JP2011220938A - 赤外線センサの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】気密性を確保しつつ、光学フィルタ膜の割れや剥れを抑制できる赤外線センサの製造方法を提供する。
【解決手段】赤外線検出素子1およびIC素子2をパッケージ本体4に実装する。その後、赤外線透過部材6の周部とパッケージ3における開口部5aの周部との間に介在させた低融点ガラス7aをレーザ光LBにより加熱して溶融させることで赤外線透過部材6とパッケージ3における開口部5aの周部とを低融点ガラス7aからなる第1の接合部7を介して気密的に接合する接合工程を行う。この接合工程では、レーザ光LBを赤外線透過部材6側から照射して低融点ガラス7aを加熱して溶融させる。
【選択図】図1
【解決手段】赤外線検出素子1およびIC素子2をパッケージ本体4に実装する。その後、赤外線透過部材6の周部とパッケージ3における開口部5aの周部との間に介在させた低融点ガラス7aをレーザ光LBにより加熱して溶融させることで赤外線透過部材6とパッケージ3における開口部5aの周部とを低融点ガラス7aからなる第1の接合部7を介して気密的に接合する接合工程を行う。この接合工程では、レーザ光LBを赤外線透過部材6側から照射して低融点ガラス7aを加熱して溶融させる。
【選択図】図1
Description
本発明は、赤外線センサの製造方法に関するものである。
従来から、赤外線を検出する熱型(非冷却型)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(赤外線センサ)が各所で研究開発されている(例えば、特許文献1,2)。
特許文献1には、図9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10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とを備えた赤外線検出器が開示されている。この赤外線検出器は、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てある。また、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。
図9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などの赤外線用の光学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、光学フィルタ膜の割れや剥れが発生してしまう懸念がある。
また、図9の赤外線検出器における平板状の赤外線透過部材160の代わりにSiやGeなどの赤外線透過材料からなる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光学フィルタ膜の割れや剥れが発生してしまう懸念がある。
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、気密性を確保しつつ、光学フィルタ膜の割れや剥れを抑制できる赤外線センサの製造方法を提供することにある。
本発明の赤外線センサの製造方法は、赤外線検出素子と、少なくとも前記赤外線検出素子を収納するパッケージであり前記赤外線検出素子の前方に開口部が形成された前記パッケージと、赤外線透過材料からなる基材の厚み方向の少なくとも一面に赤外線用の光学フィルタ膜が積層されてなり前記開口部を塞ぐように配置され前記パッケージに低融点ガラスからなる接合部を介して気密的に接合された赤外線透過部材とを備えた赤外線センサの製造方法であって、前記赤外線透過部材の周部と前記パッケージにおける前記開口部の周部との間に介在させた前記低融点ガラスをレーザ光により加熱して溶融させることで前記赤外線透過部材と前記パッケージにおける前記開口部の前記周部とを接合する接合工程を備え、前記接合工程では、前記レーザ光を前記赤外線透過部材側から照射して前記低融点ガラスを加熱して溶融させることを特徴とする。
この赤外線センサの製造方法において、前記接合工程では、前記レーザ光により、前記赤外線透過部材側から前記光学フィルタ膜のうち前記赤外線透過部材の前記周部に対応する部位を除去しつつ前記低融点ガラスを加熱して溶融させることが好ましい。
この赤外線センサの製造方法において、前記接合工程では、前記赤外線透過部材の前記基材と前記低融点ガラスとが直接接触するように前記低融点ガラスを介在させた状態で前記低融点ガラスを前記レーザ光により加熱して溶融させることが好ましい。
この赤外線センサの製造方法において、前記接合工程では、前記レーザ光として前記光学フィルタ膜を透過するレーザ光を照射して前記低融点ガラスを加熱して溶融させることが好ましい。
この赤外線センサの製造方法において、前記接合工程よりも前に、前記パッケージにおける前記開口部の前記周部の前記赤外線透過部材側に前記レーザ光を吸収する光吸収層を形成し、前記接合工程では、前記赤外線透過部材の前記周部と前記光吸収層との間に前記低融点ガラスを介在させることが好ましい。
本発明の赤外線センサの製造方法においては、気密性を確保しつつ、赤外線用の光学フィルタ膜の割れや剥れを抑制できる。
以下、本実施形態における赤外線センサについて図2を参照しながら説明し、その後、その赤外線センサの製造方法について図1を参照しながら説明する。
赤外線センサは、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、赤外線センサは、赤外線透過材料からなる基材61の厚み方向の両面それぞれに赤外線用の光学フィルタ膜62,63が積層されてなり開口部5aを塞ぐように配置されパッケージ蓋5に低融点ガラスからなる接合部(以下、第1の接合部と称する)7を介して気密的に接合された赤外線透過部材6を備えている。また、赤外線センサは、第1の接合部7の外側で赤外線透過部材6の基材61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8により接合されている。要するに、赤外線センサは、赤外線透過部材6の基材61とパッケージ蓋5とが電気的に接続されている。
