JP4979299B2 - 光学装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光学素子をガラス材により封止した光学装置及びその製造方法に関する。
従来から、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）等の発光素子をエポキシ樹脂等の透光性樹脂材料で封止した光学装置が知られている。この種の光学装置では、光学素子から発せられる光によって、透光性樹脂が劣化するという問題点がある。特に、光学素子として短波長光を放出するIII族窒化物系化合物半導体発光素子を用いる場合には、当該素子から放出される高エネルギーの光と素子自体の発熱によって素子近傍の透光性樹脂が黄変し、光取り出し効率が経時的に低下する場合がある。
このような封止部材の劣化を防止するものとして、封止部材に低融点ガラスを用いた発光デバイスが提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
特許文献１に記載された発光デバイスは、ＬＥＤ素子、ワイヤボンディング部、およびリード部の上端の周囲を低融点ガラスからなる透明の封止体で覆って構成されている。低融点ガラスには、例えば、セレン、タリウム、ヒ素、硫黄等を加えて融点を摂氏１３０〜３５０度としたものが使用される。
また、特許文献２に記載された発光デバイスは、屈折率が２．３程度であるＧａＮ系ＬＥＤ発光素子を、屈折率が２程度の低融点ガラスで封止したものが開示されている。この発光デバイスによれば、このような屈折率のＧａＮ系ＬＥＤ発光素子と低融点ガラスを用いることにより、ＬＥＤ発光素子と低融点ガラスとの界面で全反射する光の低減が図られている。
ところで、特許文献１及び２の固体素子デバイスでは、低融点ガラスとはいえ高温加工を行う必要があり、また、ガラスが硬質材料であるため、樹脂封止加工技術の応用ではデバイスを具現化することができない。また、デバイスの具現化に必要な物性値や組成が不明であった。
そこで、本願出願人らは、無機材料封止加工を具現化するための課題を抽出、解決し、ガラス封止を行うことで期待できる効果を実際に得ることのできる固体素子デバイスを提案した（例えば、特許文献３参照）。特許文献３に記載の固体素子デバイスは、ＬＥＤチップが実装されたセラミック基板を下金型に支持させ、板状のガラス材を上金型に支持させて、基板とガラス材をホットプレス加工により接合することにより、ガラス封止を実現している。
特開平８−１０２５５３号公報 特開平１１−１７７１２９号公報 特開２００６−１０８６２１号公報
ところで、特許文献３に記載の固体素子デバイスは、ホットプレス時の加工条件として、ガラス材をセラミックの基板に接合させる条件と、ガラス材を上金型から離隔させる条件と、の２つの条件を満足させる必要がある。すなわち、この２つの条件を満たすホットプレス時のガラス材の温度、ガラス材に加える圧力等の許容範囲が制限され、基板及びガラス材の材質によっては加工が困難となる場合がある。
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、ガラス材を有する封止部の成形が容易な光学装置及びその製造方法を提供することにある。
本発明は、前記目的を達成するための、光学素子が実装された基板の実装面と反対側を第１金型で支持し、板状の第１ガラス材と、該第１ガラス材より金型離隔性の高い第２ガラス材と、からなる積層体の第１のガラス材と接触しないようにして前記積層体の第２ガラス材側を第２金型で支持し、前記基板の前記光学素子の実装面と、前記積層体の前記第１ガラス材と、を対向させた状態で、前記第１金型及び前記第２金型を加圧してホットプレス加工を行うことを特徴とする光学装置の製造方法を提供する。
この光学装置の製造方法によれば、ホットプレス加工を行う際に、第２金型により積層体の第２ガラス材側が支持され、第１ガラス材は第２金型とは接触しない。
これにより、ホットプレス時に要求される加工条件は、基板に対して第１ガラス材を接合させる温度、圧力等の条件と、第２金型に対して第２ガラス材を離隔させる温度、圧力等の条件ということになる。そして、第２ガラス材は第１ガラス材よりも金型離隔性が高く、従来のように第１ガラス材を第２金型から離隔させる場合よりも加工条件は緩やかになる。従って、ホットプレス時におけるガラス材の温度、圧力等の加工条件の幅を広げることができる。
また、上記光学装置の製造方法において、
前記第２ガラス材は、前記第１ガラス材と反対側に予め光学面が形成されたプレフォームガラスであることが好ましい。
本発明によれば、ホットプレス時におけるガラス材の温度、圧力等の加工条件の幅を広げることができるので、ガラス材を有する封止部の成形を容易に行うことができる。また、封止部と基板との接合不良や、封止部の金型への接着を防止することにより、歩留まりの低下を抑制することができる。
図１から図３は本発明の第１の実施形態を示し、図１はＬＥＤ装置の模式縦断面図である。尚、各図はあくまで説明のための模式図であり、図中の各部の相対寸法が異なっているものもある。
図１に示すように、光学装置としてのＬＥＤ装置１は、光学素子としてのＬＥＤ素子２と、ＬＥＤ素子２が実装されるセラミック基板３と、セラミック基板３に形成されＬＥＤ素子２へ電力を供給するための回路パターン４と、ＬＥＤ素子２と回路パターン４とを電気的に接続するスタッドバンプ５と、セラミック基板３上に形成されＬＥＤ素子２を封止する封止部６と、を備えている。
図２はＬＥＤ素子の模式側面図である。
