CN101079464A

CN101079464A - 紫外线发光元件封装

Info

Publication number: CN101079464A
Application number: CNA2007101050347A
Authority: CN
Inventors: 仲田重范; 渡边胜也
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2007-11-28
Also published as: JP2007311707A; US7511313B2; KR101076978B1; TW200744234A; KR20070112704A; US20070267645A1

Abstract

本发明提供一种紫外线发光元件封装，具备聚光透镜，紫外线的取出效率高且能得到稳定的输出，具有新颖的构造。上述课题藉由如下的紫外线发光元件封装来实现，该紫外线发光元件封装具备聚光透镜、和位于该聚光透镜的底面侧的中央并与聚光透镜的底面隔开而配置的紫外线发光元件，至少在紫外线发光元件与聚光透镜之间的间隙中被填充有具备紫外线耐久性的折射率差缓和物质。作为折射率差缓和物质使用硅酮树脂或含氟类树脂。

Description

紫外线发光元件封装

发明内容

本发明有关于发射紫外线的紫外线发光元件和对来自该紫外线发光元件的紫外线进行聚光的聚光透镜构成一体的紫外线发光元件封装。

背景技术

现在，例如照射以365nm为中心的、波长在300～400nm的范围的紫外线的紫外线照射装置，用于使在该波长范围具有灵敏度的例如粘接剂、涂料、墨水、光阻剂等固化或干燥的处理、或是相反使其溶融或软化的处理等各种处理中。

举例而言，在光盘用的拾取透镜的粘接、或是电子构件的对基板的粘接等的光照射处理中，需要对较小的区域照射光，而用于进行这种处理的紫外线照射装置中的某种装置具有如下构成：例如将来自紫外线光源的紫外线利用捆扎多个光纤而构成的光导纤维来引导，或是例如利用聚光透镜将来自紫外线光源的紫外线聚光为点状，从而照射至微小的区域。

在过去，作为在这种紫外线照射装置中的紫外线光源，优选地使用了例如氙灯或是超高压水银灯等的放电灯，但是在近年，伴随着开发出采用能够以高功率发射紫外线的发光材料的发光二极管元件(例如，参考非专利文献1)，开始提出将这种发光二极管元件(以下称为“UV-LED”)作为光源使用的紫外线照射装置(例如，参考专利文献1)。

一般而言，在使用发光二极管元件(LED元件)作为光源而使用的情况下，为了高效地利用来自LED元件光，例如进行将LED元件与聚光透镜或具有聚光作用的构成构件一体化(封装)而构成LED元件封装(例如，参考专利文献2、专利文献3)。以下，参考被记载于专利文献2中的图1，而针对LED元件封装的构造具体地进行说明。

图7是表示先前的LED元件封装的其中一例的结构的概略的剖面图。

图7中的51是通过被供给电力而发光的LED元件，该LED元件51被配置于例如由液晶聚合物等构成的容器52的凹部。

在容器52中设有用于与LED元件51的电极51A，51B相连接的引脚电极53、54，引脚电极53、54是在容器52的凹部的底面露出于外部，并与被配置于容器52内的LED元件51的电极51A、51B电连接。LED元件51的电极51A、51B与引脚电极53、54的连接方法例如可以利用金线的引线接合方式、或例如银糊等的电接合构件的接合方法。

LED元件51由使从LED元件51发射的光透过的透光性树脂而密封(塑封)，由此，达成防止LED元件51的氧化以及在外部保护。

在该LED元件封装50中，容器52的凹部的侧面成为以朝向外部方向而变宽的方式而倾斜的光反射面，进而透光性树脂55的外表面(外形)形成为凸形状，由此，能通过透光性树脂55实现凸透镜的效果，提高从LED元件51发射的光的聚光性，而能够提升从LED元件封装50的光的取出效率。

另外，在专利文献3所揭示的LED发光元件封装是另外个别设置透镜的结构，如该专利文献3的图1或图2所示，LED元件利用例如由环氧树脂构成的、且包含波长转换用的变换器的透明树脂材料塑封，进而在该透明树脂材料上设置有聚光透镜，而成为聚光透镜由透明树脂材料粘接固定并一体化的结构。

