(57)【要約】【課題】パッケージにＬＥＤ素子が搭載された発光デバイスの信頼性を向上させる。【解決手段】中央に窪みを有する透明ガラスからなるガラス基体２と、その窪み５の底部に設けられたリード電極４と、窪み５に収納され、リード電極４の上に実装されたＬＥＤ素子６と、ＬＥＤ素子６の発光部に塗布された蛍光材７と、ＬＥＤ素子６を外気に対して密閉状態にする透明ガラス９と、略半球状の集光レンズ部１０とから発光デバイス１を構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窪みが形成されたガラス基体と、
前記窪みの底部に設けられたリード電極と、
前記窪みに収納され、前記リード電極の上に実装された発光ダイオード素子と、
前記窪みに収納された発光ダイオード素子を外気に対して密閉状態にする透明ガラスと、
を備えていることを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
前記透明ガラスの上に集光レンズ部をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記ガラス基体の表面に前記発光ダイオード素子から発光される光を反射する誘電体膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記ガラス基体の表面に前記発光ダイオード素子から発光される光を反射する金属膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記ガラス基体の材料が前記発光ダイオード素子から発光される光を反射する白色ガラスであることを特徴とする請求項１または２に記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記発光ダイオード素子の発光部に蛍光材が設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード素子をパッケージに実装した発光デバイスの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード素子（以下、ＬＥＤ素子という。）は、近年、発光輝度等の改善が図られて多方面に実用化されている。例えば、液晶表示装置のバックライト、信号機の発光素子、電光掲示板、その他イルミネーション用として使用されている。ＬＥＤ素子は、低電圧、低消費電力で駆動でき、発光輝度が改善されたことから室内灯や自動車照明用などにも適用されることが期待されている。
【０００３】
このような発光デバイスは、エポキシ樹脂や液晶ポリマーなどの各種樹脂、セラミックなどによって形成されたパッケージ上にＬＥＤ素子を搭載し、これをリード電極によって外部と電気的に接続する構成となっている。ＬＥＤ素子とリード電極とは、金線などの導電性ワイヤーやＡｇペーストを利用した導電性接着剤などで電気的に接続されている。
【０００４】
また、ＬＥＤ素子上には、これを外部環境から保護するために透光性の封止材が設けられている。表面実装型の発光デバイスは、レンズ効果がないあるいは小さいため、無指向性で広範囲から視認でき、視野角が広い。その反面、正面輝度が低くなる。そのため、ＬＥＤ素子からの光をパッケージ内側面の反射膜で反射させ、発光効率を向上させている。
【０００５】
また、前記封止材として、炭素、水素、酸素、窒素等の元素が網目状に結合した有機高分子化合物によって構成される樹脂封止材、例えばエポキシ系樹脂に代表される熱硬化型樹脂によって構成される樹脂封止材を用いる方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０８−２７４３７８公報
【特許文献２】特開平１０−２８４７５９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、樹脂封止材に紫外線等が照射されると、有機高分子の繋ぎ目が切断され、各種の光学的特性及び化学的特性が劣化することが知られている。例えばＧａＮ（窒化ガリウム）系のＬＥＤ素子は、波長３６５ｎｍ程度まで紫外線を発光することができるため、樹脂封止材は光強度の強いＬＥＤ素子の周囲から次第に黄変し、着色現象が発生する。このため、ＬＥＤ素子が発した光は着色部で吸収され減衰する。さらに、樹脂封止材の劣化に伴って耐湿性が低下するとともにイオン透過性が増大するため、樹脂封止材の外部から侵入した汚染物質イオンによりＬＥＤ素子自体も劣化し、その結果、発光デバイスの発光強度は相乗的に低減する。
