JP5500904B2 - 発光装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はＬＥＤ素子を用いた発光装置の製造方法に関し、特に気密封止構造により高信頼性を実現した発光装置の製造方法に関する。

近年、ＬＥＤ素子を用いた発光装置が普及するにいたり、車載用、大型テレビ、ノートＰＣ等への需要が急速に拡大している。これに伴ってＬＥＤ素子を用いた発光装置に対する長寿命、高信頼性、省エネ等の要望が強くなっており、これを実現するための新しい技術開発が望まれている。

上記要望に対して色々な新しい技術開発が行われているが、例えば特許文献１には熱膨張に対する信頼性を高めるために、ＬＥＤ素子と熱膨張係数が近似している無機材質のサブマウント基板に実装したＬＥＤ素子の周囲を蛍光粒子を混入した樹脂層で被覆し、その周囲に樹脂性のレンズを接着して封止した発光装置が記載されている。

以下図２０により特許文献１に記載された発光装置について説明する。図２０において発光装置１００はＬＥＤ１１０と、ＬＥＤ１１０をフリップチップ実装したサブマウント基板１２０と、ＬＥＤ１１０の周囲に形成された蛍光粒子を含有した樹脂層１３０と、このサブマウント基板１２０をさらに固定した支持体１４０と、この支持体１４０の上面でＬＥＤ１１０及びサブマウント基板１２０を覆うレンズ１５０とを備える。そしてサブマウント基板１２０と支持体１４０とは共晶層を介して固定されており、またレンズ１５０は紫外線硬化型の接着層１７０により支持体１４０に固着されている。

また支持体１４０にはこれを貫通するスルーホール電極１４１が設けられており、支持体１４０の上面でスルーホール電極１４１にワイヤー１６０にてワイヤーボンディングされることにより、サブマウント基板１２０は支持体１４０の裏面に設けられた出力電極１４２と電気的に接続されている。また、レンズ１５０はＬＥＤ１１０の光を外部に効率良く取り出すために、曲面を形成している。

上記構成において、発光装置１００は例えばＬＥＤ１１０として青色ＬＥＤを使用し、樹脂層１３０としてＹＡＧ蛍光体を混入した波長変換樹脂層を使用した場合には、擬似白色発光装置として使用することができる。

また、特許文献２には薄型パッケージを目的として、ガラス基板上に実装された有機ＥＬ素子に、平板ガラスにサンドブラスト法やエッチング法によって凹部加工を行ったガラス蓋を紫外線硬化型の接着剤で固着して封止した有機ＥＬパネルが記載されている。

特開２００７−２４３０７６号公報（図１参照） 特開２００１−２９７８７８号公報（図２、図３参照）

上記するように特許文献１に示す発光装置は、ＬＥＤ素子と熱膨張率が近似している無機材質のサブマウント基板にＬＥＤ素子をフリップチップ実装し、その周囲に樹脂層を設けているため、放熱性や熱ひずみ等の温度特性に優れ、またレンズを用いて気密封止することによって長寿命、高信頼性を図っていることは事実だが、まだ十分とはいえないものである。

まず、気密封止を行うレンズが樹脂製であり、この樹脂レンズを紫外線硬化型の接着剤を用いて固着しているが、このように樹脂製のレンズや接着剤を用いた封止構造は気密性が弱く、長時間の間には気密性が損なわれてしまい、期待する長寿命、高信頼性を維持することは困難である。また、ＬＥＤ素子を実装したサブマウント基板を第２の基板である支持体に接着してからレンズによる封止を行っているので、構造が大きくなり、小型、薄型化の期待に添えないものである。

また、特許文献２に記載された有機ＥＬパネルは、有機ＥＬ素子の表示を透視するための透明なガラス基板上に実装された有機ＥＬ素子に、平板ガラスにサンドブラスト法やエッチング法によって凹部加工を行ったガラス蓋を紫外線硬化型の接着剤で固着して封止しており、薄型パッケージ構成にはなっている。

しかし、特許文献２のように平板ガラスにサンドブラスト法やエッチング法によって凹部加工を行ったガラス蓋は、凹部加工によってガラス蓋全体に凹凸形状ができるため内部応力が発生し、その内部応力によってガラス蓋に反りやクラックが発生する。このガラス蓋に生ずる反りは、ガラス蓋とガラス基板を固着する時の接触面に隙間を生じ、固着部での気密性を損なう原因となる。

この気密性の問題は特許文献２のように紫外線硬化型の有機接着剤による場合は、接着剤に隙間を埋める効果があるため問題は小さいが、より高い気密性が要求されるＬＥＤ素子の封止の場合には、ガラス蓋と無機材質基板の固着に共晶接合等の金属間接合を行う必要があり、この金属間接合の場合にはガラス蓋の反りによる密着不良は致命的な問題となる。

