WO2009088086A1 - ガラス、発光装置用の被覆材および発光装置 - Google Patents

ガラス、発光装置用の被覆材および発光装置 Download PDF

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WO2009088086A1
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Syuji Matsumoto
Nobuhiro Nakamura
Naoya Wada
Yasuko Osaki
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Asahi Glass Company, Limited
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    • H01L33/52Encapsulations
    • H01L33/56Materials, e.g. epoxy or silicone resin

Definitions

  • the present invention relates to glass, and more particularly to glass used as a coating material for light emitting devices such as light emitting diode (LED) devices.
  • LED light emitting diode
  • a glass coating material can be considered as a stable alternative to heat, light and / or moisture in the environment that can alleviate such problems.
  • a conventional general glass coating material requires a coating temperature of about 500 ° C. or higher due to restrictions on the softening point of glass.
  • high temperature coating treatment is not preferable from the viewpoint of reliability.
  • glass that can be coated at a coating temperature of less than 500 ° C. is required.
  • Patent Document 1 discloses a P 2 O 5 —SnO-based glass for cathode ray tube (CRT) sealing having a coating temperature of 400 ° C. to 430 ° C.
  • Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-69672 discloses a P 2 O 5 —SnO-based glass for cathode ray tube (CRT) sealing having a coating temperature of 400 ° C. to 430 ° C.
  • Patent Document 1 aims at CRT sealing (sealing between a glass panel and a glass funnel). Therefore, the composition of the glass of Patent Document 1 is determined by placing the highest importance on the strength of the glass. That is, the glass of Patent Document 1 has its glass transition point (Tg) lowered to 250 to 275 ° C., and the glass is intentionally crystallized to obtain its strength. That is, Patent Document 1 attempts to improve strength at the expense of crystallization. Moreover, the composition of the glass of Patent Document 1 is determined on the assumption that the area of a sealing object called CRT is large. Therefore, it is necessary to lower the viscosity at the sealing temperature, and the glass transition point (Tg) is intentionally lowered.
  • Tg glass transition point
  • the glass of Patent Document 1 is not suitable as a covering material for a small light-emitting device such as an LED device.
  • a small light-emitting device such as an LED device.
  • crystals that are not a problem with glass as a covering material for large-sized devices reduce light extraction efficiency with glass as a covering material for small-sized devices (particularly, glass as a covering material for light-emitting devices). It can be a fatal problem. That is, in the glass of Patent Document 1, even a slight crystal generated in the glass is small as a coating material, so that the crystal prevents the light emitted from the light emitting device from progressing and reduces the light amount of the light emitting device. .
  • the present invention has been made in view of such a background, and an object of the present invention is to provide a glass that can be coated at a coating processing temperature of 400 ° C. or less and is less likely to be deteriorated or altered over a long period of time.
  • the present invention in terms of mol% based on oxide, 27% to 33% P 2 O 5 , 50% to 70% SnO, 0-10% ZnO, 0.5% to 5% CaO, 0-5% B 2 O 3 , 0-3% Ga 2 O 3 , 0-3% In 2 O 3 , and 0-3% La 2 O 3 ,
  • the glass characterized by including is provided.
  • the glass preferably contains 52% to 63% SnO and P 2 O 5 + SnO in a total of 85% to 92% in terms of mol% on the basis of oxide.
  • the content of P 2 O 5 is preferably 27% to 30% in terms of mol% based on the oxide.
  • the content of CaO is preferably 3% to 5% in terms of mol% based on oxide.
  • the present invention is a light emitting device having an optical element disposed on a base substrate and a covering material that covers the optical element, wherein the covering material is made of the glass described above. is there.
  • the present invention it is possible to provide a glass that can be coated with a transparent glass at a coating treatment temperature of 400 ° C. or less, and that does not easily deteriorate or deteriorate over a long period.
  • a covering material for a light emitting device made of such glass and further a light emitting device having such a covering material.
  • the horizontal axis is T (temperature, ° C.), and the vertical axis is Te (thermoelectromotive force, ⁇ V). It is the figure which showed an example of the cross section of the light-emitting device by this invention. It is the figure which showed typically operation at the time of calculating
  • the horizontal axis is T (temperature, ° C.), and the vertical axis is Te (thermoelectromotive force, ⁇ V).
  • the glass of the present invention is expressed in mol% based on oxide, 27% to 33% P 2 O 5 , 50% to 70% SnO, 0-10% ZnO, 0.5% to 5% CaO, 0-5% B 2 O 3 , 0-3% Ga 2 O 3 , 0-3% In 2 O 3 , and 0-3% La 2 O 3 , It is characterized by including.
  • Such a glass according to the present invention can be coated at 400 ° C. or lower.
  • the glass according to the present invention has a characteristic that the glass transition temperature (Tg) is about 285 ° C. to 300 ° C. and is relatively high.
  • a coating treatment temperature of about 500 ° C. or higher is required due to restrictions on the softening point of the glass.
  • each component constituting the light emitting device may be damaged by heat, and the reliability of the device may be impaired.
  • conventional glass a P 2 O 5 —SnO-based glass that can be coated at about 400 ° C.
  • Tg glass transition temperature
  • the glass transition temperature (Tg) of the P 2 O 5 —SnO glass it is necessary to relatively increase the content of P 2 O 5 .
  • the chemical stability of the glass decreases. This is because P 2 O 5 easily reacts with moisture in the environment in the vicinity of this composition range.
  • the content of P 2 O 5 exceeds 33 mol%, this effect becomes significant.
  • the coating material deteriorates and deteriorates over time.
  • the covering material is colored (for example, whitened or blackened) due to alteration, the transparency of the covering material is impaired, and the covering material becomes “opaque”.
