発光デバイス
【課題】発光素子６で生成される熱を効率よく放熱することができる発光デバイス１を提供する。
【解決手段】発光デバイス１は、表面に窪み２と裏面に凹部３が形成されたガラス基板４と、ガラス基板４に埋め込まれ、ガラス基板４の側面と窪み２の底面において露出する部位を持つリードフレーム５と、窪み２に収納される発光素子６と、凹部３に充填された熱伝導性材料７と、発光素子６を覆う封止材８とから構成され、発光素子６により生成される熱をリードフレーム５と熱伝導性材料７により外部に放熱できるようにした。
【解決手段】発光デバイス１は、表面に窪み２と裏面に凹部３が形成されたガラス基板４と、ガラス基板４に埋め込まれ、ガラス基板４の側面と窪み２の底面において露出する部位を持つリードフレーム５と、窪み２に収納される発光素子６と、凹部３に充填された熱伝導性材料７と、発光素子６を覆う封止材８とから構成され、発光素子６により生成される熱をリードフレーム５と熱伝導性材料７により外部に放熱できるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス基板を用いたパッケージ材料に発光素子を実装した発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガラスパッケージを使用した電子部品が実用化されている。ガラス材料は、外部から浸入する水分や汚染物質を妨げ、気密性が高い。また、ガラス材料は、半導体素子を形成するシリコン基板と熱膨張係数が近似するので、ガラスパッケージに半導体素子を実装したときの実装面や接合面の信頼性が高い。また、ガラス材料は安価であることから、製品のコスト上昇を抑制することができる。
【０００３】
図９は、ガラス材料にＬＥＤ素子を実装したＬＥＤ発光装置の断面図である（特許文献１の図１）。ガラス基板５１には貫通電極５２が形成されている。貫通電極５２の上には接続用の電極メタライズ５３Ｂが形成され、電極メタライズ５３Ｂの上には複数のＬＥＤ素子５６Ａが実装されている。ＬＥＤ素子５６Ａの上面と電極メタライズ５３Ｂとはワイヤー５７により電気的に接続されている。ガラス基板５１の下面には外部と接続用の電極メタライズ５３Ａが形成されている。電極メタライズ５３Ａは貫通電極５２に電気的に接続されている。従って、ＬＥＤ素子５６Ａに対して、下面に形成した電極メタライズ５３Ａから電力を供給することができる。
【０００４】
ガラス基板５１の上面には、貫通孔５８が形成されたＳｉ基板５４が、ＬＥＤ素子５６Ａを囲むように設置されている。Ｓｉ基板５４はガラス基板５１の表面に陽極接合されている。Ｓｉ基板５４の内壁面は傾斜し、内壁面の表面には反射膜５５が形成されている。ＬＥＤ素子５６Ａで発光した光は反射膜５５により反射して、上方向に指向性のある光として射出される。ＬＥＤ素子５６Ａは複数個実装されているので、発光の強度を高くすることができる。また、ＬＥＤ素子５６Ａから生成される熱は、貫通電極５２と電極メタライズ５３Ａを介して外部へ放熱することができる。
【０００５】
この従来例では、ガラス基板５１の貫通電極５２は、ガラス基板５１に形成した貫通孔の内壁にＣｕ、Ｎｉなどをメッキし、その後、導電性樹脂や半田などを充填して形成されている。また、ガラス基板５１の裏面の電極メタライズ５３Ａは、ガラスの表面にＴｉ層、その上にＴｉ層保護のためのバリア層となるＰｔ層、あるいはＮｉ層、さらに表面酸化を防止するＡｕ層などをスパッタリング法や蒸着法などにより堆積し、フォトプロセスを通してパターニングされている。
【０００６】
図１０は、ガラス材料にＬＥＤ発光素子６１を埋め込んだ発光装置６０の断面図である（特許文献２の図１）。ＬＥＤ発光素子６１は面実装によりバンプ６２を介してサブマウント６３に実装され、サブマウント６３は、リード６４Ａ、６４Ｂの先端に形成された段差部に接続されている。周囲は封止部材６５により覆われており、封止部材６５としてガラスを使用することが記載されている。ガラスからなる封止部材６５はリード６４Ａ、６４Ｂの下部側で薄く、ＬＥＤ発光素子６１から発光される光が射出する側は凸状に厚く形成されている。
【０００７】
この発光装置６０は、ＬＥＤ発光素子６１に対して熱膨張率が１５０％から５００％の範囲の透光性ガラス部及び金属部で全体が包囲されている。また、ＬＥＤ発光素子６１に対し、給電部材（リード６４Ａ、６４Ｂ）及び封止部材６５の熱膨張率が大となるように形成されている。また、ＬＥＤ発光素子６１あるいはサブマウント６３の部材に対し、給電部材及び封止部材６５の熱膨張率が大となるように形成されている。これにより、応力方向が調整されて熱収縮差に起因して生じるクラック等の発生を防止することができる、というものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−４２７８１号公報
【特許文献２】特開２００７−３０６０３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＬＥＤ素子は発光すると同時に発熱する。特許文献１においては裏面側に貫通電極を介して放熱する構造であるが、発光素子数を増加させる、あるいは発光強度を高くすると、発光素子近傍に熱が蓄積し、高温となって発光素子の発光効率が低下する課題があった。また、発光素子の点灯、消灯を繰り返すことにより貫通電極が高温と低温の温度サイクルに晒され、貫通電極とガラスの界面の気密性が低下し、外部から水分等が浸入して発光素子の寿命を低下させる原因となった。
【００１０】
また、特許文献２に記載される発光装置では、ガラスを使用した封止部材は凸状に湾曲した形状となることからＬＥＤ発光素子から射出した光は周囲に拡散して指向性を持たせることができない。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決し、発光素子により生成された熱が速やかに外部に放熱される構造の発光デバイスを提供することを目的としてなされた。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の発光デバイスは、ガラス基板の表面に窪みが形成され、ガラス基板の裏面に窪みに対応して凹部が形成されている。このガラス基板にはリードフレームが埋め込まれており、リードフレームは、ガラス基板の側面と窪みの底面において露出する部位を持つ。窪みには、発光素子が収納され、露出したリードフレームに電気的に接続されるとともに、封止材によって覆われている。さらに、凹部には熱伝導性材料が充填される。
【００１３】
また、リードフレームは、ガラス基板の凹部の底面において露出し、熱伝導性材料は、リードフレームに接触している。
【００１４】
また、発光素子は、凹部の底面において露出し、熱伝導性材料は、発光素子に接触している。
【００１５】
また、リードフレームは複数形成され、窪みの底面において一方のリードフレームが他方のリードフレームを挟むように配置されている。
【００１６】
また、ガラス基板は、窪みを構成する領域において白色又は乳白色を呈する。
【００１７】
また、封止材は、金属アルコキシドから形成される。
【００１８】
また、ガラス基板とリードフレームの熱膨張係数の差が、４×１０-6／Ｋ（Ｋはケルビン）以下である。
【００１９】
また、ガラス基板の熱膨張係数は８×１０-6／Ｋから１１×１０-6／Ｋであり、リードフレームの熱膨張係数は４×１０-6から１５×１０-6／Ｋである。
【００２０】
また、リードフレームは、材料の異なる金属が接合されたクラッド材からなる。
【００２１】
また、リードフレームは金属材料で形成されており、リードフレームとガラス基板との間の接合面には、リードフレームを構成する金属材料の酸化物からなる酸化膜が形成されている。
【００２２】
