JP2020129629A - 光センサ装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】気密性が高く、高い信頼性を有する光センサ装置を提供する。【解決手段】光半導体素子４を基部３の凹部３ｂに固定し、光半導体素子４のパッド部と基部３のリード部６とを電気的に接続する。基部３の外側領域の突出部３ａの上面には切込み部１３を有するメタライズ層９、接合層１０、切込み部１２を有するメタライズ層８、そして、リッド部２が設けられている。メタライズ層８，９と接合層１０を用いることでリッド部と基部３とを気密に接合することができる。【選択図】図１
Description
本発明は、光センサ装置およびその製造方法に関する。
紫外線は太陽光線中に含まれるもの、エキシマランプやＬＥＤなどの紫外線発光源から放出されるものなどがあり、その人体への影響を心配されている。一方で、樹脂硬化や照明用励起光源として用いるなど、産業機器用途を始めとした利用が増加しており、注目する波長帯でもある。太陽光や発光源から放出される紫外線は、比較的安価で信頼性の高い半導体素子と組立プロセスを用いた紫外線センサ活用することにより、波長や出力などの特性を容易に検出することができる。
特許文献１には、金属製の円筒状キャップに石英ガラスまたはサファイアからなる窓部材を取り付け、筐体部分の内部にセンサチップを搭載して気密封止したパッケージによる紫外線センサが記載されている。しかしながら、この紫外線センサでは、センサチップの直上方向から入射する光は検知できるものの、その受光角度は狭く、限られた範囲の光検出に留まり易く受光範囲が狭いという問題がある。特許文献２には、入射する光を妨げる金属製の円筒状キャップを廃止し、透明蓋体をセンサチップへ近づける構造を採用することにより、入射光の広角での受光が可能となる光半導体装置が記載されている。
しかしながら、特許文献２に記載の発明においては、光半導体素子を収納した封止体と透明蓋体とをエポキシ系接着剤で接着する構成であるため、長時間の紫外線照射によって接着剤が劣化して封止体と透明蓋体が剥がれ、信頼性が損なわれてしまう。
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、気密性の高い中空パッケージに収納された信頼性の高い光センサ装置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、本発明では以下の手段を用いた。
光半導体素子が載置された基部と、
前記基部と重ねて設けられ前記光半導体素子を中空部に封止するリッド部と、
前記リッド部の前記基部と対向する面に設けられた第１メタライズ層と、
前記基部の前記リッド部と対向する面に設けられた第２メタライズ層と、
前記第１メタライズ層と前記第２メタライズ層とを接合する接合層と、を備え、
前記第１メタライズ層には、複数の第１切込み部が設けられていることを特徴とする光センサ装置とした。
光半導体素子が載置された基部と、
前記基部と重ねて設けられ前記光半導体素子を中空部に封止するリッド部と、
前記リッド部の前記基部と対向する面に設けられた第１メタライズ層と、
前記基部の前記リッド部と対向する面に設けられた第２メタライズ層と、
前記第１メタライズ層と前記第２メタライズ層とを接合する接合層と、を備え、
前記第１メタライズ層には、複数の第１切込み部が設けられていることを特徴とする光センサ装置とした。
また、基部および前記基部と重ねて設けられ光半導体素子を中空部に封止するリッド部とを準備する工程と、
前記リッド部の前記基部と対向する面に、第１メタライズ層を設ける工程と、
前記基部の前記リッド部と対向する面に、第２メタライズ層を設ける工程と、
前記基部に前記光半導体素子を載置する工程と、
前記第１メタライズ層上に接合材を塗布する工程と、
前記塗布された接合材を仮焼成する工程と、
前記リッド部と前記基部を、前記第１メタライズ層と前記第２メタライズ層と前記仮焼成した接合材とを介して重ね合わせる工程と、
前記仮焼成する工程よりも高温で加重しながら本焼成し、前記リッド部と前記基部を接合する工程と、
を備えることを特徴とする光センサ装置の製造方法を用いた。
前記リッド部の前記基部と対向する面に、第１メタライズ層を設ける工程と、
前記基部の前記リッド部と対向する面に、第２メタライズ層を設ける工程と、
前記基部に前記光半導体素子を載置する工程と、
前記第１メタライズ層上に接合材を塗布する工程と、
前記塗布された接合材を仮焼成する工程と、
前記リッド部と前記基部を、前記第１メタライズ層と前記第２メタライズ層と前記仮焼成した接合材とを介して重ね合わせる工程と、
