KR100693969B1 - 고체 소자 디바이스 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 저온에서의 글래스 밀봉 가공을 구현화할 수 있고, 신뢰성이 높은 밀봉 구조를 갖는 고체 소자 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다. GaN계 LED 소자(2)를 탑재한 글래스 함유 Al2O3 기판(3)에 대하여 P2O5-ZnO계의 저융점 글래스를 평행하게 세트하고, 질소 분위기 속에서 압력을 60kgf로 하여 415℃ 이상의 온도로 핫프레스 가공을 행한다. 이 조건에서의 저융점 글래스의 점도는 109포아즈이고, 저융점 글래스는 글래스 함유 Al2O3 기판(3)의 표면에 형성되는 산화물을 통하여 접착된다.
선팽창 계수, 아베수, LED 소자, 플립 칩
Description
본 출원은, 일본국 특허 출원 번호(2003-063015, 2003-160855, 2003-160867, 2003-193182, 2003-342705, 2003-342706, 2004-010385)에 기초하고 있으며, 이 일본국 출원의 전 내용은, 본 출원에서 참조되고 도입된다.
본 발명은, 광학 소자를 글래스 재료로 밀봉한 고체 소자 디바이스에 관한 것으로, 특히, 글래스 재료에 저융점의 글래스 재료를 이용한 고체 소자 디바이스에 관한 것이다.
종래, 발광 다이오드 등의 고체 소자를 에폭시 수지 등의 투광성 수지 재료로 밀봉한 고체 소자 디바이스가 있다. 이러한 고체 소자 디바이스에서, 투광성 수지가 강한 광에 반응하여 황변 등의 열화가 보이는 것이 알려져 있다. 특히, 단파장광을 방출하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자를 이용하는 경우에는, 해당 소자로부터 방출되는 고에너지의 광과 소자 자체의 발열에 의해서 소자 근방의 투광성 수지가 황변하고, 그것에 의해 광추출 효율이 무시할 수 없을 정도로 저하되는 경우가 있다.
이러한 밀봉 부재의 열화를 방지하기 위해서, 저융점 글래스를 밀봉 부재에 이용한 발광 디바이스가 일본 특개평8-102553호 공보 및 일본 특개평11-177129호 공보에 제안되어 있다.
특개평8-102553호 공보에 기재되는 발광 디바이스는, LED 소자, 와이어 본딩부, 및 리드부의 상단의 주위를 투명한 저융점 글래스로 이루어지는 밀봉체(7)로 피복하여 구성되어 있다. 저융점 글래스에는, 예를 들면, 셀레늄, 탈륨, 비소, 유황 등을 첨가하여 융점을 약 섭씨 130~350도로 한 것이 사용된다. 이 경우, 바람직하게는, 융점이 섭씨 200도 이하(보다 바람직하게는 150도 이하)의 저융점 글래스가 사용된다.
특개평8-102553호 공보에 기재되는 발광 디바이스에 따르면, 에폭시계 수지 등이 구비하고 있는 자외선에 대한 악특성 혹은 약특성에 기인하여, 시간 경과와 함께 그 밀봉체가 황색으로 변색한다는 문제점을 회피할 수 있다.
또한, 특개평11-177129호 공보에 기재되는 발광 디바이스는, LED 발광 소자를 피복하는 밀봉체로서, GaN계 LED 발광 소자의 굴절률 2.3 정도에 가까운 굴절률이 2 정도인 저융점 글래스를 이용하고 있다.
일본 특개평11-177129호 공보에 기재되는 발광 디바이스에 따르면, GaN계 LED 발광 소자의 굴절률에 가까운 저융점 글래스로 LED 발광 소자를 밀봉함으로써, LED 발광 소자의 표면에서 전반사하여 내부로 되돌아오는 광이 적어지고, LED 발광 소자로부터 방출되어 저융점 글래스에 입사하는 광의 양이 많아진다. 그 결과, 본원 발명에 따른 칩형 LED 등의 발광 효율은, 에폭시 수지로 LED 발광 소자를 밀봉하고 있는 종래의 것 보다도 높아지게 된다.
그러나, 종래의 저융점 글래스를 밀봉 부재에 이용한 고체 소자 디바이스에 따르면, 저융점 글래스라고는 해도, 고온 가공을 행할 필요가 있고, 경질 재료이기 때문에, 수지 밀봉 가공의 연장에서는 실제로 샘플 성립시킬 수 없다고 하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 무기 재료 밀봉 가공을 구현화하기 위한 과제를 추출, 해결하고, 글래스 밀봉을 행함으로써 기대할 수 있는 효과를 실제로 얻을 수 있는 고체 소자 디바이스 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
<발명의 개시>
본 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위해서, 플립칩 실장되는 고체 소자와, 상기 고체 소자에 대하여 전력의 수공급을 행하는 전력 수공급부와, 상기 고체 소자를 밀봉하는 무기 밀봉 재료를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위해서, 고체 소자와, 상기 고체 소자에 대하여 전력의 수공급을 행하는 전력 수공급부와, 상기 고체 소자의 전기 접속부와 상기 전력 수공급부의 일부를 피복하는 내열 부재와, 상기 내열 부재를 포함하는 상기 고체 소자를 밀봉하는 무기 밀봉 재료를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위해서, 고체 소자와, 상기 고체 소자에 대하여 전력의 수공급을 행하는 전력 수공급부와, 상기 고체 소자를 밀봉하 는 SiO2-Nb2O5계, B2O3-F계, P2O5-F계, P2O5-ZnO계, SiO2-B2O3-La2O3계, 및 SiO2-B2O3계로부터 선택되는 저융점 글래스를 이용한 글래스 밀봉부를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위해서, 고체 소자와, 상기 고체 소자에 대하여 전력의 수공급을 행하는 금속으로 이루어지는 리드부와, 상기 고체 소자를 밀봉하는 무기 밀봉 재료를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위해서, 고체 소자와, 상기 고체 소자에 대하여 전력의 수공급을 행하는 무기 재료 기판으로 이루어지는 전력 수공급부와, 상기 고체 소자와 상기 전력 수공급부의 일부를 밀봉하고, 상기 무기 재료 기판과의 열팽창률이 동등한 무기 밀봉 재료를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위해서, 고체 소자를 전력 수공급부에 실장하는 실장 공정과, 산소 차단 분위기, 무기 밀봉 재료의 굴복점 이상의 온도로 상기 고체 소자의 무기 밀봉 재료를 가압함으로써 밀봉 가공을 행하는 밀봉공정을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스의 제조 방법을 제공한다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하며, (a)는 발광 장치의 종단면도, (b)는 광원인 GaN계 LED 소자의 측면도.
도 2는, 제1 실시 형태에 따른 발광 장치의 제1 변형예를 도시하며, (a)는 발광 장치의 종단면도, (b)는 광원인 GaN계 LED 소자의 측면도.
도 3은, 제3 변형예로서, 다른 언더필을 이용한 발광 장치를 도시하는 종단면도.
도 4는, 제4 변형예로서, 수지 재료로 이루어지는 몰드부를 마련한 발광 장치를 도시하는 종단면도.
도 5는, 제2 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하는 종단면도.
도 6은, 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 발광 장치의 종단면도.
도 7은, 제3 실시 형태에 따른 발광 장치의 변형예를 도시하는 종단면도.
도 8은, 제4 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하는 종단면도.
도 9는, 제4 실시 형태에 따른 발광 장치의 제1 변형예를 도시하는 종단면 도.
도 10은, 제4 실시 형태에 따른 발광 장치의 제2 변형예를 도시하는 종단면 도.
도 11은, 제5 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하며, (a)는 발광 장치의 평면도, (b)는 발광 장치의 측면도, (c)는 발광 장치의 저면도.
도 12는, 제5 실시 형태에 따른 발광 장치의 제1 변형예를 도시하는 종단면 도.
도 13은, 제5 실시 형태에 따른 발광 장치의 제2 변형예를 도시하는 종단면 도.
도 14는, 제6 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하는 단면도.
도 15는, 제6 실시 형태에 따른 발광 장치의 제1 변형예를 도시하며, (a)는 발광 장치의 종단면도, (b)는 광원인 GaN계 LED 소자의 측면도.
도 16은, 제6 실시 형태에 따른 발광 장치의 제2 변형예를 도시하며, (a)는 발광 장치의 종단면도, (b)는 광원인 GaN계 LED 소자의 측면도.
도 17은, 제7 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하며, (a)는 발광 장치의 종단면도, (b)는 광원인 GaN계 LED 소자의 측면도.
도 18은, 제7 실시 형태에 따른 발광 장치의 제1 변형예를 도시하는 종단면 도.
도 19는, 제8 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하며, (a)는 발광 장치의 종단면도, (b)는 광원인 GaN계 LED 소자의 측면도.
도 20은, 제8 실시 형태에 따른 발광 장치의 변형예를 도시하는 종단면도.
도 21의 (a) 내지 (e)는, AlN 기판에 Au층을 갖는 회로 패턴을 형성하는 형성공정을 도시하는 도면.
도 22는, 제9 실시 형태에 따른 발광 장치의 종단면도.
도 23은, 리드 프레임에 대하여 핫프레스 가공에 기초하는 글래스 밀봉을 행한 상태를 도시하는 도면.
도 24는, 제너 다이오드로서 기능하는 Si 서브 마운트에 GaN계 LED 소자(2)를 탑재한 상태를 도시하는 도면.
도 25는, 제10 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하며, (a)는 평면도, (b) 는(a) A-A 단면도, (c)는 하부 글래스의 사시도.
도 26은, 제10 실시 형태에 따른 발광 장치의 제1 변형예를 도시하는 단면도.
도 27은, 제10 실시 형태에 따른 발광 장치의 제2 변형예를 도시하는 단면도.
도 28은, 제11 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하며, (a)는 측면도, (b)는 글래스 밀봉에 있어서의 사시도.
도 29는, 제12 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하는 종단면도.
도 30은, 본 발명의 실시예에서 이용하는 페이스업 타입의 발광 소자의 구성을 도시하는 단면도.
도 31은, 발광 소자와 리드와의 부착체를 도시하는 사시도.
도 32는, 광 디바이스의 제조 방법을 도시하는 단면도.
도 33은, 실시예의 광 디바이스를 도시하는 단면도.
도 34는, 다른 실시예의 광 디바이스를 도시하는 단면도.
도 35는, 다른 실시예의 광 디바이스를 도시하는 단면도.
도 36은, 다른 실시예의 광 디바이스를 도시하는 단면도.
도 37은, 광 디바이스의 제조 방법을 도시하는 사시도.
도 38은, 다른 실시예의 광 디바이스를 도시하는 단면도.
도 39는, 다른 실시예의 광 디바이스를 도시하는 단면도.
도 40은, 광 디바이스의 제조 방법을 도시하는 단면도.
도 41은, 플립 칩 타입의 발광 소자의 구성을 도시하는 단면도.
도 42는, 발광 소자를 이용하는 광 디바이스의 실시예를 도시하는 단면도.
도 43는, 다른 실시예의 광 디바이스를 도시하는 단면도.
도 44는, 다른 실시예의 광 디바이스를 도시하는 단면도.
도 45는, 다른 실시예의 광 디바이스를 도시하는 단면도.
도 46은, 다른 실시예의 광 디바이스를 도시하는 단면도.
도 47은, 플립칩 타입의 발광 소자를 전력 수송 수단과의 부착체의 다른 양태를 도시하는 평면도.
도 48은, 부착체를 구비한 광 디바이스의 실시예를 도시하는 단면도.
도 49는, 다른 실시예의 광 디바이스를 도시하는 단면도.
도 50은, 다른 실시예의 광 디바이스를 도시하는 단면도.
도 51은, 다른 실시예의 광 디바이스를 도시하는 단면도.
도 52는, 다른 실시예의 광 디바이스를 도시하는 단면도.
도 53은, 다른 실시예의 광 디바이스를 도시하는 단면도.
도 54는, 다른 실시예의 광 디바이스를 도시하는 단면도.
도 55는, 다른 실시예의 광 디바이스를 도시하는 평면도.
도 56은, 광학 소자의 구조를 도시하는 단면도.
도 57은, 제10 실시예의 광 디바이스의 제조 방법을 도시하는 도면.
도 58은, 기판에 대한 광학 소자의 마운트의 상태를 도시하는 도면.
도 59는, 제10 실시예의 광 디바이스의 구성을 도시하는 도면.
도 60은, 다른 실시예의 광 디바이스의 구성을 도시하는 평면도.
도 61은, 도 60에서의 B-B선 단면도.
도 62는, 도 61에서의 C-C 화살 표시선 단면도.
도 63은, 저면도.
도 64는, 다른 실시예의 광 디바이스를 도시하는 평면도.
도 65는, 실시예의 광학 소자의 구조를 도시하는 단면도.
도 66은, 제12 실시예의 광 디바이스의 평면도.
도 67은, 도 66에서의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도.
도 68은, 도 67에서의 주요부 확대도.
도 69는, 실시예의 광 디바이스의 저면도.
도 70은, 다른 실시예의 광 디바이스의 구성을 도시하는 도면.
도 71은, 다른 실시예의 광 디바이스의 구성을 도시하는 도면.
도 72는, 다른 실시예의 광 디바이스의 구성을 도시하는 도면.
도 73은, 다른 실시예의 광 디바이스의 구성을 도시하는 도면.
도 74는, 다른 실시예의 광 디바이스의 구성을 도시하는 도면.
도 75는, 발광 소자의 구성을 도시하는 단면도.
도 76은, 실시예의 발광 장치의 구성을 도시하는 도면이며, (a)는 단면도, (b)는 평면도.
도 77은, 밀봉 부재를 구비한 실시예의 발광 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 78은, 다른 형태의 밀봉 부재를 구비한 실시예의 발광 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 79는, 다른 형태의 리드 프레임을 도시하는 단면도.
도 80은, 다른 형태의 리드 프레임을 도시하는 평면도.
도 81은, 다른 형태의 리드 프레임을 도시하는 평면도.
도 82는, 다른 형태의 리드 프레임을 도시하는 사시도.
도 83은, 다른 형태의 리드 프레임을 도시하는 사시도.
도 84는, 제13 실시 형태에 따른 발광 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 85는, 제13 실시 형태에 따른 발광 장치의 변형예를 도시하는 단면도.
도 86은, 제14 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하는 단면도.
도 87은, 제15 실시 형태에 따른 발광 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 88은, 제16 실시 형태에 따른 발광 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 89는, 제17 실시 형태에 따른 발광 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 90은, 제18 실시 형태에 따른 발광 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 91은, 제19 실시 형태에 따른 발광 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 92는, 표준 사이즈의 LED 소자의 범프 형성면을 도시하는 평면도.
도 93은, 라지 사이즈의 LED 소자의 범프 형성면을 도시하는 평면도.
도 94는, 제20 실시 형태에 따른 발광 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 95는, 리드 프레임에 서브 마운트를 탑재한 상태를 도시하는 평면도.
도 96은, 금형을 이용하여 글래스 밀봉을 행하기 직전의 상태를 도시하는 도 면.
도 97은, 제20 실시 형태에 따른 발광 장치의 변형예를 도시하는 단면도.
도 98은, 본 발명의 제21 실시 형태에 따른 페이스업형의 발광 장치를 도시하는 단면도.
도 99는, 제22 실시 형태에 따른 플립칩형의 발광 장치를 도시하며, (a)는 단면도, (b)는 (a)의 우측면으로부터 본 측면도.
도 100은, 제23 실시 형태에 따른 페이스업형의 발광 장치를 도시하며, (a)는 단면도, (b)는 (a)의 우측면으로부터 본 측면도.
<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>
이하에, 본 발명에 따른 고체 소자 디바이스에 대해, 도면 등을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하며, (a)는 발광 장치의 종단면도, (b)는 광원인 GaN계 LED 소자의 측면도이다. 이 발광 장치(1)는, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이 플립칩형의 GaN계 LED 소자(2)와, GaN계 LED 소자(2)를 탑재하는 글래스 함유 Al2O3 기판(3)과, 텅스텐(W)-니켈(Ni)-금(Au)으로 구성되어 글래스 함유 Al2O3 기판(3)에 형성되는 회로 패턴(4)과, GaN계 LED 소자(2)와 회로 패턴(4)을 전기적으로 접속하는 Au 스터드 범프(5)와, GaN계 LED 소자(2)를 밀봉함과 함께 글래스 함유 Al2O3 기판(3)과 접착되는 P2O5-ZnO계 글래스 밀봉부(6)를 갖는다.
GaN계 LED 소자(2)는, 도 1의 (b)에 도시되는 바와 같이 사파이어(Al2O3)로 이루어지는 기판(20)의 표면에, 버퍼층(21), n형층(22), 발광하는 층을 포함하는 층(23), p형층(24)을 순차적으로 결정 성장시킴으로써 형성되어 있고, p형층(24)의 표면에 마련되는 p전극(25)과, p형층(24)으로부터 n형층(22)의 일부에 걸쳐 에칭함으로써 제거하여 노출한 n형층(22)에 형성되는 n전극(26)을 갖는다. 이 GaN계 LED 소자(2)는 700℃ 이상에서 에피택셜 성장되고, 내열 온도는 600℃ 이상이며, 후술하는 저융점 글래스를 이용하여 밀봉 가공을 행할 때의 온도에 대하여 안정적이다.
또한, p전극(25)은, 발광하는 층을 포함하는 층(23)으로부터 발생하는 광을 기판(20)의 방향으로 반사하는 하면 반사경으로서 기능한다. 그리고, 사이즈는 0.34㎜×0.34㎜×두께 0.09㎜이다.
글래스 함유 Al2O3 기판(3)은, 열팽창율:12.3×10-6/℃이고, 비아홀(3A)을 갖는다. 이 비아홀(3A)은, 기판의 표면 및 이면에 메탈라이즈된 W으로 이루어지는 회로 패턴(4)을 도통시키고 있다.
글래스 밀봉부(6)는, P2O5-ZnO계의 저융점 글래스(열팽창율:11.4×10-6/℃, 굴복점:415℃, 굴절률:1.59, 내부 투과율:99%. (470㎚))에 의해서 형성되어 있고, 금형에 의한 핫프레스 가공에 의해서 글래스 함유 Al2O3 기판(3)과 접착된 후에 다이서로 컷트되는 것에 기초하는 상면(6A) 및 측면(6B)을 가지고 직사각형 형상으로 형성되어 있다.
저융점 글래스는, 일반적으로 수지에서 고점도라는 레벨보다, 현격하게 높은 점도로 가공된다. 또한, 글래스의 경우에는 굴복점을 수십℃ 넘어도 점도가 일반의 수지 밀봉 레벨까지 낮게는 되지 않는다. 또한, 일반의 수지 성형시 레벨의 점도로 하고자 하면, LED 소자의 결정 성장 온도를 초과하는 온도를 필요로 하는 것, 혹은 금형에 부착하는 것으로 되고, 밀봉·성형 가공이 곤란하게 된다. 이 때문에, 106포아즈 이상으로 가공하는 것이 바람직하다.
이 발광 장치(1)의 제조 방법에 대해 이하에 설명한다.
먼저, 비아홀(3A)을 가진 글래스 함유 Al2O3 기판(3)을 준비하고, 글래스 함유 Al2O3 기판(3)의 표면에 회로 패턴에 따라서 W 페이스트를 스크린 인쇄한다. 다음으로, W 페이스트가 인쇄된 글래스 함유 Al2O3 기판(3)을 1000℃ 정도로 열 처리함으로써 W을 기판(3)에 달구어 붙이고, 또한 W상에 Ni 도금, Au 도금을 실시함으로써 회로 패턴(4)을 형성한다. 다음으로, 글래스 함유 Al2O3 기판(3)의 회로 패턴(4)(표면측)에 GaN계 LED 소자(2)를 Au 스터드 범프(5)에 의해서 전기적으로 접합한다. 다음으로, GaN계 LED 소자(2)를 탑재한 글래스 함유 Al2O3 기판(3)에 대하여 판 형상의 P2O5-ZnO계의 저융점 글래스를 평행하게 세트하고, 질소 분위기 속에서 압력을 60kgf로 하여 465℃의 온도로 핫프레스 가공을 행한다. 이 조건에서의 저융점 글래스의 점도는 108~109포아즈이고, 저융점 글래스는 글래스 함유 Al2O3 기판 (3)과 이들에 포함되는 산화물을 통하여 접착된다. 다음으로, 저융점 글래스와 일체화된 글래스 함유 Al2O3 기판(3)을 다이서에 세트하여 다이싱함으로써, 직사각형 형상의 발광 장치(1)를 분리한다.
상기한 제1 실시 형태에 따르면, 이하의 효과가 얻어진다.
(1) 저융점 글래스를 이용하여, 고점도 상태에서 핫프레스 가공을 행함으로써, 결정 성장 온도에 대하여 충분히 낮은 가공이 가능하게 된다.
(2) 글래스 함유 Al2O3 기판(3)과 글래스 밀봉부(6)가 산화물을 통한 화학 결합에 기초하여 접착함으로써 강고한 밀봉 부착 강도가 얻어진다. 그 때문에, 접합 면적이 작은 소형 패키지라 하더라도 구현화할 수 있다.
(3) 밀봉 글래스와 글래스 함유 Al2O3 기판과는 열팽창율이 동등하기 때문에, 고온에서 접착된 후, 상온 혹은 저온 상태로 해도 박리, 크랙 등의 접착 불량이 발생하기 어렵다. 게다가, 글래스는 인장 응력에는 크랙이 발생하지 않지만, 압축 응력에는 크랙은 발생하기 어렵고, 밀봉 글래스는 글래스 함유 Al2O3 기판에 대하여 약간 열팽창율이 작은 것으로 하고 있다. 발명자의 확인에서는, -40℃←→100℃의 액상 냉열 충격 시험 1000 사이클에서도 박리, 크랙은 발생하지 않는다. 또한 5㎜×5㎜ 사이즈의 글래스편의 세라믹 기판에의 접합 기초 확인으로서, 글래스, 세라믹 기판 모두 다양한 열팽창율의 조합으로 실험을 행한 결과에서는, 열팽창율이 높은 쪽의 부재에 대한 낮은 쪽의 부재의 열팽창율의 비가 0.85 이상에서는 크랙을 발생하지 않는 접합을 행할 수 있었다. 부재의 강성이나 사이즈, 혹은 제8 실시 형태의 응력 흡수층 등에도 의존하지만, 열팽창율이 동등하다는 것은, 이 정도의 범위를 나타낸다.
(4) 플립 칩 접합에 의해 와이어를 필요로 하지 않을 수 있기 때문에, 고점도 상태에서의 가공에 대하여도 전극의 문제점이 발생하지 않는다. 밀봉 가공 시의 저융점 글래스의 점도는 108로부터 109포아즈로 딱딱하고, 열경화 처리 전의 에폭시 수지가 5포아즈 정도의 액상인 것과 비교하여 물성이 크게 다르기 때문에, 소자 표면의 전극과 리드 등의 급전 부재를 와이어로 전기적으로 접속하는 페이스업형의 LED 소자를 밀봉하는 경우, 글래스 밀봉 가공 시에 와이어가 눌려 찌그러지거나 변형되는데, 이것을 방지할 수 있다. 또한, 소자 표면의 전극을 금(Au) 등의 범프를 통하여 리드 등의 급전 부재에 플립 칩 접합하는 플립칩형의 LED 소자를 밀봉하는 경우, 글래스의 점도에 기초하여 LED 소자에 급전 부재 방향에의 압력이 부가되고, 그것에 의한 범프의 찌그러짐이나 범프 사이에서의 단락이 발생하는데, 이것도 방지할 수 있다.
(5) 저융점 글래스와 글래스 함유 Al2O3 기판(3)을 평행하게 세트하고, 고점도 상태에서 핫프레스 가공함으로써, 저융점 글래스가 글래스 함유 Al2O3 기판의 표면에 평행 이동하여 밀착하고, GaN계 LED 소자(2)를 밀봉하기 때문에 보이드가 발생하지 않는다.
(6) 글래스 함유 Al2O3 기판(3)의 배선용 회로 패턴(4)은 비아홀(3A)에서 이면에 인출되기 때문에, 글래스가 불필요한 개소로 들어가는 것이나, 전기 단자가 피복되는 것 등에 대한 특별한 대책을 취하지 않고 판 형상의 저융점 글래스를 복수 디바이스에 대하여 일괄 밀봉 가공하는 것만으로, 다이서 컷트에 기초하여 복수의 발광 장치(1)를 용이하게 양산할 수 있다. 또한, 저융점 글래스는 고점도 상태에서 가공되기 때문에, 수지와 같이 충분한 대책을 취할 필요는 없고 비아홀에 의하지 않아도 외부 단자가 이면에 인출되어 있으면 충분히 양산 대응 가능하다.
(7) GaN계 LED 소자(2)를 플립 칩 실장으로 함으로써, 글래스 밀봉을 구현화하는 데 있어서의 문제점을 극복함과 함께 0.5㎜각이라는 초소형의 발광 장치(1)를 구현화할 수 있다는 효과도 있다. 이것은, 와이어의 본딩 스페이스가 불필요하고, 또한, 글래스 밀봉부(6)와 글래스 함유 Al2O3 기판(3)과는 동등한 열팽창률 부재가 선택됨과 함께, 화학 결합에 기초하는 강고한 접합에 의해서, 근소한 스페이스에서의 접착이라도 계면 박리가 발생하지 않는 것에 의한다.
도 2는, 제1 실시 형태에 따른 발광 장치의 제1 변형예를 도시하며, (a)는 발광 장치의 종단면도, (b)는 광원인 GaN계 LED 소자의 측면도이다. 또한, 이하의 설명에서, 공통되는 구성 부분에 대해서는 동일한 인용 숫자를 붙이고 설명한다.
이 발광 장치(1)는, 페이스업형의 GaN계 LED 소자(2)를 회로 패턴(4)에 플립 칩 접합함과 함께, GaN계 LED 소자(2)의 전극 및 Au 스터드 범프(5)를 보호하는 백색계의 언더필(7)을 마련한 구성에 있어서 제1 실시 형태와 상위하다.
언더필(7)은, 예를 들면, 붕소 나이트라이드(BN) 등의 광 반사성이 양호한 충전재를 이용할 수 있고, GaN계 LED 소자(2)의 접합 전에 미리 글래스 함유 Al2O3 기판(3)에 포팅해 놓고, 그 위에 GaN계 LED 소자(2)를 플립 칩 접합함으로써 마련한다.
GaN계 LED 소자(2)는, 도 2의 (b)에 도시되는 바와 같이 p형층(24)의 표면에 마련되는 ITO(Indium Tin 0xide) 등의 투광성 전극(27)과, 투광성 전극(27)의 표면에 마련된 p전극(25)을 갖는다.
상기한 제1 변형예에 의하면, 페이스업형의 GaN계 LED 소자(2)라 하더라도 언더필(7)에서 반사 확산된 광이 GaN계 LED 소자(2)의 기판(20)으로부터 방사되게 되어, 광추출성이 향상한다. 또한, 제2 실시 형태에서는, 광추출 효율을 높이는 것으로서 백색계의 언더필(7)을 선택했지만, 광추출 효율을 중시하지 않으면, 백색계 이외의 다른 색의 언더필(7)을 이용해도 된다.
제2 변형예로서, 글래스 밀봉부(6)의 표면에 내습성, 내산·알칼리성 향상용 표면 처리를 실시해도 된다. 이 경우에는 MgF2, SiO2, SiN 표면 처리가 유효하다. 또한, 반사 방지 다층막 등에 의해 계면 반사를 감소하는 처리이어도 된다. 이 경우에는 TiO2+SiO2 다층 코트가 유효하다.
도 3은, 제3 변형예로서, 다른 언더필을 이용한 발광 장치를 도시하는 종단면도이다. 제3 변형예의 발광 장치(1)에서는, GaN계 LED 소자(2)의 전극 및 Au 스터드 범프(5)를 보호하는 언더필(7)로서, 열전도성이 양호한 다이아몬드를 이용한 것이다. 또한, 다른 열전도성이 양호한 언더필(7)로서 BN, 질화 알루미늄(AlN), 탄화 규소(SiC)를 이용할 수 있다. 이들은, 내열성 세라믹 코트재에 평균 입경 수 마이크론의 충전재로서 혼입된다.
도 4는, 제4 변형예로서, 수지 재료로 이루어지는 몰드부를 마련한 발광 장치를 도시하는 종단면도이다. 이 발광 장치(1)는, 제1 실시 형태에서 설명한 발광 장치(1)를 리드 프레임(8)에 접합하고, 또한 전체를 에폭시 수지로 이루어지는 몰드부(9)를 마련한 것이다.
몰드부(9)는, 반구 형상의 광학 형상면(9A)을 가지고 형성되어 있고, 트랜스퍼 몰드법에 의해 형성된다.
이러한 구성에 따르면, 글래스 밀봉형 디바이스에 광학계를 용이하게 형성할 수 있을 뿐 아니라, 글래스 함유 Al2O3 기판(3) 및 글래스 밀봉부(6)가 몰드부(9)로 포위됨으로써 내습성이 한층 향상된다. 또한, 몰드부(9)는 에폭시 수지 이외의 다른 수지 재료, 예를 들면, 실리콘 수지에 의해 형성되어도 되고, 트랜스퍼 몰드법 이외의 포팅 몰드법 등의 성형 방법을 적용하는 것도 가능하다. 또한, 아크릴, 폴리카보네이트 등의 수지 재료를 이용하여 인젝션법에 의해 형성하는 것도 가능하고, 이 경우에는 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 몰드부(9)에 형광체를 함유시켜도 된다. 형광체로서는, YAG 형광체, 규산염 형광체, 혹은 이들을 소정의 비율로 혼합한 것 등이어도 된다.
도 5는, 제2 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하는 종단면도이다. 이 발광 장치(1)는, 제1 실시 형태의 발광 장치(1)에서 이용한 글래스 재료 대신에, SiO2-Nb2O5계 글래스 밀봉부(6)를 마련한 구성과, 글래스 함유 Al2O3 기판(3)에 Ag계 회로 패턴(4)을 마련한 구성에 있어서 상위하다.
SiO2-Nb2O5계 글래스 밀봉부(6)는, SiO2-Nb2O5계의 저융점 글래스(열팽창률: 12.1×10-6/℃, 굴복점:507℃, 굴절률:1.69, 내부 투과율:98%(470㎚))에 의해서 형성되어 있고, 핫프레스 가공에 기초하여 글래스 함유 Al2O3 기판(3)과 접착된 후에 다이서로 컷트되는 것에 기초하는 상면(6A) 및 측면(6B)을 가지고 직사각형 형상으로 몰드되어 있다.
글래스 함유 Al2O3 기판(3)은, 열팽창률:12.3×10-6/℃이고, 비아홀(3A)을 갖는다. 이 비아홀(3A)은, 기판의 표면 및 이면에 전해 도금에 의한 Ag의 회로 패턴(4)을 도통시키고 있다.
상기한 제2 실시 형태에 따르면, SiO2-Nb2O5계의 저융점 글래스를 이용함으로써, 투습성을 작게 할 수 있고, 광추출성의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 투습성이 작은 저융점 글래스를 이용함으로써, 예를 들면, GaN계 LED 소자(2)를 플립 칩 실장함에 있어서의 회로 패턴과 같이, 전압이 인가되고, 또한 패턴 간격이 수 10마이크론으로 되는 경우와 같이, 수지 밀봉에서는 마이그레이션이 우려되는 것에 의해 적용이 곤란하던 장소에서도 고반사율 재료인 Ag을 이용할 수 있다.
도 6은, 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 발광 장치의 종단면도이다. 이 발광 장치(1)는, 페이스업형의 GaN계 LED 소자(2)와, GaN계 LED 소자(2)를 탑재하는 글래스 함유 Al2O3 기판(3)과, W으로 구성되어 글래스 함유 Al2O3 기판(3)에 형성되 는 회로 패턴(4)과, GaN계 LED 소자(2)와 회로 패턴(4)을 전기적으로 접속하는 Au 스터드 범프(5)와, GaN계 LED 소자(2)의 전극과 회로 패턴(4)을 전기적으로 접속하는 Au으로 이루어지는 와이어(10)와, GaN계 LED 소자(2), 와이어(10), 및 회로 패턴(4)을 포위하여 코트하는 내열 무기재 코트(11)와, GaN계 LED 소자(2)를 회로 패턴(4)에 접착하는 무기 백색 접착제(12)와, 밀봉함과 함께 글래스 함유 Al2O3 기판(3)과 접착되는 P2O5-ZnO계 글래스 밀봉부(6)를 갖는다.
내열 무기재 코트(11)는, 투광성을 갖는 다공질의 SiO2계 하드 코트이고, P2O5-ZnO계 글래스의 밀봉 가공에서 와이어(10)가 변형하는 것을 방지하는 것이다.
무기 백색 접착제(12)는, GaN계 LED 소자(2)로부터 기판 측에 방사되는 광을 반사하여 전극 형성면으로부터 방사시킨다.
이 발광 장치(1)의 제조 방법에 대해 이하에 설명한다.
