JP5448392B2 - センサー用窓部材およびそれを用いたセンサー用パッケージならびにセンサー装置 - Google Patents

Description

本発明は、センサー用窓部材およびそれを用いたセンサー用パッケージならびにセンサー装置に関するものである。

従来、センサー装置の一つとして、赤外線を検出する赤外線検出装置がある。例えば、図３に断面図で示す構成のものが用いられていた。すなわち、図３に示すように、従来の赤外線検出装置は、基体２１と窓２２とで構成されており、外形が直方体形状のものである。

基体２１は、容器の内部と外部を電気的に接続する経路を設けるための積層セラミック、パターン、スルーホールで構成される、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体から成るセラミックパッケージである。

基体２１は、側壁２１ｄを有しており、側壁２１ｄにより形成される開口部内に赤外線を検出する赤外線検出素子２３が受光面２３ａを上側にして配設される。赤外線検出素子２３は、基体２１の載置部２１ａの上に接着もしくは半田で接合される。

また、側壁２１ｄの内面には、段差が設けられており、その段差部分にある配線導体２４と赤外線検出素子２３とを接続するボンディングワイヤ２５が配設される。

平板形状の窓２２は、赤外線を透過する、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）やシリコン（Ｓｉ）により形成され、例えば半田等の窓接合材２７を使用し基体２１の側壁２１ｄに気密接合されることによって側壁２１ｄにより形成される基体２１の開口部を封止する。窓２２は赤外線検出素子２３の受光面２３ａに対向する位置に配置される（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２５４８２０号公報

しかしながら、従来の赤外線検出装置では、基体２１の開口部を全て覆うように大きなゲルマニウムまたはシリコンから成る窓２２を接合しており、基体２１の開口部を全て覆うため、不要な近赤外線等のノイズが入り込み易く、赤外線検出素子２３がノイズを受信してしまい易いという問題点があった。

また、基体２１とゲルマニウムやシリコンから成る窓２２との間の熱膨張差が大きく、この熱膨張差による応力が基体２１に作用して、基体２１にクラック等の破損が生じ易いという問題点があった。

また、窓２２にゲルマニウムまたはシリコンを多く用いるため、高価であるという問題点もあった
本発明は上記問題点に鑑み案出されたもので、その目的は、ノイズを受信し難い高性能で安価なセンサー装置を提供することにある。

本発明に係るセンサー用窓部材は、シリコン単結晶またはゲルマニウム単結晶から成る窓板と、該窓板の一主面が外周部に接合されたフランジとを具備し、該フランジは、他方の主面にゲッター膜が形成されているとともに、該ゲッター膜は複数に分割されたパターン状に配置され、前記ゲッター膜の周囲にセンサー用窓部材接合材による接合部を有していることを特徴とすることを特徴とする。

また、前記フランジの前記窓板との接合部には前記一主面から突出した突出部が設けられており、該突出部の先端に前記窓板が接合されていることが好ましい。

また、前記フランジは、鉄−ニッケル−コバルト合金から成ることが好ましい。

本発明に係るセンサー用パッケージは、上面にセンサー素子を収容するための凹部が形成された基体と、該基体の前記凹部を塞ぐための上記構成のセンサー用窓部材と、該センサー用窓部材を前記基体に接合しているセンサー用窓部材接合材とを具備することを特徴とする。

また、前記基体は、セラミックスから成ることが好ましい。

本発明に係るセンサー装置は、上記構成のセンサー用パッケージと、前記凹部に載置固定され、前記センサー用窓部材によって封止されたセンサー素子とを具備する。

また、前記センサー素子は、赤外線受光素子であることが好ましい。

本発明に係るセンサー用窓部材は、シリコン単結晶またはゲルマニウム単結晶から成る窓板と、この窓板の外周部に接合されたフランジとを具備したことから、センサー素子に信号を入出力すべき箇所のみに設けられるシリコン単結晶またはゲルマニウム単結晶の窓板の他は、フランジによって覆われるので、不要な近赤外線等のノイズが入り込み難くなる。また、窓に使用される単結晶のシリコンまたは単結晶のゲルマニウムの使用量を最小限に抑えてコストを低減することができる。