但是，当将发射紫外线的UV-LED元件进行封装时，不能利用上述那样的封装构造(树脂塑封构造)。即，在上述封装构造中，被用以对LED元件进行塑封的先前的透光性树脂材料因照射紫外线(波长380nm以下的光)而劣化，而伴随着使用，紫外线的透射率逐渐降低，例如有降低至一半以下的情况，不能得到稳定的紫外线的输出，因此，无法将UV-LED元件由先前的透明树脂材料来塑封并进行封装。

对于这种问题，例如在专利文献4中揭示了如下技术：在被配置有发出包含紫外线的光的UV-LED元件的空间中，封入紫外线容易透过的例如氮气等的气体，并且，由紫外线透过性的石英玻璃等构成透镜，对UV-LED元件进行封装。

然而，在被封入有这种气体(例如氮气)而成的封装构造中，显然会产生从UV-LED元件的紫外线的取出效率降低的问题。

即，在配置有UV-LED元件的空间内封入气体构成的UV-LED元件封装中，从UV-LED元件的发光源(发光材料)所发射的紫外线在被封入的气体中传播而射入透镜。

但是，UV-LED元件的发光源是例如由氮化镓(GaN)的发光层所构成，由于该氮化镓(GaN)的发光层和被封入的气体(例如氮气)的折射率的大小分别不同，因此在氮化镓(GaN)的发光层与气体的界面上，某个射入角度(临界角)以上的光进行全反射。即，不是从氮化镓(GaN)的发光层所发射出的所有光取出到气体中。

针对该现象，若是参考图3具体说明，则由于构成UV-LED元件的发光源的氮化镓(GaN)的发光层的折射率是约为2.5，而氮气的折射率约为1.0，因此，在氮化镓(GaN)的发光层与氮气的界面的产生全反射(θ′成为90°)的临界角θ是成为23.6°。即，这表示在从UV-LED元件中的氮化镓(GaN)的发光层发射的光中，只有被包括在相对于与UV-LED元件垂直的轴的平面角θ为23.6°为止的范围(立体角φ为0.52sr(球面角度))内的光，才能取出到氮气环境中。

因此，虽然从UV-LED元件也有以23.6°以上的广范围所发射的光，但是不能利用该些光。

另外，在UV-LED元件封装中，如上所述，不能够构成用过去的透明树脂材料塑封的封装构造，但是，假设对用环氧树脂将UV-LED元件进行塑封时的光的取出效率进行检讨，则由于环氧树脂的折射率是约为1.5，因此氮化镓(GaN)的发光层与环氧树脂的界面上，产生全反射的临界角θ是成为36.9°。即，在从UV-LED元件中的氮化镓(GaN)的发光层发射的光中，包括在相对于与UV-LED元件垂直的轴的平面角θ为36.9°为止的范围(立体角φ为1.26sr)的光，能取出到环氧树脂中。

由以上可知，考虑在各个角度范围内一样地包含光时，在被配置有UV-LED元件的空间中封入气体构成的UV-LED元件封装中，从UV-LED元件取出到氮气环境中的光量，与用环氧树脂进行塑封时的、从UV-LED元件取出到树脂的光量相比，仅能得到约40％左右。

如以上所示，在构成UV-LED元件封装时，根据光的取出效率的观点，由树脂塑封形成的封装为理想，但是在该情况下，对于用于对UV-LED元件进行塑封用的透明树脂材料，要求(a)折射率大(具有与发光元件的发光层的折射率接近的折射率)、(b)因照射紫外线而劣化的程度小、(c)具有将透镜可靠地固定于框架的足够高的粘接力，实际情况是全部满足这3个条件的树脂材料不为人们所知。

专利文献1：(日本)特开2005-015764号公报

专利文献2：(日本)特开2001-196644号公报

专利文献3：(日本)特表2002-543594号公报

专利文献4：(日本)特开平10-233532号公报

非专利文献1：“发光波长与水银灯相同、光功率为100mW的紫外LED”，日经electronics，2002年10月21日号，p.28

发明内容

本发明是根据以上的情况做出的，其目的是提供一种紫外线发光元件封装，具有聚光透镜，从紫外线发光元件的紫外线的取出效率高，而且能得到稳定的输出，并具有崭新的构造。

本发明的紫外线发光元件封装，其特征在于，具备聚光透镜、及位于该聚光透镜的底面侧的中央并与聚光透镜的底面隔开配置的紫外线发光元件，至少在紫外线发光元件与透镜的底面之间的间隙中，被填充有具备紫外线耐久性的折射率差缓和物质。