図２に示すように、ＬＥＤ素子２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は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）からなる成長基板２０の表面に、バッファ層２１と、ｎ型層２２と、発光層２３と、ｐ型層２４とを順次結晶成長させることによって形成されている。更に、ＬＥＤ素子２は、ｐ型層２４の表面に設けられるｐ電極２５と、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電極２６とを有する。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。ＬＥＤ素子２の熱膨張率αは、５〜７×１０−６／℃である。本実施形態においては、ＬＥＤ素子２のサイズは０．３４ｍｍ×０．３４ｍｍ×厚さ０．０９ｍｍである。
セラミック基板３は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなり、熱膨張率αが７×１０−６／℃である。セラミック基板３は、厚さ方向に貫通する複数のビアホール３ａを有し、各ビアホール３ａによりＬＥＤ素子２の実装面とその反対側の面にメタライズされた回路パターン４を導通させている。本実施形態においては、セラミック基板３の厚さは、０．２５ｍｍとなっている。
回路パターン４は、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は、ＬＥＤ素子２を実装する側に設けられる第１の導電パターン４ａと、その裏面側に設けられる第２の導電パターン４ｂと、を有する。そして、ビアホール３ａに両導電パターン４ａ，４ｂを電気的に接続しＷ（タングステン）からなる第３導電パターン４ｃが形成されている。
封止部６は、セラミック基板３上に形成されＬＥＤ素子２を封止する第１ガラス材７と、第１ガラス材７上に形成される第２ガラス材８と、を有する。第１ガラス材７及び第２ガラス材８は、ともに耐湿性を有している。
第１ガラス材７は、例えばＺｎＯ系の熱融着ガラスからなり、セラミック基板３上にて直方体状に形成される。ここで、熱融着ガラスとは加熱により溶融状態又は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。本実施形態においては、第１ガラス材７は、Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ｎｂ２Ｏ５系であるが、他の組成からなるガラスを用いてもよい。具体的に、第１ガラス材７は、ガラス転移温度Ｔｇが４８５℃であり、屈伏点Ａｔが５１７℃である。すなわち、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。本実施形態においには、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。これにより、約６００℃でセラミック基板３と接着し、ホットプレス加工が可能となっている。また、第１ガラス材７の１００℃〜３００℃における熱膨張率αは６×１０−６／℃である。ここで、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。また、第１ガラス材７の厚さは、０．５ｍｍである。さらに、第１ガラス材７の屈折率は１．７である。
また、第２ガラス材８は、例えばＳｉＯ−Ｂ２Ｏ３系の熱融着ガラスからなり、第１ガラス材７上にて直方体状に形成される。第２ガラス材８は、第１ガラス材７よりもガラス転移温度が高く、金型離反性が高くなっている。具体的に、第２ガラス材８は、ガラス転移温度Ｔｇが５６０℃である。また、第２ガラス材８は、第１ガラス材７よりもガラス転移温度Ｔｇ等の熱的な物性値が高く、第１ガラス材７よりも耐湿性、耐酸性、耐アルカリ性等が優れている。ここで、第２ガラス材８としては、ＳｉＯ−Ｂ２Ｏ３系をはじめとして、ＳｉＯ−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系、ＳｉＯ−Ａｌ２Ｏ３系、ＳｉＯ−Ｒ２Ｏ系（ＲはＬｉ、Ｎａ、Ｋ等）等を用いてもよいし、他の組成からなるガラスを用いてもよい。一般に、ガラスにおいては、熱的な物性値が高い方が、耐湿性、耐酸性、耐アルカリ性等の優れたものが多い。また、第２ガラス材８の厚さは、０．１５ｍｍであり、熱膨張率αは７×１０−６／℃である。この熱膨張率αは１００℃〜３００℃における数値であり、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。また、第２ガラス材８の屈折率は１．５である。第２ガラス材８の上面８ｂは、セラミック基板３の実装面と平行に形成されている。
図１に示すように、第１ガラス材７と第２ガラス材８は、セラミック基板３上に積層された状態となっている。そして、セラミック基板３、第１ガラス材７及び第２ガラス材８は、互いの側面３ｂ，７ａ，８ａが面一に形成される。これにより、ＬＥＤ装置１は全体として直方体状を呈している。また、第１ガラス材７と第２ガラス材８との界面９は、縦断面において直線状となっている。
本実施形態においては、第１ガラス材７と第２ガラス材８の熱膨張率αを、セラミック基板３の熱膨張率αと略同等とし、接合加工温度から常温とした際の応力によるクラックが発生しないものとなっている。各ガラス材７，８及びセラミック基板３の幅方向寸法が数１０ｍｍであれば熱膨張率αの差を１５％以内とすることが望ましい。熱膨張率が「略同等」とはこの程度の範囲を指している。前述のように、ガラス転移温度Ｔｇ点を超えると熱膨張率αが大きくなることを考慮すると、最もガラス転移温度Ｔｇ点が低い第１ガラス材７の熱膨張率αを第２ガラス材８と等しいかやや小さい値とすることが、残留応力を最小とする上で望ましい。