먼저, 비아홀(3A)을 가진 글래스 함유 Al2O3 기판(3)을 준비하고, 글래스 함유 Al2O3 기판(3)의 표면에 회로 패턴에 따라서 W 페이스트를 스크린 인쇄한다. 다음으로, W 페이스트가 인쇄된 글래스 함유 Al2O3 기판(3)을 1500℃로 열 처리함으로써 W을 기판(3)에 달구어 붙이고, 또한 W상에 Ni 도금, Au 도금을 실시함으로써 회로 패턴(4)을 형성한다. 다음으로, 글래스 함유 Al2O3 기판(3)의 회로 패턴(4)(표면측)에 GaN계 LED 소자(2)를 무기 백색 접착제(12)로 접착한다. 다음으로, GaN계 LED 소자(2)의 p전극 및 n전극과 회로 패턴(4)을 와이어(10)로 전기적으로 접합한 다. 다음으로, GaN계 LED 소자(2) 및 와이어(10)를 포위하도록 SiO2계 코트재를 포팅한다. 다음으로, 이들에 150℃의 열처리를 실시하여 다공질의 내열 무기재 코트(11)로 한다. 다음으로, GaN계 LED 소자(2)를 탑재한 글래스 함유 Al2O3 기판(3)에 대하여 P2O5-ZnO계의 저융점 글래스를 평행하게 세트하고, 압력을 60kgf로 하여 415℃ 이상의 온도로 핫프레스 가공을 행한다. 다음으로, 저융점 글래스와 일체화된 글래스 함유 Al2O3 기판(3)을 다이서에 세트하여 다이싱함으로써, 직사각형 형상의 발광 장치(1)를 분리한다.
상기한 제3 실시 형태에 따르면, 투광성을 갖는 내열 무기재 코트(11)로 와이어(10)를 코트함으로써, 와이어가 본딩된 GaN계 LED 소자(2)에 대하여 높은 수율로 P2O5-ZnO계 저융점 글래스에 의한 글래스 밀봉 가공이 가능해지고, 글래스 밀봉형의 발광 장치(1)를 구현화할 수 있다.
또한, 내열 무기재 코트(11)을 마련하지 않아도 글래스 밀봉 가공은 구현화할 수 있지만, 와이어(10)의 변형이 발생하는 것을 피할 수 없기 때문에, 전기적 단락을 발생하기 쉬워져서 수율이 낮아진다. 또한, GaN계 LED 소자(2) 상에서 Au 와이어(10)의 볼 형상 접합부가 찌그러져서, 전기적 단락이 발생하기 쉬워지는 데다가, 막 형상의 Au이 소자 표면을 피복하여 광추출의 방해로 되는 등의 문제도 발생하기 쉽다.
도 7은, 제3 실시 형태에 따른 발광 장치의 변형예를 도시하는 종단면도이 다. 이 발광 장치(1)는, 소자의 상하에 전극을 갖는 AlInGaP계 LED 소자(2)를 이용한 구성에서 제3 실시 형태와 상위하다.
AlInGaP계 LED 소자(2)는, 상면의 전극과 회로 패턴(4)이 와이어(10)에 의해서 전기적으로 접속되고, 하면의 전극과 회로 패턴(4)이 Ag 페이스트(13)에 의해서 전기적으로 접속되어 있다.
이와 같이 상면 및 하면에 전극이 배치되는 LED 소자에 대하여도, 내열 무기재 코트(11)를 실시하여 P2O5-ZnO계 저융점 글래스에 의한 글래스 밀봉 가공을 행함으로써, 높은 수율로 글래스 밀봉형의 발광 장치(1)를 구현화할 수 있다.
도 8은, 제4 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하는 종단면도이다. 이 발광 장치(1)는, 제1 실시 형태에 따른 발광 장치(1)에 이용한 GaN계 LED 소자(2)에 대해, 스크라이브 가공에 기초하여 형성된 것을 사용하고 있다. 스크라이브 가공에 의해 형성된 GaN계 LED 소자(2)는, 절단부인 측면에 뾰족한 요철을 가지고 있기 때문에, 측면을 소자 코트재(14)로 피복하여 구성되어 있다.
소자 코트재(14)는, 예를 들면, SiO2계 코트재를 이용할 수 있다. SiO2계 코트재는 GaN계 LED 소자(2)의 측면을 피복하도록 코팅되고, 150℃의 열 처리를 거침으로써 경화한다.
상기한 제4 실시 형태에 따르면, 스크라이브 가공에 의해서 GaN계 LED 소자(2)에 발생하는 뾰족한 요철의 개소는 크랙의 기점이나 보이드의 원인으로 되기 쉽기 때문에, 소자 코트재(14)재로 요철의 개소를 피복하여 매끈하게 함으로써 크랙 의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 보이드의 발생도 억제할 수 있다.
도 9는, 제4 실시 형태에 따른 발광 장치의 제1 변형예를 도시하는 종단면도이다. 이 발광 장치(1)에서는, GaN계 LED 소자(2)의 주위 전체를 피복하도록 SiO2계 코트재로 이루어지는 소자 코트재(14)로 피복하여 구성되어 있는 점에서 제4 실시 형태와 상위하다.
소자 코트재(14)는, GaN계 LED 소자(2)의 열팽창률과 P2O5-ZnO계 저융점 글래스의 열팽창률의 중간의 열팽창률로 함으로써, 열팽창률이 큰 글래스를 이용한 경우나 라지 사이즈의 LED 소자를 이용한 경우 등이라도 크랙의 발생을 방지할 수 있다.
상기한 제1 변형예에 의하면, GaN계 LED 소자(2) 표면의 형상에 기인하는 크랙이나 보이드의 발생을 억제함과 함께, GaN계 LED 소자(2)와 저융점 글래스의 열팽창률 차에 기인하는 크랙의 발생을 방지할 수 있다. 또한, GaN계 LED 소자(2)로부터의 광추출성을 고려하면, 소자 코트재(14)는 가능한 한 얇게 마련하는 것이 바람직하다.
도 10은, 제4 실시 형태에 따른 발광 장치의 제2 변형예를 도시하는 종단면도이다. 이 발광 장치(1)에서는, GaN계 LED 소자(2)의 주위 전체를 피복하도록 형광체를 함유한 형광체층(15)으로 피복하여 구성되어 있는 점에서 제4 실시 형태와 상위하다.
형광체층(15)은, 제1 변형예에서 이용한 SiO2계 코트재로 이루어지는 소자 코트재(14)에 형광체로서 YAG계 형광체를 함유시킨 것이다. 또한, 형광체는 단독 혹은 복수의 종류의 형광체를 혼합시켜도 된다. 다른 형광체로서는 규산염 형광체를 이용할 수 있고, 또한 YAG계 형광체와 규산염 형광체를 혼합하여 형광체층(15)에 함유시켜도 된다.
상기한 제2 변형예에 의하면, 제1 변형예의 바람직한 효과 외에 추가로 형광체가 글래스 밀봉에 의해 외부의 습기로부터 차단되므로, 형광체의 열화를 방지할 수 있고, 장기에 걸쳐 안정된 파장 변환성이 얻어진다.
도 11은, 제5 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하며, (a)는 발광 장치의 평면도, (b)는 발광 장치의 측면도, (c)는 발광 장치의 저면도이다. 이 발광 장치(1)는, 플립칩형의 복수의 GaN계 LED 소자(2)와, 정사각형 형상으로 형성되어 GaN계 LED 소자(2)를 탑재하는 다층 구조의 글래스 함유 Al2O3 기판(3)과, 글래스 함유 Al2O3 기판(3)의 표면 및 층 내에 텅스텐(W)으로 구성되어 형성되는 회로 패턴(기판 표면의 패턴에는, 또한 Ni, Au 도금이 실시된다.)(4)과, GaN계 LED 소자(2)와 회로 패턴(4)을 전기적으로 접속하는 Au 스터드 범프(5)와, GaN계 LED 소자(2)를 밀봉함과 함께 글래스 함유 Al2O3 기판(3)과 접착되는 P2O5-ZnO계 글래스 밀봉부(6)와, 글래스 함유 Al2O3 기판(3)의 네 구석에서 층 내의 중간층으로부터 노출한 저면 회로 패턴(16A(애노드), 16C(캐소드))과, GaN계 LED 소자(2)의 발열에 기초하는 열을 외부로 방산하는 동박으로 이루어지는 방열 패턴(17)을 가지고, 원형의 외형을 갖도록 기판 표면에 패턴 형성되는 회로 패턴(4)에 Au 스터드 범프(5)를 통하여 3개×3 개의 배열로 합계 9개의 GaN계 LED 소자(2)를 배열하고 있다.
글래스 함유 Al2O3 기판(3)은, W으로 이루어지는 층내 배선을 가진 다층 구조를 가지고, 도 11의 (b)에 도시하는 열 방향의 3개의 GaN계 LED 소자(2)를 직렬로 접속하여 소자군을 형성하고, 소자군의 애노드를 저면 회로 패턴(16A)의 하나에 접속함과 함께, 소자군의 캐소드를 저면 회로 패턴(l6C)에 접속하여 구성되어 있다. 또한, 캐소드에는 다른 2열에 대하여 형성되는 소자군의 캐소드도 접속되어 있다.
상기한 제5 실시 형태에 따르면, 복수개의 GaN계 LED 소자(2)를 이용한 것에 대해서도, 세라믹 다층 기판을 이용함으로써 용이하게 직병렬 회로를 형성할 수 있고, 전해 도금을 실시할 때의 배선 주회도 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 중간층으로부터 외부 전기 접속 단자를 추출하고, 저면에 방열용 금속 패턴을 마련함으로써, 밀실장된 9개의 GaN계 LED 소자(2)를 발광시키는 것에 기초하여 발생하는 열을 방열용 금속 패턴으로부터 히트 싱크 등으로 빠르게 열전도시키는 것이 가능하게 된다.
도 12는, 제5 실시 형태에 따른 발광 장치의 제1 변형예를 도시하는 종단면도이다. 이 발광 장치(1)에서는, P2O5-ZnO계 글래스 밀봉부(6)의 표면에 형광체층(15)을 마련하여 파장 변환형의 발광 장치(1)로 한 점에서 제5 실시 형태와 상위하다.
상기한 제1 변형예에 의하면, P2O5-ZnO계 글래스 밀봉부(6)에 GaN계 LED 소 자(2) 전체를 포위하는 형광체층(15)을 갖고 있기 때문에, 고광출력의 백색 발광 장치(1)를 구현화할 수 있다. 또한, 멀티 소자 타입의 발광 장치(1)에서의 각 LED 소자 특성에 변동이 있더라도 그 차가 현저화하기 어렵고, 균일한 발광 특성을 갖는 발광 장치(1)를 구현화할 수 있다.
도 13은, 제5 실시 형태에 따른 발광 장치의 제2 변형예를 도시하는 종단면도이다. 이 발광 장치(1)에서는, 청색 혹은 녹색을 발광하는 플립칩형의 GaN계 LED 소자(2)와, 적색을 발광하는 상하 전극형의 AlInGaP계 LED 소자(2)를 혼재시켜 P2O5-ZnO계 글래스 밀봉부(6)로 밀봉한 점에서 제5 실시 형태와 상위하다. AlInGaP계 LED 소자(2)는, 내열 무기재 코트(11)에 의해서 와이어(10)와 함께 포위되어 있다.
상기한 제2 변형예에 의하면, 플립칩형과 상하 전극형의 LED 소자가 혼재하는 경우라 하더라도 P2O5-ZnO계 저융점 글래스에 의한 글래스 밀봉 가공이 가능하다. 또한, LED 소자(2)의 발광색의 조합에 대해서도 임의로 설정할 수 있다.
도 14는, 제6 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하는 단면도이다. 이 발광 장치(1)는, 소자의 상하에 전극을 갖는 AlInGaP계 LED 소자(2)와, AlInGaP계 LED 소자(2)를 탑재하는 글래스 함유 Al2O3 기판(3)과, W으로 구성되어 글래스 함유 Al2O3 기판(3)에 형성되는 회로 패턴(4)과, AlInGaP계 LED 소자(2)의 전극과 회로 패턴(4)을 전기적으로 접속하는 Au으로 이루어지는 와이어(10)와, AlInGaP계 LED 소자(2), 와이어(10), 및 회로 패턴(4)을 포위하여 코트하는 TiO2(굴절률:2.4)로 이루어지는 고굴절률 재료 코트(11A)와, AlInGaP계 LED 소자(2)를 회로 패턴(4)에 접착함과 함께 전기적으로 접속하는 Ag 페이스트(13)와, 고굴절률 재료 코트(11A)로 포위된 AlInGaP계 LED 소자(2)를 밀봉함과 함께 글래스 함유 Al2O3 기판(3)과 접착되는 SiO2-Nb2O5계 글래스 밀봉부(6)를 갖는다.
SiO2-Nb2O5계 글래스 밀봉부(6)는, SiO2-Nb2O5계의 저융점 글래스(열팽창률: 10.2×10-6/℃, 굴복점:543℃, 굴절률:1.92, 내부 투과율:81%(470㎚), 91%(520㎚(두께 10㎜에서의)))에 의해 형성되어 있고, 반구면 형상으로 형성된 광학 형상면(6D)을 갖고, AlInGaP계 LED 소자(2)로부터 발생되어 고굴절률 재료 코트(11A)를 통하여 도달하는 광을 글래스 계면으로의 대략 수직 입사하는 것으로 함으로써 계면 반사를 극력 작게 하여 외부 방사한다. 또한, 광학 형상면(6D)은, AlInGaP계 LED 소자(2)로부터 발생하는 광이 글래스 밀봉부(6)의 계면에 대한 임계각 이내에 입사하는 형상이면 반구 형상 이외의 다른 형상이어도 되고, 구체적으로는, 육면체나 팔면체이어도 된다.
상기한 제6 실시 형태에 따르면, AlInGaP계 LED 소자(2)를 굴절률 2.4의 TiO2의 고굴절률 재료 코트(11A)로 포위하고, 굴절률:1.92의 SiO2-Nb2O5계 글래스 밀봉부(6)로 밀봉하고 있기 때문에, 고굴절률 재료 코트(11A)와 SiO2-Nb2O5계 글래스 밀봉부(6)의 계면에서의 계면 반사 손실의 발생을 억제할 수 있고, 고굴절률 매체 인 LED 소자로부터의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, SiO2-Nb2O5계 글래스 밀봉부(6)가 볼록면 형상으로 형성되어 있기 때문에, AlInGaP계 LED 소자(2)로부터 글래스 밀봉부(6)와 공기의 계면으로는 수직 입사에 가까운 각도로 입사하고, 그것에 의해서 높은 외부 방사 효율이 얻어진다.
도 15는, 제6 실시 형태에 따른 발광 장치의 제1 변형예를 도시하며, (a)는 발광 장치의 종단면도, (b)는 광원인 GaN계 LED 소자의 측면도이다. 이 발광 장치(1)는, AlInGaP계 LED 소자(2) 대신에 SiC 기판(29)을 갖는 GaN계 LED 소자(2)를 갖는 구성, SiO2-Nb2O5계 글래스 밀봉부(6)의 표면에 1/4 파장분의 두께를 갖는 SiO2막(6E)을 마련한 광학 형상면(6D)을 갖는 점에서 제6 실시 형태와 상위하다.
SiC 기판(29)은, 저면에 n전극(26)을 가지고 있고, Ag 페이스트(13)를 통하여 회로 패턴(4)에 전기적으로 접속되어 있다.
상기한 제1 변형예에 의하면, 1/4 파장분의 두께를 갖는 SiO2막(6E)을 광학 형상면(6D)에 마련했기 때문에, 광학 형상면(6D)에 유도된 광이 SiO2막(6E)에서 간섭함으로써, 반사를 저감할 수 있다.
도 16은, 제6 실시 형태에 따른 발광 장치의 제2 변형예를 도시하며, (a)는 발광 장치의 종단면도, (b)는 광원인 GaN계 LED 소자의 측면도이다. 이 발광 장치(1)는, AlInGaP계 LED 소자(2) 대신에 GaN 기판(30)을 갖는 플립칩형의 GaN계 LED 소자(2)를 이용한 점에서 제6 실시 형태와 상위하다.
상기한 제2 변형예에 의하면, GaN 기판(30)을 갖는 GaN계 LED 소자(2)를 이 용함으로써, LED 소자 내부에서의 계면 반사를 발생하지 않고 기판 표면에 효율적으로 광을 유도할 수 있다. 기판 표면에 유도된 광은, SiO2-Nb2O5계 글래스 밀봉부(6)를 통하여 광학 형상면(6D)으로부터 외부 방사됨으로써 높은 외부 방사 효율이 얻어진다.
도 17은, 제7 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하며, (a)는 발광 장치의 종단면도, (b)는 광원인 GaN계 LED 소자의 측면도이다. 이 발광 장치(1)는, 기판을 글래스 함유 Al2O3 대신에 Al2O3로 하고, 이 Al2O3의 열팽창률에 상당하는 밀봉 글래스 재료를 이용하고 있는 점에서 제6 실시 형태까지의 실시 형태들과 상위하다. 동 도면에서는 개개의 디바이스로 분단되기 전의 상태를 도시하고 있다. 개개의 발광 장치(1)는, 도 17의 (a)에 도시한 바와 같이 플립칩형의 GaN계 LED 소자(2)와, GaN계 LED 소자(2)를 탑재하는 Al2O3 기판(3)과, Al2O3 기판(3)에 형성되는 회로 패턴(4)과, GaN계 LED 소자(2)와 회로 패턴(4)을 전기적으로 접속하는 Au 스터드 범프(5)와, GaN계 LED 소자(2)를 밀봉함과 함께 Al2O3 기판(3)과 접착되는 B2O3-F계 글래스 밀봉부(6)를 갖는다.
GaN계 LED 소자(2)는, (b)에 도시한 바와 같이 B2O3-F계 글래스의 밀봉 가공 시에서의 Au 스터드 범프(5)의 손상, 전극간 단락을 방지하기 위해, Al2O3 기판(3)과의 사이에 언더필(7)이 충전되어 있다.
Al2O3 기판(3)은, 비아홀(3A)을 가지고, 이 비아홀(3A)을 통하여 표면과 이 면의 회로 패턴(4)을 전기적으로 접속하고 있다. 또한, 기판 분단 위치로 되는 홈(3B)이 소정의 간격으로 형성되어 있다.
회로 패턴(4)은, GaN계 LED 소자(2)를 탑재하는 표면에 B2O3-F계 글래스 밀봉부(6)와의 접착 강도를 높이는 접착용 패턴(4A, 4B)을 가지고 있고, 접착용 패턴(4B)은 Al2O3 기판(3)의 이면에 추출되는 회로 패턴(4)의 일부를 겸하고 있다.
B2O3-F계 글래스 밀봉부(6)는, B2O3-F계의 저융점 글래스(열팽창률:6.9×10-6/℃, 굴복점:539℃, 굴절률:1.75, 내부 투과율:98%(470㎚))에 의해서 형성되어 있고, 프리폼 가공에 의해서 미리 광학 형상면(6D) 및 박육부(6B)가 마련된 프리폼 글래스를 핫프레스 가공함으로써 Al2O3 기판(3)의 표면에 접착되어 있다. 박육부(6B)는, 스크라이브 가공 부분에 하중을 가해 분단할 때에 인접하는 발광 장치(1)에 크랙 등의 손상이 미치지 않는 두께로 형성된다.
발광 장치(1)는, GaN계 LED 소자(2)를 실장하여 B2O3-F계 글래스 밀봉부(6)로 밀봉한 후, Al2O3 기판(3)의 홈(3B)을 분단 위치로 하여 하중을 가함으로써, 응력 집중에 기초하여 Al2O3 기판(3)이 파단하고, 동시에 박육부(6B)에서 B2O3-F계 글래스 밀봉부(6)가 분단된다.
상기한 제7 실시 형태에 따르면, 일반적으로 많이 이용되고 있는 Al2O3 기판을 사용함으로써 백색광 흡수가 적고 광추출 효율이 향상한다. 또한, 입수가 용이 함과 동시에 염가이다. 또한, 스크라이브 가공 부분에 하중을 가하여 개개의 발광 장치(1)로 분단하기 때문에 양산성이 우수하다. 다이싱에 의한 발광 장치(1)의 분단에서는, 다이서로 절단할 때에 글래스로의 잔류 변형이 발생하고, 히트 쇼크로 B2O3-F계 글래스 밀봉부(6)에 결함이 발생할 수 있지만, 스크라이브에 기초하여 분단된 발광 장치(1)에서는 잔류 변형이 작아지고, 결함 등의 불량이 발생하기 어렵다.
또한, B2O3-F계 이외의 저융점 글래스로서, SiO2-B2O3-La2O3계 저융점 글래스(열팽창률:8.3×10-6/℃, 굴복점:559℃, 굴절률:1.81, 내부 투과율:99%(470㎚))를 이용하는 것도 가능하다.
또한, 스크라이브 이외의 다른 분단 방법으로서는 레이저광을 이용하여 분단을 행하는 것도 가능하다.
도 18은, 제7 실시 형태에 따른 발광 장치의 제1 변형예를 도시하는 종단면도이다. 이 발광 장치(1)는, 평탄한 B2O3-F계의 저융점 글래스에 의해서 B2O3-F계 글래스 밀봉부(6)를 형성하고 있는 점에서 제7 실시 형태와 상위하다.
B2O3-F계 SiO2-B2O3 글래스 밀봉부(6)는, Al2O3 기판(3)에 형성되어 있는 홈(3B)과 마주 대하는 위치에 스크라이빙부(6C)를 가지고, 하중이 부가되었을 때에 홈(3B)과 협동하여 응력 집중을 발생시킴으로써 B2O3-F계 글래스 밀봉부(6) 및 Al2O3 기판(3)을 분단한다.
상기한 제1 변형예에 의하면, B2O3-F계 글래스 밀봉부(6)의 프리폼을 불필요하게 하여 제조 공정의 간소화를 도모할 수 있고, 생산성이 우수하다.
또한, 글래스 밀봉부(6)에 적용 가능한 다른 저융점 글래스로서, SiO2-B2O3계 저융점 글래스를 이용하는 것도 가능하다.
도 19는, 제8 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하며, (a)는 발광 장치의 종단면도, (b)는 광원인 GaN계 LED 소자의 측면도이다. 이 발광 장치(1)는, GaN계 LED 소자(2)의 하부에 열전도성이 우수한 BN의 언더필(7)과, GaN계 LED 소자(2)를 탑재하는 AlN 기판(3)과, GaN계 LED 소자(2)를 밀봉함과 함께 AlN 기판(3)과 접착되는 AlN과 동등한 열팽창률인 SiO2-B2O3계 글래스 밀봉부(6)를 갖는 점에서 제7 실시 형태와 상위하다.
SiO2-B2O3계 글래스 밀봉부(6)는, SiO2-B2O3계 저융점 글래스(열팽창률:4.9×10-6/℃, 굴복점:558℃, 굴절률:1.61, 내부 투과율:96%(380 ㎚))에 의해서 형성되어 있고, GaN계 LED 소자(2)의 열팽창률:5×10-6/℃와 거의 동등한 열팽창률을 갖는다.
상기한 제8 실시 형태에 따르면, GaN계 LED 소자(2)의 발광에 기초하여 발생한 열은, 열전도성이 우수한 언더필(7), Au 스터드 범프(5)를 통하여, 고방열 재료의 AlN 기판(3)에 전열되고, 외부에 효율적으로 방열된다. 또한, GaN계 LED 소자(2), AlN 기판(3), SiO2-B2O3계 글래스 밀봉부(6) 등의 주요 부재가 거의 동등한 열팽창률로 됨으로써 열팽창률 차에 의한 박리, 밀봉성의 저하를 발생하지 않는다.
예를 들면, 주요 부재 간에 열팽창률 차가 있는 경우라 하더라도, 응력 완화를 완수하는 구성을 마련함으로써 내부 응력을 흡수하고, 밀봉성의 저하나 박리를 방지하는 것이 가능하다.
도 20은, 제8 실시 형태에 따른 발광 장치의 변형예를 도시하는 종단면도이다. 이 발광 장치(1)는, GaN계 LED 소자(2)를 실장하는 회로 패턴(4)의 표면에 내부 응력 흡수를 위한 연금속층을 갖는 점에서 제7 실시 형태와 상위하다.
도 21의 (a) 내지 (e)는, AlN 기판에 회로 패턴을 형성하는 형성 공정을 도시하는 도면이다. 먼저, (a)에 도시한 바와 같이 미리 비아홀(3A)이 형성된 AlN 기판(3)의 양면에 회로 패턴에 따른 W을 포함하는 페이스트를 스크린 인쇄한다. 다음으로, 1500℃를 넘는 온도로 AlN 기판(3)을 소결하여 W을 달구어 붙인다. 이것에 의해, W과 AlN 기판(3)이 강고하게 결합된다. 이 W을 스퍼터링으로 형성하는 것도 가능하다. 또한, W 대신에 Mo 등의 고융점 금속을 이용해도 된다. 다음으로, (b)에 도시한 바와 같이 AlN 기판(3)의 표면 측의 회로 패턴(4)의 위에 니켈(Ni)층(26)을 도금법에 의해 형성한다. 다음으로, (c)에 도시한 바와 같이 AlN 기판(3)을 거의 700℃로 가열하여 Ni과 W을 반응시킨다. 이것에 의해, AlN 기판(3) 위에 회로 패턴(4)이 강고하게 접합된다. 다음으로, (d)에 도시한 바와 같이 회로 패턴(4)의 표면에 전해 도금에 의해서 Au층(4C)을 형성한다. 다음으로, (e)에 도시한 바와 같이 Au 스터드 범프(5)에 의해 GaN계 LED 소자(2)를 소정의 위치에 마운트한다.
이와 같이 하여 GaN계 LED 소자(2)를 회로 패턴(4) 상에 실장된 AlN 기판(3) 에 대하여 SiO2-B2O3계 저융점 글래스를 핫프레스 가공하고, 스크라이브에 기초하여 개개의 발광 장치(1)로 분단한다.
상기한 변형예에 의하면, 강고한 회로 패턴(4)을 AlN 기판(3)에 접합할 수 있다. 또한, 회로 패턴(4) 상에 GaN계 LED 소자(2)를 Au 스터드 범프를 통하여 실장하기 위한 Au 패턴(4C)과 저융점 글래스와 접합하기 위한 Ni 패턴(4A)을 마련함으로써, 스터드 범프 실장이 가능해지고, 또한, 응력 완화를 도모할 수 있다. 또한, 글래스는 산화물을 통한 접합이 행해지고, Au과는 접착되지 않지만 Ni과는 Ni 표면의 Ni 산화막을 통하여 접합이 행해진다. 또한, 글래스와 AlN과도 양호한 접합이 얻어진다. AlN 기판은 열전도도가 높기 때문에 GaN계 LED 소자(2)의 점등 직후 등에 글래스와의 온도 차가 발생하여 쉽지만, 이러한 상황이라도 Au층(4C)의 탄성 변형에 기초하여 응력이 완화하고 안정된 글래스 밀봉성이 얻어진다.
도 22는, 제9 실시 형태에 따른 발광 장치의 종단면도이다. 이 발광 장치(1)는, 플립칩형의 GaN계 LED 소자(2)와, GaN계 LED 소자(2)를 탑재하는 AlN 서브 마운트(18)과, W으로 구성되어 AlN 서브 마운트(18)에 형성되는 회로 패턴(4)과, AlN 서브 마운트(18)를 탑재하는 단부(19A)를 갖는 구리 합금으로 이루어지는 리드(19)와, GaN계 LED 소자(2)와 회로 패턴(4)을 전기적으로 접속하는 Au 스터드 범프(5)와, GaN계 LED 소자(2) 및 리드(19)를 포위하여 일체적으로 밀봉하는 P2O5-F계 글래스 밀봉부(6)를 갖는다.
AlN 서브 마운트(18)는, 메탈라이즈된 회로 패턴을 갖는다.
P2O5-F계 글래스 밀봉부(6)는, P2O5-F계 저융점 글래스(열팽창률:16.9×10-6/℃, 굴복점:363℃, 굴절률:1.54, 내부 투과율:99%(470㎚))에 의해서 형성되어 있고, 반구면 형상으로 형성되어 원하는 방사 범위로 광을 방사하는 광학 형상면(6D)을 핫프레스 가공에 기초하여 형성되어 있다.
핫프레스 가공은, 리드 프레임에 형성되는 리드(19)를 삽입하도록 2매의 P2O5-F계 저융점 글래스를 평행하게 세트하고, 질소 분위기 속에서 압력을 10kgf로 하고 410℃ 이상의 온도에서 행한다. 이 조건에서의 저융점 글래스의 점도는 108~109포아즈이다.
도 23은, 리드 프레임에 대하여 핫프레스 가공에 기초하는 글래스 밀봉을 행한 상태를 도시하는 도면이다. 동 도면에서는, 1쌍의 리드(311)가 한 방향으로 인출된 판 형상의 구리 합금으로 이루어지는 리드 프레임(31)을 도시하고 있다. 이 리드 프레임(31)은, AlN 서브 마운트(18)를 고정하는 리드(311)와, 리드(311)의 지지 측에 마련되는 개구(312)와, 리드 프레임(31)의 열 변형을 흡수하는 타원형 구멍(313)과, 리드 프레임(31)의 수송 위치를 위치 결정하는 위치 결정 구멍(314)을 갖고, 리드(311)의 주위는, 판 형상의 구리 합금을 뚫을 때에 개구(310)로서 제거된다.
이하에 발광 장치(1)의 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저, AlN 서브 마운트(18)를 탑재하는 단부(19A)가 형성된 리드(19)를 갖는 리드 프레임(31)을 형성한다. 다음으로, 리드 프레임(31)에 회로 패턴(4)이 형성된 AlN 서브 마운트(18)를 접합한다. 다음으로, AlN 서브 마운트(18)의 표면에 마련되는 회로 패턴(4)에 Au 스터드 범프(5)를 통하여 GaN계 LED 소자(2)를 플립칩 접합한다. 다음으로, 리드 프레임(31)의 상하에 P2O5-F계 저융점 글래스를 평행하게 세트한다. 다음으로, 도시하지 않은 금형을 이용하여 P2O5-F계 저융점 글래스에 대한 핫프레스 가공을 행한다. P2O5-F계 저융점 글래스는, 핫프레스 가공에 기초하여 박육부(6B) 및 P2O5-F계 글래스 밀봉부(6)에 개별적으로 성형된다. 다음으로, 리드(311)를 컷트하여 리드 프레임(31)으로부터 발광 장치로서 분리한다.
상기한 제9 실시 형태에 따르면, 이하의 효과가 얻어진다.
(1) P2O5-F계 저융점 글래스를 사용하여 고점도 상태에서 핫프레스 가공을 행하기 때문에, 결정 성장 온도 이하에서의 글래스 밀봉 가공이 가능하게 된다.
(2) 핫프레스 가공을 질소 분위기에서 행하기 때문에 각 부재가 산화하기 어렵다.
(3) 리드를 삽입하도록 2매의 글래스를 세트하기 때문에, 고점도 상태에서 밀봉 부착된다.
(4) P2O5-F계 저융점 글래스와 구리 합금 리드는 열팽창률이 거의 동등하기때문에 박리, 크랙 등의 접합 문제점이 발생하기 어렵다. 또한, 열팽창률에 다소 차가 있더라도 연금속인 구리의 소성에 기초하여 내부 응력이 흡수된다. 제1 내지 제8 실시 형태에서는, 전력 공급 수단으로서 회로 패턴이 형성된 세라믹 기판을 이용했지만, 일반적으로 입수할 수 있는 세라믹 기판의 열팽창률은, 저융점 글래스에 대하여 낮은 편이다. 상관은 반드시 크지는 않지만 분자간 결합이 약한 재료가 저융점으로 되고, 동시에 열팽창률이 큰 특성으로 되는 경향이 있다. 이것에 대하여, 전력 공급 수단으로서, 금속 리드를 이용함으로써 열팽창률 15×10-6/℃ 이상의보다 저융점의 글래스라도 발광 장치(1)를 구현화할 수 있다. 또한, 저융점 글래스로서 열팽창률이 큰 재료를 선택하면, GaN계 LED 소자와의 열팽창률 차는 커지게 되기 때문에, 이 차에 대한 대책을 병용하는 것이 바람직하다.
(5) 플립칩부 실장으로 하고 있기 때문에, 전극 부분의 손상이 발생하기 어렵다.
(6) 부재간 팽창률 차에 의한 크랙이 발생하기 어려운 구조를 갖는다.
즉, 리드에 AlN 서브 마운트에 따른 형상의 단차를 형성하고, AlN 서브 마운트 길이 방향은 연금속의 리드의 소성에 의해 응력 완화가 가능하다. 또한, 글래스는 인장 응력에는 크랙이 발생하기 쉽지만, 압축 응력에는 크랙은 발생하기 어렵다. 열팽창률이 작은 GaN계 LED 소자가 중앙부, 그것과 비교하여 고팽창율의 리드, P2O5-F계 저융점 글래스가 주위를 둘러싸는 구성이기 때문에, GaN계 LED 소자의 각 면에 대하여 수직 방향으로 응력이 작용하고, 글래스에는 압축 응력이 발생한다. 이들에 의해서 LED 소자나 서브 마운트에 대하여, 저융점 글래스의 열팽창률이 크더라도, 구현화할 수 있다.
