JP6857019B2

JP6857019B2 - センサモジュールの製造方法

Info

Publication number: JP6857019B2
Application number: JP2016246942A
Authority: JP
Inventors: 菱沼　邦之; 邦之菱沼; 由紀早乙女
Original assignee: Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko NPC Corp
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2021-04-14
Anticipated expiration: 2036-12-20
Also published as: JP2018100898A

Description

本発明は、ＣＯＢ（Chip On Board）実装された赤外線センサを構成するセンサモジュールの製造方法に関するものである。

従来の赤外線センサは、シリコンなどの半導体基板（チップ）に形成され、配線基板などの実装基板に実装される。赤外線センサは、外部から赤外線を受光して、温度分布や熱源の有無などを検出するものである。特許文献１には、従来のＣＯＢ実装の赤外線センサが開示されている。ここではキャリア基板（実装基板）に実装されたチップを封止する工程をキャップの半田処理又は接着処理によって行われる。
特許文献１に開示された赤外線センサを説明する図３に示すように、例えば、鉄、ニッケル、真鍮または銅製の金属キャップ９０が、ガス封止状態でキャリア基板１００上に実装されている。金属キャップ９０は、適切に光学的に調節された赤外線を送るフィルタでカバーされている開口部２１０を備えている。

フィルタ１０は、例えば、接着処理、ハンダ処理、または拡散溶接によってキャップ９０に装着できる。一方側のキャップ９０と他方側のキャリア基板１００との間の接続媒体１２０は、ハンダ処理又は接着処理によって最良の状態で行うことができる。キャップ９０とキャリア基板１００との間のはんだなどの接続媒体１２０は、電気的接触、従って、キャップ９０と金属層１１０との間の好ましい熱接続が達成されるか、または、電気的に絶縁された組立構造が実現されるように、用途に応じて適切に選択されている。第一のケースでは、金属性軟質ハンダを用いると効果的であり、第二のケースでは、誘電的に充填したエポキシ樹脂接着剤を用いると効果的である。

接続用接続面６０は、キャリア基板１００においてビアとも呼ばれるスルーホール１３０を介し、ハンダ・ランプとして、ここに形成されている端子接点１４０に接続されている。スルーホール１３０は、壁面が金属メッキされ、例えば、組立の完了後に下方側からハンダ・スポットでハンダ・ロックし、または、接着剤１５０を滴下することにより、ガス充填状態で封止されている。この封止は、センサ、従って、検出器エレメント２００が、湿気やアグレッシブなガスなどの環境要因から保護されることを保証する。
特に好ましい設計形状では、この封止は、内部スペースにおいて所定のガスと湿度との比率を保証するため、所定のガス雰囲気、例えば、乾燥窒素雰囲気または不活性ガス雰囲気の中で行われる。

従来、キャップとキャリア基板をはんだによる接続方法としてリフロー炉を用いる技術が知られている。図４は、従来のリフロー炉の一例である。
配線などに用いられる金属膜１１０が形成されたキャリア基板（ＣＯＢ基板）１００に赤外線センサチップ２００を搭載し、所定のパターンにはんだペースト１２０を印刷する。つぎに、はんだペースト１２０上にキャップ９０の開口部縁を載せる。この状態でキャップ９０とキャリア基板１００をリフロー炉３００に通して炉内温度を厳密に制御し、窒素雰囲気下で加熱することにより、信頼性の高いはんだ付けを行ってキャップ９０をキャリア基板１００に接合する。

特表２００７−５０３５８６号公報

特許文献１に記載された従来の赤外線センサを製造する工程において、キャップ（金属ケース）とキャリア基板（実装基板）との接続工程における温度、気圧などの具体的な処理環境条件については記載されてはいない。しかしながら、このようなはんだ処理では処理環境条件によりはんだ状態が変化し、これにより接合能力に差異を発生させてしまう。例えば、所定の温度下で大気実装を行った場合、キャップ内外の気圧差で、後になってキャップがキャリア基板から剥がれる可能性があるという問題がある。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、実装基板に赤外線センサ素子が作りこまれた半導体基板をはんだ付けにより接合したセンサモジュールの製造方法を提供する。

