JP2010123605A - 発光デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光反射膜５の密着性が向上し信頼性の高い発光デバイス１を簡単な製造方法で製造可能とする。
【解決手段】中央部に窪みを有するパッケージ２と、この窪み３に収納され、窪み３の底部に実装された発光素子４と、窪み３の壁面と底面にナノ金属粒子の印刷により形成された光反射膜５と、発光素子４を封止する封止材６等から構成したので、光反射膜５のパッケージ２に対する密着性を向上させ、且つ、製造法を簡略化した発光デバイス１を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子をパッケージに実装した発光デバイスの構造及びその製造方法に関する。

面発光素子、特にＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）は、近年、発光輝度等の改善が図られて、用途拡大への期待が高い。従来はプラスチックケースにＬＥＤを実装し、マイクロレンズなどを光路の途中において集光させたり、ＬＥＤ及びＬＥＤを実装した基板全体を、透明な樹脂でモールドし、樹脂の表面を滑らかな球面などに仕上げることで、樹脂をレンズとして使用して集光させたりした。このようなＬＥＤを実装した発光デバイスは、例えば液晶表示装置のバックライト、信号機の発光素子、大型電光掲示板や映像画面、その他イルミネーション用として使用されている。ＬＥＤは、低電圧、低消費電力で駆動でき、発光輝度や発光寿命が改善されたことから室内灯や自動車照明、液晶表示画面のバックライト用などの幅広い分野への適用が期待されている。

しかし、ＬＥＤ素子単体の発光輝度は他の発光体と比較するといまだ弱く、そのために多数のＬＥＤ素子をまとめて発光体を構成する必要がある。また、ＬＥＤ素子の発光強度を強くすると発熱量が増大する。ＬＥＤ素子が加熱されると発光効率が低下するので、効果的に放熱できる構造を採用する必要がある。また、蛍光灯等の他の発光体と置き換えるには製造工程を簡単にして製造コストを低下させる必要がある。

特許文献１には、表面に導体膜を印刷したセラミックグリーンシートを成形加工してキャビティーを形成し、このキャビティーの底部にＬＥＤを実装したＬＥＤパッケージが記載されている。キャビティーの側面には導体膜からなる反射層が形成されている。この反射層は、成形される前のグリーンシート上に印刷法により導体膜を形成し、キャビティーの傾斜部にこの導体膜が位置するようにプレス加工し、その後焼成によるメタライズを行って光反射層としている。キャビティーの底部にはスルーホールが形成され、このスルーホールを介して裏面側に配線が引き出されている。
特開平９−４５９６５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるＬＥＤパッケージは、焼成前に電極や反射膜用の導体膜を形成し、その後プレス加工によりキャビティーを形成し、焼成している。この焼成はセラミックスの焼結なので１０００℃以上の高温処理が必要である。そのため、製造工程を通す時間が長くなるとともに、電極パターンを印刷してからプレス加工や高温熱処理を経ることになるので、キャビティーの外形精度や電極パターンの高精細化には限界がある。

本発明においては、上記課題を解決するために、以下の構成とした。
（１）中央部に窪みを有するパッケージと、前記窪みに収納され、前記窪みの底部に実装された発光素子と、前記窪みの壁面と底面に、ナノ金属粒子を熱処理して形成された光反射膜と、前記発光素子を封止する封止材と、を備える発光デバイスとした。

（２）上記（１）の発光デバイスにおいて、ナノ金属粒子は、ナノ銀粒子とした。

（３）上記（１）または（２）の発光デバイスにおいて、パッケージは、ガラス材料、セラミックス材料、窒化アルミニウム材料、金属材料又は樹脂材料から一体的に形成されるようにした。

（４）上記（１）〜（３）のいずれか１の発光デバイスにおいて、中央に形成した窪みは、窪みの底部から上部にかけて口径が末広状に拡大する形状を有することとした。

（５）中央部に窪みを有するパッケージを形成する工程と、前記窪みの壁面及び底面にナノ金属粒子を付着させ、これを熱処理して光反射膜を形成する工程と、前記窪みの底面に発光素子を実装する工程と、前記発光素子を封止材により封止する工程と、を含む発光デバイスの製造方法とした。

