JP5958929B2

JP5958929B2 - 光検出デバイス

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Publication number: JP5958929B2
Application number: JP2012030856A
Authority: JP
Inventors: 恵一郎林
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: JP2013168510A

Description

本発明は、可視光の光を検出する光検出デバイス及びその製造方法に関する。

フォトダイオードを用いた光検出デバイスが実用化されている。例えば、照明装置の自動点灯制御、液晶ディスプレイのバックライトの明るさの制御、携帯電話のキーパッドのバックライト制御、監視カメラの暗視野切り替え制御等の分野で光検知の手段とし使用されている。また、発光素子と組み合わせて近接センサを構成し、物体の有無や距離の測定にも使用されている。

光検出デバイスは多様な方式が実用化されている。その内で、人間が検知する光の視感度特性に近い視感度特性で光を検出する光検出デバイスが求められている。人間の感知することができる光の波長は３８０ｎｍ〜７８０ｎｍであり、このうち４４０ｎｍ〜７００ｎｍが主な感知波長領域である。光の波長によって同じ強度を持つ光でも、人間は明るく感じたり暗く感じたりする。波長ごとに人間が強く感じる明るさが異なり、これを相対的に示したものが標準視感度特性であり、波長が５００ｎｍ〜６００ｎｍの緑色付近にピークを持っている。従って、光検出デバイスで検出する光がこの標準視感度特性と近ければ、人間が感じるのと同じ感度で光を検出することができる。

特許文献１及び特許文献２には、検出感度の最も高い光の波長が可視光領域であるフォトダイオードと赤外光領域であるフォトダイオードの特性の異なる２つのフォトダイオードを用い、可視光で検出した検出値から赤外光で検出した検出値を減算処理し、標準視感度特性に変換する光検出器が記載されている。

また、特許文献３及び特許文献４には、光学フィルターを用いて波長特性を補正した入射光をフォトセンサーに入射して、標準視感度特性の光を検出する照度センサが記載されている。これは、屈折率の異なる多層膜からなる光干渉型のフィルターを用いているため、斜め方向から入射する光に対してフィルターの波長特性が変化する。そこで、フォトセンサーに入射する光の入射角が略一定となるように入射窓を設置している。

図４は、特許文献４に記載される半導体照度センサの構造を表す一部断面斜視図である（特許文献４の図１）。照度センサ１００は、基板１０８の上に半導体チップ１０７が設置され、半導体チップ１０７は周囲が光を通さない遮光層１０４により覆われている。半導体チップ１０７にはフォトダイオード等により構成される光検出素子１０２が設置される。光検出素子１０２の光検知面は光干渉型のフィルター１０１により覆われている。光検出素子１０２は可視光から赤外光の波長に感度を有している。光検出素子１０２により検出された出力電流は増幅器１０３により増幅され、ワイヤボンド１１０の配線を介して背面側に形成される電極１０９に伝達される。

光干渉型のフィルターは光の入射角度に応じてフィルター特性が変化し標準視感度特性からずれる。そこで、入射光の角度を限定してフィルター特性の変化を制限するために、遮光層１０４の中に入射導光路１０５を形成している。光は、光入射開口１０６から入射し、入射導光路１０５を通って光干渉型のフィルター１０１に入射し、標準視感度特性に補正された光が光検出素子１０２に到達する。これにより、人間が知覚する光に近い照度センサ１００を構成することができる、というものである。

特開２００９−２３８９４４号公報特開２００６−１４８０１４号公報特表２００７−５３６７２８号公報特開２００７−４８７９５号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の光検出器では、光の波長に対する検出特性の異なる２つのフォトダイオードを使用し、その２つのフォトダイオードの検出電流の減算処理等を行うための演算回路を形成する必要がある。そのため、部品点数や組立て工数が増加してコストアップとなることが避けられない。また、特許文献３及び特許文献４の照度センサでは、屈折率の異なる多層膜からなる光干渉型のフィルターを使用する。光干渉型のフィルターは高価であるからコストアップとなることが避けられない。加えて、入射光の入射角が限定的であることから、広視角が求められる光検出器には向かない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、人間の標準視感度特性に近い分光特性を持ち、検出精度が高く、しかも低コストで作製可能な光検出デバイスを提供することを目的とする。

本発明の光検出デバイスは、電極が形成される基板と、受光面を有し、前記基板に実装される光学チップと、リン酸塩ガラスを含み、前記受光面を覆う封止材と、を備えることとした。

