JP2010238866A - 発光装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】金型にガラス材が付着したり、ガラス材の上面が所期形状に対し変形することのない発光装置の製造方法を提供する。
【解決手段】搭載部３上の発光素子２がガラス材６０により封止される発光装置の製造方法であって、ガラス材６０の上面にガラス材６０よりも融点が高い非ガラス材のコート膜７を形成するコート膜形成工程と、コート膜７を介してガラス材６０の上面に金型９２の成型面９２ａを接触させるとともにガラス材６０の下面を搭載部３に接触させてガラス材６０を加熱により軟化させて搭載部３上の発光素子２を封止する封止工程と、を含むようにした。
【選択図】図２
【解決手段】搭載部３上の発光素子２がガラス材６０により封止される発光装置の製造方法であって、ガラス材６０の上面にガラス材６０よりも融点が高い非ガラス材のコート膜７を形成するコート膜形成工程と、コート膜７を介してガラス材６０の上面に金型９２の成型面９２ａを接触させるとともにガラス材６０の下面を搭載部３に接触させてガラス材６０を加熱により軟化させて搭載部３上の発光素子２を封止する封止工程と、を含むようにした。
【選択図】図２
Description
本発明は、搭載部上の発光素子が金型を用いてガラスにより封止される発光装置の製造方法に関する。
搭載部上の発光素子がガラスにより封止された発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の発光装置は、ＧａＮ系半導体化合物からなるフリップチップタイプのＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子と電気的に接続される配線層を有する基板と、ＬＥＤ素子を封止して基板の表面に接着されるガラス封止部と、ガラス封止部の表面を覆うＡｌ２Ｏ３のコート膜と、を有している。コート膜の材質としては、Ａｌ２Ｏ３の他に、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＭｇＦ２等を用いても良いとされている。
この発光装置は、基板に回路パターンを形成する配線形成工程、基板の回路パターンにＬＥＤ素子をフリップ実装するＬＥＤ素子実装工程、板状の低融点ガラス基板３に対して平行にセットする低融点ガラス準備工程、低融点ガラスのホットプレス加工を行い、プレス金型の形状に応じた光学形状部を有するガラス封止部を成形するガラス封止工程と、ガラス封止部の表面を覆うようにスパッタリング処理を行ってコート膜を形成するコート膜形成工程と、を経て製造される。
ところで、特許文献１に記載の発光装置を製造するにあたり、ガラス封止部の上面と密着する金型を用いてプレス成形すると、金型をガラス材から離隔する際に金型にガラス材が付着し、ガラス封止部の上面の形状が所期形状に対して変形するおそれがある。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、金型にガラス材が付着したり、ガラス材の上面が所期形状に対し変形することのない発光装置の製造方法を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明では、搭載部上の発光素子がガラス材により封止される発光装置の製造方法であって、前記ガラス材の上面に、当該ガラス材の軟化点よりも融点が高い非ガラス材のコート膜を形成するコート膜形成工程と、前記コート膜を介して前記ガラス材の上面に金型の成型面を接触させるとともに、当該ガラス材の下面を前記搭載部に接触させて、前記ガラス材を加熱により軟化させて前記搭載部上の前記発光素子を封止する封止工程と、を含む発光装置の製造方法が提供される。
上記発光装置の製造方法において、前記コート膜は、前記ガラス材の軟化点よりも融点が１００℃以上高くてもよい。
上記発光装置の製造方法において、前記金型の成型面は、湾曲形状を有してもよい。
上記発光装置の製造方法において、前記コート膜形成工程の前に、前記ガラス材の上面を予め湾曲させるプレ成型工程を含み、前記コート膜形成工程にて、湾曲した前記ガラス材の上面に前記コート膜を形成してもよい。
上記発光装置の製造方法において、前記コート膜形成工程にて、前記コート膜は蒸着により形成されてもよい。
上記発光装置の製造方法において、前記コート膜形成工程にて、前記コート膜はゾルゲル法により形成されてもよい。
本発明によれば、金型にガラス材が付着したり、ガラス材の上面が所期形状に対し変形することはない。
