JP2017103351A - Ultraviolet light emitting device and ultraviolet light irradiating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は紫外線発光装置及び紫外線照射装置に関する。 The present invention relates to an ultraviolet light emitting device and an ultraviolet irradiation device.
紫外線発光装置において、特に、210〜310nmの短波長領域の紫外線は、消毒、殺菌、浄化用等としての紫外線照射装置に用いられる。 In the ultraviolet light emitting device, in particular, ultraviolet light in a short wavelength region of 210 to 310 nm is used for an ultraviolet irradiation device for disinfection, sterilization, purification and the like.
図13は従来の紫外線発光装置を示す断面図である(参照:特許文献1)。図13において、紫外線発光装置は、凹部101aが形成され、凹部101aを囲む上部101bを有する基板101と、基板101の凹部101a内のサブマウント103上に搭載された紫外線発光ダイオード(LED)素子102と、基板101の凹部101aを覆うように設けられた紫外線透過窓部材104と、基板101の上部101bと紫外線透過窓部材104との間に設けられた封止部材としての樹脂接着層105とによって構成される。また、サブマウント103と基板101の配線パッドとの間はワイヤ106a、106bによって電気的に接続される。図13においては、紫外線LED素子102から発生した紫外線ULは紫外線透過窓部材104を透過して外部へ出射される。紫外線発光装置においては、紫外線LED素子102を樹脂封止すると、樹脂が紫外線によって変質劣化して装置の信頼性が低下するので、その代りに、石英ガラス等よりなる紫外線透過窓部材104によって封止する。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a conventional ultraviolet light emitting device (see Patent Document 1). In FIG. 13, the ultraviolet light emitting device includes a substrate 101 having a recess 101a and having an upper portion 101b surrounding the recess 101a, and an ultraviolet light emitting diode (LED)
尚、紫外線透過窓部材104が存在しない場合には、光損失が生じないが、手等がワイヤ106a、106bに触れて断線し、又は手等が紫外線LED素子102に触れて汚染することがあり、この結果、装置の信頼性が低下する。
In the case where the ultraviolet transmissive window member 104 is not present, light loss does not occur, but a hand or the like may be disconnected by touching the
しかしながら、図13に示す従来の紫外線発光装置においては、紫外線透過窓部材104たとえば石英の透過率Tは、100%ではなく、表面反射層等の影響を受けて反射光R等となり、また、斜光Sもあり、この結果、透過率Tは92%程度である。実際には、反射率の入射角度依存性等を考慮すれば、紫外線透過窓部材104の透過率Tは90%以下であり、少なくとも10%以上の光損失が生じて光出力が低下するという課題がある。 However, in the conventional ultraviolet light emitting device shown in FIG. 13, the transmittance T of the ultraviolet transmissive window member 104 such as quartz is not 100%, but becomes reflected light R or the like due to the influence of the surface reflection layer or the like. S, and as a result, the transmittance T is about 92%. Actually, considering the dependency of the reflectance on the incident angle, etc., the transmittance T of the ultraviolet transmissive window member 104 is 90% or less, and at least 10% or more of light loss occurs, resulting in a decrease in light output. There is.
上述の課題を解決するために、本発明に係る紫外線発光装置は、凹部が形成され、凹部を囲む上部を有する基板と、基板の凹部内に設けられた紫外線発光素子と、基板の凹部を覆うように基板の上部に設けられた紫外線通過窓部材とを具備し、紫外線通過窓部材は紫外線発光素子上に開口部を有するものである。つまり、紫外線通過窓部材は枠構造をなしている。 In order to solve the above-described problems, an ultraviolet light emitting device according to the present invention covers a substrate having a recess and having an upper portion surrounding the recess, an ultraviolet light emitting element provided in the recess of the substrate, and the recess of the substrate. In this way, an ultraviolet light passing window member provided on the upper portion of the substrate is provided, and the ultraviolet light passing window member has an opening on the ultraviolet light emitting element. That is, the ultraviolet ray passing window member has a frame structure.
また、本発明に係る紫外線照射装置は、処理ガス又は処理水を流すためのケーシングと、ケーシングの外面に設けられた上述の紫外線発光装置の少なくとも1つとを具備するものである。 Moreover, the ultraviolet irradiation device according to the present invention includes a casing for flowing the processing gas or the processing water, and at least one of the above-described ultraviolet light emitting devices provided on the outer surface of the casing.
