JP3976018B2

JP3976018B2 - 光学用気密パッケージ

Info

Publication number: JP3976018B2
Application number: JP2004033079A
Authority: JP
Inventors: 靖志中島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2024-02-10
Also published as: JP2005228775A

Description

本発明はキャップの一部に光学部材が設けられかつ気密性を有する光学用気密パッケージ、たとえば雰囲気を制御した気密封止が必要な光学センサ等を気密に封止する光学用気密パッケージ、特に遠赤外線イメージセンサ等の光学部材に脆弱な光学材料を使用しなければならない光学素子の実装に用いる光学用気密パッケージに関するものである。

遠赤外線光の入射エネルギーを熱として検出するサーモパイル型等の遠赤外線イメージセンサにおいては、感度を向上させるために光学センサを熱伝導率の劣るＸｅ等のガスを封入したり高真空に排気するなどの光学用気密パッケージに収納している。この場合、遠赤外線イメージセンサとして成立させるためには、遠赤外光を透過させることができる材料からなる窓材、レンズ等の光学部材をセンサ受光面の前面に気密封着することが必須の条件である。この光学部材としては無ドープのＧｅ、ＳｉやＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＫＢｒ等が用いられている。そして、ＧｅやＳｉを用いた場合には、特許文献１に示されるように、光学部材の周辺部の下面に蒸着等によりハンダと濡れる金属膜を形成しておき、光学部材とキャップとをハンダ接合している。

特開平１０−１７０３３７号公報特開平１１−２１１５５５号公報

しかし、このような光学用気密パッケージにおいてＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＫＢｒ等の脆弱材料からなる光学部材を用いる場合には、光学部材を接合したパッケージ部材から印加される力によって光学部材が破壊されて、気密破壊が生ずることがある。

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、気密破壊が生ずるのを防止することができる光学用気密パッケージを提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明においては、Ｆｅ−Ｎｉ系合金からなる金属膜をＺｎＳからなる上記光学部材の周辺部の上面、下面および側面に形成し、上記光学部材を上記金属膜を介してキャップと接合する。

本発明に係る光学用気密パッケージにおいては、外部からの応力を金属膜で受けさせることができるから、光学部材に作用する応力を分散し破壊を防ぐことができるので、気密破壊が生ずるのを防止することができる。

（第１の実施の形態）
図１は本発明に係る光学用気密パッケージすなわち赤外線イメージセンサチップを真空実装したレンズ付きセンサ（カメラ）を示す断面図、図２は図１に示した光学用気密パッケージのレンズ部を示す断面図である。図に示すように、円板状のステム１はＴＯ−８と呼ばれる絶縁された接続端子２を有し、ステム１の表面に遠赤外線イメージセンサチップ３がダイボンドされ、センサチップ３と接続端子２との間はワイヤ４を用いたワイヤボンディングにより電気的に接続されている。また、ステム１のセンサチップ３の実装側が金属キャップ６で覆われ、金属キャップ６は５０アロイと呼ばれるＮｉの含有率が５０％の５０Ｎｉ−Ｆｅ合金からなり、厚さは０．３ｍｍである。また、センサチップ３の表面に対向する金属キャップ６の上面には円形の開口部７が形成され、開口部７に硫化亜鉛（ＺｎＳ）製のレンズ９がハンダからなる接合層１０を介して気密封止され、レンズ９の周辺部１１の上面、下面および側面にＮｉの含有率が４２％の４２Ｎｉ−Ｆｅ合金からなりかつ厚さが１５０μｍの金属膜８が形成されている。すなわち、熱膨張係数がレンズ９の熱膨張係数と同程度の金属膜８がレンズ９の周辺部１１の上面、下面および側面に形成され、レンズ９が金属膜８を介して金属キャップ６に接合されている。そして、金属膜８は電気メッキ法すなわち電解合金メッキ法により形成されている。たとえば、ＮｉＳＯ_４・６Ｈ_２Ｏ０．９５mol／Ｌ（２５０ｇ／Ｌ）、ＮｉＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ０．１７mol／Ｌ（４０ｇ／Ｌ）、ほう酸０．４９mol／Ｌ（３０ｇ／Ｌ）の組成のワットＮｉメッキ浴にマロン酸を０．０５mol／Ｌ、Ｃ_７Ｈ_４ＮＮａＯ_３Ｓ・２Ｈ_２Ｏ（サッカリンナトリウム）を０．００８mol／Ｌ（２ｇ／Ｌ）およびＦｅＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏを０．３５mol／Ｌ以下（０〜９７ｇ／Ｌ以下）を添加してＮｉ−Ｆｅ合金メッキ浴を調製し、この合金メッキ浴をｐＨ２．５、５０℃で使用し、電流密度を１〜９Ａ／ｄｍ^２として、金属膜８が形成されている。なお、電解合金メッキ法に関する公知技術の一例としては、近畿地域産業技術連携推進会議・第７回テクノリサーチコンファレンスでの京都市工業試験場、永山氏らの研究報告がある。

