WO2006112417A1 - ガラス封止発光素子、ガラス封止発光素子付き回路基板およびそれらの製造方法 - Google Patents

ガラス封止発光素子、ガラス封止発光素子付き回路基板およびそれらの製造方法 Download PDF

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light emitting
light
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Nobuhiro Nakamura
Syuji Matsumoto
Hitoshi Onoda
Yutaka Segawa
Tetsuro Matsumoto
Hiroshi Usui
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Asahi Glass Company, Limited
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Definitions

  • the present invention relates to a glass-sealed light emitting device, a circuit board with a glass-sealed light emitting device, a method for producing a glass-sealed light emitting device, and a method for mounting a glass-sealed light emitting device.
  • a light source using a light emitting diode (hereinafter referred to as an LED lamp) is a compact and highly efficient light source, and the LED lamp has high reliability such as no fear of running out of balls.
  • blue light emitting diodes have been invented, and by combining with conventional green and red light emitting diodes, it becomes possible to produce light sources for full color displays.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view of a conventional LED lamp.
  • the light emitting diode chip 101 is connected to the electrodes 102 and 103 by a bonding wire 104 and molded with a resin 105.
  • the resin mold plays a role in protecting the light emitting diode and controlling the directivity of the emitted light.
  • the bullet-shaped grease sealing structure has a spherical shape at the tip. The directivity of the emitted light is controlled by the distance between the light emitting diode and the spherical surface and its radius of curvature.
  • light-emitting diodes have been shortened in wavelength and increased in luminance.
  • UV light In order to shorten the wavelength, efforts are being made to emit light in the ultraviolet region! By combining with red, blue and green color conversion materials, UV light with good color reproducibility can be obtained. If high brightness per unit can be achieved, a small number of light emitting diode chips can be used to obtain a predetermined amount of light. In addition, it can be used as a light source even when the outside light is strong, such as outdoors.
  • the refractive index of the conventional sealing resin is 1.4 to 1.6, whereas the film and the substrate constituting the light emitting diode have a high refractive index of 2.4 to 2.5. . Due to this difference in refractive index, the light emitted from the light emitting diode is reflected at the resin interface. Therefore, the light extraction efficiency is poor.
  • the conventional sealing resin since the conventional sealing resin has a low thermal conductivity, it causes a color change due to an increase in temperature, which results in poor heat dissipation, and consequently a deterioration in luminance.
  • the glass material has excellent light resistance and hardly deteriorates against ultraviolet rays and blue light. If the material composition is selected, a glass with high refractive index and high thermal conductivity can be produced.
  • the light emitting diode can be sealed with a glass material, the light extraction efficiency can be improved, and the problems of deterioration and heat dissipation due to emitted light can be reduced.
  • An example of a light emitting diode mold member using glass is disclosed in Patent Document 2.
  • a glass material is mentioned as the color conversion member for the light emitting diode, and the glass is a window material.
  • the light emitted from the light-emitting diode is directly emitted directly to a medium having a low refractive index of 1 such as air or nitrogen, so that the light extraction efficiency is greatly reduced due to the large reflection component at the interface.
  • the problem of heat dissipation remains.
  • this light emitting element 1010 has a light emitting element 1010 fixed on a mount lead 1021 as a power receiving means, and the mount lead 1021 and other power receiving means as an electric power receiving means. Bonding wires 1023 and 1024 are respectively suspended from the sub-lead 1022. As shown in Fig. 22, a cylindrical body 1058a having a low melting point glass force is prepared, and this is assembled to the light emitting element 1010 and the leads 1021 and 1022 1020. Put this on. This is put into a furnace to soften the cylindrical body 1058a. As a result, the cylindrical body 1058a covers the assembly body 1020 in a lens shape by the surface tension of the material. "
  • Patent Document 4 it is possible to prevent deformation, movement, short circuit between bumps, etc. of the bumps of the light emitting element due to the pressure applied to the light emitting element being applied to the light emitting element at the time of sealing.
  • the light emitting device is shown.
  • the present inventors have disclosed a light emitting device sealed with glass containing TeO and ZnO as main components.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 3366586
  • Patent Document 2 JP 2003-258308 A
  • Patent Document 3 International Publication No. 2004Z082036 Pamphlet
  • Patent Document 4 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-54210
  • Patent Document 5 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-11933
  • an object of the present invention is to provide a glass-sealed light emitting device capable of improving the directivity of emitted light.
  • an object of the present invention is to reduce disconnection and to improve the directivity of emitted light. Another object is to provide a circuit board with a light-emitting element, a method for producing a glass-sealed light-emitting element, and a method for mounting a glass-sealed light-emitting element.
  • a first aspect of the present invention includes a light emitting element and a glass member for sealing the light emitting element.
  • the upper surface shape of the glass member is formed by a curved surface, and at least a part of the lower surface shape has a curved surface, and at least a part of the terminal side surface of the light emitting element is exposed to the glass member force.
  • the present invention relates to a glass-sealed light-emitting element.
  • the lower surface shape of the glass member includes a flat portion, and the light emitting element is disposed in the flat portion.
  • the light emitting element is a semiconductor chip that is rectangular in front view, and the radius of curvature of the curved portion of the glass member is preferably 2.5 times or more the length of one side of the light emitting diode chip.
  • the curved surface is preferably a part of a spherical surface or a spheroid surface.
  • the light emitting element can be either an LED or a semiconductor laser.
  • the glass member preferably contains TeO, B 2 O and ZnO. Semiconductor provided in the light emitting element
  • a circuit with a light-emitting element comprising: the glass-sealed light-emitting element; and a substrate electrically connected to a terminal provided in the light-emitting element. It relates to the board.
  • the third aspect of the present invention includes a step of placing a solid glass member on a light emitting element, heating the light emitting element and the glass member, and melting the solid glass material by this heating.
  • Manufacturing a glass-sealed light emitting device comprising: a step of closely contacting a contact portion between the glass member and the light emitting device; and a step of gradually cooling the molten glass member and the light emitting device.
  • a jig provided with a recess for mounting the light emitting element is used, and the light emitting element and the glass material are placed in the recess to heat-treat them.
  • the glass member it is preferable to form the glass member using the inner shape of the recess.
  • a glass member in which the color conversion material is dispersed is formed in the vicinity of the light emitting element, and then, the glass member not including the color conversion material is formed so as to cover the glass member including the color conversion material. can do.
  • the maximum temperature reached by the light emitting element is 80 to 150 ° C. higher than the soft point of the glass member. More preferably, the temperature is preferably 110 to 150 ° C. high! /.
  • the soft saddle point was measured by a simple method with a measurement accuracy of ⁇ 15 ° C.
  • the measuring method is as follows. Using a thermomechanical analyzer DILATOMETER (trade name) manufactured by MacScience, the pressure applied to the sample elongation detector is 4.9 kPa for a sample with a diameter of 5 mm and a length of 20 mm. (Weight of 10 g) The temperature rise rate is 5 ° CZ and the temperature at which the sample softens so that it cannot push the sample elongation detection part (the yield point) is obtained. It was.
  • the maximum temperature reached can be 600-620 ° C.
  • the composition By adjusting the composition, it can be adapted to the treatment at a temperature in the vicinity of 560 to 570, which is a lower temperature range than in the case of the examples.
  • the coefficient of thermal expansion ⁇ of the semiconductor substrate constituting the light emitting element and the coefficient of thermal expansion of the glass member.
  • the light emitting element can be either an LED or a semiconductor laser.
  • a fourth aspect of the present invention relates to a method for mounting a glass-sealed light-emitting element, comprising the step of mounting the glass-sealed light-emitting element on a substrate with wiring.
  • the light emitting element includes a semiconductor substrate, a light emitting portion formed on the main surface side of the semiconductor substrate, and a terminal for supplying power to the light emitting portion, a glass-sealed light emitting diode
  • the chip mounting method includes the steps of sealing the light emitting element with a glass member, forming bumps on both the p-side and n-side terminals of the light emitting element, and electrically connecting the bumps and the wiring of the substrate with wiring. And a connecting step.
  • the light emitting element can be either a LED or a semiconductor laser.
  • a glass material having excellent light resistance can be applied as a sealing material for a light emitting device.
  • the directivity of the emitted light can be controlled using the light emitting element as a light source.
  • a glass material By adopting a glass material, it is possible to eliminate problems such as a decrease in luminance due to discoloration of the sealing resin in the prior art.
  • the light extraction rate from the light emitting element can be improved.
  • glass materials have better thermal conductivity than rosin, which improves heat dissipation, which is particularly problematic for high-brightness LEDs.
  • heat dissipation as an electronic device can be improved by simply obtaining desired color light by mixing the emitted color and the converted color. In this manner, a light-emitting element sealed with glass that is superior in any one of light resistance, light extraction efficiency, and heat dissipation can be manufactured.
  • the directivity of the emitted light can be controlled by forming a predetermined curved surface shape.
  • FIG. 1A is a perspective view showing an embodiment of a glass member according to the present invention
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line lb-lb ′.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an embodiment of a glass-sealed light-emitting diode chip according to the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view when a light-emitting diode chip is glass-sealed.
  • FIG. 5 is a plan view showing an embodiment of a light-emitting diode chip according to the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line V—V ′.
  • FIG. 7 is a side view showing an embodiment of a circuit board with a light emitting diode.
  • FIG. 8 is a flowchart showing an embodiment of a manufacturing process of a glass-sealed light-emitting diode chip and a circuit board with a light-emitting diode according to the present invention.
  • FIG. 9 is a graph showing the temperature history of the substrate.
  • FIG. 10 is a view showing an example of a glass-sealed light-emitting diode chip according to the present invention.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram showing a viewing angle in the present example.
  • FIG. 12 is a perspective view showing another example of a light-emitting diode chip according to the present invention.
  • FIG. 13 is a perspective view showing another example of the light-emitting diode chip according to the present invention.
  • FIG. 14 is a perspective view showing another example of (a) a tube used for manufacturing a glass member, and (b) a light-emitting diode chip.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the weight of the glass piece and the dimensions (A, B, C) of the sealing glass in this example.
  • FIG. 16 is a diagram showing the relationship between dimension A and shape parameters in the present example.
  • FIG. 17 is a diagram showing current-voltage characteristics of a circuit board with a light emitting diode in this example.
  • FIG. 18 is a flowchart showing another embodiment of the manufacturing process of the present invention.
  • FIG. 19 is a graph showing the angle dependency of outgoing light in the present invention and the prior art.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view showing a conventional example.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing another conventional example.
  • FIG. 22 is a perspective view showing an intermediate state in the manufacturing process of another conventional example. Explanation of symbols
  • FIG. 1 (a) is a perspective view showing an embodiment of a glass member according to the present invention
  • FIG. 1 (b) is a sectional view taken along line lb-lb.
  • a glass member 12 shown in FIG. 1 (a) is adhered to at least a part of the surface of a semiconductor light emitting diode chip.
  • the light emitting element may be a light emitting diode or a semiconductor laser. Chips such as the Laser Diode can be used.
  • the glass member is not deteriorated by heat treatment when the glass member is melted.
  • a light emitting diode or semiconductor laser whose emitted light is blue is preferably used.
