TW201739706A

TW201739706A - 光學裝置之製造方法

Info

Publication number: TW201739706A
Application number: TW106109546A
Authority: TW
Inventors: 岡本英之; 関康平; 奧村駿
Original assignee: 中央硝子股份有限公司
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2017-11-16
Also published as: WO2017169289A1; JP2017183572A

Abstract

本發明揭示一種光學裝置之製造方法，其係具有利用玻璃層將設置於基材上之光學元件密封之步驟者，其特徵在於：上述基材具有包含選自由Al、Cu、Ag、Au、Pt、Rh、Ni、Pd、Sn、及Zn所組成之群中之至少一種之反射面，上述玻璃層為氟化物玻璃，且該製造方法具有：積層步驟，其係使設置有該光學元件之基材之該反射面與形成該玻璃層之玻璃素材接觸而形成積層體；及密封步驟，其係一面對該積層體進行加壓，一面以玻璃素材成為未達400℃之方式進行加熱，而使玻璃素材軟化延伸。

Description

光學裝置之製造方法

本發明係關於一種利用氟化物玻璃將設置於基材上之光學元件密封之方法。

目前，用於照明等之LED(Light Emitting Diode，發光二極體)元件等光學元件利用環氧樹脂或聚矽氧樹脂等透光性樹脂密封。近年來，指出有如下等問題：因自激發螢光體之光源產生之紫外線光而導致上述樹脂發生劣化，或因長時間之使用導致水分滲透至樹脂中而妨礙光學元件之動作。為了抑制上述密封材料之劣化，而提出有對密封材料使用低軟化點玻璃之發光裝置。於使用低軟化點玻璃之情形時，與樹脂相比，需要高溫製程，因此，先前之使用樹脂之方法難以適用，必須確立具體之玻璃組成或其成型方法。例如，於專利文獻1中，揭示有利用第1玻璃材料將設置於陶瓷基板上之LED元件密封之方法。於該文獻中使用熱壓成型法，藉由將與模具之金屬隔離性較高之第2玻璃材料積層於第1玻璃材料上，而提高自熱壓後之模具之隔離性。又，使用玻璃轉移溫度為480℃左右之氧化物玻璃作為第1玻璃材料，以600℃左右之溫度進行熱壓接。又，例如於專利文獻2中，揭示有利用氧化物玻璃將固體元件裝置之氧化鋁等基板密封之方法，藉由縮小基板與氧化物玻璃之熱膨脹係數差，而抑制作為密封材料之玻璃之龜裂或剝離。又，於該文獻之實施例中，進行使用模具之熱壓成型。又，於專利文獻3中揭示有如下內容，即，為了抑制於密封LED元件時玻璃內部所產生之內部應力使玻璃產生龜裂，而以LED元件之熱膨脹係數α1、安裝基板之熱膨脹係數α2、密封玻璃之熱膨脹係數α3成為α1＜α3＜α2之條件構成光學裝置。於該文獻中，作為LED元件，揭示有α1為7.8 ppm/℃之半導體發光元件，作為安裝基板，揭示有α2為16.5～23 ppm/℃之銅基板或鋁基板，作為密封玻璃，揭示有α3為8～15 ppm/℃之P₂ O₅ -SnO系玻璃，將密封LED時之溫度設為450～650℃。 [先前技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1]日本專利特開2008-041844號公報 [專利文獻2]日本專利特開2008-085361號公報 [專利文獻3]日本專利特開2015-032642號公報