【０００８】
また、ＬＥＤ素子は発光するたびに発熱するので、熱による膨張・収縮が繰り返される。そのため、接合部の接着性や密封性が低下し、高温に加熱されると次第に劣化して黄変・着色を起こすという課題があった。そのため、発光デバイスの外観品質と発光強度は次第に低下する。このように、従来の発光デバイスでは、選択する材料種類の減少、信頼性の低下、光変換機能の不完全性、製品価格の上昇を招来する原因となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明の発光デバイスは、窪みが形成されたガラス基体と、前記窪みの底部に設けられたリード電極と、前記窪みに収納され、前記リード電極の上に実装されたＬＥＤ素子と、前記窪みに収納されたＬＥＤ素子を外気に対して密閉状態にする透明ガラスと、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ＬＥＤ素子を外気に対して密閉状態にする透明ガラスを使用することにより、耐ガス性が向上し、かつ樹脂封止材の劣化に伴う耐湿性の低下ならびに、これに伴う発光阻害等が効果的に阻止される。さらに、ＬＥＤ素子を収容するための窪みを有する基体の材質がガラスで構成され、かつ、外気に対して密閉状態にする部材が同じガラスで構成されるため、熱線膨張係数が一致し、機密性の高い密閉をすることができ、高信頼性の発光デバイスを提供することができる。
【００１１】
また、本発明によれば、基体が光を透過する材料から構成されていることから、ガラス基体の窪みに収容したＬＥＤ素子の発する光が窪みの内壁を通過し、広域範囲を照射することができる。また、反射膜および白色ガラスのように、ガラス基体の窪みの内壁周辺を透過して表面側に漏れない材質をガラス基体の表面に形成することによって、照射の指向性をより高くすることができる。また、集光レンズ部を設けることにより、ＬＥＤ素子から発光される光を効率良く集光でき、照度を上げることができる。さらに、ガラス基体の材料を白色ガラスにすることにより、ＬＥＤ素子から発光される光をガラス基体自体で反射することもでき、反射膜を別個に形成する必要がなく、低コストで高信頼性の発光デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の発光デバイスを説明するための模式的に示す上面図である。
【図２】本発明の発光デバイスを説明するための模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１と図２は、本発明の実施例に係る発光デバイス１を説明するための模式図である。発光デバイス１の断面図を図２に、発光デバイス１の上面図を図１に模式的に示す。発光デバイス１は、窪み５が形成されたガラスパッケージ（ガラス基体）２と、ガラスパッケージ２の窪み５の底部に設けられたリード電極４と、ダイボンディング材３を用いてガラスパッケージ２の窪み５の底部に配置され、リード電極４にワイヤーボンディングされたＬＥＤ素子６と、ＬＥＤ素子６の発光部に塗布した蛍光材７と、窪み５に収納されたＬＥＤ素子６を外気に対して密閉状態にする板状の透明ガラス９と、透明ガラス９の上に設けられた略半球状の集光レンズ部１０と、を備えている。
【００１４】
ガラスパッケージ２は略矩形薄板状をなしており、その中央部にはガラスパッケージ２の上面から裏面に向けて径が小さくなる略円錐台状の窪み５が形成されている。この窪み５の底部にはリード電極４が形成されている。
ＬＥＤ素子６の裏面電極を、ダイボンディング材３により窪み５の底部かつ中央部に形成されているリード電極４のアノード側と電気的に接続し、ＬＥＤ素子６の表面にある電極を、ワイヤー１１を用いたワイヤーボンディングにより窪み５に形成されたリード電極４のカソード側と電気的に接続する。
【００１５】
