JP2007048795A - 半導体照度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】入射角の大きい光の入射を抑制して、光学フィルタによるフィルタ特性を安定化させ、不可視光によるノイズを抑制できる半導体照度センサを提供する。
【解決手段】光学フィルタにより検出面が被覆された光検出素子を少なくとも備えた半導体照度センサーにおいて、光検出素子２と光学フィルタ１は、少なくとも遮光層４に囲まれており、この遮光層４には、光入射口６を有し、光学フィルタ１に到達する入射導光路５が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトダイオードなどの光検出素子を用いた半導体照度センサの改良に関するものである。この種の半導体照度センサは、例えば、照明の自動点灯制御、液晶画面のバックライト制御、携帯電話のキーパッドのバックライト制御、監視カメラの暗視切換制御等の分野で周囲の照度を検知するために利用されている。

上記のような分野では、人の眼が感じる明るさを検知することが求められるが、照度センサに組込まれるＣｄＳやフォトダイオードなどの光検出素子は、人間の眼とは異なる感度特性を有している。これをフォトダイオードについて説明すると、可視光を検出できるフォトダイオードは、赤外線などの不可視光に対しても感度を有するため、照度を示す検知信号には、不可視光の照度としてのノイズが含まれる。しかしながら、そのノイズを信号処理によって事後的に除去することは困難なので、近時の照度センサでは、感度特性を人間の眼に近づけるため、以下に説明するような光学フィルタを用いた技術が開発されている。

図９は、その感度特性を人間の眼に近づけるための技術を用いた従来の半導体照度センサＢの構造を説明する斜視図である。この半導体照度センサＢは面実装タイプのもので、光検出素子２が形成された半導体チップＳを透明な透光性モールド樹脂７で封止した基本構造を有している。

光検出素子２は、可視光から赤外線を含む不可視光の波長域に感度を有するもので、フォトダイオード等で構成されており、その検知面は、光検出素子２の感度特性を補正する光学フィルタ１によって覆われている。

感度特性を補正するための光学フィルタ１としては、入射光の波長に応じて透過率、あるいは吸収率が異なる性質のものが必要であるが、例えば、そのような性質のものとして、干渉型光学フィルタを利用することができる。

干渉型光学フィルタは、屈折率が異なる２種類以上の薄膜を重合わせた多層膜構造を有し、各薄膜での反射光の干渉作用の重ね合わせにより、入射光の透過しうる波長を制御するものである。

従来技術では、光学フィルタ１として、そのような多層膜構造を有する干渉型光学フィルタを用い、各薄膜の膜厚を適宜設定することにより、可視光のみを透過させるような光学特性を持たせることで、不可視光が光検出素子２の検出面に到達することを抑制して、半導体照度センサＢの感度特性を人間の眼に近づけていた。なお、次の特許文献には、可視光領域のみを透過させる光学フィルタを備えた照度センサが開示されている。
実開昭６１−８２２３０号公報

しかしながら、上記の半導体照度センサＢでは、光検出素子２が透光性モールド樹脂７で封止された構造であり、正面だけでなく斜め方向からの入射光も光学フィルタ１に到達可能なので、光学フィルタ１に対する入射角は広い範囲に分布することになる。ところが、従来技術では、入射角の分布により生じる次のような問題が未解決のままになっていた。

すなわち、光学フィルタ１に対して鉛直に近い入射角で入射する入射光と、より傾いた入射角で入射する入射角とでは、光学フィルタ１を透過するまでの光路長に違いがあり、その光路差に依存して両者に対する光学フィルタ１の作用に違いが発生する。

これを干渉型フィルタについてより具体的に説明すると、干渉型光学フィルタに対して垂直に近い入射角の可視光のみを透過するように多層膜の膜厚を最適化した場合には、入射角の大きい光に対に対しては、膜厚が最適ではなくなり、不可視光の一部を透過させてしまう。そのため、干渉型光学フィルタによる効果が充分に発揮されない場合があり、この半導体照度センサＢの検知信号中の不可視光によるノイズを抑制することが困難であった。そこで、本発明は、このような問題を解決することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の半導体照度センサが提案され、請求項１では、光学フィルタにより検出面が被覆された光検出素子を少なくとも備えた半導体照度センサにおいて、上記光検出素子と上記光学フィルタは、少なくとも遮光層に囲まれており、この遮光層には、光入射口を有し、上記光学フィルタに到達する入射導光路が設けられていることを特徴とする半導体照度センサを提案している。

