JP2016127156A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高出力化及び信頼性の向上を図ることが可能な発光装置を提供する。【解決手段】発光装置1aは、実装基板2aと、紫外線発光素子3と、カバー5aと、接合部4aと、封止材料部6aと、を備える。カバー5aは、紫外線発光素子3から放射される紫外線を透過するガラスにより形成されている。カバー5aは、レンズ部51aと、フランジ部52aと、を備える。レンズ部51aは、紫外線発光素子3から放射される紫外線の入射面511及び出射面512を有し、出射面512が凸曲面に形成されている。フランジ部52aは、平板状に形成されている。カバー5aは、フランジ部52aが全周に亘って接合部4aにより実装基板2aと接合されている。接合部4aは、低融点ガラスにより形成されている。封止材料部6aを形成している封止材料は、耐紫外線性を有し且つ紫外線発光素子3から放射される紫外線を透過する材料である。【選択図】図1
Description
本発明は、発光装置に関し、より詳細には、紫外線発光素子を備えた発光装置に関する。
従来、紫外線発光素子を備えた発光装置としては、例えば、基板と、基板に実装された紫外線LEDチップと、基板上にて紫外線LEDチップを包囲するように接合されたレンズカバーと、から構成されているLEDが提案されている(特許文献1)。
基板は、金属、セラミック等からなり、平板状に形成されている。
レンズカバーは、無機ガラスから構成され、中空半球状に形成されている。レンズカバーは、接合材料により、基板上に接合され、機械的に固定されている。レンズカバーは、レンズカバーの開放した下面の周縁が基板に対して接合されている。接合材料は、低融点ガラスから構成されている。
レンズカバーと基板との間の内部空間は、空気が存在するか、又は真空排気されているか、又は不活性ガスが充填されている。
紫外線発光素子を備えた発光装置の分野においては、高出力化及び信頼性の向上が望まれている。
本発明の目的は、高出力化及び信頼性の向上を図ることが可能な発光装置を提供することにある。
本発明の発光装置は、実装基板と、前記実装基板に実装された紫外線発光素子と、カバーと、前記カバーと前記実装基板との間に介在する枠状の接合部と、前記実装基板と前記カバーと前記接合部とで囲まれた空間内で前記紫外線発光素子を覆っている封止材料部と、を備える。前記カバーは、前記紫外線発光素子から放射される紫外線を透過するガラスにより形成されている。前記カバーは、レンズ部と、フランジ部と、を備える。前記レンズ部は、前記紫外線発光素子から放射される紫外線の入射面及び出射面を有し、前記出射面が凸曲面に形成されている。前記フランジ部は、平板状に形成されている。前記カバーは、前記フランジ部が全周に亘って前記接合部により前記実装基板と接合されている。前記接合部は、低融点ガラスにより形成されている。前記封止材料部を形成している封止材料は、前記紫外線発光素子から放射される紫外線に対して耐紫外線性を有し且つ前記紫外線発光素子から放射される紫外線を透過する材料である。
本発明の発光装置は、高出力化及び信頼性の向上を図ることが可能となる。
下記の実施形態1〜3において説明する各図は、模式的な図であり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。
(実施形態1)
以下では、本実施形態の発光装置1aについて、図1〜5に基づいて説明する。なお、図1は、図2のX−X断面に対応する模式的な概略断面図である。
以下では、本実施形態の発光装置1aについて、図1〜5に基づいて説明する。なお、図1は、図2のX−X断面に対応する模式的な概略断面図である。
発光装置1aは、実装基板2aと、実装基板2aに実装された紫外線発光素子3と、カバー5aと、カバー5aと実装基板2aとの間に介在する枠状の接合部4aと、を備える。発光装置1aは、実装基板2aとカバー5aと接合部4aとで囲まれた空間8内で紫外線発光素子3を覆っている封止材料部6aを更に備える。カバー5aは、紫外線発光素子3から放射される紫外線を透過するガラスにより形成されている。カバー5aは、レンズ部51aと、フランジ部52aと、を備える。レンズ部51aは、紫外線発光素子3から放射される紫外線の入射面511及び出射面512を有し、出射面512が凸曲面に形成されている。フランジ部52aは、平板状に形成されている。接合部4aは、低融点ガラスにより形成されている。カバー5aは、フランジ部52aが全周に亘って接合部4aにより実装基板2aと接合されている。封止材料部6aを形成している封止材料は、紫外線発光素子3から放射される紫外線に対して耐紫外線性を有し且つ紫外線発光素子3から放射される紫外線を透過する材料である。以上説明した構成の発光装置1aでは、高出力化及び信頼性の向上を図ることが可能となる。発光装置1aは、紫外線発光素子3とレンズ部51aとの間に封止材料部6aを備えることにより、高出力化を図ることが可能となる。また、発光装置1aは、平板状のフランジ部52aが全周に亘って接合部4aにより実装基板2aと接合されていることにより、信頼性の向上を図ることが可能となる。また、発光装置1aは、封止材料部6aを、紫外線発光素子3から放射される紫外線に対して耐紫外線性を有し且つ紫外線発光素子3から放射される紫外線を透過する材料により形成してあることにより、信頼性の向上を図ることが可能となる。「紫外線発光素子3から放射される紫外線に対して耐紫外線性を有し」とは、例えば、紫外線発光素子3を定格電流で2000時間だけ、連続して通電し、通電開始前後の透過率の低下率が30%以下であることを意味する。
発光装置1aは、実装基板2aと接合部4aとカバー5aとで、紫外線発光素子3を収納するパッケージ7aを構成している。発光装置1aは、上述のようにカバー5aのフランジ部52aが全周に亘って接合部4aにより実装基板2aと接合されているので、気密性を向上させることが可能となる。これにより、発光装置1aは、外気、水分等が紫外線発光素子3に到達するのを抑制することが可能となり、信頼性の向上を図ることが可能となる。
紫外線発光素子3は、第1電極31と、第2電極32と、を備え、紫外線発光素子3の厚み方向の一面側に第1電極31及び第2電極32が配置されている。
実装基板2aは、紫外線発光素子3の第1電極31が電気的に接続される第1導体部21と、紫外線発光素子3の第2電極32が電気的に接続される第2導体部22と、を備えている。
紫外線発光素子3は、実装基板2aにフリップチップ実装されている。
発光装置1aは、第1電極31と第1導体部21とが、接合部61(以下、「第1接合部61」という)により接合され、第2電極32と第2導体部22とが、接合部62(以下、「第2接合部62」という)により接合されている。
発光装置1aの各構成要素については、以下に詳細に説明する。
実装基板2aは、紫外線発光素子3を実装する基板である。「実装する」とは、紫外線発光素子3を配置して機械的に接続すること及び電気的に接続することを含む概念である。
実装基板2aは、支持体20aと、支持体20aに支持された上述の第1導体部21及び第2導体部22と、を備える。第1導体部21及び第2導体部22は、支持体20aの表面201側において接合部4aよりも内側で接合部4aから離れているのが好ましい。
支持体20aは、第1導体部21及び第2導体部22を支持する機能を有する。また、支持体20aは、第1導体部21と第2導体部22とを電気的に絶縁する機能を有する。また、支持体20aは、紫外線発光素子3で発生する熱を効率良く外部に伝えるためのヒートシンク(heat sink)としての機能を備えているのが好ましい。
実装基板2aは、支持体20aが平板状に形成されており、支持体20aの厚さ方向に直交する表面201上に第1導体部21及び第2導体部22が形成されている。
支持体20aの外周形状は、矩形(直角四辺形)状としてある。支持体20aの外周形状は、矩形状に限らず、例えば、矩形以外の多角形状や、円形状等でもよい。
支持体20aは、AlNセラミックにより形成されているのが好ましい。これにより、発光装置1aは、支持体20aが樹脂基板により構成されている場合に比べて、紫外線発光素子3で発生した熱を支持体20aから効率良く放熱させることが可能となる。よって、発光装置1aは、放熱性を向上させることが可能となる。AlNセラミックは、電気絶縁性を有するが、熱伝導率が比較的高く、Siよりも熱伝導率が高い。支持体20aは、Siにより形成してもよいが、この場合には、第1導体部21、第2導体部22等の導体により形成された部分と電気的に絶縁されるようにSiO2等により形成された電気絶縁膜を適宜設ける必要がある。
第1導体部21は、紫外線発光素子3の第1電極31が電気的に接続される導電層である。第2導体部22は、紫外線発光素子3の第2電極32が電気的に接続される導電層である。
