JP4465989B2 - 発光ダイオード素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラスによって発光ダイオード(以下、LEDという。)が封止されている発光ダイオード素子(以下、LED素子という。)に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、白色光源としては白熱電球、蛍光灯等が広く使用されているが、近年、新しいタイプの白色光源としていわゆる白色LED素子が開発され、液晶ディスプレイ用バックライト等への応用が急速に進んでいる。
【0003】
現在市販されている典型的な1チップ型白色LED素子においては、GaNにInを添加したInGaNを発光層とする量子井戸構造のLEDが、YAG蛍光体を含有する樹脂によって封止されている。
【0004】
この白色LED素子は次のようにして白色光源として機能する。すなわち、LEDに直流電流を流すとLEDから青色光が放出され、一方、当該青色光の一部によってYAG蛍光体が励起されこの蛍光体から黄色光(蛍光)が放出される。この青色光と黄色光は補色関係にあり、これらが入り混じって人間の目に入り加法混色の原理により白色光として見える。
【0005】
しかし、このように樹脂によってLEDが封止されている白色LED素子には、長期間使用すると水分が樹脂中に浸入しLEDの動作が阻害される、LEDから放出される紫外線によって樹脂が変色しその光透過率が低下する、等の問題があった。
【0006】
このような問題を解決する白色LED素子として、LEDをフリップチップ形態で基板上に設け、そのLEDをゾルゲルガラスで封止したものが提案されている(特許文献1参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−203989号公報(第2〜7頁)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ゾルゲルガラスには細孔が存在する、または細孔が残存しやすいので、水分によるLED動作阻害が充分には抑制できないおそれがある。このような細孔の問題を解決するためには典型的には1300℃で熱処理を行えばよいが、1300℃というような非常に高い温度での熱処理はLED素子の製造には適用できない問題があった。
本発明はこのような問題を起こさないLED素子の提供を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガラスによって紫外光を発光するLEDが封止されているLED素子であって、当該ガラスが下記酸化物基準のモル%表示で、SnO 30〜70%、P2O5 15〜50%、ZnO 0.1〜20%、SiO2+GeO2 0〜10%、Li2O+Na2O+K2O 0〜30%、MgO+CaO+SrO+BaO 0〜20%、その他の成分0〜7%からなるLED素子を提供する(第1発明)。
【0010】
また、ガラスによってLEDが封止されているLED素子であって、当該ガラスが下記酸化物基準のモル%表示で、B2O3 20〜55%、Bi2O3 1〜20%、ZnO 0〜30%、SiO2+GeO2 0〜20%、Li2O+Na2O+K2O 0〜30%、MgO+CaO+SrO+BaO 0〜30%、から本質的になるLED素子を提供する(第2発明)。
【0011】
また、ガラスによってLEDが封止されているLED素子であって、当該ガラスが下記酸化物基準のモル%表示で、TeO2 20〜70%、ZnO 5〜30%、B2O3 0〜55%、SiO2+GeO2 0〜10%、Li2O+Na2O+K2O 0〜30%、MgO+CaO+SrO+BaO 0〜20%、から本質的になるLED素子を提供する(第3発明)。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明のLED素子においてはいずれもその紫外光を発光するLEDがガラスによって封止されているが、それらガラスはいずれもゾルゲル法では作製できないものである、すなわちそれらガラスはいずれもゾルゲルガラスたり得ないものである。
【0013】
本発明のLED素子においては、たとえば、適切な形状のガラス塊をLED上に載置しこのガラス塊を軟化流動させることによってLEDは封止されている、溶融状態のガラスを用いてLEDが封止されている、または、粉末状態のガラスを用いてLEDを密に被覆しその後この粉末状態のガラスを軟化流動させることによってLEDは封止されている。通常、前記ガラス塊、前記溶融状態のガラスまたは前記粉末状態のガラスには蛍光体が添加される。以下では、LEDを封止しているガラス(蛍光体が分散しているものを含む。)を封止ガラスということがある。
