JP4055373B2 - Method for manufacturing light emitting device - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はバックライト光源、ディスプレイ、照明など各種光源や光センサに利用される発光装置装置に係わり、特に、信頼性に優れた発光装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
今日、高輝度、高出力な半導体発光素子や小型且つ高感度な発光装置が開発され種々の分野に利用されている。このような発光装置は小型、低消費電力や軽量などの特徴を生かして、例えば、光プリンターヘッドの光源、液晶バックライト光源、各種メータの光源や各種読み取りセンサーなどに利用されている。
【０００３】
このような発光装置の一例として、図１４に示す如き発光装置が挙げられる。凹部を有し且つリード電極２が挿入されて一体成形されたプラスチック・パッケージ５を用い、前記凹部内底面から露出されたリード電極２上に発光素子としてＬＥＤチップ１をダイボンドすると共にＬＥＤチップの各電極とパッケージに設けられたリード電極２とを金線４などにより電気的に接続させる。このようにして凹部内に配置されたＬＥＤチップは透光性のモールド樹脂９等によって封止される。これにより、パッケージ内部に配置されたＬＥＤチップやワイヤなどは水分、外力など外部環境から保護され、極めて信頼性の高い発光装置が得られる。
【０００４】
しかしながら、このような発光装置の利用分野の広がりから、より厳しい環境条件で使用され始めている。航空機や車載用に利用される発光装置では、例えば外気温により−２０℃以下＋８０℃以上にまで変化する場合もある。また、外気圧、熱衝撃などと同時に振動もある。このような場合、モールド樹脂等の膨張や収縮によりＬＥＤチップはダイボンド樹脂から剥離され、放出される光の強度や指向特性が変化する。ひどい場合にはワイヤの断線などを生じ全く発光しない場合がある。
【０００５】
また発光素子は、電力消費により熱を発する。上記の構成を有する発光装置は、発光素子から発生する熱をリード電極を介して基板側に逃すことができる。
【０００６】
しかしながら、その放熱効果は十分に満足できるものではなく、発光素子の出力を向上させようと上記のような発光装置に大電流を投下すると、パッケージによる放熱効果が十分でないため発光素子の温度は上昇し、素子の動作速度や周囲に存在する樹脂の劣化等を引き起こしてしまう。
【０００７】
これに対して、従来、高い信頼性を有するパッケージとしてキャンタイプ・パッケージが用いられている。例えば、図１３に示す如き、凸形状のＮｉ／Ａｕメッキが施された鉄からなる金属ベース１０と、前記金属ベース１０の厚さ方向に形成された貫通孔にガラス等の絶縁体３を介して気密絶縁的に封着された銅からなるリード電極２とを有する半導体装置用ステムが用いられる。このようなステムの上面に発光素子１を電気的に接続させ、Ａｕメッキが施された鉄からなる窓付き缶１１をシールにて気密封止する。
【０００８】
このように構成された発光装置は、パッケージが金属にて構成され且つ内部が中空であるため、構成材料に樹脂を用いた場合と比べ非常に高い信頼性を有し、ワイヤ断線防止、耐湿性、耐熱性、及び放熱性に優れている。このため、発光装置に流す電流量を増加させ出力向上を図ることが可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述したような発光装置について、高い信頼性を有し且つ高輝度に発光することが可能な発光装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る発光装置の製造方法は、金属ベースと、その金属ベースとリッドとにより設けられた中空部に配置された発光素子と、を備えており、上記リッドが、上記金属ベースに接続する金属部と、その金属部の開口部内に配置された透光性窓部と、を有する発光装置の製造方法であって、絶縁部材を介して金属ベースにリード電極を固定する第一の工程と、ガラスと上記金属部とを封着させることにより透光性窓部を形成する第二の工程と、上記金属ベースに固定したヒートシンクに発光素子を配置する第三の工程と、上記リッドと上記金属ベースとにより形成される中空部に上記発光素子が配置されるように、上記リッドの金属部と上記金属ベースとを接続する第四の工程と、を有する。
【００１１】
さらに、上記第二の工程は、上記蛍光物質を含有するガラスをタブレット状に形成し、そのガラスを上記リッドの開口部内に配置して通炉させることにより上記ガラスと上記リッド本体とを封着させる工程を含むことを特徴とする。あるいは、上記第二の工程は、上記リッドの開口部に配置させたパウダー状またはペレット状のガラスと、粉末の蛍光物質との混合物をプレス加工により成型する工程を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、上記ヒートシンクは、上記金属ベース及び上記リード電極より高い熱伝導率を有することが好ましい。これにより、放熱性と信頼性を備えた発光装置が得られる。
【００１３】
また、上記ヒートシンクは、上面側に凹部を有することが好ましく、上記凹部は、発光素子を収納することが可能な容積を有していることが好ましい。このような凹部底面に発光素子を配置することで、上記発光素子端面から発光される光の輝度を低下させることなく上面方向に取り出すことができる。
【００１４】
また、上記金属ベースの貫通孔の下方側にヒートシンクを有することにより、上記貫通孔の上方側内壁と上記ヒートシンクの上面により凹部が成されていてもよい。これにより、高い信頼性と良好な光学特性を備えた発光装置を量産性良く得ることができる。また、このように発光素子の底面に金属からなるヒートシンクを設けるだけでなく、発光素子の側面周囲にも金属からなる側壁を設けることにより、更に放熱性が向上される。
【００１５】
上記の凹部において、凹部内壁がテーパー形状であると、光の取り出し効率が向上され好ましい。更に、凹部内に上記発光素子を被覆する透光性封止部材を有していると、外部環境による発光素子の劣化や電気接続部材であるワイヤの断線等を防止することができ発光素子の信頼性が向上され好ましい。また、光が集光され、高輝度に発光可能で且つ信頼性の高い発光装置が得られる。
【００１６】
また、上記透光性部材に、上記発光素子からの光の一部を吸収して異なる波長の光を発光することが可能な蛍光物質を含有させることにより、上記蛍光物質が劣化されることなく良好な色調を得ることができる。
【００１７】
また、上記ヒートシンクの少なくとも一方の端面がフランジ形状であると、ヒートシンクと金属ベースとの位置決めが容易にできる。また、上記ヒートシンクと上記金属ベースとを気密性高く密着させることができ、空気と湿気の発光装置内への侵入を良好に防止することができる。
【００１８】
また、上記金属ベースの主面側は、透光性窓部と金属部とからなるリッドにて封止されている。これにより発光装置内を中空状態で保護することができ、耐湿性、耐熱性、及び放熱性の優れた発光装置が得られる。上記リッドは、上記透光性窓部が発光素子と対向するように配置され、上記透光性窓部が上記凹部の内壁の延長線と交わると好ましい。つまり、上記透光性窓部は、上記凹部の内壁の延長線により囲まれた領域より大きい面積を有することが好ましく、これにより、上記凹部の内壁にて反射散乱された光を遮断することなく上記透光性窓部から外部に取り出すことができる。
【００１９】
また、上記ヒートシンクの熱伝導率は２００ｗ／ｍ・ｋ以上５００ｗ／ｍ・ｋ以下が好ましく、また、上記金属ベースの熱伝導率は１０ｗ／ｍ・ｋ以上１００ｗ／ｍ・ｋ以下、より好ましくは５０ｗ／ｍ・ｋ以上１００ｗ／ｍ・ｋ以下であり、で且つ熱膨張率が０．０２×１０−４／ｄｅｇ以上０．０５×１０−４／ｄｅｇ以下若しくは０．１０×１０−４／ｄｅｇ以上０．１５×１０−４／ｄｅｇ以下とすると、更に信頼性の高い発光装置が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照にして、本発明に係る実施の形態について説明する。
＜実施の形態１＞
図１に、本発明の実施の形態１に係る発光装置を示す。
【００２１】
金属ベース１０は、厚さ方向に３つの貫通孔を有する。中央部の大きな貫通孔には金属製ろう剤にてヒートシンク１３が固着挿入されていおり、前記ヒートシンク５の周囲には、等間隔に２つの小さな貫通孔が形成されている。前記２つの小さな貫通孔には、それぞれ絶縁部材である硬質ガラス３を介して正及び負のリード電極２が挿入されている。尚、前記リード電極２と前記ヒートシンク５の底面側端部はそれぞれ前記金属ベース１０の背面側から突出しており、且つ前記リード電極２の底面はヒートシンク５の底面とほぼ同一平面上に位置している。
【００２２】
このように構成された金属ベースの主面側は、前記ヒートシンク上面に発光素子であるＬＥＤチップ１が配置され、前記ＬＥＤチップ１の各電極がワイヤ４にて各リード電極２と電気的に接続されている。このように実装された前記金属ベースの主面側は、透光性窓部７を有するリッド６にて気密封止されている。ここで、前記透光性窓部７には、前記ＬＥＤチップからの光の少なくとも一部を吸収して異なる波長の光を発光することが可能な蛍光物質８が含有されている。このように、構成材料及び蛍光物質のバインダー等に有機物を一切用いず無機物のみで構成された発光装置は、熱や光によって劣化されにくいため、飛躍的に高い信頼性を有することができる。以下、本発明の実施の形態１における各構成について詳述する。
【００２３】
（発光素子１） 本発明において発光素子１は特に限定されないが、蛍光物質を用いた場合、前記蛍光物質を励起可能な発光波長を発光できる発光層を有する半導体発光素子が好ましい。このような半導体発光素子としてＺｎＳｅやＧａＮなど種々の半導体を挙げることができるが、蛍光物質を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）が好適に挙げられる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
【００２４】
窒化物半導体を使用した場合、半導体用基板にはサファイア、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の材料が好適に用いられる。結晶性の良い窒化物半導体を量産性よく形成させるためにはサファイア基板を用いることが好ましい。このサファイア基板上にＭＯＣＶＤ法などを用いて窒化物半導体を形成させることができる。サファイア基板上にＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡＩＮ等のバッファ層を形成しその上にｐｎ接合を有する窒化物半導体を形成させる。
【００２５】
窒化物半導体を使用したｐｎ接合を有する発光素子例として、バッファ層上に、ｎ型窒化ガリウムで形成した第１のコンタクト層、ｎ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成させた第１のクラッド層、窒化インジウム・ガリウムで形成した活性層、ｐ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成した第２のクラッド層、ｐ型窒化ガリウムで形成した第２のコンタクト層を順に積層させたダブルへテロ構成などが挙げられる。
【００２６】
窒化物半導体は、不純物をドープしない状態でｎ型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のｎ型窒化物半導体を形成させる場合は、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。一方、ｐ型窒化物半導体を形成させる場合は、ｐ型ドーパントであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。窒化物半導体は、ｐ型ドーパントをドープしただけではｐ型化しにくいためｐ型ドーパント導入後に、炉による加熱やプラズマ照射等により低抵抗化させることが好ましい。電極形成後、半導体ウエハーからチップ状にカットさせることで窒化物半導体からなる発光素子を形成させることができる。
【００２７】
本発明の発光ダイオードにおいて、白色系を発光させるには、蛍光物質からの発光波長との補色関係や透光性樹脂の劣化等を考慮して、発光素子の発光波長は４００ｎｍ以上５３０ｎｍ以下が好ましく、４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下がより好ましい。発光素子と蛍光物質との励起、発光効率をそれぞれより向上させるためには、４５０ｎｍ以上４７５ｎｍ以下がさらに好ましい。