図１に示した光学用気密パッケージにおいては、レンズ９の周辺部１１の上面、下面および側面の金属膜８を形成しているから、外部からの応力を金属膜８で受けさせることができる。このため、レンズ９に作用する応力を分散し破壊を防ぐことができるから、気密破壊が生ずるのを確実に防止することができる。また、図３に示すように、万が一周辺部１１にクラック１２が入った場合でも、クラック１２の発生が考えられる場所は応力が集中する周辺部１１の上面あるいは下面と側面との接合部付近であり、ここはクラック１２が生じても金属膜８に覆われているため気密破壊に繋がらないから、気密破壊が生ずるのを確実に防止することができる。また、レンズ９の材料である硫化亜鉛（ＺｎＳ）は焼結品で熱膨張係数が７．５ppm／ｋ程度であるのに合わせて、レンズ９の材料の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有する金属膜８を形成しているから、レンズ９に引張応力が作用しない。したがって、上述のように一般にセラミックス系の材料の特性として知られている引張力に対する強度が圧縮される力に対する強度と比較すると数分の１倍程度と小さいことにおいて、その引張応力がレンズ９に作用しない構造とすることで、気密破壊が生ずるのをより確実に防止できる。さらに、特にセンサチップ３の寸法に対してレンズ９の大きさに余裕がない場合などに、センサチップ３の撮像エリアの周縁付近に靄がかかって像のＳ／Ｎ比が低下する現象が発生することがあるが、この現象は周辺部１１に入射した光がそのままセンサチップ３側に透過することにより生じているものであり、周辺部１１の上面、下面および側面の金属膜８を形成したときには、金属膜８によって周辺部１１の光の透過を遮断するので、レンズ９が小さな場合でもＳ／Ｎ比が向上してクリアな像が得られる。

また、金属膜８は電解合金メッキ法により形成されており、メッキしたままの４２Ｎｉ−Ｆｅ合金は８．５ppm／ｋの熱膨張係数を有するが、金属膜８に引張応力が残留しており、これがレンズ９に対して圧縮応力を印加しているので、たとえばゆっくり３５０℃まで昇温すると、レンズ９が割れることなく金属膜８に締め付けられたまま図４に示すように４２Ｎｉ−Ｆｅ合金の熱膨張係数が７ppm／ｋ程度まで低下し、その後冷却すると、初期状態と変わらずレンズ９が金属膜８に軽く締め付けられ、レンズ９が金属膜８によって保護された状態となる。なお、金属キャップ６の材料として５０Ｎｉ−Ｆｅ合金を選択し、金属キャップ６の厚さを０．３ｍｍとしているから、後の接合層１０によるハンダ接合時に金属膜８に圧縮応力が発生する。そして、金属膜８の厚さを金属キャップ６の金属材料の応力に整合させておけば、レンズ９に圧縮応力を生じさせることができ、この場合レンズ９に引張力が作用しても、その引張力が所定値よりも小さいときには、レンズ９には引張応力が作用せず、しかも硫化亜鉛のような非金属材料の場合には、上述のように一般的に引張応力よりも圧縮応力に対しては強度が数倍程度以上高いから、レンズ９は外力から保護されて破損することがなくなる。