また、赤外線センサは、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。
また、赤外線センサは、パッケージ本体4とパッケージ蓋5とでパッケージ3を構成しており、パッケージ3と赤外線透過部材6とで囲まれた内部空間(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。
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、上述のように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と赤外線透過部材6とを同電位とすることができる。その結果、赤外線センサは、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91〜93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機能を有している。
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)である。この赤外線検出素子1は、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、例えば、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い。この場合には、赤外線センサを、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、本実施形態における赤外線センサでは、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、赤外線センサ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91,92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93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91〜93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、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、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、本実施形態における赤外線センサでは、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(以下、第3の接合部と称する)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(以下、第4の接合部と称する)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、複数の第3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の裏面の全体が第3の接合部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、第3の接合部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。この第3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箇所に第3の接合部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、第3の接合部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、赤外線センサ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、裏面全体が第4の接合部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に第4の接合部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。
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ある。しかして、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、赤外線センサを回路基板などに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金属キャップである。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、例えば、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。
本実施形態における赤外線センサは、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、赤外線透過部材6の基材61の材料として、Siを採用している。基材61の材料としては、Siに限らず、例えば、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、赤外線透過部材6における基材61の厚み方向の両面の光学フィルタ膜62,63は、5μm〜15μmの波長域の赤外線を透過するように光学設計してあるが、赤外線センサの用途(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。光学フィルタ膜62,63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、赤外線透過部材6の基材61の厚み方向の両面に、光学フィルタ膜62,63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62,63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抑制することができ、高感度化を図れる。ここにおいて、光学フィルタ膜62,63は、互いに光学特性の異なるものでもよいし、同じものでもよい。また、赤外線透過部材6は、基材61の厚み方向の両面に光学フィルタ膜62,63を備えているが、2つの光学フィルタ膜62,63のうちの少なくとも一方を備えていればよい。例えば、基材61の厚み方向の一表面側(一面側)の光学フィルタ膜62のみを設けるようにして、他面側に赤外線の反射を防止する反射防止膜を設けてもよい。また、基材61の厚み方向の他表面側(一面側)の光学フィルタ膜63のみを設けるようにしてもよい。なお、反射防止膜については、光学フィルタ膜62,63と同様の材料を採用し、積層構造を適宜設計すればよい。
ここで、赤外線透過部材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、基材61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、基材61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。
赤外線透過部材6は、基材61の厚み方向の両面における周部を露出させてある。このような赤外線透過部材6を作製するには、基材61の両面それぞれに光学フィルタ膜62,63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した後で、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングするようにしてもよいし、レーザ光によるパターニングやダイシングソーを利用したパターニングを行うようにしてもよい。また、光学フィルタ膜62,63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62,63を形成するようにすれば、光学フィルタ膜62,63の成膜後に光学フィルタ膜62,63の不要部分を除去する工程が不要となる。
また、赤外線透過部材6の基材61とパッケージ蓋5とを接合して電気的に接続する第2の接合部8の材料である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。ここにおいて、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、赤外線センサは、第2の接合部8が、第1の接合部7を全周に亘って囲むように設けられているので、赤外線透過部材6とパッケージ蓋5との接合強度を向上させることもできる。
また、上述の赤外線センサでは、パッケージ3と赤外線透過部材6とで囲まれた内部空間を真空雰囲気とする場合には、残留ガスなどを吸着するゲッタをパッケージ蓋5の内側に設けることが好ましい。ここで、ゲッタの材料としては、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。この場合、赤外線センサの製造にあたっては、赤外線透過部材6をパッケージ蓋5に接合する第1の接合部7の材料である低融点ガラスとして、軟化点がゲッタの活性化温度よりも高い低融点ガラスを用いる。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。また、ゲッタの有無に関わらず、低融点ガラスとしては、鉛フリーの低融点ガラス(無鉛低融点ガラス)を用いることが好ましい。
図2に示した構成の赤外線センサでは、赤外線透過部材6の基材61を、平板状に形成してあるが、これに限らず、例えば、図3に示すようなレンズとしてもよい。
図3の赤外線センサにおいて、赤外線透過部材6の基材61を構成するレンズは、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。また、図3の構成では、赤外線検出素子1の検知エリアをレンズにより設定することが可能となる。レンズは、所望のレンズ形状に応じて半導体基板(例えば、シリコン基板など)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(例えば、シリコンレンズなど)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。
図3の構成の赤外線センサでは、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により設定することができ、また、レンズとして、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、赤外線センサの薄型化を図れる。また、レンズ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内にレンズの一部を収納することができるので、赤外線センサのより一層の薄型化を図れる。
また、上述のレンズは、例えば、シリコンウェハを用いて形成すればよく、多数のレンズ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63を形成するとともに他表面側に光学フィルタ膜62を形成した後、個々のレンズにダイシングすればよい。