  • a light emitting diode or semiconductor laser whose emitted light has a main peak wavelength of 500 nm or less, more specifically, a nitride semiconductor such as GaN and InGaN, or a II VI group compound semiconductor such as ZnO and ZnS, etc.
  • the used light emitting diode or semiconductor laser can be used.
  • the glass member 12 is a material having a refractive index of 1.7 or more (preferably 1. to 2.0, more preferably 1.7 to 1.8). The higher the refractive index, the better the light extraction efficiency from the light emitting diode chip to the glass member, and the better the directivity of the emitted light.
  • the glass member 12 is 500 ° C below the softening point, the temperature 50 ° C ⁇ 300 ° C average linear expansion coefficient of 65 X 10 _7 Z ° C ⁇ 95 X 10 _7 Z ° C at, wavelength 405nm light
  • the internal transmittance at a thickness of lm m is 80% or more and the refractive index for this light is 1.7 or more.
  • Such a glass has a large refractive index and a small difference in thermal expansion coefficient with respect to the substrate 10, so that the light emitting diode chip 11 can be coated without impairing the light extraction efficiency.
  • TeO content 10 mol% or more.
  • a glass member block (strip) is placed on the light emitting element placed in a desired direction on a flat plate. Thereafter, heat treatment is performed (temperature increase of the entire atmosphere), the glass member is melted, the molten glass member is attached to the light emitting element, and the upper surface shape formed of a curved surface and the lower surface are formed on the glass member. A curved surface is formed on at least a part of the surface shape, and then the calorie heat treatment is stopped and the slow cooling process is started. Finally, the glass member can be solidified to obtain a desired glass-sealed light emitting device. Even if a small amount of glass adheres to a part of the surface where the terminals of the light emitting element are provided, there is no problem as long as the electric drive and light emitting operation of the light emitting element are not impaired.
  • the main surface of the block of the glass member is reinforced with a mirror finish, and the glass member is Since it can prevent generation
  • the molten glass is formed in a substantially spherical shape above the light emitting element while the glass member remains in contact with the light emitting element.
  • a glass seal having a shape in which the light emitting element in which the lower end portion of the glass member does not contact the flat plate side is slightly embedded in the surface of the glass member and the area of the flat portion is reduced. A light-emitting element can also be obtained.
  • the upper surface shape of the glass member is a curved surface, and a part of the lower surface shape includes a curved surface and a flat portion.
  • the glass material is melted by heating.
  • the flat plate having releasability may be a flat plate having a release material layer on the surface, or a flat plate made of a material having releasability.
  • the material having releasability include boron nitride and carbon (particularly glassy carbon).
  • carbon when carbon is used, it is necessary to perform the treatment in a vacuum or in an inert gas atmosphere such as nitrogen.
  • the “flat portion” in the surface shape of the glass member is formed at the portion where the glass member and the flat plate are in contact with each other. Therefore, the shape of the flat part generally follows the surface shape of the flat plate. This flat portion corresponds to the flat surface 12b in FIG.
  • a solid or paste-like glass material is melted at an elevated temperature, and the material itself agglomerates. Due to the action, at least a part of the surface shape is a curved surface, and in a preferred embodiment, a substantially spherical state is obtained. And the glass member can be formed by slowly cooling the molten glass in that state and fixing its shape.
  • the surface shape is composed of a surface 12a approximated to a curved surface body such as a spheroid and a flat surface 12b in contact with the substrate 10.
  • the surface 12 a corresponds to a “curved portion” of the surface shape of the glass member 12.
  • the surface 12 b corresponds to a “flat portion” of the surface shape of the glass member 12.
  • the shape of the glass member 12 has three types of parameters on the surface 12a: a diameter A along the principal axis in the horizontal direction with respect to the substrate 10, a diameter B along the principal axis in the vertical direction, and a diameter C on the surface 12b. Is specified.
  • the light-emitting diode chip is sealed by the glass member 12 with the terminal side face down and placed on the substrate 10.
  • the “direction” is a horizontal direction with respect to the terminal-side surface of the light-emitting diode chip, and can be changed. The same applies to the vertical direction.
  • the curved surface is preferably a part of a spherical surface or an ellipsoidal surface.
  • the glass member 12 Since the size of the light-emitting diode chip on which the glass member 12 is mounted is very small, about 0.3 m in front view, the glass member 12 may be fine and light. Therefore, the shape of the surface 12a is substantially a shape approximating a spherical surface. If the light-emitting diode bare chip is sufficiently small relative to the glass sphere, it can be approximated as a point light source, and the directivity of the emitted light is good. Therefore, the radius of curvature of the spherical portion of the glass member is one side of the light-emitting diode chip. The length is preferably 2.5 times or more. In other words, for diameter A, (A / 2) ⁇ 2.5
  • glass tends to become a shape (spherical shape) determined by its surface energy and substrate wettability, but in reality, the final shape, That is, the shape obtained in the equilibrium state is determined.
  • the weight is the closer the surface shape of the glass member is to a spherical surface, while the larger the weight of the glass material is, the closer the surface shape of the glass member is to a flat shape.
  • a substantially spherical form can be obtained. If the degree of deformation is large, the shape of an ellipsoid is considered.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an embodiment of a glass-sealed light-emitting diode chip according to the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-— ⁇ .
  • the glass member 12 shown in these drawings is the same as that shown in FIG. 1 (a), and the light-emitting diode chip 11 is provided on a flat surface 12b.
  • the light-emitting diode chip 11 is placed on the substrate 10 covered with the release material with the terminals 13 facing the substrate 10 side.
  • the glass member 12 shown in FIG. 1A is placed on the light emitting diode chip 11, and the solid glass member 12 is softened by raising the temperature. Then, the glass member 12 moves downward by gravity, and the light emitting diode chip 11 is surrounded.
  • the specific gravity of the glass member 12 is larger than the specific gravity of the light-emitting diode chip 11, the light-emitting diode chip 11 moves upward in the glass member 12 by buoyancy. This travel distance r is
  • F buoyancy
  • t the softening time of the glass
  • 7? Is the viscosity of the glass.
  • Buoyancy is determined by the difference between the specific gravity of the glass and the specific gravity of the light emitting diode chip.
  • the specific gravity of the light-emitting diode chip can be approximated by the specific gravity of the substrate.
  • the specific gravity of the substrate used in the conventional light emitting Da Iodochippu is 5. 3gZcm 3 at 3. lgZcm 3, GaAs substrate 4. 0gZcm 3, SiC substrates of sapphire substrate.
  • the specific gravity of the zinc phosphate glass is 2.8 gZcm 3 to 3.3 gZcm 3
  • the specific gravity of the zinc borosilicate glass is 2.6 g / cm 3 to 3. Og / cm 3 .
  • it contains TeO, BO and ZnO, and contains TeO Among glasses with an amount of 10 mol% or more, TeO (45.0%), TiO (1.0%), GeO (5
  • the specific gravity of the product is 5.2 gZcm 3 .
  • the moving distance r increases as the specific gravity of the glass increases. That is, the light-emitting diode chip 11 is greatly cut into the glass member 12.
  • the space occupied between the substrate coated with the release material and the light emitting diode chip 11 becomes large, when the light emitting diode chip 11 is covered with the glass member 12, it is confined between the substrate and the glass member 12. The escaped air can escape into this space, and bubbles can be prevented from being generated inside the glass member 12.
  • FIG. 4 (a) shows a state where the glass member 12 is placed on the light emitting diode chip 11 on the substrate 10 covered with the release material.
  • the glass member 12 is softened by heating, the glass member 12 moves downward by gravity, and a closed space S is formed between the substrate 10, the glass member 12, and the light emitting diode chip 11.
  • the specific gravity of the light-emitting diode chip 11 is smaller than the specific gravity of the glass member 12, the light-emitting diode chip 11 moves in the direction of the arrow as shown in FIG. It is in a state of being sunk.
  • the air confined in the closed space S moves between the light emitting diode chip 11 and the substrate 10, so that bubbles can be prevented from being generated in the glass member 12.
  • the viscosity changes abruptly depending on the temperature, so it is difficult to make the soft glass spherical.
  • the glass member 12 is fixed to the light emitting surface of the light emitting diode chip 11 in a close contact state without generating a gap between the two.
  • the light-emitting diode chip 11 is exposed only on the terminal-side surface, and most of the light-emitting diode chip 11 is buried in the glass member 12.In this case, not only the light emission from the back surface of the chip but also the end face of the chip Since the light emission of the force is reflected and propagated in the glass member, it is effective in improving the light extraction rate. However, the glass member seals only the back surface of the chip, and the entire back surface and part of the end surface of the chip are glassy. Any of those embedded in the glass member and those in which the glass member seals only a part of the back surface of the chip are included in the present invention. Details of the production method will be described in Examples.
  • FIG. 5 is a plan view showing an embodiment of a light-emitting diode chip
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line V—V ′.
  • 21 is a p-electrode
  • 22 is an n-electrode
  • 23 is a light emitting part
  • 24 is a p-type semiconductor layer
  • 25 is an n-type semiconductor layer
  • 26 is a light-emitting layer
  • 27 is a sapphire substrate.
  • the light-emitting diode chip has InGaN formed as a semiconductor layer on a sapphire substrate.
  • the length of one side of the LED chip is a 300 ⁇ m square and the thickness is 80 ⁇ m.
  • the surface of both electrodes n and p is made of gold. From the viewpoint of increasing the heat resistance of the light-emitting diode chip during glass sealing, it is preferable to form a thick gold film.
  • FIG. 7 is a side view of an example of an embodiment of a circuit board with a light emitting diode.
  • the glass-sealed light-emitting diode chip shown in FIG. 2 can be used for various purposes such as lighting by being mounted on a predetermined substrate.
  • Various known substrates can be used. For example, a glass substrate.
  • Fig. 7 shows an example of the arrangement of members.
  • the substrate 14 made of glass epoxy
  • two electrodes 15 are formed for electrical connection with the terminals 13 of the chip 11.
  • the ends of the electrodes 15 extend to the other side of the substrate 14. ing.
  • Each terminal 13 of the chip 11 and each electrode 15 of the substrate 14 are flip-chip mounted via solder bumps 16.
  • the glass member 12 is attached to the chip 11 and then mounted on the substrate 14.
  • the deterioration of the terminal 13 due to moisture can be prevented.
  • the circuit board with a glass-sealed light emitting diode of the present invention since the light emitting diode chip is sealed with glass, the luminous flux is increased as compared with a conventional resin-sealed one. be able to. On the other hand, since the power consumption is larger than that of the resin-sealed one, there is a trade-off relationship between the luminous flux and the power consumption.
  • One reason for the reduction in power consumption is the deterioration of the light-emitting diode chip (especially the electrode part) due to heat during glass sealing. Therefore, power consumption can be reduced by using light-emitting diode chips with high heat resistance.
  • FIG. 8 is a flowchart showing an embodiment of a manufacturing process of a glass-sealed light-emitting diode chip and a circuit board with a light-emitting diode according to the present invention.
  • FIG. 9 is a graph showing the history of the substrate temperature in the manufacturing process.
  • a substrate with a release material is produced (step S1).
