JP5287643B2 - 光学装置の製造方法及び光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、搭載基板上の固体光学素子が無機材料により封止される光学装置の製造方法及び光学装置に関する。

搭載基板上の固体素子が無機材料により封止された光学装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の光学装置の製造方法では、複数の固体素子を一の連結基板に搭載しておき、板状の低融点ガラスのホットプレス加工を行うことにより、連結基板上にて各固体素子を一括してガラスにより封止する。この後、連結基板とガラスの接合体をダイシングにより分割して複数の光学装置を得ている。

国際公開第２００４／８２０３６号

しかしながら、特許文献１に記載の製造方法では、連結基板とガラスとの熱膨張率を常温で同等なものとしてもガラス転移点を超える温度ではガラスの熱膨張率が大きくなるため、比較的大きな面積で連結基板と無機材料を接合させることから、冷却後、連結基板と無機材料の熱膨張率の差により、これらの接合体に反りが生じやすい。また、連結基板を無機材料とを全面的に接合しているため、ガラスサイズが大きく発光素子の搭載エリアが少なくて済む場合であっても、搭載基板を比較的大きく形成しておく必要があり、搭載基板のコストが嵩んでしまう。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、搭載基板及び無機材料の反りを抑制するとともに、製造コストを低減することのできる光学装置の製造方法及び光学装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明では、無機封止材料の一面の少なくとも一部を軟化させ、固体素子が搭載された複数の搭載基板を前記無機封止材料の軟化した部分に押し付けて、前記複数の搭載基板の前記固体素子を一括して封止する封止工程を含む光学装置の製造方法が提供される。

上記光学装置の製造方法において、前記無機封止材料の前記一面には、前記複数の搭載基板ごとに、当該搭載基板の少なくとも一部を受容する凹部が形成されていてもよい。

上記光学装置の製造方法において、前記封止工程の前に、複数の固体素子を一の基板材料に搭載し、前記基板材料を分割して前記固体素子が搭載された複数の前記搭載基板を作製する作製工程を含んでもよい。

上記光学装置の製造方法において、前記無機封止材料は、本体ガラスと、前記本体ガラスよりも屈伏点が低い封止ガラスと、を有し、前記凹部は、前記本体ガラスに形成され、前記封止工程にて、前記封止ガラスは前記凹部に充填され、前記封止ガラスを軟化させ、前記本体ガラスを軟化させることなく、前記固体素子を封止してもよい。

また、前記目的を達成するため、固体素子が搭載され、互いに独立して配置される複数の搭載基板と、前記各搭載基板が一面に互いに間隔をおいて設けられ、前記各搭載基板の前記固体素子を封止する連続した単一の無機封止材料と、を備える光学装置が提供される。

本発明によれば、搭載基板及び無機材料の反りを抑制するとともに、製造コストを低減することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す発光装置の縦断面図である。 図２は、発光装置の平面図である。 図３は、ＬＥＤ素子の模式縦断面図である。 図４は、発光装置の製造方法に関する説明図であり、複数のＬＥＤ素子が連結基板に搭載された状態を示す。 図５は、ガラス材の封止加工前の状態を示す模式説明図である。 図６は、ガラス材の封止加工時の状態を示す模式説明図である。 図７は、変形例を示すものであって、ガラス材の封止加工時の状態を示す模式説明図である 図８は、変形例を示す発光装置の縦断面図である。 図９は、本発明の第２の実施形態を示すガラス材の封止加工前の状態を示す模式説明図である。 図１０は、ガラス材の封止加工時の状態を示す模式説明図である。 図１１は、変形例を示すものであって、ガラス材の封止加工前の状態を示す模式説明図である。 図１２は、変形例を示すものであって、ガラス材の封止加工時の状態を示す模式説明図である。 図１３は、変形例を示す搭載基板の説明図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が断面図、（ｃ）が底面図である。 図１４は、変形例を示す発光装置の説明図であり、（ａ）が平面断面図、（ｂ）が側面断面図である。 図１５は、変形例を示す発光装置の側面断面図である。 図１６は、変形例を示す発光装置の縦断面図である。 図１７は、変形例を示す発光装置の縦断面図である。

図１から図６は本発明の第１の実施形態を示し、図１は発光装置の縦断面図である。
図１に示すように、光学装置としての発光装置１は、フリップチップ型のＧａＮ系半導体材料からなるＬＥＤ素子２と、ＬＥＤ素子２を搭載し回路パターン４が形成される搭載基板３と、ＬＥＤ素子２を封止するとともに搭載基板３と接着されるガラス封止部６とを有する。ガラス封止部６は上面６ａも下面６ｂも平坦に形成されており、ガラス封止部６の下面に複数の搭載基板３が埋め込まれている。

図２は発光装置の平面図である。
図２に示すように、ガラス封止部６は平面視で正方形状を呈し、ＬＥＤ素子２を１つ搭載した搭載基板３が縦横に同じ間隔で配置されている。すなわち、各搭載基板３は、互いに独立し、無機封止材料としてのガラス封止部６の一面に互いに間隔をおいて設けられている。この発光装置１は、ガラス封止部６の下面６ｂ側に配置された各ＬＥＤ素子２が発光すると、上面６ａを主発光面として発光する。

