JP5565395B2 - 発光装置および発光装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は発光装置および発光装置の製造方法に係り、詳しくは、搭載基板にフリップチップボンディングされたＬＥＤチップをガラス材料で封止した発光装置と、その製造方法とに関するものである。

従来より、ＬＥＤチップを搭載基板にフリップチップボンディングし、その搭載基板に板状のガラス材料をホットプレス加工することにより、ＬＥＤチップをガラス封止した発光装置が開発されている。
特許文献１，２には、搭載基板とＬＥＤチップとの間にガラス材料が進入していない中空部（空隙）が設けられた技術が開示されている。

特許文献３には、搭載基板とＬＥＤチップとの間にガラス材料が進入していない中空部が設けられ、光反射性の良好なアンダーフィル（液状硬化性樹脂）や熱伝導性の良好なアンダーフィルが中空部に充填された技術が開示されている。

特開２００７−１０３９１７号公報 特開２００８−１２４２６７号公報 ＷＯ２００４／０８２０３６

ガラス材料をホットプレス加工する際には、ガラス材料をガラス転移点以上の温度に加熱するため、ＬＥＤチップの本体部分を形成する半導体材料とＰ側（アノード側）コンタクト電極層（コンタクト層）の形成材料との熱膨張率差により、ＬＥＤチップの本体部分からＰ側コンタクト電極層が剥離するおそれがある。
このため、ＬＥＤチップの本体部分をIII族窒化物系化合物半導体（例えば、窒化ガリウム系半導体など）で形成した場合には、III族窒化物系化合物半導体と熱膨張率が略同等で付着強度が大きなＩＴＯ(Indium Tin Oxide)でＰ側コンタクト電極層を形成している（特許文献１〜３参照）。

また、ホットプレス加工はガラス材料の高粘度状態で行われるため、搭載基板とＬＥＤチップとの間へガラス材料が十分に回り込まず、ガラス材料が進入していない中空部が形成されるが、中空部にはホットプレス加工装置内の封止雰囲気が閉じこめられて残留する。
そのため、Ｐ側コンタクト電極層と中空部との界面に達した光は、Ｐ側コンタクト電極層と中空部内の封止雰囲気との屈折率差に基づいて反射されるため、光が搭載基板に到達することによる反射吸収損失を低減することができる。

しかし、中空部内の封止雰囲気に接触する発光装置の構成部材（Ｐ側コンタクト電極層、パッド電極、バンプ、搭載基板の内部配線パターンなど）が、封止雰囲気に含まれる不純物により侵されて劣化するおそれがあり、発光装置の信頼性が低下するという問題がある。
そこで、特許文献３の技術のように、中空部にアンダーフィルを充填して封止雰囲気を排除すれば、前記問題を回避できる。

特許文献３の技術では、ＬＥＤチップを搭載基板にフリップチップボンディングする前に、搭載基板に予めアンダーフィルをポッティングしておき、その上にＬＥＤチップを載置することにより、中空部にアンダーフィルを充填している。
しかし、中空部内にアンダーフィルを確実に充填するには、アンダーフィルを搭載基板に対して正確にポッティングする必要があり、技術的に極めて困難であるため実用性に欠けている。

本発明は前記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、搭載基板とＬＥＤチップとの間に形成された中空部内の封止雰囲気に含まれる不純物により構成部材が侵されて劣化するのを防止可能な発光装置と、その製造方法とを提供することにある。

本発明者らは前記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、下記のように本発明の各局面に想到した。

＜第１の局面＞
第１の局面は、
搭載基板と、
前記搭載基板にフリップチップボンディングされたＬＥＤチップと、
前記搭載基板上に形成され、前記ＬＥＤチップを封止するガラス材料から成るガラス封止部と、
前記搭載基板と前記ＬＥＤチップとの間に前記ガラス封止部のガラス材料が進入していない空隙である中空部と、
前記中空部と連通するように、前記搭載基板の板厚方向に貫通形成された注入孔と、
前記中空部の内部に充填されたガラス層から成るガラス充填部とを備えた発光装置である。

