JP5467963B2 - 発光装置の製造方法 - Google Patents

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

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し、その後それぞれの発光装置を分離すると、一部の発光装置でガラス材が搭載基板から剥離したり、電気的な特性にばらつきが生じたりする場合があることが本発明者らによって確認されている。

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。

そこで、本発明者らは鋭意研究を重ね、ガラス材が搭載基板から剥離したり電気的特性が劣化した発光素子は、それぞれの発光装置を分離する前の状態において、金型の周縁部に近い部位に位置していたものである割合が高いことを見出した。またさらに、ガラスの剥離や電気的特性の劣化は、プレス加工時におけるガラス材の圧力に関係があるとの知見を得るに至った。そして、プレス加工時におけるガラス材の流出を抑制することで、このプレス加工時におけるガラス材の圧力分布を均一化し、ガラスの剥離や電気的特性の劣化を抑制し得ることを発見し、本発明をなすに至ったのである。

すなわち本発明では、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プレス準備工程と、前記搭載領域の外側に前記ガラス材の流出を抑制する流出抑制部を前記金型あるいは前記搭載基板に設けた状態で、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、前記プレス工程では、前記金型あるいは前記搭載基板の前記流出抑制部と前記搭載基板あるいは前記金型との間に位置し、前記搭載領域の外側に対応する前記ガラス材の第１の領域を先行加圧しつつ高圧部を発生させ、前記高圧部で囲まれ、前記搭載領域に対応する前記ガラス材の第２の領域の圧力を均一化す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、前記流出抑制部は、前記金型と前記搭載基板の少なくとも一方に設けられた突出部を有してもよい。

上記発光素子の製造方法において、前記金型には、前記ガラス材との対向面に開口部を有し、前記ガラス材と前記金型との間の気体を流出させる気体流出孔を形成してもよい。

上記発光素子の製造方法において、前記搭載基板は、前記搭載面における前記搭載領域の外側に、前記ガラス材との接触面積を増大させる面積増大部を有してもよい。

上記発光素子の製造方法において、前記面積増大部は、前記搭載面における前記搭載領域の外側に形成される溝部を有してもよい。

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する分割工程を含んでもよい。

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配線基板の平面図、（ｂ）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４Ｃはガラス材の封止加工後の状態を示す模式説明図である。 図５Ａ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５Ｂは変形例を示すものであって、ガラス材の封止加工後の状態を示す模式説明図である。 図６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７は変形例を示す上金型の底面図である。 図８は変形例を示す上金型の底面図である。 図９は変形例を示す上金型の底面図である。 図１０は変形例を示す上金型の底面図である。 図１１は変形例を示すものであって、ガラス材の封止加工時の状態を示す模式説明図である。

図１から図４Ｃ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を搭載する配線基板３と、配線基板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配線基板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と配線基板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、配線基板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。

搭載基板としての配線基板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、配線基板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、配線基板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、配線基板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℃で配線基板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）が配線基板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配線基板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及び配線基板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、配線基板３と平行な上面６ａと、上面６ａの外縁から下方へ延び配線基板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が形成された配線基板３を用意し、配線基板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配線基板３を１０００℃余で熱処理することによりＷを配線基板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配線基板の平面図、（ｂ）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配線基板３に搭載する（搭載工程）。本実施形態においては、配線基板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、配線基板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。また、配線基板３は、各ＬＥＤ素子２の搭載領域１０の外側に形成される面積増大部としての溝部３１を有している。本実施形態においては、搭載領域１０の外側に溝部３１が二重に形成されている。

図３（ｂ）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と、平坦面９２ａの外縁側に形成され下方へ突出形成される流出抑制部９２１と、を一体に有している。本実施形態においては、流出抑制部９２１が、平坦面９２ａの周囲を全周にわたって取り囲むように、底面視にて四角のリング状に形成されている。また、流出抑制部９２１の内側における平坦面９２ａには、後述する気体流出孔９３の一端開口部９３ａが形成されている。本実施形態においては、一端開口部９３ａが、四角のリング状に形成された流出抑制部９２１のそれぞれの辺に対応して、４箇所に設けられている。この上金型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４Ａに示すように、流出抑制部９２１は、配線基板３に対向する平面９２１ａと、内側の側面９２１ｂと、側面９２１ｂと平坦面９２ａとの間に介在する断面円弧状の円弧面９２１ｃとを有する。流出抑制部９２１の平面９２１ａは平坦面９２ａと平行であり、側面９２１ｂは平坦面９２ａと直交する。平坦面９２ａに垂直な方向に対する流出抑制部９２１の平坦面９２ａからの高さｈは、ホットプレス加工前における封止前ガラス１１の厚みよりも低く形成されている。本実施形態においては、流出抑制部９２１の高さｈがこの封止前ガラス１１の厚みの５０％の高さに形成されている。

