JP6036113B2 - 気密封止構造の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、機能素子を気密封止する気密封止構造、及び気密封止構造の製造方法に関する。

赤外線センサ、ジャイロセンサ、温度センサなどの機能素子を気密封止したパッケージや装置においては、小型化、高性能化、低コスト化などが要求されている。特に、夜間のセキュリティ用監視カメラや、サーモグラフィなどに用いられている赤外線センサを実装したパッケージや装置では、中空部が高真空にされた気密封止構造が求められている。

一般に、赤外線センサとしては、量子型赤外線センサと熱型赤外線センサとがある。この熱型赤外線センサは、量子型赤外線センサと比較すると温度の追従性に劣るが、相対的な熱量を検出する方式であるため、非冷却方式とすることが可能であり、構造を単純化できる。そのため、熱型赤外線センサは、製造コストを低く抑えることが可能である。

上述の熱型赤外線センサを搭載した気密封止構造では、赤外線が赤外線センサの受光部に吸収されることによって、受光部周辺の温度が変化し、この温度変化に伴う抵抗変化を信号として検出する。
ここで、高感度に信号を検出するためには、受光部を熱的に絶縁する必要がある。そのため、受光部を中空に浮かせた構造とするか、または赤外線センサ自体を真空容器内に配置することにより、熱的な絶縁性を確保している。

上記のような気密封止構造として、例えば特許文献１、特許文献２には、機能素子が搭載された基板と、機能素子を覆うキャップとを備えた構造が開示されている。特許文献１に記載の気密封止構造では、キャップには孔が形成され、真空チャンバ内で真空排気を実施し、キャップ内部を真空にした後に、孔上部をはんだで封止した構成とされている。また、特許文献２に記載の気密封止構造では、基板に孔が形成されており、この孔を通じてキャップ内部の中空部を真空にし、所定の真空度に達した後に真空排気装置内に予め用意したプラグ（封止部材）を孔に挿入して封止した構成とされている。

再公表ＷＯ２０１０／０１０７２１号公報 特開２００３−２３９８６０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の気密封止構造のように、真空排気した後に、真空チャンバ内で孔をはんだで封止する場合、はんだを所定位置に搬送するための搬送機構が必要となったり、はんだを接合するための装置が必要となったりするので、真空チャンバの容積が大きくなり、真空引きに過剰な時間がかかる。また、接合するためには、真空中において加熱及び冷却が必要となるが、真空中では断熱となるので、チャンバから取り出すまでに時間がかかってしまう。したがって、真空中での製造工程に長時間を費やすため、生産能力が低下し、製造コストが高くなる問題が生じる。

また、特許文献２に記載の気密封止構造では、プラグにはゲッタが充填されており、プラグの温度が高温まで上昇してプラグが熱膨張し、さらにプラグには繰り返し熱サイクルが負荷されることで基板とプラグとの気密が阻害されるおそれがある。

この発明は前述した事情に鑑みてなされたものであって、気密封止の信頼性を向上させるとともに製造コストを低く抑えることができる気密封止構造、及び気密封止構造の製造方法を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するため、本発明の気密封止構造は、機能素子を搭載する基板と、前記機能素子を覆い前記基板上に配置され、真空排気をするための孔が形成されたキャップと、前記真空排気をしながら、前記孔に挿入または圧入可能に設けられたピンと、を備えることを特徴としている。
また、本発明の気密封止構造の製造方法は、基板上に機能素子を搭載する素子搭載工程と、前記機能素子を覆うように、真空排気を行うための孔が形成されたキャップを前記基板上に接合するキャップ形成工程と、真空チャンバ内にて真空排気をする真空排気工程と、所定の真空度に保たれた状態でピンを挿入または圧入する封止工程と、を備えることを特徴としている。

