呈镜面。例如，可以对切成适当大小的玻璃片的正面和反面实施光学研磨，再精密切割成所需的大小，将所得的块状的玻璃作为玻璃构件。
被覆LED15所需的玻璃构件16的量至少采用能够以可见光的波长的数倍以上、具体为2μm以上的厚度，覆盖获取LED15的光的部分、即电极面以外的部分的量。
接着，制备被玻璃构件16被覆的LED15。在这里，LED15为安装于配线基板17的LED。
还有，本实施方式中，可以在将安装前的LED用玻璃被覆后，安装于配线基板。但是，该情况下，用玻璃被覆LED时，由于LED陷入玻璃中，电极面和玻璃的平坦的部分可能会不在同一平面上。具体来说，电极面恰好高出对应于凸点的高度。但是，凸点的高度通常为20μm～50μm左右，所以对于光的指向性，可以认为与将安装于配线基板的LED用玻璃被覆的情况相同。
作为LED15，可以使用在用玻璃构件16密封时的热处理中不会劣化的LED。通常，带隙越大，则耐热性越高，所以可以优选使用发射光为蓝色的LED。例如，可以使用主发光峰波长在500nm以下的LED，更具体为采用GaN和InGaN等氮化物半导体或者ZnO和ZnS等II-VI族化合物半导体等的LED。
图14是可适用于本实施方式的LED的平面图的一例。此外，图15是沿图14的A-A′线的截面图。这些图中，LED21具有依次形成于基板22上的n层23、作为发光层的i层24、p层25以及p型电极26。此外，在基板22上依次形成有n层27和n型电极28。该情况下，因为在n型电极28下未形成有i层24，所以无法观测到自该部分的光。还有，在图2中采用LED21的情况下，图2可以视作沿图14的B-B′线的截面图。
此外，图16是可适用于本实施方式的LED的截面图的另一例。图16中，LED31具有在p型电极32和n型电极33之间夹有由p层、i层和n层形成的半导体层34以及导电性的SiC基板35的结构。如果采用该结构，可以从基板的整面获取光，所以不会形成像图14和图15的例子那样的非发光部。
还有，本发明的发光装置也可以适用于发光元件采用半导体激光器来代替LED的情况。作为半导体激光器，与LED同样，使用在用玻璃密封时的热处理中不会劣化的激光器。即，可以使用主发光峰波长在500nm以下的半导体激光器，更具体为采用GaN和InGaN等氮化物半导体或者ZnO和ZnS等II-VI族化合物半导体等的半导体激光器。
配线基板17较好是使用耐热性的基板。这是因为将LED15用玻璃构件16密封时，必须加热至玻璃构件16的熔融温度。因此，预计由环氧树脂等形成的树脂基板可能会发生热劣化，是不理想的。作为可适用于本实施方式的耐热性基板，可以使用例如氧化铝基板、氮化铝基板和碳化硅基板等陶瓷基板，玻璃陶瓷基板或者在表面形成有硅氧化膜的硅基板(二氧化硅被覆硅基板)等。
作为形成LED15的电极(未图示)和配线18的材料，可以使用例如金(Au)、铂(Pt)、银(Ag)或铝(Al)等。其中，从熔点高且不易被氧化等的角度来看，优选使用金。还有，LED等半导体器件也可以使用日本专利特开2002-151737号公报、日本专利特开平10-303407号公报和日本专利特开2005-136415号公报等中所揭示的具有通过具备特定材料而提高了耐热性的层结构的电极。这是因为将LED15用玻璃构件16被覆时，在大气中于高温下被热处理，因此必须避免电极和配线18因热量而变形或氧化。根据同样的理由，形成凸点19的材料也优选使用金。还有，在高温高湿下通电的情况下，电极、凸点19和配线18都为金时没有问题，但采用不同的金属时可能会发生腐蚀。
接着，如图10所示，在LED15上放置玻璃构件16，通过加热使玻璃构件16熔融。加热温度必须在使玻璃构件16熔融的温度以上。该温度由玻璃构件16的组成决定。例如，作为玻璃构件16，使用由TeO2(45.0mol％)、TiO2(1.0mol％)、GeO2(5.0mol％)、B2O3(18.0mol％)、Ga2O3(6.0mol％)、Bi2O3(3.0mol％)、ZnO(15mol％)、Y2O3(0.5mol％)、La2O3(0.5mol％)、Gd2O3(3.0mol％)和Ta2O5(3.0mol％)形成的构件的情况下，采用500℃以上的温度，较好是570℃以上的温度。
