３）LED 封止用ガラス材料

１．はじめに

１９９３年にサファイア基板に成膜された In-GaN 系 LED で実用レベルの青色発光が報告さ れて以来［１］ ，青色 LED およ び YAG 蛍 光 体 を 組み合わせた白色 LED が広く普及してきた。 特に，近年は白色 LED で一般的な蛍光灯の発 光効率（６０lm/W 程度）に追い付き，さらに 追い越ししつつある［２］ 。さらに，LED チップ１ つ あ た り の 投 入 電 力 量 も 数 W 級 ま で に な り［２］ ，自動車用ヘッドランプ，道路照明などに も用途が広がりつつある。 青色 LED が開 発 さ れ た 当 初 は，赤 色 LED などと同様にエポキシ系樹脂が封止材として使 われていた。しかし，LED チップの性能が向 上し，発光が強くなるにつれて，青色光および ／または発熱によるエポキシ樹脂の黄変が顕在 化し［３―５］_{，現在ではほとんどの高輝度 LED はシ} リコーンで封止されている。 高輝度 LED 向けの封止材として，シリコー ンだけではなくガラスも候補材料として検討さ れ，例えば住田光学ガラスから先駆的な商品が 発表されている［６］ 。本稿ではガラスを封止材と して用いた場合の特徴について報告する。

２．LED 封止材料になぜガラスか？

今後，一般照明および高輝度光源の用途でさ らに LED の普及が進むことは間違いない。普 及の過程で，LED チップ１つあたりの光量を 増すために投入電力量が多くなり，封止材にと ってはさらに厳しい使用環境になることが予想 される。このようなハイパワー LED に適した 封止材に求められる要件として，以下の４点が 重要であると考える。 ①可視光の透過率が高いこと（紫外 LED の 場合はその発光波長で透明なこと） ②耐光性＆耐熱性に優れていること ③屈折率が高いほど，外部量子収率の向上に

Research Center，Asahi Glass Co．，LTD

Syuji Matsumoto, Nobuhiro Nakamura

Glass for LED encapsulation

松 本 修 治，中 村 伸 宏

旭硝子（株）中央研究所

LED 封止用ガラス材料

新製品・新用途ガラス

特 集

〒２２１―８７５５ 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町１１５０ TEL ０４５―３７４―７２２３ FAX ０４５―３７４―８８６６ E―mail : syuji―matsumoto@agc．com １１

寄与する ④ガスを透過しないこと（特に大気中の水蒸 気，SO２など） これらの要件をすべて高いレベルで満足させる 材料として，ガラスは理想的である。 そこで，LED を封止するために必要なガラ スの特性として，我々は以下の６点が必要だと 考えている。 !１ 低温で軟化する［封止プロセスで LED を 破損／失活させない］ !２ 膨張係数が素子基板に近い（サファイアの 場合７５×１０―７ ／℃）［ガラスが割れない］ !３ 耐候性が高い !４ 屈折率が高い !５ Pb を含まない［環境配慮］ !６ アルカリ金属イオンを含まない［電極＆配 線を腐食させない］

３．ガラス封止 LED の特性

［７］ 前記の６条件を考慮して開発したガラスの例 を表１に示す。この STM０９９は，高屈折率ガ ラスとして利用される TeO２系ガラスをベース に開発した。 STM０９９をハイパワー LED の封止材として 使用した環境を想定した加速実験として，加熱 させた状態で青紫レーザーを照射させた。高輝 度 LED に使われている樹脂材料がこの加速実 験で２０時間足らずで黄変してレーザー光の透 過率が半減し，５０時間で不透明になったのに 対して，STM０９９は１５０時間たっても全く変 質していなかった（図１）。この様に，STM０９９ の耐光性と耐熱性については問題がないことを 確認した。 アルミナ基板上に金配線を施し，金のスタッ ドバンプを介 し て０．３×０．３ｍｍ２ の 青 色 LED をフリップチップ実装して LED 素子を準備し た。（電極部分を配線基板に対向させた実装方 法）準備した LED の上に，１mm３ の立方体に 加工した STM０９９を載せ，６００℃ で１５分間加 熱してガラスを軟化流動させることで LED チ ップを封止した（図２）。 ガラス封止 LED の電流―電圧特性を確認し たところ，封止前後で有意な特性変化は無かっ た。未封止 LED，シリコーン封止 LED，ガラ ス封止 LED で比較した電流―輝度特性を図３ に示す。未封止 LED 比べて，シリコーン封止 LED は 約２０％ の 輝 度 向 上 が，ガ ラ ス 封 止 LED ではさらに１８．５％ の輝度上昇が認められ た。これは，封止材の屈折率差に準じた傾向で あり，屈折率が約２である STM０９９と InGaN の屈折率（２．５∼３．０）の屈折率差がシリコーン よりも十分に小さいことが，光取り出し効率を 良くする効果になっている。 このガラス封止 LED の長期信頼性を確認す る た め に，８０℃ の 環 境 で 定 格 駆 動 電 流（２０ mA）で駆動させ続けた。この実験を２年以上 表１ LED 封止用ガラス（STM０９９） 図１ STM０９９および樹脂材料を加熱させた状態での 青紫レーザーを照射 （レーザーの発光波長：４０５nm，サンプル温 度：１８０℃） １２

（約１８，０００時 間）実 施 し た が，電 流―電 圧 特 性，電流―輝度特性ともに，有意な変化は起き なかった。一般的な LED 素子（シリコーン封 止）は，室温で４０，０００時間の使用で６０％ の輝 度を保証しているが，ガラス封止 LED はこれ を大幅に上回ることは間違いない。一般的な LED 素子ではシリコーンの劣化が主に輝度低 下の要因であることから，劣化モードが無いガ ラスでは当然の耐久性であると考えられる。

