JP2010186887A - 発光装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】金型にガラス材が付着したり、封止時に発生するガスに起因して、ガラス材の湾曲面が所期形状に対し変形することのない発光装置の製造方法を提供する。
【解決手段】発光装置１の製造方法において、搭載部３上の発光素子２を、加熱によって軟化したガラス材１１により封止するにあたり、金型９２をガラス材１１の上面に部分的に接触させて押し込んでガラス材１１を部分的に凹ますことにより、ガラス材１１の上面における金型９２と非接触の部分を変形させ、ガラス材１１の上面の少なくとも一部に湾曲面を形成するようにした。
【選択図】図４Ｂ

Description

本発明は、搭載部上の発光素子が金型を用いてガラスにより封止される発光装置の製造方法に関する。
搭載部上の発光素子がガラスにより封止された発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の発光装置は、ＧａＮ系半導体化合物からなるフリップチップタイプのＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子と電気的に接続される配線層を有する基板と、ＬＥＤ素子を封止して基板の表面に接着されるガラス封止部とを有している。ガラス封止部はドーム状に形成され、上面が湾曲面をなしている。
特開２００５−２２３２２２号公報
ところで、特許文献１に記載の発光装置を製造するにあたり、ガラス封止部の上面と密着する金型を用いてプレス成形すると、金型をガラス材から離隔する際に金型にガラス材が付着し、ガラス封止部の上面の形状が所期形状に対して変形するおそれがある。また、成形時にガラス、基板等からガスが発生すると、ガスが金型とガラス材の間に入り込んでしまうため、これによってもガラス封止部の上面を的確に成形できなくなる。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、金型にガラス材が付着したり、封止時に発生するガスに起因して、ガラス材の湾曲面が所期形状に対し変形することのない発光装置の製造方法を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明では、搭載部上の発光素子を、加熱によって軟化したガラス材により封止する際またはその後に前記ガラス材を加工する際に、金型を前記ガラス材の上面に部分的に接触させて押し込んで当該ガラス材に凹部を形成し、当該上面における前記金型と非接触の部分を変形させ、前記ガラス材の上面の少なくとも一部に湾曲面を形成する発光装置の製造方法が提供される。
上記発光装置の製造方法において、前記金型は、前記ガラス材の前記上面における前記発光素子の直上部分と非接触であり、当該上面の前記直上部分の周辺と接触する構成としてもよい。
上記発光装置の製造方法において、前記ガラス材の前記上面の前記直上部分に前記湾曲面を形成する構成としてもよい。
上記発光装置の製造方法において、前記搭載部には複数の前記発光素子が実装され、前記金型は、前記ガラス材の前記上面における隣接する前記発光素子の中間部分と接触する構成としてもよい。
上記発光装置の製造方法において、前記湾曲面を形成された前記ガラス材が硬化した後、前記ガラス材の前記凹部にダイシングブレードを進入させ、前記ガラス材及び前記搭載部を分割する構成としてもよい。
上記発光装置の製造方法において、前記金型は、前記ガラス材と接触する接触部が格子状に形成される構成としてもよい。
本発明によれば、金型にガラス材が付着したり、封止時に発生するガスに起因して、ガラス材の湾曲面が所期形状に対し変形することはない。
図１は本発明の一実施形態を示す発光装置の概略縦断面図である。 図２はＬＥＤ素子の模式縦断面図である。 図３は発光装置の製造方法に関する説明図であり、（ａ）は発光素子を実装した配線基板の平面図、（ｂ）は上金型の底面図である。 図４Ａはガラス材の封止加工前の状態を示す模式説明図である。 図４Ｂはガラス材の封止加工時の状態を示す模式説明図である。 図５は発光装置の平面図である。 図６は変形例を示すガラス材の封止加工後の状態を示す模式説明図である。 図７は変形例を示す発光装置の概略縦断面図である。 図８は変形例を示すガラス材の封止加工時の状態を示す模式説明図である。 図９は変形例を示す発光装置の概略縦断面図である。 図１０は変形例を示す上金型の底面図である。 図１１は変形例を示す発光装置の平面図である。 図１２は変形例を示す発光装置の説明図である。 図１３は変形例を示す上金型の底面図である。 図１４は変形例を示す発光装置の平面図である。 図１５は変形例を示す発光装置の外観斜視図である。 図１６は変形例を示す発光装置の製造方法に関する説明図であり、（ａ）は発光素子を実装した配線基板の平面図、（ｂ）は上金型の底面図である。 図１７は発光装置の製造方法の工程説明図である。 図１８は封止前ガラスの加工状態を示す説明図であり、（ａ）はガラス粉末から封止前ガラスを生成する加工装置を示し、（ｂ）はガラス粉末から生成された封止前ガラスを示し、（ｃ）は得られた封止前ガラスをスライスした状態を示している。
