JP6668022B2 - 発光モジュールおよび発光モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

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（Ａｌ_２Ｏ_３）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（ＳｉＯ_２）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（Ｎ_２）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（Ｎ_２）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（ＳｉＯ_２）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）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。

Claims (10)

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、
   前記フランジ部は、前記封止部と接合される接合部と、前記レンズ部および前記接合部の間をつなぐ接続部とを有し、前記フランジ部の突出方向と直交する方向の前記接続部の厚さが前記接合部の厚さより小さく、前記接合部は、前記パッケージ基板の上面と対向し、前記接続部は、前記パッケージ基板の上面から離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１または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１から４のいずれか一項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１から４のいずれか一項に記載の発光モジュール。
7. 前記レンズ部は球体であり、球の中心が前記フランジ部より外側に位置することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の発光モジュール。
8. 前記接合部は、前記上面と対向する接合面を有し、前記接合面にチタン（Ｔｉ）／銅（Ｃｕ）／ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層膜またはクロム（Ｃｒ）／Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕの積層膜が形成されており、
   前記封止部は、金錫（ＡｕＳｎ）または銀錫（ＡｇＳｎ）の合金を含み、前記接合面との間で共晶結合を形成することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の発光モジュール。
9. 前記接続部は、前記封止部と接合するためのメタライズ処理が施されていないことを特徴とする請求項８に記載の発光モジュール。
10. 溶融石英を材料として、請求項１から９のいずれか一項に記載の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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