図１から図４は本発明の一実施形態を示し、図１は発光装置の概略縦断面図である。
図１に示すように、この発光装置１は、フリップチップ型のＧａＮ系半導体材料からなるＬＥＤ素子２と、ＬＥＤ素子２を搭載する配線基板３と、配線基板３に形成されタングステン（Ｗ）−ニッケル（Ｎｉ）−金（Ａｕ）で構成される回路パターン４と、ＬＥＤ素子２を封止するとともに配線基板３と接着されるガラス封止部６と、ガラス封止部６の上面に形成されたコート膜７と、を有する。また、ＬＥＤ素子２と配線基板３との間には、ガラスがまわりこまない中空部５が形成されている。本実施形態においては、配線基板３および回路パターン４が、ＬＥＤ素子２を搭載しＬＥＤ素子２へ電力を供給するための搭載部を構成している。
発光素子としてのＬＥＤ素子２は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）からなる成長基板の表面に、III族窒化物系半導体をエピタキシャル成長させることにより、バッファ層と、ｎ型層と、ＭＱＷ層と、ｐ型層とがこの順で形成されている。このＬＥＤ素子２は、７００℃以上でエピタキシャル成長され、その耐熱温度は６００℃以上であり、後述する低融点の熱融着ガラスを用いた封止加工における加工温度に対して安定である。また、ＬＥＤ素子２は、ｐ型層の表面に設けられるｐ側電極と、ｐ側電極上に形成されるｐ側パッド電極と、を有するとともに、ｐ型層からｎ型層にわたって一部をエッチングすることにより露出したｎ型層に形成されるｎ側電極を有する。ｐ側パッド電極とｎ側電極には、それぞれＡｕバンプ２８が形成される。
ｐ側電極は、例えばロジウム（Ｒｈ）からなり、発光層としてのＭＱＷ層から発せられる光を成長基板の方向に反射する光反射層として機能する。尚、ｐ側電極の材質は適宜変更が可能である。本実施形態においては、ｐ側電極上には２点のｐ側パッド電極が形成され、各ｐ側パッド電極にＡｕバンプ２８が形成される。尚、ｐ側パッド電極は例えば３点であってもよく、ｐ側電極上に形成するｐ側パッド電極の個数は適宜変更が可能である。
ｎ側電極は、同一エリアにコンタクト層とパッド層とが形成されている。ｎ側電極は、Ａｌ層と、このＡｌ層を覆う薄膜状のＮｉ層と、Ｎｉ層の表面を覆うＡｕ層によって形成されている。尚、ｎ側電極の材質は適宜変更が可能である。本実施形態においては、平面視にて、ｎ側電極がＬＥＤ素子２の隅部に形成され、ｐ側電極がｎ側電極の形成領域を除いてほぼ全面的に形成されている。
ＬＥＤ素子２は、厚さ１００μｍで３４６μｍ角に形成されており、熱膨張率は７×１０−６／℃である。ここで、ＬＥＤ素子２のＧａＮ層の熱膨張率は５×１０−６／℃であるが、大部分を占めるサファイアからなる成長基板の熱膨張率が７×１０−６／℃であるため、ＬＥＤ素子２本体の熱膨張率は成長基板の熱膨張率と同等となっている。尚、各図においてはＬＥＤ素子２の各部の構成を明確にするために実寸と異なるサイズで各部を示している。
配線基板３は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の多結晶焼結材料からなり、厚さ０．２５ｍｍで１．０ｍｍ角に形成されており、熱膨張率αが７×１０−６／℃である。図１に示すように、配線基板３の回路パターン４は、基板表面に形成されてＬＥＤ素子２と電気的に接続される表面パターン４１と、基板裏面に形成されて外部端子と接続可能な裏面パターン４２と、を有している。表面パターン４１は、ＬＥＤ素子２の電極形状に応じてパターン形成されたＷ層４ａと、Ｗ層４ａの表面を覆う薄膜状のＮｉ層４ｂと、Ｎｉ層４ｂの表面を覆う薄膜状のＡｕ層４ｃと、を含んでいる。裏面パターン４２は、後述する外部接続端子４４に応じてパターン形成されたＷ層４ａと、Ｗ層４ａの表面を覆う薄膜状のＮｉ層４ｂと、Ｎｉ層４ｂの表面を覆う薄膜状のＡｕ層４ｃと、を含んでいる。表面パターン４１と裏面パターン４２は、配線基板３を厚さ方向に貫通するビアホール３ａに設けられＷからなるビアパターン４３により電気的に接続されている。外部接続端子４４はアノード側とカソード側で１つずつ設けられる。各外部接続端子４４は、配線基板３に平面視にて対角に配されている。
