(57)【要約】【課題】半導体発光素子の発光効率を著しく減少させないで半導体発光素子を４００℃以下で封止することができる発光素子被覆用ガラス粉末、それを用いたガラス被覆発光素子及びガラス被覆発光装置を提供する。【解決手段】発光ダイオードなどの半導体発光素子を４００℃以下で封止することのできる発光素子被覆用ガラスのガラス粉末は、レーザー回折式粒度分布測定による、ガラス粉末中の粒径１μｍ以下の粒子の相対粒子量が、１％以下であることを特徴とする。【選択図】図１
2009252987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子を４００℃以下で封止することのできる発光素子被覆用ガラス粉末であって、
レーザー回折式粒度分布測定による、前記ガラス粉末中の粒径１μｍ以下の粒子の相対粒子量が１％以下であることを特徴とする発光素子被覆用ガラス粉末。
【請求項２】
前記ガラス粉末は、ＴｅＯ２、Ｂ２Ｏ３、ＳｉＯ２若しくはＰ２Ｏ５の少なくとも１種以上をネットワークフォーマーとして含有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子被覆用ガラス粉末。
【請求項３】
前記ガラス粉末は、ＴｅＯ２−ＺｎＯ系、Ｂ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂｉ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＺｎＯ系、Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ系、Ｐ２Ｏ５−ＺｎＯ系、Ｐ２Ｏ５−ＳｎＯ系またはそれらから選択される二つ以上の複合系ガラスから選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子被覆用ガラス粉末。
【請求項４】
レーザー回折式粒度分布測定による粉末中の粒径１μｍ以下の粒子の相対粒子量が１％以下であるガラス粉末を用いて作製されたガラスによって被覆されたガラス被覆発光素子。
【請求項５】
前記ガラスの全光線透過率は８０％以上であることを特徴とする請求項４に記載のガラス被覆発光素子。
【請求項６】
前記ガラスの膨張係数は７０×１０−７〜１２５×１０−７／℃であることを特徴とする請求項４または５に記載のガラス被覆発光素子。
【請求項７】
基板と、
前記基板上に搭載される発光素子と、
レーザー回折式粒度分布測定による、粒径１μｍ以下の粒子の相対粒子量が１％以下であるガラス粉末を焼成することによって前記発光素子の表面及び側面を覆うガラスとを備えたガラス被覆発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガラスに関し、特に、発光素子を被覆するガラスのガラス粉末、それを用いて被覆されたガラス被覆発光素子及びガラス被覆発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体発光素子（例えば、発光ダイオード）を被覆する部材として、ガラスが提案されている。一般的にガラスでの封止温度は５００℃以上と高く、低温（４００℃以下）とすることが求められている。半導体発光素子を被覆するためのガラスを明確には記載していないが、低温での溶融環境下でも均質なガラス物品を得るためのガラス用混合原料を開示している文献もある（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−６９８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１は、ガラス原料を調合するときの混合原料についてその粒径（Ｄ５０が１０μｍ以下）を開示しており、調合された混合原料を一度溶解し、その後に粉砕して得られるガラス粉末（ガラスフリットとも言う）については何ら開示及び示唆をしていない。また、特許文献１は、開示したガラス用混合物が半導体発光素子を被覆するために用いられることを何ら開示及び示唆していない。
【０００５】
