半導体封止材料及びそれを用いて封止してなる半導体素子
【課題】低温で封止することができ、高い透過率と優れた耐候性を有し、しかも、半導体と反応し難い非鉛系ガラスからなる半導体封止材料及びそれを用いて封止してなる半導体素子を提供することである。
【解決手段】本発明の半導体封止材料は、半導体を封止するための封止材料であって、厚さ１ｍｍ、波長５８８ｎｍにおける内部透過率が８０％以上であり、且つ、４００℃以下の軟化点を有するＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスからなることを特徴とする。また、本発明の半導体素子は、上記封止材料を用いて半導体を封止してなることを特徴とする。
【解決手段】本発明の半導体封止材料は、半導体を封止するための封止材料であって、厚さ１ｍｍ、波長５８８ｎｍにおける内部透過率が８０％以上であり、且つ、４００℃以下の軟化点を有するＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスからなることを特徴とする。また、本発明の半導体素子は、上記封止材料を用いて半導体を封止してなることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体、特に、可視域に光を発する半導体を封止するための半導体封止材料及びその封止材料を用いて封止してなる半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光デバイス等の半導体素子は、半導体（発光チップ）、金属、セラミック等の各部品、或いは各部品同士を封止することにより製造される。封止に用いられる材料には、強固に接着できること、低温で封止できること以外にも、半導体から発せられる光量を低下させないこと、耐候性を有すること等が求められるため、軟化点が低く、高い透過率と耐候性を有する鉛系ガラスが用いられている。しかし、近年では、環境の観点から、鉛等の環境負荷物質を含有しないことも求められているため、特許文献１に示すように軟化点の低い非鉛系ガラスからなる封止材料を用いることが提案されている。
【特許文献１】特開２００５−１１９３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１で開示されている封止材料は、低温で封止することが可能であるが、一般に、ガラスの軟化点が低くなる程、ガラスの耐候性が低くなるため、高温多湿の過酷な環境下において、長期間に亘って使用し続けると、水分が封止材料中に侵入して、封止材料が変質して半導体素子の光学特性を低下させたり、半導体自身を劣化させて半導体の動作を阻害するという問題があった。また、半導体を封止する際に、ガラスと半導体が反応し、封止材料であるガラスの透過率が低下したり、半導体から発せられる光量が低下する等、半導体素子の特性に悪影響を及ぼす可能性があった。
【０００４】
本発明の目的は、低温で封止することができ、高い透過率と優れた耐候性を有し、しかも、半導体と反応し難い非鉛系ガラスからなる半導体封止材料及びそれを用いて封止してなる半導体素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の半導体封止材料は、半導体を封止するための封止材料であって、厚さ１ｍｍ、波長５８８ｎｍにおける透過率が８０％以上であり、且つ、４００℃以下の軟化点を有するＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスからなることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の半導体素子は、上記封止材料を用いて半導体を封止してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、軟化点が低く、高い透過率と優れた耐候性を有し、しかも、半導体と反応し難い非鉛系ガラスを用いてなるため、低温で、しかも、半導体を劣化させることなく封止することができる。また、得られた半導体素子は、耐候性に優れ、長期間に亘って使用しても劣化が少なく、しかも、光学特性にも優れている。それ故、半導体、特に、可視域に光を発する半導体を封止するための封止材料及び半導体素子として好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の半導体封止材料は、厚さ１ｍｍ、波長５８８ｎｍにおいて８０％以上の内部透過率を有するガラスを用いてなる。ガラスの内部透過率を８０％以上にすることにより、半導体から発せられる光量の損失を小さくすることができ、光学特性に優れた半導体素子を得ることができる。ガラスの内部透過率が、８０％より低くなると、半導体から発せられる光量の損失が大きくなり、半導体素子の光学特性が低下し易くなる。ガラスの内部透過率の好ましい範囲は９２％以上であり、より好ましくは９３％以上である。
【０００９】
また、４００℃以下の軟化点を有するガラスを用いてなる。軟化点を４００℃以下とすることにより、低温で半導体を封止することが可能となり、半導体の劣化を抑えることができる。軟化点が４００℃を超えると、半導体の発光特性が低下したり、発光波長が変化し易くなり、半導体が劣化する傾向にある。軟化点のより好ましい範囲は３８０℃以下であり、より好ましくは３６０℃以下である。
【００１０】
さらに、比較的容易に高い透過率と低い軟化点を得やすいＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５系ガラスに、Ｂ２Ｏ３を含有させたＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスを主成分としている。一般に、低融点ガラスであるＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５系ガラスは、耐候性が低く、使用中に封止材料が変質して半導体素子の光学特性を低下させたり、半導体を劣化させたりする可能性がある。また、半導体を封止する際に、ガラスと半導体が反応し、封止材料であるガラスの透過率が低下したり、半導体から発せられる光量が低下して、半導体素子の特性に悪影響を及ぼす可能性があるが、本発明では、半導体との反応を抑えるとともに耐候性を向上させる成分であるＢ２Ｏ３を含有させている。そのため、軟化点の低い非鉛ガラスからなる封止材料であっても、半導体との反応が少なく、優れた耐候性を有することができる。
【００１１】
尚、半導体から発せられる光量の損失をより小さくするには、１．５〜２．２の屈折率（ｎｄ）を有するガラスを用いることが好ましい。ガラスの屈折率が小さくなると、封止材料と半導体の界面での光の反射損失が大きくなり、結果として、半導体から発せられる光量の損失が大きくなる。一方、ガラスの屈折率が大きくなると、封止材料内部での散乱損失が大きくなり、結果として、半導体から発せられる光量の損失が大きくなる。ガラスの屈折率のより好ましい範囲は１．６〜２．１５であり、さらに好ましくは１．７〜２．１である。
【００１２】
また、ＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスにおいて、半導体との反応を抑えると共に、耐候性を向上させるには、Ｂ２Ｏ３を１モル％以上含有させることが好ましい。しかし、Ｂ２Ｏ３の含有量が多くなると、ガラスの軟化点が上昇する傾向にあり、半導体を低温で封止し難くなり、半導体が劣化し易くなる。また、逆に、半導体と反応したり、耐候性が低下しやすくなるため、３０モル％以下にすることが好ましい。Ｂ２Ｏ３のより好ましい範囲は２〜２０％であり、さらに好ましくは４〜２０％であり、最も好ましくは５〜１８％である。
【００１３】
さらに、ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５の値をモル比で、０．９〜１６の範囲にすることが好ましい。ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５の値が０．９より小さくなると、ガラスの軟化点が上昇する傾向にあり、半導体を低温で封止し難くなり、半導体が劣化し易くなる。また、耐候性が著しく低下する傾向にある。一方、ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５の値が１６より大きくなると、ガラス中にＳｎに起因する失透ブツが析出し、ガラスの透過率が低下する傾向にあり、結果として、光学特性に優れた半導体素子が得難くなる。ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５のより好ましい範囲は１．５〜１６であり、さらに好ましくは１．５〜１０であり、最も好ましくは２〜５である。