本発明によれば、紫外線発光素子上に開口部を有する枠構造の紫外線通過窓部材により紫外線発光素子の光損失を抑制し、光出力を向上することができる。また、紫外線通過窓部材の枠構造により紫外線発光素子の汚染を防止することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the optical loss of an ultraviolet light emitting element can be suppressed and the optical output can be improved with the ultraviolet-ray passage window member of the frame structure which has an opening part on an ultraviolet light emitting element. Further, contamination of the ultraviolet light emitting element can be prevented by the frame structure of the ultraviolet ray passing window member.
図1は本発明に係る紫外線発光装置の第1の実施の形態を示す上面図、図2は図1の紫外線発光装置のII−II線断面図、図3は図1の紫外線通過窓部材の上面図、図4は図1の紫外線通過窓部材を取外した紫外線発光装置の上面図である。 1 is a top view showing a first embodiment of an ultraviolet light emitting device according to the present invention, FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II of the ultraviolet light emitting device of FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a top view of the ultraviolet light emitting device with the ultraviolet passage window member of FIG. 1 removed.
図1、図2、図3、図4において、低温同時焼成セラミック(LTCC)基板1は4層の基板1−1、1−2、1−3、1−4の積層よりなり、基板1−3、1−4によって凹部1aが形成される。
1, 2, 3, and 4, a low-temperature co-fired ceramic (LTCC)
LTCC基板1の凹部1aの基板1−1、1−2の上下には放熱パッド2−1、2−2、2−3が設けられ、放熱パッド2−1、2−2、2−3は金属ビアによって結合される。この場合、下側の金属ビア3−1は直径0.3mmと大きく、上側の金属ビア3−2は直径0.25mmと小さくしてあり、これにより、放熱効率を高くする。金属ビア3−1、3−2はAg又はAg合金よりなり、焼結を阻害しない範囲でPt、Rh、Pd、Ru等を添加してもよい。
Heat dissipation pads 2-1, 2-2, 2-3 are provided above and below the substrates 1-1, 1-2 of the recess 1a of the
LTCC基板1の凹部1aを囲み上部をLTCC基板1の上部を構成する基板1−3、1−4の下の基板1−1、1−2の上下には、電極パッド4−1、配線パッド4−2、4−3が設けられ、金属ビア(図示せず)によって電気的に接続される。尚、この金属ビアは金属ビア3−1、3−2と同一層よりなる。
An electrode pad 4-1 and a wiring pad are provided above and below the substrates 1-1 and 1-2 below the substrates 1-3 and 1-4 that surround the recess 1a of the
たとえば、深紫外線LED素子5−1、5−2、5−3、5−4、5−5、5−6は波長210〜310nmの領域の深紫外線を発生するものであり、その発光層はたとえばAlGaN系で構成される。これらの深紫外線LED素子5−1、5−2、5−3、5−4、5−5、5−6はAuSn共晶接合層又はバンプ(図示せず)を用いてサブマウント6に搭載される。また、サブマウント6はAlN又は酸化シリコンを有するシリコンより構成され、放熱性能がよいAuSn共晶接合層(図示せず)によって放熱パッド2−3に接合される。従って、深紫外線LED素子5−1、5−2、5−3、5−4、5−5、5−6から発生した熱はサブマウント6、放熱パッド2−3、金属ビア3−2、放熱パッド2−2、金属ビア3−1及び放熱パッド2−1を介して外部へ放熱される。
For example, deep ultraviolet LED elements 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, 5-5, and 5-6 generate deep ultraviolet rays in a wavelength range of 210 to 310 nm, and the light emitting layer is For example, it is composed of an AlGaN system. These deep ultraviolet LED elements 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, 5-5, 5-6 are mounted on the
深紫外線LED素子5−1、5−2、5−3、5−4、5−5、5−6はサブマウント6上の配線層6a、6b間に電気的に接続され、配線層6a、6bはワイヤ7a、7bによって基板1−2上のワイヤボンディングパッド8a、8bに電気的に接続される。尚、ワイヤボンディングパッド8a、8bは配線パッド4−3の一部であり、配線パッド4−2、4−1を介して2つの電極パッド4−1に電気的に接続される。従って、深紫外線LED素子5は2つの電極パッド4−1間に電気的に接続されることになる。
