JP2010177375A - 発光装置及び発光装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＥＤ素子を用いた発光装置に対する長寿命、高信頼性、低価格、省エネ等の要望が強く、これを実現するために信頼性が高く、長寿命で製造価格の安い発光装置を提供する。
【解決手段】 基板上にＬＥＤ素子を実装し、該ＬＥＤ素子の周囲に蛍光物質を混入した樹脂層またはガラス層を形成して、前記ＬＥＤ素子の発光を波長変換して出射する発光装置において、前記基板は無機材質基板であり、該無機材質基板上に前記ＬＥＤ素子をフリップチップ実装し、前記ＬＥＤ素子の周囲を蛍光物質を混入した樹脂層またはガラス層で形成した波長変換層で被覆し、前記無機材質基板上のＬＥＤ素子実装領域の周囲にガラス蓋を被せて密封したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はＬＥＤ素子を用いた発光装置及びその製造方法に関し、特に気密封止構造により高信頼性を実現した発光装置及びその製造方法に関する。

近年、ＬＥＤ素子を用いた発光装置が普及するにいたり、車載用、大型テレビ、ノートＰＣ等の需要が急速に拡大している。これに伴ってＬＥＤ素子を用いた発光装置に対する長寿命、高信頼性、省エネ等の要望が強くなっており、これを実現するための新しい技術開発が望まれている。

上記要望に対して色々な新しい技術開発が行われているが、例えば特許文献１には熱膨張に対する信頼性を高めるために、ＬＥＤ素子と熱膨張係数が近似している無機材質のサブマウント基板に実装したＬＥＤ素子の周囲を蛍光粒子を混入した樹脂層で被覆し、その周囲に樹脂性のレンズを接着して封止した発光装置が記載されている。

以下図１０により特許文献１に記載された発光装置について説明する。図１０において発光装置１００はＬＥＤ１１０と、ＬＥＤ１１０をフリップチップ実装したサブマウント基板１２０と、ＬＥＤ１１０の周囲に形成された蛍光粒子を含有した樹脂層１３０と、このサブマウント基板１２０をさらに固定した支持体１４０と、この支持体１４０の上面でＬＥＤ１１０及びサブマウント基板１２０を覆うレンズ１５０とを備える。そしてサブマウント基板１２０と支持体１４０とは共晶層を介して固定されており、またレンズ１５０は接着層１７０により支持体１４０に固着されている。

また支持体１４０にはこれを貫通するスルーホール電極１４１が設けられており、支持体１４０の上面でスルーホール電極１４１にワイヤー１６０にてワイヤーボンディングされることにより、サブマウント基板１２０は支持体１４０の裏面に設けられた出力電極１４２と電気的に接続されている。また、レンズ１５０はＬＥＤ１１０の光を外部に効率良く取り出すために、曲面を形成している。

上記構成において、発光装置１００は例えばＬＥＤ１１０として青色ＬＥＤを使用し、樹脂層１３０としてＹＡＧ蛍光体を混入した波長変換樹脂層を使用した場合には、擬似白色発光装置として使用することができる。

特開２００７−２４３０７６号公報（図１参照）

上記するように特許文献１に示す発光装置は、ＬＥＤ素子と熱膨張率が近似している無機材質のサブマウント基板にＬＥＤ素子をフリップチップ実装し、その周囲に樹脂層を設けているため、放熱性や熱ひずみ等の温度特性に優れ、またレンズを用いて気密封止することによって長寿命、高信頼性を図っていることは事実だが、まだ十分とはいえないものである。

まず、気密封止を行うレンズが樹脂製であり、この樹脂レンズを接着剤を用いて固着しているが、このように樹脂製のレンズや接着剤を用いた封止構造は気密性が弱く、長時間の間には気密性が損なわれてしまい、期待する長寿命、高信頼性を維持することは困難である。また、ＬＥＤ素子を実装したサブマウント基板を第２の基板である支持体に接着してからレンズによる封止を行っているので、構造が大きくなり、小型化の期待に添えないものである。