【００１４】
また、本発明におけるＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスは、厚さ１ｍｍ、波長５８８ｎｍにおいて８０％以上の内部透過率と、４００℃以下の軟化点を有し、半導体と反応し難く、しかも、優れた耐候性を有するガラスであれば、制限はないが、特に、モル百分率で、ＳｎＯ ３５〜８０％、Ｐ２Ｏ５ ５〜４０％、Ｂ２Ｏ３ １〜３０％、Ａｌ２Ｏ３ ０〜１０％、ＳｉＯ２ ０〜１０％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１０％、Ｎａ２Ｏ ０〜１０％、Ｋ２Ｏ ０〜１０％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ ０〜１０％、ＭｇＯ ０〜１０％、ＣａＯ ０〜１０％、ＳｒＯ ０〜１０％、ＢａＯ ０〜１０％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０〜１０％を含有し、ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５が０．９〜１６であるガラスを使用することが好ましい。
【００１５】
本発明においてガラスの組成を上記のように限定した理由は、次のとおりである。
【００１６】
ＳｎＯはガラスの骨格を形成すると共に、軟化点を下げる成分である。その含有量は３５〜８０％である。ＳｎＯの含有量が少なくなると、ガラスの軟化点が上昇する傾向にあり、半導体を低温で封止し難くなり、半導体が劣化し易くなる。一方、含有量が多くなると、ガラス中にＳｎに起因する失透ブツが析出し、ガラスの透過率が低下する傾向にあり、結果として、光学特性に優れた半導体素子が得難くなる。また、ガラス化し難くなる。ＳｎＯのより好ましい範囲は４０〜７０％であり、さらに好ましくは５０〜７０％であり、最も好ましくは５５〜６５％である。
【００１７】
Ｐ２Ｏ５はガラスの骨格を形成する成分である。その含有量は５〜４０％である。Ｐ２Ｏ５の含有量が少なくなると、ガラス化し難くなる。一方、含有量が多くなると、ガラスの軟化点が上昇する傾向にあり、半導体を低温で封止し難くなり、半導体が劣化し易くなる。また、耐候性が著しく低下する傾向にある。Ｐ２Ｏ５のより好ましい範囲は１０〜３０％であり、さらに好ましくは１５〜２４％である。
【００１８】
尚、軟化点を低下させ、しかも、ガラスを安定化させるには、ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５の値を、モル比で、０．９〜１６の範囲にすることが好ましい。ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５の値が０．９より小さくなると、ガラスの軟化点が上昇する傾向にあり、半導体を低温で封止し難くなり、半導体が劣化し易くなる。また、耐候性が著しく低下する傾向にある。一方、ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５の値が１６より大きくなると、ガラス中にＳｎに起因する失透ブツが析出し、ガラスの透過率が低下する傾向にあり、結果として、光学特性に優れた半導体素子が得難くなる。ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５のより好ましい範囲は１．５〜１６であり、さらに好ましくは１．５〜１０であり、最も好ましくは２〜５である。
【００１９】
Ｂ２Ｏ３は半導体との反応を抑えると共に、耐候性を向上させる成分である。また、ガラスを安定化させる成分でもある。その含有量は１〜３０％である。Ｂ２Ｏ３の含有量が少なくなると、上記効果が得難くなる。一方、含有量が多くなると、逆に、半導体と反応したり、耐候性が低下しやすくなる。また、ガラスの軟化点が上昇する傾向にあり、半導体を低温で封止し難くなり、半導体が劣化し易くなる。Ｂ２Ｏ３のより好ましい範囲は２〜２０％であり、さらに好ましくは４〜１８％である。
【００２０】
Ａｌ２Ｏ３はガラスを安定化させる成分である。その含有量は０〜１０％である。Ａｌ２Ｏ３の含有量が多くなると、ガラスの軟化点が上昇する傾向にあり、半導体を低温で封止し難くなり、半導体が劣化し易くなる。Ａｌ２Ｏ３のより好ましい範囲は０〜７％であり、さらに好ましくは１〜５％である。
【００２１】
ＳｉＯ２はＡｌ２Ｏ３と同様にガラスを安定化させる成分である。その含有量は０〜１０％である。ＳｉＯ２の含有量が多くなると、ガラスの軟化点が上昇する傾向にあり、半導体を低温で封止し難くなり、半導体が劣化し易くなる。また、ガラスが分相しやすくなる。ＳｉＯ２のより好ましい範囲は０〜７％であり、さらに好ましくは０〜５％である。
【００２２】
Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏは、ガラスの軟化点を低下させる成分である。その含有量はそれぞれ０〜１０％である。これら成分の含有量が多くなると、ガラスが著しく不安定になりやすくガラス化し難くなる。これら成分のより好ましい範囲はそれぞれ０〜７％であり、さらに好ましくは０〜５％である。
【００２３】
尚、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏを合量で０〜１０％にすることが好ましい。これら成分の合量が１０％より多くなると、ガラスが不安定になりやすくガラス化し難くなる。Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏのより好ましい範囲は０〜７％であり、さらに好ましくは１〜５％である。
【００２４】
ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯはガラスを安定化させてガラス化しやすくする成分である。その含有量は０〜１０％である。これら成分の含有量が多くなると、ガラスが失透しやすく、ガラスの透過率が低下する傾向にあり、結果として、光学特性に優れた半導体素子が得難くなる。これら成分のより好ましい範囲はそれぞれ０〜７％であり、さらに好ましくは０〜５％である。
【００２５】
尚、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯを合量で０〜１０％にすることが好ましい。これら成分の合量が１０％より多くなると、ガラスが失透しやすく、ガラスの透過率が低下する傾向にあり、結果として、光学特性に優れた半導体素子が得難くなる。ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯのより好ましい範囲は０〜７％であり、さらに好ましくは１〜５％である。
【００２６】
また、上記成分以外にも、本発明の主旨を損なわない範囲で種々の成分を添加することができる。例えば、耐候性を向上させるために、ＺｎＯ、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｇｄ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３を合量で１０％まで添加してもよい。
【００２７】
本発明の半導体封止材料は、上記組成となるように、ガラス原料を調合し、溶融してガラス化することで得ることができる。尚、溶融する際には、ＳｎＯがＳｎＯ２に酸化されないように溶融することが重要であり、そのためには、原料中に還元剤を添加したり、中性或いは還元性雰囲気（非酸化性雰囲気）で溶融すればよい。
【００２８】
尚、封止材料の形態としては、特に限定されるものではなく、例えば、ガラス成型体、ガラス粉末、ガラス粉末成型体、ガラス粉末成型体を焼成した焼成体、ペーストまたはグリーンシートの何れの形態であってもよい。
【００２９】
本発明の半導体封止材料をガラス成型体の形態にするには、溶融して得られたガラスを所望のサイズに切断、研磨加工することにより得ることができる。
【００３０】
また、ガラス粉末の形態にするには、溶融して得られたガラスをらいかい機等の粉砕機を用いて粉砕し、所望の粒度分布となるように分級ことにより得ることができる。
【００３１】
また、ガラス粉末成型体の形態にするには、上記のようにして得たガラス粉末に、必要に応じて樹脂バインダーを５質量％まで添加した後、金型で加圧成型することにより得ることができる。
【００３２】
