WO2017047358A1 - 発光モジュールおよび発光モジュールの製造方法 - Google Patents

発光モジュールおよび発光モジュールの製造方法 Download PDF

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WO2017047358A1
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light emitting
lens
window member
emitting module
light
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小永吉英典
鳥井信宏
越智鉄美
木内裕紀
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日機装株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a light emitting module in which a light emitting element is sealed and a manufacturing method thereof.
  • a light emitting diode (LED, Light Emitting Diode) is mainly used as a light source in the wavelength range from visible light to infrared light for various purposes such as illumination, signals, and optical communication.
  • LED Light Emitting Diode
  • an LED element is sealed and packaged with a light-transmitting material in order to protect a light emitting element made of a compound semiconductor from an external environment.
  • Examples of the sealing method include a method in which a light emitting element attached to a lead electrode is covered with a resin material, and a method in which the light emitting element is accommodated in a package body provided with an opening, and the opening is covered with a window member such as a glass plate. It is done.
  • a metal frame is provided in the opening of the package body and the metal frame and the glass plate are joined with low-melting glass.
  • a ball lens for collimating the emitted light may be joined instead of the glass plate (see, for example, Patent Document 1).
  • the package body and the ball lens are joined via the metal frame, the number of parts increases and the number of joints increases as the metal frame is prepared. It is desirable that the package body and the ball lens can be joined with a simpler structure while maintaining high sealing performance.
  • the present invention has been made in view of these problems, and it is an object of the present invention to provide a highly reliable light emitting module in which a lens function is integrated.
  • a light emitting module includes a package substrate provided with a recess having an opening on the upper surface, a light emitting element accommodated in the recess, a window member provided on the upper surface so as to cover the opening, and the package substrate and the window member. And a sealing portion for joining the two.
  • the window member includes a lens portion facing the light emitting element, and a flange portion protruding from the lens portion and joined to the sealing portion.
  • the lens part and the flange part are made of the same glass material.
  • the sealing performance between the package substrate and the window member can be improved.
  • the window member having a lens function and the package substrate can be directly joined, the number of joints can be reduced as compared with the case where both are joined via other members. Thereby, even if it is a case where the window member which has a lens function is joined, the joining location used as the cause by which sealing performance is impaired can be reduced, and the reliability of a light emitting module can be improved.
  • the lens part and the flange part may be made of quartz glass.
  • the light emitting element may emit ultraviolet light included in a wavelength band of 200 nm or more and 360 nm or less.
  • the lens unit may convert the light from the light emitting element into parallel light and emit it to the outside.
  • the lens unit may be a sphere or a part of a sphere.
  • the lens part may be a Fresnel lens.
  • Another aspect of the present invention is a method for manufacturing a light emitting module.
  • a light emitting element is accommodated in a concave portion of a package substrate in which a window member including a lens portion and a flange portion protruding from the lens portion is injection-molded using fused quartz as a material, and a concave portion having a concave portion having an opening on the upper surface.
  • the window member having the lens portion and the flange portion can be integrally formed by injection molding, compared with the case where the window member is formed by cutting and polishing the quartz glass base material. The manufacturing cost of the light emitting module can be reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a light emitting module 10 according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a top view showing the structure of the window member 30 of FIG. 1, and
  • FIG. 3 is a bottom view.
  • the light emitting module 10 includes a package substrate 12, a light emitting element 20, a window member 30, and a sealing portion 48.
  • the traveling direction of the light output from the light emitting module 10 is defined as the z direction, and the directions orthogonal to the z direction are defined as the x direction and the y direction.
  • the z direction may be referred to as the vertical direction or the vertical direction, and the x direction and the y direction may be referred to as the horizontal direction or the horizontal direction.
  • the package substrate 12 is a flat plate member having an upper surface 14 and a lower surface 15, and a recess 16 having an opening is provided on the upper surface 14.
  • the package substrate 12 is a ceramic substrate containing alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), or the like, and is a so-called high temperature fired ceramic multilayer substrate (HTCC, High Temperature Co-fired Ceramic).
  • the upper surface 14 has a rectangular shape and is provided with a concave portion 16 that forms a rectangular opening at the center thereof. A region of the upper surface 14 where the recess 16 is not provided is subjected to a metallization process.
  • the upper surface 14 is formed, for example, by plating nickel (Ni), gold (Au), or the like on a base material containing tungsten (W), molybdenum (Mo), or the like.
  • the window member 30 is joined to the upper surface 14 via the sealing portion 48.
  • the lower surface 15 has a rectangular shape and is provided with an external electrode (not shown) connected to the anode or the cathode of the light emitting element 20.
