本发明涉及将发光元件密封于内部的发光模块及其制造方法。
背景技术：
发光二极管(LED、Light Emitting Diode)主要被以照明、信号、光通信等各种用途用作从可见光到红外光的波长区域中的光源。一般而言，为了保护由化合物半导体构成的发光元件不受外部环境影响，LED元件被具有光透射性的材料密封并封装。
作为密封方法，可以举出用树脂材料来覆盖安装在读电极上的发光元件的方法、或在设置有开口的封装本体中容纳发光元件，并用玻璃板等窗构件对开口部加盖的方法。作为后者所示的方法，可以举出在封装本体的开口部设置金属框，并且将金属框与玻璃板之间用低熔点玻璃来接合的技术。此外，有时也将用于对出射光进行准直的球形透镜代替玻璃板而接合(例如，参照专利文献1)。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1:日本特开2002-33519号公报
技术实现要素：
[发明要解决的课题]
在上述的密封方法中，因为封装本体和球形透镜经由金属框而被接合，所以与准备金属框相应地，构件数量会增加，并且接合部位会增加。希望能够以既保持较高的密封性，又更简易的构造来接合封装本体与球形透镜。
本发明鉴于这样的问题而完成，提供一种使透镜功能一体化的可靠性较高的发光模块。
用于解决课题的手段
本发明的一个方案的发光模块包括：封装基板，其在上表面上设置有具有开口的凹部；发光元件，其被容纳在凹部中；窗构件，其以覆盖开口的方式被设置在上表面上；以及密封部，其接合封装基板与窗构件之间。窗构件包含：透镜部，其与发光元件相对；以及法兰部，其从透镜部突出并与密封部接合。透镜部及法兰部由相同的玻璃材料构成。
根据此方案，因为透镜部与法兰部被一体地形成，并由法兰部完成与封装基板的接合，所以能够提高封装基板与窗构件之间的密封性。此外，因为能够将具有透镜功能的窗构件与封装基板直接接合，所以与经由其它构件来使两者接合的情况相比，能够减少接合部位。由此，即使在使具有透镜功能的窗构件接合的情况下，也能够减少作为密封性被损害的原因的接合部位，从而提高发光模块的可靠性。
也可以是，透镜部及法兰部由石英玻璃构成。
也可以是，发光元件发出在波长被包含在200nm～360nm的范围中的紫外光。
也可以是，透镜部将来自发光元件的光转换为平行光并使其向外部射出。
也可以是，透镜部为球体或球体的一部分。
也可以是，透镜部为菲涅尔透镜。
本发明的另一方案为发光模块的制造方法。该方法包括：将熔融石英作为材料，射出成型出包含透镜部和从透镜部突出的法兰部的窗构件的工序；在设有凹部的封装基板的上述凹部中容纳发光元件的工序，其中，该凹部被设置在封装基板的上表面，且具有开口；以透镜部与发光元件相对的方式在上表面配置窗构件的工序；以及将封装基板与法兰部之间用密封材料来接合的工序。
根据该方案，因为能够利用射出成型一体地形成具有透镜部和法兰部的窗构件，所以与对石英玻璃的母材进行切削及研磨来形成窗构件的情况相比，能够降低发光模块的制造成本。
发明效果
根据本发明，能够提供一种使透镜功能一体化的可靠性较高的发光模块。
附图说明
图1是表示实施方式的发光模块的剖面图。
图2是表示图1的窗构件的构造的俯视图。
图3是表示图1的窗构件的构造的仰视图。
图4是表示发光模块的制造方法的流程图。
图5是表示变形例的发光模块的剖面图。
图6是表示变形例的发光模块的剖面图。
图7是表示变形例的发光模块的剖面图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。另外，在全部的附图中，对于相同的构成要素标注相同的附图标记，并适当省略说明。
图1是表示实施方式的发光模块10的剖面图。图2是表示图1的窗构件30的构造的俯视图，图3是表示图1的窗构件30的构造的仰视图。发光模块10包括封装基板12、发光元件20、窗构件30、以及密封部48。
