JP4876685B2 - ガラス封止発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス封止発光素子の製造方法に関する。

発光ダイオードを用いた光源（以下、ＬＥＤランプという）は、小型で、高効率な光源であり、かつＬＥＤランプは玉切れの心配がないなど高信頼性を有する。近年青色発光ダイオードが発明され、従来の緑、赤色の発光ダイオードと組み合わせることにより、フルカラーディスプレイ用の光源の作製が可能となる。

一方、青色の発光と色変換材料を組み合わせることにより、白色発光を得る方法も開示されている（特許文献１参照）。この方法で得られた白色ＬＥＤランプは、携帯電話のバックライトとして利用されている。

図２０は、従来のＬＥＤランプの断面図である。発光ダイオードチップ１０１はボンディングワイヤ１０４により、電極１０２および１０３に接続され、樹脂１０５でモールドされている。樹脂モールドは、発光ダイオードの保護および、出射光指向性の制御の役割を果たしている。砲弾型の樹脂封止構造では、先端部に球面形状を有している。発光ダイオードと球面の距離およびその曲率半径で、出射光の指向性を制御している。一方で、発光ダイオードの短波長化および高輝度化が進んでいる。

短波長化については、紫外領域で発光させる取り組みが行われている。赤、青、緑の色変換材料と組み合わせることで、色再現性のよい紫外光が得られる。１個当たりの高輝度化を達成できれば、所定の光量を得るのに少数の発光ダイオードチップでまかなうことができる。また、屋外のように外光が強い場合でも光源として使用することができるようになる。

しかし、発光ダイオードに用いられる封止樹脂の劣化が問題となっている。従来用いられていたエポキシ系樹脂では、青や紫外線による分解が著しい。透明樹脂が茶色に変色して結果として出射光量が低下してしまう。これは、エポキシ樹脂中の存在しているエポキシ環に酸素のある状態で紫外線が当ると、開環し、その構造が可視光域に吸収を持つからである。最近シリコーン系の樹脂が適用されるようになっているが、エポキシ樹脂と比較して変色の程度は改善される。しかし、変色による出射光量の低下が依然として起こる。
特に短波長、高輝度の発光ダイオードの場合には、問題となっている。

また、従来の封止樹脂は屈折率が１．４〜１．６であるのに対し、発光ダイオードを構成する膜や基板は屈折率が２．４〜２．５と高い。この屈折率の差が原因となって、発光ダイオードから出射した光は樹脂界面で反射する。そのため、光の取り出し効率が悪い。
さらに従来の封止樹脂は熱伝導率が小さいため、放熱性が悪く、温度上昇による色変化、ひいては輝度劣化の原因となっている。一方、ガラス材料は耐光性に優れ、紫外線および青色光に対して殆ど劣化しない。また材料組成を選べば屈折率および熱伝導率の高いガラスを作成することができる。

従って、ガラス材料で発光ダイオードを封止できれば、光取り出し効率が改善し、かつ出射光による劣化、放熱の問題が低減できる。ガラスを用いた発光ダイオードのモールド部材としては、特許文献２にその例がある。ここでは、発光ダイオード用色変換部材としてガラス材料が挙げられているが、そのガラスは窓材のものである。この場合発光ダイオードからの出射光は一度空気あるいは、窒素などの屈折率が１と低い媒体に直接出るため、界面での反射成分が大きく、光り取り出し効率が著しく低下する。また放熱性の問題が残る。

これに対して、ＧａＮをガラスで封止する技術も知られている（特許文献３参照）。その実施例の一つを図２１、図２２に示す。その構造は以下の通りである。
「この発光素子１０１０は、図に示すとおり、電力受送手段としてのマウントリード１０２１の上に発光素子１０１０を固定し、発光素子の上面の電極からマウントリード１０２１と他の電力受送手段としてのサブリード１０２２とへそれぞれボンディングワイヤ１０２３、１０２４が懸架されている。図２２に示すように、低融点ガラスからなる筒状体１０５８ａを準備し、これを発光素子１０１０とリード１０２１、１０２２の組み付け体１０２０に被せる。これを炉に入れて筒状体１０５８ａを軟化させる。その結果、筒状体１０５８ａはその材料の表面張力によりレンズ状に組み付け体１０２０を被覆することとなる。」

しかし、特許文献３では、発光ダイオードチップ１０２０およびボンディングワイヤ１０２３、１０２４を全て低融点ガラスによって被覆しているので、ボンディングワイヤが断線する可能性があると考えられる。また、低融点ガラスは一般に温度によって粘度が急激に変化するので、封止部材１０５８は扁平な形状になりやすい。このため、発光ダイオードチップ１０２０からの出射光の指向性を十分高めることが難しいと考えられる。
また、特許文献４では、封止時における封止部材の加圧力等が発光素子に付与されることに起因して生じる発光素子のバンプの変形、移動、バンプ間短絡等を防止できるようにした発光装置が示されている。
一方、本発明者らは、ＴｅＯ_２およびＺｎＯを主成分とするガラスで封止された発光装置を提案した（特許文献５参照）。この場合、ＬＥＤの平均線膨張係数が８５×１０^−７／℃であるのに対して、ガラスの平均線膨張係数は７５×１０^−７〜１４０×１０^−７／℃である。したがって、ガラス封止後に発生する残留応力は、特許文献３に比較して小さいことが見込まれる。それ故、特許文献５に記載のガラスによれば、特許文献３のようにＬＥＤに応力緩和部を設けずとも、応力に起因する破壊のおそれを低減することが可能となる。

特許第３３６６５８６号公報 特開２００３−２５８３０８号公報 国際公開第２００４／０８２０３６号パンフレット 特開２００６−５４２１０号公報 特開２００５−１１９３３号公報

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、出射光の指向性を向上させることのできるガラス封止発光素子を提供することにある。

また、本発明の目的は、断線を低減し、また、出射光の指向性を向上させることのできる発光素子付き回路基板、ガラス封止発光素子の製造方法およびガラス封止発光素子の実装方法を提供することにある。

