JP6690607B2 - 合成石英ガラスリッド及び光学素子用パッケージ - Google Patents

合成石英ガラスリッド及び光学素子用パッケージ Download PDF

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Description

本発明は、合成石英ガラスリッド、例えばUV−LED、短波長の出力の強いレーザー光源等、特に紫外線領域の光源を封止する際に用いられる合成石英ガラスを用いた合成石英ガラスリッド、及び合成石英ガラスリッドを用いた光学素子用パッケージに関する。
水銀ランプの規制に伴い、代替として短い波長、特に紫外線領域の光を出すことのできるUV−LEDが注目されている。LEDは任意の波長を取り出すことができ、用途に応じた波長のLEDが開発されている。例えば、UV領域である265nmの波長は、殺菌に有効な波長であることが知られており、265nmの波長の光を出すUV−LEDが殺菌用途として開発されている。しかし、265nmの光学素子が安定的に供給されたとしても、光学素子をパッケージングなしで使用することは難しく、UV−LEDからの光の取り出し効率をできるだけ高めてパッケージングすることが求められている。
LEDを含め、赤外領域等の長波長の光を出す光学素子をパッケージングする際には、窓材と光学素子が配置されている収容体を接合する接着剤が必要である。接着剤の種類としては、エポキシ樹脂系やアクリル樹脂系等の有機系接着剤、ガラスフリット等が挙げられる。
例えば、特表2015−505792号公報(特許文献1)では、太陽電池の封止、有機LEDパッケージ等を目的として、融点が300℃程度の強化ガラスを基材とし、ガラスフリットとマイクロ波カップリング剤を混合したペーストを接着剤として用いた無機基材のシーリングについて提案されている。この方法を用いれば、窓材として使用している強化ガラスの強度を落とすことなく、マイクロ波を接着剤部分に照射すると基材同士を接着することができる。
また、特開2008−219854号公報(特許文献2)では、マイクロレンズを接着させる際に、紫外線硬化型アクリル系液状樹脂もしくは熱硬化性の樹脂を接着剤として用いることが示されている。
特開2015−149533号公報(特許文献3)では、ベース基板及びリッドの線熱膨張係数に、より近い線熱膨張係数を有するバナジウム系の低融点ガラスを接着剤に用いて、電子デバイスをパッケージングする方法が記載されている。この手法を用いれば、気密性の高いパッケージングを行うことができる。
特表2015−505792号公報 特開2008−219854号公報 特開2015−149533号公報
しかし、特許文献1は、強化ガラスの強度の観点から使用できる温度が300℃までに制約されており、波長の短い発熱しやすい光源について長時間使用することは難しい。更に、ガラスフリットは純粋なSiO2ガラス成分だけで構成されているものではなく、短波長の光が持つエネルギーによるダメージが耐UV性を下げ、短波長領域では使用しづらい。
また、特許文献2は、紫外線で硬化させる接着剤を使用しているが、紫外線硬化型接着剤であっても、紫外線を当て続けると接着剤を構成している樹脂の内部の架橋が増えすぎ、接着剤が脆くなる。
特許文献3では、緻密な結晶構造を持つ素材であって、かつ熱膨張係数の異なる基材を接合すると、少なからず応力が発生して、長時間使用すると金属結晶構造内における欠陥や金属粒界によってシールが崩壊することが推察される。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、短波長、特に280nm以下の波長領域の光学素子に対して長期間安定で、異種材料接合時の応力の問題の解決が可能な合成石英ガラスリッド及び光学素子用パッケージを提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成するために、合成石英ガラス上に塗布する接着剤としてテルル及び銀を必須の金属元素とし、この2種類の金属元素を含む3種類以上の金属元素から構成された、無秩序な結晶構造を構成している合金を用いることに着目した。この低融点金属ガラスを用いることにより、異なる熱膨張係数を持つ基材を接合したときの応力を無秩序な結晶構造が吸収し、長期間安定的に光学素子をシールするパッケージを供給することができることを知見した。
