(57)【要約】      （修正有）【課題】  低温かつ短時間の接合を可能とするとともに、高い気密性を持たせて放射線検出素子の腐食を抑制することが可能な放射線検出器用フィルタの実装方法を提供する。【解決手段】  基材１０に基材側母材金属部１１を形成し、放射線減衰フィルタ２０のフランジ部２０Ａにフィルタ側母材金属部２１を形成するとともに、基材側母材金属部１１、フィルタ側母材金属部２１上に、低融点金属層３１、３２をあらかじめ形成した後、放射線検出素子を基材１０に実装し、その後、放射線減衰フィルタ２０が放射線検出素子を覆うように母材金属部同士を対向させて加熱加圧して低融点金属層３１、３２を溶融させ、基材側母材金属部１１、フィルタ側母材金属部２１中へ固液拡散させることによって接合する。【選択図】  図２
2005274560.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線検出素子を実装した基材に、前記放射線検出素子を覆う放射線減衰フィルタを実装する放射線検出器用フィルタの実装方法において、
前記基材に基材側母材金属部を形成し、前記放射線減衰フィルタの端部にフィルタ側母材金属部を形成するとともに、前記基材側母材金属部及び／又は前記フィルタ側母材金属部上に、低融点金属層をあらかじめ形成した後、前記基材側母材金属部及び前記フィルタ側母材金属部を対向させて、少なくとも低融点金属が溶融する温度で加熱加圧し、前記低融点金属層を、前記基材側母材金属部及び前記フィルタ側母材金属部中へ固液拡散させることによって、前記基材側母材金属部と前記フィルタ側母材金属部とを接合することを特徴とする放射線検出器用フィルタの実装方法。
【請求項２】
前記基材を、１方側が開口した容器として形成し、この基材の底面部の内面に前記放射線検出素子を実装するとともに、前記基材の開口側端部に前記基材側母材金属部を形成してなることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器用フィルタの実装方法。
【請求項３】
前記低融点金属層が、ＳｎＩｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、ＳｎＢｉより選択される一種を少なくとも含有する請求項１あるいは２のいずれか１つに記載の放射線検出器用フィルタの実装方法。
【請求項４】
前記接合時の加熱温度が、前記低融点金属の融点より０〜１００℃高い温度である請求項３に記載の放射線検出器用フィルタの実装方法。
【請求項５】
前記基材側母材金属部及び前記フィルタ側母材金属部の材質が、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕより選択される一種又はそれらの合金である請求項１〜４のいずれか１つに記載の放射線検出器用フィルタの実装方法。
【請求項６】
前記基材側母材金属部及び前記フィルタ側母材金属部の表面粗さＲａが０．４〜１０μｍの粗面であって、前記接合時に前記粗面同士が塑性変形して接合可能となるように加圧する請求項１〜５のいずれか１つに記載の放射線検出器用フィルタの実装方法。
【請求項７】
前記加熱加圧は、前記低融点金属層が、前記基材側母材金属部及び前記フィルタ側母材金属部中に完全に固液拡散するまで行なう請求項１〜６のいずれか１つに記載の放射線検出器用フィルタの実装方法。
【請求項８】
前記加熱加圧は、前記低融点金属層が、前記基材側母材金属部と前記フィルタ側母材金属部との間に中間合金層を形成するまで行なう請求項１〜６のいずれか１つに記載の放射線検出器用フィルタの実装方法。
【請求項９】
前記低融点金属層は、合金を形成できる少なくとも２種類以上の金属を２層以上に積層し、該積層した金属層を予備加熱して反応させて合金層とすることにより形成する請求項１〜８のいずれか１つに記載の放射線検出器用フィルタの実装方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線測定装置に用いられる放射線検出器および放射線検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば個人被曝線量計などの放射線測定装置では、必要とされる放射線検出特性を実現するために、放射線検出器のエネルギー特性補償用として、放射線減衰フィルタを設けることが、よく行われている。
そして、半導体からなる放射線検出素子を用いた放射線検出器の場合には、基材に実装された放射線検出素子を覆うようにして放射線減衰フィルタを基材上に設けることが行われている。（特許文献１）
この特許文献１には、放射線減衰フィルタの基材への実装方法は記載されていないが、このような放射線減衰フィルタの基材への実装方法として、例えば、はんだ材を介したはんだ接合や樹脂接着剤などを介した接着接合がある。
図６は、従来行われていた、上記のような放射線検出器用フィルタの実装方法を示す概略図であって、検出素子部構成を示す断面図である。図６において、放射線検出器を構成する回路基板等の基材１０にダイボンディング材１０２により実装された半導体からなる放射線検出素子１０１を覆うようにして放射線減衰フィルタ２０が取り付けられている。放射線減衰フィルタ２０は、一方側が開口した開放容器状に形成されており、その開口端には、基材１０に対する平行面を有するフランジ状のフィルタ端部２０Ａが形成されている。そして、図６のＣ部枠内に示すように、フィルタ端部２０Ａは接合部２３５を介して基材１０に接合されている。また、さらに、放射線検出素子１０１の耐環境特性を向上させるために、放射線減衰フィルタ２０と基材１０との間の空間部のうち放射線検出素子１０１周辺部を図示のように樹脂封止剤２３５Ｂで封止したり、さらには、放射線検出素子１０１周辺部を含む前記空間部の全体を樹脂封止剤２３５Ｂで封止する場合もある。なお、図６では、放射線検出素子１０１上面の素子電極と基材１０上の基材電極との間のワイヤボンディングの図示は省略している。