(7) GaN계 LED 소자가 발하는 열은, AlN 서브 마운트 및 리드를 통해 빠르게 외부 방열된다. 또한, 글래스의 열전도율은, 수지 밀봉 재료의 10배 정도 우수하기 때문에, 글래스로부터 방열도 무시할 수 없는 레벨이다.
(8) 또한, 리드 프레임에 대하여 핫프레스 가공을 행하고, 리드로 개별적으로 글래스 밀봉함과 함께 리드 프레임으로부터 타이바 컷트함으로써 일괄 다량 제조가 가능하게 되어, 양산성이 우수하다.
또한, 서브 마운트를 구성하는 재료에 대해서는 AlN에 한정되지 않고, 사파이어(Al2O3)로 형성되어 있어도 된다. Al2O3를 이용한 경우에는 글래스 재료와의 열팽창률 차가 작아지기 때문에, 크랙, 박리의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 도 24에 도시한 바와 같이 n층(18B)과 p층(18C)에 의해서 제너 다이오드로서 기능하는 Si 서브 마운트(18)에 GaN계 LED 소자(2)를 탑재하도록 해도 된다. 이 경우에는 GaN계 LED 소자를 정전 파괴로부터 보호할 수 있다. 또한, Si 서브 마운트(18)의 p층(18C)과 리드(19)의 전기적 접속을 행하는 와이어(10)에 대해서는 앞서 설명한 내열 무기재 코트(11) 등의 보호 부재로 보호함으로써 글래스 밀봉 가공에 수반하는 손상을 회피할 수 있다.
또한, 리드를 삽입하는 2매의 글래스에 대하여, 하측의 글래스에 백색의 것을 이용해도 된다. 이 경우에는 하측에 방사되는 광을 반사하여 광학 형상 형성 측에 방사시키는 것이 가능하게 된다.
또한, 리드를 삽입하는 2매의 글래스가 서로 다른 점도를 가지고 있어도 된 다. 구체적으로는 상측 글래스에 P2O5-F계 저융점 글래스(열팽창률:17.3×10-6/℃, 굴복점:310℃, 굴절률:1.51, 내부 투과율:99%(470㎚))를 사용하고, 하측 글래스에 P2O5-F계 저융점 글래스(열팽창률:16.9×10-6/℃, 굴복점:363℃, 굴절률:1.54, 내부 투과율:99%(470㎚))를 이용한다. 이 경우, 핫프레스 가공 시에 상측이 고점도, 하측이 저점도로 되어, 성형이 용이하게 된다.
도 25는, 제10 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하며, (a)는 평면도, (b)는 (a)의 A-A단면도, (c)는 하부 글래스의 사시도이다. 이 발광 장치(1)는, 페이스업형의 GaN계 LED 소자(2)와, GaN계 LED 소자(2)를 탑재하는 리드컵부(19B)를 가진 리드(19)와, GaN계 LED 소자(2)와 리드(19)를 전기적으로 접속하는 와이어(10)와, GaN계 LED 소자(2), 와이어(10)를 피복하여 보호하는 실리콘 코트(35)와, 프리폼된 상부 글래스(60A) 및 하부 글래스(60B)에 의해서 리드(19)를 일체적으로 밀봉하는 P2O5-F계 글래스 밀봉부(6)를 갖는다.
리드컵부(19B)는, 경사면(190) 및 저면(191)에 의해서 주발 형상으로 형성되어 있고, (c)에 도시하는 하부 글래스(60B)의 리드 수용구(60C)에 수용된다. 리드 수용구(60C)는, 하부 글래스(60B)를 금형으로 프리폼하여 성형할 때에 형성된다.
이하에 발광 장치(1)의 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저, 구리를 재료로 하고, 표면에 은도금 처리가 실시된 1쌍의 리드(19)가 형성된 도시하지 않은 리드 프레임을 준비한다. 다음으로, 리드(19)의 리드컵부 (19B)에 GaN계 LED 소자(2)를 탑재한다. GaN계 LED 소자(2)는 무기 투명 접착제에 의해서 리드컵부(19B)의 저면(191)에 접착된다. 다음으로, 1쌍의 리드(19)와 GaN계 LED 소자(2)의 전극을 와이어(10)로 전기적으로 접속한다. 다음으로, 1쌍의 리드(19)과 GaN계 LED 소자(2)가 전기적으로 접속된 상태에서 미리 프리폼된 하부 글래스(60B)의 리드 수용구(60C)에 수용한다. 다음으로, 1쌍의 리드(19)와 GaN계 LED 소자(2)가 피복되도록 실리콘 수지 코트(35)를 포팅한다. 다음으로, 상부 글래스(60A)를 준비하고, 핫프레스 가공에 기초하여 하부 글래스(60B)와 일체화한다. 다음으로, 리드 프레임으로부터 발광 장치(1)를 분리한다.
상기한 제10 실시 형태에 따르면, 이하의 효과가 얻어진다.
실리콘 수지는 대략 400℃ 이상에서, 열에 의해서 분자 결합이 끊어지고, 가스가 발생하지만, 실리콘 수지 코트(35)를 열분해하지 않는 360℃에서의 가공이 가능하게 되기 때문에, 글래스 밀봉 가공 시의 열을 실리콘 수지로 흡수하여 응력 완화할 수 있다. 또한, 리드컵부(19B)를 수용하는 프리폼된 하부 글래스(60B)를 이용함으로써, 1쌍의 리드(19)의 글래스 밀봉 상태가 안정된다. 또한, 리드 프레임에 대하여 핫프레스 가공을 행하고, 리드에 개별적으로 글래스 밀봉함과 함께 리드 프레임으로부터 타이버 컷트함으로써 일괄 다량 제조가 가능하게 되어, 양산성이 우수하다.
도 26은, 제10 실시 형태에 따른 발광 장치의 제1 변형예를 도시하는 단면도이다. 이 발광 장치(1)는, 플립칩형의 GaN계 LED 소자(2)(0.3㎜×0.3㎜)와, GaN계 LED 소자(2)를 탑재하는 AlN 서브 마운트(18)와, AlN 서브 마운트(18)를 수용하는 단부(19A)를 갖는 1쌍의 리드 프레임(19)을 갖는 점에서 제10 실시 형태와 상위하다.
1쌍의 리드 프레임(19)은, 단부(19A)의 상방에 경사면(19D)을 갖고, GaN계 LED 소자(2)로부터 방사되는 광을 경사면(19D)에서 반사하여 외부 방사한다.
AlN 서브 마운트(18)는, 표면 및 이면에 마련되는 회로 패턴(4)을 전기적으로 접속하는 비아홀(18A)을 갖는다.
이하에 발광 장치(1)의 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저, 1쌍의 리드(19)가 형성된 도시하지 않은 리드 프레임을 준비한다. 다음으로, 리드(19)의 단부(19A)에 위치하도록 AlN 서브 마운트(18)를 Ag 페이스트로 전기적으로 접속한다. 다음으로, AlN 서브 마운트(18)에 Au 스터드 범프(5)를 통하여 GaN계 LED 소자(2)를 접합한다. 다음으로, 1쌍의 리드(19)와 GaN계 LED 소자(2)가 전기적으로 접속된 상태에서 미리 프리폼된 하부 글래스(60B)의 리드 수용구(60C)에 수용한다. 다음으로, 1쌍의 리드(19)와 GaN계 LED 소자(2)가 피복되도록 실리콘 코트(35)를 포팅한다. 다음으로, 상부 글래스(60A)를 준비하고, 핫프레스 가공에 기초하여 하부 글래스(60B)와 일체화한다. 다음으로, 리드 프레임으로부터 발광 장치(1)를 분리한다.
상기한 제1 변형예에 의하면, 플립칩형의 GaN계 LED 소자(2)를 이용함으로써 기판 측으로부터 효율적으로 광추출을 행할 수 있다.
도 27은, 제10 실시 형태에 따른 발광 장치의 제2 변형예를 도시하는 단면도이다. 이 발광 장치(1)는, 플립칩형의 GaN계 LED 소자(라지 사이즈)(2)와, GaN계 LED 소자(2)를 탑재하는 AlN 서브 마운트(18)와, AlN 서브 마운트(18)를 수용하는 단부(19A)를 갖는 1쌍의 리드 프레임(19)을 갖는 점에서 제10 실시 형태와 상위하다. 라지 사이즈의 GaN계 LED 소자(2)의 사이즈는 1㎜×1㎜이다.
제2 변형예에서는, 라지 사이즈 칩을 이용한 구성을 설명했지만, 칩 사이즈가 커짐으로써, P2O5-F계 글래스 AlN 서브 마운트(18), 및 P2O5-F계 글래스 밀봉부(6)의 열팽창률 차가 크다. 이러한 경우에도 양호한 밀봉성이 얻어진다.
도 28은, 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하며, (a)는 측면도, (b)는 글래스 밀봉에 있어서의 사시도이다. 이 발광 장치(1)는, 도 28의 (a)에 도시한 바와 같이 P2O5-F계 글래스로 이루어지는 관형상체(60D)를 가열함으로써 GaN계 LED 소자(2), 와이어(10), 및 1쌍의 리드(19)를 글래스 밀봉한 것이다.
통형상체(60D)는, 도 28의 (b)에 도시한 바와 같이 일부를 절개한 통형상 글래스에 의해서 구성되어 있고, 도시하지 않은 버너 등의 가열 장치로 통형상체(60D)를 가열함으로써 글래스를 용융시켜 GaN계 LED 소자(2), 와이어(10), 및 1쌍의 리드(19)를 글래스 밀봉한다.
상기한 제11 실시 형태에 따르면, 용융한 글래스의 표면장력에 기초하여 GaN계 LED 소자(2), 와이어(10), 및 1쌍의 리드(19)를 글래스 밀봉할 수 있다. 또한, 본 실시의 형태에서는 용융한 글래스를 부착시킴으로써 글래스 밀봉하고 있지만, 글래스가 용융하고 있는 상태에서 핫프레스 가공을 행해도 된다.
도 29는, 제12 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하는 종단면도이다. 이 발광 장치(1)는, 제9 실시 형태에서 설명한 발광 장치(1)에 대하여 에폭시 수지로 이루어지는 몰드부(9)를 형성한 것이다.
몰드부(9)는, 반구 형상의 광학 형상면(9A)를 가지고 형성되어 있고, 트랜스퍼 몰드법에 의해서 형성된다.
이러한 구성에 따르면, 글래스 밀봉형 디바이스에 광학계를 용이하게 형성할 수 있음과 함께, 글래스 밀봉부(6)가 몰드부(9)로 포위됨으로써 내습성이 한층 향상한다. 또한, 리드 인출부가 글래스로부터 직접이 아니기 때문에, 리드 구부림시의 응력 등에 의해 글래스의 크랙이나 깨짐이 발생하는 것을 방지하는 효과도 있다. 또한, 몰드부(9)는 에폭시 수지 이외의 다른 수지 재료, 예를 들면, 실리콘 수지에 의해서 형성되어도 되고, 트랜스퍼 몰드법 이외의 포팅 몰드법 등의 성형 방법을 적용하는 것도 가능하다. 또한, 아크릴, 폴리카보네이트 등의 수지 재료를 이용하여 인젝션법에 의해서 형성하는 것도 가능하며, 이 경우에는 생산성을 향상시킬 수 있다.
이하, 도 30 내지 도 55에 도시되는 실시 형태에 대해 상세히 설명한다.
(광학 소자)
광학 소자에는 발광 다이오드, 레이저 다이오드 이외의 발광 소자 및 수광 소자가 포함된다. 광학 소자의 수발광 파장도 특별히 한정되는 것이 아니며, 자외광~녹색계광에 유효한 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자나 적색계광에 유효한 GaAs계 반도체 소자 등을 이용할 수 있다.
밀봉 부재의 문제가 특히 현저해지는 것은 단파장을 방출하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자이다. 여기에, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는, 일반식으로서 AlXGaYIn1 -X-YN(0<X≤1, 0≤Y≤1, 0≤X+Y≤1)으로 표현된다. Al을 포함하는 것은 이 중, AlN의 소위 2원계, AlxGa1 - xN 및 AlxIn1 -xN(이상에서 0<X<1)의 소위 3원계를 포함한다. Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 및 GaN에서, Ⅲ족 원소 중 적어도 일부를 붕소(B), 탈륨(Tl) 등으로 치환해도 되고, 또한, 질소(N) 중 적어도 일부도 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi) 등으로 치환할 수 있다.
또한, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 임의의 도우펀트를 포함하는 것이어도 된다. n형 불순물로서, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te), 카본(C) 등을 이용할 수 있다. p형 불순물로서, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 등을 이용할 수 있다. 또한, p형 불순물을 도핑한 후에 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체를 전자선 조사, 플라즈마 조사 혹은 로에 의한 가열에 노출할 수 있지만 필수는 아니다.
Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층은 MOCVD(유기 금속 기상 성장)법에 의해 형성된다. 소자를 구성하는 모든 반도체층을 상기 MOCVD법으로 형성할 필요는 없으며, 분자선 결정 성장법(MBE법), 할로겐계 기상 성장법(HVPE법), 스퍼터법, 이온플레이팅법 등을 병용하는 것이 가능하다.
발광 소자의 구성으로서는, MIS 접합, PIN 접합이나 pn 접합을 가진 호모 구조, 헤테로 구조 혹은 더블 헤테로 구조인 것을 이용할 수 있다. 발광층으로서 양자 웰 구조(단일 양자 웰 구조 혹은 다중 양자 웰 구조)를 채용할 수도 있다. 이 러한 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자로서, 주로 수광 발광 방향(전극면)을 광 디바이스의 광축 방향으로 한 페이스업 타입이나 주로 수광 발광 방향을 광축 방향과 반대 방향로 하여 반사광을 이용하는 플립 칩 타입을 이용할 수 있다.
Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자의 내열 온도는 600℃ 정도이고, 또한 GaAs계의 반도체 소자의 내열 온도는 600℃ 정도이며, 모두 저융점 글래스를 몰드할 때의 온도에 대하여 안정적이다.
(전력 수송 수단)
광 디바이스에는 전력 수송 수단이 포함된다. 이 전력 수송 수단은 발광 소자에 전력을 공급하고, 또한 광을 받아 수광 소자에 발생한 전력을 추출하는 전기 부품이며, 광 디바이스를 외부의 전기 회선에 접속하기 위한 리드와 해당 리드와 광학 소자를 배선하는 본딩 와이어 등이 포함된다. 본딩 와이어는 금선 혹은 금 합금선으로 이루어지는 경우가 많다. 해당 본딩 와이어 자체 및 본딩 와이어와 리드 혹은 광학 소자 사이의 본딩의 내열 온도는 600℃ 이상이고, 모두 저융점 글래스를 몰드했을 때의 온도에 대하여 안정적이다.
(제1 밀봉 부재)
제1 밀봉 부재는 광학 소자와 전력 수송 수단 중 적어도 일부를 피복한다. 이 제1 밀봉 부재로서 본 발명에서는 SiO2-Nb2O5계, B2O3-F계, P2O5-F계, P2O5-ZnO계, SiO2-B2O3-La2O3계 혹은 SiO2-B2O3계의 글래스를 선택했다.
이들 저융점 글래스는 모두 350~600℃에서 프레스 성형이 가능하다. 본 발 명의 제1 밀봉 부재는 자연 용착에 의해 형성할 수도 있다.
제1 밀봉 부재에는 형광 재료를 분산할 수도 있다. 이러한 형광 재료로서 무기계의 형광 재료의 분체를 이용하고, 이것을 저융점 글래스 중에 혼합할 수 있다. 또한, 저융점 글래스 중에 희토류 이온을 도핑함으로써 이것을 형광시키는 것도 가능하다. 발광 소자와 형광 재료를 적절하게 조합함으로써, 백색광을 비롯하여 임의의 발광색을 얻을 수 있다.
이 제1 밀봉 부재와 광학 소자의 조합에서, 제1 밀봉 부재의 아베수를 40 이하, 그 굴절률을 1.6 이상으로 하고, 또한 광학 소자의 수발광 파장을 546.1㎚(Na의 e선의 파장) 이하로 하는 것이 바람직하다. 즉, 고굴절 재료 내에서 발광되는 광의 외부 양자 효율은, 발광되는 광의 파장에 대한 밀봉 재료의 굴절률이 높은 쪽이 유리하다. 광학 재료의 굴절률은 Na의 d선에 의해서 정의되지만, 일반적으로 단파장일수록 그 굴절률은 높아지고, 광의 파장에 대한 굴절률의 변화의 정도가 아베수로 표현된다. 특히 종래의 수지 밀봉에서 문제로 되는 단파장 발광의 발광 소자에서, Na의 d선에서의 고굴절률이고, 또한, 파장에 대한 굴절률 변화가 큰 재료 선택을 행함으로써 수지 황변에 의한 광출력 저하를 방지할 수 있을 뿐 아니라, 실질적으로, 단파장광에 대하여, 굴절률이 높은 재료에 의한 밀봉을 실현할 수 있고, 높은 외부 양자 효율을 얻을 수 있다.
이러한 광학 특성을 갖는 저융점 글래스로서 SiO2-Nb2O5계 글래스를 예로 들 수 있으며, 그 중에서도 SiO2-Nb2O5-Na2O 글래스가 바람직하다.
제1 밀봉 부재는 발광 소자에서 적어도 광수발광 방향으로 배치되어 이것을 피복하도록 하는 것이 바람직하다. 해당 방향에서의 변색을 확실하게 방지하기 위해서이다.
제1 밀봉 부재의 형상은 특별히 한정되지 않고, 광 디바이스에 요구되는 광학 특성에 따라서 적절하게 설계된다. 발광 소자의 경우, 그 광방출 방향에 배치되는 제1 밀봉 부재는 볼록 렌즈형으로 되는 것이 바람직하다.
(제2 밀봉 부재)
본 발명에서 광학 소자는, 상기한 제1 밀봉 부재를 포함해서 복수의 밀봉 부재로 밀봉되는 경우가 있다. 여기에 제2 밀봉 부재는 광학 소자를 그 주된 광수발광 방향과 반대 방향으로부터 피복한다.
제2 밀봉 부재도, 제1 밀봉 부재와 마찬가지로, SiO2-Nb2O5계, B2O3-F계, P2O5-F계, P2O5-ZnO계, SiO2-B2O3-La2O3계, 및 SiO2-B2O3계로부터 선택되는 저융점 글래스로 해도 된다. 여기에 제2 밀봉 부재는 제1 밀봉 부재와 동일 재료이어도, 서로 다른 재료이어도 된다. 양자를 서로 다른 저융점 글래스 재료로 했을 때, 제1 밀봉 부재(광학 소자의 주된 광수발광 방향에 존재하는 것)의 굴절률을 제2 밀봉 부재의 굴절률보다 높게 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해 광학 소자로서 발광 소자를 이용하는 경우, 발광 소자와 밀봉 부재의 계면에서의 임계각이 커져 광효율이 향상하게 된다.
저융점 글래스로 이루어지는 제2 밀봉 부재인 경우, 제1 밀봉 부재와 마찬가 지로, 프레스 몰드 혹은 자연 용착에 의해 형성할 수 있다.
또한, 저융점 글래스로 이루어지는 제2 밀봉 부재에는, 제1 밀봉 부재와 마찬가지로, 형광 재료를 분산할 수도 있다.
제2 밀봉 부재를 비투명한 재료로 형성하는 것도 가능하다. 이러한 제2 밀봉 부재로서 저융점 글래스 이외에, 금속판, 세라믹스판 등을 예로 들 수 있다. 이 경우, 제2 밀봉 부재는 광을 효율적으로 반사하는 재료제로 하는 것이 바람직하다. 제2 밀봉 부재를 저융점 글래스 이외의 재료로 형성한 경우에는, 제1 밀봉 부재의 선팽창 계수의 값을 해당 제2 밀봉 부재의 선팽창 계수와 광학 소자의 선팽창 계수의 사이로 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 광 디바이스가 땜납 리플로우로 등에서 열처리된 경우에도, 이종 재료의 선팽창 계수의 차이에 기초하는 광 디바이스의 내부 응력을 저감할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 설명한다.
(제1 실시예)
이 실시예에서는 광학 소자로서 도 30에 도시하는 페이스업 타입의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자(1010)를 이용했다. 이 발광 소자는 청색계의 광을 방출한다.
발광 소자(1010)의 각 층의 스펙은 다음과 같다.
층 : 조성
p형층(1015) : p-GaN:Mg
발광하는 층을 포함하는 층(1014) : InGaN층을 포함한다
n형층(1013) : n-GaN:Si
버퍼층(1012) : AlN
기판(1011) : 사파이어
기판(1011)의 위에는 버퍼층(1012)을 통하여 n형 불순물로서 Si를 도핑한 GaN으로 이루어지는 n형층(1013)을 형성한다. 여기서, 기판(1011)에는 사파이어를 이용했지만 이것에 한정되는 것은 아니며, 사파이어, 첨정석, 탄화 실리콘, 산화아연, 산화마그네슘, 산화망간, 지르코늄붕소, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 단결정 등을 이용할 수 있다. 또한 버퍼층은 AlN을 이용하여 MOCVD법으로 형성되지만 이것에 한정되지 않으며, 재료로서는 GaN, InN, AlGaN, InGaN 및 AlInGaN 등을 이용할 수 있고, 제법으로서는 분자선 결정 성장법(MBE법), 할로겐계 기상 성장법(HVPE법), 스퍼터법, 이온플레이팅법 등을 이용할 수 있다. Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체를 기판으로서 이용한 경우에는, 해당 버퍼층을 생략할 수 있다.
또한 기판과 버퍼층은 반도체 소자 형성 후에, 필요에 따라, 제거할 수도 있다.
여기서 n형층(1013)은 GaN으로 형성했지만, AlGaN, InGaN 혹은 AlInGaN을 이용할 수 있다.
또한, n형층(1013)은 n형 불순물로서 Si를 도핑했지만, 그 이외에 n형 불순물로서, Ge, Se, Te, C 등을 이용할 수도 있다.
발광하는 층을 포함하는 층(1014)은 양자 웰 구조(다중 양자 웰 구조, 혹은 단일 양자 웰 구조)를 포함하고 있어도 되고, 또한 발광 소자의 구조로서는 싱글 헤테로형, 더블 헤테로형 및 호모 접합형인 것 등이어도 된다.
발광하는 층을 포함하는 층(1014)은 p형층(1015) 측에 Mg 등을 도핑한 밴드갭이 넓은 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층을 포함할 수도 있다. 이것은 발광하는 층을 포함하는 층(1014) 중에 주입된 전자가 p형층(1015)에 확산하는 것을 효과적으로 방지하기 위해서이다.
발광하는 층을 포함하는 층(1014)의 위에 p형 불순물로서 Mg를 도핑한 GaN으로 이루어지는 p형층(1015)을 형성한다. 이 p형층(1015)은 AlGaN, InGaN 또는 InAlGaN으로 할 수도 있다. 또한, p형 불순물로서는 Zn, Be, Ca, Sr, Ba를 이용할 수도 있다. p형 불순물의 도입 후에, 전자선 조사, 로에 의한 가열, 플라즈마 조사 등의 주지의 방법에 의해 저저항화하는 것도 가능하다. 상기 구성의 발광 소자에서, 각 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층은 일반적인 조건에서 MOCVD를 실행하여 형성하거나, 분자선 결정 성장법(MBE법), 할로겐계 기상 성장법(HVPE법), 스퍼터법, 이온플레이팅법 등의 방법으로 형성할 수도 있다.
n전극(1018)은 Al과 V의 2층으로 구성되고, p형층(1015)을 형성한 후에 p형층(1015), 발광하는 층을 포함하는 층(1014), 및 n형층(1013)의 일부를 에칭에 의해 제거함으로써 표출한 n형층(1013) 상에 증착으로 형성된다.
투광성 전극(1016)은 금을 포함하는 박막으로서, p형층(1015)의 위에 적층된다. p전극(1017)도 금을 포함하는 재료로 구성되어 있고, 증착에 의해 투광성 전극(1016)의 위에 형성된다. 이상의 공정에 의해 각 층 및 각 전극을 형성한 후, 각 칩의 분리 공정을 행한다.
이 발광 소자(1010)는, 도 31에 도시하는 바와 같이, 전력 수송 수단으로서의 마운트 리드(1021)의 위에 발광 소자(1010)를 고정하고, 발광 소자(1010)의 상면의 전극으로부터 마운트 리드(1021)와 다른 전력 수송 수단으로서의 서브 리드(1022)에 각각 본딩 와이어(1023, 1024)가 현가되어 있다. 발광 소자(1010)로부터의 광을 효율적으로 반사시키기 위해서 마운트 리드(1021)의 표면은 은도금되어 있다. 또한, 광 반사 효율을 확보하기 위해서 무기계의 백색 접착제를 이용하여 발광 소자(1010)를 마운트 리드(1021)에 고정할 수도 있다. 또한 순 구리에 가까운 구리 합금을 이용하고, 높은 방열성이 있는 것으로 할 수도 있다. 본딩 와이어에는 금선이 이용되어 있다.
도 31에 도시한 부착체(1020)는, 중심으로서 도 32에 도시한 바와 같이 프레스용 금형(1025)에 세트된다. 이 프레스용 금형(1025)의 오목부(1026, 1027)에 각각 저융점 글래스를 세트해 두고, 해당 금형(1025)을 폐쇄함으로써 도 33에 도시하는 밀봉 부재(1028)(제1 밀봉 부재)를 성형한다. 이 실시예에서는 저융점 글래스로서 P2O5-F계 글래스(주식회사 스미다 광학 글래스:상품명 K-PG325)를 선택하고, 성형 온도는 430℃로 했다.
그 결과, 도 33에 도시하는 바와 같이, 발광 소자(1010)의 전부와 리드(1021, 1022)의 일부가 반구형의 밀봉 부재(1028)에 의해 피복되게 된다. 이 밀봉 부재(1028)의 형상은, 광 디바이스(1002)에 요구되는 광학 특성에 따라서 적절하게 설계 가능하고, 예를 들면 포탄형을 채용할 수도 있다.
(제2 실시예)
도 34에 도시하는 광 디바이스(1003)는, 도 33의 광 디바이스(1001)에서 저융점 글래스 중에 형광 재료를 함유시킨 것이다. 또한, 도 33과 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여 그 설명을 생략한다. 이 실시예에서는, 형광 재료로서 희토류 원소를 도핑한 저융점 글래스로 밀봉 부재(1038)를 형성했다.
임의의 형광 재료를 저융점 글래스에 함유시킴으로써, 광 디바이스(1003)의 발광색의 제어가 가능하게 된다.
(제3 실시예)
도 35에 도시하는 광 디바이스(1004)는, 도 4의 광 디바이스(1002)에서 밀봉 부재(1028)를 포탄형의 커버(1048)로 피복한 것이다. 이 커버(1048)는 에폭시 수지 외의 투광성 수지로 이루어지고, 몰드 성형된다. 이와 같이 커버(1048)를 형성함으로써 큰 사이즈의 광 디바이스를 얻을 수 있다. 이것에 의해, 표준 형상의 글래스 밀봉체를 작성하고, 이것을 몰드형의 설비나 작업이 보다 용이한 수지에 의해, 다양한 광학계를 얻을 수 있다. 이 때, 발광 소자로부터 방사되는 광의 밀도가 높고, 온도 상승이 있는 발광 소자 근방은 글래스재이기 때문에, 광출력 열화는 무시할 수 있을 정도로 억제할 수 있다. 또한, 도 34에 도시하는 밀봉 부재(1038)를 이 커버(1048)로 피복하는 것도 가능하다. 또한, 후술하는 도 36, 도 38, 도 39의 각 밀봉 부재(1058, 1068, 1069, 1079)를 이 커버(1048)로 피복하는 것도 가능하다. 이 커버(1048) 중에 형광 재료를 함유시키는 것도 가능하다.
(제4 실시예)
도 36에 도시하는 광 디바이스(1005)는 자연 용착에 의해 형성된 밀봉 부재(1058)를 갖는 것이다. 도 33과 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.
이 밀봉 부재(1058)는 다음과 같이 하여 형성된다. 도 37에 도시한 바와 같이 저융점 글래스로 이루어지는 통형상체(1058a)를 준비하여 이것을 발광 소자(1010)와 리드(1021, 1022)의 부착체(1020)에 씌운다. 이것을 로 안에 넣어 통형상체(1058a)를 연화시킨다. 그 결과, 통형상체(1058a)는 그 재료의 표면 장력에 의해 렌즈 형상으로 부착체(1020)를 피복하게 된다.
이 실시예에 따르면 프레스용 금형이 불필요해지기 때문에, 염가의 광 디바이스의 제공이 가능하게 된다.
(제5 실시예)
도 38에 도시하는 광 디바이스(1006)에서는 이종의 저융점 글래스를 이용하여 발광 소자(1010) 및 리드(1021, 1022)를 피복하고 있다. 또한, 도 38에서 도 33과 동일 요소에는 동일한 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.
도 38의 예에서는, 발광 소자는 상기한 실시예와 마찬가지로 청색계의 발광 소자를 이용하고, 발광 소자(1010)의 상측(주로 광방출 방향)을 SiO2-Nb2O5계 글래스로 이루어지는 제1 밀봉 부재(6108)(굴절률 1.8, 아베수 25)로 밀봉하고, 발광 소자(1010)의 하측(주로 광방출 방향과 반대 방향)을 P2O5-F계 글래스로 이루어지는 제2 밀봉 부재(1069)로 밀봉하고 있다. 광추출 효율을 향상시키는 견지로부터, 제 1 밀봉 부재(1068)는 높은 굴절률의 재료 선택을 행하고 있다. 또한, 그것에 의해 발생하는 제조상의 제약을 제2 밀봉 부재에 의해서 완화하고, 실제로 작성할 수 있는 것으로 되어 있다. 이 결과, 제1 밀봉 부재(1068)의 굴절률은 제2 밀봉 부재(1069)의 굴절률보다 커진다. 또한, 제1 밀봉 부재(1068)는 아베수가 작은 재료 선택을 행하고, 청색계의 발광 소자에 대하여, 실제의 굴절률이 커지는 것으로 되어 있다.
도 38에 도시되는 광 디바이스(1006)는, 도 32에서 금형(1025)의 오목부(1026, 1027)에 충전하는 재료를 서로 다르게 함으로써 형성할 수 있다.
또한, 발광 소자로서 적색계를 이용하는 경우에는, 제1 밀봉 부재(1068)로서, 굴절률이 높고, 아베수가 큰 재료 선택을 행함으로써, 실제의 굴절률이 큰 것을 선택할 수 있다. 예를 들면, 굴절률 1.8, 아베수 45의 SiO2-B2O3-La2O3계의 글래스가 있다.
(제6 실시예)
도 39에 도시하는 광 디바이스(1007)에서는, 제2 밀봉 부재(1079)로서 금속 박판(Al 박판)을 이용했다. 도 38과 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여 그 설명을 생략한다. 제2 밀봉 부재로서 금속 재료를 이용함으로써, 발광 소자(1010)로부터의 광을 효율적으로 반사할 수 있다. 이 제2 밀봉 부재(1079)는 오로지 반사판의 역할을 발휘하는 것으로, 금속 얇은 판자 이외에 수지판 등을 이용할 수 있다.
이 광 디바이스(1007)는 다음과 같이 제조된다. 도 40에 도시한 바와 같이, 발광 소자(1010)와 리드(1021, 1022)의 부착체(1020)의 이면 측에 금속 박판(1079)을 붙인다. 이것을 중심으로 하여 금형(1025)에 세트한다. 이 때, 저융점 글래스는 프레스 금형(1025)의 상측의 오목부(1026)에만 충전된다. 그 후, 클램핑하여, 도 39의 광 디바이스(1007)를 얻는다.
이 실시예와 같이 제1 밀봉 부재(1068)와 제2 밀봉 부재(1079)를 이종 재료로 형성하는 경우에는, 제1 밀봉 부재의 선팽창 계수의 값을 제2 밀봉 부재의 선팽창 계수와 발광 소자의 선팽창 계수의 중간으로 하는 것이 바람직하다.
(제7 실시예)
이 실시예에서는 플립 칩 타입의 발광 소자(1100)를 이용한다. 플립 칩 타입의 발광 소자는, 도 41에 도시한 바와 같이, 도 30의 발광 소자에서 투광성 전극(1016) 및 p전극(1017) 대신에, p형층(1015)의 전면에 후막의 p전극(1101)을 적층한 구성이다. 또한, 도 30과 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.
