JP6920433B2

JP6920433B2 - 透明封止部材

Info

Publication number: JP6920433B2
Application number: JP2019529361A
Authority: JP
Inventors: 芳郎菊池; 宏之柴田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2017-07-11
Filing date: 2017-07-11
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-07-11
Also published as: WO2019012608A1; JPWO2019012608A1

Description

本発明は、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ(半導体レーザー)等の光学部品に用いられる透明封止部材に関する。

近時、殺菌や浄化用途に紫外線を出射する発光素子（紫外線ＬＥＤ）を用いる方式が普及しつつある。紫外線ＬＥＤデバイスには、発光素子を外気や水分から保護するために、透明封止部材が必要である。この透明封止部材には紫外線に対する透過性や耐久性の観点からガラスや石英ガラスが使用される。

特開２０１５−０７４５８９号公報には、溶融ガラスをインゴットに成形し、当該インゴットから適当な大きさの硝材を切り出して、研磨加工を施すことにより、紫外線発光素子用カバーガラスを得ることが記載されている。

なお、特開２０１６−１５７９０５号公報には、透光性基板であるアルミナ基板の光拡散性を向上させるために、アルミナ基板の内部に気泡を分布させることが記載されている。

しかしながら、特開２０１５−０７４５８９号公報に記載の技術は、切り出して硝材に研磨加工を施して紫外線発光素子用カバーガラスを作製するようにしている。そのため、カバーガラスから出射される紫外光の拡散に、多数の研磨溝に起因した異方性が現れ、殺菌効果や浄化効果に偏りが生じるという問題がある。また、研磨加工では、研磨によって生じた傷等からクラックが入り易いという問題がある。

特開２０１６−１５７９０５号公報に記載の技術は、アルミナ基板内に多数の気泡が分布しているため、入射光を拡散させて出射させるには都合がよい。しかし、アルミナの気泡による拡散は、厚みによっても拡散の程度が変化するため、拡散の程度を制御することが困難であった。また、アルミナ基板の厚みを大きくするにつれて光の進行が気泡によって遮られ、光透過率が低下するという問題がある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、光学素子からの紫外光を、ほとんど異方性のない状態で拡散させることができると共に、厚みの大きい形状に形成しても光透過率を低下をもたらすことなく、光を拡散することができる透明封止部材を提供することを目的とする。

［１］本発明に係る透明封止部材は、少なくとも１つの光学素子と、前記光学素子が実装された実装基板とを有する光学部品に用いられ、前記実装基板と共に前記光学素子を収容するパッケージを構成する透明封止部材であって、前記透明封止部材は、少なくとも前記光学素子からの光が出射する表面に微小凹部を有し、各前記微小凹部の平均幅が１μｍ以上２０μｍ以下であって、且つ、各前記微小凹部の平均深さが５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、前記微小凹部の平均存在頻度が１ｍｍ^２当たり、０．５万個以上１０万個以下であることを特徴とする。

本発明は、少なくとも光学素子からの光が出射する表面に、微小凹部を有することから、光学素子から出射された光は、表面の微小凹部によって拡散されて出射されることになる。光の拡散角は、通常の透明封止部材、すなわち、外形形状は同じであるが、上述の微小凹部がない透明封止部材よりも大きくなる。

これにより、例えば液体が貯留、あるいは供給される槽内に、例えば紫外光を照射する場合、液体への紫外光の照射範囲を広げることができ、液体に対する殺菌効果や浄化効果を高める上で有利となる。

［２］本発明において、材質が石英ガラスであることが好ましい。

［３］本発明において、波長が２８０ｎｍの紫外光の全光線透過率／直線透過率で示される出射光の拡散性が１．５以上であることが好ましい。さらに好ましくは７以上、特に好ましくは９以上である。