図３はＬＥＤ素子の模式縦断面図である。
図３に示すように、発光素子としてのＬＥＤ素子２は、図２に示すように、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる成長基板２０の表面に、III族窒化物系半導体をエピタキシャル成長させることにより、バッファ層２１と、ｎ型層２２と、ＭＱＷ層２３と、ｐ型層２４とがこの順で形成されている。ＧａＮ系半導体の場合、ｐ型層２４は、ガラスを用いた４００℃を超える封止加工でのＶｆ上昇を抑えるため、コンタクト層のＭｇ濃度を２×１０^１９〜８×１０^１９／ｃｍ^３とし、結晶成長温度をＭＱＷ層２３の成長温度（例えば、７８０℃）以上で１０００℃以下とすることが望ましい。このＬＥＤ素子２は、７００℃以上でエピタキシャル成長され、その耐熱温度は６００℃以上であり、後述する低融点のガラスを用いた封止加工における加工温度に対して安定である。また、ＬＥＤ素子２は、ｐ型層２４の表面に設けられるｐ側電極２５と、ｐ側電極２５上に形成されるｐ側パッド電極２６と、を有するとともに、ｐ型層２４からｎ型層２２にわたって一部をエッチングすることにより露出したｎ型層２２に形成されるｎ側電極２７を有する。ｐ側パッド電極２６とｎ側電極２７には、それぞれＡｕバンプ２８が形成される。

ｐ側電極２５は、例えば銀（Ａｇ）からなり、発光層としてのＭＱＷ層２３から発せられる光を成長基板２０の方向に反射する光反射層として機能する。尚、ｐ側電極２５の材質は適宜変更が可能である。本実施形態においては、ｐ側電極２５上には２点のｐ側パッド電極２６が形成され、各ｐ側パッド電極２６にＡｕバンプ２８が形成される。尚、ｐ側パッド電極２６は例えば３点であってもよく、ｐ側電極２５上に形成するｐ側パッド電極２６の個数は適宜変更が可能である。

ｎ側電極２７は、同一エリアにコンタクト層とパッド層とが形成されている。図２に示すように、ｎ側電極２７は、Ａｌ層２７ａと、このＡｌ層２７ａを覆う薄膜状のＮｉ層２７ｂと、Ｎｉ層２７ｂの表面を覆うＡｕ層２７ｃによって形成されている。尚、ｎ側電極２７の材質は適宜変更が可能である。本実施形態においては、平面視にて、ｎ側電極２７がＬＥＤ素子２の隅部に形成され、ｐ側電極２５がｎ側電極２７の形成領域を除いて、ほぼ全面的に形成されている。

ＬＥＤ素子２は、厚さ１００μｍで３４６μｍ角に形成されており、熱膨張率は７×１０^−６／℃である。ここで、ＬＥＤ素子２のＧａＮ層の熱膨張率は５×１０^−６／℃であるが、大部分を占めるサファイアからなる成長基板２０の熱膨張率が７×１０^−６／℃であるため、ＬＥＤ素子２本体の熱膨張率は成長基板２０の熱膨張率と同等となっている。尚、各図においてはＬＥＤ素子２の各部の構成を明確にするために実寸と異なるサイズで各部を示している。

搭載基板としての搭載基板３は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の多結晶焼結材料からなり、厚さ０．２５ｍｍで１．０ｍｍ角に形成されており、熱膨張率αが７×１０^−６／℃である。図１に示すように、搭載基板３の回路パターン４は、基板表面に形成されてＬＥＤ素子２と電気的に接続される表面パターンと、基板裏面に形成されて外部端子と接続可能な裏面パターンと、を有している。表面パターンは、ＬＥＤ素子２の電極形状に応じてパターン形成されたＷ層と、Ｗ層の表面を覆う薄膜状のＮｉ層と、Ｎｉ層の表面を覆う薄膜状のＡｕ層と、を含んでいる。裏面パターンは、後述する外部接続端子に応じてパターン形成されたＷ層と、Ｗ層の表面を覆う薄膜状のＮｉ層と、Ｎｉ層の表面を覆う薄膜状のＡｕ層と、を含んでいる。表面パターンと裏面パターンは、搭載基板３を厚さ方向に貫通するビアホールに設けられＷからなるビアパターンにより電気的に接続されている。外部接続端子はアノード側とカソード側で１つずつ設けられる。各外部接続端子は、搭載基板３に平面視にて対角に配されている。

ガラス封止部６は、ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｎｂ_２Ｏ_５−Ｎａ_２Ｏ−Ｌｉ_２Ｏ系のガラスからなる。尚、ガラスの組成はこれに限定されるものではなく、例えば、ガラスは、Ｌｉ_２Ｏを含有していなくてもよいし、任意成分としてＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２等を含んでいてもよい。さらには、ガラス以外の無機材料によりＬＥＤ素子２を封止するようにしてもよい。このガラスは、ガラス転移温度（Ｔｇ）が４９０℃で、屈伏点（Ａｔ）が５２０℃であり、ＬＥＤ素子２のエピタキシャル成長層の形成温度よりも、ガラス転移温度（Ｔｇ）が十分に低くなっている。本実施形態においては、エピタキシャル成長層の形成温度よりも、ガラス転移温度（Ｔｇ）が２００℃以上低くなっている。また、ガラスの１００℃〜３００℃における熱膨張率（α）は６×１０^−６／℃である。熱膨張率（α）は、ガラス転移温度（Ｔｇ）を超えるとこれより大きな数値となる。これにより、ガラスは約６００℃で搭載基板３と接着し、ホットプレス加工が可能となっている。また、ガラス封止部６のガラスの屈折率は１．７である。