本発明によれば、気密封止の信頼性を向上させるとともに製造コストを低く抑えることができる気密封止構造、及び気密封止構造の製造方法を提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る気密封止構造の断面図である。 第一実施形態に係る気密封止構造の製造方法を説明するフロー図である。 第一実施形態に係る気密封止構造の製造方法の概略を示す図である。 第二実施形態に係る気密封止構造の断面図である。 第三実施形態に係る気密封止構造の断面図である。 第三実施形態に係る気密封止構造の製造方法の概略を示す図である。 第三実施形態の変形例１に係る気密封止構造の断面図である。 第三実施形態の変形例２に係る気密封止構造の断面図である。 他の実施形態に係る気密封止構造の断面図である。

（第一実施形態）
以下に、本発明の実施の形態について添付した図面を参照して説明する。
第一実施形態の気密封止構造１は、図１に示すように、機能素子１０を搭載する基板２０と、機能素子１０を覆い基板２０上に配置されたキャップ３０と、ピン４０と、を備えている。この気密封止構造１のキャップ３０の内部は、真空状態に気密封止されている。
機能素子１０は、例えば赤外線センサ、ジャイロセンサ、温度センサなどが挙げられ、本実施形態においては、赤外線センサとされている。

基板２０は、上面側に配線パターン（図示なし）を有しており、機能素子１０と配線パターンとが、例えばワイヤーボンディング１１で電気的に接続されている。
キャップ３０は、側壁３１と天面３２とを備え、一方向（図１において下方）に開口している。側壁３１の開口端は、基板２０と接合されている。天面３２には、赤外線を透過するための窓３３が、接合により形成されている。この窓３３の下方に機能素子１０が配置されている。

さらに、天面３２には、この天面３２を貫通する孔３４が形成されている。この孔３４は、後述する気密封止構造の製造方法において、真空排気時の排気口として機能するものである。
この孔３４には挿入または圧入可能とされたピン４０が設けられている。このピン４０は、ピン４０の先端側を孔３４に挿通でき、基端側をキャップ３０と係合できるようになっている。本実施形態においては、ピン４０がキャップ３０の外方から孔３４に圧入されている。
さらに、ピン４０と、天面３２の上面との間（図１において、孔３４の上面）には、接合パッド４１が介在されている。すなわち孔３４の位置に合わせて、接合パッド４１が配置されている。

接合パッド４１は、例えば、めっき、スパッタリング、または蒸着などによって形成されるものであり、ピン４０が接合パッド４１側に押付けられたときに、接合パッド４１が塑性変形しやすくなじみやすい材料で構成されている。すなわち、ピン４０が接合パッド４１側に加圧されたときにピン４０と接合パッド４１との間に生じる隙間を埋めることができる材料を選択する。
具体的には、接合パッド４１に金めっき膜を用いた場合、ピン４０の表面にも金めっき膜を形成する。後に、はんだ接合されるため、金の溶解によるキャップ３０（天面３２）との密着を考慮して、下地層としてチタン、Ｎｉなどの層を設けておくことが好ましい。

ここで、ピン４０の外径と孔３４の内径は、接合パッド４１を形成するときに孔３４の内壁に付着する膜厚を考慮した設計とし、ピン４０の圧入に適した寸法とする。
本実施形態においては、ピン４０と接合パッド４１を覆うように、はんだ５０によって接合されている。はんだ材料として、窓３３を天面３２に形成するときやキャップ３０を基板２０に接合するときに用いられる材料よりも融点の低い材料を用いることにより、はんだ接合時の熱が他の接合箇所へ影響を与えることを抑制できる。

次に、本実施形態に係る気密封止構造の製造方法について図２のフロー図及び図３を用いて説明する。
まず、機能素子１０を基板２０上に接合し、基板２０上の配線パターンと機能素子１０とをワイヤーボンディングなどで電気的に接続する（素子接合工程Ｓ１）。
次に、図３（ａ）に示すように、窓３３が所定の位置に形成されたキャップ３０を基板２０上の所定の位置に接合する（キャップ接合工程Ｓ２）。ここで、キャップ３０には予め孔３４が形成されており、孔３４の上面（孔３４の開口近傍）には接合パッド４１が設けられている。