  • a 6-inch “silicon” wafer manufactured by Osaka Titanium Co., Ltd.
  • boron nitride powder boron spray manufactured by Kaken Kogyo Co., Ltd.
  • a glass member for sealing is produced.
  • a glass material having the following composition was used. That is, TeO (45. 0%), TiO (1.0%), GeO (5.0%
  • This glass material has a glass transition temperature (Tg) of 450 ° C and a coefficient of thermal expansion (oc) of 86 X 10 " 7 (° C _ 1 ).
  • Tg glass transition temperature
  • oc coefficient of thermal expansion
  • the thermal expansion coefficient ⁇ of the LED substrate and the thermal expansion of the glass member The coefficient ⁇ is I ⁇ — ⁇
  • the refractive index is as high as 2.01 at 405 nm, it is considered that the light extraction efficiency and light directivity from the light-emitting diode chip are good. Moreover, it is excellent in water resistance and acid resistance, and can be preferably used as a sealing material for light emitting devices such as LEDs and semiconductor lasers. 30 mg of this glass piece was placed on the aforementioned substrate with a release material (Step S2).
  • step S3 the temperature of the substrate with the release material on which the glass piece is placed is raised.
  • a muffle furnace FP41 manufactured by Daiwa Science Co., Ltd. was used for raising the temperature.
  • the heating rate was 5 ° CZ, and the 25 ° C force was also raised to 610 ° C, held for 15 minutes, and then gradually cooled to 25 ° C at a rate of 5 ° CZ (step S4).
  • the glass material became a spherical shape having a flat portion at the portion in contact with the substrate, as shown in FIG. 1 (a).
  • the diameter of the sphere was 2. Omm (dimension A), the height was 1.9 mm (dimension B), and the bottom was circular with a diameter of 0.8 mm (dimension C).
  • light emitting diode The chip is placed on the substrate coated with the boron nitride powder (step S5).
  • the light-emitting diode chip is a blue light-emitting chip (trade name GB-3070 manufactured by Showa Denko KK).
  • the chip is a substrate so that the n-electrode and p-electrode are arranged on one side of the chip and the terminals of the light-emitting diode chip face the substrate It is put on.
  • the light-emitting diode chip is small and difficult to handle.
  • the 3 cm force on the substrate was also sprayed, and among the scattered light emitting diode chips, a light emitting diode chip with a substantially spherical glass member prepared in advance at the center of the bottom surface was placed on the light emitting diode chip with the terminal portion facing the substrate surface. It was placed so that the Next, the substrate with the release material on which the light-emitting diode chip and the glass member were placed was placed in the above-mentioned pine furnace and heated and cooled (steps S7 and S8).
  • step S 9 by mounting the glass-sealed light-emitting diode chip on a substrate (for example, the one shown in FIG. 7) in a step different from the above-described series of steps, a circuit board with a light-emitting diode is obtained (step S 9).
  • the heating rate, holding temperature, holding time, and cooling rate are the same as when the glass member was created.
  • the light emitting diode chip is slightly sunk inside the glass member by the heat treatment in step S7, but the glass is not adhered to the electrode forming surface.
  • the obtained glass-sealed light-emitting diode chip is as shown in FIG.
  • the dimensions of the glass member 12 were almost the same as the initial values.
  • a voltage was applied to the light emitting diode chip 11 sealed with the glass member 12 to confirm the light emission state.
  • the DC power source was MC35-1A (Kikusui Electronics Co., Ltd.), and a multiple prober was used to connect the terminal and the power source.
  • the emission start voltage was 2.5V.
  • the emission start voltage is a voltage at which emission can be visually recognized. If the glass is sealed, the light emission starting voltage at the bare chip is 2.3 V, and the light emission starting voltage hardly changes even when the glass is sealed.
  • Fig. 10 shows the light emission state at an applied voltage of 3.5V.
  • a spherical object located in the center of the figure is a substantially spherical glass member, and a substrate covered with a release material in which a white shining portion is illuminated by light emission.
  • a light-emitting diode chip is closely fixed, which is difficult to see from the figure.
  • the two black shadows that project the force near the center of the glass member are electrodes that are electrically connected to the two terminals of the chip.
  • the luminous flux of the glass-sealed light-emitting diode chip fabricated as described above is expected to be about 2 to 31 m, and it is estimated that 201 m can be obtained by using a power LED.
  • the viewing angle shown in Fig. 11 angle X 2 (opening angle) at which the brightness is half the maximum brightness) ⁇ is 15 ° or less (glass material It was confirmed that the angle could be 10 ° or less depending on the refractive index of the film.
  • the main emission peak wavelength power of light emitted by the light emitting diode chip was 500 nm or less.
  • the blue light emitted from the light-emitting diode chip was converted to yellow by the phosphor in the glass body. It was confirmed that yellow light obtained by the conversion and blue light emission were mixed to emit white light.
  • a glass material containing a phosphor having a radius of about 500 m is formed in a hemispherical shape in the vicinity of the light emitting diode. As shown in FIG. 12, a light emitting diode sealed with phosphor-containing glass is obtained.
  • 31 is a light emitting diode chip
  • 32 is a hemispherical glass member containing a phosphor.
  • the spherical glass member 12 shown in Fig. 1 (a) is placed on this, heated, and then cooled, the phosphor is dispersed in the vicinity of the light emitting diode as shown in Fig. 13. It is considered that a sealed glass member can be formed.
  • 41 is a half of the previously formed light emitting diode.
  • the glass member is sealed with a spherical glass member, and 42 is a glass member placed thereafter.
  • the blue light is partly converted to yellow near the light emitting diode, and the yellow light and the blue light can be mixed to produce white. Therefore, since it becomes a white light source close to a point light source, it is considered that directivity can be easily obtained.
  • the same experiment as described above was also performed at 710 ° C. However, the glass frit containing the phosphor was discolored and turned gray, so that the desired result could not be obtained.
  • boron nitride powder is sprayed as a release material, and the LED chip is mounted. Place on a substrate 50 with a release material. Thereafter, 381 mg of the same glass material as in Example 1 is filled into the tube 53, heated and cooled.
  • the tube 53 and the substrate 50 constitute a jig 54 for forming a glass member. Heating and cooling conditions are the same as in Example 1.
  • a light emitting diode chip in which the tip was sealed with curved glass by surface tension was obtained.
  • 51 is a light emitting diode chip
  • 52 is the glass encapsulating it.
  • the dimension D was 5.5 mm
  • the dimension E was 2. lmm
  • the dimension F was 1.5 mm.
  • the light emission starting voltage was 2.3 V, and blue light emission was confirmed.
  • the distance between the light emitting diode and the spherical surface can be changed by attaching a release material and the amount of the mold and glass, so that the directivity can be controlled.
  • the length (distance E + F) of the glass member for sealing the chip can be easily adjusted, which is suitable for adjusting the directivity.
  • the same experiment was conducted using a SUS metal pipe instead of the Pyrex (registered trademark) pipe, but the internal force such as the pipe could not be taken out of the glass member after slow cooling, and the experiment was completed. I could't do it.
  • a 6-inch silicon wafer manufactured by Osaka Titanium Co., Ltd.
  • a release material layer was formed on this substrate by spraying the release material to the extent that the surface was completely covered.
  • boron nitride powder (Boronspray manufactured by Kaken Kogyo Co., Ltd.) was used.
  • glass pieces are placed on the substrate with different weights, and heat treatment is performed in the same manner as in Example 1, so that the whole is substantially spherical and has a flat portion in contact with the release material layer.
  • a sealing glass was formed.
  • the same glass material as in Example 1 was used.
  • the weight of the glass pieces was 10 mg, 20 mg, 30 mg, 60 mg and 90 mg.
  • a light-emitting diode chip having a terminal portion facing the substrate surface is selected on the silicon wafer provided with the release material layer, and the light-emitting diode chip is positioned at the center, so that the sealing glass was mounted on a light emitting diode chip. And it heated and cooled on the same conditions as formation of sealing glass. As a result, a light-emitting diode chip covered with sealing glass with the electrode surface exposed was obtained.
  • E1C60-OB011-03 (trade name) manufactured by Toyoda Gosei Co., Ltd. was used as the light emitting diode chip. The size of the light-emitting diode chip was about 0.32 mm in front view.
  • the shape of the light emitting diode chip is not limited to a substantially hexahedron, and may be other shapes. It is only necessary that the light emitting portion of the light emitting diode chip be sealed with a glass member and the terminal side surface be exposed to the outside of the glass member.
  • FIG. 15 shows the relationship between the weight of the glass piece and the dimensions (A, B, C) of the obtained sealing glass.
  • Figure 16 shows the relationship between dimension A and shape parameters. Two types of shape parameters, (AZB) and ( ⁇ '), were used. Note that ⁇ is the diameter along the main axis in the vertical direction when the sealing glass is a perfect sphere.
  • the surface shape of the sealing glass becomes closer to a spherical surface as the weight of the glass piece is smaller.
  • the dimension B decreases with respect to the dimension ⁇ , and the surface shape of the sealing glass becomes close to a flat curved surface with a shifted spherical force. This is because if the weight of the glass piece increases, it becomes more susceptible to its own weight.
  • the distance L from the center of the part forming the curved surface to the flat part becomes shorter as the weight of the glass piece increases.
  • the directivity of the emitted light becomes higher as the surface shape of the sealing glass is closer to a spherical surface and as the distance L is larger.
  • the weight of the sealing glass is 60 mg or less (that is, ( CZA) ⁇ 0.6).
  • Example 5 A substantially spherical glass member is formed in the same manner as in Example 1, and this is placed on a light emitting diode chip (trade name E1C60-OB011-03, manufactured by Toyoda Gosei Co., Ltd.), and then the light emitting diode chip is formed in the same manner as in Example 1. Was sealed with a glass member.
  • a circuit board with a light emitting diode was obtained by mounting a glass-sealed light emitting diode chip on a substrate. The current-voltage characteristics of this circuit board with a light emitting diode were compared with the circuit board with a light emitting diode obtained in Example 1.
  • Figure 17 shows the results.
  • “resin sealing” means a resin composition on a substrate on which an unsealed light-emitting diode chip (product name E1C60-OB011-03 manufactured by Toyoda Gosei Co., Ltd.) is mounted. (Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., silicone resin manufactured under the trade name: LPS3400, refractive index 1.41), heated at 100 ° C for 60 minutes, and then further heated at 150 ° C for 60 minutes. A circuit board with a diode.
  • the power consumption of the circuit board with light emitting diode of Example 5 was increased by about 13% compared to the circuit board with light emitting diode sealed with grease.
  • the power consumption of the circuit board with the light emitting diode of Example 1 increased by about 31%!]
  • the emitted light of the glass-sealed light emitting diode was confirmed.
  • the light emission starting voltage of the glass-sealed light emitting diode was the same as the value before glass sealing, it is considered that the LED light emitting layer was damaged by the heat at the time of sealing. .
  • the increase in power consumption in glass-sealed light-emitting diodes is thought to be due to the fact that the LED electrode receives a thermal history due to the heat at the time of glass sealing, causing a slight fluctuation in the electrical conduction characteristics of the electrode section. It is done. However, if it is this level of change, it is considered that there is almost no problem in practical performance of the light emitting device.
