TWI840397B - 紫外線元件套組 - Google Patents

Abstract

[課題] 在紫外線元件套組中得到所欲形狀的光學構件，以較少的步驟將光學構件接合至陶瓷製的基板，並具有高的密封效能。 [解決手段] 紫外線元件套組1由發射紫外光的發光元件2與安裝該發光元件2的基板3以及設於前述發光元件2對向位置處的光學構件4所製備。前述光學構件4由軟化點在攝氏1000度以下，對於波長250~400nm 的光的平均穿透率在80%以上的玻璃所形成，其面對該基板3的面的外形形狀為圓形，且透過該光學構件4與密封接合的金屬製台座5接合至前述基板3。該台座5具有一嵌裝該光學構件4的平面視為圓形的上面開口部51。透過此結構，因台座5的上面開口部51的平面視為圓形，在構成光學構件4的玻璃熔化接合時，可均等拉伸放射狀延伸的玻璃，透過保持形成均一厚度的玻璃，因而可得到密封性能高的氣密玻璃封緘部。

Description

紫外線元件套組

本發明係關於一種紫外線元件套組，由包含例如紫外線殺菌、淨水、空氣淨化、又或者接著劑、樹脂等的硬化所用的深紫外線的近紫外線LED等發光元件，以及設在該發光元件對向位置處的光學構件所製備。

[發明背景]

紫外線殺菌時向來廣泛使用汞燈，但從汞相關的水俁公約生效之後，2020開始將限制汞製品的製造、輸出入等。因此，期待以紫外線LED(發光二極體)，尤其是波長280nm以下的深紫外線LED，來做為現在所使用的汞燈壽命終結之後的替代光源。

輸出波長200nm~360nm的紫外光的發光模組用於此目的者已有揭示。此發光模組具有其有底凹部可安裝發光元件的基板，以及為了覆蓋有底凹部開口而裝設的窗構件。此發光模組具有透鏡部，用以控制從紫外線LED射出的光的配光。透鏡部係形成於和窗構件內發光元件相對向的部分中。透鏡部的周圍和透鏡部一體形成一凸緣部，用以和基板接合。

上述專利文獻1中，窗構件係由石英玻璃顆粒等作為材料，使熔融石英流入模具中而形成(參考0034段)。不過，石英玻璃的軟化點約攝氏1700 度，非常高溫，就算加熱到攝氏1900度也還非常硬，加工上有困難。此外，石英玻璃也有可能因為氣體的蒸氣壓很大而從固體直接轉成氣體，因而不形成熔融液體狀態。要從熔融石英製得所欲的透鏡形狀非常困難。因此，一般會供給錠塊石英玻璃去切削、研削成所設定的形狀，再將表面做鏡面研磨。使用傳統的玻璃透鏡製造方法會使得透鏡非常昂貴。

另一方面，就可使波長300nm以下的深紫外線以高穿透率穿過的物質而言，向來使用石英玻璃，但也有開發可使波長300nm以下的深紫外線以高穿透率穿過的玻璃。此種玻璃的軟化點在攝氏1000度以下，可以透過上述傳統玻璃製造方法以外的製造方法來得到所欲的透鏡形狀(例如，參照專利文獻2)。

[習知技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本專利公開公報第2017-59716號。

[專利文獻2]日本專利公開公報第2006-310375號。

[發明概要]

順帶一提，上述專利文獻1的發光模組中，對窗構件內的透鏡部、凸緣部等預定部分施以遮罩，對於未施以遮罩的部分，利用真空蒸鍍、濺鍍等方法依序沉積鈦(Ti)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)形成多層膜而施以金屬化處理。然而，對微細立體形狀的透鏡部、凸緣部等進行遮罩操作並不容易。只 是，如果不做好遮罩並施以適切的金屬化，基板和窗構件的接合以及密封就會有不完全之虞。因為紫外線，特別是短波長的深紫外線，會使樹脂材料明顯劣化，因此包含深紫外線發光元件的發光模組的封裝必須防止深紫外線外漏，套組的接合以及密封會大大影響製品的可靠性。