此外，加热温度必须在对LED15的工作机能产生阻碍的温度以下。
具体来说，较好是在700℃以下，更好是630℃以下。这是因为如果温度达到700℃以上，则LED15的发光机能可能被破坏。
本实施方式中，可以使用红外线进行加热处理，也可以使用电炉进行加热处理。采用红外线的情况下，与采用电炉的情况相比，可以缩短处理时间，所以能够使发光装置的生产性提高。另一方面，采用电炉的情况下，可以使玻璃构件和发光元件均匀地升温。
图17是比较两者的温度分布型的一例。还有，该例子中，采用大和科学株式会社(大和科学株式会社)制的电炉(制品名FP41)或株式会社萨模理工(株式会社サ—モ理工)的红外线加热装置IVF298W(商品名)。
采用电炉的情况下，如图17中的虚线所示，用60分钟从室温升温至610℃，在610℃保持15分钟后，用4小时以上降温至室温。另一方面，采用红外线的情况下，如图17中的实线所示，用15分钟从室温升温至630℃，在630℃保持1分钟后，用5分钟降温至室温。如上所述，通过采用红外线，与采用电炉的情况相比，可以同时缩短升温时间和降温时间。
通过加热处理使玻璃构件16熔融后，如图11所示，玻璃构件16在某一温度下形成由其表面能和LED15的浸润性所决定的形状(球形)。但是，实际上由于其发生自重引起的变形，确定为如图12所示的最终形状、即在平衡状态下得到的形状。该情况下，玻璃构件16的重量越小，则其表面形状越接近球面，而如果玻璃构件16的重量较大，则形成接近扁平的表面形状。
自图10至图12的过程中，LED15被玻璃构件16被覆。该过程中，不需要使用模具等。
图12中，玻璃16′的曲面与LED15的侧面相接，玻璃从电极面露出的比例(b/a)实质上为0。另外，玻璃16′的旋转轴与LED15的旋转轴一致。这样的形状由熔融了的玻璃构件16自我调整(self-align)地形成。以下，对于该自我调整过程进行更详细的说明。
玻璃构件在LED上软化后，玻璃构件表现出从LED的上表面向下方溢出的行为。以下，示例熔融后的玻璃构件的变化的一例。例如，玻璃构件不一定各向同性地溢出，容易因玻璃构件的形状和放置玻璃构件的位置而发生偏差。并且，最初玻璃构件从LED的一边开始溢出的情况下，溢出的玻璃构件沿LED的侧壁部向下方流出后，在侧壁部的下端停止。稍后，从其它边溢出的玻璃构件也同样在侧壁部的下端停止。这时，各边如果溢出的玻璃构件的量存在差异，则玻璃构件移动而使整体达到均等。并且，在玻璃构件的旋转轴和LED的旋转轴一致后，玻璃构件形成稳定的形状。藉此，即使加热前不进行玻璃构件和LED的对位，也可以自我调整地形成图12的形状。然后，如果降低温度，则可以固定该形状。
还有，玻璃构件的粘性根据温度而变化，所以温度随时间变化的情况下，玻璃构件的粘性随时间而变化。因此，某一温度下的保持时间比玻璃构件的变形所需的时间短的情况下，玻璃的形状在达到平衡状态下得到的形状之前被确定。因此，为了通过自我调整过程获得上述形状，理想的是将熔融了的玻璃构件保持在适当的粘度状态下。具体来说，较好是将玻璃构件保持在玻璃化温度(100℃～220℃，较好是120℃～200℃)。
此外，为了通过自我调整过程获得图12的形状，对于同一尺寸的LED，玻璃的尺寸越小越好。作为一例，采用电极面是边长为320μm的正方形、L/2＝226μm的LED的情况下，玻璃的直径为0.35mm、0.64mm、0.74mm和1.04mm时，都能够以与图12同样的形状的玻璃被覆LED。但是，将玻璃的直径设为1.4mm时，软化了的玻璃不在LED的侧壁部下端停止，接触配线基板，未能获得图12的形状。
