JP5219331B2 - 固体素子デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード(Light-Emitting Diode:以下、「ＬＥＤ」という。）素子が放射する光を蛍光体で吸収し、異なる波長の光に波長変換して放射させる固体素子デバイス及びこれを用いた発光装置並びに固体素子デバイスの製造方法に関する。

ＬＥＤ素子から放射される光を蛍光体により波長変換して放射する発光装置として、例えば、蛍光体溶液をガラスシートの表面にスクリーン印刷して薄膜状に付着させた後、上記ガラスシートに別のガラスシートを重ね合わせて熱融着することにより波長変換部を形成し、この波長変換部をＬＥＤ素子が搭載されたリードフレーム上に封止して、耐光性及び均一な波長変換性が得られるようにした発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−１１９５３号公報

しかし、従来の発光装置によると、ガラス封止の構造にした場合、以下のような問題がある。
（１）封止温度（約６００℃）程度ではガラスの粘度が高く、蛍光体がガラスに均一に分散しない。
（２）蛍光体がガラスに均一に分散するまでガラスの粘度を下げるには、９００℃以上の高温が必要になる。しかし、このような高温ではＬＥＤ素子の電極が封止加工に耐えられないだけでなく、蛍光体とガラスとが化学反応してしまうという問題がある。
（３）封止材として、低温でも蛍光体が均一に分散する粘度を持つガラスを使用した場合、一般的にセラミックベースとＬＥＤ素子の熱膨張差が大きいため、ガラスにクラックが生じ、良好なガラス封止が行えない。

従って、本発明の目的は、蛍光体を均一にガラスに分散させることができる固体素子デバイス及びこれを用いた発光装置並びに固体素子デバイスの製造方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、電力受供給部上に固体素子を搭載する工程と、前記電力受供給部上の前記固体素子を波長変換部により封止する工程と、を備え、前記波長変換部により封止する工程は、封止用ガラス、及び当該封止用ガラスと同じ材料のガラス粉末と蛍光体粉末とを混合した混合物にホットプレス加工を施すことにより、前記封止用ガラスと前記混合物中の前記ガラス粉末を溶融して前記蛍光体粉末をガラス中に分散させ、前記封止用ガラスと一体的に前記固体素子の上方、あるいは上方及び側方にわたって蛍光体層又は蛍光部材を形成することを特徴とする固体素子デバイスの製造方法を提供する。

本発明の固体素子デバイスの製造方法によれば、蛍光体を均一にガラスに分散させることができ、従って封止用のガラスと蛍光体の化学反応を生じない温度で封止が行えるとともに、蛍光体の特性劣化を防止することができる。

［第１の実施の形態］
（固体素子デバイスの構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す。同図中、（ａ）は固体素子デバイスの断面図を示し、（ｂ）は（ａ）における固体素子の底面図を示す。

この固体素子デバイス１は、図１（ａ）に示すように、電力受供給部としてのセラミック基板１１と、このセラミック基板１１上に搭載された固体素子としてのＬＥＤ素子１２と、蛍光体層１３を内部に有するガラス封止部としての封止ガラス１４とを備える。ここで、蛍光体層１３と封止ガラス１４により、波長変換部２０を構成している。

セラミック基板１１は、回路基板等に実装した際、その接続に用いられる電極１５が下面に設けられており、内部には電極１５及びＬＥＤ素子１２に接続される配線、スルーホール（いずれも図示せず）等が形成されている。さらに、セラミック基板１１の上面には、ＬＥＤ素子１２と電気的な接続を行うための電極１６が設けられている。

