(57)【要約】【課題】耐湿性の良い赤外線カット型光半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】赤外カットフィルタ特性を有する銅イオンをドープしたリン酸塩系ガラスを粒子状にして透明封止樹脂と混合し、この透明封止樹脂で半導体素子を封止した。ガラス粒子の粒子径をカットしたい赤外線波長の４倍以上とすることで、入射光角度が変わってもフィルタ特性が変わらず、耐湿性も優れる光半導体装置が得られる。【選択図】図１
2015060915.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空部を有する樹脂モールドリードフレーム基板と、
前記樹脂モールドリードフレーム基板上の実装面に実装された光半導体素子と、
前記中空部内部に充填され、前記光半導体素子の上面および側面を覆う、銅イオンを含む粒子状のリン酸塩系ガラスを混合した透明封止樹脂と、
からなることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記銅イオンを含む粒子状のリン酸塩系ガラスは、粒子径が２．８μｍ以上の粒子を含むことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記銅イオンを含む粒子状のリン酸塩系ガラスは、前記粒子径が２．８μｍ以上６．０μｍ未満の粒子を体積分率で２５％から４０％の範囲で含み、かつ前記粒子径が６．０μｍ以上の粒子を体積分率で１５％から３０％の範囲で含むことを特徴とする請求項２記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記透明封止樹脂の上面にカバーガラスが配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の光半導体装置
【請求項５】
樹脂モールドリードフレーム基板上の実装面に光半導体素子をダイボンドする工程と、
前記光半導体素子を金属線によって前記樹脂モールドリードフレーム基板にワイヤボンドする工程と、
リン酸塩系ガラスブロックを粒子化してリン酸塩系ガラス粒子とする工程と、
前記中空部内部において、前記光半導体素子を前記リン酸塩系ガラス粒子が混合してある透明封止樹脂で封止する工程と、
からなることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記リン酸塩系ガラスブロックを粒子化してリン酸塩系ガラス粒子とする工程は、水砕工程とミル工程からなることを特徴とする請求項５記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記ミル工程は、少なくとも第一ミル工程にて得られた第一のガラス粒子と、第二ミル工程にて得られた第二のガラス粒子とを混合する工程からなることを特徴とする請求項６記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第一ミル工程は、ミル回数１回の工程であり、前記第二ミル工程は、ミル回数複数回の工程であることを特徴とする請求項７記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記ミル工程には、ジェットミル法、ボールミル法、バイブレーションミル法のいずれかを用いることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項記載の光半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線カット型光半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学センサなどの光半導体装置を搭載する機器が増えている。携帯電話やスマートホンなどの小型携帯機器にとどまらず、いわゆる生活家電といわれる薄型テレビ、冷蔵庫、エアコンディショナー、照明器具などにもエコの観点から光学センサを搭載している。これらは具体的には人体の接近を検知する近接センサ、外界の明るさを検知して家人の不在を推定する照度センサ、同じく外界の明るさを検知してバックライトや照明の発光量を調節する照度センサなどである。