在本说明书的说明中，将从发光模块10输出的光的行进方向设为z方向，将与z方向正交的方向设为x方向及y方向。另外，有时将z方向称为纵向或上下方向，将x方向及y方向称为横向或水平方向。
封装基板12为具有上表面14和下表面15的平板状的构件，在上表面14上设置有具有开口的凹部16。封装基板12为包含氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)等的陶瓷基板，即所谓的高温烧制陶瓷多层基板(HTCC、High Temperature Co-fired Ceramic)。
上表面14为矩形状，在其中央部设置有形成有矩形开口的凹部16。在上表面14上的未设置凹部16的区域中实施有金属镀膜(metallizing)处理。上表面14被以例如在包含钨(W)或钼(Mo)等的基材上镀有镍(Ni)或金(Au)等的方式形成。在上表面14上，窗构件30经由密封部48而被接合。
下表面15为矩形状，设置有与发光元件20的阳极或阴极连接的外部电极(未图示)。凹部16在上表面14上开口，并在其内部容纳有发光元件20。发光元件20被载置在凹部16的底面18上。
发光元件20为由化合物半导体构成的LED，被容纳在凹部16中，并通过窗构件30来向发光模块10的外部放射光。在本实施方式中，将紫外光LED用作发光元件20，并采用其中心波长或峰值波长被包含在约200nm～360nm的紫外区域内的紫外光。例如，采用发出作为杀菌效率较高的波长的260nm附近的紫外光的LED。作为这样的紫外光LED，已知例如使用了氮化镓铝(AlGaN)的LED。
发光元件20具有发光面22、以及与发光面22相对的安装面24。发光元件20被以安装面24与底面18接触的方式配置。由此，发光元件20所发出的热经由封装基板12而被向外部散出。
窗构件30包含透镜部32、以及法兰部38，并以覆盖凹部16的开口的方式被设置在上表面14上。窗构件30被设置为：透镜部32与发光元件20相对，且法兰部38的接合面44位于与上表面14相对的位置。窗构件30由透射发光元件20所发出的紫外光的材料构成，例如由石英(SiO2)玻璃构成。
透镜部32由球体构成，作为球形透镜来发挥功能。透镜部32具有：光入射面34，其与发光元件20的发光面22相对，并被入射来自发光元件20的光；以及光出射面36，其向发光模块10的外部露出，并出射来自发光元件20的光。光入射面34及光出射面36分别由球面构成。透镜部32被以发光元件20位于透镜部32的焦点的方式配置，光入射面34被以接近发光元件20的方式配置。因此，透镜部32具有准直功能，该准直功能使来自发光元件20的光转换为平行光并射出。
法兰部38从透镜部32向横向突出，是外周为与封装基板12对应的矩形状的板状构件。法兰部38具有：接合部42，其与封装基板12的上表面14相对；以及连接部40，其连接透镜部32与接合部42之间。法兰部38被与透镜部32一体地形成，并由相同的玻璃材料构成。
接合部42为形成有实施了金属镀膜处理的接合面44的部分。接合面44由真空蒸镀或溅镀等方法形成，例如在由石英玻璃构成的接合部42上由将钛(Ti)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)依次层叠的多层膜形成。另外，也可以使用铬(Cr)来代替钛。
连接部40为未被实施金属镀膜处理的部分，且z方向的厚度d1与接合部42的厚度d2相比较小的部分。连接部40也可以说是以远离封装基板12的上表面14的方式设置有台阶的部分。通过在连接部40上设置台阶，从而能够扩大作为球面的光入射面34的范围W。通过扩大光入射面34的范围W，从而能够使更多从发光元件20输出的光向光入射面34入射，并由透镜部32进行准直来使从光出射面36射出的光量增多。