如上所述，正研究使用低軟化點之氧化物玻璃作為設置於基材上之LED元件等光學元件之密封材料。作為密封方法，一般使用模具進行加壓、加熱，此時，存在因氧化物玻璃與基材之線膨脹係數之差較大而導致產生玻璃自基材之剝離或龜裂之問題。此處，一般之氟化物玻璃於20～300℃下之線膨脹係數為12～25 ppm/℃，與上述氧化物玻璃相比，與基材之線膨脹係數之差較小。又，具有軟化點亦低於氧化物玻璃者較多之特徵。根據如上所述之特徵，認為就線膨脹係數或軟化點之方面而言，氟化物玻璃作為密封材料較佳，但另一方面，已知於加熱時會因氟化物玻璃而產生某些反應，而基板損傷，或於氟化物玻璃本身產生著色等，因此，一般認為不適合作為密封材料。因此，本發明之目的在於獲得一種方法，該方法使用玻璃作為密封材料，於玻璃不產生龜裂或剝離之狀態下將設置於基材上之光學元件密封。本發明者等人使用經鏡面加工且表面被實施金屬鍍覆之基材與氟化物玻璃，藉由熱壓成型進行密封，結果，於以300℃加熱之情形時能夠密封，但於以400℃以上加熱之情形時，發現上述金屬鍍覆表面變色或者鏡面變得粗糙而反射面劣化之傾向。推測其原因在於，因加熱而導致於氟化物玻璃與金屬鍍覆層接觸之界面發生某些反應。又，進一步進行了研究，結果可明確，即便於乾燥空氣氛圍下進行上述熱壓成型，亦不會對氟化物玻璃造成較大影響。一般而言，已知大氣中包含之水分會對氟化物玻璃之鍵結狀態造成影響，尤其是於加熱過程中，產生玻璃之表面劣化或著色等問題，因此，推薦於惰性氣體氛圍下進行操作。然而，如上所述，可知只要為300℃左右之溫度，則即便不於惰性氣體氛圍下亦能夠密封。即，本發明係一種光學裝置之製造方法，其係具有利用玻璃層將設置於基材上之光學元件密封之步驟者，其特徵在於：上述基材具有包含選自由Al、Cu、Ag、Au、Pt、Rh、Ni、Pd、Sn、及Zn所組成之群中之至少一種之反射面，上述玻璃層為氟化物玻璃，且該製造方法具有：積層步驟，其係使設置有該光學元件之基材之該反射面與形成該玻璃層之玻璃素材接觸而形成積層體；及密封步驟，其係一面對該積層體進行加壓，一面以玻璃素材成為未達400℃之方式進行加熱，而使玻璃素材軟化延伸。上述「反射面」係指反射發光元件之光之面。由於自如用於照明用途之發光元件發出之光通常較為重要的是高效率地提取可見光，故而反射面至少能夠反射可見光即可。又，於密封紫外線光源或紅外光源之用途中，當然亦可視需要一併反射紫外線光或紅外光。 [發明之效果] 根據本發明，可使用氟化物玻璃將設置於基材上之光學元件密封。