第１の局面によれば、中空部の内部に充填されたガラス層から成るガラス充填部を備えるため、中空部の内部に残留していた封止雰囲気が排除されることから、発光装置の構成部材の劣化を防止して発光装置の信頼性を高めることができる。
そして、第１の局面におけるガラス充填部は、注入孔を介して中空部の内部にガラス層の形成材料を注入することによって得られるため、中空部の内部にガラス層を確実に充填することが可能であり、ガラス充填部を容易に形成できることから、実用性に優れている。

＜第２の局面＞
第２の局面は、第１の局面において、前記ガラス充填部の前記ガラス層はゾルゲルガラス層から成る発光装置である。
第２の局面におけるガラス充填部は、注入孔を介して中空部の内部にゾルゲルガラス層の形成材料を注入し、ゾルゲル法を用いてゾルゲルガラス層を形成することによって得られる。
そのため、中空部の内部にゾルゲルガラス層を確実に充填することが可能であり、ガラス充填部を容易に形成できることから、実用性に優れている。

＜第３の局面＞
第３の局面は、第１の局面において、前記ガラス充填部の前記ガラス層はガラス材料の微粉末の焼結層から成る発光装置である。
第３の局面におけるガラス充填部は、注入孔を介して中空部の内部にガラス材料の微粉末を注入し、そのガラス材料の微粉末を焼結させて焼結層を形成することによって得られる。
そのため、中空部の内部に焼結層を確実に充填することが可能であり、ガラス充填部を容易に形成できることから、実用性に優れている。

＜第４の局面＞
第４の局面は、第１〜第３の局面において、前記ガラス充填部には、光反射性の良好な材料、蛍光材料、熱伝導性の良好な材料から選択された少なくともいずれか１つの材料から成るフィラーが分散配置された発光装置である。

光反射性の良好な材料をフィラーとして用いれば、ＬＥＤチップが発生した光が、ガラス充填部に分散配置されたフィラーによって反射されるため、光が搭載基板に到達することによる反射吸収損失を低減することが可能になり、発光装置からの光の取り出し効率を高めることができる。

蛍光材料をフィラーとして用いれば、ＬＥＤチップが発生した光により、ガラス充填部に分散配置されたフィラーが蛍光を発生し、その蛍光がＬＥＤチップの光と混合する。
そのため、ＬＥＤチップの光と同じ色の蛍光を発生する蛍光材料をフィラーに用いた場合には、発光装置の発光効率を高めることができる。
また、ＬＥＤチップの光と異なる色の蛍光を発生する蛍光材料をフィラーに用いた場合には、ＬＥＤチップの光とは異なる発光色が得られる。

熱伝導性の良好な材料をフィラーとして用いれば、ＬＥＤチップが発生した熱を、ガラス充填部を介して搭載基板へ伝導させ、発光装置から外部へ放出することが可能になるため、ＬＥＤチップの過熱を抑制して信頼性を向上できる。
尚、前記特性を有するフィラーを複数種類混合して用いてもよく、その場合には複数の特性を合わせもたせることができる。

＜第５の局面＞
第５の局面は、第１の局面の発光装置を製造するための製造方法であって、前記注入孔を介して前記中空部の内部に、ゾルゲルガラス層の形成材料を注入する工程と、ゾルゲル法を用い、前記ゾルゲルガラス層の形成材料を加水分解させた後に縮重合させてゾルとし、そのゾルから水分を除去して生じたゲルを焼結させてガラス化させることによりゾルゲルガラス層を形成する工程とを備え、前記ゾルゲルガラス層が前記ガラス充填部の前記ガラス層となる発光装置の製造方法である。
従って、第５の局面によれば、第２の局面と同様の作用・効果が得られる。

＜第６の局面＞
第６の局面は、第１の局面の発光装置を製造するための製造方法であって、前記注入孔を介して前記中空部の内部に、ガラス材料の微粉末を注入する工程と、前記ガラス材料の微粉末を焼結させて焼結層を形成する工程とを備え、前記ガラス材料の微粉末の焼結層が、前記ガラス充填部の前記ガラス層となる発光装置の製造方法である。
従って、第６の局面によれば、第３の局面と同様の作用・効果が得られる。