ＬＥＤ素子１２は、ＧａＮ系半導体化合物により構成されており、上面から光が発光する。図１の（ｂ）に示すように、ＬＥＤ素子１２の下面には、ｐコンタクトＩＴＯ(Indium Tin Oxide)膜１２１が形成されており、その一部に金（Ａｕ）によるパッド電極１２２が設けられている。また、ｐパッド１２２の対角位置にはｎ側電極１２３が設けられている。パッド電極１２２及びｎ側電極１２３には、電極１６にも接続されるＡｕバンプ１７Ａ，１７Ｂが接続されている。なお、ＬＥＤ素子１２は、他の動作原理による発光素子（例えばレーザ素子）であってもよいし、受光素子であってもよい。また、ＩＴＯはＲｈ等の他の導電性材料であってもよい。

蛍光体層１３は、封止ガラス１４との密着性を良くするため、ガラスフィラー入り蛍光体を用いている。蛍光体は、例えば、セリウム（Ｃｅ）で付活されたＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)等を用いることができる。

封止ガラス１４は、例えば、無色透明な低融点ガラスであり、セラミック基板１１と同等の熱膨張率（例えば、７×１０^−６／℃）を有するものを用いる。

図２は、図１の固体素子デバイスの製造工程を示す概略図である。ＬＥＤ素子１２は、あらかじめセラミック基板１１上に実装されている。封止ガラス１４は、同一材料による２枚の封止ガラス１４Ａ，１４Ｂを用いて構成されている。封止ガラス１４Ｂには、蛍光体層１３が塗布またはスクリーン印刷されている。

蛍光体層１３は、ガラスフィラー入り蛍光体を溶剤に混ぜた蛍光体溶液を薄膜状に形成している。ガラスフィラーは、封止ガラス１４Ａ，１４Ｂと同じ材料の粉末ガラスであり、ガラス封止加工におけるホットプレス加工時に溶融して蛍光体をガラス中に分散させる。

蛍光体層１３が形成された封止ガラス１４Ｂに、蛍光体層１３が内側になるようにして封止ガラス１４Ａが重ね合わせられ、ＬＥＤ素子１２が中心になるようにＬＥＤ素子１２の上方に位置決めされる。この状態で図示しない一対の金型を用いてホットプレス加工を行うことにより、ＬＥＤ素子１２が図１のように封止され、固体素子デバイス１が完成する。なお、ホットプレス加工を真空雰囲気内で行うことにより、波長変換部２０内に気泡が発生するのを防止することができる。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）蛍光体層１３は、ガラス粉末をフィラー材として混ぜることにより、蛍光体がガラスに良好に混合され、ガラス封止時に分散される。その後、通常のガラス封止加工を行う。この結果、封止ガラス１４と蛍光体層１３の蛍光体が化学反応を生じない６００℃程度の低い温度で封止が行えるので、蛍光体の特性を劣化させることがない。また、蛍光体とガラス粉体が混ぜられていることにより、ホットプレス封止加工時の密着性が向上し、蛍光体のない場合同等のものとできる。
（２）封止ガラス１４の内部に蛍光体層１３を挟み込むことができるため、固体素子デバイス１のみの単体による白色光化が可能になる。

［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す。本実施の形態は、第１の実施の形態において、蛍光体層１３が封止ガラス１４Ａ、１４Ｂの側端面に達する構成にしたものである。なお、以下の説明において、第１の実施の形態と同一の構成および機能を有する部分については同一の符号を付している。

（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によれば、上面全域を波長変換部２０としても第１の実施の形態と同様に蛍光体とガラス粉体とが混合されることにより、ホットプレス封止加工時の密着性が向上するため、封止ガラス１４Ａ、１４Ｂによる封止性を損なわないものにすることができる。これにより、上面端部から蛍光体変換されない光が外部放射されることを防ぐことができる。

［第３の実施の形態］
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す。本実施の形態は、第１の実施の形態において、蛍光体層１３が封止ガラス１４の周囲を包囲する構成としたものであり、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

（第３の実施の形態の効果）
第３の実施の形態によれば、封止ガラス１４の側面から放射される光に対しても波長変換が可能になる。また、横漏れ光が生じない構成となり、漏れ光の遮光対策を不要とできる。

［第４の実施の形態］
図５は、本発明の第４の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す。本実施の形態は、第１の実施の形態で説明した固体素子デバイス１の封止ガラス１４の側面に反射部材１８を設けたものであり、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