（６）上記（５）の発光デバイスの製造方法において、前記光反射膜を形成する工程の前に、前記窪みの壁面を撥水性表面に置換する工程を有することとした。

（７）上記（５）又は（６）の発光デバイスの製造方法において、パッケージを形成する工程において、窪みはパッケージ材料を成形加工して形成することとした。

（８）上記（７）の発光デバイスの製造方法において、成形加工する工程において、窪みと同時に窪みの底部に貫通電極用の穴を形成することとした。

（９）上記（５）〜（８）のいずれか１の発光デバイスの製造方法において、前記ナノ金属粒子の付着は、インクジェット印刷法により前記窪みの壁面及び底面にナノ金属粒子を印刷して付着させることとした。

（１０）上記（５）〜（９）のいずれか１の発光デバイスの製造方法において、窪みの底部から前記パッケージの裏面に向けて貫通する貫通電極を形成する工程と、パッケージの裏面に貫通電極と電気的に接続する裏面電極を形成する工程を含むようにした。

（１１）上記（５）〜（１０）のいずれか１の発光デバイスの製造方法において、パッケージはガラス材料からなることとした。

本発明による発光デバイスは、パッケージの中央部に窪みを有し、その窪みの底面に発光素子が実装され、窪みの壁面と底面には、ナノ金属粒子の熱処理により光反射膜が形成されている。これにより、窪みの壁面と光反射膜の密着性が向上し、信頼性の高い発光デバイスを提供することができる。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る発光デバイス１の模式的な縦断面図である。発光デバイス１は、中央部に窪み３を有するパッケージ２と、窪み３の底部に実装された発光素子４と、発光素子４から発光した光を反射させるため、窪み３の壁面及び底面に形成した光反射膜５を備えている。発光デバイス１は、更に、窪み３の底面からパッケージ２の裏面に貫通する貫通電極７ａ、７ｂと、パッケージ２の裏面に形成され、貫通電極７と電気的に接続する裏面電極８が形成されている。発光素子４は、貫通電極７ａの上にダイボンディング材９を介して実装されている。発光素子４の上部に図示しない電極パッドが形成され、この電極パッドと貫通電極７ｂの上部に形成した電極との間はワイヤー１０により接続されている。

窪み３の壁面と底面に形成した光反射膜５は、ナノ金属粒子を熱処理して形成した。ここでナノ金属粒子とは、直径が数ｎｍから数十ｎｍの金属粒子をいう。例えば、ナノ銀粒子をバインダー樹脂に分散させ、例えばインクジェット印刷法により印刷する。印刷後に１００℃〜５００℃の熱処理を施す。これにより、密着性の良好な光反射膜５を形成することができる。通常の銀粒子を印刷してメタライズする場合は１０００℃以上の熱処理を施す必要があるが、ナノ銀粒子を使用した場合には、粒子の表面積が大きく、反応性が高いので、低温度の熱処理で良好な密着性を得ることができる。また、フォトプロセスによるパターニングを行う必要がないので、製造プロセスを簡素化することができるので、発光デバイス１の製造コストを低減することができる。

パッケージ２は板状のガラス材料を使用し、成形加工により窪み３及び貫通電極７用の穴を形成した。パッケージ２は一体的に形成され、異なる材料による接合部が無いので、耐久性を向上させることができる。パッケージ２は、同じ材料を用いた一体物に代えて、異なる材料を接合して一体的に構成してもよい。また、ナノ金属粒子は比較的低い熱処理温度で下地に対する密着力が向上するので、パッケージ２の材料の選択の幅が拡大する。例えば、ガラス材料の他にセラミックス材料、窒化アルミニウム材料、金属材料又は樹脂材料を使用することができる。また、窪み３や貫通電極７用の穴２０を成形加工により形成したが、これに代えて、サンドブラスト法やエッチング法により形成してもよい。