［４］本発明において、少なくとも前記光学素子からの光が出射する表面の表面粗さＲａが０．０５〜０．５μｍであることが好ましい。

［５］本発明において、前記光学素子からの光の出射する方向に関する厚みが前記パッケージの高さの５０％以上９５％以下であることが好ましい。これにより、液体が貯留、あるいは供給される槽内に、透明封止部材を封止した光学部品から光を照射する場合、透明封止部材から出射される光の拡散角が大きいことから、槽内での光の非照射領域が狭くなり、液体への光の照射範囲を広げることができる。

［６］本発明において、透明封止部材は、前記実装基板と対向する部位に凹部が形成されていてもよい。これにより、透明封止部材の凹部内に光学素子を収容することができ、実装基板の低背化並びに光学部品の低背化を図ることができる。従って、例えば液体が貯留、あるいは供給される槽内に、透明封止部材を封止した光学部品から光を照射する場合、低背化された光学部品から出射される光の拡散角が大きいことから、槽内での光の非照射領域が狭くなり、液体への光の照射範囲を広げることができる。

以上説明したように、本発明に係る透明封止部材によれば、光学素子からの紫外光を、ほとんど異方性のない状態で拡散させることができると共に、厚みの大きい形状に形成しても光透過率の低下をもたらすことなく、光を拡散することができる。

図１Ａは本実施の形態に係る透明封止部材を示す縦断面図であり、図１Ｂは透明封止部材が封止されて構成された光学部品の一例を示す縦断面図である。透明封止部材の表面に形成された微小凹部を模式的に示す説明図である。図３Ａは微小凹部の開口部分における最大幅の一例を示す説明図であり、図３Ｂは微小凹部の開口部分における予め設定された特定方向の幅の一例を示す説明図である。図４Ａは微小凹部の最大深さの一例を示す説明図であり、図４Ｂは微小凹部を予め設定された特定方向に沿って切断した面の最大深さの一例を示す説明図である。液体が貯留、あるいは供給される槽内に、透明封止部材を用いて封止した光学部品から紫外光を照射した状態を模式的に示す断面図である。図６Ａは第１透明封止部材を有する第１光学部品を示す斜視図であり、図６Ｂは第１光学部品の縦断面図である。図７Ａは第２透明封止部材を有する第２光学部品を示す斜視図であり、図７Ｂは第２光学部品の縦断面図である。図８Ａは液体が貯留、あるいは供給される槽内に、第１透明封止部材を封止した第１光学部品から紫外光を照射した状態を模式的に示す断面図である。図８Ｂは液体が貯留、あるいは供給される槽内に、第２透明封止部材を封止した第２光学部品から紫外光を照射した状態を模式的に示す断面図である。サンプル１の１つの検査対象領域に対して３本のラインプロファイルを取得するための３つのラインの例を示す説明図である。図１０Ａ〜図１０Ｃは、サンプル１の１つの検査対象領域のラインＬ１〜Ｌ３から取得した３つのラインプロファイルの一例を示すグラフである。実施例１、２及び３並びに比較例１における製法、シリカ粉末の平均粒径、焼成温度、微小凹部の大きさ、微小凹部の個数及び表面粗さを示す表１である。実施例１、２及び３並びに比較例１における製法、シリカ粉末の平均粒径、焼成温度、直線透過率及び全光線透過率及び拡散性を示す表２である。

以下、本発明に係る透明封止部材の実施の形態例を図１Ａ〜図１２を参照しながら説明する。

本実施の形態に係る透明封止部材１０は、図１Ａに示すように、例えば平板状に形成されている。透明封止部材１０の外形形状は、例えば円筒状、四角形状、多角筒状等である。透明封止部材１０は例えば石英ガラスにて構成される。

この透明封止部材１０は、図１Ｂに示すように、例えば紫外光２１を出射する少なくとも１つの光学素子１２と、光学素子１２が実装された実装基板１４とを有する光学部品１６に用いられ、実装基板１４と共に光学素子１２を収容するパッケージ１８を構成する。