また好ましくは、窓板はフランジの一主面に接合されていることから、フランジと窓板との接合が容易で、気密信頼性が向上する。

また好ましくは、フランジの窓板との接合部には前記一主面から突出した突出部が設けられており、突出部の先端に窓板が接合されていることから、フランジと窓板との熱膨張差による応力が生じても突出部が適度に変形して応力を緩和するので、フランジおよび窓板との熱膨張差によってフランジまたは窓板が損傷する等を抑制できる。

また好ましくは、フランジは、鉄−ニッケル−コバルト合金から成ることから、フランジとセラミックスとの熱膨張が近似するようにでき、セラミックスから成る基体に接合しても基体にクラック等の破損が生じるのを抑制できる。

また好ましくは、フランジの他方の主面には、ゲッター膜が形成されていることから、ゲッター膜でパッケージ内部の希薄気体を吸着させ、パッケージ内部の真空状態を清純に保つことができる。

また好ましくは、ゲッター膜は複数に分割されたパターン状に配置されている場合、センサー用窓部材を基体に接合する接合材がゲッター膜全体に濡れ広がり難いようにできるので、接合材とゲッター膜との間の寸法を短くすることができ、センサー用パッケージを小型にすることができる。

本発明に係るセンサー用パッケージは、上面にセンサー素子を収容するための凹部が形成された基体と、この基体の凹部を塞ぐためのセンサー用窓部材とを具備することから、本発明のセンサー用窓部材を用いたノイズが入り込み難く、基体が破損し難く、安価なセンサー用パッケージとすることができる。

また好ましくは、基体は、セラミックスから成ることから、基体への配線の形成の自由度の高いセンサー用パッケージとすることができる。

本発明に係るセンサー装置は、センサー用パッケージと、凹部に載置固定され、センサー用窓部材によって封止されたセンサー素子とを具備することから、本発明のセンサー用パッケージを用いた動作信頼性が高く、安価なセンサー装置とすることができる。

また好ましくは、センサー素子は、赤外線受光素子であることから、窓板において受光した赤外線を正常に検知できるセンサー装置とすることができる。

以下、本発明のセンサー用窓部材およびそれを用いたセンサー用パッケージ（以下、パッケージともいう）ならびにセンサー装置について詳細に説明する。

本発明に係るセンサー装置を図１に示す。図１（ａ）は本発明のセンサー装置の実施の形態の一例を示す断面図、（ｂ）は本発明のセンサー装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。

図中、１は基体、１ａは凹部、２はセンサー用窓部材、２ａは窓板、６はフランジ、６ａは貫通孔、６ｂは突出部、６ｃは金属枠体、３はセンサー素子、８はゲッター膜である。

まず、本発明に係るセンサー用窓部材２ａについて、詳細に説明する。

図１において、本発明に係るセンサー用窓部材２は、単結晶のシリコン（Ｓｉ）または単結晶のゲルマニウム（Ｇｅ）から成る窓板２ａと、窓板２ａの外周部に接合されたフランジ６とを具備している。

この構成により、単結晶のシリコンまたは単結晶のゲルマニウムによって形成された窓板２ａは、センサー素子３に信号を入出力すべき箇所のみに設けられ、他の箇所はフランジによって覆われるので、不要な近赤外線等のノイズがパッケージの内側に入り込み難くなる。そのため、センサー素子３が影響されるノイズを受けることが少なくなり、センサー素子３の性能を発揮できるようになる。また、窓板２ａの面積が小さくなり、フランジとの熱膨張差によって窓板２ａまたはフランジ６に生ずる応力を小さくすることができる。かつ、フランジ６を介してシリコン単結晶またはゲルマニウム単結晶の窓板２ａが接合されるので、基体１に直接加わる窓板２ａとの熱膨張差による応力を低減することができる。また、窓板２ａとして用いる単結晶のシリコンまたは単結晶のゲルマニウムの使用量を最小限に抑えてコストを低減し、安価なものとすることができる。

