TWI734815B - 合成石英玻璃蓋及光學元件用封裝 - Google Patents
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Abstract
本發明之解決手段為一種合成石英玻璃蓋，其係在由合成石英玻璃所構成之窗材之主表面的外周緣部具有接著劑之合成石英玻璃蓋，前述接著劑為含有碲及銀，且進一步含有選自由鎢、釩、磷、鋇及鋯所組成之群組的1種以上之低熔點金屬玻璃。 本發明之效果如下：根據本發明，可解決常見於以往所使用之有機系接著劑之由短波長的光所造成之破裂或剝離，或是金錫系等之具有緊密的金屬結晶結構之金屬系接著劑的弱項之不同種類材料接合時的應力問題。此外，使用此合成石英玻璃蓋之光學元件用封裝，在必將到來之用以取代汞燈之光學元件的登場時，可有效地用作為封裝材料。
Description
[0001] 本發明係關於合成石英玻璃蓋，例如關於用以封合UV-LED、短波長的輸出強之雷射光源等，尤其是封合紫外線區域的光源時所使用之採用合成石英玻璃之合成石英玻璃蓋，以及採用合成石英玻璃蓋之光學元件用封裝。
[0002] 伴隨著汞燈的限制，可射出短波長，尤其是紫外線區域的光之UV-LED，係作為替代選項而受到矚目。LED，可取出任意的波長，並已開發出因應用途之波長的LED。例如，UV區域之265nm的波長，為人所知者是有效於殺菌之波長，射出265nm波長的光之UV-LED，係作為殺菌用途而被開發出。然而，即使可穩定地供給265nm的光學元件，亦難以在無封裝下使用光學元件，故而要求能夠盡可能地提高來自UV-LED之光的取光效率來進行封裝。 [0003] 包含LED，在將可射出紅外區域等之長波長的光之光學元件封裝時，必須採用用以接合窗材與配置有光學元件之容納體之接著劑。接著劑的種類，可列舉出環氧樹脂系或丙烯酸樹脂系接著劑等之有機系接著劑、玻璃粉等。 [0004] 例如，日本特表2015-505792號公報（專利文獻1）中，提出一種以太陽能電池的封合、有機LED封裝等為目的，將熔點約為300℃的強化玻璃用作為基材，並使用混合有玻璃粉與微波偶合劑之膏作為接著劑之無機基材的密封。若使用此方法，則可在不降低用作為窗材之強化玻璃的強度下，將微波照射在接著劑部分而接著基材彼此。 [0005] 此外，日本特開2008-219854號公報（專利文獻2）中，揭示有於接著微透鏡時，將紫外線硬化型丙烯酸系液狀樹脂或熱硬化性的樹脂用作為接著劑之內容。 [0006] 日本特開2015-149533號公報（專利文獻3）中，記載有使用具有更接近於基質基板及蓋的線熱膨脹係數之線熱膨脹係數之釩系的低熔點玻璃作為接著劑，以將電子裝置封裝之方法。若使用此手法，則可進行氣密性高之封裝。 [先前技術文獻] [專利文獻] [0007] [專利文獻1]日本特表2015-505792號公報 [專利文獻2]日本特開2008-219854號公報 [專利文獻3]日本特開2015-149533號公報
[發明所欲解決之課題] [0008] 然而，專利文獻1，從強化玻璃的強度之觀點來看，可使用之溫度受限於300℃為止前，對於波長短且容易放熱之光源，難以長時間使用。再者，玻璃粉並非僅由純粹的SiO2