해당 플립 칩 타입의 발광 소자(1100)를 서브 마운트(1110)를 통하여 마운트 리드(1021)에 마운트하고, 서브 마운트(1110)와 서브 리드(1022)를 본딩 와이어(1124)로 결선하여 부착체(1120)를 형성한다. 이 서브 마운트(1110)에는 회로 패턴이 형성되어 있고, 발광 소자(1100)의 각 전극(1018, 1101)이 직접 혹은 본딩 와이어(1124)를 통하여 리드(1021, 1022)에 전기적으로 연결된다. 이 부착체(1120)를 중심으로 하여 제1 실시예와 마찬가지로 하여 밀봉 부재(1028)를 형성하고, 도 42에 도시하는 광 디바이스(1008)를 얻는다. 이와 같이 플립 칩 타입의 발광 소자 를 구비한 발광 장치에서는, 밀봉 공정에서 델리케이트한 본딩 와이어가 1개로만 되기 때문에, 공정 관리가 용이하게 됨과 함께 제조 수율이 향상한다. 또한, 본딩 와이어가 발광 소자의 발광면에 근접하지 않기 때문에, 외부 방사 효율에서 본딩 와이어가 영향을 주지 않게 된다.
또한, 제1 실시예와 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여, 설명을 간소화하고 있다.
도 41에 도시한 플립 칩 타입의 발광 소자(1100)의 부착체(1120)에 대하여, 제2~제6 실시예에서 설명한 밀봉 부재를 적용할 수 있다. 도 42~도 45에 그 예를 도시했다. 또한, 설명을 간소화하기 위해서, 이미 상기한 요소와 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.
(제8 실시예)
이 실시예에서는, 도 47에 도시한 바와 같이, AlN 등으로 이루어지는 무기 재료 기판(1200)의 표면에 전력 수송 수단으로서의 회로 패턴(1201, 1202)이 형성되어 있다. 해당 회로 패턴(1201, 1202)에 대하여, 범프(1205, 1206)를 통하여 플립 칩 타입의 발광 소자(1100)가 마운트되게 된다. 또한, 기판(1200)은 공정재에 의해, 리드(1021, 1022)에 실장되어 있다. 그리고, 이 부착체(1220)를 중심으로서 제1 실시예와 마찬가지로 하여 밀봉 부재(1028)를 형성하고, 도 48에 도시하는 광 디바이스(1009)를 얻는다.
또한, 제1 실시예와 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여, 설명을 간소화하고 있다.
도 47에 도시한 부착체(1220)에 대하여, 제2~제6 실시예에서 설명한 밀봉 부재를 적용할 수 있다. 도 49~도 51에 그 예를 도시했다. 또한, 설명을 간소화하기 위해서, 상기한 요소와 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.
상기의 예에서는 부착체(1220)의 전체를 밀봉 부재로 피복하고 있지만, 도 52에 도시한 바와 같이 발광 소자(1100)와 회로 패턴(1201, 1202)의 일부를 밀봉 부재(1228)로 피복해도 된다. 도 53에 도시한 구성의 광 디바이스는 칩 LED로서 사용할 수 있다.
이 실시예의 광 디바이스에는 열적으로 또는 기계적으로 취약한 본딩 와이어가 존재하지 않고, 또한, 디바이스 내에 유기 재료를 포함하지 않기 때문에, 보다 높은 온도로 저융점 글래스를 프레스 성형할 수 있다. 또한, 리플로우로 등에 서의 열 처리에 대해서도 안정적으로 된다. 따라서, 제조가 용이하게 되고, 적용할 수 있는 저융점 글래스의 선택의 폭도 넓어진다. 따라서, 염가의 광 디바이스의 제공이 가능하게 된다.
상기의 공정재에 한정되지 않고, 금 범프에 의한 광학 소자 마운트를 행해도 된다. 이것에 의해서도, 와이어리스, 무기재만의 안정된 디바이스 형성이 가능하다.
(제9 실시예)
이 실시예의 광 디바이스의 단면도를 도 54에, 동 평면도를 도 55에 도시한다.
이 광 디바이스(1230)는 플립 칩 타입의 발광 소자(1100), AlN 기판(1231), 금속 패턴(1236) 및 밀봉 부재(1238)를 구비하여 이루어진다.
기판(1231)으로서 이 실시예에서는 AlN으로 이루어지는 것을 이용했지만, 적어도 발광 소자(1100)의 실장면이 AlN 등의 절연 재료로 형성되어 있으면 된다. 예를 들면, 기판의 기초부를 알루미늄판으로 형성하고, 그 표면에 AlN을 적층한 것을 기판으로서 이용할 수 있다. 절연 재료로서는 AlN 이외에 Al2O3 등을 이용할 수 있다.
기판(1231)에는 쓰루홀(1231, 1232)이 형성되어 있다.
금속 패턴(1235, 1236)에 의해 기판(1231)의 실장면의 거의 전면이 피복되어 있다. 이 실시예에서는 메탈라이즈법에 의해 금속 패턴(1235, 1236)은 형성되어 있다. 이 때문에, 금속 패턴(1235, 1236)과 기판(1231)의 결합력은 강하고, 또한 기판(1231)과의 접촉 면적을 크게 함으로써 양자의 결합력이 향상한다. 실시예의 금속 패턴(1235, 1236)은 텅스텐 상에 니켈 도금을 실시하고, 발광 소자 마운트부 및 금속 패턴 노출부(저융점 글래스 밀봉되지 않는 개소)는 더욱 금도금을 실시하여 이루어진다. 이러한 금속 재료는, 기판 실장면의 절연 재료 및 저융점 글래스로 이루어지는 밀봉 부재와 강한 결합력을 구비한다. 또한, 글래스와 금속 재료는 선열팽창계수가 대략 동등(약 10~20×10-6(1/℃))하고, 열수축에 의한 응력은 발생하기 어렵다. 또한, 금속 패턴의 형상 및 형성 재료는, 기판 실장면의 재료와 밀봉 부재의 재료에 따라서 적절하게 선택되는 것이다.
금속 패턴(1235, 1236)이 발광 소자(1100)에 대한 전력 수송 수단으로 된다. 또한, 해당 전력 수송 수단과 별개의 부재로서 금속 패턴을 형성하고, 기판과 밀봉 부재의 결합력을 확보할 수도 있다.
플립 칩 타입의 발광 소자(1100)의 전극면(도시 하측면)에는 공정재 도금이 실시된다. 그리고 범용적인 리플로우로를 통해서 발광 소자(1100)가 금속 패턴(1235, 1236)에 납땜된다.
여기에, 공정재 도금은 발광 소자(1100)의 전극 표면에 넓고 얇게 형성되어 있기 때문에, 기판 측에의 방열성이 우수하다. 또한, 플립 칩 타입의 발광 소자와같이 p전극, n전극의 간격이 좁아도 단락하지 않다.
밀봉 부재(1238)는 발광 소자(1100)의 파장에 대하여 투명한 저융점 글래스로 구성된다. 이러한 저융점 글래스로서 SiO2-Nb2O5계, B2O3-F계, P2O5-F계, P2O5-ZnO계, SiO2-B2O3-La2O3계, 및 SiO2-B2O3계로부터 선택되는 저융점 글래스를 채용할 수 있다.
밀봉 부재(1238)는 감압하 질소 분위기에서, 몰드 성형된다.
이러한 광 디바이스(1230)에 따르면, 밀봉 부재(1238)를 형성하는 저융점 글래스와 금속 패턴(1235, 1236)을 형성하는 금속의 접착성이 높고, 또한, 해당 금속과 AlN 기판(1231) 사이에도 높은 접착성이 확보된다. 이 때문에, 밀봉 부재(1238)가 기판(1231)에 대하여 강고하게 접합되고, 계면 박리가 거의 발생하지 않게 된다. 또한, 이 광 디바이스에서는 열적으로 또는 기계적으로 취약한 본딩 와 이어가 존재하지 않고, 또한, 디바이스 내에 유기 재료를 포함하지 않기 때문에, 보다 높은 온도에서 저융점 글래스를 프레스 성형할 수 있다. 또한, 리플로우로 등에서의 열 처리에 대하여도 안정적으로 된다. 따라서, 제조가 용이하게 되고, 적용할 수 있는 저융점 글래스의 선택의 폭도 넓어진다.
이하, 도 56으로부터 도 64에 도시되는 실시 형태에 대해 상세히 설명한다.
(광학 소자)
광학 소자에는 발광 다이오드, 레이저 다이오드 이외에 발광 소자 및 수광 소자가 포함된다. 광학 소자의 수발광 파장도 특별히 한정되는 것이 아니며, 자외광~녹색계광에 유효한 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자나 적색계광에 유효한 GaAs계 반도체 소자 등을 이용할 수 있다. 그 밖에, SiC, AlInGaP 등으로 형성되는 광학 소자를 이용할 수 있다.
밀봉 부재의 문제가 특히 현저하게 되는 것은 단파장을 방출하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자이다. 여기에, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는, 일반식으로서 AlxGayIn1 -x-yN(0<x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 표시된다. Al을 포함하는 것은 이 중, AlN의 소위 2원계, AlxGa1 - xN 및 AlxIn1 -xN(이상에서 0<x<1)의 소위 3원계를 포함한다. Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 및 GaN에서, Ⅲ족 원소 중 적어도 일부를 붕소(B), 탈륨(Tl) 등으로 치환해도 되고, 또한, 질소(N) 중 적어도 일부도 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi) 등으로 치환할 수 있다.
또한, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 임의의 도우펀트를 포함하는 것이어도 된다. n형 불순물로서, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te), 카본(C) 등을 이용할 수 있다. p형 불순물로서, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be),칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 등을 이용할 수 있다. 또한, p형 불순물을 도핑한 후에 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체를 전자선 조사, 플라즈마 조사 혹은 로에 의한 가열에 노출할 수 있지만 필수가 아니다.
Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층은 MOCVD(유기 금속 기상 성장)법에 의해 형성된다. 소자를 구성하는 모든 반도체층을 상기 MOCVD법으로 형성할 필요는 없으며, 분자선 결정 성장법(MBE법), 할로겐계 기상 성장법(HVPE법), 스퍼터법, 이온플레이팅법 등을 병용하는 것이 가능하다.
발광 소자의 구성으로서는, MIS 접합, PIN 접합이나 pn 접합을 가진 호모 구조, 헤테로 구조 혹은 더블 헤테로 구조의 것을 이용할 수 있다. 발광층으로서 양자 웰 구조(단일 양자 웰 구조 혹은 다중 양자 웰 구조)를 채용할 수도 있다. 이러한 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자로서, 주로 광수발광 방향(전극면)을 광 디바이스의 광축 방향으로 한 페이스업 타입이나 주로 광수발광 방향을 광축 방향과 반대 방향으로 하여 반사광을 이용하는 플립 칩 타입을 이용할 수 있다.
Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자의 에피택셜 성장 온도는 1050℃ 정도이고, 또한 GaAs계의 반도체 소자의 에피택셜 성장 온도는 내열 온도는 600℃ 이상이며, 모두 저융점 글래스를 이용함으로써 열에 의한 손상 영향이 없는 가공이 가능하다.
(무기 재료 기판)
본 발명의 광 디바이스는 상기한 광학 소자가 무기 재료 기판에 마운트되어 있다. 무기 재료 기판의 베이스 재료 및 형상은 광 디바이스의 용도에 따라서 적절하게 선택할 수 있는데, 예를 들면 AlN, Al2O3, 글래스 함유 Al2O3 등의 직사각형판 형상의 것을 이용할 수 있다.
기판에서 적어도 그 표면이 해당 베이스 재료로 형성되어 있으면 된다. 예를 들면, 중심 부분을 Al 혹은 Al 합금으로 형성하고 그 표면을 AlN로 둘러싸서 이루어지는 기판을 이용할 수 있다.
(금속 패턴)
무기 재료 기판에는 금속 패턴이 형성되고, 광학 소자의 각 전극과 외부 회로를 전기적으로 결합하여 광학 소자에 대하여 전력을 수송한다. 즉, 광학 소자가 발광 소자인 경우에는 외부 회로로부터 광학 소자에 전력을 인가하고, 광학 소자가 수광 소자인 경우에는 광학 소자가 발생한 전력을 외부 회로로 추출한다.
본 발명의 금속 패턴은 이러한 전력의 송수신 기능 외에 추가로, 무기계의 밀봉 부재를 무기 재료 기판에 안정적으로 접착시키는 접착층의 기능을 함께 갖는다. 밀봉 부재는 광학 소자를 둘러싸도록 배치되므로, 이 금속 패턴도 광학 소자를 둘러싸도록 에리어에 형성함으로써, 밀봉 부재와 무기 재료 기판 사이에 개재되는 금속 패턴의 면적을 극대화할 수 있다. 또한, 광학 소자를 둘러싸는 금속 패턴은 연속체에 한정되는 것이 아니며, 비연속체이어도 된다. 이러한 비연속체의 금속 패턴의 모든 부분이 전력의 수송 기능을 담당할 필요는 없다.
금속 패턴은 광을 반사하는 기능도 갖기 때문에, 이것으로 광학 소자를 둘러싸는 것에 의해, 광학 소자의 광을 빠짐없이 반사시켜 광추출 효율을 향상시키는 기능도 갖는다. 예를 들면 흑색의 AlN으로 이루어지는 기판은 광학 소자로부터의 광을 흡수하고, 또한 Al2O3로 이루어지는 기판은 광학 소자로부터의 광을 투과시키기 때문에, 이러한 금속 패턴으로 광학 소자를 둘러싸는 것에 의해, 광학 소자로부터의 광을 외부로 효율적으로 반사할 수 있다.
금속 패턴의 형성 재료는 밀봉 부재의 재질 및 무기 재료 기판의 재질에 따라서 이들과 결합성이 우수한 것이 적절하게 선택된다. 금속 패턴은 이것을 다층 구조로 할 수도 있다. 예를 들면, 금속 패턴의 형성 재료로서 W, W×Ni(W의 위에 Ni을 적층한 것), W×Ni×Ag(W의 위에 Ni과 Ag을 순차적으로 적층한 것), Cu박 등을 채용할 수 있다.
여기에, W층은 가열에 의해 밀봉 부재나 기판의 무기 재료에 쐐기와 같이 들어가서, 양자 사이에 강고한 결합이 형성된다. W층의 위에 Ni층을 형성한 경우, 가열에 의해 Ni층과 밀봉 부재 사이에 화학 결합이 발생하고, 양자 사이에 강고한 결합이 얻어진다.
Ag층은 금속 패턴의 광반사 효율을 향상시키는 고반사율층이고, 광학 소자의 주변 부위로 부분적으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 광학 소자를 마운트하는 부분에 결합 수단으로서 Au층을 형성할 수도 있다. 이 Au층에 의해 광학 소자를 금속 패턴으로 접착할 수 있다.
결합 수단으로서 Au 범프를 이용할 수 있다. 또한, Au 범프 이외에도, 땜납 범프나 땜납 도금 등의 공정재에 의한 마운트 결합 수단을 이용해도 상관없다.
기판의 열변형량을 작게 하는 견지로부터, 기판의 광학 소자 마운트면(표면)의 실질적인 전면에 해당 금속 패턴을 형성하는 것이 바람직하다.
금속 패턴을 기판의 이면까지 형성할 때에는, 기판에 쓰루홀(비아홀)을 형성하여 그곳으로 금속 패턴의 재료를 통과시킴으로써 기판 표면과 패턴과 기판 이면의 패턴을 연결시킬 수 있다. 전기 단자는 기판의 광학 소자가 마운트되는 면으로부터 그 이면 측에 인출되어 있기 때문에, 특히 기판의 광학 소자가 마운트되는 면 측에 전기 단자를 위한 광학 소자의 밀봉 부재로 피복되지 않는 개소를 마련할 필요가 없고, 전면을 판 형상의 밀봉 부재로 밀봉할 수 있다. 이 때문에, 양산성이 우수한 것으로 할 수 있다. 또한 이 때, 기판에는 관통홀이 없는 것으로 하면, 광학 소자가 마운트되는 면 측의 광학 소자의 밀봉 부재가 그 이면 측으로 나오지 않는다.
금속 패턴의 형성 방법은 특별히 한정되는 것이 아니지만, 실시예에서는 무기 재료 기판에 W의 페이스트를 스크린 인쇄하고, 또한 이것을 소성하여 W의 금속 패턴을 무기 재료 기판에 형성했다. 이 W층에 Ni층을 도금하여 W＼Ni로 이루어지는 금속 패턴을 형성하고, 가열 처리한다. W＼Ni＼Ag은, 도금한 Ni층에 Ag을 더 도금한다.
이들 금속층을 스퍼터법 이외의 주지의 방법으로 형성할 수도 있다.
(밀봉 부재)
무기계의 밀봉 부재는 광학 소자의 수발광 파장에 대하여 투명하고, 광학 소자를 보호할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않지만, 광학 소자의 내열 온도가 600℃ 정도인 것을 고려하면, 그것보다 낮은 융점(연화점)을 갖는 저융점 글래스를 채용하는 것이 바람직하다.
이러한 저융점 글래스로서, 납 글래스나 칼코겐화물 글래스 이외에, SiO2-Nb2O5계, B2O3-F계, P2O5-F계, P2O5-ZnO계, SiO2-B2O3-La2O3계 혹은 SiO2-B2O3계의 글래스를 채용할 수 있다. 이들 저융점 글래스는 모두 350~600℃에서 프레스 성형이 가능하다.
밀봉 부재에는 형광 재료를 분산할 수도 있다. 이러한 형광 재료로서 무기계의 형광 재료의 분체를 이용하고, 이것을 저융점 글래스 중에 혼합할 수 있다. 또한, 저융점 글래스 중에 희토류 이온을 도핑함으로써 이것을 형광시키는 것도 가능하다. 발광 소자와 형광 재료를 적절하게 조합함으로써, 백색광을 비롯하여 임의의 발광색을 얻을 수 있다.
이 밀봉 부재와 광학 소자의 조합에서, 밀봉 부재의 아베수를 4O 이하, 그 굴절률을 1.6 이상으로 하고, 또한 광학 소자의 수발광 파장을 546.1㎚(Na의 e선의 파장) 이하로 하는 것이 바람직하다. 즉, 고굴절 재료 내에서 발광되는 광의 외부 양자 효율은, 발광되는 광의 파장에 대한 밀봉 재료의 굴절률이 높은 쪽이 유리하다. 광학 재료의 굴절률은 Na의 d선에 의해서 정의되지만, 일반적으로 단파장일수록 그 굴절률은 높아지고, 광의 파장에 대한 굴절률의 변화의 정도가 아베수로 표 현된다. 특히 종래의 수지 밀봉에서 문제로 되는 단파장 발광의 발광 소자에서, Na의 d선에서의 고굴절률이고, 또한, 파장에 대한 굴절률 변화가 큰 재료 선택을 행함으로써 수지 황변에 의한 광출력 저하를 방지할 수 있을 뿐 아니라, 실질적으로 단파장광에 대하여, 굴절률이 높은 재료에 의한 밀봉을 실현할 수 있고, 높은 외부 양자 효율을 얻을 수 있다.
이러한 광학 특성을 갖는 저융점 글래스로서 SiO2-Nb2O5계 글래스를 예로 들 수 있고, 그 중에서도 SiO2-Nb2O5-Na2O 글래스가 바람직하다.
판 형상의 저융점 글래스로 이루어지는 밀봉 부재를 광학 소자로 중첩하여 이것이 연화하도록 가열함으로써, 발광 소자를 밀봉 부재로 감쌀 수 있다. 밀봉 부재와 광학 소자 사이에 공기가 들어가지 않도록, 이 가열은 감압 분위기하에서 행하는 것이 바람직하다. 이 가열에 의해, 저융점 글래스와 금속 패턴의 계면에서 화학 반응이 발생하여 양자가 강고하게 접착된다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 설명한다.
(제10 실시예)
이 실시예에서는 광학 소자로서 도 56에 도시하는 플립 칩 타입의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자(2010)를 이용했다. 이 발광 소자는 청색계의 광을 방출한다.
발광 소자(2010)의 각 층의 스펙은 다음과 같다.
층 : 조성
p형층(2015) : p-GaN:Mg
발광하는 층을 포함하는 층(2014) : InGaN 층을 포함한다
n형층(2013) : n-GaN:Si
버퍼층(2012) : AlN
기판(2011) : 사파이어
기판(2011)의 위에는 버퍼층(12)을 통하여 n형 불순물로서 Si를 도핑한 GaN으로 이루어지는 n형층(2013)을 형성한다. 여기서, 기판(2011)에는 사파이어를 이용했지만 이것에 한정되는 것은 아니며, 사파이어, 첨정석, 탄화 실리콘, 산화아연, 산화마그네슘, 산화망간, 지르코늄 붕소, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 단결정 등을 이용할 수 있다. 또한 버퍼층은 AlN을 이용하여 MOCVD법으로 형성되지만 이것에 한정되는 것은 아니며, 재료로서는 GaN, InN, AlGaN, InGaN 및 AlInGaN 등을 이용할 수 있고, 제법으로서는 분자선 결정 성장법(MBE법), 할로겐계 기상 성장법(HVPE법), 스퍼터법, 이온플레이팅법 등을 이용할 수 있다. Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체를 기판으로서 이용한 경우에는, 해당 버퍼층을 생략할 수 있다.
또한 기판과 버퍼층은 반도체 소자 형성 후에, 필요에 따라, 제거할 수도 있다.
여기서 n형층(2013)은 GaN으로 형성했지만, AlGaN, InGaN 혹은 AlInGaN을 이용할 수 있다.
또한, n형층(2013)은 n형 불순물로서 Si를 도핑했지만, 이외에 n형 불순물로서, Ge, Se, Te, C 등을 이용할 수도 있다.
발광하는 층을 포함하는 층(2014)은 양자 웰 구조(다중 양자 웰 구조, 혹은 단일 양자 웰 구조)를 포함하고 있어도 되고, 또한 발광 소자의 구조로서는 싱글 헤테로형, 더블 헤테로형 및 호모 접합형인 것 등이어도 된다.
발광하는 층을 포함하는 층(2014)은 p형층(2015) 측에 Mg 등을 도핑한 밴드 갭이 넓은 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층을 포함할 수도 있다. 이것은 발광하는 층을 포함하는 층(2014) 중에 주입된 전자가 p형층(2015)으로 확산하는 것을 효과적으로 방지하기 위해서이다.
발광하는 층을 포함하는 층(2014)의 위에 p형 불순물로서 Mg를 도핑한 GaN으로 이루어지는 p형층(2015)을 형성한다. 이 p형층(2015)은 AlGaN, InGaN 또는 InAlGaN으로 할 수도 있다. 또한, p형 불순물로서는 Zn, Be, Ca, Sr, Ba를 이용할 수도 있다. p형 불순물의 도입 후에, 전자선 조사, 로에 의한 가열, 플라즈마 조사 등의 주지의 방법에 의해 저저항화하는 것도 가능하다.
상기 구성의 발광 소자에서, 각 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층은 일반적인 조건으로 MOCVD를 실행하여 형성하거나, 분자선 결정 성장법(MBE법), 할로겐계 기상 성장법(HVPE법), 스퍼터법, 이온플레이팅법 등의 방법으로 형성할 수도 있다.
n전극(2018)은 Al과 V의 2층으로 구성되고, p형층(2015)을 형성한 후에 p형층(2015), 발광하는 층을 포함하는 층(2014), 및 n형층(2013)의 일부를 에칭에 의해 제거함으로써 표출한 n형층(2013) 상에 증착으로 형성된다.
p전극(2016)은 증착에 의해 p형층(2015)의 위에 적층된다. 이상의 공정에 의해 각 층 및 각 전극을 형성한 후, 각 칩의 분리 공정을 행한다.
다음으로, 이 발광 소자(2010)를 마운트하는 무기 재료 기판을 준비한다.
AlN으로 이루어지는 소성 전의 무기 재료 기판(2021)의 양면에 W을 포함하는 페이스트를 스크린 인쇄하고, 도 57에 도시하는 패턴(2023, 2024)으로 한다. 도 57(b)에 도시되는 바와 같이, 기판(2021)에는 쓰루홀(2025)이 형성되고, 해당 쓰루홀(2025)을 통하여 마운트면(표면)의 패턴(2023)과 이면의 패턴(2024)의 전기적 결합을 도모한다.
그 후, 1500℃를 초과하는 온도로 AlN을 소결함과 함께 페이스트의 W을 기판(2021)에 달구어 붙인다. 이것에 의해, W과 기판이 강고하게 결합된다. 이 W을 스퍼터링으로 형성하는 것도 가능하다. 또한, W 대신에 Mo, 등의 고융점 금속을 이용해도 된다.
다음으로, 기판(2021)의 표면 측의 W 패턴(2023)의 위에 Ni층(2026)을 도금 법에 의해 거의 700℃로 가열하여 Ni과 W을 반응시킨다. 이것에 의해, AlN 기판(2021)의 위에 금속 패턴이 강고하게 접합된다.
다음으로, 도 58에 도시한 바와 같이, 금의 범프(2027, 2028)에 의해 발광 소자(2010)를 소정의 위치에 마운트한다. 또한, 범프(2027)는 발광 소자(2010)의 n전극(2018)에 연결되고, 범프(2028)는 발광 소자(2010)의 p전극(2016)에 연결된다. 도 58(a)의 상태에서 발광 소자(2010)는 금속 패턴(2023)으로 둘러싸인 상태로 된다.
다음으로, 도 59에 도시하는 바와 같이, 기판(2021)의 표면 측에 밀봉 부재로 되는 판 형상의 저융점 글래스를 중첩하여, 이것을 감압 분위기 하에서 가열하 여 융착시키고, 발광 소자(2010)를 밀봉한다. 이것에 의해, 금속 패턴 표면의 Ni과 저융점 글래스(2029)가, Ni 표면의 산화물을 통하여, 화학적으로 결합하고, 강고하게 결합한다. 또한, 밀봉 시의 잔류 기포 발생을 방지할 수 있다.
또한, 발광 소자(2010)로서 플립칩 타입의 것을 채용함으로써, 본딩 와이어가 생략되므로, 이 점에서도 기계적으로 안정되어 있다. 따라서, 이러한 구성의 광 디바이스는 양산 공정에 적합한 것이라고 할 수 있다.
마지막으로, 기판(2021)을 분할선(D)에서 분할하여 실시예의 광 디바이스를 얻는다.
(제11 실시예)
도 60~도 63에 다른 실시예의 광 디바이스를 도시한다.
도 60은 이 광 디바이스의 평면도이다. 이 광 디바이스에서는 기판 표면(마운트면) 측의 패턴이 제1 부분(고리 형상 부분)(2103)과 제2 부분(결합 부분)(2104, 2105)으로 분할되어 있다. 제1 부분(2103)에는 구멍(2107)이 복수 형성되어 있다. 제1 부분(2103)에는 기판의 주연에까지 신장하는 도전부(2108)가 형성되어 있다. 이 도전부(2108)는 도금 시에 전계를 인가하기 위해 사용된다.
제1 부분(2103)은 제10 실시예와 마찬가지로 하여 형성된 W층과 Ni층의 적층체이며, 이 위에 무기계의 밀봉 부재를 접착함으로써, 기판(21101)-제1 부분(2103)-밀봉 부재(2140) 사이에 강고한 결합이 얻어진다. 도금 형성된 Cu로 이루어지는 제2 부분(2104, 2105)은 제1 기판(2111)을 관통하고 있다.
이 실시예의 기판(2110)은 베이스 재료를 Al2O3로 하고, 제1 기판(2111)과 제2 기판(2112)을 접합하여 이루어진다. 각 기판의 베이스 재료로서 AlN, 글래스 함유 Al2O3 이외의 무기 재료를 이용할 수 있고, 제1 기판(2111)의 베이스 재료와 제2 기판(2112)의 그것을 서로 다른 것으로 하는 것도 가능하다.
제1 기판(2111)의 베이스 재료에는 관통한 구멍(2107)이 형성되고, 해당 구멍(2107)의 주면에도 금속 패턴인 제1 부분(2103)의 금속층이 적층되어 있다.
제2 기판(2112)의 표면에는 도 62에 도시하는 금속 패턴(2120, 2121, 212)이 형성되어 있다. 절결을 갖는 고리 형상의 금속 패턴(2120)은 제1 기판(111)의 구멍(2107)에 대향하고 있다. 이 금속 패턴(2120)은, 제1 금속 패턴의 제1 부분(2103)과 마찬가지로 W층과 Ni층의 적층체로 이루어진다. 이와 같이 구성된 금속 패턴(2120)에 따르면, 구멍(2107)의 바닥부까지 들어간 밀봉 부재의 무기계 재료(저융점 글래스 등) 사이에 충분한 결합력을 얻을 수 있다.
제2 기판(2112)의 중앙에 형성되는 금속 패턴(2121, 2122)은 각각 제1 기판(2111)의 금속 패턴 중의 제2 부분(2104, 2105)에 대향하는 위치에 형성되어 있다. 제1 기판(2111)과 제2 기판(2112)을 접합했을 때, 금속 패턴(2121, 2122)은 각각 제2 부분(2104, 2105)과 전기적으로 결합된다. 이 금속 패턴(2121, 2122)은 W층과 Ni층의 적층체의 위에 Au층을 더 적층시킨 것으로 했다. Au층을 형성함으로써, 금속 패턴(2121, 2122)과 제2 부분(2104, 2105)의 결합성이 향상한다.
제2 기판(2112)에는 관통홀(2125, 2126)이 형성되어 있다. 제2 기판(2112) 의 이면에는 넓은 면적의 금속 패턴(2131, 2132)이 형성되어 있다. 제2 기판(2112)의 표면 측의 금속 패턴(2121)은 관통홀(2125) 내에 충전된 도전성 금속 재료를 통하여 이면 측의 금속 패턴(2131)과 전기적으로 결합하고 있다. 이것에 의해, 금속 패턴(2131)으로부터 제1 기판(2111)의 표면의 금속 패턴(2104)을 통하여, 소자(2010)의 한쪽의 전극으로 전력이 송수신되게 된다. 마찬가지로, 제2 기판(2112)의 표면 측의 금속 패턴(2122)은 관통홀(2126) 내에 충전된 도전성 금속 재료를 통하여 이면 측의 금속 패턴(2132)과 전기적으로 결합하고 있다. 이것에 의해, 금속 패턴(2132)으로부터 제1 기판(2111)의 표면의 금속 패턴(2105)을 통하여 소자(2010)의 다른 쪽의 전극으로 전력이 송수신되게 된다.
제2 기판(2112)의 이면에 형성된 금속 패턴(2131, 2132)에는 각각 도전부 (2135, 2136)가 형성되어 있다. 이 도전부(2135, 2136)는 금속 패턴(2131, 2132)의 도금 형성 시에 사용된다.
제2 기판(2112)의 이면의 금속 패턴(2131, 2132)은 W층과 Ni층의 적층체의 위에 Au층을 더 적층시킨 것으로 했다. Au층을 마련함으로써, 금속 패턴(2131, 2132)과 외부 전극의 결합성이 향상한다. 관통홀(2125 및 2126) 내의 금속 재료는 해당 금속 패턴(2131, 2132) 및 표면 측의 금속 패턴(2121, 2122)을 형성할 때에 더불어 형성된다.
이 실시예에서는, 제1 기판(2111)과 제2 기판(2112)을 별개로 준비해 두고, 이것을 결합시킴으로써 무기 재료 기판(2110)을 형성한다. 제1 기판(2111)과 제2 기판(2112)의 결합의 방법은 특별히 한정되지 않으며, 접착제를 이용할 수도 있다.
기판(2110)을 분할함으로써, 분할면에 금속 패턴을 형성하는 것이 가능하게 되고, 회로 설계의 자유도가 향상한다. 또한, 구멍(2107)이 기판(2110)을 관통하는 것이면, 밀봉 부재의 재료 여부에 따라서는 기판(2110)을 지지하는 하형에 접합하여, 형 분리가 나빠질 가능성이 있다. 이 실시예와 같이, 구멍(2017)이 저면을 가지면, 밀봉 부재의 재료와 하형과의 접촉을 미연에 방지할 수 있다. 또한, 구멍(2107)이 관통되어 있으면, 밀봉 부재와 기판 표면 사이의 공기를 빼기 위한 부압을 기판의 전면에 걸기 어려워진다. 한편, 구멍(2107)이 저면을 가지면 밀봉 부재와 기판 사이의 공기가 잔존했다고 해도 그 공기가 해당 구멍으로 빠져나가기 때문에, 밀봉 부재와 기판 사이에 기포가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 여기에, 제1 기판(2111)에 형성된 관통홀의 한쪽의 개구부를 제2 기판(2112)으로 막음으로써 저면을 갖는 구멍(2107)을 형성하는 것은, 1장의 판 형상의 기판에 저면을 갖는 구멍을 형성하는 것에 비해, 양산성이 우수하다.
무기계 투광성 재료로 이루어지는 밀봉 부재(2140)가 기판(2110)의 표면에 피복된다. 밀봉 부재(2140)의 재료는 기판(2110)의 표면의 금속 패턴(2103)과 강고하게 결합하는 것은 물론, 이 실시예에서는 밀봉 부재(2140)의 재료가 구멍(2107)의 안까지 돌아서, 해당 밀봉 부재(2140)의 재료와 기판(2110)이 물리적으로 결합한다. 이것에 의해, 밀봉 부재(2140)와 기판(2110) 사이에 큰 열팽창계수의 차이가 있더라도, 양자의 변형이 물리적으로 억제되고, 밀봉 부재(2140)가 기판(2110)으로부터 박리하는 것이 보다 확실하게 방지된다.