【００２８】
なお本発明では、パッケージ本体は金属のみにて構成されているため紫外線による構成部材の劣化を抑制することができる。よって、本発明の発光装置に４００ｎｍより短い紫外線領域を主発光波長とする発光素子を用い、前記発光素子からの光の一部を吸収して他の波長を発光することが可能な蛍光物質と組み合わせることで、色ムラの少ない色変換型発光装置が得られる。ここで、前記蛍光物質を発光装置にバインダーする際には、比較的紫外線に強い樹脂や無機物であるガラス等を用いることが好ましい。
【００２９】
（金属ベース１０） 本実施の形態の発光装置に用いられる金属ベース１０は、熱伝導率が、１０ｗ／ｍ・ｋ以上１００ｗ／ｍ・ｋ以下、より好ましくは５０ｗ／ｍ・ｋ以上１００ｗ／ｍ・ｋ以下の範囲である基材からなることが好ましい。このような金属ベースは、発光素子に大電流を長時間投下しても信頼性を維持することが可能とする放熱性と、金属ベースとリッドとを抵抗溶接にて気密封止する際に必要なジュール熱を発することが可能な熱維持性とを兼ね備えており、これにより飛躍的に信頼性の高い発光装置を得ることができる。
【００３０】
また、金属ベース部の熱膨張率は、０．０２×１０−４／ｄｅｇ以上０．０５×１０−４／ｄｅｇ以下の範囲であることが好ましく、この場合、金属ベースとリード電極との互いの部材が破損されることなく良好に熱密着させることができる。
【００３１】
一方、金属ベース部のその他の好ましい熱膨張率値は、０．１０×１０−４／ｄｅｇ以上０．１５×１０−４／ｄｅｇ以下の範囲である。この場合、金属ベースと絶縁部材との熱膨張率値の差が０．０４×１０−４／ｄｅｇ以上０．０９×１０−４／ｄｅｇ以下が好ましく、これにより、前記貫通孔の内壁に基材の酸化膜を設けなくてもリード電極を高い気密性にて金属ベース貫通孔内に挿入することができ、作業工程が簡略化され生産性が良好な発光措置が得られる。熱膨張率差が０．０９×１０−４／ｄｅｇより大きいと、熱膨張率差が大きい部材が熱膨張率の小さい部材を締め付けてしまい、前記熱膨張率の小さい部材は破損してしまう。また、金属ベースの基材は、大きい強度を有することが好ましく、これにより薄型の金属ベース部を形成することができる。
【００３２】
このような金属ベースの好ましい基材として、コバール、鉄、ステンレス、アルミニウム合金等が挙げられる。コバールとはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金であり、絶縁部材に用いられる低融点ガラスと近似の熱膨張率を有するので良好に気密封止を行うことができる。これら基材の最表面にはＡｇメッキを施すことが好ましい。このように構成すると、パッケージ表面の光反射散乱率が向上される他、Ａｇ層が溶接用ろう材となり、発光素子、ワイヤ、及びリッドと、金属ベース本体との密着性が向上され好ましい。更に、Ａｇ層を無光沢にメッキするとこれらの効果は増殖される。本発明で用いられる金属ベースは、上記のように構成され、これにより高い信頼性を有する発光装置を安価に得ることができる。
【００３３】
また、金属ベースに設けられる貫通孔の直径は、０．３ｍｍ〜３ｍｍであることが望ましい。３ｍｍより大きい場合、パッケージ全体の強度が低下してしまう。中央部の大きな貫通孔にはヒートシンク５が挿入されており、前記ヒートシンク５の周囲には、等間隔に２つの小さな貫通孔が形成されている。前記小さな貫通孔には、絶縁部材である硬質ガラス３を介して正及び負のリード電極２がそれぞれ挿入されている。
【００３４】
前記リード電極２及び前記ヒートシンク５の底面側端部はそれぞれ前記金属ベース１０の背面側から突出しており、且つ前記リード電極２の底面、ヒートシンクの底面５はほぼ同一平面上に位置している。これらの底面は発光装置の実装面となり、バランス良く実装することができる。配置されることにより実装精度が向上され良好な光学特性が得られる。
【００３５】
ここで、本発明における発光装置は、正及び負のリード電極のうち、少なくと一方が絶縁体を介して前記金属ベースに挿入されていれば良く、図２の如く、金属ベースの主面を他方のリード電極としてもよい。このように構成すると、発光素子から一方のパッケージ端面までの間に絶縁体を有しないため、放熱性が向上され好ましい。この場合、実装精度を損なわないため、前記金属ベースにおいて、リード電極と対向した箇所に支持部を設けることが好ましい。前記支持部は、例えば、金属ベースの主面側からプレス加工することにより形成することができる。また、金属ベースの背面側に支持部として金属棒を導電性接着剤にて固定してもよい。前記支持部の数は特に限定されず、前記金属ベースの背面側において、前記リード電極及び前記支持部がそれぞれ等間隔に突出しており且つそれらの底面がほぼ同一平面を成していると、発光装置の実装安定性が向上され好ましい。
【００３６】
また、前記リード電極及び前記支持部は、前記金属ベース部と近似の熱膨張係数を有する材料、好ましくは前記金属ベースと同一の材料にて構成されることが好ましく、これにより信頼性が向上される。
（リード電極２） 本発明の発光装置は、正及び負のリード電極を有し、そのうちの少なくとも一方は、金属ベースに設けられた貫通孔内に絶縁部材を介して挿入されている。前記リード電極の先端部は、前記ベース部の表面から突出しており、且つ前記リード電極の底面は前記ヒートシンクの実装面側の底面とほぼ同一平面上に位置している。
【００３７】
リード電極２のワイヤ接続面である上面は、０．０２ｍｍ２〜０．２ｍｍ２の範囲の面積を有することが好ましく、より好ましくは０．０５ｍｍ２〜０．１５ｍｍ２である。このように構成されることにより、ワイヤボンディングの精度が良好で且つ小型化の発光装置が得られる。
【００３８】
また、リード電極の実装面側である底面は、前記上面より広い面積を有することが好ましい。これにより前記リード電極は発光装置の支持部的役割を十分に果たし、実装精度を向上させることができると共に、実装基板との接触面積が広くなるため放熱性が向上される。このような形状のリード電極は、例えば柱状に形成されたリード電極の底面側をプレス加工することにより得ることができる。リード電極の底面側の好ましい形状として、逆Ｔ字型、末広がり型、逆テーパ型等が挙げられる。
【００３９】
本実施の形態の発光装置に用いられる金属ベース１０は、厚さ方向に３つの貫通孔を有する。
【００４０】
また、前記金属ベースの外側縁部は、ベース部底面に沿って鍔部を有することが好ましい。このように構成することにより、前記鍔部を設けることにより露出される端面と発光面側に配置されるリッドの内壁、及び前記鍔部の上面と前記リッド上面とが合わさり、これらの位置決めを容易に行うことが可能となり、量産性が向上され好ましい。
【００４１】
（ヒートシンク５） 本発明の発光装置は、金属ベース１０の厚さ方向に形成された貫通孔内にヒートシンク５が挿入されている。上記ヒートシンク５の底面側端部は、上記金属ベース１０の背面側から突出しており、実装基板と接することが可能となるように構成されている。また、前記ヒートシンク５の上面は、発光素子全体を配置することが可能な面積を有している。本発明の発光装置は、前記上面に発光素子を配置し、前記底面を実装基板に実装することにより前記底面側から直接実装基板に放熱することができ、低熱抵抗下の発光装置が得られる。
【００４２】
このようなヒートシンクは、例えば金属ベースに設けられた貫通孔に、ろう材を介して挿入固定される。これにより気密性高くヒートシンクを金属ベースに固定することができる。好ましいろう材として、銀ろう、Ｐｂ−Ｓｎ系のはんだ、あるいはＡｕ−Ｓｎ系の合金が挙げられる。これらの合金を使用すると、気密性、機械的強度、および化学的耐性に優れた気密封止が可能である。
【００４３】
また前記ヒートシンク５は、金属ベース１０の材料より熱伝導性のよい純銅等を金属材料として形成される。具体的には、前記ヒートシンクの熱伝導率は２００ｗ／ｍ・ｋ以上５００ｗ／ｍ・ｋ以下が好ましく、より好ましくは３００ｗ／ｍ・ｋ以上５００ｗ／ｍ・ｋ以下である。また、隣接する金属ベースとの熱膨張率差は０．０４×１０−４／ｄｅｇ以上０．０９×１０−４／ｄｅｇ以下であることが好ましい。このように、熱伝導性が良好で且つ隣接する金属ベースとの熱膨張率差が小さい材料からなるヒートシンクを設けることにより、大電流を投下しても劣化せず高出力に発光することが可能な発光装置が得られる。
【００４４】
ヒートシンクの底面側はフランジ形状であることが好ましい。これにより、実装基板との接触面が大きくなり放熱性及び実装の精度が向上される他、金属ベースとの位置決めが容易にできるため量産性が向上され、更に金属ベースとの気密性が向上され信頼性の高い発光装置が得られる。
【００４５】
また、ヒートシンクの上面側に凹部を設けてもよく、前記凹部は、発光素子を収納することが可能な容積を有することが好ましい。前記凹部内底面に発光素子を配置させることにより、発光素子端面から放出される光を効率よく取り出すことができる。また、前記内壁が曲面であること、良好な指向特性が得られ好ましい。更に、前記内壁はテーパー形状であること、正面光度が向上され好ましい。また、このように凹部を設けることにより、該凹部にダイボンドされた発光素子の周囲に透光性封止部材や色変換層等を精度良く充填させることができる。本発明の発光装置は、特に発光素子が配置されるヒートシンクの放熱性が優れているため、有機部材を用いても劣化させることなく大電流を投下することができる。
（リッド６）
本実施の形態の発光装置は、金属ベース１０の主面側を透光性窓部７を有する金属製リッド６にて気密封止してなる。これにより信頼性の高い発光装置が得られる。前記窓部７は発光装置の発光面であり、発光装置の中央部に配置されることが好ましい。
【００４６】
本実施の形態において、前記窓部は発光素子と対向している。また、前記発光素子を凹部内に配置する場合、例えば、ヒートシンクの上面に凹部を形成し該凹部内に発光素子を配置したり、金属ベースの貫通孔内の下方にヒートシンクを挿入し、前記貫通孔の上方の内壁と前記ヒートシンクの上面とにより凹部を設け該凹部内に発光素子を配置する場合、前記リッドは、前記窓部が前記凹部内壁の延長線と交点を有するように配置されることが好ましい。前記発光素子の端面から発光される光は、前記凹部内壁にて反射散乱され、正面方向に取り出される。これらの反射散乱光の存在範囲は、ほぼ前記凹部内壁の延長線内であると考えられる。そこで、発光面である窓部の面積を、前記延長線内領域よりも大きい面積とすることにより、前記反射散乱光は効率よく前記窓部に集光され、高輝度な光を発光することが可能な発光装置が得られる。
【００４７】
リッドの基材は、パッケージ本体及び窓部の透光性部材と熱膨張係数が近似していることが好ましい。また、リッドの材質の表面は基材の保護膜としてＮｉメッキ層を有することが好ましい。
【００４８】
上記リッドは、例えば、カーボン製の封着治具を用いて、リッド本体に形成された開口部内にタブレット状のガラスを配置し通炉させることによりガラスとリッド本体とを気密絶縁的に封着させることができる。
【００４９】
リッドの形状は、パッケージの溶接部と密接可能な滑らかな平面を有し且つパッケージを気密封止できれば特に限定されるものではない。中央部が凸形状のリッドを用いると、前記リッドの窓部の背面に色変換部材を良好にバインダーさせることができ、歩留まり良く発光装置を形成することができる。
【００５０】
更に、前記窓部表面を図８の如く曲線を帯びたレンズ形状とすると、光の収束が良好となり、正面方向の光度が高い発光装置が得られる。
（蛍光物質８）
前記リッドの窓部の部材に、蛍光物質８等の他物質を含有させてもよい。また、前記窓部の内部表面にバインダーを用いて前記他物質層を塗布してもよい。
【００５１】
ここで、本発明で用いられる蛍光物質について詳述する。
【００５２】
本発明の発光装置に用いられる蛍光物質は、窒化物系半導体を発光層とする半導体発光素子から発光された光を励起させて発光できるセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質をベースとしたものである。
【００５３】
具体的なイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質としては、ＹＡｌＯ３：Ｃｅ、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２Ｙ：Ｃｅ（ＹＡＧ：Ｃｅ）やＹ４Ａｌ２Ｏ９：Ｃｅ、更にはこれらの混合物などが挙げられる。イットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質にＢａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎの少なくとも一種が含有されていてもよい。また、Ｓｉを含有させることによって、結晶成長の反応を抑制し蛍光物質の粒子を揃えることができる。
