JP4463793B2 - 光検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、いわゆる裏面入射型の光検出素子を備えた光検出装置に関する。
従来、いわゆる裏面入射型の光検出素子が知られている。この種の光検出素子は、半導体基板の裏面側に光入射面を備え、この光入射面から入射した光を表面側の光検出部で検出する。このような光検出素子を備えた光検出装置として、例えば特許文献１に記載された半導体エネルギー検出器がある。この従来の半導体エネルギー検出器は、光検出部と反対側で半導体基板の一部が薄型化され、紫外線、軟Ｘ線、電子線といった各種のエネルギー線を高感度に検出できるＢＴ−ＣＣＤ（裏面入射薄板型ＣＣＤ）と、このＢＴ−ＣＣＤとワイヤボンディングによって電気的に接続されたパッケージとを備え、例えば天体観測用の望遠鏡の受光部として用いられる。
特開平６−１９６６８０号公報
上述したような望遠鏡等の用途においては、受光部の大面積化を図るため、コールドプレートなどの被設置体に複数の光検出装置をマトリクス状に並べて配置する、いわゆるバタブル配置構造を採ることが有効である。このような配置構造では、各光検出装置間の間隔を例えば１００μｍ以下に抑えることで、光検出装置を高密度に配置することが可能となる。しかしながら、上述した従来の半導体エネルギー検出器では、光検出素子の外側の領域にワイヤボンディングのためのスペースが存在しており、光検出素子に比べてサイズの大きい配線基板が必要となる。そのため、光検出装置に対して光検出素子が占める面積が小さく、光検出装置を被設置体にバタブル配置した際に、光検出を行うことができない領域（不感領域）が拡大してしまうという問題がある。
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、光検出素子が占める面積を確保することにより、被設置体に配置した際の不感領域を縮小化できる光検出装置を提供することを目的とする。
上記課題の解決のため、本発明に係る光検出装置は、一方の面側から入射した光を他方の面側の光検出部で検出する光検出素子と、光検出素子の他方の面の所定の領域が露出するように、光検出素子の他方の側に設けられた配線基板とを備え、所定の領域には、光検出部と電気的に接続された第１のボンディングパッドが形成され、配線基板において、所定の領域よりも内側の領域には、第１のボンディングパッドとボンディングワイヤによって電気的に接続された第２のボンディングパッドが形成されていることを特徴としている。
この光検出装置では、光検出素子の他方の面に形成された第１のボンディングパッドが露出するように光検出素子の他方の面側に配線基板が設けられ、この配線基板において、第１のボンディングパッドよりも内側の領域に第２のボンディングパッドが形成されている。このような構成より、この光検出装置では、ワイヤボンディングの形成スペースを光検出素子の内側に位置させることができ、配線基板と光検出素子とをほぼ同じサイズにすることが可能となる。この結果、この光検出装置では、当該光検出装置に対して光検出素子が占める面積を十分に確保でき、被設置体に光検出装置を配置した際に、隣り合う光検出装置における光検出素子間の間隔を十分に小さくできるので、不感領域の縮小化を実現できる。
また、配線基板は、第１のボンディングパッドを露出させるスリット部を有していることが好ましい。こうすると、ワイヤボンディング部分をスリット部内に収容することが可能となるので、光検出装置を被設置体に配置する際に、ワイヤボンディング部分を断線等から保護できる。
また、配線基板において、第１のボンディングパッドよりも内側の領域には、所定の領域に沿って、配線基板の他方の面よりも一方の側に位置する設置面が形成され、第２のボンディングパッドは、設置面に設けられていることが好ましい。かかる設置面に設けることにより、ワイヤボンディング部分が配線基板の他方の面側に突出することを防ぐことができる。これにより、光検出装置を被設置体に配置する際に、ワイヤボンディング部分を断線等から保護できる。また、第２のボンディングパッドの形成部分に厚みを残しているので、ワイヤボンディングを行う際のボンディングパッドの強度も確保できる。
また、配線基板は、スリット部を他方の面側から塞ぐ蓋部を有していることが好ましい。この場合、蓋部によってワイヤボンディング部分をスリット部内に隠蔽できるので、ワイヤボンディング部分を断線等から一層確実に保護できる。