【0014】
次に、図1を用いて本発明を説明するが、本発明はこれに限定されない。
図1は本発明のLED素子の断面図の一例である。1は紫外光を発光するLED、2aおよび2bは電極、3aおよび3bはリードフレーム、4はハウジング、5は絶縁層、6はマウント部、7は封止ガラスである。
【0015】
LED1は典型的には波長が360〜480nmの紫外光または青色光を放出するLEDであり、GaNにInを添加したInGaNを発光層とする量子井戸構造のLED(InGaN系LED)等が例示される。LED1がInGaN系LEDの場合、電極2a、2bと接触する部分はそれぞれn型半導体、p型半導体である。なお、LED1の上面にはサファイア等からなる基板が存在するがこの基板は図示していない。
【0016】
電極2a、2bはLED1に直流電流を流すためのものであって、通常、金、白金等からなり、薄板状のリードフレーム3a、3bの表面にメッキ法、蒸着法等によって形成される。
【0017】
リードフレーム3a、3bはそれぞれ電極2a、2bと接合または密に接触することによって電気的につながっており、外部接続端子として機能するものである。リードフレーム3a、3bは薄板状の導電性物質であり、電極2a、2bとの接合または密な接触が容易に行え、また放熱特性に優れているものであることが好ましい。前記導電性物質は典型的には金属であり、アルミニウムまたはアルミニウム合金が例示される。
【0018】
ハウジング4は通常、LED1が配置できるように金属板の中央に孔が形成されたものである。この孔の内面は、LED1から水平方向に放出された光を反射してLED素子上面から効率よく取り出すために、図1に示すようにテーパー状とすることが好ましい。また、前記孔の形状は典型的には円であるが、これに限定されず、楕円、四角等でもよい。
【0019】
金属板は、LED1をガラスによって封止する際に温度が上昇しても形状が安定に保持できるようなものでなければならない。前記温度は典型的には450℃以下であり、このような場合に好適な金属板としてアルミニウム板またはアルミニウム合金板が例示される。
【0020】
金属板としてアルミニウム板またはアルミニウム合金板を用いた場合、紫外光および可視光に対する反射率は90%以上であるのでLED素子からの光取り出し効率を高くできる。
【0021】
ハウジング4の表面のうち、LED素子の外面となる表面は電気絶縁性に優れたものであることが好ましい。そのようなものでないと、その表面を介して電極2aと電極2bが導通または短絡するおそれがある。前記表面の電気絶縁性を高めるためには、たとえばハウジング4がアルミニウムまたはアルミニウム合金の場合、当該表面を酸化処理してアルマイトとすればよい。
【0022】
絶縁層5は、電極2a、2bとハウジング4を電気的に絶縁するためのものであり、樹脂、セラミックス、ガラス等からなるものが例示されるが、封止する際に温度が上昇してもその形状を安定に保持できるようなものでなければならない。
【0023】
マウント部6としては、電気的絶縁性に優れる樹脂、セラミックス、ガラス等からなるものが例示される。封止時にマウント部6が形成されている場合には、封止する際に温度が上昇してもその形状を安定に保持できるようなものでなければならず、たとえばアルミナからなるものが好ましい。
【0024】
封止ガラス7はLED1を封止し、LED1の表面が大気に露出しないようにするためのものである。
【0025】
封止ガラス7に用いられるガラスの軟化点TSは450℃以下であることが好ましい。450℃超ではこのガラスを軟化流動させてLED1を封止する温度が高くなりすぎ、LED1の発光特性が低下する、発光波長が変化する、発光が起こらなくなる、等の問題が起こるおそれがある。より好ましくは400℃以下、特に好ましくは350℃以下、最も好ましくは330℃以下である。
【0026】
封止ガラス7に用いられるガラスの、波長400nmにおける屈折率nは1.6以上であることが好ましい。1.6未満では、LED1の上面の高屈折率基板(たとえば、nが2.5であるサファイア基板)からの光取り出し効率が低下するおそれがある。より好ましくは1.7以上、特に好ましくは1.85以上、最も好ましくは2.0以上である。また、当該ガラスのnは典型的には2.3以下である。
【0027】