이와 같이, 밀봉 부재가 피복되는 기판면에 요철을 마련함으로써, 밀봉 부재 와 기판이 물리적으로 결합하기 때문에, 밀봉 부재가 기판으로부터 박리하는 것을보다 확실하게 방지할 수 있다. 해당 요철로서, 실시예의 저면을 갖는 구멍 이외에, 홈이나 관통홀을 이용할 수도 있다. 또한, 기판면을 거칠게 함(Ra=0.5μm 이상)으로써, 양자의 물리적 결합을 얻을 수 있다. 기판에서 베이스 재료의 표면을 거칠게 해두면, 그 위에 금속 패턴을 형성해도 그 거침이 금속 패턴 표면에도 반영된다. 또한, 금속 패턴(2103)에만 구멍을 마련함으로써, 즉, 금속 패턴(2103)을 예를 들면 격자 형상으로 형성함으로써, 해당 요철을 형성할 수도 있다.
해당 요철의 작용은, 무기계 투광성 재료로 이루어지는 밀봉 부재를 아무런 금속 패턴을 통하지 않고 직접 무기 재료 기판의 베이스 재료에 피복하는 경우에도 유효하다.
도 64의 예는, 제10 실시예의 광학 소자의 기판에 저면을 갖는 구멍(2257)을 형성한 예를 도시한다. 해당 도 64 및 도 60에 도시하는 바와 같이, 구멍 즉 요철은 기판면에서 균등하게 분배되는 것이 바람직하다. 기판면의 전면에서 밀봉 재료와 요철의 결합을 확보하여, 양자의 박리를 방지하기 위해서이다.
이하, 도 65로부터 도 74에 도시되는 실시 형태에 대해 상세히 설명한다.
(광학 소자)
광학 소자에는 발광 다이오드, 레이저 다이오드 이외의 발광 소자 및 수광 소자가 포함된다. 광학 소자의 수발광 파장도 특별히 한정되는 것이 아니며, 자외광~녹색계광에 유효한 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자나 적색계광에 유효한 GaAs계 반도체 소자 등을 이용할 수 있다. 기타, SiC, AlInGaP 등으로부터 형성되 는 광학 소자를 이용할 수 있다.
밀봉 부재의 문제가 특히 현저해지는 것은 단파장을 방출하는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자이다. 여기에, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는, 일반식으로서 AlXGaYIn1-X-YN(0<X≤1, 0≤Y≤1, 0≤X+Y≤1)로 표현된다. Al을 포함하는 것은 이 중, AlN의 소위 2원계, AlxGa1 - xN 및 AlxIn1-xN(이상에서 0<x<1)의 소위 3원계를 포함한다. Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 및 GaN에서, Ⅲ족 원소 중 적어도 일부를 붕소(B), 탈륨(Tl) 등으로 치환해도 되고, 또한, 질소(N) 중 적어도 일부도 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi) 등으로 치환할 수 있다.
또한, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 임의의 도우펀트를 포함하는 것이어도 된다. n형 불순물로서, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te), 카본(C) 등을 이용할 수 있다. p형 불순물로서, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be),칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 등을 이용할 수 있다. 또한, p형 불순물을 도핑한 후에 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체를 전자선 조사, 플라즈마 조사 혹은 로에 의한 가열에 노출할 수 있지만 필수는 아니다.
Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층은 MOCVD(유기 금속 기상 성장)법에 의해 형성된다. 소자를 구성하는 모든 반도체층을 상기 MOCVD법으로 형성할 필요는 없고, 분자선 결정 성장법(MBE법), 할로겐계 기상 성장법(HVPE법), 스퍼터법, 이온플레이팅법 등을 병용하는 것이 가능하다.
발광 소자의 구성으로서는, MIS 접합, PIN 접합이나 pn 접합을 가진 호모 구 조, 헤테로 구조 혹은 더블 헤테로 구조의 것을 이용할 수 있다. 발광층으로서 양자 웰 구조(단일 양자 웰 구조 혹은 다중 양자 웰 구조)를 채용할 수도 있다. 이러한 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자로서, 주로 광수발광 방향(전극면)을 광 디바이스의 광축 방향으로 한 페이스업 타입이나 주로 광수발광 방향을 광축 방향과 반대 방향로 하여 반사광을 이용하는 플립칩 타입을 이용할 수 있다.
Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자의 에피택셜 성장 온도는 1050℃ 정도이고, 또한 GaAs계의 반도체 소자의 에피택셜 성장 온도는 내열 온도는 600℃ 이상이며, 모두 저융점 글래스를 이용함으로써 열에 의한 손상 영향이 없는 가공이 가능하다.
(무기 재료 기판)
본 발명의 광 디바이스는 상기한 광학 소자가 무기 재료 기판에 마운트되어 있다. 무기 재료 기판의 베이스 재료 및 형상은 광 디바이스의 용도에 따라서 적절하게 선택할 수 있지만, 예를 들면 AlN, Al2O3, 글래스 함유 Al2O3 등의 직사각형판 형상의 것을 이용할 수 있다.
기판에서 적어도 그 표면이 해당 베이스 재료로 형성되어 있으면 된다. 예를 들면, 중심 부분을 Al 혹은 Al 합금으로 형성하고 그 표면을 AlN으로 둘러싸서 이루어지는 기판을 이용할 수 있다.
(금속 패턴)
무기 재료 기판에는 제1 금속 패턴과 제2 금속 패턴이 형성된다.
제1 금속 패턴은 광학 소자의 각 전극과 외부 회로를 전기적으로 결합하여 광학 소자에 대하여 전력을 송수신한다. 즉, 광학 소자가 발광 소자인 경우에는 외부 회로로부터 광학 소자에 전력을 인가하고, 광학 소자가 수광 소자인 경우에는 광학 소자의 발생한 전력을 외부 회로로 추출한다.
제2 금속 패턴은, 무기계의 밀봉 부재를 무기 재료 기판에 안정적으로 접착시키는 접착층의 기능을 갖는다. 밀봉 부재는 광학 소자를 둘러싸도록 배치되므로, 이 제2 금속 패턴도 광학 소자를 마운트하는 제1 금속 패턴을 둘러싸도록 배치함으로써, 밀봉 부재와 무기 재료 기판 사이에 개재되는 제2 금속 패턴의 면적을 극대화할 수 있다. 또한, 제2 금속 패턴은 연속체에 한정되는 것이 아니며, 비연속체이어도 된다.
제1 금속 패턴과 제2 금속 패턴은 연속이어도 되지만, 제1 금속 패턴과 제2 금속 패턴이 절연되어 있으면, 독립하여 전계를 인가함으로써, 각각의 기능에 최적의 재료를 전계 도금할 수 있다.
금속층은 광을 반사하는 기능도 갖기 때문에, 제1 금속 패턴 및 제2 금속 패턴으로 광학 소자를 둘러싸는 것에 의해, 광학 소자의 광을 빠짐없이 반사시켜 광추출 효율을 향상시키는 기능도 갖는다. 예를 들면 흑색의 AlN으로 이루어지는 기판은 광학 소자로부터의 광을 흡수하고, 또한 Al2O3로 이루어지는 기판은 광학 소자로부터의 광을 투과시키기 때문에, 이러한 금속 패턴으로 광학 소자를 둘러싸는 것에 의해, 광학 소자로부터의 광을 외부로 효율적으로 반사할 수 있다.
광의 반사 효율을 향상하기 위해서는, 광학 소자에 보다 가깝게 형성되는 제1 금속 패턴의 표면을 Ag 등의 고반사율의 금속층으로 하는 것이 바람직하다.
제1 금속 패턴의 형성 재료는 그 표면층이 광학 소자를 결합하기 위한 결합 재료에 적합한 것일 필요가 있다. 예를 들면, 결합 재료로서 Au 범프를 이용할 때는 제1 금속 패턴의 표면층을 Au이나 Ag으로 형성한다. 해당 표면층 이외의 층은 생산성 향상의 견지로부터, 제2 금속 패턴과 공통의 재료로 형성하는 것이 바람직하다.
광학 소자와 기판을 결합하기 위한 결합 재료로서 상기의 Au 범프 이외에, 땜납 범프나 땜납 도금 등의 공정재를 이용할 수 있다.
Ag층은 높은 광반사율을 갖기 때문에, 제1 금속 패턴에서 광학 소자의 주변 부위에 부분적으로 형성하는 것이 바람직하다.
제2 금속 패턴의 형성 재료는 밀봉 부재의 재질 및 무기 재료 기판의 재질에 따라서 이들과 결합성이 우수한 것이 적절하게 선택된다. 금속 패턴은 이것을 다층 구조로 할 수도 있다. 예를 들면, 금속 패턴의 형성 재료로서 W, W＼Ni(W의 위에 Ni을 적층한 것), W＼Ni＼Ag(W의 위에 Ni과 Ag을 순차적으로 적층한 것), Cu박(글래스를 함유하는 Al2O3 기판과는 산화물을 통하여, 접착 강도를 얻을 수 있고, 동 기판은 13×10-6(1/℃)라는 무기계의 밀봉 부재에 가까운 열팽창계수이다.) 등을 채용할 수 있다.
여기에, W층은 가열에 의해 밀봉 부재나 기판의 무기 재료에 쐐기와 같이 들 어가서, 양자 간에 강고한 결합이 형성된다. W층의 위에 Ni층을 형성한 경우, 가열에 의해 Ni층과 밀봉 부재 사이에 화학 결합이 발생하고, 양자 간에 강고한 결합이 얻어진다.
제2 금속 패턴의 표면은 연화 상태의 밀봉 부재와 습윤성이 좋은 재료로 하는 것이 바람직하다. 이러한 재료로서 Ni, Cr, Ti, Cu 혹은 이들의 합금 중 적어도 1종을 들 수 있다.
기판 표면과 밀봉 부재를 접합하는 제2 금속 패턴은 기판 표면에서 가능한 한 대면적으로 형성되는 것이 바람직하다.
밀봉 부재(열팽창계수:소) 및 무기 재료 기판(열팽창계수:대)의 각 열팽창계수의 중간의 열팽창계수를 갖는 재료에 의해 기판 표면에서 대면적을 차지할 제2 금속 패턴을 형성하는 것이 바람직하다. 이것에 의해 밀봉 부재와 무기 재료 기판의 각 열팽창계수의 차이가 완화된다. 밀봉 부재로 광학 소자를 피복할 때의 고온상태로부터 이것을 상온까지 냉각하면, 밀봉 부재와 무기 재료 기판은 각각의 열팽창계수에 따라서 수축하지만, 양자의 열팽창계수의 차이가 크면 기판이 변형하거나, 또한 기판으로부터 밀봉 부재가 박리할 우려가 있다. 양자 간에 그 중간의 열팽창계수를 갖는 제2 금속 패턴을 개재시킴으로써, 양자의 열팽창계수의 차이에 기초하는 스트레스가 완화된다.
밀봉 부재를 저융점 글래스로 하고, 기판을 AlN으로 할 때의 각 열팽창계수는 저융점 글래스:17.3×10-6/℃, AlN:4.5×10-6/℃이다. 이 경우, Ni(열팽창계수 :12.8×10-6/℃)가 중간치를 가지고, 이들의 금속 패턴의 형성 재료로서 채용하는 것이 바람직하다.
기판의 열 변형량을 작게 하는 견지로부터, 기판의 광학 소자 마운트면(표면)에 광범위하게 해당 제2 금속 패턴을 형성하는 것이 바람직하다. 또한 기판의 이면에도 광범위하게 동일 혹은 동종의 재료로 이루어지는 금속 패턴을 형성하여, 기판의 열 변형량을 보다 억제하는 것이 더욱 바람직하다.
기판 표면의 금속 패턴의 재료를 기판의 이면까지 연장시켜 형성하기 위해서는, 기판에 쓰루홀(비아홀)을 마련하여 그곳으로 금속 패턴의 재료를 통과시키는 것에 의해 기판 표면과 패턴과 기판 이면의 패턴을 연결시킬 수 있다. 전기 단자가 기판의 광학 소자가 마운트되는 면으로부터 그 이면 측에 인출되어 있기 때문에, 특히 기판의 광학 소자가 마운트되는 면 측에 전기 단자를 위한 광학 소자의 밀봉 부재로 피복되지 않는 개소를 마련할 필요가 없고, 전면을 판 형상의 밀봉 부재로 밀봉할 수 있다. 이 때문에, 양산성이 우수한 것으로 할 수 있다. 또한 이 때, 기판에는 관통홀이 없는 것으로 하면, 광학 소자가 마운트되는 면 측의 광학 소자의 밀봉 부재가 그 이면 측으로 나오지 않는다. 또한, 해당 쓰루홀을 광학 소자의 마운트 위치에 형성하면, 광학 소자의 열이 쓰루홀 내의 금속 패턴 재료를 통해 외부 방출할 수 있다. 이것에 의해 방열 효율이 향상하고, 특히 발열량이 큰 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자에 있어서 적합한 것으로 된다.
제1 및 제2 금속 패턴의 형성 방법은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 실시 예에서는 무기 재료 기판에 W의 페이스트를 스크린 인쇄하고, 또한 이것을 소성하여 W의 금속 패턴을 무기 재료 기판에 형성했다. 이 W층에 Ni층을 도금하여 W＼ Ni로 이루어지는 금속 패턴을 형성하고, 가열 처리한다. W＼Ni＼Ag은, 도금한 Ni층에 Ag을 더 도금한다.
이들 금속층을 스퍼터법 이외의 주지의 방법으로 형성할 수도 있다.
복잡하고 또한 정확한 패턴 형상이 요구되지 않는 기판의 이면에는 Cu박과 같은 금속 박막을 접착할 수도 있다.
(밀봉 부재)
무기계의 밀봉 부재는 광학 소자의 수발광 파장에 대하여 투명하고, 광학 소자를 보호할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않지만, 광학 소자의 내열 온도가 600℃ 정도인 것을 고려하면, 그것보다 낮은 융점(연화점)을 갖는 저융점 글래스를 채용하는 것이 바람직하다.
이러한 저융점 글래스로서, 납 글래스나 칼코겐화물 글래스 이외에, SiO2-Nb2O5계, B2O3-F계, P2O5-F계, P2O5-ZnO계, SiO2-B2O3-La2O3계 혹은 SiO2-B2O3계의 글래스를 채용할 수 있다. 이들 저융점 글래스는 모두 350~600℃에서 프레스 성형이 가능하다.
밀봉 부재에는 형광 재료를 분산할 수도 있다. 이러한 형광 재료로서 무기계의 형광 재료의 분체를 이용하고, 이것을 저융점 글래스 중에 혼합할 수 있다. 또한, 저융점 글래스 중에 희토류 이온을 도핑함으로써 이것을 형광시키는 것도 가 능하다. 발광 소자와 형광 재료를 적절하게 조합함으로써, 백색광을 비롯하여 임의의 발광색을 얻을 수 있다.
이 밀봉 부재와 광학 소자의 조합에서, 밀봉 부재의 아베수를 4O 이하, 그 굴절률을 1.6 이상으로 하고, 또한 광학 소자의 수발광 파장을 546.1㎚(Na의 e선의 파장) 이하로 하는 것이 바람직하다. 즉, 고굴절 재료 내에서 발광되는 광의 외부 양자 효율은, 발광되는 광의 파장에 대한 밀봉 재료의 굴절률이 높은 쪽이 유리하다. 광학 재료의 굴절률은 Na의 d선에 의해서 정의되지만, 일반적으로 단파장 만큼 그 굴절률은 높아지고, 광의 파장에 대한 굴절률의 변화의 정도가 아베수로 표현된다. 특히 종래의 수지 밀봉에서 문제로 되는 단파장 발광의 발광 소자에서, Na의 d선에서의 고굴절률이고, 또한, 파장에 대한 굴절률 변화가 큰 재료 선택을 행함으로써 수지 황변에 의한 광출력 저하를 방지할 수 있을 뿐 아니라, 실질적으로 단파장광에 대하여, 굴절률이 높은 재료에 의한 밀봉을 실현할 수 있고, 높은 외부 양자 효율을 얻을 수 있다.
이러한 광학 특성을 갖는 저융점 글래스로서 SiO2-Nb2O5계 글래스를 예로 들 수 있고, 그 중에서도 SiO2-Nb2O5-Na2O 글래스가 바람직하다.
판 형상의 저융점 글래스로 이루어지는 밀봉 부재를 광학 소자에 중첩하여 이것이 연화하도록 가열함으로써, 발광 소자를 밀봉 부재로 둘러쌀 수 있다. 밀봉 부재와 광학 소자 사이에 공기가 들어가지 않도록, 이 가열은 감압 분위기 하에서 행하는 것이 바람직하다. 이 가열에 의해, 저융점 글래스와 제2 금속 패턴의 계면 에서 화학 반응이 발생하여 양자가 강고하게 접착된다.
광학 소자에 중첩된 연화 상태의 밀봉 부재에 요철을 형성할 수 있다. 예를 들면, 무기 재료 기판의 분할 라인을 따라서 밀봉 부재에 오목부(박육부)를 형성함으로써 분할 작업이 용이해진다. 또한 이것에 의해, 밀봉 부재는 칩에 대응하는 볼록부와 분할 라인에 따른 오목부가 미세하게 격자 형상으로 형성된다. 따라서, 열 변형이 요철 형성 전의 판 형상의 사이즈에 상당하는 것은 아니고, 미세한 격자 형상의 사이즈에 상당하는 것으로 되기 때문에, 밀봉 부재의 열 변형을 작게 할 수 있고, 밀봉 부재와 기판 사이에 큰 열팽창계수의 차가 있었다고 해도, 기판-밀봉 부재 간의 박리가 발생하지 않는 것으로 할 수 있으며, 또한 기판의 휘어짐의 문제를 완화할 수 있다.
밀봉 부재의 볼록부는 이것을 볼록 렌즈 형상으로 형성함으로써, 발광 소자로부터의 광을 광축 방향으로 집중할 수 있다. 또한, 외부로부터의 광을 수광 소자에 대하여 집중할 수 있다. 이 경우, 밀봉 부재의 재료로서 고굴절률의 재료를 이용하는 것이 바람직하다.
연화 상태의 밀봉 부재를 광학 소자에 접합할 때는 감압 상태에서 행하는 것이 바람직하다. 밀봉 부재의 내부에 공기가 폐쇄되는 것을 방지하기 위해서이다. 밀봉 부재의 요철은 판 형상의 밀봉 부재를 광학 소자에 접합시킨 후, 밀봉 부재가 연화 상태를 유지하고 있는 동안 혹은 재가열하여 밀봉 부재를 연화시켜, 프레스 성형에 의해 형성 가능하다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 설명한다.
(제12 실시예)
이 실시예에서는 광학 소자로서 도 65에 도시하는 플립칩 타입의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자(3010)를 이용했다. 이 발광 소자는 청색계의 광을 방출한다.
발광 소자(3010)의 각 층의 스펙은 다음과 같다.
층 : 조성
p형층(3015) : p-GaN:Mg
발광하는 층을 포함하는 층(3014) : InGaN 층을 포함한다
n형층(3013) : n-GaN:Si
버퍼층(3012) :AlN
기판(3011) :사파이어
기판(3011)의 위에는 버퍼층(3012)을 통하여 n형 불순물로서 Si를 도핑한 GaN으로 이루어지는 n형층(3013)을 형성한다. 여기서, 기판(3011)에는 사파이어를 이용했지만 이것에 한정되지 않으며, 사파이어, 첨정석, 탄화 실리콘, 산화아연, 산화마그네슘, 산화망간, 지르코늄 붕소, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 단결정 등을 이용할 수 있다. 또한 버퍼층은 AlN을 이용하여 MOCVD법으로 형성되지만 이것에 한정되지 않으며, 재료로서는 GaN, InN, AlGaN, InGaN 및 AlInGaN 등을 이용할 수 있고, 제법으로서는 분자선 결정 성장법(MBE법), 할로겐계 기상 성장법(HVPE법), 스퍼터법, 이온플레이팅법 등을 이용할 수 있다. Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체를 기판으로서 이용한 경우에는, 해당 버퍼층을 생략할 수 있다.
또한 기판과 버퍼층은 반도체 소자 형성 후에, 필요에 따라서, 제거할 수도 있다.
여기서 n형층(3013)은 GaN으로 형성했지만, AlGaN, InGaN 혹은 AlInGaN을 이용할 수 있다.
또한, n형층(3013)은 n형 불순물로서 Si를 도핑했지만, 이외에 n형 불순물로서, Ge, Se, Te, C 등을 이용할 수도 있다.
발광하는 층을 포함하는 층(3014)은 양자 웰 구조(다중 양자 웰 구조, 혹은 단일 양자 웰 구조)를 포함하고 있어도 되고, 또한 발광 소자의 구조로서는 싱글 헤테로형, 더블 헤테로형 및 호모 접합형의 것 등이어도 된다.
발광하는 층을 포함하는 층(3014)은 p형층(3015) 측에 Mg 등을 도핑한 밴드 갭이 넓은 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층을 포함할 수도 있다. 이것은 발광하는 층을 포함하는 층(3014) 중에 주입된 전자가 p형층(3015)으로 확산하는 것을 효과적으로 방지하기 위해서이다.
발광하는 층을 포함하는 층(3014)의 위에 p형 불순물로서 Mg를 도핑한 GaN으로 이루어지는 p형층(3015)을 형성한다. 이 p형층(3015)은 AlGaN, InGaN 또는 InAlGaN으로 할 수도 있다, 또한, p형 불순물로서는 Zn, Be, Ca, Sr, Ba를 이용할 수도 있다. p형 불순물의 도입 후에, 전자선 조사, 로에 의한 가열, 플라즈마 조사 등의 주지의 방법에 의해 저저항화하는 것도 가능하다.
상기 구성의 발광 소자에서, 각 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층은 일반적인 조건으로 MOCVD를 실행하여 형성하거나, 분자선 결정 성장법(MBE법), 할로겐계 기 상 성장법(HVPE법), 스퍼터법, 이온플레이팅법 등의 방법으로 형성할 수도 있다.
n전극(3018)은 Al와 V의 2층으로 구성되고, p형층(3015)을 형성한 후에 p형층(15), 발광하는 층을 포함하는 층(3014), 및 n형층(3013)의 일부를 에칭에 의해 제거함으로써 표출한 n형층(3013) 상에 증착으로 형성된다.
p전극(3016)은 증착에 의해 p형층(3015)의 위에 적층된다. 이상의 공정에 의해 각 층 및 각 전극을 형성한 후, 각 칩의 분리 공정을 행한다.
다음으로, 이 발광 소자(3010)를 마운트하는 무기 재료 기판을 준비한다.
실시예의 무기 재료 기판(3021)의 베이스 재료는 AlN이고, 그 상하면에 금속 패턴(3023, 3024)이 형성되어 있다. 상면 측의 패턴(3023)은, 도 66에 도시하는 바와 같이, 제1 금속 패턴(3025n, 3025p)과 제2 금속 패턴(26)으로 구성된다. 제1 금속 패턴(3025n)은 광학 소자(3010)의 n전극(3018)에 Au 범프(3027)를 통하여 연결되고, 제1 금속 패턴(3025p)은 광학 소자의 p전극(3016)에 Au 범프(3028)를 통하여 연결된다. 제1 금속 패턴(25n)은, 도 67에 도시한 바와 같이, 무기 재료 기판(3021)의 베이스 재료에 형성된 쓰루홀(3031)을 통하여 기판 이면의 금속 패턴(3024n)에 전기적으로 결합되어 있다. 마찬가지로, 제1 금속 패턴(3025p)은 쓰루홀(3032)을 통하여 기판 이면의 금속 패턴(3024p)에 전기적으로 결합되어 있다. 각 쓰루홀(3031, 3032)은, 도 68(도 67의 주요부 확대도)에 도시한 바와 같이, 도금에 의한 Cu로 충전되어 있다.
제2 금속 패턴(3026)은, 제1 금속 패턴(3025n, 3025p)으로부터 이격하고 또한 이들을 둘러싸는 고리 형상 영역에 형성되어 있다.
이면 측의 금속 패턴(3024n 및 3024p)은, 도 69에 도시한 바와 같이, 가능한 한 대면적으로 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 밀봉 부재와 기판의 중간의 열팽창계수를 갖는 금속 재료로 이루어지는 대면적의 패턴을 기판(3021)의 이면에 결합함으로써, 열 이력을 가했을 때의 기판(3021)의 변형량을 밀봉 부재(3029)의 변형량에 보다 가까운 것으로 할 수 있다. 이것에 의해, 기판(3021)의 휘어짐이나 밀봉 부재-기판 간의 박리를 보다 확실하게 방지할 수 있게 된다.
각 금속 패턴은 다음과 같이 하여 형성된다. 먼저, 스크린 인쇄 등에 의해 관통홀이 형성된 소성 전의 무기 재료 기판(3021)의 양면 및 쓰루홀을 형성하는 관통홀에 W을 포함하는 페이스트를 도포한다. 그 후, 1500℃를 넘는 온도로 AlN을 소결함과 함께 페이스트의 W을 기판(3021)에 달구어 붙인다. 이것에 의해, W와 기판이 강고하게 결합된다. 이 W를 스퍼터링으로 형성하는 것도 가능하다. 또한, W 대신에 Mo 등의 고융점 금속을 이용해도 된다.
다음으로, W 패턴의 위에 Ni층을 도금법에 의해 형성하고, 또한 거의 700℃로 가열하여 Ni과 W을 반응시킨다. 이것에 의해, AlN 기판(3021)의 위에 금속 패턴이 강고하게 접합된다.
Ni은 무기계 광투과성 재료로 이루어지는 밀봉 부재와 강하게 화학 결합한다. 또한, 연화 상태의 밀봉 부재의 무기계 재료는 Ni에 대하여 습윤성이 좋기 때문에, 해당 밀봉 부재의 재료가 제2 전극 패턴의 전면에 접촉하여 기포의 발생을 방지하고, 또한 양자 간에 강한 결합력이 얻어진다.
제1 금속 패턴(3025n, 3025p)에서는, Ni층의 위에 Au 범프에 의한 본딩을 양 호하게 행할 수 있고, 또한 고반사율의 Ag층을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 발광 소자가 저면에 반사면을 형성한 것이면 Au 범프에 의한 본딩성만을 고려하면 되고, 예를 들면 청색 발광의 발광 소자에 대하여, Ni층의 위에 Au층을 형성한 것이어도 된다.
제1 금속 패턴(3025n, 3025p)의 바로 아래의 위치에 쓰루홀(3031, 3032)이 형성되어 있기 때문에, 해당 쓰루홀 내의 금속 재료를 통하여, 광학 소자(10)의 열을 효율적으로 외부(기판(3021)의 이면)로 방출할 수 있다.
다음으로, 도 67에 도시한 바와 같이, Au 범프(3027, 3028)에 의해 발광 소자(3010)를 소정의 위치에 마운트한다. 또한, 범프(3027)는 발광 소자(3010)의 n전극(3018)에 연결되고, 범프(3028)는 발광 소자(3010)의 p전극(3016)에 연결된다. 도 66의 상태에서 발광 소자(3010)는 제1 금속 패턴(3025n 및 3025p)으로 둘러싸인 상태로 된다.
다음으로, 도 67에 도시하는 바와 같이, 기판(3021)의 표면 측에 밀봉 부재로 되는 판 형상의 저융점 글래스를 중첩하고, 이것을 감압 분위기 하에서 가열하여 융착시키고, 발광 소자(3010)를 밀봉한다. 이것에 의해, 금속 패턴 표면의 Ni과 저융점 글래스(3039)가, Ni 표면의 산화물을 통하여, 화학적으로 결합하고, 강고하게 결합한다. 또한, 밀봉 시의 잔류 기포 발생을 방지할 수 있다.
판 형상의 저융점 글래스가 연화했을 때에 프레스 가공을 하여 그것에 요철을 형성하는 것이 바람직하다. 밀봉 부재(3039)의 오목부를 기판(3021)의 분할선(3037)(노치)에 일치시킴으로써 기판의 분할 작업이 용이하게 된다. 밀봉 부재 (3039)의 볼록부는 렌즈 형상으로 하여, 광추출 효율을 향상시키는 것이 바람직하다.
상기 일련의 제조 공정에서, 발광 소자(3010)와 제1 금속 패턴(3025n, 3025p)은 가공 온도보다 융점이 높은 금 범프(3027, 3028)로 연결되어 있기 때문에, 밀봉 온도에서 범프(3027, 3028)가 연화하지는 않는다. 따라서, 밀봉 작업에서 발광 소자에 힘이 부과되었다고 해도, 발광 소자(3010)가 규정의 위치로부터 어긋나는 경우는 없다. 또한, 발광 소자(3010)로서 플립칩 타입의 것을 채용함으로써, 본딩 와이어가 생략되므로, 이 점에서도 기계적으로 안정되어 있다. 따라서, 이러한 구성의 광 디바이스는 양산 공정에 적합한 것이라고 할 수 있다.
또한, 금속 패턴의 막 두께의 대부분을 차지하는 Ni층의 열팽창계수는 12.8×10-6/℃이고, AlN의 열팽창계수(4.5×10-6/℃)와 저융점 글래스(303039)의 열팽창계수(17.3×10-6/℃)의 중간치를 취한다.
이와 같이, 금속 패턴을 무기계의 밀봉 부재(3039)와 무기 재료 기판(3021) 사이에 개재시킴으로써, 밀봉 부재(3039)와 기판(3021)을 강고하게 결합할 뿐 아니라, 밀봉 부재(3039)와 기판(3021)의 각 열팽창계수의 차에 기인하는 응력을 완화시킬 수 있다. 따라서, 기판(3021)에 휘어짐이나 크랙이 발생하거나 또한 밀봉 부재(3039)와 기판(3021)이 박리되는 문제점을 확실하게 방지할 수 있다.
마지막으로, 기판(3021)을 분할선(3037)에서 분할하여 실시예의 광 디바이스를 얻는다.
도 70~도 73에 이 실시예의 변형 양태를 도시한다. 도 70~도 73에서, 도 22와 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.
도 69의 광 디바이스에서는, 제2 금속 패턴(3041)이 직사각형의 고리 형상이다.
도 70의 광 디바이스에서는, 제2 금속 패턴(43)을 비연속체로 했다.
도 72에 도시하는 예에서는, 플립 칩 타입의 발광 소자의 기판으로서 사파이어 기판 대신에 GaN 기판(3011a) 혹은 SiC를 채용했다. 이러한 소자용 기판은 사파이어 기판보다 고굴절률을 갖기 때문에, 이것과 고굴절률의 밀봉 부재(저융점 글래스 등)를 조합함으로써, 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
GaN 기판(3011a)의 주연부를 모따기함으로써, 광학 소자(3010)로부터의 광 추출 효율이 더욱 향상한다.
또한, 도 72의 예에서는, 무기 재료 기판(3051)의 베이스 재료로서 AlN보다 열팽창계수가 크게 염가인 Al2O3(열팽창계수:6.7×10-6)를 채용했다.
도 73에 도시하는 예에서는, 무기 재료 기판(3061)의 베이스 재료로서 글래스를 함유한 Al2O3를 채용했다. 그리고, Cu박을 기판(3061)의 전면에 접착했다. 관통홀(3031 및 3032) 내는 도금에 의해 Cu를 충전했다. 이러한 무기 재료 기판(3061)을 1000℃로 가열하면, Cu와 Al2O3가 화학 결합한다. 글래스를 함유한 Al2O3 기판의 이면에 광범위하게 글래스와 동등한 열팽창률인 Cu층을 형성함으로써, 기판의 휘어짐이나 밀봉 부재-기판 간의 박리의 문제를 방지할 수 있다.
제1 금속 패턴과 제2 금속 패턴은 동일한 기초(Cu박)로 하고, 발광 소자를 마운트하는 에리어(3025n, 3025p)만 Ag이나 Au 도금을 실시함으로써 형성되어 있다. 이것은, 제2 금속 패턴 에리어를 마스킹함으로써, 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 예를 들면 동일한 기초 Cu박에 Ni 도금하고, 청색 발광 소자에 대하여 제2 금속 패턴의 반사층으로 해도 된다. 이와 같이 제1 금속 패턴(3025n, 3025p)과 제2 금속 패턴(3026)은 분리되어 있지 않아도 된다.
(제13 실시예)
도 74에 이 실시예의 광 디바이스를 도시하였다. 이 실시예에 이용되는 발광 소자(3100)는 상하에 전극을 갖는 타입이고, 그 결과, 본딩 와이어(3101)가 필요하게 된다.
AlN으로 이루어지는 무기 재료 기판(3110)에는 쓰루홀(3111)이 형성되고, 이 쓰루홀(3111)은 도금에 의해 Cu가 충전되어 있다. 기판(3110)의 양면에는 광범위하게 W＼Ni로 이루어지는 금속 패턴이 형성되어 있다. 이 금속 패턴의 형성 방법은 실시예 l2와 마찬가지이다.