【０００３】
薄型テレビなどの生活家電では、年々性能が高まることに加えて省エネ率が開発課題とされており、照度の細かなコントロール機能を設けたものが多くを占めるようになっている。これら携帯端末や生活家電機器に使用する電子部品は、多機能化や携帯性の追求に伴い、より小型、薄型、省電力、低コストが常に求められるようになっている。その結果、樹脂モールドパッケージの採用が多く見受けられるようになっている。背景には部品や材料の共通化が挙げられる。低消費電力を担う搭載電子部品の一つである光半導体装置も例外ではなく、他の電子部品と同様に、樹脂モールドパッケージによる小型、薄型、低コストとするものが多くなっている。
【０００４】
図８は、樹脂モールドリードフレーム基板２の上に光半導体素子３を実装した光半導体装置が開示されている例である（たとえば特許文献１の図２）。ここで樹脂モールドリードフレーム基板とは素子搭載部の上面を残してリードフレームがあらかじめ樹脂封止されており、素子搭載部となる面の上方に中空部を有する樹脂モールドパッケージである。中空構造の部分に搭載された光半導体素子３を金線４で接続し、光を透過するカバーガラス７で密閉している。
【０００５】
照度センサの用途では光半導体素子３としてシリコンフォトダイオードを使う例がある。シリコンフォトダイオードは赤外線領域まで分光感度を有する。図４にシリコンフォトダイオードの分光感度の一例を示す。図５には人間の視感度を示す。シリコンフォトダイオードでは赤外線の広い波長領域に渡り、感度を有しているので、シリコンフォトダイオードの分光感度を人間の視感度に合わせるためには赤外線カットフィルタが必要となる。図９はシリコンフォトダイオードの上に赤外線カットフィルタ１１を置いて光半導体装置の分光感度を人間の視感度に合わせる光半導体装置の構造が開示されている例である（たとえば特許文献２の５頁および図１、図３）。ガラスエポキシ樹脂基板８に光半導体素子３を金線４で接続し、可視光および赤外線カット樹脂１０と可視光樹脂９を成型し、赤外線カットフィルタ１１を置いている。
【０００６】
赤外線を吸収する粒子を混ぜ込むことで赤外線カットフィルタとする事例のなかで、赤外線カットフィルタとして利用する粒子の粒子径を調整し、フィルタとして利用する最適粒子径を開示している例がある（たとえば特許文献３の１５頁）。吸収する赤外線の波長と同じ程度の粒子径ではミー散乱によって赤外線が散乱されてしまう。粒子径が赤外線の波長より小さければミー散乱領域からレイリー散乱領域に移る。レイリー散乱は平均粒子径の６乗に反比例して低減するため、粒子径が十分小さく、好ましくは平均粒径が１００ｎｍ以下になると散乱光が非常に少なくなると開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１９１４９８号公報
【特許文献２】特開２０１１−０６０７８８号公報
【特許文献３】特開２０１１−０６５１４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
赤外線カットフィルタは一般に銅イオンをドープしたリン酸塩系ガラスや表面に多層膜を形成した干渉フィルタガラスが使われる。図６に銅イオンをドープしたリン酸塩系ガラスの分光特性の一例を示す。図７に多層膜を用いた干渉フィルタガラスの分光特性を示す。銅イオンをドープしたリン酸塩系ガラスは赤外線吸収型の赤外線カットフィルタであり、入射光角度が変わっても分光特性が変わらないという特徴を有するが、一方で耐湿性に劣るという不具合があった。干渉フィルタガラスは赤外線反射型の赤外線カットフィルタであり、耐湿性は良好であるという特徴を有しているが、一方で入射光角度が変わると入射光の透過する干渉膜の光路長が変わるため分光特性が変化するという不具合があった。図７に示すように垂直入射光に対する分光特性は視感度特性に近いが、斜め入射光に対する分光特性は視感度特性からずれており、７５０ｎｍ付近にも透過光が見られる。赤外線吸収粒子を混ぜ込む赤外線カットフィルタにおいて、赤外線波長より小さい１００ｎｍ以下の赤外線吸収粒子を利用する例もあるが、粒子径が小さくなるにつれて粒子微小化は飛躍的に困難になり、微細化のための費用も設備も時間も余分に必要になるという問題があった。そこで、本発明は耐湿性の良い赤外線カット型光半導体装置およびその製造方法を提供することをその課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題の解決のため、本発明では以下の手段を用いる。
