JP2011174763A - 赤外線検出器 - Google Patents

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Abstract

【課題】高感度が可能で、且つ、気密性を確保しつつ、製造時の赤外線用の光学フィルタ膜の剥れを抑制できる赤外線検出器を提供する。
【解決手段】赤外線検出素子１が実装されたパッケージ本体４と、パッケージ本体４に気密的に接合されたパッケージ蓋５と、赤外線を透過する第１の無機材料により形成されパッケージ蓋５の開口部５ａを塞ぐように配置されたキャップ材６と、赤外線を透過する第２の無機材料により形成されてキャップ材６よりも赤外線検出素子１から離れた位置でパッケージ蓋５の外側に配置されたレンズ７とを備える。レンズ７に、赤外線用の光学フィルタ膜が積層されており、キャップ材６が、パッケージ蓋５に気密的に接合され、レンズ７が、導電性ペーストによりパッケージ蓋５に接合されることでパッケージ蓋５と電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線検出器に関するものである。
従来から、赤外線を検出する熱型の赤外線検出素子と、当該赤外線検出素子を収納するパッケージとを備えた赤外線検出器が各所で研究開発されている（例えば、特許文献１，２，３）。
特許文献１には、図７に示すように、複数の端子１４９が装着されたベースプレート１４０と、ベースプレート１４０に接合され赤外線検出素子１０１などを囲むキャップ１５２と、キャップ１５２の開口部１５２ａを塞ぐようにキャップ１５２に気密接合された赤外線透過部材１６０とを備えた赤外線検出器が開示されている。ここで、ベースプレート１４０およびキャップ１５２は、金属により形成されており、赤外線透過部材１６０は、ゲルマニウムにより形成されている。また、赤外線透過部材１６０は、平板状に形成されており、低融点ガラスを使用してキャップ１５２に接合されている。
また、特許文献２には、図８に示すように、複数のリード端子２４９を有するベース２４０と、ベース２４０に接合され赤外線検出素子２０１などを囲むキャップ２５２と、キャップ２５２の上壁の赤外線入射窓２５２ａを塞ぐようにキャップ２５０に接合された赤外線透過フィルタ２６０と、ポリエチレンにより形成されキャップ２５０および赤外線透過フィルタ２６０などを覆うコーティング膜２７０とを備え、コーティング膜２７０のうちキャップ２５２の上面側の部分をフレネルレンズ２７２となるように成形した赤外線検出器が開示されている。ここで、ベース２４０およびキャップ２５２は、金属により形成されている。また、赤外線透過フィルタ２６０は、シリコン基板もしくはゲルマニウム基板を用いて形成されており、反射防止膜並びに赤外線透過フィルタ膜が蒸着されている。この赤外線透過フィルタ２６０は、接合材２８０によりキャップ２５２に接合されている。
また、特許文献３には、図９に示すように、シリコン基板からなる基板３４０と、基板３４０の主表面上に形成された画素領域からなる赤外線検出素子３０１と、シリコンもしくはゲルマニウムにより形成され赤外線検出素子３０１の上方に設けられたレンズ３７０と、赤外線検出素子３０１を取り囲むように基板３４０上に設けられレンズ３７０を支持する支持部３３３を有する筐胴３３０と、レンズ３７０を覆うように筐胴３３０上に設けられ筐胴３３０内の空間を真空封止する封止窓３６０と、封止窓３６０とレンズ３７０との間に設けられレンズ３６０を筐胴３３０に向けて押圧することでレンズ３７０を固定する固定部材としてのストッパ３５０とを備えた赤外線検出器が開示されている。ここで、封止窓３６０と筐胴３３０およびストッパ３５０とは、互いの対向面に形成されたメタライズ膜３８０同士が半田部３９０により接合されている。
特開平９−２２９７６５号公報 実開平５−２３０７０号公報 特開２００７−２２８３４７号公報
図７に示した構成の赤外線検出器では、赤外線透過部材１６０が低融点ガラスを使用してキャップ１５２に気密接合され、ベースプレート１４０とキャップ１５２と赤外線透過部材１６０とで囲まれた空間が真空に保たれている。ここで、赤外線透過部材１６０において検知対象の赤外線を反射することなく効率良く取り込むようにして高感度化を図るために、赤外線透過部材１６０に赤外線透過フィルタ膜を形成することが考えられる。しかしながら、赤外線透過部材１６０をキャップ１５２に気密接合する接合時に、４００℃〜６００℃程度の高温になるため、赤外線透過フィルタ膜の剥れが発生してしまう懸念がある。
また、図７の構成の赤外線検出器では、赤外線透過部材１６０が平板状に形成された板材なので、図８のようにフレネルレンズ２７２を備えた赤外線検出器や図９のようにレンズ３７０を備えた赤外線検出器に比べて、感度が低くなってしまうことが考えられる。そこで、図７の赤外線検出器における赤外線透過部材１６０の代わりにレンズを用いることも考えられるが、この場合も、レンズをキャップ１５２に気密接合する接合時に、レンズに形成されている赤外線透過フィルタ膜の剥れが発生してしまう懸念がある。
また、図８の構成の赤外線検出器では、フレネルレンズ２７２により赤外線を集光させることができるので、高感度化を図れる。しかしながら、図８の赤外線検出器でも、赤外線透過フィルタ２６０をキャップ２５２に気密接合するために接合材２８０として半田を用いた場合、赤外線透過フィルタの反射防止膜並びに赤外線透過フィルタ膜の剥れが発生してしまう懸念がある。
また、図８の構成の赤外線検出器では、フレネルレンズ２７２がポリエチレンにより形成されているが、ポリエチレンは、シリコンやゲルマニウムなどの赤外線透過材料に比べて屈折率が低く、赤外線の吸収率が大きいので、バックフォーカスが短く且つ明るい赤外線レンズを形成できない。また、上述のようにポリエチレンはシリコンやゲルマニウムに比べて屈折率が低いので、赤外線検出器の検知対象が人体などから放射される赤外線である場合、検知エリアを広くするために、レンズの開口径を大きくする必要があり、開口径の増大に伴うレンズ厚みの増大により、感度が低下してしまい、しかも、バックフォーカスが長くなって赤外線検出器の薄型化が難しくなってしまう。
