固态光学器件的制作方法

专利名称：固态光学器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及固态光学器件，具体而言，涉及具有低熔玻璃密封材料的固态光学器件。本文中，固态光学器件包括由固态元件(或半导体元件)如发光元件(或LED元件)、受光元件和太阳能电池元件组成的各种光学器件。
背景技术：
传统上所知的固态光学器件中，固态元件如LED元件使用透明树脂材料如环氧树脂密封。已知透明树脂由于光照而引起劣化。尤其是，当使用发射短波长光的III族氮化物基化合物半导体LED元件时，LED元件周围的透明树脂将会由于从LED元件发射出的高能光和由LED元件产生的热量而变黄。因此，其光提取效率会显著降低。
为了防止密封材料变质，提出了一些固态光学器件(例如JP-A-8-102553和JP-A-11-177129)。
JP-A-8-102553公开了LED元件、接合线和上部引线用低熔玻璃透明密封材料密封的发光器件。低熔玻璃例如是加有硒、铊、砷、硫等从而具有130-350℃熔点的玻璃。在这种情况下，优选使用熔点为200℃或更低、更优选150℃或更低的低熔玻璃。
通过使用低熔玻璃透明密封材料，JP-A-8-102553的发光器件可以解决透明树脂材料由于UV光照射而随时间发生光学劣化的问题。
另一方面，JP-A-11-177129公开了LED元件用折光系数约为2、接近GaN基LED元件的折光系数2.3的低熔玻璃密封材料密封的发光器件。
JP-A-11-177129的发光器件具有下述功能通过用折光系数接近GaN基LED元件折光系数的低熔玻璃密封LED元件，减少LED元件与低熔玻璃之间界面上的总反射光，从LED元件发射并进入低熔玻璃的光量增加。因此，与用环氧树脂密封的传统LED元件相比，其光提取效率增加。
但是，上述固态光学器件不具有足够的密封性能，即使使用低熔玻璃密封材料时也是如此，这是因为传统低熔玻璃在工作密封温度范围内具有高粘度。

发明内容
本发明的一个目的是提供在使用低熔玻璃密封材料时能够具有足够密封性能的固态光学器件。
本发明的另一个目的是提供具有优异的耐潮性、并能够防止密封时玻璃材料不透明和特征评价中玻璃材料出现白色浑浊的固态光学器件。
本发明的另一个目的是提供能够用于光学元件的紧密安装和用于大尺寸光学元件的固态光学器件。
(1)根据本发明的一个方面，固态光学器件包括固态元件；向/从固态元件供给或回收电能的电力供给/回收部件(power supplying/retrievingportion)；和密封固态元件的玻璃密封材料，其中所述的玻璃密封材料包含P2O5-ZnO基低熔玻璃，所述的P2O5-ZnO基低熔玻璃含有45-50重量％P2O5和15-35重量％ZnO。
(2)根据本发明的另一个方面，固态光学器件包括固态元件；向/从固态元件供给或回收电能的电力供给/回收部件；和密封固态元件的玻璃密封材料，其中所述的玻璃密封材料包含P2O5-F基低熔玻璃，所述的P2O5-F基低熔玻璃含有6-50重量％P2O5和1-.45重量％ZnO，以基于氧化物的重量％计。
(3)根据本发明的另一个方面，固态光学器件包括
固态元件；在其上安装固态元件的能量供给/回收部件，所述的能量供给/回收部件向/从固态元件供给或回收电能；和密封固态元件的玻璃密封材料，其中所述的玻璃密封材料具有与能量供给/回收部件相等的热膨胀系数，并且所述的玻璃密封材料包含P2O5-Al2O3-ZnO基低熔玻璃，所述的P2O5-Al2O3-ZnO基低熔玻璃含有55-62重量％P2O5、5-12重量％Al2O3和20-40重量％ZnO，以重量％计。
(4)根据本发明的另一个方面，固态光学器件包括固态元件；在其上安装固态元件的电力供给/回收部件，所述的电力供给/回收部件向/从固态元件供给或回收电能；和密封固态元件的玻璃密封材料，其中所述的玻璃密封材料具有与能量供给/回收部件相等的热膨胀系数，并且所述的玻璃密封材料包括B2O3-SiO2-Na2O-ZnO-Nb2O5基低熔玻璃，所述的B2O3-SiO2-Na2O-ZnO-Nb2O5基低熔玻璃含有19-30重量％B2O3、0.5-15重量％SiO2、1.5-8重量％Na2O、44-60重量％ZnO和9-19重量％Nb2O5，以重量％计。
(5)根据本发明的另一个方面，固态光学器件包括固态元件；在其上安装固态元件的电力供给/回收部件，所述的电力供给/回收部件向/从固态元件供给或回收电能；和密封固态元件的玻璃密封材料，其中所述的玻璃密封材料具有与能量供给/回收部件相等的热膨胀系数，并且所述的玻璃密封材料包含B2O3-SiO2-ZnO-Bi2O3基低熔玻璃，所述的B2O3-SiO2-ZnO-Bi2O3基低熔玻璃含有1-10重量％SiO2、15-30重量％B2O3、25-60重量％ZnO和10-50重量％Bi2O3，以重量％计。
(6)根据本发明的另一个方面，固态光学器件包括
固态元件；在其上安装固态元件的电力供给/回收部件，所述的电力供给/回收部件向/从固态元件供给或回收电能；和密封固态元件的玻璃密封材料，其中所述的玻璃密封材料具有与能量供给/回收部件相等的热膨胀系数，并且所述的玻璃密封材料包含B2O3-SiO2-PbO基低熔玻璃，所述的B2O3-SiO2-PbO基低熔玻璃含有20重量％-50重量％B2O3和30重量％-70重量％PbO，以重量％计。
(7)根据本发明的另一个方面，固态光学器件包括固态元件；在其上安装固态元件的电力供给/回收部件，所述的电力供给/回收部件向/从固态元件供给或回收电能；和密封固态元件的玻璃密封材料，其中所述的玻璃密封材料具有与固态元件和能量供给/回收部件相等的热膨胀系数。
在使用低熔玻璃密封材料时，本发明的固态光学器件，尤其是发光器件可以具有足够的密封性能。
此外，本发明的固态光学器件可具有优异的耐潮性，并可以防止密封时玻璃不透明和特征评价中玻璃材料出现白色浑浊。
此外，由于整个器件由具有低热膨胀系数的材料构成，本发明的固态光学器件可以应用于光学元件的紧密安装和用于大尺寸光学元件。


下面参照附图解释根据本发明的优选实施方案，其中图1A是示出本发明的第一优选实施方案中作为固态光学器件的发光器件的截面图；图1B是示出图1A中GaN基LED元件的侧视图；
图2A是示出本发明的第二优选实施方案中作为固态光学器件的发光器件的俯视图；图2B是沿图2A中的线A-A切开的截面图；图2C是示出图2B中下部玻璃的透视图；图3A是示出本发明的第三优选实施方案中作为固态光学器件的发光器件的截面图；图3B是示出图3A中GaN基LED元件的侧视图；图4A是示出本发明的第四优选实施方案中作为固态光学器件的发光器件的截面图；图4B是示出图4A中AlInGaP基LED元件的侧视图；图5是示出本发明的第五优选实施方案中固态光学器件的截面图；图6A是示出本发明的第六优选实施方案中作为固态光学器件的发光器件的俯视图；图6B是沿图6A中的线b-b切开的截面图；图6C是示出图6A中发光器件的仰视图；图7是示出本发明的第七优选实施方案中作为固态光学器件的发光器件的截面图；和图8是示出本发明的第八优选实施方案中作为固态光学器件的发光器件的截面图，其中安装了大尺寸(1mm见方)LED元件2。
具体实施例方式图1A是示出本发明的第一优选实施方案中作为固态光学器件的发光器件的截面图。图1B是示出图1A中GaN基LED元件的侧视图。