密封部48被设置于封装基板12与窗构件30之间，是填充其间隙的密封材料。密封部48由低熔点的金属材料构成，例如包含锡金(AuSn)或锡银(AgSn)的合金。密封部48在熔融状态下在上表面14与接合面44之间扩展，并与上表面14及接合面44形成共晶结合。由此，密封部48对封装基板12与窗构件30之间进行密封。另外，在密封时，在凹部16的内部填充有氮(N2)等惰性气体。
根据以上的构成，发光模块10能够将作为紫外光LED的发光元件20密封于内部，并通过窗构件30来将紫外光输出到外部。来自发光元件20的光由透镜部32进行聚光并转换为平行光或者接近平行光状态的光而射出。因为将石英玻璃用作窗构件30，所以即使在使用了发出波长360nm以下的紫外光的发光元件20的情况下，也能够将紫外光高效率地取出到外部。
接下来，说明发光模块10的制造方法。图4是表示发光模块10的制造方法的流程图。将石英玻璃作为材料来将窗构件30射出成型(S10)，并且将发光元件20容纳在封装基板12的凹部16中(S12)。接下来，在凹部16之上配置窗构件30，使得窗构件30的透镜部32与发光元件20相对(S14)，使用密封材料来接合封装基板12的上表面14与窗构件30的接合面44(S16)。
在S12的射出成型工序中，通过准备与包含透镜部32和法兰部38的窗构件30的形状对应的模具，并注入以石英玻璃的颗粒等为材料的熔融石英，来成型出窗构件30。将成型后的石英从模具中取出后，除去石英的余热，并对表面进行研磨，由此加工成透明的石英玻璃制的窗构件30。在射出成型后被研磨后的窗构件30的接合面44上，实施金属镀膜处理。在S16的密封工序中，在封装基板12的凹部16中填充有氮(N2)等惰性气体的状态下，接合封装基板12与窗构件30。
以下，表示本实施方式的发光模块10所起到的效果。
根据本实施方式，因为透镜部32与法兰部38被一体地形成，并利用法兰部38完成与封装基板12的接合，所以能够提高封装基板12与窗构件30之间的密封性。此外，因为能够将具有透镜功能的窗构件30与封装基板12直接接合，所以与经由其它的构件来使两者接合的情况相比，能够减少接合部位。由此，即使在使发光模块10具有透镜功能的情况下，也能够减少作为密封性被损害的原因的接合部位，提高发光模块10的可靠性。
根据本实施方式，因为窗构件30由石英玻璃构成，所以即使在使用发出波长为360nm以下的紫外光的发光元件20的情况下，也能够提高窗构件30的紫外光透射率。此外，因为使窗构件30具有了透镜功能，所以能够将来自发光元件20的紫外光高效地取出到发光模块10的外部。由此，能够提高发光模块10的紫外光的输出强度。
在本实施方式中，因为采用了不在封装基板12与窗构件30的接合中设置金属框的构成，所以与在两者之间插入金属框的情况相比，能够缩短发光元件20与透镜部32的光入射面34的距离。由此，能够使更多发光元件20所发出的紫外光与透镜部32结合来提高紫外光的取出效率。
根据本实施方式，因为使用具有平坦的接合面44的法兰部38来进行对封装基板12的接合，所以能够直接使用为了与平坦的玻璃板接合而设计的封装基板。换言之，为了与具有透镜功能的窗构件30接合，能够不改变封装基板12的设计地将窗构件30接合在封装基板12上。因为不需要重新设计制造封装基板，所以能够使发光模块10的成本降低。
根据本实施方式，因为使用石英玻璃并通过射出成型来制造具有透镜功能的窗构件30，所以与对石英玻璃的母材进行切削及研磨来加工的情况相比，能够降低制造成本。因此，能够以低成本来实现密封性及可靠性较高、且输出强度较高的发光模块10。
在本实施方式中，在封装基板12与窗构件30的接合上不使用低熔点玻璃，而使用由金属材料构成的密封部48。因为用作窗构件30的石英对低熔点玻璃的可沾性一般不理想，所以若将低熔点玻璃用作密封部，则会存在密封的可靠性降低的风险。另一方面，在本实施方式中，因为利用可沾性较高的金属材料来密封实施了金属镀膜处理的窗构件30，所以能够提高密封的可靠性。