また、赤外線透過部材6におけるレンズからなる基材61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61bを、当該レンズの周部の全周に亘って形成してある。そして、赤外線透過部材6は、この基材6の段差部61bを第1の接合部7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、レンズからなる基材61と赤外線検出素子1との平行度を高めることができ、レンズの光軸方向におけるレンズと赤外線検出素子1との距離の精度を高めることができる。段差部61b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してもよいし、ダイシング工程よりも前にフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して形成するようにしてもよい。また、段差部61bは、基材61を平板状の形状とする場合にも設けてもよい。なお、赤外線透過部材6におけるレンズからなる基材61は、段差部61bが無いものでもよい。
また、パッケージ本体4およびパッケージ蓋5の形状は、図2、図3の形状に限らず、例えば、図4に示すような形状でもよい。なお、図4では、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。
図4の構成では、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、開口部5aを有するパッケージ蓋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4に気密的に接合される平板状に形成されている。
また、図5に示すように、一表面が開放された箱状(ここでは、矩形箱状)のパッケージ本体4によりパッケージ3を構成するようにし、パッケージ本体4の上記一表面側の開口部5aを赤外線透過部材6により塞ぐように、赤外線透過部材6をパッケージ本体4に第1の接合部7を介して気密的に接合するようにしてもよい。なお、図5では、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。また、図3〜図5では、図2と同様の構成要素に同一の符号を付してある。
上述の図2〜図5のいずれの赤外線センサも、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、赤外線透過部材6の基材61の材料や、光学フィルタ膜62,63の光学設計を行うことにより、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可能となる。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開口部5a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可能となる。
以上説明した赤外線センサは、パッケージ3が、表面実装型のパッケージとなるので、プリント配線板のような回路基板などに実装する際の低背化を図れる。
また、赤外線センサは、赤外線透過部材6とパッケージ3における開口部5aの周部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7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、図2や図3の赤外線センサでは、パッケージ本体4が平板状に形成されているので、図4や図5の赤外線センサのようにパッケージ本体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、図2や図3の赤外線センサでは、パッケージ本体4が平板状に形成されていることにより、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、図2や図3の赤外線センサでは、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第3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、第3の接合部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、図2〜図5の赤外線センサは、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、赤外線センサの高機能化を図れ、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、これらの赤外線センサは、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。
図2や図3におけるパッケージ本体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。
なお、図2〜図4の赤外線センサでは、赤外線透過部材6をパッケージ蓋5の外側に配置してあるが、これらに限らず、例えば、図6に示すように、赤外線透過部材6をパッケージ蓋5の内側に配置してもよい。ここで、図6では、赤外線透過部材6の基材61を平凸型のレンズとしてあるが、これに限らず、例えば、平板状の形状としてもよい。
以下、図2に示した構成の赤外線センサの製造方法について図1を参照しながら説明するが、図3、図4、図5の構成の赤外線センサの製造方法も同様である。
まず、各別に形成された赤外線検出素子1およびIC素子2をパッケージ本体4に実装する実装工程を行うことによって、図1(a)に示す構造を得る。この実装工程では、まず、パッケージ本体4の第1の領域41に赤外線検出素子1を実装するとともに、第2の領域42にIC素子2を実装する。この実装工程では、赤外線検出素子1を第3の接合部15を介して第1の領域41に接合するとともに、IC素子2を第4の接合部25を介して第2の領域42に接合し、その後、ワイヤボンディングを行う。なお、赤外線検出素子1、IC素子2の実装の順番は特に限定するものではない。
