JP2012238666A - 光学センサおよび光学センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化・薄型化および信頼性の向上を図り、光学特性を良好にする。
【解決手段】表面に板厚方向に窪む凹部２１を有する板状のガラス材料からなるガラス部材２０と、光を受光する受光部１２を有し、ガラス部材２０の凹部２１の底面２１Ｂに受光部１２を対面させて実装され、凹部２１の底面２１Ｂを透過して受光部１２により受光した光を光電変換する光電変換素子１１と、ガラス部材２０の表面の凹部２１の外側の領域に形成され、光電変換素子１１よりも板厚方向に張り出す複数の外部電極１５と、ガラス部材２０の凹部２１の内面に沿って形成され、一端が光電変換素子１１に接続され他端が外部電極１５に接続された複数の内部配線１３とを備える光学センサ１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学センサおよびその製造方法に関するものである。

従来、テレビや携帯機器モニタの調光などに用いられ、外部の明るさを検知する光学素子を備える光学センサが知られている（例えば、特許文献１，２参照。）。特許文献１に記載のフォトセンサ（光学センサ）は、半導体チップ（光学素子）をパッケージに収容したり実装用基板上に固定して透明樹脂により覆ったりし、半導体チップと実装用基板上に設けられたリードとをボンディングワイヤにより接続することとしている。

特許文献２に記載の光電変換装置は、ＦＣＢ（フリップチップボンディング）により光電変換素子が実装された光透過性のインターポーザと実装用基板とをはんだバンプにより所定の間隔をあけて対向させて支持し、光電変換素子の電極が接続されたインターポーザの外部端子と実装用基板の電極とをはんだバンプにより電気的に接続することで、光電変換素子をインターポーザを介して実装基板に実装することとしている。

特開２００６−２８４４７４号公報 特開２００５−２５２０４１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のフォトセンサは、ワイヤーボンディングが半導体チップの周囲に広がるため、ワイヤーボンディングの大きさに合わせてパッケージあるいは透明樹脂の外形を大きくする必要があり、小型化・薄型化を図ることが難しいという問題がある。

また、特許文献２に記載の光電変換装置のように、インターポーザと実装用基板とをはんだバンプにより支持した場合、はんだバンプの凝固時の形状によりインターポーザと実装基板の姿勢が不安定になり、インターポーザが傾くと光学特性が劣化する可能性がある。また、はんだバンプの量によっては光電変換素子が実装基板に接触する可能性があるため、信頼性が低下するという問題がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、小型化・薄型化および信頼性の向上を図り、光学特性に優れた光学センサおよびこのような光学センサを簡易に製造することができる製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、表面に板厚方向に窪む凹部を有する板状のガラス材料からなるガラス部材と、光を受光する受光部を有し、前記ガラス部材の前記凹部の底面に前記受光部を対面させて実装され、前記凹部の底面を透過して前記受光部により受光した光を光電変換する光学素子と、前記ガラス部材の表面の前記凹部の外側の領域に形成され、前記光学素子よりも前記板厚方向に張り出す複数の外部電極と、前記ガラス部材の前記凹部の内面に沿って形成され、一端が前記光学素子に接続され他端が前記外部電極に接続された複数の内部配線とを備える光学センサを提供する。

本発明によれば、ガラス部材の凹部の底面を透過した光が光学素子の受光部により受光されて電気信号に光電変換されると、その電気信号が内部配線を介して外部電極へと送られる。外部電極をガラス部材の凹部側の表面に光学素子よりも板厚方向に張り出させて配置することで、実装用基板等にガラス部材を凹部側の面を向けて実装し、外部電極を基板上の電極に接続することにより、光学素子からの電気信号を外部に出力することができる。

この場合において、ガラス部材の凹部内に光学素子を収容することで、全体を小型化・薄型化することができる。また、板状のガラス部材を実装用基板等に直接実装することができ、安定した姿勢を確保し光学特性の向上を図ることができる。さらに、実装用基板等に実装した状態ではガラス部材により光学素子を覆うことができ、光学素子を保護して信頼性を向上することができる。

