JP5362635B2

JP5362635B2 - 発光装置の製造方法

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Publication number: JP5362635B2
Application number: JP2010075609A
Authority: JP
Inventors: 和哉相田; 洋己渡部; 誠治山口; 好伸末広
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd; Sumita Optical Glass Inc
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd; Sumita Optical Glass Inc
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2030-03-29
Also published as: JP2011210852A

Description

本発明は、搭載基板上の発光素子が金型を用いてガラスにより封止される発光装置の製造方法に関する。

搭載基板上の発光素子がガラスにより封止された発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の発光装置は、複数の発光素子を搭載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、各発光素子を一括してガラスにより封止している。

国際公開第２００４／８２０３６号公報特開２００８−５３５４５号公報

ところで、特許文献１に記載の発光装置を製造するにあたり、ガラス材を搭載基板側へ金型で押し付けてプレスすると、軟化したガラス材が金型と搭載基板の間を横方向へ流出する。これにより、プレス加工時、ガラス材の圧力分布は、基板中央側が比較的高く、基板外縁側が比較的低いものとなり、同一基板上であっても、ガラス材と搭載基板との接合状態や、各発光素子の下面にガラス材が回り込むことによって封止条件が異なってしまう。従って、基板中央側ではガラス材と搭載基板が十分に接合されていても、基板外縁側では接合が不十分で剥離が生じるおそれや、基板中央側に配置される発光素子と、基板外縁側に配置される発光素子とで、特性がばらつくおそれがあった。

また、上記問題を解決する発光装置として、発光素子のそれぞれにプレス加工を行うものが知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載の発光装置は、複数の発光素子を搭載基板に搭載しておき、発光素子それぞれを囲む中子を搭載基板上にセットして、中子の内側に粉体ガラスを主成分とする封止材料を供給し、粉体ガラスのガラス軟化点以上となるよう加熱して上金型でプレス成形を行うことにより、各発光素子をガラスにより封止している。

ところで、特許文献２に記載の発光装置を製造するにあたり、発光素子のサイズ及び搭載基板に対する複数の発光素子の配置等の条件に応じて中子及び中子の形状に対応した上金型を用意する必要があった。

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、複数の発光素子をガラス材により一括して封止する場合に、ガラス材と搭載基板の剥離を抑制するとともに、各発光素子の特性をより均一に近づけることのできる発光装置の製造方法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、搭載基板の搭載面における搭載領域に複数の発光素子を搭載する搭載工程と、金型を前記搭載基板の前記搭載面と対向して配置し、前記搭載基板と前記金型の間に少なくとも前記搭載領域が覆われるようにガラス材を配置するとともに、前記複数の発光素子を搭載した前記搭載領域の外側に前記ガラス材の流出を抑制する枠状の抑制壁部材を配置するプレス準備工程と、加熱により軟化したガラス材を前記金型によりプレスして、前記各発光素子を前記ガラス材により一括して封止するプレス工程と、を含み、前記抑制壁部材は、前記搭載基板又は前記金型のいずれかに、前記抑制壁部材の内側に溜まる気体を外部へ案内させる気体流出孔を設ける発光素子の製造方法が提供される。

上記発光素子の製造方法において、前記プレス工程にて軟化した前記ガラス材が硬化した後、前記ガラス材及び前記搭載基板を分割してもよい。

上記発光素子の製造方法において、前記気体流出孔は、前記搭載基板に形成され、前記分割工程にて、前記気体流出孔の上を通るように前記搭載基板を分割してもよい。

上記発光素子の製造方法において、前記気体流出孔は、前記搭載基板の前記搭載領域の外側に設けてもよい。

上記発光素子の製造方法において、前記抑制壁部材は、前記プレス工程にて、プレスされた後の前記ガラス材の厚みより低くなるよう設けてもよい。

上記発光素子の製造方法において、前記抑制壁部材は、前記搭載領域の外周の全部に配置されてもよい。

上記発光素子の製造方法において、前記抑制壁部材は、前記搭載領域の外周の一部に配置されてもよい。

本発明によれば、複数の発光素子をガラス材により一括して封止する場合に、ガラス材と搭載基板の剥離を抑制するとともに、各発光素子の特性をより均一に近づけることができる。

