CN107689411A - 合成石英玻璃盖和光学器件封装体 - Google Patents

合成石英玻璃盖和光学器件封装体 Download PDF

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Abstract

本发明为合成石英玻璃盖和光学器件封装体。提供合成石英玻璃盖，其包括合成石英玻璃与在窗构件的主表面的周围形成的粘结剂。此外，提供光学器件封装体，其包括具有开放上端的盒状容纳座，容纳在容纳座中的光学器件，用粘结剂结合至该容纳座上端的合成石英玻璃的窗构件。该粘结剂为由Te、Ag和选自由W、V、P、Ba和Zr中的至少一种元素组成的低熔点金属玻璃。

Description

合成石英玻璃盖和光学器件封装体
技术领域
本发明涉及在具有增加的短波光等输出的激光光源特别是UV带光源、UV-LED的密封中使用合成石英玻璃的合成石英玻璃盖；以及使用其的光学器件封装体。
背景领域
随着对水银灯使用的管控，能够发射短波光、特别是UV带光的UV-LED被认为是有前景的替代物。尽管LED可以产生任意波长的光，但开发用于特定应用的波长的LED。例如已知的是在UV区中的265nm波长对灭菌有效。开发了适合发射波长265nm的光的UV-LED用于灭菌应用。甚至当经常提供265nm的光学器件时，也难以使用没有封装体的光学器件。因此需要封装该UV-LED，同时使来自该UV-LED的光提取效率最大化。
当将包括LED的能够发射长波长如IR区的光的光学器件封装时，需要粘结剂用于将窗构件结合至将光学器件安装到位的容纳座。已知包括有机粘结剂如基于环氧树脂和丙烯酸系树脂的粘结剂与玻璃料的许多粘结剂。
例如，专利文献1提出为了如太阳能电池单元封装和OLED封装的目的，使用通过将玻璃料与微波偶联剂混合得到的糊料作为粘结剂密封具有大约300℃的熔点的钢化玻璃的无机基底。该方法通过对粘结区域施加微波成功结合基底，而没有损害用作窗构件的钢化玻璃的强度。
专利文献2公开了在结合微型透镜中使用UV固化性丙烯酸系液体树脂或热固性树脂作为粘结剂。
专利文献3记载了使用具有与盖和基础基底的线性热膨胀系数相近的线性热膨胀系数的钒系低熔点玻璃作为粘结剂封装电子器件。该方法实现完全气密的封装。
引用文献列表
专利文献1:JP-A 2015-505792(US 20140261975)
专利文献2:JP-A 2008-219854(USP 8,013,350)
专利文献3:JP-A 2015-149533
发明内容
然而，专利文献1中，从回火玻璃的强度的观点考虑，可应用的温度被限制为300℃。因此难以对经长久工作时间生热的短波长光源使用该粘结剂。此外，由于所述玻璃料不是仅仅由纯SiO2玻璃组分组成，因此由短波长光具有的能量造成的损害使耐UV性降低。因此，所述粘结剂在短波长区域中可行性很小。
专利文献2使用UV固化性粘结剂。甚至UV固化型的粘结剂在持续暴露于UV(对粘结剂中的树脂导致过度内部交联)期间变脆。
专利文献3中，将具有不同的热膨胀系数的致密的结晶结构的基底结合在一起。接着，多多少少诱发应力。在长期工作期间，密封可能由于在金属结晶结构内的缺陷和金属晶粒边界而分离。
本发明的目的是提供合成石英玻璃盖和用于短波长、特别是280nm以下的波长区的光学器件的封装体，该封装体经长期而稳定并且克服与异质材料结合相随的应力问题。
本发明人发现，含有碲和银为必要金属元素并由包括所述两种金属元素的至少3种金属元素组成的具有无序结晶结构的合金可用作待施用于合成石英玻璃的粘结剂。在使用该低熔点金属玻璃时，可以得到能够以稳定方式长期密封光学器件的封装体，因为无序的结晶结构吸收在具有不同热膨胀系数的基底的结合中诱发的任何应力。