また、ガラスの組成は、ガラス転移温度（Ｔｇ）がＬＥＤ素子２の耐熱温度よりも低く、熱膨張率（α）が搭載基板３と同等であれば任意である。ガラス転移温度が比較的低く、熱膨張率が比較的小さいガラスとしては、例えば、ＺｎＯ−ＳｉＯ_２−Ｒ_２Ｏ系（ＲはＬｉ、Ｎａ、Ｋ等のＩ族の元素から選ばれる少なくとも１種）のガラス、リン酸系のガラス及び鉛ガラスが挙げられる。これらのガラスでは、ＺｎＯ−ＳｉＯ_２−Ｒ_２Ｏ系のガラスが、リン酸系のガラスに比して耐湿性が良好で、鉛ガラスのように環境的な問題が生じることがないので好適である。

また、本実施形態のガラスは、一般に、樹脂において高粘度といわれるレベルより、桁違いに高い粘度で加工される。さらに、ガラスの場合には、屈伏点を数十℃超えても粘度が一般の樹脂封止レベルまで低くはならない。また、一般の樹脂成型時レベルの粘度にしようとすると、ＬＥＤ素子の結晶成長温度を超える温度を要するもの、あるいは金型に付着するものとなり、封止・成形加工が困難になる。このため、１０^４ポアズ以上１０^９ポアズ以下で加工することが好ましい。

図１に示すように、ガラス封止部６は、ＬＥＤ素子２及び搭載基板３を全面的に覆い、厚さが２．０ｍｍとなっている。本実施形態においては、各搭載基板３の裏面と、ガラス封止部６の下面６ｂとは略面一となっている。

この発光装置１は、以下の工程を経て製造される。
まず、ガラス成分の酸化物粉末を１２００℃に加熱し、溶融状態で撹拌する。そして、ガラスを固化した後、ガラス封止部６の厚さに対応するようスライスして封止前のガラス封止部６を板状に加工する（板状加工工程）。この後、封止前のガラス封止部６に、後述するように、各ＬＥＤ素子２に対応する凹部１１を形成する。

一方、ビアホールが形成された連結基板１２を用意し、連結基板１２の表面に回路パターン４に応じてＷペーストをスクリーン印刷する。次いで、Ｗペーストを印刷された連結基板１２を１０００℃余で熱処理することによりＷを連結基板１２に焼き付け、さらに、Ｗ上にＮｉめっきを施し、ＷとＮｉの熱拡散処理を行った後、Ａｕめっきを施すことで回路パターンを形成する（パターン形成工程）。このとき、ビアホールは、ＷとＮｉによって埋められ、貫通孔ではなくなっている。

連結基板１２は、セラミックを焼成する前に、ビアホール用の孔と回路パターン４の下地が形成される。尚、回路パターン４の下地形成にあたっては、Ｗペーストに代えて、Ｍｏ、Ｔａ等の他の高融点金属を用いてもよい。また、焼成されたセラミックに回路パターン４を形成したものであってもよく、その際はＷペーストを印刷して熱処理したものに代えて、Ｃｒ，Ｔｉ等の金属を蒸着したもの、Ｃｕ箔を貼り付けた後に所定形状にエッチングしたもの等とし、これにＮｉめっき及びＡｕめっきを施すようにしてもよい。ここで、焼成されたセラミックに孔を形成するには、レーザ加工やサンドブラスト加工を用いる必要があり、焼成前のセラミックを金型加工する場合と比べると容易ではない。しかし、本実施形態によれば、連結基板１２と封止前のガラス封止部６とを接合する場合と比べ、ガラス転移温度を超えた領域での熱膨張率差に起因する各搭載基板３及びガラス封止部６の反りを格段に低減することができ、連結基板１２のサイズを大きくして、ＬＥＤ素子２１の搭載数を増やすことができるので、作業効率を高めることができる。尚、セラミック基板を予め個片サイズに形成し、焼結したものとしてもよいが、ＬＥＤ素子の搭載工程は多数個を一括して搭載する方が作業効率がよい。

図４は、発光装置の製造方法に関する説明図であり、複数のＬＥＤ素子が連結基板に搭載された状態を示す。
図４に示すように、複数のＬＥＤ素子２を縦及び横について等間隔で連結基板１２に搭載する（搭載工程）。具体的には、連結基板１２の回路パターン４の表面パターンに複数のＬＥＤ素子２を各Ａｕバンプ２８によって電気的に接合する。本実施形態においては、ｐ側２点、ｎ側１点の合計３点のバンプ接合が施される。この後、連結基板１２をダイシング装置にセットして、ダイシングブレードによって、連結基板１２を各ＬＥＤ素子２ごとに分割するようダイシングする（分割工程）。

