JP6281858B2

JP6281858B2 - 光学デバイス

Info

Publication number: JP6281858B2
Application number: JP2012275215A
Authority: JP
Inventors: 恵一郎林
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2018-02-21
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: JP2014120635A

Description

本発明は、可視光の光を発光し又は検出する光学デバイス及びその製造方法に関する。

フォトダイオードや発光ダイオードを用いた光学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。

図５は、この種の光学デバイスのパッケージ構造３０を示す断面模式図である（特許文献１の図３）。ベースとなるセラミック基板３１には固体撮像素子３２が搭載される。セラミック基板３１は３層又はそれ以上の多層構造をなし、層間に所定本数の導電膜３３ａがパターン形成される。各々の導電膜３３ａの一端はセラミック基板３１上の固体撮像素子３２の周辺部に近接配置され、そこに固体撮像素子３２の電極部から引き出されたボンディングワイヤ３４が接続される。一方、各々の導電膜３３ａの他端はセラミック基板３１の外側面に露出しており、その露出部分に側面導電膜３３ｂが形成される。そして、各々の側面導電膜３３ｂにリード端子３５がセラミック基板３１の裏側方向に垂直に伸びるようにろう付けされる。さらに、セラミック基板３１の上端部にはシールガラス３６が接合され、シールガラス３６によって固体撮像素子３２が気密封止される。

図６は、他の光学デバイスのパッケージ構造を示す断面模式図である（特許文献１の図２）。固体撮像装置４１は、主にベース基板４２、固体撮像素子４３、樹脂枠４４及び透明板４５から構成される。ベース基板４２はセラミック基板からなる平板構造を成す。固体撮像素子４３はＣＣＤ素子からなりベース基板４２の中央部に実装される。ベース基板４２の両側は平面視半円状の凹部４６が所定の間隔で形成される。ベース基板４２の上には各々の凹部４６面を経由して断面コの字形の厚膜導電材料からなる導電膜４７が形成される。導電膜４７の一端部４７ａは固体撮像素子４３の周辺部に近接配置され、導電膜４７の他端部４７ｂはベース基板４２の素子実装面とは反対側の面に延出し、その延出部分を基板表面に露出させて外部接続用の電極部とする。固体撮像素子４３の上面周縁部には複数の電極部が形成され、この電極部と一端部４７ａはボンディングワイヤ４８により接続される。樹脂枠４４はベース基板４２上の固体撮像素子４３を取り囲むように形成される。透明板４５はベース基板４２の素子実装面との間に所定の空間を確保した状態で、樹脂枠４４の上端部に接合される。これにより、従来の中空パッケージ構造に比較して製造工程が大幅に簡略化されることが記載されている。

特開平１０−１４４８９８号公報

図５に示される光学デバイスのパッケージ構造３０では、多層構造のセラミック基板に階段状の凹部を形成し、その凹部の底面に固体撮像素子３２を実装して気密封止用の空間を確保している。そのため、セラミック基板３１の製造工程が煩雑になり、セラミック基板３１の材料費や加工費が高くなる、という課題があった。

また、図６に示される固体撮像装置４１のパッケージ構造では、樹脂枠４４の上端部を平坦に形成し、透明板４５とベース基板４２との間に形成される中空部を気密封止するのは難しい。つまり、透明板４５をベース基板４２側に押圧しながら加熱すると、樹脂枠４４は軟化して所定の高さの中空部を形成することが困難となる。また、樹脂枠４４として熱硬化型樹脂に代えて紫外線硬化型樹脂を使用すると、紫外線をカットするフィルター機能を有する透明板４５を使用することができなくなる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、フィルター機能を有する透明板を使用することができ、簡単な工程で製造することができ、高気密性を有する光学デバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の光学デバイスは、ベース基板と、前記ベース基板に実装され、前記ベース基板とは反対側の表面に光学活性領域を有する光学チップと、凹部を有し、前記凹部に前記光学チップを収容して前記ベース基板に金属接合材を介して接合される透光性の蓋体と、を備えることとした。