本發明係一種光學裝置之製造方法，其係具有利用玻璃層將設置於基材上之光學元件密封之步驟者，其特徵在於：上述基材具有包含選自由Al、Cu、Ag、Au、Pt、Rh、Ni、Pd、Sn、及Zn所組成之群中之至少一種之反射面，上述玻璃層為氟化物玻璃，且該製造方法具有：積層步驟，其係使設置有該光學元件之基材之該反射面與形成該玻璃層之玻璃素材接觸而形成積層體；及密封步驟，其係一面對該積層體進行加壓，一面以玻璃素材成為未達400℃之方式進行加熱，而使玻璃素材軟化延伸。 1：光學裝置之各構件以下，針對本發明中使用之各構件，一面參照圖1(a)～(c)一面進行說明。 (基材10) 基材10係於與玻璃層20之接觸面具有包含選自由Al、Cu、Ag、Au、Pt、Rh、Ni、Pd、Sn、及Zn所組成之群中之至少一種之反射面者。若使上述反射面與用於形成玻璃層20之氟化物玻璃之玻璃素材接觸，並以400℃以上之溫度進行密封，則於玻璃素材與反射面接觸之界面發生某些反應，而反射面著色，或表面狀態劣化。基材10具有配置發光元件4之底部10a、及包圍該發光元件4之周圍部10b。又，基材10於在表面形成有膜等之情形時，包含基底基板1與反射塗層2。又，基材10於在表面形成有膜等，進而於周圍部10b具有反射件3之情形時，包含基底基板1、反射塗層2及反射件3。基材10只要具有能夠電性連接發光元件4之導電性，且表面能夠反射來自發光元件4之光即可。又，玻璃層20形成於由底部10a與周圍部10b包圍之範圍。又，基材10可如圖1之(a)、(b)般將底部10a與周圍部10b設為一體，亦可如圖1(c)般設為不同之構件，於設為不同之構件之情形時將其密封或者使其接著。底部10a與周圍部10b為了高效率地提取來自發光元件4之光，通常如圖1之(b)、(c)般於基底基板1表面設置反射塗層2或反射件3，或者如圖1(a)般對基材10表面實施鏡面加工處理，以使可見光反射。又，為了電性連接光學元件4，一般而言至少底部10a為了具有導電性而設置具有導電性之膜或配線，或將基材10或基底基板1本身設為具有導電性之金屬基板。基材10之底部10a及周圍部10b均可由包含Al或Cu之金屬或其合金等形成。又，除了上述成分以外，亦可於基板中含有Ni、Mo、W、Co、及Fe。例如於基材10為能夠反射可見光之Al之情形時，導電性與光反射均充分，因此，如圖1(a)所示，並非必須設置反射塗層2或反射件3。另一方面，於Cu等之情形時，較佳為如圖1(b)所示將Cu設為基底基板1，並於其底部10a之表面設置反射塗層2，或者於周圍部10b之表面設置反射件3，以改善Cu本來具有之顏色或反射特性。又，亦可如圖1(c)所示般於底部10a與周圍部10b設為不同之構件，例如，亦可使用Cu之基底基板1，於周圍部10b設置Al之反射件3，並於基底基板1之表面設置反射塗層2。通常，金屬之線膨脹係數較大，與作為玻璃之密封材料而通用地使用之氧化物玻璃之線膨脹係數之差較大。然而，氟化物玻璃之線膨脹係數高於氧化物玻璃，能夠縮小上述線膨脹係數之差。因此，藉由本發明，可利用玻璃層20將金屬之基材10密封。又，若與玻璃素材之線膨脹係數之差較小，則亦可對基材10使用陶瓷。於該情形時，與使用金屬之情形相比導電性較低，因此，將陶瓷設為基底基板1，並於表面形成具有導電性之配線。又，較佳為視需要於底部10a或周圍部10b之表面形成反射塗層2，亦可為設置兼有導電性之反射塗層2者。又，亦可如上述般於周圍部10b配置反射件3。作為具有如上所述之線膨脹係數之陶瓷，例如可列舉MgO、CaF₂ 與ZrO₂ 之複合物、NaAlSiO₄ 等。作為反射塗層2，較佳為使用選自由Ag、Au、Cu、Rh、Ni、Pt、Pd、Sn、及Zn所組成之群中之至少一種。於使用反射塗層2之情形時，層亦可積層複數層，上述「反射面」係指形成於最表面之層之表面。又，亦可如圖1(b)所示，不僅設置於基材10之底部10a，而且設置於周圍部10b。又，如上所述，亦可使用兼有導電性之膜作為反射塗層2。具體而言，可列舉Au或Au之合金等。又，為了賦予導電性，亦可於底部10a設置未圖示之Au或Au合金之配線而不設置反射塗層2。如圖1(c)所示，反射件3以包圍發光元件4之方式設置於基底基板1上。所使用之材料與上述反射塗層2相同，只要能夠反射所期望之光即可。又，可使用Al或Ag、Al與Ag之合金等，亦可使用於其他構件形成有自Ag、Au、Cu、Rh、Ni、Pt、Pd、Sn、Zn及含有白色填料之樹脂中選擇之至少一者之膜作為反射膜者。 (金屬封裝體) 所謂金屬封裝體係指於上述基材10中具備電路或金屬線、電極等用於電性連接發光元件4之各種構件之集合構件。上述金屬封裝體只要根據用途適當進行選擇即可。例如可列舉利用金屬線將形成於基材10上之電路圖案與發光元件4上表面之電極連接之可進行打線接合者、或於發光元件4之下表面設置電極並經由柱形凸塊或焊料球等將該電極與基材10上之電路圖案連接之可進行覆晶連接者等。 (發光元件4) 發光元件4設置於上述基材10上。又，所謂「基材10上」，可與基材直接接觸，亦可於基材10與發光元件4之間具有電路圖案或配線、其他安裝件等。又，作為發光元件4，可列舉通常使用之LED晶片等，通常於上表面或下表面具有電極。 (玻璃素材) 用於玻璃層20之玻璃素材為氟化物玻璃。本說明書之所謂「氟化物玻璃」，只要成為玻璃之網路成形劑之成分與氟鍵結，而成為玻璃之骨架即可。例如可列舉ZrF₄ 系玻璃、HfF₄ 系玻璃、AlF₃ 系玻璃、及將該等複合而含有之Al-Zr系玻璃、Ar-Hf系玻璃等。又，亦可以任意比率包含SnF₂ 或GaF₃ 、ScF₂ 、ZnF₂ 。亦可包含微量之PbF₂ 或BeF₂ ，但若考慮環境負荷，則較理想為避免使用。又，具體而言，以莫耳%計包含1～45之AlF₃ 、Hf之氟化物與Zr之氟化物合計包含30～60、鹼土類氟化物合計包含20～65、選自由Y、La、Gd、及Lu所組成之群中之至少一者之氟化物合計包含0～25、以及鹼金屬之氟化物合計包含0～25的玻璃由於軟化點或線膨脹係數處於較佳之範圍內，故而較佳。使用之玻璃素材較佳為於20～300℃下之線膨脹係數為12～25 ppm/℃。又，更佳為亦可將下限值設為15 ppm以上。藉由設為上述範圍內，能夠縮小與一般使用之基材10之線膨脹係數之差。又，如上所述，為了抑制基材10表面之劣化，而氟化物玻璃之軟化點設為未達400℃。較佳為亦可設為370℃以下。又，下限值無須特別限定，只要為一般之氟化物玻璃之軟化點左右即可，例如亦可設為250℃以上。本發明中使用之玻璃素材之形狀只要能夠較佳地進行加壓、加熱處理即可，於本實施例中，使用板狀玻璃。玻璃素材除了板狀以外，可列舉粉末狀或顆粒狀、於有機媒劑中混合玻璃粉末而成之糊狀等。又，於密封步驟後玻璃素材成為玻璃層20，而將光學元件4密封。 (玻璃層20) 於所獲得之玻璃層20中，亦可具有各種螢光體作為對來自光學元件4之光之波長進行轉換之波長轉換構件。又，亦可包含用於將線膨脹係數調整至所期望之範圍之填料、或用於使光散射之各種散射材料等。螢光體或填料、散射材料等可藉由混合於密封步驟前之玻璃素材內或者混合於密封步驟中之已軟化之玻璃素材內，而包含於玻璃層20內部。 2：光學裝置之製造方法以下，針對本發明之較佳之一實施形態，一面參照圖2一面進行說明。再者，本發明並不限定於該實施形態。 (積層步驟) 首先，將設置有光學元件4之基材10與玻璃素材30積層而形成積層體。此時，為了於之後之密封步驟中，使已軟化之玻璃素材30能夠將光學元件4密封，較佳為如圖2般，於由基材10之底部10a與周圍部10b包圍之空間，玻璃素材30以能夠延伸之方式積層。又，玻璃素材30之形狀並無特別限定，如上所述，可為板狀、粉末狀或顆粒狀、糊狀等，適當進行選擇即可。 (密封步驟) 其次，一面對上述積層體進行加壓，一面以玻璃素材30成為未達400℃之方式進行加熱，而使玻璃素材30軟化。若玻璃素材30之溫度成為400℃以上，則已軟化之氟化物玻璃素材30與基材10之反射面之Al、Cu、Ag、Au、Pt、Rh、Ni、Pd、Sn、Zn等金屬發生反應，而反射面變色並劣化。較佳為亦可設為370℃以下。又，下限值只要為玻璃素材30之軟化點以上即可，並無特別限定。密封步驟較佳為如圖2所示，使用模具32進行熱壓成型。此時，只要玻璃素材30能夠軟化即可，可使用電爐等既有之加熱方法，但若加熱模具32，使用經加熱之模具32對上述積層體進行加壓，則操作簡便，故而較佳。即，密封步驟較佳為使用已加熱至未達400℃之模具32，利用該模具32對上述積層體進行加壓。又，如上所述，若為模具之上述加熱溫度之範圍內，則即便不於惰性氣體氛圍下，亦可使用氟化物玻璃進行密封。尤其是藉由設為乾燥空氣氛圍下，可抑制氟化物玻璃之著色。再者，於惰性氣體氛圍下當然亦能夠密封。作為上述惰性氣體，例如可列舉N₂ 、Ar等，可視需要混合使用2種以上。