第1導体部21及び第2導体部22の各々は、例えば、Ti膜とPt膜とAu膜との積層膜により構成することができる。第1導体部21及び第2導体部22の各々は、例えば、Al膜とNi膜とPd膜とAu膜との積層膜、Ni膜とAu膜との積層膜、Cu膜とNi膜とAu膜との積層膜等により構成してもよい。第1導体部21及び第2導体部22の各々は、積層膜により構成する場合、支持体20aから最も離れた最上層がAuにより形成され、支持体20aに最も近い最下層が支持体20aとの密着性の高い材料により形成されているのが好ましい。第1導体部21及び第2導体部22は、積層膜に限らず、単層膜により構成してもよい。
実装基板2aは、紫外線発光素子3の実装基板2aへの垂直投影領域内において第1導体部21と第2導体部22とが空間的に分離されるように、第1導体部21及び第2導体部22が配置されている。実装基板2aは、紫外線発光素子3の実装基板2aへの垂直投影領域内において第1導体部21と第2導体部22との間に溝203が形成されている。溝203の内面は、支持体20aの表面201の一部と、第1導体部21及び第2導体部22の互いの対向面と、で構成される。実装基板2aは、第1導体部21と第2導体部22とが、支持体20aの表面201上に同じ厚さで形成されている。これにより、実装基板2aは、第1導体部21の表面211と第2導体部22の表面221とが一平面上に揃うように構成されている。
発光装置1aは、実装基板2aに複数の紫外線発光素子3が実装されている。複数の紫外線発光素子3は、1つの仮想円上において等間隔で配置されているのが好ましい。
実装基板2aは、6つの紫外線発光素子3を実装できるように、6つの第1導体部21と6つの第2導体部22とを備えている。実装基板2aは、支持体20aの表面201上で、6つの第1導体部21が電気的に接続され、6つの第2導体部22が電気的に接続されている。これにより、発光装置1aは、複数の紫外線発光素子3が並列接続されている。
実装基板2aは、第1外部接続電極24及び第2外部接続電極25と、支持体20aの厚さ方向に貫通して形成された第1貫通配線26及び第2貫通配線27と、を備える。第1外部接続電極24及び第2外部接続電極25は、支持体20aの裏面202に形成されている。第1外部接続電極24は、第1貫通配線26を介して第1導体部21と電気的に接続されている。第2外部接続電極25は、第2貫通配線27を介して第2導体部22と電気的に接続されている。
第1外部接続電極24及び第2外部接続電極25の各々は、例えば、Ti膜とPt膜とAu膜との積層膜により構成することができる。第1導体部21及び第2導体部22の各々は、例えば、Al膜とNi膜とPd膜とAu膜との積層膜、Ni膜とAu膜との積層膜、Cu膜とNi膜とAu膜との積層膜等により構成してもよい。第1導体部21及び第2導体部22の各々は、積層膜により構成する場合、支持体20aから最も離れた最上層がAuにより形成され、支持体20aに最も近い最下層が支持体20aとの密着性の高い材料により形成されているのが好ましい。第1外部接続電極24及び第2外部接続電極25は、積層膜に限らず、単層膜により構成してもよい。
第1貫通配線26及び第2貫通配線27は、例えば、W、Cu等により形成することができる。第1貫通配線26及び第2貫通配線27は、紫外線発光素子3の厚さ方向において紫外線発光素子3に重ならないように配置されているのが好ましい。
紫外線発光素子3は、紫外線LEDチップである。紫外線発光素子3のチップサイズは、400μm□(400μm×400μm)に設定してあるが、これに限らない。紫外線発光素子3のチップサイズは、例えば、200μm□(200μm×200μm)〜1mm□(1mm×1mm)程度の範囲で適宜設定することができる。また、紫外線発光素子3の平面形状は、正方形状に限らず、例えば、長方形状等でもよい。
紫外線発光素子3は、図3に示すように、基板30を備え、基板30の第1面301側において、第1面301に近い側から順に、第1導電型半導体層33、第2導電型半導体層35が形成されている。要するに、紫外線発光素子3は、第1導電型半導体層33及び第2導電型半導体層35を有する半導体多層膜39を備えている。紫外線発光素子3は、第1導電型半導体層33がn型半導体層により構成され、第2導電型半導体層35がp型半導体層により構成されている。紫外線発光素子3は、第1導電型半導体層33がp型半導体層により構成され、第2導電型半導体層35がn型半導体層により構成されていてもよい。
基板30は、半導体多層膜39を支持する機能を備える。半導体多層膜39は、例えば、エピタキシャル成長法により形成することができる。エピタキシャル成長法は、例えば、MOVPE(metal organic vapor phase epitaxy)法、HVPE(hydride vapor phase epitaxy)法、MBE(molecular beam epitaxy)法等の結晶成長法を採用できる。なお、半導体多層膜39は、この半導体多層膜39を形成する際に不可避的に混入される水素、炭素、酸素、シリコン、鉄等の不純物が存在してもよい。基板30は、半導体多層膜39を形成する際の結晶成長用基板により構成することができる。
紫外線発光素子3は、AlGaN系紫外線LEDチップにより構成する場合、基板30がサファイア基板により構成されているのが好ましい。基板30は、半導体多層膜39から放射される紫外線を効率良く透過できる材料により形成された基板であればよく、サファイア基板に限らず、例えば、単結晶AlN基板等を採用することもできる。基板30は、半導体多層膜39から放射される紫外線に対して透明であるのが好ましい。紫外線発光素子3は、基板30の第1面301とは反対の第2面302が光取り出し面303を構成しているのが好ましい。紫外線発光素子3は、半導体多層膜39が、基板30と第1導電型半導体層33との間にバッファ層(buffer layer)を備えているのが好ましい。バッファ層は、例えば、AlN層により構成されているのが好ましい。
半導体多層膜39が、第1導電型半導体層33と第2導電型半導体層35との間に発光層34を備えているのが好ましい。この場合、半導体多層膜39から放射される紫外線は、発光層34から放射される紫外線であり、発光層34の材料により発光ピーク波長が規定される。紫外線発光素子3は、発光層34が、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造等を有するのが好ましいが、これに限らない。例えば、紫外線発光素子3は、第1導電型半導体層33と発光層34と第2導電型半導体層35とでダブルヘテロ構造(double heterostructure)を構成するようにしてもよい。
発光装置1aを、例えば、高効率白色照明、殺菌、医療、環境汚染物質を高速で処理する用途等の分野で利用する場合、紫外線発光素子3は、210nm〜280nmの波長域に発光ピーク波長を有するのが好ましい。つまり、紫外線発光素子3は、UV−Cの波長域に発光ピーク波長を有するのが好ましい。これにより、発光装置1aは、例えば、殺菌の用途に好適に用いることが可能となる。「UV−Cの波長域」とは、例えば国際照明委員会(CIE)における紫外線の波長による分類によれば、100nm〜280nmである。発光装置1aは、殺菌の用途で利用する場合、紫外線発光素子3が、240nm〜280nmの波長域に発光ピーク波長を有するのが、より好ましい。JIS 8811−1968では、「殺菌紫外線」は、紫外線のうち波長260nm付近に最大殺菌効果を有する殺菌効果曲線の示す波長領域内のものと規定されている。「殺菌効果曲線」は、参考文献1〔M.Luckiesh:Applications of Germicidal, Erythemal, and Infrared Energy (1946),p.115〕のデータに基づく曲線である。殺菌効果曲線を参照すれば、発光装置1aでは、紫外線発光素子3から放射する紫外線の波長が240nm〜280nmの範囲内であれば、殺菌効果相対値が60%以上となり、比較的高い殺菌効果が得られると推考される。紫外線発光素子3は、一例として、発光ピーク波長を265nmに設定してある。
第1導電型半導体層33は、例えば、n型AlGaN層により構成することができる。第1導電型半導体層33は、単層構造に限らず多層構造でもよい。
第2導電型半導体層35は、単層構造に限らず、多層構造でもよい。第2導電型半導体層35は、例えば、p型電子ブロック層とp型半導体層とp型コンタクト層とで構成される多層構造とすることができる。この場合、p型半導体層は、発光層34へ正孔を輸送するための層である。p型電子ブロック層は、発光層34で正孔と再結合されなかった電子がp型半導体層側へ漏れる(オーバーフローする)のを抑制するための層である。p型電子ブロック層は、p型半導体層及び発光層34よりもバンドギャップエネルギが高くなるように組成を設定するのが好ましい。p型コンタクト層は、第2電極32との接触抵抗を下げ、第2電極32との良好なオーミック接触を得るために設ける層である。p型電子ブロック層及びp型半導体層は、例えば、互いに組成の異なるAlGaN層により構成することができる。また、p型コンタクト層は、例えば、p型GaN層により構成することができる。