  • electrode structures having heat resistance are known. For example, by applying to the present invention an LED that employs a layer structure made of a specific material, as disclosed in JP-A-2002-151737, JP-A-10-303407, and JP-A-2005-136415. Therefore, it seems that the above-mentioned change in electrical conduction characteristics can be suppressed.
  • the angle dependency of the emitted light of the glass-sealed light emitting device according to the present invention and the resin-sealed light emitting device according to the prior art was measured, and the result is shown in FIG. According to the present invention, it can be seen that the emitted light has a strong relative intensity around 0 to 10 degrees and is concentrated at the center.
  • LED with directional emission light was sealed with glass according to the present invention (see the characteristic curve of the resin-sealed product: it shows almost flat output light characteristics, It can be seen that the emitted light has almost no directivity.)
  • O The glass-sealed diode chip according to the present invention has a clear directivity. It is theoretically possible to provide directivity by using a lens shape on the exit surface side of a conventional resin-encapsulated LED. It is difficult to obtain a practical directivity with a sized resin member.
  • the light-emitting diode-equipped circuit board of Example 5 was left for 1,000 hours at a temperature of 80 ° C with a current of 20 mA flowing. After that, it was confirmed that light was emitted continuously with the shape maintained.
  • the light-emitting diode circuit board obtained in Example 5 was measured for the luminous flux at a rated current of 20 mA, and compared with the unsealed and grease-sealed ones, as shown in Table 1.
  • “Unsealed” refers to a circuit board with a light emitting diode obtained by mounting an unsealed light emitting diode chip (trade name E1C60-0B011-03, manufactured by Toyoda Gosei Co., Ltd.) on the board.
  • resin sealing means potting a resin composition (silicone resin manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., product name: LPS3400, refractive index 1.41) on a circuit board with an unsealed light emitting diode.
  • a circuit board with a light-emitting diode obtained by heating at 100 ° C for 60 minutes and then heating at 150 ° C for 60 minutes.
  • the luminous flux was improved by about 15% compared to the circuit board with a resin-sealed light emitting diode.
  • the present invention described above is a light-emitting diode or optical pickup used for LED displays, backlight sources, in-vehicle light sources, traffic lights, optical sensors, indicators, fish collection lamps, automobile headlamps, direction indicator lamps, warning lamps, and the like. It is used for various applications.
  • the specifications, claims, drawings and abstract of Japanese Patent Application 2005-118415 filed on April 15, 2005 and Japanese Patent Application 2005-322943 filed on November 7, 2005 The entire contents of this document are hereby incorporated by reference and can be taken as the disclosure of the specification of the present invention.

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Abstract

　ガラス材料を用いてダイオードチップを封止する。 　発光ダイオードチップと、この発光ダイオードチップの表面の少なくとも一部と密着するガラス部材とを備える。このガラス部材は、その表面形状の少なくとも一部が曲面である。曲面は、球面または回転楕円体面の一部であることが好ましい。ガラス部材は、その表面形状が球面である部分と平坦である部分とで構成され、この平坦な部分に前記ダイオードチップが配置されていることが好ましい。

Description

明 細 書
ガラス封止発光素子、ガラス封止発光素子付き回路基板およびそれらの 製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、ガラス封止発光素子、ガラス封止発光素子付き回路基板、ガラス封止発 光素子の製造方法およびガラス封止発光素子の実装方法に関する。
背景技術
[0002] 発光ダイオードを用いた光源（以下、 LEDランプと 、う）は、小型で、高効率な光源 であり、かつ LEDランプは玉切れの心配がないなど高信頼性を有する。近年青色発 光ダイオードが発明され、従来の緑、赤色の発光ダイオードと組み合わせることにより 、フルカラーディスプレイ用の光源の作製が可能となる。
[0003] 一方、青色の発光と色変換材料を組み合わせることにより、白色発光を得る方法も 開示されている (特許文献 1参照)。この方法で得られた白色 LEDランプは、携帯電 話のノ ックライトとして利用されて ヽる。
[0004] 図 20は、従来の LEDランプの断面図である。発光ダイオードチップ 101はボンディ ングワイヤ 104により、電極 102および 103に接続され、榭脂 105でモールドされて いる。榭脂モールドは、発光ダイオードの保護および、出射光指向性の制御の役割 を果たしている。砲弾型の榭脂封止構造では、先端部に球面形状を有している。発 光ダイオードと球面の距離およびその曲率半径で、出射光の指向性を制御して 、る 。一方で、発光ダイオードの短波長化および高輝度化が進んでいる。
[0005] 短波長化にっ 、ては、紫外領域で発光させる取り組みが行われて!/、る。赤、青、緑 の色変換材料と組み合わせることで、色再現性のよい紫外光が得られる。 1個当たり の高輝度化を達成できれば、所定の光量を得るのに少数の発光ダイオードチップで ま力なうことができる。また、屋外のように外光が強い場合でも光源として使用すること ができるようになる。
[0006] しかし、発光ダイオードに用いられる封止榭脂の劣化が問題となっている。従来用 いられていたエポキシ系榭脂では、青色光や紫外線による分解が著しい。透明榭脂 が茶色に変色して結果として出射光量が低下してしまう。これは、エポキシ榭脂中に 存在しているエポキシ環に酸素のある状態で紫外線が当ると、開環し、その構造が可 視光域に吸収を持つ力もである。最近シリコーン系の樹脂が適用されるようになって いるが、エポキシ榭脂と比較して変色の程度は改善される。しかし、変色による出射 光量の低下が依然として起こる。
特に短波長、高輝度の発光ダイオードの場合には、問題となっている。
[0007] また、従来の封止榭脂は屈折率が 1. 4〜1. 6であるのに対し、発光ダイオードを構 成する膜や基板は屈折率が 2. 4〜2. 5と高い。この屈折率の差が原因となって、発 光ダイオードから出射した光は榭脂界面で反射する。そのため、光の取り出し効率が 悪い。
さらに従来の封止榭脂は熱伝導率が小さいため、放熱性が悪ぐ温度上昇による 色変化、ひいては輝度劣化の原因となっている。一方、ガラス材料は耐光性に優れ、 紫外線および青色光に対して殆ど劣化しな 、。また材料組成を選べば屈折率および 熱伝導率の高 、ガラスを作成することができる。
[0008] 従って、ガラス材料で発光ダイオードを封止できれば、光取り出し効率が改善され、 かつ出射光による劣化、放熱の問題を低減することができる。ガラスを用いた発光ダ ィオードのモールド部材としては、特許文献 2にその例がある。ここでは、発光ダイォ 一ド用色変換部材としてガラス材料が挙げられて 、るが、そのガラスは窓材のもので ある。この場合発光ダイオードからの出射光は一度空気あるいは、窒素などの屈折率 が 1と低い媒体に直接出るため、界面での反射成分が大きぐ光り取り出し効率が著 しく低下する。また放熱性の問題が残る。
[0009] これに対して、 GaNをガラスで封止する技術も知られて 、る（特許文献 3参照)。そ の実施例の一つを図 21、図 22に示す。その構造は以下の通りである。
「この発光素子 1010は、図に示すとおり、電力受送手段としてのマウントリード 1021 の上に発光素子 1010を固定し、発光素子の上面の電極からマウントリード 1021と 他の電力受送手段としてのサブリード 1022とへそれぞれボンディングワイヤ 1023、 1024が懸架されている。図 22に示すように、低融点ガラス力もなる筒状体 1058aを 準備し、これを発光素子 1010とリード 1021、 1022の組み付け体 1020に被せる。こ れを炉に入れて筒状体 1058aを軟ィ匕させる。その結果、筒状体 1058aはその材料 の表面張力によりレンズ状に組み付け体 1020を被覆することとなる。」