本発明の目的は、上記問題点を解決し、ガラス蓋と無機材質基板の固着を共晶接合等の金属間接合で行う発光装置の加工歪みや、平板ガラスに凹部加工を行ったガラス蓋の内部応力を緩和することによって、ガラス蓋の反りを低減し、十分な長寿命、高信頼性を達成すると共に、小型、薄型化を達成することができるＬＥＤ素子を用いた発光装置の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の製造方法は、無機材質基板上にＬＥＤ素子を実装し、前記無機材質基板上のＬＥＤ素子実装領域の周囲に平板ガラスに凹部形成したガラス蓋を被せて金属溶着により封止する発光装置の製造方法において、
前記無機材質基板は各パターンが形成された基板であり、この基板の各パターンにフリップチップ実装したＬＥＤ素子に波長変換層を設けた発光部を形成すると共に、接着層としてＡｕ層を形成する基板製造工程と、
平板ガラスにサンドブラスト加工によってガラス蓋となる凹部を形成すると共に、接着層としてＡｕＳｎ層を形成するガラス蓋製造工程と、
前記ガラス蓋を平坦な金属またはセラミックの支持基板で支持して平坦化を行う平坦化処理工程と、
前記発光装置の組み立て加工によって生じた応力を緩和するための熱処理加工であって、
前記ガラス蓋を、加熱炉にいれてガラス歪温度Ｔｈより高いガラス応力緩和温度Ｔｇで所定の時間だけ加熱するガラス応力緩和処理工程と、
前記基板と前記ガラス蓋とを重ね合わせて加熱することにより、Ａｕ―Ｓｎ共晶接合によって発光装置を構成するガラス蓋接着工程とを有することを特徴とする。

上記製造方法によれば、ガラス蓋の凹部加工や無機材質基板とガラス蓋との金属溶着による加工歪を緩和して発光装置の信頼性を高めると共に、製品歩留まりを高めることで製造価格の廉価を行うことができる。

前記応力緩和処理は前記無機材質基板にガラス蓋を被せて金属溶着を行った後、金属溶着材料の溶融温度より３０〜５０℃低い温度で熱処理加工をおこなう総合応力緩和処理であると良い。

前記応力緩和処理は凹部加工を行った前記ガラス蓋に対して、ガラス蓋のガラス歪温度より１〜３０℃高い温度で熱処理加工行うガラス応力緩和処理であると良い。

上記の如く、ガラス応力緩和処理と、総合応力緩和処理とを行うことにより、ガラス蓋単体での応力緩和と両者を金属溶着した後の総合的な応力緩和を行うことで、さらに発光装置の信頼性を高めることができる。

前記ガラス応力緩和処理は前記凹部加工を行ったガラス蓋の下に平板状の金属またはセラミックの支持基板を当てる平坦化処理状態にて行うと良い。

前記平坦化処理は、さらに凹部加工を行ったガラス蓋の上に平板状の金属またはセラミックの加圧基板を載せて行うと良い。

前記ガラス応力緩和処理の前に凹部加工を行ったガラス蓋の凹部内に湿式エチングを行う凹部内エッチング処理を行うと良い。

前記無機材質基板とガラス蓋とは熱膨張係数の近似した材料を使用すると良い。

以上のように本発明は、ガラス蓋と無機材質基板の固着を共晶接合等の金属間接合で行うＬＥＤ素子を用いた発光装置において、金属間接合された発光装置や平板ガラスに凹部加工を行ったガラス蓋に対し、内部応力の緩和処理をすることによって発光装置やガラス蓋の反りを低減し、接着性の改善による十分な長寿命、高信頼性を達成すると共に、小型、薄型化を達成することが可能となる。

本発明の第１実施形態における発光装置の断面図である。 図１に示す発光装置の製造工程を示す工程図である。 図１示す発光装置に用いられるガラス蓋の加工工程を示す工程図である。 図１示す発光装置に用いられるガラス蓋の加工工程を示す工程図である。 図１に示す発光装置の製造工程を示す工程図であり、各要素の断面を示している。 総合応力緩和処理における、熱処理加工の条件を示す特性図である。 ガラス蓋接合行程と総合応力緩和工程とを連続的に行う熱処理加工の条件を示す特性図である。 本発明の第２実施形態における発光装置の製造工程を示す工程図である。 図７に示すガラス蓋製造工程の詳細工程図である。 図７示す発光装置に用いられるガラス蓋の加工工程を示す工程図である。 ガラス応力緩和処理における、熱処理加工の条件を示す特性図である。 本発明の第３実施形態におけるガラス蓋製造工程の詳細工程図である。 本発明の第３実施形態におけるガラス蓋の加工工程を示す工程図である。 本発明における無機材質基板とガラス蓋との特性及び組み合わせを示す特性表である。 本発明の第４実施形態における、ガラス蓋を同時に複数個作成するための大判平板ガラスの斜視図である。 本発明の第４実施形態における無機材質基板を同時に複数個作成するための大判基板の斜視図である。 図１４に示す大判の平板ガラスの平坦化工程を示す斜視図である。 図１６に示す平板ガラスのガラス応力緩和工程を示す断面図である。 本発明の第４実施形態における大判発光装置の斜視図である。 図１８に示す大判発光装置を切断分離して、完成した発光装置の斜視図である。 従来技術における発光装置の断面図である。

以下、本発明の実施形態の発光装置の製造方法について図面により説明する。図１〜図６は本発明の第１実施形態における発光装置の製造方法を示すものであり、図１は発光装置の断面図、図２は図１に示す発光装置の製造工程を示す工程図、図３ａ、図３ｂは図１に示す発光装置に用いられるガラス蓋の加工工程を示す工程図、図４は図１に示す発光装置の加工工程を示す工程図、図５は総合応力緩和処理における、熱処理加工の条件を示す特性図である。