本发明的紫外线发光元件封装，其特征在于，具备：紫外线发光元件；基板，配置有该紫外线发光元件；电极，使紫外线发光元件与外部电连接；透镜保持构件，是框状，以围绕紫外线发光元件的周围的方式配置在基板上；聚光透镜，在底面与紫外线发光元件隔开的状态下，由透镜保持构件保持固定，并对来自紫外线发光元件的紫外线进行聚光；和折射率差缓和层，至少被填充在包括紫外线发光元件与聚光透镜的底面之间的间隙的空间中而形成，并由具有紫外线耐久性的折射率差缓和物质构成。

另外，在本发明的紫外线发光元件封装中，其特征在于，作为折射率差缓和物质使用硅酮树脂或含氟类树脂。

另外，折射率缓和物质是可以是液状。

本发明的效果如下：根据本发明的紫外线发光元件封装，在聚光透镜与紫外线发光元件之间的间隙中填充有与紫外线发光元件的发光层的折射率的差小的折射率差缓和物质，从而能将由紫外线发光元件的发光层与折射率差缓和物质的界面上的两者的折射率差而产生的紫外线的取出角度的降低程度抑制为较小，因此在能高效地取出紫外线发光元件照射的紫外线，并且，折射率差缓和物质的耐紫外线性优良，而能将被紫外线照射所致的历时的透射率的降低程度抑制为较小。

进而，将聚光透镜与折射率差缓和物质由不同的构件来形成，由此，是耐紫外线性优良的物质却难以形成为透镜形状的物质，也可作为折射率差缓和物质来使用，因此，能得到可以实现稳定的紫外线输出的紫外线发光元件封装。

另外，被填充在透镜与紫外线发光元件之间的间隙中的折射率差缓和物质的厚度较小，因此，在因被照射紫外线而劣化、使折射率差缓和物质的透射率降低的情况下，也能减小该不良影响的程度。

另外，通过使用液状的树脂材料作为折射率差缓和物质，能够冷却点灯中的紫外线发光元件，防止成为过热状态，并能够防止紫外线发光元件的发光效率的降低。

附图说明

图1是表示本发明的紫外线发光元件封装的其中一例的结构的概略的剖面图。

图2是用于说明图1所示的紫外线发光元件封装的制作方法的说明图。

图3是用于说明本发明的紫外线发光元件封装的作用效果的说明图。

图4是表示本发明的紫外线发光元件封装的其他例子的结构的概略的剖面图。

图5用于说明图4所示的紫外线发光元件封装的制作方法的说明图。

图6是表示本发明的紫外线发光元件封装的另外的其他例子的结构的概略的剖面图。

图7是表示过去的LED元件封装的一例的结构的概略的剖面图。

符号说明

10：紫外线发光元件封装

11：紫外线发光二极管元件(UV-LED元件)

11A、11B：UV-LED元件的电极

12：基板

13、14：引脚电极

15：透镜保持构件

15A：折射率差缓和物质流入口

15B：折射率差缓和物质排出口

16：粘接剂

17：聚光透镜

20：折射率差缓和层

20A：折射率差缓和物质

30：UV-LED元件封装

35：折射率差缓和物质

40：UV-LED元件封装

50：LED元件封装

51：LED元件

51A、51B：LED元件的电极

52：容器

53、54：引脚电极

55：透光性树脂

具体实施方式

图1是表示本发明的紫外线发光元件封装的其中一例的结构成的概略的剖面图。

该紫外线发光元件封装10是藉由被供给电力而发射紫外线，例如是将由紫外线发光二极管元件(UV-LED元件)11构成的紫外线发光元件配置于基板12上，进而在该UV-LED元件11的光发射方向前方(在图1中的上方)，对从UV-LED元件11发射出的紫外线进行聚光的半球状的聚光透镜17，在使其底面与UV-LED元件11的发光面隔开以形成规定大小的间隙的状态下，由以围绕UV-LED元件11的周围的方式配置的透镜保持构件15来保持并固定，由此，使UV-LED元件11与聚光透镜17构成一体。