また、焼成体の形態にするには、上記のようにして得たガラス粉末成型体を３００〜４００℃程度で焼成することにより得ることができる。尚、樹脂バインダーを添加したガラス粉末成型体を焼成する場合は、２５０℃以下の温度で脱バインダーを行った後、３００〜４００℃程度で焼成することにより得ることができる。また、焼成にあたっては、１気圧（１．０１３×１０５Ｐａ）よりも低い気圧で焼成することが望ましい。このようにすることで、焼成体の気孔率（焼成体に残存する泡の占める割合）を小さくでき、光の散乱を少なくすることができる。
【００３３】
樹脂バインダーとしては、樹脂の分解終了温度が２５０℃以下のものを用いることが望ましく、例えば、ニトロセルロース、ポリイソブチルアクリレート、ポリエチルカーボネート等が挙げられる。これらを単独または混合して使用することができる。
【００３４】
また、ペーストの形態にするには、上記のようにして得たガラス粉末に、結合剤、溶剤等を添加し混練することにより得ることができる。
【００３５】
ペースト全体に占めるガラス粉末の割合としては、３０〜９０質量％が一般的である。
【００３６】
結合剤は、乾燥後の膜強度を高め、また柔軟性を付与する成分であり、その含有量は、０．１〜２０質量％程度が一般的である。結合剤としては、ポリブチルメタクリレート、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタクリレート、ポリエチルメタクリレート、エチルセルロース、ニトロセルロース等が挙げられ、これらを単独または混合して使用することができる。
【００３７】
溶剤は、材料をペースト化するために用いられ、その含有量は１０〜５０質量％程度が一般的である。溶剤としては、テルピネオール、酢酸イソアミル、トルエン、メチルエチルケトン、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、２，２，４−トリメチル−１，３ペンタジオールモノイソブチレート等が挙げられ、これらを単独または混合して使用することができる。
【００３８】
また、グリーンシートの形態にするには、上記のようにして得たガラス粉末に、結合剤、可塑剤、溶剤等を添加してスラリーとし、このスラリーをドクターブレード法によって、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のフィルムの上にシート状に成型する。続けて、シートを成型した後、乾燥させることによって、有機系溶剤等を除去することで得ることができる。
【００３９】
グリーンシート中に占めるガラス粉末の割合は、５０〜８０質量％程度が一般的である。
【００４０】
結合剤及び溶剤としては、上記ペーストの調製に用いられるのと同様の結合剤及び溶剤を用いることができる。結合剤の混合割合としては、０．１〜３０質量％程度が一般的であり、溶剤の混合割合としては、１〜４０質量％程度が一般的である。
【００４１】
可塑剤は、乾燥速度をコントロールすると共に、乾燥させた膜に柔軟性を与える成分であり、その含有量は、０〜１０質量％程度が一般的である。可塑剤としは、フタル酸ジブチル、ブチルベンジルフタレート、ジオクチルフタレート、ジイソオクチルフタレート、ジカプリルフタレート、ジブチルフタレート等が挙げられ、これらを単独または混合して使用することができる。
【００４２】
以下に、図１を用いて本発明の半導体素子を説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００４３】
図１は本発明の半導体素子の断面図の一例である。１はマウント部、２は半導体（発光チップ）、３は封止材料、４はハウジングである。
【００４４】
１のマウント部は、電気的絶縁性に優れる樹脂、セラミックス、ガラス等からなるものが例示される。封止時にマウント部１が形成されている場合には、封止する際に温度が上昇してもその形状を安定に保持できるようなものでなければならず、例えば、アルミナからなるものが好ましい。
【００４５】
２の半導体は、典型的には波長が３６０〜４８０ｎｍの紫外光または青色光を放出する半導体であり、ＧａＮにＩｎを添加したＩｎＧａＮを発光層とする量子井戸構造の半導体（ＩｎＧａＮ系発光素子）等が例示される。尚、半導体には電流を流すための電極及びリードフレーム、また、上面にはサファイア等からなる基板が存在するが図示はしていない。
【００４６】
３の封止材料は、半導体２を封止し、半導体素子の表面が大気に露出しないよう保護し、且つ光を透過させることによって半導体２から発する光を効果的に前面に導くためのものである。
【００４７】
ハウジング４は、通常、金属板の中央に孔が形成されたものである。この孔の内面は、発光素子２から水平方向に放出された光を反射して発光素子上面から効率よく取り出すために、図１に示すようにテーパー状とすることが好ましい。また、前記孔の形状は典型的には円であるが、これに限定されず、楕円、四角等でもよい。金属板としては、アルミニウム板またはアルミニウム合金板が例示される。この場合、紫外光および可視光に対する反射率は９０％以上であるので発光素子からの光取り出し効率を高くできる。
【００４８】
また、電極とハウジング４の間には、電極とハウジング４を電気的に絶縁するための絶縁層が存在し、樹脂、セラミックス、ガラス等からなるものが例示されるが、図１には示していない。
【００４９】
本発明の半導体素子は、上記の封止材料を用いて半導体を封止することで得ることができる。
【００５０】
尚、ガラスバルクを所望の形状に加工した封止材料を用いて半導体を封止する場合、半導体を覆うようにガラス成型体の封止材料を配置し、加熱して封止材料を軟化させて融着させることで本発明の半導体素子を得ることができる。
【００５１】
また、ガラス粉末に加工した封止材料を用いて半導体を封止する場合、半導体を覆うように粉末状の封止材料を充填し、加熱して封止材料を軟化させて融着させることで本発明の半導体素子を得ることができる。
【００５２】
また、ガラス粉末を加圧成型した封止材料を用いて半導体を封止する場合、半導体上にガラス粉末成型体の封止材料を配置し、加熱して封止材料を軟化流動させることで本発明の半導体素子を得ることができる。
【００５３】
また、上記のようにして得たガラス粉末成型体を焼成した封止材料を用いて半導体を封止する場合、半導体上に焼成体の封止材料を配置し、加熱して封止材料を軟化流動させることで本発明の半導体素子を得ることができる。
【００５４】
ペースト状に加工した封止材料を用いて半導体を封止する場合、半導体を覆うようにペースト状の封止材料を塗布または充填し、乾燥させ、加熱することで本発明の半導体素子を得ることができる。
【００５５】
グリーンシート状に加工した封止材料を用いて半導体を封止する場合、半導体上にグリーンシート状の封止材料を配置し、加熱することで本発明の半導体素子を得ることができる。
【００５６】
尚、半導体の封止にあたっては、４００℃以下の温度で封止することが好ましい。このようにすることで、半導体の劣化を抑え、光学特性に優れた半導体素子を得ることができる。封止温度が４００℃より高くなると、半導体が劣化しやすくなる。封止温度のより好ましい範囲は３８０℃以下であり、より好ましくは３６０℃以下である。
【００５７】
また、１気圧（１．０１３×１０５Ｐａ）よりも低い気圧、または、中性或いは還元性雰囲気（非酸化性雰囲気）で、半導体を封止することが好ましい。このようにすることで、雰囲気中の酸素の量を少なくすることができるため、半導体の酸化による劣化を防止することができる。また、ＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラス中のＳｎＯの酸化を防止でき、ガラスの透過率の低下を防止することができる。その結果、光学特性に優れた半導体素子を得ることができる。
【００５８】
特に、粉末状、粉末を加圧成型した成型体、ペースト状またはグリーンシート状に加工された封止材料を用いて半導体を封止する場合は、１気圧（１．０１３×１０５Ｐａ）よりも低い気圧で半導体を封止することがより好ましい。このようにすることで、封止材料が軟化して融着する際に生じる泡が抜けやすくなり、封止部の気孔率（封止部に残存する泡の占める割合）を小さくでき、光の散乱が少なく透過率が高くなる。その結果、より光学特性に優れた半導体素子を得ることができる。封止雰囲気を１気圧以上にして焼成すると、封止時に、半導体やガラスが酸化されて劣化され易くなったり、また、封止時に泡が抜け難くなり、光学特性に優れた半導体素子が得難くなる。封止雰囲気の気圧の好ましい範囲は０．９×１０５Ｐａ以下であり、より好ましくは１０００Ｐａ以下であり、更に好ましくは２００Ｐａ以下であり、特に好ましくは０．００１〜２００Ｐａである。