図１は発光装置１０の断面図であり、無機材質基板２の上面側には配線パターン２ａ、裏面には出力電極２ｂが形成されており、上面側の配線パターン２ａと裏面の出力電極２ｂとはスルーホール２ｃによって接続されている。そし無機材質基板２の配線パターン２ａにはＬＥＤ１がフリップチップ実装（以後ＦＣ実装と略記する）されており、このＬＥＤ１の周囲は蛍光粒子を混入した樹脂層よりなる波長変換層３が被覆されている。さらに無機材質基板２の上面側におけるＬＥＤ素子１の実装領域の周囲に形成された接着層４により、ガラス蓋５を接合封止することにより発光装置１０が完成する。

なお、本実施形態における無機材質基板２とガラス蓋５とを接合する接着層４は、無機材質基板２に形成した溶着下地層４ａ（Ａｕ）と、ガラス蓋５に形成した溶着下地層４ｂ（ＡｕＳｎ）と、３００℃の加圧条件下においてＡｕ―Ｓｎの共晶接合を行うことによって形成される溶融層４ｃにより構成され、この共晶接合によって無機材質基板２とガラス蓋５とが溶着封止される。

次に図２により、発光装置１０の製造工程を説明する。まず基板工程においては無機材質基板２としてはＡＩＮ（窒化アルミ）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミ）、Ｓｉ（シリコン）等の無機材質基板を使用し、この無機材質基板２にはＬＥＤ素子１をＦＣ実装するためのＡｕＳｎ電極、ガラス蓋５を接着するための溶着下地層４ａとしてＡｕ層を形成しておく。また、ＬＥＤ素子工程としては、ＬＥＤ素子１にＦＣ実装するためのＡｕバンプ１ａを形成しておく。ＦＣ実装工程においては無機材質基板２の配線パターン２ａとＬＥＤ素子１のＡｕバンプ１ａとを位置決めし、３００℃の加圧条件下において、Ａｕ―Ｓｎの共晶接合によってＦＣ実装をおこなう。波長変換層被覆工程においては、蛍光体成形工程において作成した、蛍光体粒子混入のシリコン樹脂成形による蛍光体キャップをＬＥＤ素子１に被せるか、または蛍光体粒子混入のシリコン樹脂をディスペンサーやスキージーによりＬＥＤ素子１に直接被覆を行うことによって波長変換層３を形成する。

ガラス蓋製造工程においては平板ガラスにサンドブラスト加工等によって凹部を形成するガラス蓋加工工程、凹部加工されたガラス蓋の凹部周辺にＡｕＳｎの溶着下地層を形成する溶着下地層形成工程とを有する。ガラス蓋接合工程においては無機材質基板２に形成した溶着下地層４ａ（Ａｕ）と、ガラス蓋５に形成した溶着下地層４ｂ（ＡｕＳｎ）により、３００℃の加圧条件下においてＡｕ―Ｓｎの共晶接合によって無機材質基板２とガラス蓋５とを溶着する。なおこのガラス蓋接合工程を真空中、または不活性ガス中で行うことにより、封止されたケース内部を真空または不活性ガス雰囲気にして、ＬＥＤ素子１及び有機材質であるシリコン樹脂によって形成された波長変換層３の劣化を防止することができる。

最後に総合応力緩和工程においては、ガラス蓋加工工程によってガラス蓋に生じた応力歪みや、ガラス蓋接合工程によって無機材質基板２とガラス蓋５の内部及び接合部分に生じた応力歪みを緩和するための熱処理加工を行った後、図示は省略したが特性測定工程において完成した発光装置１０の電気的特性及び色度測定を行いその結果に従ってランク分けを行う。

上記発光装置の製造方法において応力緩和処理が必要な理由に付いて説明する。まずガラス蓋加工工程で平板ガラスに凹部を形成した場合、ガラス蓋５の形状が凹部の面積が広く、上部平面の面積が狭くなるため、この凹部と平面部との面積が大きく異なることによって加熱や冷却時に凹部を形成する凹部の壁、壁の付け根の部分に応力が発生する。また凹部の切削加工にサンドブラスト法を用いた場合には、他の切削法に比べて切削速度が速く、加工時間が短くなるメリットがあるが、強い加工力によって応力が大きくなり、また凹部内面にマイクロクラックが発生し易くなるため、応力緩和処理の必要性が高い。

またガラス蓋５と無機材質基板２との熱膨張係数の違いや各部材の蓄積応力の違いを緩和するためにも応力緩和処理が必要であり、さらにガラス蓋５と無機材質基板２との接合時に発生する無機材質基板２の反りにより発光素子への悪影響、すなわち発光素子と無機材質基板２との接続の不安定化、及び発光素子の応力による劣化等の問題に対して応力緩和処理の必要性がある。

次に図２に示すガラス蓋製造の工程図を参照し、図３ａ、図３ｂを用いてガラス蓋５の製造工程を説明する。図はガラス蓋製造の各工程における要素の断面を示し、図３ａはガラス蓋加工工程、図３ｂは溶着下地層形成工程以下の各工程を示している。まず図３ａにおける工程Ａ、工程Ｂは図２のガラス蓋加工工程に対応し、工程Ａは平板ガラス５０にガラス蓋５の凹部５ａに対応する開口部１５ａを有するマスク１５を取り付ける。次に工程Ｂにおいてサンド粒子２５を高圧で噴射するサンドブラスト加工により凹部５ａを形成する。なお、サンド粒子２５の噴射によって形成される凹部５ａの内部の形状は、コーナーには丸みが形成され、内面全体には凹凸による梨地模様が形成される。