また、前記金属接合材は、前記ベース基板の側に形成される第一金属膜と前記蓋体の側に形成される第二金属膜を含み、前記第一又は第二金属膜は、下地層がＣｒ、Ｎｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｕのいずれかを含む層からなり、表面層がＡｕ、Ｓｎのいずれかを含む層からなる積層構造を有することとした。

また、前記金属接合材は、前記ベース基板の側に形成される第一金属膜と前記蓋体の側に形成される第二金属膜を含み、前記第一又は第二金属膜はナノ銀粒子から形成されることとした。

また、前記第一金属膜と前記第二金属膜とは超音波接合又は半田接合により接合されることとした。

前記金属接合材は導電膜を含み、前記ベース基板と前記蓋体６とが陽極接合により接合されることとした。

また、前記蓋体は特定の光の波長を透過するフィルター機能を有することとした。

本発明の光学デバイスの製造方法は、表面から反対側の裏面に貫通する貫通電極を備えるベース基板を準備するベース基板準備工程と、表面に光学活性領域を有する光学チップを前記表面とは反対側の裏面を前記ベース基板の表面に向けて実装する光学チップ実装工程と、凹部が形成される蓋体を準備する蓋体準備工程と、前記光学チップを前記凹部に収納して前記蓋体を前記ベース基板に設置する蓋体設置工程と、前記凹部を形成する側壁の上面と前記ベース基板の表面とを金属接合材を介在させて接合する接合工程と、を備えることとした。

また、前記ベース基板準備工程は、前記ベース基板の前記蓋体が接合される領域の表面に第一金属膜を形成する工程と、前記蓋体準備工程は、前記側壁の上面に第二金属膜を形成する工程と、を含むこととした。

また、前記接合工程は、前記第一金属膜と前記第二金属膜とを超音波接合又は半田接合により接合することとした。

また、前記接合工程は、前記蓋体と前記ベース基板とを陽極接合により接合することとした。

また、前記光学チップ実装工程は、前記ベース基板に複数の前記光学チップを実装する工程であり、前記蓋体準備工程は、前記蓋体に複数の凹部を形成する工程を含み、前記蓋体設置工程は、複数の前記光学チップを複数の前記凹部にそれぞれに収納して前記蓋体を前記ベース基板に設置する工程であり、前記接合工程の後に、個々の光学デバイスに分離する分離工程を備えることとした。

本発明の光学デバイスは、ベース基板と、ベース基板に実装され、ベース基板とは反対側の表面に光学活性領域を有する光学チップと、凹部を有し、凹部に光学チップを収容してベース基板に金属接合材を介して接合される透光性の蓋体と、を備える。これにより、光学チップを収納する高気密性の空間を確実に形成することができ、構造が簡素なので低コストで光学デバイスを提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る光学デバイスの断面模式図である。本発明の第二実施形態に係る光学デバイスの製造方法を表す工程図である。本発明の第二実施形態に係る光学デバイスの製造工程の説明図である。本発明の第二実施形態に係る光学デバイスの製造工程の説明図である。従来公知の光学デバイスのパッケージ構造を示す断面模式図である。従来公知の光学デバイスのパッケージ構造を示す断面模式図である。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態に係る光学デバイス１の断面模式図である。光学デバイス１は、ベース基板２と、ベース基板２の上に実装される光学チップ３と、光学チップ３を収納しベース基板２に金属接合材１０を介して接合される透光性の蓋体６とを備える。光学チップ３はベース基板２とは反対側の表面に光学活性領域４を有する。蓋体６は凹部５を有し、凹部５に光学チップ３を収容する。