【実施例】
【００５９】
以下、実施例に基づき本発明を説明する。
【００６０】
表１〜表４は、本発明の実施例（試料Ｎｏ．１〜２３）及び比較例（試料Ｎｏ．２４〜２６）をそれぞれ示している。
【００６１】
【表１】
【００６２】
【表２】
【００６３】
【表３】
【００６４】
【表４】
【００６５】
表の各試料は、次のようにして調製した。
【００６６】
まず、表に示すガラス組成となるように原料を調合し、均一に混合した。次いで、調合した原料をアルミナ坩堝に入れてＮ２雰囲気中で、９００℃、２時間溶融（Ｎｏ．２６のみ１２００℃で２時間溶融）した後、ガラス融液の一部をカーボン板の上に流し出して、板状に成形し、残りをローラー成型器を用いてフィルム状に成形した。続いて、得られたフィルム状のガラスをらいかい機で粉砕した後、３２５メッシュの篩に通して分級し、ガラス粉末を得た。得られた板状ガラスについては、アニール後、切断、研磨加工を行い、ガラスの内部透過率及び屈折率の測定し、ガラス粉末については、軟化点を測定した。これらの測定結果を表に示した。
【００６７】
次に、得られたガラス粉末を金型に入れて加圧成形し、直径１０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの円盤状の成型体を作製し、封止材料を得た。
【００６８】
次に、アルミナ基板上に市販のチップ型青色ＬＥＤ（３×２×１．３ｍｍ）を設置した後、ＬＥＤ上に加圧成型した上記の封止材料を配置し、その後、これを表に示す圧力下及び温度で２０分間加熱封止して半導体素子（発光素子）を得た。
【００６９】
このようにして得られた試料について、封止前、封止後及び耐候性試験後の発光効率を測定し、封止材料と半導体素子との反応性及び耐候性を評価し、結果を表に示した。
【００７０】
表から明らかなように、試料Ｎｏ．１〜２２は、ガラスの軟化点が３９５℃以下と低いため、４００℃以下の温度でＬＥＤを封止することができた。また、ガラスの内部透過率が８７％以上、屈折率（ｎｄ）が１．７２〜１．８５であるガラスからなる封止材料を用いてＬＥＤを封止しているため、封止後の発光効率は８．２ｌｍ／Ｗ以上と高く、光学特性に優れていた。さらに、耐候性試験後の発光効率も７．０ｌｍ／Ｗ以上で、耐候性試験による発光効率の低下率（１−封止後の発光効率／耐候性試験後の発光効率）も３０％以下と低く、耐候性にも優れていた。尚、試料Ｎｏ．２３については、１気圧の圧力下の雰囲気で封止したため、封止する際に、封止部に微小な泡が多く残存し、封止部での散乱損失が大きくなり、試料Ｎｏ．１〜２２に比べて、封止後の発光効率が７．９ｌｍ／Ｗと低かった。
【００７１】
これに対して、比較例である試料Ｎｏ．２４は、軟化点が４１０℃高いため、封止時半導体が劣化し、封止後の発光効率が５．５ｌｍ／ｗと低かった。また、耐候性試験による発光効率の低下率は３６％であり、耐候性も低かった。また、試料Ｎｏ．２５は、封止する際に、封止材料とＬＥＤが反応して半導体が劣化したため、発光しなかった。また、封止部には着色が認められた。さらに、試料Ｎｏ．２６は、ガラスの軟化点が５７０℃と高いため、封止温度も高くなり、封止時に半導体が劣化し、発光しなかった。
【００７２】
尚、ガラスの内部透過率については、板状に成形したガラスを肉厚が１ｍｍになるように光学研磨加工を行って、分光光度計を用いて波長５８８ｎｍにおける透過率及び反射率を測定し、内部透過率（透過率に試料両面での反射率を加えた値）を求めた。
【００７３】
屈折率（ｎｄ）については、カルニュー屈折率計にてヘリウムランプのｄ線（５８７．６ｎｍ）に対する測定値で示した。
【００７４】
軟化点については、マクロ型示差熱分析計を用いて測定し、第四の変曲点の値を軟化点とした。
【００７５】
発光効率については、半導体素子を電流２０ｍＡで操作し、積分球内で、試料上面から発せられる光のエネルギー分布スペクトルを測定し、得られたスペクトルに標準比視感度を掛け合わせて全光束を計算し、得られた全光束を光源の電力（０．０７２Ｗ）で除して算出した。
【００７６】
また、封止材料と半導体素子との反応性の評価については、封止前後の発光効率の差で評価した。尚、この差が小さい程、半導体素子を封止する際の熱によって、封止材料が半導体素子と反応しにくいことを意味する。
【００７７】
また、耐候性の評価については、封止後の半導体素子をプレッシャークッカー試験機にて気圧２気圧、湿度９５％、温度１２１℃の条件下に２４時間放置し、耐候性試験前後の発光効率の差で評価した。尚、この差が小さい程、封止材料が耐候性に優れていることを意味する。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の封止材料及び半導体素子は、ＬＥＤ用途に限られるものではなく、レーザーダイオード等のように、ハイパワーの励起光を発するものに用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の半導体素子の断面図の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００８０】
１ マウント部
２ 半導体（発光チップ）
３ 封止材料
４ ハウジング
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体、特に、可視域に光を発する半導体を封止するための半導体封止材料及びその封止材料を用いて封止してなる半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光デバイス等の半導体素子は、半導体（発光チップ）、金属、セラミック等の各部品、或いは各部品同士を封止することにより製造される。封止に用いられる材料には、強固に接着できること、低温で封止できること以外にも、半導体から発せられる光量を低下させないこと、耐候性を有すること等が求められるため、軟化点が低く、高い透過率と耐候性を有する鉛系ガラスが用いられている。しかし、近年では、環境の観点から、鉛等の環境負荷物質を含有しないことも求められているため、特許文献１に示すように軟化点の低い非鉛系ガラスからなる封止材料を用いることが提案されている。
【特許文献１】特開２００５−１１９３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１で開示されている封止材料は、低温で封止することが可能であるが、一般に、ガラスの軟化点が低くなる程、ガラスの耐候性が低くなるため、高温多湿の過酷な環境下において、長期間に亘って使用し続けると、水分が封止材料中に侵入して、封止材料が変質して半導体素子の光学特性を低下させたり、半導体自身を劣化させて半導体の動作を阻害するという問題があった。また、半導体を封止する際に、ガラスと半導体が反応し、封止材料であるガラスの透過率が低下したり、半導体から発せられる光量が低下する等、半導体素子の特性に悪影響を及ぼす可能性があった。
【０００４】
本発明の目的は、低温で封止することができ、高い透過率と優れた耐候性を有し、しかも、半導体と反応し難い非鉛系ガラスからなる半導体封止材料及びそれを用いて封止してなる半導体素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の半導体封止材料は、半導体を封止するための封止材料であって、厚さ１ｍｍ、波長５８８ｎｍにおける透過率が８０％以上であり、且つ、４００℃以下の軟化点を有するＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスからなることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の半導体素子は、上記封止材料を用いて半導体を封止してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、軟化点が低く、高い透過率と優れた耐候性を有し、しかも、半導体と反応し難い非鉛系ガラスを用いてなるため、低温で、しかも、半導体を劣化させることなく封止することができる。また、得られた半導体素子は、耐候性に優れ、長期間に亘って使用しても劣化が少なく、しかも、光学特性にも優れている。それ故、半導体、特に、可視域に光を発する半導体を封止するための封止材料及び半導体素子として好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の半導体封止材料は、厚さ１ｍｍ、波長５８８ｎｍにおいて８０％以上の内部透過率を有するガラスを用いてなる。ガラスの内部透過率を８０％以上にすることにより、半導体から発せられる光量の損失を小さくすることができ、光学特性に優れた半導体素子を得ることができる。ガラスの内部透過率が、８０％より低くなると、半導体から発せられる光量の損失が大きくなり、半導体素子の光学特性が低下し易くなる。ガラスの内部透過率の好ましい範囲は９２％以上であり、より好ましくは９３％以上である。