実装基板１４は、上面開口の凹部２０を有し、凹部２０の底部に光学素子１２が実装される。透明封止部材１０は、実装基板１４の凹部２０の上面開口を閉塞するように、実装基板１４に封止される。実装基板１４は例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）にて構成される。

光学素子１２は、図示しないが、例えばサファイヤ基板（熱膨張係数：７．７×１０^−６／℃）上に、量子井戸構造を具備したＧａＮ系結晶層が積層されて構成されている。光学素子１２の実装方法としては、例えば光出射面１２ａを透明封止部材１０に対面させて実装する、いわゆるフェイスアップ実装を採用することができる。すなわち、光学素子１２から導出された端子（図示せず）と、実装基板１４上に形成された回路配線（図示せず）とを例えばボンディングワイヤ（図示せず）にて電気的に接続される。もちろん、光出射面１２ａを実装基板１４に対面させて実装する、いわゆるフリップチップ実装も好ましく採用することができる。

そして、図２に示すように、透明封止部材１０は、少なくとも光学素子１２からの紫外光２１（図１Ｂ参照）が出射する表面１０ａに、多数の微小な凹部（以下、微小凹部２２と記す）を有する。各微小凹部２２の平均幅Ｗは１μｍ以上２０μｍ以下であって、且つ、各微小凹部２２の平均深さＨは５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。また、微小凹部２２の平均存在頻度は１ｍｍ^２当たり、０．５万個以上１０万個以下である。紫外光２１が出射する表面１０ａの表面粗さＲａは０．０５〜０．５μｍである。

微小凹部２２の平均幅Ｗは、測定対象の複数の微小凹部２２について、例えば以下の（Ａ）、（Ｂ）等で示す幅を測定し、測定した幅の合計を、測定した微小凹部２２の個数で割ることで求めることができる。なお、微小凹部２２の最小幅は、測定した複数の微小凹部２２の幅のうち、最も小さい幅を指し、微小凹部２２の最大幅は、測定した複数の微小凹部２２の幅のうち、最も大きい幅を指す。

（Ａ）各微小凹部２２の開口部分における最大幅Ｗａ（図３Ａ参照）。
（Ｂ）各微小凹部２２の開口部分における予め設定された特定方向Ｄの幅Ｗｃ（図３Ｂ参照）

微小凹部２２の平均深さＨは、測定対象の複数の微小凹部２２について、例えば以下の（ａ）、（ｂ）等で示す深さを測定し、測定した深さの合計を、測定した微小凹部２２の個数で割ることで求めることができる。なお、微小凹部２２の最小深さは、測定した複数の微小凹部２２の深さのうち、最も小さい深さを指し、微小凹部２２の最大深さは、測定した複数の微小凹部２２の深さのうち、最も大きい深さを指す。

（ａ）各微小凹部２２の最も大きい深さＨａ（図４Ａ参照）
（ｂ）各微小凹部を予め設定された特定方向Ｄに沿って切断した面Ｓの最も大きい深さＨｂ（図４Ｂ参照）

このような形状の透明封止部材１０の製法は、粉末焼結法を好ましく採用することができる。例えば成形型にシリカ粉体と有機化合物とを含む成形スラリーを鋳込み、有機化合物相互の化学反応、例えば分散媒と硬化剤若しくは硬化剤相互の化学反応により固化させた後、成形型から離型する。その後、焼成することによって、透明封止部材１０を作製することができる。

透明封止部材１０の寸法としては、高さが０．１〜１０ｍｍ、外径が３．０〜１０ｍｍである。なお、光学素子１２の寸法としては、厚みが０．００５〜０．５ｍｍ、図示しないが、上面から見た縦の寸法が０．５〜２．０ｍｍ、横の寸法が０．５〜２．０ｍｍである。

