JP2014145859A - レンズ付き蓋体の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】歩留まりの向上を図ることが可能なレンズ付き蓋体の製造方法を提供する。
【解決手段】レンズ付き蓋体1は、金属により形成された蓋体2と、硼珪酸ガラスにより形成されたレンズ3とを備え、蓋体2が、筒体20と、第1フランジ21と、第2フランジ22とを有し、レンズ3が、窓孔23を塞ぐように第2フランジ22に溶着されている。レンズ付き蓋体1の製造方法では、筒体20の内側に嵌め込まれる第1型4、筒体20の外側に位置させる第2型5、レンズ3の元になるレンズ素材30、及び筒状の外枠6、を配置する第1ステップと、外枠6の外側からレンズ素材30を加熱して溶融させてから冷却することによりレンズ3を成形し且つレンズ3と第2フランジ22とを溶着させる第2ステップと、レンズ付き蓋体1を第1型4、第2型5及び外枠6から取り外す第3ステップとを備える。第1型4、第2型5及び外枠6の材料を窒化珪素とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、レンズ付き蓋体の製造方法に関するものである。
レンズ付き蓋体は、例えば、光電変換素子を収納するパッケージに用いられている。この種のパッケージとしては、例えば、レンズ付き蓋体と、このレンズ付き蓋体が固着される基台とを備えたCANパッケージが広く知られている。光電変換素子としては、電気エネルギを光に変換する発光素子や、光を電気エネルギに変換する受光素子等がある。
レンズ付き蓋体の製造方法としては、例えば、グラファイト製の下部冶具及びグラファイト製の上部冶具を金属シェル(蓋体)に接触させた状態で、金属シェルのレンズ封着穴にレンズを溶着するようにした製造方法がある(特許文献1)。ここで、金属シェルは、コバール(Fe−Ni−Co合金)により形成されている。レンズは、硼珪酸ガラスにより形成されている。
特開昭56−19685号公報
上述のレンズ付き蓋体の製造方法では、下部冶具及び上部冶具の線膨張係数がガラスレンズの線膨張係数よりも大きく、硼珪酸ガラスの方がコバールよりも圧縮に強いので、冷却の際に金属シェルが変形してしまうことがある。金属シェルが変形した場合には、レンズ付き蓋体を、下部冶具及び上部冶具から取り外しにくくなることがある。また、上述のレンズ付き蓋体の製造方法では、冷却時にレンズにかかる応力により、レンズに割れが発生したり、気密性が低下し、歩留まりが低下してしまうことも考えられる。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、歩留まりの向上を図ることが可能なレンズ付き蓋体の製造方法を提供することにある。
本発明のレンズ付き蓋体の製造方法は、金属により形成された蓋体と、硼珪酸ガラスにより形成されたレンズとを備え、前記蓋体が、筒体と、前記筒体の第1端部から外方へ突出した第1フランジと、前記筒体の第2端部から内方へ突出した第2フランジとを有し、前記レンズが、前記第2フランジにより囲まれた窓孔を塞ぐように前記第2フランジに溶着されてなるレンズ付き蓋体の製造方法であって、前記筒体の内側に嵌め込まれる第1型、前記筒体の前記第2端部側で前記筒体の外側に位置させる第2型、前記第1型と前記第2型との間に位置し前記レンズの元になるレンズ素材、及び前記第2型と前記蓋体とが嵌め込まれる筒状の外枠、を配置する第1ステップと、前記外枠の外側から前記レンズ素材を加熱して溶融させてから冷却することにより前記レンズを成形し且つ前記レンズと前記第2フランジとを溶着させる第2ステップと、前記レンズ付き蓋体を前記第1型、前記第2型及び前記外枠から取り外す第3ステップとを備え、前記第1型、前記第2型及び前記外枠の材料を窒化珪素とすることを特徴とする。