当合成石英玻璃用作以稳定方式使300nm以下的短波长特别是280nm以下波长的光透过的窗构件时，可以高效率提取UV光。由于为耐UV材料并且具有能吸收由具有不同热膨胀系数的合成石英玻璃诱发的应力的结晶结构的低熔点金属玻璃用作粘结剂，特别是，使用利用低熔点金属玻璃作为粘结剂的合成石英玻璃盖，因此得到对于短波长光学器件长期稳定的封装体。由于粘结剂含有能够呈现任意氧化数并且具有大的原子尺寸的碲和具有良好的韧性的银，可以长期工作。
本发明提供包括合成石英玻璃的窗构件与在窗构件的主表面的周围形成的粘结剂的合成石英玻璃盖。粘结剂为基本由碲、银和选自由钨、钒、磷、钡和锆组成的组中的至少一种元素组成的低熔点金属玻璃。
优选地，所述低熔点金属玻璃含有50～70％重量的组合的碲和银。还优选所述低熔点金属玻璃具有100～450℃的玻璃化转变温度。
在优选的实施方式中，窗构件为板状、具有凸或凹轮廓的球状或者具有凸或凹轮廓的非球状。窗构件具有0.1～5mm的厚度。
本发明还提供光学器件封装体，其包括光学器件、具有开放的上端的盒状的容纳座、容纳在容纳座中的光学器件、以及合成石英玻璃盖。用粘结剂将合成石英玻璃的窗构件结合至容纳座的上端以覆盖容纳座。
优选地，所述光学器件发射波长300nm以下的光。
发明的有益效果
本发明解决了现有技术的有机粘结剂的包括短波长光引起的裂纹和剥离的问题，以及作为基于具有致密金属结晶结构的基于金-锡或者类似金属的粘结剂的缺点的异质材料结合中的应力问题。使用该合成石英玻璃盖的光学器件未来将成为在开发代替水银灯的光学器件时有效的封装体。
附图说明
图1为根据本发明的一个示例性的光学器件封装体的截面图。
图2为一个示例性的合成石英玻璃盖的平面图。
具体实施方式
本发明的一个实施方式为光学器件封装体，其包括具有限定其中的空腔的侧壁和底部的矩形盒状的容纳座1。所述底部设在带有其中光学器件3设置在中心的凹槽2的中心。侧壁具有开放的上端。
如果如对于LED经常遇到的那样由光学器件产生的热存留在封装体内使得封装体为高温，则使光学器件的发射效率或者性能下降。因此，打算用于高功率应用的光学器件封装体的容纳座优选由氧化铝系陶瓷、氧化铝氮化物系陶瓷和镀覆有金属如金或铜的上述陶瓷制成。
在本发明的光学器件封装体中，包括合成石英玻璃的窗构件4和在窗构件4的主表面的周围形成的粘结剂5的合成石英玻璃盖6设置在容纳座1上以覆盖上部开口并且封闭容纳座空腔。具体地，用粘结剂5将窗构件4结合至容纳座1的上端(或边缘)。
合成石英玻璃的窗构件可以为板状、具有凸或凹轮廓的球状或者具有凸或凹轮廓的非球状。仅仅为了密封其中容纳了光学器件的容纳座，从成本和易于处理考虑优选板状构件。另外希望高效提取来自光学器件的光时，优选窗构件为球状或非球状如平凸透镜、平凹透镜和凸面新月形透镜，其具有依据光学计算设计的凸和/或凹轮廓。依据来自窗构件外部即封装体的外部的压力(大气或者水力压力)的压力差可以适当测定窗构件的厚度。从强度的观点来看，窗构件的厚度优选为至少0.1mm、更优选至少0.2mm并且5mm以下、更优选4mm以下。
本发明中使用的粘结剂为低熔点金属玻璃。如图2中所示，将粘结剂5优选施用于窗构件4的周围达到300～500μm的宽度和30～100μm的高度(厚度)。该设计的粘结剂吸收在异质材料：窗构件(合成石英玻璃)和容纳座的结合中诱发的任何应力并且将短波长光对结构造成的任何损害最小化，从而确保光学器件封装体长期稳定。用作粘结剂的低熔点金属玻璃至少含有碲和银并且还含有至少一种选自由钨、钒、磷、钡、和锆组成的组中的元素。
合成石英玻璃由无定形SiO2组成。在将粘结剂应用于合成石英玻璃的窗构件时，如果选择具有有序的结晶结构的单独的金属原子或者由两种金属原子组成的合金作为粘结剂，其在与合成石英玻璃的界面的粘结差。这表明对于封装体使用时的外部冲击的低稳定性和低耐水性，导致封装体失效。
本发明中使用的低熔点金属玻璃是三种或更多种的金属原子无序聚集并且联合在一起并且虽然为金属基础但没有结晶结构形成的金属合金。于是，金属玻璃具有的纳米水平无序的原子排布以易适应(flexible)的方式紧密结合至合成石英玻璃的表面。因此，在合成石英玻璃与粘结剂之间建立强烈的结合，从而提供耐水性和对外部冲击的耐受性。