  • the recess 16 is open to the upper surface 14 and houses the light emitting element 20 therein.
  • the light emitting element 20 is placed on the bottom surface 18 of the recess 16.
  • the light emitting element 20 is an LED composed of a compound semiconductor, is accommodated in the recess 16, and emits light to the outside of the light emitting module 10 through the window member 30.
  • an ultraviolet LED is used as the light emitting element 20, and the light emitting element 20 has a center wavelength or peak wavelength included in the ultraviolet region of about 200 nm to 360 nm.
  • the light emitting element 20 has a center wavelength or peak wavelength included in the ultraviolet region of about 200 nm to 360 nm.
  • one that emits ultraviolet light around 260 nm, which is a wavelength with high sterilization efficiency is used.
  • AlGaN aluminum gallium nitride
  • the light emitting element 20 has a light emitting surface 22 and a mounting surface 24 facing the light emitting surface 22.
  • the light emitting element 20 is disposed such that the attachment surface 24 is in contact with the bottom surface 18. Thereby, the heat generated by the light emitting element 20 is radiated to the outside through the package substrate 12.
  • the window member 30 includes a lens portion 32 and a flange portion 38 and is provided on the upper surface 14 so as to cover the opening of the recess 16.
  • the window member 30 is provided such that the lens portion 32 faces the light emitting element 20 and the joint surface 44 of the flange portion 38 faces the upper surface 14.
  • the window member 30 is made of a material that transmits ultraviolet light emitted from the light emitting element 20, and is made of, for example, quartz (SiO 2 ) glass.
  • the lens unit 32 is composed of a sphere and functions as a ball lens.
  • the lens unit 32 is opposed to the light emitting surface 22 of the light emitting element 20 and has a light incident surface 34 on which light from the light emitting element 20 enters, and light that is exposed to the outside of the light emitting module 10 and emits light from the light emitting element 20. And an exit surface 36.
  • Each of the light incident surface 34 and the light emitting surface 36 is a spherical surface.
  • the lens unit 32 is disposed so that the light emitting element 20 is positioned at the focal point of the lens unit 32, and the light incident surface 34 is disposed close to the light emitting element 20. Therefore, the lens unit 32 has a collimating function for converting the light from the light emitting element 20 into parallel light and emitting it.
  • the flange portion 38 is a plate-like member that protrudes laterally from the lens portion 32 and has a rectangular outer periphery corresponding to the package substrate 12.
  • the flange portion 38 includes a joint portion 42 that faces the upper surface 14 of the package substrate 12, and a connection portion 40 that connects between the lens portion 32 and the joint portion 42.
  • the flange portion 38 is formed integrally with the lens portion 32 and is made of the same glass material.
  • the joint portion 42 is a portion where the joint surface 44 subjected to the metallization process is formed.
  • the bonding surface 44 is formed by a method such as vacuum deposition or sputtering. For example, titanium (Ti), copper (Cu), nickel (Ni), and gold (Au) are sequentially stacked on the bonding portion 42 made of quartz glass. The multilayer film is formed. Note that chromium (Cr) may be used instead of titanium.
  • connection portion 40 is a portion that has not been subjected to metallization, and is a portion in which the thickness d1 in the z direction is smaller than the thickness d2 of the joint portion 42. It can be said that the connecting portion 40 is a portion where a step is provided so as to be separated from the upper surface 14 of the package substrate 12.
  • the range W of the light incident surface 34 that is a spherical surface can be widened. By widening the range W of the light incident surface 34, more light output from the light emitting element 20 is incident on the light incident surface 34, and the amount of light emitted from the light emitting surface 36 is collimated by the lens unit 32. You can do more.
  • the sealing portion 48 is a sealing material that is provided between the package substrate 12 and the window member 30 and fills the gap.
  • the sealing portion 48 is made of a metal material having a low melting point, and includes, for example, an alloy of gold tin (AuSn) or silver tin (AgSn).
  • AuSn gold tin
  • AgSn silver tin
  • the sealing portion 48 extends between the upper surface 14 and the bonding surface 44 in a molten state, and forms a eutectic bond with the upper surface 14 and the bonding surface 44. Thereby, the sealing part 48 seals between the package substrate 12 and the window member 30.
  • the recess 16 is filled with an inert gas such as nitrogen (N 2 ).
  • the light emitting module 10 seals the light emitting element 20 which is an ultraviolet light LED inside, and allows ultraviolet light to be output to the outside through the window member 30.
  • Light from the light emitting element 20 is collected by the lens unit 32, converted into parallel light or light in a state close to parallel light, and emitted. Since quartz glass is used as the window member 30, even when the light emitting element 20 that emits ultraviolet light having a wavelength of 360 nm or less is used, the ultraviolet light can be efficiently extracted to the outside.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a method for manufacturing the light emitting module 10.
