DE602005004717T2

DE602005004717T2 - Halbleiterbildsensormodul, Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbildsensormoduls, Kamera und Verfahren zum Herstellen einer Kamera

Info

Publication number: DE602005004717T2
Application number: DE602005004717T
Authority: DE
Inventors: Ikuo Shinagawa-ku Yoshihara; Masamitsu Shinagawa-ku Yamanaka
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2025-10-25
Also published as: US7319217B2; US20060091290A1; US20190333956A1; US20160141324A1; US7626155B2; CN100399573C; EP1653515A1; US20070235828A1; TWI281347B; KR101122344B1; KR20060049316A; US20100141815A1; US20210151493A1; US9269736B2; JP2006128196A; CN1767600A; US10319772B2; US20120261554A1; TW200633508A; US20140035088A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gegenstand in Zusammenhang mit der japanischen Patentanmeldung JP 2004-311062 beim Japanischen Patentamts vom 26. Oktober 2004.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleitersensormodul, bei welchem ein Halbleiterbildsensorchip und ein Videosignalverarbeitungschip vorgesehen sind, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersensormoduls, eine Kamera und darüber hinaus ein Verfahren zum Herstellen der Kamera.
Beschreibung zum Stand der Technik:
Bei einer Abbildungseinrichtung, z. B. einer digitalen Fotokamera oder einer digitalen Videokamera, wird ein Halbleiterbildsensorchip, z. B. in Form eines CCD-Bildsensors oder eines CMOS-Bildsensors verwendet. Eine Mehrzahl von Komponenten oder Bauteilen, z. B. Bildsignalverarbeitungschips zum Verarbeiten von Bildsignalen, die von einem Bildaufnahmeelement der Abbildungseinrichtung aufgenommen wurde, und eine Bildaufnahmelinse sind auf einem Schaltungssubstrat vorgesehen.
Zum Stand der Technik wird in 1 eine Technologie gezeigt zum Ausbilden einer Wärmesenke zwischen einem Bildaufnahmeelement und einem Signalverarbeitungschip (nachfolgend als Patentdokument 1 bezeichnet).
Eine auf einem Chip vorgesehene oder angebrachte Anordnung (chip-mounted structure), wie sie in 1 dargestellt ist, weist auf einen CCD- Bildsensor 110, der einen Halbleiterbildsensorchip aufweist, eine dünne plättchenartige oder plattenartige Wärmesenke 112 als Wärmedissipationseinrichtung und einen Signalverarbeitungschip 116, der einen integrierten Halbleiterschaltkreis-IC darstellt, zum Verarbeiten von Bildsignalen des CCD-Bildsensors. Des Weiteren ist bei der oben beschriebenen auf einem Chip vorgesehenen oder angebrachten Anordnung die Wärmesenke 112 aus einem Material wie z. B. Aluminium gefertigt, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, wobei die Wärmesenke zwischen dem CCD-Bildsensor 110 und dem Bildsignalverarbeitungschip 116 angeordnet ist.
Des Weiteren ist ein Bildverarbeitungschip bekannt geworden, bei welchem mittels einer Flip-Chip-Verbindungstechnik eine Lichtempfangseinheit 3, nämlich in Form eines Halbleiterbildsensorchips, und ein A/D-Wandlerpfad oder -durchgang 7 verbunden sind mittels einer Flip-Chip-Verbindungskugelelektrode oder Flip-Chip-Verbindungsbumpelektrode (flip-chip bonding bump electrode), um ein Modul zu bilden (nachfolgend als Patentdokument 2 bezeichnet 2).