本発明の目的は、上記問題点を解決し、十分な長寿命、高信頼性を達成すると共に、小型、薄型化を達成することができるＬＥＤ素子を用いた発光装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の構成は、基板上にＬＥＤ素子を実装し、該ＬＥＤ素子の周囲に蛍光物質を混入した樹脂層またはガラス層よりなる波長変換層を形成して、前記ＬＥＤ素子の発光を波長変換して出射する発光装置において、前記基板は無機材質基板であり、該無機材質基板上に前記ＬＥＤ素子をフリップチップ実装し、前記ＬＥＤ素子の周囲を波長変換層で被覆し、前記無機材質基板上のＬＥＤ素子実装領域の周囲にガラス蓋を被せて密封したことを特徴とする。

上記構成によれば、ＬＥＤ素子を実装する基板及び気密封止する蓋体にいずれも無機材質を使用し、その間を共晶接合することによって長寿命、高信頼性を達成し、さらにＬＥＤ素子を実装する基板上に直接気密封止するための蓋体を固着することによって、発光装置の小型、薄型化を達成している。

前記蛍光物質は前記ＬＥＤ素子が発する光を受けて、この光の波長を変換する蛍光物質であることを特徴とする。

前記ＬＥＤ素子は青色発光を行う青色ＬＥＤ素子であり、前記蛍光物質はＹＡＧ蛍光物質であることを特徴とする。

前記ガラス蓋は平板ガラスにサンドブラスト加工によって凹部を形成したガラス蓋であることを特徴とする。

上記構成によれば、既成の平板ガラスを使用して、多数の蓋体を量産することが可能となり、また蓋体の接着面としては平板ガラスの平面を利用して接着性の良い面が得られ、さらにサンドブラスト加工された蓋の内面が散乱面となって発光を拡散させる効果がある。

前記無機材質基板とガラス蓋とは熱膨張係数の近似した材料を使用することを特徴とする。

上記構成によれば、無機材質基板とガラス蓋との熱膨張係数が極めて近似した組み合わせとすることで、温度変化による剥がれ等のトラブルが発生せず高信頼性の発光装置を提供できる。

大判の無機材質基板に各パターンを形成後、ＬＥＤ素子をＦＣ実装し、さらに波長変換層を設けた状態の発光部分を複数個整列して形成する大判基板形成工程と、大判の平板ガラスにサンドブラスト加工によってガラス蓋の凹部を複数個整列して形成する大判ガラス蓋形成工程と、前記大判基板と大判ガラス蓋とを接着して一体化する大判発光装置形成工程と、前記大判発光装置を切断分離して個々の発光装置を作成する切断分離工程を有する発光装置の製造方法。

以上のように本発明においては、ＬＥＤ素子を実装する基板及び気密封止する蓋体にいずれも無機材質を使用し、その間を共晶接合することによって長寿命、高信頼性を達成し、さらにＬＥＤ素子を実装する基板上に直接気密封止するための蓋体を固着することによって、発光装置の小型、薄型化を達成できる効果を有する。

本発明の第１実施形態における発光装置の断面図である。 図１に示す発光装置の製造工程を示す工程図である。 図１示す発光装置に用いられるガラス蓋の加工工程を示す工程図である。 図１に示す発光装置の製造工程を示す工程図であり、各要素の断面を示している。 本発明における無機材質基板とガラス蓋との特性及び組み合わせを示す特性表である。 本発明の第２実施形態におけるガラス蓋を同時に複数個作成するための大判平板ガラスの斜視図である。 本発明の第２実施形態における無機材質基板を同時に複数個作成するための大判基板の斜視図である。 本発明の第２実施形態における大判発光装置の斜視図である。 図８に示す大判発光装置を切断分離した発光装置の斜視図である。 従来技術における発光装置の断面図である。

以下、本発明の実施形態の発光装置について図面により説明する。図１〜図４は本発明の第１実施形態における発光装置及びガラス蓋を示すものであり、図１は発光装置の断面図、図２は図１に示す発光装置の製造工程を示す工程図、図３は図１に示す発光装置に用いられるガラス蓋の加工工程を示す工程図である。

図１は発光装置１０の断面図であり、無機材質基板２の上面側には配線パターン２ａ、裏面には出力電極２ｂが形成されており、上面側の配線パターン２ａと裏面の出力電極２ｂとはスルーホール２ｃによって接続されている。そし無機材質基板２の配線パターン２ａにはＬＥＤ１がフリップチップ実装（以後ＦＣ実装と略記する）されており、このＬＥＤ１の周囲は蛍光粒子を混入した樹脂層またはガラス層よりなる波長変換層３が被覆されている。さらに無機材質基板２の上面側におけるＬＥＤ素子１の実装領域の周囲に形成された接着層２ｄにより、ガラス蓋５を接合密封することにより発光装置１０が完成する。