  • the window member 30 is injection-molded using quartz glass as a material (S10), and the light emitting element 20 is accommodated in the recess 16 of the package substrate 12 (S12).
  • the lens member 32 of the window member 30 and the light emitting element 20 are opposed to each other, and the window member 30 is disposed on the concave portion 16 (S14), and the upper surface 14 of the package substrate 12 and the bonding surface 44 of the window member 30 are sealed. Bonding is performed using a material (S16).
  • a mold corresponding to the shape of the window member 30 including the lens portion 32 and the flange portion 38 is prepared, and the window member 30 is molded by pouring molten quartz made of quartz glass pellets or the like as a material. Is done. After the molded quartz is taken out of the mold, the residual heat of the quartz is removed and the surface is polished to be processed into a transparent quartz glass window member 30. The joint surface 44 of the window member 30 polished after injection molding is subjected to metallization.
  • the sealing step of S16 the package substrate 12 and the window member 30 are joined in a state where the recess 16 of the package substrate 12 is filled with an inert gas such as nitrogen (N 2 ).
  • the sealing performance between the package substrate 12 and the window member 30 is achieved. Can be increased. Further, since the window member 30 having a lens function and the package substrate 12 can be directly joined, the number of joints can be reduced as compared with the case where the two are joined via other members. Thereby, even if it is a case where the light emitting module 10 is provided with a lens function, the joint location which becomes the cause which impairs sealing performance can be reduced, and the reliability of the light emitting module 10 can be improved.
  • the window member 30 is made of quartz glass, even when the light emitting element 20 that emits ultraviolet light having a wavelength of 360 nm or less is used, the transmittance of ultraviolet light by the window member 30 is increased. Can be increased. Further, since the window member 30 has a lens function, the ultraviolet light from the light emitting element 20 can be efficiently extracted outside the light emitting module 10. Thereby, the output intensity of the ultraviolet light of the light emitting module 10 can be increased.
  • the metal frame is not provided at the joint between the package substrate 12 and the window member 30, the light of the light emitting element 20 and the lens unit 32 is compared with the case where the metal frame is inserted between the two.
  • the distance from the incident surface 34 can be shortened. Thereby, more of the ultraviolet light emitted from the light emitting element 20 can be coupled to the lens unit 32, and the extraction efficiency of the ultraviolet light can be increased.
  • the package substrate designed for bonding to the flat glass plate is used as it is. can do.
  • the window member 30 can be bonded to the package substrate 12 without changing the design of the package substrate 12 for bonding to the window member 30 having a lens function. Since it is not necessary to design and manufacture a new package substrate, the cost of the light emitting module 10 can be reduced.
  • the window member 30 having a lens function is manufactured by injection molding using quartz glass, the manufacturing cost can be reduced as compared with the case where the quartz glass base material is cut and polished. it can. Therefore, the light emitting module 10 having high sealing performance and reliability and high output intensity can be realized at low cost.
  • a sealing portion 48 made of a metal material is used for joining the package substrate 12 and the window member 30 instead of the low melting point glass. Quartz used as the window member 30 is generally not preferable in terms of wettability with respect to the low-melting glass. Therefore, if low-melting glass is used as the sealing portion, the sealing reliability may be lowered. On the other hand, in the present embodiment, since the window member 30 subjected to the metallization process is sealed with a metal material having high wettability, the reliability of sealing can be improved.
  • the sealing portion 48 a metal that is softer than the package substrate 12 and the window member 30 is used as the sealing portion 48.
  • the sealing portion 48 functions as a buffer layer that relaxes the stress.
  • the effect of stress relaxation can be improved and the reliability of sealing can be improved.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a light emitting module 110 according to a modification.
  • the light emitting module 110 is different from the above-described embodiment in that the lens part 132 of the window member 130 is not a sphere but has a shape obtained by cutting a part of the sphere.
  • the difference from the above-described embodiment will be mainly described.
  • the window member 130 includes a lens part 132 and a flange part 138, and the flange part 138 has a connection part 140 and a joint part 142.
  • the bonding portion 142 is provided with a bonding surface 144 for bonding to the upper surface 14 of the package substrate 12.
  • the lens unit 132 includes a light incident surface 134 configured with a spherical surface and a light output surface 136 configured with a flat surface. Therefore, the lens part 132 does not protrude upward from the flange part 138, and forms a flat exposed surface together with the flange part 138.
