JP5855590B2 - 光源一体型光センサ - Google Patents

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Description

本発明は、光源一体型光センサに関する。
基板上に不透明な樹脂を挟んで発光チップおよび受光チップを設け、これら発光チップおよび受光チップを透明樹脂で覆った光源一体型光センサが知られている（特許文献１参照）。
米国特許出願公開第２０１０／０２５８７１０号明細書
従来技術では、発光チップで発生する熱が受光チップ側へ伝わることによって、受光チップ上の透明樹脂の表面の平坦形状が損なわれ変形したり、受光チップ上の透明樹脂が変質や変色したりするおそれがあった。受光チップ上の透明樹脂の表面の変形や変色は、受光感度の低下など受光特性の劣化につながる。
本発明による光源一体型光センサは、基板上の所定領域に設けられた受光部と、前記基板上の前記受光部と異なる領域に設けられた発光部と、前記受光部上に前記受光部を覆うように設けられた第１透光部材と、前記第１透光部材と空間を介して設けられ、前記発光部上に前記発光部を覆うように設けられた第２透光部材と、前記空間の一部に形成された導熱性材料によって構成される遮光部材と、前記空間に対応する部分の前記基板に設けられ、前記導熱性材料に熱伝導可能に設けられたスルーホールと、前記第１透光部材と前記遮光部材との間および前記第２透光部材と前記遮光部材との間の少なくとも一方に設けられた不透明樹脂と、を備えることを特徴とする。
また、本発明による光源一体型光センサは、基板上の所定領域に設けられた受光部と、前記基板上の前記受光部と異なる領域に設けられた発光部と、前記受光部上に前記受光部を覆うように設けられた第１透光部材と、前記第１透光部材と空間を介して設けられ、前記発光部上に前記発光部を覆うように設けられた第２透光部材と、前記第１透光部材のみにおける前記空間側に設けられた不透明樹脂と、を備え、前記不透明樹脂と前記第２透光部材との間に空隙が形成されていることを特徴とする。
さらに、本発明による光源一体型光センサは、基板上の所定領域に設けられた受光部と、前記基板上の前記受光部と異なる領域に設けられた発光部と、前記受光部上に前記受光部を覆うように設けられた第１透光部材と、前記第１透光部材と空間を介して設けられ、前記発光部上に前記発光部を覆うように設けられた第２透光部材と、前記第１透光部材における前記空間側に設けられた第１の不透明樹脂と、前記基板上における前記受光部の外周に、前記受光部の上面を露出するように前記第１透光部材の下面に積層して設けられた第２の不透明樹脂と、記第２透光部材における前記空間側に設けられた第３の不透明樹脂と、前記基板上における前記発光部の外周に、前記発光部の上面を露出するように前記第２透光部材の下面に積層して設けられた第４の不透明樹脂と、を備えることを特徴とする。
本発明による光源一体型光センサでは、発光部からの熱による特性劣化を抑えられる。
本発明の一実施の形態による光源一体型光センサの断面図である。 図２(a)、図２(b)、図２(c)、図８(d)は、光源一体型光センサの製造方法を説明する図である。 変形例１による光源一体型光センサの断面図である。 変形例２による光源一体型光センサの断面図である。 変形例３による光源一体型光センサの断面図である。 変形例４による光源一体型光センサの断面図である。 変形例８による光源一体型光センサの断面図である。 図８(a)、図８(b)、図８(c)は、光源一体型光センサの製造方法を説明する図である。
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態による光源一体型光センサ１の断面図である。光源一体型光センサ１は、発光素子および受光素子を一体に構成したものであり、例えば、発光素子から発した光が外部対象物で反射され、その反射光が受光素子で受光されるか否かに基づいて外部対象物の存否を判定する用途などに用いられる。