この場合、短波長(300nm以下)、特に280nm以下の波長を安定的に透過できる窓材として合成石英ガラスを用いることで紫外線を取り出すことができる。また、紫外線に対して耐性の高い物質であり、かつ異なる線熱膨張係数を有する合成石英ガラスから生じる応力を吸収できる結晶構造を有する低融点金属ガラスを接着剤として用いること、特に、該低融点金属ガラスを接着剤として用いた合成石英ガラスリッドにより、短波長の光学素子に対して長期間安定なパッケージとなる。そして、接着剤中に様々な酸化数をとることができ、かつ原子の大きさが大きい特徴を有するテルル、更に大きな延性を有する銀を用いることにより、長時間の使用が可能となる。
従って、本発明は、下記の合成石英ガラスリッド及び光学素子用パッケージを提供する。
〔1〕
合成石英ガラスからなる窓材の主表面の外周縁部に接着剤を有する合成石英ガラスリッドであって、前記接着剤がテルル及び銀を含み、更にタングステン、バナジウム、リン、バリウム及びジルコニウムからなる群より選ばれる1種以上を含む低融点金属ガラスであることを特徴とする合成石英ガラスリッド。
〔2〕
前記低融点金属ガラス中におけるテルル及び銀の割合が、50〜70質量%である〔1〕に記載の合成石英ガラスリッド。
〔3〕
前記低融点金属ガラスのガラス転移温度が、100〜450℃である〔1〕又は〔2〕に記載の合成石英ガラスリッド。
〔4〕
前記窓材は、板状、凹凸形状を有する球面状又は凹凸形状を有する非球面状のいずれかである〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載の合成石英ガラスリッド。
〔5〕
前記窓材の厚みが、0.1〜5mmである〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載の合成石英ガラスリッド。
〔6〕
光学素子が収容されている箱状の収容体に、該収容体の上端開放部を覆う〔1〕〜〔5〕のいずれかに記載の合成石英ガラスリッドの前記窓材を前記接着剤により接合してなることを特徴とする光学素子用パッケージ。
〔7〕
前記光学素子が、300nm以下の波長の光を発光可能な素子である〔6〕に記載の光学素子用パッケージ。
本発明によれば、従来使用されてきた有機系接着剤に見られる短波長の光による割れや剥がれ、もしくは金錫系等の緻密な金属結晶構造を有する金属系接着剤が弱点とする異種材料接合時の応力の問題を解決することが可能となる。また、本合成石英ガラスリッドを用いた光学素子用パッケージは、来るべき水銀ランプ代替の光学素子登場時に、パッケージング材として有効なものとなる。
本発明における光学素子用パッケージの一例を示す断面図である。 本発明における合成石英ガラスリッドの一例を示す平面図である。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の光学素子用パッケージは、図1に示すように、例えば四角箱状に形成された収容体1の底部中央部に段差2を設け、その中央部に光学素子3が配置されている。
LEDに見られるように、光学素子から発せられる熱がパッケージング内にこもり高温状態になると、光学素子の発光効率のパフォーマンスが低下する。従って、高出力を目指している光学素子用パッケージにおける収容体は、放熱性のよいアルミナ系セラミックス、窒化アルミナ系セラミックス又はそれらに金や銅等の金属メッキをしたものが好ましい。
本発明の光学素子用パッケージは、合成石英ガラスからなる窓材4の主表面の外周縁部に接着剤5を有する合成石英ガラスリッド6が、前記収容体1の上端開放部を覆って配設され、該窓材4が、収容体1の上端面(額縁部)に接着剤5を介して接合されているものである。