図５は、ガラス材の封止加工前の状態を示す模式説明図である。
図５に示すように、封止前のガラス封止部６の下面６ｂには、各搭載基板３ごとに、搭載基板３を受容する嵌合用の凹部１１が形成されており、凹部１１が上側となるように、封止前のガラス封止部６を下金型９１にセットする。すなわち、本工程においては、ガラス封止部６の上面６ａを下側とし、下面６ｂを上側して作業を行う。そして、各凹部１１にＬＥＤ素子２が下側となるよう搭載基板３を配置し、上金型９２を封止前のガラス封止部６の下面６ｂと対向して配置する。

図６は、ガラス材の封止加工時の状態を示す模式説明図である。
この後、図６に示すように、下金型９１及び上金型９２を加圧し、窒素雰囲気中でガラス転移温度を超え、屈伏点以上の温度に加熱することによって軟化したガラス材のホットプレス加工を行う。本実施形態においては、封止前のガラス封止部６を全体的に加熱して軟化させる。ここで、下金型９１及び上金型９２にはそれぞれヒータが配置され、各金型９１，９２で独立して温度調整される。このとき、封止前のガラス封止部６は、搭載基板３への配置前に加熱されていてもよいし、配置後に加熱されるようにしてもよい。ホットプレス加工は、上金型９２から搭載基板３に封止前のガラス封止部６方向へ圧力を加えることにより行われる。これにより、図６に示すように、ＬＥＤ素子２が搭載された搭載基板３が封止前のガラス封止部６に埋没し、ＬＥＤ素子２は搭載基板３上で封止前のガラス封止部６により封止される（加圧工程）。ここで、ホットプレス加工は、各部材に対して不活性な雰囲気中で行えばよく、窒素雰囲気の他に例えば真空中で行うようにしてもよい。また、金型や装置が酸化の影響を受けないものであれば、空気雰囲気で行ってもよい。
以上の工程で、複数の搭載基板３がガラス封止部６に埋め込まれた発光装置１が製造される。

以上の発光装置１の製造方法によれば、ＬＥＤ素子２が搭載された複数の搭載基板３を軟化した封止前のガラス封止部６に押し付けて、各搭載基板３のＬＥＤ素子２を一括して封止するようにしたので、連結基板１２と封止前のガラス封止部６を接合する場合と比べて、ガラス転移温度を超えた温度領域での熱膨張率差に起因する各搭載基板３及びガラス封止部６の反りを格段に低減することができる。また、搭載基板３のサイズが小さいので、搭載基板３とガラス封止部６の熱膨張率差の許容度を大きくすることができる。発明者らの実験では、
（ガラスの熱膨張率−基板の熱膨張率）×（ガラス転移温度−２５℃）×（ガラスと基板の長手方向の接合長）
が−５０μｍ以上３μｍ以下であれば、クラックの生じない接合が可能となっている。
また、ＬＥＤ素子２の封止部分にのみ各搭載基板３が配置されることになるので、発光装置１あたりの搭載基板３の使用量を低減して製造コストを低減することができ、搭載基板３が高価である場合には特に有効である。

また、封止前のガラス封止部６に凹部１１を形成しておき、凹部１１に搭載基板３を受容させるようにしたので、凹部１１が形成されていない場合と比べ、搭載基板３のガラスへの押し込み量を少なくすることができる。これにより、素子近傍のガラスの変形量を小さくして、ガラス封止時にＬＥＤ素子２へ加わる負荷を減じることができる。さらに、凹部１１を利用して、ガラス封止部６に対する各ＬＥＤ素子２の位置決めを的確に行うことができる。

また、連結基板１２につき、セラミックを焼成する前にビアホール用の孔とＷペースト印刷による回路パターン４の下地が形成されるようにしたので、金型による抜き加工で容易に連結基板１２に孔を形成することができ、一括で複数の孔を形成することができる。従って、発光装置１の量産性を向上させて低コストとすることができる。また、セラミック焼成時に、回路パターン４の下地のＷとセラミックは強固に接合され、さらに、Ｎｉめっきを施した後に、再度加熱処理を行うことでＷとＮｉの熱拡散処理が施されるため、セラミックと回路パターン４の接合強度を高くすることができる。
一方、セラミックは焼成時に１０％程度の収縮が生じ、回路パターン４の下地や孔の影響により収縮の度合いが増し、収縮方向の規則性も乱れる。そして、セラミックに反りが生じると、ガラス封止の際の温度分布や圧力分布にむらが生じる原因となる。このため、収縮による影響が少ない範囲でのセラミック基板のサイズとしかできず、ＬＥＤ素子２の搭載工程やダイシングによる分割工程の作業効率が低かった。これに対し、本実施形態では、ガラス封止工程の前にＬＥＤ素子の搭載工程と分割工程が行われるので、基板サイズを大きくすることができ、作業効率を高めることができる。

また、ガラス封止部６としてＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｎｂ_２Ｏ_５−Ｎａ_２Ｏ−Ｌｉ_２Ｏ系のガラスを用いたので、ガラス封止部６の安定性及び耐候性を良好とすることができる。従って、発光装置１が過酷な環境下等で長期間にわたって使用される場合であっても、ガラス封止部６の劣化が抑制され、光取り出し効率の経時的な低下を効果的に抑制することができる。さらに、ガラス封止部６が高屈折率でかつ高透過率特性のため、高信頼性と高発光効率の両立を実現できる。

また、ガラス封止部６として屈伏点（Ａｔ）がＬＥＤ素子２の半導体層のエピタキシャル成長温度より低いガラスを用いたので、ホットプレス時にＬＥＤ素子２が熱的なダメージにより損なわれることがなく、半導体層の結晶成長温度に対して充分に低い加工が可能である。