図１から図５は本発明の一実施形態を示し、図１は発光装置の概略縦断面図であり、図２はＬＥＤ素子の模式縦断面図である。
図１に示すように、この発光装置１は、フリップチップ型のＧａＮ系半導体材料からなるＬＥＤ素子２と、ＬＥＤ素子２を搭載する配線基板３と、配線基板３に形成されタングステン（Ｗ）−ニッケル（Ｎｉ）−金（Ａｕ）で構成される回路パターン４と、ＬＥＤ素子２を封止するとともに配線基板３と接着されるガラス封止部６とを有する。また、ＬＥＤ素子２と配線基板３との間には、ガラスがまわりこまない中空部５が形成されている。本実施形態においては、配線基板３および回路パターン４が、ＬＥＤ素子２を搭載しＬＥＤ素子２へ電力を供給するための搭載部を構成している。
発光素子としてのＬＥＤ素子２は、図２に示すように、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）からなる成長基板２０の表面に、III族窒化物系半導体をエピタキシャル成長させることにより、バッファ層２１と、ｎ型層２２と、ＭＱＷ層２３と、ｐ型層２４とがこの順で形成されている。このＬＥＤ素子２は、７００℃以上でエピタキシャル成長され、その耐熱温度は６００℃以上であり、後述する低融点の熱融着ガラスを用いた封止加工における加工温度に対して安定である。また、ＬＥＤ素子２は、ｐ型層２４の表面に設けられるｐ側電極２５と、ｐ側電極２５上に形成されるｐ側パッド電極２６と、を有するとともに、ｐ型層２４からｎ型層２２にわたって一部をエッチングすることにより露出したｎ型層２２に形成されるｎ側電極２７を有する。ｐ側パッド電極２６とｎ側電極２７には、それぞれＡｕバンプ２８が形成される。
ｐ側電極２５は、例えばロジウム（Ｒｈ）からなり、発光層としてのＭＱＷ層２３から発せられる光を成長基板２０の方向に反射する光反射層として機能する。尚、ｐ側電極２５の材質は適宜変更が可能である。本実施形態においては、ｐ側電極２５上には２点のｐ側パッド電極２６が形成され、各ｐ側パッド電極２６にＡｕバンプ２８が形成される。尚、ｐ側パッド電極２６は例えば３点であってもよく、ｐ側電極２５上に形成するｐ側パッド電極２６の個数は適宜変更が可能である。
ｎ側電極２７は、同一エリアにコンタクト層とパッド層とが形成されている。図２に示すように、ｎ側電極２７は、Ａｌ層２７ａと、このＡｌ層２７ａを覆う薄膜状のＮｉ層２７ｂと、Ｎｉ層２７ｂの表面を覆うＡｕ層２７ｃによって形成されている。尚、ｎ側電極２７の材質は適宜変更が可能である。本実施形態においては、平面視にて、ｎ側電極２７がＬＥＤ素子２の隅部に形成され、ｐ側電極２５がｎ側電極２７の形成領域を除いて、ほぼ全面的に形成されている。
ＬＥＤ素子２は、厚さ１００μｍで３４６μｍ角に形成されており、熱膨張率は７×１０−６／℃である。ここで、ＬＥＤ素子２のＧａＮ層の熱膨張率は５×１０−６／℃であるが、大部分を占めるサファイアからなる成長基板２０の熱膨張率が７×１０−６／℃であるため、ＬＥＤ素子２本体の熱膨張率は成長基板２０の熱膨張率と同等となっている。尚、各図においてはＬＥＤ素子２の各部の構成を明確にするために実寸と異なるサイズで各部を示している。
搭載部としての配線基板３は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の多結晶焼結材料からなり、厚さ０．２５ｍｍで１．０ｍｍ角に形成されており、熱膨張率αが７×１０−６／℃である。図１に示すように、配線基板３の回路パターン４は、基板表面に形成されてＬＥＤ素子２と電気的に接続される表面パターン４１と、基板裏面に形成されて外部端子と接続可能な裏面パターン４２と、を有している。表面パターン４１は、ＬＥＤ素子２の電極形状に応じてパターン形成されたＷ層４ａと、Ｗ層４ａの表面を覆う薄膜状のＮｉ層４ｂと、Ｎｉ層４ｂの表面を覆う薄膜状のＡｕ層４ｃと、を含んでいる。裏面パターン４２は、後述する外部接続端子４４に応じてパターン形成されたＷ層４ａと、Ｗ層４ａの表面を覆う薄膜状のＮｉ層４ｂと、Ｎｉ層４ｂの表面を覆う薄膜状のＡｕ層４ｃと、を含んでいる。表面パターン４１と裏面パターン４２は、配線基板３を厚さ方向に貫通するビアホール３ａに設けられＷからなるビアパターン４３により電気的に接続されている。外部接続端子４４はアノード側とカソード側で１つずつ設けられる。各外部接続端子４４は、配線基板３に平面視にて対角に配されている。
