JP2017073489A - Metal-glass lid and duv-led device arranged by use thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はDUV発光装置に用いられるメタル−ガラスリッドおよびそれを利用したDUV−LED装置に関する。 The present invention relates to a metal-glass lid used in a DUV light emitting device and a DUV-LED device using the same.
近年、紫外(Ultraviolet:UV)光よりも、さらに短い波長(200〜300nm)の深紫外(Deep Ultraviolet:DUV)光を照射可能なDUV−LEDデバイスが注目されている。DUV−LEDは、高密度光情報記録、高輝度・長寿命蛍光照明装置などの情報・電子分野、公害物質やアレルゲンなどの高速分解処理、殺菌、皮膚治療、レーザメス、細胞選別などの殺菌・医療等への応用が期待されている。従来のDUV−LEDデバイスは、窒化アルミニウムなど高熱伝導材料からなる基板容器にDUV−LED素子を取り付け、この基板容器内を窒素ガスなどの不活性ガスで満たして、容器開口部をDUV透過性に優れる石英の蓋体で覆って、蓋体と基板容器とをAu−Sn合金ロウ材で気密封止して形成されていた。 In recent years, DUV-LED devices that can irradiate deep ultraviolet (DUV) light having a shorter wavelength (200 to 300 nm) than ultraviolet (UV) light have attracted attention. DUV-LED is a high-density optical information recording, information / electronic field such as high-luminance and long-life fluorescent lighting equipment, high-speed decomposition treatment of pollutants and allergens, sterilization, skin treatment, laser scalpel, cell sterilization and medical treatment Application to such as is expected. In a conventional DUV-LED device, a DUV-LED element is attached to a substrate container made of a highly heat-conductive material such as aluminum nitride, and the inside of the substrate container is filled with an inert gas such as nitrogen gas to make the container opening DUV transparent. It was formed by covering with an excellent quartz lid and hermetically sealing the lid and the substrate container with an Au—Sn alloy brazing material.
従来のDUV−LEDデバイスに用いられていた石英蓋体は、UV領域の透過率が90〜93%でありDUV光の透過性に非常に優れた材料であるが、熱膨張係数αが0.6ppm/Kで、ほとんど熱膨張しない材料である。このため、Au−Sn合金ロウ材(α=13ppm/K)や基板容器の窒化アルミニウム(α=4.6ppm/K)との熱膨張差が大きく温度変化に弱かった。例えば、点消灯の繰り返しや温度サイクルに曝されるとロウ接面が剥離して気密性が損なわれ、充填ガスがリークし水分などが進入することでデバイス寿命が低下しやすかった。 The quartz lid used in the conventional DUV-LED device has a transmittance of 90 to 93% in the UV region and is very excellent in the transmittance of DUV light, but has a coefficient of thermal expansion α of 0. It is a material that hardly expands at 6 ppm / K. For this reason, the thermal expansion difference between the Au—Sn alloy brazing material (α = 13 ppm / K) and the aluminum nitride (α = 4.6 ppm / K) of the substrate container was large, and the temperature change was weak. For example, when exposed to repeated lighting and lighting or temperature cycles, the brazing contact surface peels off and the airtightness is impaired, and the device life is likely to be shortened due to leakage of the filling gas and entry of moisture.
一方、DUV光の透過性のガラス材は、特許文献1に記載の高紫外線透過性ホウ珪酸ガラス材がある。高紫外線透過性ホウ珪酸ガラスは、UV透過率が80%以上と石英に近い値を有しており、熱膨張係数αも4ppm/K前後で、窒化アルミニウムに近くαマッチングが良い。しかし機械的強度が石英に比べて劣るため石英蓋体の様に単体で用いることができなかった。 On the other hand, as a glass material that transmits DUV light, there is a high-ultraviolet-transmissive borosilicate glass material described in Patent Document 1. High UV transmissive borosilicate glass has a UV transmittance of 80% or more, which is close to that of quartz, and has a thermal expansion coefficient α of about 4 ppm / K, which is close to aluminum nitride and has good α matching. However, since the mechanical strength is inferior to quartz, it cannot be used alone like a quartz lid.