紫外線発光素子3は、半導体多層膜39の一部を、半導体多層膜39の表面391側から第1導電型半導体層33の途中までエッチングすることで除去してある。要するに、紫外線発光素子3は、半導体多層膜39の一部をエッチングすることで形成されたメサ構造(mesa structure)37を有している。これにより、紫外線発光素子3は、第2導電型半導体層35の表面351と第1導電型半導体層33の表面331との間に段差が形成されている。紫外線発光素子3は、第1導電型半導体層33の露出した表面331上に第1電極31が形成され、第2導電型半導体層35の表面351上に第2電極32が形成されている。紫外線発光素子3は、第1導電型半導体層33の導電型(第1導電型)がn型であり、第2導電型半導体層35の導電型(第2導電型)がp型である場合、第1電極31、第2電極32が、負電極、正電極を、それぞれ構成する。また、紫外線発光素子3は、第1導電型がp型であり、第2導電型がn型である場合、第1電極31、第2電極32が、正電極、負電極を、それぞれ構成する。
紫外線発光素子3は、第2導電型半導体層35の表面351の面積が、第1導電型半導体層33の露出させた表面331の面積よりも大きいほうが好ましい。これにより、紫外線発光素子3は、第2導電型半導体層35と第1導電型半導体層33とが互いの厚さ方向において重なる領域を広くすることが可能となり、発光効率の向上を図ることが可能となる。
紫外線発光素子3は、絶縁膜38を備えているのが好ましい。絶縁膜38は、第2電極32における第2導電型半導体層35との接触領域を囲むように第2導電型半導体層35の表面351上に形成されているのが好ましい。
絶縁膜38の材料としては、SiO2を採用している。よって、絶縁膜38は、シリコン酸化膜である。絶縁膜38は、電気絶縁膜であればよい。絶縁膜38の材料は、電気絶縁性を有する材料であればよく、SiO2に限らず、例えば、Si3N4、Al2O3、TiO2、Ta2O5、ZrO2、Y2O3、CeO2、Nb2O5等を採用することができる。絶縁膜38は、半導体多層膜39の機能を保護するためのパッシベーション膜(passivation film)としての機能を備えることが好ましく、その材料として、SiO2やSi3N4が好ましい。これにより、発光装置1aは、信頼性を向上させることが可能となる。絶縁膜38の厚さは、一例として、1μmに設定してある。絶縁膜38は、例えば、CVD(chemical vapor deposition)法、蒸着法、スパッタ法等により形成することができる。絶縁膜38は、単層膜に限らず、多層膜により構成してもよい。絶縁膜38として設ける多層膜は、半導体多層膜39で発生した光を反射させるための誘電体多層膜により構成してもよい。
絶縁膜38は、メサ構造37の表面371とメサ構造37の側面372と第1導電型半導体層33の表面331とに跨って形成されているのが好ましい。メサ構造37の表面371は、第2導電型半導体層35の表面351である。絶縁膜38のうち第1導電型半導体層33の表面331上に形成される部位は、第1電極31における第1導電型半導体層33との接触領域を囲むようなパターンに形成されているのが好ましい。
第1電極31は、第1オーミック電極層31Aと、第1パッド電極層31Bと、を備えているのが好ましい。第1オーミック電極層31Aは、第1導電型半導体層33とオーミック接触を得るために、第1導電型半導体層33の表面331上に形成されている。第1パッド電極層31Bは、第1接合部61を介して実装基板2aと接合するために、第1オーミック電極層31Aを覆うように形成されている。
第1オーミック電極層31Aは、例えば、Al膜とNi膜とAl膜とNi膜とAu膜との第1積層膜を第1導電型半導体層33の表面331上に形成してから、アニール処理を行い、徐冷を行うことにより形成することができる。これにより、第1オーミック電極層31Aは、NiとAlとを主成分とする凝固組織により構成されている。凝固組織とは、溶融金属が変態する結果生成した結晶組織を意味する。NiとAiとを主成分とする凝固組織は、例えば、不純物としてAu、Nを含んでいてもよい。第1積層膜は、一例として、Al膜、Ni膜、Al膜、Ni膜及びAu膜の厚さを、それぞれ、10〜200nmの範囲で設定している。第1オーミック電極層31Aは、NiとAlとを主成分とした構成に限らず、例えば、Ti等を成分とする別の材料により形成してもよい。
第1パッド電極層31Bは、例えば、Au膜により構成することができる。第1パッド電極層31Bは、例えば、蒸着法等により形成することができる。第1パッド電極層31Bは、Au膜の単層構造に限らず、例えば、Ti膜とAu膜との積層膜により構成してもよい。
第1電極31は、第1オーミック電極層31Aのみにより構成してもよいし、第1オーミック電極層31Aと第1パッド電極層31Bとの間に別の電極層を備えた構成でもよい。
第2電極32は、第2オーミック電極層32Aと、第2パッド電極層32Bと、を備えているのが好ましい。第2オーミック電極層32Aは、第2導電型半導体層35とオーミック接触を得るために、第2導電型半導体層35の表面351上に形成されている。第2パッド電極層32Bは、第2接合部62を介して実装基板2aと接合するために、第2オーミック電極層32Aを覆うように形成されている。
第2オーミック電極層32Aは、例えば、Ni膜とAu膜との第2積層膜を第2導電型半導体層35の表面351上に形成してから、アニール処理を行うことにより形成することができる。
第2パッド電極層32Bは、例えば、Au膜により構成することができる。第2パッド電極層32Bは、例えば、蒸着法等により形成することができる。第2パッド電極層32Bは、Au膜の単層構造に限らず、例えば、Ti膜とAu膜との積層膜により構成してもよい。
第2電極32は、第2オーミック電極層32Aのみにより構成してもよいし、第2オーミック電極層32Aと第2パッド電極層32Bとの間に別の電極層を備えた構成でもよい。
紫外線発光素子3は、突起構造部36を備えるのが好ましい。突起構造部36は、紫外線発光素子3の第2導電型半導体層35の表面351側から第2導体部22の表面221側へ突出して第2導体部22の表面221に接するのが好ましい。また、突起構造部36は、第2電極32の外周に沿って位置するのが好ましい。
発光装置1aは、第1接合部61がAuSnにより形成され、第2接合部62がAuSnにより形成されている。
第2接合部62は、第2電極32と突起構造部36と第2導体部22とで囲まれた空間9を満たすように形成されているのが好ましい。突起構造部36は、平面視において、第2電極32の外周に沿って配置され、第2接合部62を囲んでいる。実装基板2aは、平面視において突起構造部36が重なる部分が、第2導体部22において第2接合部62と接合される部位と同じ高さ又はそれより低い高さとなっているのが好ましい。これにより、発光装置1aは、第1接合部61及び第2接合部62それぞれをより薄くすることが可能となり、且つ、第1接合部61及び第2接合部62それぞれと第1導体部21及び第2導体部22それぞれとの接合面積をより大きくすることが可能となる。よって、発光装置1aは、紫外線発光素子3と実装基板2aとの間の熱抵抗の低減を図ることが可能となる。更に、発光装置1aは、突起構造部36による第2接合部62の厚さ管理が可能なため、第2接合部62の厚さ及びサイズの精度を高めることが可能となり、熱抵抗の低減及び熱抵抗のばらつきを小さくすることが可能となる。「突起構造部36による第2接合部62の厚さ管理が可能」とは、紫外線発光素子3の厚さ方向に沿った突起構造部36の突出量H1(図3参照)により、第2接合部62の厚さを規定できることを意味する。したがって、発光装置1aは、その製品ごとの熱抵抗のばらつきを小さくすることが可能となる。これにより、発光装置1aは、放熱性の向上及び信頼性の向上を図ることが可能となる。「突起構造部36は、平面視において」とは、紫外線発光素子3の厚さ方向に沿った突起構造部36の厚さ方向から突起構造部36を見た形状において、を意味する。
紫外線発光素子3は、突起構造部36が、第2電極32の外周に沿って形成され、第2導電型半導体層35の表面351側で突出しているのが好ましい。
紫外線発光素子3は、第2電極32が第1電極31よりも大きく、突起構造部36が、第2電極32の外周の全周に亘って形成されていることが好ましい。これにより、発光装置1aは、製造時に、第2接合部62を形成するAuSnによる第2電極32と第1電極31との短絡が発生するのを、より抑制することが可能となる。しかも、発光装置1aは、紫外線発光素子3を実装基板2aに実装するときに、第2接合部62の形状の再現性を高めることが可能となり、熱抵抗のばらつきを低減することが可能となる。また、発光装置1aは、第1接合部61の厚さの影響を受けずに、突起構造部36による第2接合部62の厚さ管理が可能である。よって、発光装置1aは、放熱面積の大きい第2電極32と第2導体部22とを接合する第2接合部62の厚さ及びサイズの精度を高めることが可能となる。これにより、発光装置1aは、熱抵抗の低減及び熱抵抗のばらつきの低減を図ることが可能となる。