ガラス封止部６は、ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｎｂ２Ｏ５−Ｎａ２Ｏ−Ｌｉ２Ｏ系の熱融着ガラスからなる。尚、ガラスの組成はこれに限定されるものではなく、例えば、熱融着ガラスは、Ｌｉ２Ｏを含有していなくてもよいし、任意成分としてＺｒＯ２、ＴｉＯ２等を含んでいてもよい。この熱融着ガラスは、ガラス転移温度（Ｔｇ）が４９０℃で、屈伏点（Ａｔ）が５２０℃であり、ＬＥＤ素子２のエピタキシャル成長層の形成温度よりも、ガラス転移温度（Ｔｇ）が十分に低くなっている。本実施形態においては、エピタキシャル成長層の形成温度よりも、ガラス転移温度（Ｔｇ）が２００℃以上低くなっている。また、熱融着ガラスの１００℃〜３００℃における熱膨張率（α）は６×１０−６／℃である。熱膨張率（α）は、ガラス転移温度（Ｔｇ）を超えるとこれより大きな数値となる。これにより、熱融着ガラスは約６００℃で配線基板３と接着し、ホットプレス加工が可能となっている。また、ガラス封止部６の熱融着ガラスの屈折率は１．７である。
また、熱融着ガラスの組成は、ガラス転移温度（Ｔｇ）がＬＥＤ素子２の耐熱温度よりも低く、熱膨張率（α）が配線基板３と同等であれば任意である。ガラス転移温度が比較的低く、熱膨張率が比較的小さいガラスとしては、例えば、ＺｎＯ−ＳｉＯ２−Ｒ２Ｏ系（ＲはＬｉ、Ｎａ、Ｋ等のＩ族の元素から選ばれる少なくとも１種）のガラス、リン酸系のガラス及び鉛ガラスが挙げられる。これらのガラスでは、ＺｎＯ−ＳｉＯ２−Ｒ２Ｏ系のガラスが、リン酸系のガラスに比して耐湿性が良好で、鉛ガラスのように環境的な問題が生じることがないので好適である。
ここで、熱融着ガラスとは加熱により軟化状態として成形したガラスであり、ゾルゲル法により成形されるガラスと異なる。ゾルゲルガラスでは成形時の体積変化が大きいのでクラックが生じやすくガラスによる厚膜を形成することが困難であるところ、熱融着ガラスはこの問題点を回避することができる。また、ゾルゲルガラスでは細孔を生じるので気密性を損なうことがあるが、熱融着ガラスはこの問題点を生じることもなく、ＬＥＤ素子２の封止を的確に行うことができる。
また、熱融着ガラスは、一般に、樹脂において高粘度といわれるレベルより、桁違いに高い粘度で加工される。さらに、ガラスの場合には、屈伏点を数十℃超えても粘度が一般の樹脂封止レベルまで低くはならない。また、一般の樹脂成型時レベルの粘度にしようとすると、ＬＥＤ素子の結晶成長温度を超える温度を要するもの、あるいは金型に付着するものとなり、封止・成形加工が困難になる。このため、１０４ポアズ以上で加工することが好ましい。
図１に示すように、ガラス封止部６は、発光素子２及び配線基板３を全面的に覆い、最大厚さが０．５ｍｍとなっている。ガラス封止部６は、上方へ凸の湾曲面６ｆをなす上面６ａと、上面６ａの外縁から下方へ延び配線基板３と垂直な側面６ｂと、側面６ｂの下端から配線基板３と平行に延びる平坦面６ｃと、を有している。
以上のように構成される発光装置１は、以下の工程を経て製造される。
まず、ガラス成分の酸化物粉末を１２００℃に加熱し、溶融状態で撹拌する。そして、ガラスを固化した後、ガラス封止部６の厚さに対応するようスライスして板状に加工する（板状加工工程）。
一方、ビアホール３ａが形成された配線基板３を用意し、配線基板３の表面に回路パターンに応じてＷペーストをスクリーン印刷する。次いで、Ｗペーストを印刷された配線基板３を１０００℃余で熱処理することによりＷを配線基板３に焼き付け、さらに、Ｗ上にＮｉめっき、Ａｕめっきを施すことで回路パターン４を形成する（パターン形成工程）。
本実施形態においては、配線基板３は、セラミックを焼成した後に、回路パターン４が形成される。これは、焼成前のセラミック（例えばグリーンシート）に回路パターン４を形成してから焼成すると、焼成時及び焼成後の加熱・冷却による熱膨張及び熱収縮に起因し、回路パターン４の精度が悪くなるからである。
尚、焼成されたセラミックに回路パターン４を形成するにあたっては、Ｗペーストを印刷して熱処理したものに代えて、Ｃｒ，Ｔｉ等の金属を蒸着したもの、Ｃｕ箔を貼り付けた後に所定形状にエッチングしたもの等とし、これにＮｉめっき及びＡｕめっきを施すようにしてもよい。
図３は、発光装置の製造方法に関する説明図であり、（ａ）は発光素子を実装した配線基板の平面図、（ｂ）は上金型の底面図である。
図３（ａ）に示すように、複数のＬＥＤ素子２を縦及び横について等間隔で配線基板３に実装する（素子実装工程）。具体的には、配線基板３の回路パターン４の表面パターン４１に複数のＬＥＤ素子２を各Ａｕバンプ２８によって電気的に接合する。本実施形態においては、ｐ側２点、ｎ側１点の合計３点のバンプ接合が施される。
