JP2008216174A - 赤外線検知器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】真空封止時の熱源の配置を換え、温度の制御性を高め歩留まりを向上させるとともに、簡素化された生産設備で製造コストを低減し、安価で気密信頼性の高い赤外線検知器を提供することを目的とする。
【解決手段】セラミックパッケージ４は、赤外線入射窓８との接合部に平面状の環状のパッケージ側メタライズ層５ａが形成され、その下層には電気的な抵抗パターン層６がセラミックを介して積層されている。
製造工程は、パッケージ側メタライズ層５ａに沿って環状に配置された溶着金属７が予め表面の酸化膜が除去されており、真空雰囲気でのベイキング工程後に赤外線入射窓８をセラミックパッケージ４上に移動し、パッケージ側メタライズ層５ａの下層にセラミックを介して形成された抵抗パターン層６を通電加熱し、溶着金属７と窓側メタライズ層５ｂとを溶着し、真空雰囲気で溶着金属７を冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックパッケージに赤外線検知素子を内蔵した赤外線検知器に関し、特に、真空雰囲気でセラミックパッケージと赤外線透過窓とを、或いはセラミックパッケージと封止キャップとを溶着金属によって真空封止するにあたり、封止部の気密性を改良する技術に関するものである。

一般に、赤外線検知器は、赤外線検知素子に入射した赤外線エネルギーによる温度変化を検出するため、入射した赤外線エネルギーが周囲に拡散しないように、赤外線検知素子が封入される収容部が真空に保持されている。赤外線検知器の生産性を向上し収容部の真空度を短時間で高める技術として、赤外線検知素子が設置された真空容器と蓋材とを真空チャンバ内で溶着する方法（例えば、特許文献１参照）や、近接型イメージ管の光入射窓と管体とを真空チャンバ内で溶着する方法（例えば、特許文献２参照）が知られている。

また、特許文献１では、真空チャンバ内の上下に配置されたヒータに、セラミックパッケージと赤外線透過窓材が取り付けられた蓋材とをそれぞれセットし、これらヒータを加熱することによってセラミック容器に配置されたロウ材を溶融させた状態で両部材を加圧密着させ、ヒータの加熱を停止してロウ材を固まらせることによって赤外線検知器を封止する製造方法が開示されている。

このような従来の方法では一般に、つぎのような手順がとられている。図８（ａ）に示すように、予め赤外線検知素子を内蔵したセラミックパッケージ３４の接合部に形成されたメタライズ層３５ａの上にIn-Sn系やSn-Ag系等の溶着金属３７を乗せ真空中で予備溶解させる。これを一旦大気に戻し、図８（ｂ）に示すように、表面の酸化膜を旋盤などで切削除去する。次に、このセラミックパッケージ３４と、下面にメタライズ層３５ｂが形成された赤外線入射窓３８とを同一真空チェンバ内の所定の場所にセットし、真空チャンバ内を真空雰囲気にし、脱ガスの為のベイキング工程を行う。次に図８（ｃ）に示すように、赤外線入射窓３８をセラミックパッケージ３４上に移動し、荷重（図示せず）を加えるとともに加熱することで溶着金属３７とメタライズ層３５ｂとを溶着し、これを冷却することでセラミックパッケージ３４と赤外線入射窓３８を真空封止していた。
特開２００３−１３９６１６号公報 特開平０５−３１４９０７号公報

従来の技術は、真空封止時の熱源（図示せず）として、赤外線検知器全体を加熱する方法（特許文献１）や溶着部を局所的に過熱する方法を採用しており、前者としては、真空チャンバ全体を覆う脱ガス用オーブンや真空チャンバ内に設けた輻射オーブンを使用する方法があった。この方法は真空を介して輻射熱で加熱するため温度コントロールが難しいことと加熱時間が長くなる欠点があった。また、溶着金属の種類（封止時の温度）によっては、赤外線検知素子にダメージを与えることがあった。

