JP4667982B2 - 発光素子モジュール、殺菌ランプ装置、紫外線硬化型樹脂硬化用ランプ装置、照明装置、表示装置及び交通信号機 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）などの発光素子を基板に実装したＬＥＤモジュール等の発光素子モジュール、この発光素子モジュールを用いた殺菌ランプ装置、紫外線硬化型樹脂硬化用ランプ装置、表示装置、照明装置及び交通信号機に関する。

窒化ガリウム系化合物半導体などで構成される紫外線発光素子が照明装置、殺菌ランプ、紫外線硬化型樹脂硬化用ランプなどの分野で用途を拡大している。発光素子は、機械的な外力、湿気などの外部環境から保護するため、透明な材料で発光素子を封止する必要がある。紫外線発光素子は、一般に、図２に示すようなガラス窓１５を持った気密パッケージ１３内に気密状態で発光素子１１をパッケージして実用化している。図２に示す発光素子パッケージ体１０は、一部にガラス窓１５が装着されたボックス状の気密パッケージ１３の内部底面に電極１４を設け、一方の電極１４上に紫外線ＬＥＤなどの発光素子１１を固定し、一方の電極１４と発光素子１１の一方の電極端子とを電気的に接続するとともに、他方の電極１４と発光素子１１の他方の電極端子とを金ワイヤ１２でワイヤボンディングして電気的に接続した構造になっている。

赤色発光素子など可視光を発する発光素子は、透明なエポキシ樹脂など加工性に優れた樹脂で発光素子を封止するのが一般的である。一方、紫外線を発する紫外線発光素子をエポキシ樹脂やシリコーン樹脂で封止した場合、紫外線によりそれらの樹脂は光劣化し、紫外光の透過率が低下してしまうので、連続点灯すると発光素子の発光強度が低下してしまう。そこで、紫外線発光素子については、前述した発光素子パッケージ体１０のような気密状態の封止を行う。

現状の紫外線発光素子は、図２に示すパッケージ化を行った後、該発光素子を囲む部分の空気を不活性ガスなどに置換して、その置換孔をシールして完全な気密状態を形成する。この工程だけでも加工時間を多大に要するため、一般に紫外線発光素子モジュールはコストが高い。

一方、ガラス材料で発光素子を封止する場合には、加工時間が短縮でき、加工コストの低減が図れる。さらにガラス材料は紫外線の透過率が高いことから、前述した樹脂による封止の場合のような紫外線劣化を受けない（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−１７９２７０号公報

しかしながら、発光素子をガラス材料で封止した場合、パッケージを構成する金属やセラミックスなどの材料との線膨張係数の違いにより、ガラス材料内部に大きな内部歪を蓄えることとなり、発光素子のリードフレームからの剥離、パッケージと封止ガラスの剥離、発光素子の破壊などをまねく可能性があり、長期信頼性が低下する問題がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、長期信頼性の高い発光素子モジュール、これを用いた殺菌ランプ装置、紫外線硬化型樹脂硬化用ランプ装置、表示装置、照明装置及び交通信号機の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、コア金属をホーロー層で被覆したホーロー基板に発光素子を実装した発光素子モジュールであって、前記発光素子を低融点ガラスで封止したことを特徴とする発光素子モジュールを提供する。

本発明の発光素子モジュールにおいて、前記ホーロー基板のホーロー層の厚みは１００μｍ以上であることが好ましい。

本発明の発光素子モジュールにおいて、前記発光素子が紫外線発光素子であることが好ましい。

また本発明は、前記発光素子モジュールを有する殺菌ランプ装置を提供する。

また本発明は、前記発光素子モジュールを有する紫外線硬化型樹脂硬化用ランプ装置を提供する。

本発明の発光素子モジュールにおいて、前記発光素子が紫外線発光素子であり、かつ前記封止ガラスに前記発光素子から発する紫外光で励起されて可視光を発光する蛍光体が含まれ、可視光を出射する構成としてもよい。