また、上金型９２には、封止前ガラス１１との対向面に一端開口部９３ａを有し、封止前ガラス１１と上金型９２との間の気体を流出させる気体流出孔９３が形成されている。一端開口部９３ａは、ホットプレス加工前において封止前ガラス１１と対向する平坦面９２ａに設けられている。より詳細には、一端開口部９３ａは、平坦面９２ａのうち、発光装置１の製品となる封止前ガラス１１や配線基板３の位置より端の位置に設けられている。気体流出孔９３の他端開口部９３ｂは、封止前ガラス１１に接触することのない上金型９２の側面９２ｃに設けられている。この気体流出孔９３は、例えば一端開口部９３ａから平坦面９２ａに垂直に形成した孔と他端開口部９３ｂから側面９２ｃに垂直に形成した孔とを連通させることで形成することができる。また、本実施形態においては、気体流出孔９３が４つ形成されているが、この気体流出孔９３は１つでもよい。また、気体流出孔９３の一端開口部９３ａの位置は、平坦面９２ａの周縁部に限らず、中央部であってもよい。またさらに、気体流出孔９３が一端開口部９３ａのみを有する行き止まり形状であってもよい。この場合、封止前ガラス１１と上金型９２との間の気体は、圧縮されながら気体流出孔９３内に収容される。さらに、気体流出孔９３を設けることは必須ではなく、例えば閉じ込められる気体の容積が小さい場合、平坦面９２ａの粗度が大きい場合、あるいは減圧雰囲気で加工する場合などのように、残留気体が問題とならない場合には、気体流出孔９３を設けなくともよい。

そして、発光装置１の製造工程では、図４Ａに示すように、各ＬＥＤ素子２が搭載された配線基板３を下金型９１にセットし、上金型９２を配線基板３の搭載面と対向して配置し、配線基板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。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、ホットプレス加工前における封止前ガラス１１の配線基板３側の面、及び上金型９２側の面は平坦である。

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流出抑制部９２１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、配線基板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に配線基板３方向へ圧力を加えることにより行われる。

図４Ｂは、ホットプレス加工中における流出抑制部９２１の周辺部の状態の変化を示す説明図であり、（ａ）は封止前ガラス１１が流出抑制部９２１及び配線基板３に挟まれた初期状態、（ｂ）は（ａ）に示す初期状態よりも上金型９２と配線基板３との距離が縮まった中期状態、（ｃ）は（ｂ）に示す状態よりもさらに上金型９２と配線基板３との距離が縮まった後期状態を示す。
図４Ｂ（ａ）に示す初期状態では、封止前ガラス１１と上金型９２との間の気体の流通が流出抑制部９２１によって遮断された状態となる。この状態から上金型９２が配線基板３に向かって相対的に移動すると、封止前ガラス１１と上金型９２との間の気体が気体流出孔９３を介して一端開口部９３ａから他端開口部９３ｂに向かって流出し、外部に放出される。

また、上金型９２と配線基板３との距離が縮まると、図４Ｂ（ｂ）に示すように、流出抑制部９２１の平面９２１ａと配線基板３との間に挟まれた部分における封止前ガラス１１の圧力が高まり、この部分に封止前ガラス１１の高圧部１１ａが発生する。これにより、封止前ガラス１１が配線基板３に押し付けられ、封止前ガラス１１の端部における配線基板３への接合を確実に行うことができ、発光装置を分離する際のガラスの剥離を防ぐことができる。特に、配線基板３が多結晶セラミックなど表面にミクロな凹凸がある場合には、アンカー効果を高めて接合強度を大きくすることができるという効果がある。また、高圧部１１ａの圧力に応じて、この部分のガラスが外側及び内側に逃げようとする力Ｆ_２ｏｕｔ及びＦ_２ｉｎが発生する。

図４Ｂ（ｃ）に示すように、流出抑制部９２１の平面９２１ａと配線基板３との間の距離が縮まり、封止前ガラス１１が平坦面９２ａに接して押圧されることで、封止前ガラス１１が配線基板３の外方へ流出しようとするＦ_１が生じるが、高圧部１１ａによるＦ_２ｉｎがこのＦ_１に対する反力として作用し、搭載領域１０における封止前ガラス１１がその中心部に向かって押し戻されることで、封止前ガラス１１の流出が抑制される。これにより、ホットプレス加工の完了時における搭載領域１０の封止前ガラス１１の圧力が、流出抑制部９２１がない場合に比較して高くなる。特に、流出抑制部９２１がない場合にガラスの流出が生じやすいガラス端面での圧力を高くすることができ、面内圧力の均一化を図ることができる。