また、溶着部を局所的に加熱する方法としては、レーザ光やキセノン光等によるスポット光照射やチャンバ内に設けたヒータを溶着部に直接接触させる方法があった。しかし、スポット光を照射する方法では、高出力の光源が必要である上、被加熱物の放射率により温度差が生じる欠点があった。また、ヒータを溶着部に接触させ熱伝導を利用する方法では、接触面積の不均一性によって生じる加熱温度のバラツキが大きいために接触面精度を高める必要があった。何れの方法にも設備が複雑で高価になる欠点があった。

本発明は、このような背景に鑑みなされたもので、真空封止時の熱源をセラミックパッケージに設けたことにより、温度の制御性を高め歩留まりを向上させるとともに、簡素化された生産設備で製造コストを低減し、安価で気密信頼性の高い赤外線検知器を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するために請求項１の赤外線検知器では、セラミックパッケージと赤外線入射窓の接合面に環状メタライズ層と環状の抵抗パターン層とをセラミックを介して積層し、前記抵抗パターン層への通電によってメタライズ層上の溶着金属を加熱溶解することにより、セラミックパッケージを赤外線入射窓で真空封止する構成とする。

また、請求項３の赤外線検知器では、セラミックパッケージに貫通孔を設け、当該貫通孔の周辺に環状の第１メタライズ層と環状の抵抗パターン層とをセラミックを介して積層した構成とする。

請求項３に係る赤外線検知器の製造工程としては、赤外線検知素子を実装したセラミックパッケージに赤外線入射窓を気密接合する。次に、第１メタライズ層の上に溶着金属を溶着させ、これを一旦大気に戻し、表面の酸化膜を旋盤などで切削除去する。次に、このセラミックパッケージ組立体と封止キャップを同一真空チェンバ内の所定の場所にセットし、真空チャンバ内を真空雰囲気にし、脱ガスの為のベイキング工程を行う。前記封止キャップを前記貫通孔の上に移動し、荷重（図示せず）を加えるとともに前記抵抗パターン層に通電し加熱することで溶着金属と封止キャップとを溶着させ、これを冷却することで前記セラミックパッケージ組立体と前記封止キャップとを気密接合することにより、貫通孔を真空封止する（請求項４）。

請求項１の発明によれば、セラミックパッケージ内に真空封止用の熱源となる抵抗パターン層を設けたことにより、外部からの熱源なしに局所的な熱伝導による真空封止が可能となる。溶着材に対する加熱が熱源から熱伝導材（セラミック）を介して行われるので、熱効率が良く温度が安定するため、高信頼性の真空封止を短時間に実現できる。また、電気的に接続するだけで複数個の製品を同時に真空封止することが可能である。更に、抵抗パターン層の加熱用電力供給装置および機構はゲッタ活性用の装置を流用可能であるため、簡素化された安価な生産設備で気密信頼性の高い赤外線検知器が得られる。

また、請求項３の発明によれば、セラミックパッケージの貫通孔を、赤外線入射用の開口（赤外線入射窓によって封止された開口）と比較して小さく形成することにより、積層する抵抗パターン層も小さく、封止部の長さも短くすることができる。請求項１に比べ、より局所的な加熱が可能となる結果、赤外線検知素子にダメージを与えることなく安定した真空封止をより短時間に実現できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
≪実施形態に係る赤外線検知器の構成≫
図１は実施形態に係る赤外線検知器１を階層的に一部破断して示す斜視図であり、図２は実施形態に係る赤外線検知器１の断面図であり、図３は図２中のIII部拡大図である。図１〜図３に示すように、赤外線検知器１は、赤外線検知素子２と、略円筒状のキャビティ３（収容空間）が形成され、そこに赤外線検知素子２を収容する角型のセラミックパッケージ４と、セラミックパッケージ４のキャビティ３を真空封止する円形平板状の赤外線入射窓８とから構成されている。