更に、請求項２によれば、上記遮光層は、遮光性モールド樹脂からなり、請求項３によれば、上記入射導光路には、透光性樹脂を充填しており、請求項４によれば、上記入射導光路には、該入射導光路を、上記遮光層より突出延長する筒体を付加している。また、請求項５では、上記光検出素子は、上記光学フィルタとともに、上記遮光層内で更に透光性保護膜で被覆され、請求項６では、上記透光性保護膜は、透光性モールド樹脂からなる。

請求項７では、光学フィルタにより検出面が被覆された光検出素子を少なくとも備えた半導体照度センサにおいて、上記光検出素子と上記光学フィルタは、透光性モールド樹脂を介在させて、遮光被膜で覆われており、この遮光被膜には、光入射口を開口させていることを特徴とする半導体照度センサを提案している。

更に、請求項８では、請求項７において、上記光検出素子は、上記光学フィルタとともに、上記透光性モールド樹脂遮光層内で、更に透光性保護膜で被覆されている。

本発明の半導体照度センサでは、遮光層に設けられた光入射口により光学フィルタに到達する入射導光路が形成されるので、その入射導光路に沿わない入射光は、光学フィルタまで到達できない。これにより、光学フィルタに対する入射角が一定の範囲に規制されるので、光学フィルタのフィルタ特性に応じて、不可視光を効果的に抑制でき、検知信号のノイズが抑制される。

特に請求項２では、上記遮光層は、遮光性モールド樹脂からなり、光入射口は、光学フィルタに到達する穴として形成されるので、その穴の形状を変更するだけで、光学フィルタに対する入射角を所望の範囲に規制できる。また、請求項３では、入射導光路に透光性樹脂を充填しているので、その内部にチリ、ホコリや異物が侵入する虞がない。

特に請求項４では、入射導光路には、該入射導光路を遮光層より突出延長する筒体を付加しているので、光学フィルタに対する入射角の規制を一定とした場合に、光入射口の径をより大きくできる。よって、検知信号の出力レベルが不足する場合に有利である。

特に請求項５、６では、光検出素子が、光学フィルタとともに、遮光層内で更に透光性保護膜で被覆されているので、耐久性が向上し、製品寿命が延びる。

請求項７では、光検出素子と光学フィルタは、透光性モールド樹脂を介在させて、遮光被膜で覆われた構成なので、従来の透光性モールド樹脂でモールドする工程を先工程としてそのまま利用できる。更に請求項８では、光検出素子が、光学フィルタとともに、遮光層内で更に透光性保護膜で被覆されているので、耐久性が向上し、製品寿命が延びる。

本発明による半導体照度センサは、半導体チップ上に形成された光検出素子と、この光検出素子の検出信号を出力する増幅器とを備えている。この光検出素子と増幅器は、同一の半導体チップ上に形成されるが、それに限定されるわけではなく、それぞれ個別のものとして、増幅器を外付けにしてもよい。また、光検出素子の検出面には、例えば赤外線などの不可視光の透過を抑制するフィルタ特性を有した光学フィルタが設けられている。そして、光検出素子と光学フィルタは少なくとも遮光層に囲まれ、この遮光層には、光入射口を有し、光学フィルタに到達する入射導光路を形成している。

この遮光層は、遮光性モールド樹脂、あるいは透光性モールド樹脂を被覆する遮光性膜で構成され、遮光性モールド樹脂を通じる穴や、遮光性膜を一部除去して開口させた入射導光路が形成される。以下、それらの実施例を図に従って説明する。

図１、図２はそれぞれ半導体照度センサＡの構造を示す一実施例斜視図と、その等価回路図である。なお、斜視図は、不透明な遮光性モールド樹脂に覆われた内部構造を示すために、遮光性モールド樹脂の１／２を除去しているが、この図に見える内部構造は、実際には外から見えないものである。

この半導体照度センサＡは面実装タイプのもので、光検出素子２が形成された半導体チップＳを、光を透過させない遮光性モールド樹脂で封止した基本構造を有している。この遮光性モールド樹脂は、遮光層４を形成している。

光検出素子２は、可視光から赤外線の波長域に感度を有するもので、フォトダイオード等で構成されており、その検知面は、光検出素子２の感度特性を補正する光学フィルタ１によって覆われている。この光学フィルタ１は、予めフィルム状に作成しておいたフィルタを検知面に貼着してもよいし、光検出素子２の製造工程において、光検出素子２と一体的に形成してもよい。光学フィルタ１として利用可能なフィルタには、吸収型光学フィルタ、干渉型光学フィルタ等があるが、以下では、干渉型光学フィルタを採用した例について説明する。