具体的に説明する。ベース基板２は、ガラス材料（ソーダ石灰ガラス、硬質ガラス、アルミナガラス等）、石英、セラミックス、プラスチック材料（ガラスエポキシ樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、アラミド不織布等）を使用することができる。蓋体６は透光性の材料を使用することができる。例えば、ガラス材料、石英、セラミックス、プラスチック材料を使用することができる。蓋体６として、特定の光の波長を透過するフィルター機能を有する材料を使用することができる。例えば、粉砕したリン酸塩ガラスを混入して視感度特性に近い分光特性を付与したガラス材料や透光性プラスチック材料を使用することができる。また、表面に光干渉膜を形成してフィルター機能を付与してもよい。光学チップ３として、フォトダイオード、発光素子等の光学チップを使用することができる。

ベース基板２は、板厚方向に貫通する貫通電極１１と、貫通電極１１に電気的に接続し、ベース基板２の表面に形成される内部電極９と、表面とは反対側の裏面に形成される外部電極８とを備える。貫通電極１１は、Ａｇ、Ａｕ系の貴金属ペーストや、Ｃｕ、Ｎｉ系の卑金属ペースト等の圧膜導電体材料により、また、Ｃｕの電解メッキ又は無電解メッキにより形成することができる。また、コバール、ステンレス等の金属線材から形成することができる。内部電極９は、単層の金属膜の他に、Ａｕ／Ｎｉ／Ｃｕの積層構造としてもよい。

ベース基板２と蓋体６とは金属接合材１０を介して陽極接合、超音波接合、又は半田接合により接合される。陽極接合の場合は、例えば、ベース基板２と蓋体６にソーダ石灰ガラスを使用し、金属接合材１０としてベース基板２又は蓋体６のいずれかの接合領域にアルミニウム膜、シリコン膜等からなる導電膜を形成する。そして、ベース蓋体６を基板２に加圧しながら３００℃〜４５０℃に加熱し、接合部に数１００Ｖの高電圧を印加して行うことができる。

また、超音波接合の場合は、ベース基板２と蓋体６にガラス材料、セラミックス、プラスチック材料を使用し、ベース基板２の表面外周に金属接合材１０としての第一金属膜１０ａを形成し、蓋体６の凹部５を形成する側壁の上面に金属接合材１０としての第二金属膜１０ｂを形成する。そして、ベース基板２に蓋体６を載置し第一金属膜１０ａと第二金属膜１０ｂを密着させて、加熱及び加圧しながら超音波を印加して接合することができる。ここで、第一金属膜１０ａや第二金属膜１０ｂとして、例えばＡｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ａｌ等の単体層、或いはこれらの積層構成を用いることができる。また、第一金属膜１０ａや第二金属膜１０ｂは、下地のベース基板２又は蓋体６に対して密着性の良い材料からなる下地層と、金属間接合の容易な表面層とからなる積層構造とすることができる。下地層は、例えばＣｒ、Ｎｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｕのいずれかを含み、表面層は、例えばＡｕ、Ｓｎのいずれかを含むようにする。例えば、下地層としてＣｕを約２ｗｔ％含むＡｌとすれば、下地に対する密着性を向上させることができる。また、第一又は第二金属膜１０ａ、１０ｂとして、或いは第一及び第二金属膜１０ａ、１０ｂとしてナノ銀粒子からなる層を形成することができる。ナノ銀粒子は直径が１ｎｍ〜１０ｎｍの銀粒子からなり、温度１００℃〜２００℃の比較的低い温度で高い反応性を有する。従って、ベース基板２と蓋体６とを比較的低温で接合することができる。

このように、光学チップ３が実装されるベース基板２に蓋体６を被せる構造なので、温度設定や加圧の大きさによって内部空間が潰れることがなく、光学チップ３を確実に収納することができる。また、簡素な構造なので低コストで製造することができる。更に、ベース基板２と蓋体６とを金属接合材１０を用いて接合するので、気密性が高く耐湿性、耐海水性、耐温度性等の耐候性に優れた光学デバイス１を提供することができる。

また、母材たるベース基板２と蓋体６とを金属接合材１０を用いて接合するため、母材の融点温度よりも低い温度で接合できることとなり、高精度な製品の出来上がり寸法を実現することができる。さらに、母材たるベース基板２と蓋体６とを金属接合材１０を用いて接合するため、母材の融点温度よりも低い温度で接合できることとなり、例えば、非常に薄い厚さの蓋体６を適用することもできる。また、金属接合材１０が、ベース基板２と蓋体６の間に浸透するため、気密性が高いとともに、接合面が複雑な形状であっても接合することができる。

