JP2005039122A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
耐湿性、耐光性が良好で、ガラスに気泡の巻き込みが少なく、内部応力の緩和を図れるとともに信頼性に優れる発光装置を提供する。
【解決手段】ＬＥＤ素子３の角部を斜辺状にカットした斜辺部３２を設ける。軟化した低融点ガラスを一体化させるときにガラスの乱流が生じにくくなり、そのことによってガラスの均一性が保たれるとともに空気を巻き込むことを防ぐことができ、残留気泡の少ない発光装置１とすることができる。また、応力の集中しやすい鋭角な角部をカットすることで、ヒートショックによるガラス封止部２のクラックが生じることを防げる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源である発光ダイオード（Light-Emitting Diode：以下「ＬＥＤ」という。）をガラス等の不透湿性の材料で封止して構成される発光装置に関する。
従来、ＬＥＤ素子を光源として構成される発光装置がある。このような発光装置として、エポキシ樹脂等の封止材料でＬＥＤ素子の周囲を覆って一体化したものがある。
上記したエポキシ樹脂は、入手が容易で成形性に優れることから、近年、発光装置の封止材料として広く用いられているが、ＬＥＤ素子から放射される強い光を受けることによって次第に黄変し、着色されてしまうことが知られている。このような着色が生じると、ＬＥＤ素子から放射される光が吸収されて発光装置の光出力を低下させるという問題がある。
かかる問題を解決するものとして、耐湿性を有するガラス層でＬＥＤ素子を封止するとともに、このガラス層に蛍光体を含有させた発光装置がある（例えば、特許文献１参照。）。
図９は、特許文献１に示される発光装置を示す縦断面図である。
この発光装置５０は、配線導体５１および５２と、配線導体５２に形成されるカップ５３と、カップ５３内の底部５３Ａに接着されるＬＥＤ素子５４と、ＬＥＤ素子５４の電極部と配線導体５１および５２とを電気的に接続するワイヤ５５と、カップ５３内に設けられるＬＥＤ素子５４を封止するガラス層５６と、ガラス層５６に含有される蛍光物質５６Ａと、光透過性を有して全体を封止する砲弾形状の封止樹脂５７とを有する。
このような構成によると、ＬＥＤ素子５４がカップ５３に注入されたガラス層５６によって包囲されるので、封止材料の黄変や着色による光の減衰が生じることを防げるとともに、水分の透過が防止されるので蛍光体の劣化を防止することができる。
特開平１１−２０４８３８号公報（第１図）
しかし、従来の発光装置によると、以下のような問題がある。
（１）封止材料であるガラスの粘度が樹脂と比較して大であるため、ＬＥＤ素子の封止時に気泡を巻き込み易く、また、一旦巻き込んだ気泡を分離しにくいことからガラス層に残留気泡が生じてしまうという問題がある。
（２）ＬＥＤ素子のガラス封止に３００℃を超える加工温度を伴うことにより、ＬＥＤ素子との熱膨張率の差に基づく応力や、封止加工に起因する加工後の材料内部残留応力が生じるため、ヒートショック等によってガラスにクラックが生じ易くなるという問題がある。
従って、本発明の目的は、耐湿性、耐光性が良好で、ガラスに気泡の巻き込みが少なく、内部応力の緩和を図れるとともに信頼性に優れる発光装置を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するため、所定の波長の光を放射する発光素子部を封止材料からなる封止部で封止して形成される発光装置において、
前記封止部の内部応力を緩和する応力緩和部を前記発光素子部に設けたことを特徴とする発光装置を提供する。
このような構成によれば、封止材料による発光素子部の封止後に、封止部に対する内部応力の局部集中による損壊を防げる。
前記応力緩和部は、前記発光素子部の角部を斜辺状にカットすることによって形成するようにしても良い。
前記封止部は、前記封止材料としてガラスを用いても良い。
前記封止部は、前記光を所定の方向に放射させる光学形状を有するようにしても良い。