  • the coating material used in the device needs to be sufficiently transparent so as not to interfere with the light emission from the LED element. Therefore, when the above-described “opaque” phenomenon occurs in the covering material, the light output from the LED device is significantly reduced even if the area is small.
  • the glass according to the present invention is not only capable of being coated at 400 ° C. or lower, but also has a characteristic that the glass transition temperature (Tg) is relatively high in the range of about 285 ° C. to 300 ° C. .
  • Tg glass transition temperature
  • the content of P 2 O 5 in the composition is significantly suppressed (33 mol% or less), and a decrease in chemical stability is significantly suppressed. Therefore, deterioration and deterioration of glass due to environmental factors (for example, moisture), and further “opacity” are significantly suppressed. Therefore, in the glass according to the present invention, an effect that appropriate transparency can be maintained over a long period is obtained.
  • the glass according to the present invention can be used as a covering material for a light-emitting device that is stable for a long period of time. Further, since the Tg is in the range of about 285 ° C. to 300 ° C., the viscosity is high, and it is optimal as a covering material for a small device.
  • FIG. 1 the differential thermal analysis (DTA: Differential Thermal Analysis) result of the glass by this invention is shown.
  • DTA Differential Thermal Analysis
  • This measurement was obtained by using a 110 mg glass sample and heating the sample from room temperature to 450 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min.
  • a differential thermal analyzer EXSTAR6000TG / DTA manufactured by Seiko Instruments Inc. was used for the measurement.
  • shaft of FIG. 1 shows thermoelectromotive force Te (microvolt)
  • a horizontal axis shows temperature T (degreeC).
  • the glass also contains 30% P 2 O 5 , 60% SnO, 7% ZnO and 3% CaO, calculated as mol% based on oxide.
  • P 2 O 5 is a component that stabilizes the glass and is essential.
  • the content of P 2 O 5 is below 27 mol%, there is a possibility that the glass transition temperature (Tg) becomes higher. Further, as described above, there is a possibility that the content of P 2 O 5 is more than 33 mol%, decreases the resistance to environment (particularly moisture).
  • the content of P 2 O 5 is particularly preferably 27 mol% to 30 mol%.
  • SnO is a component that increases the fluidity of glass and is essential.
  • the content of SnO is less than 50 mol%, the softening point becomes too high and the fluidity is deteriorated.
  • content of SnO exceeds 70 mol%, vitrification will become difficult.
  • the SnO content is 52 mol% to 63 mol% and the total content of P 2 O 5 + SnO is 85 mol% to 92 mol%, the Tg becomes a more preferable range.
  • ZnO is not essential, but it has an effect of improving the water resistance of the glass and lowering the coefficient of thermal expansion, so it is preferably added in the range of 0 to 10 mol%. When the content of ZnO exceeds 10 mol%, devitrification tends to precipitate.
  • the ZnO content is preferably 1/7 or less of the SnO content. If the ZnO content exceeds 1/7 of the SnO content, the softening point becomes too high and / or crystallization may be promoted.
  • CaO is a component that can suppress crystallization of glass and lower the thermal expansion coefficient, and is essential. However, if the CaO content is less than 0.5 mol%, crystallization may not be suppressed. The content is more preferably 1 mol% or more. Moreover, when the content of CaO exceeds 5 mol%, the glass becomes unstable. In particular, 3 mol% to 5 mol% is preferable because a transparent and soft sealing is possible in a wide temperature range.
  • B 2 O 3 is not essential, but may be contained up to 5 mol% as a compound that supports crystallization inhibition by CaO. If it exceeds 5 mol%, the refractive index becomes small and the chemical durability such as water resistance may be lowered.
  • Ga 2 O 3 may be contained up to 3 mol% in order to improve water resistance and stabilize the glass. If it exceeds 3 mol%, the softening point becomes high and application as a coating material having a temperature of 400 ° C. or less may be difficult. Ga 2 O 3 is preferably 2 mol% or less, and more preferably 1 mol% or less.
  • In 2 O 3 may be contained up to 3 mol% in order to improve water resistance and stabilize the glass. When it exceeds 3 mol%, the softening point becomes high and application as a coating material having a coating temperature of 400 ° C. or less becomes difficult.
  • the upper limit of the content of In 2 O 3 is preferably 2 mol%, more preferably 1 mol%.
  • La 2 O 3 may be contained up to 3 mol% in order to improve water resistance and stabilize the glass. When it exceeds 3 mol%, the softening point becomes high and application as a coating material having a coating temperature of 400 ° C. or less becomes difficult.
  • the upper limit of the content of La 2 O 3 is preferably 2 mol%, more preferably 1 mol%.
  • the glass of the present invention consists essentially of the above components, but other components such as MgO, SrO, Bi 2 O 3 , Y 2 O 3 , Gd 2 O 3 , and Ce within the range not impairing the object of the present invention. 2 O 3 , CeO 2 , TiO 2 , TeO 2 , Ta 2 O 5 or the like may be added.
  • the glass of this invention does not contain PbO substantially.
  • the glass of the present invention Li 2 O, Na 2 O , it is preferred not to substantially contain K 2 O, and the like. This is because, when these compounds are present in a significant content in glass, there is a possibility that deterioration due to ion diffusion into the semiconductor element may occur.
  • the glass of the present invention MnO, Fe 2 O 3, Co 2 O 3, it is preferred not to substantially contain WO 3 and the like. This is because, when these compounds are present in a significant content in the glass, the transparency of the glass may be impaired due to coloring.
  • the upper limit of the thermal expansion coefficient ( ⁇ ) of the glass of the present invention is preferably 130 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C., more preferably 128 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C.
  • the lower limit of the thermal expansion coefficient ( ⁇ ) is preferably 110 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C., more preferably 115 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C.
  • Tg glass transition temperature
  • the thermal expansion coefficient ( ⁇ ) exceeds 130 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C.