このレンズ付き蓋体の製造方法において、前記レンズは、両凸型の非球面レンズ部と、前記非球面レンズ部の外周部から全周に亘って外方に突出したベース部とを有し、前記非球面レンズ部が前記窓孔に配置され、前記ベース部が前記第2フランジに溶着されたものであり、前記レンズ素材の形状を球状とし、前記第1型として、前記第2フランジ側の表面が前記非球面レンズ部及びベース部の形状に対応したものを用意し、且つ、前記第2型として、前記第2フランジ側の表面が前記非球面レンズ部及び前記第2フランジに対応したものを用意し、前記第1ステップでは、前記第2型において前記第2フランジに対応する部分を前記第2フランジに接するように配置することが好ましい。
このレンズ付き蓋体の製造方法において、前記レンズ素材の形状を真球状とすることが好ましい。
本発明のレンズ付き蓋体の製造方法においては、歩留まりの向上を図ることが可能となる。
図1は、実施形態のレンズ付き蓋体の製造方法を説明するための主要工程断面図である。 図2は、実施形態におけるレンズ付き蓋体の概略断面図である。 図3は、実施形態におけるレンズ付き蓋体の概略斜視図である。 図4は、実施形態のレンズ付き蓋体の変形例の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
以下では、まず、レンズ付き蓋体1について図2及び図3に基づいて説明し、その後、レンズ付き蓋体1の製造方法について図1に基づいて説明する。
レンズ付き蓋体1は、例えば、光電変換素子を収納するパッケージの一部に適用することができる。光電変換素子としては、電気エネルギを光に変換する発光素子や、光を電気エネルギに変換する受光素子等がある。発光素子としては、例えば、発光ダイオード、半導体レーザ等がある。受光素子としては、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ等がある。レンズ3は、透過対象の波長の光(電磁波)に対する透過率が70%以上であるのが好ましく、80%以上であるのがより好ましい。
レンズ付き蓋体1は、レンズ3の材料として硼珪酸ガラスを採用することにより、特に、光電変換素子が紫外線を放射する発光素子の場合に、発光素子から放射される光に対するレンズ3の透過率を80%以上とすることが可能となる。
レンズ付き蓋体1は、金属により形成された蓋体2と、硼珪酸ガラスにより形成されたレンズ3とを備える。
蓋体2は、筒体20と、筒体20の第1端部から外方へ突出した第1フランジ21と、筒体20の第2端部から内方へ突出した第2フランジ22とを有する。筒体20は、円筒状の形状としてある。筒体20の外径は、8mmに設定してあるが、この値に限定するものではない。筒体20は、円筒状に限らず、筒状の形状であればよく、例えば、角筒状でもよい。第1フランジ21の外周形状は、円形状である。第1フランジ21の外周形状は、円形状に限らず、例えば、楕円形状や多角形状等でもよい。
レンズ3は、第2フランジ22により囲まれた窓孔23を塞ぐように第2フランジ22に溶着されている。第2フランジ22の内周形状は、円形状である。よって、窓孔23は、円形状の孔である。窓孔23の内径は、3mmに設定してあるが、この値に限定するものではない。第2フランジ22の内周形状は、円形状に限らず、例えば、楕円形状や多角形状等でもよい。
レンズ3は、両凸型の非球面レンズ部31と、非球面レンズ部31の外周部から全周に亘って外方に突出したベース部32とを有する。ベース部32は、円環状に形成されている。ベース部32は、厚み寸法が一様であるのが好ましい。非球面レンズ部31は、第1レンズ面31aと、第2レンズ面31bとを備える。非球面レンズ部31は、第1レンズ面31aが筒体20の内側に位置し、第2レンズ面31bが蓋体2の外側に位置している。第1レンズ面31aは、非球面の第1凸曲面である。第2レンズ面31bは、非球面の第2凸曲面である。第1凸曲面及び第2凸曲面は、それぞれ、曲率が連続的に変化している。第1レンズ面31aと第2レンズ面31bとは、同じ形状でもよいし、異なる形状でもよい。
