JP2010177435A - 赤外線光源 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的低コストで歩留まりを改善できるウエハーレベルパッケージ構造の赤外線光源を実現する。
【解決手段】フィラメントに通電して発熱させ赤外線を出射させる赤外線光源において、フィラメントを不純物濃度、導電率を調整しシリコン基板上に形成し、このシリコン基板を充填貫通電極１１を有するセラミック基板１０上に陽極接合し、フィラメント以外のシリコン基板をエッチング除去してセラミック基板上に前記フィラメント１３を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線光源に関し、詳しくは、歩留まりを改善できるウエハーレベルパッケージ構造の赤外線光源に関する。

ウエハーレベルパッケージとは、ウェハー上で直接パッケージすることをいい、陽極接合や基板の表裏から電極を取り出すフィールドスルー電極形成技術を用いて、高い気密性を確保している。

図４は、従来のウエハーレベルパッケージ構造の赤外線光源ＭＥＭＳチップの一例を示す構成図である。図４において、パイレックス（登録商標）ガラス基板１には貫通穴が設けられてその内壁にはスパッタやメッキにより貫通電極２が形成され、表面には両端部が貫通電極２に接続されるようにしてシリコンフィラメント３が形成されている。なお、シリコンフィラメント３の下部のパイレックス（登録商標）ガラス基板１の表面には空間となる凹部４が形成されている。

また、パイレックス（登録商標）ガラス基板１の表面には、シリコンフィラメント３を内包するように凹部６が形成されたシリコン基板５が、窒素やクリプトンなどのガス雰囲気中で陽極接合されている。パイレックス（登録商標）ガラス基板１にシリコン基板５を陽極接合することにより、パイレックス（登録商標）ガラス基板１上に形成されたシリコンフィラメント３がシリコン基板５により密閉され、ウエハーレベルパッケージ構造の赤外線光源ＭＥＭＳチップが構成される。

このように構成される赤外線光源ＭＥＭＳチップは、パイレックス（登録商標）ガラス基板１の裏面の貫通電極２をプリント基板７の上面に形成されている配線パターン７ａ，７ｂとたとえば導電性接着剤８を介して電気的に接続固着することにより、プリント基板７に実装される。

図５は従来の赤外線光源の他の例を示す構成図であり、シリコンやアルミナなどで作製されたインターポーザ基板９を介してプリント基板７に実装されている。

特許文献１は、光の取出し効率を高くすることができる発光素子用配線基板および発光量の大きい発光装置に関するものである。

特開２００７−２７３６０２号公報

ところで、従来の構成において、パイレックス（登録商標）ガラス基板１に設けられた貫通穴の内壁に形成される貫通電極７は、貫通穴の一端に設けられているシリコンフィラメント３と電気的に接続されて図示しない外部回路と電気的に接続する機能を有するものであるが、スパッタやメッキにより形成される電極が薄いために抵抗値が高くなるという問題がある。

また、貫通穴の穴底を形成するシリコンフィラメント３と貫通穴の内壁との接合角部分に貫通電極７を形成する導電層が連続的に被着されずに導電層の段切れを生じやすく、導通不良が発生しやすいという問題もある。

また、この導通不良発生を防止するために導電層のメッキを厚くすると、メッキ時の応力や、ハンダ付け時や温度サイクル試験時の熱応力などにより、貫通穴の穴底を形成するシリコンフィラメント３やパイレックス（登録商標）ガラス基板１が割れることがあるという問題もある。

また、従来の表面実装構造に着目すると、シリコン、パイレックス（登録商標）ガラス、プリント基板の熱膨張係数がそれぞれ約2.5ppm/℃、約3ppm/℃、10〜20ppm/℃で、シリコンやパイレックス（登録商標）ガラスに対してプリント基板の熱膨張係数が大きいため、シリコンやパイレックス（登録商標）ガラスからなる赤外線光源ＭＥＭＳチップをハンダや導電性のエポキシ接着剤などでプリント基板に実装すると温度変化によりこの構造体に熱歪が発生し、一般的に破壊応力はガラスよりもプリント基板が大きいことから、熱歪によりパイレックス（登録商標）ガラス基板１が破壊することがあるという問題もある。