  • the element is brought into contact with the glass light emitting element in the process of cooling the element to room temperature or in the subsequent process. There is a risk of cracking starting from the part.
  • the glass according to the present invention having the above composition can be used as a coating material for a light emitting device having a glass coating portion.
  • a coating material for a light emitting device having a glass coating portion can be used as a coating material for a light emitting device having a glass coating portion.
  • the configuration of the light-emitting device in which the glass of the present invention is applied as a coating material will be described taking an LED device as an example. It is obvious that the glass according to the present invention can be applied as a coating material for other light emitting devices.
  • FIG. 2 schematically shows an example of a cross-sectional view of the LED device 1 according to the present invention.
  • the LED device 1 includes a base substrate 120, a light emitting unit 100 placed on the base substrate 120, and a covering unit 110 that covers the light emitting unit 100.
  • a plurality of wirings 130 are formed on the surface of the base substrate 120 on the side where the light emitting unit 100 is placed.
  • the base substrate 120 is composed of a substrate made of an inorganic material such as rectangular alumina having a purity of 98.0% to 99.5% and a thickness of 0.2 mm to 1.2 mm, for example.
  • the wirings 130a and 130b formed on the surface of the base substrate 120 may be gold wirings formed of, for example, a gold paste.
  • the LED element 102 is, for example, an LED that emits ultraviolet light or blue light having a wavelength of 360 to 480 nm, and is an LED having a quantum well structure (InGaN-based LED) using InGaN in which In is added to GaN as a light-emitting layer. May be. However, it goes without saying that LEDs having specifications other than this may be used.
  • the thermal expansion coefficient of the element substrate 101 is, for example, 70 ⁇ 10 ⁇ 7 to 90 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C. Normally, sapphire having a thermal expansion coefficient of about 80 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C. is used as the material for the element substrate 101.
  • the covering portion 110 is composed of a covering material 115, and the covering material 115 is composed of glass having the above-described composition.
  • the covering material 115 covering the light emitting unit 100 can be installed at a covering processing temperature of 400 ° C. or lower. Therefore, the thermal damage of each part which comprises the light-emitting device 1 can be suppressed significantly.
  • the glass transition temperature (Tg) of this coating material is in the range of 285 ° C. to 300 ° C. Accordingly, the deterioration and deterioration due to moisture in the environment and the progress of “opacity”, which can be a problem in “conventional glass”, are significantly suppressed. Accordingly, a light emitting device that exhibits a stable light output over a long period of time can be provided.
  • Example 1 Prepare a glass (glass according to Example 1) containing 30% P 2 O 5 , 60% SnO, 7% ZnO and 3% CaO, calculated as mol% on oxide basis, in the following manner: did.
  • an orthophosphoric acid aqueous solution (containing 85 mass% H 3 PO 4 ) was added to the slurry to prepare a mixed solution.
  • the normal phosphoric acid aqueous solution was injected little by little in a state where the slurry was agitated so as not to cause bumping of moisture.
  • the obtained mixed solution was poured into a stainless steel bat provided with a “Teflon” (registered trademark) sheet. The vat was kept at 200 ° C. for 3 hours with sufficient ventilation, and dried to obtain a cookie-like solid having a weight of 200 g.
  • each powder and the normal phosphoric acid aqueous solution were weighed so that each component contained in the finally obtained solid (200 g) had the aforementioned molar concentration.
  • the obtained solid substance was put in a quartz crucible, and after placing a quartz lid on the upper part of the crucible, the crucible was held at 1100 ° C. for 40 minutes to dissolve the solid substance.
  • the crucible was taken out from the furnace only once during the melting process, the lid was removed, and stirring was performed using a quartz rod. Thereafter, the crucible was covered again, and the crucible was returned to the furnace. After the melting process at 1100 ° C. for 40 minutes was completed, the crucible was removed from the furnace. Furthermore, in order to form the melt into plate-like glass, the molten glass in the crucible was poured into a carbon mold. Thereafter, the glass taken out from the carbon mold was placed in another electric furnace maintained at 315 ° C., held in this electric furnace for 1 hour, and then cooled to room temperature over 12 hours.
  • the glass according to Example 1 was obtained through these steps.
  • an orthophosphoric acid solution was used as a raw material for P 2 O 5 contained in the glass.
  • powder raw materials such as zinc phosphate, tin phosphate, calcium phosphate, and aluminum phosphate can be used instead of the regular phosphate solution.
  • the mixing step of the slurry and the powder can be omitted.
  • Example 3 A glass containing 30% P 2 O 5 , 60% SnO, 9% ZnO, and 1% CaO, calculated in mol% on an oxide basis, in the same manner as in Example 1 (according to Example 3 Glass) was prepared.
  • Example 4 30% P 2 O 5 , 60% SnO, 6% ZnO, 3% CaO, and 1% B 2 O 3 , calculated as mol% on oxide basis, in the same manner as Example 1. (A glass according to Example 4) was prepared.
  • Example 5 30% P 2 O 5 , 62% SnO, 4% ZnO, 3% CaO, and 1% B 2 O 3 , calculated as mol% on oxide basis, in the same manner as Example 1. (A glass according to Example 5) was prepared.
  • Example 6 In a manner similar to Example 1, calculated as mol% on oxide basis, 30% P 2 O 5 , 60% SnO, 8.5% ZnO, 0.5% CaO, and 1% A glass containing B 2 O 3 (glass according to Example 6) was prepared.
  • Example 7 A glass containing 30% P 2 O 5 , 60% SnO, 9.5% ZnO, and 0.5% CaO, calculated in mol% on oxide basis, in the same manner as in Example 1 A glass according to Example 7) was prepared.
  • Example 8 A glass containing 32% P 2 O 5 , 58% SnO, 8% ZnO, and 2% CaO, calculated in mol% on an oxide basis, in the same manner as in Example 1 (according to Example 8 Glass) was prepared.