以上のように構成されるＬＥＤ装置１によれば、第１ガラス材７上に第２ガラス材８を配置したので、第１ガラス材７がセラミック基板３と接合され第２ガラス材８はセラミック基板３とは接触しない。そして、ホットプレス加工時には、ＬＥＤ素子２が実装されたセラミック基板３を下金型１０１に支持させるとともに、板状の第１ガラス材７及び第２ガラス材８を上金型１０２に支持させることとなるが、セラミック基板３と反対側の第２ガラス材８が上金型１０２と接触するので第１ガラス材７は第２金型とは接触しない。
ここで、このＬＥＤ装置１の製造方法について、以下に詳細に説明する。まず、ビアホール３ａを有したセラミック基板３を用意し、セラミック基板３の表面に回路パターン４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セラミック基板３を約１０００℃で熱処理することによりＷをセラミック基板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。次に、セラミック基板３の回路パターン４の第１導電パターン４ａに複数のＬＥＤ素子２をスタッドバンプ５によって電気的に接合する。
そして、各ＬＥＤ素子２を実装したセラミック基板３を第１金型としての下金型１０１、板状の第１ガラス材７及び第２ガラス材８を第２金型としての上金型１０２にセットする。下金型１０１及び上金型１０２にはそれぞれヒータが配置され、各金型１０１，１０２で独立して温度調整される。次いで、図３に示すように、セラミック基板３の実装面と、第１ガラス材７とが対向するよう下金型１０１及び上金型１０２を加圧して、窒素雰囲気中でホットプレス加工を行う。本実施形態においては、加圧圧力を２０〜４０ｋｇｆ／ｃｍ２程度として加工を行った。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３は、ホットプレス加工の状態を示す模式説明図である。この加工での第１ガラス材７の粘度は１０５〜１０９ポアズであり、第１ガラス材７はセラミック基板３とこれらに含まれる酸化物を介して接合される。
このように、セラミック基板３と第１ガラス材７とが酸化物を介した化学結合に基づいて接合するので強固な封着強度が得られる。そのため、これらの接合面積が小さい小形パッケージであっても具現化できる。また、封止部６をガラスにより構成し、高粘度状態でホットプレス加工を行うので、ＬＥＤ素子２の結晶成長温度に対して充分に低い加工が可能となっている。
また、板状の第１ガラス材７とセラミック基板３とを平行にセットし、高粘度状態でホットプレス加工することで、第１ガラス材７がセラミック基板３の表面に平行移動して面状に密着するので、ＬＥＤ素子２の封止時にボイドが生じることはない。
ここで、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、一般の樹脂成形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ことはなくとも軟化したガラスの流れ出しなどが生じるものとなり、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。
次いで、下金型１０１及び上金型１０２を、それぞれセラミック基板３及び第２ガラス材８から離隔させる。ここで、第２ガラス材８は、第１ガラス材７に比してガラス転移温度Ｔｇが高いことから、第１ガラス材７よりも上金型１０２からの離隔性が高く、上金型１０２から滑らかに離隔する。本実施形態においては、約６００℃でホットプレス加工され、ガラス転移温度Ｔｇが５６０℃である第２ガラス材８は十分に軟化しておらず、上金型１０２に第２ガラス材８が付着するようなことはない。これにより、第２ガラス材８の上面８ｂが所期の型通りに成形される。
このとき、セラミック基板３と第１ガラス材７の熱膨張率が樹脂等に比して近い関係であるので、これらが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。しかも、ガラスは引っ張り応力にはクラックが生じ易いが、圧縮応力にはクラックは生じにくく、第１ガラス材７はセラミック基板３に対しやや熱膨張率が小さいものとしてある。
さらに、ＬＥＤ素子２と第１ガラス材７及び第２ガラス部材８の熱膨張率が樹脂等に比して近い関係であるので、セラミック基板３を含めた部材の熱膨張率が比較的近くなり、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。
ここで、ホットプレス加工のサイクルタイムを短縮するために、プレス前に予熱ステージを設けて各ガラス材７，８を予め加熱したり、プレス後に徐冷ステージを設けて各ガラス材７，８の冷却速度を制御するようにしてもよい。また、予熱ステージ及び徐冷ステージにおいてプレスすることも可能であり、ホットプレス加工時の工程は適宜に変更可能である。
以上の工程で、複数のＬＥＤ装置１が横方向に連結された状態の図３に示すような中間体１０が作製される。このようにして、封止部６と一体化されたセラミック基板３をダイサー(dicer)にセットして、各ＬＥＤ素子２を分離するようダイシングすることにより、各ＬＥＤ装置１が完成する。封止部６及びセラミック基板３がともにダイサーによりカットされることで、前述ようにセラミック基板３、第１ガラス材７及び第２ガラス材８の側面３ｂ，７ａ，８ａが面一となる。
このように、本実施形態のＬＥＤ装置１では、ホットプレス時に要求される加工条件は、セラミック基板３に対して第１ガラス材７を接合させる温度、圧力等の条件と、上金型１０２に対して第２ガラス材８を離隔させる温度、圧力等の条件ということになる。このように、セラミック基板３への接合と上金型１０２からの離隔を異なるガラス材７，８で行うようにしたので、第１ガラス材７をホットプレス時におけるセラミック基板３への接合に有利な材質とし、第２ガラス材８をホットプレス時に上金型１０２からの離隔に有利な材質とすることができる。そして、本実施形態においては、第２ガラス材８が第１ガラス材７よりもガラス転移温度が高いので金型離隔性が高く、従来のように第１ガラス材７を第２金型１０２から離隔させる場合よりも加工条件は緩やかになる。従って、ホットプレス時におけるガラス材７，８の温度、圧力等の加工条件の幅を広げることができる。