窓材となる合成石英ガラスの形状は、板状、凹凸形状を有する球面状、凹凸形状を有する非球面状のいずれでもよい。光学素子が配置されている収容体を単純に封止する目的であれば、コスト面及び取り扱いの簡便さの観点から、板状のものが好ましい。一方、光学素子から発せられる光を効率よく取り出そうとする場合は、光学計算に基づいて設計された凹凸形状を有する単純な平凸レンズ形状、平凹レンズ形状、凸メニスカスレンズ形状等の球面状や非球面状のものが好ましい。窓材の厚みは、窓材の外側、即ち、光学素子用パッケージの外側との圧力(気圧又は水圧)差により、適宜選択することができ、強度の観点から、0.1mm以上、特に0.2mm以上で、5mm以下、特に4mm以下であることが好ましい。
また、接着剤としては低融点金属ガラスを用い、図2に示すように窓材4の額縁部に幅300〜500μm、高さ(厚さ)30〜100μmで塗布することが好ましい。これにより、素材の異なる、窓材(合成石英ガラス)と収容体の接合において生じる応力の吸収及び低波長の光による構造の破壊を低減し、長期にわたって安定な光学素子用パッケージとなる。本発明において、窓材である合成石英ガラスに塗布される接着剤として用いられる低融点金属ガラスは、少なくともテルル及び銀を含み、更にタングステン、バナジウム、リン、バリウム及びジルコニウムからなる群より選ばれる1種以上を含む。
合成石英ガラスは、SiO2からなる非晶質である。合成石英ガラスを用いた窓材を作製するとき、接着剤として結晶構造が規則正しい単独の金属原子や2種類の金属原子からなる合金を選択すると、合成石英ガラスの表面との界面において密着性が悪くなる。これは、パッケージングとして使用する場合に、耐水性や外からの衝撃に対する安定性が低いことを示唆しており、パッケージングの崩壊につながる。
ここで、本発明の低融点金属ガラスは、金属を主成分としながらも結晶構造をもたず、3種類以上の金属原子が無秩序に集まって固まっている金属であるため、金属ガラスの持つナノレベルの無秩序原子配列が合成石英ガラスの表面に柔軟性をもって密着すると考えられる。よって、合成石英ガラスと接着剤の間で強固な結合を作り出すことができ、耐水性や外からの衝撃に対して強くすることができる。
接着剤について、密着性の観点から考えると、合成石英ガラスのSiO2と接着剤が仮想的に共有結合を作ることのできる金属元素が好ましい。また、低融点金属ガラスの結晶構造のナノレベルの無秩序原子配列による柔軟性を考えると、金属ガラスを構成する個々の金属原子の半径に差があることが好ましい。ナノレベルの無秩序原子配列の結晶構造を有する低融点金属ガラスを用いると、結晶構造内における原子がわずかに移動できるため、合成石英ガラスと収容体の接合において生じる応力を接着剤部分で吸収することができる。この2つの条件を満たすことのできる金属元素として入手のしやすさも考えると、本発明に使用する金属ガラスを構成する必須元素として、安定的に+4価の酸化数をとることができ、原子の大きさが大きいテルルが必須元素の1つとなる。
また、窓材である合成石英ガラスと収容体を、接着剤を介して接合させるとき、接着剤が延びると接着層における密な構造を作ることができる。このとき、金属ガラス中に銀を混ぜておくと、銀の持つ大きな延性によって接着剤としての低融点金属ガラスが、荷重や熱等の接合条件により任意の接着幅を形成することが可能となる。接着幅を制御することにより、窓材の窓の有効部分の大きさを自由変化させることができ、取り出したい光の出力を制御することができる。
合成石英ガラスへの密着・接着性、異なる素材である合成石英ガラスと収容体との接合において生じる応力の吸収及び緩和、接着剤の延びを総合的に考慮すると、金属ガラス中におけるテルル及び銀の合計量の割合は、好ましくは50〜70質量%、更に好ましくは55〜70質量%、特に好ましくは55〜65質量%である。このとき、この2成分中の合計量の中でのテルルと銀の比率(テルル:銀)は、金属ガラスの柔軟性を考慮すると、質量比として1:1〜3:1であることが好ましい。