玻璃成分所構成，短波長的光所具有之能量所造成的破壞，會使耐UV性降低，於短波長區域中難以使用。 [0009] 此外，專利文獻2，雖使用以紫外線所硬化之接著劑，但即使是紫外線硬化型接著劑，在持續照射紫外線時，構成接著劑之樹脂內部的交聯過度增加，使接著劑變脆。 [0010] 專利文獻3中，當接合具有緊密的結晶結構之原材料且熱膨脹係數不同之基材時，產生不少應力，長時間使用時，可推測其因金屬結晶結構內的缺陷或金屬晶界而使密封崩裂。 [0011] 本發明係鑑於上述情形而創作出，該目的在於提供一種相對於短波長，尤其是280nm以下之波長區域的光學元件，長期間穩定且可解決不同種類材料接合時的應力問題之合成石英玻璃蓋及光學元件用封裝。 [用以解決課題之手段] [0012] 本發明者們為了達成上述目的，係著眼於以碲及銀作為必要的金屬元素來用作為塗佈於合成石英玻璃上之接著劑，並使用由含有此2種金屬元素之3種以上的金屬元素所構成之構成雜亂的結晶結構之合金。並且發現到藉由使用此低熔點金屬玻璃，可由雜亂的結晶結構來吸收在接合具有不同的熱膨脹係數之基材時之應力，而供給可長期間穩定地密封光學元件之封裝。 [0013] 此時，藉由使用合成石英玻璃作為可使短波長（300nm以下），尤其是280nm以下的波長穩定地穿透之窗材，可取出紫外線。此外，藉由將相對於紫外線之耐性高的物質，且具有可吸收由具有不同的線熱膨脹係數之合成石英玻璃所產生的應力之結晶結構之低熔點金屬玻璃，用作為接著劑，尤其是使用該低熔點金屬玻璃作為接著劑之合成石英玻璃蓋，相對於短波長的光學元件，可成為長期間穩定的封裝。此外，於接著劑中，藉由使用具有可採用各種氧化數且原子的大小較大之特徵之碲、以及具有更大的延展性之銀，可長時間使用。 [0014] 因此，本發明係提供下述合成石英玻璃蓋及光學元件用封裝。 [1]一種合成石英玻璃蓋，其係在由合成石英玻璃所構成之窗材之主表面的外周緣部具有接著劑之合成石英玻璃蓋，其特徵為：前述接著劑為含有碲及銀，且進一步含有選自由鎢、釩、磷、鋇及鋯所組成之群組的1種以上之低熔點金屬玻璃。 [2]如[1]之合成石英玻璃蓋，其中前述低熔點金屬玻璃中之碲及銀的比率，為50~70質量%。 [3]如[1]或[2]之合成石英玻璃蓋，其中前述低熔點金屬玻璃的玻璃轉移溫度，為100~450℃。 [4]如[1]~[3]中任一項之合成石英玻璃蓋，其中前述窗材為板狀、具有凹凸形狀之球面狀或具有凹凸形狀之非球面狀中任一種。 [5]如[1]~[4]中任一項之合成石英玻璃蓋，其中前述窗材的厚度為0.1~5mm。 [6]一種光學元件用封裝，其特徵為：對於容納有光學元件之箱狀的容納體，藉由前述接著劑來接合用以覆蓋該容納體的上端開放部之如[1]~[5]中任一項之合成石英玻璃蓋的前述窗材而成。 [7]如[6]之光學元件用封裝，其中前述光學元件為可發光出300nm以下之波長的光之元件。 [發明之效果] [0015] 根據本發明，可解決常見於以往所使用之有機系接著劑之由短波長的光所造成之破裂或剝離，或是金錫系等之具有緊密的金屬結晶結構之金屬系接著劑的弱項之不同種類材料接合時的應力問題。此外，使用本合成石英玻璃蓋之光學元件用封裝，在必將到來之用以取代汞燈之光學元件的登場時，可有效地用作為封裝材料。
[0017] 以下詳細說明本發明。 本發明之光學元件用封裝，如第1圖所示，例如於形成為四角箱狀之容納體1的底部中央部設置階差2，並於該中央部配置有光學元件3。 [0018] 如LED中所看到般，當從光學元件所發出之熱充滿於封裝內而成為高溫狀態時，光學元件之發光效率的效益降低。因此，以高輸出為目標之光學元件用封裝中的容納體，較佳為散熱性佳之氧化鋁系陶瓷、氮化氧化鋁系陶瓷或於此等形成有金或銅等的金屬鍍覆者。 [0019] 本發明之光學元件用封裝，其在由合成石英玻璃所構成之窗材4之主表面的外周緣部具有接著劑5之合成石英玻璃蓋6，覆蓋前述容納體1的上端開放部而配設，且該窗材4藉由接著劑5接合於容納體1的上端面（框緣部）者。 [0020] 成為窗材之合成石英玻璃的形狀，可為板狀、具有凹凸形狀之球面狀、具有凹凸形狀之非球面狀中任一種。若以單純地封合配置有光學元件之容納體者為目的，從成本面及處理的簡便性之觀點來看，較佳為板狀。另一方面，當欲有效率地取出從光學元件所發光出之光時，較佳為根據光學計算所設計之具有凹凸形狀之單純的平凸透鏡形狀、平凹透鏡形狀、凸型凹凸透鏡形狀等之球面狀或非球面狀者。窗材的厚度，可因應與窗材的外側，亦即與光學元件用封裝的外側之壓力（氣壓或水壓）差來適當地選擇，從強度之觀點來看，較佳為0.1mm以上，尤佳為0.2mm以上，且較佳為5mm以下，尤佳為4mm以下。 [0021] 此外，使用低熔點金屬玻璃作為接著劑，如第2圖所示，較佳是以寬300~500μm、高（厚度）30~100μm塗佈於窗材4的框緣部。藉此，可吸收原材料不同之窗材（合成石英玻璃）與容納體之接合中所產生之應力，以及降低低波長的光所造成之構造的破壞，而涵蓋長期間成為穩定的光學元件用封裝。本發明中，用作為塗佈於窗材的合成石英玻璃之接著劑之低熔點金屬玻璃，至少含有碲及銀，且進一步含有選自由鎢、釩、磷、鋇及鋯所組成之群組的1種以上。 [0022] 合成石英玻璃，是由SiO2
所構成之非晶質。於製作採用合成石英玻璃之窗材時，當選擇結晶結構的規則整齊之單獨的金屬原子或由2種金屬原子所構成之合金作為接著劑時，在與合成石英玻璃的表面之界面上，密著性惡化。此係表示當使用在封裝時，耐水性或相對於外來衝擊之穩定性低之意，會導致封裝的崩裂。 [0023] 在此，本發明之低熔點金屬玻璃，即使以金屬為主成分，亦不具有結晶結構，且係3種以上的金屬原子雜亂地聚集而固化之金屬，所以可考量金屬玻璃所具有之奈米等級的雜亂原子配列，於合成石英玻璃的表面具有柔軟性而密著。因此，於合成石英玻璃與接著劑之間可形成堅固的鍵結，而增強耐水性或外來衝擊。 [0024] 關於接著劑，從密著性之觀點來看，較佳為合成石英玻璃的SiO2
與接著劑可虛擬地形成共鍵之金屬元素。此外，考量到由低熔點金屬玻璃的結晶結構之奈米等級的雜亂原子配列所形成之柔軟性，構成金屬玻璃之各個金屬原子的半徑，較佳係具有差距。當使用具有奈米等級之雜亂原子配列的結晶結構之低熔點金屬玻璃時，由於結晶結構內的原子可些許地移動，所以可藉由接著劑部分來吸收合成石英玻璃與容納體之接合中所產生之應力。可滿足此2項條件之金屬元素，亦考量到取得容易性，作為構成本發明所使用之金屬玻璃之必要元素，係以可穩定地採用+4價的氧化數且原子的大小較大之碲，作為必要元素之一。 [0025] 此外，在藉由接著劑來接合窗材的合成石英玻璃與容納體時，接著劑延伸時，可製作出接著層中的緊密構造。此時，當預先將銀混合於金屬玻璃中時，可藉由銀所具有之較大延展性，使作為接著劑的低熔點金屬玻璃，因應荷重或熱等之接合條件而形成為任意的接著寬度。藉由控制接著寬度，可自由地改變窗材的窗之有效部分的大小，而能夠控制所欲取出之光的輸出。 [0026] 總合性地考量往合成石英玻璃之密著或接著性、不同原材料之合成石英玻璃與容納體之接合中所產生之應力的吸收及緩和、以及接著劑的延伸，金屬玻璃中之碲及銀之合計量的比率，較佳為50~70質量%，更佳為55~70質量%，特佳為55~65質量%。此時，此2成分的合計量中之碲及銀的比率（碲：銀），考量到金屬玻璃的柔軟性，以質量比計較佳為1：1~3：1。 [0027] 此外，為了於金屬玻璃的結晶結構內具有柔軟性，較佳係將原子的大小大幅地不同之元素，與上述碲及銀一同混合於低熔點金屬玻璃。