さらに、搭載基板３とガラス封止部６の熱膨張率が同等であるので、高温で接着された後、常温あるいは低温状態としても剥離、クラック等の接着不良が生じにくい。さらに、一般にガラスはＴｇ点以上の温度において熱膨張率が増大する特性を有しており、Ｔｇ点以上の温度でガラス封止が行われる場合には、Ｔｇ点以下だけでなくＴｇ点以上の温度における熱膨張率も考慮することが安定したガラス封止を行うにあたり望ましい。

さらに、ＬＥＤ素子２とガラス封止部６の熱膨張率が同等であるので、搭載基板３を含めた部材の熱膨張率が同等となり、ガラス封止における高温加工と常温との温度差においても内部応力は極めて小さく、クラックを生じることのない安定した加工性が得られる。また、内部応力を小にできるので、耐衝撃性が向上し、信頼性に優れるガラス封止型ＬＥＤとできる。

搭載基板３の表面パターンは、ビアホールを埋めるビアパターンにより裏面パターンに引き出されるので、ガラスが不必要な箇所へ入り込むことや、電気端子が覆われること等への特別な対策や条件設定を要することなく、製造工程を簡略化できる。尚、ガラスは高粘度状態で加工されるため、樹脂のように封止材料の流れ出しに対して充分な対策をとる必要はなく、ビアホールを埋めるビアホールによらなくても外部端子が裏面に引き出されていれば充分に量産対応可能である。

尚、前記実施形態においては、ガラス封止部６の上面６ａ及び下面６ｂが平坦に形成された発光装置１を示したが、例えば図７に示すように、ガラス封止部６の上面６ａが湾曲形成されたものであってもよい。ここで、図７は、前記実施形態の変形例におけるガラス材の封止加工時の状態を示す模式説明図である。図７に示すように、下金型９１及び上金型９２のガラスとの接触面を、所定の光学形状としておくことにより、ガラス封止部６の下面６ａ及び上面６ｂを所望の光学形状に成型することができる。図７の発光装置１では、ガラス封止部６の下面６ｂにおける各搭載基板３間に切込部６ｃが形成され、ガラス封止部６の上面６ａはＬＥＤ素子２の直上が最も上方へ突出するよう形成されている。

また、前記実施形態においては、複数の搭載基板３が埋め込まれたガラス封止部６をそのまま発光装置１としたものを示したが、例えば図８に示すように、ガラス封止部６を各搭載基板３ごとに分割して小型の発光装置１０１とすることも可能である。図８の発光装置１０１は、図７の発光装置１のガラス封止部６を、ダイシング装置等により分割して得られたものであり、ガラス封止部６はダインシングによって形成され搭載基板３に垂直な側面６ｄを有している。

また、前記実施形態のガラス封止部６について、Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｌｉ_２Ｏ−Ｎａ_２Ｏ−ＺｎＯ−Ｎｂ_２Ｏ_５系のガラスのＺｎＯ組成の一部をＢｉ_２Ｏ_３とし、ガラスの屈折率をさらに高くしてもよい。ガラスの屈折率は、１．８であることが好ましい。そして、屈折率が１．８のガラスを用いる場合、基板の屈折率（ｎｄ）が１．８以上である発光素子を用いることが、発光素子からの光の取り出し効率を向上させて発光効率の向上を図ることができ好ましい。基板の屈折率が１．８以上である発光素子としては、例えば、Ｇａ_２Ｏ_３基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板等の上にＧａＮ系半導体が形成された発光素子がある。

図９及び図１０は、本発明の第２の実施形態を示すものであって、ガラス材の封止加工時の状態を示す模式説明図である。
図９に示すように、ガラス封止部２０６を、凹部２１１が形成される本体ガラス２６１と、凹部２１１の内部にてＬＥＤ素子２を封止する封止ガラス２６２と、から構成してもよい。尚、ＬＥＤ素子２及び搭載基板３については、前記実施形態と同様の構成であるので、ここでは説明を省略する。

ガラス封止部２０６は、本体ガラス２６１よりも封止ガラス２６２のガラス転移温度（Ｔｇ）及び屈伏点（Ａｔ）が低くなるよう構成される。ガラス封止部２０６は、上面２０６ａ及び下面２０６ｂが平坦に形成され、下面２０６ｂに凹部２１１が形成されている。本実施形態においては、本体ガラス２６１は、ＳｉＯ_２−Ｎｂ_２Ｏ_５系のガラスからなり、ガラス転移温度（Ｔｇ）が６５０℃で、屈伏点（Ａｔ）が７００℃である。また、封止ガラス２６２は、ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系のガラスからなり、ガラス転移温度（Ｔｇ）が４８０℃で、屈伏点（Ａｔ）が５５０℃である。尚、屈折率は、本体ガラス２６１が１．６、封止ガラス２６２が１．７であり、本体ガラス２６１の方が封止ガラス２６２よりも低屈折率となっている。

図９に示すように、本体ガラス２６１には予め搭載基板３及び封止ガラス２６２を受容する凹部２１１が形成されている。ここで、凹部２１１の角部２１２は、湾曲形成されている。発光装置２０１の製造にあたっては、凹部２１１を有する本体ガラス２６１をモールド成形、切削成形等によって、予め作製しておく。

