JP6773093B2 - 光学素子パッケージ用リッド、光学素子パッケージ及びそれらの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子パッケージ、例えば、ＵＶ−ＬＥＤ、短波長で出力の強いレーザー光源等、特に、紫外線領域の光を発光又は受光する光学素子に用いられる光学素子パッケージ用リッド、光学素子パッケージ及びそれらの製造方法に関する。

ＬＥＤをパッケージングする際には、光学素子が発光する光に対して、高い透過性を有する素材を窓材として用いることが必要である。従来、ＬＥＤ用窓材としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性アクリル樹脂、不飽和ポリエステル等の透光性樹脂が用いられている（特許文献１：特開２００１−１９６６４４号公報）。

近年、水銀ランプの規制に伴い、その代替として、短い波長、特に紫外線領域の光を発光するＵＶ−ＬＥＤが注目されている。ＬＥＤは、任意の波長を取り出すことができることから、用途に応じた波長のＬＥＤが開発されている。例えば、殺菌に有効な波長であるＵＶ領域の２６５ｎｍの波長の光を発光するＵＶ−ＬＥＤが、殺菌用途として開発されている。しかし、２６５ｎｍの光学素子が安定的に供給されたとしても、光学素子をパッケージングなしで使用することは難しく、ＵＶ−ＬＥＤからの光の取り出し効率を可能な限り高めて、パッケージングすることが求められている。

そのため、ＵＶ−ＬＥＤの場合、パッケージ用の窓材として、一般に、ホウ珪酸ガラス又は石英ガラスが用いられている（特許文献２：特開２００６−２６９６７８号公報）。しかし、窓材として透光性樹脂やホウ珪酸ガラスを用いる場合、加工はしやすいが、紫外線透過性が低いという欠点がある。一方、窓材として石英ガラスを用いる場合、紫外線透過性は優れるものの、石英ガラスの高い軟化点により、加工性が悪いという欠点がある。また、いずれの材料においても、光の取り出し効率を高めるためには、表面の鏡面加工が有効であるが、鏡面加工により、光の指向性が高い光学素子からの光を、窓材により散乱させることができないため、光を散乱させるためには、別途、光を散乱させるための拡散板フィルター等の部材が必要であった。

また、ＵＶ−ＬＥＤ等の光学素子は、セラミック製等の収容部材に収容され、接着層を介して窓材で気密封止することが求められる。しかし、ＵＶ−ＬＥＤが発する短波長の光は、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂といった樹脂系接着剤を劣化させるため、気密封止ができなくなる不具合が生じることから、収容部材と窓材をレーザーで接合する方法が提案されている（特許文献３：特開２０１７−１９１８０５号公報）。

特開２００１−１９６６４４号公報 特開２００６−２６９６７８号公報 特開２０１７−１９１８０５号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光学素子パッケージ用窓材として、高透過率であり、昨今の高出力ＬＥＤ等の発熱量の大きい発光素子や、ＵＶ光を発するＵＶ−ＬＥＤや、ＵＶ光等の受光素子を封止するにあたり、熱や短波長の光によって影響を受けることなく長時間安定して使用できる、光学素子パッケージ用リッド、光学素子パッケージ及びそれらの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討を行った結果、光学素子が内部に収容された収容部材の光学素子の発光方向前方に設けられる窓材の収容部材と接する部分に形成される金属系接着層として、被覆剤により被覆された金属ナノ粒子、ハンダ粉末及び分散媒を含む接着組成物で形成された金属系接着層を備える光学素子パッケージ用リッドにより、光学素子に関わる熱や短波長の光によるダメージを受けにくく、長時間安定した光学素子パッケージを構築できることを見出し、本発明をなすに至った。

従って、本発明は、下記の光学素子パッケージ用リッド、光学素子パッケージ及びそれらの製造方法を提供する。
１．光学素子が内部に収容された収容部材の前記光学素子の発光方向前方に設けられ、前記光学素子から発光又は前記光学素子が受光する光を透過する窓材と、該窓材が前記収容部材と接する部分に形成された金属系接着層とを備える光学素子パッケージ用リッドであって、前記金属系接着層が、被覆剤により被覆された金属ナノ粒子、ハンダ粉末及び分散媒を含む接着組成物で形成されており、前記分散媒の揮発開始温度が、前記金属ナノ粒子の焼結温度より高く、かつハンダ粉末の融点より高い温度であることを特徴とする光学素子パッケージ用リッド。
２．前記金属ナノ粒子を構成する金属が、金、銀及び銅からなる群より選ばれる１つ以上の金属、該金属を含有する合金、又は前記金属と他の金属との混合物であることを特徴とする１記載の光学素子パッケージ用リッド。
３．前記金属ナノ粒子の動的光散乱法による平均１次粒子径が、２０〜９０ｎｍであることを特徴とする１又は２記載の光学素子パッケージ用リッド。
４．前記被覆剤の前記金属ナノ粒子からの分離温度が、前記金属ナノ粒子の焼結温度以上の温度であることを特徴とする１〜３のいずれかに記載の光学素子パッケージ用リッド。
５．前記被覆剤が、アミン、脂肪族カルボン酸及びアルコールからなる群から選ばれる１つ以上の化合物を含むことを特徴とする４記載の光学素子パッケージ用リッド。
６．前記被覆剤が、ポリエチレングリコールを含むことを特徴とする４記載の光学素子パッケージ用リッド。
７．前記金属ナノ粒子の焼結温度が、１１０〜１８０℃であることを特徴とする１〜６のいずれかに記載の光学素子パッケージ用リッド。
８．前記ハンダ粉末の融点が、前記金属ナノ粒子の焼結温度より低い温度であることを特徴とする１〜７のいずれかに記載の光学素子パッケージ用リッド。
９．前記ハンダ粉末が、Ｓｎ−Ｂｉハンダ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉハンダ及びＳｎ−Ｚｎハンダからなる群から選ばれる１つ以上を含むことを特徴とする８記載の光学素子パッケージ用リッド。
１０．前記接着組成物中の前記分散媒の含有率が３質量％以上１５質量％以下であることを特徴とする１〜９のいずれかに記載の光学素子パッケージ用リッド。
１１．前記分散媒が、テルペン類、モノテルペンアルコール類、アルキルアルコール、ナフテン系炭化水素からなる群から選ばれる１つ以上の化合物を含むことを特徴とする１〜１０のいずれかに記載の光学素子パッケージ用リッド。
１２．前記金属系接着層が、半硬化状態（Ｂ−Ｓｔａｇｅ）であることを特徴とする１〜１１のいずれかに記載の光学素子パッケージ用リッド。
１３．１〜１２のいずれかに記載の光学素子パッケージ用リッドを製造する方法であって、
前記窓材の前記収容部材と接する部分に、前記接着組成物を塗布して前記金属系接着層を形成する工程を含むことを特徴とする光学素子パッケージ用リッドの製造方法。
１４．光学素子と、該光学素子を内部に収容した収容部材とを備え、１〜１２のいずれかに記載の光学素子パッケージ用リッドの前記金属系接着層により前記窓材と前記収容部材とが接着されて、前記光学素子が前記収容部材の内部に気密封止されてなることを特徴とする光学素子パッケージ。
１５．前記光学素子が、発光素子又は受光素子であることを特徴とする１４記載の光学素子パッケージ。
１６．前記光学素子が、波長３００ｎｍ以下の光を発光又は受光可能な光学素子であることを特徴とする１５記載の光学素子パッケージ。
１７．１４〜１６のいずれかに記載の光学素子パッケージを製造する方法であって、
収容部材の内部に光学素子を実装する工程、及び
１〜１２のいずれかに記載の光学素子パッケージ用リッドの窓材と、光学素子を内部に収容した前記収容部材とを、光学素子パッケージ用リッドの前記金属系接着層により接着して一体化する工程
を含むことを特徴とする光学素子パッケージの製造方法。