  • Example 9 In the same manner as in Example 1, calculated as mol% based on oxide, 30% P 2 O 5 , 60% SnO, 9.5% ZnO, and 0.5% B 2 O 3 A glass containing (glass according to Example 9) was prepared.
  • the glass transition temperature (Tg) was calculated by the operation as shown in FIG. 3 from the measurement result of the differential thermal analysis. First, a straight line L1 is drawn so as to coincide with a flat portion in a region on a lower temperature side than a temperature at which an endothermic peak A on the lower temperature side occurs. Next, a straight line L2 is drawn so as to coincide with the curved portion after the inflection point B of the endothermic peak A. The intersection C of the two straight lines thus obtained was defined as the glass transition temperature (Tg).
  • Example 4 and Example 6 After processing the glass of Example 4 and Example 6 so that the thickness was about 1.5 mm, both surfaces were mirror-polished. Then, this glass was cut
  • Alumina base substrate with gold wiring pattern (dimensions: 14 mm long x 14 mm wide x 1 mm thick) and LED element (Toyoda Gosei Co., Ltd .: E1C60-0B011-03) with connection bumps prepared did.
  • This LED element was mounted on a base substrate in a flip chip format.
  • the LED element was placed in an electric furnace with the covering material sample placed on the flip-chip mounted LED element, and the temperature was increased from room temperature to 400 ° C. at a rate of 100 ° C. per minute. After the temperature reached 400 ° C., the LED element was held at the same temperature for 2 minutes to soften and flow the glass plate. Thereby, the LED element was covered with glass, and the LED device was formed. Thereafter, the LED device was cooled to room temperature at a rate of 100 ° C. per minute. After reaching room temperature, the LED device was taken out of the furnace and the state of the covering material was visually observed. As a result, no bubbles were observed on the surface and inside of the glass.
  • the glass of the present invention can be used for coating and / or sealing of LED elements used for backlight light sources for liquid crystal panels, general lighting, and headlights for automobiles. It should be noted that the entire content of the specification, claims, drawings and abstract of Japanese Patent Application No. 2008-003553 filed on January 10, 2008 is cited herein as the disclosure of the specification of the present invention. Incorporated.

Abstract

 400°C以下の被覆処理温度での被覆が可能であるとともに、長期にわたって劣化、変質が生じ難いガラスを提供することを目的とする。  酸化物基準のmol%表示で、27%~33%のP2O5、50%~70%のSnO、0~10%のZnO、0.5%~5%のCaO、および0~5%のB2O3を含むことを特徴とするガラス。

Description

ガラス、発光装置用の被覆材および発光装置
 本発明は、ガラスに関し、特に、発光ダイオード(LED)装置等の発光装置用の被覆材として使用されるガラスに関する。
 従来より発光ダイオード(LED)装置において、LED素子と該LED素子を担持する基板とを封止、被覆する被覆材として、樹脂等の有機材料が使用されている。しかしながら、樹脂製の被覆材は、装置稼働時に生じる熱、光および/または環境中の水分による劣化を受け易く、寿命が短いという問題があり、樹脂製の被覆材に代わる安定な代替材料に対して強い要望がある。