前記仮焼成する工程よりも高温で加重しながら本焼成し、前記リッド部と前記基部を接合する工程と、
を備えることを特徴とする光センサ装置の製造方法を用いた。
上記手段を用いることで、気密性の高い中空パッケージに収納された信頼性の高い光センサ装置を提供することができる。
本発明における実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本発明は下記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは言うまでもない。
図１は本発明の第１実施形態にかかる光センサ装置の断面図である。光半導体素子４を基部３の凹部３ｂの底部にダイボンド層１５を介して固定し、光半導体素子４の表面のパッド部と基部３の表面に設けられたリード部６とをワイヤ５を介して電気的に接続している。また、基部３の外側領域の全周囲は上方に突き出した形状の突出部３ａとなっている。突出部３ａの上面にはメタライズ層９、メタライズ層９の上面には接合層１０、接合層１０の上面にはメタライズ層８、そして、メタライズ層８の上面にはリッド部２が設けられている。紫外線によって劣化しない、金属製のメタライズ層８，９と接合層１０とを用いることでリッド部２と基部３とを気密に接合することができる。そして、その内部、すなわち、光半導体素子４が収納されている領域は中空部７となっている。
次に、光センサ装置１の各部の材質について説明する。リッド部２は石英ガラスやホウケイ酸ガラスやサファイアなどの透明の板材からなり、波長が２００ｎｍ以下の紫外線を高率で透過可能とするものである。基部３はアルミナやチッカアルミなどのセラミックであって、熱伝導率の良好な材質である。メタライズ層８、９はＮｉ膜とＡｕ膜の積層膜であってリッド部２や基部３の突出部３ａとＮｉ膜が接し、Ａｕ膜が接合層１０と接する構成である。接合層１０はハンダまたは金錫などであって、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＡｇ、ＳｎＣｕ、ＳｎＮｉ、ＡｕＳｎ等が利用できる。以上のように、リッド部２と基部３とメタライズ層８、９と接合層１０には紫外線によって劣化しない材料を用いている。しかしながら、この構成ではリッド部２とメタライズ層８との接合部が最も弱く、ここに応力がかかりやすく、この部分で剥離するという不具合が発生し易いという知見を出願人らの研究によって得られた。
そこで、本発明では、図２および図３に示す工夫を行った。図２は本発明の第１実施形態にかかる光センサ装置のリッド部の平面図および断面図である。リッド部２の全周囲には幅ｄ１のメタライズ層８が設けられており、内周縁８ａと外周縁８ｂの間の領域にメタライズ層８が形成されている。外周縁８ｂはリッド部２の端部よりも内側に位置している。そして、内周縁８ａから外側に向かって楔形状の切込み部１２ａが形成され、外周縁８ｂから内側に向かって楔形状の切込み部１２ｂが形成されている。切込み部１２ａと切込み部１２ｂはメタライズ層８の幅方向の中心に対して対称の位置にあって互いに向かい合って形成され、それぞれの先端は向かい合いつつ、先端間距離ｄ５を保って離間する構成となっている。ここで、切込み部１２ａと１２ｂの長さの和が幅ｄ１の１／１０以上であれば良い。メタライズ層８は直線部８ｃと曲線部８ｄから成るが、切込み部１２ａ，１２ｂを曲線部８ｄには形成せず、直線部８ｃのみにメタライズ層８の長さ方向に等間隔ｄ３で形成している。また、図示していないが、メタライズ層上に接合層１０を設けた場合、接合層１０はメタライズ層８上に濡れ拡がるため、平面視的に接合層１０とメタライズ層８とほぼ同一形状となる。
切込み部１２ａ，１２ｂが無い場合、メタライズ層８の一箇所に大きな応力が集中してその部分でリッド部２とメタライズ層８が剥離するという不具合が発生する可能性があるが、切込み部１２ａ，１２ｂを形成することでリッド部２と基部３の接合に起因する応力が切込み部１２ａ，１２ｂで区切られた領域に分散され、一箇所に集中することがなくなる。それにより、リッド部２とメタライズ層８が剥離するという不具合を防止することができる。
図２では楔形状の切込み部１２ａ，１２ｂを図示しているが、楔形状に代えて、円弧形状や矩形形状の切込み部１２ａ，１２ｂであっても良い。さらに、メタライズ層８は、その幅方向において分断されなければ良く、切込み部１２ａ，１２ｂの先端どうしの間にメタライズ層８の無い空隙領域を追加形成しても良い。