UV-LED元件11位于聚光透镜17的底面侧的中央，通过被配设于基板12的引脚电极13、14与外部电连接。11A、11B是UV-LED元件11的电极，并通过例如金凸块或是银糊等的电性接合构件来与引脚电极13、14电连接。

UV-LED元件11的发光源(发光材料)，例如由氮化镓(GaN)的活性层(折射率约为2.5)构成。

聚光透镜17由透过紫外线且不会因紫外线的照射而劣化的例如石英等玻璃构成。另外，聚光透镜17只要是具有上述的特性的材料，则并不限于玻璃，而例如也可以由树脂材料所构成。

透镜保持构件15是例如剖面形状呈L字型的框状构件，由例如被涂布于其透镜保持面上的粘接剂16粘接聚光透镜17，对其进行保持、固定。

本发明的紫外线发光元件封装，是具有紫外线耐久性、且与UV-LED元件的发光层的折射率之差小的折射率差缓和物质至少被填充在包括紫外线发光元件与聚光透镜的底面之间的间隙的空间中而成的。

在该实施例中形成为如下状态：在UV-LED元件11与聚光透镜17的底面之间的间隙中，由折射率差缓和物质构成的折射率差缓和层20密接于聚光透镜17与UV-LED元件11的两者上的状态，即，在折射率差缓和层20与透镜17以及UV-LED元件11之间的界面上、在折射率差缓和层20的较厚部中均不存在气体(空气层)且没有间隙的状态。

在本发明中所指的“紫外线耐久性”，是指例如在UV-LED元件11上通电额定电流，而使UV-LED元件11工作时，在经过5000小时以后，也保证70％下降(相对于初期状态仍维持有70％以上的透射率)的特性，即，即使照射紫外线，透射率长时间不降低或是透射率降低的程度小的特性。

作为折射率差缓和物质20只要满足上述特性，就不特别限制，但是优选使用例如硅酮树脂或含氟类树脂。

作为硅酮树脂例如优选附加型的树脂。

作为含氟类树脂可以例示例如非晶质(amorphous)氟聚合物即“CYTOP”(旭玻璃公司制)、或是包含硅烷耦合剂的氟树脂即“OPTOOL”(大金工业制)等。在这例示的树脂中，非晶质(amorphous)氟聚合物是因为对于紫外线没有劣化而优选使用，包含硅烷耦合剂的氟树脂与构成透镜的玻璃的密接性优良而优选使用。

折射率差缓和层20即使在因为紫外线产生劣化而使透射率降低的情况下，也可以大幅度减轻该影响的理由，厚度越小越好，例如是100μm以下较好。

作为用于固定聚光透镜17的粘接剂16，由于其并不会直接暴露于来自UV-LED元件11的紫外线中，并且，不对射入粘接剂16内的光进行聚光，因此，因紫外线而造成透射率降低的物质亦可，而可以从用于将聚光透镜17固定于保持构件15的具有足够高的粘接力的物质中选择，但是根据折射率差缓和物质20的种类，优选使用具有以下所述的特性的物质。

例如，当硅酮树脂作为折射率差缓和物质而使用时，若硅酮树脂长期暴露于大气中，则水分或是气体浸透，有使UV-LED元件11劣化或是硅酮树脂本身的透射率降低的情形，因此作为粘接剂16优选使用密接性好即气体透射率低、气体放出速度慢的物质。作为这种粘接剂16的具体例可以例示例如环氧类的树脂。

另外，当将含氟类树脂作为折射率差缓和物质而使用时，由于含氟类树脂的接着力(粘着力)弱，因此，由于UV-LED元件11点灯时的发热，有使折射率差缓和层20与聚光透镜17或UV-LED元件11剥离、气体进入折射率差缓和层20与聚光透镜17或UV-LED元件11之间的情形，因此，为了缓和因热膨胀等而在聚光透镜17或基板12上产生的应力，作为粘接剂16优选使用在粘接后也柔软的、具有弹性的物质。作为这种粘接剂16的具体例可以例示例如含有硅烷基的树脂。