本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の第１の態様は、発光素子と、前記発光素子を封止するガラス部材とを備え、前記ガラス部材の上側の表面形状は曲面によって構成され、下側の表面形状の少なくとも一部に曲面を備え、前記発光素子の端子側の面の少なくとも一部が前記ガラス部材から露出していることを特徴とするガラス封止発光素子に関する。
本発明の第１の態様において、前記ガラス部材の下側の表面形状に平坦である部分を含み、前記平坦である部分に前記発光素子が配置されていることが好ましい。

本発明の第１の態様において、表面形状が曲面である部分において、発光素子の端子側の面に対して水平方向の主軸に沿う径Ａおよび鉛直方向の主軸に沿う径Ｂと、表面形状が平坦である部分の径Ｃとの間には
Ａ＞Ｂ＞Ｃ
の関係が成立することが好ましい。また、さらに
（Ｃ／Ａ）≦０．６
の関係が成立することが好ましい。
発光素子は、正面視で矩形状の半導体チップであり、ガラス部材の曲面である部分の曲率半径は、発光ダイオードチップの１辺の長さの２．５倍以上であることが好ましい。また、曲面は、球面または回転楕円体面の一部であることが好ましい。発光素子は、ＬＥＤおよび半導体レーザのいずれか一方とすることができる。ガラス部材は、ＴｅＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３およびＺｎＯを含むことが好ましい。前記発光素子に備えられた半導体基板の熱膨張係数α_１と前記ガラス部材の熱膨張係数α_２との間に、
｜α_１−α_２｜＜２０×１０^−７（℃^−１）
の関係が成立することが好ましい。さらに、
｜α_１−α_２｜＜１５×１０^−７（℃^−１）
の関係が成立することがより好ましい。また、前記ガラス部材の屈折率が１．７以上であることが好ましい。

本発明の第２の態様は、上記ガラス封止発光素子と、この発光素子に設けられている端子と電気的に接続された基板とを備えたことを特徴とする発光素子付き回路基板に関する。

本発明の第３の態様は、発光素子の上に固体のガラス部材を載置する工程と、前記発光素子および前記ガラス部材を加熱し、この加熱によって固体のガラス材料を溶融し前記ガラス部材と前記発光素子との当接部を密着させる工程と、前記溶融されたガラス部材および前記発光素子を徐冷する工程とを有することを特徴とするガラス封止発光素子の製造方法に関する。この場合、溶融ガラスに対する濡れ性の低い離型材で覆われた面に発光素子を載置する工程を有することが好ましい。

本発明の第４の態様においては、発光素子を載置するための凹部を備えた治具を用い、この凹部内に発光素子およびガラス材料を載置してからこれらを加熱処理することにより、凹部の内側形状を利用してガラス部材を成形することが好ましい。

また、発光素子の近傍に色変換材料が分散しているガラス部材を形成し、その後に、色変換材料を含まないガラス部材を色変換材料を含むガラス部材を覆うようにして形成することができる。また、前記発光素子が達する最高温度が、ガラス部材の軟化点よりも、８０〜１５０℃高い温度であることが好ましい。より好ましくは、１１０〜１５０℃高い温度であることが好ましい。
本発明において、軟化点の測定は、測定の精度が±１５℃である簡易的な方法で行った。その測定法は以下の通りである。直径５ｍｍ、長さ２０ｍｍの円柱状に加工したサンプルについて、マックサイエンス社製熱機械分析装置ＤＩＬＡＴＯＭＥＴＥＲ（商品名）を用い、サンプルの伸びの検出部を押す圧力を４．９ｋＰａ（１０ｇの加重）、昇温速度を５℃／分として、サンプルが軟化してサンプルの伸びの検出部を押すことができなくなる温度（屈服点）を求め、これを軟化点とした。
たとえば、後述するＴｅＯ_２含有のガラス部材の場合において、加熱の結果としての最高到達温度を６００〜６２０℃とすることができる。なお、ＴｅＯ_２含有のガラス部材において、その組成を調整することで、実施例の場合よりも低温域である、５６０〜５７０近傍の温度での処理に適合させることができる。
さらに、発光素子を構成する半導体基板の熱膨張係数α_１とガラス部材の熱膨張係数α_２との間に、
｜α_１−α_２｜＜２０×１０^−７（℃^−１）
の関係が成立することが好ましい。さらに、
｜α_１−α_２｜＜１５×１０^−７（℃^−１）
の関係が成立することがより好ましい。発光素子は、ＬＥＤおよび半導体レーザのいずれか一方とすることができる。

本発明の第５の態様は、上記のガラス封止発光素子を配線付き基板に実装する工程を有することを特徴とするガラス封止発光素子の実装方法に関する。第５の態様において、発光素子が、半導体基板と、この半導体基板の主表面側に形成された発光部と、この発光部に給電するための端子とを備える場合、ガラス封止発光ダイオードチップの実装方法は、発光素子をガラス部材により封止する工程と、発光素子のｐ側およびｎ側の両端子にバンプを形成する工程と、バンプと配線付き基板の配線とを電気的に接続する工程とをさらに有することができる。発光素子は、ＬＥＤおよび半導体レーザのいずれか一方とすることができる。

本発明によれば、発光素子の封止材料として耐光性に優れたガラス材料を適用できる。
そのため、発光素子を光源として、出射光の指向性を制御できる。ガラス材料を採用することで、従来技術における封止樹脂の変色による輝度低下などの問題を解消できる。また高屈折率のガラスを用いれば、発光素子からの光取り出し率を向上させることができる。
さらにガラス材料は樹脂よりも、熱伝導性が良いため、特に高輝度ＬＥＤで問題となる放熱性も改善される。また色変換材料をガラス中に分散する態様においては、発光色と変換された色の混色により所望の色光を得るだけでなく、電子デバイスとしての放熱性を改善することができる。このように、耐光性、光り取り出し効率、放熱性のいずれか一つ以上に優れたガラスにより封止された発光素子を作製できる。かつ所定の曲面形状を形成することで、出射光の指向性を制御することもできる。