【０００３】
図６の検出素子部構成におけるＣ部の接合に、はんだ材を介したはんだ接合を適用する場合は、例えば、放射線減衰フィルタ２０のフィルタ端部２０Ａ、および、基材１０上の前記フィルタ端部２０Ａに対応する箇所に、それぞれ、図示されない、はんだ接続可能な金属部を形成しておき、フィルタ側金属部と基材側金属部とをはんだ接合する。
また、図６の検出素子部構成におけるＣ部の接合に、樹脂接着剤を介した接着接合を適用する場合は、例えば、放射線減衰フィルタ２０のフィルタ端部２０Ａに、図示されない樹脂接着剤層を形成しておき、フィルタ端部２０Ａと基材１０とを前記樹脂接着剤層を介して接着接合する。
さらに図６の放射線検出素子１０１周辺部を含む、放射線減衰フィルタ２０と基材１０との間の空間部の全体を樹脂封止剤２３５Ｂで封止する場合は、フィルタ端部２０Ａと基材１０との接着接合において、前記樹脂接着剤を用いずに、樹脂封止剤２３５Ｂを介して接着接合する。
【特許文献１】特開平１−２２７９８３号公報
【非特許文献１】「２００４  電子デバイスハンドブック  品質保証・信頼性」、沖電気工業株式会社、２００４年３月１日、ｐ．（２−２０）−（２−２２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、従来の放射線検出器用フィルタの実装方法においては、放射線減衰フィルタ２０と基材１０との接合方法として、はんだ材や樹脂接着剤などを介した接合方法がある。
この内、はんだ材を介したはんだ接合の場合、接合時の加熱温度は、はんだ材の融点に依存し、通常のはんだ材では２００〜３００℃の高温が必要とされるので、基材１０上に近接して実装されている半導体からなる放射線検出素子１０１への熱的ダメージが生じ易いという問題がある。
一方、樹脂接着剤や樹脂封止剤を介した接着接合の場合、樹脂接着剤や樹脂封止剤の硬化のための加熱温度は、樹脂接着剤や樹脂封止剤の材料にもよるが、例えば１５０〜２００℃程度であって、比較的低温ではあるが、樹脂の硬化に例えば３０〜６０分程度の長時間を要するという問題がある。
【０００５】
また、放射線減衰フィルタ２０と基材１０との接合部に用いられる樹脂接着剤や樹脂封止剤は、その材料によって程度は異なるが、ある程度の透湿性を有している。このため、樹脂接着剤や樹脂封止剤を介した接着接合の場合、例えばシーム溶接法等による高い気密性を有する接合部に比べると、接合部の気密性が充分ではない、という問題がある。
さらに、放射線検出素子１０１の周囲を樹脂封止剤で覆う場合、樹脂封止剤を構成する封止樹脂は水分を例えば０．数ｗｔ％〜数ｗｔ％程度吸収し、透過させるので、その水分が外部あるいは封止樹脂中に含まれる不純物を放射線検出素子１０１の表面に到達させる。放射線検出素子１０１の表面には、電気的導通を得るために、ＡｌやＣｕなどの金属層が形成されているので、例えば、Ａｌが、水分やＣｌイオン，Ｎaイオン，Ｋイオンなどの不純物と反応して腐食し、オープン不良等の電気的な不良が発生する問題がある。（非特許文献１）
したがって、例えば、放射線減衰フィルタ２０と基材１０とを樹脂接着剤や樹脂封止剤からなる接合部を介して接合するとともに、放射線検出素子１０１の耐環境特性をさらに向上させるために放射線検出素子１０１周辺部を樹脂封止剤で封止するようにした場合でも、樹脂接着剤や樹脂封止剤からなる接合部の気密性が充分ではないこと、および、放射線検出素子１０１周辺部の樹脂封止剤が吸水性,透水性を有することから、放射線検出素子１０１の保護のための気密封止性は充分ではなく、上記のような放射線検出素子１０１の腐食が発生するという問題がある。
【０００６】
本発明は、以上の問題点を鑑みなされたもので、放射線検出素子を覆う放射線減衰フィルタを基材上に実装する方法において、低温かつ短時間の接合を可能とするとともに、高い気密性を持たせて放射線検出素子の腐食を抑制することができるようにした放射線検出器用フィルタの実装方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の放射線検出器用フィルタの実装方法は、放射線検出素子を実装した基材に、前記放射線検出素子を覆う放射線減衰フィルタを実装する放射線検出器用フィルタの実装方法において、前記基材に基材側母材金属部を形成し、前記放射線減衰フィルタの端部にフィルタ側母材金属部を形成するとともに、前記基材側母材金属部及び／又は前記フィルタ側母材金属部上に、低融点金属層をあらかじめ形成した後、前記基材側母材金属部及び前記フィルタ側母材金属部を対向させて、少なくとも低融点金属が溶融する温度で加熱加圧し、前記低融点金属層を、前記基材側母材金属部及び前記フィルタ側母材金属部中へ固液拡散させることによって、前記基材側母材金属部と前記フィルタ側母材金属部とを接合することを特徴とする。
本発明の方法によれば、基材側母材金属部及びフィルタ側母材金属部を形成するとともに、母材金属部上に低融点金属層を形成したので、低融点金属として用いる材料にもよるが、例えば、２００℃以下の低温、かつ、短時間での接合が可能となる。
【０００８】
また、本発明においては、前記基材を、１方側が開口した容器として形成し、この基材の底面部の内面に前記放射線検出素子を実装するとともに、前記基材の開口側端部に前記基材側母材金属部を形成するようにしてもよい。