  • the light emitting surface 136 of the lens portion 132 is formed as a flat surface, so that the thickness of the light emitting module 110 in the vertical direction can be reduced compared to the above-described embodiment, and the light emitting module 110 can be reduced. Can be downsized.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a light emitting module 210 according to a modification.
  • the light emitting module 210 is different from Modification 1 described above in that the light incident surface 234 of the window member 230 is formed of a Fresnel surface.
  • the difference from Modification 1 will be mainly described.
  • the window member 230 includes a lens part 232 and a flange part 238, and the flange part 238 has a connection part 240 and a joint part 242.
  • the bonding portion 242 is provided with a bonding surface 244 for bonding with the upper surface 14 of the package substrate 12.
  • the lens unit 232 is a so-called Fresnel lens, and includes a light incident surface 234 configured by a Fresnel surface and a light output surface 236 configured by a plane. According to this modified example, since the thickness in the vertical direction is smaller than the lens unit 132 according to the above-described modified example, the lens unit 232 can be disposed closer to the light emitting element 20, and light from the light emitting element 20 can be disposed. Can be output to the outside more efficiently.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a light emitting module 310 according to a modification.
  • the light emitting module 310 is different from the above-described embodiment in that both the light incident surface 334 and the light emitting surface 336 of the window member 330 are constituted by Fresnel surfaces.
  • Fresnel surfaces the difference from the embodiment will be mainly described.
  • the window member 330 includes a lens portion 332 and a flange portion 338, and the flange portion 338 has a connection portion 340 and a joint portion 342.
  • the bonding portion 342 is provided with a bonding surface 344 for bonding with the upper surface 14 of the package substrate 12.
  • the lens unit 332 is a so-called Fresnel lens, and both the light incident surface 234 and the light emitting surface 236 are configured by Fresnel surfaces.
  • the light emitting module 310 can be downsized. Further, the lens portion 232 can be disposed closer to the light emitting element 20, and the light from the light emitting element 20 can be emitted to the outside more efficiently.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art.
