WO2020040143A1 - 紫外線素子パッケージ - Google Patents

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WO2020040143A1
WO2020040143A1 PCT/JP2019/032460 JP2019032460W WO2020040143A1 WO 2020040143 A1 WO2020040143 A1 WO 2020040143A1 JP 2019032460 W JP2019032460 W JP 2019032460W WO 2020040143 A1 WO2020040143 A1 WO 2020040143A1
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optical member
pedestal
glass
ultraviolet
light
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悠樹 藤田
嗣 佐野
克子 津守
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エーディーワイ株式会社
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    • H01L33/58—Optical field-shaping elements

Definitions

  • the present invention provides, for example, a light-emitting element such as a near-ultraviolet LED including deep ultraviolet used for ultraviolet sterilization, water purification, air purification, or curing of an adhesive or a resin, and an optical member provided at a position facing the light-emitting element.
  • a light-emitting element such as a near-ultraviolet LED including deep ultraviolet used for ultraviolet sterilization, water purification, air purification, or curing of an adhesive or a resin
  • an optical member provided at a position facing the light-emitting element.
  • an ultraviolet device package comprising:
  • Mercury lamps have been widely used for UV sterilization, but the production and import / export of mercury products will be restricted after 2020 due to the enforcement of the Minamata Convention on Mercury. For this reason, ultraviolet LEDs (Light Emitting Diode), particularly deep ultraviolet LEDs having a wavelength of 280 nm or less, have been attracting attention as alternative light sources after the life of a currently used mercury lamp has expired.
  • LEDs Light Emitting Diode
  • the light-emitting module includes a substrate having a recess with a bottom on which the light-emitting element is mounted, and a window member attached so as to cover the opening of the recess with the bottom.
  • This light emitting module includes a lens unit for controlling light distribution of light emitted from the ultraviolet LED, and the lens unit is formed in a portion of the window member facing the light emitting element, and is provided around the lens unit.
  • the window member is formed by pouring a molten quartz made of quartz glass pellets or the like into a mold (see paragraph 0034).
  • quartz glass has a very high softening point of about 1700 ° C., and is very hard even when heated to 1900 ° C., and is difficult to process.
  • quartz glass directly transitions from a solid to a gas due to a high vapor pressure of the gas, and thus may not be in a molten state. It is very difficult to obtain a desired lens shape from the fused quartz. Therefore, in general, a traditional glass lens manufacturing method is used in which quartz glass supplied in the form of an ingot is cut and ground into a predetermined shape, and then the surface is mirror-polished, and a very expensive lens is used. Will be.
  • quartz glass has conventionally been used as a substance that transmits deep ultraviolet rays having a wavelength of 300 nm or less at a high transmittance, but glass that transmits deep ultraviolet rays having a wavelength of 300 nm or less at a high transmittance has been developed.
  • the softening point of this type of glass is 1000 ° C. or lower, and there is a possibility that a desired lens shape can be obtained by a manufacturing method other than the traditional glass lens manufacturing method as described above (for example, see Patent Document 2).
  • Ultraviolet light particularly deep ultraviolet light having a short wavelength, significantly deteriorates resin materials and the like.Therefore, it is necessary to prevent the leakage of deep ultraviolet light from the package of an optical module including a light emitting element that handles deep ultraviolet light. Greatly affects the reliability of the product.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and uses a glass having a lower softening point than quartz glass and a high average transmittance of light having a wavelength of 250 to 400 nm or less, and using a glass substrate at low cost and in a simple process. It is an object of the present invention to provide an ultraviolet ray device package which can bond an optical member and an optical member and has a high sealing performance.
  • the present invention provides an ultraviolet element package including a light emitting element that emits ultraviolet light, a substrate on which the light emitting element is mounted, and an optical member provided at a position facing the light emitting element.
  • the optical member is made of glass having a softening point of 1000 ° C. or less and an average transmittance of 80% or more with respect to light having a wavelength of 250 to 400 nm, and the outer shape of a surface facing the substrate is circular.
  • the optical member is sealed to and joined to the substrate via a metal pedestal, and the pedestal is mounted on the substrate with a circular top view opening in which the optical member is fitted and a circular top view. And a bottom opening having a substantially rectangular shape as viewed from the bottom, in which the light emitting element is accommodated.
  • the pedestal is formed of a metal having a thermal expansion coefficient substantially equal to that of the glass.
  • the pedestal is sealed and joined to the optical member by an oxide film formed on a surface thereof.
  • a metallized portion on which a metallization process is performed is formed at a bonding portion of the substrate with the pedestal, and the pedestal and the metallized portion are bonded by a metal preform. preferable.
  • a holding portion configured to hold the optical member between a top side peripheral edge of the lower surface opening and a bottom side peripheral edge of the upper surface opening is formed of a plane parallel to an upper surface and a bottom surface of the pedestal. Is preferably formed.
  • the optical member is a dome lens having a protruding light emission surface.
  • the optical member may be a flat lens having a flat light exit surface.
  • the optical member is formed from molten or softened glass pellets, the manufacturing process is inexpensive and simplified compared to a conventional method of manufacturing a glass lens for cutting and grinding an ingot of quartz glass.
  • the optical member has a circular outer shape on the surface facing the substrate, and the top opening of the pedestal on which the optical member is fitted is circular in a plan view, so that the glass constituting the optical member is melted and joined.
  • the optical member is integrally sealed and bonded to the metal pedestal at the same time as the molding of the optical member, masking for metallization and a metal vapor deposition step are not required. Further, by joining the metallized portion of the metallized substrate with the base integrated with the optical member with a metal preform, the substrate and the optical member can be hermetically joined. As a result, it is possible to provide a low-cost and highly reliable ultraviolet device package.
  • FIGS. 7A to 7F are process diagrams illustrating a method for manufacturing the ultraviolet element package, particularly illustrating a process for manufacturing an optical member integrated with a pedestal.