上述の実装工程の後、パッケージ蓋5をパッケージ本体4に重ねて、パッケージ蓋5とパッケージ本体4とを気密的に接合する接合工程(以下、第1の接合工程という)を行うことによって、図1(b)に示す構造を得る。第1の接合工程では、パッケージ蓋5の鍔部5bをパッケージ本体4に重ね合わせ、シーム溶接により、パッケージ蓋5の鍔部5bをパッケージ本体4に気密的に接合しているが、シーム溶接に限らず、他の接合方法を採用してもよい。なお、図5の構成の赤外線センサの製造時には、この第1の接合工程が存在しないことは勿論である。
第1の接合工程の後、図1(c)に示すように、赤外線透過部材6の周部とパッケージ3における開口部5aの周部との間に介在させた低融点ガラス7aをレーザ光LBにより加熱して溶融させることで赤外線透過部材6とパッケージ3における開口部5aの周部とを低融点ガラス7aからなる第1の接合部7を介して気密的に接合する接合工程(以下、第2の接合工程という)を行う。なお、レーザ光LBのレーザ光源としては、赤外線透過部材6の基材61を透過する波長のレーザ光LBを出射するレーザ光源を用いればよく、例えば、波長が1〜11μmのレーザ光源を用いればよい。このようなレーザ光源としては、例えば、波長が1μmのNd:VO4レーザ、波長が1.06μmのYAGレーザ、波長が10.6μmのCO2レーザなどを用いればよい。
この第2の接合工程では、レーザ光LBを赤外線透過部材6側から照射(赤外線透過部材6とパッケージ3との重なる方向において赤外線透過部材6におけるパッケージ3側とは反対側から照射)して低融点ガラス7aを加熱して溶融させる。ここにおいて、第2の接合工程では、低融点ガラス7aを局所的に加熱することで低融点ガラス7aを溶融させる。したがって、低融点ガラス7aにレーザ光LBを吸収させやすくするために、低融点ガラス7aに金属(遷移金属など)をドープしたり、低融点ガラス7aを着色したりすることが好ましい。なお、一般的に、低融点ガラスは、ガラス転位温度が600℃以下のガラスのことを言うが、本実施形態で用いる低融点ガラス7aとしては、ガラス転位温度が400℃以下の低融点ガラスを用いることが好ましい。、また、低融点ガラス7aを局所的に加熱するには、レーザ光LBを点状に照射して走査するようにしてもよいが、低融点ガラス7a全体に同時に照射するように、レーザ光源および光学系により決定する照射エリアを設定してもよい。
第2の接合工程の後、赤外線透過部材6の基材61とパッケージ3とを上述の導電性ペーストからなる第2の接合部8により接合して電気的に接続する第3の接合工程を行うことによって、図2に示す構成の赤外線センサを得る。
上述の第1の接合工程と第2の接合工程との順序は逆でもよく、この場合、第3の接合工程を第2の接合工程と第1の接合工程との間に行ってもよい。なお、図6の構成の赤外線センサの製造方法では、第2の接合工程の後、第3の接合工程を行い、その後、第1の接合工程を行うようにし、第1の接合工程よりも前に実装工程を行うようにすればよい。
以上説明した本実施形態の赤外線センサの製造方法では、第2の接合工程において、レーザ光LBにより低融点ガラス7aを局所的に加熱して溶融させるので、赤外線透過部材6全体の温度が光学フィルタ膜62,63の耐熱温度を超えるのを防止することができ、気密性を確保しつつ、赤外線用の光学フィルタ膜62,63の割れや剥れを抑制できる。また、基材61の周部に光学フィルタ膜62,63が存在しないので、第2の接合工程において、光学フィルタ膜62,63に割れや剥れが発生するのをより確実に抑制することができ、光学フィルタ膜62,63の性能劣化をより確実に防止することが可能となる。
上述の赤外線センサの製造方法では、赤外線透過部材6として、基材61の厚み方向の両面の周部を露出させたものを用いているが、光学フィルタ膜62,63のパターニングは必ずしも必要ではなく、例えば、図7(a)に示すように、赤外線透過部材6として、基材61の厚み方向の両面の全面それぞれに光学フィルタ膜62,63が形成されたものを用いてもよい。この場合には、第2の接合工程において、図7(a)に示すように、レーザ光LBとして光学フィルタ膜62,63を透過するレーザ光LBを照射して低融点ガラス7aを加熱して溶融させることで赤外線透過部材6とパッケージ3とを第1の接合部7を介して接合するようにすればよい。また、第2の接合工程よりも前に、パッケージ3における開口部5aの周部の赤外線透過部材6側にレーザ光LBを吸収する光吸収層51(図7(b)参照)を形成してもよい。この場合、第2の接合工程では、図7(b)に示すように、赤外線透過部材6の周部と光吸収層51との間に低融点ガラス7aを介在させ、赤外線透過部材6側から照射するレーザ光LBにより光吸収層61を加熱することで低融点ガラス7aを加熱して溶融させることで赤外線透過部材6とパッケージ3とを第1の接合部7を介して接合すればよい。
図7(a),(b)それぞれの配置で第2の接合工程を行う場合、基材61の材料がSiで透過波長域が1μm〜11μm、光学フィルタ膜62,63の透過波長域が、例えば、5μm〜15μmであるときには、レーザ光LBの波長を5μm〜11μmの範囲で設定すればよく、例えば、レーザ光源として波長が10.6μmのCO2レーザを用いればよい。また、光学フィルタ膜62,63の材料としては、Ge、ZnS、ZnSeなどを用いればよい。また、パッケージ3の材料(図2〜図4および図6では、パッケージ蓋5の材料、図5では、パッケージ本体4の材料)としては、コバール、ステンレス、Fe、セラミック、シリコンなどを用いることができる。また、図7(a)の場合、低融点ガラス7aとしては、レーザ光LBを吸収するように、低融点ガラス7aに金属(遷移金属など)をドープしたり、低融点ガラス7aを着色したものを用いればよい。これに対して、図7(b)の場合は、光吸収層51の材料として、例えば、Ni、Al、Feなどを採用し、低融点ガラス7aとしてレーザ光LBを吸収しない透明なものを用いればよい。図7(a),(b)の場合も光学フィルタ膜62,63の割れや剥れを抑制することができる。