图1A所示的发光器件1组成如下芯片倒装型GaN基LED元件2；包含玻璃的Al2O3衬底3，其作为无机材料衬底，其上安装有GaN基LED元件2；电路图案4，其由钨(W)-镍(Ni)-金(Au)制得，并且形成在包含玻璃的Al2O3衬底3上；Au凸点5，其在GaN基LED元件2和电路图案4之间形成电连接；和玻璃密封材料6，其为P2O5-ZnO-Li2O基透明无机密封材料，并且其在密封GaN基LED元件2的同时与含玻璃的Al2O3衬底3接合。在该实施方案中，包含玻璃的Al2O3衬底3和电路图案4限定能量供给/回收部件。
如图1B所示的GaN基LED元件2组成如下蓝宝石(Al2O3)衬底20；缓冲层21；n型层22；包括发光层的层23；p型层24，其中在衬底20上依次生长缓冲层21至p型层24。另外，GaN基LED元件2由形成在p型层24上的p电极25和形成在由蚀刻p型层24直至n型层22而暴露的n型层22部分上的n电极26组成。GaN基LED元件2在700℃或更高的温度下外延生长，容许温度限值为600℃或更高，对用下述低熔玻璃密封时的加工温度来说是稳定的。
p电极25用作光反射层，以反射从包括发光层的层23向衬底20发射的光。在该实施方案中，p电极25具有0.34mm宽×0.34mm深×0.09mm厚的尺寸。
包含玻璃的Al2O3衬底3具有12.3×10-6/℃的热膨胀系数，并提供有多个通孔3A。通孔3A用于在衬底3的上表面和下表面上金属化的电路图案4之间形成电连接。电路图案4由第一导电图案、第二导电图案和第三导电图案组成，所述的第一导电图案形成在安装GaN基LED元件2的表面上，所述第二导电图案形成在相对的表面上，所述第三导电图案是由钨(W)制成的，在第一和第二导电图案之间形成电连接。
玻璃密封材料6由P2O5-ZnO-Li2O基低熔玻璃制得，玻璃化转变温度Tg为380℃，屈服点At为407℃，热膨胀系数为12.2×10-6/℃，折光指数为1.60，内部透射度为99％(470nm)。其通过用模具热压接合于包含玻璃的Al2O3衬底3上，通过用切片机切割形成具有顶面6A和侧面6B的矩形。
低熔玻璃通常以比树脂中的高粘度水平高几个数量级的粘度加工。对于玻璃而言，在实际密封温度的范围内，即使加热到超过屈服点温度几十℃时其粘度也不能减小到通常的树脂密封水平。然而，为了具有通常树脂密封水平的粘度，需要将它加热到超过LED元件晶体生长温度的温度。在这种高温下，玻璃将粘着于模具，从而难以用其进行密封和成型。正因为如此，优选在104泊或更高的粘度下进行加工。
(制备发光器件1的方法)下面将描述制备发光器件1的方法。
首先，提供具有通孔3A的包含玻璃的Al2O3衬底3，根据电路图案4，将钨膏丝网印刷到包含玻璃的Al2O3衬底3的表面上。
然后，将其上印刷有钨膏的包含玻璃的Al2O3衬底3在约1000℃进行热处理，从而将钨烧到衬底3中，将镍和金依次镀覆到钨上，以形成电路图案4。
然后，使GaN基LED元件2通过Au凸点5电接合至包含玻璃的Al2O3衬底3的电路图案4(表面侧上)。
然后，将板状P2O5-ZnO-Li2O基低熔玻璃与其上安装有GaN基LED元件2的包含玻璃的Al2O3衬底3平行放置，接着在氮气氛中热压。在该过程中，低熔玻璃的粘度为108-109泊，低熔玻璃通过包括在其中的氧化物接合至包含玻璃的Al2O3衬底3上。
然后，将与低熔玻璃接合的包含玻璃的Al2O3衬底3放置在切片机上，分别切割成发光器件1。
此时，可以通过划片(scribing)加工GaN基LED元件2。在该情况下，由于经划片的GaN基LED元件2在对应于切割部分的侧面上具有明显的不平坦性，因此需要用器件涂料涂覆GaN基LED元件2的侧面。器件涂料可以是例如具有光透射性能的SiO2基涂料。器件涂料可以防止产生裂纹或孔隙。
(玻璃密封材料6的组成)下面将详细描述可用于该实施方案的低熔玻璃。
通过改变P2O5、Li2O、MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO、ZrO2、RO、Nb2O5和Al2O3的组成来制备用作玻璃密封材料6的样品1-3。本文中，RO是包括MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的通称。为了比较，制备了与样品1-3具有相同氧化物的对比样品。下表1示出了样品1-3和对比样品的组成和特性。在表1中，nF-nC指主色散(primarydispersion)。
表1

此外，下表2示出对样品1-3和对比样品是否发生不透明现象的评价结果。评价在不同的条件下进行，即在60℃、Rh 90％和1000h；和85℃、Rh 85％和1000h的条件下进行。
表2

从表2可以看出，样品1-3没有不透明现象并保持透明。
相反，对比样品在85℃、Rh 85％和1000h的条件下具有不透明现象。
因此证明在85℃、Rh 85％和1000h的条件下，玻璃密封材料6在下列组成范围内没有不透明现象45-50重量％P2O5、3-6重量％Li2O、0-3.5重量％MgO、0-10重量％CaO、0-15重量％SrO、0-30重量％BaO、15-35重量％ZnO、0-1重量％ZrO2、38-49重量％RO、0-1.5重量％Nb2O5和0-5重量％Al2O3。
此外，根据发明人的研究，证实P2O5-ZnO-Li2O基低熔玻璃具有下列组成时具有用作本实施方案中玻璃密封材料6的优选特性45-50重量％P2O5、3-6重量％Li2O、0-3.5重量％MgO、0-10重量％CaO、0-15重量％SrO、0-30重量％BaO、15-35重量％ZnO、0-1重量％ZrO2、38-49重量％RO、0-1.5重量％Nb2O5和0-5重量％Al2O3。
此时，具有上述组成范围，玻璃密封材料6可以具有下列特性Tg为350-400℃；At为375-450℃；α为10.0-14.0×10-6/℃；nd为1.58-1.62；Abbe数vd为59.0-64.0。
(第一实施方案的效果)第一实施方案所获得的效果如下(1)通过使用由P2O5-ZnO-Li2O基低熔玻璃制得的玻璃密封材料6以及在高粘度状态下进行热压，该过程可以在充分低于晶体生长温度的温度下进行。
(2)由于包含玻璃的Al2O3衬底3基于化学键接通过氧化物与玻璃密封材料6接合，因而可以获得高的密封强度。因此，即使在具有小接合面积的情况下也可以实现致密封装。
(3)由于包含玻璃的Al2O3衬底3具有与玻璃密封材料6相似的热膨胀系数，因此在高温下接合后即使置于常温或低温时也不会在其中发生粘附失效，如分离和裂纹。
此外，玻璃在压缩应力下较不可能产生裂纹，但是在拉伸应力下可能会产生裂纹。将玻璃密封材料6调整至热膨胀系数稍小于包含玻璃的Al2O3衬底3的热膨胀系数。发明人证实即使在-40℃-100℃之间的液相冷热热振荡测试的上千次循环中也不发生分离或裂纹。
另外，还证实当进行实验使5mm×5mm的玻璃片与陶瓷衬底接合，同时改变玻璃片与陶瓷衬底间的热膨胀系数组合时，如果具有较低热膨胀系数的一种材料与具有较高热膨胀系数的另一种材料的热膨胀系数之比为0.85或更大，则其之间的接合处不产生裂纹。因此，虽然取决于材料的硬度或尺寸，但相似的热膨胀系数是指这个范围。