封止ガラス7に用いられるガラスの、波長633nmにおける屈折率は1.7以上であることが好ましい。
封止ガラス7に用いられるガラスの、粘度が105Pになる温度TFは450℃以下であることがより好ましい。450℃超ではこのガラスを軟化流動させてLED1を封止して得られた封止ガラス7の残存泡が多くなりその光透過率が低下するおそれがある。特に好ましくは400℃以下、最も好ましくは380℃以下である。
【0028】
封止ガラス7に用いられるガラスの、50〜300℃における平均線膨張係数αは75×10−7〜140×10−7/℃であることが好ましい。この範囲外では、たとえばLED1がInGaN系LED(そのαは典型的には85×10−7/℃)との膨張マッチングが困難になるおそれがある。より好ましくは135×10−7/℃以下である。
【0029】
封止ガラス7に用いられるガラスの結晶化温度TCは400℃超であることが好ましい。TCが400℃以下では、典型的には450℃以下で行われる封止時においてガラス中に結晶が多量に析出しその光透過率が低下するおそれがある。より好ましくは420℃以上、さらに好ましくは450℃以上、特に好ましくは550℃以上、最も好ましくは600℃超である。なお、本発明でいう結晶化温度とは、ガラスを粉末化して昇温速度10℃/分で室温から600℃まで示差熱分析を行ったときに結晶化ピークが認められたときの結晶化開始温度であり、結晶化ピークが認めれない場合は「600℃超」とする。
【0030】
TCは(TS+60℃)より高いことが好ましく、(TS+90℃)より高いことがより好ましい。
また、封止ガラス7に用いられるガラスのTCはTFより高いことが好ましく、(TF+40℃)より高いことがより好ましく、(TF+60℃)より高いことが特に好ましい。
【0031】
封止ガラス7に用いられるガラスの厚み2mmでの波長360〜750nmにおける光透過率(内部透過率)は70%以上であることが好ましい。
【0032】
次に、第1発明において封止ガラス7に用いられるガラスの成分について説明する。なお、以下では特に断らない限りモル%を単に%と表示してガラス組成を説明する。
SnOはガラスのネットワークフォーマであり必須である。30%未満ではガラスが不安定になる。好ましくは45%以上である。70%超ではかえってガラスが不安定になる、または、TSもしくはTFが高くなりすぎLED1の封止が困難になる。
【0033】
P2O5はガラスのネットワークフォーマであり必須である。15%未満ではガラスが不安定になる。50%超ではかえってガラスが不安定になる。封止ガラス7が大気に触れる等の場合には、P2O5を好ましくは45%以下、より好ましくは40%以下として耐水性を向上させることが好ましい。
【0034】
ZnOはガラスを安定化させる等のための成分であり、必須である。0.1%未満ではガラスが不安定になる。好ましくは3%以上である。20%超ではTSが高くなる。好ましくは13%以下である。
【0035】
SnOおよびZnOの含有量の合計は、P2O5の含有量の1.8〜2.2倍であることが好ましい。この範囲外ではガラスが不安定になるおそれがある。より好ましくは1.9〜2.1倍である。
【0036】
SiO2およびGeO2はいずれも必須ではないが、ガラスを安定化させる、耐水性を向上させる、等のために合計で10%まで含有してもよい。10%超ではTSが高くなるおそれがある。
【0037】
Li2O、Na2OおよびK2Oはいずれも必須ではないが、TSを低下させる等のために合計で30%まで含有してもよい。30%超ではガラスが不安定になるおそれがある。封止ガラス7が大気に触れる等の場合には、Li2O、Na2OおよびK2Oの含有量合計を10%以下として耐水性を向上させることが好ましい。
【0038】
MgO、CaO、SrOおよびBaOはいずれも必須ではないが、ガラスを安定化させる、耐水性を向上させる、等のために合計で20%まで含有してもよい。20%超ではTSが高くなるおそれがある。
【0039】
第1発明において封止ガラス7に用いられるガラスは本質的に上記成分からなるが、本発明の目的を損なわない範囲でその他の成分を含有してもよい。なお、当該その他の成分を含有する場合、その含有量の合計は7%以下である。
【0040】
第1発明は、封止ガラス7に用いられるガラスの紫外吸収端をより短波長側(たとえば350nm以下)にしたい、前記内部透過率を80%以上としたい、TSをより低くしたい、等の場合に好適である。
【0041】