反射部材１８は、銀等のメッキ、高反射性を有する塗料の塗布、薄膜の蒸着、シートの貼着等により形成することができる。なお、反射部材１８は、これに代えて、遮光部材や蛍光体層を設ける構成にしてもよい。

（第４の実施の形態の効果）
第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態の好ましい効果に加えて封止ガラス１４の側面から放射される光が反射部材１８によって内側に反射されるため、蛍光されていない横漏れ光が、外部に漏れないように遮光することができ、封止ガラス１４からの光出射効率を高めることができる。

［第５の実施の形態］
図６は、本発明の第５の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す。本実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態において、封止ガラス１４Ｂに相当する部材を蛍光部材１９にするとともに、ＬＥＤ素子１２の全体を包囲するように蛍光部材１９を封止したものであり、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

蛍光部材１９は、ガラス粉末と蛍光体粉末を混合し、ホットプレスにより形成される蛍光体含有ガラスである。クラック等の発生を防止するために、ガラス材の熱膨張率はセラミック基板１１と同等であることが望ましい。

図７は、図６の固体素子デバイスの製造工程を示す概略図である。ＬＥＤ素子１２は、あらかじめセラミック基板１１上に実装されている。封止ガラス１４とこれよりサイズの小さい蛍光部材１９は、重ね合わせた状態で、ＬＥＤ素子１２の上方に位置決めされる。この状態で図示しない一対の金型を用いてホットプレス加工を行う。このホットプレス加工及び蛍光部材１９の作製を真空雰囲気内で行うと、波長変換部２０内に気泡が残留するのを防止することができる。以上により、図６のように、蛍光部材１９によってＬＥＤ素子１２が封止され、さらに蛍光部材１９が封止ガラス１４によって封止された固体素子デバイス１が完成する。

（第５の実施の形態の効果）
第５の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）蛍光部材１９は、ガラスとの混合体であるため、封止ガラス１４との密着性を良好にすることができる。
（２）波長変換部２０が封止ガラス１４と蛍光部材１９の２つで構成されるため、蛍光体の使用量を低減でき、コストダウンを図ることができる。
（３）蛍光部材１９がＬＥＤ素子１２の全体を覆っているため、ＬＥＤ素子１２から放射される光の殆どを効率良く波長変換することができるとともに
発光源の見かけ上のサイズが大になることを防げる。このことは集光性を要求される用途への適用性を高める。

［第６の実施の形態］
図８は、本発明の第６の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す。また、図９は、図８の固体素子デバイスの製造工程を示す概略図である。

本実施の形態は、図６の第５の実施の形態において、封止ガラス１４と蛍光部材１９を入れ換えたものであり、その他の構成は、第５の実施の形態と同様である。

（第６の実施の形態の効果）
第６の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）蛍光部材１９とＬＥＤ素子１２と蛍光部材１９の間に封止ガラス１４が介在し、蛍光部材１９がＬＥＤ素子１２に対して距離を有するため、ＬＥＤ素子１２から発せられる光により蛍光部材１９がダメージを受けるのを軽減することができる。
（２）ＬＥＤ素子１２の側面部に蛍光部材１９を封止することにより、蛍光されていない光の遮光対策を不要にすることができる。

［第７の実施の形態］
図１０は、本発明の第７の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す。
本実施の形態は、図８の第６の実施の形態において、蛍光部材１９を封止ガラス１４の上面にのみ設けたものであり、その他の構成は、第５の実施の形態と同様である。

（第７の実施の形態の効果）
第７の実施の形態によれば、第６の実施の形態の好ましい効果に加えて、ＬＥＤ素子１２の側面を封止ガラス１４のみで封止した構成とすることで、波長変換性を損なうことなくホットプレス加工を簡便に行うことができる。

［第８の実施の形態］
図１１は、本発明の第８の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す。また、図１２は、図１１の固体素子デバイスの製造工程を示す概略図である。