具体的に、加工条件の温度について調べたところ、第１ガラス材７のみで封止部６を構成した場合にホットプレス時の許容温度の幅は１０℃〜３０℃でしかなかったが、本実施形態のように第１ガラス材７及び第２ガラス材８により封止部６を構成したところ、ホットプレス時の許容範囲の幅が少なくとも５０℃よりは広いことが確認されている。
従って、本実施形態のＬＥＤ装置１によれば、ガラス材７，８を有する封止部６の成形を容易に行うことができる。また、封止部６とセラミック基板３との接合不良や、封止部６の上金型１０２への接着を防止することにより、歩留まりの低下を抑制することができる。
また、本実施形態のＬＥＤ装置１によれば、第１ガラス材７よりも耐湿性、耐酸性、耐アルカリ性等が優れた第２ガラス材８が封止部６の上部に配されている。このように、ＬＥＤ素子２からの外部放射光量が比較的多くなる封止部６の上部に第２ガラス材８が配され、封止部６の上部の劣化が効果的に抑制されるので、ＬＥＤ装置１の光取り出し量の経時的な劣化を抑制することができる。
また、ＬＥＤ素子２の封止材の屈折率が高いと、ＬＥＤ素子２内で発した光をＬＥＤ素子２から取り出す効率が高まる。本実施形態においては、一般にＬＥＤ素子の封止材として用いられる樹脂材料のうち、屈折率の高いエポキシ樹脂よりも、さらに高い屈折率（１．６以上）を有するガラスでの封止が可能となる。これによって、ＬＥＤ素子２の封止に樹脂を用いた従来のものよりも発光効率を高めることができる。また、樹脂材料では、光や熱による透光性劣化と、屈折率の高さの両立は困難であるが、ガラス材料ではこれらの両立を実現することができる。
また、セラミック基板３としてアルミナを用いることで部材コストの低減を図ることができるし、アルミナは入手が比較的容易であることから、ＬＥＤ装置１の量産性を向上させて製造コストの低減を実現できる。さらに、アルミナは熱伝導性に比較的優れているので、大光量化、高出力化に対して余裕のある構成とできる。さらにまた、アルミナは光吸収が比較的小さいことにより、光学的に有利である。
また、ＬＥＤ素子２がフリップ実装されているのでワイヤが不要であり、高粘度状態での加工に対しても電気的な不具合を生じることはない。すなわち、封止加工時のガラスの粘度は１０５から１０９ポアズと硬く、熱硬化処理前のエポキシ樹脂が５ポアズ程度の液状であることと比較して物性が大きく異なるため、素子表面の電極とリード等の給電部材とをワイヤで電気的に接続するフェイスアップ型のＬＥＤ素子を封止する場合、ガラス封止加工時にワイヤの潰れや変形を生じることがあるが、これを防ぐことができる。
また、セラミック基板３の第２導電パターン４ｂは、ビアホール３ａにて裏面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、板状のガラスを複数のＬＥＤ素子２に対して一括して封止できるので、ダイサーカットに基づいて複数のＬＥＤ装置１を容易に量産することができる。
尚、金型離隔性は、ガラスの転移温度のみで定まるものでなく、金型材料とガラス材料との関係による影響もある。この一例としてフッ化物ガラスはステンレスとの接着性が他のガラスに比して低いことがあげられ、第１ガラス材７と第２ガラス材８の金型離隔性に差異を生じさせるように、適宜材料を選択することができる。
図４から図６は本発明の第２の実施形態を示すもので、図４はＬＥＤ装置の模式平面図、図５は図４のＡ−Ａ模式断面図である。尚、各図において、第１の実施形態と同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
このＬＥＤ装置１１は、図４に示すように、ＬＥＤ素子２を複数備えている点で第１の実施形態と異なっている。図４及び図５に示すように、ＬＥＤ装置１１は、フリップチップ型でＧａＮ系の複数のＬＥＤ素子２と、平面視にて正方形状に形成され各ＬＥＤ素子２を実装する多層構造のセラミック基板１３と、セラミック基板１３の表面および層内にタングステン（Ｗ）で構成される回路パターン１４と、を有している。また、図５に示すように、ＬＥＤ装置１１は、ＬＥＤ素子２と回路パターン１４とを電気的に接続するスタッドバンプ５と、各ＬＥＤ素子２を封止するとともにセラミック基板１３と接合され第１ガラス材１７及び第２ガラス材１８を有する封止部１６と、を備えている。
回路パターン１４は、ＬＥＤ素子２を実装する側に設けられる第１導電パターン１４ａと、ＬＥＤ素子２の実装面と反対側に形成される第２導電パターン（図示せず）とを有している。また、セラミック基板１３の実装面と反対側には、ＬＥＤ素子２と電気的に接続された外部端子１４ｂが形成されている。ここで、セラミック基板１３には、縦横について３個×３個の配列で合計９個のＬＥＤ素子２（３４０μｍ角）が、スタッドバンプ５を介して互いの縦横間の距離が６００μｍとなるように密集して実装されている。図４に示すように、第１の導電パターン１４ａは、ＬＥＤ素子２ごとに平面視にて円形の外形を有するようパターン形成される。また、図６に示すように、外部端子１４ｂは、セラミック基板１３の裏面の四隅において層内の中間層から露出している。ここで、図６はＬＥＤ装置の模式底面図である。
さらに、ＬＥＤ装置１１は、セラミック基板１３の裏面に形成され、各ＬＥＤ素子２にて生じた熱を外部へ放散する放熱パターン１５を備えている。この放熱パターン１５は、外部端子１４ｂと電気的に独立して形成される。