図１において、有機材料、セラミック、リードフレームなどで構成される基板１０の上面に、受光素子（フォトダイオード）および周辺回路を有する受光チップ（PDIC）２０が設けられている。受光チップ２０は、ボンディングワイヤ２１、２２によって基板１０上のパターン１１、１２と接続されている。
基板１０の上面にはさらに、発光素子で構成される発光チップ３０が設けられている。発光チップ３０は、例えば発光ダイオード（LED）であり、発光チップ３０のアノード電極およびカソード電極のうち一方が、金属で構成されたスルーホール１５を介して、基板１０の下面に形成されているパターン１４と接続される。発光チップ３０の他方の電極は、ボンディングワイヤ３１によって基板１０上の図示しないパターンと接続されている。
上記受光チップ２０および発光チップ３０の間には空間６０が設けられ、空間６０を挟んで受光チップ２０側に不透明樹脂５１Ａが、発光チップ３０側に不透明樹脂５１Ｂが、それぞれ設けられている。不透明樹脂５１Ｂの高さについては、少なくとも発光チップ３０から受光チップ２０側へ射出される光を遮蔽して、受光チップ２０が発光チップ３０からの直接光を受光しない高さが確保される。不透明樹脂５１Ａの高さは、不透明樹脂５１Ｂの高さと略同じである。不透明樹脂５１Ａは、空間６０へ入射された外光を受光チップ２０が受光しないように設けられる。
不透明樹脂５１Ａの受光チップ２０側には、受光チップ２０およびボンディングワイヤ２１、２２を覆う透明樹脂４１Ａが設けられる。また、不透明樹脂５１Ｂの発光チップ３０側には、発光チップ３０およびボンディングワイヤ３１を覆う透明樹脂４１Ｂが設けられる。
なお、基板１０上のパターン１１、１２は、スルーホール１５と同様の他のスルーホール、または、図示しない貫通ビアを介して基板１０の下面に形成されているパターン１３などと接続されている。
上述した光源一体型光センサ１の製造方法について、図２を参照して説明する。図２(a)において、パターンが形成されている回路基板１０の上面の所定位置に受光チップ２０をダイマウントする。発光チップ３０を、スルーホール１５と接続されているパターン上にダイマウントする。続いて、受光チップ２０の複数の電極と、基板１０のパターン１１、１２および他のパターンとの間をそれぞれボンディングワイヤ２１、２２、および不図示のボンディングワイヤでボンディング接続する。また、発光チップ３０の上側の電極と、基板１０の所定パターンとの間をボンディングワイヤ３１によってボンディング接続する。
図２(b)において、受光チップ２０およびボンディングワイヤ２１、２２、発光チップ３０およびボンディングワイヤ３１をそれぞれ覆うように、透明樹脂４１で封止する。図２(c)において、受光チップ２０および発光チップ３０間において、透明樹脂４１の一部を基板１０の表面に到達するまで切削するダイシング加工を施す。これにより、透明樹脂４１が透明樹脂４１Ａと４１Ｂに分離される。なお、切削の深さは、基板１０の表面より深くしてもよい。
図２(d)において、透明樹脂４１Ａと４１Ｂとの間に不透明樹脂５１を充填する。不透明樹脂５１には、熱伝導率が低い断熱性材料を用いる。そして、充填した不透明樹脂５１の一部を基板１０の表面に到達するまで切削するダイシング加工を施す。これにより、不透明樹脂５１が不透明樹脂５１Ａと５１Ｂに分離され、図１に例示した光源一体型光センサ１が得られる。
以上説明した第一の実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）光源一体型光センサ１は、基板１０上の所定領域に設けられた受光チップ２０と、基板１０上の受光チップ２０と異なる領域に設けられた発光チップ３０と、受光チップ２０上に当該受光チップ２０を覆うように設けられた透明樹脂４１Ａと、透明樹脂４１Ａと空間６０を介して設けられ、発光チップ３０上に当該発光チップ３０を覆うように設けられた透明樹脂４１Ｂと、空間６０の一部に形成された不透明樹脂５１Ａ，５１Ｂとを備えるようにしたので、発光チップ３０からの熱による影響を抑えることができる。具体的には、受光チップ２０を覆う透明樹脂４１Ａの表面が熱により変形したり、透明樹脂４１Ａが変色したりすることを防止するので、受光特性の劣化が抑えられる。また、受光チップ２０が発光チップ３０からの直接光を受光せず、さらに、透明樹脂４１Ａと透明樹脂４１Ｂとの間の空間６０へ入射された外光も受光チップ２０が受光しないから、不要光の受光を排除できる。