本発明においては、前記低融点金属層が、ＳｎＩｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、ＳｎＢｉより選択される一種を少なくとも含有することが好ましい。これによれば、上記の金属は、いずれも融点が１８０℃以下の低融点であるので、本発明に特に好適に使用可能である。
また、本発明においては、前記接合時の加熱温度が、前記低融点金属の融点より０〜１００℃高い温度であることが好ましい。上記の低融点金属は、いずれも融点が１８０℃以下の材料であるから、加熱温度もより低温とすることができるので、基材上に近接して実装されている放射線検出素子、特に半導体からなる放射線検出素子への熱によるダメージを防止することができる。
【０００９】
更に、本発明においては、前記基材側母材金属部及び前記フィルタ側母材金属部の材質が、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕより選択される一種又はそれらの合金であることが好ましい。これによれば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕより選択される一種又はそれらの合金は、低融点金属が固液拡散しやすいので、本発明に特に好適に用いられる。
また、本発明においては、前記基材側母材金属部及び前記フィルタ側母材金属部の表面粗さＲａが０．４〜１０μｍの粗面であって、前記接合時に前記粗面同士が塑性変形して接合可能となるように加圧することが好ましい。これによれば、母材金属部表面が塑性変形するまで加圧するので、例えば、電解メッキ等によって形成される母材金属部のように、表面に析出による凹凸がある場合においても、良好な接合状態を得ることができる。
更に、本発明においては、前記加熱加圧において、前記低融点金属層が、前記基材側母材金属部及び前記フィルタ側母材金属部中に完全に固液拡散するまで所定時間維持することが好ましい。これによれば、低融点金属層が完全に固液拡散して、全体として１つの合金層となり、はんだのように、合金層が接合部に中間層として存在しない。したがって、接合部の信頼性は、介在する接合材料の特性に依存せず、主に母材金属部の材料によるので、更に接続部の信頼性を向上することができる。
【００１０】
また、本発明においては、前記加熱加圧において、前記低融点金属層が、前記基材側母材金属部と前記フィルタ側母材金属部との間に、中間合金層を形成するまで所定時間維持することが好ましい。これによれば、低融点金属層が、完全には拡散せず、中間合金層を形成する段階まで加熱すれば足りるので、接合に要する時間を大幅に短縮することができる。また、低融点金属の供給量は、中間合金層を形成するための必要量以上が供給されておればよいので、低融点金属の供給量の厳密な管理が不要となる。
更に、本発明においては、前記低融点金属層は、合金を形成できる少なくとも２種類以上の金属を２層以上に積層し、該積層した金属層を予備加熱して反応させて合金層とすることにより形成することが好ましい。これによれば、合金層における合金組成や供給量のバラツキがなくなるので、低温での安定した拡散接合が可能となり、信頼性の高い接合部を得ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、従来のはんだや樹脂接着剤を使用した接合方式に比べ、低温でかつ短時間での接合が可能となり、接合時の加熱による放射線検出素子の損傷を抑制できるとともに、生産効率を向上できる。さらに、従来の樹脂接着剤や樹脂封止剤を使用した接着接合方式に比べ、放射線減衰フィルタと基材との接合部の気密性を高くすることできるとともに、放射線検出素子周辺の樹脂封止を不要とすることができるので、吸湿した樹脂の水分および不純物による放射線検出素子の腐食を抑制することができ、放射線検出素子の耐環境信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を用いて本発明について説明する。図１は、本発明の実装方法の対象となる検出素子部構成の一例を示す断面図である。図１において、放射線検出器を構成する回路基板等の基材１０にダイボンディング材１０２により実装された半導体からなる放射線検出素子１０１を覆うようにして放射線減衰フィルタ２０が取り付けられている。放射線減衰フィルタ２０は、一方側が開口した開放容器状に形成されており、その開口端には、基材１０に対する平行面を有するフランジ状のフィルタ端部２０Ａが形成されている。そして、図１のＡ部枠内に示すように、フィルタ端部２０Ａは接合部３５を介して基材１０に接合されている。なお、図１では、放射線検出素子１０１上面の素子電極と基材１０上の基材電極との間のワイヤボンディングの図示は省略している。
図２は、本発明の実装方法の一実施形態における母材金属部同士の接合原理を示す工程図であり、図１の検出素子部構成におけるＡ部での接合方法を示している。
【００１３】
まず、基材１０上に基材側母材金属部１１を形成し、放射線減衰フィルタ２０のフィルタ端部２０Ａ上にフィルタ側母材金属部２１を形成するとともに、基材側母材金属部１１及びフィルタ側母材金属部２１上に、低融点金属層３１、３２をあらかじめ形成した後、放射線検出素子１０１を基材１０上に実装し、その後、放射線減衰フィルタ２０が放射線検出素子１０１を覆うようにして、図２（ａ）に示すように、基材側母材金属部１１とフィルタ側母材金属部２１とを、低融点金属層３１、３２を介して対向させる。