ここで、セラミック基板１３は、Ｗからなる層内配線を含む多層構造を有し、図４に示すように横方向の３個のＬＥＤ素子２を直列に接続して素子群を形成している。また、セラミック基板１３は、ＬＥＤ素子２の素子群のアノードを外部端子１４ｂの１つに接続するとともに、素子群のカソードを外部端子１４ｂに接続して構成されている。ここで、セラミック基板１３の裏面の四隅のうち３つにアノード用の外部端子１４ｂが形成され、残りの１つにカソード用の外部端子１４ｂが形成されている。そして、アノード用の各外部端子１４ｂには３つの素子群のアノードがそれぞれ別個に接続される。また、カソード用の外部端子１４ｂには、３つの素子群のカソードが全て接続されている。
第１ガラス材１７は、セラミック基板１３上に形成され搭載されている全ＬＥＤ素子２を封止する。第１ガラス材１７は、例えばＺｎＯ系の熱融着ガラスからなり、セラミック基板１３上にて直方体状に形成される。具体的に、第１ガラス材は、ガラス転移温度Ｔｇが４８５℃であり、屈伏点Ａｔが５１７℃である。第１ガラス材７の厚さは、０．５ｍｍである。
また、第２ガラス材１８は、例えばＳｉＯ−Ｂ２Ｏ３系の熱融着ガラスからなり、第１ガラス材１７上にて直方体状に形成される。具体的に、第２ガラス材１８は、ガラス転移温度Ｔｇが５６０℃である。第２ガラス材の厚さは、０．２ｍｍである。また、図５に示すように、第２ガラス材１８は、片面の鏡面加工を省くことにより上面１８ｂの全体にわたって所定の粗さの粗面部１８ｃが形成されている。ここで、第２ガラス材１８は、粗面部１８ｃがホットプレス加工前に予め形成されたプレフォームガラスである。
図５に示すように、第１ガラス材１７と第２ガラス材１８は、セラミック基板１３上に積層された状態となっている。そして、セラミック基板１３、第１ガラス材１７及び第２ガラス材１８は、互いの側面１３ｂ，１７ａ，１８ａが面一に形成される。これにより、ＬＥＤ装置１は全体として厚さ方向に比して水平方向に長い直方体状を呈している。また、第１ガラス材１７と第２ガラス材１８との界面１９は、縦断面において直線状となっている。
以上のように構成されるＬＥＤ装置１１においても、第１ガラス材１７上に第２ガラス材１８を配置したので、第１ガラス材１７がセラミック基板１３と接合され第２ガラス材１８はセラミック基板１３とは接触しない。そして、ホットプレス加工時には、各ＬＥＤ素子２が実装されたセラミック基板１３側を下金型１０１に支持させるとともに、板状の第１ガラス材１７及び第２ガラス材１８を上金型１０２に支持させるので、第２ガラス材１８が上金型１０２と接触し、第１ガラス材１７は上金型１０２とは接触しない。
以上のよう構成されたＬＥＤ装置１１では、複数のＬＥＤ素子２を一括して封止するようにしたので、封止部１６が水平方向に長く形成され、封止部１６の上面が平面状に形成されていると、各ＬＥＤ素子２から出射した光が全反射してセラミック基板１３等に入射しやすく損失光が生じやすい。しかし、第２ガラス材１８の上面１８ｂに粗面部１８ｃを形成したので、外部放射効率の低下を抑制することができる。
特に、ＬＥＤ素子２から放射状に出射する光のうち、セラミック基板３とのなす角が第２ガラス材１８の外面における臨界角θよりも小さいものが、第２ガラス材１８の上面１８ｂに入射する程度に、封止部１６の水平方向寸法が長く形成されている場合に、外部放射効率の低下を格段に抑制することができる。具体的には、上記臨界角をθ、封止部６の厚さをｈとした場合に、上面視にて第２ガラス材１８におけるＬＥＤ素子２から側面１８ａまでの距離が、２ｔａｎθよりも大きい場合に、光取り出し効率を格段に向上させることができる。
また、本実施形態のＬＥＤ装置１１によっても、ホットプレス時に要求される加工条件は、セラミック基板１３に対して第１ガラス材１７を接合させる温度、圧力等の条件と、上金型１０２に対して第２ガラス材１８を離隔させる温度、圧力等の条件ということになる。これにより、ホットプレス時におけるガラス材１７，１８の温度、圧力等の加工条件の幅を広げることができる。
従って、ガラス材１７，１８を有する封止部１６の成形を容易に行うことができる。また、封止部１６とセラミック基板１３との接合不良や、封止部１６の上金型１０２への接着を防止することにより、歩留まりの低下を抑制することができる。さらに、第２ガラス材１８としてプレフォームガラスを用いることにより、第２ガラス材１８の粗面部１８ｃの粗面状態を変えることなく、封止加工を行うことができる。
また、本実施形態のＬＥＤ装置１１によれば、複数個のＬＥＤ素子２を密集させて実装する構成であっても、ＬＥＤ素子２およびガラス封止部６の熱膨張率αが同等であるので、クラックを生じることなく信頼性に優れるＬＥＤ装置１１が得られる。また、ガラス封止部６とセラミック基板１３についても同等の熱膨張率で形成されているのでガラス接着強度に優れている。
また、本実施形態のＬＥＤ装置１１によれば、セラミック基板１３を用いることにより、発熱量の大なるＧａＮ系のＬＥＤ素子２を密集させて実装する構成としても安定した放熱性が得られる。また、容易に直並列回路をパターン形成することができ、電解めっきを施す際の配線引き回しも容易に形成できる。
また、本実施形態のＬＥＤ装置１１によれば、層内の中間層から外部電気接続端子を取り出し、底面に放熱パターン１５を設けることで、密実装された９個のＬＥＤ素子２を発光させることに基づいて生じる熱を放熱パターン１５からヒートシンク等へ速やかに熱伝導させることが可能になる。
図７は本発明の第３の実施形態を示すＬＥＤ装置の模式断面図である。尚、図７において、第１の実施形態と同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
図７に示すように、このＬＥＤ装置２１は、封止部２６の第２ガラス材２８の形状を第１の実施形態と異にしている。