突起構造部36は、第2電極32の外周に沿って形成され幅W1(図3参照)が一定であるのが好ましい。これにより、発光装置1aは、第2電極32と第2導電型半導体層35との接触面積を大きくしつつ、第2電極32と第1電極31とのはんだによる短絡の発生を抑制することが可能となる。突起構造部36の幅W1は、例えば、5μm〜10μm程度の範囲で設定するのが好ましい。
紫外線発光素子3は、第2電極32が第2導電型半導体層35の表面351と絶縁膜38の表面とに跨って形成され、第2電極32のうち中央部よりも第2導電型半導体層35から離れる向きに突出した外周部が、突起構造部36を兼ねているのが好ましい。これにより、発光装置1aは、第2電極32と第2導体部22との接合面積を増加させることが可能となり、放熱性の向上及び接触抵抗の低抵抗化を図ることが可能となる。
紫外線発光素子3は、第2電極32が、第2導電型半導体層35の表面351の略全面を覆うように形成されているのが好ましい。「第2導電型半導体層35の表面351の略全面」とは、表面351の全面に限らない。例えば、第2導電型半導体層35の表面351の外周部が絶縁膜38により覆われている場合、「第2導電型半導体層35の表面351の略全面」とは、第2導電型半導体層35の表面351のうち絶縁膜38により覆われていない部位を意味する。要するに、紫外線発光素子3は、第2電極32が、第2導電型半導体層35の表面351を面状に覆うように形成されているのが好ましい。これにより、発光装置1aは、放熱性を向上させることが可能となる。
実装基板2aは、第1導体部21及び第2導体部22の厚さが、第2電極32と第2導体部22との間隔よりも大きいことが好ましい。「第2電極32と第2導体部22との間隔」とは、第2電極32の表面321(図3参照)の中央部と第2導体部22の表面221との間隔を意味する。第2電極32と第2導体部22との間隔は、突起構造部36の突出量H1により決めることができる。言い換えれば、第2電極32と第2導体部22との間隔は、突起構造部36の突出量H1(図3参照)と略同じである。
よって、発光装置1aは、製造時に、空間9からAuSnがはみ出した場合でも、はみ出したAuSnの流速を溝203で低下させることが可能となる。また、発光装置1aは、製造時に、第2導体部22の側面が、はみ出したAuSnを支持体20aの表面201側へ向かって誘導するはんだ誘導部として機能することが可能となる。これにより、発光装置1aは、空間9からはみだしたAuSnによる第2電極32と第1電極31との短絡の発生を抑制することが可能となる。なお、支持体20aの表面201は、第1導体部21及び第2導体部22の各側面よりもはんだ濡れ性が低いのが好ましい。
接合部4aを形成する低融点ガラスは、その線膨張係数が、カバー5aの線膨張係数と支持体20aの線膨張係数との間の値であるのが好ましい。これにより、発光装置1aは、接合部4aの接合信頼性を向上させることが可能となる。
本明細書において、低融点ガラスとは、軟化点が600℃以下のガラスであり、軟化点が500℃以下のガラスが好ましく、軟化点が400℃以下のガラスが更に好ましい。低融点ガラスとしては、例えば、主成分として酸化鉛(PbO)と無水ほう酸(B2O3)とを含むガラスを挙げることができる。
接合部4aは、平面視における外周形状が円形状であるのが好ましい。接合部4aは、平面視において実装基板2aよりも小さいのが好ましい。より詳細には、接合部4aの平面視における外周線は、実装基板2aの平面視における外周線よりも内側にあるのが好ましい。これにより、発光装置1aは、製造時に接合部4aが支持体20aの表面201からはみ出すのを抑制することが可能となる。
カバー5aを形成するガラスとしては、紫外線発光素子3から放射される紫外線に対する透過率が70%以上であるのが好ましく、80%以上であるのがより好ましい。紫外線発光素子3がUV−Cの波長域に発光ピーク波長を有する場合には、カバー5aを形成するガラスとして、例えば、硼珪酸ガラス、石英ガラス等を採用することができる。発光装置1aにおいてカバー5aを形成しているガラスは、硼珪酸ガラスである。これにより、発光装置1aは、生産性を向上させることが可能となる。より詳細には、硼珪酸ガラスは、石英ガラスに比べて軟化点が低温であり、カバー5aを金型成型により成形により精度良く容易に形成することが可能である。よって、発光装置1aは、カバー5aの生産性の向上により、発光装置1aの生産性を向上させることが可能となる。カバー5aは、硼珪酸ガラスとして、例えば、SCHOTT社製の8347やSCHOTT社製の8337B、等を採用することにより、波長が265nmの紫外線に対する透過率を80%以上とすることができる。
レンズ部51aは、ドーム状である。これにより、発光装置1aは、封止材料部6aとレンズ部51aとの界面での全反射を抑制することが可能となり、発光装置1a全体としての光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。また、発光装置1aは、製造時において液状の封止樹脂をドーム状のレンズ部51aの内側に注入し、その後、カバー5aと実装基板2aとの位置合わせを行ってから、封止樹脂を硬化させることにより封止材料部6aを形成することが可能となる。レンズ部51aの出射面512は、半球面状に形成されているが、球面の一部により構成される場合に限らず、非球面等の自由曲面でもよい。レンズ部51aの出射面512は、例えば、半楕円球面でもよい。
フランジ部52aは、上述のように平板状に形成されており、フランジ部52aの厚さ方向に直交する表面521及び裏面522の各々が平坦である。フランジ部52aは、フランジ部52aの厚さ方向が実装基板2aの厚さ方向に揃うように配置されている。フランジ部52aは、平面視形状が円環状である。フランジ部52aの外周形状は円形状に限らず、例えば、矩形状でもよい。
カバー5aは、平面視において実装基板2aよりも小さいのが好ましい。より詳細には、カバー5aの平面視における外周形状は、接合部4aの平面視における外周形状と同じであるのが好ましい。よって、カバー5aの平面視における外周形状は、円形状であるのが好ましい。
封止材料部6aを形成する封止材料は、電気絶縁性を有する。封止材料部6aを形成する封止材料は、紫外線発光素子3から放射される紫外線に対して耐紫外線性を有し且つ紫外線発光素子3から放射される紫外線を透過する封止樹脂である。これにより、発光装置1aは、高出力化及び信頼性の向上を図ることが可能となる。封止樹脂としては、例えば、PDMS(ポリジメチルシロキサン)系ハイブリッドゾル等が挙げられる。PDMS系ハイブリッドゾルは、主骨格がSi−O結合からなる無機ポリマであり、耐熱性及び耐候性が優れている。PDMS系ハイブリッドゾルは、波長が265nmの紫外線に対する透過率を80%以上とすることができる。
封止材料部6aは、半球状に形成されている。より詳細には、封止材料部6aは、ドーム状のレンズ部51aの内側の空間の形状に形成されている。
上述のように、紫外線発光素子3は、実装基板2aにフリップチップ実装されている。封止材料部6aは、紫外線発光素子3の光取り出し面303及びレンズ部51aの入射面511それぞれと直接接しているのが好ましい。これにより、発光装置1aは、発光装置1a全体としての光取り出し効率の向上を図ることが可能となり、高出力化を図ることが可能となる。
発光装置1aは、空間8において封止材料部6aと実装基板2aとの間に隙間18が存在するように封止材料部6aを配置してある。これにより、発光装置1aは、封止材料部6aを形成する封止材料が接合部4aの厚さ方向において接合部4aに重なるのを抑制することが可能となり、接合部4aの接合信頼性を向上させることが可能となる。また、発光装置1aは、封止材料部6aを形成する封止材料がパッケージ7aの外側にはみ出すのを抑制することが可能となる。
発光装置1aは、隙間18を不活性ガス雰囲気としてあるのが好ましい。これにより、発光装置1aは、紫外線発光素子3、第1導体部21及び第2導体部22等の酸化を抑制することが可能となり、信頼性の更なる向上を図ることが可能となる。
不活性ガス雰囲気は、N2ガス雰囲気であるのが好ましい。不活性ガス雰囲気は、不活性ガスの純度が高いのが好ましいが、100%の純度を必須としない。例えば、不活性ガス雰囲気は、不活性ガスとしてN2ガスを採用する場合、例えば、不可避的に混入される100〜200ppm程度のO2を含んでいてもよい。不活性ガスは、N2ガスに限らず、例えば、Arガス、N2ガスとArガスとの混合ガス等でもよい。
以下では、発光装置1aの製造方法について図4及び5に基づいて説明する。
発光装置1aの製造方法では、例えば、下記の第1工程、第2工程、第3工程、第4工程、第5工程及び第6工程を順次行う。