また、スリット部及び蓋部の少なくとも一方には、スリット部の内部を外部と連通させる通気孔を形成する溝部が設けられていることが好ましい。これにより、スリット部に蓋部を取り付けた後でもスリット部の内部を外部と等圧に保つことができるので、外部環境の変化によってスリット部内の気体の収縮・膨張が生じても、光検出装置の変形や破損を抑止できる。
本発明に係る光検出装置によれば、光検出素子が占める面積を確保することにより、被設置体に配置した際の不感領域を縮小化できる。
以下、図面を参照しながら、本発明に係る光検出装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る光検出装置を搭載してなる受光部を示す図である。また、図２は、図１に示した光検出装置の斜視図であり、図３はその底面図、図４は一部を断面化して示す側面図である。
図１に示すように、受光部１は、熱制御用のコールドプレート２と、複数の光検出装置３とを備え、例えば天体観測用の望遠鏡の受光部１として構成されている。コールドプレート２は、例えば銅によって円盤状に形成されており、望遠鏡の使用時には所定のガス雰囲気中で−１００℃程度に冷却される。このコールドプレート２の表面には、各光検出装置３のネジ付嵌合ピン３２及びフレックスＰＣＢ２２（図２参照）に対応する凹部４が複数設けられている。
各光検出装置３は、凹部４にネジ付嵌合ピン３２及びフレックスＰＣＢ２２を嵌め込むと共に、各ネジ付嵌合ピン３２にコールドプレート２の裏側からナット３６（図２参照）を螺合することによってコールドプレート２に固定され、例えば８×１０のマトリクス状に配置されている。このような配置は、各光検出装置３の４つの側面が隣り合う光検出装置３の側面と対向することから４サイドバタブル配置と称され、光検出装置３の高密度化による受光部１の大面積化に適した配置となっている。また、隣り合う光検出装置３の間隔は約１００μｍとなっており、コールドプレート２による冷却を解除した後の熱膨張による各光検出装置３同士の接触防止が図られている。
次に、光検出装置３の構成について説明する。各光検出装置３は、図２〜図４に示すように、光検出を行う光検出素子１１と、光検出素子１１に電気的に接続された配線基板１２と、コールドプレート２への設置に用いるピンベース１３とを備えている。光検出素子１１は、厚さ約２００μｍのいわゆる裏面入射薄板型ＣＣＤ（ＢＴ−ＣＣＤ）であり、半導体による吸収の影響を受け易い紫外線、軟Ｘ線、電子線といった各種のエネルギー線を高感度に検出可能な素子である。
光検出素子１１の裏面（一方の面）側は光入射面Ｓ（図４参照）となっており、光検出素子１１の表面（他方の面）側には、光入射面Ｓから入射した光を検出する検出領域１４と、検出領域１４の出力端となる第１のボンディングパッド領域（所定の領域）１５とがそれぞれ形成されている（図８（ａ）参照）。検出領域１４には、例えば９×７のマトリクス状に配置されたＣＣＤアレイ（光検出部）１６が設けられ、第１のボンディングパッド領域１５には、所定パターンのアルミ配線によってＣＣＤアレイ１６の各画素と電気的に接続された第１のボンディングパッド１７Ａが設けられている。第１のボンディングパッド１７Ａは、光検出素子１１の表面側の一端部に沿って一列に配置されている。
さらに、図３及び図８（ａ）に示すように、光検出素子１１の表面の両端部において、検出領域１４よりも外側のデッドエリア部分には、光検出素子１１の中心線Ｌを通るように十字型の位置合わせ用マーク１８（１８Ａ，１８Ｂ）がそれぞれ設けられている。位置合わせ用マーク１８Ａ，１８Ｂは、例えばアルミニウムのスパッタによって上述したアルミ配線と同時に形成され、光検出素子１１の中心線Ｌを示す位置基準として用いられる。
配線基板１２は、図２〜図４に示すように、光検出素子１１と略同面積の矩形をなしており、配線基板１２の表面側の略中央部分には、ＣＣＤアレイ１６の各画素に対応するリード端子２１が配列されている。このリード端子２１は、図２に示すように、フレックスＰＣＢ（可撓性プリント回路基板）２２に接続されている。フレックスＰＣＢ２２は、コールドプレート２の凹部４を通して望遠鏡内の所定の基板（図示しない）にコネクタ接続される。
一方、図３に示すように、配線基板１２の一端部及び他端部には、スリット部２３及び切欠部２４がそれぞれ設けられている。スリット部２３は、配線基板１２の一端部に沿って長方形状に形成され、切欠部２４は、配線基板１２の他端部の略中央において半円形状に形成されている。そして、配線基板１２は、スリット部２３から第１のボンディングパッド領域１５及び位置合わせ用マーク１８Ａが露出し、かつ切欠部２４から位置合わせ用マーク１８Ｂが露出するように位置決めされた状態で、例えばダイボンディングによって光検出素子１１の表面側に強固に固定されている。