ガラスパッケージ２の上記略円錐台状の窪みの表面には、ＬＥＤ素子６からの光を反射する反射材として誘電体膜あるいは金属膜を形成できる。また、ガラスパッケージ２を構成するガラス材料に白色ガラスを用いることにより、ＬＥＤ素子６からの発光を反射することもできる。具体的には、ガラスの中に多数の微細な結晶を析出させたもので、結晶化ガラスを用いている。透明ガラスは可視光線のほとんどの波長を透過するが、さまざまな金属酸化物を微量添加すると一部の波長が吸収され、透明性を失って、析出した微細な結晶が入射光を散乱させ白色になる。前記金属酸化物としては、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、ＺｎＯ、ＴｉＯ2、ＺｒＳｉＯ4、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭＯ3、Ｃｒ2Ｏ3などがある。そのため、新たに反射膜を設ける必要がなくなり、製造が簡単になる。反射膜がないため膜の剥離を心配する必要がなくなり、信頼性の高い反射面を形成することができる。
【００１６】
ＬＥＤ素子６は、ダイボンディング材３を介してリード電極４のアノード側に実装される。ＬＥＤ素子６を加熱しながら押圧してＬＥＤ素子６の裏面電極とリード電極４のアノード側にはんだや金錫で接合する。また、ダイボンディング材３として、導電性接着剤を使用し、それを硬化させることによりＬＥＤ素子６を接合ことができる。ＬＥＤ素子６の表面には電極が形成されており、これがリード電極４のカソード側とワイヤーを介してボンディングされ、電気的に接続される
【００１７】
また、ダイボンディング工法として、転写方式、ディスペンス方式、スクリーン印刷等によりガラスパッケージ２の窪み５の底部のリード電極４にＡｇ等の金属を含有する導電ペーストを充填した後、ＬＥＤ素子６をダイマウントし、加熱し、固化させて、リード電極４とＬＥＤ素子６とを接合することもできる。
【００１８】
このように、ＬＥＤ素子６の裏面電極は、リード電極４のアノード側と導電性のダイボンディング材３とを介してパッケージ２の端子電極８に接続されているので、ＬＥＤ素子６で発生した熱はダイボンディング材３、リード電極４及び端子電極８を介して放熱される。これにより、ＬＥＤ素子６の温度上昇を抑制することができる。
【００１９】
ＬＥＤ素子６の発光部を覆うように蛍光材７が塗布されている。蛍光材７は青色のＬＥＤ素子に励起されて長波長の可視光を発し、例えば青色の発光色を白色等に変換することができる。また、蛍光材を混入する樹脂材にはシリコーン系の樹脂が用いられるが、蛍光材の混入量を変えることで、変換する波長領域を調整することができる。また、蛍光材を塗布せず、青色で使用することもできる。
【００２０】
ＬＥＤ素子６を外気に対して密閉状態にするためにガラスパッケージ２と透明ガラス９を貼り合わせ、ＬＥＤ素子を封入するためのキャビティを形成する。貼り合わせの方法は接合部に接着剤を使用する。接着剤は例えばエポキシ系樹脂が用いるが、より気密性を向上させるためには低融点ガラス接着剤を用いると良い。透明ガラス９をガラスパッケージ２に貼り合わせることにより、外部から不純物や水分等の混入を防止して、電極材料等が腐食することを防ぐことができる。また、線膨張係数が同じ低融点ガラス接着剤と透明ガラス９との接合面での剥離及びクラックは無く、信頼性を向上させることができる。また、図２に描いた透明ガラス９は板状のガラスであるが、後述する集光レンズ部１０に代えて同じく略半球状の集光レンズ部を兼ねる透明ガラスをガラスパッケージ２に貼り合わせても良い。
【００２１】
かかる低融点ガラスとして、（１）軟化点が５５０℃以下であること、（２）線熱膨張係数（ガラス単体）が７５〜８５×１０-7の範囲であること、（３）メルトしたガラスが透明であること、（４）鉛、ビスマスをガラス成分として含有しないこと、（５）耐水性、耐アルカリ性等の耐薬品性に優れることが望ましい。その結果、ＺｎＯ−ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ系、ＳｉＯ2−Ｎｂ2Ｏ5系、Ｂ2Ｏ3−Ｆ系、Ｐ2Ｏ5−Ｆ系、Ｐ2Ｏ5−ＺｎＯ系、ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−Ｌａ2Ｏ3系若しくはＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3系のガラスを採用することができる。