一般に、半導体発光素子は、大型のものであっても（Ｌ）１ｍｍ×（Ｗ）１ｍｍ×（Ｈ）０．２ｍｍと小さく、それを封止するためのガラスの量もわずかである。そのため、半導体発光素子を被覆するガラスにおいては、わずかな結晶や着色も半導体発光素子の発光効率を減少させるという問題がある。発明者の様々な実験によると、半導体発光素子の発光効率を減少させることなく半導体発光素子を４００℃で封止するためには、ガラス粉末時の粒径が大きく起因するという知見を得た。しかしながら、特許文献１ではそれについての開示及び示唆がないため、所望の発光効率を得られるガラス被覆発光素子を得られないという問題点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様の発光素子被覆用ガラス粉末は、レーザー回折式粒度分布測定による、ガラス粉末中の粒径１μｍ以下の粒子の相対粒子量が１％以下であることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の一態様のガラス被覆発光素子は、レーザー回折式粒度分布測定による粉末中の粒径１μｍ以下の粒子の相対粒子量が１％以下であるガラス粉末を用いて作製されたガラスによって被覆されたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の一態様のガラス被覆発光装置は、基板と、基板上に搭載される発光素子と、レーザー回折式粒度分布測定による、粒径１μｍ以下の粒子の相対粒子量が１％以下であるガラス粉末を焼成することによって発光素子の表面及び側面を覆うガラスとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体発光素子を４００℃以下で封止することができる発光素子被覆用ガラス粉末、それを用いたガラス被覆発光素子及びガラス被覆発光装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施形態を、添付した図面を参照して以下に詳細に説明する。図では、対応する部分は、対応する参照符号で示している。下記の実施形態は、一例として示されたもので、本発明の精神から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。
【００１１】
初めに、図面を用いて、ガラス被覆発光装置について説明する。
【００１２】
図１は、本発明のガラス被覆発光装置の断面図である。本発明のガラス被覆発光装置は、基板１００と、基板上に形成される配線１１０と、配線１１０と電気的に接続されるバンプ１２０と、バンプ１２０を介して配線１１０と電気的に接続される半導体発光素子（例えば、発光ダイオード）１３０と、半導体発光素子１３０を被覆する被覆部材であるガラス１４０とを有する。
【００１３】
基板１００は、例えば、純度９８．０質量％〜９９．５質量％、厚さ０．５ｍｍ〜１．２ｍｍの矩形のアルミナ基板またはマグネシア（ＭｇＯ）基板である。なお、基板１００の表面に形成される配線１１０は、金ペーストにより製造された金配線である。
【００１４】
半導体発光素子１３０は、基板と、ＬＥＤと、プラス電極と、マイナス電極とを有する。ＬＥＤは、波長が３６０〜４８０ｎｍの紫外光または青色光を放出するＬＥＤであり、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）である。基板の熱膨張係数（α）は、７０×１０−７〜９０×１０−７／℃である。通常、基板として熱膨張係数（α）が約８０×１０−７／℃であるサファイア基板が使用される。
【００１５】
次に、本発明の発光素子被覆用ガラスについて説明する。
【００１６】
本発明の発光素子被覆用ガラス粉末（ガラスフリット）は、所望の組成となるように調整されたガラス混合原料を溶解してガラス化し、そのガラスを粉砕して得られるものをいう。
【００１７】
本発明の発光素子被覆用ガラスの粉砕操作は、乾式で行うことが好ましい。湿式であると、混合した後の粒子の周りに、ＯＨ基が付着する。そのため、４００℃以下で焼成した後に、ガラスが黒色化してしまうおそれがある。乾式で操作を行う際の雰囲気としては、空気、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンキセノン、フッ素、塩素、臭素、ノックス（ＮＯｘ）、ソックス（ＳＯｘ）、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、塩素、水蒸気あるいはこれらのガスの混合雰囲気を採用してもよい。さらに、これらの気体の圧力は任意に変化させることが可能であり、大気圧下で行うものであっても、減圧状態下、高圧状態下で行うものであってもよい。
【００１８】