当从粘结的角度考虑粘结剂时，优选能在合成石英玻璃的SiO2和粘结剂之间形成真正的共价键的金属元素。另外从归因于在低熔点金属玻璃的结晶结构中的纳米水平的无序的原子排布的适应性(flexibility)考虑，优选由具有不同原子半径的金属原子组成的金属玻璃。使用具有纳米水平无序的原子排布的结晶结构的低熔点金属玻璃时，原子在结晶结构内虽轻微但可移动，使得在合成石英玻璃与容纳座的结合中诱发的任何应力可被粘结剂层吸收。在进一步考虑能够符合这两项要求的金属元素的可得性中，组成金属玻璃的必要元素的一种为能够呈现稳定的氧化数+4并且具有大的原子尺寸的碲。
在经粘结剂将合成石英玻璃的窗构件与容纳座的结合中，当粘结剂为韧性时形成致密结构的粘结层。如果在金属玻璃中混合银时，得益于银的显著韧性作为粘结剂的低熔点金属玻璃可在结合条件如负载和热下形成任意的结合宽度。通过控制结合宽度，窗构件(或者窗)的有效面积的尺寸可自由改变，并且可控制出射光的输出。
在整体考虑与合成石英玻璃的牢固或紧密的粘结、异质材料：合成石英玻璃和容纳座的结合中诱发的应力吸收和松弛、粘结剂的韧性时，金属玻璃优选具有50～70％重量、更优选55～70％重量、最优选55～65％重量的碲和银的总含量。在进一步考虑金属玻璃的适应性时，在这两种元素的合计中，碲和银优选为1:1～3:1的重量比。
为了提供在其结晶结构内具有适应性的低熔点金属玻璃，优选地将具有显著不同于碲和银的原子尺寸的元素混合在金属玻璃中。考虑到热性质和辐照时，优选选自由钨、钒、磷、钡和锆组成的组中至少一种元素。第三元素的含量为碲和银含量外的余量。其中，更优选锆。优选基于金属玻璃以10～30％重量的含量添加锆。钨的含量优选为0～15％、更优选5～10％，钒的含量优选为0～30％，更优选5～20％，磷的含量优选为0～15％，更优选1～10％，并且钡的含量优选为0～15％，更优选1～10％，均以重量计。
用作粘结剂的低熔点金属玻璃具有玻璃化转变温度(Tg)，即，玻璃变成有效的粘结剂的温度。由金属玻璃的流动性和光学器件的耐热性考虑，Tg优选为100～450℃，更优选150～400℃，并且甚至更优选200～400℃。
可以通过任何希望的技术如丝网印刷、喷胶(dispensing)或者点胶(stamping)将作为粘结剂的低熔点金属玻璃施用至合成石英玻璃的窗构件。可以通过丝网印刷以高精度和大规模将金属玻璃施用至板状的石英玻璃构件。可以通过点胶将金属玻璃施用至具有凸和/或凹轮廓的非球状或球状的石英玻璃构件。
本发明中使用的光学器件为能够发射波长300nm以下的光的器件。能够发射波长300nm以下的光的器件的实例包括UV-LED、ArF激光器、KrF激光器和YAG FHG激光器。
封装体一般通过制备其粘结剂被沿着其主表面的周围施用至合成石英玻璃的窗构件合成石英玻璃盖并且将窗构件结合至其中容纳光学器件的容纳座而制备。或者，封装体可以通过制备低熔点金属玻璃的粘结剂、将该粘结剂施用至光学器件容纳在其中的容纳座的上端并且将合成石英玻璃的窗构件结合至容纳座而制备。
实施例
以下通过解释而非通过限制的方式给出本发明的实施例。
实施例1
将经划片的合成石英玻璃晶片基底(直径6英寸、厚度0.2mm)在行星式运动的双面研磨机上研磨，并且在行星式运动的双面抛光机上粗糙抛光，得到起始基底。利用划片机将经抛光的晶片基底切成3.5mm正方形的模。由45wt％碲、25wt％银和30wt％锆组成的合金形式的低熔点的金属玻璃(Tg＝300℃)通过丝网印刷施用至晶片基底(窗构件)。具体地，施用金属玻璃以限定具有400μm线宽和50～70μm的厚度的粘结剂层，得到其窗构件涂覆有半固化状态的金属玻璃的合成石英玻璃盖。将能发射波长265nm光的LED芯片安装在氧化铝系的陶瓷材料的容纳座中。在390℃在2kg/cm2的负载下将合成石英玻璃盖压至容纳座60分钟，以将容纳座和窗构件结合，完成光学器件封装体。