セラミックパッケージ４は、赤外線入射窓８との接合部に平面状の環状のパッケージ側メタライズ層５ａ（第１メタライズ層）が形成されている。また、パッケージ側メタライズ層５ａの下層には電気的な抵抗パターン層６がセラミックを介して積層されている（即ち、抵抗パターン層６がセラミックパッケージ４の内部に形成されている）。また、赤外線入射窓８には、セラミックパッケージ４との接合部に環状の窓側メタライズ層５ｂ（第２メタライズ層）が形成されている。

赤外線入射窓８は、ゲルマニウム、シリコン、サファイヤなどの赤外線透過性を有する材料から成り、赤外線検知素子２は、赤外線入射窓８を透過した赤外線による温度変化を検出する。図示は省略するが、赤外線検知素子２は、セラミックパッケージ４に形成された複数のボンティングパッドに複数のワイヤによって電気接続されている。入射した赤外線エネルギーが周囲に拡散しないように、セラミックパッケージ４と赤外線入射窓８とによって形成される収容部（キャビティ３）は、環状に配置された溶着金属７によって真空状態に気密封止されている。溶着金属７には一般に、融点が２５０℃以下の低融点金属であるＩｎ−Ｓｎ系合金やＳｎ−Ａｇ系合金が用いられている。

パッケージ側メタライズ層５ａには、焼結されたＭｏ、Ｍｎ、Ｔｉなどの導電性パターン上に溶着金属７と親和性が大きな材料、例えばＮｉ、Ａｇ、Ａｕなどのメッキが施され、また、窓側メタライズ層５ｂには、例えば、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕなどの積層蒸着膜が用いられ、これらの厚さは数１０μｍ〜１００μｍに形成される。

パッケージ側メタライズ層５ａおよび窓側メタライズ層５ｂは略同一の内径を有し、これらの外径は、パッケージ側メタライズ層５ａより窓側メタライズ層５ｂがやや小さく形成されている。溶着金属７は、パッケージ側メタライズ層５ａおよび窓側メタライズ層５ｂの全面に溶着しており、両メタライズ層５ａ，５ｂに挟まれた部分において、数１０〜数１００μｍの厚さを有しており、パッケージ側メタライズ層５ａ上の窓側メタライズ層５ｂと重複しない部分において、上方へ突出した突状を形成している。

≪実施形態に係る赤外線検知器の製造方法≫
次に実施形態に係る赤外線検知器１の製造手順について説明する。まず、パッケージ側メタライズ層５ａに溶着金属７を真空中で溶解付着させ、パッケージ側メタライズ層５ａに沿って環状に配置する。これを一旦大気に戻し、表面の酸化膜を旋盤などで切削除去する。次に、赤外線検知素子２の実装およびワイヤボンティング（図示せず）による電気接続を行う。このセラミックパッケージ４と、下面に窓側メタライズ層５ｂが形成された赤外線入射窓８を同一真空チェンバ内の所定の場所にセットし、真空チャンバ内を真空雰囲気にし、脱ガスの為のベイキング工程を行う。次に、赤外線入射窓８をセラミックパッケージ４上に移動し、荷重（図示せず）を加え、予め配線してある抵抗パターン層６を通電加熱し、溶着金属７と窓側メタライズ層５ｂとを溶着し、真空雰囲気で溶着金属７を冷却することにより、セラミックパッケージ４と赤外線入射窓８とによって真空封止されたキャビティ３に赤外線検知素子２を収容した赤外線検知器１が製造される。

≪実施形態による作用効果≫
このように、セラミックパッケージ４に形成した抵抗パターン層６に通電加熱して、溶着金属７による封止用の熱源として利用することにより、溶着金属７に対する加熱が抵抗パターン層６からセラミックを介して行われるため、熱効率がよく温度が安定し温度制御が容易になる。その結果、安定した品質（歩留まり向上）の真空封止を短時間に実現できる。更に、封止用熱源として専用の設備が不要で、簡素化された安価な生産設備が可能となり、製造コストが大幅に低減される。