次に、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１（ａ）は本発明に係るガラス部材の一実施形態を示す斜視図、同図（ｂ）はＩｂ−Ｉｂ’線断面図である。本発明は、半導体製の発光ダイオードチップの表面の少なくとも一部に、例えば図１（ａ）に示すガラス部材１２を密着させる。この構造をとることで、耐光性や光取り出し率の優れたガラス封止発光素子を提供できる。

発光素子としては、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）または半導体レーザ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）などのチップを用いることができる。本実施の形態においては、ガラス部材を溶融する際の熱処理により劣化しないものであることが好ましい。一般に、バンドギャップの大きいものほど耐熱性が高くなるので、発光光が青色である発光ダイオードまたは半導体レーザが好ましく用いられる。例えば、発光光の主ピーク波長が５００ｎｍ以下である発光ダイオードまたは半導体レーザ、より詳しくは、ＧａＮおよびＩｎＧａＮなどの窒化物半導体、または、ＺｎＯおよびＺｎＳなどのII−VI族化合物半導体などを用いた発光ダイオードまたは半導体レーザを用いることができる。

また、ガラス部材１２は、屈折率が１．７以上（好ましくは１．７から２．０、さらに好ましくは１．７から１．８）の材料である。屈折率が大きいほど、発光ダイオードチップからガラス部材への光の取り出し効率が上がり、出射光の指向性もよく好適である。
特に、ガラス部材１２には、軟化点が５００℃以下、温度５０℃〜３００℃における平均線膨張係数が６５×１０^−７／℃〜９５×１０^−７／℃、波長４０５ｎｍの光に対する厚さ１ｍｍでの内部透過率が８０％以上であって、この光に対する屈折率が１．７以上であるものが好ましく用いられる。このようなガラスであれば、屈折率が大きく、また、基板１０との熱膨張係数差も小さいので、光の取り出し効率を損なうことなしに発光ダイオードチップ１１を被覆することができる。具体的には、ＴｅＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３およびＺｎＯを含むガラスが好ましく用いられる。特に、ＴｅＯ_２の含有量が１０ｍｏｌ％以上であるものが好ましい。ＴｅＯ_２の含有量が多くなるほど、屈折率を高くすることができるからである。
次に、本発明における第１の手法を説明する（フローチャートを示す図１８を参照）。まず、平板上に所望の方向に載置した発光素子の上部にガラス部材のブロック（細片）を載置する。その後、加熱処理を行い（全体雰囲気の昇温）、ガラス部材を溶融し、溶融したガラス部材を発光素子へ被着せしめ、さらに、ガラス部材に、曲面からなる上側の表面形状と、下側の表面形状の少なくとも一部に曲面を形成し、その後、加熱処理を停止し、徐冷工程に移行する。最終的にガラス部材を固化せしめて、所望のガラス封止発光素子を得ることができる。発光素子の端子が備えられた面の一部に若干のガラスが付着したとしても、発光素子の電気的駆動および発光動作に支障がなければ問題はない。
この際、ガラス部材のブロックの主表面をあらかじめ鏡面仕上げとし、ガラス部材を溶融した際に不用な泡の発生を防止することができるので好ましい。また、ガラス部材のブロックは所定の大きさ、質量のものを作成または選定して用いるようにすることが好ましい。
なお、ガラス部材の体積と発光素子の大きさとの関係を適宜調整することで、ガラス部材が発光素子に接した状態のままで、溶融したガラスを発光素子の上部で略球状に形成し、その後、徐冷することで、ガラス部材の下側先端の部分が平板側に接することなく、発光素子をガラス部材の表面に僅か埋設させ、平坦である部分の面積を減少させた形状、のガラス封止発光素子を得ることもできる。
次に、所定の形状を有するガラス部材（プリフォーム）をあらかじめ形成して用いる第２の手法を説明する。ガラス部材の上側の表面形状を曲面で構成し、下側の表面形状の一部に曲面および平坦である部分を備えた構造のものである。
まず、離型性を有する平板の上にガラス材料を載置した後に、加熱によりガラス材料を溶融することによって行われる。ここで、離型性を有する平板は、表面に離型材層が設けられた平板であってもよいし、離型性を有する材料からなる平板であってもよい。離型性を有する材料としては、窒化ホウ素またはカーボン（特に、ガラス質カーボン）などが挙げられる。但し、カーボンを用いる場合には、真空中または窒素などの不活性ガス雰囲気下で処理することが必要となる。
本発明において、ガラス部材の表面形状における「平坦である部分」は、ガラス部材と平板とが接触している部分に形成される。従って、平坦である部分の形状は、平板の表面形状に概ねしたがうものとなる。尚、この平坦である部分は、図１の平坦な表面１２ｂに対応する。
例えば、離型材（溶融ガラスに対する濡れ性の低い部材）で被覆された基板（例えばアルミナ製）１０上で、固形またはペースト状のガラス材料を昇温により溶融し、材料自身の凝集作用により、表面形状の少なくとも一部が曲面、好ましい態様としては、略球状になった状態を得る。そして、その状態の溶融ガラスを徐冷し、その形状を固定することでガラス部材を形成できる。

但し、ガラス部材が発光素子に対して相対的に大きな場合には、凝集力よりも相対的に重力の影響を受けるため、後述する実施例の場合には、凝集したガラス部材１２の表面形状は、回転楕円体等の曲面体に近似した表面１２ａと、基板１０と接する平坦な表面１２ｂとで構成される。表面１２ａは、ガラス部材１２の表面形状の「曲面である部分」に対応する。また、表面１２ｂは、ガラス部材１２の表面形状の「平坦である部分」に対応する。
ガラス部材１２の形状は、表面１２ａにおいて、基板１０に対して水平方向の主軸に沿った径Ａと、鉛直方向の主軸に沿った径Ｂと、表面１２ｂの径Ｃとの３種類のパラメータで規定される。尚、後述するように、発光ダイオードチップは、端子側の面を下方にして基板１０の上に載置された状態でガラス部材１２によって封止されるので、「基板１０に対して水平方向」とは、発光ダイオードチップの端子側の面に対して水平方向と言い換えることもできる。鉛直方向についても同様である。
径Ａ，Ｂ，Ｃの間には
Ａ＞Ｂ＞Ｃ
の関係が成立する。本発明においては、曲面は、球面または楕円体面の一部であることが好ましい。特に、ガラス部材１２が球形に近いほど、出射光の指向性が高くなることから
（Ｃ／Ａ）≦０．６
の関係が成立することが好ましい。
ガラス部材１２が搭載される発光ダイオードチップは、その大きさが正面視で０．３ｍｍ□程度と非常に微細であることからガラス部材１２も微細かつ軽いものでよい。そのため、表面１２ａの形状は、実質的には球面に近似した形状となる。なお、ガラス球に対して、発光ダイオードベアチップが十分小さければ、点光源として近似でき、出射光の指向性が良いため、ガラス部材の球面である部分の曲率半径は、発光ダイオードチップの１辺の長さの２．５倍以上であることが好ましい。換言すると、径Ａについて
（Ａ／２）≧２．５
の関係が成立することが好ましい。