第1発明において封止ガラス7に用いられるべきガラスとして、下記ガラスAが例示される。なお、波長633nmにおける屈折率は次のようにして測定した。すなわち、両面が鏡面研磨された大きさ2cm×2cm、厚み1mmの板状試料を用意し、Metricon社製屈折率測定装置Model2010 PRISM COUPLER(商品名)を用いて屈折率を測定した。
【0042】
(ガラスA)
組成:SnO 62%、P2O5 33%、ZnO 5%。
ガラス転移点TG:262℃。
TS:322℃。
n:1.8(推定値)。
波長633nmにおける屈折率:1.77。
TF:360℃(推定値)。
α:135×10−7/℃。
TC:600℃超。
厚み2mmでの波長400nmにおける内部透過率:97%。
【0043】
次に、第2発明において封止ガラス7に用いられるガラスの成分について説明する。
B2O3はガラスのネットワークフォーマであり必須である。20%未満ではガラスが不安定になる。55%超ではTSが高くなりすぎ、LED1の封止が困難になる。
【0044】
Bi2O3はガラスのネットワークフォーマであり、またnを高くする成分であって必須である。1%未満ではガラスが不安定になる、またはnが低くなる。20%超では前記光透過率、特に波長380nmにおける内部透過率が低下し、たとえば70%未満となるおそれがある。
【0045】
ZnOは必須ではないが、ガラスを安定化させる等のために30%まで含有してもよい。30%超ではTSが高くなる。
【0046】
SiO2およびGeO2はいずれも必須ではないが、ガラスを安定化させる、耐水性を向上させる、等のために合計で20%まで含有してもよい。20%超ではTSが高くなるおそれがある。
【0047】
Li2O、Na2OおよびK2Oはいずれも必須ではないが、TSを低下させる等のために合計で30%まで含有してもよい。30%超ではガラスが不安定になるおそれがある。封止ガラス7が大気に触れる等の場合には、Li2O、Na2OおよびK2Oの含有量合計を10%以下として耐水性を向上させることが好ましい。
【0048】
MgO、CaO、SrOおよびBaOはいずれも必須ではないが、ガラスを安定化させる、耐水性を向上させる、等のために合計で30%まで含有してもよい。30%超ではTSが高くなるおそれがある。
【0049】
第2発明において封止ガラス7に用いられるガラスは本質的に上記成分からなるが、本発明の目的を損なわない範囲でその他の成分を含有してもよい。なお、当該その他の成分を含有する場合、その含有量の合計は好ましくは15%以下、より好ましくは7%以下である。
【0050】
第2発明は、封止ガラス7に用いられるガラスの紫外吸収端を短波長側(たとえば380nm以下)にしたい、前記内部透過率を70%以上としたい、nを高く、たとえば1.6以上としたい、等の場合に好適である。
【0051】
次に、第3発明において封止ガラス7に用いられるガラスの成分について説明する。
TeO2はガラスのネットワークフォーマであり必須である。20%未満ではnが大きなガラスが得にくくなる。好ましくは40%以上である。70%超ではかえってガラス化が困難になる。
【0052】
ZnOはガラスを安定化させる等のための成分であり、必須である。5%未満では均質なガラスを得にくくなる。好ましくは11%以上である。30%超ではTSが高くなる。
【0053】
B2O3は必須ではないが、ガラスを安定化させる、波長380nmにおける内部透過率を高くする、等のために55%まで含有してもよい。55%超ではTSが高くなりすぎ、LED1の封止が困難になる。
【0054】
SiO2およびGeO2はいずれも必須ではないが、ガラスを安定化させる、耐水性を向上させる、等のために合計で10%まで含有してもよい。10%超ではTSが高くなるおそれがある。
【0055】
Li2O、Na2OおよびK2Oはいずれも必須ではないが、TSを低下させる等のために合計で30%まで含有してもよい。30%超ではガラスが不安定になるおそれがある。封止ガラス7が大気に触れる等の場合には、Li2O、Na2OおよびK2Oの含有量合計を10%以下として耐水性を向上させることが好ましい。
【0056】
MgO、CaO、SrOおよびBaOはいずれも必須ではないが、ガラスを安定化させる、耐水性を向上させる、等のために合計で20%まで含有してもよい。20%超ではTSが高くなるおそれがある。
【0057】