このように、ＬＥＤ素子２が搭載された配線基板３に流出抑制部９２１により封止前ガラス１１の端部を先行加圧しつつ、その後、発光装置１として用いるガラスの中央部を含めた全体を加圧することで、封止前ガラス１１が融着され、ＬＥＤ素子２は配線基板３上で封止前ガラス１１により封止される（加圧工程）。図４Ｃは、ホットプレス加工が完了した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４Ｃ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、上金型９２の流出抑制部９２１が封止前ガラス１１の流出を抑制することにより、流出抑制部９２１の内側では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と配線基板３により圧縮され、上金型９２と配線基板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、流出抑制部９２１を設けることにより、ガラス材の流出方向を絞りつつ、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。尚、本実施形態においては、流出抑制部９２１の先端が配線基板３と接触していないことから、余分なガラス材は流出抑制部９２１から外側へ流出する。これにより、キャビティ内のガラス材の過度の圧力上昇を回避することができる。

図４Ｃ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。また、軟化したガラス材は、配線基板３の各溝部３１に入り込んで、各溝部３１の表面と接合する。ここで、各溝部３１は、流出抑制部９２１の外側に配置されている。

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４Ｃ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と一体化された配線基板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及び配線基板３を各ＬＥＤ素子２ごと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、配線基板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、ガラス材と配線基板３との接合強度が増大し、ガラス材の配線基板３からの剥離を抑制することができる。また、ガラス材との接触面が平面状の上金型を用いる場合、配線基板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、本実施形態の上金型９２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、配線基板３の大きさを２２．５ｍｍ角、厚みを０．２５ｍｍとし、封止前ガラス１１の大きさを２０．０ｍｍ角、厚みを０．７ｍｍとし、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、上金型９２に流出抑制部９２１を設け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。さらに、ガラス材が配線基板３の各溝部３１へ入り込むので、ダイシングの際、ダイシングブレードがガラス端部をめくり上げてガラス材が配線基板３から剥がれることを抑制できる。

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の封止条件を均一化し、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等を介して配線基板３に実装されている場合、各ＬＥＤ素子２と配線基板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。

発明者らの実験では、上金型９２に流出抑制部９２１を設けない場合には、ＬＥＤ素子２の平均順方向電圧が３．７４Ｖ、そのばらつきσが０．２４Ｖであり、ＬＥＤ素子２の下部にガラスが完全には回り込まないで生じる中空部の大きさが、ホットプレス加工時におけるＬＥＤ素子２の場所により、４０μｍ程度の差のあるものであった。一方、上金型９２に流出抑制部９２１を設けた場合には、ＬＥＤ素子２の平均順方向電圧が３．２８Ｖ、そのばらつきσが０．０３Ｖであり、ガラスが回り込まない中空部の大きさのＬＥＤ素子２の場所による差がほとんどみられず、１０μｍ程度以内に収まるものであった。しかも、中空部の大きさが略ＬＥＤ素子２の大きさとなり、ＬＥＤ素子２の下部へのガラスの回り込みが生じないもので、かつダイシングの際、ガラス材が配線基板３から剥がれないものとすることもできている。また、流出抑制部９２１の高さを封止前ガラス１１の厚みの１／７の高さにしたもの、あるいは封止前ガラス１１の大きさを３０．０ｍｍ角とし、配線基板３の大きさをそれに対応した大きさとして、発光装置１の取り数を増し、発光装置１外の周辺幅は同等としたものでも、同様の効果があることが確認されている。

また、上金型９２に流出抑制部９２１を設けたことで、別途、消耗性の部品や部材を追加することなく、各ＬＥＤ素子２の特性のばらつき等を抑制することができる。また、上金型９２自体に流出抑制部９２１を形成してあるので、例えば６００℃程度の高温にしても、当該流出抑制部９２１が上金型９２から外れたり、位置精度が低下するようなことはないし、流出抑制部９２１を耐久性のあるものとして用いることができる。さらに、流出抑制部９２１と上金型９２の間に隙間がなく、かつ流出抑制部９２１は円弧面９２１ｃを介して平坦面９２ａに連続して形成されているので、加圧されたガラスが当該隙間に入り込み、ガラスがはずれなくなったり、流出抑制部９２１を取り付けた箇所が浮いたり、はずれたりすることもない。

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、配線基板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、配線基板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、配線基板３に反りを発生させる内部応力を小にでき、配線基板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、配線基板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、配線基板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。