赤外線カットフィルタ特性をもつリン酸塩系ガラスを粒子状粉末にして光半導体素子封止用の透明封止樹脂と混合し、この透明封止樹脂を用いて光半導体素子を封止し、赤外線カットフィルタ付き光半導体装置とする。このときの透明封止樹脂の屈折率はリン酸塩系ガラスの屈折率と同じとなる物を選定する。リン酸塩系ガラス粒子の粒子径はカットする赤外線の波長の４倍以上とする。
【００１０】
具体的には、以下のような構造とした。
まず、樹脂モールドリードフレーム基板と、前記樹脂モールドリードフレーム基板上に実装した光半導体素子と、銅イオンを含む粒子状のリン酸塩系ガラスを混合した透明封止樹脂と、からなることを特徴とする光半導体装置とした。
【００１１】
また、前記銅イオンを含む粒子状のリン酸塩系ガラスには、粒子径が２．８μｍ以上の粒子を含まれることを特徴とする光半導体装置とした。
また、前記銅イオンを含む粒子状のリン酸塩系ガラスには、前記粒子径が２．８μｍ以上６．０μｍ未満の粒子を体積分率で２５％から４０％の範囲で含み、かつ前記粒子径が６．０μｍ以上の粒子を体積分率で１５％から３０％の範囲で含むことを特徴とする光半導体装置とした。
また、前記透明封止樹脂の上面にカバーガラスを置くことを特徴とする光半導体装置とした。
【００１２】
さらに、以下のような製造方法を用いた。
まず、樹脂モールドリードフレーム基板上に光半導体素子をダイボンドする工程と、前記光半導体素子を金属線によって前記樹脂モールドリードフレーム基板にワイヤボンドする工程と、リン酸塩系ガラスブロックを粒子化してリン酸塩系ガラス粒子とする工程と、前記半導体素子を前記リン酸塩系ガラス粒子が混合してある透明封止樹脂で封止する工程と、からなることを特徴とする光半導体装置の製造方法を用いた。
また、前記リン酸塩系ガラスブロックを粒子化してリン酸塩系ガラス粒子とする工程は、水砕工程とミル工程からなることを特徴とする光半導体装置の製造方法を用いた。
【００１３】
また、前記ミル工程は、少なくとも第一ミル工程にて得られた第一のガラス粒子と、第二ミル工程にて得られた第二のガラス粒子とを混合する工程からなることを特徴とする光半導体装置の製造方法を用いた。
また、前記第一ミル工程は、ミル回数１回の工程であり、前記第二ミル工程は、ミル回数複数回の工程であることを特徴とする光半導体装置の製造方法を用いた。
また、前記ミル工程には、ジェットミル法、ボールミル法、バイブレーションミル法のいずれかを用いることを特徴とする光半導体装置の製造方法を用いた。
【発明の効果】
【００１４】
上記手段を用いることで、リン酸塩系ガラスを使いながらも耐湿性が良好な赤外線カット型光半導体装置が得られる。本発明の光半導体装置では入射する入射光角度が変化しても光半導体装置の分光特性は変わらなくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の光半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の光半導体装置の製造方法を模式的に示す図である。
【図３】本発明の光半導体装置の別の構成を模式的に示す図である。
【図４】シリコンフォトダイオードの分光感度の一例を示す図である。
【図５】人間の視感度（明視野）を示す図である。
【図６】銅イオンをドープしたリン酸塩系ガラスの分光特性の一例を示す図である。
【図７】干渉フィルタガラスの分光特性の一例を示す図である。
【図８】従来の光半導体装置の構成を模式的に示す図である。