  • A) is a process drawing showing the manufacturing method of the above-mentioned ultraviolet ray element package, and (b) is a figure showing especially a joining process of a substrate and an optical member integrated with a pedestal as a second stage.
  • FIG. 1 shows a configuration of an ultraviolet element package 1 according to one embodiment of the present invention.
  • an ultraviolet element package 1 is provided at a position facing the light emitting element 2 that emits deep ultraviolet light, a substrate 3 on which the light emitting element 2 is mounted, and the light emitting element 2.
  • An optical member 4. The optical member 4 is joined to the substrate 3 via a metal pedestal 5 sealed and joined to the optical member 4.
  • the light-emitting element 2 is an ultraviolet element that emits ultraviolet light having a wavelength of 400 nm or less, and is preferably a deep ultraviolet element that emits deep ultraviolet light having a wavelength of 280 nm or less, which has a high effect on ultraviolet sterilization. Further, the light emitting element 2 may be, for example, a single chip having a single LED structure formed on a sapphire substrate, or an integrated chip having a plurality of LED structures formed on a sapphire substrate. It may be present (example in the figure).
  • the substrate 3 is substantially square in a plan view.
  • a submount substrate in which a circuit is formed on aluminum nitride is used as a base material 31.
  • the circuit is formed in accordance with the form of the light emitting element 2. Mold, wire bonding type and the like.
  • an element bonding portion 32 subjected to a metallization process is formed on a base material 31, and the light emitting element 2 is arranged so as to straddle the two element bonding portions 32.
  • the pedestal 5 is joined to the periphery of the substrate 3, and a metallized portion 33 that has been subjected to a metallization process such as gold plating or gold deposition is formed at this joint.
  • An insulating part exists between the element bonding part 32 and the metallized part 33.
  • the optical member 4 has a circular outer shape on a surface facing the substrate 3, and in the configuration shown in FIGS. 1A and 1B, a light incident surface 41 on which light from the light emitting element 2 is incident is flat,
  • the light emitting surface 42 from which light is emitted is a protruding dome lens (see also FIG. 6A described later).
  • the configuration is shown in which the light emitting surface 42 has a spherical shape, but may be an aspherical surface.
  • the optical member 4 only needs to have a circular outer shape on the surface facing the substrate 3.
  • it may be a flat lens that is flat.
  • the dome lens acts condensing, it is used in an ultraviolet element package suitable for an instrument or the like in which light distribution of light (deep ultraviolet) emitted from the light emitting element 2 is narrow.
  • the flat lens does not act as a light concentrator, it is used in an ultraviolet element package suitable for an instrument or the like in which light (deep ultraviolet) emitted from the light emitting element 2 has a wide light distribution.
  • the optical member 4 is, for example, a glass having a softening point of 1000 ° C. or less and an average transmittance of 80% or more in a material having a thickness of 0.4 mm with respect to light having a wavelength of 250 to 400 nm as shown in FIG. Is formed.
  • the components of this glass are mainly SiO 2 and B 2 O 3 , and further, for example, Al 2 O 3 , Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, CaO, BaO, ZnO, Y 2 O 3 , It contains ZrO 2 , La 2 O 3 , Sb 2 O and the like.
  • the pedestal 5 is a plate-shaped metal member having a substantially rectangular shape in plan view as an outer shape and a predetermined thickness, and the optical member 4 is fitted therein. It has a circular upper surface opening 51 in a plan view and a substantially rectangular lower surface opening 52 in which the light emitting element 2 mounted on the substrate 3 is accommodated.
  • the pedestal 5 has an upper surface, a bottom surface, and four side surfaces, and a ridge formed by adjacent side surfaces is chamfered so as to have a gentle roundness.
  • the upper surface opening 51 is formed by a hole carved in a cylindrical shape from the upper surface of the pedestal 5, and the lower surface opening 52 is formed by a hole carved in a substantially rectangular tube shape from the bottom surface of the pedestal 5.
  • the upper surface opening portion 51 and the lower surface opening portion 52 are connected at a position closer to the upper surface than a substantially middle position of the thickness of the pedestal 5 in a cross-sectional view.
  • the opening diameter of the upper surface opening 51 is substantially equal to the length of the diagonal line of the opening of the lower surface opening 52, and is shorter than the interval between the sides of the opening of the lower surface opening 52 facing each other.
  • a holding portion 53 which is formed of a plane parallel to the upper surface and the bottom surface and holds the optical member is formed. 4 is supported by the holding portion 53 (see also FIG. 6A).
  • the pedestal 5 is formed of a metal having a coefficient of thermal expansion substantially equal to the coefficient of thermal expansion of glass constituting the optical member 4.
  • the thermal expansion coefficient of the glass and the pedestal 5 is, for example, about 4.5 ⁇ 10 ⁇ 6 K-1 at room temperature, and the material of the pedestal 5 is, for example, Kovar (Korver) having a thickness of about 0.1 to 0.2 mm. ) Can be used.
  • Kovar is an alloy of iron with nickel and cobalt, and is a common material used for bonding hard glass.
  • the melting point of Kovar is about 1450 ° C., which is higher than the melting point of glass.
  • the substrate 3 and the optical member 4 are joined by welding the metal pedestal 5 and the metallized portion 33 on the periphery of the substrate 3 with a metal preform 6.
  • the metal preform 6 is formed by molding a thin metal (alloy) containing a noble metal such as gold or tin into a shape of a joint.
  • FIG. 5 shows, as a first step in the method of manufacturing the ultraviolet element package 1, a method of manufacturing the optical member 4 used in the ultraviolet element package 1, and a manufacturing process of the optical member 4 integrally sealed and joined to the pedestal 5. Is shown.
  • FIG. 6 shows a joining process of the substrate 3 and the optical member 4 as a second stage in the method of manufacturing the ultraviolet element package 1.
  • the optical member 4 is heated and melted or softened, and then compression-molded by a predetermined mold (jig).