そして、各ＬＥＤ素子２が搭載された配線基板３を下金型９１にセットし、板状の封止前ガラス１１（図３中不図示）を上金型９２にセットする。下金型９１及び上金型９２にはそれぞれヒータが配置され、各金型９１，９２で独立して温度調整される。図３（ｂ）に示すように、上金型９２は、平板状に形成され封止前ガラス１１と非接触な本体９２ａと、この本体９２ａの下面に下方へ突出形成される接触部９２ｂと、を有している。上金型９２は、封止前ガラス１１の各ＬＥＤ素子２の直上部分と非接触であって、封止前ガラス１１の直上部分の周辺と接触するよう構成されている。上金型９２は、例えば、ステンレス、タングステンカーバイド等からなる。本実施形態においては、上金型９２の接触部９２ｂは、格子状に形成され、封止前ガラス１１における隣接するＬＥＤ素子２の中間部分と接触する。
図４Ａは、ガラス材の封止加工前の状態を示す模式説明図である。
次いで、図４Ａに示すように、略平坦な配線基板３の実装面に封止前ガラス１１を重ねて、各ＬＥＤ素子２を覆うように封止前ガラス１１を配置する（ガラス配置工程）。この後、下金型９１及び上金型９２を加圧し、窒素雰囲気中で加熱によって軟化したガラス材のホットプレス加工を行う。このとき、封止前ガラス１１は、配線基板３への配置前に加熱されていてもよいし、配置後に加熱されるようにしてもよい。ホットプレス加工は、上金型９２から封止前ガラス１１に配線基板３方向へ圧力を加えることにより行われる。これにより、ＬＥＤ素子２が搭載された配線基板３に封止前ガラス１１が融着され、ＬＥＤ素子２は配線基板３上で封止前ガラス１１により封止される。ここで、ホットプレス加工は、各部材に対して不活性な雰囲気中で行えばよく、窒素雰囲気の他に例えば真空中で行うようにしてもよい。
図４Ｂは、ガラス材の封止加工時の状態を示す模式説明図である。
このとき、図４Ｂに示すように、上金型９２の接触部９２ｂを封止前ガラス１１の上面に部分的に接触させて押し込んで封止前ガラス１１を部分的に凹ますことにより、この上面における上金型９２と非接触の部分を変形させ、上面に湾曲面を形成する（加圧工程）。本実施形態においては、封止前ガラス１１の上面の全体にわたって湾曲面が形成され、各ＬＥＤ素子２の直上部分にも湾曲面が形成されている。
また、加圧工程にて、接触部９２ｂにより封止前ガラス１１の上面における隣接する湾曲面の間に凹部１１ａが形成される。本実施形態においては、上金型９２の接触部９２をガラスから離隔した後も、凹部１１ａの形状がほぼそのまま維持されるように、接触部９２の寸法及びガラスの粘度が設定されている。これに対し、本実施形態よりも、接触部９２の寸法を小さくしたり、ガラスの粘度を小さくすることによって、上金型９２をガラスから離隔した後に、凹部１１ａが小さくなるようにすることもできる。尚、本実施形態においては、接触部９２ｂが配線基板３と離隔した状態でガラスの成形が行われるが、接触部９２ｂを配線基板３と接触させてしまってもよい。封止前ガラス１１に凹部１１ａが形成される際、ガラスは比較的高い粘度を有していることから、封止前ガラス１１における接触部９２ｂ間の非接触部分については、接触部９２ｂ側が押し下げられて接触部９２ｂ間の中央が盛り上がった湾曲面が形成される。これにより、ガラス封止部６に、湾曲面６ｆを有する上面６ａ、上面６ａの外縁から下方へ延びる側面６ｂ、側面６ｂの下端から水平に延びる平坦面６ｃが、それぞれ形成される。尚、ガラス封止部６の上面６ａと、上金型９２の本体９２ａとの間には、気体層９３が形成されている。
以上の工程で、複数の発光装置１が横方向に連結された状態の図４Ｂに示すような中間体１２が作製される。この後、ガラス封止部６と一体化された配線基板３をダイシング装置にセットして、ダイシングブレードを凹部１１ａに進入させて、ガラス封止部６及び配線基板３を各ＬＥＤ素子２ごとに分割するようダイシングして発光装置１が完成する（分割工程）。
図５は、製造された発光装置の平面図である。
図５に示すように、平面視にて、発光装置１は正方形状を呈し、ガラス封止部６の外縁に平坦面６ｃが形成される。平坦面６ｃには上金型９２からの圧力が直接的に加わっていることから、ガラス封止部６は平坦面６ｃの下側にて配線基板３と比較的強固に接合されている。
以上のように構成された発光装置１では、回路パターン４を通じてＬＥＤ素子２に電圧が印加されると、ＬＥＤ素子２から青色光が発せられる。ＬＥＤ素子２から発せられた青色光は、ガラス封止部６の上面６ａ又は側面６ｂを通じて外部へ放射される。このとき、ガラス封止部６の上面６ａは、上方へ凸な湾曲面６ｆをなしていることから、平坦面である場合と比べて、光の取り出し効率が向上している。