The deep ultraviolet LED elements 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, 5-5, 5-6 are electrically connected between the
ツェナダイオード素子9は深紫外線LED素子5−1、5−2、5−3、5−4、5−5、5−6を逆電圧から保護するためのものであり、深紫外線LED素子5に電気的に逆並列に接続される。つまり、ツェナダイオード素子9の一方の電極はLTCC基板1の凹部1aのサブマウント6が搭載されていない領域上の配線パッド4−3’上に搭載され、ツェナダイオード素子9の他方の電極はワイヤ7cによってワイヤボンディングパッド8bに電気的に接続される。
The zener diode element 9 is for protecting the deep ultraviolet LED element 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, 5-5, 5-6 from a reverse voltage. Electrically connected in antiparallel. That is, one electrode of the Zener diode element 9 is mounted on the wiring pad 4-3 ′ on the region where the
尚、放熱パッド2−1、電極パッド4−1は同一層であり、放熱パッド2−2、電極パッド4−2は同一層であり、放熱パッド2−3、電極パッド4−3、4−3’、ワイヤボンディングパッド8a、8bは同一層である。
The heat dissipating pad 2-1 and the electrode pad 4-1 are the same layer, and the heat dissipating pad 2-2 and the electrode pad 4-2 are the same layer, and the heat dissipating pad 2-3, the electrode pads 4-3, 4- 3 ′, the
LTCC基板1の凹部1aを覆うようにLTCC基板1の上部つまり基板1−4上に紫外線通過窓部材10Aを設けてある。紫外線通過窓部材10Aの材料は、アルミナ(Al2O3)、アルミナを含むガラス(SiO2)等のセラミック、アルミニウム、銅等の金属、石英ガラス、サファイヤ、MgO、MgF2、CaF2、合成フェーズドシリカ等の紫外線透過材料である。
An ultraviolet light
基板1−4と深紫外線透過窓部材10Aとの間の封止部材として樹脂接着層11を設ける。樹脂接着層11の材料は、たとえば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、有機/無機(たとえばシリコーン/シリカ)ハイブリッド樹脂、フッ素系樹脂等である。
A resin
紫外線通過窓部材10Aは、図3に示すごとく、開口10A−1、10A−2、10A−3、10A−4、10A−5、10A−6を有する。図1に示すごとく、開口10A−1は深紫外線LED素子5−1、5−2上に位置し、LED素子5−1、5−2のサイズより大きく、開口10A−2は深紫外線LED素子5−3上に位置し、LED素子5−3のサイズより大きく、開口10A−3は深紫外線LED素子5−4、5−5上に位置し、LED素子5−4、5−5のサイズより大きく、開口10A−4は深紫外線LED素子5−6上に位置し、LED素子5−6のサイズより大きい。従って、図2に示すごとく、深紫外線LED素子5−1、5−2、5−3、5−4、5−5、5−6からの紫外線ULは開口10A−1、10A−2、10A−3、10A−4を介して光損失がなく出射される。尚、紫外線通過窓部材10Aが反射率の高い材料の場合には、図2に示すごとく、紫外線ULは紫外線通過窓部材10Aの開口10A−1、10A−2、10A−3、10A−4側の壁面においても反射して出射される。従って、光損失はほとんどない。また、紫外線通過窓部材10Aの枠構造により深紫外線LED素子5−1、5−2、5−3、5−4、5−5、5−6の汚染を防止する。
As shown in FIG. 3, the ultraviolet light
他方、図1に示すように、開口10A−5、10A−6はワイヤ7a、7b、7cの一部の上に位置し、従って、紫外線通過窓部材10Aの枠構造がワイヤ7a、7b、7cの一部を覆っており、これにより、ワイヤ7a、7b、7cを手等からの接触から保護する。
On the other hand, as shown in FIG. 1, the
図5は本発明に係る紫外線発光装置の第2の実施の形態を示す上面図、図6は図5の紫外線通過窓部材の上面図である。 FIG. 5 is a top view showing a second embodiment of the ultraviolet light emitting device according to the present invention, and FIG. 6 is a top view of the ultraviolet passage window member of FIG.
図5、図6においては、図1、図3の紫外線通過窓部材10Aの代りに、紫外線通過窓部材10Bを設けてある。つまり、紫外線通過窓部材10Bにおいて、紫外線通過窓部材10Aの開口10A−5、10A−6を設けていない。従って、紫外線通過窓部材10Bの枠構造がワイヤ7a、7b、7cのほぼ全部を覆っており、この結果、ワイヤ7a、7b、7cの保護がより完全となる。尚、光損失は図1、図3の紫外線通過窓部材10Aの場合と変わらない。
5 and 6, an ultraviolet light passing
図7は本発明に係る紫外線発光装置の第3の実施の形態を示す上面図、図8は図7の紫外線通過窓部材の上面図である。 FIG. 7 is a top view showing a third embodiment of the ultraviolet light emitting device according to the present invention, and FIG. 8 is a top view of the ultraviolet passage window member of FIG.