[Patentdokument 1] Veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 2003-33254
[Patentdokument 2] Veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 2003-23573

Da der CCD-Bildsensor 110 des Halbleiterbildsensorchips und der Signalverarbeitungschip 116, welcher einen IC darstellt zum Verarbeiten von Bildsignalen, elektrisch verbunden sind, wobei der Halbleiterbildsensorchip mit dem Bildsignalverarbeitungs-IC über einen Kontaktanschluss 111 des CCD-Bildsensors, z. B. im Sinne eines Lead Frames oder Leiterrahmens, verbunden ist, ist es bei der auf einem Chip vorgesehenen oder angebrachten Anordnung des Patentdokuments 1 nötig, den Widerstand und die Kapazität des Kontaktanschlusses zu berücksichtigen, wodurch sich eine Beeinflussung oder auch Beeinträchtigung hinsichtlich der Bildverarbeitung mit hoher Geschwindigkeit ergibt. Ferner werden dadurch, dass der Halbleiterbildsensorchip und der Bildsignalverarbeitungs-IC jeweils in Gehäusen eingebracht sind, diese im Hinblick auf ihre Ausdehnung groß, wie das Halbleitersensormodul. Dadurch ist die Technik zum direkten Verbinden der Halbleiterchips unter Verwendung von Kugelelektroden oder Bumpelektroden (bump electrode) mittels der so genannten SIP-Technik (SIP: System in Package: System im Gehäuse) bemerkenswert.
Jedoch war es bisher schwierig, den Halbleiterbildsensorchip und den Bildsignalverarbeitungschip miteinander zu kombinieren, insbesondere dann, wenn eine Lichtempfangsfläche oder Lichtempfangsoberfläche und ein Elektrodenpad auf derselben Fläche oder Oberfläche vorzusehen sind, und insbesondere dann, wenn die oben beschriebene SIP-Technologie und das Flip-Chip-Bondingverfahren ohne Abwandlungen verwendet werden sollen. Da der Bildsignalverarbeitungschip Wärme dissipiert, welche zum Halbleiterbildsensorchip übertragen wird und dort Dunkelströme (dark current) und weißes Rauschen (white noise) verursacht, ist es zusätzlich schwierig, beide Chips nahe beieinander in einem gemischten Zustand (mixed state) anzuordnen. Falls keine Gehäuse vorgesehen sind, muss der Bildsignalverarbeitungschip zusätzlich gegenüber Licht abgeschirmt werden. Da jedoch das Elektrodenpad, welches aus der Anschlussschicht oder Verdrahtungsschicht (wiring layer) des Halbleiterbildsensors vom Typ mit Vorderseiten- oder Vorderflächenbelichtung herausgenommen ist, und die Empfangsfläche oder empfangende Fläche auf derselben Fläche oder Oberfläche ausgebildet sind, ist es bisher schwierig gewesen, den Bildsignalverarbeitungschip gegenüber Licht abzuschirmen, wenn der Halbleiterbildsensor und der Bildsignalverarbeitungschip laminiert wurden, um miteinander verbunden zu werden.
Zusätzlich offenbaren das Dokument WO 03/077318 , welches in Japan vorveröffentlicht ist, und das dazu korrespondierende nachveröffentlichte Dokument EP 1 492 168 einen Sensor, bei welchem ein Halbleiterchip mit einer Mehrzahl Fotodioden ausgebildet ist und eine Mehrzahl Ausgangs- oder Ausgabeanschlüsse der Fotodetektorelemente aufweist, die auf dessen Fläche oder Oberfläche vorgesehen sind. Eine isolierende Verbindungseinrichtung verbindet jeweilige Ausgangsanschlüsse oder Ausgabeanschlüsse des Substrats elektrisch, und zwar unter Verwendung von Erhebungen, Bumps (bumps) oder Kugeln auf beiden Seiten der Verbindungseinrichtung. Ferner kann eine Wärmesenke vorgesehen sein.
Ferner offenbart das Dokument US-A-5 359 208 ein Chipgehäuse mit einer Mikrolinsenanordnung auf einem IC-Chip.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf die oben beschriebenen Aspekte liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbildsensormodul sowie ein Verfahren zum Herstellen des Halbleiterbildsensormoduls, eine Kamera sowie in Verfahren zum Herstellen der Kamera zu schaffen, bei welchen ein Halbleiterbildsensorchip und ein Bildsignalverarbeitungschip bei einem Minimum an parasitären Widerständen und Kapazitäten verbunden sind und eine wirkungsvolle Wärmedissipation und darüber hinaus eine Abschirmung gegenüber Licht im gleichen Maße realisiert sind.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben alternativ bei Halbleiterbildsensormodulen gemäß den Ansprüchen 1 und 2, alternativ durch Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbildsensormoduls gemäß den Ansprüchen 4 und 5, durch eine Kamera gemäß Anspruch 6 sowie durch ein Herstellungsverfahren für eine Kamera gemäß Anspruch 8 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbildsensormodul kann mit der oben beschriebenen Struktur eine Hochgeschwindigkeitssignalverarbeitung mit einem Modul von minimaler Größe durchgeführt werden. Durch den Bildsignalverarbeitungschip erzeugte Wärme kann über entsprechende Wärmedissipationsmittel oder -einrichtungen (heat dissipating means) dissipiert werden. Ferner kann die Wärmeleitung zum Halbleiterbildsensorchip reduziert werden.