本発明のセンサモジュールの製造方法の一態様は、配線パターンが主面に形成された実装基板と、開口端が前記実装基板の前記主面に対向されて配置されたキャップ形状の金属ケースと、前記実装基板及び前記金属ケースで形成される空間内に封止される赤外線センサとを有するセンサモジュールの製造方法であって、前記赤外線センサを前記実装基板に固定する工程と、前記金属ケース及び前記実装基板を加熱するとともに前記金属ケースの温度を前記実装基板の温度より高くして、前記金属ケースの開口端と前記実装基板の前記主面とをはんだにより固着する工程とを有し、前記金属ケースの開口端と前記実装基板の前記主面とをはんだにより固着する工程は、リフロー炉の中で行うことを特徴としている。

金属ケースの温度を実装基板の温度より高くした状態で赤外線センサを実装基板に固定することにより実装基板主面に形成された金属層の酸化が抑えられること、また、高温から低温に流れる温度の熱流の作用を利用して前記金属層へのハンダが均一に広がって、金属ケースと実装基板との接合の気密性及び強度が向上する。

実施例１に係るセンサモジュールの加熱炉内部の状態を説明する断面図。実施例１に係るセンサモジュールの製造方法を説明するリフロー炉内の断面図。特許文献１に開示された従来のセンサモジュールの断面図。従来のセンサモジュールのリフロー炉内部の状態を説明する断面図。

以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

図１及び図２を参照して実施例１を説明する。
赤外線センサは、格子状に配列された複数のサーモパイルなどの受光素子からなる検出部及び前記受光素子から出力された信号を処理する回路を有する信号処理部を有する半導体チップ（以下、チップという）からなる。このチップは、多層配線基板などの実装基板に搭載される。実装基板となる配線基板には回路パターンが形成されている。このような実装基板に実装された赤外線センサは、レンズを金属ケースに実装し、レンズを有する金属ケースを実装基板に接合することもできる。レンズは、外部から入射する赤外線を赤外線センサに結像させるものである。実装基板は、搭載したチップからの信号を内部に形成した回路パターンを介して外部端子から外部へ導出する。

この実施例で説明するセンサモジュールは、配線パターンが主面に形成された実装基板と、開口端が前記実装基板の前記主面に対向されて配置されたキャップ形状の金属ケース（以下、キャップという）と、前記実装基板と前記キャップとで形成される空間内に封止される赤外線センサとを有し、前記キャップは、その開口端が前記実装基板にはんだにより接合されている。
図１は、赤外線センサを搭載した実装基板にキャップを実装基板にはんだによる接合を行う際の工程における加熱処理を実施するリフロー炉などの加熱炉に両者を収容した状態を示している。赤外線センサが形成されたチップ４が搭載された実装基板２は、加熱炉１内に収納されている。

加熱炉１内において、チップ４が搭載された実装基板２主面には、配線などに用いられる金属膜６が形成されており、さらに、所定のパターン形状にはんだペースト５が印刷されている。このはんだペースト５上にキャップ３の開口部端を載せる。この状態でキャップ３と実装基板２を、炉内温度を厳密に制御して加熱することにより、信頼性の高いはんだ付けを行ってキャップ３を実装基板２に接合する。
この接合時、キャップ３側の温度を実装基板２の温度より高くして、キャップ３の開口端と実装基板２主面とをはんだにより固着する。すなわち、図１に示す加熱炉内において、その上方は、キャップ３が存在して、高温部７であり、下方は実装基板２が存在して、上方より温度の低い低温部８となっている。
実装基板よりもキャップ側を高温とすることにより、実装基板の金属層の酸化が抑えられ、また、高温から低温に流れる温度の熱流の作用により、実装基板側の金属層へのハンダが均一に広がり、気密性、強度等が向上する。