為了解決上述課題而做出本發明，目的在於使用比石英玻璃的軟化點低且波長250nm~400nm以下的光平均穿透率高的玻璃，即便以價錢便宜且簡單的製程進行基板與光學構件的接合，也可提供密封性能高的紫外線元件套組。

為達上述目的，本發明為由發射紫外光的發光元件與安裝該發光元件的基板以及設於前述發光元件對向位置處的光學構件所製備的紫外線元件套組。前述光學構件材料的軟化點在攝氏1000度以下，由對於波長250~400nm的光的平均穿透率在80%以上的玻璃所形成，其面對該基板的面的外形形狀為圓形，且透過該光學構件與密封接合的金屬製台座接合至前述基板。該台座的特徵在於具有一嵌裝該光學構件的平面視為圓形的上面開口部，以及收容該基板上安裝有該發光元件的發光構件的底面視略為矩形的下面開口部。

上述紫外線元件套組中，該台座較佳由熱膨脹係數與該玻璃的熱膨脹係數約略相等的金屬所形成。

上述紫外線元件套組中，該台座較佳透過其表面上所形成的氧化膜與該光學構件密封接合。

上述紫外線元件套組中，該基板內和該台座接合的接合部中形成受金屬化處理的金屬化部，該台座與該金屬化部較佳透過金屬預製件(metal preform)接合。

上述紫外線元件套組中，該下面開口部的上面側周緣與該上面開口部的底面側周緣之間，較佳形成由與該台座上面與底面平行的平面所構成的用以保持該光學構件的保持部。

上述紫外線元件套組中，該光學構件較佳為光出射面突出的圓頂透鏡。

上述紫外線元件套組中，該光學構件較佳為光出射面平坦的平坦透鏡。

根據本發明，因為光學構件係利用熔融或軟化的玻璃板所形成，比起切削、研磨切割石英玻璃錠塊的傳統玻璃透鏡製造方法而言，製程可更便宜且簡化。此外，該光學構件由於和基板相對面的外形形狀為圓形，嵌裝光學構件的台座的上面開口部的平面視為圓形，在構成光學構件的玻璃熔化接合時，可均等拉伸放射狀延伸的玻璃，透過保持形成均一厚度的玻璃，因而可得到密封性能高的氣密玻璃封緘部。此外，在光學構件成形的同時，該光學構件一體成形密封接合至台座的金屬上，因此不需要為了金屬化處理而進行遮罩、金屬濺鍍程序等。另外，和光學構件一體化的台座與金屬化處理後的基板的金屬化部以金屬預製件接合，可使基板和光學構件達成氣密性接合。如此，可提供低成本、高可靠度的紫外線元件套組。

1:紫外線元件套組

10:玻璃板

2:發光元件

20:治具

21:凹坑

22:凹坑

23:治具

3:基板

31:基材

32:元件接合部

33:金屬化部

4:光學構件(圓頂透鏡、平面透鏡)

40:第一加熱爐

41:光入射面

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:金屬預製件

【圖1】(a)為顯示關於本發明一實施型態的紫外線元件套組的構成示意圖。(b)為完成斜視圖。

【圖2】(a)為顯示關於上述實施型態的變化例的紫外線元件套組的分解斜視圖。(b)為完成斜視圖。

【圖3】為顯示構成上述紫外線元件套組所用光學構件的玻璃的穿透率分布圖。

【圖4】(a)上述紫外線元件套組所用台座的斜視圖。(b)為平面圖。(c)為(b)的A-A線截面圖。

【圖5】(a)~(f)為顯示上述紫外線元件套組製造方法的工程圖，尤其顯示和台座一體化的光學構件的製程。

【圖6】(a)為顯示上述紫外線元件套組製造方法的工程圖。(b)為特別顯示第二階段和基板及台座一體化的光學構件的接合程序示意圖。

關於本發明的一實施型態的紫外線元件套組將參照圖式加以說明。圖1顯示關於本發明一實施型態的紫外線元件套組的構成示意圖。如圖1(a)(b)所示，紫外線元件套組1包括發出深紫外線的發光元件2、安裝發光元件2的基板3、以及設於發光元件2對向位置處的光學構件4。光學構件4透過和光學構件4密封接合的金屬製台座5與基板3接合。