そして、凹部２１１に粉末状の封止ガラス２６２を所定量だけ充填した後、搭載基板３を配置する。この後、下金型９１及び上金型９２を用いて粉末状の封止ガラス２６２を加熱して溶融軟化させ、凹部２１１内でＬＥＤ素子２を封止ガラス２６２より封止する。このとき、加熱温度は、封止ガラス２６２が軟化し、本体ガラス２６１が軟化しない温度、すなわち本体ガラス２６１のガラス転移温度以下に設定しておけばよく、本実施形態においては６５０℃以下である。尚、本体ガラス２６１に代えて固相状態の材料を用いる場合は、加熱温度をガラス転移温度以下とする代わりに融点以下とすればよい。

図１０は、ガラス材の封止加工時の状態を示す模式説明図である。
図１０に示すように、下金型９１及び上金型９２のホットプレス加工により、ＬＥＤ素子２の近傍のみ本体ガラス２６１と異なる封止ガラス２６２としたガラス封止部２０６が成形される。ここで、凹部２１１の角部２１２は湾曲形成されているため、当該角部に気泡が残留し難く、凹部２１２から気泡を的確に排出することができる。また、本体ガラス２６１の屈折率を封止ガラス２６２より小さくしたことにより、封止ガラス２６２内に光が閉じ込められることを軽減することができる。尚、本実施形態のような低融点ガラスでは、ゾルゲル法により作製されるガラスより屈折率の選択の自由度が大きい。そして、封止ガラス２６２の屈折率をＬＥＤ素子２に近づけることで、ＬＥＤ素子２からの光取出効率を高めることができる。また、本体ガラス２６１の屈折率を周囲媒体に近づけることで、本体ガラス２６１からの外部放射効率を高めることができる。屈折率については、本体ガラス２６１、封止ガラス２６２、ＬＥＤ素子２の順に大きくなるよう構成することが望ましい。

以上の発光装置２０１の製造方法によれば、ガラス封止部２０６のＬＥＤ素子２の近傍だけ軟化させるようにしたので、ＬＥＤ素子２のガラス封止部２０６に対する精度を向上させることができる。特に、ＬＥＤ２素子２の近傍だけ本体ガラス２６１よりも屈伏点の低い封止ガラス２６２とすることにより、本体ガラス２６１を軟化させずに封止作業を行うことができ、下金型９１へのガラスの付着の配慮が不要で、下金型９１にガラスの位置決め嵌合部を設けることができるなど、実用に際して極めて有利である。

尚、第２の実施形態においては、本体ガラス２６１の凹部２１１内に粉末状の封止ガラス２６２を充填するものを示したが、凹部２１１内に充填される封止ガラス２６２の形状等は任意である。例えば、凹部２１１内に封止ガラス２６２のガラス片を充填するようにしてもよいし、粉末を押し固めて固形状にしたものを充填するようにしてもよい。

また、例えば図１１及び図１２に示すように、封止ガラス２６２にＬＥＤ素子２から発せられる光を波長変換する蛍光体２０９を含有させてもよい。図１１に示すように、粉末状の封止ガラス２６２に粉末状の蛍光体２０９を混合しておき、図１２に示すように、封止ガラス２６２を加熱して溶解した際に蛍光体２０９が封止ガラス２６２内に分散されるようにすることができる。または、蛍光体２０９を分散した封止ガラス２６２を予め焼成して個片としたものを用いても良い。蛍光体２０９としては、ＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)蛍光体、珪酸塩蛍光体、硫化物蛍光体、ＹＡＧと珪酸塩蛍光体を所定の割合で混合したもの等を用いることができる。この場合、ＬＥＤ素子２から発せられた青色光の一部はガラス封止部２０６内の蛍光体２０９により黄色光に変換され、他部は波長変換されることなくガラス封止部２０６から外部へ放射される。これにより、ガラス封止部２０６から放射される光は、黄色領域と青色領域とにピーク波長を有することとなり、この結果、装置外部へは白色光が放射される。また、紫外光を発するＬＥＤ素子と、青色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体の組合せにより白色光を得るようにしてもよい。特に水分で組成が変化して効率低下が生じる蛍光体をガラス中に分散させることにより、ガラスの透湿性が極めて高いことから、効率低下を防ぐ効果を得ることができる。また、本体ガラス２６１にレンズ、プリズム、反射鏡などの光学系を形成してもよく、ＬＥＤ素子２の封止加工時に本体ガラス２６１は軟化して変形しないため、ＬＥＤ素子２や搭載基板３の光学系に対する位置精度を高くすることができる。

また、第１及び第２実施形態においては、１つの搭載基板３に１つのＬＥＤ素子２が搭載されるものを示したが、例えば図１３に示すように、１つの搭載基板３０３に複数のＬＥＤ素子２が搭載されるものであってもよい。図１３（ａ）に示すように、搭載基板３０３は、平面視にて、所定方向へ延びる長方形状に形成され、３つのＬＥＤ素子２が搭載基板３０３の長手方向に並んで搭載されている。また、図１３（ｂ）に示すように、搭載基板３０３の裏面中央側には、回路パターンと別個に放熱パターン３０３ａが形成されている。すなわち、図１３（ｃ）に示すように、搭載基板３０３の長手方向両端側には外部接続端子３０３ｂが現れ、長手方向中央側には放熱パターン３０３ａが現れる。