（２）上記（１）の光源一体型光センサ１において、不透明樹脂５１Ａ，５１Ｂを断熱性材料で構成したので、発光チップ３０から受光チップ２０を覆う透明樹脂４１Ａへの熱伝導が緩和される。これにより、発光チップ３０からの熱による影響（受光特性の劣化）を抑えることができる。
（３）上記（１）の光源一体型光センサ１において、受光チップ２０を透明樹脂４１Ａで覆うので、ガラス材に比べて軽量でコストが低く押されられる。
（変形例１）
図３は、変形例１による光源一体型光センサ１Ｂの断面図である。図３による光源一体型光センサ１Ｂは、上述した光源一体型光センサ１と比べて、空間６０の受光チップ２０側にのみ、不透明樹脂５１が設けられている点で異なる。
変形例１の光源一体型光センサ１Ｂについては、図２(d)に例示した不透明樹脂５１の透明樹脂４１Ｂ側において、不透明樹脂５１の一部を基板１０の表面に到達するまで切削するダイシング加工を施す。この加工により、空間６０の受光チップ２０側にのみ不透明樹脂５１が残り、空間６０の発光チップ３０側には不透明樹脂が残らない。不透明樹脂５１を設けることで、空間６０へ外光が入射されたとしても、受光チップ２０で受光しないように外光を遮光できる。なお、上記切削の深さは、基板１０の表面より深くしてもよい。
変形例１の場合も、空間６０を設けたことによって発光チップ３０側から受光チップ２０側への熱伝導が緩和されるため、受光チップ２０を覆う透明樹脂４１Ａの表面が熱により変形したり、透明樹脂４１Ａが変色したりすることを防止できる。
（変形例２）
図４は、変形例２による光源一体型光センサ１Ｃの断面図である。図４による光源一体型光センサ１Ｃは、上述した光源一体型光センサ１と比べて、透明樹脂４１Ａの空間６０に面する側面に、遮光膜５１Ｃが形成されている点で異なる。
変形例２の光源一体型光センサ１Ｃにおいては、図２(c)に例示した透明樹脂４１Ａの右側面（空間側）に対し、所定の金属材料をスパッタ蒸着して遮光膜５１Ｃを形成する。これにより、空間６０を挟んで透明樹脂４１Ａおよび透明樹脂４１Ｂが分離された状態で、空間６０へ入射された外光が受光チップ２０で受光されないように遮光できる。
変形例２の場合も、空間６０を設けたことによって発光チップ３０側から受光チップ２０側への熱伝導が緩和されるため、受光チップ２０を覆う透明樹脂４１Ａの表面が熱により変形したり、透明樹脂４１Ａが変色したりすることを防止できる。
（変形例３）
図５は、変形例３による光源一体型光センサ１Ｄの断面図である。図５による光源一体型光センサ１Ｄは、図１の光源一体型光センサ１と比べて、空間６０内に熱伝導率が高い材料、例えば金属板７０を設けている点、および金属板７０の直下となる位置に合わせてスルーホール１６が形成される点で異なる。
変形例３の光源一体型光センサ１Ｄにおいては、基板１０にスルーホール１６が追加形成された基板１０Ｂに対して光源一体型光センサ１と同様の処理を施した上で、スルーホール１６の真上に導熱性材料である金属板７０を設ける。発光チップ３０側から金属板７０へ伝わった熱に関しては、スルーホール１６を介して基板１０Ｂの下面側パターン１７から放熱可能である。
なお、金属板７０と不透明樹脂５１Ｂとの間には、発光チップ３０側の熱を金属板７０へ吸収しやすくするために充填剤を塗布して隙間を埋めるとよい。また、金属板７０と不透明樹脂５１Ａとの間は、両者間の熱伝導を避けるために空隙を設けておくとよい。金属板７０がスルーホール１６上に位置するため、発光チップ３０側の熱が金属板７０に伝わった場合には、スルーホール１６を介して基板１０下側へ効率よくその熱を逃がせる。