從熱特性、輻射性等觀點來看，較佳係選自由鎢、釩、磷、鋇及鋯所組成之群組中的任1種。此等金屬的含量，為碲及銀的含量之剩餘部分，此等當中，較佳為鋯，較佳含有10~30質量%的鋯。此外，鎢較佳為0~15質量%，尤佳為5~10質量%，釩較佳為0~30質量%，尤佳為5~20質量%，磷較佳為0~15質量%，尤佳為1~10質量%，鋇較佳為0~15質量%，尤佳為1~10質量%。 [0028] 用作為接著劑之金屬玻璃的玻璃轉移溫度，亦即可得到作為接著劑的效能之溫度，從低熔點金屬玻璃的流動性及光學元件的耐熱性之觀點來看，較佳為100~450℃，尤佳為150~400℃，更佳為200~400℃。 [0029] 可藉由網版印刷、分注、壓印等方法將接著劑的低熔點金屬玻璃塗佈於窗材的合成石英玻璃，當合成石英玻璃的形狀為板狀時，可藉由網版印刷而精度佳地大量生產，當形狀為具有凹凸形狀之球面狀或具有凹凸形狀之非球面狀時，可藉由壓印來塗佈接著劑。 [0030] 適用於本發明之光學元件為可發光出300nm以下之波長的光之元件。 可發光出300nm以下之波長的光之元件的例子，可列舉出UV-LED、ArF準分子雷射、KrF準分子雷射、YAG FHG雷射等。 [0031] 本發明之封裝之製造方法，一般是使用具有接著劑之合成石英玻璃蓋，將窗材的合成石英玻璃與配置有光學元件之容納體接合於合成石英玻璃之主表面的外周緣部之方法。封裝，亦可藉由使用本發明之接著劑的低熔點金屬玻璃，將接著劑塗佈於配置有光學元件之容納體側，以接合窗材的合成石英玻璃之方法來製造。 [實施例] [0032] 以下顯示實施例及比較例來更具體說明本發明，但本發明並不限定於下述實施例。 [0033] [實施例1] 將切片後之合成石英玻璃晶圓基板（6吋φ、厚度0.2mm），以進行行星運動之雙面繞回機進行繞回後，以進行行星運動之雙面研磨機進行粗研磨，而形成原料基板。將研磨加工後之晶圓基板切割為3.5mm見方。藉由網版印刷，將由含有碲45質量%、銀25質量%、鋯30質量%之合金所構成之低熔點金屬玻璃（玻璃轉移溫度300℃）塗佈於合成石英玻璃晶圓基板（窗材）上。塗佈，係以成為線寬400μm、膜厚50~70μm之方式來塗佈，使低熔點金屬玻璃成為半硬化的狀態而製作出合成石英玻璃蓋。相對於設置有可發光出波長265nm的光之LED發光元件之氧化鋁系陶瓷的容納體，一面於390℃施加重量2kg/cm2
的荷重，一面按壓上述合成石英玻璃蓋60分鐘，藉此進行容納體與窗材之接合，而製作光學元件用封裝。 [0034] 使用所製作之光學元件用封裝，發光出3,000小時以上之波長265nm的光，於氧化鋁系陶瓷或合成石英玻璃上，未觀察到由應力所造成之接著劑部分的剝離，此外，亦未觀察到由265nm的短波長所造成之低熔點金屬玻璃的破壞，係顯示出可充分地作為短波長用的光學元件用封裝之功能。 [0035] [實施例2] 將切片後之合成石英玻璃晶圓基板（6吋φ、厚度0.3mm），以進行行星運動之雙面繞回機進行繞回後，以進行行星運動之雙面研磨機進行粗研磨，而形成原料基板。將研磨加工後之晶圓基板切割為4.0mm見方。藉由網版印刷，將由含有碲36質量%、銀26質量%、磷3質量%、鋇10質量%、鎢10質量%、鋯15質量%之合金所構成之低熔點金屬玻璃（玻璃轉移溫度350℃）塗佈於合成石英玻璃晶圓基板（窗材）上。塗佈，係以成為線寬300μm、膜厚30~50μm之方式來塗佈，使低熔點金屬玻璃成為半硬化的狀態而製作出合成石英玻璃蓋。相對於設置有可發光出波長280nm的光之LED發光元件之氮化氧化鋁系陶瓷的容納體，一面於330℃施加重量1kg/cm2