發光元件2為發射波長400nm以下紫外線的紫外線元件。較佳為波長280nm以下對紫外線殺菌有高效能的深紫外線元件。此外，發光元件2例如可為於藍寶石(sapphire)基板上形成單一LED構造的單一晶片，也可為於藍寶石基板上形成複數個LED構造的集積型晶片(圖例)。

基板3在平面視圖中略呈正方形，例如，以基材31作為於氮化鋁上形成電路的散熱基板(submount)，因應發光元件2的型態形成電路，例如覆晶型、打線接合型等例子。且，在圖例中顯示於基材31上進行金屬化處理形成元 件接合部32，發光元件2以跨接兩個元件接合部32進行配置的構造。此外，台座5接合至基板3周緣處，此接合部中，藉由金鍍物或金沉積物等形成施以金屬化處理的金屬化部33。元件接合部32與金屬化部33之間存在絕緣部分。

光學構件4在與基板3相對面的外型形狀為圓形，在圖1(a)(b)中所示的構成中，從發光元件2入射光的光入射面41為平坦的，出射光的光出射面42為突出的圓頂透鏡(也請參照下述的圖6(a))。在圖例中雖然顯示光出射面42為球面形狀的構造，但非球面亦可。且，只要與基板3相對面的光學構件4的外型形狀為圓形，例如圖2(a)(b)所示的變化例般，光學構件4的光出射面42為平坦的平面透鏡亦可。圓頂透鏡因為具有集光作用，使用此透鏡的紫外線元件套組適用於從發光元件2出射的光(深紫外線)的配光範圍窄的器具等。另一方面，平面透鏡因為不具有集光作用，使用此透鏡的紫外線元件套組適用於從發光元件2出射的光(深紫外線)的配光範圍廣的器具等。

光學構件4例如使用軟化點為攝氏1000度以下，如圖3所示對於波長250-400nm的光而言厚度0.4mm的資料中平均穿透率80%以上的玻璃所形成。此玻璃的成分中以SiO₂以及B₂O₃為主體，此外包含例如Al₂O₃、Li₂O、Na₂O、K₂O、CaO、BaO、ZnO、Y₂O₃、ZrO₂、La₂O₃、Sb₂O等。

如圖4(a)至(c)所示，台座5的外型形狀為平面視略為矩形，為具有特定厚度的板狀金屬構件，具有嵌裝光學構件4的平面視為圓形的上面開口部51、以及收容安裝於基板3上的發光元件2的底面視略為矩形的下面開口部52。台座5具有上面、底面以及四側面，鄰接的側面所形成的稜角部為帶有緩緩圓滑的倒角。

上面開口部51係從台座5的上表面刻出圓筒狀的孔而形成，下面開口部52係從台座5的下表面刻出略為角筒狀的孔而形成。上面開口部51與下 面開口部52在截面視圖中，在比台座5厚度約略中間位置處再靠近上面一點的位置處相連。此外，在平面視圖中，上面開口部51的開口徑與下面開口部52的開口的對角線長度約略相等，比下面開口部52的開口的對邊間隔短。因此，下面開口部52的上面側周緣和上面開口部51的底面側周緣間，形成和上面與底面平行的平面，成為保持該光學構件的保持部53，而光學構件4的光入射面41側的周緣受到此保持部53的支持(也請參照圖6(a))。

台座5由具有與構成光學構件4的玻璃的熱膨脹係數約略相等的熱膨脹係數的金屬所形成。玻璃與台座5的熱膨脹係數例如為常溫下4．5×10-6K-1左右，台座5的材料例如可使用厚度0.1-0.2mm左右的可伐合金(Kovar)。可伐合金為鐵、鎳及鈷等的合金，為用於硬質玻璃接著的一般材料。可伐合金的熔點為攝氏1450度左右，比玻璃的熔點高。基板3與光學構件4透過利用金屬預製件6使金屬台座5和基板3的周緣金屬化部33熔接而接合。金屬預製件6係由包含所謂金‧錫貴金屬的薄金屬(合金)成形為接合部分的形狀而得。

