JP5289667B2 - ワンチップ高電圧光電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワンチップに集積された赤外線域で高感度な高電圧光電池の製造方法に関するものである。

光電池は使用する材料により最小単位電圧以上の電圧を取り出す為には、単位発電素子を直列に複数個接続しなければならない。複数個の発電素子を直列に接続し集積化したアモルファスシリコン薄膜の太陽電池が現在多数使用されているが、欠点は照射光が可視光の範囲でしか感度がなく、赤外線領域では発電出来ない。

赤外線領域での高電圧光電池を必要とする場合は、シリコン結晶から成る単位発電素子単体の一個一個を複数個直列にボンデング接続して高電圧光電池を構成していた。単位発電素子を一個一個ボンデング接続する理由は、シリコン発電素子の集積化が困難であった為である。

光通信分野で、目に見えない赤外線の波長域で大きな光エネルギーを伝送する事が必要な場合、その赤外線エネルギーを有効に受光し発電する高電圧光電池が必要になる。特に、光通信分野では大きなエネルギー（数ｍＷ〜数１０ｍＷ）を必要とし、シリコンチップサイズも数ｍｍ角前後のチップをワイヤーボンドで接続しているのが現状であり、ワイヤーボンド用の電極パッド面積は無駄な面積を占めている。この無駄な面積を少なくして、入射光の利用率を大幅に向上させる事と、ワイヤーボンド工程を省略させる（無くす）事が本発明の課題である。

本発明は次に示す構成をもって上記課題を解決する手段と成している。すなわち、ワンチップ高電圧光電池の製造方法の発明は、表面にｐ型拡散層を形成したｎ型のシリコンウエハーとプリント基板を用意し、
シリコンウエハーはその表面を個々のフォトダイオード素子を形成する複数の単位素子領域に区分し、その各単位素子領域には、前記ｐ型拡散層とｎ型のシリコンウエハーとを貫通するＳｉ基板スルーホールを形成し、前記ｎ型のシリコンウエハーの裏面側の同一面には各単位素子領域毎に当該ｎ型のシリコンウエハーのｎ層に電気的に導通するシリコンｎ層電極と、前記Ｓｉ基板スルーホールを介して前記ｐ型拡散層のｐ層に電気的に導通するシリコンｐ層電極とを間隔を介して形成し、
前記プリント基板はその表面に前記ｎ型のシリコンウエハーの各フォトダイオード素子の単位素子領域が搭載する各搭載領域に前記シリコンｎ層電極とシリコンｐ層電極とにそれぞれ位置を対応させてスルーホール孔を形成し、前記プリント基板の裏面には互いに隣り合う一方の搭載領域のシリコンｎ層電極側位置に対応したスルーホール孔と隣り合う他方の搭載領域のシリコンｐ層電極側位置に対応したスルーホール孔とを導通する配線を施し、
前記スルーホール孔と配線を形成したプリント基板の表面に、前記Ｓｉ基板スルーホールとシリコンｎ層電極とシリコンｐ層電極とを形成して成るｎ型のシリコンウエハーの裏面を、前記シリコンｎ層電極とシリコンｐ層電極とを対応する前記スルーホール孔に位置させて搭載し、
然る後に、各シリコンｎ層電極とシリコンｐ層電極とを対応する前記スルーホール孔にハンダ付け接合して、前記ｎ型のシリコンウエハーと前記プリント基板とを前記シリコンｎ層電極とシリコンｐ層電極のハンダ付け接合のハンダのみによって固定し、
然る後に、各フォトダイオード素子の単位素子領域の境界線に沿って前記プリント基板は切断分離せずにｐ型拡散層とともにｎ型のシリコンウエハーをダイシングソーにより前記各単位素子領域毎に切断してプリント基板上に複数のフォトダイオード素子を単位の素子毎に分離形成するとともに、予め定めた個数のフォトダイオード素子群毎の境界線に沿ってｐ型拡散層とともにｎ型のシリコンウエハー及びプリント基板を切断して、切断した各ブロックをワンチップ高電圧光電池とした複数のワンチップ高電圧光電池を切り出し製造することをもって上記課題を解決する手段としている。