(4)由于在芯片倒装接合中不需要接合线，因此即使在高粘度态的过程中也不发生电极处的破坏。由于密封过程中低熔玻璃的粘度高达108-109泊，因此性能明显不同于环氧树脂，所述的环氧树脂在热固过程之前以液态形式存在，粘度低至5泊。因此，如果元件表面上的电极通过接合线电连接到能量供给构件如引线上的贴面(face-up)型LED元件用玻璃密封，则接合线会被压碎或变形。但是，在倒装接合中，可以避免这一问题。
另一方面，如果芯片倒装型LED元件用玻璃密封，其中元件表面上的电极通过金凸起等电连接到电力供给元件如引线，则朝向基于玻璃高粘度的电力供给构件而施加在LED元件上的压力会导致凸起压碎和凸起之间的短路。但是，在使用凸点的该实施方案中，这一问题也可以避免。
(5)通过将低熔玻璃与包含玻璃的Al2O3衬底3平行放置，然后在高粘度态下对其进行热压，由于低熔玻璃在密封GaN基LED元件2时，在包含玻璃的Al2O3衬底3表面上平行移动，以与之紧密接触，因此可以防止出现孔隙。
(6)由于在包含玻璃的Al2O3衬底3上形成的布线(wiring)电路图案4通过通孔3A引向底侧，不需要用于防止玻璃侵入非必要部分和防止电接头被玻璃覆盖的装置。因此，通过用板状低熔玻璃全部密封多个器件，可以容易地通过用切片机切片来大量生产多个发光器件1。
同时，由于低熔玻璃在高粘度态下加工，因而可以省却树脂密封中需要的装置。因此，如果将外部端子引向底侧，则不使用通孔3A就足以大量生产多个发光器件1。
(7)由于GaN基LED元件2是芯片倒装安装的，因而可以实现小至0.5mm见方的超小发光器件1，并克服玻璃密封中的上述问题。这是因为对于接合线来说不需要空间，并且由于玻璃密封材料6和包含玻璃的Al2O3衬底3之间热膨胀系数的相似性和基于其间化学键的高结合强度，即使如此小的接合面积也可以防止界面分离。
(8)通过将玻璃密封材料6的P2O5含量调节至50％或更低，该密封材料即使在高湿环境下也具有稳定的耐潮性，并可以防止白色浑浊的出现。
(9)通过向玻璃密封材料6中加入Li2O，可以实现玻璃耐候性的提高、更低的熔点和增强的稳定性。
虽然在第一实施方案中，将GaN基LED元件2用于发光器件1，但是适用于玻璃密封的LED元件不局限于GaN基LED元件2。它可以是由另一种半导体材料组成的半导体发光元件。
此外，发光器件1可以制备成波长转换型，其中将磷光体加入到P2O5-ZnO-Li2O基低熔玻璃中，通过混合从磷光体射出的激发光与从GaN基LED元件2发出的光而进行波长转换。作为替代方案，磷光体层可以在玻璃密封材料6的表面上形成薄膜。
图2A是示出本发明的第二优选实施方案中作为固态光学器件的发光器件的俯视图；图2B是沿图2A中的线A-A切开的截面图；图2C是示出图2B中下部玻璃的透视图。
(发光器件1的构造)发光器件1组成如下贴面型GaN基LED元件2；引线19，作为电力供给/回收部件，具有其上安装有GaN基LED元件2的引线罩部分19B；导线10，在GaN基LED元件2和引线19之间形成电连接；和硅树脂涂层35，覆盖GaN基LED元件2和导线10以保护它们。GaN基LED元件2和引线19用P2O5-F基玻璃密封材料6整体密封，所述的P2O5-F基玻璃密封材料6由预先成型的上部玻璃60A和下部玻璃60B组成。
以基于氧化物的重量％计，玻璃密封材料6的组成为43重量％P2O5、4.3重量％Li2O、18.9重量％Na2O、10.7重量％K2O、23.5重量％Al2O3和11重量％F，性能为Tg为326℃；At为354℃；α18.0×10-6/℃；nd1.50；和vd69.8。
引线罩部分19B形成为具有斜面190和底面191的圆锥形，并装配到下部玻璃60B的引线槽60C中，如图2C所示。在用模具预成型下部玻璃60B(未示出)时形成引线槽60C。
(制备发光器件1的方法)下面将描述制备发光器件1的方法。
首先，制备引线框(未示出)，该引线框提供有一对铜引线19，在其表面上形成银镀层。
然后，将GaN基LED元件2安装到引线19的引线罩部分9B上。GaN基LED元件2通过无机透明粘合剂接合在引线罩部分19B的底面191上。然后，将该对引线19和GaN基LED元件2通过导线10电连接。
接着，将电连接的引线对19和GaN基LED元件2放置在预成型的下部玻璃60B的引线槽60C中。然后，将硅树脂涂料35装到引线槽60C中，以覆盖引线对19和GaN基LED元件2。
然后，通过热压将上部玻璃60A与下部玻璃60B结合到一起。接着，将发光器件1沿引线框切下。
(第二实施方案的效果)第二实施方案所获得的效果如下(1)与第一实施方案中的发光器件类似，通过使用由P2O5-F基低熔玻璃制得的玻璃密封材料6，第二实施方案的发光器件1即使在高湿环境下也可具有稳定的耐潮性，并且不太可能具有白色浑浊。
此外，由于氟的不透水效应(water-shedding effect)，其即使在85℃、Rh 85％和1000h的条件下也可保持不变。
(2)虽然由于热会切断分子键导致硅树脂会在约400℃下产生气体，但是所述过程可以在360℃下进行，此时硅树脂涂料35不会热分解。因此，玻璃密封过程中的热可以被硅树脂吸收，并且热应力会因此松弛。
(3)通过使用其中放置有引线罩部分19B的预先成型的下部玻璃60B，引线对19可以稳定地玻璃密封。
(4)通过在引线框上进行热压以使用玻璃分别密封引线，并将之从引线框上进行连杆(tie-bar)切割，可以批量生产发光器件1，以提高生产率。
(5)由于由软金属如铜制成的引线对19与玻璃材料相比富有弹性，当与GaN基LED元件2的热膨胀系数差异在150％-500％范围内时，基于热膨胀系数差异的应力可以被吸收，同时保持与玻璃材料的良好接合状态。因此，即使当引线对19被玻璃材料夹在中间密封时，也不会出现诸如裂纹的破坏。
基于发明人的研究，证实了P2O5-F基低熔玻璃在具有如下组成时对于该实施方案中的玻璃密封材料6来说具有优选的特性34-50重量％P2O5、2-9重量％Li2O、7-28重量％Na2O、3-27重量％K2O，此处R2O的总量为17-41重量％(RLi、Na、K)，6.5-30重量％Al2O3和1.5-32重量％F。本文中，R2O是包括Li2O、Na2O和K2O的通式。
上述组成范围使之具有下列特性Tg为230-350℃；At为260-390℃；α为15.0-28.0×10-6/℃；nd为1.43-1.55。具有上述组成范围，可以实现在约400℃或更低温度下的玻璃密封以及良好的耐潮性。但是，如果仅需要耐潮性，则以基于氧化物的重量％计，低熔玻璃具有以下组成6-50重量％P2O5和1-45重量％F。
作为替代实施方案，P2O5-F基低熔玻璃可以具有如下组成3.0-8.0mol％P2O5、0.1-2.0mol％Al2O3、1.0-7.0mol％BaO、35.5-41.0mol％AlF3、8.0-13.0mol％MgF2、16.0-26.0mol％CaF2、15.0-21.0mol％SrF2、3.5-10.0mol％BaF2和1.0-6.0mol％NaF2。
此外，作为替代实施方案，P2O5-F基低熔玻璃可以具有如下组成15-32重量％Al(PO3)2、0-10重量％Ba(PO3)2、0-10重量％Sr(PO3)2、0-10重量％Ca(PO3)2、0-10重量％Mg(PO3)2，此时偏磷酸盐的总量为20-32重量％，20-70重量％的BaF2、5-40重量％SrF2、0-15重量％CaF2、0-10重量％MgF2、0-5重量％AlF3、0-5重量％GdF3，此时氟化物的总量为55-75重量％，5-22重量％Gd2O3、0-7重量％La2O3、0-10重量％Y2O3和0-10重量％Yb2O3，此时稀土盐的总量为5-22重量％。