次に図２により、発光装置１０の製造工程を説明する。まず基板工程においては無機材質基板２としてはＡＩＮ（窒化アルミ）、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミ）、Ｓｉ（シリコン）等の材質基板を使用し、この無機材質基板２にはＬＥＤ素子１をＦＣ実装するためのＡｕＳｎ電極、ガラス蓋５を接着するための接着層５ｄとしてＡｕＳｎ層を形成しておく。また、ＬＥＤ素子工程としては、ＬＥＤ素子１にＦＣ実装するためのＡｕバンプを形成しておく。ＦＣ実装工程においては３００℃の加圧条件下において、ＡｕＳｎの共晶接合によってＦＣ実装をおこなう。波長変換層被覆工程においては、蛍光体成形工程において作成したシリコン樹脂成形によって作成した蛍光体混入の蛍光体キャップをＬＥＤ素子１に被せるか、またはディスペンサーやスキージーによりＬＥＤ素子１に直接被覆を行うことによって波長変換層３を形成する。

ガラス蓋加工工程においては平板ガラスにサンドブラスト加工によって凹部を形成し、接着面にＡｕの接着層を設けたガラス蓋５を作成する。ガラス蓋接合工程においては無機材質基板２に形成した接着層ＡｕＳｎと、ガラス蓋５に形成した接着層Ａｕにより、３００℃の加圧条件下においてＡｕＳｎの共晶接合によって無機材質基板２とガラス蓋５とを接着する。なおこのガラス蓋接着工程を真空中、または不活性ガス中で行うことにより、封止されたケース内部を真空または不活性ガス雰囲気にして、ＬＥＤ素子１及び有機材質であるシリコン樹脂によって形成された波長変換層３の劣化を防止することができる。最後に特性測定工程において完成した発光装置１０の電気的特性及び色度測定を行いその結果に従ってランク分けを行う。

次に図３によりガラス蓋５の製造工程を説明する。まず工程Ａは平板ガラス５０にガラス蓋５の凹部５ａに対応するマスク１５を取り付ける。次に工程Ｂにおいてサンド粒子２５を高圧で噴射することにより凹部５ａを形成する。なお、サンド粒子２５の噴射によって形成される凹部５ａの内部の形状は、コーナーには丸みが形成され、内面全体には梨地模様が形成される。このときのマスクとしては樹脂レジストやメタルマスクが使用され、サンド粒径、噴射速度、噴射時間を調整することにより凹部５ａの形状は任意に形成することができる。また１枚の大型平板ガラス５０に複数の凹部５ａに対応した開口１５ａを有するマスク１５を用いて同時に複数の凹部５ａを形成することが出来る（本実施形態では２個の凹部を同時形成した例を示している）。

次に工程Ｃにおいて、ダイヤモンドブレードやレーザースクライバを用いて切断することにより、個々のガラス蓋５に分離される。上記工程で作成されたガラス蓋５は無機材質基板２に接合される接合面５ｂと上面５ｃとは平板ガラスの平板面を用いることによって平坦面が得られ、また凹部５ａの内部は光拡散効果のある梨地模様が形成される。なお、ガラス蓋５に拡散性を持たせずに、透過性を良くしたい場合には、サンドブラスト加工を行ったガラス蓋の凹部５ａの内面をガラスエッチングすることによって透過性の良いガラス蓋を得ることができる。
さらに工程（Ｄ）において接合面５ｂにＡｕの接着層５ｄを形成することによりガラス蓋５が完成する。