열의 추출 효율을 향상시키는 견지로부터, 쓰루홀(3111)의 위의 제1 금속 패턴(3113a)에 발광 소자(3100)의 한쪽의 전극을 마운트한다. 다른 쪽의 전극으로부터는 본딩 와이어(3101)가 인출되어, 제2 금속 패턴(3113B)에 본딩된다.
한편, 저융점 글래스로 이루어지는 판 형상의 스페이서(3120)를 준비한다. 이 스페이서(3120)에는 발광 소자(3100) 및 본딩 와이어(3101)를 통과시키는 구멍이 형성되어 있고, 이들과 아무런 간섭하지 않고 스페이서(3120)를 기판(3110)에 서로 중첩시킬 수 있다(도 74의 상태). 이 상태에서 저융점 글래스로 이루어지는 밀봉 부재(3130)를 부착한다. 이 때 밀봉 부재의 재료에 의해 본딩 와이어(3101)가 변형될 우려가 있지만, 그 변형은 스페이서(3120)로부터 규제된다. 따라서, 본딩 와이어(3101)의 절단이나 단락을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본딩 와이어(3101)를 보호하는 견지로부터, 스페이서(3120)는 본딩 와이어(3101)의 하측까지 돌아서 들어가는 것이 바람직하다.
이하, 도 75로부터 도 83에 도시되는 실시 형태에 대해 상세히 설명한다.
(발광 소자)
발광 소자에는 발광 다이오드, 레이저 다이오드 이외의 발광 소자가 포함된다. 발광 소자의 발광 파장도 특별히 한정되는 것은 아니며, 자외광~녹색계광에 유효한 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 소자나 적색계광에 유효한 GaAs계 반도체 소자 등을 이용할 수 있다. 기타, SiC, AlInGaP 등으로부터 형성되는 발광 소자를 이용할 수 있다.
상기에서, 절연성 기판을 갖는 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자에 배열(排熱)의 과제가 있는 것은 상기한 바와 같으며, 또한 이 발광 소자를 예를 들면 백색 광원으로서 사용하는 경우에 특히 고출력이 요구되고 있다.
여기에, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는, 일반식으로서 AlXGaYIn1 -X-YN(0<X≤1, 0≤Y≤1, 0≤X+Y≤1)로 표현된다. Al을 포함하는 것은 이 중, AlN의 소위 2원계, AlxGa1 - xN 및 AlxIn1 -xN(이상에서 0<x<1)의 소위 3원계를 포함한다. Ⅲ족 질화물 계 화합물 반도체 및 GaN에서, Ⅲ족 원소 중 적어도 일부를 붕소(B), 탈륨(Tl) 등으로 치환해도 되고, 또한, 질소(N) 중 적어도 일부도 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi) 등으로 치환할 수 있다.
또한, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 임의의 도우펀트를 포함하는 것이어도 된다. n형 불순물로서, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te), 카본(C) 등을 이용할 수 있다. p형 불순물로서, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be),칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 등을 이용할 수 있다. 또한, p형 불순물을 도핑한 후에 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체를 전자선 조사, 플라즈마 조사 혹은 로에 의한 가열에 노출할 수 있지만 필수는 아니다.
Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층은 MOCVD(유기 금속 기상 성장)법에 의해 형성된다. 소자를 구성하는 모든 반도체층을 상기 MOCVD법으로 형성할 필요는 없으며, 분자선 결정 성장법(MBE법), 할로겐계 기상 성장법(HVPE법), 스퍼터법, 이온플레이팅법 등을 병용하는 것이 가능하다.
발광 소자의 구성으로서는, MIS 접합, PIN 접합이나 pn 접합을 가진 호모 구조, 헤테로 구조 혹은 더블 헤테로 구조의 것을 이용할 수 있다. 발광층으로서 양자 웰 구조(단일 양자 웰 구조 혹은 다중 양자 웰 구조)를 채용할 수도 있다. 이러한 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자로서, 주로 발광 방향(전극면)을 발광 장치의 광축 방향으로 한 페이스업 타입이나 주로 발광 방향을 광축 방향과 반대 방향로 하여 반사광을 이용하는 플립 칩 타입을 이용할 수 있다.
(서브 마운트)
서브 마운트의 베이스재는, 열전도성이 높은 것이면, 발광 장치의 용도에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면 AlN, Al2O3, SiC, Si3N4, Si 등의 무기 재료를 선택할 수 있다.
서브 마운트를 형성하는 무기 재료는 발광 소자의 반도체 재료와 리드 프레임의 금속 재료의 중간의 열팽창률을 갖는다. 따라서, 발광 장치의 제조 공정에서 큰 열 이력이 가해졌다고 해도(예를 들면 서브 마운트를 제1 및 제2 리드 프레임에 납땜할 때 등), 발광 소자와 리드 프레임의 열팽창률에 기인하는 응력을 완화할 수 있다.
서브 마운트의 형상은 그 일단이 제1 리드 프레임에 형성되는 제1 오목부에 셋트할 수 있고, 또한 그 타단이 제2 리드 프레임에 형성되는 제2 오목부에 세트할 수 있으면 된다.
플립 칩 타입의 발광 소자를 채용한 경우, 와이어가 생략되므로, 대전류를 발광 소자에 인가하는 것이 가능하게 된다. 그 결과 발광 소자를 고휘도로 발광시킴과 함께, 발광 소자의 열도 효율적으로 밀어낼 수 있다. 또한, 와이어를 생략함으로써, 발광 장치로서 내충격성이 향상한다.
와이어 대신에, 서브 마운트에는 쓰루홀이나 사이드 메탈 등의 배선 패턴이 형성된다. 이 배선 패턴에 의해, 서브 마운트의 상면에 마운트된 발광 소자의 각 전극이 제1 리드 프레임 및 제2 리드 프레임에 전기적으로 결합된다. 금속 패턴의 형성 재료는 그 표면층이 발광 소자를 결합하기 위한 결합 재료에 적합한 것일 필 요가 있다. 예를 들면, 결합 재료로서 Au 범프를 이용할 때는 금속 패턴의 표면층을 Au이나 Ag으로 형성한다.
또한, 발광 소자와 서브 마운트의 배선 패턴을 결합하기 위한 결합 재료로서 상기의 Au 범프 이외에, 땜납 범프나 땜납 도금 등의 공정재를 이용할 수 있다.
(제1 리드 프레임, 제2 리드 프레임)
제1 리드 프레임의 일단에는 제1 오목부가 형성되고, 제2 리드 프레임의 일단에 제2 오목부가 형성되어 있다. 제1 오목부 및 제2 오목부는 각각 제1 및 제2 리드 프레임에서, 두께 방향으로 홈을 절삭 또는 에칭하여 형성할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 리드 프레임의 재료를 프레스함으로써 각각 제1 및 제2 오목부를 형성할 수도 있다. 또한, 제1 및 제2 리드 프레임의 표면에 볼록부를 형성하고, 그 볼록부로 둘러싸이는 부분을 오목부로 할 수도 있다.
이들 오목부는 서브 마운트의 받침 시트로 되는 것이며, 그 형상 및 깊이는 서브 마운트에 따라서 적절하게 설계된다.
서브 마운트의 일단을 상기의 제1 오목부로 셋트하고, 그 타단을 제2 오목부로 셋트하고, 서브 마운트와 제1 및 제2 리드 프레임을 금속의 공정재로 이루어지는 땜납(예를 들면, Pb-Sn, Au-Sn 등) 또는 Ag 페이스트 등으로 기계적으로 고정한다.
서브 마운트와 제1 및 제2 오목부 주벽 사이의 마진을 작게 함으로써, 예를 들면, 해당 서브 마운트와 제1 및 제2 오목부가 실질적으로 감합 상태에 있을 때 , 서브 마운트의 부착 위치가 안정되고, 이로써 발광 소자의 위치 어긋남이 방지된 다. 따라서, 발광 소자를 렌즈 형상의 밀봉 부재로 밀봉했을 때의 배광 특성이 안정된다.
또한, 제1 오목부와 제2 오목부에 셋트된 상태에서, 서브 마운트와 제1 및 제2 리드 프레임을 실질적으로 동일한 높이로 하면, 발광 소자로부터 측방으로 방출된 광의 제어가 용이하게 되고, 광추출 효율이 향상된다.
또한, 서브 마운트와 제1 및 제2 리드 프레임이 실질적으로 동일한 높이이고, 또한 서브 마운트와 제1 및 제2 리드 프레임 사이의 간극이 작으면(감합 상태), 즉 양자가 실질적으로 동일면이면, 리드 프레임에 의한 반사 효율도 향상한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 설명을 한다.
발광 소자(10)는, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자이다. 그 구성을 도 75에 모식적으로 도시했다. 도 75에 도시되는 바와 같이, 발광 소자(4010)는, 사파이어 기판 상에, 복수의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층이 적층된 구성으로 이루어진다. 발광 소자(4010)의 각 층의 스펙은 다음과 같다.
층 : 조성
p형 반도체층(4015) : p-GaN:Mg
발광하는 층을 포함하는 층(4014) : InGaN 층을 포함한다
n형 반도체층(4013) : n-GaN:Si
버퍼층(4012) : AlN
기판(11) : 사파이어
기판(4011)의 위에는 버퍼층(4012)을 통하여 n형 불순물로서 Si를 도핑한 GaN으로 이루어지는 n형 반도체층(4013)을 형성했다. 여기서, 기판(4011)에는 사파이어를 이용했지만, 이것에 한정되지 않으며, 사파이어, 첨정석, 실리콘, 탄화 실리콘, 산화아연, 인화갈륨, 인화갈륨, 산화마그네슘, 산화망간, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 단결정 등을 이용할 수 있다. 또한 버퍼층은 AlN을 이용하여 MOCVD 법으로 형성되지만 이것에 한정되지는 않으며, 재료로서는 GaN, InN, A11GaN, InGaN 및 AlInGaN 등을 이용할 수 있고, 제법으로서는 분자선 결정 성장법(MBE법), 할로겐계 기상 성장법(HVPE법), 스퍼터법, 이온플레이팅법, 전자 샤워법 등을 이용할 수 있다. Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체를 기판으로서 이용한 경우에는, 해당 버퍼층을 생략할 수 있다.
또한 기판과 버퍼층은 반도체 소자 형성 후에, 필요에 따라서, 제거할 수도 있다.
여기서 n형 반도체층(4013)은 GaN으로 형성했지만, AlGaN, InGaN 혹은 AlInGaN을 이용할 수 있다.
또한, n형 반도체층(4013)은 n형 불순물로서 Si를 도핑했지만, 이외에 n형 불순물로서, Ge, Se, Te, C 등을 이용할 수도 있다.
n형 반도체층(4013)은 발광하는 층을 포함하는 층(4014) 측의 저전자 농도 n 층과 버퍼층(12) 측의 고전자 농도 n+층으로 이루어지는 2층 구조로 할 수 있다.
발광하는 층을 포함하는 층(4014)은 양자 웰 구조(다중 양자 웰 구조, 혹은 단일 양자 웰 구조)를 포함하고 있어도 되고, 또한 발광 소자의 구조로서는 싱글 헤테로형, 더블 헤테로형 및 호모 접합형의 것 등이어도 된다.
발광하는 층을 포함하는 층(4O14)은 p형 반도체층(4015)의 측에 마그네슘 등의 억셉터를 도핑한 밴드 갭이 넓은 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층을 포함할 수도 있다. 이것은 발광하는 층을 포함하는 층(4014) 내에 주입된 전자가 p형층(4015)으로 확산하는 것을 효과적으로 방지하기 위해서이다.
발광하는 층을 포함하는 층(4014)의 위에 p형 불순물로서 Mg을 도핑한 GaN으로 이루어지는 p형 반도체층(4015)을 형성했다. 이 p형 반도체층(4015)은 AlGaN, InGaN 또는 InAlGaN으로 할 수도 있다, 또한, p형 불순물로서는 Zn, Be, Ca, Sr, Ba를 이용할 수도 있다.
또한, p형 반도체층(4015)을 발광하는 층을 포함하는 층(4014) 측의 저홀농도 p-층과 전극 측의 고홀농도 p+층으로 이루어지는 2층 구조로 할 수 있다.
상기 구성의 발광 다이오드에서, 각 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체층은 일반적인 조건으로 MOCVD를 실행하여 형성하거나, 분자선 결정 성장법(MBE법), 할로겐계 기상 성장법(HVPE법), 스퍼터법, 이온플레이팅법, 전자 샤워법 등의 방법으로 형성할 수도 있다.
n전극(4018)은 Al과 V의 2층으로 구성되고, p형 반도체층(4015)을 형성한 후, p형 반도체층(4015), 발광하는 층을 포함하는 층(4014), 및 n형 반도체층(4013)의 일부를 에칭에 의해 제거하고, 증착에 의해 n형 반도체층(4013) 상에 형성된다.
p전극(4016)은 금을 포함하는 막 형상이고, p형 반도체층(4015)의 위에 증착에 의해 적층된다.
상기의 공정에 의해 각 반도체층 및 각 전극을 형성한 후, 각 칩의 분리 공 정을 행한다.
서브 마운트(4020)는, 도 76의 (a)에 도시한 바와 같이, AlN으로 이루어지는 절연성의 판형 부재로서, 그 상층 표면에 표면 전극(4021, 4022)이 형성되고, 이면 측에는 이면 전극(4023, 4024)이 형성되어 있다. 이들 전극(4021, 4022, 4023, 4024)은 티탄, Ni 및 Au을 이 순서로 적층하여 이루어지고, 쓰루홀(4025)(도전성 금속이 충전되어 있다)에 의해 도통되어 있다.
이 실시예의 서브 마운트(4020)에서는 쓰루홀에 의해 표면 전극(4021, 4022)과 이면 전극(4023, 4024)을 도통시키고 있지만, 서브 마운트(4020)의 측면에 금속층(사이드 메탈)을 형성하여 양자의 도통을 도모할 수도 있다.
발광 소자(4010)의 n전극은 Au 범프(4031)를 통하여 표면 전극(4021)에 전기적으로 접속되고, p전극은 Au 범프(4032)를 통하여 표면 전극(4022)에 전기적으로 접속된다. 범프 대신에 땜납 볼을 이용하는 것도 가능하다.
제1 리드 프레임(4041)과 제2 리드 프레임(4042)의 서로 대향하는 엣지에는 각각 홈(4043), 홈(4044)이 절삭에 의해 형성되어 있다. 각 홈(4043, 4044)의 형상은 서브 마운트(4020)의 양단을 거의 간극 없이 감합하는 것이며, 이것에 의해, 서브 마운트(4020)의 위치가 규정된다. 제1 및 제2 리드 프레임(4041, 4042)과 서브 마운트(4020)은 땜납(Sn-Ag계의 크림 땜납 등)(4035)으로 고정되어 있다.
이 실시예에서는 제1 및 제2 리드 프레임(4041, 4042)의 표면과 서브 마운트(4020)의 표면이 거의 동일한 높이로 되도록 홈(4043) 및 홈(4044)의 깊이를 조정했다. 이것에 의해, 발광 소자(4010)로부터 방출되는 광(특히 측방으로 방출되는 것)의 제어가 용이하게 된다.
또한, 홈을 깊게 하여, 홈의 측벽에서 발광 소자(4010)로부터 방출되는 광을 반사시키는 구조를 취할 수도 있다.
그 후, 도 77에 도시한 바와 같이, 발광 소자(4010)를 밀봉 부재(4051)로 피복하여 실시예의 발광 장치(4050)로 한다. 밀봉 부재(4051) 중에 형광 재료를 혼재시킴으로써, 백색 등 임의의 발광색을 얻을 수 있다. 밀봉 부재(4051)는 발광 소자로부터의 광을 투과할 수 있는 것 중으로부터 발광 장치의 용도 등에 따라서 적절하게 선택된다. 예를 들면, 에폭시 수지, 폴리이미드, 실리콘 탄성 중합체 등의 유기 재료 및 저융점 글래스 등의 무기 재료로 형성할 수 있다. 이 실시예에서는, 리플로우에 견딜 수 있는 이미드계의 수지로 밀봉 부재(4051)를 형 형성하고, 그 후, 서브 마운트(4020)를 제1 및 제2 리드 프레임(4041, 4042)에 대하여 납땜한다.
도 78에는 다른 형태의 밀봉 부재(4053)를 도시한다. 이 예에서는, 제1 및 제2 리드 프레임(4O41, 4042)의 단부 및 서브 마운트(4020)도 밀봉 부재(4053)로 피복되어 있다. 이러한 밀봉 부재(4053)는 서브 마운트(4022)를 제1 및 제2 리드 프레임(4041, 4O42)에 고정한 후, 형 성형에 의해 형성된다. 성형 재료에는 에폭시 수지를 채용할 수 있다.
이와 같이 구성된 실시예의 발광 장치(4050)에 따르면, 발광 소자(4010)에서 발생한 열은 서브 마운트(4020)를 통하여 제1 및 제2 리드 프레임(4041, 4042)으로 거의 균등하게 전달된다. 따라서, 열의 전달 경로가 충분히 확보되어, 방열 효율 이 향상한다.
또한, 홈(4043) 및 홈(4044)에 의해 서브 마운트(402O)의 위치, 즉 발광 소자(4010)의 위치가 규정된다. 따라서, 발광 장치로서의 배광 특성이 안정되게 된다.
상기 실시예의 각 요소에 대한 변형 양태에 대해 이하에 설명한다. 도 77-78에 도시한 요소와 동일한 요소에 대해서는, 동일한 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.
도 80의 예에서는, 제1 리드 프레임(4041)의 홈(4045)을 짧게, 제2 리드 프레임(4042)에 홈(4046)을 길게 형성했다. 이것에 의해, 제2 리드 프레임(4042)의 부재(홈(4046)의 주벽)가 발광 소자(4010)의 바로 아래에 위치하게 된다. 따라서, 발광 소자(4010)로부터 리드 프레임까지의 거리가 가장 짧아지고, 발광 소자(4010)로부터 효율적으로 열을 방출할 수 있다.
도 80의 예에서는, 홈(4047) 및 홈(4048)이 각 리드 프레임(4041, 4042)의 측면까지 개방하고 있다. 이것에 의해, 홈(4047) 및 홈(4048)에 대한 서브 마운트(4020)의 세트가 보다 용이하게 된다.
도 81의 예에서는, 제1 리드 프레임(4041)의 측방에 홈(4049)을 형성했다. 이 실시예가 도시한 바와 같이, 리드 프레임에서의 홈의 형성 방향 및 형성 위치는 임의이고, 발광 장치의 용도에 따라서 적절하게 선택할 수 있는 것이다.
도 82에 도시하는 예에서는, 제1 및 제2 리드 프레임(4041, 4042)의 선단에 프레스 가공에 의해 오목부(4061, 4062)를 형성했다. 이 오목부(4061, 4062)에, 도 76과 마찬가지로 하여 서브 마운트를 세트할 수 있다.
도 83에 도시하는 예에서는, 제1 및 제2 리드 프레임(4041, 4042)의 선단에 가공에 의해 U자형의 볼록부(4071, 4072)를 형성했다. 이 볼록부(4071, 4072)로 둘러싸인 부분이 오목부(4073, 4074)로 된다. 이 오목부(4073, 4074)에 도 76과 마찬가지로 하여 서브 마운트가 세트되게 된다.
도 84는, 제13 실시 형태에 따른 발광 장치의 구성을 도시하는 단면도이다. 이 발광 장치(5010)는, 급전 부재로서의 기판부(5011)와, 이 기판부(5011)의 상면에 탑재된 LED 소자(5012)와, 기판부(5011)의 상면에 LED 소자(5012)를 피복하도록 밀봉된 완충층(5013)과, 이 완충층(5013) 및 기판부(5011)의 상면을 피복하도록 형성된 밀봉 부재(5014)를 구비하여 구성된다.
기판부(5011)는, 고팽창율의 세라믹 기판(5011a)(절연성 기판)과, 이 세라믹 기판(5011a)의 상면에 소정의 패턴으로 형성된 배선층(5011b, 5011c, 5011d, 5011e)과, 세라믹 기판(5011a)의 하면에 소정의 패턴으로 형성된 배선층(5011f, 5011g)과, 배선층(11c)의 표면에 피복된 Au 도금막(5011h)과, 배선층(5011d)의 표면에 피복된 Au 도금막(5011i)과, 배선층(5011f)의 표면에 피복된 Au 도금막(5011j)과, 배선층(5011g)의 표면에 피복된 Au 도금막(5011k)과, 배선층(5011b)과 배선층(5011f)을 접속하는 쓰루홀(5111l)과, 배선층(5011d)과 배선층(5011g)을 접속하는 쓰루홀(5011m)을 구비하고 있다.
세라믹 기판(5011a)은, 예를 들면, 글래스 함유 Al2O3재(열팽창률:13.2×10- 6/℃)를 이용할 수 있다. 배선층(5011b, 5011d, 5011j, 5011g)은, 전원을 공급하기 위한 전극으로서 기능한다. 또한, Au 도금막(5011h, 5011i, 5011j, 5011k)은, 접속성, 도전성, 및 내부식성을 향상시키기 위해서 마련되어 있다. 또한, 기판부(5011)는, LED 소자(5012)의 탑재 전에, 배선층(5011b~5011g), Au 도금막(5011h, 5011i, 5011j), Au 도금막(5011k), 및 쓰루홀(5111l, 5011m)은, 미리 세라믹 기판(5011a)에 형성해 둘 필요가 있다.
LED 소자(12)는, 예를 들면, GaN, AlInGaP 등의 반도체를 이용하여 구성되어 있고, 그 칩 사이즈는, 0.3×0.3㎜(표준 사이즈), 1×1㎜(라지 사이즈) 등이다. 완충층(5013)에는, 실리콘 수지가 이용된다. 밀봉 부재(5014)에는, 예를 들면, 주식회사 스미다 광학 글래스제의 "K-PSK100"(열팽창률:11.4×10-6/℃)이 있다.
밀봉 부재(5014)는, 투광성이고 저융점의 특성을 갖는 글래스재를 이용하고 있다. LED 소자(5012)는, 하면에 전원용의 전극(5012a, 5012b)을 가지고, 이 전극(5012a, 5012b)이 기판부(11)의 소정의 배선층 상에 납땜된다.
이하에, 발광 장치(10)의 조립에 대해 설명한다.
먼저, 기판부(5011)의 배선층(5011c, 5011d) 상에 전극(5012a, 5012b)이 실리도록 하여 LED 소자(5012)를 위치 결정하여, 배선층(5011c)과 전극(5012a), 및 배선층(5011d)과 전극(5012b)을 각각 납땜한다.
다음으로, 액상의 실리콘 수지재를 LED 소자(5012)의 중심부의 바로 위로부터 적하하여, LED 소자(5012)의 상면 및 측면의 전체에 층 형상으로 코팅함으로써 완충층(13)을 형성한다.
다음으로, 완충층(5013)이 형성된 상태에서 기판부(5011) 및 LED 소자(5002)를 150℃ 정도의 온도 분위기에 두고, 완충층(5013)을 1차 경화시킨다.
다음으로, 완충층(5013)의 표면 및 기판부(5011)의 표면에 글래스재에 의한 밀봉 부재(5014)를 밀봉한다. 밀봉 부재(5014)의 밀봉에는 금형을 이용하고, 소정의 온도 분위기 및 가압 프레스에 의해 도 84와 같이 반원형으로 성형한다. 이상에 의해, 발광 장치(5010)가 완성한다. 또한, 실리콘 수지는 글래스 밀봉 가공 시, 열에 의해 화학 결합이 끊어져 SiO2화하지만, 흑화 현상은 발생하지 않고, 광흡수 요인으로는 되지 않는다.
상기 구성의 발광 장치(5010)에서, 예를 들면, 배선층(5011f)이 LED 소자(5012)의 애노드 측이라고 하면, 배선층(5011f)에 직류 전원(도시 생략)의 플러스 측이 접속되고, 배선층(5011g)에는 마이너스 측이 접속된다. LED 소자(12)에 대하여, 패드 전극(5108) 및 n형 전극(5109)에 전기적으로 접속된 범프(2)를 통하여 순방향의 전압을 인가하면. LED 소자(5012) 내의 발광층 내에서 홀 및 전자의 캐리어 재결합이 발생하여 발광하고, 출력광이 사파이어 기판(5101)을 통하여 LED 소자(50)의 외부로 방사된다. 이 광의 대부분은 밀봉 부재(5014) 내를 투과하여 밀봉 부재(5014)의 밖으로 출광하고, 일부는 내면 반사를 하여 밀봉 부재(5014)의 밖으로 출광한다.
상기한 제13 실시 형태에 따르면, 이하의 효과가 얻어진다.
(1) 글래스재에 의한 밀봉 부재(5014)로 전체를 밀봉함으로써, 수지 밀봉에서 문제로 되었던 황변이나 착색에 의한 광의 감쇠를 저감할 수 있다.
(2) LED 소자(5012)의 주위에 완충층(5013)을 마련함으로써, 밀봉 부재(5014)의 밀봉 시에 점도가 높은 글래스재를 통하여 LED 소자(5012)에 부여되는 외력이 완화된다. 즉, 완충층(5013)의 개재에 의해서 LED 소자(5012)와 밀봉 부재(5014)가 직접 접촉하지 않기 때문에, 열팽창·열수축에 의해서 발생하는 응력을 완충층(13)에 의해서 흡수할 수 있다.
(3) 완충층(5013)을 통하여 LED 소자(5012)를 글래스 밀봉함으로써, LED 소자(5012) 근방에 발생하고 있던 크랙의 발생을 방지하는 것이 가능하게 된다. 이러한 완충층(5013)을 마련하는 구성은, 밀봉 부재(5014)와의 접촉 면적이 넓어지는 라지 사이즈(1㎜×1㎜)의 LED 소자(5012)에서 특히 유효하다.
(4) LED 소자(5012)를 완충층(5013)으로 포위함으로써, 범프(5002)의 압궤에 의한 전극 간의 단락을 방지할 수 있다. 또한, 완충층(5013)이 범프 형상의 붕괴를 억제하기 때문에, 글래스 밀봉에 의해서 LED 소자(5012)의 광축이 기울어지는 것을 방지할 수 있다.
(5) 웨이퍼를 스크라이브함으로써 LED 소자(5012)를 형성하는 경우, 스크라이브된 LED 소자(5012)의 측면에는 미세한 요철이 발생한다. 이 요철은 글래스 밀봉형의 발광 장치(5010)에 있어서 LED 소자(5012)와 밀봉 부재(5014)의 계면에 응력의 불균형 부분을 형성하고, 나아가서는 마이크로 크랙을 발생시키는 요인으로 된다. 이러한 문제에 대해서는, LED 소자(5012)의 스크라이브면으로 되는 측면에 완충층(5021)을 마련함으로써, 밀봉 부재(5014)의 열수축 시에서의 마이크로 크랙의 발생을 방지할 수 있다.
도 85는, 제13 실시 형태에 따른 발광 장치의 변형예를 도시하는 단면도이다. 이 발광 장치(5020)에서는, LED 소자(5012)의 측면에만 완충층(5021)을 마련하고 있는 구성이 상위하다. 이러한 구성으로 해도 범프(5002)의 압궤에 의한 전극 간의 단락이나, 밀봉 부재(5014)의 열수축에 수반하는 응력을 완화할 수 있다. 또한, LED 소자(12)의 기판 측에 완충층이 마련되지 않기 때문에, LED 소자(5012)로부터 방사되는 광의 추출을 저해하지 않는다.
도 86은, 제14 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하는 단면도이다. 도 86의 발광 장치(5030)는, 페이스업형이고, 급전 부재로서의 기판부(31)와, 이 기판부(31)의 상면에 탑재된 LED 소자(5032)와, LED 소자(5032)의 전체를 피복하도록 밀봉된 완충층(5033)과, 이 완충층(33) 및 기판부(31)의 상면을 피복하도록 형성된 밀봉 부재(5034)와, LED 소자(5032)의 전극과 기판부(5031) 상의 배선층을 접속하는 와이어(5035a, 5035b)를 구비하여 구성되어 있다.
기판부(5031)는, 도 84의 기판부(5011)와 동일한 재료를 이용한 절연성 기판으로서의 세라믹 기판(5031a)과, 세라믹 기판(5031a)의 상면에 소정의 패턴으로 형성된 배선층(5031b, 5031c)과, 세라믹 기판(5031a)의 하면에 소정의 패턴으로 형성된 배선층(5031d, 5031e)과, 배선층(5031b)과 배선층(5031d)을 접속하는 쓰루홀(5031f)과, 배선층(5031c)과 배선층(5031e)을 접속하는 쓰루홀(5031g)을 구비하고 있다. 또한, 배선층(5031b~5031e)은, 표면에 Au 도금막이 마련되어 있지만, 여기 서는 도시를 생략하고 있다.
세라믹 기판(5031a)은, 예를 들면, 글래스 함유 Al2O3재를 이용할 수 있다. 배선층(5031b~5031e)은, 전원을 공급하기 위한 전극으로서 기능한다. 또한, 기판부(5031)는, LED 소자(5032)의 탑재 전에, 배선층(5031b~5031e)과 쓰루홀(5031f, 5031g)이, 미리 세라믹 기판(5031a)에 형성되어 있을 필요가 있다. 밀봉 부재(5034)는, 투광성이고 저융점의 특성을 갖는 글래스재를 이용한다.
LED 소자(5032)는, 배선층(5031c) 상에 접착제 등에 의해 고정되고, LED 소자(5032)의 상면의 한쪽의 전극(도시 생략)과 배선층(5031b)은 와이어(5035a)로 접속되고, LED 소자(5032)의 상면의 다른 쪽의 전극(도시 생략)과 배선층(5031c)은 와이어(5035b)로 접속되어 있다.
완충층(5033)은, LED 소자(5032)의 노출면 및 와이어(5035a, 5035b)를 덮도록 피복하고 있다.
밀봉 부재(5034)는, 완충층(5033)의 표면, 및 기판부(5031)의 상면에 노출하는 배선층이나 기판부(5031)의 노출부의 일부를 피복하도록 하여, 반구 형상으로 성형되어 있다.
이하에, 발광 장치(5030)의 조립에 대해 설명한다.
먼저, 세라믹 기판(5031a)에 배선층(5031b~5031e) 및 쓰루홀(5031f, 5031g)이 형성 완료된 기판부(5031)를 준비하고, 그 배선층(5031c) 상의 소정의 위치에 LED 소자(5032)를 탑재한다.
다음으로, 와이어(5035a, 5035b)에 의해 LED 소자(5032)와 배선층(5031b, 5031c)을 본딩에 의해 접속한다.
다음으로, LED 소자(5032)의 노출면 및 와이어(5035a, 5035b)를 피복하도록 액상의 실리콘재를 소정의 두께로 되도록 적하한다.
다음으로, LED 소자(5032) 및 와이어(5035a, 5035b)를 갖는 150℃ 정도의 온도 분위기에 두고, 완충층(5033)의 1차 경화를 행한 후, 완충층(5033)의 주변에 글래스재의 성형에 기초하는 밀봉 부재(5034)를 형성한다. 이상에 의해 발광 장치(5030)가 완성한다.
이 발광 장치(5030)에서는, 예를 들면, 배선층(5031d)이 LED 소자(5032)의 애노드 측이면, 배선층(5031d)에 직류 전원(도시 생략)의 플러스 측이 접속되고, 배선층(5031e)에는 마이너스 측이 접속된다. 이 통전에 의해, LED 소자(5032)가 발광한다. 그 광은, 도면의 LED 소자(5032)의 상면으로부터 출사하고, 그 대부분은 밀봉 부재(5034) 내를 통해서 외부로 출광하며, 다른 일부는 밀봉 부재(5034) 내에서 내면 반사한 후, 밀봉 부재(5034)의 밖으로 출광한다.
상기한 제14 실시 형태에 따르면, LED 소자(5032)를 페이스업으로 탑재하는 발광 장치(5030)의 LED 소자(5032) 주위에 완충층(5033)을 마련했기 때문에, 글래스재의 밀봉 시에 와이어(5035a, 5035b)가 변형하거나, 압궤하여 전극 간의 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 제1 실시 형태와 마찬가지로 밀봉 부재(5034)의 고열팽창에 기인하여 LED 소자(5012)의 근방에 발생한 크랙의 발생을 방지하는 것이 가능하게 된다.
예를 들면, 완충층(5033)이 마련되어 있지 않은 경우, 글래스 밀봉 가공 후 온도를 높게 설정하면 LED 소자에 손상을 주기 때문에, 온도 제약이 있고, 글래스 밀봉 가공은 글래스가 높은 점도의 상태에서 행해지기 때문에, 와이어(5035a, 5035b)에 외력이 가해지는 것은 피할 수 없으며, 와이어(5035a, 5035b)를 원하는 자세로 유지하는 것은 어렵다. 예를 들면, 와이어(5035a)가 글래스재의 가압 프레스에 의해 눌려 찌그러진 경우, 배선층(5031b와 5031c)이 쇼트하는 문제가 있다. 이 경우, 발광하지 않지 않을 뿐 아니라, 도시하지 않은 전원 측에 영향을 미치는 것으로도 된다. 참고로, 수지재에서는 이러한 문제는 발생하지 않는다.