以上では、メタライズ層８の内周縁８ａに設けた切込み部１２ａと外周縁８ｂに設けた切込み部１２ｂが互いに向かい合った例について説明したが、メタライズ層８の幅が部分的に減じることで応力の分散が可能となることから、切込み部１２ａと切込み部１２ｂが千鳥状にずれて配置される構成でも構わない。また、メタライズ層８の内周縁８ａまたは外周縁８ｂの一方のみに切込み部を設ける構成でも良い。切込み部が向かい合っていない場合、一つの切込み部がメタライズ層８の幅の１／１０以上の長さを有していれば良い。
図３は本発明の第１実施形態にかかる光センサ装置の基部の平面図および断面図である。基部３の全周囲にはメタライズ層９が設けられており、内周縁９ａと外周縁９ｂの間の領域にメタライズ層９が形成されている。外周縁９ｂは基部３の端部よりも内側に位置している。そして、内周縁９ａから外側に向かって楔状の切込み部１３ａが形成され、外周縁９ｂから内側に向かって楔状の切込み部１３ｂが形成されている。切込み部１３ａと切込み部１３ｂはメタライズ層９の幅方向の中心に対して対称の位置にあって互いに向かい合って形成され、それぞれの先端は向かい合いつつ、先端間距離ｄ６を保って離間する構成となっている。ここで、切込み部１３ａと１３ｂの長さの和が幅ｄ１の１／１０以上であれば良い。
メタライズ層９は直線部９ｃと曲線部９ｄから成るが、切込み部１３ａ，１３ｂは曲線部９ｄには形成せず、直線部９ｃのみに、幅ｄ２のメタライズ層９を長さ方向に等間隔ｄ４で形成する。リッド部２とメタライズ層８との接合に比べ、基部３とメタライズ層９との接合は良好であるが、切込み部１３ａ、１３ｂを形成することでリッド部２と基部３との接合に起因する応力が切込み部１３ａ，１３ｂで区切られた領域に分散され、基部３とメタライズ層９との接合性を向上することができる。そして、基部３とリッド部２が接合されたときに、基部３のメタライズ層９に形成された切込み部１３ａ，１３ｂとリッド部２のメタライズ層８に形成された切込み部１２ａ，１２ｂが重畳していることが望ましく、このような構成とすることでリッド部２とメタライズ層８との剥離防止に効果がある。
図３では楔形状の切込み部１３ａ，１３ｂを図示しているが、楔形状に代えて、円弧形状や矩形形状の切込み部１３ａ，１３ｂであっても良い。さらに、メタライズ層９は、その幅方向において分断されなければ良く、切込み部１３ａ，１３ｂの先端どうしの間にメタライズ層９の無い空隙領域を追加形成しても良い。
以上では、メタライズ層９の内周縁９ａに設けた切込み部１３ａと外周縁９ｂに設けた切込み部１３ｂが互いに向かい合った例について説明したが、メタライズ層９の幅が部分的に減じることで応力の分散が可能となることから、切込み部１３ａと切込み部１３ｂが千鳥状にずれて配置される構成でも構わない。また、メタライズ層９の内周縁９ａまたは外周縁９ｂの一方のみに切込み部を設ける構成でも良い。切込み部が向かい合っていない場合、一つの切込み部がメタライズ層９の幅の１／１０以上の長さを有していれば良い。
図４乃至図１０は本発明の第１実施形態にかかる光センサ装置の製造工程を示す図である。
まず、図４に示すように、アルミナやチッカアルミなどのセラミック材料からなり、その上部中心付近に凹部３ｂを有する基部３を用意する。また、石英ガラスやホウケイ酸ガラスやサファイアなどの透明基板からなるリッド部２を用意する。リッド部２は表裏面ともに平滑な平板である。（ステップ１）
次に、図５に示すように、リッド部２の一方の主面にＮｉ膜とＡｕ膜を順に積層したメタライズ層８を形成する。メタライズ層８はその内周縁８ａに切込み部１２ａ、外周縁８ｂに切込み部１２ｂを有し、リッド部２の外側領域を取り囲むように形成されるが、その形成方法としてはメタルマスクを用いて成膜と同時にパターン形成する方法やレジストマスクを用いて成膜後にパターン形成する方法やリフトオフ法などを適宜選択できる。ステップ１において、個片化したリッド部２を用意したのではなく、ウェハ状のリッド部２を用意したのであればメタライズ層８を形成後、所望のパッケージサイズへカット加工をして個片化する。ちなみに、メタライズ層８が形成された主面が後に基部３と対向する面となる。（ステップ２）
次に、図６に示すように、基部３の外側領域に設けた突出部３ａの表面にＮｉ膜とＡｕ膜を順に積層し、メタライズ層９を形成する。メタライズ層９はその内周縁９ａに切込み部１３ａ、外周縁９ｂに切込み部１３ｂを有する。その形成方法としてはメタルマスクを用いて成膜と同時にパターン形成する方法や成膜後にレジストマスクを用いてパターン形成する方法やリフトオフ法などを適宜選択できる。ちなみに、メタライズ層９が形成された突出部３ａが後にリッド部２と対向する面となる。（ステップ３）
次に、図７に示すように、基部３の凹部３ｂの底部に銀ペーストや絶縁ペースなどのダイボンド層１５を介して光半導体素子４を載置し、光半導体素子４の表面に設けられたパッド部と基部３の表面に設けられたリード部６とをワイヤ５を介して電気的に接続する。（ステップ４）