ガラス封止部６は、ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｎｂ２Ｏ５−Ｎａ２Ｏ−Ｌｉ２Ｏ系の熱融着ガラスからなる。尚、ガラスの組成はこれに限定されるものではなく、例えば、熱融着ガラスは、Ｌｉ２Ｏを含有していなくてもよいし、任意成分としてＺｒＯ２、ＴｉＯ２等を含んでいてもよい。この熱融着ガラスは、ガラス転移温度（Ｔｇ）が４９０℃で、屈伏点（Ａｔ）が５２０℃であり、軟化点が５４５℃であり、ＬＥＤ素子２のエピタキシャル成長層の形成温度よりも、ガラス転移温度（Ｔｇ）が十分に低くなっている。本実施形態においては、エピタキシャル成長層の形成温度よりも、ガラス転移温度（Ｔｇ）が２００℃以上低くなっている。また、熱融着ガラスの１００℃〜３００℃における熱膨張率（α）は６×１０−６／℃である。熱膨張率（α）は、ガラス転移温度（Ｔｇ）を超えるとこれより大きな数値となる。これにより、熱融着ガラスは約５５０℃で配線基板３と接着し、ホットプレス加工が可能となっている。また、ガラス封止部６の熱融着ガラスの屈折率は１．７である。
また、熱融着ガラスの組成は、ガラス転移温度（Ｔｇ）がＬＥＤ素子２の耐熱温度よりも低く、熱膨張率（α）が配線基板３と同等であれば任意である。ガラス転移温度が比較的低く、熱膨張率が比較的小さいガラスとしては、例えば、ＺｎＯ−ＳｉＯ２−Ｒ２Ｏ系（ＲはＬｉ、Ｎａ、Ｋ等のＩ族の元素から選ばれる少なくとも１種）のガラス、リン酸系のガラス及び鉛ガラスが挙げられる。これらのガラスでは、ＺｎＯ−ＳｉＯ２−Ｒ２Ｏ系のガラスが、リン酸系のガラスに比して耐湿性が良好で、鉛ガラスのように環境的な問題が生じることがないので好適である。
ここで、熱融着ガラスとは加熱により軟化状態として成形したガラスであり、ゾルゲル法により成形されるガラスと異なる。ゾルゲルガラスでは成形時の体積変化が大きいのでクラックが生じやすくガラスによる厚膜を形成することが困難であるところ、熱融着ガラスはこの問題点を回避することができる。また、ゾルゲルガラスでは細孔を生じるので気密性を損なうことがあるが、熱融着ガラスはこの問題点を生じることもなく、ＬＥＤ素子２の封止を的確に行うことができる。
また、熱融着ガラスは、一般に、樹脂において高粘度といわれるレベルより、桁違いに高い粘度で加工される。さらに、ガラスの場合には、屈伏点を数十℃超えても粘度が一般の樹脂封止レベルまで低くはならない。また、一般の樹脂成型時レベルの粘度にしようとすると、ＬＥＤ素子の結晶成長温度を超える温度を要するものとなるため、１０４ポアズ以上で加工することが好ましい。
図１に示すように、ガラス封止部６は、発光素子２及び配線基板３を全面的に覆い、最大厚さが０．５ｍｍとなっている。ガラス封止部６は、上方へ凸の湾曲面をなす上面６ａと、上面６ａの下端から配線基板３と平行に延びる平坦面６ｂと、を有している。本実施形態においては、配線基板３の表面は、全てガラス封止部６により覆われている。
コート膜７は、透明な非ガラス材から構成され、ガラス封止部６の上面に全面的に形成されている。コート膜７は、ガラス封止部６のガラス材の軟化点よりも融点が高い材料により構成される。本実施形態においては、コート膜７の融点は、ガラス材の軟化点よりも１００℃以上高くなっている。本実施形態においては、コート膜７は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）により構成され、融点が２０５０℃であり、膜厚が０．１μｍである。尚、コート膜７の材料は任意であり、例えば、ＳｉＯ２（融点：１６００℃）、ＴｉＯ２（融点：１８７０℃）、ＺｒＯ（融点：２７００℃）、ＭｇＯ（融点：２８００℃）、Ｙ２Ｏ３（融点：２４１０℃）等の他の透明酸化物であってもよいし、例えばＭｇＦ２（融点：１２４８℃）のような透明フッ化物であってもよい。
以上のように構成される発光装置１は、以下の工程を経て製造される。
まず、ガラス成分の酸化物粉末を１２００℃に加熱し、溶融状態で撹拌する。そして、ガラス材６０を固化した後、ガラス封止部６の最大厚さに対応するようスライスして板状に加工する（板状加工工程）。この後、ガラス材６０の上面に、アルミナのコート膜７を形成する（コート膜形成工程）。本実施形態においては、コート膜７は蒸着により形成され、具体的にはスパッタリングにより形成される。尚、コート膜７の蒸着は、スパッタリング以外の方法を用いてもよい。さらには、コート膜７を、蒸着以外の方法で形成することもできる。例えば、ガラス材６０の上面にアルコキシドを塗布しておき、ゾルゲル法によりコート膜７を形成するようにしてもよい。
まず、ガラス成分の酸化物粉末を１２００℃に加熱し、溶融状態で撹拌する。そして、ガラス材６０を固化した後、ガラス封止部６の最大厚さに対応するようスライスして板状に加工する（板状加工工程）。この後、ガラス材６０の上面に、アルミナのコート膜７を形成する（コート膜形成工程）。本実施形態においては、コート膜７は蒸着により形成され、具体的にはスパッタリングにより形成される。尚、コート膜７の蒸着は、スパッタリング以外の方法を用いてもよい。さらには、コート膜７を、蒸着以外の方法で形成することもできる。例えば、ガラス材６０の上面にアルコキシドを塗布しておき、ゾルゲル法によりコート膜７を形成するようにしてもよい。