基材１０としては、例えば、従来公知のプリント基板等の配線板が使用でき、セラミックス材，ガラスエポキシ材，樹脂などの絶縁材料により形成してもよく、また、金属板の表面に絶縁材料の層を形成したものとしてもよく、特に限定されない。また、基材１０上に形成された基材側母材金属部１１は、金属であれば特に限定されないが、低融点金属層３１、３２と固液拡散を行ないやすい点から、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕより選択される一種又はそれらの合金であることが好ましい。基材１０上に基材側母材金属部１１を形成する方法としては、従来公知の蒸着やエッチング等によるパターン形成が可能であり特に限定されない。
【００１４】
放射線減衰フィルタ２０の材料としては、例えば、Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｌ等の金属が挙げられるが、これに限定されるものではなく、その放射線検出器に要求されるエネルギー特性に適合した放射線減衰特性を有する材料が用いられる。また、放射線減衰フィルタ２０のフィルタ端部２０Ａ上に形成されるフィルタ側母材金属部２１としては、上記の基材側母材金属部１１と同様に特に限定されないが、低融点金属層３１、３２と固液拡散を行ないやすい点から、やはり、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕより選択される一種又はそれらの合金であることが好ましい。なお、放射線減衰フィルタ２０の材料としてＣｕを用いる場合には、この放射線減衰フィルタ２０に形成されたフィルタ端部２０Ａ自体がＣｕからなるフィルタ側母材金属部となるので、このフィルタ端部２０Ａの接合面に新たに母材金属層を形成する必要はない。
【００１５】
また、基材側母材金属部１１の接合面が平面形状であれば、これに合わせてフィルタ側母材金属部２１の接合面も平面形状に形成されていることが好ましいが、本発明における母材金属部の接合面形状はこのような構成に限定されるものではなく、対向する母材金属部の接合面同士が全面にわたって隙間無く当接できる形状となっていればよく、例えば、両母材金属部のいずれか一方が凸状、他方が凹状の曲面形状に形成されていてもよい。
なお、基材側母材金属部１１、フィルタ側母材金属部２１の表面粗さは平滑であるほうが接合状態が良好となるので好ましいが、本発明においては、表面粗さＲａが０．４〜１０μｍの粗面であってもよい。
次に、低融点金属層３１、３２について説明すると、基材側母材金属部１１及びフィルタ側母材金属部２１上には、あらかじめ、合計厚さ１０μｍ以下の低融点金属層３１、３２がそれぞれ形成されている。
【００１６】
低融点金属層３１、３２に用いられる金属としては、基材側母材金属部１１及びフィルタ側母材金属部２１と固液拡散によって合金を形成するような金属であればよく、更に、融点が２２０℃以下、より好ましくは１８０℃以下の金属であることが好ましい。これにより、従来用いられている、錫鉛共晶はんだ（融点１８３℃）や、代表的な鉛フリーはんだであるＳｎＡｇ系（融点２１０〜２２３℃）に比べて、低温での接合が可能となるので、基材１０上に近接して実装されている放射線検出素子１０１、特に半導体からなる放射線検出素子１０１への熱的ダメージを抑えることができる。
このような低融点金属としては、例えば、ＳｎＩｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、ＳｎＢｉより選択される一種を少なくとも含有する金属が挙げられる。これらの金属材料は、単独又は複数組み合わせて用いてもよく、また、合金の場合の組成比についても適宜設定可能である。
【００１７】
また、上記の金属材料をベース金属として、更に微量の添加元素が含有されていてもよい。このような添加元素としては、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｐ等が挙げられる。
また、低融点金属層３１、３２の厚さは、両者を合計して１０μｍ以下であり、好ましくは０．１〜１０μｍである。
合計厚さが１０μｍを越えると、数分の接合時間では拡散しきれず、低融点金属の状態で母材金属部間に残存しやすくなり、接合部の信頼性が低下するので好ましくない。また、０．１μｍ以下では、充分な固液拡散が起こらないため、母材金属部の表面の酸化膜あるいは母材金属部上に形成された低融点金属層の表面の酸化膜の除去ができず、また、均一な低融点金属層の形成が困難となり、結果として接合が不充分となるので好ましくない。
【００１８】
低融点金属層３１、３２の形成方法としては、上記の従来公知の薄膜形成法が利用でき特に限定されず、蒸着、スパッタリング、メッキ、エッチング等を適宜用いることができる。また、基材側母材金属部１１上に低融点金属層３１を形成する方法としては、メタルマスクを用いた蒸着や、フォトレジストを用いたエッチッグ等により、必要に応じてパターン形成して設けることができる。ここで、本発明においては接合材となる低融点金属の供給量が非常に少量でよく、低融点金属層３１、３２の厚さを極めて薄くすることができるため、蒸着、スパッタリング等のドライ成膜で低融点金属層３１、３２を形成する場合、その成膜時間を極めて短くすることができ、成膜工数を削減することも可能となる。
なお、本発明においては、低融点金属層３１、３２のそれぞれの厚さは異なっていてもよい。また、低融点金属層３１又は３２は、どちらか一方のみが形成されていてもよい。
【００１９】
次に、図２（ａ）に示す低融点金属層３１、３２が対向した状態から、図２（ｂ）に示すように、放射線減衰フィルタ２０を基材１０側へ移動させ、低融点金属層３１、３２同士が接触するように配置する。
そして、この状態で、２００℃以下で加熱加圧を行なうと、図２（ｃ）に示すように、低融点金属層３１、３２が溶融して低融点金属層３０となり、更に、基材側母材金属部１１及びフィルタ側母材金属部２１中へ固液拡散して、図２（ｄ）に示すように接合が行なわれる。