前記封止部は、少なくとも２層のガラス層を積層して形成される複合ガラスを加熱プレスすることによって前記光を放射する前記発光素子部と一体化することができる。
前記複合ガラスは、前記光によって励起される薄膜状の蛍光体層を前記少なくとも２層のガラス層に介在させるようにしても良い。
前記複合ガラスは、前記光によって励起される蛍光錯体を含有した蛍光錯体含有ガラス層を含んでいても良い。
本発明の発光装置によれば、ＬＥＤ素子の外形を封止部の内部応力が集中しにくい形状としたため、耐湿性、耐光性が良好で、ガラスに気泡の巻き込みが少なく、内部応力の緩和を図れるとともに信頼性を高めることができる。
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光装置であり、（ａ）は中心部分における縦断面図、（ｂ）はＬＥＤ素子の拡大した側面図である。
この発光装置１は、図１（ａ）に示すように透明なガラス材によって形成されるガラス封止部２と、所定の波長の光を放射するＬＥＤ素子３と、ＬＥＤ素子３を搭載するサブマウント素子４と、ＬＥＤ素子３に電力を供給する配線導体であるリードフレーム５と、リードフレーム５の下面を保護するガラス封止部６とを有する。
ガラス封止部２は、屈折率ｎ＝１．５、熱膨張率１６×１０-6の透明な低融点ガラスを使用して形成されている。また、ガラス封止部２は加熱プレスによって所望の配光特性に応じたドーム状の光学形状に成形されるとともに、リードフレーム５上に融着固定されてＬＥＤ素子３を密封している。なお、ガラス封止部２は、配光特性に応じた光学形状を有していなくても良い。
ＬＥＤ素子３は、図１（ｂ）に示すようにＡｌ2Ｏ3からなる基板３０上にＧａＮ発光層３１を有するフリップチップ型の発光素子であり、熱膨張率は７×１０-6で発光波長は３８０ｎｍである。このＬＥＤ素子３は、発光観測面側の角部（４方向）が斜辺状にカットされた斜辺部３２を有しており、電極部を図示しないＡｕバンプを介してサブマウント素子４に形成された配線パターンと電気的に接続されている。なお、このＬＥＤ素子３のサイズは０．３２×０．３２ｍｍである。
サブマウント素子４は、Ａｌ2Ｏ3によって形成されており、熱膨張率は１３×１０-6で、その表面には銅箔によって図示しない配線パターンが形成されている。配線パターンはＬＥＤ素子３の電極部と電気的に接合されるとともにリードフレーム５とはんだ接合されている。
リードフレーム５は、銅あるいは銅合金によって形成されており、熱膨張率は１６×１０-6で、表面にＡｕめっき処理が施されている。サブマウント素子４と接合される先端部分は、サブマウント素子４の厚さに応じた段部５Ａが設けられており、この段部５Ａにはんだ接合されたサブマウント素子４の上面とリードフレーム５の上面とが略平坦な面を形成するようになっている。なお、導電性が所望の特性を満たすものであれば銅以外の材料（例えば、鉄系合金）で形成されていても良い。
ガラス封止部６は、ガラス封止部２を構成する低融点ガラスと同一のガラス材によって形成されており、上記した加熱プレスに基づいてガラス封止部２と一体化することによりリードフレーム５の下面を保護するようになっている。
図２は、図１のＬＥＤ素子およびその周囲を示す部分拡大図である。
サブマウント素子４は、ＬＥＤ素子３の搭載側に設けられる配線パターン４０と、リードフレーム５との接合側に設けられる配線パターン４１と、サブマウント素子４を貫通して配線パターン４０と４１とを電気的に接続するスルーホール４２とを有し、配線パターン４１は、段部５Ａとの間に設けられるはんだ７によってリードフレーム５と電気的に接続されている。配線パターン４０は、Ａｕバンプ３Ａを介してＬＥＤ素子３の電極部（図示せず）と電気的に接続されている。
図３は、図２に示すＬＥＤ素子を上方（発光観測面側）から見た状態を示す図である。
ＬＥＤ素子３は、正方形状に形成されたサブマウント素子４の中央に位置して搭載されている。また、サブマウント素子４の表面に設けられた配線パターン４０は、ガラスとの優れた密着性を有し、そのことによってＬＥＤ素子３の周囲のガラス密着性を高めている。なお、配線パターン４０の形状は、図示するようなパターンに限定されず、例えば、サブマウント素子４の露出が少なくなるようなパターンで形成しても良い。