上述的紫外线发光元件封装10可以如下地制作。

即，如图2所示，在将UV-LED元件11安装于配设有引脚电极13、14的基板12上后，将透镜保持构件15固定于规定的位置，并将粘度被适当调整的糊状的折射率差缓和物质20A，涂布于UV-LED元件11的发光面上，并且，将适当的量的粘接剂16涂布在透镜保持构件15的透镜保持面上，并在该状态下将聚光透镜17相对于UV-LED元件11进行位置对准，而配置于UV-LED元件11的上方位置。由此，利用聚光透镜17本身的重量，排除包含在折射率缓和物质20A中的气体以及聚光透镜17与折射率差缓和物质20A之间的气体，并且，扩展为折射率缓和物质20A覆盖UV-LED元件11的发光面的整个区域，聚光透镜17的底面与UV-LED元件11间的距离、即应形成的折射率差缓和层的厚度成为规定的大小，折射率差缓和物质20A与聚光透镜17以及UV-LED元件11无间隙地被密接。

然后，使折射率差缓和物质20A及粘接剂16固化，或者仅使粘接剂16固化，折射率差缓和层20形成于聚光透镜17与UV-LED元件11之间，并且，聚光透镜17的周缘部通过粘接剂16粘接固定在透镜保持构件15上，由此，得到图1所示的UV-LED元件封装10。

在上述构成的UV-LED元件封装10中经由引脚电极13，14供给电力，从而UV-LED元件11发光，从UV-LED元件11发射的紫外线在折射率差缓和层20的厚度部中被传播，而射入聚光透镜17。

并且，根据上述的UV-LED元件封装10，由与UV-LED元件11的发光层的折射率差小的折射率差缓和物质构成的折射率差缓和层20被填充在聚光透镜17与UV-LED元件11之间的间隙中形成，从而能够将由在UV-LED元件11的发光层与折射率差缓和物质20的界面上的两者折射率的差引起的紫外线的取出角度的降低程度抑制得较小。即，若是参考图3具体地说明，则从构成UV-LED元件11的发光源的例如氮化镓(GaN)的发光层发射的光中，在相对于与UV-LED元件11垂直的轴的平面角的大小被包含在氮化镓(GaN)的发光层与折射率差缓和层20的界面上产生全反射(θ’成为90°)的临界角θ的角度范围(立体角曲)内的光能够被取出，但是，当折射率差缓和层20是硅酮树脂的情况下，由于氮化镓(GaN)发光层的折射率是约2.5，而硅酮树脂的折射率是约1.45，因此临界角θ成为35.5°，而立体角φ成为1.16sr。另外，当折射率差缓和层20是含氟类树脂的情况下，由于含氟类树脂的折射率是约1.3，因此临界角θ成为31.3°，而立体角φ成为0.92sr。

故而，如上述那样，在UV-LED元件被配置于氮气环境中而构成的以往的封装构造中，由于立体角φ是0.52sr左右，因此与这种封装构造相比，能将从UV-LED元件11照射的紫外线有效率地取出，即，将硅酮树脂作为折射率差缓和物质使用的情况下，可以以约2.2倍的效率取出；在使用含氟类树脂的情况下，则可以约1.8倍的效率取出。

而且，折射率差缓和层20是耐紫外线优良的物质，能将因照射紫外线所致的历时的透射率的降低程度抑制得较小，而能在较长期间可靠地得到所期望的性能。

另外，在上述UV-LED元件封装10中，由于聚光透镜17并不需要用折射率差缓和物质的粘接力来固定，例如在聚光透镜17的周缘部由粘接剂16粘接而保持固定在保持构件15上，因此可以使折射率差缓和层20的厚度缩小至例如100μm以下，因此，即使是在照射紫外线而使折射率差缓和层20的透射率降低的情况下，亦能减小该影响的程度。

以上，虽然对本发明的一种实施形态作说明，但是本发明是并不限定于上述的实施形态，而可附加各种变化。

例如，如图4所示，可以做成在包括透镜17与UV-LED元件11之间的间隙的密闭空间中填充有液状的折射率差缓和物质35的封装构造。

对于该UV-LED元件封装构造30使用液状折射率差缓和物质35的构造来说，由聚光透镜17、透镜保持构件15以及基板12形成的填充折射率差缓和物质35的空间需要具有高度的密闭性，故而例如作为用以固定聚光透镜17的粘接剂16使用具有优良的密封性的物质。