また、図５及び図６に示すように、配線基板１２において、第１のボンディングパッド領域１５及び位置合わせ用マーク１８Ａが露出している領域よりも内側の領域には、スリット部２３の長手方向に沿って段部２５が設けられている。この段部２５は、配線基板１２の表面よりも裏面側に位置する設置面２５ａを有しており、この設置面２５ａ上には、配線基板１２の入力端となる第２のボンディングパッド領域２６が形成されている。第２のボンディングパッド領域２６には、第１のボンディングパッド１７Ａに対応する第２のボンディングパッド１７Ｂが一列に配置されており、第１のボンディングパッド１７Ａと第２のボンディングパッド１７Ｂとは、ボンディングワイヤ２７によってそれぞれ電気的に接続されている。第２のボンディングパッド１７Ｂは、配線基板１２の内部配線（図示しない）によってリード端子２１にそれぞれ電気的に接続され、これにより、光検出素子１１からの出力信号がリード端子２１及びフレックスＰＣＢ２２を介して外部に出力される。
さらに、配線基板１２の一端側の縁の略中央には、中心線Ｌ（図３参照）に沿って延びる溝部２８が設けられており、配線基板１２には、溝部２８を塞ぐようにして、スリット部２３の表面側からセラミック製の蓋部２９が取り付けられている。この蓋部２９の取り付けにより、第１のボンディングパッド１７Ａ、第２のボンディングパッド１７Ｂ、及びボンディングワイヤ２７が外部に露出しないように保護され、光検出装置３の一端側の側面には、図５及び図７に示すように、スリット部２３の内部を外部と連通させる通気孔３０が形成される。
ピンベース１３は、図２〜図４に示すように、例えばチッ化アルミニウムによって扁平な直方体形状に形成されている。このピンベース１３の略中央には配線基板１２のリード端子２１を露出させる矩形の開口部３１が形成されている。また、ピンベース１３の表面側には、ナット３６を螺合可能な例えばチタン製のネジ付嵌合ピン３２が設けられている。このネジ付嵌合ピン３２は、開口部３１を挟むようにして、ピンベース１３の一端側の中央に１本、ピンベース１３の他端側の両角部寄りにそれぞれ１本ずつ計３本設けられている。
ここで、ピンベース１３の側面のうち、光検出素子１１の中心線Ｌに沿う一方の側面３４と、この側面３４における一端側の角部３５とは、ピンベース１３の位置決め部３３となっている。各ネジ付嵌合ピン３２は、ピンベース１３の表面側に取り付けられているが、側面３４及び角部３５からの相対的な距離が正確になるように芯出しされ、位置決め部３３に対してそれぞれ高精度に位置決めされている。また、ピンベース１３は、位置合わせ用マーク１８Ａ，１８Ｂを通る中心線Ｌに、ピンベース１３を表面側から見たときの側面３４のラインを合わせることにより、光検出素子１１に対して精度良く角度合わせされ、かつ位置合わせ用マーク１８Ａ，１８Ｂと角部３５との相対的な距離に基づいて、光検出素子１１に対して精度良く位置合わせされている。この状態で、ピンベース１３は、例えば熱硬化性樹脂によって配線基板１２の表面側に強固に接着されている。
続いて、上述した構成を有する光検出装置３の組立方法について説明する。
この光検出装置３を望遠鏡の受光部１として組み立てる場合、まず、光検出素子１１を準備し、図８（ａ）に示すように、位置合わせ用マーク１８Ａ，１８Ｂが見えるように、表面側を上側に向けて光検出素子１１を配置する。次に、配線基板１２を準備し、図８（ｂ）に示すように、スリット部２３から第１のボンディングパッド領域１５及び位置合わせ用マーク１８Ａが露出し、かつ切欠部２４から位置合わせ用マーク１８Ｂが露出するように位置決めした状態で、光検出素子１１の表面側に配線基板１２をダイボンディングによって固定する。
配線基板１２の固定が完了した後、ピンベース１３を準備する。ピンベース１３の表面側には、予め位置決め部３３に対して精度良く芯出しされた状態でネジ付嵌合ピン３２が取り付けられている。そして、図８（ｃ）に示すように、ピンベース１３の略中央の開口部３１から配線基板１２のリード端子２１が露出するように、配線基板１２の表面側に重ね合わせる。このとき、配線基板１２のスリット部２３及び切欠部２４から露出する光検出素子１１の位置合わせ用マーク１８Ａ，１８Ｂを通る中心線Ｌに、ピンベース１３を表面側から見たときの側面３４のラインを合わせ、光検出素子１１に対してピンベース１３を精度良く角度合わせする。また、位置合わせ用マーク１８Ａ，１８Ｂと角部３５との相対的な距離に基づいて、光検出素子１１に対してピンベース１３を精度良く位置合わせする。光検出素子１１に対する角度合わせ及び位置合わせを行った後、配線基板１２の表面側にピンベース１３を接着によって固定する。