また、金属ガラスの結晶構造内において柔軟性を持たせるために、上記テルル及び銀とは原子の大きさが大きく異なる元素を低融点金属ガラスに混合することが好ましい。熱的特性、放射性等の観点から鑑みると、タングステン、バナジウム、リン、バリウム及びジルコニウムからなる群から選ばれるいずれかが好ましい。これら金属の含有量は、テルル及び銀の含有量の残部であるが、これらの中でジルコニウムが好ましく、ジルコニウムを10〜30質量%含有することが好ましい。また、タングステンは0〜15質量%、特に5〜10質量%、バナジウムは0〜30質量%、特に5〜20質量%、リンは0〜15質量%、特に1〜10質量%、バリウムは0〜15質量%、特に1〜10質量%が好ましい。
接着剤として用いられる金属ガラスのガラス転移温度、即ち接着剤としての効能が得られる温度は、低融点金属ガラスの流動性及び光学素子の耐熱性の観点から、好ましくは100〜450℃、より好ましくは150〜400℃、更に好ましくは200〜400℃である。
窓材の合成石英ガラスに接着剤である低融点金属ガラスをスクリーン印刷、ディスペンス、スタンピング等の方法によって塗布することができるが、合成石英ガラスの形状が板状の場合には、スクリーン印刷によって精度よく大量生産することができ、凹凸形状を有する球面状や凹凸形状を有する非球面状の場合には、スタンピングによって接着剤を塗布することができる。
本発明に適用される光学素子は、300nm以下の波長の光を発光可能な素子である。
300nm以下の波長の光を発光可能な素子の例としては、UV−LED、ArFエキシマレーザー、KrFエキシマレーザー、YAG FHGレーザー等が挙げられる。
本発明におけるパッケージの製造方法としては、合成石英ガラスの主表面の外周縁部に、接着剤を有する合成石英ガラスリッドを用い、窓材である合成石英ガラスと、光学素子が配置された収容体を接合する方法が一般的である。なお、パッケージは、本発明の接着剤である低融点金属ガラスを用い、接着剤を光学素子が配置された収容体側に塗布し、窓材である合成石英ガラスを接合させる方法により製造することも可能である。
以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
[実施例1]
スライスされた合成石英ガラスウェーハ基板(6インチφ、厚さ0.2mm)を、遊星運度を行う両面ラップ機でラップした後、遊星運度を行う両面ポリッシュ機にて粗研磨を行い、原料基板とした。研磨加工されたウェーハ基板を3.5mm角にダイシングカットした。テルル45質量%、銀25質量%、ジルコニウム30質量%を含む合金からなる低融点金属ガラス(ガラス転移温度300℃)をスクリーン印刷にて合成石英ガラスウェーハ基板(窓材)上に塗布した。塗布は、線幅400μm、膜厚50〜70μmになるように塗布し、低融点金属ガラスが半硬化の状態にして合成石英ガラスリッドを作製した。波長265nmの光を出すことのできるLED発光素子が設置されたアルミナ系セラミックスの収容体に対し、上記の合成石英ガラスリッドを390℃で重さ2kg/cm2の荷重をかけながら60分間押し付けることにより、収容体と窓材の接合を行い、光学素子用パッケージを作製した。
作製した光学素子用パッケージを用いて、波長265nmの光を3,000時間以上発光させたところ、アルミナ系セラミックス又は合成石英ガラスの応力による接着剤部分の剥がれはなく、また265nmの短波長による低融点金属ガラスのダメージも見られず、短波長用の光学素子用パッケージとして十分な機能を示した。
[実施例2]
スライスされた合成石英ガラスウェーハ基板(6インチφ、厚さ0.3mm)を、遊星運度を行う両面ラップ機でラップした後、遊星運度を行う両面ポリッシュ機にて粗研磨を行い、原料基板とした。研磨加工されたウェーハ基板を4.0mm角にダイシングカットした。テルル36質量%、銀26質量%、リン3質量%、バリウム10質量%、タングステン10質量%、ジルコニウム15質量%を含む合金からなる低融点金属ガラス(ガラス転移温度350℃)をスクリーン印刷にて合成石英ガラスウェーハ基板(窓材)上に塗布した。塗布は、線幅300μm、膜厚30〜50μmになるように塗布し、低融点金属ガラスが半硬化の状態にして合成石英ガラスリッドを作製した。波長280nmの光を出すことのできるLED発光素子が設置された窒化アルミナ系セラミックスの収容体に対し、上記の合成石英ガラスリッドを330℃で重さ1kg/cm2の荷重をかけながら25分間押し付けることにより、収容体と窓材の接合を行い、光学素子用パッケージを作製した。