また本発明は、前記発光素子モジュールを有する照明装置を提供する。

また本発明は、前記発光素子モジュールを有する表示装置を提供する。

また本発明は、前記発光素子モジュールを有する交通信号機を提供する。

本発明の発光素子モジュールは、コア金属をホーロー層で被覆したホーロー基板に発光素子を実装して該発光素子を低融点ガラスで封止したものなので、この封止ガラスとホーロー層の線膨張係数の差が少ないことから、封止ガラスの内部歪が小さくなり、封止ガラスが基板から剥離し難くなり、また発光素子にダメージを与えない。また、発光素子を封止ガラスで封止することで水分の浸入も防ぐことができることから、長期信頼性の高い発光素子モジュールを提供できる。
また本発明の発光素子モジュールで用いたホーロー基板は、コアに金属を用いた基板であり、放熱性が良好であることから、発光素子の動作時の温度（ジャンクション温度）を低減することが可能であり、長期信頼性の高い発光素子モジュールを提供できる。

本発明では、紫外線発光素子の封止に好適なガラス封止構造を達成するため、コア金属にガラス材料をコーティングしたホーロー基板を用い、このホーロー基板上に発光素子を実装し、該発光素子を低融点ガラスで封止した構造とした。ホーロー層を厚くすることにより、基板の線膨張係数を封止ガラスと近い値とすることが可能となり、封止ガラスが冷却される時などに発生する内部歪を大きく低減することができる。図１にその構造の一例を示す。

図１は、本発明の発光素子モジュールの一実施形態を示す図である。本実施形態の発光素子モジュール７は、コア金属６の表面をホーロー層５で覆ったホーロー基板上に、複数の発光素子１を実装し、これらの発光素子１を低融点ガラスからなる封止ガラス３で封止した構成になっている。このホーロー基板上には、発光素子１の実装位置の周囲に反射カップ形状の凹部が設けられ、またホーロー基板上には前記凹部内に一部が至るように発光素子１に通電するための基板電極４が設けられている。それぞれの発光素子１は、前記凹部の中央に延出している一方の基板電極４上に固定され、発光素子１の下面側の電極端子が該一方の基板電極４と電気的に接続されている。また、発光素子１の上側の電極端子は、ワイヤボンド２により他方の基板電極４と電気的に接続されている。

前記発光素子１としては、ＬＥＤが好ましいが、これに限定されず、半導体レーザダイオード（ＬＤ）素子、有機ＥＬ素子などを用いることもできる。また、発光素子１としては、出射光が可視光〜紫外光の範囲の各種発光素子の中から選択して用いることができるが、本発明では発光素子１を紫外線透過率の高い封止ガラス３で封止した構造なので、発光素子１として紫外光を発する紫外線発光素子を用いることが好ましい。

前記紫外線発光素子は、現在まだ開発途上であり、その発光効率は高くない。したがって、発光に寄与しないエネルギーが熱となって発生し、可視光用の発光素子と比較した場合、その発熱量は大きいため、この発光素子からの発生熱を効率よく放熱する必要がある。本発明では、金属製のコアを持つホーロー基板を使用しているので、その放熱性も期待できる。

前記ホーロー基板のコア金属６の材料は、表面にホーロー層５を焼き付けることができればよく、特に限定されないが、安価で機械的強度に優れ、加工性も良好な低炭素鋼板などを用いることが好ましい。

このコア金属６を覆うホーロー層５としては、従来より各種のホーロー物品の製造に用いられているガラスなどのホーロー材料の中から、焼き付け温度、耐久性、絶縁性などを考慮し、適宜選択して用いることができる。本発明において用いるホーロー基板は、ホーロー層５の厚みが１００μｍ以上であるものが好ましい。ホーロー層５の厚みが１００μｍ未満であると、ホーロー基板上に封止ガラスを溶着した後、繰り返しの温度変化によって封止ガラスが剥離してしまう場合がある。

ホーロー基板上に設けられた基板電極４としては、特に限定されないが、例えば銀ペーストを所望の回路パターンに沿って印刷し、その後焼き付けることによって形成することができる。

前記封止ガラス３としては、例えば電球製造などの際に用いられる低融点ガラスを用いることができる。この封止ガラス３の融点は、封止する発光素子１に影響を及ぼさない程度の温度である必要があり、４００℃以下であることが望ましい。