本发明并不局限于上述实施方案，可以在本发明的范围内进行各种改动。例如，玻璃密封材料6可以提供有在表面形成的表面处理层(＝涂层)，以增强表面的耐潮性、耐酸/碱性。表面处理层优选为MgF2、SiO2、SiN等。此外，还可以进行通过反射防护多层膜等减少界面反射的表面处理。优选为TiO2+SiO2多层涂层。
此外，在第一实施方案中，玻璃密封材料6提供有通过转移成型形成在表面上的由环氧树脂制得的半球形等形状的包覆成型(overmolded)部分，以进一步增强耐潮性。包覆成型部分可以是环氧树脂以外的另一种材料，如硅树脂。可以由转移成型法以外的另一种成型方法如浇注(potting)成型法形成。
包覆成型部分可以是诸如丙烯酸树脂和聚碳酸酯的其他树脂材料，并由注射法形成。在该情况下，可以提高生产率。
此外，包覆成型部分可以包含磷光体。所述磷光体可以是YAG(钇铝石榴石)、硅酸盐磷光体或其以给定比例混合的混合物。
图3A是示出本发明的第三优选实施方案中作为固态光学器件的发光器件的截面图；图3B是示出图3A中GaN基LED元件的侧视图。
(发光器件1的构造)图3A所示的发光器件1由下列组成芯片倒装型GaN基LED元件2(热膨胀系数α为5-7×10-6/℃)；Al2O3衬底3，作为无机材料衬底，其上安装有GaN基LED元件2；电路图案4，其由钨(W)-镍(Ni)-金(Au)制成，并且形成在Al2O3衬底3上；Au凸点5，其在GaN基LED元件2和电路图案4之间形成电连接；和玻璃密封材料6，其是透明无机密封材料并接合于Al2O3衬底3，同时密封GaN基LED元件2。在该实施方案中，Al2O3衬底3和电路图案4限定电力供给/回收部件。
如图3B所示的GaN基LED元件2组成如下蓝宝石(Al2O3)衬底20；缓冲层21；n型层22；包括发光层的层23；p型层24，其中在衬底20上依次生长缓冲层21至p型层24。另外，GaN基LED元件2由形成在p型层24上的p电极25和形成在通过蚀刻p型层24直至n型层22而暴露的部分n型层22上形成的n电极26组成。GaN基LED元件2在700℃或更高的温度下外延生长，所具有的容许温度限为600℃或更高，对用下述的低熔玻璃密封时的加工温度来说是稳定的。
p电极25用作光反射层，以反射从包括发光层的层23向衬底20发射的光。在该实施方案中，p电极25具有0.34mm宽×0.34mm深×0.09mm厚的尺寸。
Al2O3衬底3具有7×10-6/℃的热膨胀系数，并提供有多个通孔3A。通孔3A用于在衬底3的上表面和下表面上金属化的电路图案4之间形成电连接。电路图案由第一导电图案、第二导电图案和第三导电图案组成，所述的第一导电图案形成在安装GaN基LED元件2的一侧，所述第二导电图案形成在相对侧，所述第三导电图案是由钨(W)制成的，在第一和第二导电图案之间形成电连接。
玻璃密封材料6由B2O3-SiO2-Na2O-ZnO-Nb2O5基低熔玻璃制成。其通过用模具热压接合于Al2O3衬底3上，并通过用切片机切片形成具有顶面6A和侧面6B的矩形。
低熔玻璃通常以比树脂中的高粘度水平高几个数量级的粘度加工。对于玻璃而言，在实际密封温度的范围内，即使加热到超过屈服点温度几十℃时其粘度也不能减小到通常的树脂密封水平。然而，为了具有通常树脂密封水平的粘度，需要将它加热到超过LED元件晶体生长温度的温度。在这种高温下，玻璃将粘附于模具，从而难以用其进行密封和成型。正因为如此，优选在104泊或更高的粘度下进行加工。
(制备发光器件1的方法)下面将描述制备发光器件1的方法。
首先，提供具有通孔3A的Al2O3衬底3，根据电路图案4，将钨膏丝网印刷到Al2O3衬底3的表面上。
然后，将其上印刷有钨膏的Al2O3衬底3在约1000℃下进行热处理，从而将钨烧到衬底3中，将镍和金依次镀覆到钨上，以形成电路图案4。
然后，使GaN基LED元件2通过Au凸点5电接合至Al2O3村底3的电路图案4(表面侧上)。
然后，将板状B2O3-SiO2-Na2O-ZnO-Nb2O5基低熔玻璃与其上安装有GaN基LED元件2的Al2O3衬底3平行放置，接着在氮气氛中热压。在该过程中，低熔玻璃的粘度为108-109泊，低熔玻璃通过包括在其中的氧化物接合于Al2O3衬底3上。
然后，将与低熔玻璃结接合的Al2O3衬底3放置在切片机上，分别切割成发光器件1。
(玻璃密封材料6的组成)下面将详细描述可用于该实施方案的低熔玻璃。
通过改变B2O3、SiO2、Al2O3、Li2O、Na2O、K2O、MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO、Nb2O5、ZrO2和TiO2的组成来制备玻璃密封材料6的样品4和5。下表3描述了样品4和5的组成和特性。
表3

表3中所示的样品4没有不透明现象并保持透明，具有下列特性Tg为483℃；At为517℃；α为7.4×10-6/℃；nd为1.68。
样品5具有优异的耐潮性，并具有下列特征Tg为503℃；At为534℃；α为6.0×10-6/℃。
样品4和5的组成使之具有与Al2O3衬底3的稳定接合强度，而不导致分离或裂纹。
(第三实施方案的效果)第三实施方案所获得的效果如下(1)通过使用由B2O3-SiO2-Na2O-ZnO-Nb2O5基低熔玻璃制成的玻璃密封材料6，并在高粘度态下进行热压，该过程可以在低于结晶生长温度的足够低温度下进行。
(2)由于Al2O3衬底3基于化学键通过氧化物与玻璃密封材料6接合，因而可以获得高密封强度。因此，即使在具有小粘结面积的情况下也可以实现致密封装。
(3)由于Al2O3衬底3具有与玻璃密封材料6相似的热膨胀系数，因此在高温下接合后即使置于常温或低温时也不会在其中发生粘接破坏，如分离和裂纹。
此外，玻璃在压缩应力下较不可能产生裂纹，但是在拉伸应力下可能会产生裂纹。将玻璃密封材料6调整至热膨胀系数稍小于Al2O3衬底3的热膨胀系数。
通常，玻璃具有在高于Tg的温度下热膨胀系数增加的特性。因此，当在高于Tg的温度下进行玻璃密封时，需要考虑高于Tg的温度下的热膨胀系数，以及低于Tg的温度下的热膨胀系数，以使玻璃密封稳定。也就是说，用于玻璃密封材料6的玻璃材料具有与Al2O3衬底相等的热膨胀系数，同时考虑其热膨胀系数，包括低于Tg的温度下的热膨胀系数和Al2O3衬底3的热膨胀系数。由此，可以减小导致Al2O3衬底3扭曲的内应力，并可以避免玻璃的剪切裂纹，同时确保Al2O3衬底3和玻璃密封材料6之间的接合强度。因此，Al2O3衬底3和玻璃密封材料6的尺寸可以增加，以使总共可生产的器件数量增加。
本发明人证实，即使在-40℃-100℃的液相冷热热振荡测试的上千个循环中也不发生分离或裂纹。
另外，还证实当进行实验使5mm×5mm的玻璃片与陶瓷衬底接合，同时改变玻璃片与陶瓷衬底间的热膨胀系数组合时，如果具有较低热膨胀系数的一种材料与具有较高热膨胀系数的另一种材料的热膨胀系数之比为0.85或更大，则其之间的接合处不产生裂纹。因此，虽然取决于材料的硬度或尺寸，但相似的热膨胀系数是指这个范围。
(4)由于在倒装接合中不需要接合线，因此即使在高粘度态加工过程中也不发生电极处的破坏。由于密封过程中低熔玻璃的粘度高达108-109泊，因此性能明显不同于环氧树脂，所述的环氧树脂在热固化过程之前以液态形式存在，粘度低至5泊。因此，当贴面(face-up)型LED元件表面上的电极通过接合线电连接到电力供给元件如引线上时，如果所述元件用玻璃密封，则接合线会被压碎或变形。但是，在倒装接合中，可以避免这一问题。