このときのマスクとしては樹脂レジストやメタルマスクが使用され、サンド粒径、噴射速度、噴射時間を調整することにより凹部５ａの形状は任意に形成することができる。また工程Ｂの凹部加工は実施例に示したサンドブラスト加工方式に限定されず、その他の方法としてはスパッタエッチング方式、イオンエッチング方式、フッ素酸水溶液を用いた湿式エッチング方式等により行うことができる。

次に図３ｂの工程Ｘは図２の溶着下地層形成工程に対応し、工程Ｙ、工程Ｚは必要に応じて用いる分離、単個化工程である。工程Ｘではマスクエッチング技術を用いてガラス蓋５の凹部５ａの周囲にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕ等の金属の下地処理を行った後に溶着下地層４ｂとしてのＡｕＳｎ層を形成する。次に工程Ｙにおいて、ダイヤモンドブレードやレーザースクライバ等の切断手段３９を用いて切断することにより、工程Ｚに示す如く個々のガラス蓋５に分離される。なお、次のガラス蓋接合工程には必要に応じて工程Ｘの集合体のガラス蓋で供給する場合や、工程Ｚの単個のガラス蓋で供給する場合がある。

次に発光装置１０の製造方法を説明する。図４は発光装置１０の製造工程を示すもので、各要素の断面を示している。すなわち基板工程Ａは図２の基板製造工程に対応しており、無機材質基板２に配線パターン２ａ、スルーホ−ル２ｃ、出力電極２ｂと、ガラス蓋５に接合するための溶着下地層４ａとしてＡｕ層が形成されている。エレメント実装工程Ｂは図２のＦＣ実装工程と波長変換層被覆工程に対応しており、無機材質基板２の配線パターン２ａにＬＥＤ１がＡｕバンプ１ａによってＦＣ実装され、ＬＥＤ１の周囲に波長変換層３として、シリコン樹脂成形によって作成した蛍光体キャップを被せて被覆することにより、発光部１０ａが構成される。

ガラス蓋接合工程Ｃは図２のガラス蓋接合工程に対応しており、無機材質基板２と図３ｂに示したガラス蓋５とを重ね合わせ、上下を２枚のヒーター基板３７，３８で挟み、加圧焼成することにより溶着接合を行う。すなわち、図３ｂで作成されたガラス蓋５の接合面５ｂに形成されたＡｕＳｎの溶着下地層４ｂと、無機材質基板２に形成されたＡｕの溶着下地層４ａとによるＡｕ―Ｓｎの共晶接合を行うことにより、発光装置１０の機密封止が行われる。
なお、図４に示す如く複数のＬＥＤ１を実装した1枚の無機材質基板２と、複数のガラス蓋５を形成した1枚の平板ガラス５０とを積層した後、分割して複数の発光装置１０を製造する場合には、図３ｂに示す如くダイヤモンドブレードやレーザースクライバ等の切断手段３９を用いて切断するときに、切断部分に金属部材が存在すると切断の際に金属切断粉が発生して不良の原因となる。これを出来るだけ防止するために、隣接する発光装置１０間の切断部分の幅に対して出力電極２ｂ間の幅は十分大きくし、また接着層４（溶着下地層４ａ、４ｂ）間の幅を略等しくしている。これは無機材質基板２とガラス蓋５との溶着面積を出来るだけ広く確保するためである。

上記ガラス蓋接合工程における溶着下地層の形成について説明する。無機材質基板２とガラス蓋５を溶着接合するために形成される溶着下地層としては、溶着下地層４ａのＡｕ層と、溶着下地層４ｂのＡｕＳｎ層とは無機材質基板２とガラス蓋５に対して、各々どちらを形成しても共晶結合は行われることになる。しかし本願発明において、より良好な接合条件を得ることを考慮すると以下のようになる。すなわち、無機材質基板２は回路基板の機能を有するため配線パターン等の凹凸形状があり、さらに回路部品等の熱伝導率の異なる部材が点在しているため温度分布が発生し易い構造となっている。これに対しガラス蓋５はガラス応力緩和処理や平坦化処理が行われることによって平坦で温度分布が少ない構造となっている。従って本願発明の実施形態においては、共晶接合においてＡｕＳｎを均一に溶融し易くするためガラス蓋５にＡｕＳｎ、無機材質基板２にＡｕを溶着下地層として形成している。

このガラス蓋接合工程Ｃの条件としては接着層（ＡｕＳｎ）の溶着温度Ｔｙ（３００〜３２０℃）より少し高い温度（Ｔｙ＋３０℃）で約１分間加熱することによりおこなわれる。またこのガラス蓋接合工程Ｃを真空中または不活性ガス雰囲気中で行うことで、気密封止による信頼性がさらに増すことは前述の通りである。

次に総合応力緩和工程Ｄは図２の総合応力緩和工程に対応しており、ガラス蓋接合工程Ｃで気密封止された発光装置１０を電気炉に入れ、電気炉の温度を上昇させて接着層の溶着温度Ｔｙより少し低い総合応力緩和温度Ｔｓ（Ｔｙ−３０〜−５０℃）で熱処理加工を行うことによって、ガラス蓋５の凹部加工歪み、Ａｕ―Ｓｎの共晶接合によってガラス蓋５と無機材質基板２の内部に発生した加工歪み等を全て緩和する総合応力緩和処理が行われる。