【０００９】
また、４００℃以下の軟化点を有するガラスを用いてなる。軟化点を４００℃以下とすることにより、低温で半導体を封止することが可能となり、半導体の劣化を抑えることができる。軟化点が４００℃を超えると、半導体の発光特性が低下したり、発光波長が変化し易くなり、半導体が劣化する傾向にある。軟化点のより好ましい範囲は３８０℃以下であり、より好ましくは３６０℃以下である。
【００１０】
さらに、比較的容易に高い透過率と低い軟化点を得やすいＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５系ガラスに、Ｂ２Ｏ３を含有させたＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスを主成分としている。一般に、低融点ガラスであるＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５系ガラスは、耐候性が低く、使用中に封止材料が変質して半導体素子の光学特性を低下させたり、半導体を劣化させたりする可能性がある。また、半導体を封止する際に、ガラスと半導体が反応し、封止材料であるガラスの透過率が低下したり、半導体から発せられる光量が低下して、半導体素子の特性に悪影響を及ぼす可能性があるが、本発明では、半導体との反応を抑えるとともに耐候性を向上させる成分であるＢ２Ｏ３を含有させている。そのため、軟化点の低い非鉛ガラスからなる封止材料であっても、半導体との反応が少なく、優れた耐候性を有することができる。
【００１１】
尚、半導体から発せられる光量の損失をより小さくするには、１．５〜２．２の屈折率（ｎｄ）を有するガラスを用いることが好ましい。ガラスの屈折率が小さくなると、封止材料と半導体の界面での光の反射損失が大きくなり、結果として、半導体から発せられる光量の損失が大きくなる。一方、ガラスの屈折率が大きくなると、封止材料内部での散乱損失が大きくなり、結果として、半導体から発せられる光量の損失が大きくなる。ガラスの屈折率のより好ましい範囲は１．６〜２．１５であり、さらに好ましくは１．７〜２．１である。
【００１２】
また、ＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスにおいて、半導体との反応を抑えると共に、耐候性を向上させるには、Ｂ２Ｏ３を１モル％以上含有させることが好ましい。しかし、Ｂ２Ｏ３の含有量が多くなると、ガラスの軟化点が上昇する傾向にあり、半導体を低温で封止し難くなり、半導体が劣化し易くなる。また、逆に、半導体と反応したり、耐候性が低下しやすくなるため、３０モル％以下にすることが好ましい。Ｂ２Ｏ３のより好ましい範囲は２〜２０％であり、さらに好ましくは４〜２０％であり、最も好ましくは５〜１８％である。
【００１３】
さらに、ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５の値をモル比で、０．９〜１６の範囲にすることが好ましい。ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５の値が０．９より小さくなると、ガラスの軟化点が上昇する傾向にあり、半導体を低温で封止し難くなり、半導体が劣化し易くなる。また、耐候性が著しく低下する傾向にある。一方、ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５の値が１６より大きくなると、ガラス中にＳｎに起因する失透ブツが析出し、ガラスの透過率が低下する傾向にあり、結果として、光学特性に優れた半導体素子が得難くなる。ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５のより好ましい範囲は１．５〜１６であり、さらに好ましくは１．５〜１０であり、最も好ましくは２〜５である。
【００１４】
また、本発明におけるＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスは、厚さ１ｍｍ、波長５８８ｎｍにおいて８０％以上の内部透過率と、４００℃以下の軟化点を有し、半導体と反応し難く、しかも、優れた耐候性を有するガラスであれば、制限はないが、特に、モル百分率で、ＳｎＯ ３５〜８０％、Ｐ２Ｏ５ ５〜４０％、Ｂ２Ｏ３ １〜３０％、Ａｌ２Ｏ３ ０〜１０％、ＳｉＯ２ ０〜１０％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１０％、Ｎａ２Ｏ ０〜１０％、Ｋ２Ｏ ０〜１０％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ ０〜１０％、ＭｇＯ ０〜１０％、ＣａＯ ０〜１０％、ＳｒＯ ０〜１０％、ＢａＯ ０〜１０％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０〜１０％を含有し、ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５が０．９〜１６であるガラスを使用することが好ましい。
【００１５】
本発明においてガラスの組成を上記のように限定した理由は、次のとおりである。
【００１６】
ＳｎＯはガラスの骨格を形成すると共に、軟化点を下げる成分である。その含有量は３５〜８０％である。ＳｎＯの含有量が少なくなると、ガラスの軟化点が上昇する傾向にあり、半導体を低温で封止し難くなり、半導体が劣化し易くなる。一方、含有量が多くなると、ガラス中にＳｎに起因する失透ブツが析出し、ガラスの透過率が低下する傾向にあり、結果として、光学特性に優れた半導体素子が得難くなる。また、ガラス化し難くなる。ＳｎＯのより好ましい範囲は４０〜７０％であり、さらに好ましくは５０〜７０％であり、最も好ましくは５５〜６５％である。
【００１７】
Ｐ２Ｏ５はガラスの骨格を形成する成分である。その含有量は５〜４０％である。Ｐ２Ｏ５の含有量が少なくなると、ガラス化し難くなる。一方、含有量が多くなると、ガラスの軟化点が上昇する傾向にあり、半導体を低温で封止し難くなり、半導体が劣化し易くなる。また、耐候性が著しく低下する傾向にある。Ｐ２Ｏ５のより好ましい範囲は１０〜３０％であり、さらに好ましくは１５〜２４％である。
【００１８】
尚、軟化点を低下させ、しかも、ガラスを安定化させるには、ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５の値を、モル比で、０．９〜１６の範囲にすることが好ましい。ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５の値が０．９より小さくなると、ガラスの軟化点が上昇する傾向にあり、半導体を低温で封止し難くなり、半導体が劣化し易くなる。また、耐候性が著しく低下する傾向にある。一方、ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５の値が１６より大きくなると、ガラス中にＳｎに起因する失透ブツが析出し、ガラスの透過率が低下する傾向にあり、結果として、光学特性に優れた半導体素子が得難くなる。ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５のより好ましい範囲は１．５〜１６であり、さらに好ましくは１．５〜１０であり、最も好ましくは２〜５である。
【００１９】
Ｂ２Ｏ３は半導体との反応を抑えると共に、耐候性を向上させる成分である。また、ガラスを安定化させる成分でもある。その含有量は１〜３０％である。Ｂ２Ｏ３の含有量が少なくなると、上記効果が得難くなる。一方、含有量が多くなると、逆に、半導体と反応したり、耐候性が低下しやすくなる。また、ガラスの軟化点が上昇する傾向にあり、半導体を低温で封止し難くなり、半導体が劣化し易くなる。Ｂ２Ｏ３のより好ましい範囲は２〜２０％であり、さらに好ましくは４〜１８％である。
【００２０】
Ａｌ２Ｏ３はガラスを安定化させる成分である。その含有量は０〜１０％である。Ａｌ２Ｏ３の含有量が多くなると、ガラスの軟化点が上昇する傾向にあり、半導体を低温で封止し難くなり、半導体が劣化し易くなる。Ａｌ２Ｏ３のより好ましい範囲は０〜７％であり、さらに好ましくは１〜５％である。