另外，作为液状的折射率差缓和物质35使用除了上述的特性以外沸点高(例如200℃以上)的物质。其理由是因为，UV-LED元件11在点灯时发热，有时达到例如150℃左右，因此，为了防止因液状的折射率差缓和物质35沸腾所产生的气泡，造成来自UV-LED元件11的紫外线被反射，使光的利用效率降低，或是封装破损的情况。

这种结构的UV-LED元件封装30如图5所示地在配设有引脚电极13、14的基板12上安装UV-LED元件11之后，将透镜保持构件15固定在规定的位置，将适当的量的粘接剂16涂布于透镜保持构件15的透镜保持面上，并且，注入液状的折射率缓和物质35，以便液面相对于UV-LED元件11的发光面的位于规定的水位而成为UV-LED元件11被浸渍的状态。

在该状态下，使聚光透镜17相对于UV-LED元件11而进行位置对准而隔开配置，以便不残留气体(空气)且使聚光透镜17的底面与UV-LED元件11的距离即折射率差缓和物质的厚度成为规定大小，通过使粘接剂16固化，而将透镜17的周缘部利用粘接剂16粘接固定在透镜保持构件15上，由此，得到图4所示的UV-LED元件封装30。

根据上述的UV-LED元件封装30，能够得到与图1所示的封装相同的效果，即，能够将来自UV-LED元件11的紫外线有效率地取出，并且，能将因被紫外线照射所致的历时的透射率降低的程度抑制得较小，而能够在长期间可靠地得到稳定的紫外线输出。

另外，在填充液状的折射率差缓和物质而成的构造的UV-LED元件封装中，也可以如图6所示，在透镜保持构件15形成与配置有UV-LED元件11的密闭空间连通的折射率差缓和物质流入口15A以及折射率差缓和物质排出口15B，成为使液状的折射率差缓和物质35流过该密闭空间中的结构。

在这种结构的UV-LED元件封装40中，使液状的折射率差缓和物质35流过的同时UV-LED元件11被点灯，但是只要是以不产生气泡的方式来使折射率差缓和物质35流过，则并不对供给量等的具体条件作限定。

根据这种构成的UV-LED元件封装40，则除了上述效果之外，通过使液状的折射率差缓和物质35流过，能够将点灯中的UV-LED元件11冷却，而防止成为过热状态，能够可靠地防止UV-LED元件11的发光效率降低。

进而，在图1所示的构成的紫外线发光元件封装中，只要是能够将聚光透镜以适当的姿势可靠地固定，则也可以没有透镜保持构件，另外，对粘接剂的固定方法不作限制。进而，也可采用将折射率差缓和物质填充于配置UV-LED元件的空间内的结构。

如以上所述，本发明的紫外线发光元件封装，能够将从紫外线发光元件照射的紫外线有效率地取出的同时，也能将因被照射紫外线所致的历时的透射率的降低程度抑制得较小，因此，例如作为用于进行例如光盘用的拾取透镜的粘接或是电子部件的对基板的粘接等的光照射处理的紫外线照射装置的光源极为有用。

Claims

1、一种紫外线发光元件封装，其特征在于，具备聚光透镜、及位于该聚光透镜的底面侧的中央并与聚光透镜的底面隔开配置的紫外线发光元件，

至少在紫外线发光元件与聚光透镜的底面之间的间隙中，被填充有具备紫外线耐久性的折射率差缓和物质。

2、一种紫外线发光元件封装，其特征在于，具备：紫外线发光元件；基板，配置有该紫外线发光元件；电极，使紫外线发光元件与外部电连接；透镜保持构件，是框状，以围绕紫外线发光元件的周围的方式配置在基板上；聚光透镜，在底面与紫外线发光元件隔开的状态下，由透镜保持构件保持固定，并对来自紫外线发光元件的紫外线进行聚光；和折射率差缓和层，至少被填充在包括紫外线发光元件与聚光透镜的底面之间的间隙的空间中而形成，并由具有紫外线耐久性的折射率差缓和物质构成。

3、如权利要求1或2所记载的紫外线发光元件封装，其特征在于，作为折射率差缓和物质使用硅酮树脂或含氟类树脂。

4、如权利要求3所记载的紫外线发光元件封装，其特征在于，折射率差缓和物质是液状。