変形例３の場合は、不透明樹脂５１Ａ，５１Ｂおよび金属板７０を設けたことによって発光チップ３０側から受光チップ２０側への熱伝導が緩和されるため、受光チップ２０を覆う透明樹脂４１Ａの表面が熱により変形したり、透明樹脂４１Ａが変色したりすることを防止できる。
（変形例４）
図６は、変形例４による光源一体型光センサ１Ｅの断面図である。図６による光源一体型光センサ１Ｅは、図３の光源一体型光センサ１Ｂと比べて、空間６０内に熱伝導率が高い材料、例えば金属板７０を設けている点、および金属板７０の直下となる位置に合わせてスルーホール１６が形成される点で異なる。
変形例４の光源一体型光センサ１Ｅにおいては、基板１０にスルーホール１６が追加形成された基板１０Ｂに対して光源一体型光センサ１Ｂと同様の処理を施した上で、スルーホール１６の真上に導熱性材料である金属板７０を設ける。発光チップ３０側から金属板７０へ伝わった熱に関しては、スルーホール１６を介して基板１０Ｂの下面側パターン１７から放熱可能である。
変形例４の場合は、不透明樹脂５１および金属板７０を設けたことによって発光チップ３０側から受光チップ２０側への熱伝導が緩和されるため、受光チップ２０を覆う透明樹脂４１Ａの表面が熱により変形したり、透明樹脂４１Ａが変色したりすることを防止できる。
（変形例５）
変形例３または変形例４において、金属板７０を設ける場合には不透明樹脂５１Ａ，５１Ｂまたは不透明樹脂５１を省略してもよい。この場合は、発光チップ３０から受光チップ２０側へ射出される直接光を金属板７０によって遮蔽させる。
（変形例６）
上述した説明では、空間６０の深さを基板１０の表面に到達する深さにする例を説明した。この代わりに、基板１０の表面に達する深さにしなくても熱的な影響を緩和できる場合には、空間６０の深さを基板１０まで到達しない途中の深さにとどめた構成にしてもよい。
（変形例７）
受光チップ２０、発光チップ３０と基板１０のパターンとの間をボンディング接続する例を説明したが、これ以外の接続方法、例えばフリップチップ接続やＴＡＢ接続を用いてもよい。
（変形例８）
図７は、変形例８による光源一体型光センサ１Ｐの断面図である。図７による光源一体型光センサ１Ｐは、第一の実施形態による光源一体型光センサ１と比べて、基板１０上に不透明樹脂の層１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄが積層されている点で異なる。
変形例８の光源一体型光センサ１Ｐの製造方法について、図２(a)および図８を参照して説明する。図２(a)に例示した回路基板１０の上に、受光チップ２０および発光チップ３０の外周面にそれぞれ接するように不透明樹脂１８を塗布して、不透明樹脂１８からなる遮光層を設ける。図８(a)において、受光チップ２０の左側に不透明樹脂１８Ａが形成され、受光チップ２０および発光チップ３０の間に不透明樹脂１８が形成され、発光チップ３０の右側に不透明樹脂１８Ｄが形成される。
次に、受光チップ２０およびボンディングワイヤ２１、２２と、発光チップ３０およびボンディングワイヤ３１と、上記不透明樹脂１８Ａ、１８、１８Ｄとを、それぞれ透明樹脂４１で封止する。図８(b)において、受光チップ２０および発光チップ３０間において、透明樹脂４１および不透明樹脂１８の一部を基板１０の表面より深く切削するダイシング加工を施す。これにより、透明樹脂４１が透明樹脂４１Ａと４１Ｂに分離され、不透明樹脂１８が不透明樹脂１８Ｂと１８Ｃに分離される。
図８(c)において、切削した空間に不透明樹脂５１を充填する。不透明樹脂５１には、熱伝導率が低い断熱性材料を用いる。そして、充填した不透明樹脂５１の一部を当該不透明樹脂５１が充填されている空間の底（すなわち基板１０）に到達するまで切削するダイシング加工を施す。これにより、不透明樹脂５１が不透明樹脂５１Ａと５１Ｂに分離され、図７に例示した光源一体型光センサ１Ｐが得られる。