  • a depression 21 corresponding to the lower opening 52 of the pedestal 5 is formed on the upper surface of the fixed jig 20.
  • the depression 21 is engraved largely so that the peripheral edge thereof corresponds to the inner peripheral surface of the pedestal 5, and the central portion is flat so as to form the same plane as the holding portion 53 of the pedestal 5.
  • the flat surface is transferred as the shape of the light incident surface 41 of the optical member 4.
  • the pedestal 5 is fitted into the recess 21 as shown in FIG.
  • the pedestal 5 is subjected to an oxidation treatment, and an oxide film is formed on the surface thereof.
  • the jig 20 is, for example, compression molded carbon powder into a predetermined shape as shown.
  • the glass supplied in a rod shape is cut into glass pellets 10 of a predetermined size (predetermined volume or predetermined weight), and the center of the pedestal 5 matches the center of the glass pellet 10 as shown in FIG.
  • the glass pellet 10 is placed on the upper surface opening 51 of the pedestal 5 and the jig 20 so as to perform the operation.
  • FIG. 5D a jig 20 on which the pedestal 5 and the glass pellet 10 are placed, and a movable jig in which a depression 22 having a curved surface corresponding to the lens shape to be formed is formed.
  • the tool 23 is housed in a first heating furnace 40 and heated to a first temperature (for example, 1000 ° C.) higher than the softening point of glass in a nitrogen gas environment.
  • FIG. 5D illustrates a state where the glass pellet 10 is melted or softened.
  • the jig 23 is also formed, for example, by compression molding carbon powder into a predetermined shape as shown in the figure, and the jig 20 is positioned such that the center of the depression 21 of the jig 20 and the center of the depression 22 of the jig 23 coincide. And a jig 23 are arranged respectively.
  • the movable jig 23 is gradually lowered toward the jig 20 as shown in FIG.
  • the glass pellet 10 is deformed under pressure. Thereby, the curved surface of the depression 22 is transferred to the surface of the molten glass pellet 10, and this becomes the light emission surface 42 of the optical member 4 (see FIG. 6A).
  • the oxide film formed on the surface of the pedestal 5 improves the wettability between the pedestal 5 and the glass, improves the adhesion between the glass and the metal interface, and seals (hermetic). These boundaries are joined to form the hermetic glass seal portion GS.
  • the hermetic glass seal portion GS itself has almost no thickness, and in FIG. 6A, the hermetic glass seal portion GS is exaggerated for the sake of explanation.
  • the temperature in the first heating furnace 40 is reduced, and the jig 20, the jig 23 and the formed mold are formed.
  • the optical member 4 and the pedestal 5 are cooled.
  • the optical member 4 and the pedestal 5 contract at substantially the same rate during cooling. Therefore, the optical member 4 and the pedestal 5 do not separate from each other, and the optical member 4 and the pedestal 5 are integrally sealed and joined even after cooling.
  • the jig 20, the jig 23, the optical member 4 and the pedestal 5 are taken out of the first heating furnace 40, and the jig 23 is separated from the jig 20. Thereby, as shown in FIG. 5 (f), the optical member 4 and the pedestal 5 which are sealed and joined are obtained.
  • the optical member 4 has a circular outer shape on a surface facing the substrate 3, and the pedestal 5 has a circular upper surface in a plan view on which the optical member 4 is fitted. It has an opening 51. That is, the hermetic glass seal portion GS, which is the boundary between the pedestal 5 and the glass, has a circular shape. For this reason, when the disk-shaped (column) glass pellet is placed on the oxidized pedestal 5 (jig 20) and the glass is melted and joined, if the upper opening 51 is circular, the glass that spreads radially will be removed. By uniformly pulling and holding, a glass having a uniform thickness is formed.
  • the upper surface opening 51 is not circular, for example, if it is a square, even if a glass pellet processed so that the cross section becomes a square is used, since the glass is not uniformly pulled when melted, the thickness of the glass May be uneven, and a hole may be formed in the hermetic glass seal portion.
  • the upper surface opening 51 of the pedestal 5 is circular, the glass is formed with a uniform thickness, and the hermetic glass seal portion GS having no holes and high sealing performance can be obtained.
  • the hermetic glass seal portion GS is formed at the boundary between the inner surface of the upper surface opening 51 of the pedestal 5 and the outer surface of the optical member 4 in contact with the inner surface. Further, in the present embodiment, the pedestal 5 is provided with the holding portion 53 between the upper surface side peripheral edge of the lower surface opening 52 and the bottom surface side peripheral edge of the upper surface opening 51, so that the hermetic glass seal portion GS is It is also formed at the boundary between the upper surface of the holding portion 53 and the bottom surface of the optical member 4. That is, the hermetic glass seal portion GS is formed not only on the vertical surface along the inner side surface of the upper surface opening portion 51 but also on the horizontal surface along the holding portion 53, so that the sealing performance can be further improved. Further, since the optical member 4 is supported by the holding portion 53, the durability can be improved without the optical member 4 being pushed into the light emitting element 2 side even if the optical member 4 is pressed from the outside.
  • the optical member 4 and the pedestal 5 are housed in a separate heating furnace (not shown), and are higher than the softening point of the glass and lower than the first temperature (for example, 1000 ° C.) in an air environment containing oxygen. Preferably, it is reheated to a second temperature (eg, 800 ° C.).
  • a second temperature eg, 800 ° C.
  • the oxide film on the surface of the pedestal 5 not joined to the glass is washed and removed.
  • the pedestal 5 formed of Kovar is plated with nickel to prevent rust, and further, is plated with gold to join with the substrate 3. Note that these plating processes are performed after the pedestal 5 is sealed and joined to the optical member 4.
  • the optical member 4 made of glass is an insulator, the surface of the optical member 4 is not plated. .
  • the glass constituting the optical member 4 has high chemical resistance, such as one having excellent acid resistance.