また、電解メッキは基本的に内部に引張応力を残留させているので、多少の熱膨張係数の逆転は自身の応力で吸収する。また、応力は熱処理条件で調整することも可能であり、さらに応力調整手段のバリエーションが広くなる。

また、金属膜８の材料としてＦｅ−Ｎｉ系合金を用いており、かつ電解合金メッキ法により金属膜８を形成しているから、金属膜８の材料の組成をメッキ条件で設定することができ、金属膜８の材料の組成から容易に熱膨張整数を調整することができるので、開発期間やコストを同時に大きく低減できる。

（第２の実施の形態）
図５は本発明に係る他の光学用気密パッケージのレンズ部を示す断面図である。図に示すように、レンズ９の周辺部１１の上面に金属の蒸着層１３が設けられており、蒸着層１３は２０ｎｍのＴｉ層およびその上の１００ｎｍのＮｉ層からなる。

図５に示したレンズ部を有する光学用気密パッケージにおいては、レンズ９の周辺部１１の上面に金属の蒸着層１３が設けられているから、信頼性を向上させることができる。すなわち、電解メッキにおいては、近年コンパクトディスク等の記録媒体でのエラーを排除するためなどの要求から無欠陥化が進行してきた。しかしながら、確率的には欠陥は存在し、本発明の適用分野のひとつである遠赤外線イメージセンサの製造では、使用部品が比較的高価であるために気密を損なうガスリークは徹底的に排除する必要がある。このガスリークが発生する場合は、本発明のように厚メッキ（金属膜８）を前提とした場合には、金属膜８を抜ける経路は少なく、レンズ９と金属膜８との間の界面の不連続性に起因する場合が多い。したがって、レンズ９の表から裏への経路のいずれかで経路を遮断することができればよく、レンズ９の周辺部１１の上面に蒸着法によりメッキ下地層となる金属の蒸着層１３を形成した後に、メッキを施すことにより金属膜８を形成すれば、レンズ９と金属膜８との界面のわずかな欠陥で気密が劣化するのを防止することができ、信頼性を向上させることができる。

なお、各図は工程の説明を容易にするためにデフォルメされており、正確な寸法比を示さない部分がある。また、実施の形態中の数値は本実施の形態を説明するための一例であり、これに限定されるものではなく、設計条件の変動により当然変化するものである。

また、上述実施の形態においては、光学部材がレンズ９の場合について説明したが、光学部材が窓材等の場合にも本発明を適用することができる。また、上述実施の形態においては、レンズ９の周辺部１１の上面に金属の蒸着層１３を設けたが、光学部材の周辺部の上面、下面の少なくとも一方と金属膜との間に蒸着層を設ければよい。

本発明に係る光学用気密パッケージを示す断面図である。図１に示した光学用気密パッケージのレンズ部を示す断面図である。図１に示した光学用気密パッケージにおける効果を説明するための断面図である。本発明に係る第１の実施例における熱処理方法を説明するためのグラフである。本発明に係る他の光学用気密パッケージのレンズ部を示す断面図である。

符号の説明

６…金属キャップ
８…金属膜
９…レンズ
１１…周辺部
１３…蒸着層

Claims

キャップの一部に光学部材が設けられかつ気密性を有する光学用気密パッケージにおいて、
Ｆｅ−Ｎｉ系合金からなる金属膜をＺｎＳからなる上記光学部材の周辺部の上面、下面および側面に形成し、
上記光学部材を上記金属膜を介して上記キャップと接合した
ことを特徴とする光学用気密パッケージ。
上記金属膜を電気メッキ法で形成したことを特徴とする請求項１に記載の光学用気密パッケージ。
上記光学部材の上記周辺部の上面、下面の少なくとも一方と上記金属膜との間に蒸着層を設けたことを特徴とする請求項２に記載の光学用気密パッケージ。