図４も発光装置１０の製造工程を示すもので、各要素の断面を示している。すなわち基板工程Ａでは無機材質基板２に配線パターン２ａ、スルーホ−ル２ｃ、出力電極２ｂ、ガラス蓋５を接合するための接着層２ｄとしてＡｕＳｎ層が形成されている。ＦＣ実装工程Ｂでは無機材質基板２の配線パターン２ａにＬＥＤ１がＦＣ実装される。波長変換層被覆工程ＣではＬＥＤ１の周囲に波長変換層３として、シリコン樹脂成形によって作成した蛍光体キャップを被せて被覆する。ガラス蓋接合工程Ｄにおいては、図３で作成されたガラス蓋５の接合面５ｂに形成されたＡｕの接着層５ｄと、無機材質基板２に形成されたＡｕＳｎの接着層２ｄとによるＡｕＳｎの共晶接合を行うことにより発光装置１０が完成する。なお、このガラス蓋接合工程Ｄを真空中または不活性ガス雰囲気中で行うことで、気密封止による信頼性がさらに増すことは前述の通りである。

次に無機材質基板２とガラス蓋５との組み合わせについて説明する。図５は無機材質基板２とガラス蓋５との特性及び組み合わせを示す特性表であり、無機材質基板２の３種類を表１に、またガラス蓋５の３種類を表２に示し、表１及び表２の間に設けた矢印は組み合わせを示している。すなわち表１には無機材質基板２の基板材料としてＡＩＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ（シリコン）、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミ）の３種類について熱伝導率、線膨張係数を示しており、また表２にはガラス蓋５のガラス材料としてホウケイ酸ガラス（１）、ホウケイ酸ガラス（２）、ホウケイ酸クラウンガラスの３種類について線膨張係数を示している。

表１及び表２について線膨張係数に着目すると、無機材質基板２の基板材料ではＡＩＮが４４［×１０^−７／℃］、Ｓｉが３０［×１０^−７／℃］、Ａｌ_２Ｏ_３が７４［×１０^−７／℃］でるのに対し、ガラス蓋５のガラス材料であるホウケイ酸ガラス（１）が４７［×１０^−７／℃］、ホウケイ酸ガラス（２）が３３［×１０^−７／℃］、ホウケイ酸クラウンガラスが７４［×１０^−７／℃］であることがわかる。これらの各３種類の材料の関係を見ると、矢印で示す如く無機材質基板２の基板材料であるＡＩＮが線膨張係数４４［×１０^−７／℃］に対して、ガラス蓋のガラス材料であるホウケイ酸ガラス（１）が４７［×１０^−７／℃］で近似した値を示しており、また基板材料Ｓｉの線膨張係数が３０［×１０^−７／℃］であるのに対し、ガラス材料のホウケイ酸ガラス（２）が３３［×１０^−７／℃］と近似しており、同様に基板材料Ａｌ_２Ｏ_３の線膨張係数が７４［×１０^−７／℃］でるのに対しガラス材料のホウケイ酸クラウンガラスの線膨張係数が７４［×１０^−７／℃］と近似している。

図２で説明したように、無機材質基板２とガラス蓋５とをＡｕ−Ｓｎ共晶接合を行う場合には３００℃の高温となるため、無機材質基板２とガラス蓋５との線膨張係数が異なると線膨張係数の差によって割れや欠けのトラブルが発生するので、この無機材質基板２とガラス蓋５との線膨張係数はできるだけ近似した材料を選定する必要がある。この意味において表１，表２に示す如く矢印によって示されている材料の組み合わせが望ましいことがわかる。また表２に示すガラス材料で、市場で入手可能な材料としてホウケイ酸ガラス（１）としては「ＶＩＤＲＥＸ」（株式会社ビートレックスの商品名）があり、またホウケイ酸ガラス（２）としては「パイレックス（登録商標）」（コーニング社の商品名）がこの特性を有するものである。

次に図６〜図９により本発明の第２実施形態における集合基板方式によるＥＣＭの製造方法及び構成を説明する。図６は図３に示すガラス蓋５を同時に複数個作成するための大判の平板ガラス５０の斜視図であり、大判の平板ガラス５０には図３に示すサンドブラスト加工によってガラス蓋５の凹部５ａが、複数個整列して形成されている。

図７は図４に示す無機材質基板２を同時に複数個作成するための大判基板２０の斜視図であり、図４（Ｃ）に示す状態、すなわち無機材質基板２に各パターンを形成後、ＬＥＤ１をＦＣ実装し、さらに波長変換層３を設けた状態の発光部分１ａが複数個整列して形成されている。そして、図７の複数個整列して形成された発光部分１ａは、図６の複数個整列して形成されたガラス蓋５の凹部５ａに、その配置位置及び個数が同じになっている。