また、リードフレームには、ガラス基板に埋め込まれた領域において貫通孔が形成されている。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の発光デバイスの構成によれば、発光素子で発生した熱はリードフレームと熱伝導性材料の両方を介して外部に放熱される。そのため、発光素子近傍に蓄熱されることを防止し、発光素子の高温化に伴う発光効率の低下や、部材間の境界面における気密性の低下を防止することができる。また、発光素子はガラス材料の窪みに実装されるので、発光素子から射出される光の指向性を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第一実施形態に係る発光デバイスの説明図である。
【図２】本発明の第二実施形態に係る発光デバイスの説明図である。
【図３】本発明の第三実施形態に係る発光デバイスの説明図である。
【図４】本発明の第四実施形態に係る発光デバイスの説明図である。
【図５】本発明の第五実施形態に係る発光デバイスの説明図である。
【図６】本発明の第六実施形態に係る発光デバイスの説明図である。
【図７】本発明の第七実施形態に係る発光デバイスの説明図である。
【図８】本発明の発光デバイスの製造方法を表すフロー図である。
【図９】従来公知のＬＥＤ発光装置の断面図である。
【図１０】従来公知の発光装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の発光デバイスは、表面に窪みとこの窪みに対応する裏面に凹部が形成されたガラス基板を備えている。ガラス基板にはリードフレームが埋め込まれている。リードフレームはガラス基板の側面と窪みの底面において露出している。窪みには発光素子が収納され、封止材により覆われている。発光素子は窪みの底面において露出するリードフレームと電気的に接続されている。ガラス基板の裏面の凹部には熱伝導性材料が充填されている。これにより、発光素子で発生した熱はリードフレームと熱伝導性材料の両方を介して外部に放熱されるので、発光素子の高温化を効果的に防止することができる。また、発光素子はガラス基板の窪みに収納されるので射出される光の指向性を制御することができる。
【００２６】
また、リードフレームをガラス基板の裏面に形成した凹部の底面において露出するように形成し、熱伝導性材料と直接接触するように形成することができる。熱伝導性材料とリードフレームが直接接触することにより、発光素子で発生した熱を、リードフレームを介して逃がすほかに熱伝導性材料を介して効果的に逃がすことができるようになる。これにより、発光素子の温度上昇を抑制することができる。
【００２７】
また、ガラス基板の凹部の底面において熱伝導性材料が発光素子に直接接触するように形成することができる。熱伝導性材料と発光素子とが直接接触することにより、発光素子で発生した熱の放熱特性を向上させることができる。
【００２８】
また、リードフレームを複数形成し、窪みの底面において一方のリードフレームが他方のリードフレームをはさむように配置することができる。発光素子が電力供給を受けて発光し他方のリードフレームが昇温したときに、この他方のリードフレームを挟んでいる一方のリードフレームにも熱が伝達される。その結果、複数のリードフレームにより熱を外部に伝達するので、放熱効果を向上させることができる。以下本発明について実施形態に基づいて具体的に説明する。
【００２９】
（第一実施形態）
図１は本発明の第一実施形態に係る発光デバイス１の説明図である。図１（ａ）は発光デバイス１の模式的な上面図、（ｂ）は部分ＸＸの模式的な縦断面図、（ｃ）は部分ＹＹの模式的な縦断面図である。
【００３０】
図１（ｂ）に示すように、ガラス基板４の表面の中央部にはすり鉢状の窪み２が形成されている。ガラス基板４の厚さ方向の略中央部にはリードフレーム５ａ、５ｂが分離して埋め込まれている。リードフレーム５ａ、５ｂは、窪み２の底面においてガラス基板４から露出し、ガラス基板４の左辺及び右辺の端面から突出している。図１（ａ）に示すように、リードフレーム５ａは所定幅で窪み２の底面の左側から中央部にかけて延設され、リードフレーム５ｂは所定幅の二股に分離し、窪み２の底面の右側から中央部に向けてリードフレーム５ａを挟むように延設されている。
【００３１】
発光素子６は、リードフレーム５ａの先端部の上面にボンディング材１０を介して実装されている。リードフレーム５ａは発光素子６の裏面に形成された図示しない電極と電気的に接続されている。リードフレーム５ｂは発光素子６の表面に形成された図示しない電極とワイヤー９を介して電気的に接続されている。発光素子６及びワイヤー９は封止材８により封止され、外部から水分や不純物が侵入して発光素子６を劣化させる、あるいは配線を腐食させることを防止している。ガラス基板４の裏面には凹部３が形成されている。凹部３には熱伝導性材料７が充填され、凹部３の底面に露出するリードフレーム５ａと接触している。
【００３２】
リードフレーム５ａと５ｂを介して発光素子６に電力を供給することができる。発光素子６が発光すると発熱する。発光素子６により発生した熱は、リードフレーム５ａ及び熱伝導性材料７を介して外部に放熱される。これにより、発光素子６が高温に昇温し発光効率が低下すること、周辺の構成部品、例えばガラス基板４と熱伝導性材料７やリードフレーム５ａ、５ｂとの界面が劣化して気密性が低下することを防止することができる。また、窪み２の底面に露出するリードフレーム５ａの先端部をリードフレーム５ｂが挟むように近接して設けられているので、発光素子６により生成された熱はリードフレーム５ｂに伝達する。つまり、リードフレーム５ｂも放熱機能を有するので、更に放熱が促進される。
【００３３】
発光素子６として例えばＬＥＤを使用することができる。発光素子６は１個だけ設けてもよいし、複数個設けてもよい。ガラス基板４は低融点ガラスや高融点ガラスを使用することができる。ガラス基板４は、白色または乳白色を呈する材料を使用することができる。例えば、ガラス材料に燐酸（Ｐ２Ｏ５）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ボロン（Ｂ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）等の酸化物を混入させることにより乳白色とすることができる。この白色や乳白色はＬＥＤから発光した光や熱により変色することがないので、発光デバイス１の信頼性を損なわない。
【００３４】
リードフレーム５ａ、５ｂとして、ＮｉＦｅ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、或いはコバールを使用することができる。例えば、４２％ＮｉＦｅ合金や、４５％ＮｉＦｅ合金を使用することができる。ガラス基板４とリードフレーム５の熱膨張係数の差を、４×１０-6／Ｋ以下とすることが好ましい。熱膨張係数の差を４×１０-6／Ｋ以下とすれば、発光素子６のオン・オフが繰り返され、熱サイクルにさらされる場合でも、リードフレーム５とガラス基板４との間の接合が維持され、気密性が保持される。例えば、ガラス基板４の熱膨張係数を８×１０-6／Ｋから１１×１０-6／Ｋとし、リードフレーム５の熱膨張係数を４×１０-6から１５×１０-6／Ｋとする。これにより、ガラス基板４との間の熱膨張係数差をあまり大きくしないで、リードフレーム５の利用可能な材料の範囲を拡大させることができる。
【００３５】
熱伝導性材料７として、Ａｇペースト、Ａｕペースト、Ｃｕペースト、ＡｕＳｎ合金ペースト、その他の金属、合金または金属と無機物の混合材料を使用することができる。封止材８として、透明な無機材料や合成樹脂材料を使用することができる。例えば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硬化させたシリコン酸化物とすることができる。ガラス基板４がシリコン酸化物であることから、封止材８もシリコン酸化物を使用することにより接合性が向上し、また熱膨張率の差を小さくすることができる。