【００２１】
ＳｉＯ２はＡｌ２Ｏ３と同様にガラスを安定化させる成分である。その含有量は０〜１０％である。ＳｉＯ２の含有量が多くなると、ガラスの軟化点が上昇する傾向にあり、半導体を低温で封止し難くなり、半導体が劣化し易くなる。また、ガラスが分相しやすくなる。ＳｉＯ２のより好ましい範囲は０〜７％であり、さらに好ましくは０〜５％である。
【００２２】
Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏは、ガラスの軟化点を低下させる成分である。その含有量はそれぞれ０〜１０％である。これら成分の含有量が多くなると、ガラスが著しく不安定になりやすくガラス化し難くなる。これら成分のより好ましい範囲はそれぞれ０〜７％であり、さらに好ましくは０〜５％である。
【００２３】
尚、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏを合量で０〜１０％にすることが好ましい。これら成分の合量が１０％より多くなると、ガラスが不安定になりやすくガラス化し難くなる。Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏのより好ましい範囲は０〜７％であり、さらに好ましくは１〜５％である。
【００２４】
ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯはガラスを安定化させてガラス化しやすくする成分である。その含有量は０〜１０％である。これら成分の含有量が多くなると、ガラスが失透しやすく、ガラスの透過率が低下する傾向にあり、結果として、光学特性に優れた半導体素子が得難くなる。これら成分のより好ましい範囲はそれぞれ０〜７％であり、さらに好ましくは０〜５％である。
【００２５】
尚、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯを合量で０〜１０％にすることが好ましい。これら成分の合量が１０％より多くなると、ガラスが失透しやすく、ガラスの透過率が低下する傾向にあり、結果として、光学特性に優れた半導体素子が得難くなる。ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯのより好ましい範囲は０〜７％であり、さらに好ましくは１〜５％である。
【００２６】
また、上記成分以外にも、本発明の主旨を損なわない範囲で種々の成分を添加することができる。例えば、耐候性を向上させるために、ＺｎＯ、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｇｄ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３を合量で１０％まで添加してもよい。
【００２７】
本発明の半導体封止材料は、上記組成となるように、ガラス原料を調合し、溶融してガラス化することで得ることができる。尚、溶融する際には、ＳｎＯがＳｎＯ２に酸化されないように溶融することが重要であり、そのためには、原料中に還元剤を添加したり、中性或いは還元性雰囲気（非酸化性雰囲気）で溶融すればよい。
【００２８】
尚、封止材料の形態としては、特に限定されるものではなく、例えば、ガラス成型体、ガラス粉末、ガラス粉末成型体、ガラス粉末成型体を焼成した焼成体、ペーストまたはグリーンシートの何れの形態であってもよい。
【００２９】
本発明の半導体封止材料をガラス成型体の形態にするには、溶融して得られたガラスを所望のサイズに切断、研磨加工することにより得ることができる。
【００３０】
また、ガラス粉末の形態にするには、溶融して得られたガラスをらいかい機等の粉砕機を用いて粉砕し、所望の粒度分布となるように分級ことにより得ることができる。
【００３１】
また、ガラス粉末成型体の形態にするには、上記のようにして得たガラス粉末に、必要に応じて樹脂バインダーを５質量％まで添加した後、金型で加圧成型することにより得ることができる。
【００３２】
また、焼成体の形態にするには、上記のようにして得たガラス粉末成型体を３００〜４００℃程度で焼成することにより得ることができる。尚、樹脂バインダーを添加したガラス粉末成型体を焼成する場合は、２５０℃以下の温度で脱バインダーを行った後、３００〜４００℃程度で焼成することにより得ることができる。また、焼成にあたっては、１気圧（１．０１３×１０５Ｐａ）よりも低い気圧で焼成することが望ましい。このようにすることで、焼成体の気孔率（焼成体に残存する泡の占める割合）を小さくでき、光の散乱を少なくすることができる。
【００３３】
樹脂バインダーとしては、樹脂の分解終了温度が２５０℃以下のものを用いることが望ましく、例えば、ニトロセルロース、ポリイソブチルアクリレート、ポリエチルカーボネート等が挙げられる。これらを単独または混合して使用することができる。
【００３４】
また、ペーストの形態にするには、上記のようにして得たガラス粉末に、結合剤、溶剤等を添加し混練することにより得ることができる。
【００３５】
ペースト全体に占めるガラス粉末の割合としては、３０〜９０質量％が一般的である。
【００３６】
結合剤は、乾燥後の膜強度を高め、また柔軟性を付与する成分であり、その含有量は、０．１〜２０質量％程度が一般的である。結合剤としては、ポリブチルメタクリレート、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタクリレート、ポリエチルメタクリレート、エチルセルロース、ニトロセルロース等が挙げられ、これらを単独または混合して使用することができる。
【００３７】
溶剤は、材料をペースト化するために用いられ、その含有量は１０〜５０質量％程度が一般的である。溶剤としては、テルピネオール、酢酸イソアミル、トルエン、メチルエチルケトン、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、２，２，４−トリメチル−１，３ペンタジオールモノイソブチレート等が挙げられ、これらを単独または混合して使用することができる。
【００３８】
また、グリーンシートの形態にするには、上記のようにして得たガラス粉末に、結合剤、可塑剤、溶剤等を添加してスラリーとし、このスラリーをドクターブレード法によって、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のフィルムの上にシート状に成型する。続けて、シートを成型した後、乾燥させることによって、有機系溶剤等を除去することで得ることができる。
【００３９】
グリーンシート中に占めるガラス粉末の割合は、５０〜８０質量％程度が一般的である。
【００４０】
結合剤及び溶剤としては、上記ペーストの調製に用いられるのと同様の結合剤及び溶剤を用いることができる。結合剤の混合割合としては、０．１〜３０質量％程度が一般的であり、溶剤の混合割合としては、１〜４０質量％程度が一般的である。
【００４１】
可塑剤は、乾燥速度をコントロールすると共に、乾燥させた膜に柔軟性を与える成分であり、その含有量は、０〜１０質量％程度が一般的である。可塑剤としは、フタル酸ジブチル、ブチルベンジルフタレート、ジオクチルフタレート、ジイソオクチルフタレート、ジカプリルフタレート、ジブチルフタレート等が挙げられ、これらを単独または混合して使用することができる。
【００４２】
以下に、図１を用いて本発明の半導体素子を説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００４３】
図１は本発明の半導体素子の断面図の一例である。１はマウント部、２は半導体（発光チップ）、３は封止材料、４はハウジングである。
【００４４】
１のマウント部は、電気的絶縁性に優れる樹脂、セラミックス、ガラス等からなるものが例示される。封止時にマウント部１が形成されている場合には、封止する際に温度が上昇してもその形状を安定に保持できるようなものでなければならず、例えば、アルミナからなるものが好ましい。
【００４５】
２の半導体は、典型的には波長が３６０〜４８０ｎｍの紫外光または青色光を放出する半導体であり、ＧａＮにＩｎを添加したＩｎＧａＮを発光層とする量子井戸構造の半導体（ＩｎＧａＮ系発光素子）等が例示される。尚、半導体には電流を流すための電極及びリードフレーム、また、上面にはサファイア等からなる基板が存在するが図示はしていない。
【００４６】