[0010] し力し、特許文献 3では、発光素子 1010およびボンディングワイヤ 1023、 1024を 全て低融点ガラスによって被覆して ヽるので、ボンディングワイヤが断線する可能性 があると考えられる。また、低融点ガラスは一般に温度によって粘度が急激に変化す るので、封止部材 1058は扁平な形状になりやすい。このため、発光素子 1010から の出射光の指向性を十分高めることが難しいと考えられる。
また、特許文献 4では、封止時における封止部材の加圧力等が発光素子に付与さ れることに起因して生じる発光素子のバンプの変形、移動、バンプ間短絡等を防止 できるようにした発光装置が示されて 、る。
一方、本発明者らは、 TeOおよび ZnOを主成分とするガラスで封止された発光装
2
置を提案した (特許文献 5参照)。この場合、 LEDの平均線膨張係数が 85 X 10_7Z °Cであるのに対して、ガラスの平均線膨張係数は 75 X 10_7〜140 X 10_7Z°Cであ る。したがって、ガラス封止後に発生する残留応力は、特許文献 3に比較して小さい ことが見込まれる。それ故、特許文献 5に記載のガラスによれば、特許文献 3のように LEDに応力緩和部を設けずとも、応力に起因する破壊のおそれを低減することが可 能となる。
[0011] 特許文献 1 :特許第 3366586号公報
特許文献 2：特開 2003 - 258308号公報
特許文献 3：国際公開第 2004Z082036号パンフレット
特許文献 4：特開 2006— 54210号公報
特許文献 5：特開 2005 - 11933号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0012] 本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、 出射光の指向性を向上させることのできるガラス封止発光素子を提供することにある
[0013] また、本発明の目的は、断線を低減し、また、出射光の指向性を向上させることの できる発光素子付き回路基板、ガラス封止発光素子の製造方法およびガラス封止発 光素子の実装方法を提供することにある。
[0014] 本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明ら力となるであろう。
課題を解決するための手段
[0015] 本発明の第 1の態様は、発光素子と、前記発光素子を封止するガラス部材とを備え
、前記ガラス部材の上側の表面形状は曲面によって構成され、下側の表面形状の少 なくとも一部に曲面を備え、前記発光素子の端子側の面の少なくとも一部が前記ガラ ス部材力 露出していることを特徴とするガラス封止発光素子に関する。
本発明の第 1の態様において、前記ガラス部材の下側の表面形状に平坦である部 分を含み、前記平坦である部分に前記発光素子が配置されて 、ることが好ま 、。
[0016] 本発明の第 1の態様において、表面形状が曲面である部分において、発光素子の 端子側の面に対して水平方向の主軸に沿う径 Aおよび鉛直方向の主軸に沿う径 Bと
、表面形状が平坦である部分の径 Cとの間には
A>B >C
の関係が成立することが好ましい。また、さらに
(C/A)≤0. 6
の関係が成立することが好ましい。
発光素子は、正面視で矩形状の半導体チップであり、ガラス部材の曲面である部 分の曲率半径は、発光ダイオードチップの 1辺の長さの 2. 5倍以上であることが好ま しい。また、曲面は、球面または回転楕円体面の一部であることが好ましい。発光素 子は、 LEDおよび半導体レーザのいずれか一方とすることができる。ガラス部材は、 TeO、 B Oおよび ZnOを含むことが好ましい。前記発光素子に備えられた半導体
2 2 3
基板の熱膨張係数 α
1と前記ガラス部材の熱膨張係数 α
2との間に、
\ - \ < 20 X 10"7 (°C_1)
1 2
の関係が成立することが好ましい。さらに、
I a - a
1 2 I < 15 X 10"7 (°C_1)
の関係が成立することがより好ましい。また、前記ガラス部材の屈折率が 1. 7以上で あることが好ましい。 [0017] 本発明の第 2の態様は、上記ガラス封止発光素子と、この発光素子に設けられてい る端子と電気的に接続された基板とを備えたことを特徴とする発光素子付き回路基 板に関する。
[0018] 本発明の第 3の態様は、発光素子の上に固体のガラス部材を載置する工程と、前 記発光素子および前記ガラス部材を加熱し、この加熱によって固体のガラス材料を 溶融し前記ガラス部材と前記発光素子との当接部を密着させる工程と、前記溶融さ れたガラス部材および前記発光素子を徐冷する工程とを有することを特徴とするガラ ス封止発光素子の製造方法に関する。この場合、溶融ガラスに対する濡れ性の低い 離型材で覆われた面に発光素子を載置する工程を有することが好ましい。
[0019] 本発明の第 3の態様においては、発光素子を載置するための凹部を備えた治具を 用い、この凹部内に発光素子およびガラス材料を載置して力 これらを加熱処理する ことにより、凹部の内側形状を利用してガラス部材を成形することが好ましい。
[0020] また、発光素子の近傍に色変換材料が分散しているガラス部材を形成し、その後に 、色変換材料を含まな ヽガラス部材を色変換材料を含むガラス部材を覆うようにして 形成することができる。また、前記発光素子が達する最高温度が、ガラス部材の軟ィ匕 点よりも、 80〜150°C高い温度であることが好ましい。より好ましくは、 110〜150°C 高 、温度であることが好まし!/、。
本発明において、軟ィ匕点の測定は、測定の精度が ± 15°Cである簡易的な方法で 行った。その測定法は以下の通りである。直径 5mm、長さ 20mmの円柱状に力卩ェし たサンプルにつ 、て、マックサイエンス社製熱機械分析装置 DILATOMETER (商 品名）を用い、サンプルの伸びの検出部を押す圧力を 4. 9kPa (10gの加重）、昇温 速度を 5°CZ分として、サンプルが軟ィ匕してサンプルの伸びの検出部を押すことがで きなくなる温度 (屈服点)を求め、これを軟ィ匕点とした。
たとえば、後述する TeO含有のガラス部材の場合において、加熱の結果としての
2
最高到達温度を 600〜620°Cとすることができる。なお、 TeO含有のガラス部材に
2
おいて、その組成を調整することで、実施例の場合よりも低温域である、 560〜570 近傍の温度での処理に適合させることができる。
さらに、発光素子を構成する半導体基板の熱膨張係数 α とガラス部材の熱膨張係 数 α との間に、
2
\ - \ < 20 X 10"7 (°C_1)
1 2
の関係が成立することが好ましい。さらに、
I a - a
1 2 I < 15 X 10"7 (°C_1)
の関係が成立することがより好ましい。発光素子は、 LEDおよび半導体レーザのい ずれか一方とすることができる。
[0021] 本発明の第 4の態様は、上記のガラス封止発光素子を配線付き基板に実装するェ 程を有することを特徴とするガラス封止発光素子の実装方法に関する。第 4の態様に おいて、発光素子が、半導体基板と、この半導体基板の主表面側に形成された発光 部と、この発光部に給電するための端子とを備える場合、ガラス封止発光ダイオード チップの実装方法は、発光素子をガラス部材により封止する工程と、発光素子の p側 および n側の両端子にバンプを形成する工程と、バンプと配線付き基板の配線とを電 気的に接続する工程とをさらに有することができる。発光素子は、 LEDおよび半導体 レーザの 、ずれか一方とすることができる。 発明の効果
[0022] 本発明によれば、発光素子の封止材料として耐光性に優れたガラス材料を適用で きる。
そのため、発光素子を光源として、出射光の指向性を制御できる。ガラス材料を採 用することで、従来技術における封止榭脂の変色による輝度低下などの問題を解消 できる。また高屈折率のガラスを用いれば、発光素子からの光取り出し率を向上させ ることがでさる。
さらにガラス材料は榭脂よりも、熱伝導性が良いため、特に高輝度 LEDで問題とな る放熱性も改善される。また色変換材料をガラス中に分散する態様においては、発 光色と変換された色の混色により所望の色光を得るだけでなぐ電子デバイスとして の放熱性を改善することができる。このように、耐光性、光り取り出し効率、放熱性の いずれか一つ以上に優れたガラスにより封止された発光素子を作製できる。かつ所 定の曲面形状を形成することで、出射光の指向性を制御することもできる。
図面の簡単な説明 [図 1] (a)本発明に係るガラス部材の一実施形態を示す斜視図、（b) lb— lb'線断面 図である。
[図 2]本発明に係るガラス封止発光ダイオードチップの一実施形態を示す斜視図で ある。
[図 3]ΠΙ— III，線断面図である。
[図 4]発光ダイオードチップがガラス封止される際の模式図である。
[図 5]本発明に係る発光ダイオードチップの一実施形態を示す平面図である。
[図 6]V— V'線断面図である。
[図 7]発光ダイオード付き回路基板の一実施形態を示す側面図である。
[図 8]本発明に係るガラス封止発光ダイオードチップおよび発光ダイオード付き回路 基板の製造プロセスの一実施形態を示すフローチャートである。
[図 9]基板の温度履歴を示すグラフである。
[図 10]本発明に係るガラス封止発光ダイオードチップの一実施例を示す図である。
[図 11]本実施例における視野角度を示す説明図である。
[図 12]本発明に係る発光ダイオードチップのその他の例を示す斜視図である。
[図 13]本発明に係る発光ダイオードチップのその他の例を示す斜視図である。
[図 14] (a)ガラス部材の製造に用いた管、（b)発光ダイオードチップのその他の実施 例を示す斜視図である。
[図 15]本実施例におけるガラス片の重量と封止ガラスの寸法 (A, B, C)との関係を 示す図である。
[図 16]本実施例における寸法 Aと形状パラメータとの関係を示す図である。
[図 17]本実施例における発光ダイオード付き回路基板の電流電圧特性を示す図で ある。
[図 18]本発明の製造プロセスの他の実施形態を示すフローチャートである。
[図 19]本発明と従来技術における出射光の角度依存性を示すグラフである。
[図 20]従来例を示す断面図である。
[図 21]他の従来例を示す断面図である。
[図 22]他の従来例の製造過程における中間状態を示す斜視図である。 符号の説明
[0024] 10, 14, 50:基板
11, 31, 51, 101:発光ダイオードチップ
12, 32, 42:ガラス部材
12a, 12b:表面
13:端子
15:電極
16:はんだバンプ
21:p電極
22:n電極
23.·発光部
24 :p型半導体層
25 :n型半導体層
26:発光層
27:サファイア基板
52:ガラス
53:管
54:治具
102, 103:電極
104:ボンディングワイヤ
105:榭脂
発明を実施するための最良の形態
[0025] 次に、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図 1 (a)は本発明に係るガラス部材の一実施形態を示す斜視図、同図（b)は lb— lb ，線断面図である。本発明は、半導体製の発光ダイオードチップの表面の少なくとも 一部に、例えば図 1 (a)に示すガラス部材 12を密着させる。この構造をとることで、耐 光性や光取り出し率の優れたガラス封止発光素子を提供できる。