また、ガラス封止部６の上面６ａが上金型９２に対して非接触で形成されているので、上金型９２にガラス材が付着して上面６ａの表面形状が所期形状に対し変形することはない。また、上面６ａと上金型９２との間に、気体層９３が形成されていることから、封止時にガラス材等からガスが発生したとしても、気体層９３内に放散される。これにより、上面６ａと上金型９２が密着している場合のように、上面６ａと上金型９２の間にガスが入り込んで、上面６ａの表面形状が所期形状に対して変形することもない。従って、ガラス封止部６の上面６ａを所期形状として、所望の光学特性を得ることができる。
さらに、ガラス封止部６の上面６ａが上金型９２に対して非接触であることから、金型に接触させて成形した場合と比べて、上面６ａの表面粗さを小さくすることができる。従って、封止加工後の上面６ａの鏡面仕上げを簡略なものとしたり、省略したりすることができ、製造コストの低減を図ることができる。
さらにまた、封止前ガラス１１の凹部１１ａにダイシングブレードを進入させてダイシングするようにしたので、ガラス封止部６の側面６ｂがダイシングブレードにより形成されるものと比べ、側面６ｂの表面粗さを小さくすることができる。また、ダイシング時に切削するガラスを最小限とすることができ、歩留まりが向上する。
さらにまた、セラミックを焼成した後に、配線基板３に回路パターン４を形成したので、回路パターン４の位置精度を高くすることができ、回路パターン４と電気的に接続されるＬＥＤ素子２の位置精度も高くすることができる。この結果、上金型９２の各接触部９２ｂと配線基板３の各回路パターン４との相対的な位置関係のずれを最小限とし、製造される発光装置１のＬＥＤ素子２とガラス封止部６の上面６ｃの中心軸とのずれを抑制することができる。尚、ＬＥＤ素子２とガラス封止部６の上面６ｃとの相対的な位置関係につき、精度が要求されない場合は、配線基板３のセラミックの焼成前に回路パターン４を形成してしまってもよい。
また、ガラス封止部６としてＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｎｂ２Ｏ５−Ｎａ２Ｏ−Ｌｉ２Ｏ系の熱融着ガラスを用いたので、ガラス封止部６の安定性及び耐候性を良好とすることができる。従って、発光装置１が過酷な環境下等で長期間にわたって使用される場合であっても、ガラス封止部６の劣化が抑制され、光取り出し効率の経時的な低下を効果的に抑制することができる。さらに、ガラス封止部６が高屈折率でかつ高透過率特性のため、高信頼性と高発光効率の両立を実現できる。
また、ガラス封止部６として屈伏点（Ａｔ）がＬＥＤ素子２の半導体層のエピタキシャル成長温度より低いガラスを用いたので、ホットプレス時にＬＥＤ素子２が熱的なダメージにより損なわれることがなく、半導体層の結晶成長温度に対して充分に低い加工が可能である。
さらに、配線基板３とガラス封止部６の熱膨張率が同等であるので、高温で接着された後、常温あるいは低温状態としても剥離、クラック等の接着不良が生じにくい。さらに、一般にガラスはＴｇ点以上の温度において熱膨張率が増大する特性を有しており、Ｔｇ点以上の温度でガラス封止が行われる場合には、Ｔｇ点以下だけでなくＴｇ点以上の温度における熱膨張率も考慮することが安定したガラス封止を行うにあたり望ましい。すなわち、ガラス封止部６を構成するガラス材料は、上記したＴｇ点以上の温度における熱膨張率を含む熱膨張率と、配線基板３の熱膨張率とを考慮した同等の熱膨張率とすることで、配線基板３に反りを発生させる内部応力を小にでき、配線基板３とガラス封止部６との接着性が得られているにもかかわらずガラスのせん断破壊が生じることを防ぐことができる。従って、配線基板３やガラス封止部６のサイズを大きくとり、一括生産できる数量を大にすることができる。また、発明者の確認では、−４０℃←→１００℃の液相冷熱衝撃試験１０００サイクルでも剥離、クラックは生じていない。さらに、５ｍｍ×５ｍｍサイズのガラス片のセラミック基板への接合基礎確認として、ガラス、セラミック基板とも種々の熱膨張率の組み合わせで実験を行ったところ、熱膨張率が高い方の部材に対する低い方の部材の熱膨張率の比が０．８５以上ではクラックを生じることなく接合が行えることを確認した。部材の剛性やサイズ等にも依存するが、熱膨張率が同等というのは、この程度の範囲を示す。
さらに、ＬＥＤ素子２とガラス封止部６の熱膨張率が同等であるので、配線基板３を含めた部材の熱膨張率が同等となり、ガラス封止における高温加工と常温との温度差においても内部応力は極めて小さく、クラックを生じることのない安定した加工性が得られる。また、内部応力を小にできるので、耐衝撃性が向上し、信頼性に優れるガラス封止型ＬＥＤとできる。
配線基板３の表面パターン４１は、ビアパターン４３により裏面パターン４２に引き出されるので、ガラスが不必要な箇所へ入り込むことや、電気端子が覆われること等への特別な対策を要することなく、製造工程を簡略化できる。また、板状の封止前ガラス１１を複数のＬＥＤ素子２に対して一括封止加工できるので、ダイサーカットにより複数の発光装置１を容易に量産することができる。なお、熱融着ガラスは高粘度状態で加工されるため、樹脂のように封止材料の流れ出しに対して充分な対策をとる必要はなく、ビアホールによらなくても外部端子が裏面に引き出されていれば充分に量産対応可能である。