本発明のワンチップ高電圧光電池は、シリコンウエハーにスルーホールを通じてｐ電極、ｎ電極を同一面に構成する。

プリント基板の配線はスルーホールを通じてウエハーとの接合面の反対側に配線している為に、プリント基板に少量の切り込みが入っても良い。

フォトダイオード素子（単位発電素子）間の分離はスライス溝により物理的に完全に分離する。

ウエハー上に集積された素子群は、単位素子群毎にプリント基板と同時に切断する。

フォトダイオード素子（赤外受光素子）相互の電気的素子分離が完全である。

素子間の電気的分離に要する無駄なスペースが最小限に抑えられた（従来の様に光学的に無駄な面積であるワイヤーボンドパッドが不用になった）。

シリコンウエハー基板とプリント基板を直接ハンダ付け接合（貼り合せ）処理することでワイヤーボンド工程を無くしハンダ付け検査の方法も簡易化され大幅な組み立て工数の削減が実現した。

赤外線電池に限らず、シリコンウエハーとプリント基板のハンダ付け接合（貼り合せ）が必要なときは、本発明の工程、特に両者の位置決め法、ハンダ付け検査法などは多方面での応用が可能である。

以下に、本発明の実施の形態を図面に基き説明する。本発明のワンチップ高電圧光電池は図１に示されるように、シリコン（n型）基板１とプリント基板６とを用いて構成される。シリコン（n型）基板１はｎ型のシリコンウエハーによって構成され、そのウエハーの表面にp型拡散層２が形成されている。このp型拡散層２の表面は図２、図３に示されるように、複数の単位素子領域１２に区分されており、各単位素子領域１２に単位発電素子としてのフォトダイオード素子が形成されている。

すなわち、各単位素子領域１２にp型拡散層２及びプリント基板６を貫通するシリコン基板スルーホール孔３が開けられ、各単位素子領域１２の底面（底面側）には該シリコン基板スルーホール孔３を介してp型拡散層２に電気的に導通するシリコンｐ層電極４−２が形成されている。そして、単位素子領域１２の底面（底面側）の同一面にはシリコンｐ層電極４−２と間隔を介してシリコン（ｎ型）基板１（シリコンウエハー）のｎ層に電気的に導通するシリコンｎ層電極４−１が形成されており、これらの構成によって単位発電素子としてのフォトダイオード素子が構成されている。

プリント基板６はその表面に、図１、図２に示されるように、該プリント基板６の上面にシリコン（ｎ型）基板１を相互の相対位置を合わせた状態で重ねたときに、シリコン（ｎ型）基板１側の各単位素子領域１２と対向する同じ位置に単位素子対向領域１２が形成され、プリント基板６の各単位素子対向領域１２の表面（上面）には前記シリコンｎ層電極４−１とシリコンｐ層電極４−２にそれぞれ対応する（対向する）位置に基板スルーホール孔が形成されている。そして、各基板スルーホール孔はスルーホールハンダ５によってシリコンｎ層電極４−１とシリコンｐ層電極４−２の対応する電極とハンダ付け接合される構成と成している。

プリント基板６の裏面には、互いに隣り合う単位素子対向領域１２の一方側の領域１２の前記シリコンｎ層電極４−１に導通する側の基板スルーホール孔と、隣り合う単位素子対向領域１２の他方側の領域１２のシリコンｐ層電極４-２に導通する側の基板スルーホールとを電気的に導通する銅配線７が施され（形成され）、この銅配線７を介して各単位素子領域１２に形成されたシリコンダイオード素子が直列接続される構成と成している。

なお、シリコン（ｎ型）基板１とプリント基板６との相対位置を合わせるために、図４−１に示されるように、シリコン（ｎ型）基板１には複数（図では３個）の位置決め用スルーホール１０が設けられ、図４−２に示されるように、プリント基板６には同数の位置決め用パターン１１が形成されている。