窓板２ａは、単結晶のシリコンまたは単結晶のゲルマニウムから成るものである。窓板２ａを透過する光は単結晶基板であるため結晶粒界がなく、結晶粒界に含まれる不純物による光拡散が生じない。したがって、精度良くパッケージ外部から内部、また、パッケージ内部から外部へ窓板２ａに光を透過させることができる。また、窓板２ａの光が入射する主面に予め無反射コートを被着させることにより、窓板２ａ表面で反射する光を低減させることができる。

窓板２ａは、例えばフランジ６の一主面に金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）ロウ，金（Ａｕ）−ゲルマニウム（Ｇｅ）ロウ，銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）ロウ等を介して気密に接合される。

フランジ６は、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金や鉄−ニッケル合金等の金属、またはアルミナ質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）質セラミックス等のセラミックス、またはエポキシ樹脂等の樹脂等からなり、図１（ａ），図１（ｂ）に示すように光信号が入出力する箇所には貫通孔６ａが設けられている。図１（ａ），図１（ｂ）では、貫通孔６ａの周囲に窓板２ａ側に突出する突出部６ｂを設けた例を示している。図示しないが窓板２ａは突出部６ｂのない平板状に形成されていてもよい。

好ましくは、窓板２ａはフランジ６の一主面（図１ではパッケージの外側となる上面）に接合されているのがよい。窓板２ａとフランジ６との接合が容易となり、接合材を介して気密に接合し易くなる。

フランジ６は窓板２ａとともに基体１の凹部１ａ内部を気密に封止するためのものであり、基体１の凹部１ａ底面にセンサー素子３を接合材を用いて載置固定し、センサー素子３の電極を配線導体４に電気的接続手段５を介して電気的に接続した後、図１（ａ）に示すように基体１の上面に金−錫ロウ，金−ゲルマニウムロウ，銀−錫ロウ，樹脂接着剤等から成るセンサー用窓部材接合材７を用いてフランジ６を接合する。または、図１（ｂ）に示すように基体１の上面に銀−銅ロウ等から成る金属枠体接合材１０を用いて予め金属枠体６ｃを接合しておき、金属枠体６ｃに鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等の金属から成るフランジ６をシーム溶接法等の溶接法によって接合する。

フランジ６を金属枠体６ｃの上面にシーム溶接法等の溶接法によって接合する方法は、フランジ６の接合の作業性を向上することができるので、好ましい。また、シーム溶接法を用いた接合は、フランジ６と金属枠体６ｃとの接合部のみが局所的に加熱されるのみであるので、センサー素子３を凹部１ａに接合するための半田等の素子接合材が再溶融するのを防止することができる。

また、フランジ６に、鉄−ニッケル−コバルト合金を用いると、フランジ６とセラミックスとの熱膨張が近似するようになり、セラミックスから成る基体１に接合してもクラック等の破損が生じるのを抑制できる。その結果、基体１とフランジ６とを接合したときに、基体１に作用する基体１とフランジ６との熱膨張差による応力を緩和でき、基体１にクラック等の破損が生じ難くできる。そして、基体１の気密信頼性を向上することができる。また、フランジ６を基体１にシーム溶接法等によって効率良く接合することができる。

フランジ６の一方の主面には、ゲッター膜８を形成しておくと、ゲッター膜８で基体１内部の水素等の希薄気体を吸着させることができ、基体１内部を良好な真空状態に保つことができる。また、窓板２ａにゲッター膜８を形成しないので、窓板２ａの信号透過性が低下しない。

フランジ６には、耐蝕性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのニッケル層と、厚さ０．５〜５μｍの金（Ａｕ）層とを順次メッキ法により被着させておくとよい。金属層が酸化腐食するのを防止できるとともに、基体１との接合性を向上でき、また、ゲッター膜８の密着性もさらに向上することができる。

ゲッター膜８は、例えばジルコニウム（Ｚｒ），バナジウム（Ｖ）等の化学的に活性な金属から成り、これら活性な金属によって気体を吸着することができる。ゲッター膜８は、例えば300〜500℃程度の高温で数十分間保持することによって表面に吸着された気体原子が内部に取り込まれ、表面を再び活性化することができる。