＜第７の局面＞
第７の局面は、第５または第６の局面において、前記ガラス充填部には、光反射性の良好な材料、蛍光材料、熱伝導性の良好な材料から選択された少なくともいずれか１つの材料から成るフィラーが分散配置された発光装置の製造方法である。
従って、第７の局面によれば、第４の局面と同様の作用・効果が得られる。

＜第８の局面＞
第８の局面は、第５〜第７の局面において、前記中空部と連通するように、前記搭載基板の板厚方向に貫通形成された排気孔を設け、前記排気孔を介して前記中空部の内部の封止雰囲気を排気させながら、前記注入孔を介して前記中空部の内部に前記ガラス層の形成材料を注入する工程を備えた発光装置の製造方法である。
第８の局面によれば、ガラス層の形成材料を中空部の内部に容易に注入することが可能になるため、発光装置の製造効率を向上できる。

本発明を具体化した第１実施形態の発光装置１０の概略構成を示す概略縦断面図。 本発明を具体化した第２実施形態の発光装置５０の概略構成を示す概略縦断面図。

以下、本発明を具体化した各実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、各実施形態において、同一の構成部材および構成要素については符号を等しくすると共に、同一内容の箇所については重複説明を省略する。
また、各図面では、説明を分かり易くするために、各実施形態の構成部材の寸法形状および配置箇所を誇張して模式的に図示してあり、各構成部材の寸法形状および配置箇所が実物とは異なっている。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、第１実施形態の発光装置１０は、搭載基板１１、Ｐ側（アノード側）内部配線パターン（回路パターン）１２、Ｎ側（カソード側）内部配線パターン１３、Ｐ側外部配線パターン１４、Ｎ側外部配線パターン１５、ビアホール１６，１７、バンプ１８，１９、ＬＥＤチップ（素子）２０、ガラス封止部３０、中空部３１、注入孔３２、ガラス充填部３３、フィラー３４などから構成されている。

ＬＥＤチップ２０は、成長基板２１、バッファ層２２、Ｎ型半導体層２３、発光層２４、Ｐ型半導体層２５、Ｐ側コンタクト電極層２６、Ｐ側パッド電極２７、Ｎ側パッド電極２８などから構成されている。

搭載基板１１はセラミックの板材から成り、搭載基板１１の表面上にはＰ側内部配線パターン１２およびＮ側内部配線パターン１３が形成され、搭載基板１１の裏面上にはＰ側外部配線パターン１４およびＮ側外部配線パターン１５が形成されている。
搭載基板１１にはその板厚方向にビアホール１６，１７が貫通形成されており、Ｐ側内部配線パターン１２とＰ側外部配線パターン１４とはビアホール１６を介して接続され、Ｎ側内部配線パターン１３とＮ側外部配線パターン１５とはビアホール１７を介して接続されている。

各配線パターン１２〜１５は、導電性の高い金属の多層膜（例えば、銅またはタングステン、ニッケル、金を下層からこの順番で積層した多層膜など）から成る。
ビアホール１６，１７内には導電性の高い金属（例えば、銅、タングステンなど）から成るプラグが埋設されている。

成長基板２１はサファイア（酸化アルミニウム）の板材から成る。
成長基板２１の表面上には、バッファ層２２、Ｎ型半導体層２３、発光層２４、Ｐ型半導体層２５、Ｐ側コンタクト電極層２６がこの順番で積層形成されている。
バッファ層２２は、成長基板２１上にＮ型半導体層２３を形成するために用いられ、例えば、窒化アルミニウムから成る。
Ｎ型半導体層２３およびＰ型半導体層２５は、エピタキシャル成長により形成されたIII族窒化物系化合物半導体（例えば、窒化ガリウム系半導体など）から成る。

発光層２４は、エピタキシャル成長により形成されたIII族窒化物系化合物半導体を複数ペア積層（例えば、ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮバリア層とを交互に６ペア積層）させた構造のＭＱＷ（multiple-quantum well）層から成る。
尚、発光層２４を省いてもよい。

Ｐ側コンタクト電極層２６は、ガラス封止部３０の形成時に加熱されても、ＬＥＤチップ２０の本体部分であるＰ型半導体層２５からＰ側コンタクト電極層２６が剥離しない材料によって形成されている。
例えば、各層２３〜２５をIII族窒化物系化合物半導体で形成した場合には、III族窒化物系化合物半導体と熱膨張率が略同等で付着強度が大きなＩＴＯによってＰ側コンタクト電極層２６が形成されている。