なお、この総合応力緩和処理はその効果をさらに高めるために平坦化処理を同時に行うと良い。すなわち平坦化処理とは図４に示す如く、下側に平坦な金属あるいはセラミックの支持基板３５を当て、上側にも同じく平坦な金属あるいはセラミックで、ある程度大きい重量の加圧基板３６を載せる。以上が平坦化工程で、この支持基板３５や加圧基板３６の目的はガラス蓋５や無機材質基板２によって組み立てられた発光装置１０に発生したうねり（凹凸）や反りを強制する平坦化処理を行うためのものであり、平坦化の効果を得るためには、平坦度が良いことに加え、ある程度の重量が必要である。
また、この平坦化処理は支持基板３５のみを用いても良い。すなわち、平坦な支持基板３５の上に発光装置１０を載せて熱処理することによって、発光装置１０が自重によって支持基板３５の平坦度に馴染むことで、発光装置１０が平坦化される。

次に図５により、総合応力緩和処理の条件について説明する。図５は総合応力緩和処理における、熱処理加工の条件を示す特性図であり、横軸に時間、縦軸に温度を示す。気密封止された発光装置１０を電気炉に入れ、電気炉の温度を上昇させて行き、ｔ１点で接着層の溶着温度Ｔｙ（３００〜３２０℃）よりΔｔｓだけ低い、総合応力緩和温度Ｔｓ（Ｔｙ−Δｔｓ）に達し、この温度Ｔｓでｔ２点まで、約１００分の熱処理加工を行う。そしてｔ２点より５℃／分の速度で温度を低下させ、約５０分間の徐冷処理を行う。さらにｔ３点から常温へと復帰させる。なお、総合応力緩和温度Ｔｓは、Ａｕ―Ｓｎ共晶後の溶着層が溶けださない温度であり、溶着温度Ｔｙとの温度差Δｔｓは−３０℃から−５０℃が望ましい。

以上が、総合応力緩和処理のための熱処理工程であり、この総合応力緩和処理によって発光装置１０に発生した加工による内部歪みが緩和され、さらに平坦化処理を併用することによって発光装置１０の各構成要素に発生したうねり（凹凸）や反りを改善することができる。さらに図示は省略したが、図４の工程Ｄによって総合応力緩和処理が行われた発光装置をダイヤモンドブレードやレーザースクライバ等の切断手段を用いて切断、分離することにより、図１に示す単個の発光装置１０が完成する。

次に図４におけるガラス蓋接合工程と総合応力緩和工程とを連続的に行う方式に付いて説明する。図６はガラス蓋接合工程と総合応力緩和工程とを連続的に行う熱処理加工の条件を示す特性図であり、横軸に時間、縦軸に温度を示す。まずガラス蓋接合工程として無機材質基板２とガラス蓋５とを重ね合わせ、加圧状態において電気炉にいれ、電気炉の温度を上昇させ、ｔ１点において接着層の溶着温度Ｔｙより少し低い温度で余熱を行う。次にｔ２点より溶着温度Ｔｙより少し高い接合温度Ｔｃ（Ｔｙ＋３０℃）でｔ３点まで約１分間加熱することによりガラス蓋の接合が行われる。

次にｔ３点より温度を溶着温度Ｔｙより少し低い総合応力緩和温度Ｔｓまで低下させ、この総合応力緩和温度Ｔｓでｔ４点まで、約１００分の熱処理加工を行う。そしてｔ４点より５℃／分の速度で温度を低下させ、約５０分間の徐冷処理を行い、ｔ５点から常温へと復帰させる。上記のように１つの電気炉を用いてガラス蓋接合工程と総合応力緩和工程とを連続的に行うことによって、工程時間の短縮による製造コストの廉価が可能となる。

次に本発明の第２実施形態における発光装置の製造方法を説明する。図７から図１０は第２実施形態における発光装置の製造方法示すものであり、図７は発光装置の製造工程を示す工程図、図８は図７に示すガラス蓋製造工程の詳細工程図、図９はガラス蓋の加工工程を示す工程図、図１０はガラス応力緩和処理における、熱処理加工の条件を示す特性図である。

図７は、第２実施形態における発光装置の製造工程示す工程図であり、基本的工程は図２に示す第１実施形態における発光装置１０の工程図と同じであり、重複する説明を省略する。すなわち図７の工程図において図２の工程図と異なるところはガラス蓋製造工程だけであり、図７の工程図においては、ガラス蓋加工工程と溶着下地層形成工程との間にガラス応力緩和工程が追加されたことである。従ってガラス蓋接合工程においては、無機材質基板２に対してガラス応力緩和がなされたガラス蓋５が溶着接合されることになる。

次に図８及び図９によりガラス蓋５の具体的製造方法を説明する。図８はガラス蓋製造工程の詳細工程図であり、ガラス蓋加工工程の次に平坦化工程を行い、この平坦化工程の状態のままでガラス応力緩和工程を行い、さらに溶着下地層成形工程を経てガラス蓋接合工程に供給される。以上の工程を図９の工程図により説明する。図９はガラス蓋の各工程における断面を示しており、基本的には図３ａの工程図と同じである。従って同じ工程には同じ工程記号を付し、重複する説明を省略する。