尚、前記実施形態においては、格子状の上金型９２を用いてＬＥＤ素子２の封止とガラス封止部６ａの湾曲面の形成を同時に行うものを示したが、封止用の金型と湾曲面形成用の金型を別個として、ＬＥＤ素子２の封止後の上面を湾曲させるようにしてもよい。すなわち、湾曲面の形成は、加熱によって軟化したガラス材により封止する際に限らず、封止後にガラス材を加工する際であってもよい。この場合における封止時のガラスの形状は任意であるが、例えば、図６に示すように平坦な成型面を有する他の金型を用いて配線基板３上のＬＥＤ素子２を封止しておき、この後に上金型９２によりガラスの上面を湾曲させることが好ましい。
また、前記実施形態においては、ガラス封止部６の上面６ａに全体的に湾曲面が形成されるものを示したが、上金型９２の押し込み量や接触部９２ｂの寸法を調整することにより、例えば図７に示すように上面６ａにおける側面６ｂ側のみに湾曲面６ｆが形成され、ＬＥＤ素子２の直上部分が第２平坦面６ｄが形成されるものとすることも可能である。
さらに、図８に示すようにガラス封止部６のＬＥＤ素子２の直上部分を上金型９２により押し込んでＬＥＤ素子２の直上部分に凹部１１ａを形成し、図９に示すようにガラス封止部６の上面６ａにおけるＬＥＤ素子２の直上部分が凹む湾曲面６ｆを形成してもよい。図９においては、ＬＥＤ素子２の直上部分に平坦面６ｅが形成され、側面６ｂは配線基板３と面一に形成されている。尚、上金型９２の接触部９２ｂの幅寸法を小さくしたりガラスの粘度を小さくすることにより、上金型９２をガラスから離隔した後に凹部１１ａを変形させて小さくし、平坦面６ｅが存在しない形状とすることも可能である。この発光装置１では、ＬＥＤ素子２から放射された光が湾曲面にて反射し、ガラス封止部６の側面６ｂから主として光が取り出されるようになる。
前記実施形態の上金型９２に代えて、例えば図１０に示すように、接触部９２ｂの格子形状の角部を丸めた上金型１９２を用いてもよい。この上金型１９２の接触部９２ｂは、縦横に延びる直線部分の交差部に面取り部１９２ｃを有している。この上金型１９２を用いて製造した発光装置１０１を図１１に示す。
図１１に示すように、発光装置１０１は、平面視にて、ガラス封止部６の側面６ｂの角部に面取り部１０６ｄを有する。これにより、ＬＥＤ素子２から水平に放射される光についても、装置外部への取り出し効率が向上する。面取り部１０６ｄの寸法は、任意であるが、ＬＥＤ素子２の端部から出射された光が、ガラス封止部６と外部雰囲気との界面で臨界角とならないよう設定することが好ましい。
具体的には、面取り部１０６ｃが円弧である場合、図１２に示すように、平面視において、対向する側面６ｂ同士の距離をａ、ＬＥＤ素子２の一辺の長さをｂ、ガラス封止部６と外部雰囲気との界面の臨界角をθとしたとき、面取り部１０６ｄの縦及び横の寸法ｃを、
ｃ ≧ ａ − （ａ−ｂ）・（１＋tanθ）／２
とすることが好ましい。
また、前記実施形態の上金型９２に代えて、例えば図１３に示すように、接触部２９２ｂを円形の孔が縦及び横に等間隔で並ぶ形状とした上金型２９２を用いてもよい。この上金型２９２を用いて製造した発光装置２０１を図１４に示す。図１４に示すように、発光装置２０１のガラス封止部６は、平面視にて、側面２０６ｂが円形を呈している。
また、前記実施形態においては、１つの発光装置１に１つのＬＥＤ素子２が搭載されるものを示したが、例えば図１５に示すように、１つの発光装置３０１に複数のＬＥＤ素子２が搭載されるものであってもよい。この発光装置３０１は、所定方向へ延び、複数のＬＥＤ素子２が一列に長尺な配線基板３に搭載されている。ガラス封止部６は、配線基板３に沿って長尺に形成され、長手方向については同一断面となっている。ガラス封止部６は、上面３０６ａが幅方向について湾曲して形成され、側面３０６ｂが上面３０６ａの幅方向外縁から下方へ延びるよう形成され、平坦面３０６ｃが側面３０６ｂの下端から幅方向外側へ延びるよう形成されている。
この発光装置３０１は、図１６（ａ）に示すように、配線基板３に縦横に等間隔で複数のＬＥＤ素子２を搭載し、横方向のＬＥＤ素子２を回路パターン３０４により電気的に接続しておく。そして、図１６（ｂ）に示すように、上金型３９２の接触部３９２ｂを横方向に延びる直線状に形成しておき、各ＬＥＤ素子２を縦方向に分断するように、上金型３９２の接触部３９２ｂを封止前ガラス１１に接触させることにより、上面３０６ａを湾曲させることができる。