  • the optical member 4 joined to the pedestal 5 itself can be manufactured and traded independently, and the joining step with the substrate 3 described below is performed by a manufacturer different from the manufacturer of the optical member 4. May be done.
  • a substrate 3 on which the light emitting element 2 is mounted is prepared, and the substrate 3 and the optical member 4 sealed and joined to the pedestal 5 formed in the above-described process.
  • a metal preform 6 formed of an alloy containing a noble metal such as gold / tin or gold / germanium is disposed between the metal preforms 6 and positioned such that the metallized portion 33 on the substrate 3 and the lower surface of the pedestal 5 are substantially in close contact with each other. Perform alignment.
  • the substrate 3, the metal preform 6 and the optical member 4 are placed in the second heating furnace 50 at a temperature at least equal to or higher than the melting temperature of the metal preform 6 (200 to 400 ° C.).
  • the metal preform 6 is hardened, and the pedestal 5 integrated with the optical member 4 and the metallized portion 33 on the peripheral wall of the substrate 3 are formed. Joined by an inorganic material (preform).
  • the pedestal 5 is integrally sealed and joined to a portion of the lower surface of the optical member 4 facing the substrate 3 to be joined to the metallized portion 33 of the substrate 3. Therefore, when the lower surface of the pedestal 5 and the metallized portion 33 of the substrate 3 are tightly joined by the metal preform 6, the lower surface opening 52 of the substrate 3, the pedestal 5 and the light incident surface 41 of the optical member 4 are formed. Space is sealed off from the outside. As a result, the deep ultraviolet light output from the light emitting element 2 does not leak from the gap between the joining portion between the substrate 3 and the optical member 4 and can prevent the invasion of gas, moisture, and the like from the outside, thereby protecting the light emitting element 2. , Product life can be extended. Further, there is no adverse effect on the resin products and the like existing around the ultraviolet element package 1.
  • the jigs 20 and 23 are each formed by compressing carbon powder. For this reason, on the surface of the optical member 4 formed in FIG. 5F, the shape of the fine carbon powder is transferred and formed into a textured shape, which is in a state where a so-called matting process is performed. . Further, there may be a case where the peeled carbon powder adheres to the surface of the optical member 4. Therefore, after the step shown in FIG. 5 (f), a cleaning step of cleaning the surface of the formed optical member 4 and removing the carbon powder adhering thereto may be provided.
  • the surface of the optical member 4 is cleaned using hydrochloric acid, hydrogen fluoride water, deionized water, or the like. After the cleaning, it is desirable to heat again to polish the surface of the optical member 4 and melt the surface, and then perform thermal polishing (thermal polishing) (not shown).
  • the thermal polishing shown in FIG. 5 (f) is stopped, so that the surface becomes uneven.
