(57)【要約】【課題】フラックスを不要とし、キャップやヘッダーに搭載した構造物のはんだが熱により溶けることなくキャップを封止できる光検出センサ及びその製造方法。【解決手段】光を検出するセンサチップ３２と、このセンサチップを冷却させるサーモモジュール３２と、ウィンドウ３５が取り付けられたキャップ３４と、センサチップ及びサーモモジュールを搭載するヘッダー３１と、センサチップ及びサーモモジュールの各々に用いられるはんだ材の融点よりも融点が低く且つヘッダーとキャップとを接合させることにより封止させる低融点はんだ３３とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を検出するセンサチップと、
このセンサチップを冷却させるサーモモジュールと、
ウィンドウが取り付けられたキャップと、
前記センサチップ及び前記サーモモジュールを搭載するヘッダーと、
前記センサチップ及び前記サーモモジュールの各々に用いられるはんだ材の融点よりも融点が低く且つ前記ヘッダーと前記キャップとを接合させることにより封止させる低融点はんだと、
を備えることを特徴とする光検出センサ。
【請求項２】
前記光検出センサは、Ｘ線検出センサであることを特徴とする請求項１記載の光検出センサ。
【請求項３】
前記低融点はんだは、インジウム又は融点が１６０℃以下のインジウム系の低融点はんだであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光検出センサ。
【請求項４】
前記低融点はんだは、環状のはんだ材であることを特徴とする請求項３記載の光検出センサ。
【請求項５】
前記低融点はんだは、前記キャップの前記ヘッダーとの接合部分に予め付着されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の光検出センサ。
【請求項６】
光を検出するセンサチップと、このセンサチップを冷却させるサーモモジュールと、ウィンドウが取り付けられたキャップと、前記センサチップ及び前記サーモモジュールを搭載するヘッダーと、前記センサチップ及び前記サーモモジュールの各々に用いられるはんだ材の融点よりも融点が低く且つ前記ヘッダーと前記キャップとを接合させることにより封止させる低融点はんだとを備える光検出センサの製造方法であって、
ドラフトチャンバにおいて低融点材の表面をエッチングして洗浄し、グローブボックスにおいて低融点材を乾燥させ、真空封止機において真空ベーキングを行い得られた前記低融点はんだを真空雰囲気中で融点以上の温度で溶かして前記ヘッダーと前記キャップとを接合させることを特徴とする光検出センサの製造方法。
【請求項７】
前記光検出センサは、Ｘ線検出センサであることを特徴とする請求項６記載の光検出センサの製造方法。
【請求項８】
前記低融点はんだは、インジウム又は融点が１６０℃以下のインジウム系の低融点はんだであることを特徴とする請求項６又は請求項７記載の光検出センサの製造方法。
【請求項９】
前記低融点はんだは、環状のはんだ材であることを特徴とする請求項８記載の光検出センサの製造方法。
【請求項１０】
前記低融点はんだは、前記キャップの前記ヘッダーとの接合部分に予め付着されていることを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれか１項記載の光検出センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エックス線、ガンマ線などの放射線を検出する光検出センサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来の光検出センサの詳細構成図であり、図５（ａ）は光検出センサの上面図、図５（ｂ）は光検出センサの断面図である。この光検出センサは、ヘッダー１、キャップ２、基板７、センサチップ９、コリメータ１０、ウィンドウ固定材１１、ウィンドウ１２、温度センサ１３、 ゲッター材１４、ＪＦＥＴ（接合型電界効果トランジスタ）１５、多段サーモモジュール１７を有している。
【０００３】
多段サーモモジュール１７は、光を検出するセンサチップ９を−７０℃〜−２０℃の低温で動作させる。ヘッダー１にはゲッター材１４が取り付けられ、ゲッター材１４により光検出センサ内部の雰囲気を真空状態に保つ役割を持つ。多段サーモモジュール１７は、３枚のアルミナ基板からなるペルチェステージ５と複数のペルチェ素子４とをはんだ材１８により固定することで構成される。多段サーモモジュール１７は、コバール製のヘッダー１にはんだ材３により固定される。
【０００４】