レンズ3は、非球面レンズ部31が窓孔23に配置され、ベース部32が第2フランジ22に溶着されている。ベース部32は、第2フランジ22の厚み方向の一面の全周に亘って溶着されている。ベース部32は、非球面レンズ部31の径方向に沿った方向の幅寸法が大きいほうが好ましい。要するに、レンズ付き蓋体1は、ベース部32の幅寸法と第2フランジ22の幅寸法とが略同じであるのが好ましい。これにより、レンズ付き蓋体1は、接合信頼性及び気密性を向上させることが可能となる。ここで、レンズ付き蓋体1の気密性とは、蓋体2とレンズ3との接合部位の気密性を意味する。
よって、レンズ付き蓋体1を備えたパッケージは、このパッケージの気密性を高めることが可能となり、長寿命化を図ることが可能となる。レンズ付き蓋体1を適用するパッケージは、例えば、CANパッケージ、表面実装型のパッケージ、その他の種々の形態のパッケージ等が挙げられるが、特に限定するものではない。
レンズ付き蓋体1は、レンズ3の材料である硼珪酸ガラスの線膨張係数よりも蓋体2の材料である金属の線膨張係数が大きい。ここで、レンズ付き蓋体1は、硼珪酸ガラスと金属との線膨張係数差が小さいほうが好ましい。これにより、レンズ付き蓋体1は、レンズ3と蓋体2との線膨張係数差に起因してレンズ3に発生する応力を低減することが可能となる。
レンズ付き蓋体1は、例えば、230nm〜350nmの紫外波長領域で発光する発光素子のパッケージに適用する場合、発光素子から放射される紫外線に対する透過率が80%以上の硼珪酸ガラスを採用することが好ましい。このような硼珪酸ガラスとしては、例えば、SCHOTT社製の8337Bを採用することができる。この硼珪酸ガラスは、線膨張係数が4.1×10-6-1、粘度が107.6dPa・sとなる温度が705℃である。
蓋体2の材料である金属としては、ステンレス鋼を採用している。ステンレス鋼としては、例えば、フェライト系ステンレス鋼等を採用することができる。フェライト系ステンレス鋼としては、例えば、SF20T等を採用することができる。SF20Tの線膨張係数は、例えば、10.4×10-6-1である。蓋体2の材料である金属は、ステンレス鋼に限らず、例えば、コバール(Kovar)を採用することができる。コバールは、鉄にニッケル、コバルトを配合した合金である。コバールの成分比の一例は、重量%で、鉄:53.5重量%、ニッケル:29重量%、コバルト:17重量%、シリコン:0.2重量%、マンガン:0.3重量%、である。このような成分比のコバールの線膨張係数は、5×10-6-1である。コバールの成分比は、特に限定するものではなく、コバールの線膨張係数が、硼珪酸ガラスの線膨張係数よりも小さくなるような成分比のものを採用することができる。蓋体2は、金属がコバールの場合、この金属からなる母体の表面を酸化することにより酸化膜が形成されたものでもよい。
以下では、レンズ付き蓋体1の製造方法について、図1に基づいて説明する。
レンズ付き蓋体1の製造にあたっては、第1ステップ、第2ステップ及び第3ステップを順次行う。
第1ステップでは、まず、筒体20に第1型4を嵌め込み、その後、レンズ3の元になるレンズ素材30を第1型4における第2フランジ22側の一面41側に載置し、その後、筒状の外枠6に蓋体2を嵌め込み(図1(a))、続いて、外枠6に第2型5を嵌め込む(図1(b))。
要するに、第1ステップでは、筒体20の内側に嵌め込まれる第1型4、筒体20の前記第2端部側で筒体20の外側に位置させる第2型5、第1型4と第2型5との間に位置しレンズ3の元になるレンズ素材30、及び第2型5と蓋体2とが嵌め込まれる筒状の外枠6、を配置する。なお、本実施形態のレンズ付き蓋体1の製造方法では、第1型4を下型とし、第2型5を上型とする。第1型4は、ステージ7に保持されており、ステージ7の上面を含む平面に対して上下方向に移動可能となっている。第1型4は、第1駆動装置(例えば、エアシリンダや油圧シリンダ等)により上下方向に移動される。また、第2型5及び外枠6は、図示しない第2駆動装置(例えば、エアシリンダや油圧シリンダ等)によりそれぞれ上下方向に移動される。また、本明細書では、第1型4と第2型5と外枠6とを併せて成形型と称する。