また、図９の構成の赤外線検出器では、レンズ３７０と筐胴３３０とを半田により接合する必要がないという利点ある。しかしながら、レンズ３７０の厚みやレンズ曲率の異なる赤外線検出器ごとにストッパ３５０を高い寸法精度で形成する必要があり、コストが高くなってしまう。また、ストッパ３５０によりレンズ３７０を押圧するので、筐胴３３０、ストッパ３５０、レンズ３７０それぞれの寸法精度を高めなければ、封止窓３６０と筐胴３３０との気密的な接合ができないという懸念や、レンズ３７０が破損してしまうという懸念がある。また、レンズ３７０に反射防止膜や赤外線透過フィルタ膜を形成した場合には、ストッパ３５０が当たることにより剥れたり、筐胴３３０と封止窓３６０とを半田により接合する際に剥れたりする懸念がある。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、高感度が可能で、且つ、気密性を確保しつつ、製造時の赤外線用の光学フィルタ膜の剥れを抑制できる赤外線検出器を提供することにある。
請求項１の発明は、赤外線検出素子と、電磁シールド機能を有し前記赤外線検出素子が実装されたパッケージ本体と、金属により形成されて前記赤外線検出素子の前方に開口部を有し前記パッケージ本体に気密的に接合されたパッケージ蓋と、赤外線を透過する第１の無機材料により形成され前記パッケージ蓋の前記開口部を塞ぐように配置されたキャップ材と、赤外線を透過する第２の無機材料により形成されて前記キャップ材よりも前記赤外線検出素子から離れた位置で前記パッケージ蓋の外側に配置されたレンズとを備え、前記レンズに、赤外線用の光学フィルタ膜が積層されてなり、前記キャップ材が、前記パッケージ蓋に気密的に接合され、前記レンズが、導電性ペーストと非導電性樹脂との少なくとも一方により前記パッケージ蓋もしくは前記キャップ材に接合されてなり、前記キャップ材と前記レンズとの少なくとも一方が、前記パッケージ蓋への接合により前記パッケージ蓋と電気的に接続されてなることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記キャップ材は、前記パッケージ蓋の内側に配置されてなることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記キャップ材は、前記パッケージ蓋の外側に配置されてなることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記キャップ材と前記パッケージ蓋とは、低融点ガラスにより接合されてなることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記パッケージ蓋の内側にゲッタが形成されてなることを特徴とする。
請求項１の発明は、高感度が可能で、且つ、気密性を確保しつつ、製造時の赤外線用の光学フィルタ膜の剥れを抑制できるという効果がある。
実施形態１の赤外線検出器の概略断面図である。 実施形態２の赤外線検出器の概略断面図である。 実施形態３の赤外線検出器の概略断面図である。 実施形態４の赤外線検出器の概略断面図である。 実施形態５の赤外線検出器の概略断面図である。 実施形態６の赤外線検出器の概略断面図である。 従来例の赤外線検出器の概略断面図である。 他の従来例の赤外線検出器の概略断面図である。 別の従来例の赤外線検出器の概略断面図である。
（実施形態１）
以下、本実施形態の赤外線検出器について図１を参照しながら説明する。
本実施形態の赤外線検出器は、赤外線検出素子１と、電磁シールド機能を有し赤外線検出素子１が実装されたパッケージ本体４と、金属により形成されて赤外線検出素子１の前方に開口部５ａを有しパッケージ本体４に気密的に接合されたパッケージ蓋５とを備えている。また、赤外線検出器は、赤外線を透過する第１の無機材料により形成されパッケージ蓋５の開口部５ａを塞ぐように配置されたキャップ材６を備えている。また、赤外線検出器は、赤外線を透過する第２の無機材料により形成されてキャップ材６よりも赤外線検出素子１から離れた位置でパッケージ蓋５の外側に配置されたレンズ７を備えている。レンズ７には、赤外線用の光学フィルタ膜が積層されている。キャップ材６は、パッケージ蓋５に気密的に接合され、レンズ７は、導電性ペーストと非導電性樹脂との両方によりパッケージ蓋５に接合されている。要するに、レンズ７は、パッケージ蓋５への接合によりパッケージ蓋５と電気的に接続されている。
また、赤外線検出器は、赤外線検出素子１の出力信号を信号処理するＩＣ素子２を備え、当該ＩＣ素子２が、赤外線検出素子１と横並びでパッケージ本体４に実装され、パッケージ蓋５が、赤外線検出素子１とＩＣ素子２との両方を囲む大きさに形成されている。
パッケージ本体４は、絶縁材料からなる基体４０に金属材料からなる配線パターン（図示せず）および電磁シールド層４４が形成されており、電磁シールド層４４により電磁シールド機能を有している。一方、パッケージ蓋５は、金属により形成されており、導電性を有している。ここにおいて、パッケージ蓋５は、パッケージ本体４の電磁シールド層と電気的に接続されている。しかして、本実施形態では、パッケージ本体４の電磁シールド層とパッケージ蓋５とレンズ７とを同電位とすることができる。その結果、パッケージ３は、赤外線検出素子１とＩＣ素子２と上記配線パターンと後述のボンディングワイヤ７１〜７３と含んで構成されるセンサ回路（図示せず）への外来の電磁ノイズを防止することが機能を有している。
また、パッケージ本体４とパッケージ蓋５とキャップ材６とで構成されるパッケージ３は、内部空間（気密空間）を、ドライ窒素雰囲気としてあるが、これに限らず、例えば、真空雰囲気としてもよい。