Ｐ側コンタクト電極層２６の表面上には、Ｐ側パッド電極２７が形成されている。
Ｐ側パッド電極２７は、例えば、ニッケルと金の合金などから成る。
ＬＥＤチップ２０の各層２３〜２６の一部はエッチング処理により削り取られ、Ｎ型半導体層２３の表面が露出されており、その露出されたＮ型半導体層２３の表面上にはＮ側パッド電極２８が形成されている。
Ｎ側パッド電極２８は、例えば、導電性の高い金属の多層膜（例えば、アルミニウム、ニッケル、金を下層からこの順番で積層した多層膜など）から成る。
各パッド電極２７，２８はＬＥＤチップ２０の同一面側（裏面側）に形成されている。

ＬＥＤチップ２０は、Ｐ側内部配線パターン１２およびＮ側内部配線パターン１３の上にそれぞれ、バンプ１８，１９を用いてフリップチップボンディングされることにより、搭載基板１１に搭載されている。
すなわち、Ｐ側パッド電極２７とＰ側内部配線パターン１２とがバンプ１８を介して接続され、Ｎ側パッド電極２８とＮ側内部配線パターン１３とがバンプ１９を介して接続されている。
バンプ１８，１９は、例えば、金、ハンダなどから成る。

ガラス封止部３０は、無機封止材料である透明なガラス材料（例えば、酸化亜鉛系ガラスなど）から成り、搭載基板１１に搭載されたＬＥＤチップ２０をガラス封止している。
ガラス封止部３０の形成方法は、まず、板状のガラス材料を搭載基板１１と平行になるようにＬＥＤチップ２０の上方に配置した状態で、ガラス材料および搭載基板１１をホットプレス加工装置の金型にセットし、次に、封止雰囲気（例えば、不活性ガスである窒素ガスなど）中で金型を加熱しながらガラス材料と搭載基板１１とを加圧するホットプレス加工により、ガラス材料を搭載基板１１に熱圧着させ、ガラス材料によってＬＥＤチップ２０を封止させる。

このとき、ホットプレス加工はガラス材料の高粘度状態で行われるため、搭載基板１１とＬＥＤチップ２０との間へガラス材料が十分に回り込まず、搭載基板１１とＬＥＤチップ２０との間には、ガラス材料が進入していない空隙である中空部３１が形成される。
注入孔３２は、搭載基板１１の裏面側と中空部３１とを連通するように、ホットプレス加工以前に予め搭載基板１１の板厚方向に貫通形成されている。

ガラス充填部３３は、中空部３１および注入孔３２の内部に充填されたゾルゲルガラス層から成る。
第１実施形態におけるガラス充填部３３の形成方法は、まず、矢印αに示すように、搭載基板１１の裏面側から注入孔３２を介して中空部３１内に、ゾルゲルガラス層の形成材料（例えば、テトラエトキシシランなどの金属アルコキシドなど）を注入し、次に、その形成材料を加水分解させた後に縮重合させてゾルとし、続いて、そのゾルから水分を除去して生じたゲルを焼結させてガラス化させることにより、ゾルゲルガラス層を形成する。

［第１実施形態の作用・効果］
第１実施形態の発光装置１０によれば、以下の作用・効果を得ることができる。

［１］ガラス封止部３０のホットプレス加工時には、ホットプレス加工装置内の封止雰囲気が中空部３１内に閉じこめられて残留する。
そのため、中空部３１内の封止雰囲気に接触する発光装置１０の構成部材（内部配線パターン１２，１３、バンプ１８，１９、Ｐ側コンタクト電極層２６、Ｐ側パッド電極２７、Ｎ側パッド電極２８など）が、封止雰囲気に含まれる不純物により侵されて劣化するおそれがあり、発光装置１０の信頼性が低下するという問題がある。