次いで、図３（ｂ）に示すように、上述のように部材を配置した基板２０を真空チャンバ６０内に配置し、真空排気を実施する（真空排気工程Ｓ３）。
ここで、必要に応じて真空チャンバ６０内の内壁や基板２０及び基板２０上に配置された各部材が吸着しているガス成分を除去するために、加熱ベークをしながら真空排気を実施する（加熱ベーク工程Ｓ４）。
こうして、所定の真空度に到達した後に、キャップ３０の内部を真空に保った状態でピン４０を挿入、加圧する（ピン挿入工程Ｓ５（封止工程））。すなわち、ピン４０は孔３４に圧入される。このとき、ピン４０を接合パッド４１に押圧し、接合パッド４１を変形させながら、ピン４０と接合パッド４１とを圧着接合する。

次に、ピン４０がキャップ３０の上面において気密を保ちながら仮固定された状態で、真空チャンバ６０より基板２０を取り出す（取り出し工程Ｓ６）。
次いで、ピン４０及び接合パッド４１全体を覆うようにはんだ５０で接合する（はんだ接合工程Ｓ７）。
ここで、基板２０を真空チャンバ６０から取り出す場合、加熱ベーク時の温度やピン４０を孔３４に圧入したときの温度に保たれたまま、真空チャンバ６０の外へ取り出しても良い。このようにすると、常圧下に置くことにより、基板２０及び基板２０上の部材の冷却速度を速くすることができ、生産性を向上できる。

以上のような構成とされた本実施形態である気密封止構造１及び気密封止構造の製造方法によれば、真空チャンバ６０内で孔３４に対してピン４０による仮止めを行い、キャップ３０内部を気密封止しているので、大気開放をすることができる。そして、その後大気中ではんだ接合により、キャップ３０の外部からピン４０及び接合パッド４１を覆う構成とされている。このように、はんだ接合が大気中で行われているので、真空中ではんだ接合する場合と比較して、はんだ接合を簡便に行うことができる。また、大気中ではんだ接合するので、真空中で行う場合と比較して、冷却時間を短縮することもでき、製造コストを低く抑えることが可能である。また、はんだ接合の冷却時間が速くなることにより、はんだ接合部が高温で長時間保持されることがなくなるため、はんだ接合部において拡散反応が抑制され、はんだ信頼性が向上する。

また、真空排気しながら孔３４にピン４０を挿入、加圧することのみで、キャップ３０を封止できる簡易な構成とされているので、製造コストを低く抑えることが可能である。
また、本実施形態においては、孔３４の上面に設けられた接合パッド４１に対して加圧してピン４０を挿入するので、ピン４０と接合パッド４１とが圧着され、キャップ３０の内部を封止し、気密な構造を得ることができる。さらには、ピン４０及び接合パッド４１を覆うように、はんだ接合する構成とされているので、キャップ３０の内部を確実に気密封止できる。

（第二実施形態）
次に、第二実施形態に係る気密封止構造について説明する。
なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。

第二実施形態の気密封止構造１０１は、図４に示すように、機能素子１０を搭載する基板２０と、機能素子１０を覆い基板２０上に配置されたキャップ３０と、ピン１４０と、を備えている。この気密封止構造１０１のキャップ３０の内部は、真空状態に気密封止されている。
キャップ３０の天面３２には、この天面３２を貫通する孔３４が形成されており、この孔３４の下面には、ナット４２が接合（固定）されている。そして、この孔３４には、挿入または圧入可能とされたピン１４０が設けられている。

第二実施形態においては、ピン１４０の先端にネジが加工されており、このピン１４０がキャップ３０の外方から孔３４に圧入されている。そして、ピン１４０と、天面３２の上面（図４において、孔３４の上面）との間に接合パッド４１が介在されるとともに、ピン１４０の先端側はナット４２に螺着している。すなわち、孔３４の位置に合わせて、接合パッド４１とナット４２とが配置されている。このピン１４０は、孔３４に挿通されナット４２に対して回転しながら締め込まれることで、接合パッド４１を押圧し、接合パッド４１を変形させながらネジと接合パッド４１とが圧着接合されるようになっている。
また、ピン１４０と接合パッド４１を覆うように、はんだ５０が接合されている。