さらに、この熱歪の影響を軽減するために、図５に示すように、熱膨張係数がシリコンやパイレックス（登録商標）ガラスと近く、かつ強度の高いセラミック製のインターポーザ基板９を介して赤外線光源ＭＥＭＳチップをプリント基板７に実装することも提案されているが、基板のコストやハンダ付けの回数が増えることによりコストが増加することになる。

本発明は、これらの問題点を解決するものであり、その目的は、比較的低コストで歩留まりを改善できるウエハーレベルパッケージ構造の赤外線光源を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
フィラメントに通電して発熱させ赤外線を出射させる赤外線光源において、
前記フィラメントが充填貫通電極を有するセラミック基板上に形成されたことを特徴とするものである。

請求項２は、請求項１記載の赤外線光源において、
前記セラミック基板の表面には、前記フィラメントを空中に支持する凹部が形成されていることを特徴とする。

請求項３は、請求項２記載の赤外線光源において、
前記凹部の内面には反射膜が設けられていることを特徴とする。

請求項４は、請求項１〜３いずれかに記載の赤外線光源において、
前記セラミック基板の内部で、電極は横方向に引き回されていることを特徴とする。

請求項５は、請求項１〜４いずれかに記載の赤外線光源において、
前記フィラメントは、前記充填貫通電極との間を薄膜金属で接続されることを特徴とする。

請求項６は、請求項１〜５いずれかに記載の赤外線光源において、
前記赤外線光源は、プリント基板に実装されていることを特徴とする。

このように構成することにより、比較的低コストで歩留まりの高い構造の赤外線光源を実現できる。

本発明の赤外線光源の一実施例を示した構成図である。 図１の赤外線光源を作製するプロセスの具体例を断面図により示した工程図である。 図３は本発明の他の実施例を示した断面図である。 図４は、従来の赤外線光源の一例を示した構成図である。 図５は、従来の赤外線光源の一例を示した構成図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の赤外線光源の一実施例を示した構成図であり、（ａ）は本発明の赤外線光源の平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ´断面図である。

図１において、セラミック基板１０の表面には、シリコンフィラメント１３が設けられている。

シリコンフィラメント１３が設けられたセラミック基板１０の表面には凹部１０ａが形成され、凹部１０ａの底面の端部近傍にはセラミック基板１０の表面に設けられたシリコンフィラメント１３の裏面がそれぞれ露出するように貫通穴１０ｂが設けられている。これら貫通穴１０ｂのシリコンフィラメント１３の露出部を含む内周面には、シリコンフィラメント１３の露出部をセラミック基板１０の裏面から外部に接続するための電極として機能する金属が充填され充填貫通電極１１が形成されている。

シリコン基板１４は、シリコンフィラメント１３が設けられたセラミック基板１０の表面に重ね合わせるようにしてたとえば陽極接合により固着されているが、セラミック基板１０との対向面にはセラミック基板１０の表面に形成された凹部１０ａよりも大きく、シリコンフィラメント１３全体を内包するような大きさの凹部１４ａが形成されている。

これにより、セラミック基板１０の表面に設けられたシリコンフィラメント１３はシリコン基板１４により密閉され、ウエハーレベルパッケージ構造の赤外線光源ＭＥＭＳチップが構成される。

このように構成される赤外線光源ＭＥＭＳチップは、セラミック基板１０の裏面の充填貫通電極１１をプリント基板７の上面に形成されている配線パターン７ａ，７ｂとたとえば導電性接着剤１５を介して電気的に接続固着することにより、プリント基板７に実装される。

なお、フィラメントは、シリコン以外の部材、たとえばスパッタあるいはメッキなどで作製された金属薄膜を用いてもよい。

図２は、図１の赤外線光源を作製するプロセスの具体例を示す工程図である。

まず、（ａ）に示すように、高い強度を有しシリコンと陽極接合が可能なセラミック基板１０を入手して、このセラミック基板１０の表面に凹部１０ａおよび貫通穴１０ｂを形成する。これら凹部１０ａおよび貫通穴１０ｂは、ウエットエッチング、ドライエッチング、サンドブラストなどの加工により形成することができる。