本発明によれば、短波長の光による劣化や割れ、発光素子の発熱による接着剤の歪みや崩壊、これらに伴う長期的信頼性の問題を解決することができる。即ち、耐熱性、耐紫外線性等に優れた光学素子パッケージ用リッド及び光学素子パッケージを提供することができる。

本発明の光学素子パッケージ用リッドの一例を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。 本発明の光学素子パッケージ用リッドを用いて収容部材に光学素子を収容した光学素子パッケージの一例を示す断面図である。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の光学素子パッケージ用リッドは、光学素子が内部に収容された収容部材の光学素子の発光方向前方に設けられる窓材と、この窓材が収容部材と接する部分に形成された金属系接着層とを備える。光学素子パッケージ用リッドは、光学素子を収容する収容部材と共に用いられ、光学素子を保護すると共に、光学素子の取り扱いを容易にするために用いられる。

光学素子パッケージ用リッドは、例えば、図１（Ａ）及び（Ｂ）に、各々断面図及び平面図として示されるように、窓材１の表面上、例えば、窓材が収容部材と接する部分である窓材１の主表面の外周縁部に、金属系接着層２が形成されたものである。この金属系接着層は、窓材の主表面以外に側面に形成されていてもよいが、主表面のみ、特に、光学素子が収容されている収容部材と接する一方の主表面のみに形成されていることが好ましい。また、金属系接着層は、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、窓材の中央部から光を取り出せるように、窓材の主表面の外周縁部に形成することが好ましいが、必ずしも窓材の外周縁まで形成されている必要はない。また、金属系接着層は、窓材の中央部に、光を取り出すことができる相応の範囲が確保される位置に、気密封止するのに十分な形状及び面積で形成されていればよい。

窓材は、合成石英ガラス、サファイア、ホウケイ酸ガラス、無アルカリガラス等のいずれでもよいが、光の透過率、耐熱性、ＵＶ耐性等の観点から、合成石英ガラスが好ましい。

窓材の形状としては、例えば、図１（Ａ）に示されるような平形状の窓材１の他、凹凸形状（凹形状、凸形状、凹及び凸双方を有する形状を含む。以下同じ。）を有する球面状、凹凸形状を有する非球面状のいずれでもよい。光学素子が収容されている収容部材を単純に封止する目的であれば、コスト面及び取扱いの簡便さの観点から、平板状のものが好ましい。一方、光学素子から発せられる光を効率よく取り出そうとする場合は、光学計算に基づいて設計された凹凸形状を有する、単純な平凸レンズ形状、平凹レンズ形状、凸メニスカスレンズ形状等の球面状や非球面状のものが好ましい。窓材の厚みは、適宜選択することができるが、接着時に発生する応力等の観点から、好ましくは０．１ｍｍ以上、より好ましくは０．２ｍｍ以上で、好ましくは５ｍｍ以下、より好ましくは４ｍｍ以下である。

窓材は、収容部材内部を密閉できるものが好ましく、その大きさは、光学素子の用途、収容された光学素子、収容部材のサイズ等により適宜選択されるが、密閉性確保の観点から、収容部材の光学素子収容部の開口部のサイズと同等又は若干大きいものが用いられる。水平形状が四角の場合は対角の長さが、水平形状が円形又は楕円形の場合は各々直径又は最大径が、好ましくは１ｍｍ以上、より好ましくは２ｍｍ以上で、好ましくは３ｃｍ以下、より好ましくは２ｃｍ以下である。

また、窓材は、光の取り出し効率の観点から、対向する基板面（主表面）の少なくとも一方の面（即ち、表面のみ又は裏面のみ）が鏡面であることが好ましく、表面及び裏面の両面が鏡面であることがより好ましい。ここで、対向する基板面の表面及び裏面の２面は、例えば、光学素子から発光又は光学素子が受光する光が窓材を透過するときに光が交差する２面とすることができる。鏡面は、算術平均粗さ（Ｒａ）が、好ましくは０．１μｍ以下、より好ましくは０．０５μｍ以下の面とすることができる。