なお、上記の母材金属部同士の位置決めや、移動、加熱加圧等の操作は、従来公知の実装設備である、例えば、ダイボンド装置，電気部品実装装置，温度及びＮ２やＨ２などの雰囲気ガスの流量を制御できるコンベア炉などを用いて行なうことができる。また、母材金属部同士の位置決めは、カメラ等を用いた座標決定により正確に行なうことができる。
【００２０】
このように、本発明においては、加熱加圧を２００℃以下で行なうようにすることができる。これにより、従来のはんだ接合における一般的な加熱温度である、２００〜２５０℃に比べて低温での接合が可能となるので、基材１０上に近接して実装されている放射線検出素子１０１、特に半導体からなる放射線検出素子１０１への熱的ダメージを抑えることができる。この場合、更に、接合時の加熱温度は、低融点金属層３１、３２の融点より０〜１００℃高い温度であることが好ましい。
また、この実施形態においては、低融点金属層３０が、基材側母材金属部１１及びフィルタ側母材金属部２１中へ完全に固液拡散するまで、加熱加圧状態が維持される。本発明においては、このように、低融点金属層が、母材金属部中へ完全に固液拡散するまで所定の時間、加熱加圧することが好ましい。
【００２１】
これによって、図２（ｄ）に示すように、接合後の接合部においては、接合部３５が、全体として単一の合金層として形成される。なお、図２（ｄ）では、上記の合金層が模式的に斜線ハッチングを付けた領域として図示されているが、実際には、この接合部３５における合金層は、その中央部分から各母材金属部側に向かって低融点金属の濃度勾配を有するものとなっている。
したがって、接合部３５には、中間合金層が別途形成されていないので、接合部の信頼性は介在する接合材料の特性に依存せず、主に母材金属部の材料によることになる。したがって、はんだ材や樹脂接着剤等を介した接合の場合と比較して、接合部の信頼性を向上させることができる。
このように、母材金属部中へ低融点金属層が完全に固液拡散するのに要する時間は、加熱温度、圧力、母材金属部の材料、低融点金属の材料等によって異なるが、通常、１０〜１８０秒である。
【００２２】
また、加圧条件としては、上記の加熱温度、母材金属部の材料、低融点金属の材料等によって異なるが、好ましくは１０〜３０ＭＰａである。
また、上記のように、基材側母材金属部１１、フィルタ側母材金属部２１の表面粗さＲａが０．４〜１０μｍの粗面である場合においては、接合時に粗面同士が塑性変形して接合可能となるように加圧することが好ましい。これによれば、母材金属部表面が塑性変形するまで加圧するので、電解メッキの析出条件やバラツキ等によって、形成される母材金属部表面に凹凸がある場合においても、良好な接合状態を得ることができる。この場合の加圧条件としては、好ましくは５０〜１００ＭＰａである。
図３は、本発明の実装方法の異なる実施形態における母材金属部同士の接合原理を示す工程図であり、図１の検出素子部構成におけるＡ部での接合方法を示している。なお、以下の実施形態の説明においては、前記図２の実施形態と同一部分には同符合を付して、その説明を省略することにする。図３の実施形態は、図２の実施形態において合金からなる低融点金属層を用いる場合の好適な低融点金属層形成方法を特に例示するものであり、低融点金属層形成方法以外の構成は図２の実施形態と同様である。
【００２３】
上記の図２の実施形態で説明した低融点金属層３１、３２の形成方法のうち、前記のＳｎＩｎやＳｎＢｉ等の２元以上の合金を形成できる、少なくとも２種類以上の金属を２層以上、膜厚を制御しながら積層し、この積層した金属層を予備加熱して反応させて合金層とすることにより、合金からなる低融点金属層３１、３２を形成する方法が好ましく用いられる。
例えば、ＳｎＩｎの場合、Ｓｎの融点は２３２℃、Ｉｎの融点は１５７℃であるが、それより低い１２１℃で、ＳｎはＩｎに２６．４％固溶することが知られている。したがって、基材１０上に形成された基材側母材金属部１１上、及び、放射線減衰フィルタ２０のフィルタ端部２０Ａ上に形成されたフィルタ側母材金属部２１上に、あらかじめ，Ｓｎ層３１Ａ，３２ＡとＩｎ層３１Ｂ，３２Ｂとを積層しておいて、図３（ａ）に示すように基材側Ｉｎ層３１Ｂとフィルタ側Ｉｎ層３２Ｂとを対向させ、図３（ｂ）に示すように放射線減衰フィルタ２０を基材１０側へ移動させ、基材側Ｉｎ層３１Ｂとフィルタ側Ｉｎ層３２Bとが接触するように配置し、これを図３（ｃ）に示すように予備加熱によって反応させて、低融点金属層３１、３２としてＳｎＩｎ合金層を形成した後に、図３（ｄ）に示すように加熱加圧によりＳｎＩｎ合金層からなる低融点金属層３１、３２を溶融させて低融点金属層３０とし、更に、基材側母材金属部１１及びフィルタ側母材金属部２１中へ固液拡散させることによって、図３（ｅ）のように基材側母材金属部１１とフィルタ側母材金属部２１とを接合することができる。
【００２４】
これにより、合金層における合金組成や供給量のバラツキがないので、低温での接合を確実に行なうことができ、信頼性の高い接合部を得ることができる。なお、上記のＳｎＩｎ合金の場合には、最表面がＩｎ層となるように積層することが好ましい。これにより、Ｓｎ層が酸化されるのを防止することができる。
それぞれの単一金属層の膜厚は、目標とする合金組成に合わせて適宜選択されるが、短時間の予備加熱で合金層が形成される点から薄いほうが好ましく、具体的には、それぞれ０．１〜１μｍの範囲であることが好ましい。また、それぞれの単一金属層は１層づつ設けられていてもよく、複数の層が交互に設けられていてもよい。