[0026] 発光素子としては、発光ダイオード (Light Emitting Diode)または半導体レー ザ (Laser Diode)などのチップを用いることができる。本発明の実施の形態におい ては、ガラス部材を溶融する際の熱処理により劣化しないものであることが好ましい。 一般に、バンドギャップの大きいものほど耐熱性が高くなるので、発光光が青色であ る発光ダイオードまたは半導体レーザが好ましく用いられる。例えば、発光光の主ピ ーク波長が 500nm以下である発光ダイオードまたは半導体レーザ、より詳しくは、 Ga Nおよび InGaNなどの窒化物半導体、または、 ZnOおよび ZnSなどの II VI族化合 物半導体などを用いた発光ダイオードまたは半導体レーザを用いることができる。 また、ガラス部材 12は、屈折率が 1. 7以上 (好ましくは 1. マから 2. 0、さらに好ましく は 1. 7から 1. 8)の材料である。屈折率が大きいほど、発光ダイオードチップからガラ ス部材への光の取り出し効率が上がり、出射光の指向性もよく好適である。
特に、ガラス部材 12には、軟化点が 500°C以下、温度 50°C〜300°Cにおける平均 線膨張係数が 65 X 10_7Z°C〜95 X 10_7Z°C、波長 405nmの光に対する厚さ lm mでの内部透過率が 80%以上であって、この光に対する屈折率が 1. 7以上であるも のが好ましく用いられる。このようなガラスであれば、屈折率が大きぐまた、基板 10と の熱膨張係数差も小さ 、ので、光の取り出し効率を損なうことなしに発光ダイオード チップ 11を被覆することができる。具体的には、 TeO、 B Oおよび ZnOを含むガラ
2 2 3
スが好ましく用いられる。特に、 TeOの含有量が 10mol%以上であるものが好ましい
2
。 TeOの含有量が多くなるほど、屈折率を高くすることができるからである。
2
次に、本発明における第 1の手法を説明する（フローチャートを示す図 18を参照)。 まず、平板上に所望の方向に載置した発光素子の上部にガラス部材のブロック (細 片）を載置する。その後、加熱処理を行い (全体雰囲気の昇温)、ガラス部材を溶融し 、溶融したガラス部材を発光素子へ被着せしめ、さらに、ガラス部材に、曲面からなる 上側の表面形状と、下側の表面形状の少なくとも一部に曲面を形成し、その後、カロ 熱処理を停止し、徐冷工程に移行する。最終的にガラス部材を固化せしめて、所望 のガラス封止発光素子を得ることができる。発光素子の端子が備えられた面の一部 に若干のガラスが付着したとしても、発光素子の電気的駆動および発光動作に支障 がなければ問題はない。
この際、ガラス部材のブロックの主表面をあら力じめ鏡面仕上げとし、ガラス部材を 溶融した際に不用な泡の発生を防止することができるので好ましい。また、ガラス部 材のブロックは所定の大きさ、質量のものを作成または選定して用いるようにすること が好ましい。
なお、ガラス部材の体積と発光素子の大きさとの関係を適宜調整することで、ガラス 部材が発光素子に接した状態のままで、溶融したガラスを発光素子の上部で略球状 に形成し、その後、徐冷することで、ガラス部材の下側先端の部分が平板側に接する ことなぐ発光素子をガラス部材の表面に僅か埋設させ、平坦である部分の面積を減 少させた形状、のガラス封止発光素子を得ることもできる。
次に、所定の形状を有するガラス部材 (プリフォーム）をあら力じめ形成して用いる 第 2の手法を説明する。ガラス部材の上側の表面形状を曲面で構成し、下側の表面 形状の一部に曲面および平坦である部分を備えた構造のものである。
まず、離型性を有する平板の上にガラス材料を載置した後に、加熱によりガラス材 料を溶融することによって行われる。ここで、離型性を有する平板は、表面に離型材 層が設けられた平板であってもよ ヽし、離型性を有する材料カゝらなる平板であっても よい。離型性を有する材料としては、窒化ホウ素またはカーボン (特に、ガラス質カー ボン)などが挙げられる。但し、カーボンを用いる場合には、真空中または窒素などの 不活性ガス雰囲気下で処理することが必要となる。
本発明において、ガラス部材の表面形状における「平坦である部分」は、ガラス部 材と平板とが接触している部分に形成される。従って、平坦である部分の形状は、平 板の表面形状に概ねしたがうものとなる。尚、この平坦である部分は、図 1の平坦な 表面 12bに対応する。
例えば、離型材 (溶融ガラスに対する濡れ性の低!ヽ部材)で被覆された基板 (例え ばアルミナ製） 10上で、固形またはペースト状のガラス材料を昇温により溶融し、材 料自身の凝集作用により、表面形状の少なくとも一部が曲面、好ましい態様としては 、略球状になった状態を得る。そして、その状態の溶融ガラスを徐冷し、その形状を 固定することでガラス部材を形成できる。
但し、ガラス部材が発光素子に対して相対的に大きな場合には、凝集力よりも相対 的に重力の影響を受けるため、後述する実施例の場合には、凝集したガラス部材 12 の表面形状は、回転楕円体等の曲面体に近似した表面 12aと、基板 10と接する平 坦な表面 12bとで構成される。表面 12aは、ガラス部材 12の表面形状の「曲面である 部分」に対応する。また、表面 12bは、ガラス部材 12の表面形状の「平坦である部分 」に対応する。
ガラス部材 12の形状は、表面 12aにおいて、基板 10に対して水平方向の主軸に 沿った径 Aと、鉛直方向の主軸に沿った径 Bと、表面 12bの径 Cとの 3種類のパラメ一 タで規定される。尚、後述するように、発光ダイオードチップは、端子側の面を下方に して基板 10の上に載置された状態でガラス部材 12によって封止されるので、「基板 1 0に対して水平方向」とは、発光ダイオードチップの端子側の面に対して水平方向と 言 、換えることもできる。鉛直方向にっ 、ても同様である。
径 A, B, Cの間には
A>B>C
の関係が成立する。本発明においては、曲面は、球面または楕円体面の一部である ことが好ましい。特に、ガラス部材 12が球形に近いほど、出射光の指向性が高くなる ことから
(C/A)≤0. 6
の関係が成立することが好ましい。
ガラス部材 12が搭載される発光ダイオードチップは、その大きさが正面視で 0. 3m 程度と非常に微細であることからガラス部材 12も微細かつ軽いものでよい。その ため、表面 12aの形状は、実質的には球面に近似した形状となる。なお、ガラス球に 対して、発光ダイオードベアチップが十分小さければ、点光源として近似でき、出射 光の指向性が良いため、ガラス部材の球面である部分の曲率半径は、発光ダイォー ドチップの 1辺の長さの 2. 5倍以上であることが好ましい。換言すると、径 Aについて (A/2)≥2. 5
の関係が成立することが好ましい。
尚、ある温度において、ガラスは、その表面エネルギーと基板の濡れ性によって定 まる形状 (球形状）になろうとするが、実際には、これに自重による変形が加わることに よって最終的な形状、すなわち平衡状態で得られる形状が決定される。ガラス材料の 重量が小さいほど、ガラス部材の表面形状は球面に近くなる一方で、ガラス材料の重 量が大きくなると、ガラス部材の表面形状は扁平に近くなる。ガラス部材が球形に近 いほど、出射光の指向性は高くなるので、ガラス材料の重量は小さい方が好ましい。 本発明にお 、ては、径 Aが lcm程度までのガラス部材であれば使用可能であると考 えられる。
基本的に、ほぼ球状の形態を得ることができる。また、変形の程度が大きければ楕 円体の形態になると考えられる。
次に、本発明に係るガラス封止発光ダイオードチップの構造等にっ 、て説明する。 図 2は本発明に係るガラス封止発光ダイオードチップの一実施形態を示す斜視図 であり、図 3は III— ΠΓ線断面図である。これらの図に示すガラス部材 12は、図 1 (a) に示したものと同等のものであり、発光ダイオードチップ 11は、平坦な表面 12bに設 けられている。
これらの図に示すように、離型材で被覆された基板 10の上に、発光ダイオードチッ プ 11を端子 13を基板 10の側に向けて載置する。次いで、発光ダイオードチップ 11 の上に、図 1 (a)で示したガラス部材 12を載せ、昇温して固体のガラス部材 12を軟ィ匕 させる。すると、ガラス部材 12が重力によって下方に移動し、発光ダイオードチップ 1 1を取り囲んだ状態となる。ここで、ガラス部材 12の比重は発光ダイオードチップ 11 の比重より大き 、ので、浮力によって発光ダイオードチップ 11はガラス部材 12中を上 方に移動する。この移動距離 rは、
r oc F X t X η _ 1
によって表される。但し、 Fは浮力、 tはガラスの軟ィ匕時間、 7?はガラスの粘度である。 浮力は、ガラスの比重と発光ダイオードチップの比重との差によって決まる。ここで、 発光ダイオードチップの質量の大部分は基板によって占められるので、発光ダイォ ードチップの比重は基板の比重で近似できると考えられる。例えば、一般的な発光ダ ィオードチップに用いられる基板の比重は、サファイア基板で 4. 0gZcm3、 SiC基板 で 3. lgZcm3、 GaAs基板で 5. 3gZcm3である。一方、燐酸亜鉛系ガラスの比重 は 2. 8gZcm3〜3. 3gZcm3であり、ホウケィ酸亜鉛系ガラスの比重は 2. 6g/cm3 〜3. Og/cm3である。さらに、 TeO、 B Oおよび ZnOを含み、且つ、 TeOの含有 量が 10mol%以上であるガラスの内で、 TeO (45. 0%)、TiO (1. 0%)、GeO (5
2 2 2
. 0%)、B O (18. 0%)、Ga O (6. 0%)、Bi O (3. 0%)、 ZnO (15%)、 Y O (
2 3 2 3 2 3 2 3
0. 5%)、 La O (0. 5%)、 Gd O (3. 0%)および Ta O (3. 0%)の組成を有する
2 3 2 3 2 5
ものの比重は 5. 2gZcm3である。
発光ダイオードチップ 11が同じものであれば、ガラスの比重が大きくなるほど、移動 距離 rは大きくなる。すなわち、ガラス部材 12の内部に発光ダイオードチップ 11が大 きくめり込むことになる。この場合、離型材で被覆された基板と発光ダイオードチップ 11との間に占める空間が大きくなるので、発光ダイオードチップ 11をガラス部材 12 で被覆する際に、基板とガラス部材 12の間に閉じ込められた空気をこの空間に逃が して、ガラス部材 12の内部に気泡が生じるのを防ぐことができる。
以上のことを、図 4 (a)〜 (c)を用いてさらに詳しく説明する。
図 4 (a)は、離型材で被覆された基板 10上の発光ダイオードチップ 11の上に、ガラ ス部材 12を載せた状態を示したものである。加熱によってガラス部材 12を軟ィ匕させ ると、ガラス部材 12が重力によって下方に移動し、基板 10、ガラス部材 12および発 光ダイオードチップ 11の間に閉空間 Sが形成される。そして、発光ダイオードチップ 1 1の比重がガラス部材 12の比重より小さい場合には、図 4 (c)に示すように、発光ダイ オードチップ 11が矢印の方向に移動して、ガラス部材 12の中にめり込んだ状態とな る。このとき、閉空間 Sに閉じ込められた空気は、発光ダイオードチップ 11と基板 10 の間に移動するので、ガラス部材 12の中に気泡が生じるのを防ぐことができる。 尚、一般的な低融点ガラス (例えば、燐酸—スズ—亜鉛系ガラスなど。）では、温度 によって粘度が急激に変化するので、軟ィ匕したガラスを球状にするのは困難である。 このように、ガラス部材 12内部に発光ダイオードチップ 11の一部がめり込むと、両 者の間に隙間が生じることなぐ密着状態で発光ダイオードチップ 11の発光面にガラ ス部材 12が固定される。発光ダイオードチップ 11は、その端子側の面のみ露出して 大部分がガラス部材 12内に埋没し、この場合チップの裏面からの発光のみならずチ ップの端面 (チップを直方体として捉えた場合の側面)力 の発光もガラス部材内で 反射および伝播するため、光取り出し率を向上させる上で有効である。但し、ガラス 部材がチップの裏面のみ封止するもの、チップの裏面全体および端面の一部がガラ ス部材内に埋没したもの、ガラス部材がチップの裏面の一部のみ封止するものの何 れも本発明に含まれる。なお、製法の詳細については実施例において説明する。