貫通電極７は、パッケージ２の窪み３の底部に設けた貫通孔又は穴２０にＡｇを含有する導電ペーストを充填・固化して形成することができる。また、導電ペーストに代えて、又は導電ペーストとともにコバール、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ等の金属材料を充填し、加熱固化させて形成することができる。また、金属芯材を挿入して接着固定することができる。また、溶融した半田を充填して冷却固化して形成することができる。

発光素子４はＬＥＤを使用することができる。発光素子４はダイボンディング材９を介して貫通電極７ａの上に実装されている。また、発光素子４の表面に形成した図示しない電極と貫通電極７ｂとはＡｕからなるワイヤー１０により電気的に接続されている。発光素子４及びワイヤー１０は封止材６により封止されている。封止材６としては透明樹脂材料を使用することができる。また、パッケージ２をガラス材料とする場合は、封止材６として、樹脂材料に代えて金属アルコキシド又は金属アルコキシドから形成されたポリメタロキサンを重合・焼成した金属酸化物とすることができる。特に、金属アルコキシド又はポリメタロキサンから形成した金属酸化物を封止材６とした場合には、ガラスからなるパッケージ２もシリコン酸化物であることから、熱膨張係数が近似し、良好な接着性及び封止性を得ることができる。

裏面電極８は、金属の蒸着法やスパッタリング法、或いは導電材料の印刷法により形成することができる。印刷法によれば、導電膜の堆積とそのパターニングを同時に行うので、製造プロセスの簡素化を図ることができる。パッケージ２の材料としてガラスを使用し、金属の蒸着やスパッタリング法により裏面電極８を形成する場合には、密着性を向上させるためにＴｉ層、その上にバリア層、その上にＰｔ層、或いはＮｉ層、さらに表面酸化を防止するためにＡｕ層を形成することができる。また、先に感光性樹脂、例えばレジスト等により電極パターンを形成しておき、その上に金属膜を堆積して、レジストを除去するリフトオフ法により形成することもできる。

このように、発光素子４の下部に貫通電極７を設け、この貫通電極７に裏面電極８が接続するようにしたので、発光素子４の発光により発生した熱は、貫通電極７及び裏面電極８を介して外部へ効率よく放熱することができる。そのため、一つの窪み３に複数の発光素子４を設けて発光輝度を向上させる場合でも、加熱による発光効率の低下を防ぐことができる。また、図１に示すように、窪み３を下部から上部に向けてその口径が末広状に拡大する形状としたので、発光素子４から発光した光は、上部方向に指向性を有する光を射出させることができる。

（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２に係る発光デバイス１の模式的な縦断面図を示す。実施形態１と異なる部分は、パッケージ２に貫通孔や貫通電極７を設けることに代えて、パッケージ２の上面及び側面に電極を形成して、裏面電極８に接続している点であり、その他の部分は同様である。

パッケージ２の中央部には窪み３が形成されている。中央部の窪み３は、成形加工、サンドブラスト法或いはエッチング法などにより形成することができる。窪み３の内壁面及び底面にはナノ金属粒子の印刷法による光反射板５ａ、５ｂが形成されている。パッケージ２の上面には、上面電極２１ａ、２１ｂが形成され、更にパッケージ２の側面には側面電極２２ａ、２２ｂが形成されている。上面電極２１ａ、２１ｂ及び側面電極２２ａ、２２ｂは、光反射膜５ａ、５ｂと連続してナノ金属粒子の印刷法により形成することができる。パッケージ２の裏面には裏面電極８ａ、８ｂが形成されている。光反射膜５ａ、上面電極２１ａ、側面電極２２ａ及び裏面電極８ａは電気的に接続されて一方の電極を構成する。光反射膜５ｂ、上面電極２１ｂ、側面電極２２ｂ及び裏面電極８ｂは電気的に接続されて他方の電極を構成する。