また、前記実施形態においては、ＬＥＤ素子２としてＧａＮ系半導体材料からなるものを用いた発光装置１を説明したが、ＬＥＤ素子はＧａＮ系のＬＥＤ素子２に限定されず、例えばＺｎＳｅ系やＳｉＣ系のように他の半導体材料からなる発光素子であってもよい。また、ＬＥＤ素子２の発光波長も任意であり、ＬＥＤ素子２は緑色光、黄色光、橙色光、赤色光等を発するものであってもよい。
また、前記実施形態のガラス封止部６は耐候性に優れているものの、装置の使用条件等によって結露が生じた場合には、ガラス封止部６が変質するおそれがある。これに対しては、結露が生じない装置構成とすることが望ましいが、ガラス封止部６の表面にシリコン樹脂コートなどを施すことで、高温状態での結露によるガラスの変質を防止することもできる。さらに、ガラス封止部６の表面に施すコーティング材としては、耐湿だけでなく、耐酸、耐アルカリ性を有するものとして、例えばＳｉＯ２系、Ａｌ２Ｏ３系等のような無機材料が好ましい。
さらに、前記実施形態においては、上金型９２と下金型９１により配線基板３及びガラス封止部６に圧力を加えるものを示したが、下金型９１を固定部材として上金型９２のみによりガラスの封止加工を行うことも可能である。
また、ガラス封止部６に、ＭＱＷ層２３から発せられる青色光により励起されると、黄色領域にピーク波長を有する黄色光を発する蛍光体を含有させてもよい。蛍光体としては、ＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)蛍光体、珪酸塩蛍光体や、ＹＡＧと珪酸塩蛍光体を所定の割合で混合したもの等を用いることができる。この場合、ＬＥＤ素子２から発せられた青色光の一部はガラス封止部６内の蛍光体により黄色光に変換され、他部は波長変換されることなくガラス封止部６から外部へ放射される。これにより、ガラス封止部６から放射される光は、黄色領域と青色領域とにピーク波長を有することとなり、この結果、装置外部へは白色光が放射される。また、紫外光を発するＬＥＤ素子と、青色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体の組合せにより白色光を得るようにしてもよい。
このようにガラス封止部６に蛍光体が含有される発光装置１の製造方法について、図１７の工程説明図を参照しながら、以下に説明する。
まず、ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｎｂ２Ｏ５−Ｎａ２Ｏ−Ｌｉ２Ｏ系の熱融着ガラスを粉砕し、これに例えばＹＡＧからなる黄色蛍光体の粒子を混合し、蛍光体粒子がガラスの粉末内に均一に分散されたガラス粉末１０を生成する（粉砕工程）。
図１８は封止前ガラスの加工状態を示す説明図であり、（ａ）はガラス粉末から封止前ガラスを生成する加工装置を示し、（ｂ）はガラス粉末から生成された封止前ガラスを示し、（ｃ）は得られた封止前ガラスをスライスした状態を示している。
粉砕工程にて生成されたガラス粉末１０を荷重を加えながら溶融した後に、ガラス粉末１０を固化して封止前ガラス１１を生成する（ガラス生成工程）。具体的には、図１８（ａ）に示すように、下台８０の平坦な上面８０ａに、下台８０上の所定領域を包囲する筒状の側面枠８１を設けて、上方を開口した凹部８２を形成する。凹部８２は上下にわたって同じ断面であり、凹部８２の断面形状に対応して形成された荷重治具８３の下部８３ａが、凹部８２内で上下に移動可能となっている。この凹部８２にガラス粉末１０を入れた後、凹部８２内を加圧する荷重治具８３をセットする。そして、雰囲気空気を、７．６Ｔｏｒｒに減圧するとともに６５０℃に加熱し、荷重治具８３を利用して２０ｋｇ／ｃｍ２の圧力をガラス粉末１０に加えて溶解する。
この後、溶解したガラス粉末１０を冷却して固化することにより、図１８（ｂ）に示すような封止前ガラス１１を得ることができる。生成された封止前ガラス１１は、図１８（ｃ）に示すように、ガラス封止部６の厚さに対応するようスライスされて板状に加工される（板状加工工程）。本実施形態においては、ガラス封止部６の厚さは０．５ｍｍである。この後、前記実施形態と同様に、パターン形成工程、素子実装工程、ガラス配置工程、加圧工程及び分割工程を経て発光装置１が製造される。
さらに、ガラス封止部６に、拡散粒子を含有させてもよい。拡散粒子としては、例えばジルコニア粒子、アルミナ粒子、シリカ粒子等を用いることができる。拡散粒子の材質は任意であるが、光の透過性の観点からは白色の材質が好ましく、ガラス加工時の安定性の観点からは融点が加工時の温度より高いことが好ましい。