上記発明においては、前記ガラス部材の凹部の内面が、前記底面に向かって徐々に横断面積が小さくなるように形状を変化させた内壁面を有しており、該内壁面に突き当てられて前記凹部を密閉し、該凹部との間に前記光学素子が収容される密閉空間を形成する板状のカバープレートを備え、該カバープレートが前記外部電極よりも前記板厚方向に引っ込んで配されていることとしてもよい。
このように構成することで、ガラス部材の凹部とカバープレートにより光学素子を保護し、実装用基板等に実装する前の光学センサ単体としての信頼性を向上することができる。

上記発明においては、前記横断面積を段階的に変化させ前記カバープレートが突き当てられる段部を有することとしてもよい。
このように構成することで、段部によりカバープレートを安定した姿勢に維持することができる。

また、前記カバープレートが、表面に板厚方向に窪み前記光学素子を収容可能な凹部を有することとしてもよい。
このように構成することで、カバープレートの凹部により光学素子が収容される分だけ、全体をより薄型化することができる。

また、上記発明においては、前記ガラス部材の凹部に充填され、前記光学素子の少なくとも前記凹部の開口側に配される面を覆う樹脂を備え、該樹脂が前記外部電極よりも前記板厚方向に引っ込んで配されていることとしてもよい。
このように構成することで、ガラス部材の凹部と樹脂により光学素子を保護し、実装用基板等に実装する前の光学センサ単体としての信頼性を向上することができる。

上記発明においては、前記光学素子の受光部と前記ガラス部材の凹部の底面との間に前記樹脂が充填されていない小空間を有することとしてもよい。
このように構成することで、凹部の底面を透過した光を樹脂が充填されていない小空間を介して受光部により受光させることができ、遮光性の材料からなる樹脂を使用しても精度よく光を検出することができる。したがって、遮光性の樹脂を使用し、光が樹脂を透過して受光部により受光されてしまうのを防止しつつ、所望の光を精度よく検出することができる。

本発明は、ガラス材料からなる平板状のガラス部材の表面に板厚方向に窪む凹部を形成する凹部形成工程と、該凹部形成工程により前記凹部が形成された前記ガラス部材の表面に、前記凹部の内面に沿って複数の内部配線を形成する配線形成工程と、該配線形成工程により前記内部配線が形成された前記凹部の底面に受光部を対面させて光電変換素子を実装し、該光電変換素子と前記内部配線の一端とを接続する素子実装工程と、前記配線形成工程により前記内部配線が形成された前記ガラス部材の表面の前記凹部の外側の領域に、前記光電変換素子よりも板厚方向に張り出すように複数の外部電極を形成し、該外部電極と前記内部配線の他端とを接続する電極形成工程とを含む光学センサの製造方法を提供する。

本発明によれば、ガラス部材の凹部に実装された光電変換素子により、凹部の底面を透過した光を光電変換し、その電気信号を内部配線を介して外部電極に送ることができる光学センサが製造される。外部電極をガラス部材の凹部側の表面に光電変換素子よりも張り出させて配置することで、実装用基板等に光学センサを実装して外部電極を基板上の電極に接続すれば、光電変換素子により光電変換した電気信号を内部配線および外部電極を介して外部に出力することができる。

この場合において、素子実装工程によりガラス部材の凹部内に光電変換素子を収容することで、小型化・薄型化を図り信頼性が高い光学センサを製造することができる。また、板状のガラス部材を実装用基板等に直接実装させることができ、安定した姿勢を確保し光学特性に優れた光学センサを製造することができる。

上記発明においては、前記素子実装工程により前記光電変換素子が実装された前記ガラス部材の凹部をカバープレートにより密閉し、凹部との間に前記光電変換素子が収容される密閉空間を形成するカバープレート形成工程を含むこととしてもよい。
このように構成することで、凹部とカバープレートにより光学素子を保護し、実装用基板等に実装する前の単体としても信頼性が高い光学センサを製造することができる。