第1型4としては、第2フランジ22側の表面が非球面レンズ部31及びベース部32の形状に対応したものを予め用意する。第1型4は、非球面レンズ部31の第1レンズ面31a及びベース部32の露出面を成形する機能を有する。第1型4は、筒体20の内側に嵌るように側面の形状を筒体20の内側面に沿った形状に設計してある。このため、第1型4は、円柱状の形状に形成されている。第1型4は、フランジ22側の一面41の中央部が凹曲面41aに形成されている。凹曲面41aは、非球面レンズ部31の第1レンズ面31aの所定形状に合致する形状に形成されている。第1型4は、一面41における凹曲面41aの周部が第2フランジ22との間に所定ギャップが形成されるように配置する。所定ギャップは、例えば、レンズ3のベース部32の所望の厚み寸法に設定すればよい。第1型4は、一面41が成形面である。なお、第2フランジ22において、レンズ3が溶着される面は、鏡面であるのが好ましい。これにより、レンズ付き蓋体1の製造方法では、ベース部32と第2フランジ22との接合部位の気密性を向上させることが可能となる。鏡面とは、鏡面研磨されている面を意味し、例えば、JIS B 0601−2001(ISO 4287−1997)で規定されている算術平均粗さRaが10nm以下であることが好ましく、数nm以下であることが、より好ましい。
レンズ素材30の材料は、硼珪酸ガラスである。レンズ素材30の材料である硼珪酸ガラスは、屈伏点及び融点が低いものが好ましい。これにより、レンズ付き蓋体1の製造方法では、レンズ3における非球面レンズ部31の第1レンズ面31a及び第2レンズ面31bの形状精度の高精度化を図ることが可能となる。レンズ素材30の材料である硼珪酸ガラスは、透過対象の光に対する透過率が高いほうが好ましい。
レンズ素材30の形状は、球状としている。球状のレンズ素材30は、例えば、円柱状にプリフォームされた硼珪酸ガラス製の円柱部材を所定の厚みでスライスした円板状の塊を球状に成形することで形成することができる。球状のレンズ素材30の成形方法は、特に限定するものではない。球状のレンズ素材30は、真球状であるのが、より好ましい。これにより、レンズ素材30は、体積の管理が容易になり、且つ、体積の精度を高めることが可能となる。よって、レンズ付き蓋体1の製造方法においては、レンズ3の形状精度の向上を図ることが可能となる。つまり、レンズ付き蓋体1の製造方法においては、レンズ3の非球面レンズ部31の形状精度を向上させることが可能となる。
レンズ素材30は、球状の形状とし、その直径を窓孔23の内径よりも小さく設定することにより、レンズ素材30の自重により第1型4の一面41の凹曲面41aの中心線上にレンズ素材30の中心が位置するようにセルフアライメントされる。これにより、レンズ付き蓋体1の製造方法では、第1型4に対するレンズ素材30の位置決め精度を高めることが可能となる。
レンズ素材30は、その直径を、例えば、レンズ3の所望の厚み寸法に設定すればよい。レンズ3の所望の厚み寸法とは、レンズ3の中心線上でのレンズ3の厚み寸法である。なお、レンズ素材30は、球状に限らず、例えば、円板状等の板状としてもよい。
外枠6は、内周形状が筒体2の外周形状及び第2型5の外周形状に合致する筒状であればよく、円筒状の形状としてある。外枠6は、第1型4の中心軸と第2型5の中心軸とを一直線上に揃える機能を有する。また、外枠6は、蓋体2、第1型4及び第2型5を保持する機能を有する。
第2型5としては、第2フランジ22側の表面が非球面レンズ部31及び第2フランジ22に対応したものを予め用意する。第2型5は、非球面レンズ部31の第2レンズ面31bを成形する機能を有する。第2型5は、外枠6の内側に嵌るように側面の形状を筒体20の外側面に沿った形状に設計してある。このため、第2型5は、円柱状の形状に形成されている。ここで、第2型5の外径寸法は、筒体20の外径寸法と同じ値に設定してある。第2型5は、フランジ22側の一面51の中央部が凹曲面51aに形成されている。凹曲面51aは、非球面レンズ部31の第2レンズ面31bの所定形状に合致する形状に形成されている。第2型5は、一面51における凹曲面51aの周部が第2フランジ22に接するように配置するのが好ましい。第2型5は、この第2型5において第2フランジ22に対応する部分が第2フランジ22に接するように配置するのが好ましい。第2型5は、一面51の凹曲面51aが成形面である。成形型では、第1型4と第2型5との間隔をレンズ素材30により規定することが可能となる。