第二実施形態に係る気密封止構造の製造方法においては、第一実施形態と同様に、図２のフロー図に従って、製造することができる。ここで、ピン１４０のネジ切り部分を予めナット４２に螺着させてピン１４０を孔３４に配置しておき、真空排気を行うようにする。このとき、キャップ３０内部を真空排気できるように、孔３４とピン１４０との間には排気口（隙間）が形成されている。そして、所定の真空度が得られたら、ピン１４０を回転して、ナット４２に対して締め込んで接合パッド４１をネジにより押圧し、ピン１４０と接合パッド４１を圧着させる。

上記のような構成とされた気密封止構造１０１及び気密封止構造の製造方法によれば、真空排気工程において、ピンを搬送する搬送機構が不要であるため、真空排気をより短い時間で行うことができるとともに、設備コストを低減できる。

（第三実施形態）
次に、第三実施形態に係る気密封止構造について説明する。
なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。

第三実施形態の気密封止構造２０１は、図５に示すように、機能素子１０を搭載する基板２０と、機能素子１０を覆い基板２０上に配置されたキャップ３０と、ピン２４０と、を備えている。この気密封止構造２０１のキャップ３０の内部は、真空状態に気密封止されている。
キャップ３０の天面３２には、この天面３２を貫通する孔３４が形成されている。そして孔３４の下面（孔３４の下側の開口近傍）には、ガイド４３が接合（固定）されている。このガイド４３はピン２４０の先端側を挿入可能とされている。

第三実施形態においては、ピン２４０の基端側にテーパー形状を有するテーパー部２４０ａが形成されており、このピン２４０がキャップ３０の内方から外方に向けて孔３４に挿入、圧入されている。
また、ピン２４０の先端側を覆うように、はんだ５０が接合されている。

第三実施形態に係る気密封止構造の製造方法においては、第一実施形態と同様に、図２のフロー図に従って、製造することができる。以下に、図６を用いて第三実施形態に係る製造方法の詳細について説明する。

まず、機能素子１０を基板２０上に接合し、基板２０上の配線パターンと機能素子１０とをワイヤーボンディングなどにより電気的に接続する（素子接合工程Ｓ１）。
次に、図６（ａ）に示すように、窓３３が所定の位置に形成されたキャップ３０を基板２０上の所定の位置に接合する（キャップ接合工程Ｓ２）。ここで、キャップ３０には予め孔３４が形成されており、この孔３４の下面にはガイド４３が接合（固定）されている。キャップ３０の孔３４には、キャップ３０の内部からピン２４０の先端側が挿入され係合している。このとき、孔３４及びガイド４３とピン２４０との間には、真空排気のための排気口（隙間）が形成されている。

次いで、図６（ｂ）に示すように、上述のように部材を設けた基板２０を真空チャンバ６０内に配置し、真空排気を実施する（真空排気工程Ｓ３）。このとき、ピン２４０の基端側は、基板２０に接している。ここで、必要に応じて、加熱ベーク工程Ｓ４を行う。
次いで、所定の真空度が得られたら、図６（ｃ）に示すように、ピン２４０を上方に引き上げガイド４３にテーパー部２４０ａを挿入、圧入し、ガイド４３とテーパー部２４０ａとを圧着させる（ピン挿入工程Ｓ５（封止工程））。こうして、キャップ３０内部が気密封止される。
次に、図６（ｄ）に示すように、ピン２４０がガイド４３に仮固定された状態で真空チャンバ６０より取り出す（取り出し工程Ｓ６）。
そして、ピン２４０及び孔３４を覆うように、はんだ５０を接合する（はんだ接合工程Ｓ７）。最後に、はんだ５０から突出するピン２４０の先端側を切断して、第三の実施形態である気密封止構造２０１が得られる。
なお、圧入されるテーパー部２４０ａ及びガイド４３には、めっき、スパッタ、及び蒸着などによって、加圧により塑性変形しやすく圧着可能な膜を予め形成しても良い。