また、上記発明においては、前記素子実装工程により前記光電変換素子が実装された前記ガラス部材の凹部に樹脂を充填し、該樹脂により前記光電変換素子を覆う樹脂形成工程を含むこととしてもよい。
このように構成することで、凹部と樹脂により光学素子を保護し、実装用基板等に実装する前の単体としても信頼性が高い光学センサを製造することができる。

本発明に係る光学センサによれば、小型化・薄型化および信頼性の向上を図り、光学特性に優れるという効果を奏する。また、本発明に係る光学センサの製造方法によればそのような光学センサを簡易に製造することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る光学センサの縦断面の概略図である。 図１の光学センサを凹部側から板厚方向に見た平面図である。 本発明の一実施形態に係る光学センサの製造方法を示すフローチャートである。 図１の光学センサを回路基板に実装した状態を示す縦断面の概略図である。 本発明の一実施形態の第１変形例に係る光学センサの縦断面の概略図である。 本発明の一実施形態の第２変形例に係る光学センサの縦断面の概略図である。 本発明の一実施形態の第２変形例に係る別の光学センサの縦断面の概略図である。

以下、本発明の一実施形態に係る光学センサおよび光学センサの製造方法について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る光学センサ１は、図１に示すように、光を受光してその強度を検出する光電変換素子（光学素子）１１を備え、外部の明るさを検知することができるようになっている。この光学センサ１は、板状のガラス材料からなるガラス部材２０に光電変換素子１１が受光部１２を対面させて実装されている（ＦＣＢ実装：フリップチップボンディング実装）。

ガラス部材２０は、図２に示すように、方形に形成されており、その表面の中央に板厚方向に窪む凹部２１を有している。これにより、ガラス部材２０は、凹部２１の内側に配される薄肉部２０Ａと、凹部２１の外側に配される厚肉部２０Ｂとにより構成されている。

ガラス部材２０の凹部２１は、その開口部２１Ａおよび底面２１Ｂがともに方形に形成されており、開口部２１Ａから底面２１Ｂに向かって徐々に横断面積を小さくするように傾斜した内壁面２３を有している。内壁面２３の傾斜角度は、例えば、底面２１Ｂに対して１０〜８０°、好ましくは３０〜６０°である。また、凹部２１の内壁面２３には、底面２１Ｂに対して平行な段部２５が設けられている。
なお、本実施形態においては、凹部２１の内壁面２３が底面２１Ｂに対して傾斜していることとしたが、凹部２１の内壁面２３が底面２１Ｂに対して垂直であってもよい。

また、ガラス部材２０には、凹部２１側の表面上に四隅からそれぞれ中央に向かって対角状に配された４つの内部配線１３が形成されている。各内部配線１３は、凹部２１の内面に沿って形成され、一端が凹部２１の底面２１Ｂまで延びて互いに接触しないように間隔をあけて配され、他端が厚肉部２０Ｂの角部周辺まで延びている。内部配線１３としては、例えは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｓｎ等を単独でまたは合金で用いたり、いずれかを積層して用いたりすることができる。

光電変換素子１１は、光を受光する受光部１２を備え、受光部１２により受光した光を光電変換して電気信号を出力することができるようになっている。この光電変換素子１１は、ガラス部材２０の凹部２１の底面２１Ｂよりも小さな方形に形成されている。また、光電変換素子１１は、凹部２１の底面２１Ｂに受光部１２を対面させて取り付けられ、段部２５よりも板厚方向に引っ込むように凹部２１内に収容されている。この光電変換素子１１には、４つの内部配線１３の一端がそれぞれ接続されている。

また、ガラス部材２０には、凹部２１側の表面の四隅にそれぞれ外部電極１５が形成されている。外部電極１５は、厚肉部２０Ｂの角部の表面に露出して配置され、それぞれ内部配線１３の他端が接続されている。外部電極１５としては、例えば、内部配線１３と同様に、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｓｎ等を単独でまたは合金で用いたり、いずれかを積層して用いたりすることができる。