図９において工程Ａ、工程Ｂは図８のガラス蓋加工工程に対応しており、図３ａの工程Ａ,工程Ｂと同じである。工程Ｃが図８の平坦化工程とガラス応力緩和工程に対応し、凹部加工をおこなった平板ガラス５０を、凹部５ａを上向きにして下側に平坦な金属あるいはセラミックの支持基板３５を当て、上側にも同じく平坦な金属あるいはセラミックで、重量が平板ガラス５０の自重の数倍程度の加圧基板３６を載せる。以上が平坦化工程で、この加圧基板３６の目的は平板ガラス５０のうねり（凹凸）や反りを強制する平坦化処理をおこなうための重りであり、平坦化の効果を高めるためにはある程度の重量が必要である。また、この平坦化処理は支持基板３５のみを用いても良いことは、発光装置１０における平坦化処理の場合と同様である。
次にガラス応力緩和工程として、平坦化処理状態で平板ガラス５０を電気炉にいれ加熱による凹部加工歪の除去をおこなう。

ここで図１０によりガラス応力緩和処理の条件について説明する。図１０はガラス応力緩和処理における、熱処理加工の条件を示す特性図であり、横軸に時間、縦軸に温度を示す。平坦化工程状態における平板ガラス５０を電気炉に入れ、電気炉の温度を上昇させて行き、ｔ１点でガラス歪温度Ｔｈ（５００〜６００℃）よりΔｔｇだけ高いガラス応力緩和温度Ｔｇ（Ｔｈ＋Δｔｇ）に達し、この温度Ｔｇでｔ２点まで、約３０〜６０分の熱処理を行う。そしてｔ２点より５℃／分の速度で温度を低下させ、約１００分間の徐冷処理を行う。さらのｔ３点から常温へと復帰させる。
なお、ガラス応力緩和温度Ｔｇは、ガラスの歪を防止できるガラス歪温度ＴｈよりΔｔｇだけ高い温度で処理することによって、積極的に応力緩和を行うものであり、ガラス歪温度Ｔｈとの温度差Δｔｇは＋１℃から＋３０℃が望ましい。
以上が、ガラス応力緩和処理のための熱処理工程であり、このガラス応力緩和処理によってガラス蓋５に発生した凹部加工による内部歪みが緩和され、さらに平坦化処理を併用することによってガラス蓋５に発生したうねり（凹凸）や反りを改善することができる。

この図９におけるガラス応力緩和工程Ｃが終了後は図３ｂの工程となり、工程Ｘで溶着下地層４ｂが形成された後に、次のガラス蓋接合工程には必要に応じて工程Ｘの集合体のガラス蓋で供給する場合や、工程Ｚの単個のガラス蓋で供給する場合がある。

次に本発明の第３実施形態における発光装置の製造方法を説明する。図１１、図１２は第３実施形態における発光装置の製造方法示すものであり、図１１はガラス蓋製造工程の詳細工程図、図１２はガラス蓋の加工工程を示す工程図である。

図１１のガラス蓋製造工程において、基本的工程は図８に示す第２実施形態におけるガラス蓋製造工程の詳細工程図と同じであり、図８と重複する説明を省略する。すなわち図１１の工程図において図８の工程図と異なるところは、ガラス蓋加工工程と平坦化工程との間に凹部内エッチング工程が追加されたことである。ここで図１２により第３実施形態におけるガラス蓋製造工程の詳細を説明する。

工程Ａ,工程Ｂのガラス蓋加工工程は図９に示す第２実施形態におけるガラス蓋加工工程と同じである。工程Ｃは図１１の凹部内エッチング工程に対応しており、工程Ｂにおいてサンドブラスト加工によって形成された平板ガラス５０の凹部５ａの内部を、エッチングマスク１６を用いたフッ素酸水溶液の湿式エッチング方式等により凹部内エッチング処理を行う。この凹部内エッチング処理を行うことで、切削速度の速いサンドブラスト加工によって形成された凹部５ａの荒い凹凸形状やマイクロクラックが滑らかな面状態に修正され、その後の加工によって生じる割れ等のトラブルやガラス蓋に残る応力歪みが減少する。すなわち、この凹部内エッチング処理は平板ガラス５０の凹部加工を切削速度の速いサンドブラスト加工で行い、その結果生じたマイクロクラックや応力歪を緩和するために行うものである。

工程Ｄは図１１の平坦化工程及びガラス応力緩和工程に対応しており、工程Ｃによって凹部内エッチング処理された平板ガラス５０の上下を支持基板３５，加圧基板３６で挟んだ平坦化処理状態において、図９の工程Ｃと同様なガラス応力緩和処理を行う。このガラス応力緩和工程Ｄが終了後は図３ｂの工程となり、工程Ｘで溶着下地層４ｂが形成された後に、次のガラス蓋接合工程には必要に応じて工程Ｘの集合体のガラス蓋で供給する場合や、工程Ｚの単個のガラス蓋で供給する場合がある。

上記の如く無機材質基板２とガラス蓋５とを重ね合わせて共晶接合を行う発光装置の製造においては、凹部加工を行ったガラス蓋に加工歪や、うねり（凹凸）や反り等の変形が発生することによって、接合封止の歩留まりが著しく低下する問題がある。そこで本願発明における応力緩和処理と平坦化処理を行うことによって、この歩留まり低下を改善することができる。