窓材の製造方法は特に限定されるものではないが、例えば、原料基板の表面及び裏面から選ばれる一方又は双方の面をラップ加工することにより平形状の窓材を、サンドブラスト加工することにより凹凸形状を有する球面状の窓材、凹凸形状を有する非球面状の窓材を製造することができる。原料基板としては、平板の基板、例えば、対角長１００〜３００ｍｍの矩形又は直径１００〜３００ｍｍの円径、厚み０．２〜１０ｍｍの平板の基板が好適に用いられる。ラップ加工の場合は、例えばアルミナを主成分とする砥粒（研磨材）を用いて、片面研磨装置又は両面研磨装置により片面又は両面研磨する。一方、サンドブラスト加工の場合は、酸化セリウム、酸化珪素、酸化アルミニウム、炭化珪素等の砥粒を用いて研磨する。更に、鏡面化する場合には、ラップ加工又はサンドブラスト加工の後に、平形状の窓材の場合には、酸化セリウムや酸化ジルコニウムのような砥粒と発泡ポリウレタン系研磨布等を組み合わせた公知の研磨材を用い、両面研磨又は片面研磨法によって研磨すること、凹凸形状を有する球面状の窓材、凹凸形状を有する非球面状の窓材の場合は、フッ化水素酸水溶液等により公知のエッチング加工により鏡面化することができる。

金属系接着層は、被覆剤により被覆された金属ナノ粒子、ハンダ粉末及び分散媒を含む接着組成物によって形成される。

［被覆剤により被覆された金属ナノ粒子］
金属系接着層に含まれる金属ナノ粒子は、非常に細かい粒子であるため、１次粒子相互の連結を防止することができる物質で被覆しておかなければ、金属ナノ粒子が有する自然焼結性により連結してしまい、１次粒子が分散した状態を保てなくなるため、金属ナノ粒子は、被覆剤で表面が被覆された状態（例えば、表面上に液状物質又は固体状物質が薄層状に付着した状態）で用いる。

金属ナノ粒子を構成する金属としては、金、銀及び銅からなる群より選ばれる１つ以上の金属、この金属を含有する合金、又はこの金属と他の金属との混合物であることが好ましい。合金又は混合物である場合、金、銀及び銅からなる群より選ばれる１つ以上の金属が、金属ナノ粒子全体の８０質量％以上であることが好ましい。

金属ナノ粒子の１次粒子の平均粒子径（平均１次粒子径）Ｄ₅₀（体積平均メジアン径）は、金属ナノ粒子とハンダ粉の反応点を多くする観点や、取り扱いを容易にする観点から、好ましくは２０ｎｍ以上、より好ましくは３０ｎｍ以上で、好ましくは９０ｎｍ以下、より好ましくは８０ｎｍ以下である。この粒子径は、動的光散乱法により測定される値を適用することができる。

被覆剤は、金属系接着層による窓材と収容部材との接着において、低温（例えば、１５０〜３３０℃）での接着を達成する観点から、温度応答性をもって金属ナノ粒子表面から分離するものが好ましい。被覆剤が金属ナノ粒子から分離する温度（分離温度）は、好ましくは金属ナノ粒子の焼結温度以上の温度、より好ましくは金属ナノ粒子の焼結温度より１０℃以上高い温度、更に好ましくは金属ナノ粒子の焼結温度より２５℃以上高い温度である。一方、被覆剤の分離温度は、金属ナノ粒子の焼結温度より５０℃高い温度以下（（金属ナノ粒子の焼結温度＋５０℃）以下）であることが好ましい。ここで、被覆剤が金属ナノ粒子から分離する温度（分離温度）とは、金属ナノ粒子同士がネッキングし始める温度とすることができる。ここで、金属ナノ粒子のネッキングとは、被覆剤が金属ナノ粒子表面から分離することにより、金属ナノ粒子同士が結合することをいう。ネッキングが起こると、金属ナノ粒子表面からの被覆剤の消失に伴う重量変化が起こることから、この重量変化をＴＧ−ＤＴＡ測定（熱重量測定・示差熱分析）により求め、ＴＧ−ＤＴＡ測定により得られたＴＧ曲線の重量変化が起き始める温度を、分離温度とすることができる。なお、ＴＧ−ＤＴＡ測定の測定条件としては、例えば、試料１０ｍｇを５０℃から毎分５℃の昇温速度にて加熱して測定する条件が好適である。金属ナノ粒子の焼結温度については、後述する。

被覆剤は、沸点が１００℃以上で、３００℃以下のものが好ましい。被覆剤の沸点は、１２０℃以上であることがより好ましく、また、２００℃以下であることがより好ましい。被覆剤としては、例えば、アミン、脂肪族カルボン酸及びアルコールからなる群から選ばれる１つ以上の化合物を含むことが好ましい。具体的には、ヘキシルアミン、シクロヘキシルアミン、オクチルアミン等の炭素数が６〜１２のアミン、ヘキサン酸、オクタン酸、デカン酸、ドデカン酸、ヘキサデカン酸等の炭素数が６〜１６の脂肪族カルボン酸（飽和脂肪酸）、１−ヘキサノール、１−オクタノール、１−デカノール、１−ドデカノール等の炭素数が６〜１２のアルコールが挙げられる。また、被覆剤は、好ましくは重量平均分子量が２００〜５００のポリエチレングリコール（好ましくは多分散度が１．００〜１．５０のもの）等の高分子化合物等であってもよい。被覆剤は、時間差で金属ナノ粒子表面から分離して、金属ナノ粒子同士が爆発的に焼結することなく、ハンダ粉末と反応して合金化する際の反応率を上げるようにするためには、２種類以上用いることが有効である。

被覆剤が分離した後の金属ナノ粒子は、金属系接着層による窓材と収容部材との接着において、金属ナノ粒子同士で又はハンダ粉末と反応する必要がある。この場合、低温（例えば、１５０〜３３０℃）での接着を達成する観点から、金属ナノ粒子の焼結温度は、好ましくは１１０℃以上で、好ましくは１８０℃以下、より好ましくは１６０℃以下である。ここで、金属ナノ粒子の焼結温度とは、金属ナノ粒子が１次粒子としての形態を保持できなくなる温度とすることができる。