接著，參照圖5及圖6說明紫外線元件套組1的製造方法。圖5為紫外線元件套組1的製造方法的第一階段中，用於紫外線元件套組1的光學構件4的製造方法，顯示和台座5一體密封接合的光學構件4的製程。另外，圖6顯示在紫外線元件套組1的製造方法的第二階段中，基板3與光學構件4的接合程序。

在紫外線元件套組1的製造方法中，對玻璃加熱，使其熔融或軟化後，以特定形狀(治具)壓縮成形。如圖5(a)所示，固定好的治具20上面形成對應台座5的下面開口部52的凹坑21。此凹坑21的周緣大幅刻入，以對應台座5的內緣周面，而中央部形成和台座5的保持部53同平面的平坦狀態，此中央部的平坦面模擬光學構件4的光入射面41的形狀。

然後，如圖5(b)所示，台座5嵌裝入凹坑21中。在此處對台座5進行氧化處理，於其表面形成氧化膜。治具20係由碳粉以例如圖中所示的特定形狀壓縮成形。接著，將棒狀供給的玻璃切斷成特定尺寸(特定體積或特定重量)的玻璃板，如圖5(c)所示，將玻璃板10載置於台座5的上面開口部51和治具20上，以使台座5的中心和玻璃板10的中心一致。

接著，如圖5(d)所示，將載置台座5的中心和玻璃板10的治具20與具有與應成形透鏡形狀相對應的曲面的凹坑22所形成的可動式治具23收納在第一加熱爐40內，在氮氣環境下加熱至比玻璃的軟化點更高的第一溫度(例如攝氏1000度)。另外，在圖5(d)中繪示玻璃熔融或軟化的狀態。治具23也是由碳粉以例如圖中所示的特定形狀壓縮成形，分別配置治具20和治具23以使治具20的凹坑21的中心和治具23的凹坑22的中心一致。

一旦玻璃板10熔融或軟化至可壓縮成形的程度，如圖5(e)所示，使可動式治具23朝向治具20緩緩下降，經由凹坑22的表面使玻璃板10加壓變形。藉此，使凹坑22的曲面拷貝至熔融玻璃板10的表面上，作為光學構件4的光出射面42(參照圖6(a))。此外，玻璃板10熔融時，透過形成於台座5的表面上的氧化膜，台座5和玻璃的可濕性(wettability)變好，玻璃．金屬界面的密著性提升，密封(hermetic)接合，這些邊界線成為氣密玻璃封緘部GS。且，氣密玻璃封緘部GS本身幾乎沒有厚度，圖6(a)中係為了說明而以誇張的圖式來顯示氣密玻璃封緘部GS。

接著，以特定時間特定壓力下將治具23押入治具20內壓縮形成光學構件4之後，降低第一加熱爐40內的溫度，如上所述，由於治具20、治具23、成形後的光學構件4、以及台座5冷卻下來。此時，如上所述，由於台座5的材料與光學構件4的熱膨脹係數約略相等，冷卻時光學構件4和台座5會以約略相同的比例收縮。因此，光學構件4和台座5不會分離，冷卻後光學構件4和 台座5仍可一體密封接合。而且，常溫冷卻後，從第一加熱爐40中將治具20、治具23、以及光學構件4與台座5取出，將治具23自治具20分離，如此一來，如圖5(f)所示，可得到密封接合的光學構件4與台座5。

此處，在本實施例型態的紫外線元件套組1中，光學構件4與基板3相對面的外形形狀為圓形，台座5中具有嵌裝光學構件4的平面視為圓形的上面開口部51。換言之，台座5和玻璃的邊界線所為的氣密玻璃封緘部GS成為圓形。因此，使圓盤狀(圓柱)的玻璃板氧化，安座在台座5(治具20)上，使玻璃熔化接合之際，若上面開口部51為圓形，可透過使放射狀散開的玻璃保持均等拉伸而形成均一厚度的玻璃。可以容易想像，這也是潛水艇、航空器等為了耐水壓、氣壓等而把本體設計成圓球狀的理由。假設上面開口部51不是圓形，例如若為四角形，用加工玻璃片做成例如斷面為四角形，因玻璃熔化時無法均一拉伸之故，玻璃厚度會無法均一，氣密玻璃封緘部可能會有洞。針對此，在本實施例型態中，因台座5的上面開口部51為圓形，可形成均一厚度的玻璃，得到無縫隙密封性能高的高氣密玻璃封緘部GS。