第1工程では、実装基板2aに対して、第1接合部61、第2接合部62それぞれの元になる第1AuSn層71、第2AuSn層72を形成する(図4A)。より詳細には、第1工程では、実装基板2aの第1導体部21の表面211側、第2導体部22の表面221側に、それぞれ、第1AuSn層71、第2AuSn層72を形成する。第1AuSn層71及び第2AuSn層72は、例えば、蒸着法、めっき法等により形成することができる。
第1工程では、第1AuSn層71の厚さと第2AuSn層72の厚さとを同じ値に設定してある。第1AuSn層71の表面の面積は、第1電極31の表面311(図3参照)の面積よりも小さく設定してある。また、第2AuSn層72の表面の面積は、第2電極32の表面321(図3参照)の面積よりも小さく設定してある。
第1AuSn層71及び第2AuSn層72の厚さは、紫外線発光素子3の突起構造部36の突出量H1(図3参照)と、紫外線発光素子3の厚さ方向における第2電極32と第1電極31との段差の高さH2(図3参照)と、の合計(H1+H2)よりも所定厚さ(α)だけ大きくなるように設定する。つまり、第1AuSn層71及び第2AuSn層72の厚さは、H1+H2+αとする。例えば、H1=1μm、H2=1μmの場合、第1AuSn層71及び第2AuSn層72の厚さは、3μm程度に設定すればよい。この場合、αは、1μmである。これらの数値は、一例であり、紫外線発光素子3の構造等に基づいて適宜設定すればよい。第1AuSn層71、第2AuSn層72は、実装基板2aのうち第1電極31、第2電極32それぞれに対向させる領域の中央部に形成するのが好ましい。第2AuSn層72は、突起構造部36の垂直投影領域よりも内側で、この垂直投影領域から離れて位置するように、第2導体部22の表面221上に配置する。「突起構造部36の垂直投影領域」とは、突起構造部36の厚さ方向への投影領域を意味する。すなわち、「突起構造部36の垂直投影領域」とは、突起構造部36の厚さ方向に投影方向が沿った垂直投影領域を意味する。言い換えれば、「突起構造部36の垂直投影領域」とは、突起構造部36の厚さ方向に直交する面への垂直投影領域を意味する。
第1AuSn層71及び第2AuSn層72は、AuSnの場合、共晶組成(70at%Au、30at%Sn)よりもAuの組成比が小さく例えば300℃以上400℃未満の温度で溶融する組成(例えば、60at%Au、40at%Sn)のAuSnが好ましい。
第1工程では、第1導体部21、第2導体部22と第1AuSn層71、第2AuSn層72との間に、第1バリア層81、第2バリア層82をそれぞれ形成するのが好ましい。第1バリア層81、第2バリア層82は、第1AuSn層71、第2AuSn層72と第1導体部21、第2導体部22との間での金属(例えば、Sn等)の拡散に起因してAuSnの組成が変動するのを抑制する拡散バリアの機能を有する層である。第1バリア層81及び第2バリア層82の材料としては、例えば、Ptを採用することができるが、これに限らず、Pd等を採用することもできる。第1工程では、第1バリア層81の厚さと第2バリア層82の厚さとを同じ値に設定してある。第1バリア層81及び第2バリア層82の厚さは、例えば、0.2μm程度に設定するのが好ましい。第1バリア層81及び第2バリア層82は、例えば、蒸着法、めっき法等により形成することができる。
また、第1工程では、第1AuSn層71、第2AuSn層72上に、第1Au層91、第2Au層92をそれぞれ形成するのが好ましい。第1Au層91、第2Au層92は、第1AuSn層71、第2AuSn層72のSnの酸化を抑制するために設ける層である。第1Au層91、第2Au層92の厚さは、第1AuSn層71、第2AuSn層72の厚さに比べて十分に薄いのが好ましく、例えば、0.1μm以下が好ましい。第1Au層91、第2Au層92の厚さは、第1AuSn層71、第2AuSn層72が溶融したときに、第1AuSn層71、第2AuSn層72へAuが熱拡散され、第1導体部21、第2導体部22と第1電極31、第2電極32との接合が行われるように設定する必要がある。第1Au層91及び第2Au層92の厚さは、例えば、0.05μm〜0.1μm程度の範囲で設定するのが好ましい。第1Au層91及び第2Au層92は、例えば、蒸着法やめっき法等により形成することができる。以下では、第1バリア層81と第1AuSn層71と第1Au層91との積層膜を第1接合用層101と称し、第2バリア層82と第2AuSn層72と第2Au層92との積層膜を第2接合用層102と称する。第1接合用層101は、少なくとも第1AuSn層71を備えていればよく、積層膜に限らず、単層膜でもよい。第2接合用層102は、少なくとも第2AuSn層72を備えていればよく、積層膜に限らず、単層膜でもよい。第2接合用層102の体積は、第2接合部62を形成するAuSnが空間9から出ないように、空間9の容積と等しくなるように設定するのが好ましい。
第2工程では、第1ステップ、第2ステップを行うことで紫外線発光素子3を実装基板2aに実装する。
第2工程では、ボンディング装置を利用する。より詳細いは、第2工程では、第1ステップ、第2ステップを、1台のボンディング装置で連続して行う。ボンディング装置は、ダイボンディング装置、フリップチップボンディング装置である。
ボンディング装置は、例えば、吸着保持具と、ステージと、第1ヒータと、第2ヒータと、接合室と、を備える。吸着保持具は、紫外線発光素子3を吸着保持するコレット(collet)である。ステージは、実装基板2aが載せ置かれる。第1ヒータは、ステージに設けられ実装基板2aを加熱できるように構成されている。第2ヒータは、吸着保持具を保持するホルダに装着され紫外線発光素子3を加熱できるように構成されている。ボンディング装置は、ホルダに第2ヒータを備える代わりに、吸着保持具に第2ヒータを備えた構成でもよい。ボンディング室は、ステージが収納配置されており、ステージ上の実装基板2aに対して紫外線発光素子3の接合処理が行われる処理室である。ボンディング室内の雰囲気は、N2ガス雰囲気である。ボンディング装置は、ボンディング室における出入口を開放しており、ボンディング室の外側から出入口を通してボンディング室内にN2ガスを供給した状態で、実装基板2a、吸着保持具等を出入口から入れたり出したりするようにしている。これにより、ボンディング装置は、真空チャンバ内で接合処理を行うように構成されている場合に比べて、低コスト化を図ることが可能となる。
第1ステップでは、図4Bに示すように、紫外線発光素子3と実装基板2aとを対向させる。「紫外線発光素子3と実装基板2aとを対向させる」とは、紫外線発光素子3の第1電極31、第2電極32と実装基板2aの第1導体部21、第2導体部22とがそれぞれ対向するように、紫外線発光素子3と実装基板2aとを対向させることを意味する。図4Bでは、模式的に2つの紫外線発光素子3を示してある。第2工程では、複数の紫外線発光素子3のそれぞれに対して、第1ステップと第2ステップとを行う。言い換えれば、第1ステップと第2ステップとの基本過程を紫外線発光素子3の数だけ繰り返し行う。
第1ステップでは、吸着保持具により吸着保持した紫外線発光素子3における第1電極31、第2電極32と実装基板2aの第1導体部21、第2導体部22とを対向させる。より詳細には、第1ステップでは、第1電極31と第1導体部21の表面211上の第1AuSn層71とを対向させ、且つ、第2電極32と第2導体部22の表面221上の第2AuSn層72とを対向させる。
第2ステップでは、紫外線発光素子3の第1電極31、第2電極32と実装基板2aの第1導体部21、第2導体部22とを、それぞれ、第1AuSn層71、第2AuSn層72により接合する。第1接合部61は、AuSnのみにより形成される場合に限らず、AuSnにより形成された部分に加えて第1バリア層81を含んでいてもよい。また、第2接合部62は、AuSnのみにより形成される場合に限らず、AuSnにより形成された部分に加えて第2バリア層82を含んでいてもよい。
上述の第2ステップでは、紫外線発光素子3の第1電極31、第2電極32と実装基板2a上の第1接合用層101、第2接合用層102とが接触するように重ね合わせた状態で、適宜の加熱及び加圧を行いながら第1AuSn層71及び第2AuSn層72を溶融させる。第1AuSn層71が溶融すると、溶融したAuSnに、第1Au層91からAuが拡散し、溶融したAuSnにおけるAuの組成比が増加する。また、第2AuSn層72が溶融すると、溶融したAuSnに、第2Au層92からAuが拡散し、溶融したAuSnにおけるAuの組成比が増加する。
第2ステップでは、第1AuSn層71及び第2AuSn層72を溶融させてから、突起構造部36が第2導体部22に接するように、紫外線発光素子3側から加圧することで、溶融したAuSnを押し下げて横方向に広げることで空間9にAuSnを満たしてから、冷却凝固させる。