変形例８による光源一体型光センサ１Ｐは、光源一体型センサ１と同様の作用効果を奏する。光源一体型光センサ１Ｐはさらに、基板１０上に不透明樹脂の層１８を積層し、不透明樹脂の層１８による遮光層より深く切削した空間６０内に、不透明樹脂５１Ａ、５１Ｂを不透明樹脂１８Ｂ、１８Ｃとそれぞれ接するように形成したので、発光チップ３０からの光が基板１０内を伝わって受光チップ２０へ到達する、いわゆる光抜けを抑止できる。
以上の説明はあくまで一例であり、上記の実施形態の構成に何ら限定されるものではない。上述した実施形態および各変形例の構成は、適宜組み合わせても構わない。
１、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｐ…光源一体型光センサ
１０、１０Ｂ…基板
１１、１２、１３、１４、１７…パターン
１５、１６…スルーホール
１８、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ、５１、５１Ａ、５１Ｂ…不透明樹脂
２０…受光チップ
２１、２２、３１…ボンディングワイヤ
３０…発光チップ
４０、４１Ａ、４１Ｂ…透明樹脂
５１Ｃ…遮光膜
６０…空間
７０…金属板

Claims (5)

  1. 基板上の所定領域に設けられた受光部と、
    前記基板上の前記受光部と異なる領域に設けられた発光部と、
    前記受光部上に前記受光部を覆うように設けられた第１透光部材と、
    前記第１透光部材と空間を介して設けられ、前記発光部上に前記発光部を覆うように設けられた第２透光部材と、
    前記空間の一部に形成された導熱性材料によって構成される遮光部材と、
    前記空間に対応する部分の前記基板に設けられ、前記導熱性材料に熱伝導可能に設けられたスルーホールと、
    前記第１透光部材と前記遮光部材との間および前記第２透光部材と前記遮光部材との間の少なくとも一方に設けられた不透明樹脂と、を備えることを特徴とする光源一体型光センサ。
  2. 請求項１に記載の光源一体型光センサにおいて、
    前記不透明樹脂は、前記第１透光部材と前記遮光部材との間および前記第２透光部材と前記遮光部材との間の両方に設けられていることを特徴とする光源一体型光センサ。
  3. 請求項１または２に記載の光源一体型光センサにおいて、
    前記第１透光部材と前記遮光部材との間に設けられた前記不透明樹脂と、前記遮光部材との間に空隙が形成されていることを特徴とする光源一体型光センサ。
  4. 基板上の所定領域に設けられた受光部と、
    前記基板上の前記受光部と異なる領域に設けられた発光部と、
    前記受光部上に前記受光部を覆うように設けられた第１透光部材と、
    前記第１透光部材と空間を介して設けられ、前記発光部上に前記発光部を覆うように設けられた第２透光部材と、
    前記第１透光部材のみにおける前記空間側に設けられた不透明樹脂と、を備え、
    前記不透明樹脂と前記第２透光部材との間に空隙が形成されていることを特徴とする光源一体型光センサ。
  5. 基板上の所定領域に設けられた受光部と、
    前記基板上の前記受光部と異なる領域に設けられた発光部と、
    前記受光部上に前記受光部を覆うように設けられた第１透光部材と、
    前記第１透光部材と空間を介して設けられ、前記発光部上に前記発光部を覆うように設けられた第２透光部材と、
    前記第１透光部材における前記空間側に設けられた第１の不透明樹脂と、
    前記基板上における前記受光部の外周に、前記受光部の上面を露出するように前記第１透光部材の下面に積層して設けられた第２の不透明樹脂と、
    記第２透光部材における前記空間側に設けられた第３の不透明樹脂と、
    前記基板上における前記発光部の外周に、前記発光部の上面を露出するように前記第２透光部材の下面に積層して設けられた第４の不透明樹脂と、を備えることを特徴とする光源一体型光センサ。
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