一方、ビアホール３ａが形成された配線基板３を用意し、配線基板３の表面に回路パターンに応じてＷペーストをスクリーン印刷する。次いで、Ｗペーストを印刷された配線基板３を１０００℃余で熱処理することによりＷを配線基板３に焼き付け、さらに、Ｗ上にＮｉめっき、Ａｕめっきを施すことで回路パターン４を形成する（パターン形成工程）。
本実施形態においては、配線基板３は、セラミックを焼成した後に、回路パターン４が形成される。これは、焼成前のセラミック（例えばグリーンシート）に回路パターン４を形成してから焼成すると、焼成時及び焼成後の加熱・冷却による熱膨張及び熱収縮に起因し、回路パターン４の精度が悪くなるからである。
尚、焼成されたセラミックに回路パターン４を形成するにあたっては、Ｗペーストを印刷して熱処理したものに代えて、Ｃｒ，Ｔｉ等の金属を蒸着したもの、Ｃｕ箔を貼り付けた後に所定形状にエッチングしたもの等とし、これにＮｉめっき及びＡｕめっきを施すようにしてもよい。
次いで、複数のＬＥＤ素子２を縦及び横について等間隔で配線基板３に実装する（素子実装工程）。具体的には、配線基板３の回路パターン４の表面パターン４１に複数のＬＥＤ素子２を各Ａｕバンプ２８によって電気的に接合する。本実施形態においては、ｐ側２点、ｎ側１点の合計３点のバンプ接合が施される。
図２は、ガラス材の封止加工前の状態を示す模式説明図である。
各ＬＥＤ素子２が搭載された配線基板３の上方に、コート膜７が形成されたガラス材６０を配置して、配線基板３及びガラス材６０を下側のヒータ９１と上側の金型９２により上下から挟み込む。ヒータ９１は上面９１ａが平坦に形成され、金型９２は成型面９２ａが湾曲形状を有している。本実施形態においては、金型９２に加熱装置が内蔵され、ヒータ９１と金型９２は独立して温度調整される。
各ＬＥＤ素子２が搭載された配線基板３の上方に、コート膜７が形成されたガラス材６０を配置して、配線基板３及びガラス材６０を下側のヒータ９１と上側の金型９２により上下から挟み込む。ヒータ９１は上面９１ａが平坦に形成され、金型９２は成型面９２ａが湾曲形状を有している。本実施形態においては、金型９２に加熱装置が内蔵され、ヒータ９１と金型９２は独立して温度調整される。
図３は、ガラス材の封止加工時の状態を示す模式説明図である。
次いで、図３に示すように、コート膜７を介してガラス材６０の上面に金型９２の成型面９２ａを接触させるとともに、ガラス材６０の下面を搭載部３に接触させて、ガラス材６０を加熱により軟化させて搭載部３上のＬＥＤ素子２を封止する（封止工程）。ガラス材６０は、ガラス材６０の軟化点より高い温度で、コート膜７の融点より低い温度に加熱される。このとき、コート膜７の融点は、ガラス材６０の封止温度より低いため、コート膜７が融解して金型９２に付着するようなことはない。すなわち、コート膜７の融点は、ガラス材６０の封止温度より高いことが必要である。尚、条件にもよるが、ガラス材６０は、軟化点より低い温度であっても、例えば屈伏点付近の温度のように、ガラス転移温度より高い温度であれば封止加工が可能である。
次いで、図３に示すように、コート膜７を介してガラス材６０の上面に金型９２の成型面９２ａを接触させるとともに、ガラス材６０の下面を搭載部３に接触させて、ガラス材６０を加熱により軟化させて搭載部３上のＬＥＤ素子２を封止する（封止工程）。ガラス材６０は、ガラス材６０の軟化点より高い温度で、コート膜７の融点より低い温度に加熱される。このとき、コート膜７の融点は、ガラス材６０の封止温度より低いため、コート膜７が融解して金型９２に付着するようなことはない。すなわち、コート膜７の融点は、ガラス材６０の封止温度より高いことが必要である。尚、条件にもよるが、ガラス材６０は、軟化点より低い温度であっても、例えば屈伏点付近の温度のように、ガラス転移温度より高い温度であれば封止加工が可能である。
また、ガラス封止は、極力低温で行うことがＬＥＤ素子２のダメージを軽減するために望ましいが、このダメージの影響を無視してもよい場合は、プレス加工が可能な１０４ポアズ程度までガラス材６０を加熱してもよい。このときのガラス材６０の封止温度は、軟化点より１００℃高い温度となる。この場合、コート膜７の融点は、ガラス材６０の軟化点より１００℃以上高くなければならない。