本実施の形態は、波長変換部２０を蛍光部材１９で構成しており、図１２に示すように板状の蛍光部材１９を位置決めしてホットプレス加工を行っている。

（第８の実施の形態の効果）
第８の実施の形態によれば、ＬＥＤ素子１２を蛍光部材１９で封止することによる封止面積の小なる白色の固体素子デバイス１を形成でき、色むらが小で封止性に優れるものとできる。なお、ＬＥＤ素子１２から蛍光部材１９の上面と側面との距離は色度むらを抑えるため、同等とすることが望ましい。

［第９の実施の形態］
図１３は、本発明の第９の実施の形態に係る発光装置を示す。本実施の形態は、図３に示した第２の実施の形態の構成において、全体のサイズを大きくし、複数のＬＥＤ素子１２Ａ〜１２Ｃを１枚のセラミック基板１１上に実装し、蛍光体層１３を封止ガラス１４Ａ、１４Ｂの間に介在させた波長変換部２０で封止して発光装置１００を構成したものである。

（第９の実施の形態の効果）
第９の実施の形態によれば、発光源に複数の固体素子デバイス１２Ａ〜１２Ｃを用いているため、第２の実施の形態の好ましい効果に加えて発光強度を高めることができる。また、ＬＥＤ素子の使用数の任意に設定して所望の発光強度の発光装置１００とすることができる。なお、複数のＬＥＤ素子を搭載する発光装置においてはＬＥＤ素子の発光に伴う放熱を促すものとしてセラミック基板１１の実装側に熱伝導性の良好な金属等の材料からなる放熱部を設けて熱引きを行うことが好ましい。

［第１０の実施の形態］
図１４は、本発明の第１０の実施の形態に係る発光装置を示す。本実施の形態は、第９の実施の形態と同様に複数の複数のＬＥＤ素子１２Ａ〜１２Ｃをセラミック基板１１上に実装するとともに、これらを蛍光部材１９と封止ガラス１４からなる波長変換部２０で封止して発光装置１００を形成したものであり、複数のＬＥＤ素子１２Ａ〜１２Ｃは蛍光部材１９によって包囲されている。

（第１０の実施の形態の効果）
第１０の実施の形態によれば、複数のＬＥＤ素子１２Ａ〜１２Ｃを蛍光部材１９でガラス封止することで、熱膨張による剥離を生じることなく長期にわたって良好な封止性、波長変換性を付与でき、信頼性の高い発光装置１００が得られる。

［第１１の実施の形態］
図１５は、本発明の第１１の実施の形態に係る発光装置を示す。本実施の形態は、図１１に示した第８の実施の形態に係る固体素子デバイス１と同じ構成の複数の固体素子デバイス１Ｄ〜１Ｆを用いて発光装置１００を構成したものである。

発光装置１００は、実装面３１Ａから開口部３１Ｂにかけて拡大するように傾斜面３１Ｃが設けられた樹脂製等のケース（本体）３１と、固体素子デバイス１Ｄ〜１Ｆの電極１５と接続される接続部が実装面３１Ａに露出するようにケース３１に設けられるとともに固体素子デバイス１のセラミック基板（第１の電力受供給部）１１に電気的に接続される銅等によるリードフレーム（第２の電力受供給部）３２と、傾斜面３１Ｃの表面に設けられた蛍光体層３３と、実装面３１Ａに露出したリードフレーム３２上に搭載された前記固体素子デバイス１Ｄ〜１Ｆとを備える。なお、傾斜面３１Ｃの表面は、必要に応じて、ガラスや樹脂の封止部材で封止することができる。蛍光体層３３の構成は、第１の実施の形態の蛍光体層１３と同様である。

固体素子デバイス１Ｄ〜１Ｆからの光は、そのまま開口部３１Ｂから外部に放射されるほか、固体素子デバイス１Ｄ〜１Ｆの側面から放射された光は、蛍光体層３３で吸収ならびに反射した後、外部に放射される。