図１は本発明の一実施形態を示す発光装置の概略縦断面図である。図２はＬＥＤ素子の模式縦断面図である。図３は発光装置の製造方法に関する説明図であり、（ａ）は発光素子を実装した搭載基板の平面図、（ｂ）は抑制壁部材の平面図、（ｃ）は上金型の底面図である。図４Ａ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４Ｂ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５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６Ａ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６Ｂは変形例を示す搭載基板の平面図である。図７Ａ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７Ｂは変形例を示す搭載基板の平面図である。図８Ａ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８Ｂは変形例を示す搭載基板の平面図である。図９Ａ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９Ｂは変形例を示す抑制壁部材の平面図である。図１０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１１は変形例を示す抑制壁部材の平面図である。図１２は変形例を示す抑制壁部材の平面図である。

図１から図４Ｂは本発明の一実施形態を示し、図１は発光装置の概略縦断面図であり、図２はＬＥＤ素子の模式縦断面図である。

図１に示すように、この発光装置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を搭載する搭載基板３と、搭載基板３に形成されタングステン（Ｗ）−ニッケル（Ｎｉ）−金（Ａｕ）で構成される回路パターン４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。また、ＬＥＤ素子２と搭載基板３との間には、ガラスがまわりこまない中空部５が形成されている。本実施形態においては、搭載基板３および回路パターン４が、ＬＥＤ素子２を搭載しＬＥＤ素子２へ電力を供給するための搭載基板を構成している。

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。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４１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４２と、を有している。表面パターン４１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４ａと、Ｗ層４ａの表面を覆う薄膜状のＮｉ層４ｂと、Ｎｉ層４ｂの表面を覆う薄膜状のＡｕ層４ｃと、を含んでいる。裏面パターン４２は、後述する外部接続端子４４に応じてパターン形成されたＷ層４ａと、Ｗ層４ａの表面を覆う薄膜状のＮｉ層４ｂと、Ｎｉ層４ｂの表面を覆う薄膜状のＡｕ層４ｃと、を含んでいる。表面パターン４１と裏面パターン４２は、搭載基板３を厚さ方向に貫通するビアホール３ａに設けられＷからなるビアパターン４３により電気的に接続されている。外部接続端子４４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４４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、高屈折率とするためＮｂ_２Ｏ_５を含んでもよいし、低融点化のためにＮａ_２Ｏ、Ｌｉ_２Ｏ等を含有していてもよい。さらに、任意成分としてＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２等を含んでいてもよい。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の発光層（本実施形態ではＭＱＷ層２３）におけるエピタキシャル成長時の形成温度よりも、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、発光層のエピタキシャル成長温度よりも、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。

ここで、本実施形態において、ＬＥＤ素子２の封止に用いられるガラスは、加熱により軟化状態として成形したガラスであり、ゾルゲル法により成形されるガラスと異なる。ゾルゲルガラスでは成形時の体積変化が大きいのでクラックが生じやすくガラスによる厚膜を形成することが困難であるところ、本実施形態のように熱により軟化させて搭載基板３に融着させるガラスはこの問題点を回避することができる。また、ゾルゲルガラスでは細孔を生じるので気密性を損なうことがあるが、本実施形態のガラスはこの問題点を生じることもなく、ＬＥＤ素子２の封止を的確に行うことができる。

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、発光素子２及び搭載基板３を全面的に覆い、厚さが０．５ｍｍとなっている。ガラス封止部６は、搭載基板３と平行な上面６ａと、上面６ａの外縁から下方へ延び搭載基板３と垂直な側面６ｂと、を有している。

以上のように構成された発光装置１では、回路パターン４を通じてＬＥＤ素子２に電圧が印加されると、ＬＥＤ素子２から青色光が発せられる。ＬＥＤ素子２から発せられた青色光は、ガラス封止部６の上面６ａ又は側面６ｂを通じて外部へ放射される。

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ガラス１１を板状に加工する（板状加工工程）。この後、封止前ガラス１１に、後述するように、各ＬＥＤ素子２に対応する凹部１１ａを形成する。

一方、ビアホール３ａが形成された搭載基板３を用意し、搭載基板３の表面に回路パターンに応じて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搭載基板３を１０００℃余で熱処理することによりＷを搭載基板３に焼き付け、さらに、Ｗ上にＮｉめっき、Ａｕめっきを施すことで回路パターン４を形成する（パターン形成工程）。