操作该光学器件封装体以发射波长265nm的光至少3,000小时。观测到既没有由氧化铝系陶瓷和合成石英玻璃之间诱发的任何应力引起的粘结剂层的分离，也没有由短波长265nm的光对金属玻璃造成的损害。封装体完全起到用于短波长应用光学器件的封装体的作用。
实施例2
将经划片的合成石英玻璃晶片基底(直径6英寸、厚度0.3mm)在行星式运动的双面研磨机上研磨，并且在行星式运动的双面抛光机上粗糙抛光，得到起始基底。利用划片机将经抛光的晶片基底切成4.0mm正方形的模。由36wt％碲、26wt％银、3wt％磷、10wt％钡、10wt％钨、和15wt％锆组成的合金形式的低熔点的金属玻璃(Tg＝350℃)通过丝网印刷施用至晶片基底(窗构件)。具体地，施用金属玻璃以限定具有300μm线宽和30～50μm的厚度的粘结剂层，得到其窗构件涂覆有半固化状态的金属玻璃的合成石英玻璃盖。在330℃在1kg/cm2的负载下将合成石英玻璃盖压至其中安装有能发射波长280nm的光的LED芯片的氧化铝氮化物系陶瓷材料的容纳座25分钟，以将容纳座和窗构件结合，完成光学器件封装体。
操作该光学器件封装体以发射波长280nm的光至少3,000小时。观测到既没有由在氧化铝氮化物系陶瓷和合成石英玻璃之间诱发的任何应力引起的粘结剂层的分离，也没有由短波长280nm的光对金属玻璃造成的损害。封装体完全起到用于短波长应用光学器件的封装体的作用。
比较例1
在如实施例1中那样切成3.5mm正方形的合成石英玻璃基底
(窗构件)上，如实施例1中那样通过分配器施用UV固化性丙烯酸系树脂系粘结剂UVX-8400(Denki Kagaku Kogyo K.K.)，得到其窗构件涂覆有半固化状态的粘结剂的合成石英玻璃盖。将合成石英玻璃盖在150℃、在1kg/cm2的负载下压至其中安装有能够发射265nm波长的光的LED芯片的氧化铝系陶瓷材料的容纳座30分钟，以将容纳座和窗构件结合，完成光学器件封装体。
操作光学器件封装体以发射350小时的波长265nm的光。在粘结剂层中观察到剥离与合成石英玻璃的窗构件从氧化铝系陶瓷的容纳座分离。在剥离的粘结剂层的观察中，发现粘结剂层中归因于由短波长光导致的结构中增加的交联的裂纹。
比较例2
在如实施例1中那样切成3.5mm正方形的合成石英玻璃基底
(窗构件)上，如实施例1中那样通过丝网印刷施用金-锡合金糊料(Au-20Sn,Mitsubishi Material Co.,Ltd.)，得到其窗构件涂覆有粘结剂的合成石英玻璃盖。将合成石英玻璃盖在280℃在1kg/cm2的负载下压至其中安装有能够发射280nm波长的光的LED芯片的氧化铝系陶瓷材料的容纳座20分钟，以将容纳座和窗构件结合，完成光学器件封装体。
操作光学器件封装体以发射500小时的波长280nm的光。在粘结剂层中观察到剥离，并且合成石英玻璃从氧化铝系陶瓷分离。

Claims (7)

1.合成石英玻璃盖，包括：
合成石英玻璃的窗构件，与
在窗构件的主表面的周围形成的粘结剂，
其中
所述粘结剂为基本由碲、银和选自由钨、钒、磷、钡和锆组成的组中的至少一种元素组成的低熔点金属玻璃。
2.权利要求1的合成石英玻璃盖，其中所述低熔点金属玻璃含有50～70％重量的组合的碲和银。
3.权利要求1的合成石英玻璃盖，其中所述低熔点金属玻璃具有100～450℃的玻璃化转变温度。
4.权利要求1的合成石英玻璃盖，其中所述窗构件为板状、具有凸或凹轮廓的球状或者具有凸或凹轮廓的非球状。
5.权利要求1的合成石英玻璃盖，其中所述窗构件具有0.1～5mm的厚度。
6.光学器件封装体，其包括
光学器件、
具有开放的上端的盒状的容纳座，所述光学器件容纳在所述容纳座中，以及
权利要求1的合成石英玻璃盖，其中
用所述粘结剂将所述合成石英玻璃的窗构件结合至所述容纳座的上端以覆盖容纳座。
7.权利要求6的封装体，其中所述光学器件发射波长300nm以下的光。
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