４．LED 封止用に開発したガラス材料

STM０９９を含め，旭硝子で開発した LED 封 止用ガラスを表２に示す。 STM０９９と STM０２９は 高 屈 折 率 な ZnO―B２ O３―TeO２系ガラスであり，上記で示したように 光取り出しに有利なガラスである。さらに，こ れらのガラスは屈折率が２に近いため，球状の ガラスレンズとして使用すると，極めて指向性 の高い光源となる。これまでに我々はガラス封 止のための加熱プロセスで，LED チップ上で ガラスが軟化しながら球状に成形され，さらに 光学軸が自動 的 に 調 針 さ れ る こ と を 報 告 し た［８］ 。この球ガラス封止 LED を使用すると例 えば超小型プロジェクターの光源などに利用で きる可能性がある。 Prototype!１と!２は SnO―ZnO―P２O５系ガ ラ ス であり，５００℃ 以下の低温で封止することがで きる。特に，Prototype!２は４００℃ 以下での封 止が可能であり，LED の電極および実装接合 部の素材選択が容易になる。（５００℃ 以上の封 止温度では，第３章で報告した金配線＆金バン プ接合のように，特殊な実装が必須になる。） また，Prototype!１と!２は近紫外域での透過 特性も優れ，例えば１mm 厚のときに３６５nm で９０％ 程度の内部透過率を有している。今後， 発光効率，投入電力量ともに性能が向上してい 図２ ６００℃ で加熱前後の LED 素子とガラス 加熱前 ６００℃ で１５分間加熱後 図３ 未封止 LED，シリコーン封止 LED，ガラス封 止 LED で比較した電流―輝度特性 （積分球で全拘束を測定） 表２ 旭硝子で開発した LED 封止用ガラス １３ NEW GLASS Vol．２７ No．１０７ ２０１２

㻜 㻞 㻠 㻢 㻤 㻝㻜 㻝㻞 㻝㻠 㻝㻢 㻝㻤 㻞㻜 㻞㻚㻠 㻞㻚㻡 㻞㻚㻢 㻞㻚㻣 㻞㻚㻤 Ⓨගຠ⋡ 㻔㼘 㼙 㻛㼃 㻕 㟁ὶ 㻔㼙㻭㻕 䝞䝹䜽 㻠㻜㻜䉝 䝣䝸䝑䝖 㻠㻜㻜䉝 䝣䝸䝑䝖 㻟㻣㻜䉝 ᑒṆ๓ る紫外 LED 向けの封止材として適していると 考える。紫外光に対するシリコーンの耐性は良 好とは言えず，青色 LED 以上にガラス封止が 役にたてるのではないかと考えている。 Prototype!１と!２は粉末ガラス（フリット） を作製し，そのフリットで LED チップを封止 することもできる。粉末化することで封止のた めの加熱温度を数十℃下げることもできた。図 ４に Prototype!２で封止した時の発光効率を示 す。フリットで３７０℃ の加熱で封止した時に， 最も発光効率が優れていた。フリットの形態で あれば，白色 LED 用に蛍光体を分散させるこ とも容易である。また，樹脂と混合したペース トにすることで，印刷が可能になり，例えば多 数の LED を実装した基板に広く薄くガラス コートすることで封止材としての機能を果たす ことも考えられる。

５．おわりに

ここまでガラス封止 LED について前向きな 報告をさせていただいた。実際に我々は LED のハイパワー化はガラスが活躍できるチャンス だと考え，ガラスを準備している。しかしなが ら，LED 素子を製造する場合に，本稿で紹介 したガラスを使用するためには封止プロセスで ３５０℃ を超えてしまう。従来のシリコーン封止 で は「作 製 プ ロ セ ス 温 度＜素 子 使 用 温 度＜ ２００℃」が一般的であり，ガラスで封止するた めには部材構成＆プロセスを大きく変える必要 があるため，ガラス封止 LED の一般化は容易 ではない。現状で一般的な LED 封止材である シリコーンでも改善がなされ，その牙城は強力 である。 しかし，LED は更にハイパワー化が進み， 紫外 LED の高輝度化も顕著であり，ガラス材 料の優位性が生かせる用途が増えてくると期待 している。今後，我々もガラス封止 LED の普 及に貢献したい。 引用文献 ［１］．http : //www．nichia．co．jp/jp/about_nichia/his-tory．html ［２］．例えば，「日経エレクトロニクス２０１１年５月３０日 号」

［３］．D．Morita et al．，Jpn．j．of Appl．Phys，４３（２００４） ５９４５

［４］．T．Fujii et al．，Appl．Phys．Lett．，８４（２００４）８５５ ［５］．K．Orita et al．，Jpn．J．Appl．Phys，４３（２００４）５８０９． ［６］．http : / / www ．sumita ― opt ．co ．jp / ja / news ／

２０１２０４０２＿７６１．html

［７］．N．Nakamura et al．，Journal of the Ceramic Soci-ety of Japan Vol．１１６，No．１３５８，pp．１０７５―１０７８（２００８） ［８］．N．Nakamura et al．，SOCIETY FOR INFORMA-TION DISPLAY２００７INTERNAINFORMA-TIONAL SYMPO-SIUM，p．９１５（２００７） 図４ Prototype!２で封止したガラス封止 LED の発光 効率 （バルク：ブロック状ガラスで封止 フリット：粉末ガラスで封止） １４