（第１１の実施の形態の効果）
第１１の実施の形態によれば、ケース３１の傾斜面３１Ｃに蛍光体層３３を設けたことにより、固体素子デバイス１Ｄ〜１Ｆが放射する光を蛍光体層３３の蛍光体で吸収できるため、集光性及び波長変換機能を高めた発光装置１００を得ることができる。

［第１２の実施の形態］
図１６は、本発明の第１２の実施の形態に係る発光装置を示す。本実施の形態は、セラミック基板１１上にＬＥＤ素子１２Ａ〜１２Ｃを所定間隔で配置して蛍光部材１９で封止することにより固体素子デバイス４０を構成し、ケース３１の内面に曲面で形成される凹部３１Ｄを設け、この凹部３１Ｄの下側に放熱部材であるヒートシンク３４を配設したものであり、ヒートシンク３４はセラミック基板１１に銅箔によって設けられる放熱パターン１５Ａを介して接合されている。

ケース３１は、例えば、白色のナイロン樹脂を用いて加工することができる。また、必要に応じて、凹部３１Ｄの表面に反射膜や蛍光体層を形成することもできる。

ヒートシンク３４は、銅等の熱伝導性に優れる金属を用いて作られている。このヒートシンク３４は、回路基板側の放熱部材等に搭載したときに、放熱部材等を介して放熱が行えるように、下面はケース３１の下面と同一レベルまたはケース３１の下面よりやや突出する高さを有している。

（第１２の実施の形態の効果）
第１２の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）ヒートシンク３４を設けたことにより、駆動時の固体素子デバイス４０の放熱を図ることができる。
（２）必要な光出力に応じた数のＬＥＤ素子をガラスに蛍光体を混合した蛍光部材１９で一体化した固体素子デバイス４０を用いることで、第１１の実施の形態で説明した、複数の固体素子デバイス１Ｄ〜１Ｆを用いた発光装置１００に比べて組み立て工程を簡略にすることができる。
（３）凹部３１Ｄが曲面で形成されるため、図１６の上方へビーム光（或いは、これに近い光）を出射することができる。
その他の効果は、第１１及び第１の実施の形態と同様である。

［第１３の実施の形態］
図１７は、本発明の第１３の実施の形態に係る発光装置を示す。本実施の形態は、図１６の第１２の実施の形態で説明した固体素子デバイス４０に代えて第１の実施の形態に示した構成の固体素子デバイス１を用いるとともに、ケース３１の凹部３１Ｄと固体素子デバイス１の光出射面とが連続面を形成するようにケース３１に固体素子デバイス１を埋設したものであり、その他の構成は、第１２の実施の形態と同様である。

固体素子デバイス１の側面は、ケース３１の側面によって遮光されており、ＬＥＤ素子１２から発せられる光は蛍光体層１３を透過して光出射面４０Ａから放射されるほか、ケース３１を構成する樹脂で反射されて光出射面４０Ａから放射される。

（第１３の実施の形態の効果）
第１３の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）凹部３１Ｄが曲面を有し、ケース３１に埋設された固体素子デバイス１の光出射面４０Ａと連続面を形成する構成を有するので、波長変換された光を光出射面４０Ａから効率良く放射させることができる。
（２）固体素子デバイス１がケース３１に埋設されていても、ヒートシンク３４を介してＬＥＤ素子１２の発光に基づく発熱を放熱できるので、固体素子デバイス１が高出力タイプであっても、温度上昇を抑制することができる。

［第１４の実施の形態］
図１８は、本発明の第１４の実施の形態に係る発光装置を示す。本実施の形態は、図１１の第８の実施の形態に示した固体素子デバイス１を用いるとともに、曲面で構成される凹部３１Ｄを有するケース３１に固体素子デバイス１を実装したものである。

