JP2013224886A

JP2013224886A - 光学部材、センサ素子収納用容器およびセンサ装置

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Publication number: JP2013224886A
Application number: JP2012097815A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Okura; 貴博大蔵; Kenji Suetsugu; 健児末次
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-04-23
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2013-10-31

Abstract

【課題】感度を向上させたセンサ装置とそのセンサ用光学部材、センサ素子収納用容器を提供する。
【解決手段】光学部材４は、平面視において中央領域と中央領域を囲む周辺領域とを含んでおり少なくとも中央領域において透光性を有する基体１と、基体１の周辺領域に設けられた金属層２と、基体１の中央領域に設けられた光学膜３とを含んでいる。光学膜３は、金属層２よりも厚いものである。センサ素子収納用容器は、上記光学部材４と、光学部材４の接合領域を有しているセンサ素子収納用パッケージとを含んでいる。センサ装置は、上記センサ素子収納用容器と、センサ素子収納用容器内に収容されており平面視において光学部材４の光学膜３に重なる位置に設けられたセンサ素子とを含んでいる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば赤外線センサに用いられる光学部材、センサ素子収納用容器およびセンサ装置に関するものである。

センサ装置は、受光した光線量に応じて変化する抵抗値等に基づいて電気信号を出力する。例えば赤外線センサ装置は、受光した赤外線量に応じて電気信号を出力する。したがって、センサ装置の感度を向上させるためには、センサ装置における受光量を増大させる必要があり、センサ装置の中には、受光部に設けられる光学部材に光学膜を有するものがある。光学膜の例は、光反射防止膜である。光反射防止膜は、例えばＤＬＣ（Diamond like Carbon）によって実現される。

特開2009−288138号公報

近年、センサ装置において、感度のさらなる向上が求められている。センサ装置における感度は、例えば、センサ装置の製造工程におけるセンサ素子の受光領域の汚れを低減させることによって向上される。

本発明の一つの態様によれば、光学部材は、平面視において中央領域と中央領域を囲む周辺領域とを含んでおり少なくとも中央領域において透光性を有する基体と、基体の主面上に設けられた金属層および光学膜とを含んでいる。金属層は、基体の周辺領域に配置されており、光学膜は、基体の中央領域に配置されている。光学膜は、金属層よりも厚いものである。

本発明の他の態様によれば、センサ素子収納用容器は、上記構成の光学部材と、光学部材の接合領域を有しているセンサ素子収納用パッケージとを含んでいる。

本発明の他の態様によれば、センサ装置は、上記構成のセンサ素子収納用容器と、センサ素子収納用容器のセンサ素子収納用パッケージ内に収容されており平面視において光学部材の光学膜に重なる位置に設けられたセンサ素子とを含んでいる。

本発明の一つの態様において、光学部材が基体の周辺領域に配置された金属層と基体の中央領域に配置された光学膜とを含んでおり、光学膜が金属層よりも厚いことによって、光学部材がセンサ装置用のパッケージに接合される際に、例えば半田に含まれているフラックスが弾けて、そのフラックスまたは半田がセンサ素子の受光領域へ飛び散る可能性が低減されている。したがって、本発明の一つの態様においては、センサ装置の製造工程におけるセンサ素子の受光領域の汚れを低減させることができ、センサ装置の感度を向上させることができる。

本発明の他の態様において、センサ素子収納用容器が上記構成の光学部材を含んでいることによって、感度の向上されたセンサ装置を実現することが可能となる。

本発明の他の態様において、センサ装置が上記構成のセンサ素子収納用容器を含んでいることによって、センサ装置の感度が向上されている。

（ａ）は本発明の実施形態におけるセンサ装置を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示されたセンサ装置において光学部材が取り除かれた状態を示す平面図であり、（ｃ）は（ａ）に示されたセンサ装置のＡ−Ａ線における縦断面図である。図１（ｃ）に示されたセンサ装置において符号Ｂによって示された部分の拡大図である。図２に示されたセンサ装置の他の構造例を示す部分縦断面図である。図１に示されたセンサ装置の光学部材の製造方法を示す図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。

図１に示されているように、本実施形態におけるセンサ装置は、センサ素子収納用パッケージ11を含むセンサ素子収納用容器と、センサ素子収納用パッケージ11に収容されたセンサ素子12とを含んでいる。