  • the embodiment to which such a modification is added is also the present embodiment. It can be included in the scope of the invention.
  • quartz glass is used as the material of the window member
  • the material of the window member is not limited to these, and optical glass other than quartz such as BK7 may be used, A resin material such as transparent plastic may be used as the window member.
  • a high-temperature fired ceramic multilayer substrate as a package substrate (HTCC), silica (SiO 2) as a ceramic material, calcium oxide (CaO), boron oxide (B 2 A low temperature co-fired ceramic (LTCC) containing O 3 ) or the like may be used.
  • a material having a relatively low melting point such as copper or silver may be used as a metallization process on the upper surface 14 instead of a high melting point material such as tungsten or molybdenum.
  • SYMBOLS 10 Light emitting module, 12 ... Package board

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Abstract

発光モジュール１０は、上面１４に開口を有する凹部１６が設けられるパッケージ基板１２と、凹部１６に収容される発光素２０子と、開口を覆うように上面１４に設けられる窓部材３０と、パッケージ基板１２と窓部材３０の間を接合する封止部４８と、を備える。窓部材３０は、発光素子２０と対向するレンズ部３２と、レンズ部３２から突出して封止部４８と接合されるフランジ部３８とを含む。レンズ部３２およびフランジ部３８は、同じガラス材料で構成される。

Description

発光モジュールおよび発光モジュールの製造方法
　本発明は、発光素子を内部に封止した発光モジュールおよびその製造方法に関する。
　発光ダイオード（ＬＥＤ、Light Emitting Diode）は、主に可視光から赤外光の波長域における光源として照明や信号、光通信など様々な用途で利用される。一般に、ＬＥＤ素子は、化合物半導体からなる発光素子を外部環境から保護するため、光透過性を有する材料により封止してパッケージ化される。
　封止方法として、リード電極に取り付けた発光素子を樹脂材料で被覆する方法や、開口を設けたパッケージ本体に発光素子を収容し、ガラス板などの窓部材で開口部に蓋をする方法が挙げられる。後者に示す方法として、パッケージ本体の開口部に金属枠を設けるとともに、金属枠とガラス板との間を低融点ガラスで接合する技術が挙げられる。また、出射光をコリメートするためのボールレンズがガラス板に代えて接合されることもある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２－３３５１９号公報
　上述の封止方法では、パッケージ本体とボールレンズとが金属枠を介して接合されるため、金属枠を用意する分だけ部品点数が増えるとともに、接合箇所が増えることとなる。高い封止性を保ちつつ、より簡易な構造でパッケージ本体とボールレンズとを接合できることが望ましい。
　本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、レンズ機能を一体化させた信頼性の高い発光モジュールを提供することにある。
　本発明のある態様の発光モジュールは、上面に開口を有する凹部が設けられるパッケージ基板と、凹部に収容される発光素子と、開口を覆うように上面に設けられる窓部材と、パッケージ基板と窓部材の間を接合する封止部と、を備える。窓部材は、発光素子と対向するレンズ部と、レンズ部から突出して封止部と接合されるフランジ部とを含む。レンズ部およびフランジ部は、同じガラス材料で構成される。
　この態様によると、レンズ部とフランジ部が一体的に形成され、フランジ部によってパッケージ基板との接合がなされるため、パッケージ基板と窓部材の間の封止性を高めることができる。また、レンズ機能を有する窓部材とパッケージ基板とを直接接合できるため、他の部材を介して両者を接合させる場合と比べて接合箇所を少なくできる。これにより、レンズ機能を有する窓部材を接合させる場合であっても、封止性が損なわれる原因となる接合箇所を減らして、発光モジュールの信頼性を高めることができる。
　レンズ部およびフランジ部は、石英ガラスで構成されてもよい。
　発光素子は、波長２００ｎｍ以上３６０ｎｍ以下の帯域に含まれる紫外光を発してもよい。
　レンズ部は、発光素子からの光を平行光に変換して外部に出射させてもよい。
　レンズ部は、球体または球体の一部であってもよい。
　レンズ部は、フレネルレンズであってもよい。