【図９】従来の光半導体装置の別の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の光半導体装置は、リン酸塩系ガラスを粒子状にして光半導体素子封止用の透明封止樹脂に混合し、この透明封止樹脂で光半導体素子であるシリコンフォトダイオードを樹脂封止して構成している。リン酸塩系ガラスには銅イオンをドープしてあり、赤外線カットフィルタ機能を持っている。耐湿性に課題のあるリン酸塩系ガラスを透明封止樹脂で覆った状態で使うことができ、リン酸塩系ガラスを赤外カットフィルタとして使いながらも良好な耐湿性の光半導体装置が得られる。
【００１７】
シリコンフォトダイオードは赤外線領域のうち特に近赤外領域に分光感度を有する。シリコンフォトダイオードと組み合わせて照度センサ機能の光半導体装置とするには、波長７００ｎｍ〜２０００ｎｍの赤外線をカットすることを要する。これより波長の長い赤外線はシリコンフォトダイオードの分光感度が無いので特に考慮する必要はない。ここでリン酸塩系ガラス粒子の粒子径はカットしたい赤外線の波長７００ｎｍの４倍である２．８μｍ以上の成分が含まれる様にする。これは赤外線の波長と粒子の粒子径が同程度になるとミー散乱効果により赤外線が散乱されてしまい、赤外線カットフィルタとすべき透明封止樹脂層から漏れてくるためである。
以下本発明の半導体装置の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本実施例の光半導体装置の断面を示す模式図である。樹脂モールドされた、中空部を有するリードフレーム基板２の内部の実装面に光半導体素子３が固定され、金線４でワイヤボン実装してある。中空部には透明封止樹脂５が充填されており、光半導体素子３は表面および側面を透明封止樹脂５により樹脂封止してある。透明封止樹脂５には、赤外線カットフィルタ機能を有する銅イオンをドープしたリン酸塩系ガラス粒子１が混合（混練）してある。リン酸塩系ガラス粒子１自身は吸湿性であるが、耐湿性の透明封止樹脂５によって覆われている。また、銅イオンをドープしたリン酸塩系ガラス粒子１が混合された透明封止樹脂５は光半導体素子３の表面および側面を覆う形状となっているため垂直入射光だけでなく、斜め入射光に対しても同様の分光透過率を有することになる。
以上のような構成とすることで、耐湿性の良い赤外線カット型光半導体装置とすることができる。
【００１９】
図２は、本発明の光半導体装置の製造工程を示す模式図である。図２（１）〜（３）に示すように常法に従って、樹脂モールドリードフレーム基板２に光半導体素子３をダイボンド材（図示しない）によってダイボンドする。ダイボンドした光半導体素子３を金線４によって樹脂モールドリードフレーム基板２のインナーリードにワイヤボンドする。なお、金線の代わりにアルミ線や銅線を用いる場合もある。図２（４）に示すように、ディスペンサ６を用いて赤外線カットフィルタ機能を有するリン酸塩系ガラス粒子１が混合してある透明封止樹脂５で中空部を充填し、光半導体素子３を樹脂封止する。
【００２０】
ここで用いる銅イオンをドープしたリン酸塩系ガラス粒子１について更に説明する。リン酸塩系ガラス粒子１は、ガラスブロックから水砕工程とミル工程で作製する。ミル工程には、たとえばジェットミル、ボールミル、バイブレーションミルを用いるが、ここでは、ジェットミルを使用しての実施例について説明する。ジェットミルは粒子化する材料同士がミル内で衝突することで微細化が進む。このため装置の内壁等由来の不純物が混ざりにくい特徴がある。ジェットミルの具体例として、たとえばセイシン企業のジェットミルＦＳ−４がある。原料のガラスブロックを水砕処理し、水砕後に乳鉢で更に粉砕し、２０メッシュで網目が０．７ｍｍのステンレスふるいで、ふるい分けしてジェットミルに投入する。ジェットミルで複数回処理する。ここでは１回処理、２回処理、４回処理の各回数処理品を分取し、粒度分布の中心粒子径６μｍ、３μｍ、２μｍのガラス粉末を得る。
【００２１】
表１にジェットミルでのミル回数と粒度分布の中心粒子径、粒子径２．８μｍ未満粒子の体積分率、粒子径２．８μｍ以上６μｍ未満の粒子、粒子径６．０μｍ以上の粒子の体積分率を示す。このようにジェットミルでの処理を繰り返すことで粒子径６μｍ以上の成分が減り、粒子径２．８μｍの成分が増えていく。
【００２２】
【表１】
2015060915.tif 000003
【００２３】