페이스업 타입의 LED 소자에서는, 상면에 금속 부재인 와이어가 있는 것 자체가 완충재로 된다. 그러나, 찌그러져 전기적 단락을 발생하는 것이 문제이다. 이 때문에, 완충재적인 요소가 없어도, 찌그러짐 방지 등에 의한 전기적 단락 방지 요소가 있는 것이 중요하다.
도 87은, 본 발명의 제15 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하는 단면도이다. 이 발광 장치(5040)는, LED 소자(5041)를 탑재하는 서브 마운트(5043)를 리드부(5044a, 5044b)에 탑재하고 있다. 또한, 도 87에서는, 서브 마운트는 비단면의 상태로 도시하고 있다.
이 발광 장치(5040)는, 실장면에 범프(5042)가 마련된 LED 소자(5041)와, LED 소자(5041)가 탑재되는 서브 마운트(5043)와, 서브 마운트(5043)가 탑재되는 급전 부재로서의 리드부(5044a, 5044b)와, LED 소자(5041)의 노출면을 피복하도록 마련되는 완충층(5045)과, 완충층(5045) 및 그 주위를 밀봉하는 투광성 글래스에 의한 밀봉 부재(5046)를 갖는다.
서브 마운트(5043)는, 예를 들면, 고열전도의 AlN(질화 알루미늄)이 이용되고, 범프(5042)에 접속되는 전극(5043a)이 LED 소자(5041)의 실장면 측에 형성되어 있고, 반대측의 면(리드 프레임측의 면)에는 1쌍의 리드부(5044a, 5044b)에 접속하기 위한 전극(5043b)이 형성되어 있다. 전극(5043a)과 전극(5043b)을 접속하기 위해, 서브 마운트(5043) 내에는 쓰루홀(5043c)이 마련되어 있다.
리드부(5044a, 5044b)는, 리드 프레임의 일부로서 양측의 띠 형상 부분으로부터 내측에 소정의 간극을 갖고 서로 마주보도록 형성되고, 1개의 LED 소자에 대하여 1쌍이 할당되어 있다. 리드부(5044a, 5044b)의 선단부의 일부는, 단차가 발생하도록 얇은 두께로 만들어져 있고, 이 단차 부분에 서브 마운트(5043)가 재치된다.
완충층(5045)은, 상기한 다른 실시 형태에 도시한 완충층(5013, 5021, 및 5033)과 동일한 재료 및 가공에 기초하여 마련된다.
밀봉 부재(5046)는, 상기한 다른 실시 형태와 마찬가지로, 투광성이고 저융점의 특성을 갖는 글래스재가 이용된다.
이 발광 장치(5040)에서는, 리드부(5044a)가 플러스(+) 전원 공급 단자라고 하면, 리드부(5044a)에 공급된 전류는, 리드부(5044a), 전극(5043b)의 한쪽, 쓰루홀(5043c)의 다른쪽, 전극(5043a)의 다른쪽, 및 범프(42)의 다른쪽을 거쳐 LED 소자(5041)의 애노드에 흐르고, 또한, LED 소자(41)의 캐소드를 나온 전류는, 범프(5042)의 한쪽, 전극(5043a)의 한쪽, 쓰루홀(5043c)의 한쪽, 및 전극(5043b)의 다 른 쪽을 거쳐 리드부(5044b)에 흐름으로써, LED 소자(5041)가 발광한다.
이하에, 발광 장치(5040)의 조립에 대해 설명한다.
먼저, 전극(5043a, 5043b), 및 쓰루홀(5043c)이 미리 형성 완료된 서브 마운트(5043)를 준비하고, 서브 마운트(5043) 상의 소정 위치에 범프(5042)를 통하여, LED 소자(5041)를 탑재한다. 이것에 의해 LED 소자(5041)를 전기적으로 접속함과 함께 기계적으로 고정한다.
다음으로, 서브 마운트(5043)에 탑재된 LED 소자(5041)를 리드부(5044a, 5044b)의 선단부의 오목부 내에 통전 방향을 합치시켜 배치한다.
다음으로, LED 소자(5041)의 주위를 피복하도록 액상의 실리콘재를 소정의 두께로 되도록 적하한다.
다음으로, LED 소자(5032), 서브 마운트(5043), 및 리드부(5044a, 5044b)를 150℃ 정도의 온도 분위기에 두고, 1차 경화를 행하여 완충층(5045)을 LED 소자(5032)의 주위에 형성한다.
다음으로, 밀봉 부재(5045)를 형성하기 위한 글래스 시트를 LED 소자(5041)의 상방 및 하방에 배치하고, 또한 LED 소자(5041)의 상측 및 하측에 각각 금형을 배치한다.
다음으로, 소정의 온도 분위기에서 금형에 의한 가압 프레스를 행함으로써 글래스 시트를 소정의 형상으로 성형한다. 이것에 의해, 발광 장치(504O)가 완성한다. 최종적으로는, 리드 프레임으로부터 리드부(5044a, 5044b)의 타단이 분리되고, 개개의 발광 장치(5040)로 개별화된다.
상기한 제15 실시 형태에 따르면, 고열전도성의 서브 마운트(5043)에 탑재된 LED 소자(5041)를 글래스재로 밀봉할 때에, 완충층(5045)에 의해 열팽창률의 차에 의해서 LED 소자(5041)나 서브 마운트(5043)의 주위에 크랙이나 박리가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 발광 장치(5040)에서, 완충층(5045)에 형광체를 혼합하도록 해도 된다. 이 경우, LED 소자(5041)의 방사광으로 여기된 형광체로부터 방사되는 여기광과 LED 소자(5041)의 방사광의 혼합에 기초하는 파장 변환이 행해진다. 형광체로서, 예를 들면, LED 소자(5041)가 발광하는 청색광에 의해 여기되어 황색광을 방사하는 Ce(셀륨):YAG(이트륨·알루미늄·가넷)를 이용할 수 있다.
도 88은, 본 발명의 제16 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하는 단면도이다. 이 발광 장치(5050)는, 도 87의 발광 장치(5040)에 방열 부재를 장착한 구성을 갖는다. 즉, AlN 등에 의한 서브 마운트(5052)의 하부에 구리 등의 열전도성이 우수한 금속 재료를 이용한 방열 부재(5051)를 부착한 점에 특징이 있다.
발광 장치(5050)는, 방열기로서 기능하는 방열 부재(5051)와, 방열 부재(505 1) 상에 탑재되는 서브 마운트(5052)와, 서브 마운트(5052)의 양단의 단차부 상에 선단부가 재치되는 리드부(5053a, 5053b)와, 하면에 전원 공급용의 1쌍의 범프(5042)를 구비함과 함께 서브 마운트(5052) 상에 탑재되는 LED 소자(5041)와, LED 소자(5041)의 노출면을 피복하도록 마련되는 완충층(5054)과, 완충층(5054) 및 그 주위를 밀봉하는 저융점의 투명 글래스에 의한 밀봉 부재(5055)를 갖는다.
서브 마운트(5052)는, 양단의 소정 범위가 단차를 발생하도록 얇은 두께로 가공되어 있고, 이 얇은 두께부 상에 리드부(5053a, 5053b)의 선단부가 재치되고, 그 선단이 배선 패턴(5052a, 5052b)의 측면에 땜납 등에 의해 접속된다. 또한, 서브 마운트(5052)에는, 1쌍의 범프(5042)에 접촉하는 배선 패턴(5052a, 5052b)이, 상면으로부터 측면에 걸쳐서 마련되어 있다.
완충층(5054)은, Si계 알콕시드에 형광체가 혼합되고, 소결한 다공질 상태의 형광체 함유의 SiO2로 함으로써, 응력 완충과 함께 파장 변환의 기능을 갖게 하고 있다.
형광체는, 제15 실시 형태에서 설명한 바와 같이, Ce(셀륨):YAG(이트륨·알루미늄·가넷) 등을 이용할 수 있다.
제16 실시 형태에서의 발광 장치(5050)의 조립은, 제15 실시 형태에 준하기때문에, 여기서는 중복되는 설명을 생략하지만, 도 88의 서브 마운트(5052)보다 위의 부분을 먼저 완성시킨 후, 하면에 방열 부재(5051)를 접착 등에 의해 부착하면 된다.
상기한 제16 실시 형태에 따르면, 이하의 효과가 얻어진다.
(1) 서브 마운트(5052)의 하부에 방열을 촉진하는 방열 부재(5051)를 마련했기 때문에, LED 소자(5041)의 점등에 수반하는 발열을 효율적으로 외부로 방산할 수 있고, 글래스재에 의한 밀봉 부재(5055) 등의 온도 상승에 수반하는 열팽창·열수축의 발생을 억제하여 크랙의 발생을 방지할 수 있다.
(2) 완충층(5054)에 형광체를 혼합시킴으로써, 파장 변환을 행할 수 있을 뿐 아니라 광의 추출 효율의 향상이 가능하게 된다.
또한, 상기한 각 실시 형태에서, 기판부(5011, 5031)나 리드부(5044a, 5044b, 5053a, 5053b)의 표면에 반사면을 형성하고, 광의 출사 효율을 높이도록 해도 된다.
또한, 밀봉 부재(5014, 5034) 내의 LED 소자(5012, 5032)의 상부에 형광체를 부분적으로 혼합하고, 혹은, 완충층(5013, 5033) 내에 파장 변환용의 형광체를 혼합할 수도 있다.
또한, 완충층(5054)에 TiO2계 세라믹재를 이용한 경우, 그 굴절률이 2.4라는 큰 값을 갖기 때문에, LED 소자(5041)로부터의 광의 추출 효율을 높일 수 있다.
또한, 상기한 각 실시 형태에서는, 1개의 밀봉 부재 내에 배치되는 LED 소자의 개수는 1개라고 했지만, LED 소자가 2개 이상인 멀티 발광형의 발광 장치로 할 수도 있다. 탑재하는 복수의 LED 소자는, 서로 다른 발광색의 LED 소자를 복수 마련하는 구성이어도 되고, 동일 발광색의 LED 소자를 복수 마련하는 구성이어도 된다. 또는 LED 소자의 구동 형태로서는, 복수의 LED 소자의 전부를 병렬 접속하거나 또는 그룹 단위로 병렬 접속해도 되고, 복수 단위로 직렬 접속하거나 또는 모든 수를 직렬 접속해도 된다.
또한, 밀봉 부재(5014)를 주식회사 스미다 광학 글래스제의 "K-PSK100"이라고 설명했지만, 이것에 한정되지 않으며, 발광 소자에 열적 손상을 주지 않고 밀봉 가공할 수 있는 온도에서 연화하는 글래스이면 다른 것이어도 상관없다.
또한, 밀봉 부재(5014, 5034, 5046, 5055)의 형상으로서, 반구 형상의 구성을 도시했지만, 본 발명은 도시한 형상에 한정되는 것이 아니며, 렌즈부를 갖지 않는 형상, 다각형, 원주형 등, 임의의 형상으로 할 수 있다.
또한, 밀봉 부재(5014, 5034, 5046, 5055)의 성형에 있어서는, 글래스 시트를 이용한 가압 프레스에 의한 성형 방법에 한정되는 것이 아니며, 예를 들면, 용융 글래스를 LED 소자의 근방에 공급하여 금형에 의해 가열 성형하는 등의 다른 밀봉 방법을 이용해도 된다.
또한, 완충층(5054)은, 다공질에 한정되지 않고, 약하게 응력 흡수하고, 열팽창률이 LED 소자와 밀봉 글래스의 중간인 등, 완충 효과가 있고, 또한, 절연성, 내연성을 갖는 것이면 된다.
도 89는, 본 발명의 제17 실시 형태에 따른 발광 장치의 구성을 도시하는 단면도이다. 이 발광 장치(6010)는, 급전 부재로서의 기판부(6011)와, 전원 공급용 중 적어도 1쌍의 Au으로 이루어지는 범프(6012a, 6012b)를 가짐과 함께 기판부(6011)의 상면에 탑재되는 LED 소자(6012)와, LED 소자(6012)의 하면과 기판부(6011) 사이에 충전되는 절연층(6013)과, LED 소자(6012) 및 기판부(6011)의 상면을 피복하도록 형성된 밀봉 부재(6014)를 구비하여 구성된다.
기판부(6011)는, 세라믹 기판(6011a)과, 세라믹 기판(6011a)의 상면에 소정의 패턴으로 형성된 배선층(6011b, 6011c, 6011d, 6011e)과, 세라믹 기판(6011a)의 하면에 소정의 패턴으로 형성된 배선층(6011f, 6011g)과, 배선층(6011c)의 표면에 피복된 Au 도금막(6011h)과, 배선층(6011d)의 표면에 피복된 Au 도금막(6011i)과, 배선층(6011f)의 표면에 피복된 Au 도금막(6011j)과, 배선층(6011g)의 표면에 피복된 Au 도금막(6011k)과, 배선층(6011b)과 배선층(6011f)을 접속하는 쓰루홀(6111)과, 배선층(6011d)와 배선층(6011g)을 접속하는 쓰루홀(6011m)을 구비하고 있다.
세라믹 기판(6011a)은, 예를 들면, 글래스 함유 Al2O3재(열팽창률:13.2× 10-6/℃)가 이용된다. 배선층(6011c, 6011d, 6011f, 6011g)은, 전원을 공급하기 위한 전극으로서 기능한다. 또한, Au 도금막(6011h, 6011i, 6011j, 6011k)은, 접속성, 도전성, 및 내부식성을 향상시키기 위해 마련되어 있다. 또한, 기판부(6011)는, LED 소자(6012)를 탑재하기 전에, 배선층(6011b~6011g), Au 도금막(6011h, 6011i, 6011j, 6011k), 및 쓰루홀(6011, 6011m)은 미리 세라믹 기판(6011a)에 형성된다.
LED 소자(6012)는, 예를 들면, GaN, AlInGaP 등의 반도체를 이용하여 구성되어 있고, 그 칩 사이즈는, 0.3×0.3㎜(표준 사이즈), 1×1㎜(라지 사이즈) 등이다. 또한, LED 소자(6012)는, 하면에 전원용의 전극(6012a, 6012b)을 가지고, 이 전극(6012a, 6012b)이 기판부(6011)의 소정의 배선층 상에 납땜된다.
절연층(6013)은, 실리콘계 재료, 또는 다이아몬드, BN, SiC, 혹은 AlN의 분말을 포함하는 절연재로 형성되어 있다. 실리콘계 재료로서 실리콘 수지를 이용한 경우, 밀봉 부재(6014)의 밀봉에 수반하는 고온에 의해, 화학 결합이 끊어짐으로써 SiO2로 되고, 내열성을 갖는 절연체로서 기능한다. 또한, 실리콘 수지에 의해 형성되는 SiO2 대신에 Si계나 Ti계 등의 알콕시드에 의해서 형성되는 세라믹을 이용할 수도 있다. 또한, 다이아몬드는 높은 열전도성을 갖는다. BN, SiC, AlN은 다이아몬드와 비교하여 열전도성은 뒤떨어지지만 염가이다. 또한, 다이아몬드, BN, SiC는 투명 혹은 백색이고, 광흡수가 적다는 특징을 가지고 있다.
밀봉 부재(6014)는, 투광성이고 저융점의 특성을 갖는 글래스재를 이용하여 형성되어 있고 예를 들면, 주식회사 스미다 광학 글래스제의 "K-PSK100"(열팽창률: 11.4×10-6/℃)를 이용할 수 있다. 또한, 발명자들의 실험에서는, 세라믹과 글래스의 양호한 접합을 얻기 위해서는 세라믹 기판(6011a)과 밀봉 부재(6014)를 대략 동등한 열팽창률(열팽창률 차의 비가 15% 이내)로 할 필요가 있고, 여기서는 열팽창률의 비는 0.86이다.
이하에, 발광 장치(6010)의 조립에 대해 설명한다.
Au의 범프(6012a, 6012b)가 배선층(6011c, 6011d)에 실리도록 위치 결정하고, 기판부(6011) 상에 LED 소자(6012)를 배치한 후, 적하, 충전 등에 의해 절연층(13)을 형성한다.
다음으로, LED 소자(6012), 절연층(6013)의 노출면 및 기판부(6011)의 노출면에 글래스재에 의한 밀봉 부재(6014)를 밀봉한다. 밀봉 부재(6014)의 밀봉에는 금형을 이용하고, 소정의 온도 분위기 및 가압 프레스에 의해 도 89와 같이 반원형으로 성형한다. 이 밀봉시, 절연층(6013)으로서의 실리콘재가 SiO2화되고, LED 소자(6012)의 하면, 및 범프(6012a, 6012b)가 고정된 상태로 되기 때문에, 범프(6012a, 6012b)의 변형이나 범프간 단락 등이 회피된다. 이상에 의해, 발광 장치 (6010)가 완성된다.
이 발광 장치(6010)에서는, 예를 들면, 배선층(6011f)이 LED 소자(6012)의 애노드 측이라고 하면, 배선층(6011f)에 직류 전원(도시 생략)의 플러스 측이 접속되고, 배선층(6011g)에는 마이너스 측이 접속된다. LED 소자(6012)에 대하여, 도시하지 않은 p형 전극 및 n형 전극에 전기적으로 접속된 범프(6002)를 통하여 순방향의 전압을 인가하면, LED 소자(6012)의 활성층에서 홀 및 전자의 캐리어 재결합이 발생하여 발광하고, 출력광이 LED 소자(6012)의 외부로 방사된다. 이 광의 대부분은 밀봉 부재(6014) 내를 투과하여 밀봉 부재(6014)의 밖으로 출광하고, 일부는 내면 반사를 하여 밀봉 부재(6014)의 밖으로 출광한다.
상기한 제17 실시 형태에 따르면, 이하의 효과가 얻어진다.
(1) 글래스재에 의한 밀봉 부재(6014)로 전체를 밀봉함으로써, 수지 밀봉에서 문제로 되었던 황변이나 착색에 의한 광의 감쇠를 저감할 수 있다.
(2) LED 소자(6012)의 하측에 내열성을 갖는 절연층(13)을 마련함으로써, 밀봉 부재(14)의 밀봉 시에, 범프(6012a, 6012b)를 밀봉 부재(6014)가 고열로 눌러 LED 소자(6012)에 손상을 주는 일이 없어진다. 즉, 밀봉 부재(14)의 고열 및 고압력에 의해 범프(6012a, 6012b)가 변형하거나, 파손되거나 하여 범프 사이에서 단락을 발생하는 것을 방지할 수 있다.
(3) 다이아몬드, BN, SiC, 혹은 AlN의 분말을 포함하는 절연재를 이용한 경우, LED 소자(6012)가 발하는 열을 방열하는 효과를 기대할 수 있기 때문에, 방열성의 향상을 도모할 수 있다.
도 90은, 제18 실시 형태에 따른 발광 장치의 구성을 도시하는 단면도이다. 이 발광 장치(6020)는, 서브 마운트(6022)를 이용하여 리드 프레임에 탑재되는 금속 리드 타입이고, 실장면에 범프(6021a, 6021b)가 마련된 LED 소자(6021)와, 이 LED 소자(6021)가 탑재되는 서브 마운트(6022)와, 이 서브 마운트(6022)가 탑재되는 급전 부재로서의 리드부(6023a, 6023b)와, 리드부(6023a, 6023b)의 상면과 LED 소자(6021)의 하면 사이에 충전되는 절연층(6024)과, 절연층(6024)의 단부 및 LED 소자(6021)의 표면을 포함하는 리드부(6023a, 6023b)의 선단부를 밀봉하기 위한 투광성 글래스에 의한 밀봉 부재(6025)를 갖는다.
서브 마운트(6022)는, 예를 들면, 고열전도의 AlN(질화 알루미늄)이 이용되고, 범프(6021a)의 한쪽에 접속되는 배선층(6022a)이 상면, 측면, 및 하면에 걸쳐서 U자형을 이루도록 형성되어 있고, 반대 측에는 범프(6021b)에 접속되는 배선층(6022B)이 상면, 측면, 및 하면에 걸쳐 U자형을 이루도록 형성되어 있다.
또한, 서브 마운트(6022)는, 필요에 따라 소자 파괴 방지용의 제너 다이오드 등의 회로를 내장시킬 수도 있다. 또한, 배선층(6022a, 6022b) 대신에, 상하면에 마련한 전극과, 그 상하의 전극 상호를 연통시키는 쓰루홀에 의한 조합에 의한 배선 수단을 이용해도 된다.
리드부(6023a, 6023b)는, 구리계나 철계의 금속으로 이루어지고, 도시하지 않은 리드 프레임의 일부로서 양측의 띠 형상 부분으로부터 내측에 소정의 간극으로 서로 마주보도록 형성되어 있고, 1개의 LED 소자에 대하여 1쌍이 할당되어 있다. 리드부(6023a, 6023b)의 선단부의 일부는, 단차가 형성되도록 얇은 두께로 만 들어져 있고, 이 단차 부분에 서브 마운트(6022)가 재치된다.
절연층(6024)은, 제17 실시 형태에서의 절연층(6013)과 마찬가지로, 실리콘재, 또는 다이아몬드나 AlN의 분말을 포함하는 절연재를 이용할 수 있다. 밀봉 부재(6025)의 밀봉 시에 화학 결합이 끊어져 실리콘재가 SiO2로 되는 생성 과정, 및 다이아몬드, BN, SiC, 혹은 AlN의 분말을 포함하는 절연재를 이용한 경우의 방열 효과 등은 절연층(6013)의 경우와 마찬가지이다.
밀봉 부재(6025)에는, 상기한 상기 실시 형태와 마찬가지로, 투광성이고 저융점의 특성을 갖는 글래스재가 이용된다.
이 발광 장치(6020)에서는, 리드부(6023a)가 플러스(+) 전원 공급 단자라고 하면, 리드부(6023a)에 공급된 전류는, 리드부(6023a), 배선층(6022a), 및 범프(6021a)를 거쳐 LED 소자(6021)의 애노드에 흐르고, 또한, LED 소자(21)의 캐소드를 나온 전류는, 범프(6021b), 배선층(6022b)을 거쳐 리드부(6023b)에 흐름으로써, LED 소자(6021)가 발광한다.
이하에, 발광 장치(6020)의 조립에 대해 설명한다.
먼저, 배선층(6022a, 6022b)이 미리 형성 완료된 서브 마운트(6022)를 준비한다. 이 서브 마운트(6022) 상의 소정 위치에 범프(6021a, 6021b)를 형성하고, 거기에 LED 소자(6021)를 탑재하고, 범프(6021a)와 배선층(6022a), 및 범프(6021b)와 배선층(6022b)을 전기적으로 접속함과 함께 기계적으로 고정한다.
다음으로, 서브 마운트(6022)에 탑재된 LED 소자(6021)를 리드부(6023a, 6023b)의 선단부의 오목부 내에 통전 방향을 합치시켜 배치한다. 또한, LED 소자 (21)를 서브 마운트(6022)에 탑재한 후, 이 서브 마운트(6022)를 리드부(6023a, 6023b)에 탑재하는 순서이어도 된다.
다음으로, 절연층(6024)으로서의 실리콘재를 LED 소자(6021)의 하면과 서브 마운트(6022)의 상면 사이에 충전한다(이 충전은, 서브 마운트(22)를 리드부(6023a, 6023b)에 탑재하기 전에 행해도 된다.). 이 상태대로 금형 내에 반입하여, 밀봉 부재(25)를 형성하기 위한 글래스 시트(도시 생략)를 LED 소자(6021)의 상방 및 하방에 배치하고, 소정의 온도 및 가압 프레스에 의해 반구 형상으로 성형한다. 이 밀봉시, 실리콘재가 SiO2화되어 절연층(6024)으로 되고, LED 소자(6021)의 하면 및 범프(6012a, 6012b)를 고정하기 때문에, 범프(6012a, 6012b)의 변형이나 범프간 단락 등이 회피된다. 이상에 의해, 발광 장치(6020)가 완성한다. 최종적으로는, 도시하지 않은 리드 프레임으로부터 리드부(6023a, 6023b)의 타단을 분리함으로써, 개개의 발광 장치(6020)로 개별화된다.
상기한 제18 실시 형태에 따르면, 글래스재와의 밀착성이 우수한 리드부(6023a, 6023b)를 이용함과 함께 LED 소자(6021)의 하측에 절연층(6024)을 마련함으로써, 밀봉 부재(6025)의 밀봉 시에, 밀봉 부재(6025)가 LED 소자(6021)에 손상을 주는 일이 없어지게 되기 때문에, 범프(6021a, 6021b)에 변형, 이동, 단락 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 글래스재에 의한 밀봉 부재(6025)로 전체를 밀봉함으로써, 밀봉 부재가 수지재일 때와 같은 황변이나 착색에 의한 광의 감쇠가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 91은, 제19 실시 형태에 따른 발광 장치를 도시하는 단면도이다. 이 발광 장치(6030)는, 제18 실시 형태와 마찬가지로, 서브 마운트를 이용하여 리드 프레임에 탑재되는 금속 리드 타입이다. 여기서는, 도 90과 마찬가지로, 주요부의 구성만을 도시하고, 또한, 서브 마운트(6032)는 비단면의 상태로 도시하고 있다. 본 실시의 형태의 제18 실시 형태와 서로 다른 점은, 서브 마운트의 구조와, 절연층의 구성 및 형성 범위에 있다.
이 발광 장치(30)는, 실장면에 범프(6031a, 6031b)가 마련된 LED 소자(6031)와, 이 LED 소자(6031)가 탑재되는 서브 마운트(6032)와, 이 서브 마운트(6032)가 선단부에 탑재되는 급전 부재로서의 리드부(6033a, 6033b)와, 형광체(6034a)가 혼합되어 있음와 함께 LED 소자(6031)의 전면을 피복하도록 충전 또는 적하되는 절연층(6034)과, LED 소자(6031)의 상면을 포함하는 리드부(6033a, 6033b)의 선단부를 밀봉하는 투광성 글래스에 의한 밀봉 부재(6035)를 갖는다.
서브 마운트(6032)는, 예를 들면 고열전도의 AlN(질화 알루미늄)이 이용되고, 범프(6031a, 6031b)에 접속되는 전극(6032a, 6032b)이 LED 소자(6031)의 실장면 측에 형성되어 있고, 반대측의 면(리드 프레임측의 면)에는 1쌍의 리드부(6033a, 6033b)에 접속하기 위한 전극(6032c, 6032d)이 형성되어 있다. 전극(6032a)와 전극(6032c), 및 전극(6032c)과 전극(6032d)을 접속하기 위해, 서브 마운트(6032) 내에는 쓰루홀(6032e, 6032f)이 마련되어 있다.
리드부(6033a, 6033b)는, 구리계나 철계의 금속으로 이루어지고, 도시하지 않은 리드 프레임의 일부로서 양측의 띠 형상 부분으로부터 내측에 소정의 간극으로 대향하도록 형성되고, 1개의 LED 소자에 대하여 1쌍이 할당되어 있다. 리드부(6033a, 6033b)의 선단부의 일부는, 단차가 발생하도록 얇은 두께로 만들어져 있고, 이 단차 부분에 서브 마운트(6032)가 재치된다.
절연층(6034)은, 실리콘재를 주체로 하고, 이것에 형광체(6034a)가 혼합되어 있다. 또한, 밀봉 부재(6025)의 밀봉시에 실리콘재의 화학 결합이 끊어져 SiO2로 되는 생성 과정, 및 다이아몬드나 AlN의 분말을 포함하는 절연재를 이용한 경우의 방열 효과 등은, 절연층(6013)의 경우와 마찬가지이다.
형광체(6034a)는, 예를 들면, LED 소자(6021)가 청색 발광인 경우, 이 청색광에 따라서 여기됨으로써 황색광을 방사하는 특성을 갖는 Ce(셀륨):YAG(이트륨·알루미늄·가넷)을 이용한다.
밀봉 부재(6035)는, 상기한 각 실시 형태와 마찬가지로, 투광성이고 저융점의 특성을 갖는 글래스재가 이용된다.
이 발광 장치(6030)에서는, 리드부(6033a)가 플러스(+) 전원 공급 단자라고 하면, 리드부(6033a)에 공급된 전류는, 리드부(6033a), 전극(6032c), 쓰루홀(6032e), 전극(6032a), 및 범프(6031a)를 거쳐 LED 소자(6031)의 애노드에 흐르고, 또한, LED 소자(6031)의 캐소드를 나온 전류는, 범프(6031b), 전극(6032b), 쓰루홀(6032f), 및 전극(6032d)를 거쳐 리드부(6033b)에 흐름으로써, LED 소자(6031)가 발광한다.
이하에, 발광 장치(6030)의 조립에 대해 설명한다.
먼저, 전극(6032a~6032d), 및 쓰루홀(6032e, 6032f)이 미리 형성 완료된 서브 마운트(6032)를 준비한다. 이 서브 마운트(6032) 상의 소정 위치에, 범프(6031a, 6031b)를 형성하고, LED 소자(6031)를 탑재한다. 이것에 의해서 LED 소자(6031)를 범프(6031a, 6031b)를 통하여 전극(6032a, 6032b)과 전기적으로 접속하고, 동시에 기계적으로 고정한다.
다음으로, 서브 마운트(6032)에 탑재된 LED 소자(6031)를 리드부(6033a, 6033b)의 선단부의 오목부 내에 통전 방향을 합치시켜 배치한다. 혹은, 서브 마운트(6032)를 리드부(6033a, 6033b)에 탑재한 후, 서브 마운트(6032)에 LED 소자(6031)를 실장하는 순서이어도 된다.
다음으로, 서브 마운트(6032)의 상면, 측면, 및 상면에 이르도록 형광체(6034a)를 혼입 완료한 절연층(6034)을 적하 또는 충전한다.
다음으로, 금형 내에 반입하고, 밀봉 부재(35)를 형성하기 위한 글래스 시트(도시 생략)를 LED 소자(6031)의 상방 및 하방에 배치하고, 소정의 온도를 기초로 가압 프레스에 의해 반구 형상으로 성형하면, 발광 장치(6030)가 완성한다. 이 밀봉시, 실리콘재가 SiO2화되어 절연층(6034)으로 되고, LED 소자(6031)의 하면 및 범프(6031a, 6031b)가 고정된 상태로 되기 때문에, 범프(6012a)의 변형이나 범프간 단락 등이 회피된다. 최종적으로는, 리드 프레임으로부터 리드부(6033a, 6033b)의 타단이 분리되고, 개개의 발광 장치로 개별화된다.
상기한 제19 실시 형태에 따르면, 이하의 효과가 얻어진다.
(1) 절연층(6034)을 마련함으로써, 밀봉 부재(6035)의 밀봉 시에, 밀봉 부재(6035)가 LED 소자(6031)에 손상을 주는 일이 없어지기 때문에, 범프(6031a, 6031b)에 변형, 이동, 단락 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
(2) 절연층(6034)에 형광체(6034a)가 혼입되어 있기 때문에, 리드부 상의 전극(또는, 서브 마운트 상의 배선층)에 의한 광의 흡수를 저감할 수 있다. 통상적으로, 전극이나 배선층에는 Au 도금이 실시되어 있다. 이 Au 도금은, 청색 또는 보라색 광의 흡수율이 높지만, 형광체가 들어간 절연층(6034)을 마련함으로써, LED 소자 측면으로부터 방사되는 광을 파장 변환할 수 있고, Au 도금면에서의 광흡수를 방지할 수 있다.
(3) LED 소자(6031)의 상면으로부터 방사되는 광에 대해서도 파장 변환을 할 수 있다.
또한, 글래스재에 의한 밀봉 부재(6035)로 전체를 밀봉함으로써, 밀봉 부재가 수지재일 때와 같은 황변이나 착색에 의한 광의 감쇠를 방지할 수 있다.
또한, 서브 마운트(6032)는, 이를 대신하여 도 90에 도시한 "U"자 형상의 배선층(6022a, 6022b)을 갖는 서브 마운트(6022)를 이용해도 된다. 반대로, 도 90의 서브 마운트(6022) 대신에, 도 91에 도시한 서브 마운트(6032)를 이용해도 된다.
도 92는, 표준 사이즈의 LED 소자의 범프 형성면을 도시하는 평면도이다. 이 LED 소자(6031)는, 0.3㎜각의 LED 소자이고, n전극에 접속된 펌프(6041)를 탑재하는 소패턴(6042)과, p전극에 접속된 대패턴(6043)과, 이 대패턴(6043)에 탑재된 펌프(6044a, 6044b)가 마련되어 있다. LED 소자(6031)는 고출력형으로 될수록 대전류가 흐른다. 따라서, p전극 측의 펌프 수를 복수로 하고, 큰 전류 용량에 대응할 수 있도록 하고 있다.