（第二実施形態）
図２は、本発明の第二実施形態に係る光学デバイスの製造方法を表す工程図である。図３及び図４は、本発明の第二実施形態に係る光学デバイスの製造工程の説明図である。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。

まず、ベース基板準備工程Ｓ１において、表面から反対側の裏面に貫通する貫通電極１１を備えるベース基板２を準備する。次に、光学チップ実装工程Ｓ２において、表面に光学活性領域４を有する光学チップ３をベース基板２の表面に実装する。また、蓋体準備工程Ｓ３において、凹部５が形成される蓋体６を準備する。次に、蓋体設置工程Ｓ４において、光学チップ３を凹部５に収納して蓋体６をベース基板２に設置する。次に、接合工程Ｓ５において、凹部５を形成する側壁の上面とベース基板２の表面とを金属接合材１０を介在させて接合する。接合は、陽極接合、超音波接合又は半田接合により行うことができる。次に、外部電極形成工程Ｓ６において、ベース基板２の裏面に、貫通電極１１と電気的に接続する外部電極８を形成する。

このように、凹部５が形成される蓋体６を、光学チップ３を実装したベース基板２に、金属接合材１０を介して接合する。そのため、構造が簡素であり、光学チップ３を確実に収納することができ、気密性が高く、耐候性に優れた光学デバイス１を低コストで製造することができる。なお、ベース基板２、蓋体６、金属接合材１０、ベース基板２のそれぞれの材料については第一実施形態において説明したと同様なので説明を省略する。また、外部電極形成工程Ｓ６は、ベース基板準備工程Ｓ１の際に形成しておくことができるので、本発明の必須要件でない。また、Ｓ１〜Ｓ６は必ずしも製造工程の順番を表すものではなく、蓋体準備工程Ｓ３は蓋体設置工程Ｓ４の前であればよく、外部電極形成工程Ｓ６はどの段階で実施してもよい。

以下、図３及び図４を参照して具体的に説明する。以下、ベース基板２としてソーダ石灰ガラスを使用し、蓋体６として粉砕したリン酸塩ガラスが混入するソーダ石灰ガラスを使用する。また、光学チップ３としてフォトダイオードを使用し、ベース基板２と蓋体６との間を超音波接合による封止する例である。

図３（Ｓ１）は、ベース基板準備工程Ｓ１におけるベース基板２の断面模式図である。まず、型成形法によりベース基板２を軟化させて貫通孔を形成する。次に、貫通孔に貫通電極１１を挿入して貫通電極１１とベース基板２とを熱溶着する。貫通電極１１は、金属材料、例えばコバール、ステンレス、４２アロイ等を使用することができる。次に、ベース基板２を研削又は研磨して、少なくとも蓋体６を接合する側の表面を平坦化する。次に、内部電極９を貫通電極１１と重なるように形成して貫通電極１１に導通させる。内部電極９は、金属等からなる導電体を蒸着法、スパッタリング法、ディスペンス法或いは印刷法により形成することができる。更に、ベース基板２の蓋体６が接合される領域の表面に第一金属膜１０ａを形成する。

第一金属膜１０ａは、光学チップ３や貫通電極１１が形成される領域を取り囲むように形成する。蒸着法、スパッタリング法等により金属膜をベース基板２の表面に堆積し、フォトリソグラフィ及びエッチング法により第一金属膜１０ａのパターンを形成することができる。また、ディスペンス法や印刷法によりナノ銀粒子膜のパターンを形成し、乾燥・焼成してナノ銀粒子から第一金属膜１０ａを形成することができる。なお、第一金属膜１０ａを形成する工程で同時に内部電極９を形成してもよい。