第3発明において封止ガラス7に用いられるガラスは本質的に上記成分からなるが、本発明の目的を損なわない範囲でその他の成分を含有してもよい。なお、当該その他の成分を含有する場合、その含有量の合計は好ましくは15%以下、より好ましくは7%以下である。
たとえばY2O3を、nをより高くする等を目的として5%まで含有してもよい。
【0058】
第3発明は、封止ガラス7に用いられるガラスのnをより高く、たとえば1.65以上としたい、等の場合に好適である。
【0059】
第3発明において封止ガラス7に用いられるべきガラスとして、表に示すガラスB1〜B4が例示される。TeO2からY2O3までの欄はモル%表示組成、TGおよびTCの単位は℃、αの単位は10−7/℃、内部透過率は波長400nmにおける厚み2mmでの値(単位:%)である。なお、TCおよびαは組成から計算した推定値である。
【0060】
【表1】
【0061】
本発明のLED素子は図1に示すようなフリップチップ方式をとるものであることが好ましく、ワイヤボンディング方式をとらないものであることが好ましい。
【0062】
【実施例】
前記ガラスAを溶融し、少量をカーボン板上に滴下し、冷却して直径が約4mmのガラス球を得た。
一方、セイコーインスツルメント社製示差熱分析装置TG/DTA6300の付属部品であるシャーレ状アルミニウム製パン(直径5mm、高さ5mm)を用意し、その中央にLEDを模したアルミナ板(大きさ:2mm×2mm、厚み:1mm)を置き、そのアルミナ板の上に前記ガラス球を載置した。
【0063】
次に、電気炉を用いて400℃に1時間保持後、自然放冷を行った。冷却後アルミニウム製パンを取り出してみると、ガラス球が軟化流動してアルミナ板は封止されており、また、封止ガラスには気泡やクラックは認められず、きわめて透明性の高いものであった。
【0064】
なお、前記アルミナ板は高純度アルミナからなり、そのαは85×10−7/℃であってLEDの基板に用いられるサファイアのαに近く、LEDを充分模していると考えられる。
【0065】
【発明の効果】
本発明によれば、LEDをゾルゲル法を用いることなくガラスで封止できるので水分によるLED動作阻害が起こりにくい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のLED素子の断面の一例を示す図。
【符号の説明】
1:LED
2a、2b:電極
3a、3b:リードフレーム
4:ハウジング
5:絶縁層
6:マウント部
7:封止ガラス
Claims (9)
- ガラスによって紫外光を発光する発光ダイオードが封止されている発光ダイオード素子であって、当該ガラスが下記酸化物基準のモル%表示で、SnO 30〜70%、P2O5 15〜50%、ZnO 0.1〜20%、SiO2+GeO2 0〜10%、Li2O+Na2O+K2O 0〜30%、MgO+CaO+SrO+BaO 0〜20%、その他の成分0〜7%からなる発光ダイオード素子。
- 請求項1に記載の発光ダイオード素子であって、発光ダイオードがInGaN系発光ダイオードである発光ダイオード素子。
- 請求項1または2に記載の発光ダイオード素子であって、前記ガラスの軟化点が450℃以下である発光ダイオード素子。
- 請求項1〜3のいずれか記載の発光ダイオード素子であって、前記ガラスの波長400nmにおける屈折率が1.6以上である発光ダイオード素子。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の発光ダイオード素子であって、前記ガラスの、粘度が105Pになる温度が450℃以下である発光ダイオード素子。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の発光ダイオード素子であって、前記ガラスの50〜300℃における平均線膨張係数が75×10−7〜140×10−7/℃である発光ダイオード素子。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の発光ダイオード素子であって、前記ガラスの結晶化温度が400℃超である発光ダイオード素子。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の発光ダイオード素子であって、発光ダイオードがフリップチップ方式で接続されたものである発光ダイオード素子。
- 請求項8に記載の発光ダイオード素子であって、発光ダイオードの周囲にハウジングが設けられている発光ダイオード素子。
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