  • a jig is used for a molten or softened glass pellet 10 using glass having a softening point of 1000 ° C. or less and an average transmittance of 80% or more for light having a wavelength of 250 to 400 nm. Since the optical member 4 is pressed and formed by pressing the optical member 23, the number of manufacturing steps is small and the steps themselves are simple. Further, since the pedestal 5 is integrally joined to the optical member 4 at the same time as the molding of the optical member 4, a masking or vapor deposition step for metallizing is not required.
  • the base 5 integrated with the optical member 4 and the metallized portion 33 of the peripheral wall of the metallized substrate 3 are made of metal at their joint surfaces, the metal preform 6 can be easily used. It can be joined with an inorganic material (preform), and the manufacturing process can be further simplified. As a result, it is possible to provide a low-cost and highly reliable ultraviolet device package 1. Further, the material of the glass is not limited to those exemplified above. Even if the transmittance for deep ultraviolet rays (for example, 265 nm) having a shorter wavelength is lower than 80%, a practically sufficient transmittance (for example, 70%) is used. Above).

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Abstract

【課題】紫外線素子パッケージにおいて、所望する形状の光学部材が得られ、少ない工程数でセラミック製の基板に光学部材を接合し、封止性能の高いものとする。 【解決手段】紫外線素子パッケージ１は、紫外線を発光する発光素子２と、発光素子２が実装される基板３と、発光素子２と対向する位置に設けられる光学部材４と、を備える。光学部材４は、軟化点が１０００℃以下のガラスで形成されており、基板３と対峙する面の外形形状が円形であり、光学部材４と封止接合された金属製の台座５を介して基板３と接合される。台座５は、光学部材４が嵌装される平面視円形の上面開口部５１を有する。この構成によれば、台座５の上面開口部５１は平面視円形なので、光学部材４を構成するガラスを溶かして接合する際に、放射線状に広がるガラスを均等に引っ張り、保持することで、均一な厚みのガラスとなり、封止性能の高い気密ガラスシール部を得ることができる。

Description

紫外線素子パッケージ
　本発明は、例えば、紫外線殺菌、浄水、空気浄化、又は接着剤や樹脂の硬化等に用いられる深紫外線を含む近紫外線ＬＥＤ等の発光素子と、この発光素子と対向する位置に設けられる光学部材とを備えた紫外線素子パッケージに関する。
　紫外線殺菌に際しては、従来から広く水銀灯が使用されてきたが、「水銀に関する水俣条約」の発効により、２０２０年以降、水銀製品の製造や輸出入が制限される。そのため、現在使用されている水銀灯の寿命が尽きた後の代替光源として、紫外線ＬＥＤ(Light Emitting Diode)、特に波長２８０ｎｍ以下の深紫外線ＬＥＤが注目されている。
　この種のものとして、波長２００ｎｍ～３６０ｎｍの紫外光を出力する発光モジュールが開示されている（例えば、特許文献１参照）。この発光モジュールは、発光素子が実装される有底凹部を有する基板と、有底凹部の開口を覆うように取り付けられた窓部材と、を備えている。この発光モジュールは、紫外線ＬＥＤから出射された光の配光を制御するためのレンズ部を備えており、レンズ部は、窓部材のうち発光素子と対向する部分に形成され、レンズ部の周囲には、基板に接合するためのフランジ部が、レンズ部と共に一体的に形成されている。
　上記特許文献１では、窓部材は、石英ガラスのペレット等を材料とする溶融石英を金型に流し込むことで形成される（段落００３４参照）。しかしながら、石英ガラスの軟化点が約１７００℃と非常に高温であり、１９００℃に加熱しても非常に固く、加工するのが困難である。また、石英ガラスは、気体の蒸気圧が大きいために固体から直接気体に移行するので融液状態にはならないこともあり、溶融石英から所望するレンズ形状を得ることは非常に困難である。そのため、一般的には、インゴット状で供給される石英ガラスを所定形状に切削、研削し、更に表面を鏡面研磨する、伝統的なガラスレンズの製造方法が用いられており、非常に高価なレンズとなってしまう。
　一方、波長３００ｎｍ以下の深紫外線を高透過率で透過させる物質として、従来は石英ガラスが用いられていたが、波長３００ｎｍ以下の深紫外線を高透過率で透過させるガラスも開発されている。この種のガラスの軟化点は、１０００℃以下であり、上記のような伝統的なガラスレンズの製造方法以外の製造方法によって所望するレンズ形状が得られる可能性がある（例えば、特許文献２参照）。
特開２０１７－５９７１６号公報 特開２００６－３１０３７５号公報
　ところで、上記特許文献１の発光モジュールでは、窓部材のうち、レンズ部やフランジ部の所定部分にマスキングが施され、マスキングされていない部分に対して、真空蒸着やスパッタリング等の方法によりチタン（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たメタライズ処理が施されている。しかしながら、微細な立体形状のレンズ部やフランジ部をマスキングすることには容易でない。ところが、マスキングが不十分となって適切なメタライズ処理が施されなければ、基板と窓部材との接合及び封止が不完全となる虞がある。紫外線、特に波長の短い深紫外線は、樹脂材料等を著しく劣化させるので、深紫外線を取り扱う発光素子を含む光モジュールのパッケージから深紫外線の漏れを防止する必要があり、パッケージの接合及び封止は、製品の信頼性に大きく影響する。