接着組成物中、被覆剤により被覆された金属ナノ粒子の含有率は、好ましくは２０質量％以上、より好ましくは２５質量％以上で、好ましくは７０質量％以下、より好ましくは５０質量％以下である。この場合、被覆剤と金属ナノ粒子との合計に対する金属ナノ粒子の割合は、好ましくは８０質量％以上、より好ましくは８５質量％以上で、１００質量％未満、好ましくは９８質量％以下、より好ましくは９５質量％以下である。

［ハンダ粉末］
金属材料として金属ナノ粒子のみを用いた金属系接着層の場合、接着時に、加圧により金属ナノ粒子間の距離を縮めても、得られた接着層は、空隙を有する構造体となり、十分な気密性を与える接着層とはならない。本発明においては、得られた接着層を十分な気密性を与えることができるものにするため、換言すれば、上述した空隙を埋めるために、接着時に流動性を有し、かつ好ましくは金属ナノ粒子との合金を形成することができる材料として、ハンダ粉末を接着組成物中に含有させる。

ハンダ粉末の融点は、金属系接着層による窓材と収容部材との接着において、低温（例えば、１５０〜３３０℃）での接着を達成する観点から、金属ナノ粒子の焼結温度より低い温度であることが好ましい。このような融点としては、具体的には、好ましくは１８０℃以下、より好ましくは１７０℃以下、更に好ましくは１６０℃以下である。なお、ハンダ粉末の融点の下限は、通常１００℃以上である。当該温度域を達成するためには、Ｓｎをハンダの成分に含むことが好ましい。更に、窓材として合成石英ガラスを用いる場合、これとの確実な密着性を得るため、合成石英ガラスに対して濡れ性の良いＢｉを含むことがより好ましい。このようなハンダ粉末としては、Ｓｎ−Ｂｉハンダ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉハンダ及びＳｎ−Ｚｎハンダからなる群から選ばれる１つ以上を含むものが好ましい。

ハンダ粉末の１次粒子の平均粒子径（平均１次粒子径）Ｄ₅₀（体積平均メジアン径）は、接着前には金属ナノ粒子同士の焼結を防ぐ観点から、また、接着時には効率よく金属ナノ粒子と反応させる観点から、好ましくは１〜１００μｍ、より好ましくは１〜５０μｍである。また、接着組成物中、ハンダ粉末の含有率は、好ましくは３０質量％以上、より好ましくは４５質量％以上で、好ましくは８０質量％以下、より好ましくは７０質量％以下である。

［分散媒］
金属系接着層を構成する接着組成物は、被覆剤が分離して表面が露出した金属ナノ粒子とハンダ粉末とが反応して合金化することによって、窓材と収容部材との接着がなされるが、この反応は、金属ナノ粒子とハンダ粉末とが流動する状態において進行すること、即ち、液体として分散媒の存在下で進行することが有効であり、この観点から、液状の分散媒を接着組成物中に含有させる。

分散媒の揮発開始温度は、金属ナノ粒子とハンダ粉末の反応を液相で完結させる観点から、金属ナノ粒子の焼結温度より高いことが好ましい。また、同様の観点から、分散媒の揮発開始温度は、ハンダ粉末の融点より高いことが好ましく、ハンダ粉末の融点より１０℃以上高いことがより好ましく、また、ハンダ粉末の融点より５０℃高い温度以下（（ハンダ粉末の融点＋５０℃）以下）であることが好ましく、ハンダ粉末の融点より３０℃高い温度以下（（ハンダ粉末の融点＋３０℃）以下）であることがより好ましい。ここで、分散媒の揮発開始温度とは、分散媒が２５℃、１気圧下で熱を受けた場合に気化が始まる温度とすることができる。

分散媒としては、例えば、テルペン類、モノテルペンアルコール類、アルキルアルコール、ナフテン系炭化水素からなる群から選ばれる１つ以上の化合物を含むことが好ましい。テルペン類として具体的には、プレノール、リモネン、３−メチルブタン酸が挙げられ、テルソルブＴＨＡ−９０、テルソルブＴＨＡ−７０（いずれも日本テルペン化学（株）製）が好ましい。また、モノテルペンアルコール類として具体的には、テルピネオール、ジヒドロターピネオールが挙げられる。アルキルアルコールとして具体的には、１−ヘキサノール、１−オクタノール、１−デカノール、ラウリルアルコール等の炭素数が６以上、好ましくは炭素数が８以上で、炭素数が１２以下のアルキルアルコールが好ましく、長鎖（直鎖）のアルキルアルコールがより好ましい。ナフテン系炭化水素として具体的には、シクロペンタン、シクロヘキサンが挙げられる。

なお、接着組成物中の分散媒の含有率は、好ましくは３質量％以上、より好ましくは５質量％以上で、好ましくは１５質量％以下、より好ましくは１２質量％以下である。また、接着組成物中、被覆剤により被覆された金属ナノ粒子、ハンダ粉末及び分散媒は、それらの合計として９９質量％以上含有されていることが好ましく、接着組成物が、実質的に、被覆剤により被覆された金属ナノ粒子、ハンダ粉末及び分散媒のみからなることがより好ましい。

分散媒は、窓材と収容部材と金属系接着層により接着する工程において揮発するが、窓材と収容部材とを接着した状態において、強固な接着力を発揮させるためには、接着組成物に含まれる各成分の特性や、接着条件に応じて、それらの量を調整し、金属系接着層により窓材と収容部材とが接着された状態において、ほぼ全ての分散媒が揮発しているようにすることが有効である。

金属系接着層は、収容部材に収容される光学素子の耐熱性を考慮すると、５０〜５００ｇｆ／パッケージ（０．４９〜４．９Ｎ／パッケージ）の荷重をかけながら、低温（例えば、１５０〜３３０℃）で接着できるものであることが好ましい。また、金属系接着層は、接着組成物が流れ出さない程度に、半硬化状態（Ｂ−Ｓｔａｇｅ）としたものであってもよい。