また、前記実施形態のガラス封止部６について、Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｌｉ２Ｏ−Ｎａ２Ｏ−ＺｎＯ−Ｎｂ２Ｏ５系の熱融着ガラスのＺｎＯ組成の一部をＢｉ２Ｏ３とし、熱融着ガラスの屈折率をさらに高くしてもよい。熱融着ガラスの屈折率は、１．８であることが好ましい。そして、屈折率が１．８の熱融着ガラスを用いる場合、基板の屈折率（ｎｄ）が１．８以上である発光素子を用いることが、発光素子からの光の取り出し効率を向上させて発光効率の向上を図ることができ好ましい。基板の屈折率が１．８以上である発光素子としては、例えば、Ｇａ２Ｏ３基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板等の上にＧａＮ系半導体が形成された発光素子がある。
また、前記実施形態においては、搭載部としての配線基板３がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなるものを示したが、アルミナ以外のセラミックから構成するようにしてもよい。さらには、搭載部を、金属製のリードフレームとしてもよいことは勿論である。ここで、アルミナより熱伝導性に優れる高熱伝導性材料からなるセラミック基板として、例えば、ＢｅＯ（熱膨張率α：７．６×１０−６／℃、熱伝導率：２５０Ｗ／（ｍ・ｋ））を用いても良い。このＢｅＯからなる基板においても封止前ガラスにより良好な封止性を得ることができる。
さらに、他の高熱伝導性基板として、例えばＷ−Ｃｕ基板を用いても良い。Ｗ−Ｃｕ基板としては、Ｗ９０−Ｃｕ１０基板（熱膨張率α：６．５×１０−６／℃、熱伝導率：１８０Ｗ／（ｍ・ｋ））、Ｗ８５−Ｃｕ１５基板（熱膨張率α：７．２×１０−６／℃、熱伝導率：１９０Ｗ／（ｍ・ｋ））を用いることにより、ガラス封止部との良好な接合強度を確保しながら高い熱伝導性を付与することができ、ＬＥＤの大光量化、高出力化に余裕をもって対応することが可能になる。
また、前記実施形態においては、発光素子としてＬＥＤ素子を用いた発光装置を説明したが、発光素子はＬＥＤ素子に限定されるものではない。また、前記実施形態においては、中間体１２を作製してこれを分割し、複数の発光装置１を同時に得るものを示したが、１つ発光素子１ごとに封止加工を行うようにしてもよい。さらに、下金型９１は必ずしも必要ではなく、金型を上金型９２のみとしてもよいし、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
１ 発光装置
２ ＬＥＤ素子
３ 配線基板
３ａ ビアホール
４ 回路パターン
４ａ Ｗ層
４ｂ Ｎｉ層
４ｃ Ａｕ層
４ｄ Ａｇ層
５ 中空部
６ ガラス封止部
６ａ 上面
６ｂ 側面
６ｃ 平坦面
６ｄ 第２平坦面
６ｆ 湾曲面
１０ ガラス粉末
１１ 封止前ガラス
１１ａ 凹部
１２ 中間体
２０ 成長基板
２１ バッファ層
２２ ｎ型層
２３ ＭＱＷ層
２４ ｐ型層
２５ ｐ側電極
２６ ｐ側パッド電極
２７ ｎ側電極
２７ａ Ａｌ層
２７ｂ Ｎｉ層
２７ｃ Ａｕ層
２８ Ａｕバンプ
４１ 表面パターン
４２ 裏面パターン
４３ ビアパターン
４４ 外部接続端子
８０ 下台
８０ａ 上面
８１ 側面枠
８２ 凹部
８３ 荷重治具
８３ａ 下部
９１ 下金型
９２ 上金型
９２ａ 本体
９２ｂ 接触部
９３ 気体層
１０１ 発光装置
１０６ｄ 面取り部
１９２ 上金型
１９２ｃ 面取り部
２０１ 発光装置
２０６ｂ 側面
２９２ 上金型
２９２ｂ 接触部
３０１ 発光装置
３０４ 回路パターン
３０６ａ 上面
３０６ｂ 側面
３０６ｃ 平坦面
３９２ 上金型
３９２ｂ 接触部

Claims (6)

  1. 搭載部上の発光素子を、加熱によって軟化したガラス材により封止する際またはその後に前記ガラス材を加工する際に、
    金型を前記ガラス材の上面に部分的に接触させて押し込んで当該ガラス材を部分的に凹ますことにより、当該上面における前記金型と非接触の部分を変形させ、前記ガラス材の上面の少なくとも一部に湾曲面を形成する発光装置の製造方法。
  2. 前記金型は、前記ガラス材の前記上面における前記発光素子の直上部分と非接触であり、当該上面の前記直上部分の周辺と接触する請求項１に記載の発光装置の製造方法。
  3. 前記ガラス材の前記上面の前記直上部分に前記湾曲面を形成する請求項２に記載の発光装置の製造方法。
  4. 前記搭載部には複数の前記発光素子が実装され、
    前記金型は、前記ガラス材の前記上面における隣接する前記発光素子の中間部分と接触する請求項３に記載の発光装置の製造方法。
  5. 前記湾曲面を形成された前記ガラス材が硬化した後、
    前記ガラス材の前記凹部にダイシングブレードを進入させ、前記ガラス材及び前記搭載部を分割する請求項４に記載の発光装置の製造方法。
  6. 前記金型は、前記ガラス材と接触する接触部が格子状に形成される請求項５に記載の発光装置の製造方法。
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