以下、各構成要素についてさらに説明する。
赤外線検出素子１は、マイクロマシニング技術を利用して形成された赤外線アレイセンサ（赤外線イメージセンサ）であって、熱型赤外線検出部と画素選択用のスイッチ要素であるＭＯＳトランジスタとを有する複数の画素部が、シリコン基板からなるベース基板の一表面側において２次元アレイ状に配列されている。熱型赤外線検出部の感温部は、サーモパイルにより構成してあるが、これに限らず、抵抗ボロメータ、焦電体薄膜などにより構成してもよい。
赤外線検出素子１は、各画素部にＭＯＳトランジスタを設けてあるが、必ずしも設ける必要はない。また、赤外線検出素子１は、必ずしも画素部を２次元アレイ状に備えた赤外線アレイセンサである必要はなく、少なくとも１つの感温部を備えたものであればよい。また、赤外線検出素子１は、焦電体基板を用いて形成した焦電素子でもよく、この場合には、赤外線検出器を、プリント配線板のような回路基板などに２次実装する際に、接合材料として鉛フリー半田（例えば、ＳｎＣｕＡｇ半田など）を用いることを考慮して、焦電素子の材料としてＰＺＴ（：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）よりもキュリー温度の高いリチウムタンタレート（：ＬｉＴａＯ3）やリチウムナイオベート（：ＬｉＮｂＯ3）を用いることが好ましい。また、集電素子として、同一の焦電体基板に４つの素子エレメント（受光部）が２×２もしくは１×４のアレイ状に形成されたクワッドタイプ素子や、２つの素子エレメントが１×２のアレイ状に形成されたデュアルタイプ素子などを用いることにより、外部からの熱に起因した焦電素子の出力のゆらぎを低減することが可能となる。
ＩＣ素子２は、ＡＳＩＣ（：Application Specific ＩＣ）であり、シリコン基板を用いて形成されている。また、ＩＣ素子２としてベアチップを用いている。しかして、本実施形態では、ＩＣ素子２がベアチップをパッケージングしたものである場合に比べて、パッケージ３の小型化を図れる。
ＩＣ素子２の回路構成は、赤外線検出素子１の種類などに応じて適宜設計すればよく、例えば、赤外線検出素子１が上述の赤外線アレイセンサの場合には、赤外線検出素子１を制御する制御回路、赤外線検出素子１の出力電圧を増幅する増幅回路、赤外線検出素子１の複数の出力用のパッドに電気的に接続された複数の入力用のパッドの出力電圧を択一的に上記増幅回路に入力するマルチプレクサなどを備えた回路構成とすれば、赤外線画像を得ることができる。また、赤外線検知器が人体検知用のものであり、赤外線検出素子１が上述の焦電素子の場合、ＩＣ素子２の回路構成は、例えば、赤外線検出素子１から出力される出力信号である焦電電流を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、電流電圧変換回路により変換された電圧信号のうち所定の周波数帯域の電圧増幅する電圧増幅回路（バンドパスアンプ）と、電圧増幅回路で増幅された電圧信号を適宜設定したしきい値と比較し電圧信号がしきい値を越えた場合に検知信号を出力する検知回路と、検知回路の検知信号を所定の人体検出信号として出力する出力回路とを備えた回路構成とすればよい。
パッケージ本体４は、赤外線検出素子１およびＩＣ素子２が一表面側に実装される平板状のセラミック基板により構成してある。要するに、パッケージ本体４は、基体４０が絶縁材料であるセラミックスにより形成されており、上記配線パターンのうち基体４０の一表面側に形成された部位に、赤外線検出素子１およびＩＣ素子２それぞれのパッド（図示せず）が、ボンディングワイヤ７１，７２を介して適宜接続されている。また、赤外線検出素子１とＩＣ素子２とは、ボンディングワイヤ７３を介して電気的に接続されている。各ボンディングワイヤ７１〜７３としては、Ａｌワイヤに比べて耐腐食性の高いＡｕワイヤを用いることが好ましい。
本実施形態では、パッケージ本体４の絶縁材料としてセラミックスを採用しているので、上記絶縁材料としてエポキシ樹脂などの有機材料を採用する場合に比べて、パッケージ本体４の耐湿性および耐熱性を向上させることができる。ここで、絶縁材料のセラミックスとして、アルミナを採用すれば、窒化アルミニウムや炭化珪素などを採用する場合に比べて、上記絶縁材料の熱伝導率が小さく、ＩＣ素子２やパッケージ３の外部からの熱に起因した赤外線検出素子１の感度の低下を抑制できる。
また、パッケージ本体４は、上記配線パターンの一部により構成される外部接続電極（図示せず）が、基体４０の他表面と側面とに跨って形成されている。しかして、本実施形態の赤外線検出器では、回路基板などへの２次実装後において、回路基板などとの接合部の外観検査を容易に行うことができる。
ここで、赤外線検出素子１は、パッケージ本体４の第１の領域４１に第１のダイボンド剤（例えば、シリコーン樹脂など）からなる複数の接合部１５を介して実装され、ＩＣ素子２は、パッケージ本体４の第２の領域４２に第２のダイボンド剤（例えば、シリコーン樹脂など）からなる接合部２５を介して実装されている。各ダイボンド剤としては、低融点ガラスやエポキシ系樹脂やシリコーン系樹脂などの絶縁性接着剤、半田（鉛フリー半田、Ａｕ−Ｓｎ半田など）や銀ペーストなどの導電性接着剤を用いればよい。また、各ダイボンド剤を用いずに、例えば、常温接合法や、Ａｕ−Ｓｎ共晶もしくはＡｕ−Ｓｉ共晶を利用した共晶接合法などにより接合してもよい。