図7、図8においては、図5、図6の紫外線通過窓部材10Bの代りに、紫外線通過窓部材10Cを設けてある。つまり、紫外線通過窓部材10Cにおいて、開口10C−1、10C−2は図5、図6の開口10A−1、10A−2、10A−3、10A−4に相当し、開口10A−1、10A−2との間の枠構造及び開口10A−3、10A−4との間の枠構造が存在しない。この分だけ開口10C−1、10C−2を介して出射される紫外線ULの光量は増加する。従って、光損失は図5、図6の紫外線通過窓部材10Bの場合に比較して減少する。尚、紫外線通過窓部材10Cの枠構造は図5、図6の紫外線通過窓部材10Bと同様に、ワイヤ7a、7b、7cのほぼ全部を覆っており、この結果、ワイヤ7a、7b、7cの保護は変わらない。
7 and 8, an ultraviolet light passing
図9は図1、図5の紫外線発光装置の光損失を説明するための順電流−光出力特性グラフである。 FIG. 9 is a forward current-light output characteristic graph for explaining the light loss of the ultraviolet light emitting device of FIGS.
図9は、発光波長280nmの深紫外線LED素子5−1、5−2、5−3、5−4、5−5、5−6に順電流240mAを流した場合の光出力特性を示す。窓部材が存在しない場合(比較例)の光出力29.3mWを基準とすると、従来の図13の紫外線発光装置において、光出力25.7mWで光損失は約12%であったのに対し、本発明の図1、図5の紫外線発光装置においては、光出力28.4mWで光損失は約3%であった。本発明の図7の紫外線発光装置の光損失も同等の約3%もしくはこれ以下である。このように、本発明によれば、光損失を少なくできた。 FIG. 9 shows light output characteristics when a forward current of 240 mA is passed through the deep ultraviolet LED elements 5-1, 5-2, 5-3, 5-4, 5-5, and 5-6 having an emission wavelength of 280 nm. Based on the light output of 29.3 mW when the window member is not present (comparative example), in the conventional ultraviolet light emitting device of FIG. 13, the light output was about 12% at the light output of 25.7 mW. In the ultraviolet light emitting device of FIGS. 1 and 5 of the present invention, the optical loss was about 3% at an optical output of 28.4 mW. The light loss of the ultraviolet light emitting device of FIG. 7 of the present invention is equivalent to about 3% or less. Thus, according to the present invention, optical loss can be reduced.
図10は図2の紫外線発光装置の第1の変更例を示す。すなわち、紫外線通過窓部材10Aの枠の下側(LED素子側)の幅を上側(LED素子の反対側)の幅より小さくすることにより、光取り出し効率を向上させることができる。図5、図7の紫外線発光装置の場合も同様である。
FIG. 10 shows a first modification of the ultraviolet light emitting device of FIG. That is, the light extraction efficiency can be improved by making the width of the lower side (LED element side) of the ultraviolet light
図11は図2の紫外線発光装置の第2の変更例を示す。すなわち、紫外線通過窓部材10Aの枠の深紫外線LED素子の発光波長での反射率が小さい場合、枠の側面にアルミニウム等の反射層12を設けることにより、光吸収を減少させて光取り出し効率を向上させることができる。図5、図7、図10の紫外線発光装置の場合も同様である。尚、反射層12は下から又は上からのスパッタリング法によって形成できる。
FIG. 11 shows a second modification of the ultraviolet light emitting device of FIG. That is, when the reflectance at the emission wavelength of the deep ultraviolet LED element of the frame of the ultraviolet light passing
図12は図1、図5、図7、図10、図11の紫外線発光装置(20とする)が適用された紫外線照射装置を示す図である。 FIG. 12 is a view showing an ultraviolet irradiation device to which the ultraviolet light emitting device (referred to as 20) of FIGS. 1, 5, 7, 10, and 11 is applied.