このような発光装置１を形成するには、まず、銅合金の条材をプレス加工に基づいて打ち抜き加工することによりリードフレーム５を形成する。次に、リードフレーム５の段部５Ａにサブマウント素子４を位置決めする。次に、リードフレーム５と配線パターン４１とをはんだ７で接合する。次に、ＬＥＤ素子３の電極部を配線パターン４０に対して位置決めする。次に、ＬＥＤ素子３の電極部と配線パターン４０とをＡｕバンプ３Ａで電気的に接合する。次に、リードフレーム５の上下に板状の低融点ガラスを配置する。次に、Ｎ2雰囲気にて減圧しながら低融点ガラスをＬＥＤ素子３にダメージが及ばない温度の加熱プレスによって成形しながらリードフレーム５の上面および下面に密着させる。このとき、軟化した低融点ガラスがＬＥＤ素子３の表面、サブマウント素子４の表面、およびリードフレーム５の表面に密着する。このようにしてガラス封止部２および６が予め定めた形状となるように一体化し、余分となるガラスを分離して発光装置１の形態とする。次に、発光装置１をリードフレーム５から切り離す。
上記した第１の実施の形態によると、ＬＥＤ素子３の角部を斜辺状にカットした斜辺部３２を設けているので、１０8〜１０10ポイズ程度に軟化した低融点ガラスを一体化させるときにガラスの乱流が生じにくくなり、そのことによってガラスの均一性が保たれるとともに空気の巻き込みを防ぐことができ、残留気泡の少ない発光装置１とすることができる。また、内部応力の集中しやすい鋭角な角部をカットすることで、ヒートショックによるガラス封止部２のクラックが生じることを防げる。なお、この加工は、ウエハーダイシングの際、これに適した刃を用いることで容易に実現できる。
更に、上記した第１の実施の形態では、発光観測面側の４方向について斜辺部３２を設けたＬＥＤ素子３を説明したが、これに加えてＬＥＤ素子３の側面側の角部についてもカットする構成とすることで、ＬＥＤ素子３周囲の気泡低減性、、ガラスの均一性、およびクラック防止性をより向上させることができる。
また、第１の実施の形態では、ガラス封止部２は透明な低融点ガラスによって形成されるものとしたが、このガラス封止部２が着色されたものであっても良い。
また、サブマウント素子４の接合については、上記したはんだ７による接合のほかに、低融点ガラス加工温度では溶融しない銀ろうによる接合であっても良く、リードフレーム５に対してサブマウント素子４を接合した後にＬＥＤ素子３をサブマウント素子４に搭載するようにしても良い。
図４は、第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子の側面図である。
このＬＥＤ素子３は、発光観測面側の４方向をカットする代わりに曲面状の曲面部３３を形成したものである。
上記した第２の実施の形態によると、曲面状の曲面部３３を設けることで軟化したガラスを加熱プレスで一体化するときの乱流をより効果的に抑えることが可能になる。また、クラックが生じることをより防ぐことが可能になる。なお、発光観測面側の４方向に加えて、ＬＥＤ素子３の側面側の角部についても曲面状に形成することで、ＬＥＤ素子３周囲の気泡低減性、およびガラスの均一性をより向上させることができる。
図５は、第３の実施の形態に係る発光装置の中心部分における縦断面図である。
この発光装置１は、第１の実施の形態で説明したガラス封止部２に代えて、透明なガラス封止部８Ａと、蛍光錯体８０１を含有したガラス封止部８Ｂと、ガラス封止部８Ａおよび８との間に設けられて蛍光体８００からなる蛍光体層８Ｃとを有する波長変換部８を備えた波長変換装置を構成している。
ガラス封止部８Ｂは、蛍光錯体８０１としてエルビウム（Ｅｒ3+）を含有する蛍光錯体含有ガラスであり、蛍光錯体８０１は、ＬＥＤ素子３から放射される光に基づいて励起されて励起光を放射する。
蛍光体層８Ｃは、ガラス封止部８Ａを形成する低融点ガラスにスクリーン印刷等によって薄膜状に形成され、これを加熱処理して乾燥させることによって形成されている。
このような波長変換部８は、以下のように形成する。
（１）蛍光体層形成工程