このように、本実施の形態に係る透明封止部材１０は、少なくとも光学素子１２からの紫外光２１が出射する表面１０ａに微小凹部２２を有する。各微小凹部２２の平均幅Ｗは、１μｍ以上２０μｍ以下であって、且つ、各微小凹部２２の平均深さＨは、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。そのため、図１Ｂに示すように、光学素子１２から出射された紫外光２１は、表面１０ａの微小凹部２２によって拡散されて出射されることになる。光学素子１２からの紫外光２１の拡散角θ１は、光学素子１２の構造（例えばＬＥＤ構造）にも寄るが、通常、１２０〜１５０°である。

そして、通常の透明封止部材からの紫外光２１の拡散角θ２は、上記拡散角θ１と同じであるが（θ１＝θ２）、上述した本実施の形態に係る透明封止部材１０からの紫外光２１の拡散角θ２は、上記拡散角θ１よりも大きくなる（θ１＜θ２）。

これにより、例えば図５に示すように、液体２４が貯留、あるいは供給される槽２６内に、透明封止部材１０を封止した光学部品１６から紫外光２１を照射する。この場合、上述したように、透明封止部材１０から出射される紫外光２１の拡散角θ２が大きいことから、槽２６内での紫外光２１の非照射領域２８が狭くなる。すなわち、液体２４への紫外光２１の照射範囲３０を広げることができ、液体２４に対する殺菌効果や浄化効果を高める上で有利となる。

しかも、透明封止部材１０内に積極的に気泡を含ませることをしていないため、紫外光２１の拡散の程度を透明封止部材１０の厚みに寄らず制御することができる。すなわち、透明封止部材１０の内部の気泡が少ないため、透明封止部材１０の内部での紫外光２１の拡散は少なく、主に微小凹部２２がある透明封止部材１０の表面１０ａで紫外光２１を拡散させることができる。

ここで、液体２４への紫外光２１の照射範囲３０を広げることができる他の構成例（第１透明封止部材１０Ａ及び第２透明封止部材１０Ｂ）について図６Ａ〜図７Ｂを参照しながら説明する。

第１透明封止部材１０Ａは、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、実装基板１４の凹部２０を塞ぐ透明製の台座４０と台座４０の上面に形成された円柱状の透明体４２とが一体に形成されて構成されている。この場合、透明体４２の内部の気泡が少ないため、図６Ｂで図示された紫外光２１の進行経路に示すように、透明体４２の内部において、紫外光２１の拡散は少なく、主に微小凹部２２がある表面で紫外光２１を拡散させることができる。また、第１透明封止部材１０Ａの高さｈａ、すなわち、光学素子１２からの紫外光２１の主出射方向ｄｍに関する厚みｔａがパッケージ１８の高さｈｐの５０％以上９５％以下である。つまり、第１透明封止部材１０Ａの厚みを大きくして、紫外光２１の拡散させる表面の高さを高くしている。

第２透明封止部材１０Ｂは、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、例えばドーム状に形成され、実装基板１４と対向する部位に凹部４４が形成されている。そのため、実装基板１４として、板状の実装基板１４を使用することができる。この場合も、透明体４２の内部の気泡が少ないため、図７Ｂで図示された紫外光２１の進行経路に示すように、透明体４２の内部において、紫外光２１の拡散は少なく、主に微小凹部２２がある表面で紫外光２１を拡散させることができる。

上述した図６Ａ及び図６Ｂに示す第１透明封止部材１０Ａによれば、以下のような効果を奏する。すなわち、図８Ａに示すように、液体２４が貯留、あるいは供給される槽２６内に、第１透明封止部材１０Ａを封止した第１光学部品１６Ａから紫外光２１を照射する。この場合、第１透明封止部材１０Ａから出射される紫外光２１の拡散される表面の高さが高いことから、槽２６内での光の非照射領域２８が狭くなり、液体２４への紫外光２１の照射範囲３０を広げることができる。