次に（ｂ）に示すように、（ａ）で加工した貫通穴１０ｂの内壁に導電性を有する金属を成膜し、さらに金属が成膜された貫通穴１０ｂの内部にハンダやメッキで金属を充填したり導電性ペーストを充填して充填貫通電極１１を形成する。

一方、（ｃ）に示すように、シリコン基板１２の表面にたとえばボロンなどの不純物を高濃度に拡散して拡散深さおよび導電率を調整し、高濃度拡散層を形成する。このとき、たとえばエピタキシャル成長を用いることでより高い自由度が得られる。その後、ウエットエッチングあるいはドライエッチングなどで不要部分を除去することにより、シリコンフィラメント１３と電極パッド部分を形成する。

続いて、（ｄ）に示すように、（ｂ）で加工したセラミック基板１０と（ｃ）で加工したシリコン基板１２とを、セラミック基板１０に形成された凹部１０ａと充填貫通電極１１をシリコン基板１２に形成されたボロン高濃度層のシリコンフィラメント１３が覆うようにして陽極接合する。

そして、（ｅ）に示すように、シリコンフィラメント１３のみを残すために、シリコン基板１２全てをヒドラジン、ＴＭＡＨ、ＫＯＨなどのアルカリ液でエッチング除去する。

一方、（ｆ）に示すように、シリコン基板１４の表面には、セラミック基板１０の表面に形成された凹部１０ａよりも大きく、シリコンフィラメント１３全体を内包するような大きさの凹部１４ａが、ＫＯＨなどによるウエットエッチング、ドライエッチング、サンドブラストなどで加工され形成される。

次に、（ｇ）に示すように、（ｅ）で加工したセラミック基板１０と（ｆ）で加工したシリコン基板１４を、シリコン基板１４の表面に形成された凹部１４ａがセラミック基板１０の表面に設けられたシリコンフィラメント１３全体を内包するように重ね合わせて陽極接合し、赤外線光源ＭＥＭＳチップを構成する。

一方、（ｈ）に示すように、プリント基板７の上面に形成されている配線パターン７ａ，７ｂには、セラミック基板１０の充填貫通電極１１部分と接合するためのハンダ、導電性接着剤１５を塗布する。

そして、（ｉ）に示すように、（ｇ）に示す赤外線光源ＭＥＭＳチップを（ｈ）に示すプリント基板７上に導電性接着剤１５を介して電気的に接続固着することにより、実装する。

このように構成される赤外線光源の動作を説明する。

充填貫通電極１１間に電圧を印加するとシリコンフィラメント１３に電流が流れ、ジュール熱が発生する。シリコンフィラメント１３の上下に空間があるため、シリコンフィラメント１３の上下に空間がない場合よりも、熱伝導による熱の逃げが小さくなり、シリコンフィラメント１３は大きく温度上昇して赤外線を発光する。

このような構成によれば、パッケージを必要としないため、パッケージ分のコスト削減およびパッケージに組み立てるコストを削減することができ、低コストを実現できる。そして、プリント基板７などに直接ハンダ付けなどで実装できる。

また、基板材料の選択によっては、陽極接合による高信頼性シール構造を実現することができる。

また、ガスなどの分析に応用する場合、高速にＯＮ／ＯＦＦを繰り返す必要があるが、そのためにはシリコンフィラメント１３からの速やかな熱の逃げも重要となる。本発明の赤外線光源の構造によれば、貫通電極１１を経由して速やかに熱を逃がすことができ、高速点滅を実現できる。

さらに、赤外線光源ＭＥＭＳチップの内部空間は、酸素や水分を除去して窒素、クリプトンなどの不活性ガス雰囲気とすることによりシリコンフィラメント１３の酸化を防止でき、長寿命を得ることができる。

