JP2009168716A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 熱型の赤外線センサと外部制御回路とのインタフェース部分の腐食、赤外線センサ自身の断線等の経年劣化を改善することを目的とする。
【解決手段】 赤外線素子と、赤外線素子に対向して配置される赤外線透過窓との間に、赤外線素子からの電気信号を取り出すための接点およびリードを有する中抜き状フレームを介在させ、赤外線素子のボンディングパッドよりも外縁部の主表面側で赤外線素子を中抜き状フレームに接合させる。これにより、ボンディングパッドが真空空間に形成され品質に優れた小型の赤外線センサを得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、遠赤外域に感度を有する熱型の赤外線センサに関するものである。

従来の熱型の赤外線センサは、入射赤外線による検出部の温度変化を電気信号として読み出していた。赤外検出感度を高めるために、検知部にはセンサ本体の基板から熱的に隔離された断熱構造が採用されていた。さらに、断熱性を高めるためにセンサ全体は真空下に置かれていた。例えば、特表平７−５０８３８４号公報（特許文献１）に示されたような真空パッケージの中に赤外線センサが収容されていた。

しかしながら、特許文献１に示されるような真空パッケージを用いるものは、形が大きく撮像カメラを小型化するのには不向きであった。そこで、近年、真空パッケージが赤外線センサと一体となった赤外線センサが開発されてきた。赤外線センサの素子ウエハと赤外線透過窓用のウエハとを用意し、２枚のウエハを真空雰囲気中で接着させ、検知部が真空下に置かれるような構造の赤外線センサを作っていた。例えば、特表平９−５０６７１２号公報（特許文献２）あるいは特開２００５−２３６１５９号公報（特許文献３）に示されたものである。
特表平７−５０８３８４号公報 特表平９−５０６７１２号公報 特開２００５−２３６１５９号公報

上記の特許文献２および特許文献３に示された赤外線センサのウエハレベル真空パッケージでは、素子のボンディングパッドが真空封止されている領域の外に形成されているため、ボンディングパッドが大気に曝されていた。このため、大気中の湿気によりボンディングパッドが腐食し、あるいはボンディングパッドから素子内部へ繋がる信号線に腐食、断線等の劣化が生じて信頼性が損なわれる恐れがあった。この不具合を避けるためには、さらなるパッケージングを施すか、ボンディングパッドと素子外の外部リードとを結ぶワイヤボンド後にボンディングパッド部を樹脂で覆うなどの保護対策をしなければならない問題点があった。

また、赤外線素子とトップキャップとの接着部が、少なくとも赤外線素子のボンディングパッドから素子内部へ繋がる信号線上に形成されるため、接着のストレスにより信号線の破断や経年劣化をもたらすという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、小型で、耐久性の優れた赤外線センサを提供することを目的とする。

本発明に係る赤外線センサは、主面上に検知部を有する熱型の赤外線素子と、赤外線透過窓と、その内周に前記赤外線素子と電気信号を授受するための端子を有しかつ内周の端子と導通した端子をその外周に有する枠体とを備え、赤外線素子の主面が赤外線透過窓と対向する形で枠体を挟んで赤外線素子と赤外線透過窓とが接合されて赤外線素子、枠体、赤外線透過窓によって囲まれる空間内が気密封止されかつ赤外線素子と内周の端子との結線部分が気密封止内にあることを特徴とする。

この発明によれば、赤外線素子からの電気信号を取り出す接点とリードを有する枠体を赤外線素子と赤外線透過窓との間に介在させ、これらを接着させ赤外線センサを構成しているので、赤外線素子のボンディングパッドを大気に曝すことがない。また、気密封止部分が配線等を横断することも無いので、気密封止に起因した配線の破断、ストレスによる経年劣化をもたらすこともない。したがって、小型で、耐久性の優れた赤外線センサを提供することができる。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る赤外線センサ１の概略構成を示す斜視図である。図２は、赤外線センサを主要部品別に分解した分解図である。図３は、図１中に示すＩＩＩ-ＩＩＩ断面を矢印方向に見た断面を示した模式図である。

まず、赤外線センサの全体構成について説明する。
図１において、赤外線センサ１は、赤外線素子２、赤外線透過窓３、枠体である中抜き状フレーム４からなる主要部品により構成さている。これらの部品は後述する製造工程を経て一体化されて赤外線センサ１となる。