第2ステップでは、第1ヒータによる実装基板2aの加熱だけでもよいし、第2ヒータによる紫外線発光素子3の加熱を行うようにしてもよい。第2ステップでは、実装基板2aと紫外線発光素子3との接合性を考えると、第1ヒータ及び第2ヒータそれぞれからの加熱を行うのが好ましい。また、第2ステップでは、紫外線発光素子3に適宜の荷重を印加することで加圧を行う。荷重は、例えば、1つの紫外線発光素子3に対して、0.1〜1kg/cm2程度の範囲で設定するのが好ましい。また、荷重を印加する時間は、例えば、0.1〜1秒程度の範囲で設定するのが好ましい。
第1AuSn層71及び第2AuSn層72の溶融温度は、紫外線発光素子3の耐熱温度よりも低いのが好ましい。第1AuSn層71及び第2AuSn層72の溶融温度をより低くするうえでは、Auの組成比が共晶組成付近の組成比であるほうがよく、例えばAuの組成比が68at%〜69at%であれば溶融温度が300℃以下となる。
第2工程の第2ステップでは、第1AuSn層71及び第2AuSn層72それぞれが溶融した状態で紫外線発光素子3の突起構造部36が第2導体部22の表面221に接するように、溶融したAuSnを押し下げて紫外線発光素子3と実装基板2aとを接合する。よって、第2工程の第2ステップでは、第1電極31と第1導体部21とが未接合となるのを抑制することが可能となる。
第2工程の第2ステップでは、突起構造部36が第2導体部22に接し、第1電極31と第1導体部21とが、AuSnにより形成された第1接合部61により接合され、第2電極32と第2導体部22とが、AuSnにより形成された第2接合部62により接合される。これにより、発光装置1aの製造方法では、第2接合部62が、第2電極32と突起構造部36と第2導体部22とで囲まれた空間9を満たすように形成された構成、とすることが可能となる。発光装置1aの製造方法では、第2接合用層102の溶融したAuSnを押し下げて横方向に広げたときに、突起構造部36が、溶融したAuSnの、紫外線発光素子3の表面に沿った流動を抑制する。これにより、発光装置1aの製造方法では、第1電極31と第2電極32とのAuSnによる短絡の発生を抑制可能となる。しかも、発光装置1aの製造方法では、紫外線発光素子3と実装基板2aとの間の熱抵抗の低減を図ることが可能で且つ熱抵抗のばらつきを小さくすることが可能な発光装置1aを製造することが可能となる。
ところで、第2工程の第2ステップでは、突起構造部36の先端面の全面を第2導体部22の表面221と接するように荷重を印加するのが好ましい。しかしながら、第2工程の第2ステップでは、突起構造部36の先端面の平面度と、第2導体部22の表面221の平面度との違いに起因して、突起構造部36の先端面の全面を第2導体部22の表面221と接するようにするのが難しいこともある。このような場合には、突起構造部36の先端面の一部が第2導体部22の表面221と接し、突起構造部36の先端面の残りの部分と第2導体部22の表面221との間に製造時に浸み込んで固まったAuSnからなる、薄いAuSn層が残ることもある。要するに、発光装置1aは、実装基板2aに対する紫外線発光素子3の平行度が所望の範囲であれば、突起構造部36が部分的に、第2導体部22の表面221に接する構成でもよい。第2工程の第2ステップでは、印加する荷重をより大きくすれば、突起構造部36の先端面の平面度と、第2導体部22の表面221の平面度との差を低減可能となり、突起構造部36と第2導体部22との接触面積を大きくすることが可能となる。また、第2工程の第2ステップでは、突起構造部36が例えば金属等により形成されている場合、印加する荷重を大きくすれば、突起構造部36を圧縮するように変形させることも可能となり、突起構造部36と第2導体部22との接触面積を大きくすることが可能となる。
第3工程では、レンズ部51aの出射面512が入射面511よりも下側となるようにカバー5aを配置する。第3工程では、その後、カバー5aのフランジ部52aの裏面522上に接合部4aの元になる低融点ガラスを主成分とするペースト状の接合材を配置して、低融点ガラスの軟化温度よりも低温の仮焼成温度で仮焼成することにより低融点ガラス層41aを形成する(図5A)。ペースト状の接合材を配置する場合には、ディスペンサ法、スクリーン印刷法等により、ペースト状の接合材を塗布すればよい。接合材の形態としてペースト状の形態を採用する場合には、接合材を塗布した後、乾燥させることによりペースト中の溶剤を除去し、低融点ガラスの軟化温度よりも低温の仮焼成温度で仮焼成を行うことによりペースト中の樹脂成分を除去する。接合材を乾燥させる際には、例えば、IR乾燥炉、ホットプレート乾燥炉、熱風循環型乾燥炉等を使用すればよい。
第4工程では、封止材料部6aの元になる液状の封止樹脂61aを、ディスペンサによってレンズ部51aの内側に注入する(図5B)。
第5工程では、複数の紫外線発光素子3と複数の紫外線発光素子3が実装された実装基板2aとで構成されるモジュールを、低融点ガラス層41a上に重ね、その後、液状の封止樹脂61aを硬化させることにより封止材料部6aを形成する(図5C)。これにより、発光装置1aの製造方法では、封止材料部6aにボイドが形成されたり、封止材料部6aとレンズ部51aとの間に空隙が形成されるのを抑制することが可能となり、高出力化を図ることが可能となる。第5工程では、モジュールを低融点ガラス層41aに重ねるときに、複数の紫外線発光素子3の各々が液状の封止樹脂61a中に入れられる。第5工程は、N2ガス雰囲気中で行うのが好ましい。
第6工程では、カバー5aが実装基板2aよりも上方に位置するようにし、その後、フランジ部52aの表面521側からレーザ光LB(図5D)を低融点ガラス層41aに局所的に照射して低融点ガラス層41aを溶融させることでフランジ部52aと実装基板2aとを接合する接合部4aを形成する。これにより、発光装置1aの製造方法では、発光装置1aを得ることができる。レーザ光LBの光源としては、例えば、YAGレーザ、Ti:サファイアレーザ等を用いればよい。低融点ガラス層41aには、レーザ光LBを吸収しやすくするために適宜の金属(例えば、遷移金属など)をドープした低融点ガラスを用いることが好ましい。また、第6工程では、レーザ光LBを低融点ガラス層41aの位置に合わせて点状に照射して走査するようにしてもよいが、低融点ガラス層41aの全体に同時に照射するように、レーザ光源及び光学系を設計するのが好ましい。第6工程では、レーザ光LBを照射する前、或いは照射するときに、フランジ部52aに適宜の荷重を印加することで加圧を行うのが好ましい。レーザ光LBを照射するときに荷重を印加する場合には、例えば、レーザ光LBに対して透明な冶具によりフランジ部52aに荷重を印加すればよい。第6工程では、レーザ光LBにより低融点ガラス層41aを局所的に加熱するので、低融点ガラス層41aから離れている紫外線発光素子3及び封止材料部6aそれぞれの劣化を抑制することが可能となる。
以上説明した本実施形態の発光装置1aの製造方法では、高出力化及び信頼性の向上を図ることが可能な発光装置1aを製造することが可能となる。
発光装置1aは、紫外線発光素子3に逆並列に接続されたツェナダイオードを備えていてもよい。これにより、発光装置1aは、静電気耐性を向上させることが可能となる。要するに、発光装置1aは、紫外線発光素子3が静電気によって絶縁破壊されるのを抑制することが可能となる。ツェナダイオードは、例えば、パッケージ7a内で実装基板2aに実装されているのが好ましい。ツェナダイオードのチップサイズは、紫外線発光素子3のチップサイズよりも小さいのが好ましい。ツェナダイオードは、紫外線発光素子3と同様に、AuSnにより実装基板2aにフリップチップ実装されているのが好ましい。
図6は、第1変形例の発光装置1bの概略断面図である。第1変形例の発光装置1bは、実装基板2aの代わりに、実装基板2aよりも大きな実装基板2bを備え、実装基板2bに、配光制御用のリフレクタ10を固定してある点が相違する。なお、発光装置1bにおいて、発光装置1aと同様の構成要素については、発光装置1aと同一の符号を付して説明を省略する。
リフレクタ10は、紫外線発光素子3から放射される紫外線に対する反射率の高い材料により形成されているのが好ましい。より詳細には、リフレクタ10は、アルミニウムにより形成されているのが好ましい。これにより、リフレクタ10は、紫外線発光素子3から放射される紫外線を効率良く反射させることができる。
リフレクタ10は、リフレクタ本体11と、固定部14と、を備える。リフレクタ本体11は、実装基板2bの厚さ方向において実装基板2bから離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる枠状に形成されている。リフレクタ本体11の内側面12は、紫外線発光素子3から放射される紫外線を反射する反射面を構成する。固定部14は、リフレクタ本体11における実装基板2b側の端面13から実装基板2bに向かって突出する円筒状に形成されている。固定部14の内径は、リフレクタ本体11の最小内径よりも大きい。
リフレクタ10は、固定部14が接着層17により実装基板2bに固定されている。接着層17の材料は、例えば、エポキシ樹脂である。リフレクタ10は、リフレクタ本体11における端面13と実装基板2aとの間にフランジ部52a及び接合部4aを挟むように配置されている。