本発明に係るワンチップ高電圧光電池の製造方法について説明すれば、表面にp型拡散層２が形成されて各単位素子領域１２にシリコン基板スルーホール孔３、シリコンｎ層電極４−１及びシリコンｐ層電極４−２が形成されたシリコン（ｎ型）基板（ｎ型シリコンウエハー）１と、基板スルーホール孔及び銅配線７が形成されているプリント基板６とを用意し、シリコン（ｎ型）基板１に大き目に開けられた複数個の位置決め用スルーホール孔１０を通して既に予備ハンダコートされたプリント基板上の位置決めパターン１１を観測して、図４−３に示すように、シリコン基板１とプリント基板６の相対位置を決定してプリント基板６の上面にシリコン（ｎ型）基板１の裏面を重ねる。３個所での位置決めが適当と思われる。

位置決めが決ると、シリコン（ｎ型）基板１の各単位素子領域１２はプリント基板６の各単位素子対向領域１２に対応（対向）し、図１に示されるように、シリコン（ｎ型）基板１の底面の各シリコンｎ層電極４−１及びシリコンｐ層電極４−２はプリント基板６の対応する基板スルーホール孔の上に搭載された状態となる。この状態で、互いに対応する各シリコンｎ層電極４−１及びシリコンｐ層電極４−２と、プリント基板６の対応する基板スルーホール孔とがプリント基板スルーホールハンダ５によりハンダ付け接合が行われる。

ハンダ付け接合が終了したシリコン基板１とプリント基板６の貼り合せ基板（ハンダ付け接合によってシリコン（ｎ型）基板１とプリント基板６とが一体化された基板）は、Ｘ線検査で単位素子内（単位素子対向領域１２内）のハンダ接続状況を検査する。シリコン基板１にはＰ拡散層２をシリコンｐ層電極４−２に導通するスルーホール孔３（位置合せ用より小さい）が開けられているが、ハンダ付けが実施されると、このシリコンｐ層電極４−２に対応するプリント基板６上のシリコンｐ層電極４−２のハンダがシリコン基板スルーホール孔３に吸い上げられて孔の部分だけハンダ層が無くなるか、薄くなるのでＸ線検査するとハンダの黒い像の中に白い円形像が観測され、ハンダが溶けた事と、位置ずれ検査ができる。この検査で両基板のハンダでの貼り合せ（ハンダ付け接続）が正しく行われたことが確認できる。

次にダイシングソーにより単位素子分離の切断を行う。ダイシングソーのカットの高さ位置をシリコン基板１は完全に切断するがプリント基板６を切断しない程度の高さに調整して各単位素子領域１２の境界線（シリコン基板分離溝８）に沿ってｐ型拡散層２及びシリコン（ｎ型）基板１をカットすることで、単位素子分離カット（各フォトダイオード素子間の分離切断）が終了する。例えそのカットが終了しても単位素子（フォトダイオード素子）はプリント基板６にハンダで固定されている為にプリント基板６から分離しない。

次に、単位素子群（フォトダイオード素子群）毎の分離切断に入る。単位素子群は必要電圧により予め決められた複数個の単位素子（フォトダイオード素子）の集団に纏められている。単位素子群毎に各単位素子群の境界線（シリコン基板及びプリント基板分離溝９）に沿って、シリコン基板１とプリント基板６とを同時に切断する。ここで切断されたブロック即ち、単位素子群が、必要電圧のワンチップ高電圧光電池単体となる。

本発明に係るワンチップ高電圧光電池の構成及びワンチップ高電圧光電池の製造方法の実施形態例の説明図である。 各フォトダイオード素子の形成区分領域（単位素子領域）と各ワンチップ高電圧光電池の領域（単位素子群領域）との関係を示す図である。 各フォトダイオード素子の形成区分領域（単位素子領域）とワンチップ高電圧光電池の領域（単位素子群領域）の拡大上面図である。 シリコン基板に形成する位置決め用スルーホール孔の形成例を示す図である。 プリント基板に形成する位置決め用パターンの形成例を示す図である。 シリコン基板の位置決め用スルーホール孔とプリント基板の位置決め用パターンを用いてシリコン基板とプリント基板の位置合わせを行っている状態を示す図である。