一方、図７Ａ及び図７Ｂに示す第２透明封止部材１０Ｂによれば、以下のような効果を奏する。すなわち、第２透明封止部材１０Ｂの凹部４４内に光学素子１２を収容することができる。また、実装基板１４の低背化並びに第２透明封止部材１０Ｂを封止した第２光学部品１６Ｂの低背化を図ることができる。従って、図８Ｂに示すように、低背化された第２光学部品１６Ｂから出射される紫外光２１の拡散される表面の高さが高い。これにより、上記槽２６内に、第２光学部品１６Ｂから紫外光２１を照射する場合、槽２６内での紫外光２１の非照射領域２８が狭くなり、液体２４への紫外光２１の照射範囲３０を広げることができる。

次に、実施例１、２及び３並びに比較例１について、紫外光の拡散状態を確認した。

［実施例１（サンプル１）］
実施例１（サンプル１）に係る透明封止部材は、図１Ａに示す透明封止部材１０と同様の構成を有する。

（透明封止部材の作製）
サンプル１に係る透明封止部材の製造方法は以下の通りである。すなわち、原料粉末として平均粒径０．５μｍのシリカ粉末１００質量部、分散剤としてカルボン酸共重合体２質量部、分散媒としてマロン酸ジメチル４９質量部、エチレングリコール４質量部、硬化剤として４’４−ジフェニルメタンジイソシアネート４質量部、及び触媒としてトリエチルアミン０．４質量部を混合したスラリーを調製した。

このスラリーを金属製の金型内に室温で流し込み、室温で一定時間放置した。次いで、金型から成形体を離型した。さらに、室温、次いで、９０℃のそれぞれの温度にて一定時間放置して、シリカ粉末乾燥体を得た。なお、原料粉末の平均粒径は、堀場製作所製レーザー回折散乱式粒度分布測定装置ＬＡ−７５０を用いて測定した。

作製したシリカ粉末成形体を、大気中５００℃で仮焼した後、水素雰囲気中で１４００〜１５００℃の温度で焼成し、緻密化及び透明化させて透明封止部材を作製した。透明封止部材１０の外径は３．５ｍｍ角であり、高さは０．５ｍｍである。

［実施例２（サンプル２）］
実施例２（サンプル２）に係る透明封止部材は、作製したシリカ粉末乾燥体を、大気中５００℃で仮焼した後、水素雰囲気中でサンプル１よりも１００℃高い温度で焼成したこと以外は、サンプル１と同様にして作製した。

［実施例３（サンプル３）］
実施例３（サンプル３）に係る透明封止部材は、原料粉末として平均粒径３μｍのシリカ粉末を用いたこと以外は、サンプル１と同様にして作製した。

［比較例１（サンプル４）］
比較例１（サンプル４）に係る透明封止部材は、作製したシリカ粉末乾燥体を、大気中５００℃で仮焼した後、水素雰囲気中でサンプル１よりも１９０℃高い温度で焼成したこと以外は、サンプル１と同様にして作製した。

＜評価方法＞
（微小凹部の大きさ）
１サンプルにつき、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）によるＡＦＭ表面像を５枚取得した。各ＡＦＭ表面像からそれぞれ３本のラインプロファイルを取得し、その中から任意の２０個の微小凹部２２を抽出した。すなわち、１サンプルにつき、（２０個／ＡＦＭ表面像１枚）×ＡＦＭ表面像５枚＝１００個の微小凹部２２を抽出した。そして、１サンプルにつき、１００個の微小凹部２２の平均幅及び平均深さを取得した。

図９に、サンプル１の１つの検査対象領域Ｚに対して３本のラインプロファイルを取得するための３つのラインＬ１、Ｌ２及びＬ３の例を示し、図１０Ａ〜図１０Ｃに、取得した３つのラインプロファイルを示す。

（微小凹部２２の平均存在頻度）
１サンプルにつき、ＡＦＭ表面像を５枚取得した。各ＡＦＭ表面像について、任意に設定した４か所の検査対象領域Ｚ内にある微小凹部２２を計数し、それぞれの計数値を１ｍｍ^２当たりの個数に換算した。そして、各サンプルについて、微小凹部２２の平均個数を取得した。なお、検査対象領域Ｚの大きさは５〜１００μｍ角であり、微小凹部２２が少なくとも５個存在する領域を選択した。