なお、前記のように、低融点金属層３１、３２が、２層以上の単一金属層を反応させて得られる合金層からなる場合には、まず、それぞれの単一金属の融点以下の温度で予備加熱を行い、２層以上の単一金属層を固溶させて低融点金属層としての合金層を形成し、その後、２００℃以下で加熱加圧を行なうことが好ましい。
【００２５】
この場合、予備加熱の温度は、合金層を形成する単一金属層の種類や膜厚によって適宜選択できるが、例えば、Ｓｎ層とＩｎ層とからなる２層構成の場合には、１１０〜１２５℃で予備加熱を行なうことが好ましい。
図４は、本発明の実装方法のさらに異なる実施形態における母材金属部同士の接合原理を示す工程図であり、図１の検出素子部構成におけるＡ部での接合方法を示している。なお、以下の実施形態の説明においては、前記図２の実施形態と同一部分には同符合を付して、その説明を省略することにする。
まず、基材１０上に基材側母材金属部１１を形成し、放射線減衰フィルタ２０のフィルタ端部２０Ａ上にフィルタ側母材金属部２１を形成するとともに、基材側母材金属部１１及びフィルタ側母材金属部２１上に、低融点金属層３１、３２をあらかじめ形成した後、放射線検出素子１０１を基材１０上に実装し、その後、放射線減衰フィルタ２０が放射線検出素子１０１を覆うようにして、図４（ａ）に示すように、基材側母材金属部１１とフィルタ側母材金属部２１とを、低融点金属層３１、３２を介して対向させる。次に、図４（ｂ）に示すように、低融点金属層３１、３２を接触させる。そして、この状態で、図４（ｃ）に示すように加熱加圧して、低融点金属層３１、３２を溶融させて低融点金属層３０とし、更に、図４（ｄ）に示すように、基材側母材金属部１１、フィルタ側母材金属部２１とが拡散反応により中間合金層３６を形成するまで加熱加圧を行なう。
【００２６】
そして、中間合金層３６を形成した後、加圧に加えて、図４（ｄ）に示すように、放射線減衰フィルタ２０を保持する図示されない保持装置によって、放射線減衰フィルタ２０を、図４（ｄ）の矢印方向に沿って左右に振動させる。
このように加圧状態で左右に振動させることで、低融点金属中にある酸化物が除去され、対向した両母材金属部の未接触部の接触状態が向上するとともに、加圧、振動により押し出された余剰分の低融点金属が、はみ出し部３６ａとなって接合部の側面外周に突出し、基材側母材金属部１１とフィルタ側母材金属部２１との接合部として、中間合金層３６のみが介在し、余剰の低融点金属が残存しない接合部を得ることができる。
上記の加熱加圧工程における、中間合金層３６を形成するのに要する時間は、加熱温度、圧力、母材金属部の材料、低融点金属の材料等によって適宜設定されるが、上記の低融点金属を完全に拡散させる実施形態に比べて短く、通常１〜５秒でよい。
【００２７】
なお、この接合部における、中間合金層３６の厚さは１〜５μｍであることが好ましい。また、この明確な中間合金層３６の存在は、断面の観察によっても確認でき、また、電気抵抗、熱抵抗等の測定によって非破壊で確認することもできる。
この実施形態によれば、低融点金属層が完全には拡散せず、中間合金層を形成する段階まで加熱すれば足りるので、接合に要する時間を大幅に短縮することができる。また、低融点金属の供給量は、中間合金層を形成するための必要量以上が供給されておればよいので、低融点金属の供給量の厳密な管理が不要となる。
図５は、本発明の実装方法における検出素子部構成の異なる例を示す概略図であって、図５（ａ）は、検出素子部構成を示す断面図である。図５（ａ）において、基材１１０は放射線検出素子１０１を実装するための凹部を有する開放容器状に形成されており、その底面部の内面に放射線検出素子１０１がダイボンディング材１０２により実装される。また、放射線減衰フィルタ１２０は平板状に形成されている。そして、図５（ａ）のＢ部枠内に示すように、放射線減衰フィルタ１２０の一方の面の周辺部が接合部１３５を介して基材１１０の開放側端部に接合されている。なお、図１と同様に、図５（ａ）でも、放射線検出素子１０１上面の素子電極と基材１１０上の基材電極との間のワイヤボンディングの図示は省略している。
【００２８】
本発明の実装方法は、図５（ａ）の検出素子部構成を対象とした場合も、母材金属部及び低融点金属層の形成方法及び母材金属部同士の接合方法としては、図１の検出素子部構成の場合と同様に、図２〜４で説明した方法と同様な方法を適用することができる。例えば、図５（ａ）の検出素子部構成におけるＢ部の接合に、図２の接合方法を適用した場合の一例として、まず、基材１１０の開放側端部に基材側母材金属部１１１としてＣｕ層を形成するとともに放射線減衰フィルタ１２０の一方の面の周辺部にフィルタ側母材金属部１２１としてＣｕ層を形成した後、基材側母材金属部１１１及びフィルタ側母材金属部１２１に低融点金属層１３１、１３２としてＩｎＳｎ層を形成する。次に、放射線検出素子１０１を基材１１０の底面部の内面に実装する。そして、図５（ｂ）のように、基材側母材金属部１１１とフィルタ側母材金属部１２１とを、低融点金属層１３１、１３２を介して対向させ、図２で説明した方法と同様な方法で接合を行う。
【００２９】
なお、本発明の実装方法の対象となる検出素子部構成として図１および図５の二つの構成を例示したが、基材および放射線減衰フィルタの形状、材料は放射線検出器の設計仕様に基づき適宜選定されるものであり、本発明の実装方法が適用可能な検出素子部構成は、図１および図５の構成に限定されるものではなく、放射線検出素子を実装した基材に放射線減衰フィルタを実装してなる検出素子部構成であればよい。
また、上述のように、本発明における基材側母材金属部及びフィルタ側母材金属部の材料については、低融点金属が固液拡散しやすい材料として、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕより選択される一種又はそれらの合金であることが好ましいが、その中でも、Ｃｕが、低融点金属の拡散係数を大きなものとすることができる点で特に好適である。