又，亦可使用於上述惰性氣體中混合有微量之H₂ 或Cl₂ 等之混合氣體。上述密封步驟較佳為於上述模具32與上述積層體之間具有脫膜材料31。其原因在於有如下情形，即，已軟化之玻璃素材30熔合於模具32而於密封步驟後無法自模具32分離，或者進行冷卻後以熔合狀態所形成之玻璃層20破裂。再者，於圖2中，於積層體之上下使用脫膜材料31，但脫膜材料31位於玻璃素材30與模具32之間即可，並非必須位於基材10與模具32之間。作為上述脫膜材料31，只要為能夠耐受加熱時之溫度且不與氟化物玻璃發生反應者即可。例如，較佳為自包含選自由聚醯亞胺、聚醯亞胺醯胺、聚四氟乙烯、聚醚酮醚酮酮、聚醚醚酮、及聚矽氧所組成之群中之至少一種之樹脂材料或玻璃石墨、石墨、SiC等中適當選擇。又，上述脫膜材料31亦可包含用於調整線膨脹係數或提高強度之填料等。脫膜材料31根據加熱時之氛圍進行選擇，於乾燥空氣中較佳為使用上述樹脂材料、SiC，於惰性氣體氛圍中較佳為自樹脂材料、玻璃石墨、石墨、SiC中選擇。本發明之密封步驟於加熱時進行加壓。其原因在於，由於將密封時之玻璃素材30之溫度設為未達400℃，故而若僅單純進行加熱，則已軟化之玻璃素材30之延伸不足，而密封變得不充分。加壓時之壓力較佳為設為0.2～5 MPa。實施例實施例1 使用發光峰值波長450 nm之LED晶片作為光學元件，使用LED晶片用之金屬封裝體，並使用厚度1.5 mm之氟化物玻璃板(53ZrF₄ -20BaF₂ -4LaF₃ -3AlF₃ -10NaF(莫耳%))作為玻璃素材。上述金屬封裝體係使用以Cu系金屬基板(Cu-0.1Fe-0.03P(質量%)、線膨脹係數：17.5 ppm/℃)為基底基板，並對基底基板表面實施包含Au之金屬鍍覆而形成反射塗層所得者。又，金屬封裝體係於上述基底基板上包含具有純鋁(A1050)製之鏡面之反射件，並利用反射件包圍LED晶片之設置場所。首先，於金屬封裝體上設置LED晶片。該步驟於大氣中進行。其次，於露點-85℃以下之氮氣氛圍下，於上下表面具有SUS304平板作為模具之熱壓裝置之間，將上述金屬封裝體與氟化物玻璃板積層，而獲得積層體。又，此時，於金屬封裝體與SUS304平板之間、及氟化物玻璃與SUS304平板之間，隔著聚醯亞胺膜(荒川化學工業製造Pomiran T25、膜厚25 μm)作為脫膜材料。其次，使SUS304平板升溫至300℃，以壓力0.5 MPa進行積層體之加熱與加壓3分鐘，使玻璃素材軟化延伸而將LED晶片密封，從而獲得樣品。又，此時亦設為露點-85℃以下之氮氣氛圍下。目視觀察藉由以上步驟所獲得之樣品之外觀，結果於反射塗層及反射件表面確認到光澤。又，若對LED晶片通電，則獲得波長450 nm之發光，即便利用氟化物玻璃進行密封，LED晶片亦表現出可無問題地使用。實施例2 於實施例1中，不於金屬封裝體中設置LED晶片，除此以外，以與實施例1之記載相同之條件獲得樣品。將所獲得之樣品之玻璃層剝離，並目視觀察反射塗層及反射件之表面狀態。其結果，可知外觀上並未出現較大變化。將密封後之反射塗層表面之光學照片示於圖3(b)。圖3(a)為未加熱之狀態，可知與(a)之照片相比亦未出現較大之劣化。實施例3 除了將氛圍設為乾燥空氣下以外，以與實施例2相同之構件且相同之條件獲得樣品。目視觀察所獲得之樣品之外觀，結果於反射塗層表面及反射件表面確認到光澤。確認到即便於乾燥空氣下亦可利用氟化物玻璃將金屬封裝體密封。比較例1 除了將模具之加熱溫度設為400℃以外，以與實施例2相同之構件且相同之條件獲得樣品。將所獲得之樣品之玻璃層剝離並進行外觀觀察，結果可知反射塗層表面變色，並出現劣化。將表面狀態之光學照片示於圖3(c)。比較例2 除了將模具之加熱溫度設為500℃以外，以與實施例2相同之構件且相同之條件獲得樣品。將所獲得之樣品之玻璃層剝離並進行外觀觀察，結果可知反射塗層表面變色，並出現劣化。將表面狀態之光學照片示於圖3(d)。比較例3 不使用密封用之氟化物玻璃板，而僅對金屬封裝體以500℃進行加熱，確認表面之變化，但於加熱前後未出現變化。根據以上可知氟化物玻璃作為LED元件等光學元件之密封材料有用。又，可知即便於乾燥空氣中亦能夠無問題地進行密封。又，如比較例1、2所示，可知若於400℃以上進行加熱，則於反射面與玻璃之界面之間發生反應。進而，可明確若使用氟化物玻璃且不進行加熱則不會產生上述課題。