 このような問題を軽減し得る、熱、光および/または環境中の水分に対して安定な代替材として、ガラス製の被覆材が考えられる。しかしながら、従来の一般的なガラス製被覆材では、ガラスの軟化点上の制約から、500℃程度またはそれ以上の被覆処理温度が必要となる。LED装置を構成する各種部品にとって、このような高温による被覆処理は、信頼性の観点からは好ましくない。このため、ガラスを被覆材として適用するためには、500℃未満の被覆処理温度で被覆処理を行うことが可能なガラスが必要となる。
 なお、被覆処理温度が400℃~430℃の、陰極線管(CRT)封止用のP-SnO系ガラスを開示している特許文献1がある。
特開平7-69672号公報
 前述のように、特許文献1は、CRT封止(ガラスパネルとガラスファンネルとの封止)を目的としている。そのため、特許文献1のガラスは、ガラスの強度を最重要視して組成を決定している。つまり、特許文献1のガラスは、ガラス転移点(Tg)を250~275℃まで低下させ、意図的に、ガラスを結晶化させることにより、その強度を得るようにしている。すなわち、特許文献1は、結晶化を犠牲にして、強度の向上を図っている。
  また、特許文献1のガラスは、CRTという封止対象物の面積が大きいものを想定して組成を決定している。そのため、封止温度での粘性を下げる必要があり、意図的に、ガラス転移点(Tg)を下げている。
 しかしながら、特許文献1のガラスでは、LED装置のような小型の発光装置の被覆材としては不適である。理由の一つとしては、大型装置の被覆材としてのガラスでは問題とならない結晶は、小型装置の被覆材としてのガラス(特に、発光装置の被覆材としてのガラス)では、光取り出し効率を低下させるという致命的な問題になり得るからである。つまり、特許文献1のガラスでは、ガラスに発生したわずかな結晶でも、被覆材としてのガラスは小さいため、その結晶が発光装置の発した光の進行を妨げ、発光装置の光量を低下させてしまう。また、他の理由としては、大型装置の被覆材としてのガラスでは問題とならない粘性は、小型装置の被覆材としてのガラスでは、製造の作業効率を低下させるという問題につながり得るからである。つまり、特許文献1のガラスでは、ガラスの粘度が低く、小型装置上に流動化したガラスが留まりにくく、所望の厚さで封止しにくい。
 本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、400℃以下の被覆処理温度での被覆が可能であるとともに、長期にわたって劣化、変質が生じ難いガラスを提供することを目的とする。
 また、そのようなガラスで構成された発光装置用の被覆材、さらにはそのような被覆材を有する発光装置を提供することを目的とする。
 本発明では、酸化物基準のmol%表示で、
27%~33%のP
50%~70%のSnO、
0~10%のZnO、
0.5%~5%のCaO、
0~5%のB
0~3%のGa
0~3%のIn、および
0~3%のLa
を含むことを特徴とするガラスが提供される。
 ここで、ガラスとしては、酸化物基準のmol%表示で、52%~63%のSnO、かつP+SnOを合計で85%~92%含有することが好ましい。
 さらに、Pの含有量は、酸化物基準のmol%表示で、27%~30%であることが好ましい。
 また、CaOの含有量は、酸化物基準のmol%表示で、3%~5%であることが好ましい。
 さらに、本発明は、ベース基板上に配置された光学素子と、該光学素子を被覆する被覆材とを有する発光装置であって、前記被覆材は、前述のガラスで構成されている発光装置である。
 本発明では、400℃以下の被覆処理温度での透明なガラス被覆が可能であるとともに、長期にわたって劣化、変質が生じ難いガラスを提供することが可能となる。また、そのようなガラスで構成された発光装置用の被覆材、さらにはそのような被覆材を有する発光装置を提供することが可能となる。
本発明によるガラスのDTA測定結果の一例を示したグラフである。 横軸はT(温度、℃)であり、縦軸は、Te(熱起電力、μV)である。 本発明による発光装置の断面の一例を示した図である。 DTAデータからガラス転移温度(Tg)を求める際の操作を模式的に示した図である。横軸はT(温度、℃)であり、縦軸は、Te(熱起電力、μV)である。
符号の説明
 1   LED装置
 100 発光部
 101 素子用基板
 102 LED素子
 103 正極
 104 負極
 110 被覆部
 115 被覆材
 120 ベース基板
 130a、130b 配線。
 本発明の実施形態を、添付した図面を参照にして以下に詳細に説明する。下記の実施形態は、一例として示されたもので、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で、種々の変形をして実施することが可能である。
 最初に、本発明のガラスについて説明する。
 本発明のガラスは、酸化物基準のmol%表示で、
27%~33%のP
50%~70%のSnO、
0~10%のZnO、
0.5%~5%のCaO、
0~5%のB
0~3%のGa
0~3%のIn、および
0~3%のLa
を含むことを特徴とする。
 このような本発明によるガラスでは、400℃以下での被覆処理が可能となる。また、本発明によるガラスは、ガラス転位温度(Tg)がほぼ285℃~300℃程度になり、比較的高いという特徴を有する。
 一般に、ガラスをLED装置のような発光装置の被覆材として使用した場合、ガラスの軟化点上の制約から、500℃程度またはそれ以上の被覆処理温度が必要となる。しかしながらこのような高温の被覆処理では、発光装置を構成する各部品が熱により損傷し、装置の信頼性が損なわれる恐れがある。
 そこで、このような問題に対処するため、400℃程度で被覆処理が可能なP-SnO系のガラス(以下、「従来のガラス」という)が提案されている。しかしながら「従来のガラス」は、ガラス転位温度(Tg)が250℃~275℃の範囲となっている。
 確かに、ガラス製の被覆材において、被覆処理の温度を低下させるためには、ガラス転位温度(Tg)を低下させることが有効である。しかしながら、P-SnO系のガラスにおいて、ガラス転位温度(Tg)の低下が顕著になると、以下のような弊害が生じる。
 すなわち、P-SnO系ガラスのガラス転位温度(Tg)を低下させるためには、Pの含有量を相対的に多くする必要がある。しかしながら、Pの含有量が多くなるとともに、ガラスの化学的安定性は、低下する。これは、この組成範囲の近傍では、Pが環境中の水分と反応し易くなるからである。特に、Pの含有量が33mol%を超えると、この影響は顕著になる。このような被覆材の化学的安定性の低下の結果、被覆材は、時間とともに劣化、変質する。特に、被覆材が変質により着色(例えば、白色化、黒色化)されると、被覆材の透明性が損なわれ、被覆材が「不透明化」してしまう。