上述の赤外線検出素子１は、複数の接合部１５を介して第１の領域４１に接合してあるので、赤外線検出素子１の裏面の全体が接合部１５を介して第１の領域４１に接合される場合に比べて、赤外線検出素子１とパッケージ本体４との間の空間１６が断熱部として機能することと、接合部１５の断面積の低減とにより、パッケージ本体４から赤外線検出素子１へ熱が伝達しにくくなる。この接合部１５の数は、特に限定するものではないが、赤外線検出素子１の外周形状が矩形状（正方形状ないし長方形状）の場合には、例えば、３つが好ましい。赤外線検出素子１の外周形状に基づいて規定した仮想三角形の３つの頂点に対応する３箇所に接合部１５を設けることにより、パッケージ本体４への実装時などの温度変化に起因したパッケージ本体４の変形が赤外線検出素子１の傾きとして伝わるから、赤外線検出素子１が変形するのを抑制することができ、赤外線検出素子１に生じる応力を低減することが可能となる。なお、本実施形態では、赤外線検出素子１の外周形状が例えば正方形状の場合、赤外線検出素子１の外周の１辺の両端の２箇所と、当該１辺に平行な辺の１箇所（ここでは、中央部）との３箇所に頂点を有する仮想三角形を規定しているが、仮想三角形の頂点の位置は、赤外線検出素子１の外周形状、赤外線検出素子１のパッドへのワイヤボンディング時の接合信頼性（言い換えれば、赤外線検出素子１のパッドの位置）を考慮して規定することが好ましい。また、接合部１５には、赤外線検出素子１と第１の領域４１との距離を規定するスペーサを混入させてもよい。このようなスペーサを混入させておけば、赤外線検出器の製品間での赤外線検出素子１とパッケージ本体４との間の熱絶縁性能のばらつきを低減可能となる。
また、ＩＣ素子２は、外周形状が矩形状（正方形状ないし長方形状）であり、裏面全体が接合部２５を介して第２の領域４２に接合されている。
ところで、パッケージ本体４の第２の領域４２は、基体４０の上記一表面に凹部４０ｂを設けることにより、第２の領域４２の厚みを第１の領域４１の厚みよりも薄くしてある。また、パッケージ本体４は、基体４０に金属材料（例えば、Ｃｕなど）からなる電磁シールド層４４が埋設されており、第２の領域４２では、電磁シールド層４４が露出している。また、パッケージ本体４の第２の領域４２では、金属材料（例えば、Ｃｕなど）からなる複数のビア（サーマルビア）４５が基体４０の厚み方向に貫設されており、各ビア４５が電磁シールド層４４と接して熱結合されている。
ここで、ＩＣ素子２は、第２の領域４２において電磁シールド層４４に接合部２５を介して接合されている。しかして、ＩＣ素子２で発生した熱を電磁シールド層４４におけるＩＣ素子２の直下の部位およびビア４５を通してパッケージ３の外側へ効率良く放熱させることが可能となる。本実施形態では、電磁シールド層４４のうち第２の領域４１に形成された部位が、ＩＣ素子２が実装され熱結合される金属部を構成し、各ビア４５が、第１の領域４１を避けて形成されてパッケージ３の外側に一部が露出する放熱部を構成している。要するに、金属部は、第１の領域４１を避けて形成されてパッケージ３の外側に一部が露出する放熱部と熱結合されている。
パッケージ本体４は、上記配線パターンのうち赤外線検出素子１およびＩＣ素子２それぞれのグランド用のパッド（図示せず）が接続される部位を、電磁シールド層４４に電気的に接続しておくことにより、赤外線検出素子１およびＩＣ素子２などにより構成されるセンサ回路への外来の電磁ノイズの影響を低減でき、外来の電磁ノイズに起因したＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる。なお、赤外線検出器を回路基板などに２次実装する場合には、ビア４５を回路基板などのグランドパターンと電気的に接続することで、赤外線検出素子１およびＩＣ素子２などにより構成されるセンサ回路への外来の電磁ノイズの影響を低減でき、外来の電磁ノイズに起因したＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる。
パッケージ蓋５は、パッケージ本体４側の一面が開放された箱状に形成されたメタルキャップである。このパッケージ蓋５は、当該一面がパッケージ本体４により塞がれるようにパッケージ本体４に気密的に接合されている。ここで、パッケージ本体４の上記一表面の周部には、パッケージ本体４の外周形状に沿った枠状の金属パターン４７が全周に亘って形成されている。パッケージ蓋５とパッケージ本体４の金属パターン４７とは、シーム溶接（抵抗溶接法）により金属接合されており、気密性および電磁シールド効果を高めることができる。なお、パッケージ蓋５は、コバールにより形成されており、Ｎｉめっきが施されている。また、パッケージ本体４の金属パターン４７は、コバールにより形成され、Ｎｉのめっきが施され、さらにＡｕのめっきが施されている。
パッケージ蓋５とパッケージ本体４の金属パターン４７との接合方法は、シーム溶接に限らず、他の溶接（例えば、スポット溶接）や、導電性樹脂により接合してもよい。ここで、導電性樹脂として異方導電性接着剤を用いれば、樹脂（バインダー）中に分散された導電粒子の含有量が少なく、接合時に加熱・加圧を行うことでパッケージ蓋５とパッケージ本体４との接合部の厚みを薄くできるので、外部からパッケージ３内へ水分やガス（例えば、水蒸気、酸素など）が侵入するのを抑制できる。また、導電性樹脂として、酸化バリウム、酸化カルシウムなどの乾燥剤を混入させたものを用いてもよい。
なお、パッケージ本体４およびパッケージ蓋５の外周形状は矩形状としてあるが、矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。また、パッケージ蓋５は、パッケージ本体４側の端縁から全周に亘って外方に延設された鍔部５ｂを備えており、鍔部５ｂが全周に亘ってパッケージ本体４と接合されている。
キャップ材６の材料、つまり、赤外線を透過する第１の無機材料としては、シリコンやガラスを採用することが好ましい。ここで、キャップ材６をシリコン基板やガラス基板により形成した場合には、パッケージ蓋５に対して、低融点ガラスや半田からなる接合部６５（以下、第１の接合部６５と称する）により気密的に接合すればよい。ただし、半田により接合する場合には、キャップ材６およびパッケージ蓋５それぞれの適宜部位にメタライズ膜を設ける必要がある。キャップ材６は、パッケージ蓋５の開口部５ａを塞ぎ且つパッケージ蓋５に気密的に接合されるものであればよいから、平板状に形成してある。ここで、キャップ材６の厚みが薄いほど赤外線の透過量が多くなり感度が向上するが、薄くしすぎるとパッケージ蓋５側から受ける応力などによりクラックなどが発生する懸念があるので、例えば、キャップ材６がシリコン基板の場合には厚みが１５０μｍを下回らないようにすることが好ましい。