另一方面，如果倒装型LED元件用玻璃密封，其中元件表面上的电极通过金凸起等电连接到电力供给元件如引线，则朝向基于玻璃高粘度的电力供给元件而施加到LED元件上的压力导致凸起的破碎和凸起之间的短路。但是，在使用凸点的该实施方案中，这一问题也可以避免。
(5)通过将低熔玻璃与包含玻璃的Al2O3衬底3平行放置，然后在高粘度态下对其进行热压，由于低熔玻璃在密封GaN基LED元件2时，在包含玻璃的Al2O3衬底3表面上平行移动，以与之紧密接触，因此可以防止出现孔隙。
(6)由于在包含玻璃的Al2O3衬底3上形成的布线(wiring)电路图案4通过通孔3A引向底侧，不需要用于防止玻璃侵入非必要部分和防止电接头被玻璃覆盖的装置。因此，通过用板状低熔玻璃全部密封多个器件，可以容易地通过用切片机切片来大量生产多个发光器件1。
同时，由于低熔玻璃在高粘度态下加工，因而可以省却树脂密封中需要的装置。因此，如果将外部端子引向底侧，则不使用通孔3A就足以大量生产多个发光器件1。
(7)由于GaN基LED元件2是芯片倒装安装的，因而可以实现小至0.5mm见方的超小发光器件1，并克服玻璃密封中的上述问题。这是因为对于接合线来说不需要空间，并且由于玻璃密封材料6和包含玻璃的Al2O3衬底3之间热膨胀系数的相似性和基于其间化学键的高结合强度，即使如此小的接合面积也可以防止界面分离。
(8)由于GaN基LED元件2具有与玻璃密封材料6相等的热膨胀系数，使得包括Al2O3衬底3的元件的热膨胀系数相等。因此，即使对于玻璃密封的高温和常温之间的温度差而言，内应力也可保持非常小。因此，可以获得没有裂纹的稳定可加工性。另外，由于内应力可以保持非常小，可以开发具有增强的抗冲击性和优异可靠性的玻璃密封LED。
(9)作为氧化铝衬底的Al2O3衬底3使得组分的成本降低，并易于获得。因此，这提高了可大规模生产性，降低了器件成本。另外，由于Al2O3具有优异的导热性，可以容易地应用于高光强度和高输出类型。另外，由于Al2O3的光吸收小，因此在光学上是有利的。
此时，证实另一组成25重量％B2O3、2重量％SiO2、5重量％Na2O、50重量％ZnO和18重量％Nb2O5可以有效地使At为550℃或更小。在该情况下，nd为1.73。
基于本发明人的研究，证实B2O3-SiO2-Na2O-ZnO-Nb2O5基低熔玻璃组成如下时对于该实施方案中的玻璃密封材料6来说具有优选的特性19-30重量％B2O3、0.5-15重量％SiO2、0-5重量％Al2O3、0-3重量％Li2O、1.5-8重量％Na2O、0-4重量％K2O、0-5重量％MgO、0-5重量％CaO、0-5重量％SrO、0-5重量％BaO、44-60重量％ZnO、9-19重量％Nb2O5、0-4重量％ZrO2和0-4重量％TiO2。
另外，本发明人还证实当制备具有下列表4中所示组成的样品6并测试其耐潮性时，在85℃、Rh为85％和2000h的条件下，其不具有光学缺陷，如表面上的白色浑浊。
表4

表4中所示的样品6没有不透明现象并保持透明，具有下列特性Tg为472℃；At为500℃；α为7.0×10-6/℃；nd为1.69。样品6的组成使之具有与Al2O3衬底3的稳定接合强度，而不导致分离或裂纹，并具有长期的优异耐潮性。
虽然在第三实施方案中，将GaN基LED元件2用于发光器件1，但是适用于玻璃密封的LED元件不局限于GaN基LED元件2。它可以是由另一种半导体材料组成的半导体发光元件。
此时，GaN基LED元件2可以通过划片来进行加工。在该情况下，由于经划片的GaN基LED元件可以在对应于切割部分的侧面上具有明显的不平坦性，因此GaN基LED元件2的侧面需要涂覆器件涂料。器件涂料可以是例如具有光透射性能的SiO2基涂料。器件涂料可以防止产生裂纹或孔隙。
此外，发光器件1可以制备成波长转换型，其中将磷光体加入到B2O3-SiO2-Na2O-ZnO-Nb2O5基低熔玻璃中，通过混合从磷光体射出的激发光与从GaN基LED元件2发出的光而进行波长转换。作为替代方案，磷光体层可以在玻璃密封材料6的表面上形成薄膜。
图4A是示出本发明的第四优选实施方案中作为固态光学器件的发光器件的截面图；图4B是示出图4A中AlInGaP基LED元件的侧视图；发光器件1使用由图4A所示的AlInGaP基半导体材料制成的LED元件2，AlInGaP基半导体材料生长在图4B所示的衬底(GaP衬底)20上。
玻璃密封材料6由B2O3-SiO2-ZnO-Bi2O3基低熔玻璃制成。
此时，利用第三实施方案中所用相同的附图标记表示下面具有类似功能的类似组件。
(玻璃密封材料6的组成)下面详细描述可用在该实施方案中的B2O3-SiO2-ZnO-Bi2O3基低熔玻璃。
用于玻璃密封材料6的样品7可具有如下组成SiO2、B2O3、La2O3、Gd2O3、Y2O3、ZrO2、Nb2O5、BaO、SrO、CaO、TiO2、ZnO、Bi2O3、Li2O、Na2O和K2O。下表5示出了样品7的组成和特性。
表5

表5中所示的样品7没有不透明现象并保持透明，具有下列特征Tg为488℃；At为519℃；α为6.2×10-6/℃；nd为1.81。
样品7的组成使之具有与Al2O3衬底3的稳定接合强度，而不导致分离或裂纹。
已证实另一组分5重量％SiO2、20重量％B2O3、10重量％La2O3、35-45重量％ZnO和20-30重量％Bi2O3有效地使得At为550℃或更低，并且nd为1.77或更高。
基于本发明人的研究，证实B2O3-SiO2-ZnO-Bi2O3基低熔玻璃组成如下时对于该实施方案中的玻璃密封材料6来说具有优选的特性1-10重量％SiO2、15-30重量％B2O3、0-20重量％La2O3、0-20重量％Gd2O3、0-10重量％Y2O3、0-5重量％ZrO2、0-20重量％Nb2O5、0-20重量％BaO、0-20重量％SrO、0-20重量％CaO、0-20重量％TiO2、25-60重量％ZnO、10-50重量％Bi2O3、0-3重量％Li2O、0-3重量％Na2O和0-3重量％K2O。
此时，在该组成范围内，玻璃密封材料6具有下列特性At为550℃或更低，α为6-8×10-6/℃，nd为1.75或更高。
(第四实施方案的效果)在发光器件1中，具有高折光指数n＝3.5的GaP衬底20和折射系数与之相等的AlInGaP基LED元件2用由B2O3-SiO2-ZnO-Bi2O3基低熔玻璃制成的玻璃密封材料6密封。因此，它可以具有优异的光提取效率、良好的热辐射性能和安装性能。
另外，通过使用高折光指数的密封玻璃，孔径角的立体角角度与环氧树脂相比可以增加30-40％。根据这一点，可以增加LED元件2的光提取效率。
此时，衬底20可以由GaP以外的材料制成。
图5是示出本发明的第五优选实施方案的固态光学器件的截面图；构造光学器件100，使得第三实施方案中所述的发光器件1接合至引线框8，使得由透明丙烯酸树脂制成的透明树脂9在其上形成，以覆盖除引线框8之外的全部组件。
通过用由B2O3-SiO2-Na2O-ZnO-Nb2O5基低熔玻璃制成的玻璃密封材料6密封GaN基LED元件2，形成发光器件1。