また、前記基板はその表面に凹部を備え、前記電極は前記凹部の底面に露出し、前記光学チップは前記凹部の底面に実装され、前記封止材は前記凹部に充填されることとした。

また、前記封止材は、透光性の樹脂１００の重量に対して前記リン酸塩ガラス８０〜１２０の重量を有することとした。

また、前記リン酸塩ガラスは、五酸化燐、アルミナ、ホウ酸、アルカリ土類酸化物、酸化鉄を含むこととした。

また、前記透光性の樹脂は、透光性のエポキシ樹脂、アクリル樹脂又はシリコーン樹脂のいずれかであることとした。

また、前記リン酸塩ガラスは、前記透光性樹脂の中に粒子状に分散していることとした。

また、前記リン酸塩ガラスは、平均粒径が１μｍ〜３μｍであることとした。

また、前記基板はガラスであることとした。

本発明の光検出デバイスの製造方法は、基板に凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部の底面に光学チップを実装する実装工程と、リン酸塩ガラスの粒子が透光性の封止材料に分散する封止材を前記凹部に充填して固化する封止工程と、を備えることとした。

また、前記粒子の平均粒径が１μｍ〜３μｍであることとした。

また、前記封止材は、透光性の樹脂１００重量に対して前記リン酸塩ガラスが８０〜１２０重量を有することとした。

本発明の光検出デバイスは、電極が形成される基板と、受光面を有し、基板に実装される光学チップと、リン酸塩ガラスを含み、前記受光面を覆う封止材と、を備える。これにより、人間の標準視感度特性に近い分光特性を持ち、高精度の光検出デバイスを低コストで製造することができる。

本発明に係る光検出デバイスの基本構成を表す断面模式図である。本発明に係る光検出デバイスに使用する封止材の分光特性を表すグラフである。本発明の第一実施形態に係る光検出デバイスの説明図である。従来公知の半導体照度センサの構造を表す一部断面斜視図である。

（基本構成）
図１は、本発明に係る光検出デバイス１の基本構成を表す断面模式図である。図１に示すように、光検出デバイス１は、電極３が形成される基板２と、光を入射する受光面５を有し、基板２に実装される光学チップ４と、リン酸塩ガラスの粒子６を含み、受光面５を覆う封止材７とを備える。光学チップ４はフォトダイオードやその他の光検知機能を有する半導体チップから構成される。封止材７は、例えば透光性の封止材料からなり、リン酸塩ガラスの粒子６が分散している。光学チップ４は、基板２とは反対側の上面に受光面５が形成され、同じ表面に図示しない駆動用及び検出信号出力用の電極が形成される。基板２には電極３が形成され、光学チップ４の図示しない電極とワイヤー９により電気的に接続される。

リン酸塩ガラスは、波長が５００ｎｍ〜６００ｎｍの領域で透過光量が最大となり、標準視感度特性に近い分光特性を有する。封止材７は、このリン酸塩ガラスを透光性の封止材料中に分散して形成するので、封止材７には標準視感度特性に近い分光特性が付与され、光学フィルターとして機能する。また、リン酸塩ガラスは水分を吸収しやすく、水分を吸収すると白濁する。このリン酸塩ガラスを粉末状に粉砕して粒子６として封止材料に分散させることにより、リン酸塩ガラスを水分から保護している。

その結果、複数の光検出素子や標準視感度特性に合わせこむための演算回路等を必要とせず、また多層膜からなる高価な光干渉フィルターを使用することなく、標準視感度特性に近い光検出特性を有する光検出デバイスを低コストで形成することができる。以下、具体的に説明する。

透光性の封止材料として、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂などを使用することができる。粒子６は、五酸化燐（Ｐ_２Ｏ_５）が６５ｗｔ％〜７５ｗｔ％、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が５ｗｔ％〜１５ｗｔ％、ホウ酸（Ｂ_２Ｏ_３）が５ｗｔ％〜１０ｗｔ％、アルカリ土類酸化物が５ｗｔ％〜１５ｗｔ％及び酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_５）が１ｗｔ％〜１０ｗｔ％の組成を有する。封止材７は、透明性の封止材料１００の重量に対してリン酸塩ガラスが８０〜１２０の重量とする。リン酸塩ガラスが８０重量を下回ると標準視感度特性を備える光学フィルターとしての機能が低下し、１２０重量を超えると封止材７の中に粒子６を均質に分散させることが難しくなる。粒子６の平均粒径を０．１μｍから１０μｍ、好ましくは１μｍ〜３μｍとする。