すなわち、本発明の実装方法に適用される固液拡散接合などにおける拡散の度合いは一般的に拡散係数で表され、拡散係数の数値が大きいほど、拡散し易くなる。この拡散係数Ｄは、実験的に、Ｄ＝Ｄ０ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ）で表される。ここで、Ｄ０：振動数項、Ｑ：活性化エネルギー、Ｒ：気体定数、Ｔ：絶対温度である。そして、低融点金属の材料として例えばＩｎを選定した場合、その拡散係数は、母材金属部の材料がＡｕのとき７．１８×１０−６  であるのに対して、Ｃｕのときは１．２３×１０−４  という極めて大きな値となる。また、低融点金属の材料としてＳｎを選定した場合も、その拡散係数は、母材金属部の材料がＡｕのとき３．９６×１０−６  であるのに対して、Ｃｕのときは１．０５×１０−５  という大きな値となる。また、母材金属部の材料がＮｉの場合は、これに対して拡散係数の大きな低融点金属はない。このように、母材金属部の材料がＣｕの場合、低融点金属の拡散係数が特に大きな値となるので、固液拡散における拡散反応速度が速く、低融点金属単体層の残存の生じない拡散接合を実現するために特に好適である。
【００３０】
また、強度や疲労寿命等に代表される接合部の信頼性は、本発明の方法の対象となる、放射線減衰フィルタと基材との接合部において重要であり、放射線減衰フィルタが放射線検出器のエネルギー特性補償以外に放射線検出素子に対する気密封止の機能も果すように検出素子部が構成されている場合には、接合部の気密性も必要であるため、接合部の信頼性が特に重要となる。
そして、上記のような接合部の信頼性は、介在する接合材料の特性に依存することになるが、従来のような、はんだ材や樹脂接着剤などを接合材とした場合には、高温特性や熱疲労寿命の点で、適用可能な使用環境条件が制約されるという問題があった。例えば、はんだ材を接合材としたはんだ接合では、１５μｍ程度以上の多量なはんだ材を供給する必要があるため、はんだ接合部に合金層形成に寄与しないはんだ材が残存するので、接合部の信頼性がはんだ材の材料自体の特性に依存することになる。これに対して、本発明の実装方法では、低融点金属層の固液拡散による接合方式を採用して、はんだ材や樹脂接着剤などの接合材を不要としたことにより、接合部の高温特性や熱疲労寿命特性などの耐環境特性がより向上し、適用可能な使用環境条件の範囲を広げることができ、より高い信頼性を有する接合部を形成することができる。
【００３１】
また、本発明の実装方法は、従来の実装方法とは異なり、接合材として樹脂接着剤や樹脂封止剤を使用しない接合方式であるため、樹脂の放射線劣化が問題となるような高線量条件下で使用される放射線検出装置にも適用可能であり、この点でも好適な実装方法となっている。
なお、はんだ材や樹脂接着剤などの接合材を不要とした接合方法として、基材側の母材金属部と放射線減衰フィルタ側の母材金属部との間にインサート材を介装し、インサート材の溶融温度より低い温度で加熱して固相状態での拡散接合を行う接合方式を適用することも考えられる。このような固相拡散接合方式は、インサート材よりも低い温度での加熱により接合するため、インサート材の材料にもよるが、従来のような、はんだ接合方式に比べて、低温での接合が可能になる点では好ましいが、このような固相拡散接合方式では、インサート材が母材金属部側に完全には拡散することができず、母材金属部の金属材料との合金層形成に寄与しないインサート材が残存するため、接合部の信頼性がインサート材の材料自体の特性に依存することになる。これに対して、本発明の実装方法のような固液拡散接合方式では、インサート材が母材金属部側に完全に拡散することができ、母材金属部の金属材料との合金層形成に寄与しないインサート材が残存することはない。したがって、本発明の固液拡散方式による接合部は、上記の固相拡散方式による接合部よりもより高い信頼性を有するものとなっている。
【００３２】
このように、本発明の実装方法は、従来の実装方法よりも、より高い信頼性を有する接合部を形成することができるため、上記のような、放射線減衰フィルタが放射線検出器のエネルギー特性補償以外に放射線検出素子に対する気密封止の機能も果すように検出素子部が構成されていて放射線減衰フィルタと基材との接合部の高い気密性が必要とされる場合に特に好適な実装方法となっている。そして、例えば、図１あるいは図５で説明したような検出素子部構成において、放射線検出素子１０１自体を保護するための樹脂封止剤による封止は施さないで、放射線減衰フィルタ２０、１２０と基材１０、１１０とを接合部３５、１３５で気密接合する構成とするとともに、この接合部３５、１３５の接合方法として、図２〜４で説明した本発明による固液拡散方式の接合方法を適用することにより、放射線検出素子１０１の保護のための気密封止構造が、従来の樹脂接着剤や樹脂封止剤を使用した接着接合方式に比べて気密性が高く、極めて信頼性の高いものになるとともに、検出素子部において高線量条件下での放射線劣化や吸湿下での放射線検出素子の腐食が問題となる樹脂を用いない構成であるため、放射線検出素子部としてより好適な構成となる。
【００３３】
また、従来のような、はんだ接合においては、通常厚さで１５μm以上の多量なはんだを供給する必要があるため、微細なパターンでの接合を行うのが困難であり、また、樹脂接着剤による接着接合においても、充分な接着強度を満足するために必要な接着面積上の制約により、微細なパターンでの接合を行うのが困難であった。これに対して、本発明の方法によれば、低融点金属層は少なくとも拡散するのに充分な量があればよく、例えば合計厚さ１０μmあるいはそれ以下の薄膜とすることができるので、メッキや蒸着による微細なパターン形成が容易であり、また、微細なパターンでも、信頼性の高い接合部を形成することができるので、基材における放射線減衰フィルタ用の実装スペースをより縮小化し、検出素子部をより小形化することが可能となる。