透明树脂9提供有半球形光学异形表面9A，其具有作为光源的LED元件2，并通过注射法制成。
(第五实施方案的效果)第五实施方案获得的效果如下(1)通过使用诸如丙烯酸树脂和聚碳酸酯的树脂材料和注射法，可以容易地在玻璃密封的LED上形成具有任意形状的光学系统。由于Al2O3衬底3的机械强度能够经受住注射成型过程中的保留压力(retention pressure)或通过树脂注射而施加的外部压力，因此具有任意形状的透明树脂9可以根据光学器件100的用途与LED组合。另外，由于LED元件2由玻璃密封材料6覆盖，因此即使在树脂材料的注射速率增加时LED元件2也不太可能被破坏。
(2)通过用树脂材料包覆成型玻璃密封的发光器件1，玻璃密封材料6可以避免劣化，并具有更强的耐潮性。
(3)由于透明树脂9通过玻璃密封材料6置于LED元件2上，因此可以使用任意树脂材料，即使在由于其光劣化特性不适于直接密封LED元件2时也是如此。因此，可以提高设计的自由性。例如，透明树脂9可以是彩色的透光树脂材料。
(4)发光器件1具有最易于大量生产的矩形形状，因此其可以低成本地致密封装，从而可使从一个陶瓷衬底得到的产品数量最大化。基于此，通过用树脂密封经玻璃密封的发光器件1的周边以形成光学异形表面，从发光器件1发出的光可以向外射出，而不在发光器件1的界面并随后在透明树脂9的界面处折射。也就是说，通过用树脂材料密封玻璃密封的发光器件，与仅使用玻璃材料形成光学异形表面的情况相比，可以更易于且以更低成本构造光学器件100。
在光学器件100中，虽然树脂材料9由丙烯酸树脂制成，但也可以是诸如环氧树脂的另一种树脂。而且，也可以通过转移成型以外的另一种成型方法如浇注成型法形成。光学异形表面可以是半球形表面以外的另一形状的表面。
此外，包覆成型部分可以包含磷光体。所述磷光体可以是YAG(钇铝石榴石)、硅酸盐磷光体或其以给定比例混合的混合物。
图6A是示出本发明的第六优选实施方案中作为固态光学器件的发光器件的俯视图；图6B是沿图6A中的线b-b切开的截面图；图6C是示出图6A中发光器件的仰视图。
(发光器件1的构造)图6A和6B所示的发光器件1组成如下9个芯片倒装型GaN基LED元件2；Al2O3衬底3，形成多层结构中的正方形，其上有安装GaN基LED元件2；电路图案4，其由钨(W)制成(衬底表面上的图案还提供有在其上形成的镍(Ni)和金(Au)镀层)，并形成在Al2O3衬底3的表面和内部；Au凸点5，其在GaN基LED元件2和电路图案4之间形成电连接；玻璃密封材料6，其由P2O5-Al2O3-ZnO基低熔玻璃制成，并在密封GaN基LED元件2的同时与Al2O3衬底3接合；底部电路图案16A(阳极)和16C(阴极)，其暴露在Al2O3衬底3的四个角上，同时延伸自内层(中间层)；热辐射图案17，其由铜制成，用于向外辐射由LED元件2产生的热量。
9个LED元件2(芯片尺寸为340μm见方)以3×3排列，以600μm的间隔通过分立电路图案4上的Au凸点5紧密安装(close-mounted)，所述的电路图案4在Al2O3衬底3的表面上形成为圆形。
Al2O3衬底3具有多层结构，其中形成钨制内部接线。如图6A所示行方向上的3个LED串联形成元件组，元件组的阳极与底部电路图案16A之一(阳极)连接，元件组的阴极与底部电路图案16C(阴极)连接。底部电路图案16C(阴极)还与另外两行中元件组的阴极连接。
(玻璃密封材料6的组成)下面详细描述可用于第六实施方案的低熔玻璃。
通过改变P2O5、B2O3、Al2O3、Li2O、Na2O、K2O、MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO、Nb2O5、TiO2、Bi2O3、Gd2O3、WO3和ZrO2的组成制备用作玻璃密封材料6的四个样品8-11。下表6示出了样品8-11的组成和特性。
表6

从表6可以看出，所有样品8-11都没有不透明现象并保持透明，并且折光指数为1.52或更高，热膨胀系数α与Al2O3衬底3的热膨胀系数近似相等。
如表6所示可变范围内的热膨胀系数α使之具有与Al2O3衬底3的稳定接合强度，而不导致分离或裂纹。
基于本发明人的研究，证实了P2O5-Al2O3-ZnO基低熔玻璃在具有如下组成时对于该实施方案中的玻璃密封材料6来说具有优选的特性55-62重量％P2O5、5-12重量％Al2O3、20-40重量％ZnO，此处P2O5+Al2O3+ZnO为80-100重量％，0-5重量％B2O3、0-3重量％Li2O、0-3重量％Na2O、0-3重量％K2O、0-5重量％MgO、0-10重量％CaO、0-10重量％SrO、0-20重量％BaO、0-20重量％Nb2O5、0-20重量％TiO2、0-20重量％Bi2O3、0-5重量％Gd2O3、0-5重量％WO3和0-5重量％ZrO2。
在该组成范围内，玻璃密封材料6可具有下列特性At为550℃或更低，α为6-8×10-6/℃，Abbe数vd为61.1。
(第六实施方案的效果)第六实施方案获得的效果如下(1)即使当多个LED元件2紧密安装时，发光器件1也可以具有优异的可靠性，而不导致裂纹，这是因为LED元件2具有与玻璃密封材料6相等的热膨胀系数α。而且，由于玻璃密封材料6具有与Al2O3衬底3相等的热膨胀系数α，因此可以实现优异的玻璃接合强度。
(2)通过使用Al2O3衬底3，即使紧密安装大量生热的GaN基LED元件2，也可以获得稳定的热辐射性能。另外，串联/并联电路易于图案化，在形成电解镀覆金属层的过程中易于设计导线的相互连接。
(3)通过从内部中间层取出外部电路连接端子，并将金属热辐射图案17置于底部，在9个紧密安装的LED元件2的工作过程中产生的热可以快速从热辐射图案17释放到散热器等上。
同时，通过向第六实施方案的发光器件1提供由树脂材料制成的透明树脂，还可以将所述发光器件1改为光学器件100，如图5所示。在该情况下，P2O5-Al2O3-ZnO基低熔玻璃可以具有更强的耐潮性。
图7是示出本发明的第七优选实施方案中作为固态光学器件的发光器件的截面图。在图7中，示出了多个发光器件1在晶片状Al2O3衬底3上形成玻璃密封的状态。
(发光器件1的构造)发光器件1组成如下芯片倒装型LED元件2，其由GaN基半导体制成；Al2O3衬底3，其上安装有LED元件2；电路图案4，其形成在Al2O3衬底3上；Au凸点5，其在LED元件2和电路图案4之间形成电连接；和玻璃密封材料6，其具有光学异形表面，由P2O5-Al2O3-ZnO基低熔玻璃制成，并在密封LED元件2的同时在热压缩过程中接合于Al2O3衬底3。P2O5-Al2O3-ZnO基低熔玻璃与第六实施方案具有相同的组成。
Al2O3衬底3提供有分离槽3B，以给定间隔形成，对应于玻璃密封后切除器件过程中的村底分离位置。
通过热压预成型玻璃，将玻璃密封材料6在热压缩过程中接合于Al2O3衬底3表面，所述的预成型玻璃通过预成型工艺预先提供有光学异形表面6和薄的平坦部分6D。在通过对划片位置施加负载切下器件时，平坦部分6D的厚度应不会对相邻的发光器件1造成破坏，如裂纹。
生产发光器件1，使LED元件2安装到Al2O3衬底3上，并用玻璃密封材料6密封，然后，通过向作为划片位置的衬底分离位置3B施加负载，Al2O3衬底3通过应力集中(stress concentration)而切断，并且玻璃密封材料6在平坦部分6D处切断。