金属系接着層の厚さは、収容部材の窓材との接合部分に、うねり等の形状があったとしても、それを吸収し得る厚さとする観点から、好ましくは２０μｍ以上、より好ましくは３０μｍ以上で、好ましくは７０μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下である。厚さは、レーザー表面変位計（例えば、ＫＳ−１１００（（株）キーエンス製））等により測定することができる。

本発明の光学素子パッケージ用リッドは、窓材の収容部材と接する部分に、接着組成物を塗布して金属系接着層を形成する工程を含む方法により製造することができる。また、金属系接着層を半硬化状態（Ｂ−Ｓｔａｇｅ）とする場合は、接着組成物を塗布して形成した金属系接着層を、好ましくは１００〜１８０℃で、好ましくは５分〜６０分加熱して、半硬化状態（Ｂ−Ｓｔａｇｅ）とすることができる。

このような光学素子パッケージ用リッドを用いれば、光学素子と、光学素子を内部に収容した収容部材とを備え、光学素子パッケージ用リッドの金属系接着層により窓材と収容部材とが接着されて、光学素子が収容部材の内部に気密封止された光学素子パッケージを構成することができる。具体的には、例えば、図２に示されるように、窓材１と、光学素子４が収容された収容部材３との間で、光学素子パッケージを構成し、金属系接着層２を介したメタルシールによる気密封止を実現した光学素子パッケージとすることができる。なお、図２中、５は反射板である。

収容部材は、光学素子パッケージにおいて、光学素子を収容する部材として公知のものを用いることができ、金属、セラミックス等の無機材料、又はゴム、エラストマー、樹脂等の有機材料で形成された、光学素子の収容部としての凹陥部を有するものが用いられ、そのサイズは、光学素子の用途、収容される光学素子、窓材のサイズ等により適宜選択される。また、特にＵＶ−ＬＥＤにおいて顕著であるが、現在知られているものは、光学素子が発する光の大部分が光ではなく熱となって放出されるため、収容部材は放熱性の良いアルミナ系セラミックス、窒化アルミニウム系セラミックス等で形成されたもの、それらに金や銅等の金属メッキ等を付加加工したもの等が好適である。

収容部材内部に配置される光学素子は、発光素子であっても、受光素子であってもよい。本発明の光学素子パッケージは、特に、波長３００ｎｍ以下の光を発光又は受光可能な光学素子において好適であり、発光素子として具体的には、ＵＶ−ＬＥＤ（例えば、ピーク波長が２５０〜２９０ｎｍであり、かつ波長３００ｎｍ以下の光を含むもの）、ＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）、ＹＡＧ ＦＨＧ（第４高周波）レーザー（波長２６６ｎｍ）等が挙げられる。受光素子としては、紫外線を検知できるフォトダイオード等が例示される。

収容部材と窓材とで囲まれた範囲には、光学素子の他に、光学素子と光学素子パッケージの外部との電気的な導通のためのリードや光の取出し効率を上げるためのリフレクタ等の他の部材を設けることができ、これら光学素子及び他の部材以外の部分は、真空状態、空気や不活性ガスの窒素等の気体が充填された状態、透明なゴム、エラストマー、樹脂等の固体の封止材で封止された状態のいずれでもよいが、光学素子が発する熱の放熱性等の観点からは、固体の封止材で封止されていない状態、例えば、真空状態、又は空気や不活性ガスの窒素等の気体が充填された状態であることが好適である。

本発明の光学素子パッケージは、収容部材の内部に光学素子を実装する工程、及び光学素子パッケージ用リッドの窓材と、光学素子を内部に収容した収容部材とを、光学素子パッケージ用リッドの金属系接着層により接着して一体化する工程を含む方法により製造することができる。

金属系接着層を形成した光学素子パッケージ用リッドは、光学素子が収容された収容部材と金属系接着層とを接触させ、接着位置を決めた後、光学素子パッケージ用リッドと収容部材とを、加熱処理することにより、両者を接着することができる。この加熱処理の温度（硬化温度）は、光学素子パッケージ内に封止される光学素子の耐熱性の観点から、好ましくは１５０以上、より好ましくは１７０℃以上で、好ましくは３３０℃以下、より好ましくは３００℃以下、更に好ましくは２８０℃以下であり、加熱処理の時間は、好ましくは１０秒〜６０分間である。この際、加圧も同時に行うことが好ましく、この処理における雰囲気は、大気雰囲気、不活性ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気等が適用される。また、金属系接着層を形成する接着組成物が半硬化状態（Ｂ−Ｓｔａｇｅ）の光学素子パッケージ用リッドの場合、金属系接着層が加熱によって押しつぶされ、接着組成物に含まれている金属ナノ粒子が密に結合することにより、気密性の高いシールを構築することが可能となる。

また、窓材と、光学素子を内部に収容した収容部材とを、光学素子パッケージ用リッドの金属系接着層により接着して一体化した後に、熱エージング工程を設けることができる。熱エージング工程により、金属系接着層中の金属ナノ粒子間、及び金属ナノ粒子とメッキ粉末との間の結合がより強固となり、接着強度が増すため好ましい。熱エージングの温度は、硬化温度（上記加熱処理の温度）より２０℃以上高い温度が好ましく、硬化温度より１００℃高い温度以下（（硬化温度＋１００℃）以下）であることがより好ましい。なお、熱エージングの温度の上限は特に制限はないが、光学素子パッケージ内に封止された光学素子の熱耐性の観点から、３５０℃以下が好ましい。熱エージングの時間は、光学素子への熱の蓄積や、生産性の観点から、好ましくは１０〜１８０分間である。