Mit dem entsprechenden kennzeichnenden Aufbau des Moduls kann eine Hochgeschwindigkeitssignalverarbeitung mit einem Modul mit minimaler Größe durchgeführt werden. Durch den Bildsignalverarbeitungschip erzeugte Wärme kann über entsprechende Wärmedissipationsmittel oder -einrichtungen dissipiert werden. Ferner kann die Wärmeleitung zum Halbleiterbildsensorchip reduziert werden.
Bei einem alternativen Aufbau des Moduls kann bei der oben beschriebenen Struktur oder mit dem oben beschriebenen Aufbau eine Hochgeschwindigkeitssignalverarbeitung mit einem Modul minimaler Größe durchgeführt werden. Durch den Bildsignalverarbeitungschip erzeugte Wärme kann über entsprechende Wärmedissipationsmittel oder -einrichtungen dissipiert wer den. Ferner kann die Wärmeleitung zum Halbleiterbildsensorchip hin reduziert werden.
Da der Halbleiterbildsensorchip und der Bildsignalverarbeitungschip auf beiden Seiten der Wärmedissipationseinrichtung angeordnet sind, kann bei diesen Strukturen selbst dann, wenn der Halbleiterbildsensorchip Licht empfängt, der Bildverarbeitungschip selbst vom Licht abgeschirmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbildsensormoduls kann verhindert werden, dass ein Dunkelstrom (dark current) und weiches Rauschen (white noise) beim Halbleiterbildsensorchip auftreten, da eine Hochgeschwindigkeitssignalverarbeitung mit einem Modul minimaler Größe durchgeführt und mit der oben beschriebenen Struktur durch den Bildsignalverarbeitungschip erzeugte Wärme über vorgesehene Wärmedissipationsmittel oder -einrichtungen dissipiert werden können. Da der Halbleiterbildsensorchip und der Bildsignalverarbeitungschip direkt über Kugelelektroden oder Bumpelektroden verbunden oder angeschlossen sind, können parasitäre Widerstände und parasitäre Kapazitäten beim Verbinden oder Anschließen beider Chips minimiert werden. Des Weiteren ist der Bildsignalverarbeitungschip so angeordnet, dass die Lichtempfangsseite oder Licht empfangende Seite des Halbleiterbildsensorchips vom Rückseitenbelichtungstyp und die Wärmedissipationseinrichtungen oder -mittel dazwischen vorgesehen sind, so dass das Licht abgeschirmt werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt einen schematischen Aufbau einer zusammengesetzten Struktur nach dem Stand der Technik.
2 ist ein schematisches Aufbaudiagramm, welches ein Beispiel eines Halbleiterbildsensorchips vom Rückseitenbelichtungstyp zeigt.
3A–3C sind Diagramme, die ein Halbleiterbildsensormodul vom Rückseitenbelichtungstyp gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei 3A eine perspektivische Explosionsdarstellung, 3B eine perspektivische Ansicht der Ansicht aus 3A nach dem Zusammenbau und 3C eine Seitenansicht der Ansicht aus 3B darstellen.
4 ist eine schematische Strukturansicht, welche das Halbleiterbildsensormodul vom Rückseitenbelichtungstyp gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine Querschnittsansicht, welche ein Beispiel einer (ersten) Wärmesenke zeigt.
6 ist eine Querschnittsansicht, welche ein Beispiel einer (zweiten) Wärmesenke zeigt.
7 ist eine Querschnittsansicht, welche ein Beispiel einer (dritten) Wärmesenke zeigt.