図２を参照して、赤外線素子２は、光学系（図示せず。）によって像が結像する基板上の領域（以下、検知領域という。）に２次元アレイ状に検知部２２が配列されている。さらに、検知領域の外には、検知部２２に結線された信号線、検知部２２で発生する信号を読み出すための水平走査回路および垂直走査回路とからなる読み出し回路２９が配置されている。中抜き状フレーム４は、環状の構造をしており図面ではロの字型の構造である。赤外線透過窓３は、平面視において中抜き状フレーム４とほぼ同じ大きさの赤外線を透過する窓である。

さらに、赤外線センサ１の構造について図３に従って説明する。
赤外線素子２と中抜き状フレーム４は、赤外線素子２の画素のある主表面側で中抜き状フレーム４と接着部４３を介して接着されている。また、中抜き状フレーム４は赤外線素子２と接着されている反対側の面に赤外線透過窓３が接着されている。また、赤外線素子２、赤外線透過窓３および中抜き状フレーム４によって囲まれる空間５は真空に保持されている。

中抜き状フレーム４は、外周部にリード４２があり内周部には金属パッド４１がある。金属パッド４１は、赤外線素子２からの電気信号を外部へ接続するための端子である。また、金属パッド４１で受けた電気信号を真空パッケージの外部へ取り出すために、リード４２と金属パッド４１とは中抜き状フレーム中に埋設された配線によって電気的に結線されている。なお、かかる結線を透視した状態が中抜き状フレーム４中に破線で示した線である。

赤外線素子２と中抜き状フレーム４との接着は、赤外線素子２上の主表面側に配置されたボンディング用金属パッド２５よりも外縁部にある接着部４３で行う。また、ワイヤ４４によりボンディング用金属パッド２５と金属パッド４１が電気的に接合され、赤外線素子２の電気信号が、リード４２より外部に取り出される。

また、赤外線透過窓３と中抜き状フレーム４との接着は、接着部４５を介して行われる。中抜き状フレーム４の材料は、赤外線素子２および赤外線透過窓３との熱膨張のマッチングを考慮する必要があり、例えば赤外線透過窓３にシリコン基板を用いた場合には酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３が用いられる。

赤外線素子２と中抜き状フレーム４、中抜き状フレーム４と赤外線透過窓３とは、それぞれ接着部４３または接着部４５で接合され気密封止された状態である。

なお、本実施の形態においては中抜き状フレーム４のリード４２の形状は細い平板状であるが、折り曲げてＬ字状としても良く赤外カメラなどのシステムに組み上げた時に都合のよい方向に設けることができる。また、必ずしも板状である必要はなく電気の端子であればどのような形状でもよい。

同じく図３を参照して、赤外線素子２は、主基板２１の主表面に赤外線を検知する検知部２２をアレイ状に配置した検知領域２３を形成している。主基板２１は、例えばシリコン基板である。各検知部２２は熱的に隔離された断熱構造とするために、主基板２１の一部が除去された空洞部分２４の上に主基板２１の表面から浮かした状態で設けられている。また、主基板２１の主表面には、検知領域２３からの信号を外部の電気回路に接続するためのボンディング用金属パッド２５が形成されている。

赤外線透過窓３は、赤外線に対し透明な基板３１で形成されている。赤外線透過窓３の赤外線の透過率を向上させるために、基板３１の表裏の主表面には、それぞれ反射防止膜３２および反射防止膜３３が形成されている。基板３１の材料として、例えばシリコンＳｉ、ゲルマニウムＧｅ、硫化亜鉛ＺｎＳ、セレン化亜鉛ＺｎＳｅなどを用いることができる。例えば、基板３１にシリコンＳｉを用いる場合には、シリコンＳｉは高い屈折率特性を有するため反射ロスが大きいので、赤外線センサの検出感度を大きくするために基板３１の両面に反射防止膜３２と反射防止膜３３とをコーティングする。反射防止膜の材料としては硫化亜鉛が使用できる。なお、本実施の形態においては、赤外線透過窓３上の反射防止膜３２と反射防止膜３３とは基板３１と同じサイズに形成しているが、非冷却赤外線センサをシステムとして赤外カメラに組み上げた時に、レンズなどを通過して入射する赤外線が赤外線透過窓３でケラレなく赤外線素子２の検知領域２３へ入射する領域をおおうような大きさに形成されていれば良い。