以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。

［実施例１］
対向する基板面（主表面）の両面が鏡面化されている合成石英ガラスウェーハ基板（４インチφ、厚さ０．５ｍｍ）に、被覆剤である１−ヘキサノールと１−オクタノールの混合液（１−ヘキサノール：１−オクタノール＝１：１（質量比））で表面を被覆した平均一次粒子径Ｄ₅₀が５３ｎｍの銀ナノ粒子（被覆剤と銀ナノ粒子との合計に対する銀ナノ粒子の割合は９０質量％）２５質量％、平均一次粒子径Ｄ₅₀が３．１μｍのＳｎ−Ｂｉハンダ粉末（三井金属鉱業（株）製）６７質量％、分散媒としてラウリルアルコール８質量％で構成された接着組成物をスクリーン印刷により、基板面の一方の面上に、３．４ｍｍ角の窓枠状に線幅２５０μｍ、厚さ３５μｍで塗布し、金属系接着層を形成した。

次に、１４０℃で２０分間、接着層が形成された合成石英ガラスウェーハ基板を加熱することにより、金属系接着層を半硬化状態とした。その後、合成石英ガラスウェーハ基板を、３．４ｍｍ角の窓枠状の接着層の外周に沿ってダイシングカットすることにより、合成石英ガラスの窓材と、金属系接着層とを備える光学素子パッケージ用リッド（合成石英ガラスリッド）を得た。

次に、収容部としての凹陥部を有する金メッキされた窒化アルミニウムからなるＳＭＤパッケージを収容部材として用い、その凹陥部に、光学素子として２６５ｎｍの光を発するＵＶ−ＬＥＤを収容し、ＵＶ−ＬＥＤが収容された凹陥部を覆うように、収容部材上に上記で得られた合成石英ガラスリッドを載置し、２３０℃、２００ｇｆ／パッケージ（１．９６Ｎ／パッケージ）の条件で、３分間加熱・加圧し、窓材と収容部材とを接着して、光学素子パッケージを得た。得られた光学素子パッケージについて、以下の試験により気密性を評価した。

＜レッドチェック＞
光学素子パッケージを、ミクロチェック浸透液ＪＩＰ１４３（（株）イチネンケミカルズ製）に２４時間浸漬し、その後、アセトンで洗浄し、顕微鏡で観察した。このレッドチェックは、後述する紫外線に対する耐性評価の前と後に実施した。

＜ファインリークテスト＞
米国軍用規格ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３ Ｍｅｔｈｏｄ １０１４に従い、ヘリウムを用いたファインリークテストを実施した。まず、光学素子パッケージを真空下に１時間静置し、次いで、０．３ＭＰａのヘリウムガス雰囲気下に６時間静置した後、ヘリウムリーク試験機にて、ヘリウムのリーク率を測定した。

＜紫外線に対する耐性評価＞
光学素子がＵＶ−ＬＥＤである場合は、光学素子パッケージ中のＵＶ−ＬＥＤを５，０００時間点灯させた後、接着状態を観察し、レッドチェックを実施した。一方、光学素子がフォトダイオードである場合は、光学素子パッケージの窓材の上方から、２６５ｎｍの光を発するＵＶ−ＬＥＤから紫外線を５，０００時間照射した後、接着状態を観察し、レッドチェックを実施した。

紫外線に対する耐性評価の前と後のいずれのレッドチェックにおいても、光学素子パッケージ内への浸透液の浸潤は見られず、十分な気密性を保持していることが確認された。また、ファインリークテストにおけるヘリウムのリーク率は５．４×１０^-9Ｐａ・ｍ³／ｓであり、十分な気密性があることが示された。更に、紫外線に対する耐性評価では、窓材と収容部材との分離はなく、顕微鏡による接着部の観察でも、金属系接着層が硬化した部分にクラック等の亀裂はなかった。

［実施例２］
対向する基板面（主表面）の両面が鏡面化されている合成石英ガラスウェーハ基板（６インチφ、厚さ０．３ｍｍ）に、被覆剤である１−ヘキサノールとヘキシルアミンの混合液（１−ヘキサノール：ヘキシルアミン＝１：１（質量比））で表面を被覆した平均一次粒子径Ｄ₅₀が７８ｎｍの銀ナノ粒子（被覆剤と銀ナノ粒子との合計に対する銀ナノ粒子の割合は８３質量％）６０質量％、平均一次粒子径Ｄ₅₀が３．９μｍのＳｎ−Ｚｎハンダ粉末（佐々木半田工業（株）製）３３質量％、分散媒としてテルソルブＴＨＡ−９０（日本テルペン化学（株）製）７質量％で構成された接着組成物をスクリーン印刷により、基板面の一方の面上に、３．４ｍｍ角の窓枠状に線幅３５０μｍ、厚さ４０μｍで塗布し、金属系接着層を形成した。

次に、１７０℃で４５分間、接着層が形成された合成石英ガラスウェーハ基板を加熱することにより、金属系接着層を半硬化状態とした。その後、合成石英ガラスウェーハ基板を、３．４ｍｍ角の窓枠状の接着層の外周に沿ってダイシングカットすることにより、合成石英ガラスの窓材と、金属系接着層とを備える光学素子パッケージ用リッド（合成石英ガラスリッド）を得た。

次に、収容部としての凹陥部を有する金メッキされたアルミナからなるＳＭＤパッケージを収容部材として用い、その凹陥部に、光学素子として２８０ｎｍの光を発するＵＶ−ＬＥＤを収容し、ＵＶ−ＬＥＤが収容された凹陥部を覆うように、収容部材上に上記で得られた合成石英ガラスリッドを載置し、２７０℃、５０ｇｆ／パッケージ（０．４９Ｎ／パッケージ）の条件で、２分間加熱・加圧し、窓材と収容部材とを接着して、光学素子パッケージを得た。得られた光学素子パッケージについて、実施例１と同様にして気密性を評価した。

紫外線に対する耐性評価の前と後のいずれのレッドチェックにおいても、光学素子パッケージ内への浸透液の浸潤は見られず、十分な気密性を保持していることが確認された。また、ファインリークテストにおけるヘリウムのリーク率は５．２×１０^-9Ｐａ・ｍ³／ｓであり、十分な気密性があることが示された。更に、紫外線に対する耐性評価では、窓材と収容部材との分離はなく、顕微鏡による接着部の観察でも、金属系接着層が硬化した部分にクラック等の亀裂はなかった。