半導体チップＳ上に形成された光検出素子２と増幅器３との相互配線には、半導体チップＳのメタル層で形成した配線が用いられる。半導体チップＳは、銀ペーストや接着剤、ハンダ等で基板Ｐに固着され、金線等によるワイヤボンド１０によって基板Ｐの金属パターンと電気的に接続されている。この金属パターンは、スルーホールによって基板Ｐの裏面の電極Ｔと導通されている。なお、基板Ｐの替わりに、金属フレームを用いてもよいが、その場合には、半導体チップＳをフレームにハンダでダイボンドすれば、回路の安定動作も期待できる。

光検出素子２を構成するフォトダイオードは、逆バイアスで増幅器３と接続されており、光学フィルタ１を通過した光によるフォトダイオードの出力電流が増幅器３によって増幅されて、電極Ｔ（＋）、Ｔ（−）から出力されるようになっている。

遮光層４は上面に光入射口６を開口させ、その光入射開口６は遮光層４内を貫通する孔部で形成された入射導光路５に通じ、入射導光路５を光学フィルタ１に到達させ、その入射導光路を通過できる光の入射角を規制している。

図３は、その入射角規制の仕組みを説明するための、入射導光路５に沿った部分断面図である。この図に示すように、入射導光路５に沿わない入射光は、穴の側面で阻止されてしまうので、光学フィルタ１まで到達できない。従って、遮光性モールド樹脂の厚み、すなわち入射導光路５の長さに対して、光入射口６の径を適切に設定すれば、入射導光路５を通過できる入射光の入射角を所定の範囲θに調整することができる。よって、光学フィルタ１として干渉型光学フィルタを採用した例では、その多層膜の各膜厚を適宜設定して、不要な不可視光を透過させないフィルタ特性にしておけば、干渉型光学フィルタに対する入射角が制限されているので、その不可視光を効果的に透過させないことが可能になる。

次いで、この実施例における遮光層４と光入射口６の形成方法を説明する。
図４（ａ）〜（ｅ）は、遮光性モールド樹脂により半導体チップＳを封止して、光入射口６を形成する手順を説明する工程図である。

これらの工程図に従えば、光検出素子２等を形成した半導体チップＳを固着させた基板ＰにレジストＲを厚く塗布し、このレジストＲを、光入射口６のパターンが印字形成されたマスクＭを通じて露光させる（露光工程ａ）。ここに、露光させる光の条件としては、パターンを投影した光がレジストＲを通過して、基板Ｐまで到達できるようなものを選択する必要がある。

この露光のあと、光入射口６の部分のみが硬化したレジストＲの非硬化部分を除去する現像処理を行い、更に、レジストＲが除去されて露出した半導体チップＳと、基板Ｐとをワイヤボンドにより電気的に接続する（現像＋ワイヤボンド工程ｂ）。なお、このワイヤボンドは、露光工程ａを行う前に実施しておいてもよい。

次いで、基板Ｐに型を被せて遮光性モールド樹脂を注入し、半導体チップＳを封止する（封止工程ｃ）。このとき、光学フィルタ１に被さったレジストＲは、遮光性モールド樹脂に完全に浸漬した状態にしても構わない。

この後、硬化した遮光性モールド樹脂が規定の厚みになるまで機械研磨して、レジストＲを再び露出させる（研磨工程ｄ）。最後に、露出したレジストＲを溶剤によって除去すれば、目的とする光入射口６が完成する（レジスト除去工程ｅ）。

このようにして、実施例の半導体照度センサＡの遮光層４と光入射口６とが形成される。また、本発明によれば、以下に述べるような変形例も可能である。

図５は、上記の手順で形成された光入射口６に透光性樹脂７を充填した変形例を示す斜視図であるが、内部構造を示すために、遮光性モールド樹脂の１／２を除去して記載している。この例では、半導体照度センサＡは、光入射口６を透光性樹脂１１で塞いだ構造になっている。ここに用いる透光性樹脂１１は、可視光、赤外線の両方を透過させる素材で構わない。このような構造にすると、光入射口６に異物が侵入できなくなるので、製品の信頼性が向上する。

