2014年05月29日08:40
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生物電子誕生（一）生物體內的寶藏，將帶來控制、傳感器和節能革命
去掉封裝裡的金屬框
紅外圖像傳感器芯片必須採用真空封裝技術的原因是，空氣和水分等會降低傳感器元件的隔熱性，導致靈敏度降低。尤其是熱成像儀和熱成像攝像頭使用的高靈敏度圖像傳感器，需要非常高的真空度（圖4）。採用原來的技術無法一次性真空封裝大量芯片，是使成本升高的原因之一。
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圖4：必須實現低於1Pa的真空度 各MEMS器件的封裝要求的真空度。遠紅外攝像頭用圖像傳感器的封裝內的氣壓低於1Pa時才能發揮出性能，制造難度比其他器件要高。（圖由《日經電子》根據京瓷的資料制作） |
京瓷利用在半導體的陶瓷封裝等領域積累的技術，於2012年開發出了針對紅外圖像傳感器的真空封裝新技術。在縮小封裝尺寸的同時，減少了封裝中使用的部件，簡化了封裝工序。
保持封裝內真空度方面存在的問題是真空封裝后的殘留氣體。成為真空狀態后，任何物質都會產生一定量的氣體。物質表面附帶的氣體和溶入其內部的氣體無法在封裝前完全去除，但這會使封裝內的真空度大幅降低，導致傳感器的靈敏度下降。
因此，高靈敏度傳感器會配置吸收封裝內殘留氣體的材料“吸氣劑”（Getter）。以往的技術是在支撐體上配置長條片形狀的吸氣劑。而京瓷的新技術採用蒸鍍方式的吸氣劑，無需支撐體（圖5）。為了進一步減少殘留氣體，還新開發了氣體釋放較少的新材料，配置在傳感器芯片和陶瓷基板之間作為底襯。
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圖5：傳感器的封裝尺寸縮小40% 京瓷開發的遠紅外圖像傳感器用封裝技術。不但去掉了金屬框，還設法減少了導致真空度降低的殘留氣體。不僅把原來為23×23mm的封裝尺寸縮小到14×14mm，還簡化了封裝工序，可大量生產。（圖由《日經電子》根據京瓷的資料制作） |
京瓷的新技術無需使用包覆封裝的金屬框。以往的封裝是在陶瓷基板上配置金屬框，在金屬框上設置作為紅外入射窗的硅制紅外透射罩。為了進行真空封裝，基板和金屬框之間用金（Au）-錫（Sn）焊接。在透射罩與陶瓷基板間設置金屬框是因為，透射罩的材料硅和陶瓷的熱膨脹率不同。如果直接把透射罩和基板接合在一起，溫度變化引起的膨脹差會導致接合部分破損。
如果封裝的尺寸較小，透射罩和基板的膨脹差有可能在容許范圍內，但“不清楚多小才安全”（京瓷半導體部件事業本部、事業推進部、國分海外基地支援課負責人長井直行）。因為在真空封裝之后，無法測量封裝內的真空度變化。
對於這個問題，長井等人得到了日本立命館大學理工學部機械工學科教授木股雅章研究室的協助，利用木股研究室開發的0.8mm見方的微真空計、非破壞地測量真空度（圖6（a））。利用該測量方法對真空封裝后的真空度變化進行測量后確認，如果是正好能收納9mm見方傳感器芯片的14mm見方的封裝尺寸，即使溫度變化，接合部分也不會破損，封裝內的真空度不會下降。另外，還能利用該測量方法測評新採用的蒸鍍吸氣劑和新底襯材料的性能。
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圖6：在封裝中內置微真空計 採用微真空計的測量得到了立命館大學木股雅章研究室的協助（a），還開發了統一處理大量封裝工序的裝置。京瓷以新技術為基礎，開展了傳感器封裝受托加工業務。（攝影：京瓷，圖由《日經電子》根據京瓷的資料制作） |
統一處理大量芯片
去掉金屬框和吸氣劑的支撐體還能簡化封裝工序。因此，京瓷還新開發出了能對大量傳感器芯片統一進行真空封裝的封裝設備（圖6（b）），並利用該設備，面向傳感器芯片廠商等推出了芯片封裝受托加工業務。
京瓷此次開發的是640×480像素傳感器芯片的封裝技術，不過也能用於320×240像素以下的傳感器芯片。該公司打算首先瞄准車載傳感器芯片市場，然后再向低價位紅外傳感器芯片推廣。由此，各種類型的紅外傳感器系統都有望實現小型化和低成本化。
像素間距縮至12μm
紅外圖像傳感器芯片的微細化方面，如果能縮小像素間距，則無需削減像素數量也能減小傳感器芯片的尺寸。也就是說，從一個晶圓上能切割出的芯片數量會增加，能降低成本。芯片尺寸減小，透鏡也能實現小口徑，因此傳感器系統整體的成本可進一步降低。
NEC在2012年開發出了把像素間距由原來的23.5μm縮小到12μm的640×480像素的圖像傳感器芯片（圖7）。採用該芯片的紅外攝像頭模塊目前正在樣品供貨。據NEC電波及電磁感應事業部、紅外傳感器小組高級經理佐佐木得人介紹，“以前的攝像頭模塊的尺寸跟成年人的拳頭差不多，而新開發的模塊長度和寬度縮小到了27mm左右”（圖7）。
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圖7：接近紅外線的衍射極限 NEC開發的像素間距為12μm的傳感器元件（左上及左下的圖）和採用該元件的640×480像素的遠紅外攝像頭模塊（右上）。由於像素間距已接近紅外線的衍射極限，因此，要想進一步獲得進展，要採用單純的微細化以外的技術。（照片和圖由NEC提供） |
該傳感器芯片採用了NEC新開發的、採用犧牲層蝕刻的3層元件結構，實現了高隔熱性小型傳感器注6）。該芯片是面向高端傳感器系統開發的，NEC還打算利用該技術開發低成本的中端芯片。
注6）實施了在傳感器材料氧化釩（VOx）中添加鈮（Nb）以提高電阻溫度系數，從而提高傳感器靈敏度的改良。
此外，還有一個方法能降低紅外傳感器系統的成本，那就是減少傳感器像素的數量、通過軟件處理來彌補。NEC開發出了通過分析視頻內連續的多個幀，把在像素間進行插值的圖像處理技術“超解像”用於熱成像儀和熱成像攝像頭的熱圖像的技術。該公司的子公司Avionics已將這種技術用於熱成像儀。利用該技術，320×240像素的機型可拍攝640×480像素的熱圖像，640×480像素的機型可拍攝1280×960像素的熱圖像。（作者：中島募，日經技術在線！供稿）