【００５４】
本明細書において、Ｃｅで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質は特に広義に解釈するものとし、イットリウムの一部あるいは全体を、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ及びＳｍからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素に置換され、あるいは、アルミニウムの一部あるいは全体をＢａ、Ｔｌ、Ｇａ、Ｉｎの何れが又は両方で置換され蛍光作用を有する蛍光体を含む広い意味に使用する。
【００５５】
更に詳しくは、一般式（ＹｚＧｄ１−ｚ）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ（但し、０＜ｚ≦１）で示されるフォトルミネッセンス蛍光体や一般式（Ｒｅ１−ａＳｍａ）３Ｒｅ５Ｏ１２：Ｃｅ（但し、０≦ａ＜１、０≦ｂ≦１、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｓｃから選択される少なくとも一種、Ｒｅ'は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎから選択される少なくとも一種である。）で示されるフォトルミネッセンス蛍光体である。
【００５６】
この蛍光物質は、ガーネット構造のため、熱、光及び水分に強く、励起スペクトルのピークを４５０ｎｍ付近にさせることができる。また、発光ピークも、５８０ｎｍ付近にあり７００ｎｍまですそを引くブロードな発光スペクトルを持つ。
【００５７】
またフォトルミネセンス蛍光体は、結晶中にＧｄ（ガドリニウム）を含有することにより、４６０ｎｍ以上の長波長域の励起発光効率を高くすることができる。Ｇｄの含有量の増加により、発光ピーク波長が長波長に移動し全体の発光波長も長波長側にシフトする。すなわち、赤みの強い発光色が必要な場合、Ｇｄの置換量を多くすることで達成できる。一方、Ｇｄが増加すると共に、青色光によるフォトルミネセンスの発光輝度は低下する傾向にある。さらに、所望に応じてＣｅに加えＴｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｅｕらを含有させることもできる。
【００５８】
しかも、ガーネット構造を持ったイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体の組成のうち、Ａｌの一部をＧａで置換することで発光波長が短波長側にシフトする。また、組成のＹの一部をＧｄで置換することで、発光波長が長波長側にシフトする。
【００５９】
Ｙの一部をＧｄで置換する場合、Ｇｄへの置換を１割未満にし、且つＣｅの含有（置換）を０．０３から１．０にすることが好ましい。Ｇｄへの置換が２割未満では緑色成分が大きく赤色成分が少なくなるが、Ｃｅの含有量を増やすことで赤色成分を補え、輝度を低下させることなく所望の色調を得ることができる。このような組成にすると温度特性が良好となり発光ダイオードの信頼性を向上させることができる。また、赤色成分を多く有するように調整されたフォトルミネセンス蛍光体を使用すると、ピンク等の中間色を発光することが可能な発光装置を形成することができる。
【００６０】
このようなフォトルミネセンス蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ａｌ、及びＣｅの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化バリウムやフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０℃の温度範囲で２〜５時間焼成して焼成品を得、つぎに焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通すことで得ることができる。
【００６１】
本願発明の発光装置において、このようなフォトルミネセンス蛍光体は、２種類以上のセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体や他の蛍光体を混合させてもよい。
【００６２】
また、本発明で用いられる蛍光体の粒径は１０μｍ〜５０μｍの範囲が好ましく、より好ましくは１５μｍ〜３０μｍである。これにより、光の隠蔽を抑制し集積型窒化物半導体発光素子の輝度を向上させることができる。また上記の粒径範囲の蛍光体は、光の吸収率及び変換効率が高く且つ励起波長の幅が広い。このように、光学的に優れた特徴を有する大粒径蛍光体を含有させることにより、発光素子の主波長周辺の光をも良好に変換し発光することができ、集積型窒化物半導体発光素子の量産性が向上される。これに対し、１５μｍより小さい粒径を有する蛍光体は、比較的凝集体を形成しやすく、液状樹脂中において密になって沈降する傾向にあり、光の透過効率を減少させてしまう。
【００６３】
ここで本発明において、粒径とは、体積基準粒度分布曲線により得られる値である。前記体積基準粒度分布曲線は、レーザ回折・散乱法により粒度分布を測定し得られるもので、具体的には、気温２５℃、湿度７０％の環境下において、濃度が０．０５％であるヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液に各物質を分散させ、レーザ回折式粒度分布測定装置（ＳＡＬＤ−２０００Ａ）により、粒径範囲０．０３μｍ〜７００μｍにて測定し得られたものである。この体積基準粒度分布曲線において積算値が５０％のときの粒径値を中心粒径と定義すると、本発明で用いられる蛍光体の中心粒径は１５μｍ〜５０μｍの範囲であることが好ましい。また、この中心粒径値を有する蛍光物質が頻度高く含有されていることが好ましく、頻度値は２０％〜５０％が好ましい。このように粒径のバラツキが小さい蛍光物質を用いることにより色ムラが抑制され良好な色調を有する発光装置が得られる。
【００６４】
蛍光物質の配置場所は特に限定されず、リッドの窓部の背面に蛍光物質を直接真空蒸着やＣＶＤ法等によりバインダーしても良いし、バインダー部材を用いても良い。また、リッドの窓部の材料に直接含有させても良い。また、比較的熱による劣化の少ない樹脂に含有させ発光素子を覆うようにパッケージ凹部内に充填させてもよい。また、本発明のパッケージは金属からなり放熱性に優れているため、凹部内に配置された発光素子の周囲に樹脂等を用いて蛍光物質を充填させても構成部材はほとんど熱に劣化されることなく、樹脂及び蛍光物質の本来の作用を最大限に利用することができる。
【００６５】
リッドの窓部に直接蛍光物質を含有させるには、例えば、リッド本体に開口部を設け、前記開口部にガラスのパウダー状若しくはペレット状のものと粉末の蛍光物質との混合物を配置させ、プレス加工により一括成型させる。これにより蛍光物質含有の窓部が形成される。また、ガラスペーストに蛍光物質を混合したものを配置して焼成しても良い。
【００６６】
また、リッドの窓部の背面にバインダーにて蛍光物質を付着させる場合、前記バインダーの材質は特に限定されず、有機物及び無機物のいずれをも用いることができる。
【００６７】
バインダーとして有機物を使用する場合、具体的材料として、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーンなどの耐候性に優れた透明樹脂が好適に用いられる。特にシリコーンを用いると信頼性に優れ且つ蛍光物質の分散性を向上させることができ好ましい。
【００６８】
また、バインダーとして窓部の熱膨張率と近似である無機物を使用すると、蛍光物質を良好に前記窓部に密着させることができ好ましい。具体的方法として、沈降法やゾル−ゲル法等を用いることができる。例えば、蛍光物質、シラノール（Ｓｉ（ＯＥｔ）３ＯＨ）、及びエタノールを混合してスラリーを形成し、前記スラリーをノズルからリッドの窓部に吐出させた後、３００℃にて３時間加熱してシラノールをＳｉＯ２とし、蛍光物質をリッド窓部に固着させることができる。
【００６９】
また、無機物である結着剤をバインダーとして用いることもできる。結着剤とは、いわゆる低融点ガラスであり、微細な粒子であり且つ紫外から可視領域のふく射線に対して吸収が少なくバインダー中にて極めて安定であることが好ましく、沈殿法により得られた細かい粒子であるアルカリ土類のほう酸塩が適している。また、大きい粒径を有する蛍光物質を付着させる場合、融点が高くても粒子が超微粉体である結着剤、例えば、デグサ製のシリカ、アルミナ、あるいは沈殿法で得られる細かい粒度のアルカリ土類金属のピロりん酸塩、正りん酸塩などを使用することが好ましい。これらの結着剤は、単独、若しくは互いに混合して用いることができる。
【００７０】
ここで、前記結着剤の塗布方法について述べる。結着剤は、ビヒクル中に湿式粉砕しスラリー状にして用いると、結着効果を十分に高めることができ好ましい。前記ビヒクルとは、有機溶媒あるいは脱イオン水に少量の粘結剤を溶解して得られる高粘度溶液である。例えば、有機溶媒である酢酸ブチルに対して粘結剤であるニトロセルロースを１ｗｔ％含有させることにより、有機系ビヒクルが得られる。
【００７１】
このようにして得られた結着剤スラリーに蛍光体を含有させて塗布液を作製する。前記塗布液中の蛍光体量に対して、前記スラリー中の結着剤の総量は１〜３％ｗｔ程度が好ましく、これにより前記蛍光体を良好に固着させることができ且つ光束維持率を保つことができる。結着剤の添加量が多すぎると光束維持率が低下する傾向にあるため、結着剤の使用量は最小限の使用にとどめることが好ましい。
【００７２】
前記塗布液を前記窓部の背面に塗布する。その後、温風あるいは熱風を吹き込み乾燥させる。最後に４００℃〜７００℃の温度でベーキングを行い、前記ビヒクルを飛散させる。これにより前記窓部の表面に蛍光体層が前記結着剤にて付着される。
（拡散剤）
更に、本発明において、上記の色変換部材中に蛍光物質に加えて拡散剤を含有させても良い。具体的な拡散剤としては、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素等が好適に用いられる。これによって良好な指向特性を有する発光装置が得られる。
【００７３】
ここで本明細書において拡散剤とは、中心粒径が１ｎｍ以上５μｍ未満のものをいう。１μｍ以上５μｍ未満の拡散剤は、発光素子及び蛍光物質からの光を良好に乱反射させ、大きな粒径の蛍光物質を用いることにより生じやすい色ムラを抑制することができ好ましい。また、発光スペクトルの半値幅を狭めることができ、色純度の高い発光装置が得られる。一方、１ｎｍ以上１μｍ未満の拡散剤は、発光素子からの光波長に対する干渉効果が低い反面、光度を低下させることなく樹脂粘度を高めることができる。これにより、ポッティング等により色変換部材を配置させる場合、シリンジ内において樹脂中の蛍光物質をほぼ均一に分散させその状態を維持することが可能となり、比較的取り扱いが困難である粒径の大きい蛍光物質を用いた場合でも歩留まり良く生産することが可能となる。このように本発明における拡散剤は粒径範囲により作用が異なり、使用方法に合わせて選択若しくは組み合わせて用いることができる。
（フィラー）
更に、本発明において、色変換部材中に蛍光物質に加えてフィラーを含有させても良い。具体的な材料は拡散剤と同様であるが、拡散剤と中心粒径が異なり、本明細書においてフィラーとは中心粒径が５μｍ以上１００μｍ以下のものをいう。このような粒径のフィラーを透光性樹脂中に含有させると、光散乱作用により発光装置の色度バラツキが改善される他、透光性樹脂の耐熱衝撃性を高めることができる。これにより高温下での使用においても、発光素子と外部電極とを電気的に接続しているワイヤの断線や前記発光素子底面とパッケージの凹部底面と剥離等を防止することができる信頼性の高い発光装置が得られる。更には樹脂の流動性を長時間一定に調整することが可能となり所望とする場所内に封止部材を形成することができ歩留まり良く量産することが可能となる。
【００７４】
また、フィラーは蛍光物質と類似の粒径及び／又は形状を有することが好ましい。ここで本明細書においては、類似の粒径とは、各粒子におけるそれぞれの中心粒径の差が２０％未満の場合をいい、類似の形状とは、各粒径の真円との近似程度を表す円形度（円形度＝粒子の投影面積に等しい真円の周囲長さ／粒子の投影の周囲長さ）の値の差が２０％未満の場合をいう。このようなフィラーを用いることにより、蛍光物質とフィラーが互いに作用し合い、樹脂中にて蛍光物質を良好に分散させることができ色ムラが抑制される。更に、蛍光物質及びフィラーは、共に中心粒径が１５μｍ〜５０μｍ、より好ましくは２０μｍ〜５０μｍであると好ましく、このように粒径を調整することにより、各粒子間に好ましい間隔を設けて配置させることができる。これにより光の取り出し経路が確保され、フィラー混入による光度低下を抑制しつつ指向特性を改善させることができる。