尚、ある温度において、ガラスは、その表面エネルギーと基板の濡れ性によって定まる形状（球形状）になろうとするが、実際には、これに自重による変形が加わることによって最終的な形状、すなわち平衡状態で得られる形状が決定される。ガラス材料の重量が小さいほど、ガラス部材の表面形状は球面に近くなる一方で、ガラス材料の重量が大きくなると、ガラス部材の表面形状は扁平に近くなる。ガラス部材が球形に近いほど、出射光の指向性は高くなるので、ガラス材料の重量は小さい方が好ましい。本発明においては、径Ａが１ｃｍ程度までのガラス部材であれば使用可能であると考えられる。
基本的に、ほぼ球状の形態を得ることができる。また、変形の程度が大きければ楕円体の形態になると考えられる。

次に、本発明に係るガラス封止発光ダイオードチップの構造等について説明する。
図２は本発明に係るガラス封止発光ダイオードチップの一実施形態を示す斜視図であり、図３はＩＩＩ−ＩＩＩ’線断面図である。これらの図に示すガラス部材１２は、図１（ａ）に示したものと同等のものであり、発光ダイオードチップ１１は、平坦な表面１２ｂに設けられている。
これらの図に示すように、離型材で被覆された基板１０の上に、発光ダイオードチップ１１を端子１３を基板１０の側に向けて載置する。次いで、発光ダイオードチップ１１の上に、図１（ａ）で示したガラス部材１２を載せ、昇温して固体のガラス部材１２を軟化させる。すると、ガラス部材１２が重力によって下方に移動し、発光ダイオードチップ１１を取り囲んだ状態となる。ここで、ガラス部材１２の比重は発光ダイオードチップ１１の比重より大きいので、浮力によって発光ダイオードチップ１１はガラス部材１２中を上方に移動する。この移動距離ｒは、
ｒ ∝ Ｆ×ｔ×η^−１
によって表される。但し、Ｆは浮力、ｔはガラスの軟化時間、ηはガラスの粘度である。
浮力は、ガラスの比重と発光ダイオードチップの比重との差によって決まる。ここで、発光ダイオードチップの質量の大部分は基板によって占められるので、発光ダイオードチップの比重は基板の比重で近似できると考えられる。例えば、一般的な発光ダイオードチップに用いられる基板の比重は、サファイア基板で４．０ｇ／ｃｍ^３、ＳｉＣ基板で３．１ｇ／ｃｍ^３、ＧａＡｓ基板で５．３ｇ／ｃｍ^３である。一方、燐酸亜鉛系ガラスの比重は２．８ｇ／ｃｍ^３〜３．３ｇ／ｃｍ^３であり、ホウケイ酸亜鉛系ガラスの比重は２．６ｇ／ｃｍ^３〜３．０ｇ／ｃｍ^３である。さらに、ＴｅＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３およびＺｎＯを含み、且つ、ＴｅＯ_２の含有量が１０ｍｏｌ％以上であるガラスの内で、ＴｅＯ_２（４５．０％）、ＴｉＯ_２（１．０％）、ＧｅＯ_２（５．０％）、Ｂ_２Ｏ_３（１８．０％）、Ｇａ_２Ｏ_３（６．０％）、Ｂｉ_２Ｏ_３（３．０％）、ＺｎＯ（１５％）、Ｙ_２Ｏ_３（０．５％）、Ｌａ_２Ｏ_３（０．５％）、Ｇｄ_２Ｏ_３（３．０％）およびＴａ_２Ｏ_５（３．０％）の組成を有するものの比重は５．２ｇ／ｃｍ^３である。
発光ダイオードチップ１１が同じものであれば、ガラスの比重が大きくなるほど、移動距離ｒは大きくなる。すなわち、ガラス部材１２の内部に発光ダイオードチップ１１が大きくめり込むことになる。この場合、離型材で被覆された基板と発光ダイオードチップ１１との間に占める空間が大きくなるので、発光ダイオードチップ１１をガラス部材１２で被覆する際に、基板とガラス部材１２の間に閉じ込められた空気をこの空間に逃がして、ガラス部材１２の内部に気泡が生じるのを防ぐことができる。
以上のことを、図４（ａ）〜（ｃ）を用いてさらに詳しく説明する。
図４（ａ）は、離型材で被覆された基板１０上の発光ダイオードチップ１１の上に、ガラス部材１２を載せた状態を示したものである。加熱によってガラス部材１２を軟化させると、ガラス部材１２が重力によって下方に移動し、基板１０、ガラス部材１２および発光ダイオードチップ１１の間に閉空間Ｓが形成される。そして、発光ダイオードチップ１１の比重がガラス部材１２の比重より小さい場合には、図４（ｃ）に示すように、発光ダイオードチップ１１が矢印の方向に移動して、ガラス部材１２の中にめり込んだ状態となる。このとき、閉空間Ｓに閉じ込められた空気は、発光ダイオードチップ１１と基板１０の間に移動するので、ガラス部材１２の中に気泡が生じるのを防ぐことができる。
尚、一般的な低融点ガラス（例えば、燐酸−スズ−亜鉛系ガラスなど。）では、温度によって粘度が急激に変化するので、軟化したガラスを球状にするのは困難である。
このように、ガラス部材１２内部に発光ダイオードチップ１１の一部がめり込むと、両者の間に隙間が生じることなく、密着状態で発光ダイオードチップ１１の発光面にガラス部材１２が固定される。発光ダイオードチップ１１は、その端子側の面のみ露出して大部分がガラス部材１２内に埋没し、この場合チップの裏面からの発光のみならずチップの端面（チップを直方体として捉えた場合の側面）からの発光もガラス部材内で反射および伝播するため、光取り出し率を向上させる上で有効である。但し、ガラス部材がチップの裏面のみ封止するもの、チップの裏面全体および端面の一部がガラス部材内に埋没したもの、ガラス部材がチップの裏面の一部のみ封止するものの何れも本発明に含まれる。なお、製法の詳細については実施例において説明する。