本発明の目的は、上記課題を解消するため提案するものであり、DUV−LED装置の気密信頼性を向上するメタル−ガラスリッドおよび該メタル−ガラスリッド利用したLED装置を実現することにある。 The objective of this invention is proposed in order to eliminate the said subject, and it is implementing the metal-glass lid which improves the airtight reliability of a DUV-LED apparatus, and the LED apparatus using this metal-glass lid.
本発明によれば、板面を平坦に構成した鉄ニッケル基封着合金材からなる枠体と、この枠体に設けた通孔に気密封着したDUV光透過性ガラスからなるウインドとを備え、該ウインドは窓面を平坦に構成し、かつ窓面と該枠体の板面とが同一平面を構成したことを特徴とするDUV−LED用メタル−ガラスリッドが提供される。本発明のメタル−ガラスリッドは、ウインドの窓面と金属枠体の板面とが極めて平坦に加工され、同一の平面を構成するように配置される。ウインドの窓面および金属枠体の板面の表面粗さは、算術平均粗さRaが5nm以下であることが好ましい。さらに、本発明のメタル−ガラスリッドは、ウインドの窓面と金属枠体の板面とで構成した平面のうねりは、最大高さうねりWzが5μm以下であることが好ましい。なお、算術平均粗さRaおよび最大高さうねりWzは、JIS B 0601−2013 「製品の幾何特性仕様(GPS)―表面性状:輪郭 曲線方式―用語,定義及び表面性状」による。 According to the present invention, there is provided a frame made of an iron-nickel base sealing alloy material having a flat plate surface, and a window made of DUV light transmissive glass hermetically sealed in a through hole provided in the frame. The window has a flat window surface, and the window surface and the plate surface of the frame body form the same plane. A metal-glass lid for DUV-LED is provided. The metal-glass lid of the present invention is arranged so that the window surface of the window and the plate surface of the metal frame are processed to be extremely flat and constitute the same plane. As for the surface roughness of the window surface of the window and the plate surface of the metal frame, the arithmetic average roughness Ra is preferably 5 nm or less. Further, in the metal-glass lid of the present invention, it is preferable that the swell of the plane constituted by the window surface of the window and the plate surface of the metal frame has a maximum height swell Wz of 5 μm or less. The arithmetic average roughness Ra and the maximum height waviness Wz are based on JIS B 0601-2013 “Product Geometric Characteristics Specifications (GPS) —Surface Properties: Contour Curve Method—Terms, Definitions, and Surface Properties”.
本発明に係るメタル−ガラスリッドの蓋体ウインドは、窓面の反射防止および表面保護強化の目的でコーティング膜を施してもよい。 The lid window of the metal-glass lid according to the present invention may be provided with a coating film for the purpose of preventing reflection of the window surface and enhancing the surface protection.
本発明の別形態によれば、複数の配線電極を有する高熱伝導材からなる基板容器と、配線電極のうち基板容器内の配線電極に実装されたDUV−LED素子と、該基板容器に充填された不活性ガスと、該基板容器の開口部を覆って気密封止するDUV透過性の蓋体から形成されたDUV−LED装置において、該蓋体は、板面を平坦に構成した鉄ニッケル基封着合金材からなる枠体と、この枠体に設けた通孔に気密封着したDUV光透過性ガラスからなるウインドとを備え、該ウインドは窓面を平坦に構成し、かつ窓面と該枠体の板面とが同一平面を構成し、さらに枠体は、少なくとも片側の板面を基板容器にロウ材を用いて気密封止したことを特徴とするDUV−LED装置が提供される。本発明のDUV−LED装置の蓋体は、メタル−ガラスリッド用いる。蓋体を構成するメタル−ガラスリッドは、ウインドの窓面と枠体の板面とが極めて平坦に加工され、同一の平面を構成するように配置される。蓋体ウインドの窓面および枠体の板面の表面粗さは、算術平均粗さRaが5nm以下であることが好ましい。さらに、蓋体のメタル−ガラスリッドは、ウインドの窓面と枠体の板面とで構成した平面のうねりは、最大高さうねりWzが5μm以下であることが好ましい。 According to another aspect of the present invention, a substrate container made of a high thermal conductivity material having a plurality of wiring electrodes, a DUV-LED element mounted on a wiring electrode in the substrate container among the wiring electrodes, and the substrate container is filled. In the DUV-LED device formed of the inert gas and the DUV-transmissive lid that covers the opening of the substrate container and hermetically seals, the lid is an iron nickel base having a flat plate surface. A frame made of a sealing alloy material, and a window made of DUV light-transmitting glass hermetically sealed in a through hole provided in the frame, the window having a flat window surface, and a window surface A DUV-LED device is provided in which the plate surface of the frame body forms the same plane, and the frame body is hermetically sealed with a brazing material on at least one plate surface of the frame body. . The lid of the DUV-LED device of the present invention uses a metal-glass lid. The metal-glass lid constituting the lid is arranged so that the window surface of the window and the plate surface of the frame are processed to be extremely flat and constitute the same plane. As for the surface roughness of the window surface of the lid body window and the plate surface of the frame body, the arithmetic average roughness Ra is preferably 5 nm or less. Furthermore, the metal-glass lid of the lid body preferably has a maximum height undulation Wz of 5 μm or less for the swell of the plane constituted by the window surface of the window and the plate surface of the frame.