＜実施の形態２＞
本実施の形態２の発光装置は、金属ベースに設けられた貫通孔の下方側にヒートシンクを有し、前記貫通孔の上方側内壁と前記ヒートシンクの上面とにより凹部が成されている。ヒートシンクの上面は金属ベースの上面より下方に位置しており、これにより、ヒートシンク上に発光素子が収納可能なスペースが形成されている。このように構成することにより、ヒートシンクを加工することなく凹部を形成することができ、作業工程が簡略化される。また、貫通孔を円形とすることにより容易に凹部内壁を曲面とすることができる。
【００７５】
本実施の形態２において、前記金属ベースに形成された貫通孔は、下方から３０％以上が前記ヒートシンクにより塞がれていることが好ましい。これにより前記ヒートシンクを前記金属ベースに良好に固定することができ、機械的強度が向上され、信頼性の高い発光装置が得られる。また、前記貫通孔の露出している上方側内壁は、テーパー形状であることが好ましく、これにより発光素子の光取り出し効率が向上される。
【００７６】
以上のように構成された実施の形態２の発光装置は、実施の形態１と同様、優れた放熱性を有し、大電流を投下することができる。
【００７７】
【実施例】
以下、本発明に係る実施例の発光装置について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されるものではない。
（実施例１）
図１に示すような表面実装型の発光装置を形成する。ＬＥＤチップは、発光層として単色性発光ピークが可視光である４７５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ半導体を有する窒化物半導体素子を用いる。より具体的にＬＥＤチップは、洗浄させたサファイア基板上にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法で窒化物半導体を成膜させることにより形成させることができる。ドーパントガスとしてＳｉＨ４とＣｐ２Ｍｇを切り替えることによってｎ型窒化物半導体やｐ型窒化物半導体となる層を形成させる。
【００７８】
ＬＥＤチップの素子構造としてはサファイア基板上に、アンドープの窒化物半導体であるｎ型ＧａＮ層、Ｓｉドープのｎ型電極が形成されｎ型コンタクト層となるＧａＮ層、アンドープの窒化物半導体であるｎ型ＧａＮ層、次に発光層を構成するバリア層となるＧａＮ層、井戸層を構成するＩｎＧａＮ層、バリア層となるＧａＮ層を１セットとしＧａＮ層に挟まれたＩｎＧａＮ層を５層積層させた多重量子井戸構造としてある。発光層上にはＭｇがドープされたｐ型クラッド層としてＡｌＧａＮ層、Ｍｇがドープされたｐ型コンタクト層であるＧａＮ層を順次積層させた構成としてある。（なお、サファイア基板上には低温でＧａＮ層を形成させバッファ層とさせてある。また、ｐ型半導体は、成膜後４００℃以上でアニールさせてある。）
エッチングによりサファイア基板上の窒化物半導体に同一面側で、ｐｎ各コンタクト層表面を露出させる。各コンタクト層上に、スパッタリング法を用いて正負各台座電極をそれぞれ形成させた。なお、ｐ型窒化物半導体上の全面には金属薄膜を透光性電極として形成させた後に、透光性電極の一部に台座電極を形成させてある。出来上がった半導体ウエハーにスクライブラインを引いた後、外力により分割させ半導体発光素子であるＬＥＤチップを形成させる。
【００７９】
一方、０．２ｍｍ厚のコバール基材（熱伝導率：１７ｗ／ｍ・ｋ）にＮｉを介してＡｇメッキを施した金属ベースの中央部に１つの大きな貫通孔を設け、前記大きな貫通孔を挟んで２つの小さな貫通孔を設ける。前記中央部の大きな貫通孔には、Ａｇろうを介して純銅製の円柱型ヒートシンク（熱伝導率：３８０ｗ／ｍ・ｋ）５を気密的に挿入する。前記ヒートシンク５は、直径２ｍｍで高さが０．４ｍｍの円柱である。一方、前記２つの小さな貫通孔には、絶縁部材３である硬質ガラスを介して前記金属ベースと同一の材料にてなり上面の直径が０．４ｍｍであり底面側がフランジ形状である正及び負のリード電極２をそれぞれ気密的に挿入する。前記ヒートシンク５及び前記リード電極２の底面側端部は、前記金属ベース１０の背面から突出している。また、これらの底面はほぼ同一面上に位置しており、実装面となる。
【００８０】
このようにして構成された金属ベース１０の前記ヒートシンク５の上面に、Ａｕ−Ｓｎ合金にてＬＥＤチップ１をダイボンドする。このように構成することにより、発光装置の構成部材を全て無機物とすることができ、飛躍的に信頼性の高い発光装置が得られる。ここで、ダイボンドに用いられる接合部材は、上記のような合金の他、導電性材料が含有された樹脂又はガラス等を用いることができる。含有される導電性材料はＡｕが好ましく、含有量が８０％〜９０％であるＡｕペーストを用いると放熱性に優れて且つ接合後の応力が小さい発光装置が得られる。
【００８１】
次に、ダイボンドされたＬＥＤチップ１の各電極と、パッケージ凹部底面から露出された各リード電極２とをそれぞれＡｕワイヤ４にて電気的導通を取る。ここで、本実施例では構成部材に樹脂を用いないため、Ａｌワイヤを用いることも可能である。
【００８２】
次に、パッケージ内の水分を十分に排除した後、中央部にガラス窓部を有するコバール製リッドにて封止し低抵抗シーム溶接を行う。
【００８３】
このようにして得られた発光措置に対して信頼性試験を行うと、Ｉｆ＝５００ｍＡ下において１０００００時間経過した後に発光出力を測定すると、相対出力とほとんど差が見られず、多くの電流を印可しても長時間高い出力を維持できる発光装置が得られる。
（実施例２）
ヒートシンクの実装面側端部をフランジ形状とする以外は実施例１と同様にして発光装置を形成すると、実施例１より放熱性が向上し、機械的強度が増す。
（実施例３）
ヒートシンクの上面側に凹型を設け、該凹型内部に発光素子を収納する以外は実施例１と同様にして発光装置を形成すると、実施例１より発光出力が１５％向上される。
（実施例４）
前記凹型の内壁をテーパー面とする以外は実施例３と同様にして発光装置を形成すると、実施例３より発光出力が２０％向上される。
（実施例５）
金属ベースの基材として、０．８ｍｍ厚の鉄（熱伝導率：６８ｗ／ｍ・ｋ）を用い、底面側がフランジ形状のヒートシンクの上面が貫通孔内に埋没するように位置決めされている以外は、実施例２と同様にして発光装置を形成すると、実施例２より量産性が２０％向上される。
（実施例６）
ヒートシンク上の、貫通孔内の露出している内壁をテーパー形状とする以外は、実施例５と同様にして形成すると、実施例５より発光出力が１５％向上される。
（実施例７）
透光性窓部を凸レンズ形状とする以外は実施例１と同様にして発光装置を形成すると、正面光度が２倍となる。
（実施例８）
図９の如く、リッドの窓部に蛍光物質を含有させる以外は実施例１と同様にして発光装置を形成する。
【００８４】
ここで蛍光物質は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈させる。これを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムと混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化バリウムを混合して坩堝に詰め、空気中１４００℃の温度で３時間焼成して焼成品を得られる。焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通して中心粒径が２２μｍである（Ｙ０．９９５Ｇｄ０．００５）２．７５０Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ０．２５０蛍光物質を形成する。
【００８５】
このようにして得られた蛍光物質とパウダー状のシリカとを１：２で混合させ、リッドに設けられた開口部に配置しプレス加工により一括成型させる。
【００８６】
このようにして得られた色変換型発光装置は、実施例１と同様な効果が得られ、信頼性が高く且つ高出力で白色光を発光することができる。
（実施例９）
ニトロセルロース９０ｗｔ％とγ−アルミナ１０ｗｔ％からなるスラリーに対して上記蛍光物質を５０ｗｔ％含有させ、リッドの透光性窓部の背面に塗布し、２２０℃にて３０分間加熱硬化させることにより色変換部材を構成する以外は実施例１と同様にして発光装置を形成すると、実施例５と同様の効果が得られる。
（実施例１０）
前記色変換部材を、蛍光物質が５０ｗｔ％含有されたシリコーンにて構成する以外は実施例９と同様にして発光装置を形成すると、実施例８と同様な効果が得られる。
（実施例１１）
前記色変換部材を、蛍光物質が５０ｗｔ％含有されたシリカ−ゲルを塗布して色変換部材を形成する以外は実施例８と同様にして発光装置を形成したところ、実施例８と同様の効果が得られる。
（実施例１２）
ヒートシンクの凹部内に、蛍光物質含有のシリコーンからなる色変換部材を充填させる以外は実施例４と同様にして発光装置を形成すると、実施例１０より正面光度の高い発光装置が得られる。
【００８７】
【発明の効果】
本発明の発光装置は、金属ベースにおいて、発光素子の配置部にヒートシンクを用い且つ前記リートシンクの底面を実装基板に接するように構成することにより、放熱性が飛躍的に向上され、大電流の投下にも劣化されることなく信頼性を維持することができる。これにより、信頼性が高く且つ照明と同等の明るさを長時間発光することが可能な発光装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の発光装置を示す模式的平面図及び模式的断面図である。
【図２】 図２は本発明の他の発光装置を示す模式的平面図及び模式的断面図である。
【図３】 図３は本発明の他の発光装置を示す模式的断面図である。
【図４】 図４は本発明の他の発光装置を示す模式的断面図である。
【図５】 図５は本発明の他の発光装置を示す模式的断面図である。
【図６】 図６は本発明の他の発光装置を示す模式的断面図である。
【図７】 図７は本発明の他の発光装置を示す模式的断面図である。
【図８】 図８は本発明の他の発光装置を示す模式的断面図である。
【図９】 図９は本発明の他の発光装置を示す模式的断面図である。
【図１０】 図１０は本発明の他の発光装置を示す模式的断面図である。
【図１１】 図１１は本発明の他の発光装置を示す模式的断面図である。
【図１２】 図１２は本発明の他の発光装置を示す模式的断面図である。
【図１３】 図１３は本発明と比較のために示す発光装置の模式的断面図である。
【図１４】 図１４は本発明と比較のために示す発光装置の模式的断面図である。
【符号の説明】
１・・・発光素子
２・・・リード電極
３・・・絶縁性部材
４・・・ワイヤ
５・・・ヒートシンク
６・・・リッド
７・・・窓部
８・・・蛍光物質
９・・・モールド樹脂
１０・・・金属ベース
１１・・・窓付き缶
１２・・・鍔部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a light emitting device used for various light sources such as a backlight light source, a display, and an illumination, and an optical sensor, and particularly relates to a light emitting device excellent in reliability.
[0002]
[Prior art]
  Today, high-luminance and high-power semiconductor light-emitting elements and small and highly sensitive light-emitting devices have been developed and used in various fields. Such a light emitting device is utilized for, for example, a light source of an optical printer head, a light source of a liquid crystal backlight, a light source of various meters, various reading sensors and the like by taking advantage of features such as small size, low power consumption and light weight.