次に、図８（ａ）に示すように、リッド部２のメタライズ層８の上にディスペンサ１４を用いてハンダまたは金錫などを含有するペースト状の接合材１１を打点塗布する。このとき、図８（ｂ）に示すように、隣接する接合材１１どうしは離間して等間隔に打点塗布され、個々の接合材１１は平面視的にほぼ円形に形成される。また、打点塗布された接合材１１の直径ｄ０はメタライズ層８の幅ｄ１よりも小さく、メタライズ層８の幅方向における切込み部１２ａ，１２ｂの先端間距離ｄ５よりも小さいことが望ましい。（ステップ５）
次に、図９に示すように、打点塗布された接合材１１を窒素雰囲気または真空雰囲気で仮焼成する。この仮焼成は接合材１１に含まれる溶剤を蒸発させる工程であり、仮焼成前後で接合材１１の平面形状はほぼ変わらず、その高さのみが収縮する。仮焼成を行うことにより、ガラスまたはサファイアに設けられたメタライズ層８の表面と接合材１４とが塗布形状を維持しつつ溶融が進んだ状態で熱接合される。接合材１１がメタライズ層８と接していない面は開放状態である為、溶融を伴って発生するボイドが容易に抜け易い。（ステップ６）なお、ペースト状の接合材１１の塗布は、打点塗布に限らず、連続塗布や非連続塗布であっても良い。
次に、図１０に示すように、リッド部２のメタライズ層８成膜面および接合材１１と基部３のメタライズ層９成膜面が向き合うように重ね合わせる。このとき、メタライズ層８に形成された切込み部１２ａ，１２ｂがメタライズ層９に形成された切込み部１３ａ，１３ｂが重なり合うようにする。（ステップ７）
次に、重ね合わせたリッド部２および基部３を窒素雰囲気または真空雰囲気に置き、リッド部２の上面もしくは基部３の底面から加重をかけながら仮焼成の温度よりも高温で本焼成する。この工程において、接合材１１からバインダやフラックスなどが抜け、ハンダや金錫などの金属成分だけが残り、接合層１０が形成される。接合層１０の形成によってリッド部２と基部３は気密に接合され、その内部には無酸素状態もしくは極低酸素状態の中空部７が形成される。
光センサ装置１はＵＶ−Ｃなど極めて短波長の光に曝されることもあるが、中空部７内が無酸素もしくは極低酸素状態であるため、紫外線励起によるオゾン発生を極少量に抑える、またはオゾンの無い中空部７が実現でき、収納されている光半導体素子４の劣化を抑えることができる。なお、接合が完了したのち、自然冷却する。（ステップ８）
以上の工程を経て、図１に示す光センサ装置１が完成する。リッド部２に用いるガラスまたはサファイアと、基部３に用いるアルミナまたはチッカアルミと、接合材１１に用いるハンダまたは金錫は互いに膨張係数が異なり、接合に伴う応力の影響を受ける為、熱接合には不向きとされるが、接合材１１としてペースト状のものを用いて、打点状に分散した塗布を行った後に仮焼成を行い、リッド部２に設けたメタライズ層８との間の接合を予め行うことで接合面に発生する応力はリッド部２に設けたメタライズ層８と基部３に設けたメタライズ層９との同時接合焼成という方法で発生する応力に比較して少ない。このように、熱膨張係数差のある材料どうしを熱接合する場合、仮焼成を行うことはガラスまたはサファイアなどの脆性材料とメタライズ層との界面での剥離を防ぐのに有効であり、接合面において気密性の高い中空パッケージの光センサ装置１とすることができる。
また、メタライズ層へ一定間隔おきに切込み部１２ａ，１２ｂを設けることにより、リッド部２と基部３の接合に起因する応力が切込み部１２ａ，１２ｂで区切られた領域に分散され、各領域における応力は区切られた領域の面積に応じて分配されるため、各領域にかかる応力は小さいものとなる。これにより、脆性材料とメタライズ層との界面での剥離を抑制することができ、気密性の高い中空パッケージの光センサ装置１を得ることができる。
さらに、リッド部２に設けられたメタライズ層８の断面積を基部３に設けられたメタライズ層９の断面積と同等以下とすることで、脆性材料とメタライズ層との界面での剥離を抑制することができ、気密性の高い中空パッケージの光センサ装置１を得ることができる。
以上説明したように、本発明の光センサ装置は、紫外線照射による劣化がなく、リッド部と基部との剥離の懸念がない気密性の高い中空パッケージに収納された信頼性の高い光センサ装置である。
本発明の一態様に関わる光センサ装置は、産業機器、ウェアラブル端末、家電製品をはじめとして、車載や屋外用途への応用も可能である。
１ 光センサ装置
２ リッド部
３ 基部
３ａ 突出部
３ｂ 凹部
４ 光半導体素子
５ ワイヤ
６ リード部
７ 中空部
８，９ メタライズ層
８ａ，９ａ 内周縁