レンズ７は、平凸型の非球面レンズであり、赤外線検出素子１の受光効率の向上による高感度化を図れるとともに、赤外線検出素子１の検知エリアをレンズ７により設定することが可能となる。レンズ７は、所望のレンズ形状に応じて半導体基板（ここでは、シリコン基板）との接触パターンを設計した陽極を半導体基板の一表面側に半導体基板との接触がオーミック接触となるように形成した後に半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液からなる電解液中で半導体基板の他表面側を陽極酸化することで除去部位となる多孔質部を形成してから当該多孔質部を除去することにより形成された半導体レンズ（ここでは、シリコンレンズ）により構成されている。なお、この種の陽極酸化技術を応用した半導体レンズの製造方法については、例えば、特許第３８９７０５５号公報、特許第３８９７０５６号公報などに開示されているので、説明を省略する。
しかして、本実施形態では、赤外線検出素子１の検知エリアを上述の半導体レンズからなるレンズ７により設定することができ、また、レンズ７として、球面レンズよりも短焦点で且つ開口径が大きく収差が小さな半導体レンズを採用することができるから、短焦点化により、パッケージ３の薄型化を図れる。本実施形態の赤外線検出器は、赤外線検出素子１の検知対象の赤外線として人体から放射される１０μｍ付近の波長帯（８μｍ〜１３μｍ）の赤外線を想定しており、レンズ７の材料として、Ｓｉを採用している。レンズ７の材料としては、Ｓｉ以外に、Ｇｅ、ＺｎＳやＧａＡｓを用いてもよいが、ＺｎＳやＧａＡｓなどに比べて環境負荷が少なく且つ、Ｇｅに比べて低コスト化が可能であり、しかも、ＺｎＳに比べて波長分散が小さなＳｉを採用することが好ましい。
また、レンズ７は、赤外線の入射面側に赤外線の反射を防止する反射防止膜（図示せず）を積層するとともに、赤外線の出射面側に赤外線用の光学フィルタ膜（図示せず）を積層してある。光学フィルタ膜４３は、８μｍ未満の赤外線を遮断するように光学設計してあるが、赤外線検出器の用途（例えば、人体検知の用途、ガス検知、炎検知の用途など）に応じた検出対象の赤外線の波長や波長域に応じて適宜の光学設計を行えばよい。ここで、反射防止膜および光学フィルタ膜は、例えば、屈折率の異なる複数種類の薄膜を交互に積層することにより形成すればよい。なお、この種の薄膜の材料としては、例えば、Ｇｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＭｇＦ２などを採用することができる。
本実施形態では、レンズ７に反射防止膜および光学フィルタ膜を積層してあるが、少なくともフィルタ膜を積層してあればよく、互いの光学特性の異なる光学フィルタ膜を積層してもよい。
本実施形態では、レンズ７に、光学フィルタ膜を設けてあるので、所望の波長域以外の不要な波長域の赤外線や可視光を光学フィルタ膜によりカットすることが可能となり、太陽光などによるノイズの発生を防止することができ、高感度化を図れる。
ここにおいて、本実施形態では、上述のようにＩＣ素子２としてベアチップを採用しているので、可視光がカットされるように、パッケージ蓋５およびレンズ７および光学フィルタ膜の材料を適宜選択することにより、可視光に起因したＩＣ素子２の起電力による誤動作を防止することができる。ただし、ベアチップからなるＩＣ素子２における少なくともパッケージ蓋５側の表面に外部からの光を遮光する樹脂部（図示せず)を設けるようにすれば、ＩＣ素子２がベアチップをパッケージングしたものである場合に比べてパッケージ３の小型化を図りつつ、可視光に起因したＩＣ素子２の起電力による誤動作をより確実に防止することができる。
また、上述のレンズ７は、シリコンウェハを用いて形成すればよく、多数のレンズ７の基礎となるシリコンウェハの一表面側に光学フィルタ膜を形成するとともに他表面側に反射防止膜を形成した後、個々のレンズ７にダイシングすればよい。
ここで、レンズ７は、パッケージ蓋５の開口部５ａの周部に重なる領域においてパッケージ蓋５との導通をとるために、シリコンウェハの上記一表面側の全面に形成した光学フィルタ膜のうちパッケージ本体４の開口部５ａの周部に重なる領域を、上述のダイシング工程において、分割前のシリコンウェハの段階でダイシングブレードなどを利用して除去している。
したがって、レンズ７の母材（シリコンにより形成された部分）７ａとパッケージ蓋５とを導電性ペーストからなる第２の接合部７５を介して接合することにより、レンズ７とパッケージ蓋５とを電気的に接続することができ、赤外線検出器の電磁シールド効果を高めることができる。要するに、本実施形態では、光学フィルタ膜の材料によらず、電磁シールド性を確保することができるので、光学フィルタ膜の材料の選択肢が多くなる。なお、光学フィルタ膜を蒸着法やスパッタ法などの薄膜形成技術を利用して成膜する際に、適宜のシャドーマスクを配置して所定領域のみに光学フィルタ膜を形成するようにすれば、光学フィルタ膜の成膜後に光学フィルタ膜の不要部分をダイシングブレードなどにより除去する工程が不要となる。
また、レンズ７は、パッケージ蓋５における開口部５ａの内周面および周部に位置決めされる段差部７ｂが周部の全周に亘って形成されており、段差部７ｂを第２の接合部７５を介してパッケージ蓋５の外側の表面における開口部５ａの周部の全周に亘って接合してある。したがって、レンズ７と赤外線検出素子１との平行度を高めることができ、レンズ７の光軸方向におけるレンズ７と赤外線検出素子１との距離の精度を高めることができる。なお、段差部７ｂは、例えば、上述のダイシング工程において、分割前のシリコンウェハの段階でダイシングブレードなどを利用して形成すればよい。
