JP6970685B2 - 光学部品及び透明体 - Google Patents
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Description
本発明は、光学部品及び光学部品に用いられる透明体に関し、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ(半導体レーザー)等に用いて好適な光学部品及び透明体に関する。
従来から光学部品１００として、例えば図６に示すように、パッケージ１０２と、該パッケージ１０２内に実装された光学素子１０４（例えばＬＥＤやＬＤ等）を有する。パッケージ１０２は、上面開口の凹部１０６が形成されたパッケージ本体１０８と、パッケージ本体１０８の上端面に接合された例えば平板状の蓋部材１１０とを有する。パッケージ本体１０８の凹部１０６の底部に光学素子１０４が実装される。パッケージ本体１０８と蓋部材１１０との接合は、例えば有機系の接着剤１１２が使用される。
また、従来の他の光学部品として、例えば特開２０１４−２１６５３２号公報に記載の光学部品がある。
ところで、光学素子１０４からの紫外光１１４は、配光角の関係から、蓋部材１１０に向かって前方に出射する光成分のほか、上記接合部分に向かって出射する光成分が存在する。特に、後者の光成分は、蓋部材１１０の周部において導光して、上記接合部分の接着剤１１２に当たることになる。有機系の接着剤１１２に光学素子１０４からの紫外光１１４（例えばＵＶ−Ｃ）が当たることによる影響は、下記文献に記載があり、紫外光１１４によって有機系の接着剤１１２が劣化する。これは、パッケージ１０２の耐久性の劣化（光学部品１００の劣化）にもつながる。
文献：Japanese Journal of Applied Physics 55, 082101 (2016)「Development of highly durable deep-ultraviolet AlGaN-based LED multichip array with hemispherical encapsulated structures using a selected resin through a detailed feasibility study」
上述の事例は、特開２０１４−２１６５３２号公報に記載の光学部品についても同様で、図７Ａ〜図７Ｃに示すように、光学素子１０４から出射した紫外光１１４のうち、透光性保護材１１６で反射した光成分１１４ａが透光性保護材１１６内を導光し、有機系の接着剤１１８に当たることとなる。
この解決策として、上記文献では、有機系の接着剤１１８として、シリコーン樹脂とフッ素ポリマーとの混合物を使用した接着剤を使用するようにしている。しかしながら、このような特殊な混合物を含む接着剤は、高価であるため、製造コストが高価格化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、有機系の接着剤への紫外光の照射を回避して、安価な有機系の接着剤を使用しながらも、パッケージの耐久性を向上させることができ、安価で耐久性の向上を図ることができる光学部品を提供することを目的とする。
また、本発明は、パッケージからの光漏れを抑制することができ、光学部品の性能を向上させることができる光学部品を提供することを目的とする。
［１］ 第１の本発明に係る光学部品は、紫外光を出射する少なくとも１つの光学素子と、前記光学素子が収容されるパッケージとを有し、前記パッケージは、前記光学素子が実装される実装基板と、前記実装基板上に有機系の接着層を介して接合される透明体とを有し、前記紫外光が前記透明体を伝って前記接着層まで導光せず、且つ、前記紫外光が前記接着層に直接当たらない構造を有することを特徴とする。
光学素子が収容されるパッケージは、紫外光が透明体を伝って有機系の接着層まで導光せず、且つ、紫外光が有機系の接着層に直接当たらない構造を有する。これにより、有機系の接着剤への紫外光の照射を回避して、安価な有機系の接着剤を使用しながらも、パッケージの耐久性を向上させることができる。すなわち、本発明に係る光学部品は、安価で耐久性の向上を図ることができる。