[0003]
  An example of such a light emitting device is a light emitting device as shown in FIG. Using a plastic package 5 having a recess and integrally formed with the lead electrode 2 inserted, the LED chip 1 is die-bonded as a light emitting element on the lead electrode 2 exposed from the bottom surface of the recess, and each LED chip The electrode and the lead electrode 2 provided in the package are electrically connected by a gold wire 4 or the like. In this way, the LED chip disposed in the recess is sealed with a translucent mold resin 9 or the like. As a result, LED chips, wires, and the like disposed inside the package are protected from the external environment such as moisture and external force, and a highly reliable light-emitting device can be obtained.
[0004]
  However, the use of such light-emitting devices has begun to be used under more severe environmental conditions due to the widespread use of light-emitting devices. In a light-emitting device used for aircraft or in-vehicle use, for example, the temperature may change to −20 ° C. or lower and 80 ° C. or higher depending on the outside air temperature. There is also vibration at the same time as external pressure, thermal shock, and the like. In such a case, the LED chip is peeled off from the die bond resin due to expansion or contraction of the mold resin or the like, and the intensity or directivity of the emitted light changes. In severe cases, wire breakage may occur and no light may be emitted.
[0005]
  The light emitting element generates heat due to power consumption. The light emitting device having the above configuration can release heat generated from the light emitting element to the substrate side through the lead electrode.
[0006]
  However, the heat dissipation effect is not fully satisfactory, and when a large current is applied to the light emitting device as described above in order to improve the output of the light emitting element, the temperature of the light emitting element rises because the heat dissipation effect by the package is not sufficient. As a result, the operating speed of the element and the deterioration of the resin existing in the surrounding area are caused.
[0007]
  On the other hand, a can-type package is conventionally used as a highly reliable package. For example, as shown in FIG. 13, a metal base 10 made of iron with a convex Ni / Au plating, and a through-hole formed in the thickness direction of the metal base 10 with an insulator 3 such as glass interposed therebetween. A stem for a semiconductor device having a lead electrode 2 made of copper sealed in an airtight and insulating manner is used. The light-emitting element 1 is electrically connected to the upper surface of such a stem, and the window can 11 made of iron plated with Au is hermetically sealed with a seal.
[0008]
  The light emitting device configured in this way has a very high reliability compared to the case where resin is used as a constituent material because the package is made of metal and the inside is hollow, and prevents wire breakage and moisture resistance. Excellent heat resistance and heat dissipation. For this reason, it is possible to increase the amount of current flowing through the light emitting device and improve the output.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
  It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a light emitting device that can emit light with high reliability and high brightness with respect to the above-described light emitting device.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  A method for manufacturing a light emitting device according to the present invention includes a metal base and a light emitting element disposed in a hollow portion provided by the metal base and a lid, and the lid is connected to the metal base. A method of manufacturing a light emitting device having a metal part and a translucent window disposed in the opening of the metal part, the first step of fixing the lead electrode to the metal base via an insulating member; A second step of forming a translucent window by sealing glass and the metal part; a third step of arranging a light emitting element on a heat sink fixed to the metal base; the lid and the above And a fourth step of connecting the metal part of the lid and the metal base so that the light emitting element is disposed in a hollow part formed by the metal base.
[0011]
  Furthermore, said 2nd process seals the said glass and the said lid main body by forming the glass containing the said fluorescent substance into a tablet shape, arrange | positioning the glass in the opening part of the said lid, and letting it pass in a furnace. A step of causing Alternatively, the second step includes a step of molding a mixture of a powdery or pellet-like glass disposed in the opening of the lid and a powdered fluorescent material by pressing.
[0012]
  The heat sink preferably has a higher thermal conductivity than the metal base and the lead electrode. Thereby, the light-emitting device provided with heat dissipation and reliability is obtained.
[0013]
  Moreover, it is preferable that the said heat sink has a recessed part in the upper surface side, and it is preferable that the said recessed part has a volume which can accommodate a light emitting element. By disposing the light emitting element on the bottom surface of the recess, the light emitted from the end face of the light emitting element can be extracted in the upper surface direction without reducing the luminance.
[0014]
  Further, by having a heat sink on the lower side of the through hole of the metal base, a concave portion may be formed by the upper inner wall of the through hole and the upper surface of the heat sink. Accordingly, a light emitting device having high reliability and good optical characteristics can be obtained with high productivity. In addition to providing the heat sink made of metal on the bottom surface of the light emitting element as described above, the heat dissipation is further improved by providing the side wall made of metal around the side surface of the light emitting element.
[0015]
  In the above-described recess, it is preferable that the inner wall of the recess has a tapered shape because the light extraction efficiency is improved. Furthermore, when the light-transmitting sealing member that covers the light-emitting element is provided in the recess, it is possible to prevent deterioration of the light-emitting element due to the external environment, breakage of the wire that is the electrical connection member, and the like. Reliability is improved and preferable. Further, a light-emitting device that collects light, can emit light with high luminance, and has high reliability can be obtained.
[0016]
  Moreover, the fluorescent material is not deteriorated by containing the fluorescent material capable of absorbing a part of the light from the light emitting element and emitting light of different wavelengths in the translucent member. Good color tone can be obtained.
[0017]
  When at least one end face of the heat sink has a flange shape, the heat sink and the metal base can be easily positioned. In addition, the heat sink and the metal base can be tightly adhered to each other, and air and moisture can be well prevented from entering the light emitting device.
[0018]
  Further, the main surface side of the metal base is sealed with a lid made of a translucent window portion and a metal portion. Thereby, the inside of the light emitting device can be protected in a hollow state, and a light emitting device excellent in moisture resistance, heat resistance, and heat dissipation can be obtained. The lid is preferably disposed so that the translucent window portion faces the light emitting element, and the translucent window portion intersects with an extension line of the inner wall of the recess. That is, the translucent window portion preferably has a larger area than the region surrounded by the extension line of the inner wall of the recess, thereby preventing light reflected and scattered by the inner wall of the recess. It can take out outside from the said translucent window part.
[0019]
  The heat conductivity of the heat sink is preferably 200 w / m · k or more and 500 w / m · k or less, and the heat conductivity of the metal base is 10 w / m · k or more and 100 w / m · k or less, more preferably 50 w / m · k to 100 w / m · k and a coefficient of thermal expansion of 0.02 × 10-4/ Deg or more 0.05 × 10-4/ Deg or less or 0.10 × 10-4/ Deg or more 0.15 × 10-4If it is / deg or less, a more reliable light-emitting device can be obtained.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Embodiment 1>
  FIG. 1 shows a light-emitting device according to Embodiment 1 of the present invention.
[0021]
  The metal base 10 has three through holes in the thickness direction. A heat sink 13 is fixedly inserted into a large through hole in the center portion with a metal brazing agent, and two small through holes are formed around the heat sink 5 at equal intervals. Positive and negative lead electrodes 2 are inserted into the two small through holes through hard glass 3 which is an insulating member. Note that the bottom end portions of the lead electrode 2 and the heat sink 5 protrude from the back side of the metal base 10, and the bottom surface of the lead electrode 2 is positioned substantially on the same plane as the bottom surface of the heat sink 5. Yes.
[0022]
  On the main surface side of the metal base thus configured, the LED chip 1 as a light emitting element is disposed on the upper surface of the heat sink, and each electrode of the LED chip 1 is electrically connected to each lead electrode 2 by a wire 4. Has been. The main surface side of the metal base mounted in this manner is hermetically sealed with a lid 6 having a translucent window portion 7. Here, the translucent window portion 7 contains a fluorescent material 8 capable of absorbing at least a part of light from the LED chip and emitting light of different wavelengths. As described above, a light-emitting device including only an inorganic substance without using any organic substance as a constituent material and a binder of a fluorescent substance is not easily deteriorated by heat or light, and thus can have remarkably high reliability. Hereafter, each structure in Embodiment 1 of this invention is explained in full detail.
[0023]
  (Light-Emitting Element 1) In the present invention, the light-emitting element 1 is not particularly limited, but when a fluorescent material is used, a semiconductor light-emitting element having a light-emitting layer capable of emitting an emission wavelength capable of exciting the fluorescent material is preferable. Examples of such semiconductor light emitting devices include various semiconductors such as ZnSe and GaN, but nitride semiconductors (InXAlYGa1-XYN, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, and X + Y ≦ 1) are preferable. Examples of the semiconductor structure include a homostructure having a MIS junction, a PIN junction, and a pn junction, a heterostructure, and a double heterostructure. Various emission wavelengths can be selected depending on the material of the semiconductor layer and the degree of mixed crystal. In addition, a single quantum well structure or a multiple quantum well structure in which the semiconductor active layer is formed in a thin film in which a quantum effect is generated can be used.
[0024]
  When a nitride semiconductor is used, a material such as sapphire, spinel, SiC, Si, ZnO or the like is preferably used for the semiconductor substrate. In order to form a nitride semiconductor with good crystallinity with high productivity, it is preferable to use a sapphire substrate. A nitride semiconductor can be formed on the sapphire substrate by MOCVD or the like. A buffer layer of GaN, AlN, GaAIN or the like is formed on the sapphire substrate, and a nitride semiconductor having a pn junction is formed thereon.
[0025]
  As an example of a light emitting device having a pn junction using a nitride semiconductor, a first contact layer formed of n-type gallium nitride, a first cladding layer formed of n-type aluminum nitride / gallium, and a nitride layer on a buffer layer Examples include a double hetero structure in which an active layer formed of indium gallium, a second cladding layer formed of p-type aluminum nitride / gallium, and a second contact layer formed of p-type gallium nitride are sequentially stacked.
[0026]
  Nitride semiconductors exhibit n-type conductivity without being doped with impurities. When forming a desired n-type nitride semiconductor, for example, to improve luminous efficiency, it is preferable to appropriately introduce Si, Ge, Se, Te, C, etc. as an n-type dopant. On the other hand, when forming a p-type nitride semiconductor, the p-type dopants such as Zn, Mg, Be, Ca, Sr, and Ba are doped. Since nitride semiconductors are not easily converted to p-type by simply doping with a p-type dopant, it is preferable to reduce resistance by heating in a furnace or plasma irradiation after introducing the p-type dopant. After the electrodes are formed, a light emitting element made of a nitride semiconductor can be formed by cutting the semiconductor wafer into chips.
[0027]
  In the light emitting diode of the present invention, in order to emit white light, the emission wavelength of the light emitting element is preferably 400 nm or more and 530 nm or less in consideration of the complementary color relationship with the emission wavelength from the fluorescent material, deterioration of the translucent resin, and the like. 420 nm or more and 490 nm or less is more preferable. In order to further improve the excitation and emission efficiency of the light emitting element and the fluorescent material, 450 nm or more and 475 nm or less are more preferable.
[0028]
  In the present invention, since the package body is made of only metal, it is possible to suppress deterioration of the constituent members due to ultraviolet rays. Therefore, the light-emitting device of the present invention uses a light-emitting element whose main emission wavelength is an ultraviolet region shorter than 400 nm, a fluorescent substance capable of absorbing part of light from the light-emitting element and emitting other wavelengths. By combining them, a color conversion type light emitting device with little color unevenness can be obtained. Here, when the fluorescent substance is bound to a light emitting device, it is preferable to use a resin that is relatively resistant to ultraviolet rays, glass that is an inorganic substance, or the like.
[0029]
  (Metal Base 10) The metal base 10 used in the light emitting device of the present embodiment has a thermal conductivity of 10 w / m · k to 100 w / m · k, more preferably 50 w / m · k to 100 w / m. -It is preferable that it consists of a base material which is the range of k or less. Such a metal base is necessary for heat dissipation that can maintain reliability even when a large current is applied to the light emitting element for a long time, and when the metal base and the lid are hermetically sealed by resistance welding. In addition, it has a heat maintenance property capable of generating a Joule heat, and thus a light emitting device with remarkably high reliability can be obtained.
[0030]
  The coefficient of thermal expansion of the metal base portion is 0.02 × 10-4/ Deg or more 0.05 × 10-4/ Deg or less is preferable, and in this case, the metal base and the lead electrode can be thermally adhered to each other without being damaged.