第1型4、第2型5及び外枠6は、セラミックスの一種である窒化珪素により形成されている。
第1型4、第2型5及び外枠6は、線膨張係数が同じであるのが好ましい。第1型4、第2型5及び外枠6の材料である窒化珪素の線膨張係数は、レンズ3の材料である硼珪酸ガラスの線膨張係数よりも小さい。第1型4、第2型5及び外枠6の材料である窒化珪素の線膨張係数は、1.6×10-6-1である。第1型4は、レンズ付き蓋体1の離型性を向上させる観点から、第1面41に貴金属の被膜が設けられているのが好ましい。同様に、第2型5は、第2面51に貴金属の被膜が設けられているのが好ましい。これらにより、レンズ付き蓋体1の製造方法では、離型性を向上させることが可能となる。貴金属としては、例えば、Pt等を採用することができる。
第2ステップでは、外枠6の外側からレンズ素材30を加熱して軟化させてから冷却することによりレンズ3を成型し且つレンズ3と第2フランジ22とを溶着させる(図1(c))。第2ステップでは、成形型を加熱することでレンズ素材30を加熱する。第2ステップでは、レンズ素材30が屈伏点(例えば、600℃)以上の所定温度(例えば、620℃)となるように成形型を前記所定温度よりも高い規定温度(例えば、620℃)まで昇温し、前記規定温度に加熱された状態を規定時間だけ維持した後、成形型の冷却を開始する。成形型の加熱は、不活性ガスの雰囲気中で行うのが好ましい。不活性ガスとしては、例えば、窒素ガスを採用することができる。不活性ガスは、窒素ガスに限らず、例えば、アルゴンガス等でもよい。成形型の加熱を行う加熱装置としては、例えば、トンネル炉、オーブン、ホットプレート、高周波加熱装置などを採用することができる。前記所定温度は、レンズ素材30の融点が600℃の場合、例えば、620℃に設定すればよいが、特に限定するものではない。また、前記規定時間は、例えば、15〜120秒程度の範囲で適宜設定すればよい。また、レンズ素材30を冷却する場合には、レンズ3のひけ(sink mark)や歪を抑制するために、徐冷するのが好ましい。徐冷する場合は、例えば、冷却速度を5〜30℃/min程度の範囲で設定すればよい。また、成形型の冷却を終了する温度は、例えば、常温でもよいが、生産性を向上させる観点から、例えば、100℃程度としてもよい。
第2ステップでは、外枠6がセラミックの一種である窒化珪素により形成されているので、外枠6がグラファイトである場合に比べて、外枠6の内側面側の最表面部が蓋体2に転写されるのを抑制することが可能となる。よって、レンズ付き蓋体1の製造方法では、外枠6の劣化を抑制することが可能となり、外枠6の長寿命化を図ることが可能となる。
第2ステップでは、レンズ素材30が球状の場合、レンズ素材30が板状の場合に比べて気泡が抜けやすくなり、レンズ3や、レンズ3と筒体2との接合部位付近に気泡が発生するのを抑制することが可能となる。これにより、レンズ付き蓋体1の製造方法では、気泡に起因したレンズ3の透過率の低下や、気密性の低下を抑制することが可能となる。
第3ステップでは、レンズ付き蓋体1を第1型4、第2型5及び外枠6から取り外す(図1(d)〜(f))。要するに、第3ステップでは、離型を行う。この第3ステップでは、例えば、第2型5及び外枠6をレンズ付き蓋体1から離れるように上方向に移動させ(図1(d))、その後、第1型4をステージ7に収納するように下方向に移動させて第1型4をレンズ付き蓋体1から取り外せばよい(図1(e)、(f))。その後は、ステージ7上のレンズ付き蓋体1を、ロボット、ピックアップツール、手等により取ればよい。本実施形態のレンズ付き蓋体1の製造方法では、〔筒体2の線膨張係数〕>〔硼珪酸ガラスの線膨張係数〕>〔外枠6の線膨張係数〕の関係を満たしているので、図1(f)の状態で、レンズ付き蓋体1における筒体2の外側面と外枠6の内側面との間に隙間が発生している。このため、レンズ付き蓋体1を外枠6から簡単に取り外すことが可能となる。