すなわち加工歪や、加工変形を有するガラス蓋と平坦な無機材質基板とによって共晶接合を行う場合には、共晶接合時にガラス蓋の変形量を強制するための大きな加圧が必要となり、この共晶接合時における大きな加圧によって共晶接合済みの発光装置に大きな加工歪みが残り、溶着部の面積低下による信頼性の低下を来すだけでなく、封止不良等の原因にもなっている。さらに大きな加圧は溶接装置を大型化及び高価にすると同時に寿命を短くする問題もある。

これに対し、本願発明では凹部加工を行ったガラス蓋に対し、応力緩和処理によりガラス蓋の内部に生じた歪みを取り除き、さらに平坦化処理によってガラス蓋の変形を修正することによって平坦な無機材質基板との密着性を改善し,発光装置の溶着封止に対する信頼性を高め、かつ溶接装置の小型化、長寿命化を達成するものである。

次に無機材質基板２とガラス蓋５との組み合わせについて説明する。図１３は無機材質基板２とガラス蓋５との特性及び組み合わせを示す特性表であり、無機材質基板２の３種類を表１に、またガラス蓋５の３種類を表２に示し、表１及び表２の間に設けた矢印は組み合わせを示している。すなわち表１には無機材質基板２の基板材料としてＡＩＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ（シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミ）の３種類について熱伝導率、線膨張係数を示しており、また表２にはガラス蓋５のガラス材料としてホウケイ酸ガラス（１）、ホウケイ酸ガラス（２）、ホウケイ酸クラウンガラスの３種類について線膨張係数を示している。

表１及び表２について線膨張係数に着目すると、無機材質基板２の基板材料ではＡＩＮが４４［×１０−７／℃］、Ｓｉが３０［×１０−７／℃］、Ａｌ２Ｏ３が７４［×１０−７／℃］でるのに対し、ガラス蓋５のガラス材料であるホウケイ酸ガラス（１）が４７［×１０−７／℃］、ホウケイ酸ガラス（２）が３３［×１０−７／℃］、ホウケイ酸クラウンガラスが７４［×１０−７／℃］であることがわかる。これらの各３種類の材料の関係を見ると、矢印で示す如く無機材質基板２の基板材料であるＡＩＮが線膨張係数４４［×１０−７／℃］に対して、ガラス蓋のガラス材料であるホウケイ酸ガラス（１）が４７［×１０−７／℃］で近似した値を示しており、また基板材料Ｓｉの線膨張係数が３０［×１０−７／℃］であるのに対し、ガラス材料のホウケイ酸ガラス（２）が３３［×１０−７／℃］と近似しており、同様に基板材料Ａｌ２Ｏ３の線膨張係数が７４［×１０−７／℃］でるのに対しガラス材料のホウケイ酸クラウンガラスの線膨張係数が７４［×１０−７／℃］と近似している。

図２で説明したように、無機材質基板２とガラス蓋５とをＡｕ−Ｓｎ共晶接合を行う場合には３００℃の高温となるため、無機材質基板２とガラス蓋５との線膨張係数が異なると線膨張係数の差によって割れや欠けのトラブルが発生するので、この無機材質基板２とガラス蓋５との線膨張係数はできるだけ近似した材料を選定する必要がある。この意味において表１，表２に示す如く矢印によって示されている材料の組み合わせが望ましいことがわかる。また表２に示すガラス材料で、市場で入手可能な材料としてホウケイ酸ガラス（１）としては「ＶＩＤＲＥＸ（登録商標）」（株式会社ビートレックスの商品名）があり、またホウケイ酸ガラス（２）としては「パイレックス（登録商標）」（コーニング社の商品名）がこの特性を有するものである。

次に図１４から図１９により本発明の第４実施形態における集合基板方式による発光装置１０の製造方法を説明する。図１４はガラス蓋５を同時に複数個作成するための大判の平板ガラス５０の斜視図であり、大判の平板ガラス５０には図９の工程Ｂに示すサンドブラスト加工によってガラス蓋５の凹部５ａが複数個整列して形成されている。

図１５は図４に示す無機材質基板２を同時に複数個作成するための大判基板２０の斜視図であり、図４の工程Ｂに示す状態、すなわち無機材質基板２に各パターンを形成後、ＬＥＤ１をＦＣ実装し、さらに波長変換層３を設けた状態の発光部１０ａが複数個整列して形成されている。そして、図１５の複数個整列して形成された発光部１０ａは、図１４の複数個整列して形成されたガラス蓋５の凹部５ａに、その配置位置及び個数が同じになっている。

図１６は大判の平板ガラス５０の平坦化工程を示す斜視図であり、図９の工程Ｃに示す如く、凹部加工が行われた平板ガラス５０を支持基板３５と加圧基板３６に挟んで平板ガラス５０の凹凸を修正している（図では加圧基板３６を載せる前の状態を示している）。図１７は平板ガラス５０のガラス応力緩和工程を示す断面図であり、支持基板３５と加圧基板３６に挟んだ平板ガラス５０を電気炉４０にいれ、加熱による凹部加工歪の除去を行う。

図１８は大判発光装置１０Ｌの斜視図であり、大判基板２０の上面側に大判の平板ガラス５０を反転させて積層し、Ａｕ―Ｓｎの共晶接合により一体化した状態を示している。従って平板ガラス５０の上面側にはガラス蓋５にける凹部５ａの底の部分、すなわち発光窓部分を点線で示している。この完成した大判発光装置１０ＬをＸ及びＹの切断ラインに従ってダイヤモンドブレードやレーザースクライバを用いて切断することにより、個々の発光装置１０が完成する。