［２］ 第１の本発明において、前記接着層は、前記実装基板の実装面の方向に沿って形成され、前記実装基板の下面から前記光学素子の光出射面までの高さをｈａ、前記実装基板の底面から前記接着層までの高さをｈｂとしたとき、ｈａ＞ｈｂであってもよい。
これにより、光学素子の光出射面を透明体に対面させて実装するフェイスアップ実装や、光学素子の光出射面を実装基板に対面させて実装するフリップチップ実装のいずれにおいても、紫外光の出射方向に有機系の接着層が存在しないことから、有機系の接着剤への紫外光の照射を回避することができる。
［３］ 第１の本発明において、前記光学素子の下面にサブマウントを有してもよい。これにより、光学素子の下面にサブマウントを設けることで、容易に上述の大小関係、すなわち、ｈａ＞ｈｂを満足させることができ、有機系の接着剤への紫外光の照射を回避することができる。
［４］ 第１の本発明において、前記実装基板は、少なくとも前記透明体が接合される部分に段差が形成されていてもよい。実装基板のうち、少なくとも透明体が接合される部分に段差を形成することで、容易に上述の大小関係、すなわち、ｈａ＞ｈｂを満足させることができ、有機系の接着剤への紫外光の照射を回避することができる。
［５］ 第１の本発明において、前記実装基板の下面から前記光学素子の光出射面までの高さをｈａ、前記実装基板の底面から前記接着層までの高さをｈｂとしたとき、ｈａ≦ｈｂであってもよい。
上述したように、光学素子の収容空間に遮光部を配置することで、光学素子から出射される紫外光のうち、実装面とのなす角が小さい紫外光を遮光部にて遮光することができることから、上述の大小関係をｈａ≦ｈｂとすることができ、従来から実績のあるパッケージ構造を採用することができる。
［６］ 第１の本発明において、前記接着層は、前記実装基板の実装面の方向に沿って形成され、前記実装基板と前記透明体とで構成される前記光学素子の収容空間に遮光部が配置されていてもよい。これにより、光学素子の収容空間に遮光部を配置することで、光学素子から出射される紫外光のうち、実装面とのなす角が小さい紫外光を遮光部にて遮光することができ、有機系の接着層への紫外光の入射を回避することができる。
［７］ 第１の本発明において、前記実装基板と前記遮光部とが一体に形成されていてもよい。これにより、実装基板に遮光部を設ける際に、接着剤を使用する必要がなく、パッケージの耐久性を向上させることができる。
［８］ 第１の本発明において、前記実装基板の実装面のうち、前記遮光板で囲まれた領域に複数の前記光学素子が実装されていてもよい。これにより、パッケージの劣化を回避しながらも、光学部品から出射される紫外光の光量を増加させることができ、また、選択的に光学素子から紫外光を出射させることができることから、光学部品の様々な用途に対応させることができる。
［９］ 第１の本発明において、前記実装基板の下面から前記光学素子の光出射面までの高さをｈａ、前記実装基板の前記下面から前記接着層までの高さをｈｂとしたとき、ｈａ＜ｈｂであってもよい。
［１０］ この場合、前記光学素子から出射される紫外光の配光角が１８０°未満であることが好ましい。
［１１］ 第１の本発明において、前記透明体のうち、前記接着剤と接触する面に前記紫外光が透過しない材料が配置されていてもよい。
光学素子から出射された紫外光の一部の光成分が透明体内を導光して、接着剤に向かったとしても、前記紫外光が透過しない材料によって遮光される。すなわち、有機系の接着剤への紫外光の照射を回避することができる。なお、上記材料の配置は、例えば材料の塗布、材料のコーティング、材料の成膜等が挙げられる。
［１２］ 第２の本発明に係る透明体は、紫外光を出射する少なくとも１つの光学素子と、前記光学素子が実装される実装基板とを有するパッケージを具備した光学部品に用いられる透明体である。そして、前記透明体は、前記実装基板上に有機系の接着層を介して接合され、前記実装基板上に固定された台座と、該台座上に一体に形成されたレンズ体と、前記台座に設けられた下面開口の凹部とを有することを特徴とする