 ここで、LED装置のような小型の発光装置の場合、装置内で使用される被覆材は、LED素子からの光放射を妨害しないよう、十分に透明である必要がある。そのため、被覆材に前述のような「不透明化」現象が生じると、その領域がたとえ僅かであっても、LED装置からの光出力は、有意に低下してしまう。
 これに対して、本発明によるガラスは、400℃以下での被覆処理が可能であるのみならず、ガラス転位温度(Tg)がほぼ285℃~300℃の範囲で、比較的高いという特徴を有する。このようなガラスでは、組成物中のPの含有量が有意に抑制されており(33mol%以下)、化学的安定性の低下が有意に抑制される。従って、ガラスの環境因子(例えば、水分)による劣化および変質の進行、さらには「不透明化」が有意に抑制される。従って、本発明によるガラスでは、長期にわたって適正な透明性を維持することができるという効果が得られる。
 また本発明によるガラスは、長期間安定な発光装置の被覆材として使用することができる。また、Tgがほぼ285℃~300℃の範囲のため、粘性率も高くなり、小型装置の被覆材として最適である。
 図1には、本発明によるガラスの示差熱分析(DTA:Differential Thermal Analysis)結果を示す。この測定は、110mgのガラスサンプルを用い、10℃/分の昇温速度で、室温から450℃までサンプルを昇温することにより得られたものである。測定には、セイコーインスツル社製示差熱分析装置EXSTAR6000TG/DTAを用いた。なお、図1の縦軸は熱起電力Te(μV)、横軸は温度T(℃)を示す。また、このガラスは、酸化物基準のmol%で計算して、30%のP、60%のSnO、7%のZnOおよび3%のCaOを含むものである。
 以下、本発明によるガラスに含まれる各種成分の概略的な特徴、および適当な含有量について説明する。なお、以下に示す各成分の特徴は、一例を示したものであり、その成分が有する他の特性および効果を否定するものではない。
 Pは、ガラスを安定化させる成分であり、必須である。Pの含有量が27mol%を下回ると、ガラス転移温度(Tg)が高くなるおそれがある。また、前述のように、Pの含有量が33mol%を超えると、環境(特に水分)に対する耐久性が低下するおそれがある。Pの含有量は、特に、27mol%~30mol%であることが好ましい。
 SnOは、ガラスの流動性を増す成分であり、必須である。SnOの含有量が50mol%を下回ると、軟化点が高くなりすぎ、流動性が悪くなる。また、SnOの含有量が70mol%を超えると、ガラス化が困難になる。特に、SnOの含有量を52mol%~63mol%とし、かつP+SnOの合計含有量を85mol%~92mol%とすることにより、Tgがより好ましい範囲となる。
 ZnOは、必須ではないが、ガラスの耐水性を向上させ、熱膨張係数を低下させる等の効果を有するため、0~10mol%の範囲で添加することが好ましい。ZnOの含有量が10mol%を超えると、失透が析出しやすくなる。なお、ZnOの含有量は、SnOの含有量の1/7以下であることが好ましい。ZnOの含有量がSnOの含有量の1/7を超えると、軟化点が高くなりすぎ、および/または結晶化が促進されるおそれがある。
 CaOは、ガラスの結晶化を抑制することができるとともに、熱膨張係数を低下させる成分であり、必須である。ただしCaOの含有量が0.5mol%未満では結晶化が抑制されないおそれがある。含有量は、より好ましくは1mol%以上とされる。また、CaOの含有量が5mol%を超えると、ガラスが不安定になる。特に、3mol%~5mol%とすると、広い温度範囲で透明でかつ軟化する封止が可能になり、好ましい。
 Bは、必須ではないが、CaOによる結晶化抑制をサポートする化合物として、5mol%まで含有してもよい。5mol%を超えると、屈折率が小さくなる上、耐水性等の化学的耐久性が低下するおそれがある。CaOとBの含有量の総和A(A=CaO+Bの合計含有mol%)は、0.5mol%~5mol%の範囲であることが好ましい。Aが0.5mol%を下回ると、結晶化の抑制効果が得られなくなる。また、Aが5mol%を超えると、軟化点が高くなりすぎるという問題が生じ得る。
 Gaは、耐水性を向上させ、ガラスを安定化させるために、3mol%まで含有してもよい。3mol%を超えると、軟化点が高くなり、被処理温度が400℃以下の被覆材としての適用が難しくなるおそれがある。Gaは、2mol%以下であることが好ましく、1mol%以下であることがより好ましい。
 Inは、耐水性を向上させ、ガラスを安定化させるために、3mol%まで含有してもよい。3mol%を超えると、軟化点が高くなり、被覆処理温度が400℃以下の被覆材としての適用が難しくなる。Inの含有量の上限は、好ましくは2mol%であり、より好ましくは1mol%である。
 Laは、耐水性を向上させ、ガラスを安定化させるために、3mol%まで含有してもよい。3mol%を超えると、軟化点が高くなり、被覆処理温度が400℃以下の被覆材としての適用が難しくなる。Laの含有量の上限は、好ましくは2mol%であり、より好ましくは1mol%である。
 本発明のガラスは、実質的に上記成分からなるが、本発明の目的を損なわない範囲でその他の成分、例えば、MgO、SrO、Bi、Y、Gd、Ce、CeO、TiO、TeO、Ta等を添加してもよい。
 なお、本発明のガラスは、PbOを実質的に含有しないことが好ましい。また、本発明のガラスは、LiO、NaO、KO等を実質的に含有しないことが好ましい。これらの化合物は、ガラス中に有意な含有量で存在すると、半導体素子へのイオン拡散による劣化が生じるおそれがあるからである。また、本発明のガラスは、MnO、Fe、Co、WO等を実質的に含有しないことが好ましい。これらの化合物は、ガラス中に有意な含有量で存在すると、着色により、ガラスの透明性が損なわれる恐れがあるからである。
 本発明のガラスの熱膨張係数(α)の上限は、好ましくは130×10-7/℃であり、より好ましくは128×10-7/℃である。また熱膨張係数(α)の下限は、好ましくは110×10-7/℃であり、より好ましくは115×10-7/℃である。熱膨張係数(α)が110×10-7/℃未満では、ガラス転移温度(Tg)が上昇する。また、熱膨張係数(α)が130×10-7/℃を超えると、ガラスで発光素子を被覆した後、この素子を室温まで冷却する過程においてまたはその後の工程において、ガラスの発光素子に接する部分を起点として割れが発生する恐れがある。