なお、センサ素子12は、センサ素子収納用パッケージ11のキャビティの底面に実装されている。センサ装置において、センサ素子収納用パッケージ11のシールリングメタライズ８と光学部材４の金属層２とは、半田６によって接合されている。

センサ素子収納用パッケージ11は、基体７と、基体７のキャビティ内の複数の内部端子層９と、基体７の表面（具体的には、下面および側面）に設けられた複数の外部端子層10と、複数の内部端子層９およびと複数の外部端子層10とを電気的に接続する配線層とを含んでいる。

センサ素子収納用パッケージ11は、シールメタライズ層８をさらに含んでいる。センサ素子収納用パッケージ11のキャビティ内にセンサ素子12を実装し、ボンディングワイヤ13でセンサ素子12の端子とセンサ素子収納用パッケージ11の内部端子層９を電気的に接続し、半田６によって光学部材４とセンサ素子収納用パッケージ11を接合することで、センサ装置が実現されている。

光学部材４は、基体１と、基体１の周辺領域に設けられた金属層２と、基体１の中央領域に設けられた光学膜３とを含んでいる。金属層２および光学膜３は、基体１の下面に設けられている。光学膜３は、例えばＤＬＣ（Diamond like Carbon）膜から成る反射防止
膜である。以下、光学膜３をＤＬＣ膜３として説明することもある。

なお、図1（ａ）に示された光学部材４において、金属層２の外縁、内縁およびＤＬＣ
膜３の縁は、基体１および反射防止膜５を透視した状態で破線によって示されている。光学部材４は、センサ装置の平面透視において、中央領域および周辺領域を有している。中央領域は、ＤＬＣ膜３に重なる領域であり、図１（ａ）においてＤＬＣ膜３の縁を示す破線の内側の領域である。周辺領域は、中央領域を囲んでおり、図１（ａ）においてＤＬＣ膜３の縁を示す破線の外側の領域である。

基体１は、平面視において少なくとも中央領域において透光性を有しているとともに、導電性を有している。基体１は、例えばシリコン（Ｓｉ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）から成る。

基体１の“透光性”とは、センサ対象に応じて必要とされる波長範囲の光が透過できることをいい、例えば、センサ装置が生体認識用の赤外線センサであれば８μｍから14μｍまでの波長範囲に含まれる赤外光が透過できることをいう。

図２に示されているように、光学部材４において、基体１の下面の中央領域に形成されたＤＬＣ膜３は、基体１の仮面の周辺領域に形成された金属層２よりも高いものである。ここで、金属層２の高さおよびＤＬＣ膜３の高さとは、基体１の下面から金属層２およびＤＬＣ膜３の下面までの距離のことをいう。

なお、光学部材４は、基体１の上面に設けられた光学膜５をさらに含んでいる。光学膜５は、例えばＤＬＣ膜から成り、例えば反射防止膜である。以下、光学膜５をＤＬＣ膜５として説明することもある。ＤＬＣ膜５は、基体１の上面において全体的に設けられていると、光の透過率がより高まるので好ましい。

ＤＬＣ膜３およびＤＬＣ膜５は、例えばホロカソードＰＶＤまたはＲＦプラズマＣＶＤ等によって形成されている。ＤＬＣ膜５は、センサ装置の外部から基体１に入射しようとする光の反射を低減させる機能を有しており、ＤＬＣ膜３は、基体１からセンサ装置の内部へ入射しようとする光の反射を低減させる機能を有している。ＤＬＣ膜３およびＤＬＣ膜５は、光学部材４における光の透過率を向上させる機能を有している。

金属層２は、ＤＬＣ膜３の外側であり光学部材４の下面における周辺領域に設けられている。図２において、金属層２は、半田６によってセンサ素子収納用パッケージ11のシールリングメタライズ８に接合されている。センサ素子収納用パッケージ11のシールリングメタライズ８とセンサ素子12の接地端子が例えば電気的に接続されていることによって、センサ素子12、センサ素子収納用パッケージ11および光学部材４が電気的に接続された状態になるため、センサ装置においてノイズの低減が図られている。金属層２は、例えば、蒸着、スパッタまたはめっき法によって形成されている。