[0031]
  On the other hand, the other preferable coefficient of thermal expansion of the metal base portion is 0.10 × 10-4/ Deg or more 0.15 × 10-4/ Deg or less. In this case, the difference in coefficient of thermal expansion between the metal base and the insulating member is 0.04 × 10-4/ Deg or more 0.09 × 10-4/ Deg or less is preferable, so that the lead electrode can be inserted into the metal base through hole with high airtightness without providing an oxide film of the base material on the inner wall of the through hole, thereby simplifying the work process. Therefore, a light emitting measure with good productivity can be obtained. Thermal expansion coefficient difference is 0.09 × 10-4When it is larger than / deg, a member having a large difference in thermal expansion coefficient tightens a member having a small coefficient of thermal expansion, and the member having a small coefficient of thermal expansion is damaged. Moreover, it is preferable that the metal-based base material has a high strength, whereby a thin metal base portion can be formed.
[0032]
  Examples of such a metal-based base material include kovar, iron, stainless steel, and aluminum alloy. Kovar is an Fe—Ni—Co alloy and has a thermal expansion coefficient close to that of low-melting glass used for an insulating member, and thus can be hermetically sealed. It is preferable to perform Ag plating on the outermost surface of these base materials. This configuration is preferable because the light reflection / scattering rate of the package surface is improved and the Ag layer becomes a brazing filler metal, and the adhesion between the light emitting element, wire, and lid and the metal base body is improved. Furthermore, these effects are increased when the Ag layer is plated matte. The metal base used in the present invention is configured as described above, whereby a light-emitting device having high reliability can be obtained at low cost.
[0033]
  The diameter of the through hole provided in the metal base is preferably 0.3 mm to 3 mm. When it is larger than 3 mm, the strength of the entire package is lowered. A heat sink 5 is inserted into a large through hole in the center, and two small through holes are formed around the heat sink 5 at equal intervals. Positive and negative lead electrodes 2 are inserted into the small through-holes through hard glass 3 which is an insulating member.
[0034]
  The bottom ends of the lead electrode 2 and the heat sink 5 protrude from the back side of the metal base 10, and the bottom surface of the lead electrode 2 and the bottom surface 5 of the heat sink are located on substantially the same plane. These bottom surfaces serve as mounting surfaces of the light emitting device, and can be mounted with good balance. Arrangement improves the mounting accuracy and provides good optical characteristics.
[0035]
  Here, in the light emitting device according to the present invention, it is sufficient that at least one of the positive and negative lead electrodes is inserted into the metal base via an insulator, and the main surface of the metal base is formed as shown in FIG. The other lead electrode may be used. Such a structure is preferable because it does not have an insulator between the light emitting element and one package end surface, and thus heat dissipation is improved. In this case, in order not to impair mounting accuracy, it is preferable to provide a support portion at a location facing the lead electrode in the metal base. The said support part can be formed by pressing from the main surface side of a metal base, for example. Moreover, you may fix a metal stick | rod with a conductive adhesive as a support part on the back side of a metal base. The number of the support portions is not particularly limited. On the back side of the metal base, if the lead electrodes and the support portions protrude at equal intervals and their bottom surfaces are substantially flush with each other, light is emitted. The mounting stability of the apparatus is preferably improved.
[0036]
  Further, the lead electrode and the support portion are preferably made of a material having a thermal expansion coefficient close to that of the metal base portion, preferably the same material as the metal base, thereby improving reliability. The
(Lead electrode 2) The light emitting device of the present invention has positive and negative lead electrodes, at least one of which is inserted into a through hole provided in the metal base via an insulating member. The leading end portion of the lead electrode protrudes from the surface of the base portion, and the bottom surface of the lead electrode is positioned substantially on the same plane as the bottom surface on the mounting surface side of the heat sink.
[0037]
  The upper surface that is the wire connection surface of the lead electrode 2 is 0.02 mm.2~ 0.2mm2Preferably having an area in the range of 0.05 mm.2~ 0.15mm2It is. With such a configuration, a light-emitting device with a good wire bonding accuracy and a small size can be obtained.
[0038]
  Moreover, it is preferable that the bottom surface which is the mounting surface side of the lead electrode has a larger area than the upper surface. As a result, the lead electrode can sufficiently fulfill the role of a support portion of the light emitting device, improve the mounting accuracy, and improve the heat dissipation because the contact area with the mounting substrate is widened. The lead electrode having such a shape can be obtained by, for example, pressing the bottom side of the lead electrode formed in a columnar shape. Preferred shapes on the bottom surface side of the lead electrode include an inverted T shape, a divergent shape, an inverted taper type, and the like.
[0039]
  The metal base 10 used in the light emitting device of the present embodiment has three through holes in the thickness direction.
[0040]
  Moreover, it is preferable that the outer edge part of the said metal base has a collar part along the base part bottom face. With this configuration, the end surface exposed by providing the flange portion and the inner wall of the lid disposed on the light emitting surface side, and the upper surface of the flange portion and the upper surface of the lid are combined, and positioning thereof is easy. It is possible to improve the mass productivity, which is preferable.
[0041]
  (Heat Sink 5) In the light emitting device of the present invention, the heat sink 5 is inserted into a through hole formed in the thickness direction of the metal base 10. The bottom end portion of the heat sink 5 protrudes from the back side of the metal base 10 and is configured to be in contact with the mounting substrate. The upper surface of the heat sink 5 has an area where the entire light emitting element can be arranged. The light emitting device of the present invention can dissipate heat directly from the bottom surface side to the mounting substrate by disposing a light emitting element on the top surface and mounting the bottom surface on the mounting substrate, whereby a light emitting device with low thermal resistance is obtained.
[0042]
  Such a heat sink is inserted and fixed in a through hole provided in a metal base, for example, via a brazing material. Accordingly, the heat sink can be fixed to the metal base with high airtightness. Preferred brazing materials include silver brazing, Pb—Sn solder, or Au—Sn alloy. When these alloys are used, hermetic sealing excellent in hermeticity, mechanical strength, and chemical resistance is possible.
[0043]
  The heat sink 5 is made of pure copper or the like having a higher thermal conductivity than the material of the metal base 10 as a metal material. Specifically, the heat conductivity of the heat sink is preferably 200 w / m · k or more and 500 w / m · k or less, more preferably 300 w / m · k or more and 500 w / m · k or less. The difference in thermal expansion coefficient between adjacent metal bases is 0.04 × 10-4/ Deg or more 0.09 × 10-4/ Deg or less is preferable. In this way, by providing a heat sink made of a material with good thermal conductivity and a small difference in thermal expansion coefficient from the adjacent metal base, it is possible to emit light with high output without deterioration even when a large current is applied. A light-emitting device can be obtained.
[0044]
  It is preferable that the bottom surface side of the heat sink has a flange shape. This increases the contact surface with the mounting board and improves heat dissipation and mounting accuracy, and also facilitates positioning with the metal base, improving mass productivity and further improving airtightness with the metal base. A highly reliable light-emitting device can be obtained.
[0045]
  Moreover, you may provide a recessed part in the upper surface side of a heat sink, and it is preferable that the said recessed part has a volume which can accommodate a light emitting element. By disposing the light emitting element on the inner bottom surface of the recess, light emitted from the end face of the light emitting element can be efficiently extracted. The inner wall is preferably a curved surface and good directivity can be obtained. Furthermore, it is preferable that the inner wall has a tapered shape and the front luminous intensity is improved. Further, by providing the recesses in this way, a light-transmitting sealing member, a color conversion layer, and the like can be filled with high precision around the light emitting element die-bonded to the recesses. The light-emitting device of the present invention is particularly excellent in heat dissipation of a heat sink in which a light-emitting element is disposed. Therefore, even if an organic member is used, a large current can be dropped without deterioration.
(Lid 6)
  The light emitting device of the present embodiment is formed by hermetically sealing the main surface side of the metal base 10 with a metal lid 6 having a translucent window portion 7. Thereby, a highly reliable light-emitting device can be obtained. The window 7 is a light emitting surface of the light emitting device, and is preferably disposed at the center of the light emitting device.
[0046]
  In the present embodiment, the window portion faces the light emitting element. Further, when the light emitting element is disposed in the recess, for example, a recess is formed on the upper surface of the heat sink and the light emitting element is disposed in the recess, or a heat sink is inserted below the through hole of the metal base, and the penetration When a concave portion is provided by the inner wall above the hole and the upper surface of the heat sink, and the light emitting element is arranged in the concave portion, the lid is arranged so that the window portion has an intersection with the extension line of the inner wall of the concave portion. Is preferred. The light emitted from the end face of the light emitting element is reflected and scattered by the inner wall of the recess and extracted in the front direction. It is considered that the range in which these reflected scattered light exists is substantially within the extension line of the inner wall of the recess. Therefore, by setting the area of the window portion, which is the light emitting surface, to be larger than the area within the extension line, the reflected scattered light can be efficiently condensed on the window portion and emit light with high brightness. A possible light emitting device is obtained.
[0047]
  The lid base material is preferably similar in thermal expansion coefficient to the light transmitting member of the package body and window portion. Moreover, it is preferable that the surface of the material of a lid has a Ni plating layer as a protective film of a base material.
[0048]
  The lid, for example, uses a carbon sealing jig to seal the glass and the lid body in an airtight manner by placing a tablet-like glass in the opening formed in the lid body and passing it through a furnace. Can be made.
[0049]
  The shape of the lid is not particularly limited as long as it has a smooth flat surface that can be in close contact with the welded portion of the package and can hermetically seal the package. When a lid having a convex center portion is used, the color conversion member can be satisfactorily bonded to the back surface of the window portion of the lid, and a light emitting device can be formed with high yield.
[0050]
  Further, when the surface of the window portion has a curved lens shape as shown in FIG. 8, the light convergence is good and a light emitting device having a high luminous intensity in the front direction can be obtained.
(Fluorescent substance 8)
  The lid window member may contain other substances such as the fluorescent substance 8. In addition, the other material layer may be applied to the inner surface of the window using a binder.
[0051]
  Here, the fluorescent substance used in the present invention will be described in detail.
[0052]
  The phosphor used in the light emitting device of the present invention is a cerium-activated yttrium / aluminum oxide phosphor capable of emitting light by exciting light emitted from a semiconductor light emitting element having a nitride semiconductor as a light emitting layer. It is based.
[0053]
  As a specific yttrium / aluminum oxide fluorescent material, YAlO3: Ce, Y3Al5O12Y: Ce (YAG: Ce) or Y4Al2O9: Ce, and also a mixture thereof. The yttrium / aluminum oxide phosphor may contain at least one of Ba, Sr, Mg, Ca, and Zn. Moreover, by containing Si, the reaction of crystal growth can be suppressed and the particles of the fluorescent material can be aligned.
[0054]
  In this specification, the yttrium / aluminum oxide phosphor activated by Ce is to be interpreted in a broad sense, and a part or all of yttrium is selected from the group consisting of Lu, Sc, La, Gd and Sm. Or a part or all of aluminum is used in a broad sense including a phosphor having a fluorescent action in which any one or both of Ba, Tl, Ga, and In are substituted.
[0055]
  More specifically, the general formula (YzGd1-z)3Al5O12: Photoluminescence phosphor represented by Ce (where 0 <z ≦ 1) or a general formula (Re1-aSma)3Re5O12: Ce (where 0 ≦ a <1, 0 ≦ b ≦ 1, Re is at least one selected from Y, Gd, La, Sc, and Re ′ is at least one selected from Al, Ga, In) The photoluminescence phosphor shown in FIG.
[0056]
  Since this fluorescent material has a garnet structure, it is resistant to heat, light and moisture, and the peak of the excitation spectrum can be made around 450 nm. In addition, the emission peak is in the vicinity of 580 nm and has a broad emission spectrum that extends to 700 nm.