以上説明したレンズ付き蓋体1の製造方法では、上述の第1ステップと、第2ステップと、第3ステップとを備え、第1型4、第2型5及び外枠6の材料を窒化珪素とする。これにより、レンズ付き蓋体1の製造方法では、蓋体2の変形を抑制でき、第1型4、第2型5及び外枠6から容易に取り外すことが可能となり、また、冷却時にレンズ3にかかる応力により、レンズ3に割れが発生したり、気密性が低下したりするのを抑制することが可能となる。
レンズ付き蓋体1の構造及びその製造方法は、図1で説明した形態に限らない。例えば、レンズ付き蓋体1の製造方法は、図4(a)に示すように、球状のレンズ素材30の直径を窓孔23の内径よりも大きくして、図4(b)に示すように、第2ステップにおいてレンズ3を成形し且つレンズ3と第2フランジ22とを溶着させるようにしてもよい。
上述の実施形態では、非球面レンズ部31の形状が両凸型の非球面レンズの形状である場合について説明したが、これに限らず、例えば、非球面レンズ部31の形状を平凸型や平凹型の非球面レンズの形状としてもよい。
なお、上述の実施形態において説明した各図は、模式的なものであり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際のものの寸法比を反映しているとは限らない。
1 レンズ付き蓋体
2 蓋体
3 レンズ
4 第1型
5 第2型
6 外枠
20 筒体
21 第1フランジ
22 第2フランジ
23 窓孔
30 レンズ素材
31 非球面レンズ部
32 ベース部

Claims (3)

  1. 金属により形成された蓋体と、硼珪酸ガラスにより形成されたレンズとを備え、前記蓋体が、筒体と、前記筒体の第1端部から外方へ突出した第1フランジと、前記筒体の第2端部から内方へ突出した第2フランジとを有し、前記レンズが、前記第2フランジにより囲まれた窓孔を塞ぐように前記第2フランジに溶着されてなるレンズ付き蓋体の製造方法であって、前記筒体の内側に嵌め込まれる第1型、前記筒体の前記第2端部側で前記筒体の外側に位置させる第2型、前記第1型と前記第2型との間に位置し前記レンズの元になるレンズ素材、及び前記第2型と前記蓋体とが嵌め込まれる筒状の外枠、を配置する第1ステップと、前記外枠の外側から前記レンズ素材を加熱して溶融させてから冷却することにより前記レンズを成形し且つ前記レンズと前記第2フランジとを溶着させる第2ステップと、前記レンズ付き蓋体を前記第1型、前記第2型及び前記外枠から取り外す第3ステップとを備え、前記第1型、前記第2型及び前記外枠の材料を窒化珪素とすることを特徴とするレンズ付き蓋体の製造方法。
  2. 前記レンズは、両凸型の非球面レンズ部と、前記非球面レンズ部の外周部から全周に亘って外方に突出したベース部とを有し、前記非球面レンズ部が前記窓孔に配置され、前記ベース部が前記第2フランジに溶着されたものであり、前記レンズ素材の形状を球状とし、前記第1型として、前記第2フランジ側の表面が前記非球面レンズ部及びベース部の形状に対応したものを用意し、且つ、前記第2型として、前記第2フランジ側の表面が前記非球面レンズ部及び前記第2フランジに対応したものを用意し、前記第1ステップでは、前記第2型において前記第2フランジに対応する部分を前記第2フランジに接するように配置すること特徴とする請求項1記載のレンズ付き蓋体の製造方法。
  3. 前記レンズ素材の形状を真球状とすることを特徴とする請求項2記載のレンズ付き蓋体の製造方法。
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