また、本発明の実装方法の対象となる、例えば、図１で説明したような検出素子部構成において、基材１０上の基材側母材金属部１１を構成する導体パターンを放射線測定装置のＧＮＤに接続した場合、この基材側母材金属部１１とフィルタ側母材金属部２１とが接合されることにより、放射線減衰フィルタ２０は電気的にＧＮＤ電位になるため、ＧＮＤ電位の放射線減衰フィルタ２０に囲まれた放射線検出素子１０１を含む電気回路部は電磁波などのノイズに対して遮蔽される。このように、放射線減衰フィルタ２０をＧＮＤに接続することにより、放射線減衰フィルタ２０はシールドケースとしての機能も果すことになる。なお、上記のような放射線減衰フィルタのＧＮＤへの接続は、図５のような検出素子部構成の場合でも、例えば、放射線検出素子１０１が実装される基材１１０の底面部の導体パターンをＧＮＤに接続しておくとともに、このＧＮＤ導体パターンと基材１１０の開放側端部に形成される基材側母材金属１１１とを導電接続するための導体パターンを基材１１０の内側面上に形成することにより、実現することができる。
【実施例】
【００３４】
実施例１
図３に示す方法を用いて放射線減衰フィルタ２０を基材１０上に実装した。
まず、放射線減衰フィルタ２０としてはＡｌからなるフィルタを用い、この放射線減衰フィルタ２０のフィルタ端部２０Ａ上にフィルタ側母材金属部２１としてＣｕ層を形成した。一方、基材１０上にも基材側母材金属部１１としてＣｕ層を形成した。
次に、低融点金属層３１、３２を形成するために、先ず、基材側母材金属部１１上、及び、フィルタ側母材金属部２１上のそれぞれに、単一金属層として、０．４８μｍのＳｎ層３１Ａ，３２Ａ、０．５２μｍのＩｎ層３１Ｂ，３２Ｂを順に積層し、低融点金属層３１、３２とも、合計厚さがそれぞれ１μｍとなるように真空蒸着により形成した。
そして、図３（ａ）に示すように、フィルタ側母材金属部２１と基材側母材金属部１１との位置を合わせた後、図３（ｂ）に示すように両母材金属部同士を基材側Ｉｎ層３１Ｂとフィルタ側Ｉｎ層３２Ｂとが接触するように配置し、温度１２０℃で１０秒間の予備加熱を行い、図３（ｃ）に示すようにＳｎ層とＩｎ層とを固溶させて、低融点金属層３１，３２としてＳｎＩｎの合金層を得た。
【００３５】
その後、図３（ｄ）に示すように、ＳｎＩｎの融点より２０℃高い、温度１３７℃、圧力９０ＭＰａで、３０秒間加熱加圧して接合した。
その結果、図３（ｅ）に示すように、ＳｎＩｎは、両母材金属部中へ完全に拡散され、中間合金層が存在しない、全体として１つの合金層である接合部が得られていることが、高真空走査型電子顕微鏡による断面観察と、Ｘ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による接合界面の元素分析によって確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、放射線測定装置に用いられる放射線検出器において、放射線検出素子、特に半導体からなる放射線検出素子を覆う放射線減衰フィルタをプリント基板等の基材へ直接実装するのに好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実装方法における検出素子部構成の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の実装方法の一実施形態における母材金属部同士の接合原理を示す工程図であって、（ａ）母材金属部同士を対向させた状態、（ｂ）母材金属部同士を接触させた状態、（ｃ）加熱加圧を行なっている接合部の状態、（ｄ）接合後の状態を示す図である。
【図３】本発明の実装方法の異なる実施形態における母材金属部同士の接合原理を示す工程図であって、（ａ）母材金属部同士を対向させた状態、（ｂ）母材金属部同士を接触させた状態、（ｃ）予備加熱を行っている接合部の状態、（ｄ）加熱加圧を行なっている接合部の状態、（ｅ）接合後の状態を示す図である。
【図４】本発明の実装方法のさらに異なる実施形態における母材金属部同士の接合原理を示す工程図であって、（ａ）母材金属部同士を対向させた状態、（ｂ）母材金属部同士を接触させた状態、（ｃ）加熱加圧を行なっている接合部の状態、（ｄ）放射線減衰フィルタの振動を行なっている状態、（ｅ）接合後の接合部の状態を示す図である。
【図５】本発明の実装方法における検出素子部構成の異なる例を示す概略図であり、（ａ）は検出素子部の断面図、（ｂ）は母材金属部同士を対向させた状態を示す図である。
【図６】従来技術の実装方法を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０，１１０：基材
１１，１１１：基材側母材金属部
２０，１２０：放射線減衰フィルタ
２１，１２１：フィルタ側母材金属部
３０、３１、３２、１３１、１３２：低融点金属層
３５、１３５：接合部
３６：中間合金層
３６ａ：はみ出し部
１０１：放射線検出素子
【図１】
2005274560.tif 000003
【図２】
2005274560.tif 000004
【図３】
2005274560.tif 000005
【図４】
2005274560.tif 000006
【図５】
2005274560.tif 000007
【図６】
2005274560.tif 000008