図２は本発明の光検出デバイス１に使用する封止材７の分光特性を表すグラフである。横軸が光の波長であり縦軸が透過光の相対強度である。実線が封止材７の分光特性を表すグラフであり、破線が標準視感度特性を表すグラフである。封止材７は、相対強度のピーク波長が標準視感度特性のピーク波長よりも概ね５０ｎｍ長波長側にシフトしており、全体として長波長側に引き伸ばされる特性となっている。また、封止材７の分光特性は封止材７に入射する光の入射角にほとんど依存しない。

（第一実施形態）
図３は、本発明の第一実施形態に係る光検出デバイス１の説明図であり、図３（ａ）が光検出デバイス１の断面模式図であり、図３（ｂ）が封止材７を除いた光検出デバイス１の平面模式図である。図３（ａ）は図３（ｂ）の部分ＸＸの断面に相当する。

図３に示すように、光検出デバイス１は、第一基板２ａと、その上に接着され、中央にすり鉢状の円形開口を有する第二基板２ｂと、第一基板２ａの上面に実装され、第一基板２ａとは反対側に受光面５を有する光学チップ４と、第二基板２ｂの開口に充填される封止材７とを備える。封止材７にはリン酸塩ガラスの粒子６が分散され、標準視感度特性に近い分光特性を有する光学フィルターとして機能する。

第一基板２ａの光学チップ４が実装される上面には各辺の端面から光学チップ４が実装される周辺まで延設される４つの上面電極３ａが形成され、光学チップ４の受光面５に形成される図示しない電極とワイヤー９により電気的に接続される。第一基板２ａの光学チップ４が実装される上面とは反対側の下面ＢＰには４つの下面電極３ｂが形成され、４つの下面電極３ｂは４つの端面の配線を介して４つの上面電極３ａにそれぞれ電気的に接続される。第二基板２ｂの開口は上方に末広状に開口する凹部８を構成する。封止材７はその上面が凹部８の上端面ＴＰを超えないように充填される。

第一基板２ａ及び第二基板２ｂは黒色顔料が混入され、光を吸収する。例えば、第一及び第二基板２ａ、２ｂに黒色顔料を２０ｗｔ％以上添加すれば、基板の厚さを０．２ｍｍとしたときの光透過率を５％以下とすることができる。また、封止材７はその上面が上端面ＴＰよりも低くなるように充填される。そのため、光学チップ４の受光面５に対して背面方向や水平方向から入射する光は遮蔽され、上方から入射する光を検出する。上方から入射する光の入射角は、第二基板２ｂの開口径と凹部８の深さと封止材７の屈折率により決定される。

封止材７及び封止材７に分散させるリン酸塩ガラスの粒子６については図１の基本構成においてすでに説明したものと同様であり、説明を省略する。なお、本実施形態において粒子６は平均粒径が１μｍ〜３μｍである。第一及び第二基板２ａ、２ｂは、合成樹脂、ガラス、セラミックス等を使用することができる。第一及び第二基板２ａ、２ｂとして同じ合成樹脂を使用し、上面電極３ａ及び下面電極３ｂとして金属リードを使用し、この金属リードを合成樹脂に埋め込むように形成することができる。また、第一及び第二基板２ａ、２ｂとして同じガラスを使用し、同様に金属リードをガラスに埋め込むように形成することができる。第一及び第二基板２ａ、２ｂとして合成樹脂を使用すれば、低コストで光検出デバイス１を形成することができる。第一及び第二基板２ａ、２ｂとしてガラスを使用すれば、信頼性の高い光検出デバイスを形成することができる。

なお、本実施形態において光学チップ４の図示しない電極と第一基板２ａの上面電極３ａとをワイヤー９により電気的に接続したが、本発明はこの構成に限定されない。第一基板２ａの上面に光学チップ４を実装することに代えて、第一基板２ａに貫通孔を設け、第一基板２ａの裏面ＢＰに光学チップ４を平面実装することができる。この場合、第二基板２ｂを除去してもよい。封止材７は第一基板２ａの上面側から光学チップ４の受光面５を覆うように充填することができる。これにより、光学チップ４と基板上の電極とをワイヤーを用いて電気的に接続する必要がなく、光検出デバイス１を低背化、小型化することができる。