（第１４の実施の形態の効果）
第１４の実施の形態によれば、固体素子デバイス１から放射される光をケース３１に設けた曲面からなる凹部３１Ｄで反射して放射する構成としたので、波長変換された光の放射性を向上させることができる。また、固体素子デバイス１がガラス封止構造であることにより、固体素子デバイス１を封止しなくてもＬＥＤ素子１２が保護されるので、軽量化、部品点数の低減、製造工程の簡略化等を図れる。

［第１５の実施の形態］
図１９は、本発明の第１５の実施の形態に係る発光装置を示す。本実施の形態は、第１４の実施の形態で説明した曲面からなる凹部３１Ｄの表面に蛍光体層１３を設け、第１の実施の形態で説明した固体素子デバイス１を搭載したものである。

（第１５の実施の形態の効果）
第１５の実施の形態によれば、固体素子デバイス１の側面からの放射光が蛍光体層１３によって吸収されるため、固体素子デバイス１の側面に蛍光体層を有しない固体素子デバイス１であっても、側面からの放射光を波長変換することができる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。

例えば、上記した各固体素子デバイス１は、波長変換部２０や蛍光部材１９が集光性又は拡散性を有する光学形状を有するものであっても良い。

また、固体素子デバイスに用いるＬＥＤ素子についても、単数によるもの、又は複数のＬＥＤ素子によるものであっても良い。上記した実施の形態においては、３個のＬＥＤ素子を用いた構成を説明したが、要求される光出力に応じて任意の数にすることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る固体素子デバイスを示し、（ａ）は固体素子デバイスの断面図、（ｂ）は固体素子の底面図である。 図１の固体素子デバイスの製造工程を示す概略図である。 本発明の第２の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す断面図である。 図６の固体素子デバイスの製造工程を示す概略図である。 本発明の第６の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す断面図である。 図８の固体素子デバイスの製造工程を示す概略図である。 本発明の第７の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す断面図である。 本発明の第８の実施の形態に係る固体素子デバイスを示す断面図である。 図１１の固体素子デバイスの製造工程を示す概略図である。 本発明の第９の実施の形態に係る発光装置を示す断面図である。 本発明の第１０の実施の形態に係る発光装置を示す断面図である。 本発明の第１１の実施の形態に係る発光装置を示す断面図である。 本発明の第１２の実施の形態に係る発光装置を示す断面図である。 本発明の第１３の実施の形態に係る発光装置を示す断面図である。 本発明の第１４の実施の形態に係る発光装置を示す断面図である。 本発明の第１５の実施の形態に係る発光装置を示す断面図である。

符号の説明

１、固体素子デバイス １Ａ〜１Ｆ、固体素子デバイス
１１、セラミック基板 １２、ＬＥＤ素子 １２Ａ〜１２Ｃ、ＬＥＤ素子
１３、蛍光体層 １４、封止ガラス １４Ａ，１４Ｂ、封止ガラス
１５、電極 １６、電極 １７Ａ，１７Ｂ、Ａｕバンプ １８、反射部材
１９、蛍光部材 ２０、波長変換部 ３１、ケース ３１ａ，３１ｂ、凹部
３２、リードフレーム ３３、蛍光体層 ３４、ヒートシンク
４０、固体素子デバイス １００、発光装置 １２１、ｐコンタクトＩＴＯ膜
１２２、ｐパッド電極 １２３、ｎ側電極

Claims (1)

1. 電力受供給部上に固体素子を搭載する工程と、
   前記電力受供給部上の前記固体素子を波長変換部により封止する工程と、を備え、
   前記波長変換部により封止する工程は、封止用ガラス、及び当該封止用ガラスと同じ材料のガラス粉末と蛍光体粉末とを混合した混合物にホットプレス加工を施すことにより、前記封止用ガラスと前記混合物中の前記ガラス粉末を溶融して前記蛍光体粉末をガラス中に分散させ、前記封止用ガラスと一体的に前記固体素子の上方、あるいは上方及び側方にわたって蛍光体層又は蛍光部材を形成することを特徴とする固体素子デバイスの製造方法。