発光素子４は窪み３の底面の光反射膜５ａの上にダイボンディング材９を介して実装されている。発光素子４の上面には図示しない電極が形成され、この発光素子４の電極と窪み３上の光反射膜５とはワイヤー１０で接続されている。即ち、光反射膜５ａ及び５ｂは発光素子４を駆動するための電力を給する導体として機能し、裏面電極８ａ、８ｂ、側面電極２２ａ、２２ｂ及び上面電極２１ａ、２１ｂを介して電力が供給される。また、これらの電極は発光素子４の発熱を放熱する機能も有している。発光素子４及びワイヤー１０は、封止材６が塗布されて封止されている。

なお、上記実施形態１及び実施形態２において、窪み３の傾斜面は一定の角度有する場合であるが、これに限定されない。傾斜面は曲線状、例えばおわん状に形成することができる。おわん状の反射面とすれば、反射光の指向性をより高めることができる。

（実施形態３）
図３〜図１０は、本発明の実施形態３に係る発光デバイス１の製造方法を表す模式図である。

図３は、パッケージ材料を成形加工する様子を表している。図３（ａ）は成形加工方法を表す模式図であり、定盤１６の上にパッケージ材料として例えばガラス材１５を設置し、ガラス材１５が軟化する略３００℃〜略８００℃に加熱する。金型１７の表面には、凸部１８と凹部１９が形成されている。凸部１８は貫通電極用となる穴２０に当たる部分であり、凹部１９は窪み３の周囲の土手となる部分である。金型１７も略３００℃〜略８００℃に加熱して、下部のガラス材１５に押圧する。図３（ｂ）は成型加工後のパッケージ２の模式的な縦断面図であり、窪み３及び穴２０が形成される。なお、本実施形態４では、窪み３は平面的形状が円形のすり鉢状の形状を有している。

図４は、インクジェット印刷法によりナノ金属粒子、例えばナノ銀粒子を印刷している様子を表している。インクジェット印刷機１３のノズル１４から溶媒に分散したナノ銀粒子を噴射する。ノズル１４は紙面垂直方向に多数配列している。そのため、面状に印刷することができる。インクジェット印刷機１３をパッケージ２に対して相対的に移動して、窪み３の壁面及び窪み３の底面に所定のパターンで印刷する。ノズル１４から噴射する液滴は、極めて微量で弾丸のように噴出する。ノズル１４の先端と印刷面との間隙を２ｍｍ〜３ｍｍに固定することができる。そのため、凹凸がある表面に印刷する場合でも、所定の高精細なパターンを印刷することが可能となる。なお、窪み３の壁面及び窪み３の底面とともに、穴２０の側面に対してもナノ金属粒子を印刷することができる。なお、光反射膜５ａと光反射膜５ｂは互いに電気的に分離している。

なお、窪み３の壁面に印刷したときに、インクだれの発生を防止するため、印刷する前にパッケージ２の表面を撥水性表面に置換することが望ましい。例えば、フッソ系樹脂をコーティングする。これにより、ナノ金属粒子が付着したときに、液だれを防止することができ、所望の厚み及び形状に印刷することができる。また、光反射膜５から反射する光に波長選択性を付与する場合には、更にＡｕ等の薄膜を堆積することができる。

図５は、パッケージ２に形成した穴２０に貫通電極７を充填した状態を表す模式的な縦断面図である。図４に示す穴２０にディスペンサー等によりＡｇ等の金属を含有する導電ペーストを充填し、加熱・固化して貫通電極７を形成する。貫通電極７ａと貫通電極７ｂとは電気的に分離している。また、導電ペーストに代えて、金属心材を挿入・充填して接着固化してもよい。

図６は、パッケージ２の裏面を研磨して、貫通電極７を裏面側に露出させた状態を表す模式的な縦断面図である。パッケージ２を表面が平坦な研磨定盤又は研磨パッドに載置し、パッケージ２を研磨剤を介在して押圧しながら相対的に移動して研磨する。これにより、貫通電極７の裏面の露出面とパッケージ２の裏面とを平坦化することができる。また、このように平坦化することにより、パッケージ２を他の部品に容易に実装することができる。