【００３６】
なお、窪み２の傾斜面に反射膜を形成して発光素子６から射出される光の指向性を向上させるようにしてもよい。反射膜としてＡｇ膜、アルミニウム膜、多層誘電体膜を用いることができる。また、リードフレーム５ａ、５ｂの平面形状として、窪み２からガラス基板４の左右の両端に向けて次第に幅が拡大するように形成することができる。また、凹部３の縦断面形状を台形形状とすることができる。高温部から低温部に向けて熱伝導体の断面積が拡大するように構成すれば、放熱効果を向上させることができる。また、ガラス基板４の裏面に裏面電極を形成し、熱伝導性材料７と電気的及び熱的に導通するように構成することができる。この裏面電極は、発光素子６に電力を供給する電極として、また放熱手段として利用することができる。
【００３７】
（第二実施形態）
図２は本発明の第二実施形態に係る発光デバイス１の説明図であり、（ａ）は発光デバイス１の模式的な上面図、（ｂ）は部分ＸＸの模式的な縦断面図、（ｃ）は部分ＹＹの模式的な縦断面図である。第一実施形態と異なる部分は、発光素子６がボンディング材１０を介して熱伝導性材料７の上に実装されている点であり、その他の部分は第一実施形態と同様なので説明を省略する。
【００３８】
発光素子６の下部のガラス基板４には凹部３が形成され、その凹部３には熱伝導性材料７が充填されている。発光素子６はボンディング材１０を介して熱伝導性材料７の上に実装されている。熱伝導性材料７は熱伝導体であると同時に導電体でもあるので、発光素子６と熱伝導性材料７とは電気的に接続される。また、リードフレーム５ａと熱伝導性材料７とは、直接接続する又はボンディング材１０を介在して接続し、電気的に導通する。従って、発光素子６にリードフレーム５ａと５ｂから電力を供給してもよいし、熱伝導性材料７とリードフレーム５ｂから電力を供給してもよい。本第二実施形態では、リードフレーム５よりも熱伝導性材料７の熱伝導率が高い場合に有効である。
【００３９】
（第三実施形態）
図３は本発明の第三実施形態に係る発光デバイス１の説明図であり、（ａ）は発光デバイス１の模式的な上面図、（ｂ）は部分ＸＸの模式的な縦断面図である。第一実施形態と異なる部分は、窪み２の底面におけるリードフレーム５の平面的形状である。その他の部分は第一実施形態と同様なので説明を省略する。
【００４０】
リードフレーム５ａ、５ｂは、ガラス基板４の厚さ方向の中央部に分離して埋め込まれている。リードフレーム５ａ、５ｂは、窪み２の底面においてガラス基板４から露出し、ガラス基板４の左辺及び右辺の端面から突出している。窪み２の底面において、リードフレーム５ａは所定幅で窪み２の底面の左側から右側まで延設され、リードフレーム５ｂは所定幅の二股に分離し、窪み２の底面の右側から左側までリードフレーム５ａを挟むように延設されている。
【００４１】
発光素子６は、ボンディング材１０を介してリードフレーム５ａの露出面に実装されている。発光素子６の裏面に形成された図示しない電極とリードフレーム５ａとはボンディング材１０を介して電気的に接続されている。発光素子６の上面に形成される図示しない電極とリードフレーム５ｂとはワイヤー９により電気的に接続されている。
【００４２】
リードフレーム５ａと５ｂから電力が供給されると発光素子６は発光し、同時に発熱する。リードフレーム５ｂはリードフレーム５ａを窪み２の底辺において挟むように近接して設けられている。そのため、発光素子６により生成された熱は、リードフレーム５ａ、裏面側に形成した熱伝導性材料７に加えて、リードフレーム５ｂにも伝達し、放熱される。そのために、発光素子６により生成された熱の放熱性が更に向上する。
【００４３】
（第四実施形態）
図４は、本発明の第四実施形態に係る発光デバイス１の説明図であり、（ａ）は発光デバイス１の模式的な上面図、（ｂ）は模式的な縦断面図である。第一実施形態と異なる部分は、窪み２の下部のリードフレーム５ａ、５ｂの平面的形状であり、その他の部分は第一実施形態と同様なので説明を省略する。
【００４４】
リードフレーム５ａは、窪み２の底面の左側から中央部まで延設されている。リードフレーム５ｂは、窪み２の底面の右側からリードフレーム５ａの先端部分まで近接するように延設されている。発光素子６はリードフレーム５ａの延設部の上面にボンディング材１０を介して実装され、発光素子６の裏面に形成された図示しない電極と電気的に接続される。発光素子６の上面に形成された図示しない電極とリードフレーム５ｂとはワイヤー９により電気的に接続されている。リードフレーム５ａ、５ｂをこのように配置することにより、窪み２の底面の配線密度を向上させることができ、例えば１つの窪み２に複数の発光素子６を高密度に実装することができる。
【００４５】
なお、上記第一から第四実施形態において発光素子６の上面の電極とリードフレーム５ｂとをワイヤー９により電気的に接続しているが、発光素子６の電極が発光素子６の裏面に集約的に形成される場合は、リードフレーム５ａ、５ｂの上に発光素子６を、ボンディング材１０を介して面実装により設置することができる。この場合、リードフレーム５ａ及び熱伝導性材料７の他に、リードフレーム５ｂも放熱手段として機能する。
【００４６】
（第五実施形態）
図５は、本発明の第五実施形態に係る発光デバイス１の説明図であり、（ａ）は発光デバイス１の模式的な縦断面図、（ｂ）は模式的な上面図である。第一実施形態と異なる部分は、リードフレーム５の平面形状及び配置であり、その他の部分は第一実施形態と同様なので説明を省略する。
【００４７】
ガラス基板４は四角形の平面形状を有している。リードフレーム５ａ、５ｂ、５ｃはガラス基板４の厚さ方向のほぼ中央部に埋め込まれている。リードフレーム５ａ、５ｂは互いに分離している。リードフレーム５ａは、ガラス基板４の左辺の端面から突出し、窪み２の底面の左周辺部まで延設されている。リードフレーム５ｂは、ガラス基板４の右辺の端面から突出し、窪み２の底面の右周辺部まで延設されている。リードフレーム５ｃは、ガラス基板４の上辺及び下辺の端面から突出し、窪み２の底面において所定幅で横断している。
【００４８】
各リードフレーム５ａ、５ｂ、５ｃがガラス基板４に埋め込まれている領域には貫通孔１１ａ、１１ｂ、１１ｃが形成されている。この貫通孔１１を介してガラス基板４のガラス材料が連絡するので、リードフレーム５ａ、５ｂ、５ｃとガラス材料との間の密着性が向上する。
【００４９】
発光素子６は窪み２の底面の中央部においてリードフレーム５ｃの上面にボンディング材１０を介して実装されている。発光素子６の裏面には図示しない電極が形成され、ボンディング材１０を介してリードフレーム５ｃに電気的に接続されている。発光素子６の上面に形成された図示しない電極とリードフレーム５ａ、５ｂとはワイヤー９により電気的に接続されている。従って、発光素子６はリードフレーム５ａ、５ｂとリードフレーム５ｃから電力の供給を受けて発光する。
【００５０】
リードフレーム５ｃの発光素子６が実装された上面と反対側の裏面は、ガラス基板４の裏面に形成された凹部３に露出し、その凹部３に充填された熱伝導性材料７と接触する。従って、発光素子６により生成された熱は、リードフレーム５ｃと熱伝導性材料７を介して外部に放熱される。リードフレーム５ｃは、基板の上辺と下辺の２つの端面から突出する。発光素子６で生成された熱は、リードフレーム５ｃの上辺側、下辺側及び熱伝導性材料７の経路を経て外部に放熱されるので、放熱効率がより向上する。なお、ガラス基板４の各端面から突出するリードフレーム５ａ、５ｂ、５ｃを、第一から第四実施形態のように幅広の形状にすれば、放熱機能を更に向上させることができる。
【００５１】
（第六実施形態）
図６は、本発明の第六実施形態に係る発光デバイス１の模式的な縦断面図である。本第六実施形態においては、リードフレーム５ａ、５ｂとガラス基板４との間に酸化膜１２が形成されている点が他の実施形態と異なる。
【００５２】