ところで、パッケージ３の気密性は、パッケージ本体４とパッケージ蓋５との接合部と、パッケージ蓋５とキャップ材６との第１の接合部６５とで確保される。しかして、レンズ７は、気密性に関係なく、パッケージ蓋５に接合することができるので、接合材料として低融点ガラスや半田などを用いる場合に比べて、低温での接合な接合材料を用いることが可能となる。そこで、レンズ７は、上述の導電性ペーストを用いてパッケージ蓋５に接合してある。ここで、導電性ペーストとしては、銀ペーストを用いているが、これに限定するものではない。導電性ペーストは、導電フィラーとバインダーとからなる。導電フィラーとしては、銀、金、銅、ニッケル、アルミニウム、カーボン、グラファイトなどを用いることができる。バインダーとしては、エポキシ樹脂、ウレタン、シリコーン、アクリル、ポリイミドなどを用いることができる。
また、レンズ７は、パッケージ蓋５に対して、第２の接合部７５の他に、非導電性樹脂からなる第３の接合部７６を介して接合されている。ここで、第２の接合部７５は、レンズ７とパッケージ蓋５との所望の接合強度を確保するために第２の接合部７５を囲むように設けてある。非導電性樹脂としては、エポキシ樹脂を用いているが、これに限らず、例えば、シリコーン樹脂などを用いてもよい。
以上説明した本実施形態の赤外線検出器では、レンズ７に、赤外線用の光学フィルタ膜が積層されており、キャップ材６が、パッケージ蓋５に気密的に接合され、レンズ７が、導電性ペーストによりパッケージ蓋５に接合されることでパッケージ蓋５と電気的に接続されているので、高感度が可能で、且つ、気密性を確保しつつ、製造時の赤外線用の光学フィルタ膜の剥れを抑制できる。
また、本実施形態の赤外線検出器では、キャップ材６がパッケージ蓋５の内側に配置されているので、レンズ７をパッケージ蓋５に接合することができ、レンズ７の位置精度を高めることが可能となる。また、パッケージ蓋５の外側へ突出する部分の高さを低くすることができ赤外線検出器の薄型化を図れる。また、レンズ７の凸曲面側をパッケージ蓋５の開口部５ａ側としてあり、パッケージ蓋５の開口部５ａ内にレンズ７の一部を収納することができるので、赤外線検出器のより一層の薄型化を図れる。また、本実施形態の赤外線検出器は、パッケージ３が、表面実装型のパッケージとなるので、回路基板などに実装する際の低背化を図れる。
また、本実施形態の赤外線検出器では、キャップ材６とパッケージ蓋５とが低融点ガラスにより接合されているので、当該低融点ガラスよりなる第１の接合部６５からのアウトガスが少なく、アウトガスに起因した製造歩留まりの低下や特性の劣化を防止することが可能となる。また、半田により接合する場合には、メタライズ膜が必要なのに対して、このようなメタライズ膜の形成が不要なので、低コスト化を図れる。
また、本実施形態の赤外線検出器では、パッケージ本体４が平板状に形成されているので、パッケージ本体４への赤外線検出素子１の実装が容易になるとともに、パッケージ本体４の低コスト化が可能となる。また、パッケージ本体４が平板状に形成されているので、パッケージ本体４を、一面が開放された箱状の形状として、多層セラミック基板により構成し、内底面に赤外線検出素子１を実装する場合に比べて、パッケージ本体４の上記一表面側に配置される赤外線検出素子１とレンズ７との間の距離の精度を高めることができ、より一層の高感度化を図れる。
また、本実施形態の赤外線検出器では、赤外線検出素子１が、当該赤外線検出素子１における第１の領域４１側の裏面に平行な面内で互いに離間して配置された複数の接合部１５を介して第１の領域４１に実装されているので、赤外線検出素子１とパッケージ本体４との間の空間１６が断熱部として機能することと、接合部１５の断面積の低減とにより、パッケージ本体４から赤外線検出素子１へ熱が伝達しにくくなり、パッケージ３の外部からの熱やＩＣ素子２からの熱が、パッケージ本体４を通して赤外線検出素子１へ伝達されにくくなり、高感度化を図れる。
また、本実施形態の赤外線検出器は、パッケージ３内に赤外線検出素子１の出力信号を信号処理するＩＣ素子２が収納されているので、赤外線検出器の高機能化を図れ、しかも、ＩＣ素子２が別のパッケージに収納されている場合に比べて、Ｓ／Ｎ比の向上を図れる。
また、本実施形態の赤外線検出器では、パッケージ本体４の第２の領域４２に、ＩＣ素子２が実装され熱結合される金属部（電磁シールド層４４の一部により構成される）を備え、金属部が、第１の領域４１を避けて形成されてパッケージ３の外側に一部が露出する放熱部であるビア４５と熱結合されているので、ＩＣ素子２で発生した熱が金属部および放熱部を通して効率的に放熱されることとなり、第１の領域４１側への伝熱が抑制されるから、ＩＣ素子２の発熱が赤外線検出素子１に与える影響を更に低減できる。
上述のパッケージ本体４は、電磁シールド板を内蔵したプリント配線板により構成してもよく、この場合には、当該プリント配線板により構成されるパッケージ本体４の周部とパッケージ蓋５とを、例えば、酸化バリウム、酸化カルシウムなどの乾燥剤を混入させた導電性樹脂や、導電性を有するＢステージのエポキシ樹脂などからなる接合部により気密的に接合すればよい。また、パッケージ本体４にＩＣ素子２も実装する場合には、第２の領域４２で電磁シールド板の一面を露出させ当該電磁シールド板にＩＣ素子２を実装するようにしてもよい。
（実施形態２）
ところで、図１のように赤外線検出素子１とＩＣ素子２とが同一のパッケージ３内に収納されている場合、ＩＣ素子２の発熱に起因した赤外線検出素子１の感度の低下が懸念される。
これに対して、本実施形態の赤外線検出器の基本構成は実施形態１と略同じであり、図２に示すように、パッケージ本体４における第１の領域４１と第２の領域４２との間に、ＩＣ素子２から赤外線検出素子１側へ放射される赤外線を遮蔽する壁部４３が立設されている点が相違するだけである。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