本発明に係るDUV−LED装置の蓋体ウインドは、窓面の反射防止および表面保護強化の目的でコーティング膜を施してもよい。 The lid window of the DUV-LED device according to the present invention may be provided with a coating film for the purpose of preventing reflection of the window surface and enhancing the surface protection.
本発明に係るDUV−LED用メタル−ガラスリッドおよび該メタル−ガラスリッドを蓋体に利用したDUV−LED装置は、何れもウインドの窓面と枠体の板面とが極めて平坦に加工され、同一の平面を構成するように配置されているが、以下の効果がある。 In the DUV-LED device using the metal-glass lid for DUV-LED according to the present invention and the metal-glass lid as a lid, the window surface of the window and the plate surface of the frame are both processed extremely flat. Although arranged so as to constitute the same plane, the following effects are obtained.
ウインド部分においては、ガラス窓面の表面平坦化により、ガラス表面の微小傷を減少させ、残った微小傷も切欠き角度が鈍化されることで応力集中を緩和する。さらに、ガラス窓面と枠体板面とを同一平面に構成するにより、枠体の通孔内壁全体でウインド端全面を過不足なく包接でき、金属枠体とウインドガラスとの間に生じた応力(ガラス窓のエッジ部分や孔周りに集中して作用する引張・圧縮応力)を通孔内壁全体およびウインド端全面に均等分散できる。これらの効果によりウインドのガラス疲労を軽減してガラス窓の強度信頼性を向上する。 In the window portion, the surface of the glass window is flattened to reduce the micro-scratches on the glass surface, and the remaining micro-scratches also reduce the notch angle, thereby reducing the stress concentration. Furthermore, the glass window surface and the frame plate surface are configured in the same plane, so that the entire window end can be completely covered by the entire inner wall of the through hole of the frame, and the gap is generated between the metal frame and the window glass. Stress (tensile / compressive stress acting on the edge of the glass window and around the hole) can be distributed evenly over the entire inner wall of the hole and the entire window edge. These effects reduce the glass fatigue of the window and improve the strength reliability of the glass window.
さらに、金属枠体においては、板面を平坦化することにより溶融ロウ材の浸透性を向上させると共に、板面の凹凸が減少することで其処にトラップされる気泡を減少させることができ、メタル−ガラスリッドの気密信頼性と接合信頼性を向上する。その結果、より少ないAu−Sn合金ロウを用いて経済的な気密ロウ接が可能となる。 Furthermore, in the metal frame body, the flatness of the plate surface can improve the permeability of the molten brazing material, and the unevenness of the plate surface can be reduced to reduce bubbles trapped there. -Improve hermetic reliability and bonding reliability of glass lids. As a result, economical hermetic brazing can be achieved using less Au—Sn alloy brazing.
そして、コーティング膜(例えば、ARコーティング[Anti−Reflective Coating]など)をウインドの窓面に施すことにより、DUV光の反射を防ぎウインドのDUV光透過率をさらに向上させる。コーティング膜は、ガラス表面の微小傷を埋めて窓面の平坦度を増し、表面を被覆保護するのでガラス窓の強度向上に寄与する。 Then, by applying a coating film (for example, AR coating [Anti-Reflective Coating]) on the window surface of the window, reflection of DUV light is prevented and the DUV light transmittance of the window is further improved. The coating film fills minute scratches on the glass surface, increases the flatness of the window surface, and covers and protects the surface, thereby contributing to an improvement in the strength of the glass window.