しかし、発光装置１０では、中空部３１および注入孔３２の内部に充填されたゾルゲルガラス層から成るガラス充填部３３を備えるため、中空部３１内の封止雰囲気が排除されることから、前記問題を解決することが可能であり、構成部材の劣化を防止して発光装置１０の信頼性を高めることができる。
尚、注入孔３２の内部にガラス充填部３３を充填する必要は無く、中空部３１の内部にのみガラス充填部３３を充填すればよい。

［２］ガラス充填部３３は、搭載基板１１の注入孔３２を介して中空部３１内にゾルゲルガラス層の形成材料を注入し、ゾルゲル法を用いてゾルゲルガラス層を形成することによって得られる。
そのため、中空部３１内にゾルゲルガラス層を確実に充填することが可能であり、ガラス充填部３３を容易に形成できることから、実用性に優れている。

尚、注入孔３２の配置箇所や、注入孔３２の断面形状および断面寸法φ１については、ゾルゲルガラス層の形成材料を確実に注入できるように適宜設定すればよい。
また、注入孔３２を介して中空部３１内の不活性ガスを排出させることにより、中空部３１内を真空状態にしておけば、ゾルゲルガラス層の形成材料を中空部３１内に容易に注入することができる。

［３］ガラス充填部３３を構成するゾルゲルガラス層の形成材料に、下記特性を有する各種材料のフィラー３４を混入させておくことにより、ガラス充填部３３にフィラー３４を分散配置させてもよい。
尚、下記特性を有するフィラー３４を複数種類混合して用いてもよく、その場合には複数の特性を合わせもたせることができる。

光反射性の良好な材料をフィラー３４として用いれば、発光層２４で発生した光が、ガラス充填部３３に分散配置されたフィラー３４によって反射されるため、光が搭載基板１１に到達することによる反射吸収損失を低減することが可能になり、発光装置１０からの光の取り出し効率を高めることができる。
光反射性の良好な材料には、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、硫酸バリウム、硫化亜鉛、窒化ホウ素などがあるが、特に酸化チタンは安価に流通しており化学的にも安定であるため好適である。

蛍光材料をフィラー３４として用いれば、発光層２４で発生した光により、ガラス充填部３３に分散配置されたフィラー３４が蛍光を発生し、その蛍光が発光層２４の光と混合する。
そのため、発光層２４の光と同じ色の蛍光を発生する蛍光材料をフィラー３４に用いた場合には、発光装置１０の発光効率を高めることができる。
また、発光層２４の光と異なる色の蛍光を発生する蛍光材料をフィラー３４に用いた場合には、発光層２４の光とは異なる発光色が得られる。

熱伝導性の良好な材料をフィラー３４として用いれば、ＬＥＤチップ２０が発生した熱を、ガラス充填部３３を介して搭載基板１１へ伝導させ、発光装置１０から外部へ放出することが可能になるため、ＬＥＤチップ２０の過熱を抑制して信頼性を向上できる。
熱伝導性の良好な材料には、例えば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ダイヤモンド、炭化ケイ素などがあるが、特に窒化アルミニウムは安価に流通しており化学的にも安定であるため好適である。

＜第２実施形態＞
図１に示すように、第２実施形態の発光装置５０は、搭載基板１１、Ｐ側内部配線パターン１２、Ｎ側内部配線パターン１３、Ｐ側外部配線パターン１４、Ｎ側外部配線パターン１５、ビアホール１６，１７、バンプ１８，１９、ＬＥＤチップ２０、ガラス封止部３０、中空部３１、注入孔３２、ガラス充填部３３、フィラー３４、排気孔５１などから構成されている。

第２実施形態の発光装置５０において、第１実施形態の発光装置１０と異なるのは、排気孔５１が設けられている点だけである。
排気孔５１は、搭載基板１１の裏面側と中空部３１とを連通するように、搭載基板１１の板厚方向に貫通形成されている。

第２実施形態におけるガラス充填部３３の形成方法は、まず、矢印βに示すように、搭載基板１１の裏面側から排気孔５１を介して中空部３１内の封止雰囲気を排気させながら、矢印αに示すように、搭載基板１１の裏面側から注入孔３２を介して中空部３１内に、ゾルゲルガラス層の形成材料を注入し、次に、第１実施形態と同様にゾルゲルガラス層を形成する。