回路パターン４を形成するにあたっては、焼成されたセラミックにＣｒ，Ｔｉ等の金属を蒸着してＮｉめっき及びＡｕめっきを施したたり、Ｃｕ箔を貼り付けた後に所定形状にエッチングしてＡｕめっきを施すようにすることができる。

図３は、発光装置の製造方法に関する説明図であり、（ａ）は発光素子を実装した搭載基板の平面図、（ｂ）は抑制壁部材の平面図、（ｃ）は上金型の底面図である。また、図４Ａ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３（ａ）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搭載基板３に搭載する（搭載工程）。本実施形態においては、搭載基板３の中央側が各ＬＥＤ素子２の搭載領域１０をなしている。具体的には、搭載基板３の回路パターン４の表面パターン４１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。

そして、図４Ａに示すように、各ＬＥＤ素子２が搭載された搭載基板３を下金型９１にセットし、抑制壁部材９３を搭載基板３の搭載面３ａ上にセットするとともに、上金型９２を搭載基板３の搭載面３ａと対向して配置し、搭載基板３と上金型９２の間に搭載領域１０が覆われるように封止前ガラス１１（図３中不図示）を配置する（プレス準備工程）。尚、このとき、封止前ガラス１１は、各ＬＥＤ素子２と接触していてもよいし、離隔していてもよい。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。図３（ｃ）に示すように、上金型９２は、搭載領域１０上の封止前ガラスと接触する平坦面９２ａを有している。上金型９２は、例えば、ステンレス、タングステンカーバイド等からなる。

図３（ｂ）に示すように、抑制壁部材９３は、枠状に形成され、少なくとも搭載領域１０を囲むように搭載基板３上に治具等によって位置決めしてセットされる。抑制壁部材９３は、例えば、アルミナ、ステンレス鋼等からなる。尚、抑制壁部材９３にヒータを配置して温度調整するようにしてもよい。また、抑制壁部材９３は、搭載基板３を囲むように下金型９１上にセットするものであってもよい。

本実施形態においては、封止前ガラス１１は板状に形成される。この後、下金型９１及び上金型９２を加圧し、窒素雰囲気中で加熱によって軟化したガラス材のホットプレス加工を行う。すなわち、搭載領域１０の外側にガラス材の流出を抑制する抑制壁部材９３を設けた状態で、加熱により軟化したガラス材を上金型９２によりプレスして、各ＬＥＤ素子２をガラス材により一括して封止する（プレス工程）。このとき、封止前ガラス１１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から封止前ガラス１１に搭載基板３方向へ圧力を加えることにより行われる。これにより、図４Ｂに示すように、ＬＥＤ素子２が搭載された搭載基板３に封止前ガラス１１が融着され、ＬＥＤ素子２は搭載基板３上で封止前ガラス１１により封止される（加圧工程）。図４Ｂ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。ここで、ホットプレス加工は、各金型９１，９２をはじめとする装置各部の酸化を防止する場合、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。尚、各金型９１，９２及び抑制壁部材９３をはじめとする装置各部の酸化が問題とならない場合、空気中でホットプレス加工を行ってもよい。

図４Ｂに示すように、封止前ガラス１１の上面に上金型９２の平坦面９２ａが全面的に接触し、加圧により軟化した封止前ガラス１１が横方向へ流出するところ、抑制壁部材９３が封止前ガラス１１の流出を抑制することにより、ガラスの圧力をほぼ一定にすることができる。プレス加工時、軟化したガラス材は高粘度の流体として振る舞い、上金型９２と搭載基板３により圧縮され、上金型９２と搭載基板３との間隙が中央側と外縁側にわたって一定であるならば、外縁側と中央側とで圧力差が生じやすい状態となる。しかしながら、抑制壁部材９３を設けることにより、ガラス材の流出を抑制して、内側にキャビティを形成することによって、搭載基板１０のガラスの圧力をほぼ一定とすることができるのである。すなわち、本実施形態の製造方法は、高粘度のガラスを用いてホットプレス加工により各ＬＥＤ素子２を封止する際の新規な課題を解決したものである。