本発明に係るメタル−ガラスリッド10は、図1に示すように、板面11を平坦に構成した36%Ni−Fe合金(インバー合金)、42%Ni−Fe合金(42アロイ)、47%Ni−Fe合金、52%Ni−Fe合金、29%Ni−17%Co−Fe合金(コバール合金)などの鉄ニッケル基封着合金材からなる枠体12と、枠体12に設けた通孔に気密封着したDUV光透過性のホウ珪酸ガラスからなるウインド13とを備え、ウインド13は、窓面14を平坦に構成し、かつ窓面14と枠体12の板面11とが同一平面を構成したことを特徴とする。本発明のメタル−ガラスリッド10は、ウインド13の窓面14と金属枠体12の板面11とが、極めて平坦に加工され同一の平面を構成するように配置され、ウインド13の窓面14および金属枠体12の板面11の表面粗さは、算術平均粗さRaが5nm以下であることが好ましい。さらに、本発明のメタル−ガラスリッド10は、ウインド13の窓面14と金属枠体12の板面11とで構成した平面のうねりは、最大高さうねりWzが5μm以下であることが好ましい。本発明に係るメタル−ガラスリッド10の枠体12およびウインド13の熱膨張係数αは、広い温度範囲にわたって略同一となるよう整合させている。
As shown in FIG. 1, the metal-
本発明に係るメタル−ガラスリッド10の蓋体ウインド13は、さらに窓面14の反射防止および表面保護強化の目的でHfO2またはZrO2とSiO2とを積層したARコーティングを施してもよい。
The
本発明に係るDUV−LED装置20は、図2に示すように、複数の配線電極を有する窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの高熱伝導材からなる基板容器200と、配線電極のうち基板容器内の配線電極に実装されたDUV−LED素子210と、基板容器200に充填された窒素ガス、Heガス、Arガスなどの不活性ガス220と、基板容器200の開口部を覆って気密封止するDUV透過性の蓋体230から形成されたDUV−LED装置において、蓋体230は、板面21を平坦に構成した36%Ni−Fe合金(インバー合金)、42%Ni−Fe合金(42アロイ)、47%Ni−Fe合金、52%Ni−Fe合金、29%Ni−17%Co−Fe合金(コバール合金)などの鉄ニッケル基封着合金材からなる枠体22と、枠体22に設けた通孔に気密封着したDUV光透過性のホウ珪酸ガラスからなるウインド23とを備え、ウインド23は、窓面24を平坦に構成し、かつ窓面24と枠体22の板面21とが同一平面を構成し、さらに枠体22は、少なくとも片側の板面21を基板容器200にAu−Sn合金ロウなどのロウ材240を用いて気密封止したことを特徴とする。本発明のDUV−LED装置に用いる蓋体230は、メタル−ガラスリッドから成り、ウインド23の窓面24と金属枠体22の板面21とが、極めて平坦に加工され同一の平面を構成するように配置され、ウインド23の窓面24および金属枠体22の板面21の表面粗さは、算術平均粗さRaが5nm以下であることが好ましい。さらに、本発明の蓋体230は、ウインド23の窓面24と金属枠体22の板面21とで構成した平面のうねりは、最大高さうねりWzが5μm以下であることが好ましい。本発明に係るDUV−LED装置20の基板容器200、蓋体の枠体22およびウインド23の熱膨張係数αは、広い温度範囲にわたって略同一となるよう整合させている。
As shown in FIG. 2, a DUV-
本発明に係るDUV−LED装置の蓋体ウインド23は、窓面24の反射防止および表面保護強化の目的でHfO2またはZrO2とSiO2とを積層したARコーティングを施してもよい。
The
本発明に係るメタル−ガラスリッド10の実施例1は、図1に示すように、板面11を平坦に構成したα=5.4ppm/Kのコバール合金製枠体12と、枠体12に設けた通孔に気密封着したDUV光透過率88〜92%、α=4.1ppm/Kのホウ珪酸ガラス(SCHOTT社製8337B)からなるウインド13とを備え、ウインド13は、窓面14を平坦に構成し、かつ窓面14と枠体12の板面11とが同一平面となるように構成する。このメタル−ガラスリッド10は、ウインド13の窓面14と金属枠体12の板面11とが、極めて平坦に加工され同一の平面を構成するように配置され、ウインド13の窓面14および金属枠体12の板面11の表面粗さを、算術平均粗さRaが5nm以下、さらにウインド13の窓面14と金属枠体12の板面11とで構成した平面のうねりを、最大高さうねりWzが5μm以下に表面研磨した後、窓面14にHfO2とSiO2とを積層した多層ARコーティングを施し、DUV光透過率を95%に向上させる。
Example 1 of the metal-