[0031] 図 5は発光ダイオードチップの一実施形態を示す平面図であり、図 6は V— V'線断 面図である。図中の 21は p電極、 22は n電極、 23は発光部、 24は p型半導体層、 25 は n型半導体層、 26は発光層、 27はサファイア基板である。発光ダイオードチップは サファイア基板上に InGaNが半導体層として形成されて 、る。発光ダイオードチップ の一辺の長さは 300 μ mの正方形であり、厚みは 80 μ mである。電極は n、 pいずれ も、その表面は金で形成されている。ガラス封止時における発光ダイオードチップの 耐熱性を高める点からは、金の膜厚を厚く形成した方が好ましい。
[0032] 図 7は、発光ダイオード付き回路基板の実施形態の一例の側面図である。図 2に示 したガラス封止発光ダイオードチップは、所定の基板に実装することで照明等の各種 用途に用いることができる。基板には公知の各種のものを使用できる。例えばガラス 基板である。
図 7に部材の配置構成例を示す。ガラスエポキシで作られた基板 14の一方の面に は、チップ 11の端子 13と電気接続するための二つの電極 15が形成され、電極 15の 端部は基板 14の他方の面まで延在している。
[0033] チップ 11の各端子 13と基板 14の各電極 15とは、はんだバンプ 16を介してフリップ チップ実装されている。本例では、チップ 11にガラス部材 12を取り付けてから、基板 14に実装する。なお、基板 14上に発光ダイオードチップ 11等を実装してから、さら にそれら全体を榭脂で被覆することで、水分による端子 13の劣化を防止できる。
[0034] 本発明のガラス封止発光ダイオード付き回路基板によれば、発光ダイオードチップ がガラスで封止されているので、従来の榭脂封止されたものに比較して、光束を大き くすることができる。一方、消費電力に関しては、榭脂封止されたものに比較して大き くなるので、光束と消費電力とがトレードオフの関係となる。消費電力が低下する一因 としては、ガラス封止時の熱による発光ダイオードチップ (特に、電極部）の劣化が挙 げられる。従って、耐熱性の高い発光ダイオードチップを用いることにより、消費電力 の低減が図れると考えられる。
実施例 [0035] 次に、本発明の実施例である例 1〜例 6について説明する。
[0036] (例 1)
図 8は、本発明に係るガラス封止発光ダイオードチップおよび発光ダイオード付き 回路基板の製造プロセスの一実施形態を示すフローチャートである。また、図 9は、 製造プロセスにおける基板温度の履歴を示すグラフである。
[0037] 最初に離型材付き基板を作製する (ステップ S 1)。基板として 6インチ 'シリコン'ゥェ ハ (大阪チタニウム社製)を用い、離型材として、窒化ホウ素パウダー (化研興業社製 ボロンスプレー）をスプレーした。窒化ホウ素パウダーはシリコン表面が見えない程度 スプレーする。次に封止用のガラス部材を作製する。ここでガラス材料としては、以下 の組成のものを用いた。すなわち、 TeO (45. 0%)、TiO ( 1. 0%)、 GeO (5. 0%
2 2 2
)、 B O ( 18. 0%)、 Ga O (6. 0%)、 Bi O (3. 0%)、 ZnO ( 15%)、 Y O (0. 5
2 3 2 3 2 3 2 3
%)、 La O (0. 5%)、 Gd O (3. 0%)および Ta O (3. 0%)である。
2 3 2 3 2 5
[0038] ここで、％はモル％である。本ガラス材料のガラス転移温度 (Tg)は 450°Cであり、 熱膨張係数（ oc )は 86 X 10"7 (°C_ 1)である。従って比較的低温で軟ィ匕し、かつ熱膨 張係数が発光ダイオード基板の用いられるサファイア（α = 68 (C軸に平行）、 52 (C 軸に垂直)）等に近い。発光ダイオードの基板の熱膨張係数 α とガラス部材の熱膨 張係数 α とは、 I α — α
2 1 2 I く 15 X 10_7 (°C_ 1)であることがより好ましい。
[0039] また屈折率は 405nmで 2. 01と高いため、発光ダイオードチップからの光の取り出 し効率および光指向性が良いと考えられる。また、耐水性、耐酸性に優れており、 LE Dや半導体レーザ等の発光素子の封止材料として好ましく用いることができる。本ガ ラス片 30mgを前述の離型材付き基板上に載せた (ステップ S 2)。
[0040] 次 、で、ガラス片の載った離型材付き基板を昇温する (ステップ S3)。昇温には、マ ッフル炉 FP41 (大和科学社製)を用いた。昇温レートは 5°CZ分として、 25°C力も 61 0°Cまで昇温し、 15分保持した後に、 5°CZ分のレートで 25°Cまで徐々に冷却した（ ステップ S4)。
[0041] この処理でガラス材料は、図 1 (a)に示したように、基板と接している部分に平坦部 を有する球状になった。球の直径は 2. Omm (寸法 A)であり、高さは 1. 9mm (寸法 B)であり、底面は直径が 0. 8mm (寸法 C)の円形であった。ついで、発光ダイオード チップを前記窒化ホウ素パウダーで被覆された基板上に載置する (ステップ S5)。 発光ダイオードチップは青色発光チップ (昭和電工株式会社製 商品名 GB— 3070 )であり、 n電極と p電極がチップの片面に配置され、発光ダイオードチップの端子が 基板面を向くようにチップは基板上に載せられる。
[0042] 発光ダイオードチップは小さくハンドリングが難しい。上記基板の上 3cm力も散布し 、散布した発光ダイオードチップのうち、端子部が基板面を向いた発光ダイオードチ ップに、先に用意した略球状のガラス部材をその底面の中心に発光ダイオードチッ プが配置されるように載せた。ついで発光ダイオードチップ、ガラス部材の載った離 型材付き基板を上述のマツフル炉に入れ、加熱し冷却した (ステップ S7、 S8)。
[0043] さらに、以上の一連の工程とは別工程で、上記ガラス封止発光ダイオードチップを 基板 (例えば図 7に示したもの）に実装することにより、発光ダイオード付き回路基板 が得られる（ステップ S 9)。
[0044] なお、加熱レート、保持温度、保持時間、冷却レートはガラス部材作成時と同一で ある。また、ステップ S7の加熱処理により発光ダイオードチップは、ガラス部材の内部 に若干めり込むが、電極形成面にガラスは付着していない。得られたガラス封止発光 ダイオードチップは、図 2に示したとおりである。ガラス部材 12の寸法は、初期値とほ ぼ同じであった。ついで、ガラス部材 12で封止された発光ダイオードチップ 11に電 圧を印カロして、発光状態を確認した。
[0045] ここで、直流電源は、 MC35— 1A (菊水電子社)、端子と電源の接続にはマ-ユア ルプローバを用いた。発光開始電圧は 2. 5Vであった。ここで発光開始電圧とは発 光を視認できる電圧である。ガラス封止をして ヽな 、ベアチップでの発光開始電圧は 2. 3Vであり、ガラス封止しても発光開始電圧は殆ど変わらない。印加電圧 3. 5V時 の発光状態を図 10の写真に示す。
[0046] 同図の中央部に位置する球状の物体が略球状のガラス部材であり、その周辺に白 く光っている部位が発光によって照らし出された離型材で被覆された基板である。ガ ラス部材の中央には、同図からは視認し難いが発光ダイオードチップが密着固定さ れている。また、ガラス部材の中央近傍力も突出する 2本の黒い影は、チップの二つ の端子に電気接続された電極である。 [0047] このように発光ダイオードが青色発光することを確認できた。
また、以上のようにして作られたガラス封止発光ダイオードチップの光束は 2〜31m 程度が見込まれ、パワー LEDを用いればさらに向上し、 201mは得られるものと推定 される。また、出射光指向性について調べるため、計算機シミュレーションを行ったと ころ、図 11に示す視野角度 (輝度が最大輝度の半分の値になる角度 X 2 (開き角度) ) Θが 15° 以下 (ガラス材料の屈折率次第では 10° 以下も可能)であることを確認し た。
さらに、発光ダイオードチップによる発光の主発光ピーク波長力 500nm以下であ ることを確認した。
[0048] (例 2)
例 1と同じガラス材料カレット 7. 61gを乳鉢と乳棒を用いて粉砕した後、黄色蛍光 体 P46— Y3 (化成ォブト-タス社製） 381mgを混合し、蛍光体入りフリットを得た。こ の蛍光体入りガラスフリットを 34mg小分けにして、 610°C、 15分間加熱した。加熱速 度、冷却速度は実施例 1と同条件に設定した。これにより図 1 (a)と同様のガラス部材 12を形成した。
[0049] 以下例 1と同様に、離型材で被覆された基板に発光ダイオードチップおよび前述の ガラス部材を載せ加熱し冷却すると、ガラス中に蛍光体が分散したガラス部材で封止 された発光ダイオードチップが得られた。発光開始電圧は印加電圧 2. 4Vであり、白 色の発光が得られた。
[0050] このように、発光ダイオードチップから出射した青色光がガラス体中の蛍光体で黄 色に変換された。変換して得られた黄色と青色発光とが混色して白色発光しているこ とが確認された。同様にして、例えば発光ダイオード近傍に、半径 500 m程度の蛍 光体入りガラス材料を半球状に形成する。図 12に示すように、蛍光体入りガラスによ り封止された発光ダイオードが得られる。 31は発光ダイオードチップであり、 32は蛍 光体入り半球状のガラス部材である。
[0051] これの上に図 1 (a)に示した球状に成型されたガラス部材 12を載せて、加熱しその 後、冷却すると図 13に示すような、発光ダイオード近傍に蛍光体が分散しているガラ ス部材封止物ができると考えられる。ここに、 41は先に形成した発光ダイオードを半 球状のガラス部材で封止したものであり、 42はその後、載せたガラス部材である。こ の場合では、発光ダイオードのより近傍で青色光は一部黄色に変換され、黄色光と 青色光とが混色されて白色を生じさせることができる。よって、点光源に近い白色光 源となるため、より指向性が得られ易いと考えられる。なお、 710°Cにおいて上記同 様の実験も行ったが、蛍光体入りのガラスフリットが変色し灰色となり、所望の結果を 得ることはできな力つた。
[0052] (例 3)
内径 5. 5mm、厚さ 0. 5mm、高さ 10mmの円筒形のパイレックス (登録商標)管 53 ( 図 14 (a) )の内側に離型材として窒化ホウ素パウダーをスプレーし、発光ダイオード チップの載った離型材付き基板 50上に載せる。その後、例 1と同じガラス材料 381m gを管 53の中に充填し、加熱し、冷却する。管 53と基板 50とは、ガラス部材を成形す るための治具 54を構成する。加熱条件および冷却条件は例 1と同じである。
[0053] 冷却後、図 14 (b)に示すように先端部が表面張力により曲面形状のガラスで封止さ れた発光ダイオードチップが得られた。 51が発光ダイオードチップであり、 52がそれ を封止しているガラスである。寸法 Dは 5. 5mm,寸法 Eは 2. lmm、寸法 Fは 1. 5m mであった。発光開始電圧は 2. 3Vであり、青色発光が確認された。この形状のガラ ス部材では、発光ダイオードと球面との距離を離型材の付!、た型とガラスの量で変え られるため、指向性を制御することが可能となる。管 53内に投入するガラス材料の量 を調整することで、チップを封止するガラス部材の長短 (距離 E+F)を容易に調整で き、指向性を調整する上で好適である。なお、パイレックス (登録商標)管の替わりに、 SUS製の金属パイプ等を用いて同様の実験を行ったが、徐冷後にガラス部材をパイ プ等の内部力も取り出すことができず、実験を完了できな力つた。
[0054] (例 4)
まず、基板として 6インチのシリコンウエノ、（大阪チタニウム株式会社製)を用い、この 基板の上に、表面が完全に被覆する程度に離型材をスプレー塗布して離型材層を 形成した。離型材としては、窒化ホウ素の粉末 (化研興業株式会社製 ボロンスプレ 一）を用いた。次いで、基板の上にガラス片を重量を変えて載せ、例 1と同様の加熱 処理をすることにより、全体が略球状で、離型材層と接している部分に平坦部を有す る封止ガラスを形成した。ガラス材料としては、例 1と同様のものを用いた。また、ガラ ス片の重量は、 10mg、 20mg、 30mg、 60mgおよび 90mgの 5種類とした。