도 93은, 라지 사이즈의 LED 소자의 범프 형성면을 도시하는 평면도이다. 이 LED 소자(6031)는, 1㎜각의 LED 소자이고, 범프(6052a, 6052b)가 마련되는 배선 패턴(6054)과, 범프(6053a~6053p)가 마련되는 배선 패턴(6055)을 갖는다. 라지 사이즈의 LED 소자는 표준 사이즈보다도 발광 면적이 커지기 때문에, 더욱 대전류가 흐른다. 따라서, 발광면에서의 균일 발광을 도모하기 위해 배선 패턴(6054, 6055)의 형상 면적에 따라서, 전극 접점으로 되는 각각의 범프를 복수개로 하고 있다.
도 92 및 도 93에 도시한 바와 같이, 범프를 통하여 전기적 접속을 행하는 LED 소자에서는, 글래스 밀봉 시의 온도 및 압력에 의해서 범프가 압궤되기 쉬워진다. 특히, 도 93에 도시한 바와 같이, 다수의 범프(6053a~6053p)를 갖는 것에서는, 각 범프 간의 거리가 접근하기 때문에, 범프에 변형이 발생하면 한층 단락이 발생하기 쉬워진다. 이러한 LED 소자(6031)에 대하여, 절연층(6034)은, 범프 형성면을 피복하여 범프 간의 절연을 확보함과 함께, 글래스 밀봉 시의 압력에 견디는 것에 의해 범프(6053a~6053p)의 변형을 억제한다. 그 결과, 글래스재에 의한 밀봉 부재(6035)의 형성이 가능하게 된다.
또한, 상기한 각 실시 형태에서는, Au으로 이루어지는 범프(6012a, 6012b)로서 설명했지만, Au에 한정되지 않고, 땜납으로 형성되는 범프로 해도 된다. 또한, 범프에 한정되지 않고, 전극에 형성된 땜납 도금이어도 된다. 주식회사 스미다 광 학 글래스제의 "K-PSK100"에서는 400℃를 초과하는 온도에서의 밀봉 가공이고, 또한, 가공 시의 글래스 점도도 높기 때문에 Au 범프라 하더라도 찌그러짐이 발생한다. 한편, 무기 유기 혼합을 하이브리드 저융점 글래스에서는, 더욱 낮은 온도에서의 밀봉 가공이 가능하지만, 땜납 점프와 같이 융점이 밀봉 가공 온도보다 낮으면, 작은 압력이라도 전극 간의 단락이 발생한다. 이것에 대하여도 본 발명은 유효하다.
또한, 상기한 각 실시 형태에서는, 밀봉 부재(6014, 6025, 6035) 내의 LED 소자(6012, 6032)의 상부에, 파장 변환을 위한 형광체층을 형성할 수도 있다.
또한, 상기한 각 실시 형태에서는, 1개의 밀봉 부재 내에 배치되는 LED 소자의 개수는 1개라고 했지만, LED 소자가 2개 이상인 멀티 발광형의 발광 장치로 할 수도 있다. 탑재하는 복수의 LED 소자는, 서로 다른 발광색의 LED 소자를 복수 마련하는 구성이어도 되고, 동일 발광색의 LED 소자를 복수 마련하는 구성이어도 된다. 또한, LED 소자의 구동 형태에서는, 복수의 LED 소자의 전부를 병렬 접속하거나 또는 그룹 단위로 병렬 접속해도 되고, 복수 단위로 직렬 접속하거나 또는 모든 수를 직렬 접속해도 된다.
또한, 밀봉 부재(6014, 6025, 6035)의 형상으로서, 돔 형상의 구성을 도시했지만, 본 발명은 도시한 형상에 한정되는 것이 아니며, 렌즈부를 갖지 않는 형상, 다각형, 원주형 등, 임의의 형상으로 할 수 있다.
또한, 밀봉 부재(6014, 6025, 6035)의 성형에 있어서는, 글래스 시트를 이용한 가압 프레스에 의한 성형 방법에 한정되는 것이 아니며, 다른 밀봉 방법을 이용 해도 된다.
도 94는, 본 발명의 제20 실시 형태에 따른 발광 장치의 구성을 도시하는 단면도이다. 통상적으로, 리드 프레임에는 양측에 각 리드부의 외측을 연결하고 있는 띠형상부가 마련되어 있지만, 여기서는 도시를 생략하고 있다. 또한, 리드 프레임 상에는, 통상적으로, 복수의 LED 소자가 실장되지만, 여기서는 그 중의 1개만을 도시하고 있다. 또한, 도 94에서는, 서브 마운트는 비단면의 상태에서 도시하고 있다.
발광 장치(7010)는, 금속 리드 실장 타입이고, 실장면에 범프(7002)를 통하여 플립칩 접합되는 GaN계의 LED 소자(7001)(열팽창률 4.5~6×10-6/℃)와, 이 LED 소자(7001)가 탑재되는 서브 마운트(7003)와, 서브 마운트(7003)가 탑재되는 급전 부재로서의 Cu로 이루어지는 리드부(열팽창률 15~17×10-6/℃, 열전도율 400W·m-1·k-1)(7004A, 7004B)와, LED 소자(7001)를 중심으로 하여 그 주위를 밀봉하는 투명 글래스제의 밀봉 부재(7005)를 구비하여 구성되어 있다.
서브 마운트(7003)는, 예를 들면, AlN(질화 알루미늄:열팽창률 5×10-6/℃, 열전도율 180W·m-1·k-1)이 이용되고, 범프(7002)에 접속되는 전극(7031A, 7031B)이 LED 소자(7001)의 실장면 측에 형성되어 있고, 반대 측의 면(리드 프레임 측의 면)에는 1쌍의 리드부(7004A, 7004B)에 접속하기 위한 전극(7032A, 7032B)이 형성되어 있다. 리드부(7004A, 7004B)의 상면의 LED 소자(7001)의 탑재면은, 다른 부분보다 1단 낮게 가공되어 있고, 이 오목부 부분 내에 서브 마운트(7003)가 배치된다. 전극(7031A, 7031B)과 전극(7032A, 7032B)을 접속하기 위해서, 서브 마운트(7003) 내에는 쓰루홀(7033)이 마련되어 있다.
밀봉 부재(7005)는, 투명하고 또한 저융점이며, 게다가 열팽창률이 리드부(7004A, 7004B)에 가까운(또는, 소정의 열팽창률 차의 범위값 내) 특성을 갖는 시트 형상의 글래스를 열융착시킴으로써 LED 소자(7001), 서브 마운트(7003), 및 리드부(7004A, 7004B)의 일부를 밀봉하는 투광성 글래스부를 형성하고 있다.
리드부(7004A)가 플러스(+) 전원 공급 단자라고 하면, 리드부(7004A)에 공급된 전류는, 리드부(7004A), 전극(7032A, 7032B)의 한쪽, 비아홀(7033)의 한쪽, 전극(7031A, 7031B)의 한쪽, 및 범프(7002)의 한쪽을 거쳐 LED 소자(7001)의 애노드에 흐르고, 또한, LED 소자(7001)의 캐소드를 나온 전류는, 범프(7002)의 다른쪽, 전극(7031A, 7031B)의 다른쪽, 비아홀(7033)의 다른쪽, 및 전극(7032A, 7032B)의 다른쪽을 거쳐 리드부(704B)에 흐름으로써, LED 소자(7001)가 발광한다.
도 95는, 리드 프레임에 서브 마운트를 탑재한 상태를 도시하는 평면도이다. 서브 마운트(7003)는, 중앙부에 LED 소자(7001)를 탑재하고 있다. 리드부(7004A, 7004B)는, 리드 프레임의 일부로서 양측의 띠 형상 부분으로부터 내측에 소정의 간극을 가지고 마주보도록 형성되고, 1개의 LED 소자에 대하여 1쌍이 할당되어 있다.
도 96은, 금형을 이용하여 글래스 밀봉을 행하기 직전의 상태를 도시하는 도면이다. 동 도면에서는 도 95의 A-A부로 절단한 상태를 도시하고 있다. 이하에, 도 94 내지 도 96의 도면을 참조하여 발광 장치(7010)의 제조 방법에 대해 설명한 다.
먼저, 범프(7002)가 마련되어 있는 LED 소자(7001)를 서브 마운트(7003) 상에 위치 결정하고, 리플로우를 행하여 범프(7002)와 전극(7031)을 전기적으로 접속함과 함께, 기계적으로 고정한다.
다음으로 서브 마운트(7003)에 탑재된 LED 소자(7001)를 리드부(7004A, 7004B)의 선단부의 오목부 내에 통전 방향을 합치시켜 배치한다. 또한, 서브 마운트(7003)는, 전극(7031A, 7031B), 전극(7032A, 7032B), 및 비아홀(7033)이 미리 형성 완료된 것을 이용한다.
다음으로, 리드 프레임(7006)을 금형 내에 반입하고, LED 소자(7001)의 상방 및 하방에 글래스 시트(7007, 7008)를 배치한다. 글래스 시트(7007, 7008)는, 밀봉 부재(7005)를 형성하기 위한 것이며, 동시에 복수개의 LED 소자(7001)를 밀봉할 수 있는 크기를 가지고 있다.
다음으로, 글래스 시트(7007)를 피복하도록 하여 상부 금형(7011)을 배치하고, 또한, 글래스 시트(7008)를 피복하도록 하여 하부 금형(7012)을 배치한다. 다음으로, 진공 분위기 속에서 글래스 시트(7007, 7008)를 450℃로 가열하여 연화시킨 상태에서 상부 금형(7011)과 하부 금형(7012)을 도 95의 화살표 방향으로 이동시킴으로써 글래스 시트(7007, 7008)에 압력을 가하면, 상부 금형(7011)의 오목부(7011A) 및 하부 금형(7012)의 오목부(7012A)를 따라서 글래스 시트(7007, 7008)가 도 94에 도시하는 밀봉 부재(7005)와 같은 돔 형상으로 성형된다.
다음으로, 리드 프레임(7004)의 허리띠부 등의 주요하지 않은 부분을 제거함 으로써, 발광 장치(7010) 각각을 리드 프레임(7004)으로부터 분리한다.
발광 장치(7010)는, 패드 전극(7108) 및 n형 전극(7109)에 전기적으로 접속된 범프(7002)를 통하여 순방향의 전압을 인가하면, LED 소자(7001)의 활성층 내에서 홀 및 전자의 캐리어 재결합이 발생하여 발광하고, 출력광이 사파이어 기판(7101)을 통하여 LED 소자(7001)의 외부로 방사된다. 이 출력광은, 밀봉 부재(7005)를 투과하여 외부에 방사된다.
상기한 제20 실시 형태에 따르면, 이하의 효과가 얻어진다.
(1) 열팽창률이 작은 LED 소자(7001)를 열팽창률이 큰 글래스재의 밀봉 재료(7005)로 전체를 포위하도록 밀봉했기 때문에, 열팽창률의 차에 기초하여 발생하는 내부 응력이 LED 소자(7001)의 중심을 향하도록 조정된다. 즉, 글래스 가공 후에 글래스재의 열수축에 기초하는 내부 응력이 발생해도, 그 내부 응력은 LED 소자(7001)의 중심 방향을 향하는 압축력으로 되기 때문에, 압축에 대하여 강도를 갖는 글래스재는 파괴하지 않고 글래스 밀봉 구조를 실현할 수 있다.
(2) 열팽창률이 작은 LED 소자(7001)를 열팽창률이 작은 서브 마운트(7003)에 탑재하여 열팽창률이 큰 리드부(7004A, 7004B)에 탑재되고 있기 때문에, 밀봉 부재(7005)를 형성하고 있는 글래스재에 대해서는, 열팽창률이 작은 LED 소자(7001)와 열팽창률이 큰 리드부(7004A, 7004B)의 쌍방과의 접착성이 요구되는데, LED 소자(7001)에 가까운 열팽창률의 것을 선택하여 밀봉하는 것이 바람직하다. Cu 등의 연금속에 의해서 형성된 리드부(7004A, 7004B)는 글래스재와 비교하여 탄성이 풍부하기 때문에, 만약, LED 소자(7001) 및 서브 마운트(7003)에 대하여 열팽 창률의 차가 150%로부터 400%의 범위이면, 글래스재와의 양호한 접착성을 유지하면서 열수축 차에 기초하는 응력을 구조적으로 흡수할 수 있다. 이 점으로부터, 리드부(7004A, 7004B)를 글래스재로 삽입하여 밀봉하는 경우라 하더라도 크랙 등의 불량이 발생하지는 않는다.
(3) LED 소자(7001)에의 투입 전력이 크고 발열 온도가 높아지는 경우라 하더라도, LED 소자(7001)가 발하는 열을 외부 방열할 수 있고, 발광 효율의 저하를 효과적으로 방지할 수 있다. 특히, 서브 마운트(7003) 및 리드부(7004A, 7004B)의 열전도율을 100W·m-1·k-1 이상으로 함으로써 실현할 수 있다.
(4) 저융점의 글래스 시트(7007, 7008)를 이용하여 밀봉 부재(7005)를 형성하기 때문에, 가열에 필요한 시간의 단축이나, 간이한 가열 장치의 사용이 가능해지고, 글래스 밀봉 가공이 용이하게 된다.
(5) 가공 시에 크랙 등의 불량이 발생하기 어려워지기 때문에, 글래스에 의한 높은 밀봉성을 장기간에 걸쳐 안정적으로 유지할 수 있고, 수중이나 다습 조건하에서도 발광 특성의 저하를 발생하지 않고, 장기간에 걸치는 우수한 내구성을 발휘한다.
또한, 제1 실시 형태에서는, LED 소자(7001)로서 GaN계의 LED 소자(7001)를 이용한 구성을 설명하였지만, LED 소자는 GaN계에 한정되는 것은 아니며, 다른 LED 소자를 이용하는 것도 가능하다.
또한, 상기한 실시 형태에서는, Cu로 이루어지는 리드부(7004A, 7004B)에 AlN으로 이루어지는 서브 마운트(7003)를 탑재한 구성을 설명했지만, 예를 들면, 놋쇠로 이루어지는 리드부(열전도율 106W·m-1·k-1)에 Si로 이루어지는 서브 마운트(7003)(열전도율 170W·m-1·k-1)를 탑재하는 구성도 가능하다.
또한, 밀봉 부재(7005)에 대해서도, 시트 형상의 글래스를 이용하여 복수개의 LED 소자(7001) 및 서브 마운트(7003)를 일괄하여 밀봉하는 방법으로 형성하는 것에 한정되지 않고, 용융시킨 글래스재를 LED 소자(7001) 및 서브 마운트(7003)의 주위에 공급하여 상부 금형(7011)과 하부 금형(7012)에서 가열 프레스 성형함으로써 형성하도록 해도 된다. 또한, 사용되는 글래스재에 대해서도 광 투과성을 갖는 것이면 투명에 한정되는 것이 아니며, 착색되어 있는 것이어도 된다.
또한, 밀봉 부재(7005)는, 사양 등에 따라서 여러가지의 형상으로 할 수 있다. 예를 들면, 원형, 타원형, 사각형 등 이외에, 렌즈 부착, 렌즈 없음 등의 형상도 가능하다.
상기한 제20 실시 형태에서는, 금속 리드를 급전 부재로 하는 플립칩형 발광 장치를 설명했지만, 다른 형태의 발광 장치에 적용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 와이어 본딩을 이용한 페이스업(FU)형의 발광 장치 등에도 적용 가능하다.
도 97은, 제20 실시 형태에 따른 발광 장치의 변형예를 도시하는 단면도이다. 이 발광 장치(7010)에서는, 밀봉 부재(7005)의 열팽창·열수축에 의한 크랙을 방지하는 것으로서, 서브 마운트(7003)의 각부를 제거함으로써 경사부(7003A)를 마련한 구성으로 하고 있다. 이와 같은 서브 마운트(7003)를 이용함으로써, 제20 실 시 형태의 바람직한 효과 이외에 추가로 크랙이 발생하기 어려운 글래스 밀봉형 발광 장치(7010)를 실현할 수 있다.
도 98은, 본 발명의 제21 실시 형태에 따른 페이스업형의 발광 장치를 도시하는 단면도이다. 이 발광 장치(7040)는, 선단부에 간격을 마련하여 수평 및 일직선상에 배치된 급전 부재로서의 리드부(7004A, 7004B)와, 리드부(7004A)의 선단부의 상면에 접착제 등을 통하여 탑재된 GaN계의 LED 소자(7041)와, LED 소자(7041) 상의 2개의 전극(도시 생략)과 리드부(7004A, 7004B)를 접속하는 와이어(7042)와, LED 소자(7041) 및 리드부(7004A, 7004B)의 선단부를 밀봉하는 글래스재에 의한 밀봉 부재(7005)를 구비하여 구성되어 있다.
밀봉 부재(7005)는, 투명, 저융점, 및 소정치 내의 열팽창률을 갖는 글래스재를 이용하고 있다. 특히, 페이스업형에서는, 와이어를 이용함으로써, 글래스 밀봉시, 가열에 의해 연화한 와이어(7042) 및 와이어 접속부(7042A)가 가압에 의해 눌려 찌그러지기 쉬우므로, 쇼트 등을 발생하기 쉬워진다. 이 때문에, 가능한 한 저융점의 글래스재를 이용하는 것이 바람직하다.
이하에, 발광 장치(7040)의 조립에 대해 설명한다.
먼저, 리드 프레임의 분리 전의 상태에서, 리드부(7004A)의 선단 상면에 LED 소자(7041)가 탑재된다. 다음으로, LED 소자(7041)의 상면의 한쪽의 전극과 리드부(7004A)의 상면이 와이어(7042)로 접속되고, 또한, LED 소자(7041)의 상면의 다른 쪽의 전극과 리드부(7004B)의 상면이 와이어(7042)로 접속된다. 다음으로, 제20 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 금형에 의한 글래스재의 성형이 행해지고, 소 정 형상의 밀봉 부재(7005)가 형성된다. 마지막으로, 리드 프레임(7004)의 주요 부분이 제거됨으로써, 발광 장치(7040) 각각이 리드 프레임(7004)으로부터 분리된다.
도 98에서, 예를 들면, 리드부(7004A)가 애노드 측이면, 리드부(7004A)에 직류 전원(도시 생략)의 플러스 측이 접속되고, 리드부(7004B)에는 마이너스 측이 접속된다. 이 통전에 의해, LED 소자(7041)가 발광한다. 그 광은, LED 소자(7041)의 상면으로부터 출사하고, 그 대부분은 밀봉 부재(7005) 내를 투과하여 외부로 출광하고, 다른 일부는 내면 반사를 거쳐 밀봉 부재(7005)의 밖으로 출광한다.
상기한 제21 실시 형태에 따르면, 제20 실시 형태의 바람직한 효과 이외에 리드부(7004A, 7004B)와 밀봉 부재(7005)의 열팽창률의 값을 고려하고, 또한 저융점의 글래스재를 이용함으로써, 페이즈 업형의 발광 장치(7040)라 하더라도 박리나 크랙의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 상기한 각 실시 형태에서, 리드부(7004A, 7004B)의 표면에 반사면을 형성하고, 광의 출사 효율을 높이도록 해도 된다.
또한, LED 소자(7001, 7042)의 상부의 밀봉 부재(7005) 내에, 소정의 파장의 광으로 여기되는 형광체 등을 이용한 파장 변환부를 마련할 수 있다.
또한, 상기한 각 실시 형태에서는, 1개의 밀봉 부재 내에 배치되는 LED 소자의 개수는 1개라고 했지만, LED 소자가 2개 이상의 멀티 발광형의 발광 장치로 할 수도 있다. 이 경우의 발광 장치의 타입으로서는, 플립 칩 접합형인 도 94의 구성이 적합하다. 탑재하는 복수의 LED 소자는, 서로 다른 발광색의 LED 소자를 복수 마련하는 구성이어도 되고, 동일 발광색의 LED 소자를 복수 마련하는 구성이어도 된다.
또한, LED 소자의 구동 형태로서는, 복수의 LED 소자의 전부를 병렬 접속하거나 또는 그룹 단위로 병렬 접속해도 되고, 복수 단위로 직렬 접속하거나 또는 모든 수를 직렬 접속해도 된다.
또한, 밀봉 부재(7005)의 형상으로서, 정점부에 렌즈부가 형성된 반구 형상의 구성을 도시했지만, 밀봉 부재(7005)는 도시한 형상에 한정되는 것이 아니며, 렌즈부를 갖지 않는 형상, 다각형, 원주형 등, 임의의 형상으로 할 수 있다.
또한, 밀봉 부재(7005)의 성형에서는, 글래스 시트를 이용했지만, 글래스 시트를 이용한 방법에 한정되는 것이 아니며, 다른 밀봉 방법을 이용해도 된다.
도 99는, 본 발명의 제22 실시 형태에 따른 플립칩형의 발광 장치를 도시하며 (a)는 단면도, (b)는 (a)의 우측면으로부터 본 측면도이다. 또한, 제20 실시 형태와 동일한 구성을 갖는 부분에 대해서는 공통되는 인용 숫자를 붙이고 있다. 이 발광 장치(7010)는, 도 99의 (a)에 도시한 바와 같이 서브 마운트 소자(7003)를 Cu로 이루어지는 방열부(7050)에 탑재하여 저융점 글래스로 이루어지는 밀봉 부재(7005)로 일체적으로 밀봉한 구성을 가지고, 밀봉 부재(7005)에는 렌즈(7005A)가 형성되어 있다.
서브 마운트 소자(7003)는, 방열부(7050)에 마련되는 홈부(7051)에 수용되어 있고, 그 표면에 마련되는 배선 패턴(7053)과 LED 소자(7001)의 전극이 범프(7002)에 의해서 전기적으로 접속됨으로써 급전부의 일부를 구성하고 있다. 배선 패턴 (7053)은, LED 소자(7001)와의 접합 후에 연금속인 Cu로 이루어지는 리드부(7004A, 7004B)와 땜납 접합된다. 리드부(7004B)는, 도 99의 (b)에 도시한 바와 같이 홈부(7051)에 직사각형 단면으로 막대 형상의 글래스재(7052)를 개재시킴으로써 방열부(7050)와 절연된 상태에서 밀봉 부재(5)가 가열 프레스된다. 이 때, 리드부(7004A)에 대해서도 리드부(7004B)와 마찬가지로 처리된다. 리드부(7004A, 7004B)는, 가열 프레스에 기초하여 용융한 글래스재(7052) 및 밀봉 부재(7005)에 의해 방열부(7050)와 절연된 상태에서 일체화된다.
제22 실시 형태에 따르면, 서브 마운트 소자(7003)를 탑재한 방열부(7050)를 글래스재로 이루어지는 밀봉 부재(7005)로 일체적으로 밀봉하도록 했기 때문에, 제1 실시 형태의 바람직한 효과 이외에 추가로 서브 마운트 소자(7003)로부터 전달되는 열의 방열성을 높일 수 있고, 글래스 밀봉 가공시 뿐 아니라, 예를 들면, 대전류화에 의해 LED 소자(7001)로부터의 발열량이 증대하는 경우에도 방열성이 우수하고, 또한, 열팽창률 차에 의한 패키지 크랙을 발생하기 어려운 발광 장치(7001)가 얻어진다.
또한, 상기한 제22 실시 형태에서는, Cu로 이루어지는 방열부(7050)를 이용한 구성을 설명했지만, 예를 들면, Cu 합금이나 알루미늄 등의 열전도성이 양호하고, 또한, 밀봉 부재(7005)와의 열팽창률 차가 작은 것을 이용할 수도 있다. 만약, 알루미늄으로 이루어지는 방열부(7050)로 한 경우에는, LED 소자(7001) 및 서브 마운트(7003)에 대하여 열팽창률의 차는 약 500%로 된다.
도 100은, 본 발명의 제23 실시 형태에 따른 페이스업형의 발광 장치를 도시 하며 (a)는 단면도, (b)는 (a)의 우측면으로부터 본 측면도이다. 또한, 제21 실시 형태와 동일한 구성을 갖는 부분에 대해서는 공통되는 인용 숫자를 붙이고 있다. 이 발광 장치(70040)는, 도 100의 (a)에 도시한 바와 같이 Cu로 이루어지는 방열부(50)의 중앙에 LED 소자(7040)를 접착하고, 이 LED 소자(7040)에 급전하는 리드부(7004A, 7004B)와 LED 소자(7040)의 전극을 와이어(7042)로 전기적으로 접속하여 구성되어 있다. 또한, LED 소자(7040), 와이어(7042), 및 리드부(7004A, 7004B)는 저융점 글래스의 가공 시의 열에 대하여 내열성을 갖도록 실리콘 수지로 이루어지는 실리콘 코트부(7060)에 의해서 피복되어 있다. 밀봉 부재(7005)는 실리콘 코트부(7060)를 피복함과 함께 방열부(7050)와 일체화되어 있다. 또한, 밀봉 부재(7005)에는 렌즈(7005A)가 형성되어 있다.
제23 실시 형태에 따르면, 페이스업형의 발광 장치(7040)라 하더라도 내열성 및 탄성을 갖는 실리콘 코트부(7060)에 의해서 LED 소자(7041)의 주위를 피복함으로써, 글래스 밀봉 가공 시의 압력에 의한 LED 소자(7041)의 전극이나 와이어(7042)의 변형을 방지하면서 글래스 밀봉이 가능하게 되기 때문에, 제21 실시 형태의 바람직한 효과 이외에 추가로 LED 소자(7041)의 실장성이 우수하고, 글래스 밀봉 가공시 뿐 아니라, 예를 들면, 대전류화에 의해 LED 소자(7041)로부터의 발열량이 커지는 경우라 하더라도 방열성이 양호하고, 또한, 열팽창률 차에 의한 패키지 크랙을 발생하기 어려운 발광 장치(7001)가 얻어진다. 또한, 실리콘 코트부(7060)는, 형광체를 함유시킨 것어어도 된다.
또한, 상기한 제23 실시 형태에서는, 방열부(7050)에 탑재된 LED 소자(7041) 에 대하여 1쌍의 리드부(7004A, 7004B)로부터 급전하는 구성을 설명했지만, 예를 들면, 방열부(7050)와 한쪽의 리드부를 일체화하고, 다른 쪽의 리드부와 방열부(7050)를 글래스재(7052)에 의해 절연하는 구성으로 해도 된다.
또한, 코트재로서 실리콘 수지를 이용하는 것 이외에, 세라믹 코트재 등의 다른 내열성을 갖는 재료를 이용할 수 있다. 이 코트재를 실시하는 구성에 대해서는, 페이스업형의 LED 소자에 한정되지 않고, 플립칩형 LED 소자에도 적용할 수 있다.
또한, LED와 같은 발광 소자이고, 발광 소자의 굴절률이 2 이상의 재료이면, 굴절률 1.5 정도 이상의 밀봉 재료에 의해서 소자를 밀봉함으로써, 소자로부터의 광의 추출 효율을 약 2배 이상 높일 수 있다. 이 때, 밀봉 재료는 투광성일 필요가 있다. 수광 소자에서는 이 효과가 없고, 투광성 재료로 직접 소자를 밀착 밀봉하는 효과는, 매질이 서로 다른 계면에서의 반사를 저감하는 효과뿐이다. 광학 소자가 아니면, 투광성일 필요는 없다.
또한, 밀봉 재료를 글래스로서 설명했지만, 글래스 가공 후에 결정화한 것이어도 되고, 화학적 안정성이 높은 무기 재료이면 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 108로부터 109포아즈로 딱딱한 글래스 재료를 이용한 경우라 하더라도 고체 소자에 손상을 주지 않고 밀봉 가공이 가능하게 된다. 그 때문에, 저융점 글래스를 이용하는 것이 가능하게 되고, 고체 소자에 관한 열 부하를 경감하면서 양호한 글래스 밀봉 가공을 구현화할 수 있다. 수지 재료와 비교하여, 고온 가공이 필요하고 경질재료인 글래스 밀봉 고체 소자 디바이스를 구현화함으로써 고온 환경, 내후성이 요구되는 환경에서 이용할 수 있다. 또한, 투광성의 글래스로 함으로써, 광학 디바이스로서 광 투과율이 안정되고 경시 변화하지 않는 고신뢰성을 실현할 수 있다. 또한, 고체 발광 소자에 대하여, 고굴절률 글래스를 선택함으로써 발광 소자로부터의 광추출 효율을 향상하고, 고효율 발광 디바이스를 실현할 수 있다.
Claims (34)
- 플립 칩 실장되는 고체 소자와,상기 고체 소자에 대하여 전력의 수공급을 행하는 전력 수공급부와,상기 고체 소자를 밀봉하는 무기 밀봉 재료를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 고체 소자와,상기 고체 소자에 대하여 전력의 수공급을 행하는 전력 수공급부와,상기 고체 소자의 전기 접속부와 상기 전력 수공급부의 일부를 피복하는 내열 부재와,상기 내열 부재를 포함하는 상기 고체 소자를 밀봉하는 무기 밀봉 재료를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 고체 소자와,상기 고체 소자에 대하여 전력의 수공급을 행하는 전력 수공급부와,상기 고체 소자를 밀봉하는 SiO2-Nb2O5계, B2O3-F계, P2O5-F계, P2O5-ZnO계, SiO2-B2O3-La2O3계, 및 SiO2-B2O3계로부터 선택되는 저융점 글래스를 이용한 글래스 밀봉부를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
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- 고체 소자와,상기 고체 소자에 대하여 전력의 수공급을 행하는 무기 재료 기판으로 이루어지는 전력 수공급부와,상기 고체 소자를 밀봉하고, 상기 무기 재료 기판과의 열팽창률이 동등한 무기 밀봉 재료를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 제1항, 제2항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서,상기 무기 밀봉 재료는, 무기 밀봉 글래스 재료인 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 제9항에 있어서,상기 무기 밀봉 글래스 재료는, SiO2-Nb2O5계, B2O3-F계, P2O5-F계, P2O5-ZnO계, SiO2-B2O3-La2O3계, 및 SiO2-B2O3계로부터 선택되는 저융점 글래스인 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 삭제
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- 제1항 내지 제3항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서,상기 전력 수공급부는, 도전 패턴이 형성된 무기 재료 기판으로 이루어지고, 상기 무기 재료 기판은, 상기 무기 밀봉 재료와 동등한 열팽창률을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 제13항에 있어서,상기 무기 밀봉 재료는, 상기 무기 재료 기판보다 열팽창률이 작은 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 제13항에 있어서,상기 무기 재료 기판은, 상기 무기 밀봉 재료와 화학 반응 접합하는 것에 기초하여 상기 고체 소자를 밀봉하는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 제8항에 있어서,상기 무기 밀봉 재료는, 열팽창률이 15×10-6/℃ 이하인 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 제8항에 있어서,상기 무기 재료 기판은, 금속층을 가지고, 상기 무기 재료 기판과 상기 무기 밀봉 재료는, 상기 금속층의 산화물을 통하여 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 제8항에 있어서,상기 무기 재료 기판에 형성되는 도전 패턴은, 상기 고체 소자를 마운트하는 측의 패턴, 그 이면 측의 패턴, 및 그 양측을 전기적으로 접속하는 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 제8항에 있어서,상기 무기 재료 기판은, 디바이스 분할용의 홈이 표면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 제8항에 있어서,상기 무기 재료 기판은, 글래스 함유 Al2O3, Al2O3, 또는 AlN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 제1항 내지 제3항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서,상기 무기 밀봉 재료는, 표면에 내습, 내산, 내알칼리를 위한 코팅 처리가 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 제1항 내지 제3항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서,상기 고체 소자는, 광학 소자이고, 또한, 상기 무기 밀봉 재료는 투광성 재료인 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 제22항에 있어서,상기 광학 소자는, 발광 소자인 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 삭제
- 제22항에 있어서,상기 광학 소자는, 수광 소자인 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 제1항 내지 제3항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서,상기 무기 밀봉 재료는, 표면에 무기 밀봉 재료와 공기와의 계면 반사 경감을 위한 코팅 처리가 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 제1항 내지 제3항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서,상기 무기 밀봉 재료는, 표면에 수지에 의한 오버 몰드가 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스.
- 고체 소자를 전력 수공급부에 실장하는 실장 공정과,산소 차단 분위기, 무기 밀봉 재료의 굴복점 이상의 온도로 상기 고체 소자의 무기 밀봉 재료를 가압함으로써 밀봉 가공을 행하는 밀봉 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스의 제조 방법.
- 제28항에 있어서,상기 실장 공정은, 플립 실장인 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스의 제조 방법.
- 제28항에 있어서,상기 실장 공정은, 와이어 본딩을 실시하고, 내열 부재에 의해서 고체 소자로 하는 와이어 본딩부를 피복하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스의 제조 방법.
- 삭제
- 제28항에 있어서,상기 밀봉 공정은, 상기 무기 밀봉 재료를 106포아즈 이상의 고점도 조건으로 가공하는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스의 제조 방법.
- 제28항에 있어서,상기 전력 수공급부는, 상기 고체 소자가 실장되는 이면에 전극이 인출된 무기 재료 기판이고, 해당 무기 재료 기판에 복수의 고체 소자를 실장하고, 무기 밀봉 재료가 밀봉 부착됨으로써 밀봉 가공되고, 밀봉 후에 분리되는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스의 제조 방법.
- 제33항에 있어서,상기 무기 밀봉 재료는, 프리포밍된 글래스를 이용하는 것을 특징으로 하는 고체 소자 디바이스의 제조 방법.
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