図８は大判発光装置１０Ｌの斜視図であり、大判基板２０の上面側に大判の平板ガラス５０を反転させて積層一体化した状態を示している。従って平板ガラス５０の上面側にはガラス蓋５にける凹部５ａの底の部分、すなわち発光窓部分を点線で示している。この完成した大判発光装置１０ＬをＸ及びＹの切断ラインに従ってダイヤモンドブレードやレーザースクライバを用いて切断することにより、個々の発光装置１０が完成する。

図９はこの完成した発光装置１０の斜視図であり、無機材質基板２にガラス蓋５が接合一体化され、ガラス蓋５にける凹部５ａの底の発光窓部分から、波長変換層３を通してＬＥＤ１の発光が行われる。

上記の如く、集合基板方式によるＥＣＭの製造方法において、ガラス蓋５を構成するのに大判の平板ガラス５０を使用し、面精度の優れた平板ガラス５０にサンドブラスト加工によって凹部を形成しているため、市販の平板ガラスを用いて面精度の優れた接合面５ｂと、拡散性に優れた内面を有する凹部ａとを同時に形成することができ、価格が安く、光学的特性に優れたガラス蓋を量産的に得ることが可能となる。また、無機材質基板２として利用可能な基板材料ＡＩＮ、Ｓｉ、Ａｌ_２Ｏ_３に対し、ガラス蓋５のガラス材料としては市販されている平板ガラス材料から無機材質基板２の基板材料と線膨張係数が近似したものを選択または指定して使用することができるため、調達コストの面で有利である。

以上、本発明における発光装置について、実施形態では青色ＬＥＤとＹＡＧ蛍光体の組み合わせに付いて記載したがこれに限定されるものではなく、近紫外ＬＥＤと各色蛍光体の組み合わせ等にも適用可能であり、また本発明における無機材質基板と平板ガラスのサンドブラスト加工によるガラス蓋の組み合わせは、ＬＥＤ以外の素子の封止にも有効である。

１ ＬＥＤ
１ａ 発光部分
２ 無機材質基板
２ａ 配線パターン
２ｂ 出力電極
２ｃ スルーホール
２ｄ 接着層
３ 波長変換層
５ ガラス蓋
５ａ 凹部
５ｂ 接合面
５ｃ 上面
５ｄ 接着層
１０ 発光装置
１０Ｌ 大判発光装置
１５ マスク
１５ａ 開口
２０ 大判基板
２５ サンド粒子
５０ 平板ガラス

Claims (6)

1. 基板上にＬＥＤ素子を実装し、該ＬＥＤ素子の周囲に蛍光物質を混入した樹脂層またはガラス層よりなる波長変換層を形成して、前記ＬＥＤ素子の発光を波長変換して出射する発光装置において、前記基板は無機材質基板であり、該無機材質基板上に前記ＬＥＤ素子をフリップチップ実装し、前記ＬＥＤ素子の周囲を前記波長変換層で被覆し、前記無機材質基板上のＬＥＤ素子実装領域の周囲にガラス蓋を被せて密封したことを特徴とする発光装置。
2. 前記蛍光物質は前記ＬＥＤ素子が発する光を受けて、この光の波長を変換する蛍光物質である請求項1記載の発光装置。
3. 前記ＬＥＤ素子は青色発光を行う青色ＬＥＤ素子であり、前記蛍光物質はＹＡＧ蛍光物質である請求項２記載の発光装置。
4. 前記ガラス蓋は平板ガラスにサンドブラスト加工によって凹部を形成したガラス蓋である請求項１から３の何れかに記載の発光装置。
5. 前記無機材質基板とガラス蓋とは熱膨張係数の近似した材料を使用する請求項1から４の何れかに記載の発光装置。
6. 大判の無機材質基板に各パターンを形成後、ＬＥＤ素子をＦＣ実装し、さらに波長変換層を設けた状態の発光部分を複数個整列して形成する大判基板形成工程と、大判の平板ガラスにサンドブラスト加工によってガラス蓋の凹部を複数個整列して形成する大判ガラス蓋形成工程と、前記大判基板と大判ガラス蓋とを接着して一体化する大判発光装置形成工程と、前記大判発光装置を切断分離して個々の発光装置を作成する切断分離工程を有する発光装置の製造方法。

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