まず、低融点ガラスからなるガラスシートを用意する。このガラスシートは、長尺方向に複数のＬＥＤ素子３を配置することが可能な長さを有して形成されていることが好ましい。次に、増粘材として約１％のニトロセルロースを含むｎ−酢酸ブチルに蛍光体８００を溶解した蛍光体溶液を作成し、この溶液をガラスシートの表面にＬＥＤ素子３の配置間隔に応じたピッチでスクリーン印刷して薄膜状に付着させる。次に、蛍光体溶液を印刷されたガラスシートを加熱処理して溶剤分を除去することにより蛍光体層８Ｃを形成する。なお、加熱処理を減圧雰囲気中で行うことがより好ましい。
（２）複合ガラス形成工程
次に、Ｅｒ3+を含有する蛍光錯体ガラスシートを用意し、蛍光体層形成工程で作製した蛍光体層８Ｃを挟み込むようにして配置する。なお、蛍光体層８Ｃを有するガラスシートおよび蛍光錯体ガラスシートは同一の形状であることが好ましいが、異なる形状を有していても良い。次に、蛍光体層８Ｃを有するガラスシートおよび蛍光錯体ガラスシートを減圧雰囲気中で加熱プレスすることによって熱融着させる。蛍光体層８Ｃは、熱融着された２枚のガラスシートの境界部分に位置するように層状に設けられる。
このようにして形成された複合ガラスは、加熱プレスに基づいてＬＥＤ素子３およびリードフレーム５と一体化される。蛍光体層８Ｃは、ＬＥＤ素子３の外形に応じて変形し、ＬＥＤ素子３から一定の距離の位置に層状に配置される。
上記した第３の実施の形態によると、第１の実施の形態の好ましい効果に加えて蛍光体層８Ｃの厚さおよびＬＥＤ素子３からの距離を一定に保つことができ、蛍光錯体の励起に基づいてガラス封止部８Ｂから放射される励起光とあわせて波長変換性の良好な発光装置１とすることができる。なお、本実施の形態では、波長変換部８が蛍光錯体含有ガラスおよび蛍光体層を含むものを説明したが、蛍光錯体含有ガラスのみを有する波長変換部８、あるいは蛍光体層のみを有する波長変換部８であっても良い。
図６は、第４の実施の形態に係る発光装置の中心部分における縦断面図である。
この発光装置１は、第１の実施の形態で説明したリードフレーム５に代えて、セラミック基板９を用いたものである。
セラミック基板９は、ＬＥＤ素子３の搭載側に設けられる配線パターン４０と、セラミック基板９を介して配線パターン４０の反対側に設けられる配線パターン４１と、セラミック基板９を貫通して配線パターン４０と４１とを電気的に接続するスルーホール４２とを有し、配線パターン４０は、Ａｕバンプ３Ａを介してＬＥＤ素子３の電極部（図示せず）と電気的に接続されている。
上記した第４の実施の形態によると、セラミック基板９に第１の実施の形態で説明したＬＥＤ素子３を搭載するようにしたので、リードフレーム５を用いる場合と比較して発光装置１を高密度で製造することが可能になり、生産性に優れるとともに製造コストを安価とすることができる。また、このようにして製造された発光装置１はダイシング等によって分離されてもガラス部分にクラックが生じにくいという特徴を有する。
図７は、第５の実施の形態に係る発光装置であり、（ａ）は中心部分における縦断面図、（ｂ）はＬＥＤ素子の拡大した側面図である。
この発光装置１は、第１の実施の形態で説明したＬＥＤ素子３の基板３０をＧａＮとしたフリップチップ型のＬＥＤ素子３を用いたものである。
上記した第５の実施の形態によると、ＧａＮからなる基板３０は、ｎ＝２．４と屈折率が大であるので、光取出効率を大することができ、Ａｌ2Ｏ3からなる基板３０では外部放射できなかった光をＧａＮ発光層３１から外部へ放射させることを可能にする。更に、ＬＥＤ素子３が直方体形状では、ＬＥＤ素子３の界面へ臨界角以上でしか入射しないモードが存在するが、ＧａＮ発光層３１に設けられた斜辺部３２は上記したモードに対してＧａＮ発光層３１からの光の放射を可能にするので、光の放射ロスを低減させることができる。
なお、基板３０についてはＧａＮに限定されず、ＧａＮ発光層３１と同等の屈折率を有するＳｉＣ等によって形成された基板３０であれば良い。
図８は、第６の実施の形態に係るＬＥＤ素子の発光エリアと光の放射を示す図である。