(第七实施方案的效果)第七实施方案获得的效果如下(1)由于LED元件2用热膨胀系数与常用的Al2O3衬底3的热膨胀系数相等的玻璃密封材料6密封，因此可以减小加工过程中生热所导致的内应力。因此，可以提高玻璃密封的可靠性和批量生产率。
(2)由于Al2O3衬底3具有耐划片的机械强度，因此与需要下料存放(cuttingstock)的切割相比，可以进行更窄节距的安装。因此，可以提高产品收得率。
例如，对于标准尺寸的LED元件2(芯片尺寸为0.3mm见方)以0.5mm的节距进行玻璃密封的小发光器件来说，如果通过使用热膨胀系数为约13×10-6/℃的密封玻璃和陶瓷衬底对没有下料贮存、以0.5mm节距安装在陶瓷衬底上的LED元件2进行玻璃密封，那么密封玻璃和LED元件2之间的热膨胀系数差将导致裂纹。
但是，在该实施方案中，由于玻璃密封材料6具有与LED元件2相等的热膨胀系数，玻璃密封材料6和Al2O3衬底3之间的热膨胀系数差异小，即使在其之间的接合面积减小时也是如此，因此不会由于玻璃密封材料6中或玻璃密封材料6与Al2O3衬底3之间的玻璃密封或划片而导致裂纹或分离。
(3)在切割发光器件1时，通过切片机切割晶片时会在玻璃中产生残余应变，玻璃密封材料6会由于热冲击而具有缺陷。但是，当对发光器件1划片时，由于减小了残余应变，诸如缺陷的破坏不太可能产生。
除了划片之外，也可以使用激光切断发光器件1。
图8是示出本发明的第八优选实施方案中作为固态光学器件的发光器件的截面图，其中安装了大尺寸(1mm见方)LED元件2。
(发光器件1的构造)发光器件1组成如下芯片倒装型大尺寸LED元件2，其由GaN基半导体制成；Al2O3衬底3，其上安装有LED元件2；电路图案4，其形成在Al2O3衬底3上；热辐射图案40，其具有给定的表面积，由诸如铜箔的高导热材料制成，并置于Al2O3衬底3的外部连接侧；Au凸点5，其在LED元件2和电路图案4之间形成电连接；和玻璃密封材料6，其具有光学异形表面，由B2O3-SiO2-PbO基低熔玻璃制成，并在密封LED元件2的同时在热压缩过程中接合于Al2O3衬底3。
(玻璃密封材料6的组成)用于玻璃密封材料6的B2O3-SiO2-PbO基低熔玻璃组成如下15重量％SiO2、13重量％B2O3、56重量％PbO、0.6重量％As2O3、9重量％Al2O3和2重量％La2O3，并具有下列特性At为550℃或更低，α为6.1×10-6/℃。
由于B2O3-SiO2-PbO基低熔玻璃具有与Al2O3衬底3的热膨胀系数近似相等的热膨胀系数α，使之具有与Al2O3衬底3的稳定接合强度，而不导致分离或裂纹。
基于本发明人的研究，证实B2O3-SiO2-PbO基低熔玻璃具有如下组成时对于该实施方案中的玻璃密封材料6来说具有优选的特性20重量％-50重量％B2O3和30重量％-70重量％PbO。
(第八实施方案的效果)在第八实施方案中，没有Al2O3衬底3和玻璃密封材料6之间的热膨胀系数差异所致的裂纹，因此即使使用大尺寸的LED元件2也可以获得具有更高可靠性的发光器件1。通常，当从玻璃密封中的无应力状态回复到常温时，由此所产生的应力与LED元件2的尺寸成比例。由于与树脂相比玻璃是硬材料，因此可能具有裂纹，尤其是由于拉伸应力或剪切应力所致的裂纹。但是，本发明人证实通过使用该实施方案中的Al2O3衬底3和玻璃密封材料6，可以无裂纹地将芯片尺寸为1mm见方的LED元件2密封。
此时，通过对第八实施方案的发光器件1提供由树脂材料制成的透明树脂，还可以将它改为图5所示的光学器件100。
类似于第六实施方案，构造发光器件1，将第八实施方案的9个大尺寸GaN基LED元件2以3×3排列，安装在Al2O3衬底3上，并且使用由B2O3-SiO2-PbO基低熔玻璃制成的玻璃密封材料6将其密封。
(第九实施方案的效果)在第九实施方案中，即使在安装多个大尺寸LED元件2时，发光器件1也会具有与第八实施方案相同的稳定玻璃密封性能和优异可靠性。
在第九实施方案中不使用Al2O3衬底3，可以使用具有更高导热性的衬底。例如，该高导热衬底可以由BeO(热膨胀系数α为7.6×10-6/℃，热导率为250W/(m·k))制成。BeO衬底使得具有良好的玻璃密封性能，因为它具有与玻璃密封材料6的热膨胀系数相等的热膨胀系数α。
具有高导热性的其他衬底可以是W-Cu衬底。例如，W-Cu衬底可以是W90-Cu10衬底，热膨胀系数α为6.5×10-6/℃，热导率为180W/(m·k)，或W85-Cu15，热膨胀系数α为7.2×10-6/℃，热导率为190W/(m·k)。这些衬底具有高导热性，和与玻璃密封材料6的良好接合强度。因此，发光器件1可以容易地应用于高光强度和高输出类型。
虽然在上述实施方案中，固态光学器件涉及使用LED元件的发光器件，但本发明并不局限于发光器件。例如，根据本发明的固态光学器件可以包括其他光学器件或元件，如受光元件和太阳能电池元件。
虽然为了全面清楚地公开，就特定实施方案描述了本发明，但所附的权利要求并不会因此而受到限制，而应认为包括了本领域技术人员能够进行的、完全属于本文所阐明的基本教义范围内的所有改动和替代构造。
权利要求
1.一种固态光学器件，包括固态元件；向/从固态元件供给或收回电能的电力供给/回收部件；和密封固态元件的玻璃密封材料，其中玻璃密封材料包含P2O5-ZnO基低熔玻璃，所述的P2O5-ZnO基低熔玻璃含有45-50重量％P2O5和15-35重量％ZnO。
2.根据权利要求1的固态光学器件，其中所述低熔玻璃还包含3-6重量％的Li2O。
3.根据权利要求1的固态光学器件，其中所述低熔玻璃包含45-50重量％P2O5、3-6重量％Li2O、0-3.5重量％MgO、0-10重量％CaO、0-15重量％SrO、0-30重量％BaO、15-35重量％ZnO、0-1重量％ZrO2、0-1.5重量％Nb2O5和0-5重量％Al2O3，其中RO(RMg、Ca、Sr、Ba和Zn)总计为38-49％。
4.一种固态光学器件，包括固态元件；向/从固态元件供给或收回电能的电力供给/回收部件；和密封固态元件的玻璃密封材料，其中所述玻璃密封材料包含P2O5-F基低熔玻璃，所述的P2O5-F基低熔玻璃含有6-50重量％P2O5和1-45重量％ZnO，以基于氧化物的重量％计。
5.根据权利要求4的固态光学器件，其中所述低熔玻璃包含34-50重量％P2O5、2-9重量％Li2O、7-28重量％Na2O、3-27重量％K2O，6.5-30重量％Al2O3和1.5-32重量％F，以基于氧化物的重量％计，其中R2O(RLi、Na和K)总计为17-41重量％。
6.根据权利要求4的固态光学器件，其中所述低熔玻璃包含3.0-8.0mol％P2O5、0.1-2.0mol％Al2O3、1.0-7.0mol％BaO、35.5-41.0mol％AlF3、8.0-13.0mol％MgF2、16.0-26.0mol％CaF2、15.0-21.0mol％SrF2、3.5-10.0mol％BaF2和1.0-6.0mol％NaF2，以mol％计。
7.根据权利要求4的固态光学器件，其中所述低熔玻璃包含15-32重量％Al(PO3)2、0-10重量％Ba(PO3)2、0-10重量％Sr(PO3)2、0-10重量％Ca(PO3)2、0-10重量％Mg(PO3)2，此处偏磷酸盐的总量为20-32重量％，20-70重量％BaF2、5-40重量％SrF2、0-15重量％CaF2、0-10重量％MgF2、0-5重量％AlF3、0-5重量％GdF3，此处氟化物的总量为55-75重量％，5-22重量％Gd2O3、0-7重量％La2O3、0-10重量％Y2O3和0-10重量％Yb2O3，此处稀土盐的总量为5-22重量％。