また、ＬＥＤ素子２の発光層の結晶成長温度以上でガラス封止を行うと、ＬＥＤ素子２の破壊が生じるので、この条件で発光装置１を製造することはできない。これにより、ガラス封止加工は、ＬＥＤ素子２の発光層の結晶成長温度より低い温度で行われる。従って、コート膜７の融点は、ＬＥＤ素子２の発光層の結晶成長温度より高ければ、確実にガラス封止加工に対応することができる。
本実施形態においては、ヒータ９１及び金型９２により配線基板３及びガラス材６０を加熱しつつ挟圧して、窒素雰囲気中でホットプレス加工を行う。ガラス材６０は、配線基板３への配置前に加熱されていてもよいし、配置後に加熱されるようにしてもよい。ガラス材６０の上面は、コート膜７とともに、金型９２の成型面９２ａに沿って変形する。
ここで、ホットプレス加工は、各部材に対して不活性な雰囲気中で行えばよく、窒素雰囲気の他に例えば真空中で行うようにしてもよい。以上の工程で、複数の発光装置１が横方向に連結された状態の図３に示すような中間体１０が作製される。この後、金型９２をガラス封止部６から離隔して、中間体１０を取り出す（離隔工程）。
図４は、作製された中間体の平面図である。
図４に示すように、平面視にて、中間体１０は四角形状を呈し、各発光装置１のガラス封止部６には湾曲した上面６ａが形成され、各ガラス封止部６は平坦面６ｃが連続的に形成された状態となっている。この後、ガラス封止部６と一体化された配線基板３をダイシング装置にセットして、ガラス封止部６及び配線基板３を各ＬＥＤ素子２ごとに分割するようダイシングして発光装置１が完成する（分割工程）。
図４に示すように、平面視にて、中間体１０は四角形状を呈し、各発光装置１のガラス封止部６には湾曲した上面６ａが形成され、各ガラス封止部６は平坦面６ｃが連続的に形成された状態となっている。この後、ガラス封止部６と一体化された配線基板３をダイシング装置にセットして、ガラス封止部６及び配線基板３を各ＬＥＤ素子２ごとに分割するようダイシングして発光装置１が完成する（分割工程）。
以上のように構成された発光装置１では、回路パターン４を通じてＬＥＤ素子２に電圧が印加されると、ＬＥＤ素子２から青色光が発せられる。ＬＥＤ素子２から発せられた青色光は、ガラス封止部６の上面６ａを通じて外部へ放射される。このとき、ガラス封止部６の上面６ａは、上方へ凸な湾曲面をなしていることから、ＬＥＤ素子２から斜め上方へ放射される光のガラス封止部６と外部（空気）との界面への入射角を臨界角以内にできるので、平坦面である場合と比べて、光の取り出し効率が向上している。
また、ＬＥＤ素子２の封止加工時に、金型９２とガラス材６０の間にコート膜７が介在するようにしたので、ガラス材６０から金型９２を離隔する際に、金型９２にガラス材６０が付着して上面６ａの表面形状が所期形状に対し変形することはない。特に、本実施形態においては、金型９２の成型面９２ａが湾曲しており成型面９２ａの凹部にガラス材６０が付着しやすいため、コート膜７を設けることにより離型性を飛躍的に向上させることができる。従って、ガラス封止部６の上面６ａを所期形状として、所望の光学特性を得ることができる。
さらにまた、セラミックを焼成した後に、配線基板３に回路パターン４を形成したので、回路パターン４の位置精度を高くすることができ、回路パターン４と電気的に接続されるＬＥＤ素子２の位置精度も高くすることができる。この結果、金型９２と配線基板３の各回路パターン４との相対的な位置関係のずれを最小限とし、製造される発光装置１のＬＥＤ素子２とガラス封止部６の上面６ａの中心軸とのずれを抑制することができる。尚、ＬＥＤ素子２とガラス封止部６の上面６ａとの相対的な位置関係につき、精度が要求されない場合は、配線基板３のセラミックの焼成前に回路パターン４を形成してしまってもよい。
また、ガラス封止部６としてＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｎｂ２Ｏ５−Ｎａ２Ｏ−Ｌｉ２Ｏ系の熱融着ガラスを用いたので、ガラス封止部６の安定性及び耐候性を良好とすることができる。従って、発光装置１が過酷な環境下等で長期間にわたって使用される場合であっても、ガラス封止部６の劣化が抑制され、光取り出し効率の経時的な低下を効果的に抑制することができる。さらに、ガラス封止部６が高屈折率でかつ高透過率特性のため、高信頼性と高発光効率の両立を実現できる。
また、ガラス封止部６として屈伏点（Ａｔ）がＬＥＤ素子２の半導体層のエピタキシャル成長温度より低いガラスを用いたので、ホットプレス時にＬＥＤ素子２が熱的なダメージにより損なわれることがなく、半導体層の結晶成長温度に対して充分に低い加工が可能である。