アルミナ製の基板７上にはセンサチップ９とＪＦＥＴ１５と温度センサ１３とが固定されている。センサチップ９がＸ線センサである場合、基板７に固定する方法としては、不純線対策として一般的に炭化水素系の接着剤８が用いられる。ＪＦＥＴ１５は、高融点のはんだ材２０により接合され、温度センサ１３は接着剤２１により貼り付けられる。基板７は、多段サーモモジュール１７の最上段のペルチェステージ５上に接着剤６により固定される。
【０００５】
センサチップ９がＸ線センサチップである場合、センサチップ９上に多層の金属からなるコリメータ１０が接着剤２２により固定される。キャップ２には予めウィンドウ１２がウィンドウ固定材１１により貼り付けられる。ウィンドウ１２は、センサチップ９の種類により材質が異なる。センサチップ９がＸ線センサである場合、ウィンドウ１２は、厚みが２０〜３０μｍの薄いベリリウム箔からなる。この場合、ウィンドウ固定材１１の材質としては、Ａｇ−Ｃｕなどのはんだ材が用いられる。
【０００６】
キャップ２とヘッダー１との固定及び密閉は、真空環境内で行われる。キャップ２とヘッダー１との固定方法としては、抵抗溶接法、接着材、はんだ材などの複数の方法がある。抵抗溶接法により固定と密封を行うときには、密閉封止部分１６には多少の変形が見られる。接着剤やはんだ材を用いるときには、接着材やはんだ材が密閉部分より多少はみ出すことがある。
【０００７】
光検出センサは、各種の接着材とはんだ材とを用いる。接着剤は、内部雰囲気中の圧力上昇を避けるため、硬化した後に、脱ガスが少ないものが要求される。
【０００８】
このような光検出センサにおいて、センサチップ９を低温で動作させるために、素子内部の狭い空間に多段サーモモジュール１７を搭載し、多段サーモモジュール１７によりセンサチップ９を冷却させる。
【０００９】
しかし、多段サーモモジュール１７は、冷却能力が弱いため、その性能を発揮させるためには、断熱を図る必要がある。このため、多段サーモモジュール１７とセンサチップ９とが搭載されている空間の雰囲気（キャップとヘッダーとで隔離された空間の内部）を真空状態にする必要がある。
【００１０】
なお、従来の技術として、特許文献１に記載された例や、赤外線センサや一部のＸ線センサの中に、キャップ内雰囲気に減圧不活性ガスを使用している例がある（特許文献２）。また、衝撃の少ないキャップとヘッダーとの接合方法として接着材を用いた方法がある（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１−２３６６７５号公報
【特許文献２】特開平４−１７３１３０号公報
【特許文献３】特開平１０−３０８５５５号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Uber die Diffusion von Wasser durch Epoxyharz,J.barde leben,Kunstoffe,bd.53,pp.162-163,1963
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献２では、センサの検出対象が低エネルギーＸ線である場合、低エネルギーＸ線が減圧不活性ガスの窒素、アルゴンやキセノンに吸収されて、センサに届くＸ線の光量が減少してしまう。また、センサに入射したＸ線が不活性ガスを励起するのに十分なエネルギーを有している場合には、不活性ガスからの蛍光Ｘ線がセンサに入力され、不純線となって計測されてしまう。また、非特許文献１においては、接着材は、拡散現象により水分を通すことから、センサ素子内部の空間を長期間に亙って真空状態に保つことは難しかった。そこで、キャップとヘッダーとを接合させる方法として、一般的にロウ付けが用いられている。
【００１４】
しかしながら、キャップやヘッダーの温度をはんだ（ロウ）を溶かす温度まで上昇させることで、ロウ付けが行われるため、キャップ封止前にキャップやヘッダーに搭載した構造物のはんだが熱により溶ける可能性があった。また、一般的にはフラックスを用いてはんだ付けが行われていた。
【００１５】
本発明の課題は、フラックスを不要とし、キャップやヘッダーに搭載した構造物のはんだが熱により溶けることなくキャップを封止できる光検出センサ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る光検出センサは、上記課題を解決するために、光を検出するセンサチップと、このセンサチップを冷却させるサーモモジュールと、ウィンドウが取り付けられたキャップと、前記センサチップ及び前記サーモモジュールを搭載するヘッダーと、前記センサチップ及び前記サーモモジュールの各々に用いられるはんだ材の融点よりも融点が低く且つ前記ヘッダーと前記キャップとを接合させることにより封止させる低融点はんだとを備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る光検出センサの製造方法は、光を検出するセンサチップと、このセンサチップを冷却させるサーモモジュールと、ウィンドウが取り付けられたキャップと、前記センサチップ及び前記サーモモジュールを搭載するヘッダーと、前記センサチップ及び前記サーモモジュールの各々に用いられるはんだ材の融点よりも融点が低く且つ前記ヘッダーと前記キャップとを接合させることにより封止させる低融点はんだとを備える光検出センサの製造方法であって、ドラフトチャンバにおいて低融点材の表面をエッチングして洗浄し、グローブボックスにおいて低融点材を乾燥させ、真空封止機において真空ベーキングを行い前記低融点はんだを真空雰囲気中で融点以上の温度で溶かして前記ヘッダーと前記キャップとを接合させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の光検出センサ及びその製造方法によれば、センサチップ及びサーモモジュールの各々に用いられるはんだ材の融点よりも融点が低く且つヘッダーとキャップとを接合させることにより封止させる低融点はんだを用いたので、フラックスを不要とし、キャップやヘッダーに搭載した構造物のはんだが熱により溶けることなくキャップを封止できる光検出センサ及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１の光検出センサのキャップとヘッダーとを低融点はんだにより接合させる方法を示す図である。
【図２】各種のはんだ材料の融点を示す図である。
【図３】実施例１の光検出センサの製造方法を示すフローチャート及び光検出センサの製造装置を示す図である。
【図４】実施例２の光検出センサのキャップとヘッダーとを低融点はんだにより接合させる方法を示す図である。
【図５】従来の光検出センサの詳細構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の光検出センサ及びその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
実施例１の光検出センサは、キャップとヘッダーとを封止する際に、内部の構造物を高温状態にしないで接合できる低融点はんだを用いる。低融点はんだは、複数種類存在するが、Ｓｎ−Ｐｂと比較して、接合が難しい。図２に各種のはんだ材料の融点を示す。例えば、一般的な低融点はんだであるインジウム系はんだ（Ｉｎ、Ｉｎ−Ｓｎ、Ｉｎ−Ａｇ）は酸化し易く、温度が融点以上になっても、表層の酸化膜が邪魔して接合が難しい。
【００２２】
一般的には低融点はんだにフラックスを併用して表層の酸化膜を除去できるが、内部を真空に保つ必要がある光検出センサの場合には、フラックスを用いることは内部圧力を上昇させるため、不適である。
【００２３】
また、インジウム系はんだを還元させながら加熱し、表層の酸化膜を除去する方法もある。しかし、はんだ材に熱伝導率の高い水素が入り込み、真空封止後に水素がキャップ内部雰囲気中に徐々に増えていく。これは、キャップ内の水素ゲッター材の吸着能力以上の水素がキャップ内部に含まれる可能性が大きいので、不適である。さらに、キャップ封止前に内部雰囲気の上昇を抑えるためには、キャップ封止前にキャップ、はんだ材、実装されたヘッダー材を真空雰囲気中でベーキングする必要がある。真空ベーキングは、各種部品の内部から脱ガスを図るために行うものであり、理想的には高温で長時間行うことが望ましい。
【００２４】
しかし、真空ベーキングは、各種部品に用いられるロウ（はんだ）の融点以上の温度で行うことができない。また、内部構造物のペルチェ素子における高温劣化の影響（多段サーモモジュールを構成するペルチェ素子のはんだ材が熱による拡散現象で劣化する）を避けるため、一般的には１４０℃〜１５０℃の温度で処理が行われる。
【００２５】
以上のことから、ロウ付けの材料としては、Ｉｎ系（ＩｎおよびＩｎ−Ａｇ）が適当であるが、接合時の酸化膜の問題を解決する必要がある。
【００２６】
そこで、実施例１の光検出センサでは、実装済みヘッダーとウィンドウとが固定されたキャップを密閉封止させる際に、低融点はんだによるロウ付けを行う。低融点はんだは、１４０℃〜１６０℃の低温で溶融する金属材料を用いる。また、低融点はんだは、表面の酸化により接合が難しくなる。このため、実施例１では、以下の接合方法が採用される。
【００２７】
（１）まず、はんだ材をエッチングし、洗浄した後、乾燥窒素等の不活性ガス内で乾燥させ、そのまま大気中に曝露させることなく、真空チャンバに入れる。なお、キャップに低融点はんだを真空蒸着法などで付ける場合には、エッチング等の作業が不要となる。低融点はんだが付いたキャップを大気中に曝露することなく真空チャンバに移動させる。
【００２８】
（２）次に、真空雰囲気内の作業空間において、低融点はんだを溶かしてキャップとヘッダーとを接合させる。
【００２９】