[0057]
  Further, the photoluminescence phosphor can increase the excitation light emission efficiency in a long wavelength region of 460 nm or more by containing Gd (gadolinium) in the crystal. As the Gd content increases, the emission peak wavelength shifts to a longer wavelength, and the entire emission wavelength also shifts to the longer wavelength side. That is, when a strong reddish emission color is required, it can be achieved by increasing the amount of Gd substitution. On the other hand, as Gd increases, the emission luminance of photoluminescence by blue light tends to decrease. Furthermore, in addition to Ce, Tb, Cu, Ag, Au, Fe, Cr, Nd, Dy, Co, Ni, Ti, Eu, and the like can be contained as desired.
[0058]
  Moreover, in the composition of the yttrium / aluminum / garnet phosphor having a garnet structure, the emission wavelength is shifted to the short wavelength side by replacing a part of Al with Ga. Further, by substituting part of Y in the composition with Gd, the emission wavelength is shifted to the longer wavelength side.
[0059]
  When substituting a part of Y with Gd, it is preferable that the substitution with Gd is less than 10%, and the Ce content (substitution) is 0.03 to 1.0. If the substitution with Gd is less than 20%, the green component is large and the red component is small. However, by increasing the Ce content, the red component can be supplemented and a desired color tone can be obtained without lowering the luminance. With such a composition, the temperature characteristics are good and the reliability of the light emitting diode can be improved. In addition, when a photoluminescent phosphor adjusted to have a large amount of red component is used, a light emitting device capable of emitting an intermediate color such as pink can be formed.
[0060]
  Such photoluminescent phosphors use oxides or compounds that easily become oxides at high temperatures as raw materials for Y, Gd, Al, and Ce, and mix them well in a stoichiometric ratio. Get raw materials. Alternatively, a mixed raw material obtained by mixing a coprecipitation oxide obtained by firing a solution obtained by coprecipitation of a solution obtained by dissolving a rare earth element of Y, Gd, and Ce in an acid in a stoichiometric ratio with oxalic acid and aluminum oxide. Get. An appropriate amount of fluoride such as barium fluoride or ammonium fluoride is mixed as a flux and packed in a crucible, and baked in air at a temperature range of 1350 to 1450 ° C. for 2 to 5 hours to obtain a baked product. Can be obtained by ball milling in water, washing, separating, drying and finally passing through a sieve.
[0061]
  In the light emitting device of the present invention, such a photoluminescent phosphor may be a mixture of yttrium / aluminum / garnet phosphor activated by two or more kinds of cerium and other phosphors.
[0062]
  The particle size of the phosphor used in the present invention is preferably in the range of 10 μm to 50 μm, more preferably 15 μm to 30 μm. Thereby, concealment of light can be suppressed and the luminance of the integrated nitride semiconductor light emitting device can be improved. In addition, the phosphor having the above particle diameter range has high light absorptance and conversion efficiency and a wide excitation wavelength range. Thus, by including a large particle size phosphor having optically excellent characteristics, light around the main wavelength of the light emitting element can be converted and emitted well, and an integrated nitride semiconductor light emitting element The mass productivity is improved. On the other hand, the phosphor having a particle size smaller than 15 μm is relatively easy to form an aggregate, tends to be densely settled in the liquid resin, and reduces the light transmission efficiency.
[0063]
  Here, in the present invention, the particle size is a value obtained from a volume-based particle size distribution curve. The volume-based particle size distribution curve is obtained by measuring the particle size distribution by a laser diffraction / scattering method. Specifically, in an environment of an air temperature of 25 ° C. and a humidity of 70%, hexametalin having a concentration of 0.05%. Each substance was dispersed in an aqueous sodium acid solution and measured with a laser diffraction particle size distribution analyzer (SALD-2000A) in a particle size range of 0.03 μm to 700 μm. If the particle size value when the integrated value is 50% in this volume-based particle size distribution curve is defined as the center particle size, the center particle size of the phosphor used in the present invention is preferably in the range of 15 μm to 50 μm. Moreover, it is preferable that the fluorescent substance which has this center particle size value is contained frequently, and the frequency value is preferably 20% to 50%. In this way, by using a fluorescent material with small variation in particle size, a light emitting device having a favorable color tone with suppressed color unevenness can be obtained.
[0064]
  The location of the fluorescent material is not particularly limited, and the fluorescent material may be directly bonded to the back surface of the lid window by vacuum deposition or CVD, or a binder member may be used. Moreover, you may make it contain directly in the material of the window part of a lid. Further, it may be contained in a resin that is relatively less deteriorated by heat and filled in the package recess so as to cover the light emitting element. Further, since the package of the present invention is made of metal and has excellent heat dissipation, even if the fluorescent material is filled around the light emitting element disposed in the recess using a resin or the like, the constituent members are almost deteriorated by heat. Therefore, the original functions of the resin and the fluorescent substance can be utilized to the maximum.
[0065]
  In order to contain the fluorescent material directly in the window portion of the lid, for example, an opening is provided in the lid body, a mixture of glass powder or pellets and powder fluorescent material is placed in the opening, and a press is performed. It is made into a batch by processing. Thereby, the fluorescent substance containing window part is formed. Alternatively, a glass paste mixed with a fluorescent substance may be disposed and fired.
[0066]
  Moreover, when making a fluorescent material adhere to the back surface of the window part of a lid with a binder, the material of the said binder is not specifically limited, Either an organic substance and an inorganic substance can be used.
[0067]
  When an organic substance is used as the binder, a transparent resin excellent in weather resistance such as an epoxy resin, an acrylic resin, or silicone is preferably used as a specific material. In particular, silicone is preferable because it is excellent in reliability and can improve the dispersibility of the fluorescent material.
[0068]
  Further, it is preferable to use an inorganic substance that is close to the thermal expansion coefficient of the window portion as the binder because the fluorescent material can be satisfactorily adhered to the window portion. As a specific method, a precipitation method, a sol-gel method, or the like can be used. For example, fluorescent material, silanol (Si (OEt)3OH) and ethanol are mixed to form a slurry. After the slurry is discharged from the nozzle to the lid window, the slurry is heated at 300 ° C. for 3 hours to convert silanol into SiO 2.2The fluorescent material can be fixed to the lid window.
[0069]
  Further, an inorganic binder can be used as a binder. The binder is a so-called low-melting glass, is a fine particle and is preferably very stable in the binder with little absorption with respect to radiation from the ultraviolet to the visible region, and was obtained by a precipitation method. Alkaline earth borates, which are fine particles, are suitable. In addition, when attaching a fluorescent substance having a large particle size, a binder whose particle is an ultrafine powder even if the melting point is high, such as silica, alumina made by Degussa, or a fine particle size alkali obtained by a precipitation method It is preferred to use earth metal pyrophosphates, orthophosphates and the like. These binders can be used alone or mixed with each other.
[0070]
  Here, a method for applying the binder will be described. When the binder is wet-ground in a vehicle and used in the form of a slurry, it is preferable because the binding effect can be sufficiently enhanced. The vehicle is a high viscosity solution obtained by dissolving a small amount of a binder in an organic solvent or deionized water. For example, an organic vehicle can be obtained by adding 1 wt% of nitrocellulose as a binder to butyl acetate as an organic solvent.
[0071]
  A phosphor is contained in the binder slurry thus obtained to prepare a coating solution. The total amount of the binder in the slurry is preferably about 1 to 3% by weight with respect to the amount of the phosphor in the coating solution, whereby the phosphor can be fixed firmly and the luminous flux maintenance factor is maintained. be able to. When the amount of the binder added is too large, the luminous flux maintenance factor tends to decrease. Therefore, the amount of the binder used is preferably kept to a minimum.
[0072]
  The coating solution is applied to the back surface of the window portion. After that, hot air or hot air is blown to dry. Finally, baking is performed at a temperature of 400 ° C. to 700 ° C. to scatter the vehicle. Thereby, the phosphor layer is adhered to the surface of the window portion with the binder.
(Diffusion agent)
  Further, in the present invention, the color conversion member may contain a diffusing agent in addition to the fluorescent material. As a specific diffusing agent, barium titanate, titanium oxide, aluminum oxide, silicon oxide or the like is preferably used. As a result, a light emitting device having good directivity can be obtained.
[0073]
  Here, in this specification, the diffusing agent refers to those having a center particle diameter of 1 nm or more and less than 5 μm. A diffusing agent having a size of 1 μm or more and less than 5 μm is preferable because it diffuses light from the light-emitting element and the fluorescent material well and can suppress color unevenness that tends to occur by using a fluorescent material having a large particle size. In addition, the half width of the emission spectrum can be narrowed, and a light emitting device with high color purity can be obtained. On the other hand, a diffusing agent of 1 nm or more and less than 1 μm has a low interference effect with respect to the light wavelength from the light emitting element, but can increase the resin viscosity without lowering the luminous intensity. As a result, when the color conversion member is arranged by potting or the like, it becomes possible to disperse the fluorescent substance in the resin almost uniformly in the syringe and maintain the state, and the fluorescent substance having a large particle size that is relatively difficult to handle. Even when a substance is used, it is possible to produce with good yield. Thus, the action of the diffusing agent in the present invention varies depending on the particle size range, and can be selected or combined according to the method of use.
(Filler)
  Furthermore, in the present invention, the color conversion member may contain a filler in addition to the fluorescent material. The specific material is the same as that of the diffusing agent, but the diffusing agent has a central particle size different from that of the diffusing agent. In this specification, the filler has a central particle size of 5 μm or more and 100 μm or less. When the filler having such a particle size is contained in the translucent resin, the chromaticity variation of the light emitting device is improved by the light scattering action, and the thermal shock resistance of the translucent resin can be enhanced. As a result, even when used at high temperatures, it is possible to prevent disconnection of the wire that electrically connects the light emitting element and the external electrode, and peeling of the bottom surface of the light emitting element and the bottom surface of the recess of the package with high reliability. A light emitting device is obtained. Furthermore, the fluidity of the resin can be adjusted to be constant for a long time, and a sealing member can be formed in a desired place, and mass production can be performed with a high yield.
[0074]
  The filler preferably has a particle size and / or shape similar to that of the fluorescent material. Here, in this specification, the similar particle diameter means a case where the difference in the center particle diameter of each particle is less than 20%, and the similar shape is a degree of approximation of a perfect circle of each particle diameter. The difference in the value of circularity (circularity = perimeter length of a perfect circle equal to the projected area of the particle / perimeter length of the projected particle) is less than 20%. By using such a filler, the fluorescent material and the filler interact with each other, and the fluorescent material can be favorably dispersed in the resin, thereby suppressing color unevenness. Furthermore, it is preferable that both the fluorescent substance and the filler have a central particle diameter of 15 μm to 50 μm, more preferably 20 μm to 50 μm. In this way, by adjusting the particle diameter, a preferable interval is provided between the particles. be able to. As a result, a light extraction path is ensured, and the directivity can be improved while suppressing a decrease in luminous intensity due to filler mixing.
<Embodiment 2>
  The light emitting device of the second embodiment has a heat sink on the lower side of the through hole provided in the metal base, and a recess is formed by the upper inner wall of the through hole and the upper surface of the heat sink. The upper surface of the heat sink is positioned below the upper surface of the metal base, thereby forming a space in which the light emitting element can be stored on the heat sink. By comprising in this way, a recessed part can be formed, without processing a heat sink, and a work process is simplified. Further, the inner wall of the recess can be easily curved by making the through hole circular.
[0075]
  In the second embodiment, it is preferable that 30% or more of the through holes formed in the metal base are closed by the heat sink from below. As a result, the heat sink can be satisfactorily fixed to the metal base, the mechanical strength is improved, and a highly reliable light emitting device is obtained. The upper inner wall where the through-hole is exposed is preferably tapered, which improves the light extraction efficiency of the light-emitting element.
[0076]
  The light emitting device according to the second embodiment configured as described above has excellent heat dissipation as in the first embodiment, and can drop a large current.