３の封止材料は、半導体２を封止し、半導体素子の表面が大気に露出しないよう保護し、且つ光を透過させることによって半導体２から発する光を効果的に前面に導くためのものである。
【００４７】
ハウジング４は、通常、金属板の中央に孔が形成されたものである。この孔の内面は、発光素子２から水平方向に放出された光を反射して発光素子上面から効率よく取り出すために、図１に示すようにテーパー状とすることが好ましい。また、前記孔の形状は典型的には円であるが、これに限定されず、楕円、四角等でもよい。金属板としては、アルミニウム板またはアルミニウム合金板が例示される。この場合、紫外光および可視光に対する反射率は９０％以上であるので発光素子からの光取り出し効率を高くできる。
【００４８】
また、電極とハウジング４の間には、電極とハウジング４を電気的に絶縁するための絶縁層が存在し、樹脂、セラミックス、ガラス等からなるものが例示されるが、図１には示していない。
【００４９】
本発明の半導体素子は、上記の封止材料を用いて半導体を封止することで得ることができる。
【００５０】
尚、ガラスバルクを所望の形状に加工した封止材料を用いて半導体を封止する場合、半導体を覆うようにガラス成型体の封止材料を配置し、加熱して封止材料を軟化させて融着させることで本発明の半導体素子を得ることができる。
【００５１】
また、ガラス粉末に加工した封止材料を用いて半導体を封止する場合、半導体を覆うように粉末状の封止材料を充填し、加熱して封止材料を軟化させて融着させることで本発明の半導体素子を得ることができる。
【００５２】
また、ガラス粉末を加圧成型した封止材料を用いて半導体を封止する場合、半導体上にガラス粉末成型体の封止材料を配置し、加熱して封止材料を軟化流動させることで本発明の半導体素子を得ることができる。
【００５３】
また、上記のようにして得たガラス粉末成型体を焼成した封止材料を用いて半導体を封止する場合、半導体上に焼成体の封止材料を配置し、加熱して封止材料を軟化流動させることで本発明の半導体素子を得ることができる。
【００５４】
ペースト状に加工した封止材料を用いて半導体を封止する場合、半導体を覆うようにペースト状の封止材料を塗布または充填し、乾燥させ、加熱することで本発明の半導体素子を得ることができる。
【００５５】
グリーンシート状に加工した封止材料を用いて半導体を封止する場合、半導体上にグリーンシート状の封止材料を配置し、加熱することで本発明の半導体素子を得ることができる。
【００５６】
尚、半導体の封止にあたっては、４００℃以下の温度で封止することが好ましい。このようにすることで、半導体の劣化を抑え、光学特性に優れた半導体素子を得ることができる。封止温度が４００℃より高くなると、半導体が劣化しやすくなる。封止温度のより好ましい範囲は３８０℃以下であり、より好ましくは３６０℃以下である。
【００５７】
また、１気圧（１．０１３×１０５Ｐａ）よりも低い気圧、または、中性或いは還元性雰囲気（非酸化性雰囲気）で、半導体を封止することが好ましい。このようにすることで、雰囲気中の酸素の量を少なくすることができるため、半導体の酸化による劣化を防止することができる。また、ＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラス中のＳｎＯの酸化を防止でき、ガラスの透過率の低下を防止することができる。その結果、光学特性に優れた半導体素子を得ることができる。
【００５８】
特に、粉末状、粉末を加圧成型した成型体、ペースト状またはグリーンシート状に加工された封止材料を用いて半導体を封止する場合は、１気圧（１．０１３×１０５Ｐａ）よりも低い気圧で半導体を封止することがより好ましい。このようにすることで、封止材料が軟化して融着する際に生じる泡が抜けやすくなり、封止部の気孔率（封止部に残存する泡の占める割合）を小さくでき、光の散乱が少なく透過率が高くなる。その結果、より光学特性に優れた半導体素子を得ることができる。封止雰囲気を１気圧以上にして焼成すると、封止時に、半導体やガラスが酸化されて劣化され易くなったり、また、封止時に泡が抜け難くなり、光学特性に優れた半導体素子が得難くなる。封止雰囲気の気圧の好ましい範囲は０．９×１０５Ｐａ以下であり、より好ましくは１０００Ｐａ以下であり、更に好ましくは２００Ｐａ以下であり、特に好ましくは０．００１〜２００Ｐａである。
【実施例】
【００５９】
以下、実施例に基づき本発明を説明する。
【００６０】
表１〜表４は、本発明の実施例（試料Ｎｏ．１〜２３）及び比較例（試料Ｎｏ．２４〜２６）をそれぞれ示している。
【００６１】
【表１】
【００６２】
【表２】
【００６３】
【表３】
【００６４】
【表４】
【００６５】
表の各試料は、次のようにして調製した。
【００６６】
まず、表に示すガラス組成となるように原料を調合し、均一に混合した。次いで、調合した原料をアルミナ坩堝に入れてＮ２雰囲気中で、９００℃、２時間溶融（Ｎｏ．２６のみ１２００℃で２時間溶融）した後、ガラス融液の一部をカーボン板の上に流し出して、板状に成形し、残りをローラー成型器を用いてフィルム状に成形した。続いて、得られたフィルム状のガラスをらいかい機で粉砕した後、３２５メッシュの篩に通して分級し、ガラス粉末を得た。得られた板状ガラスについては、アニール後、切断、研磨加工を行い、ガラスの内部透過率及び屈折率の測定し、ガラス粉末については、軟化点を測定した。これらの測定結果を表に示した。
【００６７】
次に、得られたガラス粉末を金型に入れて加圧成形し、直径１０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの円盤状の成型体を作製し、封止材料を得た。
【００６８】
次に、アルミナ基板上に市販のチップ型青色ＬＥＤ（３×２×１．３ｍｍ）を設置した後、ＬＥＤ上に加圧成型した上記の封止材料を配置し、その後、これを表に示す圧力下及び温度で２０分間加熱封止して半導体素子（発光素子）を得た。
【００６９】
このようにして得られた試料について、封止前、封止後及び耐候性試験後の発光効率を測定し、封止材料と半導体素子との反応性及び耐候性を評価し、結果を表に示した。
【００７０】
表から明らかなように、試料Ｎｏ．１〜２２は、ガラスの軟化点が３９５℃以下と低いため、４００℃以下の温度でＬＥＤを封止することができた。また、ガラスの内部透過率が８７％以上、屈折率（ｎｄ）が１．７２〜１．８５であるガラスからなる封止材料を用いてＬＥＤを封止しているため、封止後の発光効率は８．２ｌｍ／Ｗ以上と高く、光学特性に優れていた。さらに、耐候性試験後の発光効率も７．０ｌｍ／Ｗ以上で、耐候性試験による発光効率の低下率（１−封止後の発光効率／耐候性試験後の発光効率）も３０％以下と低く、耐候性にも優れていた。尚、試料Ｎｏ．２３については、１気圧の圧力下の雰囲気で封止したため、封止する際に、封止部に微小な泡が多く残存し、封止部での散乱損失が大きくなり、試料Ｎｏ．１〜２２に比べて、封止後の発光効率が７．９ｌｍ／Ｗと低かった。
【００７１】
これに対して、比較例である試料Ｎｏ．２４は、軟化点が４１０℃高いため、封止時半導体が劣化し、封止後の発光効率が５．５ｌｍ／ｗと低かった。また、耐候性試験による発光効率の低下率は３６％であり、耐候性も低かった。また、試料Ｎｏ．２５は、封止する際に、封止材料とＬＥＤが反応して半導体が劣化したため、発光しなかった。また、封止部には着色が認められた。さらに、試料Ｎｏ．２６は、ガラスの軟化点が５７０℃と高いため、封止温度も高くなり、封止時に半導体が劣化し、発光しなかった。
【００７２】
尚、ガラスの内部透過率については、板状に成形したガラスを肉厚が１ｍｍになるように光学研磨加工を行って、分光光度計を用いて波長５８８ｎｍにおける透過率及び反射率を測定し、内部透過率（透過率に試料両面での反射率を加えた値）を求めた。
【００７３】
屈折率（ｎｄ）については、カルニュー屈折率計にてヘリウムランプのｄ線（５８７．６ｎｍ）に対する測定値で示した。
【００７４】
軟化点については、マクロ型示差熱分析計を用いて測定し、第四の変曲点の値を軟化点とした。
【００７５】
発光効率については、半導体素子を電流２０ｍＡで操作し、積分球内で、試料上面から発せられる光のエネルギー分布スペクトルを測定し、得られたスペクトルに標準比視感度を掛け合わせて全光束を計算し、得られた全光束を光源の電力（０．０７２Ｗ）で除して算出した。
【００７６】
また、封止材料と半導体素子との反応性の評価については、封止前後の発光効率の差で評価した。尚、この差が小さい程、半導体素子を封止する際の熱によって、封止材料が半導体素子と反応しにくいことを意味する。
【００７７】