次に、本実施形態の発光素子モジュール７の製造方法を説明する。
まず、低炭素後半などの金属基板を所望の寸法に裁断し、ドリル加工などによって所望位置に反射カップ形状の凹部を形成してコア金属６を作製する。
また、ホーロー層の材料となるガラス粉末を適当な分散媒に分散させておく。
次に、前記分散媒中に前記コア金属６を吊るし、対向する位置に電極を配置し、コア金属６と金属電極間に電圧をかけ、分散媒中のガラス粉末をコア金属６に電着させる。
ガラス粉末を電着した後、コア金属を高温で焼き付け、ホーロー層５を形成してホーロー基板とする。
次に、ホーロー基板のホーロー層５上に銀ペーストを所望の電気回路となるように塗布し、再度高温炉に入れて焼き付けし、基板電極４を形成する。
次に、一方の基板電極４上に発光素子をダイボンディングにより実装する。さらに、発光素子４の上方側の電極端子と、他方の基板電極４とをワイヤボンディングする。
次に、反射カップ形状の凹部に溶融した低融点ガラスを注入し、放冷固化して封止ガラス３を形成する。

本実施形態の発光素子モジュール７は、コア金属６をホーロー層５で被覆したホーロー基板に発光素子１を実装して該発光素子を低融点ガラスで封止したものなので、この封止ガラス３とホーロー層５の線膨張係数の差が少ないことから、封止ガラス３の内部歪が小さくなり、封止ガラス３が基板から剥離し難くなり、また発光素子１にダメージを与えない。また、発光素子１を封止ガラス３で封止することで水分の浸入も防ぐことができることから、長期信頼性の高い発光素子モジュールを提供できる。
またホーロー基板は、コアに金属を用いた基板であり、放熱性が良好であることから、発光素子１の動作時の温度（ジャンクション温度）を低減することが可能であり、長期信頼性の高い発光素子モジュールを提供できる。

本実施形態の発光素子モジュール７において、発光素子１として紫外線発光素子を用いた場合、この紫外光を発する発光素子モジュール７は、例えば、殺菌ランプ装置や紫外線硬化型樹脂硬化用ランプ装置に適用することができる。

次に、本発明の発光素子モジュールの別な実施形態を説明する。本実施形態の発光素子モジュールは、図１に示す発光素子モジュール７と同様の構成要素を備えて構成され、封止ガラス３に発光素子１から発する紫外光で励起されて可視光を発光する蛍光体が含まれ、可視光を出射する構成になっている。

紫外線発光素子、紫外線励起青色発光蛍光体、紫外線励起緑色発光蛍光体及び紫外線励起赤色発光蛍光体を組み合わせることによって、白色ＬＥＤを構成することができる。本実施形態においては、発光素子１として紫外線ＬＥＤを用いるとともに、封止ガラス３中に前述した三種類の蛍光体を混ぜて紫外線発光素子を封止することによって白色ＬＥＤモジュールを実現できる。

ここで、使用する蛍光体について説明する。本発明で使用する青色発光蛍光体としては、紫外線を受けて青色に発光するものであればよく、例えば、ハロリン酸塩蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ケイ酸塩蛍光体などが挙げられる。また、賦活剤としては、例えばセリウム、ユーロピウム、マンガン、ガドリニウム、サマリウム、テルビウム、スズ、クロム、アンチモン等の元素を挙げることができる。緑色発光蛍光体としては、紫外線を吸収して緑色に発光するものであればよい。例えば、２価のマンガンおよびユーロピウムで賦活されたアルカリ土類アルミン酸塩蛍光体や、３価のテルビウムおよびセリウムで賦活された希土類珪酸塩蛍光体などが挙げられる。赤色発光蛍光体としては、紫外線を吸収して赤色に発光する蛍光体であれば特に限定はない。紫外線を吸収して赤色に発光する蛍光体としては、例えば、ユーロピウムで賦活された酸化イットリウムやその複合酸化物、ユーロピウムで賦活されたフッ化物蛍光体などが挙げられる。

一方で、封止ガラス３中には、可視光を吸収する材料であるＭｎＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、およびＣｅＯ_２を実質的に含有しないことが望ましい。

本実施形態の発光素子モジュールは、前述した通り白色ＬＥＤモジュールを構成することにより、照明装置に適用することができる。
また、紫外線発光素子と紫外線励起青色発光蛍光体、紫外線励起緑色発光蛍光体又は紫外線励起赤色発光蛍光体をホーロー基板に適宜配置することで、表示装置を構成することもできる。
同じく、青色発光素子、黄色発光素子又は赤色発光素子をホーロー基板に集中して配置することで、交通信号機を構成することもできる。