 上記組成を有する本発明によるガラスは、ガラス被覆部を有する発光装置の被覆材として使用することができる。そこで以下、LED装置を例に、本発明のガラスが被覆材として適用された、発光装置の構成を説明する。なお、本発明によるガラスは、他の発光装置の被覆材としても適用し得ることは、明らかである。
 図2には、本発明によるLED装置1の断面図の一例を模式的に示す。LED装置1は、ベース基板120と、該ベース基板120上に置載された発光部100と、該発光部100を被覆する被覆部110と、を有する。
 ベース基板120の発光部100が置載される側の表面には、複数の配線130(130a、および130b)が形成されている。
 ベース基板120は、例えば、純度98.0%~99.5%、厚さ0.2mm~1.2mmの矩形状のアルミナ等の無機材料からなる基板で構成される。ベース基板120の表面に形成された配線130a、および130bは、例えば金ペーストで形成された金配線であってもよい。
 発光部100は、素子用基板101の上にLED素子102を設置することにより構成される。LED素子102は、素子用基板101とは反対の側に、正極103および負極104を有する。発光部100は、これらの電極103、および104が前述のベース基板120の配線130a、および130bのそれぞれと接するようにして、ベース基板120上に配置される。
 LED素子102は、例えば、波長が360~480nmの紫外光または青色光を放出するLEDで構成され、GaNにInを添加したInGaNを発光層とする量子井戸構造のLED(InGaN系LED)であっても良い。ただし、これ以外の仕様のLEDを使用しても良いことは、当然である。素子用基板101の熱膨張係数は、例えば、70×10-7~90×10-7/℃である。通常の場合、素子用基板101の材料には、熱膨張係数が約80×10-7/℃であるサファイアが使用される。
 被覆部110は、被覆材115で構成され、この被覆材115は、前述の組成のガラスで構成される。
 このような発光装置1では、発光部100を覆う被覆材115を400℃以下の被覆処理温度で設置することができる。従って、発光装置1を構成する各部品の熱損傷を有意に抑制することができる。また、この被覆材のガラス転移温度(Tg)は、285℃~300℃の範囲にある。従って、「従来のガラス」において問題となり得る、環境中の水分による変質および劣化、ならびに「不透明化」の進行が有意に抑制される。これにより、長期にわたって安定な光出力を示す発光装置を提供することができる。
 以下、本発明の実施例によりさらに詳細に説明するが、これらに限定して解釈されるものではない。
 表1を用いて、実施例及び比較例について説明する。表中の例1~例8は、実施例であり、例9は比較例である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
(例1)
 以下の方法で、酸化物基準のmol%で計算して、30%のP、60%のSnO、7%のZnOおよび3%のCaOを含むガラス(例1に係るガラス)を調製した。
 まず、SnO、ZnOおよびCaOの各粉末を所定量秤量後、2gのサッカロースを添加し、十分に混合した。この混合粉末を「テフロン」(登録商標)容器に入れ、200mlのイオン交換水を添加し撹拌することにより、混合粉末のスラリーを調製した。
 次に、このスラリー中に正リン酸水溶液(85質量% HPOを含む)を添加し、混合溶液を作製した。なお、正リン酸水溶液の注入の際には、水分の突沸が生じないよう、スラリーを撹拌した状態で、少しずつ正リン酸水溶液を注入した。次に、得られた混合液を「テフロン」(登録商標)シートを敷設したステンレス製バット内に注入した。このバットを、十分に換気しながら、200℃で3時間保持し、乾燥することにより、200gの重量のクッキー状の固形物を得た。
 なお、各粉末および正リン酸水溶液は、最終的に得られる固形物(200g)中に含まれる各成分が、前述のモル濃度となるように秤量した。
 次に、得られた固形物を石英製るつぼに入れ、るつぼの上部に石英製蓋を配置後、このるつぼを1100℃で40分間保持し、固形物を溶解した。なお、溶融ガラスを均質化するため、この溶解処理の途中、一度だけるつぼを炉から取り出し、蓋を取り外して、石英棒を用いて攪拌を行った。その後、再度るつぼに蓋をして、このるつぼを炉内に戻した。1100℃で40分間の溶融処理が完了した後、このるつぼを炉から取り出した。さらに、溶融物を板状のガラスに成形するため、るつぼ内の溶融ガラスをカーボン型に注入した。その後、このカーボン型から取り出したガラスを315℃に保持された別の電気炉に入れ、この電気炉内で1時間保持した後、12時間かけて室温まで冷却した。
 このような工程を経て、例1に係るガラスを得た。
 なお、上記工程では、ガラスに含まれるPの原料として、正リン酸溶液を使用した。しかしながら正リン酸溶液の代わりに、リン酸亜鉛、リン酸スズ、リン酸カルシウム、リン酸アルミニウム等の粉末原料を用いることもできる。この場合、ガラスに含まれる全ての成分を固体状粉末で準備することができるため、スラリーと粉末の混合工程を省略することができる。
 (例2)
 例1と同様の方法により、酸化物基準のmol%で計算して、30%のP、60%のSnO、5%のZnO、および5%のCaOを含むガラス(例2に係るガラス)を調製した。
 (例3)
 例1と同様の方法により、酸化物基準のmol%で計算して、30%のP、60%のSnO、9%のZnO、および1%のCaOを含むガラス(例3に係るガラス)を調製した。
 (例4)
 例1と同様の方法により、酸化物基準のmol%で計算して、30%のP、60%のSnO、6%のZnO、3%のCaO、および1%のBを含むガラス(例4に係るガラス)を調製した。
 (例5)
 例1と同様の方法により、酸化物基準のmol%で計算して、30%のP、62%のSnO、4%のZnO、3%のCaO、および1%のBを含むガラス(例5に係るガラス)を調製した。
 (例6)
 例1と同様の方法により、酸化物基準のmol%で計算して、30%のP、60%のSnO、8.5%のZnO、0.5%のCaO、および1%のBを含むガラス(例6に係るガラス)を調製した。
 (例7)
 例1と同様の方法により、酸化物基準のmol%で計算して、30%のP、60%のSnO、9.5%のZnO、および0.5%のCaOを含むガラス(例7に係るガラス)を調製した。
 (例8)
 例1と同様の方法により、酸化物基準のmol%で計算して、32%のP、58%のSnO、8%のZnO、および2%のCaOを含むガラス(例8に係るガラス)を調製した。