第２実施形態によれば、第１実施形態の前記作用・効果に加えて、ゾルゲルガラス層の形成材料を中空部３１内に容易に注入することが可能になるため、発光装置５０の製造効率を向上できる。
尚、排気孔５１の配置箇所や、排気孔５１の断面形状および断面寸法φ２については、中空部３１内の封止雰囲気を確実に排気できるように適宜設定すればよい。

＜別の実施形態＞
本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、前記各実施形態と同等もしくはそれ以上の作用・効果を得ることができる。

［Ａ］ガラス充填部３３を、ゾルゲルガラス層ではなく、ガラス材料の微粉末の焼結層によって形成してもよい。
この場合、ガラス充填部３３は、搭載基板１１の注入孔３２を介して中空部３１内にガラス材料の微粉末を注入し、そのガラス材料の微粉末を焼結させて焼結層を形成することによって得られる。
そのため、中空部３１内に焼結層を確実に充填することが可能であり、ガラス充填部３３を容易に形成できることから、実用性に優れている。

［Ｂ］注入孔３２および排気孔５１は１個に限らず複数個設けてもよい。

［Ｃ］前記各実施形態を適宜組み合わせて実施してもよく、その場合には組み合わせた実施形態の作用・効果を合わせもたせたり、相乗効果を得ることができる。

本発明は、前記各局面および前記各実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。本明細書の中で明示した論文、公開特許公報、特許公報などの内容は、その全ての内容を援用によって引用することとする。

１０，５０…発光装置
１１…搭載基板
２０…ＬＥＤチップ
３０…ガラス封止部
３１…中空部
３２…注入孔
３３…ガラス充填部
３４…フィラー
５１…排気孔

Claims (8)

1. 搭載基板と、
   前記搭載基板にフリップチップボンディングされたＬＥＤチップと、
   前記搭載基板上に形成され、前記ＬＥＤチップを封止するガラス材料から成るガラス封止部と、
   前記搭載基板に形成されて、前記搭載基板の裏面側と前記搭載基板及び前記ＬＥＤチップの間とを連通する注入孔と、
   前記搭載基板及び前記ＬＥＤチップの間並びに前記注入孔の内部を充填するガラス層であって、前記ガラス封止部と異なるガラス材料から成るガラス層と、を備える発光装置。
2. 請求項１に記載の発光装置において、
   前記ガラス層はゾルゲルガラス層から成る発光装置。
3. 請求項１に記載の発光装置において、
   前記ガラス層はガラス材料の微粉末の焼結層から成る発光装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置において、
   前記ガラス層には、光反射性の良好な材料、蛍光材料、熱伝導性の良好な材料から選択された少なくともいずれか１つの材料から成るフィラーが分散配置された発光装置。
5. 搭載基板にＬＥＤチップをフリップチップボンディングする工程と、
   ガラス材料により前記ＬＥＤチップを封止する封止工程と、
   前記封止工程において前記搭載基板と前記ＬＥＤチップとの間に形成された中空部へ、前記搭載基板の裏面側と前記中空部とを連通する注入孔を介して、ガラス層の成形材料を注入し、前記中空部の内部に充填する充填工程と、
   前記ガラス層の成形材料をガラス化する工程と、を含み、
   前記ガラス層の成形材料は、前記封止工程において前記ＬＥＤチップを封止するガラス材料と異なるガラス材料である、発光装置の製造方法。
6. 前記ＬＥＤチップを封止するガラス材料は、板状ガラス材料であり、
   前記ガラス層の成形材料はゾルゲルガラスである、請求項５に記載の発光装置の製造方法。
7. 請求項５または請求項６に記載の発光装置において、
   前記ガラス層の成形材料に、光反射性の良好な材料、蛍光材料、熱伝導性の良好な材料から選択された少なくともいずれか１つの材料から成るフィラーが分散配置された発光装置の製造方法。
8. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法において、
   前記充填工程は、前記搭載基板の板厚方向に貫通形成されて前記中空部と連通する排気孔を介して前記中空部の内部の封止雰囲気を排気させながら、前記注入孔を介して前記中空部の内部へ前記ガラス層の成形材料を注入する発光装置の製造方法。

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