粒度分布の計測については、どのような原理であってもよいが、それぞれの粒子を分散した状態で測定することができる方法であって、測定結果の再現性が５％以内に収まる方法であり、ハンドリングによる個人差が出にくいものであれば好適である。例えば、縮分操作した試料によるレーザー回折計測装置による計測を採用するのが好ましい。また焼結した原料の計測の場合には、電子顕微鏡や各種微細構造の観測装置と得られた画像の解析装置等を併用することによって、粒度分布を計測することで代用することも可能である。本発明の発光素子を被覆するガラス粉末は、島津製作所社製レーザー回折式粒度分布測定装置（ＳＡＬＤ−２１００）を用いた測定において、粉末ガラス中の粒径１μｍ以下の粒子の相対粒子量が１％以下である。１％以上であると封止後のガラスが不透明になるおそれがある。１％以下が好ましく、０．１％以下がより好ましい。また、粉末ガラス中の粒径４５μｍ以下の粒子の相対粒子量が１０％以下であることが好ましい。１０％以上であると、プロセス条件によっては封止後のガラスが不透明になるおそれがある。一方、本発明の発光素子を被覆するガラス粉末は、ガラス粉末中の粒径２５０μｍ以上の粒子を含まないことが好ましい。２５０μｍ以上の粒子を含むと、ＬＥＤ素子を均質に封止できないおそれがある。
【００１９】
本発明の発光素子被覆用ガラスの粉砕操作は、所望の混合効果を実現することが可能であるならばどのような粉砕装置を使用することも可能である。特に好適なものとして、湿式粉砕を行うことができるものであればよい。例えば、ボールミル、媒体撹拌ミル、気流式粉砕機の何れかを使用して粉砕することが可能である。なお、あまりにも細かく粉砕することは、好ましくない粒径の粒子を多数発生させてしまう原因にもなるので、所望の粒径となった以降は、それ以上粉砕しないことが重要である。そのためにも、例えば、所望の粒子は通過させないような網目を有する篩を用いて、所望の粒子を取り出すという作業を行うことが好ましい。
【００２０】
ここで、ボールミルとは、すなわち、ボールと呼ばれるメディアとしてセラミックスや天然鉱石等を使用し、そのメディアを被粉砕物の表面へ繰り返し衝突させることで、被粉砕物を徐々に破砕、粉砕していく加工装置である。このボールミルとしては、最も一般的な円筒形や円錐形の容器内で粉砕を行う転動型のボールミル（狭義のボールミル）、ボールに微振動を付与することで微粉砕を行う振動ミル、ボールに加速を与えて粉砕効率を向上させた媒体遊星ミル等を含むものである。この装置を作動する環境内の酸素濃度、窒素濃度、二酸化炭素濃度等を調整することによって、本発明の製造方法を実現することもできる。また、媒体撹拌ミルとは、ボールミル同様にメディアを被粉砕物に衝突させるが、メディアを収納する容器内にディスクや翼状の回転体を設けてメディアに複雑な運動をさせるものであって、効率的な粉砕が可能となる粉砕装置である。媒体撹拌ミルとしては、一般にスタンプミル型、アニラーミル型、タワーミル型、サンドグラインダミル型、アトライタミル型等が使用可能である。さらに、気流式粉砕機とは、高速ジェット気流等によって被粉砕物を強制的に衝突させて粉砕を行う方式を採用した粉砕装置であって、粒度の揃った粉末を調整するに好適である。そして特に、本装置を利用する際には、利用するジェット気流そのものを高湿度環境に保持されるように調整した雰囲気とすることによって、所望の粉砕環境を実現することも可能である。また、前述の粉砕装置は、単独で使用してもよいし、他の粉砕装置などと接続することによって連続したプラント設備として利用することも可能であって、利用者の要望や、粉砕する封着材料の種類、量、用途などに応じて適宜選択することが可能である。
【００２１】
本発明の発光素子を被覆するガラスは、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組成物は、ガラス転位温度（Ｔｇ）が２８５℃〜３００℃の範囲にある。
【００２２】
本発明のガラス組成物の熱膨張係数（α）は、１３０×１０−７／℃以下であることが好ましく、１２８×１０−７／℃以下であることがより好ましい。また熱膨張係数（α）は、１１０×１０−７／℃以上であることが好ましく、１１５×１０−７／℃以上であることがより好ましい。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おそれがある。
【００２３】