 (例9)
 例1と同様の方法により、酸化物基準のmol%で計算して、30%のP、60%のSnO、9.5%のZnO、および0.5%のBを含むガラス(例9に係るガラス)を調製した。
 (ガラス転移温度(Tg)の測定)
 前述の各例に係るガラスのサンプルを用いて、ガラス転移温度(Tg)を測定した。転移温度の測定には、示差熱分析装置(セイコーインスツル社製示差熱分析装置EXSTAR6000TG/DTA)を用いた。粉末状に加工したサンプル110mgを白金パンに充填し、これを室温から500℃まで、10℃/分の昇温速度で昇温した。
 ガラス転移温度(Tg)は、示差熱分析の測定結果から、図3に示すような操作により算定した。まず、低温側の吸熱ピークAが生じる温度よりも低温側の領域において、平坦部分と一致するように、直線L1を引く。次に、吸熱ピークAの変曲点B以降の曲線部分と一致するように、直線L2を引く。このようにして得られた2本の直線の交点Cを、ガラス転移温度(Tg)とした。
 (熱膨張係数αの測定)
 各サンプルを直径5mm、長さ20mmの円柱状に加工して試料を作製した。この試料を10℃/分の昇温速度で250℃まで昇温し、熱膨張計(ブルカーエイエックスエス社製水平示差検出式熱膨張計TD5010)を用いて、各温度での膨張係数を測定した。100~250℃での値を25℃刻みで求め、その平均値を熱膨張係数αとした。
 (固化時の結晶化有無の評価)
 各サンプル(200g)を1100℃で溶融させた状態で、カーボン製の型に注入し、サンプルが固化するまでの間に、ガラス内部に結晶析出が生じるかどうかを目視で観察した。
 (封止試験)
 各サンプルを赤外線集光炉で加熱温度を360℃、370℃、380℃、390℃、400℃にして封止を行った。各温度での封止の状況を観察した。表1中の封止温度における「○」は「透明でありかつ軟化した」を意味し、「※1」は「透明であったが軟化しなかった」を意味し、「※2」は「白濁しており軟化しなかった」を意味し、「※3」は「軟化はしたが白濁していた」を意味している。
 (耐候性試験)
 例5および例8のサンプルを恒温恒湿槽に入れ、80℃80%RH下で保持し、約1000時間耐候性試験を行った。その後、460nmでの分光透過率を測定し、50%以上であったものを「○」とし、50%未満であったものを「△」とした。
 各測定結果を表1にまとめて示す。この結果から、本発明によるガラスは、いずれもガラス転移温度(Tg)が285℃~300℃の範囲であることがわかった。また、ガラスの熱膨張係数は、121.1~127.2×10-7/℃の範囲であった。さらに、ある程度広い封止温度範囲を持ち、透明でかつ軟化させることができ、耐候性にも優れたものであった。
 なお、表1中、「-」は、測定、評価などが未実施であることを意味する。
 表1と同様に、以下の表2に示すガラス組成でも、表1の例1~例8のガラスと同等のガラスを得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 (被覆材としての特性評価)
 次に、実際に本発明によるガラスを用いて、LED素子の被覆処理を行い、本発明によるガラスの被覆材としての適性を評価した。
 例4および例6のガラスを、厚みが約1.5mmになるように加工した後、両表面を鏡面研磨した。その後、このガラスを寸法が約1.5mm×約1.5mmとなるように切断して、被覆材サンプルを調製した。
 金の配線パターンを形成したアルミナ製ベース基板(寸法:縦14mm×横14mm×厚さ1mm)、およびLED素子(豊田合成社製:E1C60-0B011-03)に接続バンプが形成された部品を用意した。このLED素子を、フリップチップ形式でベース基板に実装した。
 このフリップチップ実装したLED素子の上に、被覆材サンプルを載置した状態で、LED素子を電気炉に入れ、毎分100℃の速度で、室温から400℃まで昇温した。温度が400℃に到達後、同温度でLED素子を2分間保持し、ガラス板を軟化流動させた。これにより、LED素子がガラスで被覆され、LED装置が形成された。その後、このLED装置を、毎分100℃の速度で室温まで冷却した。室温に達してから、LED装置を炉から取り出し、被覆材の状態を目視観察したところ、ガラスの表面および内部に気泡は認められなかった。
 次にこのようにして得られたLED装置の特性を評価するため、LED装置の両電極間に、直流電圧を印加し、青色の発光が生じる発光開始電圧を測定した。得られた発光開始電圧は、2.2~2.4Vの範囲であり、ベアチップとほぼ同じ値であった。以上のことから、本発明によるガラスを被覆材として使用したLED装置において、各部品に損傷等の異常は生じていないことがわかった。
 このように本発明によるガラスを用いて、400℃以下の温度での被覆処理を行うことが可能である。
 本発明のガラスは、液晶パネル用バックライト光源、一般照明ならびに自動車用ヘッドライドなどに用いられるLED素子の被覆および/または封止に利用することができる。

 なお、2008年1月10日に出願された日本特許出願2008-003553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、取り入れるものである。

Claims (7)

  1.  酸化物基準のmol%表示で、
    27%~33%のP
    50%~70%のSnO、
    0~10%のZnO、
    0.5%~5%のCaO、
    0~5%のB
    0~3%のGa
    0~3%のIn、および
    0~3%のLa
    を含むことを特徴とするガラス。
  2.  酸化物基準のmol%表示で、52%~63%のSnO、および
    +SnOの合計で85%~92%を含む請求項1に記載のガラス。
  3.  Pの含有量は、酸化物基準のmol%表示で、27%~30%である請求項1または2に記載のガラス。
  4.  CaOの含有量は、酸化物基準のmol%表示で、3%~5%である請求項1~3のいずれか1項に記載のガラス。
  5.  請求項1~4のいずれか1項に記載のガラスで構成された発光装置用の被覆材。
  6.  ベース基板上に配置された光学素子と、該光学素子を被覆する被覆材とを有する発光装置であって、
     前記被覆材は、請求項1~4のいずれか1項に記載のガラスで構成されていることを特徴とする発光装置。
  7.  前記光学素子が、発光ダイオード(LED)であることを特徴とする請求項6に記載の発光装置。
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