上記のような構成とされた第三実施形態に係る気密封止構造２０１及び気密封止構造の製造方法においては、ピンが予めキャップ３０の内部に配置されており、キャップ３０の内部から外部に向けてピン２４０を挿入構成とされている。したがってピン２４０の挿入時に摩擦により発生する摩耗屑などがキャップ３０内部（中空内部）に溜まらずキャップ３０の外部に排出され、気密封止構造２０１の信頼性を向上させることができる。

さらには、上記の気密封止構造においては、キャップ３０の肉厚が薄い場合においても、ガイド４３が設けられているため、ピン２４０を圧入したりネジ締めたりするために必要な厚さを確保することができ、気密封止の信頼性を向上させることができる。
また、気密封止構造においては、真空排気工程において、ピン２４０を搬送する搬送機構が不要であるため、真空排気をより短い時間で行うことができるとともに、設備コストを低減できる。

（第三実施形態の変形例１）
次に、第三実施形態の変形例１に係る気密封止構造について説明する。
なお、上記した第三実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。

図７は、第三実施形態の変形例１に係る気密封止構造３０１を示している。気密封止構造３０１は、キャップ３０に形成された孔３４の上面にナット４２が接合されている。このようにナット４２を設けることで、先端がネジ加工されテーパー部２４０ａを有するピン３４０を圧入する際に、引き上げと同時にネジを利用し、圧入後の密着の保持が容易となる。ナット４２の接合、位置合わせはキャップ３０を基板２０に実装した後に、挿入されているピン３４０を基準にして行うことができ、工程が簡略化される。

（第三実施形態の変形例２）
次に、第三実施形態の変形例２に係る気密封止構造について説明する。
なお、上記した第三実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。

図８は、第三実施形態の変形例２の気密封止構造４０１を示すものであり、気密封止構造４０１においては、キャップ３０に形成された孔３４の下面にはガイド４３が接合され、孔３４の上面にはナット４２が接合されている。ピン３４０のテーパー部２４０ａが圧入されるためには孔３４の深さが所定量必要であるが、ガイド４３を設けることにより、肉厚を厚くすることができ、確実にテーパー部２４０ａを圧入し、気密封止することが可能となる。

以上、本発明の実施形態である気密封止構造及び気密封止構造の製造方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

なお、図９に示す他の実施形態の気密封止構造５０１のように、キャップ３０に形成された孔３４に対して、隙間なくピン４０を挿入することによって、気密封止する構成とされても良い。この場合にも、気密を保持することが可能である。また、ピン４０を覆うように、はんだ接合することで、さらに確実に封止する構成とされても良い。

また、上記の実施形態においては、ピン及びナットを覆うようにはんだ接合する場合について説明したが、はんだに限定されることはなく、封止可能な材料であれば適用することができる。例えば、樹脂（封止材料）によってピンと孔とを覆う構成とされても良い。
また、上記実施の形態においては、キャップの上面（天面）に孔が形成される場合について説明したが、側壁に孔を形成する構成とされても良い。

なお、第一の実施形態及び第二の実施形態においては、キャップの外部から内部に向けてピンを挿入する場合について説明したが、キャップの内部から外部に向けてピンを挿入しても良い。この場合には、第一実施形態及び第二実施形態においては、接合パッドを孔の下面に設ければよい。また、第二実施形態においては、孔の上面にナットを接合すれば良い。

なお、第三の実施形態においては、キャップの内部から外部に向けてピンを挿入する場合について説明したが、キャップの外部から内部に向けてピンを挿入しても良い。この場合には、ガイドを孔の上面に設ければよい。また、ナットを設ける場合には、孔の下面に設ければよい。

（付記１）機能素子を搭載する基板と、前記機能素子を覆い基板上に配置され、真空排気をするための孔が形成されたキャップと、前記真空排気をしながら、前記孔に挿入または圧入可能に設けられたピンと、を備えることを特徴とする気密封止構造。

（付記２）前記ピンと前記キャップとの間には接合パッドが介在され、前記ピンと前記接合パッドとが圧着されていることを特徴とする付記１に記載の気密封止構造。

（付記３）前記孔の位置に合わせて前記キャップにナットが固定され、前記ピンの先端側には、前記ナットに対応したネジ加工が施され、前記ピンがネジ締めされていることを特徴とする付記１または付記２に記載の気密封止構造。