この搭載基板３０３を用いた発光装置３０１の例を図１４に示す。図１４は、（ａ）が発光装置の平面断面図であり、（ｂ）が発光装置の側面断面図である。図１４（ａ）に示すように、この発光装置３０１は、板状のガラス封止部３０６の端面３０６ｂに、複数の搭載基板３０３が設けられている。各搭載基板３０３は、長手方向がガラス封止部３０６の延在方向となるよう配置され、所定の間隔でガラス封止部３０６に一部が埋め込まれている。このように、板状ガラスの主面３０６ａだけでなく、端面３０６ｂにも搭載基板３０３を設けることが可能である。図１４の発光装置３０１は、ガラス封止部３０６を、凹部３１１が形成される本体ガラス３６１と、凹部３１１の内部にてＬＥＤ素子２を封止する封止ガラス３６２と、から構成している。また、搭載基板３０３は、ガラス封止部３０６に全体的に埋め込まれる必要はなく、図１４（ｂ）に示すように、ガラス封止部３０６の端面３０６ｂから一部が突出している。この発光装置３０１によれば、各ＬＥＤ素子２の発光光により、ガラス封止部３０６が全体的に発光する。尚、図１５に示すように、板状のガラス封止部３０６の一部を樹脂製の導光部３０８に代えることもできる。要は、搭載基板３が埋め込まれる部分だけ無機封止材料であればよいのである。

また、図１６及び図１７には、正方形状に形成された搭載基板４０３に、縦３列、横３列で計９つのＬＥＤ素子２が搭載された発光装置４０１を示す。図１６及び図１７の発光装置４０１は、ガラス封止部４０６を、凹部４１１が形成される本体ガラス４６１と、凹部４１１の内部にてＬＥＤ素子２を封止する封止ガラス４６２と、から構成している。図１６の発光装置４０１では、ガラス封止部４０６の上面４０６ａは搭載基板３の上側にて上方へ凸となるよう湾曲形成され、図１７の発光装置４０１では、ガラス封止部４０６の上面４０６ａは上方へ凹となるよう湾曲形成され、図１６及び図１７の発光装置４０１とも平面視にて円形に形成されている。図１６の発光装置４０１からは上方へ光が放射され、図１７の発光装置４０１からは側方へ光が放射されることとなる。尚、本体ガラス４６１と封止ガラス４６２との界面は凸形状となっているので、光閉じ込めを軽減することができる。また。第２の実施形態と同様に、本体ガラス４６１の屈折率を封止ガラス４６２より小さくすることにより、光閉じ込めをさらに軽減することも可能である。また、発光装置４０１のガラス封止部４０６を上下に長尺な形状として集光効果を得る場合、例えば本体ガラス４６１の屈折率を封止ガラス４６２と同じ屈折率とするなど、本体ガラス４６１として屈折率の比較的高い材料を選択して、全反射や屈折効果を得やすいものとしてもよい。
また、これらの発光装置４０１は、ガラス封止部４０６の下面４０６ｂは平坦に形成され、搭載基板４０３の裏面と面一となっている。
このように、連結基板をガラスと接合し、ダイシングにより分離する工法では作製が困難な形状であっても、容易に製造することができる。ここで、作製が困難な形状とは、円、楕円、五角形以上の多角形、その他曲線で囲まれた形状等、平面視が正方形、長方形等の方向の異なる平行線群によって形成出来る形状以外の形状が挙げられる。

また、第１及び第２の実施形態においては、ＬＥＤ素子２としてＧａＮ系半導体材料からなるものを用いた発光装置１を説明したが、ＬＥＤ素子はＧａＮ系のＬＥＤ素子２に限定されず、例えばＺｎＳｅ系やＳｉＣ系のように他の半導体材料からなる発光素子であってもよい。また、ＬＥＤ素子２の発光波長も任意であり、ＬＥＤ素子２は緑色光、黄色光、橙色光、赤色光等を発するものであってもよい。

また、第１及び第２の実施形態においては、下金型９１及び上金型９２により加圧するものを示したが、ガラス封止部６，２０６の少なくとも一部が軟化していれば、必ずしも加圧する必要はない。また、上金型９２と下金型９１により搭載基板３及びガラス封止部６，２０６に圧力を加えるものを示したが、下金型９１を固定部材として上金型９２のみによりガラスの封止加工を行うことも可能である。

また、第１及び第２の実施形態のガラス封止部６，２０６は耐候性に優れているものの、装置の使用条件等によって結露が生じた場合には、ガラス封止部６が変質するおそれがある。これに対しては、結露が生じない装置構成とすることが望ましいが、ガラス封止部６の表面にシリコン樹脂コートなどを施すことで、高温状態での結露によるガラスの変質を防止することもできる。さらに、ガラス封止部６，２０６の表面に施すコーティング材としては、耐湿だけでなく、耐酸、耐アルカリ性を有するものとして、例えばＳｉＯ_２系、Ａｌ_２Ｏ_３系等のような無機材料が好ましい。