ピンベース１３の固定が完了した後、第１のボンディングパッド１７Ａと第２のボンディングパッド１７Ｂとをワイヤボンディングによってそれぞれ電気的に接続する。ワイヤボンディングの後、スリット部２３の表面側から蓋部２９を取り付け、第１のボンディングパッド１７Ａ及び第２のボンディングパッド１７Ｂを隠蔽すると共に、光検出装置３の一端側の側面に通気孔３０を形成する。また、ピンベース１３の開口部３１から露出するリード端子２１にフレックスＰＣＢを接続する。これにより、図２〜図４に示した光検出装置３の組み立てが完了する。
そして、光検出装置３のネジ付嵌合ピン３２及びフレックスＰＣＢ２２をコールドプレート２の凹部４に嵌め込むと共に、各ネジ付嵌合ピン３２にコールドプレート２の裏側からナット３６を螺合させることにより、光検出装置３をコールドプレート２に固定する。このとき、ネジ付嵌合ピン３２は、ピンベース１３の位置決め部３３を介して光検出素子１１と精度良く位置合わせされているので、光検出装置３は、コールドプレート２に対して精度良く位置合わせされる。以下、同様の手順によって複数の光検出装置３を組み立て、コールドプレート２上に光検出装置３をマトリクス状に配置することにより、図１に示した受光部１が完成する。
以上説明したように、この光検出装置３では、光検出素子１１の表面に形成された第１のボンディングパッド領域１５がスリット部２３から露出するように光検出素子１１の表面側に配線基板１２が設けられ、この配線基板１２において、第１のボンディングパッド１７Ａよりも内側の領域に第２のボンディングパッド１７Ｂが形成されている。このような構成より、光検出装置３では、ワイヤボンディングの形成スペースを光検出素子１１の内側に位置させることができ、配線基板１２と光検出素子１１とをほぼ同じサイズにすることが可能となる。この結果、この光検出装置３では、当該光検出装置３に対して光検出素子１１が占める面積を十分に確保でき、コールドプレート２に光検出装置３をバタブル配置した際に、隣り合う光検出装置３，３における光検出素子１１，１１間の間隔を十分に小さくできるので、不感領域の縮小化を実現できる。
また、光検出装置３では、配線基板１２において、第１のボンディングパッド領域１５よりも内側の領域に段部２５が設けられ、この段部２５ａにおいて、配線基板１２の表面よりも裏面側に位置する設置面２５ａに第２のボンディングパッド１７Ｂが形成されている。これにより、ボンディングワイヤ２７が配線基板１２の表側に突出することを防ぐことができ、光検出装置３をコールドプレート２に配置する際に、ボンディングワイヤ２７を断線等から保護できる。さらに、第２のボンディングパッド１７Ｂの形成部分に厚みを残しているので、ワイヤボンディングを行う際のボンディングパッド１７Ｂの強度も確保できる。
配線基板１２には、スリット部２３の表面側から蓋部２９が取り付けられており、第１のボンディングパッド１７Ａ、第２のボンディングパッド１７Ｂ、及びボンディングワイヤ２７が外部に露出しないように保護されると共に、スリット部２３の内部を外部と連通させる通気孔３０が形成されている。このように、光検出素子１１と配線基板１２とのワイヤボンディング部分を保護することにより、光検出装置３をコールドプレート２に配置する際のボンディングワイヤ２７の断線等を防止できる。また、通気孔３０の形成により、蓋部２９を取り付けた後もスリット部２３の内部を外部と等圧に保つことができるので、受光部１の使用の前後でコールドプレート２による冷却及び冷却の解除がなされても、スリット部２３内の気体の収縮・膨張による光検出装置３の変形や破損を抑止できる。
さらに、光検出装置３では、光検出素子１１の位置基準となる位置合わせ用マーク１８Ａ，１８Ｂが光検出素子１１の表面側に形成されている。また、ピンベース１３には、コールドプレート２に嵌め合わされるネジ付嵌合ピン３２が設けられており、このネジ付嵌合ピン３２は、配線基板１２のスリット部２３及び切欠部２４から露出する位置合わせ用マーク１８Ａ，１８Ｂに対して位置決めされた位置決め部３３を介して、光検出素子１１に対して精度良く位置合わせされている。したがって、この光検出装置３では、コールドプレート２の凹部４にネジ付嵌合ピン３２を嵌め合わせるだけで、コールドプレート２に対して光検出素子１１が精度良く位置合わせされる。この結果、４サイドバタブル配置において、隣り合う光検出装置３における光検出素子１１の位置関係を精度良く合わせることができ、各光検出装置３を高密度に配置することが可能となる。