【００２２】
一般に上述した無鉛低融点ガラス粉末を有機ヴィヒクルと混合して適当なペースト状形態に調整して使用される。前記ペーストは、従来より慣用されている各種の方法、例えばスクリーン印刷法により直接塗布する方法、パターニングする方法、ドクターブレード法、ロールコート法、スクリーン印刷法、テーブルコーター、リバースコーター、スプレー法、グリーンシートの転写等により塗布施工した後、ガラスパッケージ２と透明ガラス９を貼り合わせ、約５００℃〜６００℃程度の温度で焼成し、気密性の高い接着をすることができる。
【００２３】
透明ガラス９の上面中央部には略半球状の集光レンズ部１０が突出形成されている。この集光レンズ部１０は、ＬＥＤ素子６からの発光を集光する凸レンズとしての働きを持つ。即ち、ＬＥＤ素子６から発した光は、そのまま上方に直進するものと、窪み５に形成された反射膜あるいは白色ガラスからなるガラスパッケージ２の窪み５の表面で反射してから上方に向かうものに分かれるが、略半球状の集光レンズ部１０で共に集光されるために高輝度の発光が得られることになる。なお、略半球状の集光レンズ部１０の曲率半径や形状、屈折率は、集光が得られる範囲では特に限定されるものではなく、集光レンズを必要としない発光デバイスの用途もある。
【００２４】
かかる略半球状の集光レンズ部１０として、ガラス成型したもの、ゾルゲルガラスで形成したもの、あるいは透明樹脂で成型したものが用いられる。ガラスのレンズに関しては、前記透明ガラス９とガラスパッケージ２との貼り合わせ方法と同様なので省略する。
【００２５】
樹脂からなる集光レンズ部１０の製造方法は成型金型を用いて、成型金型にエポキシ系樹脂を注ぎ込み、その上にガラスパッケージ２を所定の位置にフェイスダウンする。前記所定位置、つまり前記透明ガラス９の上面中央部に略半球状の集光レンズ部１０を形成した後、前記成型金型とガラスパッケージ２とを合体させた状態でキュア炉に入れて熱硬化させ、樹脂からなる集光レンズ部１０と透明ガラス９とを接着させる。
【００２６】
上記実施形態によれば、ＬＥＤ素子６を外気に対して密閉状態にする透明ガラス９とガラスパッケージ２とを接着することにより耐湿性、耐ガス性が向上し、これに伴う発光阻害等が効果的に防止される。
【００２７】
すなわち、従来において使用されていたエポキシ系樹脂等が備えている紫外線に対する悪特性あるいは弱特性に起因して、時間経過とともにその封止材が黄色に変色するといった不具合が回避されるのである。詳しくは、紫外線による変色に対してガラスは優れた特性を備えていることから、低融点ガラスで封止されたＬＥＤランプ等の発光デバイスが紫外線に晒されても、その封止材が黄色に変色するおそれは可及的に少なくなり、長期使用に対して良好な表示態様の鮮明度や見栄えの高品位を維持できることになる。
【００２８】
なお、本実施例では、ＬＥＤ素子６の裏面電極を、ダイボンディング材３によりガラスパッケージ２の窪み５の底部かつ中央部に形成されているリード電極４のアノード側と電気的に接続し、ＬＥＤ素子６の表面にある電極をワイヤーボンディングにより窪み５に形成されたリード電極４のカソード側と電気的に接続している。しかし、これに限定されず、ＬＥＤ素子６にフェイスダウン実装用のバンプ電極を形成し、ＬＥＤ素子６のバンプ電極をダイボンディング材３によりガラスパッケージ２のリード電極４に固定し、リード電極４と電気的に接続しても良い。
【００２９】
なお、上記実施例においては、発光デバイス１を１個形成する例として説明したが、大きなガラス基体を用いて発光デバイスを多数個同時に形成し、最後にスクライブ又はダイシングにより分離することができる。また、発光デバイス１の外形形状を、平面視で６角形やそれ以上の多角形に、あるいは円形にしてもよい。発光デバイス１は大判上で多数個同時に形成できるので、細密に配列できる外形形状が望ましい。
【符号の説明】
【００３０】
１  発光デバイス
２  ガラスパッケージ（ガラス基体）
３  ダイボンディング材
４  リード電極
５  窪み
６  ＬＥＤ素子
７  蛍光材
８  端子電極
９  透明ガラス
１０  集光レンズ部
１１  ワイヤー
【図１】
2012019149.tif 000003
【図２】
2012019149.tif 000004