封止部２６は、セラミック基板３上に形成されＬＥＤ素子２を封止する第１ガラス材７と、第１ガラス材７上に形成される第２ガラス材２８と、を有する。第１ガラス材７は、例えばＺｎＯ系の熱融着ガラスからなり、セラミック基板３上にて直方体状に形成される。具体的に、第１ガラス材７は、ガラス転移温度Ｔｇが４８５℃であり、屈伏点Ａｔが５１７℃である。第１ガラス材７の厚さは、０．５ｍｍである。
また、第２ガラス材２８は、例えばＳｉＯ−Ｂ２Ｏ３系の熱融着ガラスからなり、第１ガラス材７上で断面にて上方へ凸な半円形に形成される。第２ガラス材２８の外面は、光学面２８ａをなし、ＬＥＤ素子２から放射状に出射する光の臨界角が大きくなっている。この光学面２８ａが、ＬＥＤ素子２から出射する光を所定方向へ屈折させて光学制御する湾曲部をなしている。ここで、第２ガラス材２８の直径は、図７に示す断面にて第１ガラス材７の水平方向寸法と同じであり、光学面２８ａの端部は第１ガラス材７の側面７ａと連続的に接続されている。第２ガラス材２８は、ガラス転移温度Ｔｇが５６０℃である。
ここで、第２ガラス材２８は、プレフォーム加工によって予め光学面２８ａが形成されるプレフォームガラスである。このプレフォームガラスにより前述のホットプレス加工をすることによって第１ガラス材７に熱圧着されている。
以上のように構成されたＬＥＤ装置２１によれば、ＬＥＤ素子２からの光取り出し効率が向上する。また、セラミック基板３に接合される第１ガラス材７と独立した第２ガラス材２８に光学面２８ａが形成されているので、装置の製造に際し光学面２８ａの形成が簡単容易である。
尚、第３の実施形態においては、第２ガラス材２８の光学面２８ａが断面にて半円形を呈するものを示したが、例えば、図８に示すように封止部３６の第２ガラス材３８の光学面３８ｂをフレネルレンズ状に形成してもよい。このＬＥＤ装置３１では、第２ガラス材３８の側面３８ａが第１ガラス材７の側面７ａと面一に形成されており、上面が光学面３８ｂをなしている。これにより、ＬＥＤ素子２から放射状に発せられる光が、光学面３８ｂを透過する際に、セラミック基板３に対して垂直な方向へ屈折し、セラミック基板３に垂直な軸の光量を増大させることができる。このように、光学面３８ｂの形状は、光取り出し効率の観点、セラミック基板３に垂直な軸の光量の観点等の種々の観点から適宜に変更が可能である。
図９は本発明の第４の実施形態を示すＬＥＤ装置の模式断面図である。尚、図９において、第１の実施形態と同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
図９に示すように、このＬＥＤ装置４１は、封止部４６の第２ガラス材４８に蛍光体４８ｃの粒子を含有させた点で第１の実施形態と構成を異にしている。
封止部４６は、セラミック基板３上に形成されＬＥＤ素子２を封止する第１ガラス材７と、第１ガラス材７上に形成される第２ガラス材４８と、を有する。第１ガラス材７は、例えばＺｎＯ系の熱融着ガラスからなり、セラミック基板３上にて直方体状に形成される。具体的に、第１ガラス材７は、ガラス転移温度Ｔｇが４８５℃であり、屈伏点Ａｔが５１７℃である。第１ガラス材７の厚さは、０．５ｍｍである。
また、第２ガラス材４８は、蛍光体４８ｃの粒子を含有し例えばＳｉＯ−Ｂ２Ｏ３系の熱融着ガラスからなり、第１ガラス材７上にて直方体状に形成される。第２ガラス材４８の側面４８ａは第１ガラス材７の側面７ａと面一であり、第２ガラス材４８の上面４８ｂは、セラミック基板３の実装面と平行に形成されている。第２ガラス材４８は、ガラス転移温度Ｔｇが６００℃である。第２ガラス材４８の厚さは、０．２ｍｍである。
ここで、蛍光体４８ｃは、ＬＥＤ素子２から発せられた青色光を受けて励起されると波長変換光を発する。蛍光体４８ｃとしては、例えば、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）系、ＢＯＳ（Barium ortho-Silicate）系等の蛍光体が用いられる。
以上のように構成されたＬＥＤ装置４１によれば、蛍光体４８ｃにより各ＬＥＤ素子２から放射される光の一部が黄色に変換され、青色と黄色を組み合わせられることにより、白色光を得ることができる。
尚、第４の実施形態においては、第２ガラス材４８に蛍光体４８ｃを含有させたものを示したが、例えば、図１０に示すように封止部５６の第１ガラス材５７に蛍光体５７ｃを含有させるようにしてもよい。このＬＥＤ装置５１においても、第１ガラス材５７の側面５７ａが第２ガラス材８及びセラミック基板３と面一に形成される。このＬＥＤ装置５１によっても、白色光を得ることができる。
さらに、例えば、図１１に示すように、封止部６６の第１ガラス材６７が、蛍光体６７ｃを含有する蛍光体含有領域６７ｄと、蛍光体６７ｃを含有しない透明領域６７ｅと、を有するようにしてもよい。このＬＥＤ装置６１においても、第１ガラス材６７の側面６７ａが第２ガラス材８及びセラミック基板３と面一に形成される。図１１のＬＥＤ装置６１では、蛍光体含有領域６７ｄによりＬＥＤ素子２が封止され、蛍光体含有領域６７ｄの外面とＬＥＤ素子２との距離のばらつきが小さくなるよう構成されている。このＬＥＤ装置６１では、ホットプレス加工時に、蛍光体含有領域６７ｄが粉末状のガラス材と蛍光体を溶融固化することにより成形され、透明領域６７ｅについては蛍光体含有領域６７ｄとの界面が予め成形されたプレフォームガラスが用いられる。これにより、ＬＥＤ素子２から放射状に出射される光を、その光路によらずにほぼ均一に波長変換を行うことができ、色割れの少ない白色光を得ることが可能となる。ここで、図１１においては、蛍光体含有領域６７ｄの外面が断面にて角形状に形成されているが、断面にて略半円状に形成してもよいことは勿論である。