図４Ｂに示すように、封止前ガラス１１の上面は、平坦面９２ａにより全体にわたって平坦に形成される。

以上の工程で、複数の発光装置１が横方向に連結された状態の図４Ｂに示すような中間体１２が作製される。この後、ガラス封止部６と一体化された搭載基板３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、ガラス封止部６及び搭載基板３を各ＬＥＤ素子２に分割するようダイシングして発光装置１が完成する（分割工程）。

以上の発光装置１の製造方法によれば、ガラス封止時に、搭載領域１０上のガラス材の圧力がほぼ一定となるので、搭載基板３の外縁側でのガラス材の圧力を増大させることができ、ガラス材と搭載基板３との接合強度が増大し、ガラス材の搭載基板３からの剥離を抑制することができる。また、抑制壁部材９３を用いない場合、搭載基板３の外縁側の圧力不足を、封止温度を上げることによって接合強度を確保していたが、本実施形態の抑制壁部材９３を用いることにより封止温度を下げても接合強度を確保することができる。発明者らの実験では、平面型の上金型でプレス温度６１５℃、プレス圧力８８ｋｇｆとして、基板外縁部でガラスの剥離が生じていたものについても、抑制壁部材９３を用いることによりプレス温度５９５℃、プレス圧６０ｋｇｆとして基板外縁部の剥離を生じないものとできたことが確認されている。これにより、封止に用いるガラス材料の選択の幅を拡げることができるし、ＬＥＤ素子２の半導体層と電極の熱膨張率差に起因する応力等のＬＥＤ素子２への影響を軽減することができる。

また、搭載領域１０内の各ＬＥＤ素子２に加わる圧力を一定とすることができる。これにより、各ＬＥＤ素子２の封止条件を均一とし、各ＬＥＤ素子２の特性をより均一に近づけることができる。特に本実施形態のように、各ＬＥＤ素子２がバンプ２８等を介して搭載基板３に実装されている場合、各ＬＥＤ素子２と搭載基板３との間に隙間が存在する。そして、ガラスの圧力及び流れ方向によって当該隙間へのガラスの回り込み状態が異なり、この回り込み状態がＬＥＤ素子２の特性に大きく影響するところ、回り込み状態を均一に近づけて各ＬＥＤ素子２の特性ばらつきを抑制することができる。例えば、ｐ側電極２５にＩＴＯ等の導電性酸化膜材料を用いた場合、隙間におけるガラスの回り込み状態により、ＬＥＤ素子２から放射される光の光学挙動が変化し、装置の光量や発光効率に影響してしまう。

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。すなわち、ガラス封止部６を構成するガラス材料は、上記したＴｇ点以上の温度における熱膨張率を含む熱膨張率と、搭載基板３の熱膨張率とを考慮した同等の熱膨張率とすることで、搭載基板３に反りを発生させる内部応力を小にでき、搭載基板３とガラス封止部６との接着性が得られているにもかかわらずガラスのせん断破壊が生じることを防ぐことができる。従って、搭載基板３やガラス封止部６のサイズを大きくとり、一括生産できる数量を大にすることができる。また、発明者の確認では、−４０℃←→１００℃の液相冷熱衝撃試験１０００サイクルでも剥離、クラックは生じていない。さらに、５ｍｍ×５ｍｍサイズのガラス片のセラミック基板への接合基礎確認として、ガラス、セラミック基板とも種々の熱膨張率の組み合わせで実験を行ったところ、熱膨張率が高い方の部材に対する低い方の部材の熱膨張率の比が０．８５以上ではクラックを生じることなく接合が行えることを確認した。部材の剛性やサイズ等にも依存するが、熱膨張率が同等というのは、この程度の範囲を示す。

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４１は、ビアパターン４３により裏面パターン４２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を要することなく、製造工程を簡略化できる。また、板状の封止前ガラス１１を複数のＬＥＤ素子２に対して一括封止加工できるので、ダイサーカットにより複数の発光装置１を容易に量産することができる。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。

図５から図１２は、本発明の変形例を示し、図５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。

前記実施形態においては、上金型９２に気体流出用の構造を特に設けていないが、例えば図５に示すように、気体流出用の構造を形成してもよい。図５においては、上金型９２に、平坦面９２ａの抑制壁部材９３の内側と、外部雰囲気とを連通する気体流出孔９２ｃが形成されている。図５では、気体流出孔９２ｃは、上金型９２の側面にて外部と連通されている。これにより、ホットプレス加工時に抑制壁部材９３の内側に溜まる気体を外部へ案内させ、ガラス封止部６中の気泡を低減することができる。