作製した光学素子用パッケージを用いて、波長280nmの光を3,000時間以上発光させたところ、窒化アルミナ系セラミックス又は合成石英ガラスの応力による接着剤部分の剥がれはなく、また280nmの短波長による低融点金属ガラスのダメージも見られず、短波長用の光学素子用パッケージとして十分な機能を示した。
[比較例1]
実施例1と同じ3.5mm角にダイシングカットされた合成石英ガラス基板(窓材)上に、アクリル樹脂系の紫外線硬化型樹脂の接着剤UVX−8400(電気化学工業(株)製)をディスペンサーにて実施例1と同様に塗布を行い、接着剤が半硬化の状態にして合成石英ガラスリッドを作製した。波長265nmの光を出すことのできるLED発光素子が設置されたアルミナ系セラミックスの収容体に対し、上記の合成石英ガラスリッドを150℃で重さ1kg/cm2の荷重をかけながら30分間押し付けることにより、収容体と窓材の接合を行い、光学素子用パッケージを作製した。
作製した光学素子用パッケージを用いて、265nmの波長の光を350時間発光させたところ、接着剤部分が剥がれ、合成石英ガラスとアルミナ系セラミックスの収容体が分離した。剥がれた接着剤部分を観察すると、短波長によって構造内に架橋が増えたと推察される接着剤の割れが見られた。
[比較例2]
実施例1と同じ3.5mm角にダイシングカットされた合成石英ガラス基板(窓材)上に、金錫合金ペーストAu−20Sn(三菱マテリアル(株)製)をスクリーン印刷にて実施例1と同様に塗布を行い、接着剤付の合成石英ガラスリッドを作製した。波長280nmの光を出すことのできるLED発光素子が設置されたアルミナ系セラミックスの収容体に対し、上記の合成石英ガラスリッドを280℃で重さ1kg/cm2の荷重をかけながら20分間押し付けることにより、収容体と窓材の接合を行い、光学素子用パッケージを作製した。
作製した光学素子用パッケージを用いて、280nmの波長の光を500時間発光させたところ、接着剤部分が剥がれ、合成石英ガラスとアルミナ系セラミックスが分離した。
1 収容体
2 段差
3 光学素子
4 窓材
5 接着剤
6 合成石英ガラスリッド

Claims (7)

  1. 合成石英ガラスからなる窓材の主表面の外周縁部に接着剤を有する合成石英ガラスリッドであって、前記接着剤がテルル及び銀を含み、更にタングステン、バナジウム、リン、バリウム及びジルコニウムからなる群より選ばれる1種以上を含む低融点金属ガラスであることを特徴とする合成石英ガラスリッド。
  2. 前記低融点金属ガラス中におけるテルル及び銀の割合が、50〜70質量%である請求項1に記載の合成石英ガラスリッド。
  3. 前記低融点金属ガラスのガラス転移温度が、100〜450℃である請求項1又は2に記載の合成石英ガラスリッド。
  4. 前記窓材は、板状、凹凸形状を有する球面状又は凹凸形状を有する非球面状のいずれかである請求項1〜3のいずれか1項に記載の合成石英ガラスリッド。
  5. 前記窓材の厚みが、0.1〜5mmである請求項1〜4のいずれか1項に記載の合成石英ガラスリッド。
  6. 光学素子が収容されている箱状の収容体に、該収容体の上端開放部を覆う請求項1〜5のいずれか1項に記載の合成石英ガラスリッドの前記窓材を前記接着剤により接合してなることを特徴とする光学素子用パッケージ。
  7. 前記光学素子が、300nm以下の波長の光を発光可能な素子である請求項6に記載の光学素子用パッケージ。
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