次に、図２を参照して実施例２を説明する。
この実施例では加熱炉としてリフロー炉を用いる。リフロー炉１１は、基板や部品を搬入する搬入口１４とこれらを搬出する搬出口１５を備えている。また、炉内を移動する搬送部１８を有する。搬送部１８は、炉内をエンドレスに移動し、搬入口１４から基板や部品を受け入れ、所定の処理を行って、搬出口１５からこれらを搬出する。搬送部１８が移動するルートを挟んでそれぞれ複数の上部ヒータ１２、下部ヒータ１３（この実施例では上部、下部共に３個ずつ有している）が配置されている。図２には、被加熱物として、実装基板２とその上に載置されたキャップ３とが表示されているが、実装基板２とキャップ３との間の空間に実装されたチップ（図１の４）と、キャップ３の開口端との間に挟まれたはんだペースト（図１の５）と、実装基板主面に形成された金属層（図１の６）とは表示を省略している。

被加熱物の実装基板２とキャップ３は、搬入口１４から搬送部１５に載置されてから、ヒータ１２、１３に挟まれた加熱ゾーン１６を移動し、加熱ゾーン１６が終了後、冷却ゾーン１７を経て、搬出口１５からリフロー炉１１外へ搬出される。加熱手段としては、ヒータ１２，１３による遠赤外線加熱と強制対流加熱を併用する。そして、炉内は窒素ガス雰囲気に保たれている。また、炉内に適用される実装基板２は、幅が５０〜１５０ｍｍ、長さが１００〜２５０ｍｍ、厚さが０．６〜３．０ｍｍである。炉内温度は、常温〜３８０℃である。酸素濃度は、１００ｐｐｍ以下である。

このリフロー炉を用いて実施例２に係るセンサモジュールの製造方法を説明する。
まず、実装基板２にはんだペーストをプリントする。つぎに、実装基板２主面に形成したはんだペースト上にキャップ３を伏せて載せ、これを炉内の搬送部１８に載せて加熱ゾーン１６を移動させる。この加熱処理によって、実装基板２とキャップ３をはんだ接合する。この処理により、炉内の温度を厳密に制御し、窒素雰囲気で加熱することで、信頼性の高い効率の良いはんだ付けが行われる。

さらに、この実施例では、接合時、キャップ３側の温度を実装基板２の温度より高くなるように設定して、キャップ３の開口端と実装基板２とをはんだにより固着する。すなわち、図２に示すリフロー炉内において、その上部ヒータ１２側を下部ヒータ１３側より温度を高くする。

この接合時、キャップ３側の温度を実装基板２の温度より高くして、キャップ３の開口端と実装基板２主面とをはんだにより固着する。すなわち、図１に示す加熱炉内において、その上方は、キャップ３があって、高温部７であり、下方は実装基板２が存在しており、上方より温度の低い低温部８となる。
実装基板よりもキャップ側を高温とすることにより、実装基板の金属層の酸化が抑えられ、また、高温から低温に流れる温度の熱流の作用により、実装基板側の金属層へのハンダが均一に広がり、気密性、強度等が向上する。

１・・・加熱炉
２・・・実装基板（ＣＯＢ基板）
３・・・金属ケース（キャップ）
４・・・赤外線センサチップ
５・・・はんだペースト
６・・・金属膜
７・・・高温部
８・・・低温部
１１・・・リフロー炉
１２、１３・・・ヒータ
１４・・・搬入口
１５・・・搬出口
１６・・・加熱ゾーン
１７・・・冷却ゾーン
１８・・・搬送部

Claims

配線パターンが主面に形成された実装基板と、開口端が前記実装基板の前記主面に対向されて配置されたキャップ形状の金属ケースと、前記実装基板及び前記金属ケースで形成される空間内に封止される赤外線センサとを有するセンサモジュールの製造方法であって、前記赤外線センサを前記実装基板に固定する工程と、前記金属ケース及び前記実装基板を加熱するとともに前記金属ケースの温度を前記実装基板の温度より高くして、前記金属ケースの開口端と前記実装基板の前記主面とをはんだにより固着する工程とを有し、前記金属ケースの開口端と前記実装基板の前記主面とをはんだにより固着する工程は、リフロー炉の中で行うことを特徴とするセンサモジュールの製造方法。