また、高い強度を有しシリコンと陽極接合が可能なセラミック基板１０を用いて充填貫通電極を設けているため、従来のスパッタあるいはメッキで作製された金属薄膜電極を用いた際に生じた高抵抗、段切れによる断線などの問題をなくすることができる。

また、セラミック基板１０は、一般的にパイレックス（登録商標）ガラスよりも強度が高いため、メッキ時および実装時および実装後の温度変化時に発生するパイレックス（登録商標）ガラスの割れなどの問題をなくすことができる。

また、一枚のウエハー内に同時に赤外線光源ＭＥＭＳチップを複数個形成できるため、１個当りの単価を低価格にでき、量産に適している。

図３は本発明の他の実施例を示す断面図による構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図１との相違点は、図３ではシリコンフィラメント１３の下部空間となる凹部１０ａの内面に反射膜１１ａを設け、セラミック基板１０内部で配線１１ｂを横方向に引き回し、チップ端面に電極あるいはハンダ付け面１１ｃを設け、シリコンフィラメント１３と充填貫通電極１１を薄膜金属１６で接続していることである。

シリコンフィラメント１３の下部空間となる凹部１０ａの内面の反射膜１１ａにより、シリコンフィラメント１３から下側に発光した光を反射して上方向に出すことによっても取り出す光量を増加させることができる。

なお、反射膜１１ａは、セラミック基板１０に充填貫通電極１１を形成する工程で、貫通電極に充填する同じ金属材料で容易に作製できる。

次いで、セラミック基板１０を作製する工程で、このセラミック基板１０内部で配線１１ｂを横方向に引き回すことにより、チップ端面に電極、ハンダ付け面１１ｃを作製できるため、赤外線光源ＭＥＭＳチップをプリント基板７に表面実装する場合、ハンダ付けのフィレット面を容易に観察できる。

セラミック基板１０に形成されている充填貫通電極１１とシリコン基板１４を電気的に接続するのにあたり、充填貫通電極１１の表面がセラミック基板１０の表面より凹んでいると電気的接続がとれない場合があり、充填貫通電極１１の表面がセラミック基板１０の表面より盛り上がっていると、セラミック基板１０とシリコン基板１４との陽極接合ができない場合がある。

そこで、シリコン基板１４の陽極接合前もしくは後に充填貫通電極１１上面のシリコンフィラメント１３を除去し、周辺のシリコンフィラメント１３と充填貫通電極１１との間をスパッタなどの薄膜金属１６で接続することにより、不具合を生じることなく充填貫通電極１１とシリコン基板１４とを電気的に接続することができ、セラミック基板１０とシリコン基板１４との陽極接合ができる。

なお、本発明で用いる充填貫通電極を有するセラミック基板は、赤外線光源に限らず、液体金属リレーなどにも用いることができる。

以上説明したように、本発明によれば、電極の導通不良がなく、基板などが破壊されることもなく、比較的低コストで歩留まりを改善できるウエハーレベルパッケージ構造の赤外線光源を実現できる。

１０ セラミック基板
１０ａ 凹部
１０ｂ 貫通穴
１１ 充填貫通電極
１１ａ 反射膜
１１ｂ 配線
１１ｃ チップ端面に電極、ハンダ付け面
１２ シリコン基板
１３ シリコンフィラメント
１４ シリコン基板
１４ａ 凹部
１５ ハンダあるいは導電性接着剤
１６ 薄膜金属

Claims (6)

1. フィラメントに通電して発熱させ赤外線を出射させる赤外線光源において、
   前記フィラメントが充填貫通電極を有するセラミック基板上に形成されたことを特徴とする赤外線光源。
2. 前記セラミック基板の表面には、前記フィラメントを空中に支持する凹部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の赤外線光源。
3. 前記凹部の内面には反射膜が設けられていることを特徴とする請求項２記載の赤外線光源。
4. 前記セラミック基板の内部で、電極は横方向に引き回されていることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の赤外線光源。
5. 前記フィラメントと前記充填貫通電極は薄膜金属で接続されていることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の赤外線光源。
6. 前記赤外線光源は、プリント基板に実装されていることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の赤外線光源。