なお、枠体は必ずしも中抜き状の角型のフレーム構造である必要はなく、検知領域に赤外光が到達できるような開口を有するものであればよい。例えば、円環状、多角形の枠状であっても差し支えない。

次に、赤外線センサ１の製造方法を説明する。図４〜図７は、図３に示した断面について赤外線センサ１を製造する工程順にしたがって見た断面図である。以下、図に従って順に説明する。
図４に示す第１工程では、シリコンプロセスを経て作成した赤外線素子２をまず準備する。赤外線素子２は、シリコン基板２１の研磨された主表面に、アレイ状の検知部２２と、ボンディング用金属パッド２５と、図示しない素子を駆動するための読み出し回路とが形成されたものである。また、各検知部２２の直下のシリコン基板２１の一部は除去されて空洞部分２４が設けられている。

図５に示す第２工程では、赤外線素子２に中抜き状フレーム４を接着する。図５において、接着部４３がこれらの接着部分である。接着部分は、赤外線素子２の主表面側のボンディング用金属パッド２５よりも外縁部である。接着はハンダ、ガラスフリット、または熱圧着などで接合できる。

図６に示すに示す第３工程では、赤外線素子２のボンディング用金属パッド２５と中抜き状フレーム４の金属パッド４１との間を、ワイヤ４４によるワイヤボンディング法で電気的に接続させる。この工程により、赤外線素子２と中抜き状フレーム４の外周にあるリード４２とが電気的に結線される。

図７に示すに示す第４工程では、赤外線透過窓３と中抜き状フレーム４とを真空チャンバ内で接着させ、接着部４５を形成する。赤外線素子２、赤外線透過窓３および中抜き状フレーム４によって囲まれる空間５は真空空間となり、赤外線センサ１が完成する。なお、接着部４５は、接着部４３を形成した第２工程の実装よりも低温で形成できる低融点ハンダを用いて接合するのが望ましい。

本実施の形態の第４工程は、真空チャンバ内での実装工程であるので、上述の空間５は真空になるが、真空度を製造後も確実に真空に保つためにゲッタを配置しても良い。例えば、ゲッタの材料としては、バナジウム、バリウム、これらの合金の薄膜が使用できる。ゲッタの配置場所としては、赤外線素子２の検知領域２３に入射する赤外線に対し影響のない部分、例えば赤外線透過窓３の周辺部に配置する。

このように本実施の形態による赤外線センサ１では、中抜き状フレーム４への赤外線素子２の接着を、赤外線素子２のボンディング用金属パッド２５よりも外縁部の主表面側で行うため、ボンディング用金属パッド２５が気密封止された空間５内に内在することになる。従って、湿気によるボンディング用金属パッド２５の腐食やボンディング用金属パッド２５に繋がる信号線の劣化が発生しない品質に優れた赤外線センサとなる。

また、赤外線素子２と中抜き状フレーム４の接着部４３を、ボンディング用金属パッド２５よりも外縁部の信号線等が無い領域に設けたため、気密封止部分が配線等を横断することも無い。したがって、気密封止に起因した配線の破断、ストレスによる経年劣化をもたらすこともない。

さらに、赤外線素子２と赤外線透過窓３を中抜き状フレーム４の対向する面に接着させることにより、赤外線素子２と赤外線透過窓３との間隔を中抜き状フレーム４の厚みで任意に調整できる。例えば、厚みが任意に調整できるので、赤外線素子２と赤外線透過窓３の寸法が大きくなっても、これらのたわみを考慮した厚みを設計できるので赤外線素子２と赤外線透過窓３の接触を効果的に防止できる。

また、本実施の形態による赤外線センサ１は赤外線素子２と赤外線透過窓３とを中抜き状フレーム４を挟んで接着する構造であるが、空間５が真空であるので大気圧による力が赤外線透過窓３、中抜き状フレーム４、赤外線素子２からなる構造体を押すことになる。したがって、これらの接着部は圧縮力がかかった状態であり強固となる。そのため、接着部４３と接着部４５の剥離強度が向上する効果がある。