［実施例３］
対向する基板面（主表面）の両面が鏡面化されているサファイア基板（３インチφ、厚さ０．５ｍｍ）に、被覆剤であるヘキサン酸とデカン酸の混合液（ヘキサン酸：デカン酸＝１：１（質量比））で表面を被覆した平均一次粒子径Ｄ₅₀が３２ｎｍの銀ナノ粒子（被覆剤と銀ナノ粒子との合計に対する銀ナノ粒子の割合は９３質量％）２３質量％、平均一次粒子径Ｄ₅₀が２．９μｍのＳｎ−Ｂｉハンダ粉末（三井金属鉱業（株）製）６７質量％、分散媒としてテルソルブＴＨＡ−７０（日本テルペン化学（株）製）１０質量％で構成された接着組成物をスクリーン印刷により、基板面の一方の面上に、５．９ｍｍ角の窓枠状に線幅２００μｍ、厚さ３０μｍで塗布し、金属系接着層を形成した。

次に、１２０℃で３０分間、接着層が形成されたサファイア基板を加熱することにより、金属系接着層を半硬化状態とした。その後、サファイア基板を、５．９ｍｍ角の窓枠状の接着層の外周に沿ってダイシングカットすることにより、サファイアの窓材と、金属系接着層とを備える光学素子パッケージ用リッド（サファイアリッド）を得た。

次に、収容部としての凹陥部を有する金メッキされた窒化アルミニウムからなるＳＭＤパッケージを収容部材として用い、その凹陥部に、光学素子として２００〜３００ｎｍの光を受光するフォトダイオードを収容し、フォトダイオードが収容された凹陥部を覆うように、収容部材上に上記で得られたサファイアリッドを載置し、３００℃、３００ｇｆ／パッケージ（２．９４Ｎ／パッケージ）の条件で、３０秒間加熱・加圧し、窓材と収容部材とを接着して、光学素子パッケージを得た。得られた光学素子パッケージについて、実施例１と同様にして気密性を評価した。

紫外線に対する耐性評価の前と後のいずれのレッドチェックにおいても、光学素子パッケージ内への浸透液の浸潤は見られず、十分な気密性を保持していることが確認された。また、ファインリークテストにおけるヘリウムのリーク率は４．７×１０^-9Ｐａ・ｍ³／ｓであり、十分な気密性があることが示された。更に、紫外線に対する耐性評価では、窓材と収容部材との分離はなく、顕微鏡による接着部の観察でも、金属系接着層が硬化した部分にクラック等の亀裂はなかった。

［実施例４］
対向する基板面（主表面）の両面が鏡面化されている合成石英ガラスウェーハ基板（４インチφ、厚さ０．２５ｍｍ）に、被覆剤である多分散度が１．０５のポリエチレングリコール＃４００（ナカライテスク（株）製、平均分子量３８０〜４２０）で表面を被覆した平均一次粒子径Ｄ₅₀が４５ｎｍの銀ナノ粒子Ａ（被覆剤と銀ナノ粒子との合計に対する銀ナノ粒子の割合は８７質量％）２２．５質量％、同被覆剤で表面を被覆した平均一次粒子径Ｄ₅₀が５３ｎｍの銀ナノ粒子Ｂ（被覆剤と銀ナノ粒子との合計に対する銀ナノ粒子の割合は９１質量％）７．５質量％（銀ナノ粒子Ａ：銀ナノ粒子Ｂ＝３：１（質量比）で、合計で３０質量％）、平均一次粒子径Ｄ₅₀が２．２μｍのＳｎ−Ｂｉハンダ粉末（三井金属鉱業（株）製）６２質量％、分散媒としてテルソルブＴＨＡ−９０（日本テルペン化学（株）製）８質量％で構成された接着組成物をスクリーン印刷により、基板面の一方の面上に、３．４ｍｍ角の窓枠状に線幅２８０μｍ、厚さ４０μｍで塗布し、金属系接着層を形成した。

次に、１５０℃で２０分間、接着層が形成された合成石英ガラスウェーハ基板を加熱することにより、金属系接着層を半硬化状態とした。その後、合成石英ガラスウェーハ基板を、３．４ｍｍ角の窓枠状の接着層の外周に沿ってダイシングカットすることにより、合成石英ガラスの窓材と、金属系接着層とを備える光学素子パッケージ用リッド（合成石英ガラスリッド）を得た。

次に、収容部としての凹陥部を有する金メッキされた窒化アルミニウムからなるＳＭＤパッケージを収容部材として用い、その凹陥部に、光学素子として２８５ｎｍの光を発するＵＶ−ＬＥＤを収容し、ＵＶ−ＬＥＤが収容された凹陥部を覆うように、収容部材上に上記で得られた合成石英ガラスリッドを載置し、１８０℃、２００ｇｆ／パッケージ（１．９６Ｎ／パッケージ）の条件で、２分間加熱・加圧して、窓材と収容部材とを接着し、次いで、無荷重で２５０℃、１０分間の熱エージングを実施して、光学素子パッケージを得た。得られた光学素子パッケージについて、実施例１と同様にして気密性を評価した。

紫外線に対する耐性評価の前と後のいずれのレッドチェックにおいても、光学素子パッケージ内への浸透液の浸潤は見られず、十分な気密性を保持していることが確認された。また、ファインリークテストにおけるヘリウムのリーク率は５．０×１０^-9Ｐａ・ｍ³／ｓであり、十分な気密性があることが示された。更に、紫外線に対する耐性評価では、窓材と収容部材との分離はなく、顕微鏡による接着部の観察でも、金属系接着層が硬化した部分にクラック等の亀裂はなかった。

［比較例１］
対向する基板面（主表面）の両面が鏡面化されている合成石英ガラスウェーハ基板（４インチφ、厚さ０．５ｍｍ）に、熱硬化型のエポキシ系接着剤エレファンＣＳ（（株）巴川製紙所製）をスクリーン印刷により、基板面の一方の面上に、３．４ｍｍ角の窓枠状に線幅２５０μｍ、接着層の厚さ３５μｍで塗布し、エポキシ系接着剤からなる接着層を形成した。