また、気体流出用の構造における他の例として、図６Ａ，６Ｂに示すように、搭載基板３の搭載領域１０外、又は搭載領域１０の端部に、予め搭載基板３を貫通する気体流出孔３１ａを形成してもよい。これにより、同様に、ホットプレス加工時に抑制壁部材９３の内側に溜まる気体を外部へ案内させ、ガラス封止部６中の気泡を低減することができる。尚、気体流出孔３１ａは、ガラス封止部６に加わる圧力を均一にするために、ＬＥＤ素子２の配置に応じて搭載基板３に対称に設けることが望ましい。また、気体流出孔３１ａは、ガラス材の漏れがないように、例えば直径０．１ｍｍ〜０．２ｍｍといった小さな孔とすることが望ましい。

また、搭載基板３に気体流出孔を設ける他の例として、図７に示すように、搭載基板３の搭載領域１０のダイシング装置によって分割されるダイシングパターン（分割目標）上に、予め搭載基板３を貫通する気体流出孔３１ｂを形成してもよい。これにより、発光素子１に気体流出孔３１ｂを残すことなく分割することができる。

また、搭載基板３に気体流出孔を設ける他の例として、図８Ａ，８Ｂに示すように、搭載基板３のＬＥＤ素子２の搭載位置付近に、予め搭載基板３を貫通する気体流出孔３１ｃを形成してもよい。気体流出孔３１ｃは、ホットプレス加工時に抑制壁部材９３の内側に溜まる気体を外部へ案内させるとともに、ＬＥＤ素子２と電気的に接続される搭載基板３の搭載面３ａに設けられた表面パターンと、搭載基板３の裏面に形成され外部端子と接続可能な裏面パターンと、接続する気体流出孔３１ｃの内面に設けられこれらのパターンと連続的に形成される内面パターンとを形成するためのスルーホールでもある。

図８Ａ，８Ｂに示す例によれば、ホットプレス時にガラス材料を気体流出孔３１ｃまで進入させているので、ガラス材料が硬化した後に当該進入した部分が係合部となり、ガラス封止部５が搭載基板３に強固に固定される。これにより、ガラス封止部５に搭載基板３から剥離する方向に力が加わったとしても、係合部が気体流出孔３１ｃに引っ掛かるので、ガラス封止部５が搭載基板３から離脱することはない。従って、例えば樹脂封止の発光装置で使用不能であった高圧下等の過酷な環境での使用も可能となるし、信頼性が格段に向上する。

また、気体流出用の構造における他の例として、図９Ａ，９Ｂに示すように、抑制壁部材９３の搭載基板３との接触面側に、予め抑制壁部材９３を貫通する気体流出孔９３ａを形成してもよい。これにより、ホットプレス加工時に抑制壁部材９３の内側に溜まる気体を外部へ案内させ、ガラス封止部６中の気泡を低減することができる。尚、気体流出孔９３ａは、ガラス封止部６に加わる圧力を均一にするために、ＬＥＤ素子２の配置に応じて搭載基板３に対称に設けることが望ましい。また、気体流出孔９３ａは、抑制壁部材９３の搭載基板３との接触面に限らず、ガラス封止部６の高さを超えない範囲で設けることができる。

また、前記実施形態においては、抑制壁部材９３をガラス封止部６の高さより高く形成したものを示したが、例えば、図１０に示すように、ガラス封止部６の高さより低くなるよう変更してもよい。これにより、ガラス材と上金型９２の密着時に、ガラス材と上金型９２の間の気体が抑制壁部材９３の外側へ逃げやすくなる。

また、前記実施形態においては、抑制壁部材９３を平面視にて搭載領域１０を完全に包囲するよう形成したものを示したが、例えば、図１１及び図１２に示すように、搭載領域１０の外側の一部に形成するようにしてもよい。これにより、ガラス材と上金型９２の密着時に、ガラス材と上金型９２の間の気体が抑制壁部材９３の外側へ逃げやすくなる。図１１の例では、４つの抑制壁部材９５が当該正方形の四辺の角部近傍以外に対応して形成されている。また、図１２の例では、正方形状の搭載領域１０に対し、４つの抑制壁部材９６が当該正方形の四辺の中央側に対応して形成されている。