（表面粗さ）
表面粗さＲａは、ＡＦＭ表面像を用いて測定した。

（直線透過率及び全光線透過率の測定）
各サンプルについて、分光光度計（日本分光製）を用いて直線透過率、全光線透過率を測定した。

（出射光の拡散性の算出）
各サンプルについて、下記演算を行って、出射光の拡散性を求めた。
拡散性＝全光線透過率／直線透過率

（評価結果）
実施例１、２及び３並びに比較例１における微小凹部２２の平均幅、平均深さ、微小凹部２２の平均個数並びに透明封止部材１０の表面１０ａの表面粗さＲａを図１１の表１に示す。

また、実施例１、２及び３並びに比較例１における直線透過率、全光線透過率及び出射光の拡散性を図１２の表２に示す。

（考察）
先ず、実施例１、２及び３は、各微小凹部２２の平均幅が１μｍ以上２０μｍ以下、各微小凹部２２の平均深さが５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、微小凹部２２の平均個数が１ｍｍ^２当たり、０．５万個以上１０万個以下であった。これにより、拡散性は１よりも大きかった。特に、微小凹部２２の平均幅が大きく、平均深さが大きく、１ｍｍ^２当たりの平均個数が少ないほど拡散性が高かった。これは、表面粗さＲａとも関連し、表面粗さＲａが０．０５〜０．５μｍの範囲であって、表面粗さＲａが大きいほど拡散性が高かった。

一方、比較例１は、微小凹部２２の平均幅が１μｍ未満、平均深さが１０ｎｍ以下、微小凹部２２の平均個数が１ｍｍ^２当たり、１０万個以上であった。これにより、拡散性は１であり、拡散性がほとんどないことがわかる。これは、透明封止部材１０の表面１０ａに形成された微小凹部２２が小さすぎたため、紫外光２１が微小凹部２２でほとんど拡散せずに透過したものと考えられる。

なお、本発明に係る透明封止部材は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

Claims

少なくとも１つの光学素子（１２）と、前記光学素子（１２）が実装された実装基板（１４）とを有する光学部品（１６）に用いられ、前記実装基板（１４）と共に前記光学素子（１２）を収容するパッケージ（１８）を構成する透明封止部材（１０）であって、
前記透明封止部材（１０）は、少なくとも前記光学素子（１２）からの光が出射する表面（１０ａ）に微小凹部（２２）を有し、
各前記微小凹部（２２）の平均幅（Ｗ）が１μｍ以上２０μｍ以下であって、且つ、各前記微小凹部（２２）の平均深さ（Ｈ）が５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、前記微小凹部（２２）の平均存在頻度が１ｍｍ^２当たり、０．５万個以上１０万個以下であり、
前記透明封止部材（１０）は、前記実装基板（１４）と対向する部位に凹部（４４）が形成されていることを特徴とする透明封止部材（１０）。
請求項１記載の透明封止部材（１０）において、
材質が石英ガラスであることを特徴とする透明封止部材（１０）。
請求項１又は２記載の透明封止部材（１０）において、
波長が２８０ｎｍの紫外光（２１）の全光線透過率／直線透過率で示される出射光の拡散性が１．５以上であることを特徴とする透明封止部材（１０）。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の透明封止部材（１０）において、
少なくとも前記光学素子（１２）からの光が出射する表面（１０ａ）の表面粗さＲａが０．０５〜０．５μｍであることを特徴とする透明封止部材（１０）。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の透明封止部材（１０）において、
前記光学素子（１２）からの光の出射する方向に関する厚み（ｔａ）が前記パッケージ（１８）の高さの５０％以上９５％以下であることを特徴とする透明封止部材（１０）。