次に、１００℃で２０分間、接着層が形成された合成石英ガラスウェーハ基板を加熱することにより、エポキシ系接着剤からなる接着層を半硬化状態とした。その後、合成石英ガラスウェーハ基板を、３．４ｍｍ角の窓枠状の接着層の外周に沿ってダイシングカットすることにより、合成石英ガラスの窓材と、エポキシ系接着剤からなる接着層とを備える光学素子パッケージ用リッド（合成石英ガラスリッド）を得た。

次に、収容部としての凹陥部を有する金メッキされた窒化アルミニウムからなるＳＭＤパッケージを収容部材として用い、その凹陥部に、光学素子として２６５ｎｍの光を発するＵＶ−ＬＥＤを収容し、ＵＶ−ＬＥＤが収容された凹陥部を覆うように、収容部材上に上記で得られた合成石英ガラスリッドを載置し、１８０℃、４００ｇｆ／パッケージ（３．９２Ｎ／パッケージ）の条件で、１５分間加熱・加圧し、窓材と収容部材とを接着して、光学素子パッケージを得た。得られた光学素子パッケージについて、実施例１と同様にして気密性を評価した。

紫外線に対する耐性評価の前のレッドチェックにおいては、光学素子パッケージ内への浸透液の浸潤は見られず、十分な気密性を保持していることが確認された。また、ファインリークテストにおけるヘリウムのリーク率は５．０×１０^-9Ｐａ・ｍ³／ｓであり、十分な気密性があることが示された。しかし、紫外線に対する耐性評価の後は、レッドチェックにおいては、光学素子パッケージ内への浸透液の浸潤が見られ、また、顕微鏡による接着部の観察でも、エポキシ系接着剤からなる接着層が硬化した部分に、紫外線によるダメージにより生じたクラックが見られ、窓材と収容部材とが、部分的に分離していた。

１ 窓材
２ 金属系接着層
３ 収容部材
４ 光学素子
５ 反射板

Claims (17)

1. 光学素子が内部に収容された収容部材の前記光学素子の発光方向前方に設けられ、前記光学素子から発光又は前記光学素子が受光する光を透過する窓材と、該窓材が前記収容部材と接する部分に形成された金属系接着層とを備える光学素子パッケージ用リッドであって、前記金属系接着層が、被覆剤により被覆された金属ナノ粒子、ハンダ粉末及び分散媒を含む接着組成物で形成されており、前記分散媒の揮発開始温度が、前記金属ナノ粒子の焼結温度より高く、かつハンダ粉末の融点より高い温度であることを特徴とする光学素子パッケージ用リッド。
2. 前記金属ナノ粒子を構成する金属が、金、銀及び銅からなる群より選ばれる１つ以上の金属、該金属を含有する合金、又は前記金属と他の金属との混合物であることを特徴とする請求項１記載の光学素子パッケージ用リッド。
3. 前記金属ナノ粒子の動的光散乱法による平均１次粒子径が、２０〜９０ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子パッケージ用リッド。
4. 前記被覆剤の前記金属ナノ粒子からの分離温度が、前記金属ナノ粒子の焼結温度以上の温度であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の光学素子パッケージ用リッド。
5. 前記被覆剤が、アミン、脂肪族カルボン酸及びアルコールからなる群から選ばれる１つ以上の化合物を含むことを特徴とする請求項４記載の光学素子パッケージ用リッド。
6. 前記被覆剤が、ポリエチレングリコールを含むことを特徴とする請求項４記載の光学素子パッケージ用リッド。
7. 前記金属ナノ粒子の焼結温度が、１１０〜１８０℃であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の光学素子パッケージ用リッド。
8. 前記ハンダ粉末の融点が、前記金属ナノ粒子の焼結温度より低い温度であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の光学素子パッケージ用リッド。
9. 前記ハンダ粉末が、Ｓｎ−Ｂｉハンダ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉハンダ及びＳｎ−Ｚｎハンダからなる群から選ばれる１つ以上を含むことを特徴とする請求項８記載の光学素子パッケージ用リッド。
10. 前記接着組成物中の前記分散媒の含有率が３質量％以上１５質量％以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の光学素子パッケージ用リッド。
11. 前記分散媒が、テルペン類、モノテルペンアルコール類、アルキルアルコール、ナフテン系炭化水素からなる群から選ばれる１つ以上の化合物を含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載の光学素子パッケージ用リッド。
12. 前記金属系接着層が、半硬化状態（Ｂ−Ｓｔａｇｅ）であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項記載の光学素子パッケージ用リッド。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項記載の光学素子パッケージ用リッドを製造する方法であって、
    前記窓材の前記収容部材と接する部分に、前記接着組成物を塗布して前記金属系接着層を形成する工程を含むことを特徴とする光学素子パッケージ用リッドの製造方法。
14. 光学素子と、該光学素子を内部に収容した収容部材とを備え、請求項１〜１２のいずれか１項記載の光学素子パッケージ用リッドの前記金属系接着層により前記窓材と前記収容部材とが接着されて、前記光学素子が前記収容部材の内部に気密封止されてなることを特徴とする光学素子パッケージ。
15. 前記光学素子が、発光素子又は受光素子であることを特徴とする請求項１４記載の光学素子パッケージ。
16. 前記光学素子が、波長３００ｎｍ以下の光を発光又は受光可能な光学素子であることを特徴とする請求項１５記載の光学素子パッケージ。
17. 請求項１４〜１６のいずれか１項記載の光学素子パッケージを製造する方法であって、
    収容部材の内部に光学素子を実装する工程、及び
    請求項１〜１２のいずれか１項記載の光学素子パッケージ用リッドの窓材と、光学素子を内部に収容した前記収容部材とを、光学素子パッケージ用リッドの前記金属系接着層により接着して一体化する工程
    を含むことを特徴とする光学素子パッケージの製造方法。

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