パッケージ本体４において、赤外線検出素子１を実装する第１の領域４１とＩＣ素子２を実装する第２の領域４２との間で基体４０の上記一表面側に立設された壁部４３の材料としては、セラミックスを採用しており、壁部４３は、パッケージ本体４と一体成形されている。ここで、本実施形態では、実施形態１と同様、第２の領域４２の厚みを第１の領域４１の厚みよりも薄くしてある。
しかして、本実施形態の赤外線検出器では、ＩＣ素子２の発熱に起因して発生した赤外線がＩＣ素子２と赤外線検出素子１との間の空間を通る経路で赤外線検出素子１に向かう赤外線を壁部４３で遮蔽することが可能となるとともに、ＩＣ素子２で発生した熱がパッケージ本体４を通る経路で赤外線検出素子１に伝熱されにくくなり、ＩＣ素子２の発熱が赤外線検出素子１に与える影響を低減でき、ＩＣ素子２の発熱に起因した赤外線検出素子１の感度の低下を抑制することが可能となる。なお、本実施形態では、パッケージ本体４の上記一表面からの壁部４３の突出寸法を、上記一表面から赤外線検出素子１の表面（受光面）までの高さ寸法よりも大きく設定してあるが、この突出寸法は、ＩＣ素子２から赤外線検出素子１へ直接向かう赤外線を遮蔽できる値であればよく、ＩＣ素子２は凹部４０ｂの内底面に実装されているので、例えば上記高さ寸法と同じ値でもよい。壁部４３の突出寸法を小さくした方が、赤外線検出素子１とＩＣ素子２とを接続するボンディングワイヤ７３の長さを短くでき、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることが可能となり、また、ボンディングワイヤ７３の高さを低くできて、パッケージ３の低背化を図れる。
また、本実施形態の赤外線検出器では、パッケージ本体４の絶縁材料がセラミックスであり、壁部４３が、パッケージ本体４の絶縁材料と同じセラミックスでパッケージ本体４に一体成形されているので、壁部４３を別部材として形成して、パッケージ本体４に取り付ける場合に比べて、製造が容易になるとともに、製造コストの低コスト化を図れる。また、壁部４３が断熱性を有しているので、壁部４３からの赤外線の２次輻射を低減でき、ＩＣ素子２の発熱が赤外線検出素子１に与える影響を、より低減できる。
（実施形態３）
図３に示す本実施形態の赤外線検出器の基本構成は実施形態２と略同じであり、壁部４３上に、赤外線検出素子１とＩＣ素子２との中継用の複数の電極（図示せず）が形成されており、赤外線検出素子１およびＩＣ素子２それぞれのパッドと電極とがボンディングワイヤ７３ａ，７３ｂを介して電気的に接続されている点が相違するだけである。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
図２に示した実施形態２の赤外線検出器のように赤外線検出素子１のパッドとＩＣ素子２との対応するパッド間を１本のボンディングワイヤ７３のみにより電気的に接続した場合には、ＩＣ素子２で発生した熱が、ＩＣ素子２と赤外線検出素子１とを電気的に接続する電路であるボンディングワイヤ７３を通して赤外線検出素子１に伝熱されてしまう懸念がある。
これに対して、本実施形態の赤外線検出器では、赤外線検出素子１とＩＣ素子２との対応するパッド同士がボンディングワイヤ７３ａ−中継用の電極−ボンディングワイヤ７３ｂの経路で電気的に接続されているので、ＩＣ素子２で発生した熱が、ＩＣ素子２と赤外線検出素子１とを電気的に接続する電路を通して赤外線検出素子１へ伝熱されにくくなる。
（実施形態４）
本実施形態の赤外線検出器の基本構成は実施形態３と略同じであり、図４に示すように、キャップ材６がパッケージ５の外側に配置されてパッケージ蓋５に気密的に接合されており、レンズ７が非導電性樹脂からなる接合部７９を介してキャップ材６に接合されている点などが相違する。なお、実施形態３と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、キャップ材６の材料（赤外線を透過する第１の無機材料）としてシリコンを採用しており、キャップ材６とパッケージ蓋５とを、低融点ガラスからなる第１の接合部６５により接合した後で、導電性ペーストからなる接合部７８により接合して電気的に接続してある。ここで、接合部７８は、キャップ材５の側縁とパッケージ蓋５とを接合しており、第１の接合部６５を全周に亘って囲んでいる。したがって、レンズ７とキャップ材６との接合は、気密性および電磁シールド性に影響しないので、非導電性樹脂による接合により接合強度を確保すればよい。
また、レンズ７は、実施形態３と同様に平凸型のレンズであるが、凸曲面がキャップ材６側とは反対側になるように配置されている。しかして、実施形態１で説明したような光学フィルタ膜の一部を除去する過程や段差部７ｂを形成する過程が不要となり、レンズ７の低コスト化が可能となる。
以上説明した本実施形態の赤外線検出器では、キャップ材６がパッケージ蓋５に気密的に接合され、レンズ７が非導電性樹脂によりキャップ材６に接合されており、キャップ材６が、パッケージ蓋５への接合によりパッケージ蓋５と電気的に接続されているので、高感度が可能で、且つ、気密性を確保しつつ、製造時の赤外線用の光学フィルタ膜の剥れを抑制できる。
また、本実施形態の赤外線検出器では、キャップ材６がパッケージ蓋５の外側に配置されているので、パッケージ本体４とパッケージ蓋５とキャップ材６とで囲まれる内部空間の容積を小さくすることが可能となり、内部空間の雰囲気の温度の均一性が向上する。
なお、レンズ７とキャップ材６とを非導電性樹脂だけでなく、導電性ペーストでも接合するようにしてもよく、この場合には、レンズ７もキャップ材６およびパッケージ蓋５と同電位とすることができ、レンズ７に起因した浮遊容量の発生を防止できる。
（実施形態５）