[0077]
【Example】
  Hereinafter, the light-emitting device of the Example which concerns on this invention is explained in full detail. In addition, this invention is not limited only to the Example shown below.
Example 1
  A surface mount type light emitting device as shown in FIG. 1 is formed. The LED chip has a 475 nm In as a light emitting layer with a monochromatic emission peak of visible light.0.2Ga0.8A nitride semiconductor element having an N semiconductor is used. More specifically, in the LED chip, TMG (trimethylgallium) gas, TMI (trimethylindium) gas, nitrogen gas, and dopant gas are flowed together with a carrier gas on a cleaned sapphire substrate, and a nitride semiconductor film is formed by MOCVD. Can be formed. SiH as dopant gas4And Cp2A layer to be an n-type nitride semiconductor or a p-type nitride semiconductor is formed by switching Mg.
[0078]
  As an element structure of the LED chip, an n-type GaN layer which is an undoped nitride semiconductor on a sapphire substrate, a GaN layer where an Si-doped n-type electrode is formed to become an n-type contact layer, and an n-type nitride semiconductor which is an undoped nitride semiconductor 5 layers of InGaN layers sandwiched between GaN layers, each comprising a type GaN layer, a GaN layer that constitutes a light emitting layer, a InGaN layer that constitutes a well layer, and a GaN layer that constitutes a barrier layer It is a multiple quantum well structure. On the light emitting layer, an AlGaN layer as a p-type cladding layer doped with Mg and a GaN layer as a p-type contact layer doped with Mg are sequentially laminated. (Note that a GaN layer is formed on the sapphire substrate at a low temperature to serve as a buffer layer. The p-type semiconductor is annealed at 400 ° C. or higher after film formation.)
  Etching exposes the surface of each pn contact layer on the same side as the nitride semiconductor on the sapphire substrate. Positive and negative pedestal electrodes were formed on each contact layer by sputtering. A metal thin film is formed on the entire surface of the p-type nitride semiconductor as a translucent electrode, and then a pedestal electrode is formed on a part of the translucent electrode. After a scribe line is drawn on the completed semiconductor wafer, it is divided by an external force to form an LED chip that is a semiconductor light emitting element.
[0079]
  On the other hand, one large through hole is provided in the central part of a metal base obtained by applying Ag plating to Ni on a 0.2 mm thick Kovar base material (thermal conductivity: 17 w / m · k). Two small through holes are provided on both sides. A cylindrical copper heat sink (thermal conductivity: 380 w / m · k) 5 made of pure copper is airtightly inserted into the large through hole in the central portion through an Ag brazing. The heat sink 5 is a cylinder having a diameter of 2 mm and a height of 0.4 mm. On the other hand, the two small through holes are made of the same material as the metal base through the hard glass as the insulating member 3, and the upper surface has a diameter of 0.4 mm and the bottom surface has a flange shape. The lead electrodes 2 are inserted in an airtight manner. The bottom end portions of the heat sink 5 and the lead electrode 2 protrude from the back surface of the metal base 10. Moreover, these bottom surfaces are located on substantially the same surface, and become a mounting surface.
[0080]
  The LED chip 1 is die-bonded to the upper surface of the heat sink 5 of the metal base 10 thus configured with an Au—Sn alloy. By constituting in this way, all the constituent members of the light emitting device can be made of an inorganic material, and a light emitting device with remarkably high reliability can be obtained. Here, as the bonding member used for die bonding, a resin or glass containing a conductive material can be used in addition to the alloy as described above. The conductive material contained is preferably Au. When an Au paste having a content of 80% to 90% is used, a light emitting device having excellent heat dissipation and low stress after bonding can be obtained.
[0081]
  Next, each electrode of the die-bonded LED chip 1 and each lead electrode 2 exposed from the bottom of the package recess are electrically connected by an Au wire 4. Here, since resin is not used for the constituent members in this embodiment, Al wires can also be used.
[0082]
  Next, after sufficiently removing moisture in the package, the package is sealed with a Kovar lid having a glass window at the center, and low resistance seam welding is performed.
[0083]
  When a reliability test is performed on the light emission measure obtained in this way, when the light emission output is measured after 100,000 hours have passed under If = 500 mA, there is almost no difference from the relative output, and a large amount of current can be applied. Even so, a light emitting device capable of maintaining a high output for a long time can be obtained.
(Example 2)
  When the light emitting device is formed in the same manner as in Example 1 except that the mounting surface side end of the heat sink is made into a flange shape, the heat dissipation is improved and mechanical strength is increased compared to Example 1.
(Example 3)
  If a light emitting device is formed in the same manner as in Example 1 except that a concave mold is provided on the upper surface side of the heat sink and the light emitting element is housed in the concave mold, the light emission output is improved by 15% compared to Example 1.
Example 4
  When the light emitting device is formed in the same manner as in Example 3 except that the concave inner wall is a tapered surface, the light emission output is improved by 20% compared to Example 3.
(Example 5)
  Except using 0.8mm-thick iron (thermal conductivity: 68w / m · k) as the metal-based substrate, the bottom side is positioned so that the top surface of the flange-shaped heat sink is buried in the through hole When the light emitting device is formed in the same manner as in Example 2, the mass productivity is improved by 20% compared to Example 2.
(Example 6)
  Except that the inner wall exposed in the through hole on the heat sink has a tapered shape, the light emission output is improved by 15% compared to Example 5 when formed in the same manner as in Example 5.
(Example 7)
  When the light emitting device is formed in the same manner as in Example 1 except that the translucent window is formed in a convex lens shape, the front luminous intensity is doubled.
(Example 8)
  As shown in FIG. 9, a light emitting device is formed in the same manner as in Example 1 except that a fluorescent material is contained in the lid window.
[0084]
  Here, as the fluorescent material, a solution obtained by dissolving rare earth elements of Y, Gd, and Ce in acid at a stoichiometric ratio is coprecipitated with oxalic acid. A co-precipitated oxide obtained by firing this and aluminum oxide are mixed to obtain a mixed raw material. This is mixed with barium fluoride as a flux, packed in a crucible, and fired in air at a temperature of 1400 ° C. for 3 hours to obtain a fired product. The fired product is ball-milled in water, washed, separated, dried, and finally passed through a sieve to have a center particle size of 22 μm (Y0.995Gd0.005)2.750Al5O12: Ce0.250Form a fluorescent material.
[0085]
  The fluorescent material thus obtained and powdered silica are mixed at a ratio of 1: 2, placed in an opening provided in the lid, and collectively molded by pressing.
[0086]
  The color conversion type light-emitting device obtained in this way can achieve the same effects as those of Example 1, and can emit white light with high reliability and high output.
Example 9
  50 wt% of the above fluorescent material is contained in a slurry composed of 90 wt% of nitrocellulose and 10 wt% of γ-alumina, applied to the back surface of the transparent window portion of the lid, and cured by heating at 220 ° C for 30 minutes. When the light emitting device is formed in the same manner as in Example 1 except that the conversion member is configured, the same effect as in Example 5 is obtained.
(Example 10)
  When the light-emitting device is formed in the same manner as in Example 9 except that the color conversion member is made of silicone containing 50 wt% of the fluorescent material, the same effect as in Example 8 is obtained.
(Example 11)
  When the light-emitting device was formed in the same manner as in Example 8 except that the color conversion member was formed by applying silica gel containing 50 wt% of a fluorescent substance as the color conversion member, the same effect as in Example 8 was obtained. Is obtained.
Example 12
  When a light emitting device is formed in the same manner as in Example 4 except that a color conversion member made of fluorescent material-containing silicone is filled in the recesses of the heat sink, a light emitting device with higher front brightness than that in Example 10 is obtained.
[0087]
【The invention's effect】
  In the light-emitting device of the present invention, in the metal base, a heat sink is used for the arrangement portion of the light-emitting element and the bottom surface of the REET sink is in contact with the mounting substrate, so that the heat dissipation is greatly improved, and a large current is obtained. The reliability can be maintained without being deteriorated even when dropped. Accordingly, a light emitting device that can emit light with high reliability and brightness equivalent to that of lighting for a long time can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view and a schematic cross-sectional view showing a light emitting device of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view and a schematic cross-sectional view showing another light emitting device of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing another light emitting device of the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing another light emitting device of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing another light emitting device of the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another light emitting device of the present invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing another light emitting device of the present invention.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing another light emitting device of the present invention.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing another light emitting device of the present invention.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing another light emitting device of the present invention.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing another light emitting device of the present invention.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing another light emitting device of the present invention.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a light emitting device shown for comparison with the present invention.
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a light emitting device shown for comparison with the present invention.
[Explanation of symbols]
1. Light emitting element
2 ... Lead electrode
3. Insulating member
4 ... Wire
5 ... Heat sink
6 ... Lid
7 ... Window
8 ... Fluorescent substance
9 ... Mold resin
10 ... Metal base
11 ... Can with window
12 ... Buttocks

Claims (2)

金属ベースと、その金属ベースとリッドとにより設けられた中空部に配置された発光素子と、を備えており、前記リッドが、前記金属ベースに接続する金属部と、その金属部の開口部内に配置された透光性窓部と、を有する発光装置の製造方法であって、
絶縁部材を介して金属ベースにリード電極を固定する第一の工程と、
蛍光物質を含有するガラスをタブレット状に形成した後、そのガラスを前記リッドの開口部内に配置して通炉させることにより、前記ガラスと前記リッド本体とを封着させる第二の工程と、
前記金属ベースに固定したヒートシンクに発光素子を配置する第三の工程と、
前記リッドと前記金属ベースとにより形成される中空部に前記発光素子が配置されるように、前記リッドの金属部と前記金属ベースとを接続する第四の工程と、を有することを特徴とする発光装置の製造方法。A light emitting element disposed in a hollow portion provided by the metal base and the lid, wherein the lid is connected to the metal base, and the opening is formed in the metal portion. A light-emitting device having a light-transmitting window disposed,
A first step of fixing the lead electrode to the metal base via an insulating member;
After forming the glass containing the fluorescent substance into a tablet shape, placing the glass in the opening of the lid and passing through the furnace, the second step of sealing the glass and the lid body ,
A third step of arranging a light emitting element on a heat sink fixed to the metal base;
And a fourth step of connecting the metal portion of the lid and the metal base so that the light emitting element is disposed in a hollow portion formed by the lid and the metal base. Manufacturing method of light-emitting device. 金属ベースと、その金属ベースとリッドとにより設けられた中空部に配置された発光素子と、を備えており、前記リッドが、前記金属ベースに接続する金属部と、その金属部の開口部内に配置された透光性窓部と、を有する発光装置の製造方法であって、
絶縁部材を介して金属ベースにリード電極を固定する第一の工程と、
前記リッドの開口部に配置させたパウダー状またはペレット状のガラスと、粉末の蛍光物質との混合物をプレス加工により成型することにより透光性窓部を形成する第二の工程と、
前記金属ベースに固定したヒートシンクに発光素子を配置する第三の工程と、
前記リッドと前記金属ベースとにより形成される中空部に前記発光素子が配置されるように、前記リッドの金属部と前記金属ベースとを接続する第四の工程と、を有することを特徴とする発光装置の製造方法。A light emitting element disposed in a hollow portion provided by the metal base and the lid, wherein the lid is connected to the metal base, and the opening is formed in the metal portion. A light-emitting device having a light-transmitting window disposed,
A first step of fixing the lead electrode to the metal base via an insulating member;
A second step of forming a translucent window by molding a mixture of powdered or pelleted glass disposed in the opening of the lid and a powdered fluorescent material by pressing ;
A third step of arranging a light emitting element on a heat sink fixed to the metal base;
And a fourth step of connecting the metal portion of the lid and the metal base so that the light emitting element is disposed in a hollow portion formed by the lid and the metal base. Manufacturing method of light-emitting device.
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