第一金属膜１０ａは、ベース基板２側に形成する下地層と、その上面に形成する表面層との積層構造とする。例えば、表面層としてＡｕ、Ｓｎなどの比較的低温で接合可能な材料を使用し、下地層としてＣｒ、Ｎｉ、Ｔａ、Ａｌ，Ｃｕのいずれかを含み、下地に対する密着性の高い材料を使用する。第一金属膜１０ａを、例えば、表面側からＡｕ／Ｎｉ／Ｃｒの積層構造とすることができる。また、下地層としてＣｕを約２ｗｔ％を含むＡｌ層を約１０００Å形成すれば、ガラスに対して密着性を高めることができる。

図３（Ｓ２）は、光学チップ実装工程Ｓ２におけるベース基板２及び光学チップ３の断面模式図である。表面に光学活性領域４を有する光学チップ３を光学活性領域４が形成される表面とは反対側の裏面をベース基板２の表面に向けて実装する。本実施形態においては、光学チップ３としてフォトダイオードチップを用い、光学活性領域４が受光面となる。光学チップ３の表面の光学活性領域４より外側には電極パッド１２が形成され、この電極パッド１２とベース基板２の表面に形成される内部電極９との間をワイヤーボンディングにより金線などからなるワイヤー７を接続する。これにより、光学チップ３と貫通電極１１とが電気的に接続される。

図３（Ｓ３）は、蓋体準備工程Ｓ３における蓋体６の断面模式図である。ガラス板を軟化点以上に加熱し型成形により中央部に凹部５を形成する。次に、凹部５を形成する側壁の上面を研削又は研磨して平坦化する。次に、スパッタリング法又は蒸着法により金属膜を堆積し、パターニングを行って凹部５を形成する側壁の上面に第二金属膜１０ｂを形成する。また、ナノ銀粒子が分散する溶液をディスペンス法やインクジェット印刷法により側壁上面に塗布し、乾燥・焼成を行ってナノ銀粒子による第二金属膜１０ｂを形成することができる。

第二金属膜１０ｂは、蓋体６側に形成する下地層と、その上面に形成する表面層との積層構造とする。例えば、表面層としてＡｕ、Ｓｎなどの比較的低温で接合可能な材料を使用し、下地層としてＣｒ、Ｎｉ、Ｔａ、Ａｌ，Ｃｕのいずれかを含み、下地に対する密着性の高い材料を使用する。また、下地層としてＣｕを約２ｗｔ％を含むＡｌ層を約１０００Å形成すれば、ガラスに対して高い密着性を確保することができる。

図３（Ｓ４）は、蓋体設置工程Ｓ４における蓋体６とベース基板２の断面模式図である。光学チップ３を凹部５に収納して蓋体６をベース基板２に設置する。このとき、ベース基板２に形成した第一金属膜１０ａと蓋体６の凹部５を形成する側壁の上面に形成した第二金属膜１０ｂとを密着させる。

図４（Ｓ５）は、接合工程Ｓ５を説明するための図である。蓋体６を設置したベース基板２をステージ１６に設置し、蓋体６側を加圧ヘッド１５により加圧し、温度２５０℃〜３００℃に昇温する。そして、ステージ１６又は加圧ヘッド１５に超音波を印加して第一及び第二金属膜１０ａ、１０ｂに超音波振動を伝達する。これにより、蓋体６の凹部５を形成する側壁の上面とベース基板２の表面とを第一金属膜１０ａ及び第二金属膜１０ｂからなる金属接合材１０を介在させて超音波接合する。これにより第一金属膜１０ａの表面層と第二金属膜１０ｂの表面層とが金属間接合する。なお、超音波接合に代えて表面層どうしを熱溶着させることにより接合してもよいし、第一金属膜１０ａの表面層と第二金属膜１０ｂの表面層とを半田により接合してもよい。また、ナノ銀粒子により第一又は第二金属膜１０ａ、１０ｂ、或いは第一及び第二金属膜１０ａ、１０ｂを形成し、加熱圧着することにより溶着することができる。ナノ銀粒子は反応性が高いので、１００℃〜２００℃の比較的低温度で接合することができる。