リードフレーム５ａ、５ｂはガラス基板４の厚さ方向の中央部に埋め込まれている。ガラス基板４の表面には窪み２が形成され、この窪み２の底面においてリードフレーム５ａ、５ｂがガラス基板４から露出している。発光素子６は窪み２の底面のほぼ中央部においてリードフレーム５ａの上面にボンディング材１０を介して実装されている。発光素子６の裏面には図示しない電極が形成され、ボンディング材１０を介してリードフレーム５ａに電気的に接続されている。発光素子６の上面に形成された図示しない電極と、窪み２の底面に露出するリードフレーム５ｂとはワイヤー９により電気的に接続されている。
【００５３】
ガラス基板４の裏面には凹部３が形成され、熱伝導性材料７が充填されている。熱伝導性材料７とリードフレーム５ａの裏面とは接触し、電気的及び熱的に接続される。窪み２には封止材８が充填され、外部から水分等が浸入し、発光素子６やワイヤー９が腐食・劣化することを防止している。その他、ガラス基板４やリードフレーム５の材料、それらの熱膨張係数、熱伝導性材料７や封止材８の材料等については第一実施形態においてすでに説明したことと同様なので、記載を省略する。
【００５４】
このように、リードフレーム５ａ、５ｂとガラス基板４の間の酸化膜１２を形成することにより、ガラス基板４のガラス材料とリードフレーム５の材料との接合性、密着性が向上し、信頼性の高い発光デバイス１を形成することができる。更に、発光素子６の下部に凹部３を形成し熱伝導性材料７を充填したことにより、発光素子６において生成される熱をリードフレーム５ａの他に熱伝導性材料７を介して放熱することができるので、発光素子６の温度上昇を抑えることができる。
【００５５】
（第七実施形態）
図７は本発明の第七実施形態に係る発光デバイス１の模式的な縦断面図である。第六実施形態と異なる点は、リードフレーム５ａ、５ｂとしてクラッド材を使用している点であり、その他の構成は第六実施形態と同様なので説明を省略する。
【００５６】
リードフレーム５ａ、５ｂとして２種類以上の異なる金属を張り合わせたクラッド材を使用することができる。例えば、一層目（５ａ１、５ｂ１）をＣｕとし、二層目（５ａ２、５ｂ２）をＮｉＦｅ合金とし、三層目（５ａ３、５ｂ３）をＣｕとする。また、更に三層目にＮｉＦｅ合金を貼り合わせることもできる。これにより熱膨張係数はガラス基板４に近く、例えば熱膨張係数の差を４×１０-6／Ｋ以下とすることができる。また、抵抗が小さく、かつ熱伝導性を高くすることができる。その結果、発光素子６に供給する際に電圧降下を低減し、発光素子６で発生した熱を効率よく放熱することができる。更に、リードフレーム５ａ、５ｂの一層目をＮｉＦｅ合金、二層目をＣｕとすれば、リードフレーム５に対する半田付けが容易となる。
【００５７】
なお、第六実施形態及び第七実施形態において、ガラス基板４の側端面から露出するリードフレーム５ａ、５ｂは、ガラス基板４の側面に沿って折り曲げられ、ガラス基板４の側面に接合しているが、これに代えて、側端面からリードフレーム５ａ、５ｂを突出するように構成してもよい。
【００５８】
図８は、本発明に係る発光デバイス１の製造方法の一例を示すフロー図である。図８（ａ）は、リードフレーム５を厚さ方向の略中央部に埋め込み、表面に窪み２を裏面に凹部３を形成したガラス基板４の縦断面図である。ガラス材料を６００℃〜９００℃に加熱して軟化又は溶融し、成型法によりリードフレーム５を埋め込むと同時に窪み２及び凹部３を形成する。図８（ｂ）は、ガラス基板４の凹部３に熱伝導性材料７を充填したガラス基板４の縦断面図である。熱伝導性材料７はガラスフィラーを含むＡｇである。ガラス基板４の裏面からガラスフィラーを０．１％〜２０％含むＡｇペーストを印刷する。次に、温度４００℃〜８００℃に加熱して焼結した。なお、熱伝導性材料７としてＡｇの他にＡｕ、ＣｕやＡｕＳｎ合金ペースト等を使用することができる。
【００５９】
図８（ｃ）は、発光素子６を窪み２の底面に露出するリードフレーム５の上に実装したガラス基板４の縦断面図である。ボンディング材１０を介して発光素子６をリードフレーム５の上に実装する。更に、ワイヤー９を発光素子６の上面に形成した図示しない電極とリードフレーム５ｂとの間に接続する。図８（ｄ）は、窪み２に封止材８を充填したガラス基板４の縦断面図である。透明樹脂を窪み２に塗布して焼成する。また、封止材８は、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硬化させたシリコン酸化物とすることができる。具体的には、ディスペンサ等を用いて金属アルコキシド溶液を窪み２に充填する。これを室温から約６０℃において重合してシリコン酸化物の湿潤ゲルを形成し、温度約１００℃又は１００℃以上において乾燥、焼成を行い、シリコン酸化物を形成する。あるいは、ポリメタロキサンを充填して、上記と同様に重合及び焼成してシリコン酸化物を形成することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１ 発光デバイス
２ 窪み
３ 凹部
４ ガラス基板
５ リードフレーム
６ 発光素子
７ 熱伝導性材料
８ 封止材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス基板を用いたパッケージ材料に発光素子を実装した発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガラスパッケージを使用した電子部品が実用化されている。ガラス材料は、外部から浸入する水分や汚染物質を妨げ、気密性が高い。また、ガラス材料は、半導体素子を形成するシリコン基板と熱膨張係数が近似するので、ガラスパッケージに半導体素子を実装したときの実装面や接合面の信頼性が高い。また、ガラス材料は安価であることから、製品のコスト上昇を抑制することができる。
【０００３】
図９は、ガラス材料にＬＥＤ素子を実装したＬＥＤ発光装置の断面図である（特許文献１の図１）。ガラス基板５１には貫通電極５２が形成されている。貫通電極５２の上には接続用の電極メタライズ５３Ｂが形成され、電極メタライズ５３Ｂの上には複数のＬＥＤ素子５６Ａが実装されている。ＬＥＤ素子５６Ａの上面と電極メタライズ５３Ｂとはワイヤー５７により電気的に接続されている。ガラス基板５１の下面には外部と接続用の電極メタライズ５３Ａが形成されている。電極メタライズ５３Ａは貫通電極５２に電気的に接続されている。従って、ＬＥＤ素子５６Ａに対して、下面に形成した電極メタライズ５３Ａから電力を供給することができる。
【０００４】
ガラス基板５１の上面には、貫通孔５８が形成されたＳｉ基板５４が、ＬＥＤ素子５６Ａを囲むように設置されている。Ｓｉ基板５４はガラス基板５１の表面に陽極接合されている。Ｓｉ基板５４の内壁面は傾斜し、内壁面の表面には反射膜５５が形成されている。ＬＥＤ素子５６Ａで発光した光は反射膜５５により反射して、上方向に指向性のある光として射出される。ＬＥＤ素子５６Ａは複数個実装されているので、発光の強度を高くすることができる。また、ＬＥＤ素子５６Ａから生成される熱は、貫通電極５２と電極メタライズ５３Ａを介して外部へ放熱することができる。
【０００５】
この従来例では、ガラス基板５１の貫通電極５２は、ガラス基板５１に形成した貫通孔の内壁にＣｕ、Ｎｉなどをメッキし、その後、導電性樹脂や半田などを充填して形成されている。また、ガラス基板５１の裏面の電極メタライズ５３Ａは、ガラスの表面にＴｉ層、その上にＴｉ層保護のためのバリア層となるＰｔ層、あるいはＮｉ層、さらに表面酸化を防止するＡｕ層などをスパッタリング法や蒸着法などにより堆積し、フォトプロセスを通してパターニングされている。
【０００６】