このＬＥＤ素子３は、発光エリアを略素子サイズより小なる図示するような発光エリアＡとしたものであり、ＧａＮ発光層３１から放射される１次光が外部に放射される確率が理想状態に近いものとなり、そのことによってＬＥＤ素子３からの光取出効率を更に向上させることができる。また、前述の実施の形態と同様に電極が下面にあるフリップチップ型の発光素子であり、下面以外には電極等のＬＥＤ素子３からの光取出しを妨げるものは存在しない。
なお、上記した各実施の形態では、屈折率ｎ＝１．５の低融点ガラスを用いてＬＥＤ素子３を封止する構成としたが、例えば、屈折率ｎ＝１．９の高屈折率ガラスを用いることで、ＬＥＤ素子３の発光エリアを略素子サイズとしたような場合でもＬＥＤ素子３内に光が篭るようなことがなくなり、光取出効率を高めることができる。このため、通電量の増大に対して光出力が飽和することがないので、発光装置１の大出力化を図ることができる。
また、ＬＥＤ素子３を封止する封止材料として、ガラスを用いた構成を説明したが、エポキシ等の樹脂からなる封止部についても内部応力を緩和することが可能であることは言うまでもなく、そのことによって樹脂封止部の割れを防止することができる。
本発明の第１の実施の形態に係る発光装置であり、（ａ）は中心部分における縦断面図、（ｂ）はＬＥＤ素子の拡大した側面図である。 図１のＬＥＤ素子およびその周囲を示す部分拡大図である。 図２に示すＬＥＤ素子を上方（発光観測面側）から見た状態を示す図である。 第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子の側面図である。 第３の実施の形態に係る発光装置の中心部分における縦断面図である。 第４の実施の形態に係る発光装置の中心部分における縦断面図である。 第５の実施の形態に係る発光装置であり、（ａ）は中心部分における縦断面図、（ｂ）はＬＥＤ素子の拡大した側面図である。 第６の実施の形態に係るＬＥＤ素子の発光エリアと光の放射を示す図である。 特許文献１に示される発光装置を示す縦断面図である。
符号の説明
１、発光装置 ２、ガラス封止部 ２Ａ、蛍光体層 ３Ａ、バンプ
３、ＬＥＤ素子 ４、サブマウント素子 ５、リードフレーム
５Ａ、段部 ６、ガラス封止部 ８、波長変換部 ８Ａ、ガラス封止部
８Ｂ、ガラス封止部 ８Ｃ、蛍光体層 ９、セラミック基板
３０、基板 ３１、発光層 ３２、斜辺部 ３３、曲面部
４０、配線パターン ４１、配線パターン ４２、スルーホール
５０、発光装置 ５１、配線導体 ５２、配線導体 ５３、カップ
５３Ａ、底部 ５４、素子 ５５、ワイヤ ５６、ガラス層
５６Ａ、蛍光物質 ５７、封止樹脂 ８００、蛍光体
８０１、蛍光錯体

Claims (7)

  1. 所定の波長の光を放射する発光素子部を封止材料からなる封止部で封止して形成される発光装置において、
    前記封止部の内部応力を緩和する応力緩和部を前記発光素子部に設けたことを特徴とする発光装置。
  2. 前記応力緩和部は、前記発光素子部の角部を斜辺状にカットすることによって形成されることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
  3. 前記封止部は、前記封止材料としてガラスを用いることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
  4. 前記封止部は、前記光を所定の方向に放射させる光学形状を有することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
  5. 前記封止部は、少なくとも２層のガラス層を積層して形成される複合ガラスを加熱プレスすることによって前記光を放射する前記発光素子部と一体化することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
  6. 前記複合ガラスは、前記光によって励起される薄膜状の蛍光体層を前記少なくとも２層のガラス層に介在させてなることを特徴とする請求項５記載の発光装置。
  7. 前記複合ガラスは、前記光によって励起される蛍光錯体を含有した蛍光錯体含有ガラス層を含むことを特徴とする請求項５記載の発光装置。
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