(実施形態2)
以下では、本実施形態の発光装置1cについて図7及び8に基づいて説明する。発光装置1cは、図1に示した実施形態1の発光装置1aにおけるカバー5a、封止材料部6aの代わりに、カバー5c、封止材料部6cそれぞれを備えている点が発光装置1aと相違する。なお、発光装置1cにおいて、発光装置1aと同様の構成要素については、発光装置1aと同一の符号を付して説明を省略する。
以下では、本実施形態の発光装置1cについて図7及び8に基づいて説明する。発光装置1cは、図1に示した実施形態1の発光装置1aにおけるカバー5a、封止材料部6aの代わりに、カバー5c、封止材料部6cそれぞれを備えている点が発光装置1aと相違する。なお、発光装置1cにおいて、発光装置1aと同様の構成要素については、発光装置1aと同一の符号を付して説明を省略する。
発光装置1cでは、実装基板2aと接合部4aとカバー5aとで、紫外線発光素子3を収納するパッケージ7cを構成している。
カバー5cは、カバー5aと同じ材料により形成されており、カバー5aとは形状が相違するだけである。
カバー5cは、レンズ部51cと、フランジ部52cと、を備える。レンズ部51cは、紫外線発光素子3から放射される紫外線の入射面511及び出射面512を有し、出射面512が凸曲面に形成されている。より詳細には、出射面512は、半球面状に形成されている。入射面511は、平面状に形成されている。フランジ部52cは、平板状に形成されている。
レンズ部51cは、平凸レンズである。これにより、発光装置1cは、レンズ部51cの厚さを大きくすることでレンズ部51cの機械的強度を向上させることが可能となる。また、発光装置1cは、封止材料部6cの体積を封止材料部6aの体積に比べて小さくすることが可能となる。
発光装置1cは、空間8において封止材料部6cと接合部4cとの間に隙間19が存在するように封止材料部6cを配置してある。これにより、発光装置1cは、封止材料部6cを形成する封止材料が接合部4cの厚さ方向において接合部4cに重なるのを抑制することが可能となり、接合部4cの接合信頼性を向上させることが可能となる。また、発光装置1cは、封止材料部6cを形成する封止材料がパッケージ7cの外側にはみ出すのを抑制することが可能となる。また、発光装置1cは、紫外線発光素子3全体を封止材料部6cにより覆っているので、信頼性を向上させることが可能となる。
発光装置1cは、隙間19を不活性ガス雰囲気としてあるのが好ましい。これにより、発光装置1cは、紫外線発光素子3、第1導体部21及び第2導体部22等の酸化を抑制することが可能となり、信頼性の更なる向上を図ることが可能となる。
不活性ガス雰囲気は、N2ガス雰囲気であるのが好ましい。不活性ガス雰囲気は、不活性ガスの純度が高いのが好ましいが、100%の純度を必須としない。例えば、不活性ガス雰囲気は、不活性ガスとしてN2ガスを採用する場合、例えば、不可避的に混入される100〜200ppm程度のO2を含んでいてもよい。不活性ガスは、N2ガスに限らず、例えば、Arガス、N2ガスとArガスとの混合ガス等でもよい。
封止材料部6cは、封止材料部6aと同じ材料により形成されており、封止材料部6aとは形状が相違するだけである。封止材料部6cは、実装基板2aの厚さ方向において実装基板2aから離れるにつれて外径が徐々に小さくなる形状に形成されている。より詳細には、封止材料部6cは、円錐台状に形成されている。これにより、発光装置1cは、封止材料部6cの外周面と接合部4cの内側面との間に、上述の隙間19が存在するようになっている。
接合部4cは、接合部4aと同じ材料により形成されており、接合部4aよりも厚さが大きいだけである。より詳細には、接合部4cの厚さは、紫外線発光素子3の厚さと第2導体部22の厚さとの合計値よりも大きい。これにより、発光装置1cは、紫外線発光素子3の光取り出し面303とレンズ部51cの入射面511との間に、封止材料部6cの一部を介在させることができる。よって、発光装置1cは、紫外線発光素子3の光取り出し面303とレンズ部51cの入射面511との間の媒質が気体である場合に比べて、発光装置1c全体としての光取り出し効率の向上を図れ、高出力化を図ることが可能となる。
以下では、発光装置1cの製造方法について実施形態1の発光装置1aの製造方法と相違する点を、図8に基づいて説明する。
第3工程では、レンズ部51cの出射面512が入射面511よりも下側となるようにカバー5cを配置する。第3工程では、その後、カバー5cのフランジ部52cの裏面522上に接合部4cの元になる低融点ガラスを主成分とするペースト状の接合材を配置して、低融点ガラスの軟化温度よりも低温の仮焼成温度で仮焼成することにより低融点ガラス層41cを形成する(図8A)。
第4工程では、封止材料部6cの元になる液状の封止樹脂61cを、実装基板2a上の複数の紫外線発光素子3を覆うように支持体20aの表面201側に塗布する(図8B)。液状の封止樹脂61cの塗布は、ディスペンサによって行う。第4工程では、未硬化の液状の封止樹脂61cが所望の粘度になるように加熱してから、封止樹脂61cを塗布してもよい。
第5工程では、フランジ部52cの裏面522に低融点ガラス層41cが配置されたカバー5cにおけるフランジ部52cの表面521を上にして、カバー5cを、低融点ガラス層41cを介して支持体20aの表面201側に配置する。その後、液状の封止樹脂61cを硬化させることにより、封止材料部6cを形成する(図8C)。これにより、発光装置1cの製造方法では、封止材料部6cにボイドが形成されるのを抑制することが可能となり、高出力化を図ることが可能となる。第5工程は、N2ガス雰囲気中で行うのが好ましい。
第6工程では、フランジ部52cの表面521側からレーザ光LB(図8D)を低融点ガラス層41cに局所的に照射して低融点ガラス層41cを溶融させることでフランジ部52cと実装基板2aとを接合する接合部4cを形成する。これにより、発光装置1cの製造方法では、発光装置1cを得ることができる。第6工程では、レーザ光LBを照射する前、或いは照射するときに、フランジ部52cに適宜の荷重を印加することで加圧を行うのが好ましい。レーザ光LBを照射するときに荷重を印加する場合には、例えば、レーザ光LBに対して透明な冶具によりフランジ部52cに荷重を印加すればよい。第6工程では、レーザ光LBにより低融点ガラス層41cを局所的に加熱するので、低融点ガラス層41cから離れている紫外線発光素子3及び封止材料部6cそれぞれの劣化を抑制することが可能となる。
以上説明した本実施形態の発光装置1cの製造方法では、高出力化及び信頼性の向上を図ることが可能な発光装置1cを製造することが可能となる。
図9は、第1変形例の発光装置1dの概略断面図である。第1変形例の発光装置1dは、封止材料部6dの形状が封止材料部6cの形状と相違する。なお、発光装置1dにおいて、発光装置1cと同様の構成要素については、発光装置1cと同一の符号を付して説明を省略する。
発光装置1dは、空間8において封止材料部6dと接合部4cとの間に隙間19が存在するように封止材料部6dを配置してある。これにより、発光装置1dは、封止材料部6dを形成する封止材料が接合部4cの厚さ方向において接合部4cに重なるのを抑制することが可能となり、接合部4cの接合信頼性を向上させることが可能となる。また、発光装置1dは、封止材料部6dを形成する封止材料がパッケージ7cの外側にはみ出すのを抑制することが可能となる。
封止材料部6dは、実装基板2aの厚さ方向において実装基板2aから離れるにつれて外径が徐々に大きくなる形状に形成されている。より詳細には、封止材料部6dは、逆円錐台状に形成されている。これにより、発光装置1dは、封止材料部6dの外周面と接合部4cの内側面との間に、隙間19が存在するようになっている。
以下では、発光装置1dの製造方法について実施形態1の発光装置1aの製造方法と相違する点を、図10に基づいて説明する。
第3工程では、レンズ部51cの出射面512が入射面511よりも下側となるようにカバー5cを配置する。第3工程では、その後、カバー5cのフランジ部52cの裏面522上に接合部4cの元になる低融点ガラスを主成分とするペースト状の接合材を配置して、低融点ガラスの軟化温度よりも低温の仮焼成温度で仮焼成することにより低融点ガラス層41cを形成する(図10A)。
第4工程では、封止材料部6dの元になる液状の封止樹脂61dを、カバー5cにおけるレンズ部51cの入射面511上に塗布する(図10B)。液状の封止樹脂61dの塗布は、ディスペンサによって行う。第4工程では、未硬化の液状の封止樹脂61dが所望の粘度になるように加熱してから、封止樹脂61dを塗布してもよい。