これにより、実装基板に実装された光学素子の光出射面をレンズ体に近づけることができ、パッケージからの光漏れを抑制することができる。これは、光学素子をフリップチップ実装する場合における光漏れの抑制にも有効である。
以上説明したように、本発明に係る光学部品によれば、有機系の接着剤への紫外光の照射を回避して、安価な有機系の接着剤を使用しながらも、パッケージの耐久性を向上させることができ、安価で耐久性の向上を図ることができる。
本発明に係る透明体によれば、パッケージからの光漏れを抑制することができ、光学部品の性能を向上させることができる。
以下、本発明に係る光学部品の実施の形態例を図１Ａ〜図５を参照しながら説明する。
先ず、第１の実施の形態に係る光学部品（以下、第１光学部品１０Ａと記す）は、図１Ａに示すように、紫外光１２を出射する少なくとも１つの光学素子１４と、光学素子１４が収容されるパッケージ１６とを有する。パッケージ１６は、光学素子１４が実装される実装基板１８と、実装基板１８上に有機系の接着層２０を介して接合される透明体２２とを有する。光学素子１４は、実装基板１８上にサブマウント２４を介して実装される。接着層２０としては、エポキシ系接着剤、シリコーン系接着剤、ウレタン系接着剤等を好ましく使用することができる。
光学素子１４は、図示しないが、例えばサファイヤ基板上に、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１４の実装方法としては、光出射面１４ａをサブマウント２４に対面させて実装する、いわゆるフリップチップ実装を採用している。すなわち、実装基板１８上に形成された回路配線（図示せず）がサブマウント２４上に形成されたバンプ（図示せず）に電気的に接続され、さらに、光学素子１４の下面に導出された端子（図示せず）が上記バンプに電気的に接続されることで、光学素子１４と実装基板１８上の回路配線とが電気的に接続される。
透明体２２は、実装基板１８上に実装された光学素子１４を周りから囲うように配置された環状の周壁２６と、周壁２６上に一体に形成されたレンズ体２８とを有する。また、透明体２２には、下面開口の収容空間３０が形成されている。すなわち、透明体２２は、実装基板１８上に固定された台座３１と、該台座３１上に一体に形成されたレンズ体２８と、台座３１に設けられた下面開口の凹部３２（収容空間３０）とを有する。この収容空間３０に少なくとも光学素子１４が収容される。収容空間３０の高さをｈ１、台座３１の高さをｈ２としたとき、ｈ１とｈ２とが同じでもよいし、異なっていてもよい。
レンズ体２８の底面の平面形状は例えば円形状、台座３１の外形形状は例えば正方形状である。もちろん、レンズ体２８の底面の平面形状を楕円形状、トラック形状等にしてもよいし、台座３１の外形形状を円形状、長方形状、三角形状、六角形状等の多角形状にしてもよい。
このような形状の透明体２２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、成形型から離型し、その後、焼成することによって、透明体を作製することができる。
透明体２２の寸法としては、透明体２２の高さｈｃが０．５〜１０ｍｍ、台座３１の外径Ｄａが３．０〜１０ｍｍ、台座３１の高さｈ２が０．２〜１ｍｍである。レンズ体２８は、底部の最大長さＬｍが２．０〜１０ｍｍ、最大高さｈｍが０．５〜１０ｍｍであり、アスペクト比（ｈｍ／Ｌｍ）として０．３〜１．０等が挙げられる。この第１光学部品１０Ａでは、レンズ体２８のアスペクト比を調整して、第１光学部品１０Ａから出射される紫外光１２の配光角を９０度に設定している。もちろん、配光角はこれに限定する必要はなく、例えば図１Ｂに示すように、アスペクト比を大きくして配光角を例えば３０度にしてもよい。もちろん、他の角度に設定してもよい。
また、光学素子１４の寸法としては、厚みｔ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。サブマウント２４の寸法としては、厚みｔａが０．１〜０．５ｍｍ、図示しないが、上面から見た縦の寸法が０．５〜８．０ｍｍ、横の寸法が０．５〜８．０ｍｍである。