配線基板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。なお、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。

尚、前記実施形態においては、上金型９２に、平坦面９２ａの流出抑制部９２１の内側と、外部雰囲気とを連通する気体流出孔９３が形成されているので、ホットプレス加工時に流出抑制部９２１の内側に溜まる気体を外部へ案内させ、上金型９２とガラスとの間に気泡が残留し、ガラス封止部６の外形状が変化するのを防ぐことができる。また、気泡残留箇所のプレス圧が低下し、接合不良が生じることを防ぐことができる。またさらに、ホットプレス加工後に上金型９２がガラス材から離間する際には、上金型９２の平坦面９２ａとガラス材との間に気体を供給し、上金型９２とガラス材とを分離しやすくすることができる。

また、前記実施形態においては、流出抑制部９２１が上金型９２の外縁部分に形成されたものを示したが、例えば図５Ａ及び図５Ｂに示すように、流出抑制部９２２を上金型９２Ａの平坦面９２ａから配線基板３に向かって突出する堤状の突条に形成してもよい。ここで、図５Ａはホットプレス加工前の状態を、図５Ｂはホットプレス加工後の状態を、それぞれ示す。図５Ａ及び図５Ｂに示す上金型９２Ａには、流出抑制部９２２の外側に、平坦面９２ａと同じ高さの平坦な周縁部９２ｂが形成されている。また、流出抑制部９２２ｈは、先端に向かって細くなるように、搭載領域１０側の面が傾斜して形成されている。このような形状の上金型９２Ａによっても、ホットプレス加工時に流出抑制部９２２の先端部において配線基板３と対向する平面９２２ａと配線基板３との間における封止前ガラス１１の圧力が高くなり、前記実施形態と同様な作用効果が得られる。

また、前記実施形態においては、ホットプレス加工前における封止前ガラス１１の配線基板３側の面を平坦に形成したものを示したが、例えば図５Ａに示すように、封止前ガラス１１に各ＬＥＤ素子２に対応する凹部１１ａを形成してもよい。このように封止前ガラス１１を形成することにより、凹部１１ａが各ＬＥＤ素子２に嵌まり込み、ホットプレス加工時における封止前ガラス１１の外方への流出をさらに抑制することができる。

また、前記実施形態においては、上金型９２の流出抑制部９２１の内側は略平坦であるものを示したが、例えば図６及び図７に示すように、上金型９２Ｂの流出抑制部９２２の内側に仕切部９２３を設けてもよい。図６及び図７に示す上金型９２Ｂにおいては、仕切部９２３は配線基板３の中央に設けられ、配線基板１０における仕切部９２３の直下にはＬＥＤ素子２を搭載しないようにしている。これにより、封止前ガラス１１は、仕切部９２３により複数のキャビティに仕切られ、プレス時には各キャビティごとにガラス材の圧力がほぼ一定となる。また、図７に示すように、この上金型９２Ｂは、流出抑制部９２２の対向する二辺の中央を連結するように、仕切部９２３が十字状に形成されている。これにより、ガラス材が４つのキャビティに仕切られるようになっている。またさらに、気体流出孔９３の一端開口部９３ａが、４つのキャビティのそれぞれに対応して設けられている。

また、前記実施形態においては、上金型９２の流出抑制部９２１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８から図１０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の間の気体が流出抑制部の外側へ逃げやすくなる。この場合、気体流出孔９３は必ずしも必要ではない。

図８に示す上金型９２Ｃでは、正方形状の搭載領域１０に対し、４つの突条の流出抑制部９２４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、図８の上金型９２Ｃでは、４つの流出抑制部９２４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。さらに、図９に示すように、４つの流出抑制部２９４を正方形の四辺の角部近傍以外に対応して形成し、向かい合う一対の流出抑制部２９４の間に仕切部２９３を形成した上金型９２Ｄとしてもよい。またさらに、図１０に示す上金型９２Ｅのように、流出抑制部９２５の長さを、図８に示す流出抑制部９２４よりもさらに短くし、正方形状の搭載領域１０の対応する辺の長さの半分以下としてもよい。

また、流出抑制部の高さも任意に変更することができる。図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃでは、流出抑制部９２１の高さをガラス材の高さに対して５０％程度とし、図５Ａ、図５Ｂ、図６では、流出抑制部９２２及び仕切部９２３の高さをガラス材の高さに対して７５％程度として示しているが、これらの流出抑制部９２１，９２２、又は仕切部９２３は、ガラス材に対し１０％以上の高さがあれば十分な効果を得ることができる。また、ダイシングにより分割して形成する各発光装置毎に仕切部２９３を設けたものでは、ガラス材に対し２０％の高さであっても７５％の高さのものと同等の効果を得ることができる。