図７は、パッケージ２の裏面に裏面電極８ａ、８ｂを形成した状態を表す模式的な縦断面図である。パッケージ２の裏面に、Ａｇ等の導電材料が混入したインキをスクリーン印刷法により印刷する。次に、加熱焼成を行って固化する。印刷により裏面電極８ａ、８ｂを形成するので、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を必要とせず、製造コストを低減させることができる。また、スクリーン印刷法に代えて、他の方法、例えばスパッタリング法や蒸着法、或いはメッキ法により裏面電極８を堆積し、パターニングして形成してもよい。

図８は、パッケージ２の窪み３に発光素子４を実装した状態を表す模式的な縦断面図である。発光素子４を、ダイボンディング材９を介在して貫通電極７ａの露出面に載置し、加熱炉でダイボンディング材９を硬化して接着する。ダイボンディング材９は導電性であり、発光素子４の裏面には図示しない電極が形成されており、貫通電極７ａと発光素子４とを機械的及び電気的に接続している。ダイボンディング材９は、半田バンプや金バンプを使用することができる。また、ダイボンディング材９として、導電性接着材を使用することができる。

図９は、発光素子４と貫通電極７ｂとをワイヤー１０により接続した状態を表す模式的な縦断面図である。発光素子４の上面には図示しない電極が形成されている。ワイヤーとして金の細線を使用することができる。なお、発光素子４の表面に形成した電極と貫通電極７ｂとを導体からなるワイヤー１０により接続することに代えて、発光素子４を貫通電極７ｂまで延在させ、発光素子４の裏面に貫通電極７ａと７ｂに対応する位置に電極を形成して、面実装により一括して２つの貫通電極７ａ、７ｂに電気的に接続してもよい。

図１０は、窪み３に封止材６を塗布して発光素子４を封止した状態を表す模式的な縦断面図である。封止材６として、絶縁性の透明樹脂材を使用することができる。また、金属アルコキシド又は金属アルコキシドから形成されたポリメタロキサンを重合・硬化させたシリコン酸化物とすることができる。

以上説明してきたように、本発明の発光デバイスの製造方法によれば、窪み３の壁面と底面にナノ金属粒子を印刷法により印刷したので、従来例のように高温処理によるメタライズを必要としないで密着性の良好な光反射膜５や電極を形成することができる。そのため、使用できるパッケージ２の材料の範囲が拡大し、セラミックスや金属の他にガラス材料又は樹脂材料を使用することができる。また、印刷法としてインクジェット印刷法を適用することにより、段差のある表面に高精度の印刷パターンを形成することができる。また、窪み３の底面に複雑なパターンを容易に形成することができる。また、必要な部分にのみナノ金属粒子を塗布又は印刷するので、全面に電極形成後に必要な部分を残してエッチング除去する方法と比較して、資源の有効活用を図ることができる。

なお、上記実施形態３においては、パッケージ２を成形法により成形した例を示しているが、これに限定されない。例えば、パッケージ２に貫通電極７を形成した板状体と、窪み３を構成するための枠を当該板状体に貼り合わせた構造とすることもできる。また、パッケージ２の窪み３を、サンドブラスト法やエッチング法により形成してもよい。

また、上記実施形態３においては、（１）ガラス材料の成形→（２）光反射膜の形成→（３）貫通電極の形成→（４）裏面の平坦化→（５）裏面電極の形成→（６）発光素子の実装→（７）封止材の形成の順であるが、この工程順に限定されない。例えば、（３）貫通電極の形成の後に、（６）発光素子の実装→（７）封止材の形成→（４）裏面の平坦化→（５）裏面電極の形成の順であっても良い。

（実施形態４）
図１１は、本発明の実施形態４に係る発光デバイス１の多数個取りの製造方法を説明するための模式図である。例えば、上記実施形態３に係る発光デバイス１の製造方法において、１枚のウエハー３０から８６個の発光デバイス１を同時に製造する場合である。

図１１（ａ）は、実施形態３における図７〜図１０のいずれかに対応し、パッケージ２の裏面に形成した裏面電極８のパターンを表している。図１１（ｂ）は、１個のパッケージ２の部分を拡大した模式的な背面図である。図１１（ｂ）に示すように、発光素子４の領域に４個の貫通電極７ａが、発光素子４の外側に１個の貫通電極７ｂが形成されている。発光素子４の領域に４個の貫通電極７ａを形成することにより、発光素子４で発生する熱を効果的に放熱することができる。裏面電極８は、電極分離領域３３を境にして、裏面電極８ａと８ｂに電気的に分離している。