このような構成により、第１光学部品１０Ａは、実装基板１８の下面１８ｂから光学素子１４の光出射面１４ａまでの高さをｈａ、実装基板１８の下面１８ｂから接着層２０までの高さをｈｂとしたとき、ｈａ＞ｈｂである。
そのため、光学素子１４から出射される紫外光１２の配光角が１８０°以上であったとしても、光学素子１４の光出射面１４ａから横方向に出射した紫外光１２は、透明体２２の台座３１に直接当たり、接着層２０には当たることがない。また、レンズ体２８の下部の角度、すなわち、台座３１の上面２６ｕから立ち上がる部分の接線Ｓの角度（台座３１の上面２６ｕとのなす角θ）が８０°以上〜９０°未満という大きな角度であるため、下方に反射せず、接着層２０まで導光することがない。
しかも、接着層２０が、実装基板１８の上面１８ｕ（実装面）と透明体２２の台座３１の下面との間に、実装基板１８の上面１８ｕに沿って形成されている。その結果、レンズ体２８内で反射した紫外光１２が台座３１側に導光しにくくなり、紫外光１２による接着層２０の劣化の抑制に寄与する。なお、図１Ａ等は、実装面の方向が水平方向である場合を示しているが、実装面の方向は、第１光学部品１０Ａの設置状態に応じて垂直方向等になることはもちろんである。
また、第１光学部品１０Ａは、透明体２２の台座３１の外径Ｄａをレンズ体２８の底部の最大長さＬｍよりも横方向に広げて、透明体２２の頂部から下面にかける外表面に不連続部分３３（レンズ体２８と台座３１との境界における張り出し部分）を形成している。この場合も、レンズ体２８内で反射した紫外光１２が台座３１側に導光しにくくなり、紫外光１２による接着層２０の劣化の抑制に寄与する。
このように、第１光学部品１０Ａは、紫外光１２が透明体２２を伝って有機系の接着層２０まで導光せず、且つ、紫外光１２が接着層２０に直接当たらない構造を有する。これにより、有機系の接着層２０への紫外光１２の照射を回避して、安価な有機系の接着層２０を使用しながらも、パッケージ１６の耐久性を向上させることができる。すなわち、第１光学部品１０Ａは、安価で耐久性の向上を図ることができる。
また、透明体２２は、実装基板１８上に固定された台座３１と、該台座３１上に一体に形成されたレンズ体２８と、台座３１に設けられた下面開口の凹部３２（収容空間３０）とを有する。そのため、例えば図６の光学部品１００のような従来の光学部品と異なり、実装基板１８に実装された光学素子１４の光出射面１４ａをレンズ体２８に近づけることができ、パッケージ１６からの光漏れを抑制することができる。これは、光学素子１４をフリップチップ実装する場合における光漏れの抑制にも有効である。
次に、第２の実施の形態に係る光学部品（以下、第２光学部品１０Ｂと記す）は、図２に示すように、上述した第１光学部品１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、実装基板１８のうち、少なくとも透明体２２が接合される部分に段差４０が形成されている点で異なる。この場合、段差４０の大きさｈｃを任意に設定することができるが、台座３１の高さｈ２よりも小さいことが好ましい。段差４０の大きさｈｃをサブマウント２４の厚みｔａ（図１Ａ参照）程度に設定すれば、サブマウント２４を省略して、光学素子１４を直接実装基板１８に実装してもよい。
この第２光学部品１０Ｂは、容易に上述の大小関係、すなわち、ｈａ＞ｈｂを満足させることができ、有機系の接着層２０への紫外光１２の照射を回避することができる。しかも、サブマウント２４を省略できるため、製造コストを低減する上で、有利となる。
次に、第３の実施の形態に係る光学部品（以下、第３光学部品１０Ｃと記す）は、図３Ａに示すように、上述した第１光学部品１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、光学素子１４が直接実装基板１８上に実装されている点で異なる。すなわち、光学素子１４から出射される紫外光１２の配光角が１８０°未満である。また、実装基板１８の下面１８ｂから光学素子１４の光出射面１４ａまでの高さｈａと実装基板１８の下面１８ｂから接着層２０までの高さｈｂとが同じである。