ここで得た中心粒子径がそれぞれ６μｍ、３μｍ、２μｍのガラス粉末を様々な組み合わせで透明封止樹脂と混合し、得られた透明封止樹脂によりシリコンフォトダイオードを樹脂封止して光学特性を評価する。透明封止樹脂５の例として、たとえば信越シリコーンのＡＳＰ−１１２０−Ａ／Ｂをあげることができる。このシリコーン樹脂は屈折率が１．５７であり、リン酸塩系ガラスと同じ屈折率である。封止樹脂とリン酸塩系ガラスの屈折率を合せることでリン酸塩系ガラス粒子１と透明封止樹脂５の界面での光散乱現象が抑えられる。表２に、リン酸塩系ガラス粒子を様々な組み合わせで透明封止樹脂と混合しシリコンフォトダイオードを樹脂封止したときの光学特性の評価結果を示す。粒子状に粉砕する前の、銅イオンをドープした板状のリン酸塩系ガラスと同等の光学特性を得るには、カットしたい赤外線波長とリン酸塩系ガラス粒子の粒子径との間に４倍以上の差が必要となっている。また粒子径２．８μｍ以上６μｍ未満の成分と粒子径６μｍ以上の成分がバランス良く含まれている場合に良好な結果が得られている。これはカットしたい赤外線の波長が７００ｎｍ〜２０００ｎｍであるので、赤外線の波長と同程度のガラス粒子では、赤外線の波としての性質によりガラス粒子を回り込んでしまい、本来ブロック状ガラスでカットできた筈の赤外線が、赤外線と同程度の粒子径ではカットできず通り抜けてしまうためと考えられる。粒子径２．８μｍ以上６μｍ未満の成分だけでなく、粒子径６μｍ以上の成分も２０％程度含まれていないと良好な結果が得られない。表２の各条件の中では最下段３段に示してある混合条件が良好である。
【００２４】
【表２】
2015060915.tif 000004
【実施例２】
【００２５】
図３は本発明の光半導体装置の別の製造方法を示す模式図である。ここでは実施例１で示したリン酸塩系ガラス粒子を好適に含む透明封止樹脂５の上にカバーガラス７を設置している。この構成とすることで、透明封止樹脂５の厚さを制御しやすくなる。また、透明封止樹脂５が樹脂モールドリードフレーム基板２とガラス７で囲まれるので、更なる信頼性の向上が図れる。
【００２６】
光半導体素子を樹脂封止する場合、光半導体素子に入射する光はリン酸塩系ガラス粒子を好適に含む封止樹脂層を透過して入射する。封止樹脂層ではランバートベールの法則に従った光の吸収が起こる。この光の吸収は封止樹脂層の厚みの累乗に比例し、厚みが２倍になると吸収は２乗倍、厚みが３倍になると３乗倍になる。したがって、光半導体素子上の封止樹脂層厚さのバラツキは感度のバラツキに直結する。透明封止樹脂５の上にカバーガラス７を設置することで光半導体装置の感度バラツキを低減することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
銅イオンをドープしたリン酸塩系ガラスを使った赤外線カットフィルタを有する光半導体装置が高信頼性に提供できるので、屋内や屋外用途、さらには過酷な環境への使用にまで配慮した携帯端末や照明器具をはじめとする様々な光学センサ装置搭載機器への供給に寄与することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１    リン酸塩系ガラス粒子
２    樹脂モールドリードフレーム基板
３    光半導体素子
４    金線
５    透明封止樹脂
６    ディスペンサ
７    カバーガラス
８    ガラスエポキシ樹脂基板
９    可視光樹脂
１０  可視光および赤外線カット樹脂
１１  赤外線カットフィルタ
【図１】
2015060915.tif 000005
【図２】
2015060915.tif 000006
【図３】
2015060915.tif 000007
【図４】
2015060915.tif 000008
【図５】
2015060915.tif 000009
【図６】
2015060915.tif 000010
【図７】
2015060915.tif 000011
【図８】
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【図９】
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