図４（Ｓ６）は、外部電極形成工程Ｓ６における蓋体６とベース基板２の断面模式図である。ベース基板２の外表面に貫通電極１１と電気的に接続する外部電極８を形成する。外部電極８は、蒸着法やスパッタリング法により金属膜を堆積し、これをパターニングして形成してもよいし、印刷法により外部電極８のパターンを印刷し、焼成して形成してもよい。

以上の通り、ベース基板２と蓋体６とを金属接合材１０を介在させて接合したので、気密性の高い高信頼性の光学デバイス１を簡便な製造プロセスにより低コストで製造することができる。

なお、上記実施形態では金属接合材１０としてベース基板２に形成した第一金属膜１０ａと蓋体６に形成した第二金属膜１０ｂとを、超音波接合や半田接合による例について説明したが、本発明はこれに限定されない。金属接合材１０として、ベース基板２に形成する第一金属膜１０ａのみ、又は蓋体６に形成する第二金属膜１０ｂのみとし、金属接合材１０を形成した側を陽極に、金属接合材１０を形成しない側を陰極にして陽極接合することができる。陽極接合は、接合面を３５０℃〜４５０℃に加熱、及び加圧し、４００Ｖ〜６００Ｖの電圧を印加して行う。金属接合材１０として、Ａｌ、シリコン等の導電膜を使用することができる。

また、上記実施形態は、一個の光学デバイス１を製造する例について説明したが、多数個同時に形成する多数個取りの製造工程とすることができる。即ち、光学チップ実装工程Ｓ２は、ベース基板２に複数の光学チップ３を実装する。蓋体準備工程Ｓ３は、蓋体６に複数の凹部５を形成する。蓋体設置工程Ｓ４は、複数の光学チップ３を複数の凹部５にそれぞれ収納して蓋体６をベース基板２に設置する。そして、接合工程Ｓ５の後に、個々の光学デバイス１に分離する分離工程を備える。これにより、多数個の光学デバイス１を同時に製造することができる。

また、上記実施形態において、ベース基板２及び蓋体６としてガラス材料を用いる例について説明したが、本発明はこれに限定されず、ベース基板２及び蓋体６としてガラスエポキシ樹脂やプラスチック材料等を使用することができる。

１光学デバイス
２ベース基板
３光学チップ
４光学活性領域
５凹部
６蓋体
７ワイヤー
８外部電極
９内部電極
１０金属接合材、１０ａ第一金属膜、１０ｂ第二金属膜
１１貫通電極
１２電極パッド

Claims

ベース基板と、
前記ベース基板に実装され、前記ベース基板とは反対側の表面に光学活性領域を有する光学チップと、
凹部を有し、前記凹部に前記光学チップを収容して前記ベース基板に金属接合材を介して接合される透光性の蓋体と、を備え、
前記蓋体は、母材に粉砕された形態のリン酸塩ガラスを有しており、前記リン酸塩ガラスによってフィルター機能を有する光学デバイス。
前記金属接合材は、前記ベース基板の側に形成される第一金属膜と前記蓋体の側に形成される第二金属膜を含み、
前記第一又は第二金属膜は、下地層がＣｒ、Ｎｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｕのいずれかを含む層からなり、表面層がＡｕ、Ｓｎのいずれかを含む層からなる積層構造を有する請求項１に記載の光学デバイス。
前記金属接合材は、前記ベース基板の側に形成される第一金属膜と前記蓋体の側に形成される第二金属膜を含み、前記第一又は第二金属膜はナノ銀粒子から形成される請求項１に記載の光学デバイス。
前記金属接合材は、前記ベース基板の側に形成される第一金属膜と前記蓋体の側に形成される第二金属膜を含み、
前記第一金属膜と前記第二金属膜とは超音波接合又は半田接合により接合される請求項１に記載の光学デバイス。
前記金属接合材は導電膜を含み、前記ベース基板と前記蓋体６とが陽極接合により接合される請求項１に記載の光学デバイス。