また、前記実施形態においては、流出抑制部９２１を上金型９２に設けたものを示したが、例えば図１１に示すように、配線基板３に流出抑制部３２を設けても良い。図１１においては、配線基板３の外縁側の部分をセラミックの多層構造とすることにより突出する流出抑制部３２を形成している。ここで、配線基板３に気体流出孔を形成してもよく、この場合、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。このように、上金型９２と配線基板３の少なくとも一方に流出抑制部が形成され、横方向へ流出するガラス材の流路を絞ればよいのである。

また、発光装置１のガラス封止部６の上面は平坦面でなくともよく、表面にプリズム面やフレネルレンズ面や干渉用の凹凸面が形成されていてもよい。またさらに、前記実施形態においては、ガラス材と配線基板３との接触面積を増大させる面積増大部として、配線基板３に溝部３１を形成したものを示したが、配線基板３の表面積を増大させるものであれば、凹状、凸状等の他の形状とすることもできる。あるいは、溝部３１を設けないものであってもかまわない。

また、前記実施形態においては、複数のＬＥＤ素子２はＡｕバンプを用いて配線基板３に搭載され、ＬＥＤ素子２と配線基板３との間に中空があるものとして説明したが、この中空部が耐熱絶縁性部材で埋められたものや、Ａｕバンプを用いず、導電性接着剤や共晶材などでガラスが入り込む隙間のないものとしてもよい。この場合でも、封止温度の低温化とともに基板外縁での接合性向上の効果を得ることができる。

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。その際、複数のＬＥＤ素子２単位で分離するものであってもよいし、例えば図３のような複数（図３に示す例では４９個）のＬＥＤ素子２が搭載されたものをダイシング分離せずに、そのまま発光装置としてもよい。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により配線基板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、搭載基板としての配線基板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。

例えば、流出抑制部を備えた上金型に代えて、封止前ガラス１１より転移点が５０℃以上高い板状の透明の第２のガラスに流出抑制部を設け、配線基板３と第２のガラスとで封止前ガラス１１を挟み込んで、ガラス封止してもよい。この際、第２のガラスに設けられた流出抑制部は、封止前ガラス１１側に配置される。第２のガラスの流出抑制部が設けられていない側は、平面でもよいし、プリズム面やフレネルレンズ面や干渉用の凹凸面、あるいは、ミクロな光学系に限らず、凸レンズ（この場合、１ｍｍ以上のサイズでも可）としてもよく、発光装置１の光学制御部として用いることができる。第２のガラスの流出抑制部や光学面は、ガラス封止前にあらかじめ成形したものを用い、第２のガラスはガラス封止の際に軟化しないものを選択することで、上型に流出抑制部を備えたものと同様の効果と、光学制御機能を得ることができる。なお、第２のガラスとして説明したが、ガラスに限らず、ガラス封止の際に軟化しない透明部材であればよいが、形状加工のためにはプレス成形できるガラスが適している。

１ 発光装置
２ ＬＥＤ素子
３ 配線基板
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
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
９２ａ 平坦面
９２１ 流出抑制部
９２２ 流出抑制部
９２３ 仕切部
９２４ 流出抑制部
９２５ 流出抑制部
９３ 気体流出孔

Claims (6)

1. 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プレス準備工程と、
   前記搭載領域の外側に前記ガラス材の流出を抑制する流出抑制部を前記金型あるいは前記搭載基板に設けた状態で、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、
   前記プレス工程では、前記金型あるいは前記搭載基板の前記流出抑制部と
   前記搭載基板あるいは前記金型との間に位置し、前記搭載領域の外側に対応する前記ガラス材の第１の領域を先行加圧しつつ高圧部を発生させ、前記高圧部で囲まれ、前記搭載領域に対応する前記ガラス材の第２の領域の圧力を均一化する発光素子の製造方法。
2. 前記流出抑制部は、前記金型と前記搭載基板の少なくとも一方に設けられた突出部を有する請求項１に記載の発光素子の製造方法。
3. 前記金型には、前記ガラス材との対向面に開口部を有し、前記ガラス材と前記金型との間の気体を流出させる気体流出孔が形成された請求項１又は２に記載の発光素子の製造方法。
4. 前記搭載基板は、前記搭載面における前記搭載領域の外側に、前記ガラス材との接触面積を増大させる面積増大部を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
5. 前記面積増大部は、前記搭載面における前記搭載領域の外側に形成される溝部を有する請求項４に記載の発光素子の製造方法。
6. 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から５のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。

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