JP2011220939A - 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蓋５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とパッケージ蓋５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（第１の接合工程）を行う。第１の接合工程では、レーザ光ＬＢをパッケージ蓋５側から照射して低融点ガラス７ａを加熱して溶融させる。第１の接合工程の後、所定雰囲気中において、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第２の接合工程を行う。
【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８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９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。
特開平９−２２９７６５号公報 実開平５−２３０７０号公報
図８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８の赤外線検出器における平板状の赤外線透過部材１６０の代わりにシリコンやゲルマニウム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蓋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蓋における前記開口部の周部との間に介在させた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蓋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パッケージ蓋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、前記パッケージ蓋として、前記低融点ガラスと接する部分の厚みを当該部分の周辺部分の厚みに比べて薄くしたものを用いることが好ましい。
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、前記パッケージ蓋の前記周部において前記赤外線透過部材を接合する面とは反対側に前記パッケージ蓋よりも前記レーザ光に対する吸収率の高い材料からなる光吸収層を形成し、前記接合工程では、前記レーザ光を前記光吸収層へ照射することが好ましい。
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。
実施形態の赤外線センサの製造方法の説明図である。 同上の赤外線センサの概略断面図である。 同上の赤外線センサの他の構成例の概略断面図である。 同上の赤外線センサの他の構成例の概略断面図である。 同上の赤外線センサの他の構成例の概略断面図である。 同上の赤外線センサの製造方法の説明図である。 同上の赤外線センサの製造方法の説明図である。 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。
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、パッケージ本体４とパッケージ蓋５と赤外線透過部材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。
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、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、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は、基材６１の厚み方向の両面における周部に光学フィルタ膜６２，６３が存在してもよい。
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の内部空間を真空雰囲気とする場合には、パッケージ３内の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、パッケージ３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、パッケージ３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。
上述の図２、図３、図４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３、図４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、上述の図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５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。
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や図４や図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、図１（ｂ）に示すように、赤外線透過部材６の周部とパッケージ蓋５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とパッケージ蓋５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１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、例えば、エキシマレーザやＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ（炭酸ガスレーザ）などを用いればよい。
この第１の接合工程では、レーザ光ＬＢをパッケージ蓋５側から照射（赤外線透過部材６とパッケージ蓋５との重なる方向においてパッケージ蓋５における赤外線透過部材６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１の接合工程では、パッケージ蓋５における開口部５ａの周部（つまり、パッケージ蓋５において低融点ガラス７ａと重なっている部分）を局所的に加熱することで低融点ガラス７ａを加熱している。ここで、局所的に加熱するには、レーザ光ＬＢをパッケージ蓋５における開口部５ａの周部の一部の位置に合わせて点状に照射して走査するようにしてもよいが、当該周部の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。いずれにしても、低融点ガラス７ａにレーザ光ＬＢを吸収させることなく低融点ガラス７ａを加熱することができるので、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なく、低融点ガラス７ａを加熱することが可能となる。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。
第１の接合工程の後、所定雰囲気（例えば、ドライ窒素雰囲気、真空雰囲気など）中において、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第２の接合工程を行う。その後、赤外線透過部材６の基材６１とパッケージ蓋５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１（ｃ）に示す構成の赤外線センサを得る。なお、第２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。また、第２の接合工程の接合温度が第２の接合部８の耐熱温度よりも低い場合には、第１の接合工程と第２の接合工程との間に、第３の接合工程を行うようにしてもよい。
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１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、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い。
また、上述の赤外線センサの製造方法において、図６に示すように、パッケージ蓋５として、低融点ガラス７ａと接する部分の厚みを当該部分の周辺部分の厚みに比べて薄くしたものを用いるようにしてもよく、この場合には、低融点ガラス７ａと接する部分の厚みが周辺部分の厚みと同じ場合に比べて、より効率的に低融点ガラス７ａを加熱することが可能となる。
また、第１の接合工程よりも前に、パッケージ蓋５の周部において赤外線透過部材６を接合する面とは反対側にパッケージ蓋５よりもレーザ光ＬＢに対する吸収率の高い材料からなる光吸収層５１（図７参照）を形成し、接合工程において、図７に示すように、レーザ光ＬＢを光吸収層５１へ照射するようにしてもよい。このような光吸収層５１を設けておくことによって、より効率的に低融点ガラス７ａを加熱することが可能となる。
ここにおいて、パッケージ蓋５がコバールにより形成され、Ｎｉめっきされている場合には、光吸収層５１の材料として、ＮｉよりもレーザＬＢに対する吸収率の高い材料を採用すればよい。例えば、レーザ光ＬＢのレーザ光源として、波長が１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ、波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ、波長が３５５ｎｍのＴＨＧ−ＹＡＧレーザなどを用いる場合には、光吸収層５１の材料として、銅や炭素鋼などを採用すればよい。また、レーザ光ＬＢのレーザ光源として、基本波の波長が７５０ｎｍ〜１１００ｎｍにあるフェムト秒レーザ（例えば、Ｔｉ：サファイアレーザなど）、波長が１μｍのＮｄ：ＶＯ４レーザ、波長が１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ、波長が１０．６μｍのＣＯ２レーザなどを用いる場合には、光吸収層５１の材料として、炭素鋼などを採用すればよい。光吸収層５１の材料は、銅や炭素鋼などの金属材料に限らず、誘電体材料などを採用してもよい。また、銅、炭素鋼、ニッケルなどの金属は、レーザ光ＬＢの波長が長くなるにつれて吸収率が低下するので、光吸収層５１の材料として金属を採用する場合、レーザ光源としては、波長の短いものを用いるのが好ましい。
パッケージ蓋５の周部において赤外線透過部材６と対向する側（つまり、第１の接合部７と接する側）とは反対側の表面に、吸収層５１を設ける代わりに、レーザ光ＬＢによりパッケージ蓋５が加熱されやすくなるように、当該表面を粗らしてレーザ光ＬＢに対するパッケージ蓋５の透過率を変化させるようにしてもよい。
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

Claims (3)

  1. 赤外線検出素子と、少なくとも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蓋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蓋における前記開口部の周部との間に介在させた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蓋とを気密的に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パッケージ蓋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。
  2. 前記パッケージ蓋として、前記低融点ガラスと接する部分の厚みを当該部分の周辺部分の厚みに比べて薄くしたものを用い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。
  3. 前記接合工程よりも前に、前記パッケージ蓋の前記周部において前記赤外線透過部材を接合する面とは反対側に前記パッケージ蓋よりも前記レーザ光に対する吸収率の高い材料からなる光吸収層を形成し、前記接合工程では、前記レーザ光を前記光吸収層へ照射することを特徴とする請求項１または請求項２記載の赤外線センサの製造方法。
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