　本発明の別の態様は、発光モジュールの製造方法である。この方法は、溶融石英を材料として、レンズ部とレンズ部から突出するフランジ部とを含む窓部材を射出成形する工程と、上面に開口を有する凹部が設けられるパッケージ基板の凹部に発光素子を収容する工程と、レンズ部と発光素子が対向するようにして上面に窓部材を配置する工程と、パッケージ基板とフランジ部の間を封止材で接合する工程と、を備える。
　この態様によれば、レンズ部とフランジ部とを有する窓部材を射出成形により一体的に形成することができるため、石英ガラスの母材を切削および研磨して窓部材を形成する場合と比べて、発光モジュールの製造コストを低減できる。
　本発明によれば、レンズ機能を一体化させた信頼性の高い発光モジュールを提供できる。
実施の形態に係る発光モジュールを示す断面図である。 図１の窓部材の構造を示す上面図である。 図１の窓部材の構造を示す下面図である。 発光モジュールの製造方法を示すフローチャートである。 変形例に係る発光モジュールを示す断面図である。 変形例に係る発光モジュールを示す断面図である。 変形例に係る発光モジュールを示す断面図である。
　以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
　図１は、実施の形態に係る発光モジュール１０を示す断面図である。図２は、図１の窓部材３０の構造を示す上面図であり、図３は、下面図である。発光モジュール１０は、パッケージ基板１２と、発光素子２０と、窓部材３０と、封止部４８とを備える。
　本明細書の説明において、発光モジュール１０から出力される光の進行方向をｚ方向とし、ｚ方向と直交する方向をｘ方向およびｙ方向とする。なお、ｚ方向のことを縦方向または上下方向といい、ｘ方向およびｙ方向を横方向または水平方向ということがある。
　パッケージ基板１２は、上面１４と下面１５を有する平板状の部材であり、上面１４に開口を有する凹部１６が設けられる。パッケージ基板１２は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを含むセラミック基板であり、いわゆる高温焼成セラミック多層基板（ＨＴＣＣ、High Temperature Co-fired Ceramic）である。
　上面１４は、矩形状であり、その中央部に矩形の開口を形成する凹部１６が設けられる。上面１４のうち凹部１６が設けられていない領域にはメタライズ処理が施される。上面１４は、例えば、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等を含む基材にニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）等がメッキされて形成される。上面１４には、封止部４８を介して窓部材３０が接合される。
　下面１５は、矩形状であり、発光素子２０のアノードまたはカソードと接続される外部電極（不図示）が設けられる。凹部１６は、上面１４に開口しており、その内部に発光素子２０を収容する。発光素子２０は、凹部１６の底面１８上に載置される。
　発光素子２０は、化合物半導体で構成されるＬＥＤであり、凹部１６に収容され、窓部材３０を通して発光モジュール１０の外部に光を放射する。本実施の形態では、発光素子２０として紫外光ＬＥＤを用い、その中心波長又はピーク波長が約２００ｎｍ～３６０ｎｍの紫外領域に含まれるものを用いる。例えば、殺菌効率の高い波長である２６０ｎｍ付近の紫外光を発するものを用いる。このような紫外光ＬＥＤとして、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を用いたものが知られている。
　発光素子２０は、発光面２２と、発光面２２に対向する取付面２４とを有する。発光素子２０は、取付面２４が底面１８と接するように配置される。これにより、発光素子２０が発する熱は、パッケージ基板１２を介して外部に放熱される。
　窓部材３０は、レンズ部３２と、フランジ部３８とを含み、凹部１６の開口を覆うように上面１４に設けられる。窓部材３０は、レンズ部３２が発光素子２０と対向し、フランジ部３８の接合面４４が上面１４と対向する位置となるように設けられる。窓部材３０は、発光素子２０が発する紫外光を透過する材料で構成され、例えば、石英（ＳｉＯ２）ガラスで構成される。
　レンズ部３２は、球体で構成され、ボールレンズとして機能する。レンズ部３２は、発光素子２０の発光面２２と対向して発光素子２０からの光が入射する光入射面３４と、発光モジュール１０の外部に露出して発光素子２０からの光を出射する光出射面３６とを有する。光入射面３４および光出射面３６は、それぞれ球面で構成される。レンズ部３２は、レンズ部３２の焦点に発光素子２０が位置するように配置され、光入射面３４が発光素子２０に近接するよう配置される。よって、レンズ部３２は、発光素子２０からの光を平行光に変換して出射させるコリメート機能を有する。
　フランジ部３８は、レンズ部３２から横方向に突出し、外周がパッケージ基板１２に対応した矩形状となる板状部材である。フランジ部３８は、パッケージ基板１２の上面１４に対向する接合部４２と、レンズ部３２と接合部４２の間をつなぐ接続部４０とを有する。フランジ部３８は、レンズ部３２と一体的に形成されており、同じガラス材料で構成される。
　接合部４２は、メタライズ処理が施された接合面４４が形成される部分である。接合面４４は、真空蒸着やスパッタリングなどの方法により形成され、例えば、石英ガラスで構成される接合部４２にチタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）を順に積層した多層膜で形成される。なお、チタンの代わりにクロム（Ｃｒ）を用いてもよい。
　接続部４０は、メタライズ処理が施されていない部分であり、ｚ方向の厚さｄ１が接合部４２の厚さｄ２と比べて小さい部分である。接続部４０は、パッケージ基板１２の上面１４から離れるようにして段差が設けられる部分とも言える。接続部４０に段差を設けることで、球面となる光入射面３４の範囲Ｗを広くすることができる。光入射面３４の範囲Ｗを広くすることで、発光素子２０から出力される光のより多くを光入射面３４に入射させ、レンズ部３２によりコリメートされて光出射面３６から出射される光量を多くできる。