図６は、筒体８で入射導光路５を延長した別の変形例を示す斜視図であるが、内部構造を示すために、遮光性モールド樹脂の１／２を除去して記載している。この変形例の半導体照度センサＡでは、半導体照度センサＡの光入射口６には筒体８が嵌入されており、その筒体８によって入射導光路５が延長された構造になっている。ここに用いる筒体８は、遮光性樹脂製の管を所定の長さ（遮光性モールド樹脂の厚さの２倍程度まで）に切断したものである。このような構造にすると、入射導光路５が延長されるので、光学フィルタ１に対する入射角の規制を保ったままで、光入射口６の径をより大きくできる。

図７は、光検出素子２を保護した半導体照度センサＡの別の変形例を示す、入射導光路５に沿った断面図である。この例では、光検出素子２は、光学フィルタ１の上から透光性保護膜９で被覆された構造になっている。このような構造を実現するためには、光検出素子２の検出面に設けた光学フィルタ１を完全に覆うように透光性保護膜９を形成してから、半導体チップＳを基板Ｐに固着させ、その後、遮光層４と光入射口６とを上述の手順で形成すればよい。このとき、透光性保護膜９に化学的に安定した素材を用いれば、光学フィルタ１等が反応性異物に侵されないので、製品の耐久性が向上する。なお、この透光性保護膜９は、透光性モールド樹脂で形成してもよい。

半導体照度センサＡのサイズを従来のものと同じにすれば、これを組み込む装置がかさばらせることもない

次いで、半導体照度センサＡの別の実施例を説明する。

この実施例の半導体照度センサＡは、図８に示すように、光検出素子２と光学フィルタ１が、透光性モールド樹脂７で覆われており、遮光層４は、この透光性モールド樹脂７を覆う遮光膜により形成された構造になっている。

このような構造は、従来の半導体照度センサＢの透光性モールド樹脂７の上に金属蒸着膜を形成して遮光層４とし、その遮光層４の一部を除去して光入射口６を形成すれば実現できる。このとき、光検出素子２の検出面を、光入射口６に対応した形状にしておくことにより、光入射口６により形成された入射導光路５に沿わない入射光は、光検出素子２の検出面に到達できないようになる。なお、ここでは、その遮光膜を金属蒸着膜によって形成しているが、これに限定されず、遮光性樹脂等の膜により遮光層４を形成してもよい。

本発明による半導体照度センサの構造を説明する一部断面斜視図。 本発明による半導体照度センサの等価回路図。 本発明による半導体照度センサの入射導光路に沿った部分断面図。 （ａ）〜（ｅ）は、遮光層に光入射口を形成する手順を説明する工程図。 入射導光路に透光性樹脂を充填した変形例を示す一部断面斜視図。 筒体によって入射導光路を突出延長した別の変形例を示す一部断面斜視図。 光検出素子を保護膜で保護した別の変形例を示す断面図。 本発明による半導体照度センサの別の構造を説明する斜視図。 従来の半導体照度センサの構造を説明する斜視図。

符号の説明

１ 光学フィルタ
２ 光検出素子（検出面）
３ 増幅器
４ 遮光層
５ 入射導光路
６ 光入射口
７ 透光性モールド樹脂
８ 筒体
９ 透光性保護膜
１１ 透光性樹脂

Claims (8)

1. 光学フィルタにより検出面が被覆された光検出素子を少なくとも備えた半導体照度センサにおいて、
   上記光検出素子と上記光学フィルタは、少なくとも遮光層に囲まれており、この遮光層には、光入射口を有し、上記光学フィルタに到達する入射導光路が設けられていることを特徴とする半導体照度センサ。
2. 請求項１において、
   上記遮光層は、遮光性モールド樹脂からなることを特徴とする半導体照度センサ。
3. 請求項２において、
   上記入射導光路には、透光性樹脂を充填していることを特徴とする半導体照度センサ。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   上記入射導光路には、該入射導光路を、上記遮光層より突出延長する筒体を付加していることを特徴とする半導体照度センサ。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   上記光検出素子は、上記光学フィルタとともに、上記遮光層内で更に透光性保護膜で被覆されていることを特徴とする半導体照度センサ。
6. 請求項５において、
   上記透光性保護膜は、透光性モールド樹脂からなることを特徴とする半導体照度センサ。
7. 光学フィルタにより検出面が被覆された光検出素子を少なくとも備えた半導体照度センサにおいて、
   上記光検出素子と上記光学フィルタは、透光性モールド樹脂を介在させて、遮光被膜で覆われており、この遮光被膜には、光入射口を開口させていることを特徴とする半導体照度センサ。
8. 請求項７において、
   上記光検出素子は、上記光学フィルタとともに、上記透光性モールド樹脂遮光層内で、更に透光性保護膜で被覆されていることを特徴とする半導体照度センサ。
   

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