図１０は、ガラス材料にＬＥＤ発光素子６１を埋め込んだ発光装置６０の断面図である（特許文献２の図１）。ＬＥＤ発光素子６１は面実装によりバンプ６２を介してサブマウント６３に実装され、サブマウント６３は、リード６４Ａ、６４Ｂの先端に形成された段差部に接続されている。周囲は封止部材６５により覆われており、封止部材６５としてガラスを使用することが記載されている。ガラスからなる封止部材６５はリード６４Ａ、６４Ｂの下部側で薄く、ＬＥＤ発光素子６１から発光される光が射出する側は凸状に厚く形成されている。
【０００７】
この発光装置６０は、ＬＥＤ発光素子６１に対して熱膨張率が１５０％から５００％の範囲の透光性ガラス部及び金属部で全体が包囲されている。また、ＬＥＤ発光素子６１に対し、給電部材（リード６４Ａ、６４Ｂ）及び封止部材６５の熱膨張率が大となるように形成されている。また、ＬＥＤ発光素子６１あるいはサブマウント６３の部材に対し、給電部材及び封止部材６５の熱膨張率が大となるように形成されている。これにより、応力方向が調整されて熱収縮差に起因して生じるクラック等の発生を防止することができる、というものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−４２７８１号公報
【特許文献２】特開２００７−３０６０３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＬＥＤ素子は発光すると同時に発熱する。特許文献１においては裏面側に貫通電極を介して放熱する構造であるが、発光素子数を増加させる、あるいは発光強度を高くすると、発光素子近傍に熱が蓄積し、高温となって発光素子の発光効率が低下する課題があった。また、発光素子の点灯、消灯を繰り返すことにより貫通電極が高温と低温の温度サイクルに晒され、貫通電極とガラスの界面の気密性が低下し、外部から水分等が浸入して発光素子の寿命を低下させる原因となった。
【００１０】
また、特許文献２に記載される発光装置では、ガラスを使用した封止部材は凸状に湾曲した形状となることからＬＥＤ発光素子から射出した光は周囲に拡散して指向性を持たせることができない。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決し、発光素子により生成された熱が速やかに外部に放熱される構造の発光デバイスを提供することを目的としてなされた。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の発光デバイスは、ガラス基板の表面に窪みが形成され、ガラス基板の裏面に窪みに対応して凹部が形成されている。このガラス基板にはリードフレームが埋め込まれており、リードフレームは、ガラス基板の側面と窪みの底面において露出する部位を持つ。窪みには、発光素子が収納され、露出したリードフレームに電気的に接続されるとともに、封止材によって覆われている。さらに、凹部には熱伝導性材料が充填される。
【００１３】
また、リードフレームは、ガラス基板の凹部の底面において露出し、熱伝導性材料は、リードフレームに接触している。
【００１４】
また、発光素子は、凹部の底面において露出し、熱伝導性材料は、発光素子に接触している。
【００１５】
また、リードフレームは複数形成され、窪みの底面において一方のリードフレームが他方のリードフレームを挟むように配置されている。
【００１６】
また、ガラス基板は、窪みを構成する領域において白色又は乳白色を呈する。
【００１７】
また、封止材は、金属アルコキシドから形成される。
【００１８】
また、ガラス基板とリードフレームの熱膨張係数の差が、４×１０-6／Ｋ（Ｋはケルビン）以下である。
【００１９】
また、ガラス基板の熱膨張係数は８×１０-6／Ｋから１１×１０-6／Ｋであり、リードフレームの熱膨張係数は４×１０-6から１５×１０-6／Ｋである。
【００２０】
また、リードフレームは、材料の異なる金属が接合されたクラッド材からなる。
【００２１】
また、リードフレームは金属材料で形成されており、リードフレームとガラス基板との間の接合面には、リードフレームを構成する金属材料の酸化物からなる酸化膜が形成されている。
【００２２】
また、リードフレームには、ガラス基板に埋め込まれた領域において貫通孔が形成されている。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の発光デバイスの構成によれば、発光素子で発生した熱はリードフレームと熱伝導性材料の両方を介して外部に放熱される。そのため、発光素子近傍に蓄熱されることを防止し、発光素子の高温化に伴う発光効率の低下や、部材間の境界面における気密性の低下を防止することができる。また、発光素子はガラス材料の窪みに実装されるので、発光素子から射出される光の指向性を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第一実施形態に係る発光デバイスの説明図である。
【図２】本発明の第二実施形態に係る発光デバイスの説明図である。
【図３】本発明の第三実施形態に係る発光デバイスの説明図である。
【図４】本発明の第四実施形態に係る発光デバイスの説明図である。
【図５】本発明の第五実施形態に係る発光デバイスの説明図である。
【図６】本発明の第六実施形態に係る発光デバイスの説明図である。
【図７】本発明の第七実施形態に係る発光デバイスの説明図である。
【図８】本発明の発光デバイスの製造方法を表すフロー図である。
【図９】従来公知のＬＥＤ発光装置の断面図である。
【図１０】従来公知の発光装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の発光デバイスは、表面に窪みとこの窪みに対応する裏面に凹部が形成されたガラス基板を備えている。ガラス基板にはリードフレームが埋め込まれている。リードフレームはガラス基板の側面と窪みの底面において露出している。窪みには発光素子が収納され、封止材により覆われている。発光素子は窪みの底面において露出するリードフレームと電気的に接続されている。ガラス基板の裏面の凹部には熱伝導性材料が充填されている。これにより、発光素子で発生した熱はリードフレームと熱伝導性材料の両方を介して外部に放熱されるので、発光素子の高温化を効果的に防止することができる。また、発光素子はガラス基板の窪みに収納されるので射出される光の指向性を制御することができる。
【００２６】
また、リードフレームをガラス基板の裏面に形成した凹部の底面において露出するように形成し、熱伝導性材料と直接接触するように形成することができる。熱伝導性材料とリードフレームが直接接触することにより、発光素子で発生した熱を、リードフレームを介して逃がすほかに熱伝導性材料を介して効果的に逃がすことができるようになる。これにより、発光素子の温度上昇を抑制することができる。
【００２７】
また、ガラス基板の凹部の底面において熱伝導性材料が発光素子に直接接触するように形成することができる。熱伝導性材料と発光素子とが直接接触することにより、発光素子で発生した熱の放熱特性を向上させることができる。
【００２８】
また、リードフレームを複数形成し、窪みの底面において一方のリードフレームが他方のリードフレームをはさむように配置することができる。発光素子が電力供給を受けて発光し他方のリードフレームが昇温したときに、この他方のリードフレームを挟んでいる一方のリードフレームにも熱が伝達される。その結果、複数のリードフレームにより熱を外部に伝達するので、放熱効果を向上させることができる。以下本発明について実施形態に基づいて具体的に説明する。
【００２９】
（第一実施形態）
図１は本発明の第一実施形態に係る発光デバイス１の説明図である。図１（ａ）は発光デバイス１の模式的な上面図、（ｂ）は部分ＸＸの模式的な縦断面図、（ｃ）は部分ＹＹの模式的な縦断面図である。
【００３０】