ゲッター膜８は、フランジ６の他方の主面（図１においてはパッケージの内側となるフランジの下面）に例えば真空蒸着法によって被着形成される。

ゲッター膜８は、図２のセンサー用窓部材の下面図に示すように、フランジの他方の主面に複数に分割したパターン状に形成しておくとよい。基体１との接合の際に、ゲッター膜８の表面にセンサー用窓部材接合材７が接触しても、各セクターごとに分割して配置されたゲッター膜８の間を隔てる間隙８ａによってセンサー用窓部材接合材７がゲッター膜８の全体に濡れ拡がらないようにすることができる。したがって、センサー用窓部材接合材７とゲッター膜８との間の寸法を短いものとすることができる。

次に、本発明に係るセンサー用パッケージについて説明する。

図１において、本発明に係るセンサー用パッケージは、上面にセンサー素子３を収容するための凹部１ａが形成された基体１と、基体１の凹部１ａを塞ぐための上記構成のセンサー用窓部材２とを具備するものである。

この構成により、不要なノイズの影響を受け難く、基体１等が破損し難い、安価なセンサー用パッケージとすることができる。

基体１は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質セラミックス，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質セラミックス，ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）質セラミックス等、若しくは樹脂やガラスなどから成る。

基体１がセラミックスから成る場合、基体１への配線導体４の形成の自由度の高いセンサー用パッケージとすることができる。すなわち、センサー素子３の電極の位置、パッケージを外部電気回路基板と接続するための接続部の位置等に応じて、基体１に配線導体４を引き回すことができ、配線導体４の設計の自由度を向上することができる。また、パッケージの寸法精度の観点からもセラミックから成ることが好ましい。

基体１が、例えば、アルミナ質セラミックスから成る場合、以下のようにして作製される。

まず、アルミナ，酸化珪素（ＳｉＯ_２），酸化カルシウム（ＣａＯ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダや可塑剤，分散剤，溶剤等を添加混合して泥漿状となす。これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法でシート状となすことによって複数枚のセラミックグリーンシートを得る。

次に、これらのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し凹部１ａ等となる打ち抜き部を形成する。そして、凹部１ａの内面に配線導体４となるタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）等の金属粉末に適当なバインダ，溶剤を混合してなる導体ペーストを、セラミックグリーンシートの所定位置にスクリーン印刷法等によって所定パターンに印刷塗布することによって、凹部１ａの内面に配線導体４となる導体ペースト層を形成する。そして、これらの打ち抜き部と導体ペースト層が形成されたセラミックグリーンシートを積層し、還元雰囲気中で約１６００℃の温度で焼成することによってメタライズ金属層から成る配線導体４が形成されたセラミック製の基体１が製作される。

また、セラミックスから成る基体１において、後述するセンサー用窓部材２の接合部，センサー素子３の搭載部には、配線導体４と同様のタングステン，モリブデン，マンガン等から成るメタライズ金属層を被着形成しておくのがよい。この構成により、センサー用窓部材２およびセンサー素子３をそれぞれ金−錫ロウ，金−ゲルマニウムロウ，銀−錫ロウ，樹脂接着剤等から成るセンサー用窓部材接合材７，素子接合材を用いて、強固に接合固定することができる。

また、基体１の上面のフランジ６が接合される箇所には、好ましくは、図１（ｂ）に示すように鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金や鉄−ニッケル合金等の金属から成る金属枠体６ｃが設けられているのがよい。基体１が樹脂から成る場合、金属枠体６ｃは下側の一部をモールド成型で埋め込むことによって設けられる。金属枠体６ｃはプレス加工，切削加工，エッチング加工等の従来周知の金属加工法によって形成される。

なお、基体１の表面に形成された配線導体４，センサー用窓部材２接合用の金属層，センサー素子３接合用の金属層等の金属層には、耐蝕性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのニッケル層と、厚さ０．５〜５μｍの金（Ａｕ）層とを順次メッキ法により被着させておくとよい。