通过以上的工序，可以获得本实施方式的发光装置。
还有，本发明并不局限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，可以实施各种变形。
例如，本实施方式中，如图13所示，较好是在玻璃16′和LED15与配线基板17间设置密封树脂20。藉此，可以防止水通过它们的间隙从外部侵入。此外，玻璃16′被密封树脂20支承，所以可以更稳定地保持玻璃16′。因此，作为密封树脂20，较好是使用吸湿性低且具有一定程度以上的机械强度的树脂。还有，密封树脂20可以是紫外线固化型和热固化型中的任一种的树脂(例如丙烯酸类树脂或环氧树脂等)，但由于固化速度快且对周边构件的影响小，较好是使用紫外线固化型的树脂。
产业上利用的可能性
本发明的发光装置可以用于LED显示器、背光源、车载用光源、信号机、光传感器、指示器、聚鱼灯以及汽车用的前灯、方向指示灯和警告灯等所用的发光二极管或光拾取器等各种用途。
另外，在这里引用2006年4月24日提出申请的日本专利申请2006-119668号的说明书、权利要求书、附图和摘要的所有内容作为本发明说明书的揭示。
Claims (18)
1.发光装置，它是具有配线基板、与所述配线基板以电气方式连接的发光元件和被覆所述发光元件的玻璃的发光装置，其特征在于，
所述玻璃包含表面形状呈曲面的部分和表面形状平坦的部分，所述曲面的部分为球面或椭圆体面的一部分，
所述发光元件的与所述配线基板对向的面与所述平坦的部分大致在同一平面上，
所述对向的面的自中心至端部的长度设为a，自该端部至所述平坦的部分的外周的长度设为b时，0＜(b/a)≤0.2的关系成立。
2.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述玻璃的折射率在1.6以下时，0＜(b/a)≤0.1的关系成立。
3.如权利要求2所述的发光装置，其特征在于，所述曲面为球面的一部分。
4.如权利要求1～3中的任一项所述的发光装置，其特征在于，所述玻璃为整体呈近似球形的形状，所述近似球形的沿水平方向的主轴的尺寸在1.5mm以下。
5.如权利要求1～3中的任一项所述的发光装置，其特征在于，所述发光元件是从正面观察时呈具有旋转中心的多边形的半导体芯片。
6.如权利要求4所述的发光装置，其特征在于，所述发光元件是从正面观察时呈具有旋转中心的多边形的半导体芯片。
7.如权利要求1～3中的任一项所述的发光装置，其特征在于，所述发光元件是LED和半导体激光器中的任一方。
8.如权利要求4所述的发光装置，其特征在于，所述发光元件是LED和半导体激光器中的任一方。
9.如权利要求5所述的发光装置，其特征在于，所述发光元件是LED和半导体激光器中的任一方。
10.如权利要求6所述的发光装置，其特征在于，所述发光元件是LED和半导体激光器中的任一方。
11.如权利要求1～3中的任一项所述的发光装置，其特征在于，所述玻璃包含TeO2、B2O3和ZnO作为主要成分。
12.如权利要求4所述的发光装置，其特征在于，所述玻璃包含TeO2、B2O3和ZnO作为主要成分。
13.如权利要求5所述的发光装置，其特征在于，所述玻璃包含TeO2、B2O3和ZnO作为主要成分。
14.如权利要求6所述的发光装置，其特征在于，所述玻璃包含TeO2、B2O3和ZnO作为主要成分。
15.如权利要求7所述的发光装置，其特征在于，所述玻璃包含TeO2、B2O3和ZnO作为主要成分。
16.如权利要求8所述的发光装置，其特征在于，所述玻璃包含TeO2、B2O3和ZnO作为主要成分。
17.如权利要求9所述的发光装置，其特征在于，所述玻璃包含TeO2、B2O3和ZnO作为主要成分。
18.如权利要求10所述的发光装置，其特征在于，所述玻璃包含TeO2、B2O3和ZnO作为主要成分。
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