8.根据权利要求1-7中任意一项的固态光学器件，其中所述固态元件是芯片倒装的。
9.根据权利要求1-7中任意一项的固态光学器件，其中电力供给/回收部件包括金属引线。
10.根据权利要求9的固态光学器件，其中金属引线包含软金属。
11.根据权利要求1-7中任意一项的固态光学器件，其中电力供给/回收部件包括向/从固态元件供给或回收电能的无机材料衬底，并且玻璃密封材料具有与无机材料衬底的热膨胀系数相等的热膨胀系数。
12.根据权利要求11的固态光学器件，其中无机材料衬底包括第一导电图案、第二导电图案和第三导电图案，所述的第一导电图案形成在其安装固态元件的表面上，所述第二导电图案形成在相对的表面上，所述第三导电图案在第一和第二导电图案之间形成电连接。
13.根据权利要求1-7中任意一项的固态光学器件，其中玻璃密封材料包括形成在其表面上的涂层，该涂层提供耐潮性和耐酸/碱性。
14.根据权利要求1-7中任意一项的固态光学器件，其中固态元件包括光学元件，并且玻璃密封材料包含透光材料。
15.根据权利要求14的固态光学器件，其中光学元件包括发光元件。
16.根据权利要求14的固态光学器件，其中光学元件包括受光元件。
17.根据权利要求1-14中任意一项的固态光学器件，其中玻璃密封材料用树脂进行包覆成型。
18.固态光学器件，包括固态元件；其上安装固态元件的电力供给/回收部件，所述的电力供给/回收部件向/从固态元件供给或回收电能；和密封固态元件的玻璃密封材料，其中玻璃密封材料具有与电力供给/回收部件的热膨胀系数相等的热膨胀系数，并且玻璃密封材料包含P2O5-Al2O3-ZnO基低熔玻璃，所述的P2O5-Al2O3-ZnO基低熔玻璃含有55-62重量％P2O5、5-12重量％Al2O3和20-40重量％ZnO，以重量％计。
19.根据权利要求18的固态光学器件，其中所述低熔玻璃还包含0-5重量％B2O3、0-3重量％Li2O、0-3重量％Na2O、0-3重量％K2O、0-5重量％MgO、0-10重量％CaO、0-10重量％SrO、0-20重量％BaO、0-20重量％Nb2O5、0-20重量％TiO2、0-20重量％Bi2O3、0-5重量％Gd2O3、0-5重量％WO3和0-5重量％ZrO2，以重量％计。
20.固态光学器件，包含固态元件；其上安装有固态元件的电力供给/回收部件，所述的电力供给/回收部件向/从固态元件供给或回收电能；和蜜封固态元件的玻璃密封材料，其中玻璃密封材料具有与电力供给/回收部件的热膨胀系数相等的热膨胀系数，并且玻璃密封材料包含B2O3-SiO2-Na2O-ZnO-Nb2O5基低熔玻璃，所述的B2O3-SiO2-Na2O-ZnO-Nb2O5基低熔玻璃含有19-30重量％B2O3、0.5-15重量％SiO2、1.5-8重量％Na2O、44-60重量％ZnO和9-19重量％Nb2O5，以重量％计。
21.根据权利要求20的固态光学器件，其中所述低熔玻璃还包含0-5重量％Al2O3、0-3重量％Li2O、0-4重量％K2O、0-5重量％MgO、0-5重量％CaO、0-5重量％SrO、0-5重量％BaO、0-4重量％ZrO2和0-4重量％TiO2，以重量％计。
22.固态光学器件，包含固态元件；其上安装有固态元件的电力供给/回收部件，所述的电力供给/回收部件向/从固态元件供给或回收电能；和密封固态元件的玻璃密封材料，其中玻璃密封材料具有与电力供给/回收部件的热膨胀系数相等的热膨胀系数，并且玻璃密封材料包含B2O3-SiO2-ZnO-Bi2O3基低熔玻璃，所述的B2O3-SiO2-ZnO-Bi2O3基低熔玻璃含有1-10重量％SiO2、15-30重量％B2O3、25-60重量％ZnO和10-50重量％Bi2O3，以重量％计。
23.根据权利要求22的固态光学器件，其中所述低熔玻璃还包含0-20重量％La2O3、0-20重量％Gd2O3、0-10重量％Y2O3、0-5重量％ZrO2、0-20重量％Nb2O5、0-20重量％BaO、0-20重量％SrO、0-20重量％CaO、0-20重量％TiO2、0-3重量％Li2O、0-3重量％Na2O和0-3重量％K2O，以重量％计。
24.固态光学器件，包括固态元件；其上安装有固态元件的电力供给/回收部件，所述的电力供给/回收部件向/从固态元件供给或回收电能；和密封固态元件的玻璃密封材料，其中玻璃密封材料具有与电力供给/回收部件的热膨胀系数相等的热膨胀系数，并且玻璃密封材料包含B2O3-SiO2-PbO基低熔玻璃，所述的B2O3-SiO2-PbO基低熔玻璃含有20重量％-50重量％B2O3和30重量％-70重量％PbO，以重量％计。
25.根据权利要求18-24中任意一项的固态光学器件，其中所述低熔玻璃具有与固态元件的热膨胀系数相等的热膨胀系数。
26.固态光学器件，包括固态元件；其上安装有固态元件的电力供给/回收部件，所述的电力供给/回收部件向/从固态元件供给或回收电能；和密封固态元件的玻璃密封材料，其中玻璃密封材料具有与固态元件和电力供给/回收部件的热膨胀系数相等的热膨胀系数。
27.根据权利要求25的固态光学器件，其中固态元件尺寸为1mm或更大。
28.根据权利要求25的固态光学器件，其中固态元件包括紧密安装的多个固态元件。]
29.根据权利要求18-24中任意一项的固态光学器件，其中固态元件是倒装的。
30.根据权利要求18-24中任意一项的固态光学器件，其中所述的电力供给/回收部件包括无机材料衬底，所述的无机材料衬底包括导电图案，以向/从固态元件供给或回收电能，并且玻璃密封材料具有与无机材料衬底的热膨胀系数相等的热膨胀系数。
31.根据权利要求30的固态光学器件，其中所述的无机材料衬底包括第一导电图案、第二导电图案和第三导电图案，所述的第一导电图案形成在其安装固态元件的表面上，所述第二导电图案形成在相对的表面上，所述第三导电图案在第一和第二导电图案之间形成电连接。
32.根据权利要求30的固态光学器件，其中无机材料衬底包括氧化铝衬底。
33.根据权利要求18-24中任意一项的固态光学器件，其中玻璃密封材料包括形成在其表面上的涂层，该涂层提供耐潮性和耐酸/碱性。
34.根据权利要求18-24中任意一项的固态光学器件，其中固态元件包括光学元件，并且玻璃密封材料包括透光材料。
35.根据权利要求34的固态光学器件，其中光学元件包括发光元件。
36.根据权利要求34的固态光学器件，其中光学元件包括在衬底上形成GaN基半导体层的GaN基LED元件。
37.根据权利要求34的固态光学器件，其中光学元件包括受光元件。
38.根据权利要求18-24中任意一项的固态光学器件，其中玻璃密封材料用树脂进行包覆成型。
全文摘要
固态光学器件，其具有固态元件；向/从固态元件供给或收回电能的电力供给/回收部件；以及密封所述固态元件的玻璃密封材料。所述的玻璃密封材料由含45－50重量％P
文档编号H01L23/28GK1767180SQ20051010251
公开日2006年5月3日 申请日期2005年9月8日 优先权日2004年9月9日
发明者末广好伸, 山口诚治, 沢登成人, 大塚正明, 渡部洋己, 相田和哉 申请人:丰田合成株式会社, 株式会社住田光学玻璃