次に、本発明に係るセンサー装置について説明する。

図１において、本発明に係るセンサー装置は、凹部１ａの底面にセンサー素子３が載置固定され、かつ基体１の上面に本発明のセンサー用窓部材２が接合され、センサー素子３が凹部１ａに封止されてなる。この構成により、本発明のセンサー用パッケージを用いた動作信頼性が高く、安価なセンサー装置とすることができる。

センサー素子３は、例えばダイオード型またはボロメータ型等の半導体素子であり、凹部１ａの上側主面に接合材を介して載置固定される。素子接合材は、金−錫ロウ，金−ゲルマニウムロウ，銀（Ａｇ）−錫（Ｓｎ）ロウ，樹脂接着剤等から成る。

センサー素子３は、基体１の凹部１ａの底面に接合材を介して載置固定した後、センサー素子３の上面に設けられたセンサー素子３の電極を基体１の凹部１ａ内に設けられた配線導体４にボンディングワイヤ等の電気的接続手段５を介して電気的に接続する。そして、センサー用窓部材２に取り付けられた窓板２ａがセンサー素子３に対向するように位置合わせして、真空または窒素，不活性ガスの雰囲気内で基体１の上面にセンサー用窓部材２を接合し、パッケージ内部を真空または窒素，不活性ガスの雰囲気に保持した状態で気密に封止する。

また、図１（ａ），図１（ｂ）に示すパッケージの例においては、凹部１ａの内面には配線導体４が形成された棚部１ｂが設けられている。この配線導体４はセンサー素子３の電気信号の入出力用パッドとして機能する。配線導体４が基体１の内部から外部に導出され外部電気回路に接続されることで、センサー素子３と外部電気回路との間で電気信号の入出力が可能となり、センサー装置として機能するようになる。

本発明のセンサー装置において、好ましくは、センサー素子３が赤外線受光素子であるのがよく、この構成により、単結晶のシリコンまたは単結晶のゲルマニウムから成る窓板２ａを介して赤外線を透過させることができ、窓板２ａにおいて受光した赤外線を正常に検知できるセンサー装置とすることができる。

なお、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更を施すことは何等差し支えない。

（ａ）は本発明のセンサー装置の実施の形態の一例を示す断面図、（ｂ）は本発明のセンサー装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明のセンサー用窓部材の実施の形態の一例を示す下面図である。 従来のセンサー装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

１：基体
１ａ：凹部
２：センサー用窓部材
２ａ：窓板
３：センサー素子
６：フランジ
６ｂ：突出部
６ｃ：金属枠体
７：窓接合材
８：ゲッター膜
１０：金属枠体接合材

Claims (7)

1. シリコン単結晶またはゲルマニウム単結晶から成る窓板と、該窓板の外周部に一主面が接合されたフランジとを具備し、該フランジは、他方の主面にゲッター膜が形成されているとともに、該ゲッター膜は複数に分割されたパターン状に配置され、前記ゲッター膜の周囲にセンサー用窓部材接合材による接合部を有していることを特徴とするセンサー用窓部材。
2. 前記フランジの前記窓板との接合部には前記一主面から突出した突出部が設けられており、該突出部の先端に前記窓板が接合されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサー用窓部材。
3. 前記フランジは、鉄−ニッケル−コバルト合金から成ることを特徴とする請求項１または２記載のセンサー用窓部材。
4. 上面にセンサー素子を収容するための凹部が形成された基体と、該基体の前記凹部を塞ぐための請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のセンサー用窓部材と、該センサー用窓部材を前記基体に接合しているセンサー用窓部材接合材とを具備することを特徴とするセンサー用パッケージ。
5. 前記基体は、セラミックスから成ることを特徴とする請求項４に記載のセンサー用パッケージ。
6. 請求項４または請求項５記載のセンサー用パッケージと、前記凹部に載置固定され、前記センサー用窓部材によって封止されたセンサー素子とを具備するセンサー装置。
7. 前記センサー素子は、赤外線受光素子であることを特徴とする請求項６記載のセンサー装置。
   

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