基体７が例えばセラミック材料から成る場合、その例は、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体等である。基体7の上下
面または基体７内部に信号線路導体を含む配線導体が形成されている。基体７が例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、まずアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、カルシア（ＣａＯ）およびマグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤，溶媒を添加混合して泥漿状とし、これを周知のドクターブレード法またはカレンダーロール法等によりシート状に成形してセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を得る。その後、グリーンシートを所定形状に打ち抜き加工するとともに必要に応じて配線層やビア導体となるメタライズペーストを印刷や埋め込みで形成し、複数枚積層し、これを約1600℃の温度で焼成することにより製作される。基体７が酸化アルミニウム質焼結体からなる場合は、機械強度が高いために基体に反りが発生し難く、また適度な熱伝導率を持っているので、センサ12素子から発生する熱を外部に放散し易い物となり、機械強度と熱伝導率、またコストも手ごろな物となり、好ましい。

センサ素子２は、センサ素子収納用パッケージ11の凹部の底面に搭載されており、光学部材４によって覆われている。センサ素子12は、例えば、熱起電力を動作原理とするサーモパイル、焦電効果を動作原理とするパイロまたは電気抵抗の温度変化を動作原理とするボロメータ等である。

図３を参照して、光学部材４の構造の他の例について説明する。図２に示された光学部材４の構造と異なる構成は、ＤＬＣ膜３と金属層２とが接触していることである。

光学部材４において、ＤＬＣ膜３が金属層２に接していることによって、光学部材がセンサ装置用のパッケージに接合される際に、例えば半田に含まれているフラックスが弾けて、そのフラックスまたは半田がセンサ素子12の方向へ飛び散らないようになっている。したがって、センサ装置の製造工程におけるセンサ素子12の受光領域の汚れを低減させることができ、センサ装置の感度を向上させることができる。

また、光学部材４において、ＤＬＣ膜３が金属層２に接していることによって、半田が設けられる空間が規定されて、半田の厚みを制御しやすくなり、十分な厚みの半田を形成することができる。したがって、半田における応力緩和が働きやすくなり、温度サイクルにおける気密の信頼性がより向上される。

また、光学部材４において、ＤＬＣ膜３が金属層２に接していることによって、半田が設けられる空間が規定されて、半田の厚みを制御しやすくなり、接合される光学部材４の高さ位置の精度が向上される。したがって、光学部材４とセンサ素子12との距離の精度が向上される。

以下、本実施形態におけるセンサ素子収納用パッケージ１の製造方法について説明する。

図４を参照して光学部材４の製造方法について説明する。母基体101にフォトリソグラ
フィ法および蒸着等によって金属層102を形成する。金属層102は、例えば、母基体101の
上面において母基体101側から順に配置された密着金属層、拡散防止層および主金属層を
含んでいる。

密着金属層は、母基体101との密着性の点で、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、タン
タル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）およびニクロム合金（Ｎｉ−Ｃｒ）等のうち少なくとも１種から成ることが好ましい。密着金属層の厚さは、0.01〜0.2μｍ程度が好ましい。厚さ
が0.01μｍ以上であることによって、母基体101との密着強度が向上され、暑さが0.2μｍ以下であることによって、成膜時の内部応力による剥離の可能性が低減される。

拡散防止層は、密着金属層と主導体層との相互拡散を防ぐうえで、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金およびチタン−タングステン（Ｔｉ−Ｗ）合金等のうち少なくとも１種から成ることが好ましい。拡散防止層の厚さは、0.05〜１μｍ程度が好ましい。厚さが0.05μｍ以上であることによって、ピンホール等の欠陥が発生する可能性が低減され、拡散防止層としての機能が向上される。厚さが１μｍ以下であることによって、成膜時の内部応力による剥離の可能性が低減される。

金属材料がニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金である場合、密着性および拡散防止の両方の機能を有するため、密着金属層および拡散防止層を兼用することができ、製造工程を短縮することができる。

主金属層は、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）または銀（Ａｇ）等から成ることが好ましい。主導体層の厚さは、0.05〜５μｍ程度が好ましい。厚さが0.05μｍ以上であることによって、金属層133上に形成されるろう材15との濡れ性が向上され、厚さが
５μｍ以下であることによって、成膜時の内部応力による剥離の可能性が低減される。