このように、光学チップ４の受光面５を、リン酸塩ガラスの粒子６を含む封止材７により覆う構造としたことにより、複数の光検出素子や標準視感度特性に合わせこむための演算回路等を必要とせず、また多層膜からなる高価な光干渉型のフィルターを使用することなく、標準視感度特性に近い分光特性を有する光検出デバイスを低コストで形成することができる。

（第二実施形態）
本発明の第二実施形態に係る光検出デバイス１の製造方法を説明する。以下の説明において各構成要素に付す符号は図１又は図３に示す符号に対応する。まず、凹部形成工程において、基板２に凹部８を形成する。凹部８は、合成樹脂やガラスを使用する第一基板２ａと同じ合成樹脂やガラスを使用し、中央部に開口を形成した第二基板２ｂとを接着して形成することができる。また、合成樹脂やガラスを使用し、型成型により凹部８を形成することができる。これらの場合、あらかじめ電極となるリードを形成し、第一基板２ａと第二基板２ｂの接合の際に埋め込む、或いは型成型の際に埋め込むことができる。第一及び第二基板２ａ、２ｂには黒色顔料を混入して遮光性の基板とする。

次に、実装工程において、凹部８の底面に光学チップ４を実装する。まず、凹部８の底面に接着剤により光学チップ４を接着し、次にワイヤーボンディングにより光学チップ４上の電極と凹部８の底面に露出する電極３とをワイヤー９により接続する。

次に、封止工程において、粒状のリン酸塩ガラスを透光性の封止材料に混入して攪拌し、リン酸塩ガラスの粒子６が分散する封止材７を作成し、この封止材７を凹部８に充填して固化する。封止材料として光透光性が高いエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂などを使用することができる。リン酸塩ガラスは、主原料として液体燐酸（Ｈ_３ＰＯ_４）を使用し、他の原料粉末とともに攪拌し、その後乾燥、焼成した後に粉砕してリン酸塩ガラスの粒子を生成する。リン酸塩ガラスは、Ｐ_２Ｏ_５が６５ｗｔ％〜７５ｗｔ％、Ａｌ_２Ｏ_３が５ｗｔ％〜１５ｗｔ％、Ｂ_２Ｏ_３が５ｗｔ％〜１０ｗｔ％、アルカリ土類酸化物が５ｗｔ％〜１５ｗｔ％及びＦｅ_２Ｏ_５が１ｗｔ％〜１０ｗｔ％の組成を有する。これを封止材７として凹部８に空気を巻き込まないようにしてディスペンサを用いて充填する。その後、真空脱泡を行い加熱して硬化させる。なお、封止材７を凹部８に充填する際に、封止材７の上端面が凹部８の上端面ＴＰよりも低くなるようにする。これにより、入射光の角度を制限することができる。

以上のとおり、人間の標準視感度特性に近い分光特性を有し、信頼性の高い光検出デバイスを簡単でかつ安価に製造することができる。

１光検出デバイス
２基板、２ａ第一基板，２ｂ第二基板
３電極、３ａ上面電極、３ｂ下面電極
４光学チップ
５受光面
６粒子
７封止材
８凹部
９ワイヤー
ＴＰ上端面、ＢＰ裏面

Claims

電極が形成される基板と、
受光面を有し、前記基板に実装される光学チップと、
リン酸塩ガラスを含み、前記受光面を覆う封止材と、を備え、
前記封止材は、透光性の樹脂の中に前記リン酸塩ガラスが粒子状に分散し、前記透光性の樹脂１００の重量に対して前記リン酸塩ガラス８０〜１２０の重量を有し、
前記リン酸塩ガラスは、五酸化燐、アルミナ、ホウ酸、アルカリ土類酸化物、酸化鉄を含み、平均粒径が１μｍ〜３μｍであり、
前記封止材の分光特性は、透過光の相対強度のピーク波長が標準視感度特性のピーク波長よりも概ね５０ｎｍ長波長側にシフトし、全体として前記標準視感度特性を長波長側に引き伸ばした特性を有する光検出デバイス。
前記基板はその表面に凹部を備え、
前記電極は前記凹部の底面に露出し、
前記光学チップは前記凹部の底面に実装され、
前記封止材は前記凹部に充填される請求項１に記載の光検出デバイス。
前記透光性の樹脂は、透光性のエポキシ樹脂、アクリル樹脂又はシリコーン樹脂のいずれかである請求項１又は２に記載の光検出デバイス。
前記基板はガラスである請求項１〜３のいずれか一項に記載の光検出デバイス。