図５は発光ダイオードチップの一実施形態を示す平面図であり、図６はＶ−Ｖ’線断面図である。図中の２１はｐ電極、２２はｎ電極、２３は発光部、２４はｐ型半導体層、２５はｎ型半導体層、２６は発光層、２７はサファイア基板である。発光ダイオードチップはサファイア基板上にＩｎＧａＮが半導体層として形成されている。発光ダイオードチップの一辺の長さは３００μｍの正方形であり、厚みは８０μｍである。電極はｎ、ｐいずれも、その表面は金で形成されている。ガラス封止時における発光ダイオードチップの耐熱性を高める点からは、金の膜厚を厚く形成した方が好ましい。

図７は、発光ダイオード付き回路基板の実施形態の一例の側面図である。図２に示したガラス封止発光ダイオードチップは、所定の基板に実装することで照明等の各種用途に用いることができる。基板には公知の各種のものを使用できる。例えばガラス基板である。
図７に部材の配置構成例を示す。ガラスエポキシで作られた基板１４の一方の面には、チップ１１の端子１３と電気接続するための二つの電極１５が形成され、電極１５の端部は基板１４の他方の面まで延在している。

チップ１１の各端子１３と基板１４の各電極１５とは、はんだバンプ１６を介してフリップチップ実装されている。本例では、チップ１１にガラス部材１２を取り付けてから、基板１４に実装する。なお、基板１４上に発光ダイオードチップ１１等を実装してから、さらにそれら全体を樹脂で被覆することで、水分による端子１３の劣化を防止できる。

本発明のガラス封止発光ダイオード付き回路基板によれば、発光ダイオードチップがガラスで封止されているので、従来の樹脂封止されたものに比較して、光束を大きくすることができる。一方、消費電力に関しては、樹脂封止されたものに比較して大きくなるので、光束と消費電力とがトレードオフの関係となる。消費電力が低下する一因としては、ガラス封止時の熱による発光ダイオードチップ（特に、電極部）の劣化が挙げられる。従って、耐熱性の高い発光ダイオードチップを用いることにより、消費電力の低減が図れると考えられる。

次に、本発明の実施例である例１〜例６について説明する。

（例１）
図８は、本発明に係るガラス封止発光ダイオードチップおよび発光ダイオード付き回路基板の製造プロセスの一実施形態を示すフローチャートである。また、図９は、製造プロセスにおける基板温度の履歴を示すグラフである。

最初に離型材付き基板を作製する（ステップＳ１）。基板として６インチ・シリコン・ウエハ（大阪チタニウム社製）を用い、離型材として、窒化ホウ素パウダー（化研興業社製ボロンスプレー）をスプレーした。窒化ホウ素パウダーはシリコン表面が見えない程度スプレーする。次に封止用のガラス部材を作製する。ここでガラス材料としては、以下の組成のものを用いた。すなわち、ＴｅＯ_２（４５．０％）、ＴｉＯ_２（１．０％）、ＧｅＯ_２（５．０％）、Ｂ_２Ｏ_３（１８．０％）、Ｇａ_２Ｏ_３（６．０％）、Ｂｉ_２Ｏ_３（３．０％）、ＺｎＯ（１５％）、Ｙ_２Ｏ_３（０．５％）、Ｌａ_２Ｏ_３（０．５％）、Ｇｄ_２Ｏ_３（３．０％）およびＴａ_２Ｏ_５（３．０％）である。

ここで、％はモル％である。本ガラス材料のガラス転移温度（Ｔｇ）は４５０℃であり、熱膨張係数（α）は８６×１０^−７（℃^−１）である。従って比較的低温で軟化し、かつ熱膨張係数が発光ダイオード基板の用いられるサファイア（α＝６８（Ｃ軸に平行）、５２（Ｃ軸に垂直））等に近い。発光ダイオードの基板の熱膨張係数α_１とガラス部材の熱膨張係数α_２とは、｜α_１−α_２｜＜１５×１０^−７（℃^−１）であることが好ましい。

また屈折率は４０５ｎｍで２．０１と高いため、発光ダイオードチップからの光の取り出し効率および光指向性が良いと考えられる。また、耐水性、耐酸性に優れており、ＬＥＤや半導体レーザ等の発光素子の封止材料として好ましく用いることができる。本ガラス片３０ｍｇを前述の離型材付き基板上に載せた（ステップＳ２）。

次いで、ガラス片の載った離型材付き基板を昇温する（ステップＳ３）。昇温には、マッフル炉ＦＰ４１（大和科学社製）を用いた。昇温レートは５℃／分として、２５℃から６１０℃まで昇温し、１５分保持した後に、５℃／分のレートで２５℃まで徐々に冷却した（ステップＳ４）。

この処理でガラス材料は、図１（ａ）に示したように、基板と接している部分に平坦部を有する球状になった。球の直径は２．０ｍｍ（寸法Ａ）であり、高さは１．９ｍｍ（寸法Ｂ）であり、底面は直径が０．８ｍｍ（寸法Ｃ）の円形であった。ついで、発光ダイオードチップを前記窒化ホウ素パウダーで被覆された基板上に載置する（ステップＳ５）。
発光ダイオードチップは青色発光チップ（昭和電工株式会社製 商品名ＧＢ−３０７０）であり、ｎ電極とｐ電極がチップの片面に配置され、発光ダイオードチップの端子が基板面を向くようにチップは基板上に載せられる。