光学素子１４から出射される紫外光１２の配光角が１８０°未満であることから、光学素子１４から出射される紫外光１２は、横方向（実装面に沿った方向）には照射されない。そのため、上述した高さ関係をｈａ＝ｈｂとすることができる。もちろん、上記配光角によっては、図３Ｂに示す変形例に係る光学部品１０Ｃａのように、上述した高さ関係をｈａ＜ｈｂとすることも可能である。
次に、第４の実施の形態に係る光学部品（以下、第４光学部品１０Ｄと記す）は、図４Ａに示すように、上述した第１光学部品１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、光学素子１４が直接実装基板１８上に実装されている点と、実装基板１８と透明体２２とで構成される光学素子１４の収容空間３０に遮光部４２が配置されている点で異なる。
遮光部４２の最大高さｈ４は、接着層２０の厚みｔｂ以上、収容空間３０の高さｈ１未満であることが好ましい。また、遮光部４２は、図４Ｂに示すように、１つの部材で光学素子１４を取り囲むように環状に形成されていることが好ましいが、複数の部材で光学素子１４を取り囲むように環状に配置してもよい。
光学素子１４の収容空間３０に遮光部４２を配置することで、光学素子１４から出射される紫外光１２のうち、配光角が大きい紫外光１２（光出射面１４ａとのなす角が小さい紫外光１２）を遮光部４２にて遮光することができ、有機系の接着層２０への紫外光１２の入射を回避することができる。そのため、上述の大小関係をｈａ≦ｈｂ、好ましくはｈａ≦ｈｂ≦（ｈａ＋ｈ４）とすることができ、従来から実績のあるパッケージ構造を採用することも可能となる。
実装基板１８と遮光部４２とが一体に形成されていることが好ましい。実装基板１８に遮光部４２を設ける際に、接着剤を使用する必要がなく、パッケージ１６の耐久性を向上させることができる。
図４Ｃに示すように、実装基板１８の実装面のうち、遮光部４２で囲まれた領域に複数の光学素子１４が実装されてもよい。パッケージ１６の劣化を回避しながらも、第４光学部品１０Ｄから出射される紫外光１２の光量を増加させることができ、また、選択的に光学素子１４から紫外光１２を出射させることができることから、光学部品の様々な用途に対応させることができる。
次に、第５の実施の形態に係る光学部品（以下、第５光学部品１０Ｅと記す）は、図５に示すように、上述した第１光学部品１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、透明体２２のうち、接着層２０と接触する面に紫外光１２が透過しない材料による膜５０が配置されている点で異なる。膜５０の構成材料としては、金、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル等の金属や、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、アルミナ等の不透明セラミックス材料や粉末を塗布したものや、低融点ガラス等の紫外領域を透過しないガラス、黒鉛、グラファイト等の無機材料等が好ましい。
光学素子１４から出射された紫外光１２の一部の光成分が透明体２２内を導光して、接着層２０に向かったとしても、紫外光１２が透過しない材料による膜５０によって遮光される。すなわち、有機系の接着層２０への紫外光１２の照射を回避することができる。なお、膜５０の配置は、例えば膜５０の塗布、膜５０のコーティング、膜５０の成膜等が挙げられる。
なお、本発明に係る光学部品は、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 (12)
- 紫外光（１２）を出射する少なくとも１つの光学素子（１４）と、
前記光学素子（１４）が収容されるパッケージ（１６）とを有し、
前記パッケージ（１６）は、
前記光学素子（１４）が実装される実装基板（１８）と、前記実装基板（１８）上に有機系の接着層（２０）を介して接合される透明体（２２）とを有し、前記紫外光（１２）が前記透明体（２２）を伝って前記接着層（２０）まで導光せず、且つ、前記紫外光（１２）が前記接着層（２０）に直接当たらない構造を有し、