本発明の発光素子を被覆するガラスは、ＴｅＯ２、Ｂ２Ｏ３、ＳｉＯ２若しくはＰ２Ｏ５の少なくとも１種以上をネットワークフォーマーとして含有する。具体的には、ＴｅＯ２−ＺｎＯ系、Ｂ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂｉ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＺｎＯ系、Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ系、Ｐ２Ｏ５−ＺｎＯ系、Ｐ２Ｏ５−ＳｎＯ系から選択される一つ、またはそれらから選択される二つ以上の複合系ガラスである。
【００２４】
本発明の発光素子を被覆するガラスの全光線透過率は、８０％以上であることが好ましい。８０以下であると、光取り出し効率が悪くなるおそれがある。
【実施例】
【００２５】
この実施例では、酸化物基準のモル％表記で、３０％のＰ２Ｏ５、６０％のＳｎＯ、６％のＺｎＯ、３％のＣａＯ及び１％のＢ２Ｏ３で構成されるＰ２Ｏ５−ＳｎＯ系ガラス粉末を用いた。例１〜例４は実施例であり、例５は比較例である。
【００２６】
次に、Ｐ２Ｏ５−ＳｎＯ系ガラス粉末を、媒体攪拌ミルを使用して攪拌した。なお、例１〜例４のガラス粉末については、攪拌されたガラス粉末を直径２５０μｍの網目を有する篩にかけ、粒径２５０μｍ以上のガラス粉末を再度篩にかけることをやめた。例５のガラス粉末については、アルミナ製直径３０ｍｍのアルミナボールを使用して、ボールミルにて攪拌した。
【００２７】
上述のように作製されたガラス粉末を焼成し、色調を調べた結果を表１に示す。なお、色調については、ガラスを目視して、極めてクリアを◎、かなりクリアを○、クリアを△、不透明を×とした。
【００２８】
【表１】
2009252987.tif 000003
【００２９】
表１からわかるように、ガラス粉末の粒径が７４μｍ以上は極めてクリアであり、１μｍ以上であれば発光素子被覆用として用いるのに十分な透明度を有することがわかった。
【００３０】
また、得られたガラス粉末について、粒度分布（単位：％）を、前述のレーザー回析式粒度分布測定装置を用いて測定した。
【００３１】
次に、金の配線パターンを形成したマグネシア基板（厚み：１ｍｍ、大きさ：７ｍｍ×５ｍｍ）と豊田合成社製ＬＥＤ（商品名：Ｅ１Ｃ６０−０Ｂ０１１−０３）に接続バンプを形成したものとを用意し、マグネシア基板にこのＬＥＤをフリップチップ実装した。そして、ガラスと基板との界面に発生する気泡を抑制するために、ＬＥＤを実装したアルミナ基板を
電気炉（ＩＲ加熱装置）に入れ、６００℃で加熱処理をした。昇温速度は３００℃／分、６００℃での保持時間は２分、降温速度は３００℃／分に設定した。なお、ガラスと基板との界面に発生する気泡は、ガラスを軟化させる場合、ガラスが基板表面に付着している有機汚染物質に反応して発生する。そして、この発生した気泡は、半導体発光素子から発した光を屈折させるので、発光装置の輝度を低下させたり、発光装置の配光分布を変化させるおそれがある。そのため、ガラスでＬＥＤを被覆する前に、ＬＥＤを搭載した基板を加熱し、基板表面に付着している有機汚染物質を減少させ、気泡の発生を抑制している。数々の実験によれば、加熱温度は、６００℃前後が好ましい。また、加熱時間は、ＬＥＤに対する熱の影響を考慮すると、２分間前後が好ましい。
【００３２】
このフリップチップ実装したＬＥＤの上に、ガラス粉末を５ｇ盛り付けた。その後、電気炉に入れ、毎分１００℃の速度で３７０℃まで昇温しその温度に数秒間保持した。
【００３３】
ＬＥＤを被覆しているガラスを目視観察したところその表面付近には泡は認められなかった。
【００３４】
例３のガラス粉末を用いて、このようにして得られたガラス被覆発光素子に直流電圧を印加したところ、青色の発光が確認できた。また、表２に示すように、封止前後の電流−電圧測定の結果や、外部量子収率（単位：％）も有意な差は無かった。このことからＬＥＤ素子発光層に損傷がないことがわかった。
【００３５】
【表２】
2009252987.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の光学素子被覆用ガラスは、液晶パネル用バックライト光源、一般照明や自動車用ヘッドライドなどに用いられるＬＥＤ素子の封止に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のガラス被覆発光装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１００：基板
１３０：発光素子
１４０：ガラス
【図１】
2009252987.tif 000005