本実施形態の赤外線検出器の基本構成は実施形態３と略同じであって、図５に示すように、パッケージ本体４およびパッケージ蓋５の形状が相違する。なお、実施形態３と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。また、図５では、図３の電磁シールド層４４およびビア（サーマルビア）４５の図示を省略してある。
本実施形態におけるパッケージ３は、パッケージ本体４が、一表面が開放された箱状（ここでは、矩形箱状）に形成され、パッケージ蓋５が、パッケージ本体４の上記一表面を塞ぐようにパッケージ本体３に気密的に接合されるリッドにより構成されている。
また、本実施形態では、パッケージ本体４の内底面４０ａから壁部４３が突設されている。
また、本実施形態の赤外線検出器では、パッケージ蓋５の内側にゲッタ８が形成されている。ここで、ゲッタ８の材料としては、例えば、活性化温度が３００〜３５０℃程度の非蒸発ゲッタを用いることが好ましく、例えば、Ｚｒの合金やＴｉの合金などからなる非蒸発ゲッタを採用すればよい。本実施形態の赤外線検出器では、キャップ材６をパッケージ蓋５に接合する接合材料として、軟化点がゲッタ８の活性化温度よりも高く、且つ、接合温度がキャップ材６の耐熱温度よりも低い低融点ガラスを用いる。なお、低融点ガラスとしては、例えば、軟化点が３５０℃〜５００℃程度のものを用いればよい。
以上説明した本実施形態の赤外線検出器においても、実施形態３と同様、レンズ７に、赤外線用の光学フィルタ膜が積層されており、キャップ材６が、パッケージ蓋５に気密的に接合され、レンズ７が、導電性ペーストによりパッケージ蓋５に接合されることでパッケージ蓋５と電気的に接続されているので、高感度が可能で、且つ、気密性を確保しつつ、製造時の赤外線用の光学フィルタ膜の剥れを抑制できる。
また、本実施形態の赤外線検出器では、パッケージ３の内部空間を真空雰囲気として真空封止した場合に、パッケージ３内に残留したガスをゲッタ８により吸着することができるので、所望の真空度を維持することができる。
また、ゲッタ８を、パッケージ蓋５において赤外線検出素子１に重ならない領域（特に、ＩＣ素子２に対向する領域）に形成してあるので、パッケージ本体４にゲッタ８を形成するスペースを確保する必要がなく、パッケージ３の平面サイズの小型化が可能となる。
なお、実施形態１〜４においても、パッケージ３の内部空間を真空雰囲気とする場合には、本実施形態と同様に、ゲッタ８を設けることが好ましい。
（実施形態６）
本実施形態の赤外線検出器の基本構成は実施形態５と略同じであり、図６に示すように、キャップ材６がパッケージ５の外側に配置されてパッケージ蓋５に気密的に接合されており、レンズ７が非導電性樹脂からなる接合部７９を介してキャップ材６に接合されている点などが相違する。なお、実施形態５と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、実施形態４と同様、キャップ材６の材料（赤外線を透過する第１の無機材料）としてシリコンを採用しており、キャップ材６とパッケージ蓋５とを、低融点ガラスからなる第１の接合部６５により接合した後で、導電性ペーストからなる接合部７８により接合して電気的に接続してある。
以上説明した本実施形態の赤外線検出器では、キャップ材６がパッケージ蓋５に気密的に接合され、レンズ７が非導電性樹脂によりキャップ材６に接合されており、キャップ材６が、パッケージ蓋５への接合によりパッケージ蓋５と電気的に接続されているので、高感度が可能で、且つ、気密性を確保しつつ、製造時の赤外線用の光学フィルタ膜の剥れを抑制できる。
また、本実施形態の赤外線検出器では、キャップ材６がパッケージ蓋５の外側に配置されているので、パッケージ本体４とパッケージ蓋５とキャップ材６とで囲まれる内部空間の容積を小さくすることが可能となり、内部空間の雰囲気の温度の均一性が向上する。
１ 赤外線検出素子
３ パッケージ
４ パッケージ本体
５ パッケージ蓋
５ａ 開口部
６ キャップ材
７ レンズ
６５ 第１の接合部
７５ 第２の接合部
７６ 第３の接合部

Claims (5)

  1. 赤外線検出素子と、電磁シールド機能を有し前記赤外線検出素子が実装されたパッケージ本体と、金属により形成されて前記赤外線検出素子の前方に開口部を有し前記パッケージ本体に気密的に接合されたパッケージ蓋と、赤外線を透過する第１の無機材料により形成され前記パッケージ蓋の前記開口部を塞ぐように配置されたキャップ材と、赤外線を透過する第２の無機材料により形成されて前記キャップ材よりも前記赤外線検出素子から離れた位置で前記パッケージ蓋の外側に配置されたレンズとを備え、前記レンズに、赤外線用の光学フィルタ膜が積層されてなり、前記キャップ材が、前記パッケージ蓋に気密的に接合され、前記レンズが、導電性ペーストと非導電性樹脂との少なくとも一方により前記パッケージ蓋もしくは前記キャップ材に接合されてなり、前記キャップ材と前記レンズとの少なくとも一方が、前記パッケージ蓋への接合により前記パッケージ蓋と電気的に接続されてなることを特徴とする赤外線検出器。
  2. 前記キャップ材は、前記パッケージ蓋の内側に配置されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線検出器。
  3. 前記キャップ材は、前記パッケージ蓋の外側に配置されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線検出器。
  4. 前記キャップ材と前記パッケージ蓋とは、低融点ガラスにより接合されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
  5. 前記パッケージ蓋の内側にゲッタが形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
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