さらに、ガラス封止部６，２０６に、拡散粒子を含有させてもよい。拡散粒子としては、例えばジルコニア粒子、アルミナ粒子、シリカ粒子等を用いることができる。拡散粒子の材質は任意であるが、光の透過性の観点からは白色の材質が好ましく、ガラス加工時の安定性の観点からは融点が加工時の温度より高いことが好ましい。
また、第２の実施形態で本体ガラス２６１を封止ガラス２６２よりも軟化温度の高いガラスとしたものを示したが、本体ガラス２６１は必ずしもガラスである必要はなく、封止ガラス２６２よりも軟化温度が高くて、封止ガラス２６２の加工温度にて耐熱性を発揮する材料であれば、透光性の単結晶材料や多結晶材料を用いてもよい。
また、搭載基板３として、セラミックに孔形成を行ってＬＥＤ素子２の搭載面と反対側の面に端子を設けたものを示したが、セラミックに孔を形成せず、搭載基板３の搭載面のうちＬＥＤ素子２を含む一部分をガラスで封止し、当該搭載面のガラス封止されていないエリアに端子を設けるようにしてもよい。この場合、反対側の面に広く放熱用のパターンを設けて放熱性を高めつつ、電気端子と放熱パターンとの短絡を防ぐことができる。

また、前記各実施形態においては、搭載基板としての搭載基板３がアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなるものを示したが、アルミナ以外のセラミックから構成するようにしてもよい。ここで、アルミナより熱伝導性に優れる高熱伝導性材料からなるセラミック基板として、例えば、ＢｅＯ（熱膨張率α：７．６×１０^−６／℃、熱伝導率：２５０Ｗ／（ｍ・ｋ））を用いても良い。このＢｅＯからなる基板においても封止前ガラスにより良好な封止性を得ることができる。

さらに、他の高熱伝導性基板として、例えばＷ−Ｃｕ基板を用いても良い。Ｗ−Ｃｕ基板としては、Ｗ９０−Ｃｕ１０基板（熱膨張率α：６．５×１０^−６／℃、熱伝導率：１８０Ｗ／（ｍ・ｋ））、Ｗ８５−Ｃｕ１５基板（熱膨張率α：７．２×１０^−６／℃、熱伝導率：１９０Ｗ／（ｍ・ｋ））を用いることにより、ガラス封止部との良好な接合強度を確保しながら高い熱伝導性を付与することができ、ＬＥＤの大光量化、高出力化に余裕をもって対応することが可能になる。また、セラミック基板に限らず、シリコン基板（熱伝導率：１６０Ｗ／（ｍ・ｋ））を用いることもできる。

また、前記各実施形態においては、固体素子として発光素子であるＬＥＤ素子を用いた発光装置を説明したが、固体素子はＬＥＤ素子に限定されるものではなく受光素子であってもよい。固体素子として受光素子を用いる場合、例えば、第２の実施形態の本体ガラス２６１に代えて耐光性の高い第１の無機材料を選択し、封止ガラス２６２に代えて受光素子の封止に適する低融点の第２の無機材料を選択することにより、太陽電池用の光学装置とすることができる。この場合、光を受光素子の周辺に集めるため、第２の無機材料として第１の無機材料よりも高い屈折率の材料を選択することが好ましい。さらに、下金型９１は必ずしも必要ではなく、金型を上金型９２のみとしてもよいし、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

１ 発光装置
２ ＬＥＤ素子
３ 搭載基板
４ 回路パターン
５ 中空部
６ ガラス封止部
１１ 凹部
１２ 連結基板
９１ 下金型
９２ 上金型
１０１ 発光装置
２０１ 発光装置
２０６ ガラス封止部
２１１ 凹部
２１２ 角部
２６１ 本体ガラス
２６２ 封止ガラス
３０１ 発光装置
３０３ 搭載基板
３０６ ガラス封止部
３０８ 導光部
３６１ 本体ガラス
３６２ 封止ガラス
４０１ 発光装置
４０３ 搭載基板
４０６ ガラス封止部
４６１ 本体ガラス
４６２ 封止ガラス

Claims (5)

1. 無機封止材料の一面の少なくとも一部を軟化させ、固体素子が搭載された複数の搭載基板を前記無機封止材料の軟化した部分に押し付けて、前記複数の搭載基板の前記固体素子を一括して封止する封止工程を含む光学装置の製造方法。
2. 前記無機封止材料の前記一面には、前記複数の搭載基板ごとに、当該搭載基板の少なくとも一部を受容する凹部が形成されている請求項１に記載の光学装置の製造方法。
3. 前記封止工程の前に、複数の固体素子を一の基板材料に搭載し、前記基板材料を分割して前記固体素子が搭載された複数の前記搭載基板を作製する作成工程を含む請求項２に記載の光学装置の製造方法。
4. 前記無機封止材料は、本体ガラスと、前記本体ガラスよりも屈伏点が低い封止ガラスと、を有し、
   前記凹部は、前記本体ガラスに形成され、
   前記封止工程にて、前記封止ガラスは前記凹部に充填され、前記封止ガラスを軟化させ、前記本体ガラスを軟化させることなく、前記固体素子を封止する請求項３に記載の光学装置の製造方法。
5. 固体素子が搭載され、互いに独立して配置される複数の搭載基板と、
   前記各搭載基板が一面に互いに間隔をおいて設けられ、前記各搭載基板の前記固体素子を封止する連続した単一の無機封止材料と、を備える光学装置。
   

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