発光ダイオードチップは小さくハンドリングが難しい。上記基板の上３ｃｍから散布し、散布した発光ダイオードチップのうち、端子部が基板面を向いた発光ダイオードチップに、先に用意した略球状のガラス部材をその底面の中心に発光ダイオードチップが配置されるように載せた。ついで発光ダイオードチップ、ガラス部材の載った離型材付き基板を上述のマッフル炉に入れ、加熱し冷却した（ステップＳ７、Ｓ８）。

さらに、以上の一連の工程とは別工程で、上記ガラス封止発光ダイオードチップを基板（例えば図７に示したもの）に実装することにより、発光ダイオード付き回路基板が得られる（ステップＳ９）。

なお、加熱レート、保持温度、保持時間、冷却レートはガラス部材作成時と同一である。また、ステップＳ７の加熱処理により発光ダイオードチップは、ガラス部材の内部に若干めり込むが、電極形成面にガラスは付着していない。得られたガラス封止発光ダイオードチップは、図２に示したとおりである。ガラス部材１２の寸法は、初期値とほぼ同じであった。ついで、ガラス部材１２で封止された発光ダイオードチップ１１に電圧を印加して、発光状態を確認した。

ここで、直流電源は、ＭＣ３５−１Ａ（菊水電子社）、端子と電源の接続にはマニュアルプローバを用いた。発光開始電圧は２．５Ｖであった。ここで発光開始電圧とは発光を視認できる電圧である。ガラス封止をしていないベアチップでの発光開始電圧は２．３Ｖであり、ガラス封止しても発光開始電圧は殆ど変わらない。印加電圧３．５Ｖ時の発光状態を図１０の写真に示す。

同図の中央部に位置する球状の物体が略球状のガラス部材であり、その周辺に白く光っている部位が発光によって照らし出された離型材で被覆された基板である。ガラス部材の中央には、同図からは視認し難いが発光ダイオードチップが密着固定されている。また、ガラス部材の中央近傍から突出する２本の黒い影は、チップの二つの端子に電気接続された電極である。

このように発光ダイオードが青色発光することを確認できた。
また、以上のようにして作られたガラス封止発光ダイオードチップの光束は２〜３ｌｍ程度が見込まれ、パワーＬＥＤを用いればさらに向上し、２０ｌｍは得られるものと推定される。また、出射光指向性について調べるため、計算機シミュレーションを行ったところ、図１１に示す視野角度（輝度が最大輝度の半分の値になる角度×２（開き角度））θが１５°以下（ガラス材料の屈折率次第では１０°以下も可能）であることを確認した。
さらに、発光ダイオードチップによる発光の主発光ピーク波長が、５００ｎｍ以下であることを確認した。

（例２）
例１と同じガラス材料カレット７．６１ｇを乳鉢と乳棒を用いて粉砕した後、黄色蛍光体Ｐ４６−Ｙ３（化成オプトニクス社製）３８１ｍｇを混合し、蛍光体入りフリットを得た。この蛍光体入りガラスフリットを３４ｍｇ小分けにして、６１０℃、１５分間加熱した。加熱速度、冷却速度は実施例１と同条件に設定した。これにより図１（ａ）と同様のガラス部材１２を形成した。

以下例１と同様に、離型材で被覆された基板に発光ダイオードチップおよび前述のガラス部材を載せ加熱し冷却すると、ガラス中に蛍光体が分散したガラス部材で封止された発光ダイオードチップが得られた。発光開始電圧は印加電圧２．４Ｖであり、白色の発光が得られた。

このように、発光ダイオードチップから出射した青色光がガラス体中の蛍光体で黄色に変換された。変換して得られた黄色と青色発光とが混色して白色発光していることが確認された。同様にして、例えば発光ダイオード近傍に、半径５００μｍ程度の蛍光体入りガラス材料を半球状に形成する。図１２に示すように、蛍光体入りガラスにより封止された発光ダイオードが得られる。３１は発光ダイオードチップであり、３２は蛍光体入り半球状のガラス部材である。

これの上に図１（ａ）に示した球状に成型されたガラス部材１２を載せて、加熱しその後、冷却すると図１３に示すような、発光ダイオード近傍に蛍光体が分散しているガラス部材封止物ができると考えられる。ここに、４１は先に形成した発光ダイオードを半球状のガラス部材で封止したものであり、４２はその後、載せたガラス部材である。この場合では、発光ダイオードのより近傍で青色光は一部黄色に変換され、黄色光と青色光とが混色されて白色を生じさせることができる。よって、点光源に近い白色光源となるため、より指向性が得られ易いと考えられる。なお、７１０℃において上記同様の実験も行ったが、蛍光体入りのガラスフリットが変色し灰色となり、所望の結果を得ることはできなかった。

（例３）
内径５．５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、高さ１０ｍｍの円筒形のパイレックス(登録商標)管５３（図１４（ａ））の内側に離型材として窒化ホウ素パウダーをスプレーし、発光ダイオードチップの載った離型材付き基板５０上に載せる。その後、実施例１と同じガラス材料３８１ｍｇを管５３の中に充填し、加熱し、冷却する。管５３と基板５０とは、ガラス部材を成形するための治具５４を構成する。加熱条件および冷却条件は例１と同じである。

冷却後、図１４（ｂ）に示すように先端部が表面張力により曲面形状のガラスで封止された発光ダイオードチップが得られた。５１が発光ダイオードチップであり、５２がそれを封止しているガラスである。寸法Ｄは５．５ｍｍ、寸法Ｅは２．１ｍｍ、寸法Ｆは１．５ｍｍであった。発光開始電圧は２．３Ｖであり、青色発光が確認された。この形状のガラス部材では、発光ダイオードと球面との距離を離型材の付いた型とガラスの量で変えられるため、指向性を制御することが可能となる。管５３内に投入するガラス材料の量を調整することで、チップを封止するガラス部材の長短（距離Ｅ＋Ｆ）を容易に調整でき、指向性を調整する上で好適である。なお、パイレックス（登録商標）管の替わりに、ＳＵＳ製の金属パイプ等を用いて同様の実験を行ったが、徐冷後にガラス部材をパイプ等の内部から取り出すことができず、実験を完了できなかった。