≪変形実施形態≫
図４は変形実施形態に係る赤外線検知器１１の平面であり、図５は図４中のＶ−Ｖ断面を示す赤外線検知器１１の断面図であり、図６は図５中のVI部拡大図であり、図７は図４中のVII部の部分断面拡大図である。図４〜図７を参照して変形実施形態に係る赤外線検知器１１の構成および製造手順について説明する。なお説明にあたっては、上記実施形態と重複する部分についての説明は省略し、上記実施形態と異なる構成および手順について説明する。

本変形実施形態では上述した実施形態と異なり、赤外線検知器１１は、赤外線検知素子１２と、セラミックパッケージ１４と、赤外線入射窓１８とに加え、封止キャップ２０を主要構成要素としている。セラミックパッケージ１４には、キャビティ１３（収容部）とセラミックパッケージ１４の裏面（赤外線入射窓１８と反対側の面）とを連通する貫通孔１９が穿設されている。貫通孔１９は、赤外線入射窓１８によって閉蓋される開口よりも小さく形成されている。セラミックパッケージ１４の裏面における貫通孔１９の周辺には、環状のパッケージ側メタライズ層１５ａ（第１メタライズ層）が形成されるとともに、パッケージ側メタライズ層１５ａの下層に電気的な環状の抵抗パターン層１６がセラミックを介して積層されている（即ち、抵抗パターン層１６がセラミックパッケージ１４の内部に形成されている）。一方、封止キャップ２０側の接合部には環状のキャップ側メタライズ層１５ｂ（第２メタライズ層）が形成されている。キャップ側メタライズ層１５ｂの内径は、パッケージ側メタライズ層１５ａの内径と略同一であることが望ましいが、封止キャップ２０が溶着金属１７と親和性の高い金属である場合は、Ｎｉ、Ａｕなどのメッキを全面に施しても良い。本変形実施形態では、キャップ側メタライズ層１５ｂを環状としている（図６参照）。

製造工程として上述した実施形態と異なる主な点は、真空チェンバ内で真空封止する封止工程以前に、赤外線入射窓１８をセラミックパッケージ１４に封止キャップ２０を気密接合してセラミックパッケージ組立体としておく点である。このセラミックパッケージ組立体に形成された第１メタライズ層１５ａの上に溶着金属１７を溶着させ、これを一旦大気に戻し、表面の酸化膜を旋盤などで切削除去する。セラミックパッケージ組立体と封止キャップ２０とを同一真空チェンバ内の所定の場所にセットし、真空チャンバ内を真空雰囲気にし、脱ガスの為のベイキング工程を行う。次に、封止キャップ２０を貫通孔１９上に移動し、荷重（図示せず）を加え、抵抗パターン層１６を通電加熱することによって溶着金属１７とキャップ側メタライズ層１５ｂとを溶着し、真空雰囲気で溶着金属１７を冷却することにより、セラミックパッケージ１４と封止キャップ２０とによって真空封止されたキャビティ１３に赤外線検知素子１２を収容した赤外線検知器１１が製造される。

このように、セラミックパッケージ１４の貫通孔１９を、赤外線入射用の開口（赤外線入射窓１８によって封止された開口）と比較して小さく形成することにより、積層する抵抗パターン層１６も小さく、封止部の長さも短くなっている。これにより、上記実施形態と比べてより局所的な加熱が可能となる結果、赤外線検知素子１２にダメージを与えることなく安定した真空封止がより短時間に実現される。