また、第2の接合工程では、レーザ光LBにより、赤外線透過部材6側から光学フィルタ膜62,63のうち赤外線透過部材6の周部に対応する部位を除去しつつ低融点ガラス7aを加熱して溶融させるようにしてもよい。この場合、レーザ光LBにより、まず、図8(a)に示すように、光学フィルタ膜63のうち基材61の周部に形成されている部位を除去し、引き続いて、図8(b)に示すように、光学フィルタ膜62のうち基材61の周部に形成されている部位を除去しつつ低融点ガラス7aを加熱すればよい。
ここにおいて、基材61の材料がSiで透過波長域が1μm〜11μm、光学フィルタ膜62,63の透過波長域が、例えば、5μm〜15μmであるとき、図8(a)の段階(以下、第1の段階と称する)と図8(b)の段階(以下、第2の段階と称する)とで同一のレーザ光源を用いるとすれば、レーザ光LBの波長を1μm〜5μmの範囲で設定すればよく、例えば、レーザ光源として波長が1μmのNd:VO4レーザや波長が1.06μmのNd:YAGレーザなどを用い、低融点ガラス7aとしては、レーザ光LBを吸収するように、低融点ガラス7aに金属(遷移金属など)をドープしたり、低融点ガラス7aを着色したものを用いればよい。これに対して、第1の段階と第2の段階とでレーザ光源を換えてレーザ光LBの波長を異ならせる場合には、第1の段階では光学フィルタ膜62,63が吸収する波長(5μm〜15μm以外の波長)のレーザ光源として、例えば、波長が1μmのNd:VO4レーザや波長が1.06μmのNd:YAGレーザなどを用い、第2の段階では基材61を透過する波長(1μm〜11μm)のレーザ光源として、例えば、波長が1μmのNd:VO4レーザや波長が1.06μmのNd:YAGレーザ、波長が10.6μmのCO2レーザなどを用いればよく、低融点ガラス7aを溶融させる段階(第2の段階)で用いるレーザ光源の選択肢が多くなる。また、光学フィルタ膜62,63の材料としては、Ge、ZnS、ZnSeなどを用いればよい。また、パッケージ3の材料(図2〜図4および図6では、パッケージ蓋5の材料、図5では、パッケージ本体4の材料)としては、コバール、ステンレス、Fe、セラミック、シリコンなどを用いることができる。
なお、図8の場合も、第2の接合工程の前に、パッケージ3における開口部5aの周部に光吸収層51(図7(b)参照)を形成しておいてもよく、光吸収層51の材料として、例えば、Ni、Al、Feなどを採用すればよく、低融点ガラス7aとしてレーザ光LBを吸収しない透明なものを用いることができる。
また、図8の場合において、第2の接合工程よりも前に、赤外線透過部材6の基材61の周部においてパッケージ3側に配置される光学フィルタ膜62がない状態としておき、第2の接合工程において、赤外線透過部材6の基材61と低融点ガラス7aとが直接接触するように低融点ガラス7aを介在させた状態で低融点ガラス7aをレーザ光LBにより加熱して溶融させるようにしてもよく、この場合には、パッケージ3側の光学フィルタ膜62の割れや剥れをより確実に防止することができる。なお、この場合も、第2の接合工程の前に、パッケージ3における開口部5aの周部に光吸収層51(図7(b)参照)を形成しておいてもよく、光吸収層51の材料として、例えば、Ni、Al、Feなどを採用し、低融点ガラス7aとしてレーザ光LBを吸収しない透明なものを用いればよい。
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 赤外線透過部材
7 接合部
51 光吸収層
61 基材
62 光学フィルタ膜
63 光学フィルタ膜
LB レーザ光
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 赤外線透過部材
7 接合部
51 光吸収層
61 基材
62 光学フィルタ膜
63 光学フィルタ膜
LB レーザ光
Claims (5)
- 赤外線検出素子と、少なくとも前記赤外線検出素子を収納するパッケージであり前記赤外線検出素子の前方に開口部が形成された前記パッケージと、赤外線透過材料からなる基材の厚み方向の少なくとも一面に赤外線用の光学フィルタ膜が積層されてなり前記開口部を塞ぐように配置され前記パッケージに低融点ガラスからなる接合部を介して気密的に接合された赤外線透過部材とを備えた赤外線センサの製造方法であって、前記赤外線透過部材の周部と前記パッケージにおける前記開口部の周部との間に介在させた前記低融点ガラスをレーザ光により加熱して溶融させることで前記赤外線透過部材と前記パッケージにおける前記開口部の前記周部とを接合する接合工程を備え、前記接合工程では、前記レーザ光を前記赤外線透過部材側から照射して前記低融点ガラスを加熱して溶融させることを特徴とする赤外線センサの製造方法。
- 前記接合工程では、前記レーザ光により、前記赤外線透過部材側から前記光学フィルタ膜のうち前記赤外線透過部材の前記周部に対応する部位を除去しつつ前記低融点ガラスを加熱して溶融させることを特徴とする請求項1記載の赤外線センサの製造方法。
- 前記接合工程では、前記赤外線透過部材の前記基材と前記低融点ガラスとが直接接触するように前記低融点ガラスを介在させた状態で前記低融点ガラスを前記レーザ光により加熱して溶融させることを特徴とする請求項2記載の赤外線センサの製造方法。
- 前記接合工程では、前記レーザ光として前記光学フィルタ膜を透過するレーザ光を照射して前記低融点ガラスを加熱して溶融させることを特徴とする請求項1記載の赤外線センサの製造方法。
- 前記接合工程よりも前に、前記パッケージにおける前記開口部の前記周部の前記赤外線透過部材側に前記レーザ光を吸収する光吸収層を形成し、前記接合工程では、前記赤外線透過部材の前記周部と前記光吸収層との間に前記低融点ガラスを介在させ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項に記載の赤外線センサの製造方法。
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