氣密玻璃封緘部GS形成於台座5的上面開口部51的內側面與和其接合的光學構件4的外側面的邊界處。此外，在本實施例型態中，由於在台座5的下面開口部52的上面側周緣與上面開口部51的底面側周緣間設有保持部53之故，氣密玻璃封緘部GS也會形成於此保持部53的上面與光學構件4的底面的邊界處。換言之，氣密玻璃封緘部GS不只是沿上面開口部51的內側面延伸的鉛直面，同時形成於沿保持部53延伸的水平面，因此可更進一步提升密封性能。此外，由於光學構件4受到保持部53的支持，即使光學構件4被從外部壓掣，光學構件4也不會被壓入發光元件2的側面，耐久性也可提升。

另外，光學構件4與台座5較佳收納於另外的加熱爐(圖式未示出)中，再加熱至含氧空氣環境下比玻璃軟化點高、比第一溫度(例如攝氏1000度) 低的第二溫度(例如攝氏800度)。透過此再加熱處理，使得因碳粉轉移所致表面紋理加工狀的光學構造4的表面再熔化或再軟化，如此一來，透過表面張力使熔融或軟化的玻璃的凸部往凹部移動，讓光學構造4的表面凹凸緩緩均一化、平滑化。亦即，透過簡單的再加熱處理，可對透鏡表面進行熱研磨，因而對透鏡表面進行鏡面拋光。

光學構件4與台座5接合後，將未和台座5內的玻璃接合的面上的氧化膜洗淨、去除。然後，為了防鏽，對由可伐合金所形成的台座5進行鍍鎳，此外，為了和基板3接合而進行鍍金。這些鍍膜處理係在台座5和光學構件4密封接合後進行，但因玻璃製的光學構件4為絕緣體，光學構件4的表面並未鍍覆。然而，由於光學構件4也會浸泡至鍍液中，構成光學構件4的玻璃較佳要有好的耐酸性等高藥劑耐受性。因台座5與被接合的光學構件4係各自獨立製造與交易，因此以下說明的和基板3的接合製程也可由不同於光學構件4的製造商進行。

其次，如圖6(a)所示，使用安裝發光元件2的基板3，此基板3和上述製程所形成的台座5與密封接合的光學構件4之間配置一由含金．錫或金．鍺之所謂貴金屬的合金等所形成的金屬預製件6，使其位置對齊以使基板3側的金屬化部33與台座5下面略為密著。且，如圖6(b)所示，在第二加熱爐50內對基板3、金屬預製件6以及光學構件4加熱至至少金屬預製件6的熔融溫度(攝氏200-400度)以上的溫度，使其等熔接。接著冷卻至金屬預製件6的熔融溫度以下的溫度，金屬預製件6硬化而使和光學構件4一體的台座5與基板3周壁的金屬化部33透過無機材料(預製件)接合。

台座5係於光學構件4相對於基板3的一側的下面內一體密封接合至與基板3的金屬化部33接合的部分。因此，台座5的下面與基板3的金屬化部33一旦透過金屬預製件6密封接合，基板3、台座5的下面開口部52以及光學構 件4的光入射面41所形成的空間就會密閉而與外部遮斷。結果，從發光元件2輸出的深紫外線不會從基板3和光學構件4的縫隙漏出，也可防止氣體、水分等從外部入侵。此外，也不會對存在紫外線元件套組1中周圍的樹脂製品等造成不良影響。