さらに、配線基板３とガラス封止部６の熱膨張率が同等であるので、高温で接着された後、常温あるいは低温状態としても剥離、クラック等の接着不良が生じにくい。さらに、一般にガラスはＴｇ点以上の温度において熱膨張率が増大する特性を有しており、Ｔｇ点以上の温度でガラス封止が行われる場合には、Ｔｇ点以下だけでなくＴｇ点以上の温度における熱膨張率も考慮することが安定したガラス封止を行うにあたり望ましい。すなわち、ガラス封止部６を構成するガラス材は、上記したＴｇ点以上の温度における熱膨張率を含む熱膨張率と、配線基板３の熱膨張率とを考慮した同等の熱膨張率とすることで、配線基板３に反りを発生させる内部応力を小にでき、配線基板３とガラス封止部６との接着性が得られているにもかかわらずガラスのせん断破壊が生じることを防ぐことができる。従って、配線基板３やガラス封止部６のサイズを大きくとり、一括生産できる数量を大にすることができる。また、発明者の確認では、−４０℃←→１００℃の液相冷熱衝撃試験１０００サイクルでも剥離、クラックは生じていない。さらに、５ｍｍ×５ｍｍサイズのガラス片のセラミック基板への接合基礎確認として、ガラス、セラミック基板とも種々の熱膨張率の組み合わせで実験を行ったところ、熱膨張率が高い方の部材に対する低い方の部材の熱膨張率の比が０．８５以上ではクラックを生じることなく接合が行えることを確認した。部材の剛性やサイズ等にも依存するが、熱膨張率が同等というのは、この程度の範囲を示す。
さらに、ＬＥＤ素子２とガラス封止部６の熱膨張率が同等であるので、配線基板３を含めた部材の熱膨張率が同等となり、ガラス封止における高温加工と常温との温度差においても内部応力は極めて小さく、クラックを生じることのない安定した加工性が得られる。また、内部応力を小にできるので、耐衝撃性が向上し、信頼性に優れるガラス封止型ＬＥＤとできる。
配線基板３の表面パターン４１は、ビアパターン４３により裏面パターン４２に引き出されるので、ガラスが不必要な箇所へ入り込むことや、電気端子が覆われること等への特別な対策を要することなく、製造工程を簡略化できる。また、板状の封止前ガラス１１を複数のＬＥＤ素子２に対して一括封止加工できるので、ダイサーカットにより複数の発光装置１を容易に量産することができる。なお、熱融着ガラスは高粘度状態で加工されるため、樹脂のように封止材料の流れ出しに対して充分な対策をとる必要はなく、ビアホールによらなくても外部端子が裏面に引き出されていれば充分に量産対応可能である。
尚、前記実施形態においては、板状のガラス材６０にコート膜７を形成し、ガラス材６０の上面をコート膜７とともに変形させるものを示したが、例えば図５に示すように、コート膜形成工程の前に、ガラス材６０の上面を予め湾曲させるプレ成型工程を含ませ、予めガラス材６０の上面を所期形状に成型しておくようにしてもよい。この場合、コート膜７は、ガラス材６０の上面の成型後に当該上面に形成される。これにより、封止時におけるガラス材６０の上面の変形量を小さくし、コート膜７に加わる応力を小さくすることができる。プレ成型工程における成型は、溶融したガラス材６０を型に流し込んで行ってもよいし、板状のガラス材６０を金型でプレスして行ってもよい。
さらに、例えば図６に示すように、封止工程の前に、ガラス材６０の下面にＬＥＤ素子２の収容部６１を形成する収容部形成工程を含ませ、ガラス材６０の下面がＬＥＤ素子２と接触せずにヒータ９１と接触するようにしてもよい。収容部形成工程は、コート膜形成工程の前であっても後であってもよいし、ガラス材６０の上面を湾曲させるプレ成型工程と同時、あるいはプレ成型工程の後であってもよい。この場合、ＬＥＤ素子２を介さずに、ヒータ９１からガラス材６０に直接的に伝熱することができるので、ガラス材６０を速やかに加熱することができる。この場合、ガラス材６０の上面を予め変形させておくことにより、ガラス材６０の下面側を優先的に加熱してＬＥＤ素子２の封止を行えばよく、金型９２に加熱装置を設けずとも、封止加工に大きな影響はない。図６に示すように、ガラス材６０の上面が既に所期形状に成型されている場合は、ガラス材６０の上面側を加熱する必要はなく、金型９２に加熱装置を設けずにガラス材６０の上面側の温度を低くすることにより、ガラス材６０の金型９２に対する離型性をさらに向上することができる。
また、前記実施形態においては、板状に形成された一のガラス材６０により複数のＬＥＤ素子２を一括して封止するものを示したが、例えば図７に示すように、各ＬＥＤ素子２ごとに別個のガラス材６０を配置するようにしてもよい。この場合、金型９２は、各ＬＥＤ素子２の間にて配線基板３と接触することとなる。そして、図８に示すように、配線基板３の上面外縁には、ガラス封止部６が接合されない露出部３１が形成される。