　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、石英ガラスよりも軟化点が低く、波長２５０～４００ｎｍ以下の光の平均透過率が高いガラスを用い、安価で簡易な工程で基板と光学部材とを接合させることができ、しかも封止性能が高い紫外線素子パッケージを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明は、紫外線を発光する発光素子と、前記発光素子が実装される基板と、前記発光素子と対向する位置に設けられる光学部材と、を備えた紫外線素子パッケージであって、前記光学部材は、軟化点が１０００℃以下で波長２５０～４００ｎｍの光に対する平均透過率が８０％以上であるガラスで形成されており、前記基板と対峙する面の外形形状が円形であり、前記光学部材と封止接合された金属製の台座を介して前記基板と接合され、前記台座は、前記光学部材が嵌装される平面視円形の上面開口部と、前記基板に実装された前記発光素子が収容される底面視略矩形の下面開口部と、を有することを特徴とする。
　上記紫外線素子パッケージにおいて、前記台座は、前記ガラスの熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有する金属で形成されていることが好ましい。
　上記紫外線素子パッケージにおいて、前記台座は、その表面に形成された酸化膜により前記光学部材と封止接合されていることが好ましい。
　上記紫外線素子パッケージにおいて、前記基板のうち前記台座との接合部には、メタライズ処理が施されたメタライズ部が形成されており、前記台座と前記メタライズ部とが金属プリフォームにより接合されることが好ましい。
　上記紫外線素子パッケージにおいて、前記下面開口部の上面側周縁と前記上面開口部の底面側周縁との間には、前記台座の上面及び底面と平行な平面から成り、前記光学部材を保持する保持部が形成されていることが好ましい。
　上記紫外線素子パッケージにおいて、前記光学部材は、光出射面が突出したドームレンズであることが好ましい。
　上記紫外線素子パッケージにおいて、前記光学部材は、光出射面が平坦なフラットレンズであってもよい。
　本発明によれば、溶融又は軟化したガラスペレットで光学部材を成形しているので、石英ガラスのインゴットを切削、研削する伝統的なガラスレンズの製造方法に比べて、製造工程を安価で、簡易化することができる。また、光学部材は、基板と対峙する面の外形形状が円形であり、光学部材が嵌装される台座の上面開口部は平面視円形なので、光学部材を構成するガラスを溶かして接合する際に、放射線状に広がるガラスを均等に引っ張り、保持する事により均一な厚みのガラスが成形され、その結果、封止性能の高い気密ガラスシール部を得ることができる。更に、光学部材の成形と同時に、金属の台座に光学部材を一体的に封止接合させるので、メタライズ処理のためのマスキングや金属蒸着工程が不要になる。また、光学部材と一体化された台座と、メタライズ処理された基板のメタライズ部を、金属プリフォームで接合することで、基板と光学部材とを気密接合させることができる。結果的に、低コストで、信頼性の高い紫外線素子パッケージを提供することができる。
（ａ）は本発明の一実施形態に係る紫外線素子パッケージの構成を示す分解斜視図、（ｂ）は完成斜視図。 （ａ）は上記実施形態の変形例に係る紫外線素子パッケージの構成を示す分解斜視図、（ｂ）は完成斜視図。 上記紫外線素子パッケージに用いられる光学部材を構成するガラスの透過率分布を示すグラフ。 （ａ）は上記紫外線素子パッケージに用いられる台座の斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ－Ａ線断面図。 （ａ）～（ｆ）は上記紫外線素子パッケージの製造方法を示す工程図であり、特に台座と一体化された光学部材の製造工程を示す図。 （ａ）は上記紫外線素子パッケージの製造方法を示す工程図であり、（ｂ）は特に第２段階としての基板と台座と一体化された光学部材の接合工程を示す図。
　本発明の一実施形態に係る紫外線素子パッケージについて、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る紫外線素子パッケージ１の構成を示す。図１（ａ）（ｂ）に示すように、紫外線素子パッケージ１は、深紫外線を発光する発光素子２と、発光素子２が実装される基板３と、発光素子２と対向する位置に設けられる光学部材４と、を備える。光学部材４は、光学部材４と封止接合された金属製の台座５を介して基板３と接合される。
　発光素子２は、波長４００ｎｍ以下の紫外線を発光する紫外線素子であり、好ましくは、紫外線殺菌に高い効果を有する波長２８０ｎｍ以下の深紫外線を発光する深紫外線素子である。また、発光素子２は、例えば、サファイア基板上に単一のＬＥＤ構造が形成された単一のチップであってもよいし、サファイア基板上に複数のＬＥＤ構造が形成された集積型のチップであってもよい（図例）。
　基板３は、平面視で略正方形であり、例えば、窒化アルミに回路を形成したサブマウント基板を母材３１とし、回路は、発光素子２の形態に応じて形成されており、例えば、フリップチップ型、ワイヤボンディング型等が挙げられる。なお、図例では、母材３１上にメタライズ処理が施された素子接合部３２が形成されており、２つの素子接合部３２を跨ぐように発光素子２が配置される構成を示している。また、基板３の周縁に台座５が接合され、この接合部には、金メッキ又は金蒸着等によるメタライズ処理が施されたメタライズ部３３が形成されている。素子接合部３２とメタライズ部３３との間には、絶縁部分が存在する。
　光学部材４は、基板３と対峙する面の外形形状が円形であり、図１（ａ）（ｂ）に示す構成では、発光素子２からの光が入射する光入射面４１が平坦であり、光が出射される光出射面４２が突出したドームレンズとなっている（後述する図６（ａ）も参照）。図例では、光出射面４２を球面形状とした構成を示すが、非球面であってもよい。なお、光学部材４は、基板３と対峙する面の外形形状が円形であればよく、例えば、図２（ａ）（ｂ）に示す変形例のように、光学部材４の光出射面４２が平坦であるフラットレンズであってもよい。ドームレンズは、集光的に作用するので、発光素子２から出射された光（深紫外線）の配光が狭い器具等に適した紫外線素子パッケージで用いられる。一方、フラットレンズは、集光的に作用しないので、発光素子２から出射された光（深紫外線）の配光が広い器具等に適した紫外線素子パッケージで用いられる。
　光学部材４は、例えば、軟化点が１０００℃以下で、図３に示すように、波長２５０～４００ｎｍの光に対して、厚み０．４ｍｍの資料における平均透過率が８０％以上であるガラスで形成されている。このガラスの成分としては、ＳｉＯ２及びＢ２Ｏ３を主体とし、更に、例えば、Ａｌ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｌａ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ等、を含有する。
　図４（ａ）乃至（ｃ）に示すように、台座５は、その外形形状として平面視略矩形であり、所定の厚みを有する板状の金属部材であり、光学部材４が嵌装される平面視円形の上面開口部５１と、基板３に実装された発光素子２が収容される底面視略矩形の下面開口部５２と、を有する。台座５は、上面、底面及び４側面を有し、隣り合う側面により成される稜角部は、緩やかな丸みを帯びるように面取りされている。