１個のパッケージ２は、縦切断ライン３１、及び、横切断ライン３２により区画されている。実施形態３の図１０に示す工程の終了後に、上記縦切断ライン３１及び横切断ライン３２に沿って個々の発光デバイス１に分離する。分離は、ダイシング又はスクライブ等により行うことができる。なお、取り個数は実施形態４に限定されない。また、貫通電極８ａ、８ｂの個数や径は、発光素子４の数、供給する電流、放熱量等により適宜決定すればよい。

本発明の実施形態に係る発光デバイスの模式的な縦断面図である。 本発明の実施形態に係る発光デバイスの模式的な縦断面図である。 本発明の実施形態に係る発光デバイスの製造方法を表す模式図である。 本発明の実施形態に係る発光デバイスの製造方法を表す模式図である。 本発明の実施形態に係る発光デバイスの製造方法を表す模式図である。 本発明の実施形態に係る発光デバイスの製造方法を表す模式図である。 本発明の実施形態に係る発光デバイスの製造方法を表す模式図である。 本発明の実施形態に係る発光デバイスの製造方法を表す模式図である。 本発明の実施形態に係る発光デバイスの製造方法を表す模式図である。 本発明の実施形態に係る発光デバイスの製造方法を表す模式図である。 本発明の実施形態に係る発光デバイスの多数個取りの製造方法を表す模式図である。

符号の説明

１ 発光デバイス
２ パッケージ
３ 窪み
４ 発光素子
５ 光反射膜
６ 封止材
７ 貫通電極
８ 裏面電極
９ ダイボンディング材
１０ ワイヤー

Claims (11)

1. 中央部に窪みを有するパッケージと、
   前記窪みに収納され、前記窪みの底部に実装された発光素子と、
   前記窪みの壁面と底面に、ナノ金属粒子を熱処理して形成された光反射膜と、
   前記発光素子を封止する封止材と、を備える発光デバイス。
2. 前記ナノ金属粒子は、ナノ銀粒子であることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
3. 前記パッケージは、ガラス材料、セラミックス材料、窒化アルミニウム材料、金属材料又は樹脂材料から一体的に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光デバイス。
4. 前記中央に形成した窪みは、窪みの底部から上部にかけて口径が末広状に拡大する形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光デバイス。
5. 中央部に窪みを有するパッケージを形成する工程と、
   前記窪みの壁面及び底面にナノ金属粒子を付着させ、これを熱処理して光反射膜を形成する工程と、
   前記窪みの底面に発光素子を実装する工程と、
   前記発光素子を封止材により封止する工程と、を含む発光デバイスの製造方法。
6. 前記光反射膜を形成する工程の前に、前記窪みの壁面を撥水性表面に置換する工程を有することを特徴とする請求項５に記載の発光デバイスの製造方法。
7. 前記パッケージを形成する工程において、前記窪みはパッケージ材料を成形加工して形成することを特徴とする請求項５又は６に記載の発光デバイスの製造方法。
8. 前記成形加工する工程において、前記窪みと同時に前記窪みの底部に貫通電極用の穴を形成することを特徴とする請求項７に記載の発光デバイスの製造方法。
9. 前記ナノ金属粒子の付着は、インクジェット印刷法により前記窪みの壁面及び底面にナノ金属粒子を印刷して付着させることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の発光デバイスの製造方法。
10. 前記窪みの底部から前記パッケージの裏面に向けて貫通する貫通電極を形成する工程と、
    前記パッケージの裏面に前記貫通電極と電気的に接続する裏面電極を形成する工程を含む請求項５〜９のいずれか１項に記載の発光デバイスの製造方法。
11. 前記パッケージはガラス材料からなることを特徴とする請求項５〜１０のいずれか１項に記載の発光デバイスの製造方法。
    

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