（例４）
まず、基板として６インチのシリコンウェハ（大阪チタニウム株式会社製）を用い、この基板の上に、表面が完全に被覆する程度に離型材をスプレー塗布して離型材層を形成した。離型材としては、窒化ホウ素の粉末（化研興業株式会社製 ボロンスプレー）を用いた。次いで、基板の上にガラス片を重量を変えて載せ、例１と同様の加熱処理をすることにより、全体が略球状で、離型材層と接している部分に平坦部を有する封止ガラスを形成した。ガラス材料としては、例１と同様のものを用いた。また、ガラス片の重量は、１０ｍｇ、２０ｍｇ、３０ｍｇ、６０ｍｇおよび９０ｍｇの５種類とした。

次に、上記の離型材層が設けられたシリコンウェハの上で端子部が基板面を向いた発光ダイオードチップを選び、この発光ダイオードチップが中心に位置するようにして、封止ガラスを発光ダイオードチップの上に載せた。そして、封止ガラスの形成と同様の条件で加熱および冷却を行った。これにより、電極面を露出した状態で封止ガラスに被覆された発光ダイオードチップを得た。尚、発光ダイオードチップとしては、豊田合成株式会社製のＥ１Ｃ６０−０Ｂ０１１−０３（商品名）を用いた。この発光ダイオードチップの大きさは、正面視で０．３２ｍｍ□程度であった。
上記の発光ダイオードチップ以外に、現在市場で利用されている各社の製品を本発明に適用することができる。たとえば、日亜化学株式会社、豊田合成株式会社、シャープ株式会社、昭和電工株式会社、株式会社東芝、米国のＣｒｅｅ社の製品などがあげられる。本発明において、発光ダイオードチップの形状は略六面体に限られず、勿論、他の形状であってもよい。発光ダイオードチップの発光部をガラス部材で封止し、その端子側の面がガラス部材の外部に露出する構造をとることができればよい。

図１５に、ガラス片の重量と、得られた封止ガラスの寸法（Ａ，Ｂ，Ｃ）との関係を示す。また、図１６に、寸法Ａと形状パラメータとの関係を示す。形状パラメータとしては、（Ａ／Ｂ）と（Ｂ／Ｂ’）の２種類を用いた。尚、Ｂ’は、封止ガラスが完全な球であったとしたときの鉛直方向の主軸に沿った径である。

図１５および図１６より、ガラス片の重量が小さいほど、封止ガラスの表面形状が球面に近くなることが分かる。一方、ガラス片の重量が大きくなると、寸法Ａに対して寸法Ｂが小さくなり、封止ガラスの表面形状は球面からずれた扁平な曲面に近くなる。これは、ガラス片の重量が大きくなると、自重の影響を受けやすくなるためである。そして、曲面を形成している部分の中心から平坦である部分までの距離Ｌは、ガラス片の重量が大きくなるほど短くなる。出射光の指向性は、封止ガラスの表面形状が球面に近いほど、また、距離Ｌが大きくなるほど高くなるので、図１５の例においては、封止ガラスの重量は６０ｍｇ以下（すなわち、（Ｃ／Ａ）≦０．６）であることが好ましい。

（例５）
例１と同様にして略球状のガラス部材を形成し、これを発光ダイオードチップ（豊田合成株式会社製 商品名Ｅ１Ｃ６０−０Ｂ０１１−０３）の上に載せた後、例１と同様にして発光ダイオードチップをガラス部材で封止した。次いで、例１と同様にして、ガラス封止発光ダイオードチップを基板に実装することにより、発光ダイオード付き回路基板を得た。この発光ダイオード付き回路基板の電流電圧特性を、例１で得られた発光ダイオード付き回路基板と比較した。図１７にその結果を示す。尚、図１７において、「樹脂封止」とは、封止されていない発光ダイオードチップ（豊田合成株式会社製 商品名Ｅ１Ｃ６０−０Ｂ０１１−０３）が実装された基板の上に、樹脂組成物（信越化学株式会社製シリコーン樹脂 商品名：ＬＰＳ３４００，屈折率１．４１）をポッティングし、１００℃で６０分間加熱した後、さらに１５０℃で６０分間加熱して得られた発光ダイオード付き回路基板を言う。

図１７に示すように、例５の発光ダイオード付き回路基板では、樹脂封止した発光ダイオード付き回路基板に比較して、消費電力が１３％程度増加した。さらに、例１の発光ダイオード付き回路基板では、消費電力が３１％程度増加した。
このようにガラス封止発光ダイオードの発光光を確認できた。その際、ガラス封止発光ダイオードの発光開始電圧が、ガラス封止前の値と同じであったことから、封止時の熱によってＬＥＤ発光層に損傷は生じていないものと考えられる。
また、ガラス封止発光ダイオードにおける消費電力の増大は、ガラス封止時の熱によって、ＬＥＤの電極が熱履歴を受け、それによって電極部の電気伝導特性に若干の変動が生じたためと考えられる。しかしながら、この程度の変化であれば、発光装置の実用性能上は殆ど問題のないレベルと考えられる。尚、ＬＥＤ等の半導体デバイスにおいて、耐熱性を有する電極構造が知られている。例えば、特開２００２−１５１７３７号公報、特開平１０−３０３４０７号公報および特開２００５−１３６４１５号公報などに開示された、特定材料による層構造を採用したＬＥＤを本発明に適用することによって、上記の電気伝導特性の変化を抑制できると思われる。
また、本発明によるガラス封止発光素子と、従来技術による樹脂封止発光素子との出射光の角度依存性を計測し、その結果を図１９に示す。本発明によると、出射光は０〜１０度付近で強い相対強度を示しており、中心部分に集光されていることがわかった。
もともと指向性のない出射光を有するＬＥＤに対し、本発明によるガラス封止を行った（樹脂封止品の特性カーブを参照：ほぼ平坦な出射光特性を示しており、ダイオードチップの出射光には指向性がほとんどないことがわかる。）。本発明によるガラス封止ダイオードチップにおいては、明確な指向性が発現した。従来技術の樹脂封止化ＬＥＤでも、その出射面側をレンズ形状とすることで、指向性を持たせることが理論的には可能であるが、樹脂の屈折率が小さいため、所望のサイズの樹脂部材で実用的な指向性を得るのは困難である。