　上面開口部５１は、台座５の上面から円筒状に彫り込まれた穴により形成され、下面開口部５２は、台座５の底面から略角筒状に彫り込まれた穴により形成される。上面開口部５１と下面開口部５２とは、断面視において、台座５の厚みの略中間位置よりも上面に近い位置で繋がっている。また、平面視において、上面開口部５１の開口径は、下面開口部５２の開口の対角線の長さと概ね等しく、下面開口部５２の開口の向かい合う辺の間隔よりも短い。そのため、下面開口部５２の上面側周縁と上面開口部５１の底面側周縁との間には、上面及び底面と平行な平面から成り、前記光学部材を保持する保持部５３が形成され、光学部材４の光入射面４１側の周縁が、この保持部５３によって下支えされる（図６（ａ）も参照）。
　台座５は、光学部材４を構成するガラスの熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有する金属で形成されている。ガラス及び台座５の熱膨張係数は、例えば、常温で４．５×１０－６Ｋ－１程度であり、台座５の材料としては、例えば、厚さ０．１～０．２ｍｍ程度のコバール（Korver）を使用することができる。コバールは、鉄とニッケル及びコバルト等の合金であり、硬質ガラスの接着に使用される一般的な材料である。コバールの融点は１４５０℃程度であり、ガラスの融点よりも高い。基板３と光学部材４とは、金属の台座５と、基板３の周縁のメタライズ部３３とを、金属プリフォーム６で溶接することで接合される。金属プリフォーム６は、金・スズといった貴金属を含む薄い金属（合金）を接合部分の形状に成形したものである。
　次に、紫外線素子パッケージ１の製造方法について、図５及び図６を参照しつつ説明する。図５は、紫外線素子パッケージ１の製造方法における第１段階として、紫外線素子パッケージ１に用いられる光学部材４の製造方法であり、台座５と一体的に封止接合された光学部材４の製造工程を示す。また、図６は、紫外線素子パッケージ１の製造方法における第２段階として、基板３と光学部材４との接合工程を示す。
　紫外線素子パッケージ１の製造方法において、光学部材４は、ガラスを加熱し、溶融又は軟化させた後、所定の型（治具）で圧縮成形される。図５（ａ）に示すように、固定された治具２０の上面には、台座５の下面開口部５２に対応する窪み２１が形成されている。この窪み２１は、周縁が台座５の内周面に対応するように、大きく彫り込まれ、中央部は、台座５の保持部５３と同平面を成すように平坦になっており、この中央部の平坦面が、光学部材４の光入射面４１の形状として転写される。
　そして、図５（ｂ）に示すように、台座５が、この窪み２１に嵌装される。ここで、台座５には酸化処理が施され、その表面には酸化膜が形成されている。治具２０は、例えば、カーボンパウダーを図示したような所定形状に圧縮成形したものである。次に、棒状で供給されるガラスを、所定サイズ（所定体積又は所定重量）のガラスペレット１０に切断し、図５（ｃ）に示すように、台座５の中心とガラスペレット１０の中心が一致するように、台座５の上面開口部５１及び治具２０上にガラスペレット１０を載置する。
　次に、図５（ｄ）に示すように、台座５及びガラスペレット１０が載置された治具２０と、成形すべきレンズ形状に対応する曲面を有する窪み２２が形成された可動式の治具２３とを、第１加熱炉４０内に収納し、窒素ガス環境下においてガラスの軟化点よりも高い第１の温度（例えば１０００℃）に加熱する。なお、図５（ｄ）では、ガラスペレット１０が溶融又は軟化した状態を描いている。治具２３も、例えば、カーボンパウダーを図示のような所定形状に圧縮成形したものであり、治具２０の窪み２１の中心と治具２３の窪み２２の中心が一致するように、治具２０及び治具２３が夫々配置されている。
　ガラスペレット１０が、コンプレッション成形可能な程度に溶融又は軟化されると、図５（ｅ）に示すように、可動式の治具２３を治具２０に向かって徐々に下降させ、窪み２２の表面によってガラスペレット１０を加圧変形させる。それによって、溶融したガラスペレット１０の表面に窪み２２の曲面が転写され、これが光学部材４の光出射面４２となる（図６（ａ）参照）。また、ガラスペレット１０が溶融した時、台座５の表面に形成された酸化膜により、台座５とガラスとの濡れ性が良くなり、ガラス・金属界面の密着性が向上し、封止（ハーメチック）接合され、これらの境界線が、気密ガラスシール部ＧＳとなる。なお、気密ガラスシール部ＧＳは、それ自体には殆ど厚みが無く、図６（ａ）では、説明のために気密ガラスシール部ＧＳを誇張して図示しておいる。
　次に、治具２３を所定時間所定圧力で治具２０に押しつけて光学部材４を圧縮成形した後、第１加熱炉４０内の温度を低下させ、治具２０、治具２３、成形された光学部材４及び台座５が冷却される。ここで、上述したように、台座５の材料と光学部材４の熱膨張係数が略同じなので、冷却の際、光学部材４と台座５とは略同じ割合で収縮する。そのため、光学部材４と台座５とが分離することはなく、冷却後であっても光学部材４と台座５は一体的に封止接合されている。そして、常温に冷却した後、第１加熱炉４０から治具２０、治具２３及び光学部材４及び台座５を取り出し、治具２３を治具２０から分離する。それによって、図５（ｆ）に示すように、封止接合された光学部材４及び台座５が得られる。
　ここで、本実施形態の紫外線素子パッケージ１においては、光学部材４は、基板３と対峙する面の外形形状が円形であり、台座５は、光学部材４が嵌装される平面視円形の上面開口部５１を有する。すなわち、台座５とガラスとの境界線である気密ガラスシール部ＧＳが円形になる。そのため、円盤状（円柱）のガラスペレットを酸化させた台座５（治具２０）に乗せて、ガラスを溶かして接合する際に、上面開口部５１が円形であれば、放射線状に広がるガラスを均等に引っ張り、保持することによって、均一な厚みのガラスが成形される。これは、潜水艦や航空機では、水圧や気圧に耐えるために胴体が丸く設計されていることからも、容易に想像できよう。仮に、上面開口部５１が、円形でない、例えば、四角形であれば、例え断面が四角形になるよう加工したガラスペレットを用いたとしても、ガラスが溶けた時に均一に引っ張られないので、ガラスの厚みが不均一になり、気密ガラスシール部に穴が空くこともあり得る。これに対して、本実施形態では、台座５の上面開口部５１が円形なので、均一な厚みでガラスが成形され、穴が無く封止性能の高い気密ガラスシール部ＧＳを得ることができる。
　気密ガラスシール部ＧＳは、台座５の上面開口部５１の内側面と、これと接する光学部材４の外側面との境界に形成される。また、本実施形態では、台座５は、下面開口部５２の上面側周縁と上面開口部５１の底面側周縁との間には保持部５３が設けられているので、気密ガラスシール部ＧＳは、この保持部５３の上面と光学部材４の底面との境界にも形成される。すなわち、気密ガラスシール部ＧＳが、上面開口部５１の内側面に沿った鉛直面だけでなく、保持部５３に沿った水平面にも形成されるので、封止性能を更に高めることができる。また、光学部材４が保持部５３で支持されるので、光学部材４が外部から押圧されても、光学部材４が発光素子２側へ押し込まれることもなく、耐久性を向上させることができる。
　また、光学部材４及び台座５は、別途の加熱炉（不図示）に収納し、酸素を含む空気環境下においてガラスの軟化点よりも高く、第１の温度（例えば、１０００℃）よりも低い第２の温度（例えば、８００℃）に再加熱されることが好ましい。この再加熱処理により、カーボンパウダーの転写によるシボ加工状の光学部材４の表面が、再溶融又は再軟化されると、表面張力によって溶融又は軟化したガラスが凸部から凹部に異動し、光学部材４の表面の凹凸が徐々に均され、平滑化される。すなわち、簡易な再加熱処理により、レンズの表面を熱研磨することで、レンズの表面を鏡面仕上げとすることができる。