図１（ｂ）に示すように、ガラス基板４の表面の中央部にはすり鉢状の窪み２が形成されている。ガラス基板４の厚さ方向の略中央部にはリードフレーム５ａ、５ｂが分離して埋め込まれている。リードフレーム５ａ、５ｂは、窪み２の底面においてガラス基板４から露出し、ガラス基板４の左辺及び右辺の端面から突出している。図１（ａ）に示すように、リードフレーム５ａは所定幅で窪み２の底面の左側から中央部にかけて延設され、リードフレーム５ｂは所定幅の二股に分離し、窪み２の底面の右側から中央部に向けてリードフレーム５ａを挟むように延設されている。
【００３１】
発光素子６は、リードフレーム５ａの先端部の上面にボンディング材１０を介して実装されている。リードフレーム５ａは発光素子６の裏面に形成された図示しない電極と電気的に接続されている。リードフレーム５ｂは発光素子６の表面に形成された図示しない電極とワイヤー９を介して電気的に接続されている。発光素子６及びワイヤー９は封止材８により封止され、外部から水分や不純物が侵入して発光素子６を劣化させる、あるいは配線を腐食させることを防止している。ガラス基板４の裏面には凹部３が形成されている。凹部３には熱伝導性材料７が充填され、凹部３の底面に露出するリードフレーム５ａと接触している。
【００３２】
リードフレーム５ａと５ｂを介して発光素子６に電力を供給することができる。発光素子６が発光すると発熱する。発光素子６により発生した熱は、リードフレーム５ａ及び熱伝導性材料７を介して外部に放熱される。これにより、発光素子６が高温に昇温し発光効率が低下すること、周辺の構成部品、例えばガラス基板４と熱伝導性材料７やリードフレーム５ａ、５ｂとの界面が劣化して気密性が低下することを防止することができる。また、窪み２の底面に露出するリードフレーム５ａの先端部をリードフレーム５ｂが挟むように近接して設けられているので、発光素子６により生成された熱はリードフレーム５ｂに伝達する。つまり、リードフレーム５ｂも放熱機能を有するので、更に放熱が促進される。
【００３３】
発光素子６として例えばＬＥＤを使用することができる。発光素子６は１個だけ設けてもよいし、複数個設けてもよい。ガラス基板４は低融点ガラスや高融点ガラスを使用することができる。ガラス基板４は、白色または乳白色を呈する材料を使用することができる。例えば、ガラス材料に燐酸（Ｐ２Ｏ５）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ボロン（Ｂ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）等の酸化物を混入させることにより乳白色とすることができる。この白色や乳白色はＬＥＤから発光した光や熱により変色することがないので、発光デバイス１の信頼性を損なわない。
【００３４】
リードフレーム５ａ、５ｂとして、ＮｉＦｅ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、或いはコバールを使用することができる。例えば、４２％ＮｉＦｅ合金や、４５％ＮｉＦｅ合金を使用することができる。ガラス基板４とリードフレーム５の熱膨張係数の差を、４×１０-6／Ｋ以下とすることが好ましい。熱膨張係数の差を４×１０-6／Ｋ以下とすれば、発光素子６のオン・オフが繰り返され、熱サイクルにさらされる場合でも、リードフレーム５とガラス基板４との間の接合が維持され、気密性が保持される。例えば、ガラス基板４の熱膨張係数を８×１０-6／Ｋから１１×１０-6／Ｋとし、リードフレーム５の熱膨張係数を４×１０-6から１５×１０-6／Ｋとする。これにより、ガラス基板４との間の熱膨張係数差をあまり大きくしないで、リードフレーム５の利用可能な材料の範囲を拡大させることができる。
【００３５】
熱伝導性材料７として、Ａｇペースト、Ａｕペースト、Ｃｕペースト、ＡｕＳｎ合金ペースト、その他の金属、合金または金属と無機物の混合材料を使用することができる。封止材８として、透明な無機材料や合成樹脂材料を使用することができる。例えば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硬化させたシリコン酸化物とすることができる。ガラス基板４がシリコン酸化物であることから、封止材８もシリコン酸化物を使用することにより接合性が向上し、また熱膨張率の差を小さくすることができる。
【００３６】
なお、窪み２の傾斜面に反射膜を形成して発光素子６から射出される光の指向性を向上させるようにしてもよい。反射膜としてＡｇ膜、アルミニウム膜、多層誘電体膜を用いることができる。また、リードフレーム５ａ、５ｂの平面形状として、窪み２からガラス基板４の左右の両端に向けて次第に幅が拡大するように形成することができる。また、凹部３の縦断面形状を台形形状とすることができる。高温部から低温部に向けて熱伝導体の断面積が拡大するように構成すれば、放熱効果を向上させることができる。また、ガラス基板４の裏面に裏面電極を形成し、熱伝導性材料７と電気的及び熱的に導通するように構成することができる。この裏面電極は、発光素子６に電力を供給する電極として、また放熱手段として利用することができる。
【００３７】
（第二実施形態）
図２は本発明の第二実施形態に係る発光デバイス１の説明図であり、（ａ）は発光デバイス１の模式的な上面図、（ｂ）は部分ＸＸの模式的な縦断面図、（ｃ）は部分ＹＹの模式的な縦断面図である。第一実施形態と異なる部分は、発光素子６がボンディング材１０を介して熱伝導性材料７の上に実装されている点であり、その他の部分は第一実施形態と同様なので説明を省略する。
【００３８】
発光素子６の下部のガラス基板４には凹部３が形成され、その凹部３には熱伝導性材料７が充填されている。発光素子６はボンディング材１０を介して熱伝導性材料７の上に実装されている。熱伝導性材料７は熱伝導体であると同時に導電体でもあるので、発光素子６と熱伝導性材料７とは電気的に接続される。また、リードフレーム５ａと熱伝導性材料７とは、直接接続する又はボンディング材１０を介在して接続し、電気的に導通する。従って、発光素子６にリードフレーム５ａと５ｂから電力を供給してもよいし、熱伝導性材料７とリードフレーム５ｂから電力を供給してもよい。本第二実施形態では、リードフレーム５よりも熱伝導性材料７の熱伝導率が高い場合に有効である。
【００３９】
（第三実施形態）
図３は本発明の第三実施形態に係る発光デバイス１の説明図であり、（ａ）は発光デバイス１の模式的な上面図、（ｂ）は部分ＸＸの模式的な縦断面図である。第一実施形態と異なる部分は、窪み２の底面におけるリードフレーム５の平面的形状である。その他の部分は第一実施形態と同様なので説明を省略する。
【００４０】
リードフレーム５ａ、５ｂは、ガラス基板４の厚さ方向の中央部に分離して埋め込まれている。リードフレーム５ａ、５ｂは、窪み２の底面においてガラス基板４から露出し、ガラス基板４の左辺及び右辺の端面から突出している。窪み２の底面において、リードフレーム５ａは所定幅で窪み２の底面の左側から右側まで延設され、リードフレーム５ｂは所定幅の二股に分離し、窪み２の底面の右側から左側までリードフレーム５ａを挟むように延設されている。
【００４１】
発光素子６は、ボンディング材１０を介してリードフレーム５ａの露出面に実装されている。発光素子６の裏面に形成された図示しない電極とリードフレーム５ａとはボンディング材１０を介して電気的に接続されている。発光素子６の上面に形成される図示しない電極とリードフレーム５ｂとはワイヤー９により電気的に接続されている。
【００４２】
リードフレーム５ａと５ｂから電力が供給されると発光素子６は発光し、同時に発熱する。リードフレーム５ｂはリードフレーム５ａを窪み２の底辺において挟むように近接して設けられている。そのため、発光素子６により生成された熱は、リードフレーム５ａ、裏面側に形成した熱伝導性材料７に加えて、リードフレーム５ｂにも伝達し、放熱される。そのために、発光素子６により生成された熱の放熱性が更に向上する。
【００４３】
（第四実施形態）