金属層102は、例えば蒸着、スパッタまたはめっきによって形成される。

母基体101に金属層102を形成した後にＤＬＣ膜103を形成する。ＤＬＣ膜103は、例えばＤＬＣ膜103が金属層102と重ならないように形成されたマスクを用いてホロカソードＰＶＤまたはＲＦプラズマＣＶＤ等によって形成される。ＤＬＣ膜103のうち金属層102に重なった部分は、ＤＬＣ膜103および金属層102の密着性が比較的弱いことによって、後述する母基体101の分割の前または後に、比較的簡単に取り除くことができる。

次に母基体101を分割する。母基体101は、例えばブレードによって金属層102の間をダ
イシングすることで複数の光学部材４に分割される。

本実施形態の光学部材４は、平面視において中央領域と中央領域を囲む周辺領域とを含んでおり、少なくとも中央領域において透光性を有する基体１と、基体１の周辺領域に設けられた金属層２と、基体１の中央領域に設けられたＤＬＣ膜３とを含んでおり、ＤＬＣ膜３が金属層２よりも高いことによって、光学部材４がセンサ装置用のパッケージに接合される際に、溶融された半田６に含まれたボイドが弾けて、半田６がセンサ素子12の方向へ飛び散る可能性が低減されている。

金属層２の高さは０．５〜１．３μｍ程度で、ＤＬＣ膜３の高さは１．０〜１．８μｍ程度である。金属層２の高さよりＤＬＣ膜３の高さが０．５μｍ程度高いと半田６が内側に飛び散る可能性が低くなるので好ましい。

また、図３に示されているように、本実施形態の光学部材４において、ＤＬＣ膜３が、金属層２に接していることによって、半田が設けられる空間が規定されるため、半田高さを制御しやすくなるので、半田に含まれたボイドが内側により弾け難くなると共に、半田が薄くなりすぎることを防ぐことが出来るようになるので、半田による応力緩和が働き半田接合部の温度サイクル気密信頼性がより安定するようになる。

金属層102の表面層が金層であると、金属層102を形成した後に全面にＤＬＣ膜103を形
成しても、金層とＤＬＣ膜の密着性が低いために後から金層上のＤＬＣ膜は容易に剥離することができるので、金属層102とＤＬＣ膜103を接触させることが出来るようになる。

本実施形態における光学部材４の製造方法は、母基体101に最表面を金層とした金属層102を形成する工程の後にＤＬＣ膜103を形成する工程と、金属層102の中間で母基体101を
分割する工程とを含んでいることによって、容易に金属層２とＤＬＣ膜３を接触させて光学部材４を得ることができるようになるので、ＤＬＣ膜４の有効エリアを広げることができるようになるため、センサ装置が小型化できるようになる。

なお、上述の実施形態においては、基体１の上面および下面に反射防止膜である光学膜が設けられた構造について説明したが、本実施形態における工夫は、光学膜が金属層２が設けられている基体１の下面にのみ設けられている構造においても適用可能であり、また光学膜が所定の波長を遮断するフィルタ膜である構造においても適用可能である。

１基体
２金属層
３光学膜（ＤＬＣ膜）
４光学部材
５光学膜（ＤＬＣ膜）
６半田
７基体
８シールリングメタライズ
９内部端子
10 外部端子
11 センサ素子収納用パッケージ
12 センサ素子
13 ボンディングワイヤ

Claims

平面視において中央領域と該中央領域を囲む周辺領域とを含んでおり、少なくとも前記中央領域において透光性を有する基体と、
該基体の主面上に設けられており、前記周辺領域に配置された金属層と、
該金属層が設けられた前記主面上に設けられており、前記基体の前記中央領域に配置された光学膜とを備えており、
該光学膜が前記金属層よりも厚いことを特徴とする光学部材。
前記光学膜が、前記金属層に接していることを特徴とする請求項１に記載の光学部材。
請求項１に記載の光学部材と、
該光学部材の接合領域を有しているセンサ素子収納用パッケージとを備えているセンサ素子収納用容器。
請求項３に記載のセンサ素子収納用容器と、
該センサ素子収納用容器の前記センサ素子収納用パッケージ内に収容されており、平面視において前記光学部材の前記光学膜に重なる位置に設けられたセンサ素子とを備えていることを特徴とするセンサ装置。