　光学部材４及び台座５を接合させた後、台座５のうちガラスと接合していない面の酸化膜が、洗浄、除去される。また、コバールによって形成された台座５は、錆防止のために、ニッケルメッキが施され、更に、基板３との接合のために、金メッキが施される。なお、これらのメッキ処理は、台座５が光学部材４と封止接合された後に行われるが、ガラス製の光学部材４は絶縁体なので、光学部材４の表面にめっきが施されることはない。しかし、光学部材４もめっき液に浸されるので、光学部材４を構成するガラスは、耐酸性に優れたもの等の薬剤耐性の高いものであることが好ましい。台座５と接合された光学部材４は、それ自体が独立して製造及び商取引され得るものであり、以下に説明する基板３との接合工程は、光学部材４の製造者と異なる製造者によって実施されてもよい。
　次に、図６（ａ）に示すように、発光素子２が実装された基板３を用意し、この基板３と、上述した工程で形成された台座５と封止接合された光学部材４との間に、金・錫又は金・ゲルマニウムといった貴金属を含む合金等で形成された金属プリフォーム６を配置し、基板３側のメタライズ部３３及び台座５の下面とが略密着するように、位置合わせを行う。そして、図６（ｂ）に示すように、基板３、金属プリフォーム６及び光学部材４を、第２の加熱炉５０内で、少なくとも金属プリフォーム６の溶融温度（２００～４００℃）以上の温度まで加熱し、それらを溶接する。そして、金属プリフォーム６の溶融温度以下の温度まで冷却することで、金属プリフォーム６が硬化して、光学部材４と一体化された台座５と、及び基板３の周壁のメタライズ部３３とが無機材料（プリフォーム）により接合される。
　台座５は、光学部材４の基板３に対向する側の下面のうち、基板３のメタライズ部３３に接合される部分に一体的に封止接合されている。そのため、台座５の下面と基板３のメタライズ部３３とが、金属プリフォーム６により密着接合されると、基板３、台座５の下面開口部５２と光学部材４の光入射面４１とで形成される空間は、密閉されて外部とは遮断される。その結果、発光素子２から出力される深紫外線は、基板３と光学部材４の接合部の隙間から漏れることもなく、外部からのガス、水分等の侵入を防止でき、発光素子２を保護し、製品寿命を長くすることができる。また、紫外線素子パッケージ１の周囲に存在する樹脂製品等に悪影響を与えることもない。
　ところで、図５に示す台座５と一体的に接合された光学部材４の製造工程において、治具２０及び治具２３は、それぞれカーボンパウダーを圧縮して形成されたものを用いている。そのため、図５（ｆ）において成形された光学部材４の表面には、微小なカーボンパウダーの形状が転写されてシボ加工状になっており、いわゆるつや消し処理がなされたような状態になっている。また、光学部材４の表面に、剥離したカーボンパウダーが付着している場合もあり得る。そこで、図５（ｆ）に示す工程の後、成形された光学部材４の表面を洗浄し付着したカーボンパウダーを除去する洗浄工程を設けてもよい。具体的には、塩酸、フッ化水素水、脱イオン水等を用いて光学部材４の表面を洗浄する。洗浄後に光学部材４の表面を研磨するために再度加熱し表面を溶かして、熱研磨（サーマルポリッシュ）を行うことが望ましい（不図示）。
　なお、発光素子２から出射された深紫外線を拡散して照射したい場合、光学部材４の表面に凹凸が残っていた方がよい場合もある。その場合は、図５（ｆ）で示した熱研磨を中止することによって表面に凹凸の残った状態になる。
　以上説明したように、本発明によれば、軟化点が１０００℃以下で、波長２５０～４００ｎｍの光に対する平均透過率が８０％以上であるガラスを用い、溶融又は軟化したガラスペレット１０に治具２３を押しつけて光学部材４を加圧成形しているので、製造工程数が少なく、且つ、工程自体が簡単である。また、光学部材４の成形と同時に、台座５が光学部材４に一体的に接合されているため、メタライズ処理のためのマスキングや蒸着工程が不要になる。更に、光学部材４と一体化された台座５と、メタライズ処理された基板３の周壁のメタライズ部３３とは、互いの接合面が金属となるので、金属プリフォーム６を用いることで、容易に無機材料（プリフォーム）で接合でき、製造工程を更に簡単にすることができる。結果的に、低コストで、信頼性の高い紫外線素子パッケージ１を提供することができる。また、ガラスの材料は、上記で例示したものに限定されず、更に波長の短い深紫外線（例えば２６５ｎｍ）等に対する透過率が８０％よりも低くても、実用上十分な透過率（例えば７０％以上）を有するものであってもよい。
　１　　紫外線素子パッケージ
　２　　発光素子
　３　　基板
　３３　　メタライズ部
　４　　光学部材（ドームレンズ、フラットレンズ）
　４２　　光出射面
　５　　台座
　５１　　上面開口部
　５２　　下面開口部
　５３　　保持部
　６　　金属プリフォーム

Claims (7)

  1. 　紫外線を発光する発光素子と、前記発光素子が実装される基板と、前記発光素子と対向する位置に設けられる光学部材と、を備えた紫外線素子パッケージであって、
    　前記光学部材は、軟化点が１０００℃以下で波長２５０～４００ｎｍの光に対する平均透過率が８０％以上であるガラスで形成されており、前記光学部材と封止接合された金属製の台座を介して前記基板と接合され、
    　前記台座は、前記光学部材が嵌装される平面視円形の上面開口部と、前記発光素子が収容される底面視略矩形の下面開口部と、を有することを特徴とする紫外線素子パッケージ。
  2. 　前記台座は、前記ガラスの熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有する金属で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の紫外線素子パッケージ。
  3. 　前記台座は、その表面に形成された酸化膜により前記光学部材と封止接合されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の紫外線素子パッケージ。
  4. 　前記基板のうち前記台座との接合部には、メタライズ処理が施されたメタライズ部が形成されており、
    　前記台座と前記メタライズ部とが金属プリフォームにより接合されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の紫外線素子パッケージ。
  5. 　前記下面開口部の上面側周縁と前記上面開口部の底面側周縁との間には、前記台座の上面及び底面と平行な平面から成り、前記光学部材を保持する保持部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の紫外線素子パッケージ。
  6. 　前記光学部材は、光出射面が突出したドームレンズであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の紫外線素子パッケージ。
  7. 　前記光学部材は、光出射面が平坦なフラットレンズであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の紫外線素子パッケージ。
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