また、耐候性の評価については、封止後の半導体素子をプレッシャークッカー試験機にて気圧２気圧、湿度９５％、温度１２１℃の条件下に２４時間放置し、耐候性試験前後の発光効率の差で評価した。尚、この差が小さい程、封止材料が耐候性に優れていることを意味する。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の封止材料及び半導体素子は、ＬＥＤ用途に限られるものではなく、レーザーダイオード等のように、ハイパワーの励起光を発するものに用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の半導体素子の断面図の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００８０】
１ マウント部
２ 半導体（発光チップ）
３ 封止材料
４ ハウジング
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体を封止するための封止材料であって、厚さ１ｍｍ、波長５８８ｎｍにおける内部透過率が８０％以上であり、且つ、４００℃以下の軟化点を有するＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスからなることを特徴とする半導体封止材料。
【請求項２】
ＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスが、１．５〜２．２の屈折率（ｎｄ）を有することを特徴とする請求項１記載の半導体封止材料。
【請求項３】
ＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスが、Ｂ２Ｏ３を１〜３０モル％含有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体封止材料。
【請求項４】
ＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスが、モル比で、ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５ ０．９〜１６であることを特徴とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体封止材料。
【請求項５】
ＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスが、モル百分率で、ＳｎＯ ３５〜８０％、Ｐ２Ｏ５ ５〜４０％、Ｂ２Ｏ３ １〜３０％、Ａｌ２Ｏ３ ０〜１０％、ＳｉＯ２ ０〜１０％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１０％、Ｎａ２Ｏ ０〜１０％、Ｋ２Ｏ ０〜１０％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ ０〜１０％、ＭｇＯ ０〜１０％、ＣａＯ ０〜１０％、ＳｒＯ ０〜１０％、ＢａＯ ０〜１０％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０〜１０％、ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５ ０．９〜１６であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体封止材料。
【請求項６】
ガラス成型体、ガラス粉末、ガラス粉末成型体、焼成体、ペーストまたはグリーンシートに加工されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体封止材料。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の封止材料を用いて半導体を封止してなることを特徴とする半導体素子。
【請求項８】
可視域において光を発する半導体を封止してなることを特徴とする請求項７記載の半導体素子。
【請求項９】
４００℃以下の温度で半導体を封止してなることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体素子。
【請求項１０】
１気圧（１．０１３×１０５Ｐａ）よりも低い気圧で半導体を封止してなることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項１】
半導体を封止するための封止材料であって、厚さ１ｍｍ、波長５８８ｎｍにおける内部透過率が８０％以上であり、且つ、４００℃以下の軟化点を有するＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスからなることを特徴とする半導体封止材料。
【請求項２】
ＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスが、１．５〜２．２の屈折率（ｎｄ）を有することを特徴とする請求項１記載の半導体封止材料。
【請求項３】
ＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスが、Ｂ２Ｏ３を１〜３０モル％含有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体封止材料。
【請求項４】
ＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスが、モル比で、ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５ ０．９〜１６であることを特徴とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体封止材料。
【請求項５】
ＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３系ガラスが、モル百分率で、ＳｎＯ ３５〜８０％、Ｐ２Ｏ５ ５〜４０％、Ｂ２Ｏ３ １〜３０％、Ａｌ２Ｏ３ ０〜１０％、ＳｉＯ２ ０〜１０％、Ｌｉ２Ｏ ０〜１０％、Ｎａ２Ｏ ０〜１０％、Ｋ２Ｏ ０〜１０％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ ０〜１０％、ＭｇＯ ０〜１０％、ＣａＯ ０〜１０％、ＳｒＯ ０〜１０％、ＢａＯ ０〜１０％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０〜１０％、ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５ ０．９〜１６であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体封止材料。
【請求項６】
ガラス成型体、ガラス粉末、ガラス粉末成型体、焼成体、ペーストまたはグリーンシートに加工されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体封止材料。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の封止材料を用いて半導体を封止してなることを特徴とする半導体素子。
【請求項８】
可視域において光を発する半導体を封止してなることを特徴とする請求項７記載の半導体素子。
【請求項９】
４００℃以下の温度で半導体を封止してなることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体素子。
【請求項１０】
１気圧（１．０１３×１０５Ｐａ）よりも低い気圧で半導体を封止してなることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の半導体素子。
【図１】
【公開番号】特開２００８−３４８０２（Ｐ２００８−３４８０２Ａ）
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１２３７２４（Ｐ２００７−１２３７２４）
【出願日】平成１９年５月８日（２００７．５．８）
【出願人】（０００２３２２４３）日本電気硝子株式会社 (1,447)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月８日（２００７．５．８）
【出願人】（０００２３２２４３）日本電気硝子株式会社 (1,447)
【Ｆターム（参考）】
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