次に、図１及び図３を参照しながら、実施例１の光検出センサのキャップとヘッダーとを低融点はんだにより接合させる方法を説明する。図３は、実施例１の光検出センサの製造方法を示すフローチャート及び光検出センサの製造装置を示す図である。
【００３０】
まず、低融点はんだ３３としては、インジウム（融点１５６．４℃）、あるいはインジウム系融点はんだ（Ｉｎ−Ａｇ：融点１４３℃）を用いる。低融点はんだ３３は、センサチップ９、多段サーモモジュール１７、及びその他の内部構成部品の各々に用いられるはんだ材の融点よりも融点が低い。
【００３１】
低融点材を例えば環状に成形して、ドラフトチャンバ５１内において、成形された環状の低融点材の表面をケミカルエッチングする（ステップＳ１０１）。その後、空気中に曝露させない環境（例えば窒素雰囲気）で洗浄（水洗）する（ステップＳ１０２）。
【００３２】
次に、グローブボックス５２において、成形された環状の低融点材を乾燥させる（ステップＳ１０３）。
【００３３】
さらに、成形された環状の低融点材を、接合を行うための真空封止機５３に移動させる。そして、図１に示すように、環状の低融点はんだ３３を内蔵部品３２が置かれた実装終了後のヘッダー３１に固定する。さらに、真空ベーキングを行い、脱ガスを図る（ステップＳ１０４）。
【００３４】
さらに、真空雰囲気中で融点以上の温度で低融点はんだ３３を溶かす（ステップＳ１０５）。その後、ウィンドウ３５を固定した後のキャップ３４を上部からウィンドウ３５を破壊しない程度に圧力を掛けながら、ヘッダー３１と接合させることにより封止させる（ステップＳ１０６）。
【００３５】
なお、環状の低融点はんだ３３を溶融させるために加熱する方法としては、ヘッダー３１の裏側にヒーターを密着させて昇温させる。
【００３６】
このように実施例１の光検出センサ及びその製造方法によれば、従来、酸化膜を除去するためのフラックスが必要であった低融点はんだにおいて、フラックスが不要となるので、内部圧力上昇やコンタミネーションの発生問題がなくなり、真空封止材料として使用できる。
【００３７】
また、センサチップ９、多段サーモモジュール１７、及びその他の内部構成部品の各々に用いられるはんだ材の融点よりも融点が低い低融点はんだ３３を使用することで、多段サーモモジュール１７あるいはウィンドウ３５を固定するためのはんだ材などが再融解することがなくなる。
【００３８】
さらに、低融点はんだ３３を使用することで、抵抗溶接などを行う際の衝撃もなくなる。また、多段サーモモジュール１７に用いられているペルチェ素子４の高温劣化による影響も少なくなる。
【実施例２】
【００３９】
図４は、実施例２の光検出センサのキャップ３４とヘッダー３１とを低融点はんだ３７により接合させる方法を示す図である。実施例２の光検出センサのキャップ３４とヘッダー３１との接合方法では、図４に示すように、キャップ３４の接合部分である端部に、環状の低融点はんだ３７を真空蒸着などの方法により厚く付着させる。この場合も、真空蒸着機からキャップ３４を取り出す際に空気中に曝露されることなく、窒素ガスなどの不活性ガス中で環状の低融点はんだ３７が移動される。
【００４０】
キャップ３４とヘッダー３１との接合方法としては、キャップ３４の上部からウィンドウ３５を破壊しない程度に圧力を掛けながら低融点はんだ３７の融点以上でその他のはんだ材の融点以下の温度で加熱させながらキャップ３４とヘッダー３１とを接合させる。
【００４１】
加熱方法としては、ホットプレートで加熱する方法やランプからの輻射熱を利用してキャップ３４を加熱する方法などがある。この場合には、空気中に曝露されていないことから、酸化膜除去は不要である。
【００４２】
このように実施例２の光検出センサにおいても、実施例１の光検出センサの効果と同様な効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る光検出センサ及びその製造方法は、赤外線検出センサ、発光素子、その他の一般のセンサに利用可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１，３１  ヘッダー
２，３４  キャップ
３，１８，２０  はんだ材
４  ペルチェ素子
５  ペルチェステージ
６，８，２１，２２  接着剤
７  基板
９  センサチップ
１０  コリメータ
１１  ウィンドウ固定材
１２，３５  ウィンドウ
１３  温度センサ
１４  ゲッター材
１５  ＪＦＥＴ
１６  密閉封し部分
１７  多段サーモモジュール
３２  内蔵部品
３３  環状の低融点はんだ
３７  低融点はんだ
５１  ドラフトチャンバ
５２  ブローブボックス
５３  真空封止機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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