例５の発光ダイオード付き回路基板に対して、２０ｍＡの電流を流した状態で温度８０℃で１，０００時間放置した。その後も、形状を保ったまま連続して発光していることを確認できた。

（例６）
例５で得られた発光ダイオード付き回路基板について、定格電流２０ｍＡでの光束を測定し、未封止のものおよび樹脂封止のものと比較したところ、表１のようになった。尚、「未封止」とは、封止されていない発光ダイオードチップ（豊田合成株式会社製 商品名Ｅ１Ｃ６０−０Ｂ０１１−０３）を基板に実装して得られた発光ダイオード付き回路基板を言う。また、「樹脂封止」とは、未封止の発光ダイオード付き回路基板の上に、樹脂組成物（信越化学株式会社製シリコーン樹脂 商品名：ＬＰＳ３４００，屈折率１．４１）をポッティングし、１００℃で６０分間加熱した後、さらに１５０℃で６０分間加熱して得られた発光ダイオード付き回路基板を言う。本発明のガラス封止発光ダイオード付き回路基板では、樹脂封止発光ダイオード付き回路基板に比較して光束が１５％程度向上した。

表１

以上説明した本発明は、ＬＥＤディスプレイ、バックライト光源、車載用光源、信号機、光センサー、インジケータ、集魚ランプ並びに自動車用のヘッドランプ、方向指示ランプおよび警告ランプなどに用いられる発光ダイオードまたは光ピックアップ等の各種の用途に用いられる。

（ａ）本発明に係るガラス部材の一実施形態を示す斜視図、（ｂ）Ｉｂ−Ｉｂ’線断面図である。 本発明に係るガラス封止発光ダイオードチップの一実施形態を示す斜視図である。 ＩＩＩ−ＩＩＩ’線断面図である。 発光ダイオードチップがガラス封止される際の模式図である。 本発明に係る発光ダイオードチップの一実施形態を示す平面図である。 Ｖ−Ｖ’線断面図である。 発光ダイオード付き回路基板の一実施形態を示す側面図である。 本発明に係るガラス封止発光ダイオードチップおよび発光ダイオード付き回路基板の製造プロセスの一実施形態を示すフローチャートである。 基板の温度履歴を示すグラフである。 本発明に係るガラス封止発光ダイオードチップの一実施例を示す図である。 本実施例における視野角度を示す説明図である。 本発明に係る発光ダイオードチップのその他の例を示す斜視図である。 本発明に係る発光ダイオードチップのその他の例を示す斜視図である。 （ａ）ガラス部材の製造に用いた管、（ｂ）発光ダイオードチップのその他の実施例を示す斜視図である。 本実施例におけるガラス片の重量と封止ガラスの寸法（Ａ，Ｂ，Ｃ）との関係を示す図である。 本実施例における寸法Ａと形状パラメータとの関係を示す図である。 本実施例における発光ダイオード付き回路基板の電流電圧特性を示す図である。 本発明の製造プロセスの他の実施形態を示すフローチャートである。 本発明と従来技術における出射光の角度依存性を示すグラフである。 従来例を示す断面図である。 他の従来例を示す断面図である。 他の従来例の製造過程における中間状態を示す斜視図である。

符号の説明

１０，１４，５０：基板
１１，３１，５１，１０１，２０１：発光ダイオードチップ
１２，３２，４２：ガラス部材
１２ａ，１２ｂ：表面
１３：端子
１５：電極
１６：はんだバンプ
２１：ｐ電極
２２：ｎ電極
２３：発光部
２４：ｐ型半導体層
２５：ｎ型半導体層
２６：発光層
２７：サファイア基板
５２：ガラス
５３：管
５４：治具
１０２，１０３：電極
１０４，２０５：ボンディングワイヤ
１０５：樹脂
２０２ サブマウント
２０３，２０４ リード
２０６ 封止部材

Claims (6)

1. 溶融ガラスに対する濡れ性の低い離型材で覆われた面に発光素子を載置する工程と、
   前記発光素子の上に固体のガラス部材を載置する工程と、
   前記発光素子および前記ガラス部材を加熱し、この加熱によって固体のガラス材料を溶融し前記ガラス部材と前記発光素子との当接部を密着させる工程と、
   前記溶融されたガラス部材および前記発光素子を徐冷する工程とを有することを特徴とするガラス封止発光素子の製造方法。
2. 前記発光素子を載置するための凹部を備えた治具を用い、この凹部内に前記発光素子およびガラス材料を載置してからこれらを加熱処理することにより、前記凹部の内側形状を利用してガラス部材を成形する請求項１に記載のガラス封止発光素子の製造方法。
3. 前記発光素子の近傍に色変換材料が分散しているガラス部材を形成し、その後に、色変換材料を含まないガラス部材を前記色変換材料を含むガラス部材を覆うようにして形成する請求項１または２に記載のガラス封止発光素子の製造方法。
4. 前記発光素子が達する最高温度が、ガラス部材の軟化点よりも８０〜１５０℃高い温度である請求項１〜３のいずれか１項に記載のガラス封止発光素子の製造方法。
5. 前記発光素子を構成する半導体基板の熱膨張係数α _１ と前記ガラス部材の熱膨張係数α _２ との間に
   ｜α _１ −α _２ ｜＜２０×１０ ^−７ （℃ ^−１ ）
   の関係が成立する請求項１〜４のいずれか１項に記載のガラス封止発光素子の製造方法。
6. 前記発光素子は、ＬＥＤおよび半導体レーザのいずれか一方である請求項１〜５のいずれか１項に記載のガラス封止発光素子の製造方法。

Images