的荷重，一面按壓上述合成石英玻璃蓋25分鐘，藉此進行容納體與窗材之接合，而製作光學元件用封裝。 [0036] 使用所製作之光學元件用封裝，發光出3,000小時以上之波長280nm的光，於氮化氧化鋁系陶瓷或合成石英玻璃上，未觀察到由應力所造成之接著劑部分的剝離，此外，亦未觀察到由280nm的短波長所造成之低熔點金屬玻璃的破壞，係顯示出可充分地作為短波長用的光學元件用封裝之功能。 [0037] [比較例1] 於與實施例1相同之切割為3.5mm見方的合成石英玻璃基板（窗材）上，藉由分注器，將丙烯酸樹脂系紫外線硬化型樹脂的接著劑UVX-8400（電氣化學工業股份有限公司製），與實施例1相同地進行塗佈，使接著劑成為半硬化的狀態而製作出合成石英玻璃蓋。相對於設置有可發光出波長265nm的光之LED發光元件之氧化鋁系陶瓷的容納體，一面於150℃施加重量1kg/cm2
的荷重，一面按壓上述合成石英玻璃蓋30分鐘，藉此進行容納體與窗材之接合，而製作光學元件用封裝。 [0038] 使用所製作之光學元件用封裝，發光出350小時之265nm波長的光，此時接著劑部分產生剝離，而使合成石英玻璃與氧化鋁系陶瓷的容納體分離。觀察剝離的接著劑部分時，可看到推測為因短波長使結構內的交聯增加之接著劑的破裂。 [0039] [比較例2] 於與實施例1相同之切割為3.5mm見方的合成石英玻璃基板（窗材）上，藉由網版印刷，將金錫合金膏Au-20Sn（Mitsubishi Material股份有限公司製），與實施例1相同地進行塗佈，而製作出附有接著劑的合成石英玻璃蓋。相對於設置有可發光出波長280nm的光之LED發光元件之氧化鋁系陶瓷的容納體，一面於280℃施加重量1kg/cm2
的荷重，一面按壓上述合成石英玻璃蓋20分鐘，藉此進行容納體與窗材之接合，而製作光學元件用封裝。 [0040] 使用所製作之光學元件用封裝，發光出500小時之280nm波長的光，此時接著劑部分產生剝離，而使合成石英玻璃與氧化鋁系陶瓷的容納體分離。
[0041]1‧‧‧容納體2‧‧‧階差3‧‧‧光學元件4‧‧‧窗材5‧‧‧接著劑6‧‧‧合成石英玻璃蓋
[0016] 第1圖為顯示本發明之光學元件用封裝的一例之剖面圖。 第2圖為顯示本發明之合成石英玻璃蓋的一例之俯視圖。
1‧‧‧容納體
2‧‧‧階差
3‧‧‧光學元件
4‧‧‧窗材
5‧‧‧接著劑
6‧‧‧合成石英玻璃蓋
Claims (7)
- 一種合成石英玻璃蓋，其係在由合成石英玻璃所構成之窗材之主表面的外周緣部具有接著劑之合成石英玻璃蓋，其特徵為：前述接著劑為由選自由鎢、磷、鋇及鋯所組成之群組的1種以上之金屬與碲及銀組成之合金的低熔點金屬玻璃。
- 如請求項1之合成石英玻璃蓋，其中前述低熔點金屬玻璃中之碲及銀的比率，為50~70質量%。
- 如請求項1或2之合成石英玻璃蓋，其中前述低熔點金屬玻璃的玻璃轉移溫度，為100~450℃。
- 如請求項1或2之合成石英玻璃蓋，其中前述窗材為板狀、具有凹凸形狀之球面狀或具有凹凸形狀之非球面狀中任一種。
- 如請求項1或2之合成石英玻璃蓋，其中前述窗材的厚度為0.1~5mm。
- 一種光學元件用封裝，其特徵為：對於容納有光學元件之箱狀的容納體，藉由前述接著 劑來接合用以覆蓋該容納體的上端開放部之如請求項1~5中任一項之合成石英玻璃蓋的前述窗材而成。
- 如請求項6之光學元件用封裝，其中前述光學元件為可發光出300nm以下之波長的光之元件。
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