図12の(A)に示すごとく、紫外線発光装置20を紫外線照射装置の処理ガス、処理水等の殺菌対象物を矢印のごとく流す紫外線透過ケーシング21の外側に配置すると共に、紫外線発光装置20に対向して反射板22を配置すると、紫外線発光装置20から発生した紫外線ULは反射板22にて反射されて紫外線が再び紫外線発光装置20に入射する。また、図12の(B)、(C)に示すごとく、2つの紫外線発光装置20を紫外線透過ケーシング21に対向して配置すると、紫外線ULは一方の紫外線発光装置20から発生し、他方の紫外線発光装置20からも入射する。
As shown in FIG. 12 (A), the ultraviolet
このように、本発明に係る紫外線発光装置特に深紫外線発光装置は、深紫外線によって処理ガス、処理水の殺菌を行うことができる。 As described above, the ultraviolet light emitting device according to the present invention, particularly the deep ultraviolet light emitting device, can sterilize the processing gas and the processing water with deep ultraviolet light.
尚、上述の実施の形態においては、210〜310nmの短波長領域の深紫外線発光装置に係るが、本発明は310nm以上の長波長領域の紫外線LED素子にも適用できる。 In the above-described embodiment, the deep ultraviolet light emitting device has a short wavelength region of 210 to 310 nm, but the present invention can also be applied to an ultraviolet LED element having a long wavelength region of 310 nm or more.
上述の実施の形態においては、基板材料としてLTCC基板1を用いているが、高温同時焼成セラミック(HTCC)基板やAlN基板を用いることもできる。また、HTCC基板やAlN基板の場合には、金属ビア材料としてW、Mo、Cu及びそれらの合金を用いることができる。さらに、AlNの場合には、熱伝導率が大きいので、金属ビアを用いなくてもよい。
In the above-described embodiment, the
また、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用できる。 Further, the present invention can be applied to any change in the obvious range of the above-described embodiment.
本発明の紫外線発光装置、特に、深紫外線発光装置は、殺菌効果が大きいので、浄水器、ウォータクーラ、ウォータサーバ、医療用純水、加湿器、食器洗浄機、デンタルチェア等における水の殺菌浄化装置に利用できる。 Since the ultraviolet light emitting device of the present invention, in particular, the deep ultraviolet light emitting device has a large sterilizing effect, sterilization and purification of water in water purifiers, water coolers, water servers, medical pure water, humidifiers, dishwashers, dental chairs, etc. Available for equipment.
1:LTCC基板
1−1、1−2、1−3、1−4:基板
1a:凹部
2−1、2−2、2−3:放熱パッド
3−1、3−2:金属ビア
4−1:電極パッド
4−2、4−3:配線パッド
5:深紫外線LED素子
6:サブマウント
6a、6b:配線層
7a、7b:ワイヤ
8a、8b:ワイヤボンディングパッド
9:ツェナダイオード
10A、10B、10C:紫外線通過窓部材
11:樹脂接着層
12:反射層
20:紫外線発光装置
21:ケーシング
22:反射板
1: LTCC substrate 1-1, 1-2, 1-3, 1-4: Substrate 1a: Recesses 2-1, 2-2, 2-3: Heat radiation pad 3-1, 3-2: Metal via 4- 1: Electrode pads 4-2, 4-3: Wiring pad 5: Deep ultraviolet LED element 6:
Claims (6)
前記基板の凹部内に設けられた紫外線発光素子と、
前記基板の凹部を覆うように前記基板の上部に設けられた紫外線通過窓部材と、
を具備し、紫外線通過窓部材は紫外線発光素子上に開口を有する紫外線発光装置。 A substrate having a recess formed therein and having an upper portion surrounding the recess;
An ultraviolet light emitting element provided in the recess of the substrate;
An ultraviolet ray passing window member provided on the upper part of the substrate so as to cover the recess of the substrate;
An ultraviolet light emitting device having an aperture on the ultraviolet light emitting element.
前記紫外線通過窓部材の枠構造は前記ワイヤの少なくとも一部上に存在する請求項1に記載の紫外線発光装置。 Furthermore, comprising a wire for electrically connecting the substrate and the ultraviolet light emitting element,
The ultraviolet light emitting device according to claim 1, wherein a frame structure of the ultraviolet ray passing window member exists on at least a part of the wire.
前記ケーシングの外面に設けられた請求項1〜5のいずれかに記載の紫外線発光装置の少なくとも1つと
を具備する紫外線照射装置。
A casing for flowing treatment gas or treatment water;
An ultraviolet irradiation device comprising: at least one of the ultraviolet light emitting devices according to claim 1 provided on an outer surface of the casing.
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