以上で具体的実施形態についての説明を終えるが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記各実施形態ではセラミックパッケージが角型の外形に円筒状のキャビティが形成されたセラミックパッケージを用いているが、円筒状の外形や角型のキャビティ、或いはこれらを組み合わせた形状のセラミックパッケージであってもよい。また、収容の用に供され且つ赤外線入射窓との組み合わせによって収容部が形成されるものであれば、キャビティが形成されない平板状のセラミックパッケージであってもよい。更に、貫通孔をセラミックパッケージの裏面に開口させているが、セラミックパッケージの側面に開口させてもよい。このような形態とすれば、抵抗パターン層が赤外線検知素子からより離間することとなり、赤外線検知素子のダメージが一層抑制される。また、赤外線入射窓として平板状の単体の赤外線透過窓材を用いているが、赤外線入射窓材が取り付けられた複数部材から構成される赤外線入射窓アセンブリを用いてもよい。また、ペルチェ素子や、ゲッタ、輻射シールドなどを内蔵した赤外線検知器でも同様の効果が得られることは言うまでもない。

実施形態に係る赤外線検知器を一部破断して示す斜視図 実施形態に係る赤外線検知器の断面図 図２中のIII部拡大図 変形実施形態に係る赤外線検知器の平面図 変形実施形態に係る赤外線検知器の断面図 図５中のVI部拡大図 図４中のVII部を階層的に一部破断して示す拡大図 従来技術による赤外線検知器の製造工程を示す概略部分断面図

符号の説明

１，１１ 赤外線検知器
２，１２ 赤外線検知素子
３，１３ キャビティ
４，１４，３４ セラミックパッケージ
５ａ，１５ａ，３５ａ パッケージ側メタライズ層（第１メタライズ層）
５ｂ，３５ｂ 窓側メタライズ層（第２メタライズ層）
１５ｂ キャップ側メタライズ層（第２メタライズ層）
６，１６ 抵抗パターン層
７，１７，３７ 溶着金属
８，１８，３８ 赤外線入射窓
１９ 貫通孔
２０ 封止キャップ

Claims (4)

1. 赤外線検知素子を収容するセラミックパッケージと、
   前記セラミックパッケージに対して環状の接合部をもって接合された赤外線透過性を有する入射窓とを備え、
   前記セラミックパッケージ側の接合部に環状の第１メタライズ層が形成されるとともに、前記入射窓側の接合部に環状の第２メタライズ層が形成され、当該第１メタライズ層と第２メタライズ層とが溶着金属によって気密接合されることにより、前記赤外線検知素子が真空封入された赤外線検知器であって、
   前記第１メタライズ層の下層には、電気的な抵抗パターン層がセラミックを介して積層されたことを特徴とする赤外線検知器。
2. 請求項１に記載の赤外線検知器の製造方法であって、
   前記セラミックパッケージ側の接続部に形成された第１メタライズ層に溶着金属を配置する溶着金属配置工程と、
   真空雰囲気で前記抵抗パターン層に通電加熱することによって前記溶着金属を溶解し、前記溶着金属と入射窓とを気密接合する封止工程と
   を含むことを特徴とする赤外線検知器の製造方法。
3. 赤外線検知素子を収容し、当該赤外線検知素子の収容部と外部とを連通する貫通孔が穿設されたセラミックパッケージと、
   前記セラミックパッケージに気密接合された赤外線透過性を有する入射窓と、
   前記貫通孔を環状の接合部をもって封止する封止キャップとを備え、
   前記セラミックパッケージ側の接合部に環状の第１メタライズ層が形成されるとともに、前記封止キャップ側の接合部に環状の第２メタライズ層が形成され、当該第１メタライズ層と第２メタライズ層とが溶着金属によって気密接合されることにより、前記赤外線検知素子が真空封入された赤外線検知器であって、
   前記第１メタライズ層の下層には、電気的な抵抗パターン層がセラミックを介して積層されたことを特徴とする赤外線検知器。
4. 請求項３に記載の赤外線検知器の製造方法であって、
   前記セラミックパッケージ側の接続部に形成された第１メタライズ層に溶着金属を配置する溶着金属配置工程と、
   真空雰囲気で前記抵抗パターン層に通電加熱することによって前記溶着金属を溶解し、前記溶着金属と封止キャップとを気密接合する封止工程と
   を含むことを特徴とする前記請求項３記載の赤外線検知器の製造方法。

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