また、ガラス材と搭載基板３との接触面積を増大させる面積増大部として、搭載基板３に凹状、凸状等の溝部を形成してもよい。

また、前記実施形態においては、１つの発光装置１に１つのＬＥＤ素子２が搭載されるものを示したが、１つの発光装置に複数のＬＥＤ素子２が搭載されるものであってもよい。また、前記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、前記実施形態のガラス封止部６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、前記実施形態においては、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、ガラス封止部６に、ＭＱＷ層２３から発せられる青色光により励起されると、黄色領域にピーク波長を有する黄色光を発する蛍光体を含有させてもよい。蛍光体としては、ＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)蛍光体、珪酸塩蛍光体や、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６内の蛍光体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６から外部へ放射される。これにより、ガラス封止部６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。

さらに、ガラス封止部６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、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系のガラスを用いることもできるし、当該ガラスの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。また、セットされるガラス材は、バルク状のものに限らず、粉体を固めたもの等であってもよい。ガラス材は、加熱されて高粘度状態となってしまえば、加工前の状態による差異は見られなくなる。

また、前記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、前記実施形態においては、発光素子としてＬＥＤ素子を用いた発光装置を説明したが、発光素子はＬＥＤ素子に限定されるものではない。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、３ａ…ビアホール、４…回路パターン、４ａ…Ｗ層、４ｂ…Ｎｉ層、４ｃ…Ａｕ層、４ｄ…Ａｇ層、５…中空部、６…ガラス封止部、６ａ…上面、６ｂ…側面、１１…封止前ガラス、１１ａ…凹部、１２…中間体、２０…成長基板、２１…バッファ層、２２…ｎ型層、２３…ＭＱＷ層、２４…ｐ型層、２５…ｐ側電極、２６…ｐ側パッド電極、２７…ｎ側電極、２７ａ…Ａｌ層、２７ｂ…Ｎｉ層、２７ｃ…Ａｕ層、２８…Ａｕバンプ、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ…気体流出孔、４１…表面パターン、４２…裏面パターン、４３…ビアパターン、４４…外部接続端子、９１…下金型、９２…上金型、９３、９４、９５…抑制壁部材、９２ａ…平坦面、９２ｃ…気体流出孔、９３ａ…気体流出孔

Claims

搭載基板の搭載面における搭載領域に複数の発光素子を搭載する搭載工程と、
金型を前記搭載基板の前記搭載面と対向して配置し、前記搭載基板と前記金型の間に少なくとも前記搭載領域が覆われるようにガラス材を配置するとともに、前記複数の発光素子を搭載した前記搭載領域の外側に前記ガラス材の流出を抑制する枠状の抑制壁部材を配置するプレス準備工程と、
加熱により軟化したガラス材を前記金型によりプレスして、前記各発光素子を前記ガラス材により一括して封止するプレス工程と、を含み、
前記抑制壁部材は、前記搭載基板又は前記金型のいずれかに、前記抑制壁部材の内側に溜まる気体を外部へ案内させる気体流出孔を設ける発光素子の製造方法。
前記プレス工程にて軟化した前記ガラス材が硬化した後、前記ガラス材及び前記搭載基板を分割する分割工程を含む請求項１に記載の発光装置の製造方法。
前記気体流出孔は、前記搭載基板に形成され、前記分割工程にて、前記気体流出孔の上を通るように前記搭載基板を分割する請求項２に記載の発光素子の製造方法。
前記気体流出孔は、前記搭載基板の前記搭載領域の外側に設けられる請求項１又は２に記載の発光素子の製造方法。
前記抑制壁部材は、前記プレス工程にて、プレスされた後の前記ガラス材の厚みより低くなるよう設けられる請求項１から４のいずれかに記載の発光素子の製造方法。
前記抑制壁部材は、前記搭載領域の外周の全部に配置される請求項１から５のいずれかに記載の発光素子の製造方法。
前記抑制壁部材は、前記搭載領域の外周の一部に配置される請求項１から５のいずれかに記載の発光素子の製造方法。