また、前記実施形態においては、例えば図７及び図８に示すようにガラス封止部６に蛍光体８を含有させてもよい。蛍光体８は、ＬＥＤ素子２から発せられる光により励起されると、当該光より長波長の可視光を発する。ＬＥＤ素子２が青色光を発し、蛍光体８が黄色光を発するようにすれば、白色光を発する発光装置１とすることができる。また、例えば、ＬＥＤ素子２が紫外光を発し、青色、緑色及び赤色の３種類の蛍光体８を用いて白色光を発する発光装置１としてもよい。
さらに、図９に示すようにガラス材６０のＬＥＤ素子２の直上部分を金型９２により押し込んでＬＥＤ素子２の直上部分に凹部６２を形成し、ガラス材６０の上面におけるＬＥＤ素子２の直上部分が凹む湾曲面を形成してもよい。これにより、図１０に示すように、縦方向及び横方向に複数のＬＥＤ素子２が並んで配線基板３に搭載され、縦方向へ延びる凹部６２が各ＬＥＤ素子２の直上に形成される中間体１０が作製される。
この中間体１０をダイシングにより分割することにより、図１１に示すような発光装置１が製造される。図１１においては、ガラス封止部６の側面６ｃは、配線基板３と面一に形成されている。この発光装置１では、ＬＥＤ素子２から放射された光が湾曲面をなす上面６ａにて反射し、ガラス封止部６の側面６ｃから光が取り出されるようになる。図１１の発光装置１では、コート膜７の屈折率をガラス封止部６より小さくすることにより、上面６ａにおける全反射の条件が成立し、光取り出し効率が向上する。この発光装置１では、コート膜７の上面に汚れが付着したとしても、コート膜７とガラス封止部６の界面で光が全反射するので、光取り出し効率が低下するようなことはない。
また、図１２に示すように、ＬＥＤ素子２の直上部分にのみ凹部６２を形成するようにしてもよい。図１２においては、ＬＥＤ素子２の直上部分に平面視円形の平坦面６ｄが形成されている。これにより製造される発光装置１は、ＬＥＤ素子２から発せられた光を周方向にわたって均一に放射する。また、ＬＥＤ素子２の直上の平坦面６ｄにおいては、全反射することなく光が配線基板３に対して略垂直な方向へ透過する。
また、図１３に示すように、発光装置１が複数のＬＥＤ素子２を有するものであってもよい。図１３の発光装置１は、一列に９つのＬＥＤ素子２が並べられた線状光源をなしている。図１３の発光装置１では、ガラス封止部６の上面６ａは、長尺方向にわたって同じ断面で形成され、幅方向については上方にへに湾曲して形成されている。図１４に示すように、この発光装置１は、中間体１０にて幅方向に複数の長尺な発光装置１を連続的に形成しておき、幅方向にダイシングすることにより製造することができる。図１４に示す中間体１０では、各発光装置１の分割箇所に、ガラス材６０の凹部６２が形成されている。
また、図１５に示すように、複数のＬＥＤ素子２が搭載されたガラス封止部６の上面６ａが湾曲形成された発光装置１を、開口１０２を有する筐体１０１の内部に実装して使用する光源装置１００に用いることができる。筐体１０１の内面には、発光装置１から出射した光を反射する反射面１０３が形成されている。この場合、発光装置１には蛍光体８を含有させず、開口１０２に蛍光体８を含有する蛍光体層１０４を設ける構成とすることが望ましい。これにより、発光装置１においてはガラス封止部６の上面６ａから光を効率良く取り出し、取り出された光を蛍光体層１０４にて均一に変換することができる。
また、前記実施形態においては、サファイアをＧａＮ系半導体材料の基板と用いるものを例示したが、サファイア以外にＧａＮ、ＳｉＣなどを基板を用いてもよい。また、ＬＥＤ素子２としてＧａＮ系半導体材料からなるものを用いた発光装置１を説明したが、ＬＥＤ素子はＧａＮ系のＬＥＤ素子２に限定されず、例えばＺｎＳｅ系やＳｉＣ系のように他の半導体材料からなる発光素子であってもよい。また、ＬＥＤ素子２の発光波長も任意であり、ＬＥＤ素子２は緑色光、黄色光、橙色光、赤色光等を発するものであってもよい。さらに、ＬＥＤ素子２の上面に化学処理を施す等して、ＬＥＤ素子２の上面からの放射比率を高め、ＬＥＤ素子２の上方に形成されたガラス封止部６の光学面への放射光量を多くしてもよい。