另外，如圖5所示，在台座5和一體接合的光學構件4的製程中，治具20與治具23係使用分別利用碳粉壓縮形成者。因此，在圖5(f)中形成的光學構件4的表面上會有微小的碳粉形狀轉移所致的表面紋理加工狀，也就是沒有進行拋光處理的狀態。此外，光學構件4的表面上可能有附著剝離碳粉的情況。因此，在圖5(f)所示的製程之後，較佳設有將成形的光學構件4的表面洗淨，除去附著的碳粉的洗淨步驟。具體來說，使用鹽酸、氟化氫水、去離子水等清洗光學構件4的表面。洗淨後，再度加熱熔化表面，進行所欲的熱研磨(thermal polish)，以研磨光學構件4的表面(圖式未示出)。

再者，需要以從發光元件2出射的深紫外線擴散照射的狀況下，也有可能較佳有凹凸殘留在光學構件4的表面上。此時，藉由中止圖5(f)所示的熱研磨而於表面上殘留凹凸。

如以上說明，根據本發明，使用軟化點在攝氏1000度以下，對於波長250~400nm的光的平均穿透率在80%以上的玻璃，將治具23推入熔融或軟化的玻璃板10，加壓成形光學構件4，製程步驟少，且程序本身簡單。此外，因為在光學構件4成形同時台座5和光學構件4即一體接合，因此，不需要為了金屬化處理而進行遮罩、沉積等步驟。更進一步者，光學構件4和一體化的台座5與金屬化處理後的基板3的周壁的金屬化部33之間的互相接合面為金屬，可容易地利用金屬預製件6進行無機材料(預製件)接合，使製程更加簡單。因而，可提供低成本、可靠度高的高紫外線元件套組1。此外，玻璃材料不限 於上述例示者，對於短波長的深紫外線(例如265nm)等的平均穿透率比80%低，但實用上足夠的穿透率(例如70%以上)也可以。

1:紫外線元件套組

2:發光元件

3:基板

31:基材

32:元件接合部

33:金屬化部

4:光學構件(圓頂透鏡、平面透鏡)

41:光入射面

42:光出射面

5:台座

51:上面開口部

52:下面開口部

53:保持部

Claims (9)

1. 一種由發射紫外光的發光元件與安裝該發光元件的基板以及設於前述發光元件對向位置處的光學構件所製備的紫外線元件套組，其特徵在於：前述光學構件由軟化點在攝氏1000度以下，對於波長250~400nm的光的平均穿透率在80%以上的玻璃所形成，該光學構件透過該光學構件與密封接合的金屬製台座接合至前述基板；且該台座具有一嵌裝該光學構件的平面視為圓形的上面開口部，以及收容該發光元件的底面視略為矩形的下面開口部，其中，該下面開口部的上面側周緣與該上面開口部的底面側周緣之間，形成由與該台座上面與底面平行的平面所構成的用以保持該光學構件的保持部。
2. 如請求項1所述的紫外線元件套組，其特徵在於該台座由熱膨脹係數與該玻璃的熱膨脹係數約略相等的金屬所形成。
3. 如請求項1或請求項2所述的紫外線元件套組，其特徵在於該台座透過其表面上所形成的氧化膜與該光學構件密封接合。
4. 如請求項3所述的紫外線元件套組，其特徵在於該基板內和該台座接合的接合部中形成受金屬化處理的金屬化部，該台座與該金屬化部透過金屬預製件接合。
5. 如請求項1或2所述的紫外線元件套組，其特徵在於該基板內和該台座接合的接合部中形成受金屬化處理的金屬化部，該台座與該金屬化部透過金屬預製件接合。
6. 如請求項5所述的紫外線元件套組，其特徵在於該光學構件為光出射面突出的圓頂透鏡或該光學構件為光出射面平坦的平面透鏡。
7. 如請求項4所述的紫外線元件套組，其特徵在於該光學構件為光出射面突出的圓頂透鏡或該光學構件為光出射面平坦的平面透鏡。
8. 如請求項3所述的紫外線元件套組，其特徵在於該光學構件為光出射面突出的圓頂透鏡或該光學構件為光出射面平坦的平面透鏡。
9. 如請求項1或2所述的紫外線元件套組，其特徵在於該光學構件為光出射面突出的圓頂透鏡或該光學構件為光出射面平坦的平面透鏡。

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