図４は、本発明の第四実施形態に係る発光デバイス１の説明図であり、（ａ）は発光デバイス１の模式的な上面図、（ｂ）は模式的な縦断面図である。第一実施形態と異なる部分は、窪み２の下部のリードフレーム５ａ、５ｂの平面的形状であり、その他の部分は第一実施形態と同様なので説明を省略する。
【００４４】
リードフレーム５ａは、窪み２の底面の左側から中央部まで延設されている。リードフレーム５ｂは、窪み２の底面の右側からリードフレーム５ａの先端部分まで近接するように延設されている。発光素子６はリードフレーム５ａの延設部の上面にボンディング材１０を介して実装され、発光素子６の裏面に形成された図示しない電極と電気的に接続される。発光素子６の上面に形成された図示しない電極とリードフレーム５ｂとはワイヤー９により電気的に接続されている。リードフレーム５ａ、５ｂをこのように配置することにより、窪み２の底面の配線密度を向上させることができ、例えば１つの窪み２に複数の発光素子６を高密度に実装することができる。
【００４５】
なお、上記第一から第四実施形態において発光素子６の上面の電極とリードフレーム５ｂとをワイヤー９により電気的に接続しているが、発光素子６の電極が発光素子６の裏面に集約的に形成される場合は、リードフレーム５ａ、５ｂの上に発光素子６を、ボンディング材１０を介して面実装により設置することができる。この場合、リードフレーム５ａ及び熱伝導性材料７の他に、リードフレーム５ｂも放熱手段として機能する。
【００４６】
（第五実施形態）
図５は、本発明の第五実施形態に係る発光デバイス１の説明図であり、（ａ）は発光デバイス１の模式的な縦断面図、（ｂ）は模式的な上面図である。第一実施形態と異なる部分は、リードフレーム５の平面形状及び配置であり、その他の部分は第一実施形態と同様なので説明を省略する。
【００４７】
ガラス基板４は四角形の平面形状を有している。リードフレーム５ａ、５ｂ、５ｃはガラス基板４の厚さ方向のほぼ中央部に埋め込まれている。リードフレーム５ａ、５ｂは互いに分離している。リードフレーム５ａは、ガラス基板４の左辺の端面から突出し、窪み２の底面の左周辺部まで延設されている。リードフレーム５ｂは、ガラス基板４の右辺の端面から突出し、窪み２の底面の右周辺部まで延設されている。リードフレーム５ｃは、ガラス基板４の上辺及び下辺の端面から突出し、窪み２の底面において所定幅で横断している。
【００４８】
各リードフレーム５ａ、５ｂ、５ｃがガラス基板４に埋め込まれている領域には貫通孔１１ａ、１１ｂ、１１ｃが形成されている。この貫通孔１１を介してガラス基板４のガラス材料が連絡するので、リードフレーム５ａ、５ｂ、５ｃとガラス材料との間の密着性が向上する。
【００４９】
発光素子６は窪み２の底面の中央部においてリードフレーム５ｃの上面にボンディング材１０を介して実装されている。発光素子６の裏面には図示しない電極が形成され、ボンディング材１０を介してリードフレーム５ｃに電気的に接続されている。発光素子６の上面に形成された図示しない電極とリードフレーム５ａ、５ｂとはワイヤー９により電気的に接続されている。従って、発光素子６はリードフレーム５ａ、５ｂとリードフレーム５ｃから電力の供給を受けて発光する。
【００５０】
リードフレーム５ｃの発光素子６が実装された上面と反対側の裏面は、ガラス基板４の裏面に形成された凹部３に露出し、その凹部３に充填された熱伝導性材料７と接触する。従って、発光素子６により生成された熱は、リードフレーム５ｃと熱伝導性材料７を介して外部に放熱される。リードフレーム５ｃは、基板の上辺と下辺の２つの端面から突出する。発光素子６で生成された熱は、リードフレーム５ｃの上辺側、下辺側及び熱伝導性材料７の経路を経て外部に放熱されるので、放熱効率がより向上する。なお、ガラス基板４の各端面から突出するリードフレーム５ａ、５ｂ、５ｃを、第一から第四実施形態のように幅広の形状にすれば、放熱機能を更に向上させることができる。
【００５１】
（第六実施形態）
図６は、本発明の第六実施形態に係る発光デバイス１の模式的な縦断面図である。本第六実施形態においては、リードフレーム５ａ、５ｂとガラス基板４との間に酸化膜１２が形成されている点が他の実施形態と異なる。
【００５２】
リードフレーム５ａ、５ｂはガラス基板４の厚さ方向の中央部に埋め込まれている。ガラス基板４の表面には窪み２が形成され、この窪み２の底面においてリードフレーム５ａ、５ｂがガラス基板４から露出している。発光素子６は窪み２の底面のほぼ中央部においてリードフレーム５ａの上面にボンディング材１０を介して実装されている。発光素子６の裏面には図示しない電極が形成され、ボンディング材１０を介してリードフレーム５ａに電気的に接続されている。発光素子６の上面に形成された図示しない電極と、窪み２の底面に露出するリードフレーム５ｂとはワイヤー９により電気的に接続されている。
【００５３】
ガラス基板４の裏面には凹部３が形成され、熱伝導性材料７が充填されている。熱伝導性材料７とリードフレーム５ａの裏面とは接触し、電気的及び熱的に接続される。窪み２には封止材８が充填され、外部から水分等が浸入し、発光素子６やワイヤー９が腐食・劣化することを防止している。その他、ガラス基板４やリードフレーム５の材料、それらの熱膨張係数、熱伝導性材料７や封止材８の材料等については第一実施形態においてすでに説明したことと同様なので、記載を省略する。
【００５４】
このように、リードフレーム５ａ、５ｂとガラス基板４の間の酸化膜１２を形成することにより、ガラス基板４のガラス材料とリードフレーム５の材料との接合性、密着性が向上し、信頼性の高い発光デバイス１を形成することができる。更に、発光素子６の下部に凹部３を形成し熱伝導性材料７を充填したことにより、発光素子６において生成される熱をリードフレーム５ａの他に熱伝導性材料７を介して放熱することができるので、発光素子６の温度上昇を抑えることができる。
【００５５】
（第七実施形態）
図７は本発明の第七実施形態に係る発光デバイス１の模式的な縦断面図である。第六実施形態と異なる点は、リードフレーム５ａ、５ｂとしてクラッド材を使用している点であり、その他の構成は第六実施形態と同様なので説明を省略する。
【００５６】
リードフレーム５ａ、５ｂとして２種類以上の異なる金属を張り合わせたクラッド材を使用することができる。例えば、一層目（５ａ１、５ｂ１）をＣｕとし、二層目（５ａ２、５ｂ２）をＮｉＦｅ合金とし、三層目（５ａ３、５ｂ３）をＣｕとする。また、更に三層目にＮｉＦｅ合金を貼り合わせることもできる。これにより熱膨張係数はガラス基板４に近く、例えば熱膨張係数の差を４×１０-6／Ｋ以下とすることができる。また、抵抗が小さく、かつ熱伝導性を高くすることができる。その結果、発光素子６に供給する際に電圧降下を低減し、発光素子６で発生した熱を効率よく放熱することができる。更に、リードフレーム５ａ、５ｂの一層目をＮｉＦｅ合金、二層目をＣｕとすれば、リードフレーム５に対する半田付けが容易となる。
【００５７】
なお、第六実施形態及び第七実施形態において、ガラス基板４の側端面から露出するリードフレーム５ａ、５ｂは、ガラス基板４の側面に沿って折り曲げられ、ガラス基板４の側面に接合しているが、これに代えて、側端面からリードフレーム５ａ、５ｂを突出するように構成してもよい。
【００５８】
図８は、本発明に係る発光デバイス１の製造方法の一例を示すフロー図である。図８（ａ）は、リードフレーム５を厚さ方向の略中央部に埋め込み、表面に窪み２を裏面に凹部３を形成したガラス基板４の縦断面図である。ガラス材料を６００℃〜９００℃に加熱して軟化又は溶融し、成型法によりリードフレーム５を埋め込むと同時に窪み２及び凹部３を形成する。図８（ｂ）は、ガラス基板４の凹部３に熱伝導性材料７を充填したガラス基板４の縦断面図である。熱伝導性材料７はガラスフィラーを含むＡｇである。ガラス基板４の裏面からガラスフィラーを０．１％〜２０％含むＡｇペーストを印刷する。次に、温度４００℃〜８００℃に加熱して焼結した。なお、熱伝導性材料７としてＡｇの他にＡｕ、ＣｕやＡｕＳｎ合金ペースト等を使用することができる。