[0055] 次に、上記の離型材層が設けられたシリコンウェハの上で端子部が基板面を向い た発光ダイオードチップを選び、この発光ダイオードチップが中心に位置するようにし て、封止ガラスを発光ダイオードチップの上に載せた。そして、封止ガラスの形成と同 様の条件で加熱および冷却を行った。これにより、電極面を露出した状態で封止ガラ スに被覆された発光ダイオードチップを得た。尚、発光ダイオードチップとしては、豊 田合成株式会社製の E1C60— OB011— 03 (商品名）を用いた。この発光ダイォー ドチップの大きさは、正面視で 0. 32mm口程度であった。
上記の発光ダイオードチップ以外に、現在市場で利用されて!ヽる各社の製品を本 発明に適用することができる。たとえば、 日亜ィ匕学株式会社、豊田合成株式会社、シ ヤープ株式会社、昭和電工株式会社、株式会社東芝、米国の Cree社の製品などが あげられる。本発明において、発光ダイオードチップの形状は略六面体に限られず、 勿論、他の形状であってもよい。発光ダイオードチップの発光部をガラス部材で封止 し、その端子側の面がガラス部材の外部に露出する構造をとることができればよい。
[0056] 図 15に、ガラス片の重量と、得られた封止ガラスの寸法 (A, B, C)との関係を示す 。また、図 16に、寸法 Aと形状パラメータとの関係を示す。形状パラメータとしては、 ( AZB)と（ΒΖΒ' )の 2種類を用いた。尚、 Β，は、封止ガラスが完全な球であったとし たときの鉛直方向の主軸に沿った径である。
[0057] 図 15および図 16より、ガラス片の重量が小さいほど、封止ガラスの表面形状が球 面に近くなることが分かる。一方、ガラス片の重量が大きくなると、寸法 Αに対して寸 法 Bが小さくなり、封止ガラスの表面形状は球面力 ずれた扁平な曲面に近くなる。こ れは、ガラス片の重量が大きくなると、自重の影響を受けやすくなるためである。そし て、曲面を形成している部分の中心から平坦である部分までの距離 Lは、ガラス片の 重量が大きくなるほど短くなる。出射光の指向性は、封止ガラスの表面形状が球面に 近いほど、また、距離 Lが大きくなるほど高くなるので、図 15の例においては、封止ガ ラスの重量は 60mg以下（すなわち、（CZA)≤0. 6)であることが好ましい。
[0058] (例 5) 例 1と同様にして略球状のガラス部材を形成し、これを発光ダイオードチップ (豊田 合成株式会社製 商品名 E1C60— OB011— 03)の上に載せた後、例 1と同様にし て発光ダイオードチップをガラス部材で封止した。次いで、例 1と同様にして、ガラス 封止発光ダイオードチップを基板に実装することにより、発光ダイオード付き回路基 板を得た。この発光ダイオード付き回路基板の電流電圧特性を、例 1で得られた発光 ダイオード付き回路基板と比較した。図 17にその結果を示す。尚、図 17において、「 榭脂封止」とは、封止されていない発光ダイオードチップ (豊田合成株式会社製 商 品名 E1C60— OB011— 03)が実装された基板の上に、榭脂組成物 (信越ィ匕学株式 会社製シリコーン榭脂 商品名： LPS3400,屈折率 1. 41)をポッティングし、 100°C で 60分間加熱した後、さらに 150°Cで 60分間加熱して得られた発光ダイオード付き 回路基板を言う。
図 17に示すように、例 5の発光ダイオード付き回路基板では、榭脂封止した発光ダ ィオード付き回路基板に比較して、消費電力が 13%程度増加した。さらに、例 1の発 光ダイオード付き回路基板では、消費電力が 31%程度増力!]した。
このようにガラス封止発光ダイオードの発光光を確認できた。その際、ガラス封止発 光ダイオードの発光開始電圧が、ガラス封止前の値と同じであったことから、封止時 の熱によって LED発光層に損傷は生じて 、な 、ものと考えられる。
また、ガラス封止発光ダイオードにおける消費電力の増大は、ガラス封止時の熱に よって、 LEDの電極が熱履歴を受け、それによつて電極部の電気伝導特性に若干 の変動が生じたためと考えられる。し力しながら、この程度の変化であれば、発光装 置の実用性能上は殆ど問題のないレベルと考えられる。尚、 LED等の半導体デバイ スにおいて、耐熱性を有する電極構造が知られている。例えば、特開 2002— 1517 37号公報、特開平 10— 303407号公報および特開 2005— 136415号公報などに 開示された、特定材料による層構造を採用した LEDを本発明に適用することによつ て、上記の電気伝導特性の変化を抑制できると思われる。
また、本発明によるガラス封止発光素子と、従来技術による榭脂封止発光素子との 出射光の角度依存性を計測し、その結果を図 19に示す。本発明によると、出射光は 0〜10度付近で強い相対強度を示しており、中心部分に集光されていることがわか つた o
もともと指向性のな ヽ出射光を有する LEDに対し、本発明によるガラス封止を行つ た (榭脂封止品の特性カーブを参照：ほぼ平坦な出射光特性を示しており、ダイォー ドチップの出射光には指向性がほとんどないことがわかる。 ) o本発明によるガラス封 止ダイオードチップにおいては、明確な指向性が発現した。従来技術の榭脂封止化 LEDでも、その出射面側をレンズ形状とすることで、指向性を持たせることが理論的 には可能であるが、榭脂の屈折率が小さいため、所望のサイズの榭脂部材で実用的 な指向'性を得るのは困難である。
[0060] 例 5の発光ダイオード付き回路基板に対して、 20mAの電流を流した状態で温度 8 0°Cで 1, 000時間放置した。その後も、形状を保ったまま連続して発光していること を確認できた。
[0061] (例 6)
例 5で得られた発光ダイオード付き回路基板につ 、て、定格電流 20mAでの光束 を測定し、未封止のものおよび榭脂封止のものと比較したところ、表 1のようになった 。尚、「未封止」とは、封止されていない発光ダイオードチップ (豊田合成株式会社製 商品名 E1C60— 0B011— 03)を基板に実装して得られた発光ダイオード付き回 路基板を言う。また、「榭脂封止」とは、未封止の発光ダイオード付き回路基板の上に 、榭脂組成物 (信越化学株式会社製シリコーン榭脂 商品名： LPS3400,屈折率 1 . 41)をポッティングし、 100°Cで 60分間加熱した後、さらに 150°Cで 60分間加熱し て得られた発光ダイオード付き回路基板を言う。本発明のガラス封止発光ダイオード 付き回路基板では、榭脂封止発光ダイオード付き回路基板に比較して光束が 15% 程度向上した。
[0062] [表 1]
Figure imgf000023_0001
産業上の利用可能性 以上説明した本発明は、 LEDディスプレイ、バックライト光源、車載用光源、信号機 、光センサー、インジケータ、集魚ランプ並びに自動車用のヘッドランプ、方向指示ラ ンプおよび警告ランプなどに用いられる発光ダイオードまたは光ピックアップ等の各 種の用途に用いられる。 なお、 2005年 4月 15曰に出願された曰本特許出願 2005— 118415号及び 2005 年 11月 7日に出願された日本特許出願 2005— 322943号の明細書、特許請求の 範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り 人れるものである。

Claims

請求の範囲
[1] 発光素子と、
前記発光素子を封止するガラス部材とを備え、
前記ガラス部材の上側の表面形状は曲面によって構成され、下側の表面形状の少 なくとも一部に曲面を備え、
前記発光素子の端子側の面の少なくとも一部が前記ガラス部材力 露出しているこ とを特徴とするガラス封止発光素子。
[2] 前記ガラス部材の下側の表面形状に平坦である部分を含み、
前記平坦な部分に前記発光素子が配置されて!、る請求項 1に記載のガラス封止発 光素子。
[3] 前記表面形状が曲面である部分において、前記発光素子の端子側の面に対して 水平方向の主軸に沿う径 Aおよび鉛直方向の主軸に沿う径 Bと、
前記表面形状が平坦である部分の径 Cとの間に
A>B>C
の関係が成立する請求項 2に記載のガラス封止発光素子。
[4] さらに
(C/A)≤0. 6
の関係が成立する請求項 3に記載のガラス封止発光素子。
[5] 前記発光素子は、正面視で矩形状の半導体チップであり、
前記ガラス部材の曲面である部分の曲率半径は、前記半導体チップの 1辺の長さ の 2. 5倍以上である請求項 1〜4のいずれ力 1項に記載のガラス封止発光素子。
[6] 前記曲面は、球面または楕円体面の一部である請求項 1〜5のいずれか 1項に記 載のガラス封止発光素子。
[7] 前記発光素子は、 LEDおよび半導体レーザのいずれか一方である請求項 1〜6の いずれか 1項に記載のガラス封止発光素子。
[8] 前記ガラス部材は、 TeO、 B Oおよび ZnOを含む請求項 1〜7のいずれか 1項に
2 2 3
記載のガラス封止発光素子。
[9] 前記発光素子に備えられた半導体基板の熱膨張係数 α と前記ガラス部材の熱膨 張係数 α との間に
2
\ - \ < 15 X 10"7 (°C_1)
1 2
の関係が成立する請求項 1〜8のいずれか 1項に記載のガラス封止発光素子。
[10] 前記ガラス部材の屈折率が 1. 7以上である請求項 1〜9のいずれか 1項に記載の ガラス封止発光素子。
[11] 請求項 1〜10のいずれか 1項に記載の発光素子と、
前記発光素子の端子に電気的に接続する基板とが備えられたことを特徴とするガ ラス封止発光素子付き回路基板。
[12] 発光素子の上に固体のガラス部材を載置する工程と、
前記発光素子および前記ガラス部材を加熱し、この加熱によって固体のガラス材料 を溶融し前記ガラス部材と前記発光素子との当接部を密着させる工程と、
前記溶融されたガラス部材および前記発光素子を徐冷する工程とを有することを特 徴とするガラス封止発光素子の製造方法。
[13] 溶融ガラスに対する濡れ性の低！ヽ離型材で覆われた面に発光素子を載置するェ 程を有することを特徴とする請求項 12に記載のガラス封止発光素子の製造方法。
[14] 前記発光素子を載置するための凹部を備えた治具を用い、この凹部内に前記発光 素子およびガラス材料を載置して力 これらを加熱処理することにより、前記凹部の 内側形状を利用してガラス部材を成形する請求項 12または 13に記載のガラス封止 発光素子の製造方法。
[15] 前記発光素子の近傍に色変換材料が分散しているガラス部材を形成し、その後に 、色変換材料を含まな ヽガラス部材を前記色変換材料を含むガラス部材を覆うように して形成する請求項 12、 13または 14に記載のガラス封止発光素子の製造方法。
[16] 前記発光素子が達する最高温度が、ガラス部材の軟ィ匕点よりも 80〜150°C高い温 度である請求項 12〜 15のいずれか 1項に記載のガラス封止発光素子の製造方法。
[17] 前記発光素子を構成する半導体基板の熱膨張係数 α と前記ガラス部材の熱膨張 係数 α との間に
2
\ - \ < 20 X 10"7 (°C_1)
1 2
の関係が成立する請求項 12〜16のいずれ力 1項に記載のガラス封止発光素子の 製造方法。
[18] 前記発光素子は、 LEDおよび半導体レーザのいずれか一方である請求項 12〜1
7のいずれか 1項に記載のガラス封止発光素子の製造方法。
[19] 請求項 1〜10のいずれか 1項に記載のガラス封止発光素子を、配線付き基板に実 装する工程を有することを特徴とするガラス封止発光素子の実装方法。
[20] 前記発光素子は、半導体基板と、この半導体基板の主表面側に形成された発光部 と、この発光部に給電するための端子とを備え、
前記発光素子をガラス部材により封止する工程と、
前記発光素子の P側および n側の両端子にバンプを形成する工程と、
前記バンプと前記配線付き基板の配線とを電気的に接続する工程とをさらに有す る請求項 19に記載のガラス封止発光素子の実装方法。
PCT/JP2006/307982 2005-04-15 2006-04-14 ガラス封止発光素子、ガラス封止発光素子付き回路基板およびそれらの製造方法 WO2006112417A1 (ja)

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