８ｂ，９ｂ 外周縁
８ｃ，９ｃ 直線部
８ｄ，９ｄ 曲線部
１０ 接合層
１１ 接合材
１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ 切込み部
１４ ディスペンサ
１５ ダイボンド層
ｄ０ 接合材の直径
ｄ１，ｄ２ メタライズ層の幅
ｄ３，ｄ４ メタライズ層の長さ方向における切込み部の間隔
ｄ５、ｄ６ メタライズ層の幅方向における切込み部の先端間距離
２ リッド部
３ 基部
３ａ 突出部
３ｂ 凹部
４ 光半導体素子
５ ワイヤ
６ リード部
７ 中空部
８，９ メタライズ層
８ａ，９ａ 内周縁
８ｂ，９ｂ 外周縁
８ｃ，９ｃ 直線部
８ｄ，９ｄ 曲線部
１０ 接合層
１１ 接合材
１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ 切込み部
１４ ディスペンサ
１５ ダイボンド層
ｄ０ 接合材の直径
ｄ１，ｄ２ メタライズ層の幅
ｄ３，ｄ４ メタライズ層の長さ方向における切込み部の間隔
ｄ５、ｄ６ メタライズ層の幅方向における切込み部の先端間距離
Claims (10)
- 光半導体素子が載置された基部と、
前記基部と重ねて設けられ前記光半導体素子を中空部に封止するリッド部と、
前記リッド部の前記基部と対向する面に設けられた第１メタライズ層と、
前記基部の前記リッド部と対向する面に設けられた第２メタライズ層と、
前記第１メタライズ層と前記第２メタライズ層とを接合する接合層と、を備え、
前記第１メタライズ層には、複数の第１切込み部が設けられていることを特徴とする光センサ装置。 - 前記第１切込み部は、前記第１メタライズ層の内周縁および外周縁に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光センサ装置。
- 前記第１切込み部は、第１メタライズ層の直線部のみに配置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光センサ装置。
- 前記第２メタライズ層には、複数の第２切込み部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光センサ装置。
- 前記第１メタライズ層の幅は、前記第２メタライズ層の幅と同等以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光センサ装置。
- 前記接合層が前記第１メタライズ層の内周縁および外周縁を越えず、かつ、第２メタライズ層の内周縁および外周縁を越えないことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光センサ装置。
- 基部と、前記基部と重ねて設けられ光半導体素子を中空部に封止するリッド部とを準備する工程と、
前記リッド部の前記基部と対向する面に、第１メタライズ層を設ける工程と、
前記基部の前記リッド部と対向する面に、第２メタライズ層を設ける工程と、
前記基部に前記光半導体素子を載置する工程と、
前記第１メタライズ層上に接合材を塗布する工程と、
前記塗布された接合材を仮焼成する工程と、
前記リッド部と前記基部を、前記第１メタライズ層と前記第２メタライズ層と前記仮焼成した接合材とを介して重ね合わせる工程と、
前記仮焼成する工程よりも高温で加重しながら本焼成し、前記リッド部と前記基部を接合する工程と、
を備えることを特徴とする光センサ装置の製造方法。 - 前記本焼成する工程が、窒素雰囲気もしくは真空雰囲気で行われることを特徴とする請求項７に記載の光センサ装置の製造方法。
- 前記塗布する工程において、隣接する前記接合材を離間して塗布することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の光センサ装置の製造方法。
- 前記塗布する工程において、前記接合材を前記第１メタライズ層の内周縁と外周縁の間の領域に塗布することを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれか１項に記載の光センサ装置の製造方法。
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- 2019-02-12 JP JP2019022256A patent/JP2020129629A/ja active Pending
- 2019-12-26 TW TW108147948A patent/TW202032802A/zh unknown
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