また、光検出装置３では、光検出素子１１の中心線Ｌを通るように位置合わせ用マーク１８Ａ，１８Ｂが形成されており、位置決め部３３は、ピンベース１３の側面３４と、この側面３４における角部３５とによって構成されている。このため、位置合わせ用マーク１８Ａ，１８Ｂを通る中心線Ｌに、ピンベース１３を表面側から見たときの側面３４のラインを合わせることにより、光検出素子１１とピンベース１３とを精度良く角度合わせできると共に、位置合わせ用マーク１８Ａ，１８Ｂと角部３５との相対的な距離に基づいて、光検出素子１１とピンベース１３とを精度良く位置合わせできる。
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば、上述した実施形態では、コールドプレート２上に光検出装置３を４サイドバタブル配置して受光部１を構成しているが、光検出装置３を２列に配置することにより、光検出装置３の３つの側面が隣り合う光検出素子１１の側面と対向する３サイドバタブル配置を採用してもよい。
また、上述した実施形態では、配線基板１２の一端側の縁の略中央に通気孔３０を形成するための溝部２８を設けているが、このような溝部２８は、蓋部２９側に設けるようにしてもよく、スリット部２３及び蓋部２９の双方に設けてもよい。さらには、図９に示すように、蓋部２９の裏側に凹部４０を形成し、段部２５の厚みを一層確保するようにしてもよい。この場合、蓋部２９に別途加工が必要となるが、ワイヤボンディングを行う際の第２のボンディングパッド１７Ｂの強度を一層確保できる。
本発明の一実施形態に係る光検出装置を搭載してなる受光部を示す図である。 光検出装置の斜視図である。 光検出装置を表面側から見た図である。 光検出装置の一部を断面化して示す側面図である。 スリット部近傍の拡大断面図である。 蓋部を取り除いた状態において、スリット部を表面側から見た拡大図である。 光検出装置を一端側から見た側面図である。 光検出装置の組立工程を示す図である。 変形例に係るスリット部及び蓋部近傍の拡大断面図である。
符号の説明
３…光検出装置、１１…光検出素子、１２…配線基板、１５…第１のボンディングパッド領域（所定の領域）、１６…ＣＣＤアレイ（光検出部）、１７Ａ…第１のボンディングパッド、１７Ｂ…第２のボンディングパッド、２３…スリット部、２５…段部、２５ａ…設置面、２７…ボンディングワイヤ、２８…溝部、２９…蓋部、３０…通気孔。

Claims (5)

  1. 被設置体に複数並べて配置される光検出装置であって、
    一方の面側から入射した光を他方の面側の光検出部で検出する光検出素子と、
    前記光検出素子の前記他方の面の所定の領域が露出するように、前記光検出素子と略同面積で前記光検出素子の他方の側に設けられた配線基板とを備え、
    前記所定の領域には、前記光検出部と電気的に接続された第１のボンディングパッドが形成され、
    前記配線基板において、前記所定の領域よりも内側の領域には、前記第１のボンディングパッドとボンディングワイヤによって電気的に接続された第２のボンディングパッドが形成されていることを特徴とする光検出装置。
  2. 前記配線基板は、前記第１のボンディングパッドを露出させるスリット部を有していることを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
  3. 前記配線基板において、前記第１のボンディングパッドよりも内側の領域には、前記所定の領域に沿って、前記配線基板の他方の面よりも一方の側に位置する設置面が形成され、
    前記第２のボンディングパッドは、前記設置面に設けられていることを特徴とする請求項２記載の光検出装置。
  4. 前記配線基板は、前記スリット部を他方の面側から塞ぐ蓋部を有していることを特徴とする請求項２又は３記載の光検出装置。
  5. 前記スリット部及び前記蓋部の少なくとも一方には、前記スリット部の内部を外部と連通させる通気孔を形成する溝部が設けられていることを特徴とする請求項４記載の光検出装置。
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