在本实施方式中，作为密封部48，使用作为与封装基板12或窗构件30相比更柔软的材料的金属。由此，即使在因使用于封装基板12及窗构件30的材料的热膨胀率差导致应力产生的情况下，密封部48也会作为使应力缓和的缓冲层来发挥功能。由此，与将作为比较硬的材料的低熔点玻璃用作密封部48的情况相比，能够提高缓和应力的效果，并能够提高密封的可靠性。
(变形例1)
图5是表示变形例的发光模块110的剖面图。发光模块110在如下的点上与上述实施方式不同：窗构件130的透镜部132不是球体，而是具有切去球体的一部分后那样的形状。以下，以与上述实施方式的不同点为中心进行叙述。
窗构件130包含透镜部132、以及法兰部138，法兰部138具有连接部140和接合部142。在接合部142上，设置有用于接合封装基板12的上表面14的接合面144。透镜部132具有由球面构成的光入射面134、以及由平面构成的光出射面136。因此，透镜部132不是从法兰部138向上方突出，而是与法兰部138共同形成平坦的暴露表面。因此，根据本变形例，因为透镜部132的光出射面136由平坦面形成，所以与上述实施方式相比，能够减小发光模块110的上下方向的厚度，能够使发光模块110小型化。
(变形例2)
图6是表示变形例的发光模块210的剖面图。发光模块210在如下的点上，与上述变形例1不同：窗构件230的光入射面234由菲涅尔面构成。以下，以与变形例1的不同点为中心进行叙述。
窗构件230包含透镜部232、以及法兰部238，法兰部238具有连接部240和接合部242。在接合部242上，设置有用于接合封装基板12的上表面14的接合面244。透镜部232为所谓的菲涅尔透镜，具有由菲涅尔面构成的光入射面234、以及由平面构成的光出射面236。根据本变形例，因为与上述变形例的透镜部132相比上下方向的厚度较小，所以能够以使透镜部232更接近发光元件20的方式进行配置，并能够更高效地向外部输出来自发光元件20的光。
(变形例3)
图7是表示变形例的发光模块310的剖面图。发光模块310在如下的点上与上述实施方式不同：窗构件330的光入射面334与光出射面336两者都由菲涅尔面构成。以下，以与实施方式的不同点为中心进行叙述。
窗构件330包含透镜部332、以及法兰部338，法兰部338具有连接部340和接合部342。在接合部342上，设置有用于接合封装基板12的上表面14的接合面344。透镜部332为所谓的菲涅尔透镜，且光入射面234和光出射面236两者都由菲涅尔面构成。
根据本变形例，与上述实施方式的透镜部32相比，因为能够减小上下方向的厚度，所以能够使发光模块310小型化。此外，能够以使透镜部232更接近发光元件20的方式进行配置，能够使来自发光元件20的光更高效地向外部射出。
本发明并不限定于上述实施方式，可以基于本领域技术人员的知识而加以各种设计变更等变形，并且加有那样的变形后的实施方式也被包含在本发明的范围内。
在上述实施方式及变形例中，虽然表示了将发出紫外光的元件用作发光元件的情况，但是也可以使用发出可见光或红外光的发光元件。
在上述实施方式及变形例中，虽然表示了将石英玻璃用作窗构件的材质的情况，但是窗构件的材质不限于此，也可以使用BK7这样的石英以外的光学玻璃，还可以将透明塑料等树脂材料用作窗构件。
在上述实施方式及变形例中，虽然表示了将高温烧制陶瓷多层基板(HTCC)用作封装基板的情况，但是也可以将包含二氧化硅(SiO2)、氧化钙(CaO)、以及氧化硼(B2O3)等的低温烧制陶瓷多层基板(LTCC、Low Temperature Co-fired Ceramic)用作陶瓷材料。在此情况下，也可以是，作为对上表面14的金属镀膜处理，使用铜或银等熔点比较低的材料来代替钨或钼等高熔点材料。
[附图标记说明]
10…发光模块、12…封装基板、14…上表面、16…凹部、20…发光元件、30…窗构件、32…透镜部、38…法兰部、48…密封部。
[工业可利用性]
根据本发明，能够提供一种使透镜功能一体化的可靠性较高的发光模块。