また、前記実施形態のガラス封止部６について、Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｌｉ２Ｏ−Ｎａ２Ｏ−ＺｎＯ−Ｎｂ２Ｏ５系の熱融着ガラスのＺｎＯ組成の一部をＢｉ２Ｏ３とし、熱融着ガラスの屈折率をさらに高くしてもよい。熱融着ガラスの屈折率は、１．８であることが好ましい。そして、屈折率が１．８の熱融着ガラスを用いる場合、基板の屈折率（ｎｄ）が１．８以上である発光素子を用いることが、発光素子からの光の取り出し効率を向上させて発光効率の向上を図ることができ好ましい。基板の屈折率が１．８以上である発光素子としては、例えば、Ｇａ２Ｏ３基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板等の上にＧａＮ系半導体が形成された発光素子がある。
また、前記実施形態においては、搭載部としての配線基板３がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなるものを示したが、アルミナ以外のセラミックから構成するようにしてもよい。さらには、搭載部を、金属製のリードフレームとしてもよいことは勿論である。ここで、アルミナより熱伝導性に優れる高熱伝導性材料からなるセラミック基板として、例えば、ＢｅＯ（熱膨張率α：７．６×１０−６／℃、熱伝導率：２５０Ｗ／（ｍ・ｋ））を用いても良い。このＢｅＯからなる基板においても封止前ガラスにより良好な封止性を得ることができる。
さらに、他の高熱伝導性基板として、例えばＷ−Ｃｕ基板を用いても良い。Ｗ−Ｃｕ基板としては、Ｗ９０−Ｃｕ１０基板（熱膨張率α：６．５×１０−６／℃、熱伝導率：１８０Ｗ／（ｍ・ｋ））、Ｗ８５−Ｃｕ１５基板（熱膨張率α：７．２×１０−６／℃、熱伝導率：１９０Ｗ／（ｍ・ｋ））を用いることにより、ガラス封止部との良好な接合強度を確保しながら高い熱伝導性を付与することができ、ＬＥＤの大光量化、高出力化に余裕をもって対応することが可能になる。
また、前記実施形態においては、発光素子としてＬＥＤ素子を用いた発光装置を説明したが、発光素子はＬＥＤ素子に限定されるものではない。また、前記実施形態においては、中間体１０を作製してこれを分割し、複数の発光装置１を同時に得るものを示したが、１つ発光素子１ごとに封止加工を行うようにしてもよいし、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
１ 発光装置
２ ＬＥＤ素子
３ 配線基板
３ａ ビアホール
４ 回路パターン
４ａ Ｗ層
４ｂ Ｎｉ層
４ｃ Ａｕ層
４ｄ Ａｇ層
５ 中空部
６ ガラス封止部
６ａ 上面
６ｂ 平坦面
６ｃ 側面
６ｄ 平坦面
７ コート膜
８ 蛍光体
１０ 中間体
２８ Ａｕバンプ
４１ 表面パターン
４２ 裏面パターン
４３ ビアパターン
４４ 外部接続端子
６０ ガラス材
６１ 収容部
６２ 凹部
９１ ヒータ
９１ａ 上面
９２ 金型
９２ａ 成型面
１００ 光源装置
１０１ 筐体
１０２ 開口
１０３ 反射面
１０４ 蛍光体層
２ ＬＥＤ素子
３ 配線基板
３ａ ビアホール
４ 回路パターン
４ａ Ｗ層
４ｂ Ｎｉ層
４ｃ Ａｕ層
４ｄ Ａｇ層
５ 中空部
６ ガラス封止部
６ａ 上面
６ｂ 平坦面
６ｃ 側面
６ｄ 平坦面
７ コート膜
８ 蛍光体
１０ 中間体
２８ Ａｕバンプ
４１ 表面パターン
４２ 裏面パターン
４３ ビアパターン
４４ 外部接続端子
６０ ガラス材
６１ 収容部
６２ 凹部
９１ ヒータ
９１ａ 上面
９２ 金型
９２ａ 成型面
１００ 光源装置
１０１ 筐体
１０２ 開口
１０３ 反射面
１０４ 蛍光体層
Claims (6)
- 搭載部上の発光素子がガラス材により封止される発光装置の製造方法であって、
前記ガラス材の上面に、当該ガラス材の軟化点よりも融点が高い非ガラス材のコート膜を形成するコート膜形成工程と、
前記コート膜を介して前記ガラス材の上面に金型の成型面を接触させるとともに、当該ガラス材の下面を前記搭載部に接触させて、前記ガラス材を加熱により軟化させて前記搭載部上の前記発光素子を封止する封止工程と、を含む発光装置の製造方法。 - 前記コート膜は、前記ガラス材の軟化点よりも融点が１００℃以上高い請求項１に記載の発光装置の製造方法。
- 前記金型の成型面は、湾曲形状を有する請求項２に記載の発光装置の製造方法。
- 前記コート膜形成工程の前に、前記ガラス材の上面を予め湾曲させるプレ成型工程を含み、
前記コート膜形成工程にて、湾曲した前記ガラス材の上面に前記コート膜を形成する請求項３に記載の発光装置の製造方法。 - 前記コート膜形成工程にて、前記コート膜は蒸着により形成される請求項４に記載の発光装置の製造方法。
- 前記コート膜形成工程にて、前記コート膜はゾルゲル法により形成される請求項４に記載の発光装置の製造方法。
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