【００５９】
図８（ｃ）は、発光素子６を窪み２の底面に露出するリードフレーム５の上に実装したガラス基板４の縦断面図である。ボンディング材１０を介して発光素子６をリードフレーム５の上に実装する。更に、ワイヤー９を発光素子６の上面に形成した図示しない電極とリードフレーム５ｂとの間に接続する。図８（ｄ）は、窪み２に封止材８を充填したガラス基板４の縦断面図である。透明樹脂を窪み２に塗布して焼成する。また、封止材８は、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硬化させたシリコン酸化物とすることができる。具体的には、ディスペンサ等を用いて金属アルコキシド溶液を窪み２に充填する。これを室温から約６０℃において重合してシリコン酸化物の湿潤ゲルを形成し、温度約１００℃又は１００℃以上において乾燥、焼成を行い、シリコン酸化物を形成する。あるいは、ポリメタロキサンを充填して、上記と同様に重合及び焼成してシリコン酸化物を形成することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１ 発光デバイス
２ 窪み
３ 凹部
４ ガラス基板
５ リードフレーム
６ 発光素子
７ 熱伝導性材料
８ 封止材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に窪みと、前記窪みに対応する裏面に凹部が形成されたガラス基板と、
前記ガラス基板に埋め込まれるとともに、前記ガラス基板の側面と前記窪みの底面において露出する部位を持つリードフレームと、
前記窪みに収納され、前記露出したリードフレームに電気的に接続された発光素子と、
前記凹部に充填された熱伝導性材料と、
前記発光素子を覆う封止材と、を備えた発光デバイス。
【請求項２】
前記リードフレームは、前記ガラス基板の凹部の底面において露出し、
前記熱伝導性材料は、前記リードフレームに接触していることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記発光素子は、前記凹部の底面において露出し、
前記熱伝導性材料は、前記発光素子に接触していることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記リードフレームは複数形成され、前記窪みの底面において一方のリードフレームが他方のリードフレームを挟むように配置されてい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。
【請求項５】
前記ガラス基板は、前記窪みを構成する領域において白色又は乳白色を呈することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記封止材は、金属アルコキシドから形成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項７】
前記ガラス基板と前記リードフレームの熱膨張係数の差が、４×１０-6／Ｋ（Ｋはケルビン）以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記ガラス基板の熱膨張係数は８×１０-6／Ｋから１１×１０-6／Ｋであり、前記リードフレームの熱膨張係数は４×１０-6から１５×１０-6／Ｋであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項９】
前記リードフレームは、材料の異なる金属が接合されたクラッド材からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項１０】
前記リードフレームは金属材料で形成されており、前記リードフレームと前記ガラス基板との間の接合面には、前記リードフレームを構成する金属材料の酸化物からなる酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項１１】
前記リードフレームには、前記ガラス基板に埋め込まれた領域において貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項１】
表面に窪みと、前記窪みに対応する裏面に凹部が形成されたガラス基板と、
前記ガラス基板に埋め込まれるとともに、前記ガラス基板の側面と前記窪みの底面において露出する部位を持つリードフレームと、
前記窪みに収納され、前記露出したリードフレームに電気的に接続された発光素子と、
前記凹部に充填された熱伝導性材料と、
前記発光素子を覆う封止材と、を備えた発光デバイス。
【請求項２】
前記リードフレームは、前記ガラス基板の凹部の底面において露出し、
前記熱伝導性材料は、前記リードフレームに接触していることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記発光素子は、前記凹部の底面において露出し、
前記熱伝導性材料は、前記発光素子に接触していることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記リードフレームは複数形成され、前記窪みの底面において一方のリードフレームが他方のリードフレームを挟むように配置されてい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。
【請求項５】
前記ガラス基板は、前記窪みを構成する領域において白色又は乳白色を呈することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記封止材は、金属アルコキシドから形成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項７】
前記ガラス基板と前記リードフレームの熱膨張係数の差が、４×１０-6／Ｋ（Ｋはケルビン）以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記ガラス基板の熱膨張係数は８×１０-6／Ｋから１１×１０-6／Ｋであり、前記リードフレームの熱膨張係数は４×１０-6から１５×１０-6／Ｋであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項９】
前記リードフレームは、材料の異なる金属が接合されたクラッド材からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項１０】
前記リードフレームは金属材料で形成されており、前記リードフレームと前記ガラス基板との間の接合面には、前記リードフレームを構成する金属材料の酸化物からなる酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【請求項１１】
前記リードフレームには、前記ガラス基板に埋め込まれた領域において貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の発光デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−４４６０８（Ｐ２０１１−４４６０８Ａ）
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９２４７７（Ｐ２００９−１９２４７７）
【出願日】平成２１年８月２１日（２００９．８．２１）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２１日（２００９．８．２１）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
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