（付記４）前記ピンの基端側には、テーパー形状を有するテーパー部が設けられ、前記ピンが、前記孔に前記ピンの先端側から挿入または圧入されていることを特徴とする付記１に記載の気密封止構造。

（付記５）前記孔の位置に合わせて前記キャップに、前記テーパー部を挿入または圧入するためのガイドが固定されていることを特徴とする付記４に記載の気密封止構造。

（付記６）前記孔の位置に合わせて前記キャップにナットが固定され、前記ピンの先端側には、ネジ加工が施され、前記ピンがネジ締めされていることを特徴とする付記４または付記５に記載の気密封止構造。

（付記７）前記ピン及び前記孔が封止材料で覆われ封止されていることを特徴とする付記１から付記６のいずれか一項に記載の気密封止構造。

（付記８）前記ピンは、前記キャップの内部から外部に向けて挿入または圧入されていることを特徴とする付記１から付記７のいずれか一項に記載の気密封止構造。

（付記９）基板上に機能素子を搭載する素子搭載工程と、前記機能素子を覆うように、真空排気を行うための孔が形成されたキャップを前記基板上に接合するキャップ接合工程と、真空チャンバ内にて真空排気をする真空排気工程と、所定の真空度に保たれた状態でピンを位置合わせし挿入または圧入する封止工程と、を備えることを特徴とする気密封止構造の製造方法。

（付記１０）前記孔の位置に合わせてナット及び接合パッドを対向するように接合し、前記真空排気工程では、先端にネジ加工した前記ピンを前記孔に位置合わせし仮置きして、真空チャンバ内にて真空排気し、前記封止工程では、前記ピンをネジ締めにより挿入または圧入し、前記ピン及び前記接合パッドを圧着することを特徴とする付記９に記載の気密封止構造の製造方法。

（付記１１）前記ピンの基端側には、テーパー形状を有するテーパー部が設けられ、前記孔の位置に合わせて前記テーパー部を挿入または圧入するためのガイドを設け、前記封止工程では、前記ピンの先端側から前記孔に挿入し、前記ガイドに前記テーパー部を挿入または圧入することを特徴とする付記１０に記載の気密封止構造の製造方法。

（付記１２）前記封止工程の後に、大気中において前記ピン及び前記孔を封止材料で覆うことを特徴とする付記９から付記１１のいずれか一項に記載の気密封止構造の製造方法。

１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１ 気密封止構造
１０ 機能素子
２０ 基板
３０ キャップ
３４ 孔
４０、１４０、２４０、３４０ ピン
４１ 接合パッド
４２ ナット
４３ ガイド
２４０ａ テーパー部
５０ はんだ（封止材料）
６０ 真空チャンバ

Claims (2)

1. 基板上に機能素子を搭載する素子搭載工程と、
   前記機能素子を覆うように、真空排気を行うための孔が形成されたキャップを前記基板上に接合するキャップ接合工程と、
   真空チャンバ内にて真空排気をする真空排気工程と、
   所定の真空度に保たれた状態でピンを位置合わせし挿入または圧入する封止工程と、を備え、
   前記孔の位置に合わせてナット及び接合パッドを対向するように接合し、
   前記真空排気工程では、先端にネジ加工した前記ピンを前記孔に位置合わせし仮置きして、真空チャンバ内にて真空排気し、
   前記封止工程では、前記ピンをネジ締めにより挿入または圧入し、前記ピンと前記接合パッドを圧着することを特徴とする気密封止構造の製造方法。
2. 前記ピンの基端側には、テーパー形状を有するテーパー部が設けられ、
   前記孔の位置に合わせて前記テーパー部を挿入または圧入するためのガイドを設け、
   前記封止工程では、前記ピンの先端側から前記孔に挿入し、前記ガイドに前記テーパー部を挿入または圧入することを特徴とする請求項１に記載の気密封止構造の製造方法。

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