また、第４の実施形態においては、第２ガラス材４８に含有させる蛍光材料として蛍光体４８ｃの粒子を用いたものを示したが、蛍光材料として第２ガラス材４８内の蛍光錯体を用いてもよい。
また、第４の実施形態においては、青色光と黄色の蛍光体４８ｃを用いて白色光を得るものを示したが、例えば、ＬＥＤ素子２を紫外光を発するものとし、赤色、緑色及び青色の蛍光体をガラス材に含有させたものであってもよい。
さらに、第４の実施形態においては、蛍光体４８ｃを第２ガラス材４８に含有させたものを示したが、第１ガラス材７と第２ガラス材４８の界面９や、第２ガラス材４８の上面４８ｂに蛍光体からなる層を形成してもよい。
図１２は本発明の第５の実施形態を示すＬＥＤ装置の模式断面図である。尚、図１２において、第１の実施形態と同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
図１２に示すように、このＬＥＤ装置７１の封止部７６は、セラミック基板３上に形成されＬＥＤ素子２を封止する第１ガラス材７７と、第１ガラス材７７上に形成される第２ガラス材７８と、を有する。第１ガラス材７７は、例えばＺｎＯ系の熱融着ガラスからなり、セラミック基板３上を被覆し、ＬＥＤ素子２上にて略半球状に形成される。尚、第１ガラス材７７がセラミック基板３を完全に被覆していない構成としてもよい。具体的に、第１ガラス材７は、ガラス転移温度Ｔｇが４８５℃であり、屈伏点Ａｔが５１７℃である。第１ガラス材７の厚さは、０．５ｍｍである。
また、第１ガラス材７７は蛍光体７７ｃを含有しており、蛍光体７７ｃはＬＥＤ素子２から発せられた青色光を受けて励起されると波長変換光を発する。蛍光体７７ｃとしては、例えば、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）系、ＢＯＳ（Barium ortho-Silicate）系等の蛍光体が用いられる。
第２ガラス材７８は、例えばＳｉＯ−Ｂ２Ｏ３系の熱融着ガラスからなり、側面がＬＥＤ素子２から側方へ出射する光を上方へ反射させる全反射ミラー部７８ａをなしている。図１２に示すように、全反射ミラー部７８ａは、下側（セラミック基板３側）にＬＥＤ素子２から出射された光を上方へ反射させる湾曲部が形成され、上側にＬＥＤ素子２から斜め上方へ出射された光を反射させる直線部が形成されている。第２ガラス材７８の上面７８ｂは、セラミック基板３の実装面と平行に形成される。第２ガラス材２８は、ガラス転移温度Ｔｇが５６０℃である。ここで、第２ガラス材７８は、プレフォーム加工によって予め全反射ミラー部７８ａが形成されたプレフォームガラスである。
以上のように構成されたＬＥＤ装置７１によれば、第１ガラス材７７によりＬＥＤ素子２から放射される光を均一に波長変換するとともに、ＬＥＤ素子２から放射される光の取り出し効率を格段に向上させることができる。
尚、第１〜第５の実施形態では、ＬＥＤ素子としてＧａＮ系半導体材料からなるＬＥＤ素子２を用いたＬＥＤ１を説明したが、ＬＥＤ素子はＧａＮ系ＬＥＤ素子２に限定されず、他の半導体材料からなる半導体発光素子であっても良い。また、ＬＥＤ素子２が発する光の波長も任意である。
また、第１〜第５の実施形態では、ダイサーにより中間体１０をカットしたものを示したが、セラミック基板３にスクライブ加工によりカットするようにしてもよい。ここで、ＬＥＤ素子２は、スクライブ加工に基づいて形成したものを使用することができる。この場合、スクライブ加工により形成されたＬＥＤ素子２は、切断面に尖った凹凸を有することがあり、ＬＥＤ素子２の切断面を素子コート材でコーティングすることが望ましい。この素子コート材として、例えば、光透過性を有するＳｉＯ２系コート材を用いることができる。素子コート材を用いることにより、オーバーモールドする際などにクラックやボイド発生を防止することができる。
また、第１〜第５の実施形態では、ホットプレス加工による基板とガラス材との接合のガラス封止を示したが、第２ガラス材に光学面（平面形状や粗面形状を含む）が形成されている場合や、厳密な濃度、板厚の蛍光体含有ガラスが必要な場合などには、プレスなしで高温溶解によるガラス封止であっても、所望の光学特性を得ることができる。ただし、この際には、光学素子に熱的なダメージを与えない温度で加工可能なガラス材料を選択する必要がある。
また、第１〜第５の実施形態において、封止部６，１６，２６，３６，４６，５６，６６，７６の表面にシリコーン系の樹脂によりコーティングを施すことで、高温状態での結露によるガラスの変質を防止することができる。封止部６，１６，２６，３６，４６，５６，６６，７６の表面に施すコーティング材としては、例えばＳｉＯ２系、Ａｌ２Ｏ３系等のような、耐湿、耐酸、耐アルカリ性を有するものが好ましい。
また、第１〜第５の実施形態において、セラミック基板３，１３を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。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３，１３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良好なガラスにより封止性が得られる。
また、他の高熱伝導性基板として、Ｗ−Ｃｕ基板を用いても良い。このＷ−Ｃｕ基板として、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、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、第１〜第５の実施形態では、光学素子としてＬＥＤ素子を用いたＬＥＤ装置１，１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１を説明したが、光学素子はＬＥＤ素子に限定されず例えばＬＤ素子のような他の発光素子を用いてもよい。さらには、光学素子として受光素子を用いることにより電池装置としてもよいし、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。