本発明に係るDUV−LED装置20は、図2に示すように、複数の配線電極を有するα=4.5ppm/Kの窒化アルミニウム製基板容器200と、配線電極のうち基板容器内の配線電極に実装されたDUV−LED素子210と、基板容器200に充填された窒素ガス220と、基板容器200の開口部を覆って気密封止するDUV透過性の蓋体230から形成されたDUV−LED装置において、蓋体230は、板面21を平坦に構成したα=5.4ppm/Kのコバール合金製枠体22と、この枠体22に設けた通孔に気密封着したDUV光透過率88〜92%、α=4.1ppm/Kのホウ珪酸ガラス(SCHOTT社製8337B)のウインド23とを備え、ウインド23は、窓面24を平坦に構成し、かつ窓面24と枠体22の板面21とが同一平面を構成し、さらに枠体22は、片側の板面21を基板容器200にα=13ppm/KのAu−Sn合金ロウ材240を用いて気密封止する。蓋体230は、メタル−ガラスリッドから成り、ウインド23の窓面24と金属枠体22の板面21とが、極めて平坦に加工され同一の平面を構成するように配置され、ウインド23の窓面24および金属枠体22の板面21の表面粗さを、算術平均粗さRaが5nm以下とする。さらにウインド23の窓面24と金属枠体22の板面21とで構成した平面のうねりを、最大高さうねりWzが5μm以下とし、窓面24は、ZrO2とSiO2とを積層した多層ARコーティングを施し、DUV光透過率を95%に向上させる。
As shown in FIG. 2, the DUV-
なお、各実施例の表面粗さおよび平面のうねりは、Zygo社製三次元光学プロファイラーシステム、NewView6300により測定した。 In addition, the surface roughness of each Example and the waviness of a plane were measured by the three-dimensional optical profiler system made from Zygo, NewView6300.
本発明は、特に高エネルギーの深紫外光に対して長期の耐久性が要求される高出力の深紫外光LED装置、例えば、高密度光情報記録装置、高輝度・長寿命蛍光照明装置、公害物質やアレルゲンなどの高速分解処理装置、殺菌灯、皮膚治療装置、レーザメス、細胞選別装置等のDUV-LEDデバイス用のリッドおよびDUV-LEDデバイスのパッケージに利用できる。 The present invention is a high-power deep ultraviolet LED device that requires long-term durability, particularly for high-energy deep ultraviolet light, such as a high-density optical information recording device, a high-intensity and long-life fluorescent lighting device, and pollution. It can be used for lids for DUV-LED devices such as substances and allergens, disinfection lamps, skin treatment devices, laser scalpels, cell sorting devices, and packages for DUV-LED devices.
10・・・メタル−ガラスリッド、
20・・・DUV−LED装置、
11,21・・・板面、
12,22・・・枠体、
13,23・・・ウインド、
14,24・・・窓面、
200・・・基板容器、
210・・・DUV−LED素子、
220・・・不活性ガス、
230・・・蓋体、
240・・・ロウ材。
10: Metal-glass lid,
20 ... DUV-LED device,
11, 21 ... plate surface,
12, 22 ... frame,
13, 23 ... Wind,
14, 24 ... window surface,
200 ... substrate container,
210 ... DUV-LED element,
220 ... inert gas,
230 ... lid,
240: brazing material.
Claims (10)
The DUV-LED device according to claim 9, wherein the coating film is formed of an AR coating in which HfO 2 or ZrO 2 and SiO 2 are laminated.
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