1‧‧‧基底基板
2‧‧‧反射塗層
3‧‧‧反射件
4‧‧‧光學元件
10‧‧‧基材
10a‧‧‧底部
10b‧‧‧周圍部
20‧‧‧玻璃層
30‧‧‧玻璃素材
31‧‧‧脫膜材料
32‧‧‧模具

圖1(a)～(c)係對利用玻璃素材密封後之LED晶片用之金屬封裝體進行說明之簡易圖。圖2係說明本發明之較佳之一實施形態之簡易圖。圖3(a)～(d)係本發明之實施例及比較例中之去除玻璃層後之反射面之光學照片。

1‧‧‧基底基板

2‧‧‧反射塗層

3‧‧‧反射件

4‧‧‧光學元件

10‧‧‧基材

30‧‧‧玻璃素材

31‧‧‧脫膜材料

32‧‧‧模具

Claims

一種光學裝置之製造方法，其係具有利用玻璃層將設置於基材上之光學元件密封之步驟者，其特徵在於：上述基材具有包含選自由Al、Cu、Ag、Au、Pt、Rh、Ni、Pd、Sn、及Zn所組成之群中之至少一種之反射面，上述玻璃層為氟化物玻璃，且該製造方法具有：積層步驟，其係使設置有該光學元件之基材之該反射面與形成該玻璃層之玻璃素材接觸而形成積層體；及密封步驟，其係一面對該積層體進行加壓，一面以玻璃素材成為未達400℃之方式進行加熱，而使玻璃素材軟化延伸。
如請求項1之光學裝置之製造方法，其中上述密封步驟係使用已加熱至未達400℃之模具，利用該模具對上述積層體進行加壓者。
如請求項2之光學裝置之製造方法，其中上述密封步驟係於上述模具與上述積層體之間具有脫膜材料者。
如請求項2或3之光學裝置之製造方法，其中上述密封步驟係於乾燥空氣氛圍下進行。
如請求項2或3之光學裝置之製造方法，其中上述密封步驟係於惰性氣體氛圍下進行。
如請求項1或2之光學裝置之製造方法，其中上述玻璃素材於20～300℃下之線膨脹係數為12～25 ppm/℃。
如請求項1或2之光學裝置之製造方法，其中上述基材為LED晶片用之金屬封裝體。