第5工程では、複数の紫外線発光素子3と複数の紫外線発光素子3が実装された実装基板2aとで構成されるモジュールを、低融点ガラス層41c及び封止樹脂61dに重ね、その後、封止樹脂61dを硬化させることにより封止材料部6dを形成する(図10C)。これにより、発光装置1dの製造方法では、封止材料部6dにボイドが形成されるのを抑制することが可能となり、高出力化を図ることが可能となる。第5工程では、モジュールを低融点ガラス層41aに重ねるときに、複数の紫外線発光素子3の各々が液状の封止樹脂61d中に入れられる。第5工程は、N2ガス雰囲気中で行うのが好ましい。
第6工程では、フランジ部52cの表面521側からレーザ光LB(図10D)を低融点ガラス層41cに局所的に照射して低融点ガラス層41cを溶融させることでフランジ部52cと実装基板2aとを接合する接合部4cを形成する。これにより、発光装置1dの製造方法では、発光装置1dを得ることができる。第6工程では、レーザ光LBを照射する前、或いは照射するときに、フランジ部52cに適宜の荷重を印加することで加圧を行うのが好ましい。レーザ光LBを照射するときに荷重を印加する場合には、例えば、レーザ光LBに対して透明な冶具によりフランジ部52cに荷重を印加すればよい。第6工程では、レーザ光LBにより低融点ガラス層41cを局所的に加熱するので、低融点ガラス層41cから離れている紫外線発光素子3及び封止材料部6dそれぞれの劣化を抑制することが可能となる。
以上説明した本実施形態の発光装置1dの製造方法では、高出力化及び信頼性の向上を図ることが可能な発光装置1dを製造することが可能となる。
図11は、第1変形例の発光装置1eの概略断面図である。第1変形例の発光装置1eは、実装基板2aの代わりに、実装基板2aよりも大きな実装基板2bを備え、実装基板2bに、配光制御用のリフレクタ10を固定してある点が相違する。なお、発光装置1eにおいて、発光装置1dと同様の構成要素については、発光装置1dと同一の符号を付して説明を省略する。
リフレクタ10は、紫外線発光素子3から放射される紫外線に対する反射率の高い材料により形成されているのが好ましい。より詳細には、リフレクタ10は、アルミニウムにより形成されているのが好ましい。これにより、リフレクタ10は、紫外線発光素子3から放射される紫外線を効率良く反射させることができる。
リフレクタ10は、リフレクタ本体11と、固定部14と、を備える。リフレクタ本体11は、実装基板2bの厚さ方向において実装基板2bから離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる枠状に形成されている。リフレクタ本体11の内側面12は、紫外線発光素子3から放射される紫外線を反射する反射面を構成する。固定部14は、リフレクタ本体11における実装基板2b側の端面13から実装基板2bに向かって突出する円筒状に形成されている。固定部14の内径は、リフレクタ本体11の最小内径よりも大きい。
リフレクタ10は、固定部14が接着層17により実装基板2bに固定されている。接着層17の材料は、例えば、エポキシ樹脂である。リフレクタ10は、リフレクタ本体11における端面13と実装基板2aとの間にフランジ部52c及び接合部4cを挟むように配置されている。
(実施形態3)
以下では、本実施形態の発光装置1fについて図12に基づいて説明する。発光装置1fは、実施形態1の発光装置1aの封止材料部6aの代わりに封止材料部6fを備えている点が発光装置1aと相違する。なお、発光装置1fにおいて、発光装置1aと同様の構成要素については、発光装置1aと同一の符号を付して説明を省略する。
以下では、本実施形態の発光装置1fについて図12に基づいて説明する。発光装置1fは、実施形態1の発光装置1aの封止材料部6aの代わりに封止材料部6fを備えている点が発光装置1aと相違する。なお、発光装置1fにおいて、発光装置1aと同様の構成要素については、発光装置1aと同一の符号を付して説明を省略する。
封止材料部6fを形成する封止材料は、電気絶縁性を有する。封止材料部6fを形成している封止材料は、紫外線発光素子3から放射される紫外線に対して耐紫外線性を有し且つ紫外線発光素子3から放射される紫外線を透過する不活性液体である。これにより、発光装置1fは、高出力化及び信頼性の向上を図ることが可能となる。不活性液体は、フッ素系不活性液体であるのが好ましい。これにより、発光装置1fは、熱伝導性及び電気絶縁性を向上させることが可能となる。フッ素系不活性液体としては、例えば、フロリナート(登録商標)等が挙げられる。フッ素系不活性液体は、波長が265nmの紫外線に対する屈折率が1.2〜1.3である。発光装置1fは、封止材料部6fがフッ素系不活性液体であることにより、紫外線発光素子3とカバー5aとの間の媒質が気体である場合に比べて、放熱性を向上させることが可能となる。
実施形態1〜3に記載した材料、数値等は、好ましい例を示しているだけであり、それに限定する主旨ではない。更に、本願発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成に適宜変更を加えることが可能である。
例えば、発光装置1a〜1fの各々は、紫外線発光素子3として紫外線LEDチップを採用しているが、これに限らず、紫外線発光素子3として、例えば、紫外線LDチップを採用してもよい。
発光装置1a〜1fの各々は、複数の紫外線発光素子3が直列接続された構成を有してもよいし、直並列接続された構成を有してもよい。
発光装置1a〜1fの各々は、第1接合部61がAuバンプにより形成され、第2接合部62がAuバンプにより形成されていてもよい。
1a、1b、1c、1d、1e、1f 発光装置
2a、2b 実装基板
3 紫外線発光素子
4a、4c 接合部
5a、5c カバー
6a、6c、6d 封止材料部
8 空間
18 隙間
19 隙間
51a、51c レンズ部
52a、52c フランジ部
303 光取り出し面
511 入射面
512 出射面
2a、2b 実装基板
3 紫外線発光素子
4a、4c 接合部
5a、5c カバー
6a、6c、6d 封止材料部
8 空間
18 隙間
19 隙間
51a、51c レンズ部
52a、52c フランジ部
303 光取り出し面
511 入射面
512 出射面
Claims (11)
- 実装基板と、前記実装基板に実装された紫外線発光素子と、カバーと、前記カバーと前記実装基板との間に介在する枠状の接合部と、前記実装基板と前記カバーと前記接合部とで囲まれた空間内で前記紫外線発光素子を覆っている封止材料部と、を備え、
前記カバーは、前記紫外線発光素子から放射される紫外線を透過するガラスにより形成され、
前記カバーは、レンズ部と、フランジ部と、を備え、
前記レンズ部は、前記紫外線発光素子から放射される紫外線の入射面及び出射面を有し、前記出射面が凸曲面に形成され、
前記フランジ部は、平板状に形成され、
前記カバーは、前記フランジ部が全周に亘って前記接合部により前記実装基板と接合され、
前記接合部は、低融点ガラスにより形成され、
前記封止材料部を形成している封止材料は、前記紫外線発光素子から放射される紫外線に対して耐紫外線性を有し且つ前記紫外線発光素子から放射される紫外線を透過する材料であり、
ことを特徴とする発光装置。 - 前記紫外線発光素子は、前記実装基板にフリップチップ実装されており、
前記封止材料部は、前記紫外線発光素子の光取り出し面及び前記レンズ部の前記入射面それぞれと直接接している、
ことを特徴とする請求項1記載の発光装置。 - 前記カバーを形成しているガラスは、硼珪酸ガラスである、
ことを特徴とする請求項1又は2記載の発光装置。 - 前記封止材料は、前記紫外線発光素子から放射される紫外線に対して耐紫外線性を有し且つ前記紫外線発光素子から放射される紫外線を透過する封止樹脂である、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の発光装置。 - 前記レンズ部は、ドーム状である、
ことを特徴とする請求項4記載の発光装置。 - 前記空間において前記封止材料部と前記実装基板との間に隙間が存在するように前記封止材料部を配置してある、
ことを特徴とする請求項5記載の発光装置。 - 前記レンズ部は、平凸レンズである、
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の発光装置。 - 前記空間において前記封止材料部と前記接合部との間に隙間が存在するように前記封止材料部を配置してある、
ことを特徴とする請求項7記載の発光装置。 - 前記封止材料は、前記紫外線発光素子から放射される紫外線に対して耐紫外線性を有し且つ前記紫外線発光素子から放射される紫外線を透過する不活性液体である、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の発光装置。 - 前記不活性液体は、フッ素系不活性液体である、
ことを特徴とする請求項9記載の発光装置。 - 前記紫外線発光素子は、UV−Cの波長域に発光ピーク波長を有する、
ことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一項に記載の発光装置。
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