実施の形態２．
上述の実施の形態１ではワイヤボンディング法で赤外線素子２と中抜き状フレーム４を電気的に接続させる形態を説明したが、本実施の形態ではフリップチップ実装による形態を説明する。なお、赤外線素子２、赤外線透過窓３および中抜き状フレーム４によって囲まれる空間５は真空になるように形成されていることは、上述の実施の形態１と同様である。その他の構成、例えば走査回路等も実施の形態１と同様であるので、説明の煩雑さを避けるために以下の説明では本形態特有の構成を中心に説明する。

図８〜図１１は、本実施の形態の赤外線センサ１を製造する工程順にしたがって見た断面図である。以下、図に従って説明する。

図８を参照して、赤外線素子２の主基板２１の主表面には、検知領域２３からの信号を外部の電気回路に接続するためのボンディング用金属パッド２５が形成されており、さらにボンディング用金属パッド２５上には導電性バンプ２６が形成されている。なお、検知部２２、空洞部分２４等の態様は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

つぎに、図９に示す第２工程では、赤外線素子２の導電性バンプ２６と中抜き状フレーム４の対向する金属パッド４１とを一致させたフリップチップ実装により、赤外線素子２を中抜き状フレーム４に電気的に接合させる。使用する中抜き状フレーム４は、赤外線素子２からの電気信号を接続するための金属パッド４１が赤外線素子２のボンディング用金属パッド２５と対向する位置にあるものである。接合により赤外線素子２の電気信号が、リード４２より外部に取り出される。なお、中抜き状フレーム４の材料は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

さらに、図１０に示す第３工程では、赤外線素子２と中抜き状フレーム４を接着させるために、赤外線素子２の素子エッヂ外周部にディスペンサーによりガラス封止（ガラスフリット）を行い、赤外線素子２の素子エッヂ外周部に接着部４６を形成する。

図１１に示す第４工程では、赤外線透過窓３と中抜き状フレーム４を真空チャンバ内で接着させ、接着部４５を形成する。赤外線素子２、赤外線透過窓３および中抜き状フレーム４によって囲まれる空間５は真空空間となり、赤外線センサ１が完成する。なお、接着部４５は、第２工程のフリップチップ実装や第３工程のガラス封止接着部４６よりも低温で形成できる低融点ハンダが望ましい。また、赤外線透過窓３は実施の形態１と同様のものである。

上述した構成要素の形容は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。例えば、赤外線透過窓３上の反射防止膜３２と反射防止膜３３のサイズは、実施の形態１と同様にケラレを考慮したサイズであれば良く、赤外線透過窓３と同サイズである必要はない。また、中抜き状フレーム４のリード４２の張り出し方向も同様に適宜任意の方向に設定すれば良い。さらに、ゲッタの配置も実施の形態１と同様に可能である。

上述したように、本発明の実施の形態２による赤外線センサ１では、赤外線素子２のボンディング用金属パッド２５と電気信号を取り出す接点とリードを有する中抜き状フレーム４の金属パッド４１を導電性バンプ２６によるフリップチップ実装で結線し、赤外線素子２の素子エッヂ外周部で接着部４６を形成することにより、赤外線素子２のボンディング用金属パッド２５が真空空間５内に存在することになり大気に触れない構造となる。従って、湿気によるボンディング用金属パッド２５の腐食やボンディング用金属パッド２５に繋がる信号線の劣化が発生しない品質に優れた赤外線センサとなる。

また、フリップチップ実装により赤外線素子２の結線を行うため、ワイヤボンドにより結線を行う赤外線センサよりも配線が短くなるため電気的な特性に優れ、ワイヤによる配線スペースが不要になるため実装面積を小さくでき、また、小型化が実施の形態１よりも図れる。

さらに、実施の形態１と同様に、信号線の破断あるいは経年劣化に対し耐久性が増し、赤外線素子２と赤外線透過窓３との間隔を中抜き状フレーム４の厚みで任意に調整でき、接着部の剥離強度を向上させることができる。

実施の形態３．
上述の実施の形態２では赤外線素子２と中抜き状フレーム４とを接着させるために、赤外線素子２の素子エッヂ外周部で接着させる形態を説明したが、本実施の形態ではフリップチップ実装を採用しつつ接着部の剥離強度もより向上する形態を説明する。なお、赤外線素子２、赤外線透過窓３および中抜き状フレーム４によって囲まれる空間５は真空になるように形成されていることは、上述の実施の形態１あるいは２と同様である。その他の構成、例えば走査回路等も同様であるので、説明の煩雑さを避けるために以下の説明では本形態特有の構成を中心に説明する。