本発明の第１の実施形態を示すＬＥＤ装置の模式縦断面図である。 本発明の第１の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式側面図である。 本発明の第１の実施形態を示すホットプレス加工の状態を示す模式説明図である。 本発明の第２の実施形態を示すＬＥＤ装置の模式平面図である。 図４のＡ−Ａ模式断面図である。 本発明の第２の実施形態を示すＬＥＤ装置の模式底面図である。 本発明の第３の実施形態を示すＬＥＤ装置の模式断面図である。 本発明における第３の実施形態の変形例を示すＬＥＤ装置の模式断面図である。 本発明の第４の実施形態を示すＬＥＤ装置の模式断面図である。 本発明における第４の実施形態の変形例を示すＬＥＤ装置の模式断面図である。 本発明における第４の実施形態の変形例を示すＬＥＤ装置の模式断面図である。 本発明の第５の実施形態を示すＬＥＤ装置の模式断面図である。
符号の説明
１ ＬＥＤ装置
２ ＬＥＤ素子
３ セラミック基板
３ａ ビアホール
３ｂ 側面
４ 回路パターン
４ａ 第１導電パターン
４ｂ 第２導電パターン
４ｃ 第３導電パターン
５ スタッドバンプ
６ 封止部
７ 第１ガラス材
７ａ 側面
８ 第２ガラス材
８ａ 側面
８ｂ 上面
９ 界面
１０ 中間体
１１ ＬＥＤ装置
１３ セラミック基板
１３ｂ 側面
１４ 回路パターン
１４ａ 第１導電パターン
１４ｂ 外部端子
１５ 放熱パターン
１６ 封止部
１７ 第１ガラス材
１７ａ 側面
１８ 第２ガラス材
１８ａ 側面
１８ｂ 上面
１８ｃ 粗面部
１９ 界面
２１ ＬＥＤ装置
２６ 封止部
２８ 第２ガラス材
２８ａ 光学面
３１ ＬＥＤ装置
３６ 封止部
３８ 第２ガラス材
３８ａ 側面
３８ｂ 光学面
４１ ＬＥＤ装置
４６ 封止部
４８ 第２ガラス材
４８ａ 側面
４８ｂ 上面
４８ｃ 蛍光体
５１ ＬＥＤ装置
５６ 封止部
５７ 第１ガラス材
５７ａ 側面
５７ｃ 蛍光体
６１ ＬＥＤ装置
６６ 封止部
６７ 第１ガラス材
６７ａ 側面
６７ｃ 蛍光体
６７ｄ 蛍光体含有領域
６７ｅ 透明領域
７１ ＬＥＤ装置
７６ 封止部
７７ 第１ガラス材
７７ｃ 蛍光体
７８ 第２ガラス材
７８ａ 全反射ミラー部
７８ｂ 上面
２００ 成長基板
２１０ バッファ層
２２０ ｎ型層
２３０ 発光層
２４０ ｐ型層
２５０ ｐ電極
２６０ ｎ電極

Claims (12)

  1. 光学素子が実装された基板の実装面と反対側を第１金型で支持し、
    板状の第１ガラス材と、該第１ガラス材より金型離隔性の高い第２ガラス材と、からなる積層体の第１ガラス材と接触しないようにして前記積層体の第２ガラス材側を第２金型で支持し、
    前記基板の前記光学素子の実装面と、前記積層体の前記第１ガラス材と、を対向させた状態で、前記第１金型及び前記第２金型を加圧してホットプレス加工を行うことを特徴とする光学装置の製造方法。
  2. 前記第２ガラス材は、前記第１ガラス材と反対側に予め光学面が形成されたプレフォームガラスであることを特徴とする請求項１に記載の光学装置の製造方法。
  3. 前記基板の熱膨張率と、前記第１ガラス材の熱膨張率と、前記第２ガラス材の熱膨張率と、が互いに略同等であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置の製造方法。
  4. 前記第１ガラス材の熱膨張率は、前記基板の熱膨張率及び前記第２ガラス材よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の光学装置の製造方法。
  5. 前記第２ガラス材の外面は、前記光学素子へ入射又は前記光学素子から出射する光を光学制御する光学面が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学装置の製造方法。
  6. 前記第１ガラス材と前記第２ガラス材の少なくとも一方は、所定の波長の光により励起されて波長変換光を発する蛍光材料を含有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光学装置の製造方法。
  7. 前記蛍光材料は、蛍光体の粒子であることを特徴とする請求項６に記載の光学装置の製造方法。
  8. 前記基板は、前記光学素子の実装面に形成される第１導電パターンと、前記光学素子の実装面と反対側に形成される第２導電パターンと、前記基板内を厚さ方向に延び前記第１導電パターン及び前記第２導電パターンを電気的に接続する第３導電パターンとを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光学装置の製造方法。
  9. 前記光学素子は発光素子であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光学装置の製造方法。
  10. 前記第１ガラス材の屈折率が１．６以上であることを特徴とする請求項９に記載の光学装置の製造方法。
  11. 前記発光素子は、成長基板上にＧａＮ系半導体層を積層して形成されたＧａＮ系ＬＥＤ素子であることを特徴とする請求項９または１０に記載の光学装置の製造方法。
  12. 前記光学素子は受光素子であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光学装置の製造方法。
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