前記透明体は、前記実装基板（１８）上に有機系の前記接着層（２０）を介して接合され、前記実装基板（１８）上に固定された台座（３１）と、該台座（３１）上に一体に形成されたレンズ体（２８）と、前記台座（３１）に設けられ、且つ、前記光学素子（１４）を囲む下面開口の凹部（３２）とを有し、
前記レンズ体（２８）の前記台座（３１）の上面（２６ｕ）から立ち上がる部分の接線（Ｓ）の角度は、８０°以上〜９０°未満であることを特徴とする光学部品。 - 請求項１記載の光学部品において、
前記実装基板（１８）の下面（１８ｂ）から前記光学素子（１４）の光出射面（１４ａ）までの高さと、前記実装基板（１８）の下面（１８ｂ）から前記接着層（２０）までの高さとは互いに異なることを特徴とする光学部品。 - 請求項１又は２記載の光学部品において、
前記接着層（２０）は、前記実装基板（１８）の実装面（１８ｕ）の方向に沿って形成され、
前記実装基板（１８）の下面（１８ｂ）から前記光学素子（１４）の光出射面（１４ａ）までの高さをｈａ、前記実装基板（１８）の下面（１８ｂ）から前記接着層（２０）までの高さをｈｂとしたとき、
ｈａ＞ｈｂ
であることを特徴とする光学部品。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学部品において、
前記光学素子（１４）の下面にサブマウント（２４）を有することを特徴とする光学部品。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学部品において、
前記実装基板（１８）は、前記実装基板（１８）の下面からの高さが、前記光学素子（１４）が実装される面より、前記透明体（２２）が接合される面の方を低くさせる段差（４０）を有することを特徴とする光学部品。 - 請求項１又は２記載の光学部品において、
前記実装基板（１８）の下面（１８ｂ）から前記光学素子（１４）の光出射面（１４ａ）までの高さをｈａ、前記実装基板（１８）の下面（１８ｂ）から前記接着層（２０）までの高さをｈｂとしたとき、
ｈａ＜ｈｂ
であることを特徴とする光学部品。 - 請求項６記載の光学部品において、
前記接着層（２０）は、前記実装基板（１８）の実装面（１８ｕ）の方向に沿って形成され、
前記実装基板（１８）と前記透明体（２２）とで構成される前記光学素子（１４）の収容空間（３０）に遮光部（４２）が配置されていることを特徴とする光学部品。 - 請求項７記載の光学部品において、
前記実装基板（１８）と前記遮光部（４２）とが一体に形成されていることを特徴とする光学部品。 - 請求項７又は８記載の光学部品において、
前記実装基板（１８）の実装面のうち、前記遮光部（４２）で囲まれた領域に複数の前記光学素子（１４）が実装されていることを特徴とする光学部品。 - 請求項６記載の光学部品において、
前記光学素子（１４）から出射される前記紫外光（１２）の配光角が１８０°未満であることを特徴とする光学部品。 - 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学部品において、
前記透明体（２２）のうち、前記接着層（２０）と接触する面に前記紫外光（１２）が透過しない材料（５０）が配置されていることを特徴とする光学部品。 - 紫外光（１２）を出射する少なくとも１つの光学素子（１４）と、前記光学素子（１４）が実装される実装基板（１８）とを有するパッケージ（１６）を具備した光学部品に用いられる透明体であって、
前記透明体は、前記実装基板（１８）上に有機系の接着層（２０）を介して接合され、前記実装基板（１８）上に固定された台座（３１）と、該台座（３１）上に一体に形成されたレンズ体（２８）と、前記台座（３１）に設けられた下面開口の凹部（３２）とを有し、
前記レンズ体（２８）の前記台座（３１）の上面（２６ｕ）から立ち上がる部分の接線（Ｓ）の角度は、８０°以上〜９０°未満であることを特徴とする透明体。
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