次に、本実施形態に係る光学センサ１の製造方法について、図３のフローチャートを参照して説明する。
本実施形態に係る光学センサ１の製造方法は、所定の厚さのガラス部材２０の表面の中央に凹部２１を形成する凹部形成工程Ｓ１と、凹部形成工程Ｓ１より凹部２１が形成されたガラス部材２０の表面に４つの内部配線１３を形成する配線形成工程Ｓ２と、配線形成工程Ｓ２により内部配線１３が形成されたガラス部材２０の凹部２１の底面２１Ｂに光電変換素子１１を実装し、光電変換素子１１と内部配線１３の一端とを接続する素子実装工程Ｓ３と、配線形成工程Ｓ２により内部配線１３が形成されたガラス部材２０の凹部１１側の表面の四隅にそれぞれ外部電極１５を形成し、外部電極１５と内部配線１３の他端とを接続する電極形成工程Ｓ４とを含んでいる。

凹部形成工程Ｓ１においては、例えば、ガラス部材２０にホットプレス、サンドブラスト、酸エッチング等により凹部２１を形成するようになっている。
配線形成工程Ｓ２においては、例えば、スパッタリング、蒸着、印刷、メッキ等を単独で用いたり複合して用いたりして、凹部２１の内面に沿って内部配線１３を形成するようになっている。

素子実装工程Ｓ３においては、凹部２１の底面２１Ｂに受光部１２を対面させて、はんだやＡｕバンプを用いた超音波接合または熱圧着接合により、凹部２１の底面２１Ｂに光電変換素子１１を取り付けるようになっている（ＦＣＢ工法：フリップチップボンディング工法）。

電極形成工程Ｓ４においては、外部電極１５は、内部配線１３と同様に、例えば、スパッタリング、蒸着、印刷、メッキ等を単独で用いたり複合して用いたりして、ガラス部材２０の厚肉部２０Ｂの表面の四隅にそれぞれ外部電極１５を形成するようになっている。

電極形成工程Ｓ４を素子実装工程Ｓ３後に最後に実施する場合は、外部電極１５として、はんだ付け性に適した材料（例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎなど。）を信頼性を確保できる厚さに形成するようになっている。例えば、配線形成工程Ｓ２において内部配線１３を０．００５〜１μｍの厚さに形成した場合は、外部電極１５を０．０５〜２０μｍの厚さに形成する。

以上の工程により、４つの内部配線１３および外部電極１５を備え、ガラス部材２０の凹部２１内に光電変換素子１１がＦＣＢ実装された光学センサ１が製造される。
なお、本実施形態においては、素子実装工程Ｓ３の後に電極形成工程Ｓ４を実施することとしたが、これに代えて、素子実装工程Ｓ３の前に配線形成工程Ｓ２と同時に電極形成工程Ｓ４を実施し、内部配線１３と同時に外部電極１５を形成することとしてもよい。

次に、このように構成された本実施形態に係る光学センサ１およびその製造方法の作用について説明する。
本実施形態に係る光学センサ１によれば、外部からガラス部材２０の薄肉部２０Ａを透過した光が光電変換素子１１の受光部１２により受光されて電気信号に光電変換されると、その電気信号が内部配線１３を介して外部電極１５へと送られる。

外部電極１５をガラス部材２０の凹部２１側の表面に光電変換素子１１よりも板厚方向に張り出させて配置することで、図４に示すように、はんだ４により回路基板（実装用基板）３にガラス部材２０を凹部２１側の面を向けて実装して外部電極１５を基板電極５に接続することにより、光電変換素子１１からの電気信号を基板電極５を介して外部に出力することができる。これにより、光電変換素子１１により取得されたセンシング情報（電気信号）を基に、液晶画面のバックライト輝度を調整するような電子装置を構成することができる。

この場合において、ガラス部材２０の凹部２１内に光電変換素子１１を収容することで、全体を小型化・薄型化することができる。また、板状のガラス部材２０を回路基板３に直接実装することができ、安定した姿勢を確保し光学特性の向上を図ることができる。さらに、回路基板３に実装した状態ではガラス部材２０により光電変換素子１１を覆うことができ、光電変換素子１１を保護して信頼性を向上することができる。また、本実施形態に係る光学センサの製造方法によれば、このような光学センサ１を簡易に製造することができる。