符号の説明

１ シリコン（ｎ型）基板
２ ｐ型拡散層
３ シリコン基板スルーホール孔
４−１ シリコンｎ層電極
４−２ シリコンｐ層電極
５ プリント基板スルーホールハンダ
６ プリント基板
７ プリント基板上の銅配線（ジャンピング配線、引き出し電極等）
８ シリコン基板分離溝
９ シリコン基板及びプリント基板分離溝
１０ シリコン基板内の位置決め用スルーホール孔
１１ プリント基板上の位置決め用パターン
１２ 単位素子領域
１３ 単位素子群領域

Claims (3)

1. 表面にｐ型拡散層を形成したｎ型のシリコンウエハーとプリント基板を用意し、
   シリコンウエハーはその表面を個々のフォトダイオード素子を形成する複数の単位素子領域に区分し、その各単位素子領域には、前記ｐ型拡散層とｎ型のシリコンウエハーとを貫通するＳｉ基板スルーホールを形成し、前記ｎ型のシリコンウエハーの裏面側の同一面には各単位素子領域毎に当該ｎ型のシリコンウエハーのｎ層に電気的に導通するシリコンｎ層電極と、前記Ｓｉ基板スルーホールを介して前記ｐ型拡散層のｐ層に電気的に導通するシリコンｐ層電極とを間隔を介して形成し、
   前記プリント基板はその表面に前記ｎ型のシリコンウエハーの各フォトダイオード素子の単位素子領域が搭載する各搭載領域に前記シリコンｎ層電極とシリコンｐ層電極とにそれぞれ位置を対応させてスルーホール孔を形成し、前記プリント基板の裏面には互いに隣り合う一方の搭載領域のシリコンｎ層電極側位置に対応したスルーホール孔と隣り合う他方の搭載領域のシリコンｐ層電極側位置に対応したスルーホール孔とを導通する配線を施し、
   前記スルーホール孔と配線を形成したプリント基板の表面に、前記Ｓｉ基板スルーホールとシリコンｎ層電極とシリコンｐ層電極とを形成して成るｎ型のシリコンウエハーの裏面を、前記シリコンｎ層電極とシリコンｐ層電極とを対応する前記スルーホール孔に位置させて搭載し、
   然る後に、各シリコンｎ層電極とシリコンｐ層電極とを対応する前記スルーホール孔にハンダ付け接合して、前記ｎ型のシリコンウエハーと前記プリント基板とを前記シリコンｎ層電極とシリコンｐ層電極のハンダ付け接合のハンダのみによって固定し、
   然る後に、各フォトダイオード素子の単位素子領域の境界線に沿って前記プリント基板は切断分離せずにｐ型拡散層とともにｎ型のシリコンウエハーをダイシングソーにより前記各単位素子領域毎に切断してプリント基板上に複数のフォトダイオード素子を単位の素子毎に分離形成するとともに、予め定めた個数のフォトダイオード素子群毎の境界線に沿ってｐ型拡散層とともにｎ型のシリコンウエハー及びプリント基板を切断して、切断した各ブロックをワンチップ高電圧光電池とした複数のワンチップ高電圧光電池を切り出し製造するワンチップ高電圧光電池の製造方法。
2. シリコンウエハー表面に複数個の位置決め用スルーホール孔を開け、それらの各孔位置に対応するプリント基板の面位置に位置出し用パターンを設け、プリント基板にシリコンウエハーを搭載する際に前記位置出し用パターンと位置決め用スルーホールを合わせることでシリコンウエハーとプリント基板との位置出しを行う請求項１記載のワンチップ高電圧光電池の製造方法。
3. シリコンｎ層電極とシリコンｐ層電極とをプリント基板の対応するスルーホール孔にハンダ付け実施し、シリコンウエハー側のＳｉ基板スルーホールをＸ線透過することでハンダ付け実施時のハンダの溶け状態を観察することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のワンチップ高電圧光電池の製造方法。

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