　封止部４８は、パッケージ基板１２と窓部材３０との間に設けられ、その隙間を充填する封止材である。封止部４８は、低融点の金属材料で構成され、例えば、金錫（ＡｕＳｎ）や銀錫（ＡｇＳｎ）の合金を含む。封止部４８は、溶融状態において上面１４と接合面４４の間に広がり、上面１４および接合面４４と共晶結合を形成する。これにより、封止部４８は、パッケージ基板１２と窓部材３０の間を封止する。なお、封止時には、凹部１６の内部に窒素（Ｎ２）などの不活性ガスが充填される。
　以上の構成により、発光モジュール１０は、紫外光ＬＥＤである発光素子２０を内部に封止し、窓部材３０を通して紫外光を外部に出力可能とする。発光素子２０からの光は、レンズ部３２により集光され、平行光もしくは平行光に近い状態の光に変換されて出射される。窓部材３０として石英ガラスを用いるため、波長３６０ｎｍ以下の紫外光を発する発光素子２０を用いた場合でも、紫外光を効率よく外部に取り出すことができる。
　つづいて、発光モジュール１０の製造方法について説明する。図４は、発光モジュール１０の製造方法を示すフローチャートである。石英ガラスを材料として窓部材３０を射出成形するとともに（Ｓ１０）、パッケージ基板１２の凹部１６に発光素子２０を収容する（Ｓ１２）。次に、窓部材３０のレンズ部３２と発光素子２０を対向させて凹部１６の上に窓部材３０を配置し（Ｓ１４）、パッケージ基板１２の上面１４と窓部材３０の接合面４４を封止材を用いて接合する（Ｓ１６）。
　Ｓ１２の射出成形工程では、レンズ部３２とフランジ部３８を含む窓部材３０の形状に対応した金型を用意し、石英ガラスのペレット等を材料とする溶融石英を流し込むことで窓部材３０が成型される。成型された石英を金型から取り出した後、石英の余熱を取り除き、表面を研磨することにより透明な石英ガラス製の窓部材３０に加工される。射出成形後に研磨された窓部材３０の接合面４４には、メタライズ処理が施される。Ｓ１６の封止工程では、パッケージ基板１２の凹部１６に窒素（Ｎ２）などの不活性ガスが充填された状態で、パッケージ基板１２と窓部材３０が接合される。
　以下、本実施の形態に係る発光モジュール１０が奏する効果について示す。
　本実施の形態によれば、レンズ部３２とフランジ部３８が一体的に形成され、フランジ部３８によってパッケージ基板１２との接合がなされるため、パッケージ基板１２と窓部材３０の間の封止性を高めることができる。また、レンズ機能を有する窓部材３０とパッケージ基板１２とを直接接合できるため、他の部材を介して両者を接合させる場合と比べて接合箇所を少なくできる。これにより、発光モジュール１０にレンズ機能を持たせる場合であっても、封止性が損なわれる原因となる接合箇所を減らして、発光モジュール１０の信頼性を高めることができる。
　本実施の形態によれば、窓部材３０が石英ガラスで構成されるため、波長が３６０ｎｍ以下の紫外光を発する発光素子２０を用いる場合であっても、窓部材３０による紫外光の透過率を高めることができる。また、窓部材３０にレンズ機能を持たせているため、発光素子２０からの紫外光を効率的に発光モジュール１０の外部に取り出すことができる。これにより、発光モジュール１０の紫外光の出力強度を高めることができる。
　本実施の形態では、パッケージ基板１２と窓部材３０との接合に金属枠を設けない構成としているため、両者の間に金属枠を挿入する場合と比べて、発光素子２０とレンズ部３２の光入射面３４との距離を短くすることができる。これにより、発光素子２０が発する紫外光のより多くをレンズ部３２に結合させて、紫外光の取り出し効率を高めることができる。
　本実施の形態によれば、平坦な接合面４４を有するフランジ部３８を用いてパッケージ基板１２への接合をしているため、平坦なガラス板と接合するために設計されたパッケージ基板をそのまま流用することができる。言いかえれば、レンズ機能を有する窓部材３０との接合のために、パッケージ基板１２の設計を変更することなく、窓部材３０をパッケージ基板１２に接合することができる。新たにパッケージ基板を設計製造する必要がないため、発光モジュール１０のコストを低減させることができる。
　本実施の形態によれば、レンズ機能を有する窓部材３０を石英ガラスを用いて射出成形により製造するため、石英ガラスの母材を切削および研磨して加工する場合よりも製造コストを下げることができる。したがって、封止性および信頼性が高く、出力強度の高い発光モジュール１０を低コストで実現できる。
　本実施の形態では、パッケージ基板１２と窓部材３０の接合に低融点ガラスではなく、金属材料で構成される封止部４８を用いる。窓部材３０として用いる石英は、一般に低融点ガラスに対する濡れ性が好ましくないため、低融点ガラスを封止部として用いると、封止の信頼性が低下するおそれがある。一方、本実施形態では、メタライズ処理を施した窓部材３０を濡れ性の高い金属材料により封止するため、封止の信頼性を高めることができる。
　本実施の形態では、封止部４８として、パッケージ基板１２や窓部材３０と比べて柔らかい材料である金属を用いている。これにより、パッケージ基板１２および窓部材３０に用いる材料の熱膨張率差に起因して応力が加わる場合においても、封止部４８が応力を緩和させる緩衝層として機能する。これにより、比較的硬い材料である低融点ガラスを封止部４８として用いる場合と比べて、応力緩和の効果を高めることができ、封止の信頼性を上げることができる。
　（変形例１）
　図５は、変形例に係る発光モジュール１１０を示す断面図である。発光モジュール１１０は、窓部材１３０のレンズ部１３２が球体ではなく、球体の一部を切り取ったような形状を有する点で上述の実施の形態と相違する。以下、上述の実施の形態との相違点を中心に述べる。