なお、前述したのは主として紫外線発光素子に関しての内容であるが、その他、青色発光素子と青色励起蛍光体の組み合わせでガラス封止する構成、赤色ＬＥＤなど他色のＬＥＤの封止に本発明を適用してもよい。いずれの場合でも、ガラスで発光素子を封止することにより、発光素子を外気の水分から保護することが可能となり、発光素子の信頼性が向上する。

コア金属を低炭素鋼板とし、所定の寸法に裁断し、発光素子を実装する反射カップ形状をドリルなどの機械加工により形成した。また、ガラス粉末を適当な分散媒に分散させ、前記コア金属をその分散媒中に入れ、さらにコア金属と対向する位置に金属電極を配置し、コア金属と金属電極間に電圧をかけ、分散媒中のガラス粉末をコア金属に電着させた。ガラス粉末を電着した後、コア金属を高温で焼き付け、ホーロー層を形成した。その後、ホーロー層上に銀ペーストを所望の電気回路となるように塗布し、再度高温炉に入れて焼き付けした。

次に、紫外線発光素子をホーロー基板に実装した。発光素子としては、窒化ガリウム系化合物半導体のＬＥＤを用い、その発光波長は３６０ｎｍである。発光素子は、銀ペースト材を用いてホーロー基板の電極上に実装した。

その後、低融点ガラスを反射カップ内に充填して発光素子を封止し、図１に示す構造の発光素子モジュールを製造した。封止に使用した低融点ガラスは、表１に示す組成の軟化点が３７５℃の低融点ガラスを用いた。

ホーロー基板のホーロー層の厚みを変量して、幾つかのサンプルを作製し、全種類について同様に紫外線発光素子の実装と低融点ガラスによる封止を行った。
その後、各モジュールを５００サイクル、−４０〜８５℃のヒートサイクル試験（以下、ＨＣ試験と記す。）で発光素子モジュールの信頼性を調べた。結果を表２に示す。

表２の結果から、ホーロー層の厚みが１００μｍ以上の場合に、前記ＨＣ試験を行っても発光素子にダメージが生じないことを確認した。一方でホーロー層の厚みが１００μｍ未満の場合、ＨＣ試験後に発光素子が破壊したり、ホーロー基板と封止ガラスが剥離するなど、封止ガラスの内部応力が起因すると考えられる不良が発生した。この結果から、コア金属に厚さ１００μｍ以上のホーロー層を設けたホーロー基板に発光素子を実装し、低融点ガラスで封止する構造が、紫外線発光素子の封止構造として最適であると言える。

また、蛍光体を低融点ガラスに混ぜることにより、封止ガラスとホーロー基板の間の接合が問題ないかどうか確認するため、低融点ガラスに蛍光体を混入した以外は、前記と同様の試験を行った。その結果、同様にホーロー層の厚みを１００μｍ以上とすることにより、信頼性上の問題は発生しなかった。

本発明の発光素子モジュールの一実施形態を示す断面図である。 従来の発光素子パッケージ構造を例示する断面図である。

符号の説明

１…発光素子、２…ワイヤボンド、３…封止ガラス、４…電極、５…ホーロー層、６…コア金属、７…発光素子モジュール。

Claims (9)

1. コア金属をホーロー層で被覆したホーロー基板に発光素子を実装した発光素子モジュールであって、前記発光素子を低融点ガラスで封止したことを特徴とする発光素子モジュール。
2. 前記ホーロー基板のホーロー層の厚みが１００μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子モジュール。
3. 前記発光素子が紫外線発光素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子モジュール。
4. 請求項３に記載の発光素子モジュールを有する殺菌ランプ装置。
5. 請求項３に記載の発光素子モジュールを有する紫外線硬化型樹脂硬化用ランプ装置。
6. 前記発光素子が紫外線発光素子であり、かつ前記封止ガラスに前記発光素子から発する紫外光で励起されて可視光を発光する蛍光体が含まれ、可視光を出射することを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子モジュール。
7. 請求項６に記載の発光素子モジュールを有する照明装置。
8. 請求項６に記載の発光素子モジュールを有する表示装置。
9. 請求項６に記載の発光素子モジュールを有する交通信号機。
   

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