本実施形態は以下のように変形することができる。
第１変形例としては、例えば、図５に示すように、ガラス部材２０の凹部２１を密閉し、凹部２１との間に光電変換素子１１が収容される密閉空間３３を形成する板状のカバープレート３１を備えることとしてもよい。この場合、凹部２１の段部２５にカバープレート３１を突き当てて固定し、カバープレート３１が外部電極１５よりも板厚方向に引っ込むように配置することとすればよい。

本変形例によれば、ガラス部材２０の凹部２１とカバープレート３１により光電変換素子１１を保護し、回路基板３に実装する前の光学センサ１単体としての信頼性を向上することができる。また、段部２５によりカバープレート３１を安定した姿勢に維持することができる。カバープレート３１の材質としては、例えば、樹脂、ガラス、金属等用いることができる。また、カバープレート３１と凹部２１との接合方法としては、例えば、接着剤による接合、溶着、溶接、はんだを用いた接合、または、陽極接合等が挙げられる。

本変形例においては、光電変換素子１１とカバープレート３１との間に所定の隙間を有し互いに接触しないようにしてもよいし、これらの間に隙間がなく互いに接触するようにしてもよい。また、カバープレート３１が、その表面に板厚方向に窪み光電変換素子１１を部分的に収容可能な凹部（図示略）を有することとしてもよい。このようにすることで、カバープレート３１の凹部により光電変換素子を収容する分だけ、全体をより薄型化することができる。カバープレート３１は、素子実装工程Ｓ３により光電変換素子１１が実装されたガラス部材２０に形成することとすればよい（カバープレート形成工程）。

第２変形例としては、例えば、図６および図７に示すように、ガラス部材２０の凹部２１に樹脂３５を充填し、樹脂３５により光電変換素子１１を覆うこととしてもよい。この場合、樹脂３５が外部電極１５よりも板厚方向に引っ込むように配置することとすればよい。このようにすることで、ガラス部材２０の凹部２１と樹脂３５により光電変換素子１１を保護し、回路基板３に実装する前の光学センサ１単体としての信頼性を向上することができる。樹脂３５の材質は、エポキシ、シリコーン、または、アクリル等を用いることができる。樹脂３５は、素子実装工程Ｓ３により光電変換素子１１が実装されたガラス部材２０の凹部２１内に充填することとすればよい（樹脂形成工程）。

本変形例において、樹脂３５が透明で透過性を有する場合や光学特性を調整する特性（例えば、紫外線を吸収する特性。）を有する場合は、図６に示すように、樹脂３５により光電変換素子１１の全体を覆うこととしてもよい。一方、樹脂３５が有色で光を透過しない特性を有する場合は、図７に示すように、樹脂３５により光電変換素子１１の受光部１２とは反対側の面を覆い、光電変換素子１１の受光部１２とガラス部材２０との間に樹脂３５が充填されていない小空間３７を形成することとすればよい。このようにすることで、凹部２１の底面２１Ｂを透過した光を樹脂３５が充填されていない小空間３７を介して受光部１２により受光させることができ、遮光性の材料からなる樹脂３５を使用しても精度よく光を検出することができる。これにより、光が樹脂３５を透過して受光部１２により受光されてしまうのを防止しつつ、所望の光を精度よく検出することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本実施形態においては、外部電極１５をガラス部材２０の四隅に配置することとしたが、外部電極１５は光電変換素子１１やカバープレート３１または樹脂３５よりも板厚方向に張り出すように配置して内部配線１３の他端を接続すればよく、ガラス部材２０の表面における凹部２１の開口の外側の領域のいずれかの位置に配置することとすればよい。また、本実施形態においては、４つの内部配線１３および外部電極１５を備えることとしたが、それぞれ複数であればよく、４つより少なくてもよいし多くてもよい。また、ガラス部材２０の凹部２１の内壁面２３に段部２５を設けることとしたが、段部２５はなくてもよい。