　窓部材１３０は、レンズ部１３２と、フランジ部１３８を含み、フランジ部１３８は、接続部１４０と接合部１４２を有する。接合部１４２には、パッケージ基板１２の上面１４との接合のための接合面１４４が設けられる。レンズ部１３２は、球面で構成される光入射面１３４と、平面で構成される光出射面１３６とを有する。したがって、レンズ部１３２は、フランジ部１３８から上方に突出せず、フランジ部１３８とともに平坦な露出面を形成する。したがって、本変形例によれば、レンズ部１３２の光出射面１３６が平坦面で形成されるため、上述の実施の形態と比べて発光モジュール１１０の上下方向の厚みを小さくでき、発光モジュール１１０を小型化できる。
　（変形例２）
　図６は、変形例に係る発光モジュール２１０を示す断面図である。発光モジュール２１０は、窓部材２３０の光入射面２３４がフレネル面で構成される点で、上述の変形例１と相違する。以下、変形例１との相違点を中心に述べる。
　窓部材２３０は、レンズ部２３２と、フランジ部２３８を含み、フランジ部２３８は、接続部２４０と接合部２４２を有する。接合部２４２には、パッケージ基板１２の上面１４との接合のための接合面２４４が設けられる。レンズ部２３２は、いわゆるフレネルレンズであり、フレネル面で構成される光入射面２３４と、平面で構成される光出射面２３６とを有する。本変形例によれば、上述の変形例に係るレンズ部１３２よりも上下方向の厚みが小さいため、レンズ部２３２を発光素子２０により近接させて配置することが可能となり、発光素子２０からの光をより効率的に外部に出力できる。
　（変形例３）
　図７は、変形例に係る発光モジュール３１０を示す断面図である。発光モジュール３１０は、窓部材３３０の光入射面３３４と光出射面３３６の双方がフレネル面で構成される点で上述の実施の形態と相違する。以下、実施の形態との相違点を中心に述べる。
　窓部材３３０は、レンズ部３３２と、フランジ部３３８を含みフランジ部３３８は、接続部３４０と接合部３４２を有する。接合部３４２には、パッケージ基板１２の上面１４との接合のための接合面３４４が設けられる。レンズ部３３２は、いわゆるフレネルレンズであり、光入射面２３４と光出射面２３６の双方がフレネル面で構成される。
　本変形例によれば、上述の実施の形態に係るレンズ部３２と比べて、上下方向の厚さを小さくできるため、発光モジュール３１０を小型化できる。また、レンズ部２３２を発光素子２０により近接させて配置することが可能となり、発光素子２０からの光をより効率的に外部に出射させることができる。
　本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
　上述の実施の形態および変形例においては、発光素子として紫外光を発するものを用いる場合を示したが、可視光や赤外光を発する発光素子を用いてもよい。
　上述の実施の形態および変形例においては、窓部材の材質として石英ガラスを用いる場合を示したが、窓部材の材質はこれらに限られず、ＢＫ７といった石英以外の光学ガラスを用いてもよいし、透明プラスチックなどの樹脂材料を窓部材として用いてもよい。
　上述の実施の形態および変形例においては、パッケージ基板として高温焼成セラミック多層基板（ＨＴＣＣ）を用いる場合を示したが、セラミック材料としてシリカ（ＳｉＯ２）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）等を含む低温焼成セラミック多層基板（ＬＴＣＣ、Low Temperature Co-fired Ceramic）を用いてもよい。この場合、上面１４へのメタライズ処理として、タングステンやモリブデンなどの高融点材料の代わりに、銅や銀など比較的融点の低い材料を用いてもよい。
　１０…発光モジュール、１２…パッケージ基板、１４…上面、１６…凹部、２０…発光素子、３０…窓部材、３２…レンズ部、３８…フランジ部、４８…封止部。
　本発明によれば、レンズ機能を一体化させた信頼性の高い発光モジュールを提供できる。

Claims (7)

  1. 　上面に開口を有する凹部が設けられるパッケージ基板と、
    　前記凹部に収容される発光素子と、
    　前記開口を覆うように前記上面に設けられる窓部材と、
    　前記パッケージ基板と前記窓部材の間を接合する封止部と、を備え、
    　前記窓部材は、前記発光素子と対向するレンズ部と、前記レンズ部から突出して前記封止部と接合されるフランジ部とを含み、
    　前記レンズ部および前記フランジ部は、同じガラス材料で構成されることを特徴とする発光モジュール。
  2. 　前記レンズ部および前記フランジ部は、石英ガラスで構成されることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
  3. 　前記発光素子は、波長２００ｎｍ以上３６０ｎｍ以下の帯域に含まれる紫外光を発することを特徴とする請求項２に記載の発光モジュール。
  4. 　前記レンズ部は、前記発光素子からの光を平行光に変換して外部に出射させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の発光モジュール。
  5. 　前記レンズ部は、球体または球体の一部であることを特徴とする請求項４に記載の発光モジュール。
  6. 　前記レンズ部は、フレネルレンズであることを特徴とする請求項４に記載の発光モジュール。
  7. 　溶融石英を材料として、レンズ部と前記レンズ部から突出するフランジ部とを含む窓部材を射出成形する工程と、
    　上面に開口を有する凹部が設けられるパッケージ基板の前記凹部に発光素子を収容する工程と、
    　前記レンズ部と前記発光素子が対向するようにして前記上面に前記窓部材を配置する工程と、
    　前記パッケージ基板と前記フランジ部の間を封止材で接合する工程と、を備えることを特徴とする発光モジュールの製造方法。
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