図１９はこの完成した発光装置１０の斜視図であり、無機材質基板２にガラス蓋５が接合一体化され、ガラス蓋５にける凹部５ａの底の発光窓部分から、波長変換層３を通してＬＥＤ１の発光が行われる。

上記の如く、集合基板方式による発光装置の製造方法においては、ガラス蓋５を構成するのに大判の平板ガラス５０を使用し、多数の凹部を細ピッチで形成する必要があるため、この多数の凹部を加工した大判の平板ガラス５０には、加工歪とうねり（凹凸）による変形が発生する。この変形によって図１８に示すような大判基板２０と大判の平板ガラス５０とを積層させた場合、各所に隙間ができて密着性が得られず、この密着不良によって無機材質基板２とガラス蓋５との共晶接合がうまくいかず、発光装置１０の機密封止不良が発生することになる。

すなわち、凹部加工を行ったガラス蓋に対する本願発明の応力緩和処理及び平坦化処理の効果については前術したが、本実施形態のように大判の平板ガラス５０の面積が大きくなるほど、この変形による密着不良の影響が出やすくなるため、特に集合基板方式による発光装置の多量生産においては、この凹部加工を行った平板ガラス５０に対する平坦化処理及び応力緩和処理は不可欠の条件となる。

以上、本発明における発光装置について、実施形態では青色ＬＥＤとＹＡＧ蛍光体の組み合わせに付いて記載したがこれに限定されるものではなく、近紫外ＬＥＤと各色蛍光体の組み合わせ等にも適用可能であり、また本発明における無機材質基板と平板ガラスの凹部加工によるガラス蓋の組み合わせに対する、応力緩和処理は、ＬＥＤ以外の素子の封止にも有効である。

１ ＬＥＤ
１ａ Ａｕバンプ
２ 無機材質基板
２ａ 配線パターン
２ｂ 出力電極
２ｃ スルーホール
３ 波長変換層
４ 接着層
４ａ、４ｂ 溶着下地層
４ｃ 溶融層
５ ガラス蓋
５ａ 凹部
５ｂ 接合面
１０ 発光装置
１０ａ 発光部
１０Ｌ 大判発光装置
１５、１６ マスク
１５ａ 開口部
２０ 大判基板
２５ サンド粒子
３５ 支持基板
３６ 加圧基板
３７，３８ ヒーター基板
５０ 平板ガラス

Claims (7)

1. 無機材質基板上にＬＥＤ素子を実装し、前記無機材質基板上のＬＥＤ素子実装領域の周囲に平板ガラスに凹部形成したガラス蓋を被せて金属溶着により封止する発光装置の製造方法において、
   前記無機材質基板は各パターンが形成された基板であり、この基板の各パターンにフリップチップ実装したＬＥＤ素子に波長変換層を設けた発光部を形成すると共に、接着層としてＡｕ層を形成する基板製造工程と、
   平板ガラスにサンドブラスト加工によってガラス蓋となる凹部を形成すると共に、接着層としてＡｕＳｎ層を形成するガラス蓋製造工程と、
   前記ガラス蓋を平坦な金属またはセラミックの支持基板で支持して平坦化を行う平坦化処理工程と、
   前記発光装置の組み立て加工によって生じた応力を緩和するための熱処理加工であって、
   前記ガラス蓋を、加熱炉にいれてガラス歪温度Ｔｈより高いガラス応力緩和温度Ｔｇで所定の時間だけ加熱するガラス応力緩和処理工程と、
   前記基板と前記ガラス蓋とを重ね合わせて加熱することにより、Ａｕ―Ｓｎ共晶接合によって発光装置を構成するガラス蓋接着工程とを有することを特徴とする発光装置の製造方法。
2. 前記基板と前記ガラス蓋とがＡｕ―Ｓｎ共晶接合よって気密封止された発光装置を加熱炉に入れて、Ａｕ―Ｓｎ共晶接合の溶着温度ＴｙよりΔＴｓだけ低い総合応力緩和温度Ｔｓで所定時間だけ熱処理を行う総合応力緩和処理工程とを更に有することを特徴とする請求項１記載の発光装置の製造方法。
3. 前記基板は同時に複数個の基板が作成できる大判基板であり、前記平板ガラスは同時に複数個のガラス蓋が作成できる大判平板ガラスであることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置の製造方法。
4. 前記ガラス蓋製造工程は、前記ガラス応力緩和処理工程の前に凹部加工を行ったガラス蓋の凹部内に湿式エッチングを行う凹部内エッチング処理工程を有する請求項１〜３の何れか１項に記載の発光装置の製造方法。
5. 前記ガラス蓋の平坦化処理工程は、前記ガラス蓋の上下面に平坦な支持基板と、平坦で重量を加える加圧基板を重ねて行うことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の発光装置の製造方法。
6. 前記ガラス応力緩和処理工程におけるガラス応力緩和温度Ｔｇはガラス歪温度Ｔｈより、１〜３０℃高い温度である請求項１〜５の何れか１項に記載の発光装置の製造方法。
7. 前記総合応力緩和処理工程における総合応力緩和温度Ｔｓは、Ａｕ―Ｓｎ共晶接合の溶着温度Ｔｙより３０〜５０℃低い温度である請求項２〜６の何れか１項に記載の発光装置の製造方法。
   

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