また、本実施形態においては、個々の光学センサ１ごとに製造することとしたが、例えば、ガラス部材２０が複数形成された大判のガラス板を用い、上記工程ごとに一括して全てのガラス部材２０の領域を加工することとしてもよい。この場合、電極形成工程Ｓ４により外部電極１５が形成されたガラス板を個々のガラス部材２０の領域ごとに切断するダイシング工程を含むこととすればよい。

１ 光学センサ
１１ 光電変換素子（光学素子）
１２ 受光部
１３ 内部配線
１５ 外部電極
２０ ガラス部材
２１ 凹部
２３ 内壁面
２５ 段部
３１ カバープレート
３３ 密閉空間
３５ 樹脂
Ｓ１ 凹部形成工程
Ｓ２ 配線形成工程
Ｓ３ 素子実装工程
Ｓ４ 電極形成工程

Claims (9)

1. 表面に板厚方向に窪む凹部を有する板状のガラス材料からなるガラス部材と、
   光を受光する受光部を有し、前記ガラス部材の前記凹部の底面に前記受光部を対面させて実装され、前記凹部の底面を透過して前記受光部により受光した光を光電変換する光学素子と、
   前記ガラス部材の表面の前記凹部の外側の領域に形成され、前記光学素子よりも前記板厚方向に張り出す複数の外部電極と、
   前記ガラス部材の前記凹部の内面に沿って形成され、一端が前記光学素子に接続され他端が前記外部電極に接続された複数の内部配線とを備える光学センサ。
2. 前記ガラス部材の凹部の内面が、前記底面に向かって徐々に横断面積が小さくなるように形状を変化させた内壁面を有しており、
   該内壁面に突き当てられて前記凹部を密閉し、該凹部との間に前記光学素子が収容される密閉空間を形成する板状のカバープレートを備え、
   該カバープレートが前記外部電極よりも前記板厚方向に引っ込んで配されている請求項１に記載の光学センサ。
3. 前記凹部の内壁面が、前記横断面積を段階的に変化させ前記カバープレートが突き当てられる段部を有する請求項２に記載の光学センサ。
4. 前記カバープレートが、表面に板厚方向に窪み前記光学素子を収容可能な凹部を有する請求項２に記載の光学センサ。
5. 前記ガラス部材の凹部に充填され、前記光学素子の少なくとも前記凹部の開口側に配される面を覆う樹脂を備え、
   該樹脂が前記外部電極よりも前記板厚方向に引っ込んで配されている請求項１に記載の光学センサ。
6. 前記光学素子の受光部と前記ガラス部材の凹部の底面との間に前記樹脂が充填されていない小空間を有する請求項５に記載の光学センサ。
7. ガラス材料からなる平板状のガラス部材の表面に板厚方向に窪む凹部を形成する凹部形成工程と、
   該凹部形成工程により前記凹部が形成された前記ガラス部材の表面に、前記凹部の内面に沿って複数の内部配線を形成する配線形成工程と、
   該配線形成工程により前記内部配線が形成された前記凹部の底面に受光部を対面させて光電変換素子を実装し、該光電変換素子と前記内部配線の一端とを接続する素子実装工程と、
   前記配線形成工程により前記内部配線が形成された前記ガラス部材の表面の前記凹部の外側の領域に、前記光電変換素子よりも板厚方向に張り出すように複数の外部電極を形成し、該外部電極と前記内部配線の他端とを接続する電極形成工程とを含む光学センサの製造方法。
8. 前記素子実装工程により前記光電変換素子が実装された前記ガラス部材の凹部をカバープレートにより密閉し、凹部との間に前記光電変換素子が収容される密閉空間を形成するカバープレート形成工程を含む請求項７に記載の光学センサの製造方法。
9. 前記素子実装工程により前記光電変換素子が実装された前記ガラス部材の凹部に樹脂を充填し、該樹脂により前記光電変換素子を覆う樹脂形成工程を含む請求項７に記載の光学センサの製造方法。

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