図１２は、本実施の形態の赤外線センサ１の断面図である。本実施の形態３による赤外線センサ１では、ボンディング用金属パッド２５よりも外縁部の主表面側に設けたハンダによる接着部４７を形成した赤外線素子２を使用する。これと中抜き状フレーム４とを接合する。また、赤外線素子２のボンディング用金属パッド２５と電気信号を取り出す接点とリードを有する中抜き状フレーム４の金属パッド４１を導電性バンプ２６によるフリップチップ実装で結線する。

本実施の形態による赤外線センサでは、ボンディング用金属パッド２５と金属パッド４１との接合部２６と、赤外線素子２と中抜き状フレーム４との接合部４７と、赤外線透過窓３と中抜き状フレーム４との接合部４５の材料を同じハンダを使用しているので、赤外線素子２と赤外線透過窓３と中抜き状フレーム４とを同時に接合でき、製造時間の短縮を図れる。

また、赤外線素子２と赤外線透過窓３とを中抜き状フレーム４を挟んで接着するため、赤外線素子２と赤外線透過窓３に対して大気圧との圧力差による力が空間５に向かう方向に働き、接着部４７と接着部４５の剥離強度が向上する。さらに、フリップチップ実装により赤外線素子２の結線を行うため、ワイヤボンドにより結線を行う赤外線センサよりも配線が短くなるため電気的な特性に優れ、ワイヤによる配線スペースが不要になるため実装面積を小さくでき、また、小型化が実施の形態１よりも図れる。

また、実施の形態１と同様に、信号線の破断あるいは経年劣化に対し耐久性が増し、赤外線素子２と赤外線透過窓３との間隔を中抜き状フレーム４の厚みで任意に調整できる。

本発明の実施の形態１の赤外線センサの構成を示した斜視図である。 本発明の実施の形態１の赤外線センサの分解図である。 本発明の実施の形態１の赤外線センサの断面図である。 本発明の実施の形態１の赤外線センサの製造工程中の断面図である。 本発明の実施の形態１の赤外線センサの製造工程中の断面図である。 本発明の実施の形態１の赤外線センサの製造工程中の断面図である。 本発明の実施の形態１の赤外線センサの製造工程後の断面図である。 本発明の実施の形態２の赤外線センサの製造工程中の断面図である。 本発明の実施の形態２の赤外線センサの製造工程中の断面図である。 本発明の実施の形態２の赤外線センサの製造工程中の断面図である。 本発明の実施の形態２の赤外線センサの製造工程後の断面図である。 本発明の実施の形態３の赤外線センサの断面図である。

符号の説明

１ 赤外線センサ、２ 赤外線素子、３ 赤外線透過窓、４ 中抜き状フレーム、
５ 真空空間、
２１ 主基板、２２ 検知部、２３ 検知領域、２４ 空洞部分、２５ ボンディング用金属パッド、２６ 導電性バンプ、２９ 読み出し回路、
３１ 赤外透明基板、３２ 反射防止膜、３３ 反射防止膜、
４１ 金属パッド、４２ リード、４３ 接着部、４４ ワイヤ、４５ 接着部、４６ 接着部、４７ 接着部

Claims (3)

1. 主面上に検知部を有する熱型の赤外線素子と、赤外線透過窓と、
   その内周に前記赤外線素子と電気信号を授受するための端子を有しかつ前記内周の端子と導通した端子をその外周に有する枠体とを備え、
   前記赤外線素子の主面が前記赤外線透過窓と対向する形で前記枠体を挟んで前記赤外線素子と前記赤外線透過窓とが接合されて前記赤外線素子、前記枠体、前記赤外線透過窓によって囲まれる空間内が気密封止されかつ前記赤外線素子と前記内周の端子との結線部分が前記気密封止内にあることを特徴とする赤外線センサ。
2. 赤外線素子と枠体の内周の端子とをフリップチップ実装によって結線したことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 赤外線素子と枠体との接合材料と赤外線透過窓と前記枠体との接合材料が同一であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。

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