8A–8C sind Diagramme, die ein Halbleiterbildsensormodul vom Rückseitenbelichtungstyp gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei 8A eine perspektivische Explosionsdarstellung, 8B eine perspektivische Ansicht der Ansicht aus 8A nach dem Zusammenbau und 8C eine Seitenansicht der Ansicht aus 8B darstellen.
9 ist eine schematische Konstruktionsansicht einer Kamera gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Zunächst wird ein Halbleiterbildsensor vom Rückseitenbelichtungstyp für ein Halbleiterbildsensormodul gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. 2 ist eine schematische Konstruktionsansicht, welche eine Ausführungsform des Halbleiterbildsensors vom Rückseitenbelichtungstyp zeigt, welcher bei einem Halbleiterbildsensormodul gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Dabei werden insbesondere die relevanten Bestandteile in der Nähe oder Nachbarschaft des Lichtempfangsbereichs, nämlich eines Fotosensors gezeigt.
Wie in 2 dargestellt ist, weist eine festkörperartige CMOS-Abbildungseinrichtung 51 vom Rückseitenbelichtungstyp (back-illuminated type CMOS solid-state imaging device, welche nachfolgend als Halbleiterbildsensor bezeichnet wird) auf: eine Fotodiode 53 als Lichtempfangsbereich oder Licht empfangender Bereich, welcher z. B. ausgebildet ist in einem Siliziumsubstrat 61 vom n-Typ, einen Übertragungstransistor 54 oder Transfertransistor 54, welcher auf der Substratvorderseite einer Wannenregion 63 vom p-Typ ausgebildet ist, und zwar in direkter Nachbarschaft oder angrenzend an einen Pixeltrennungs- oder -separationsbereich 62 vom p-Typ, und eine Mehrzahl MOS-Transistoren, z. B. anderen Transistoren 55 (Rücksetztransistoren, Adresstransistoren, Verstärkungstransistoren) und dergleichen, sowie des Weiteren eine mehrschichtige Anschlussschicht oder Verdrahtungsschicht 73, die auf der Mehrzahl MOS-Transistoren mittels einer Zwischenisolationsschicht 72 ausgebildet ist. Die Fotodiode 53 wird von einem Halbleitersubstrat 61 (Substrat) vom n-Typ, einem Ladungsakkumulationsbereich 61B vom n-Typ mit hoher Fremdstoffdichte, p⁺-Halbleiterbereichen 64, 68, welche die Akkumulationsschichten bilden, gebildet. Neben dem Gate des Transfertransistors oder Übertragungstransistors 54 ist ein Kanalbereich 65 ausgebildet. Obwohl dies in der Figur nicht dargestellt ist, sind des Weiteren ein Farbfilter, eine auf dem Chip vorgesehene Linse und dergleichen auf der Rückseite des Substrats vorgesehen. Der Halbleiterbildsensor 51 vom Rückseitenbelichtungstyp besitzt einen großen Lichtempfangsbereich, wobei das Licht L von der Rückseite 70, auf welcher keine Anschlussschicht oder Verdrahtungsschicht 73 vorgesehen ist, zugeführt wird. Da die Anschlussschicht oder Verdrahtungsschicht 73 auf der typischen Vorderseite vorgesehen ist, kann zusätzlich eine Vignettierung des Lichts (vignetting of light) verhindert werden, welche auftritt, wenn das Licht von der typischen Vorderseite empfangen wird. Ferner sind Kugelelektroden oder Bumpelektroden (nicht dargestellt), an denen empfangene Signale erhalten werden, auf derselben Fläche oder Seite vorgesehen wie die Anschlussschicht oder Verdrahtungsschicht 73. Dabei bilden jeweilige n⁺-Bereiche 57, 58, 59 Source-Drainbereiche und jeweilige Elektroden 66, 67 Gatebereiche der jeweiligen MOS-Transistoren 54, 55.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform des Halbleiterbildsensormoduls gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert, wobei der oben beschriebene Halbleiterbildsensor vom Rückseitenbelichtungstyp verwendet wird.
Die 3A bis 3C sind schematische Diagramme im Hinblick auf den Aufbau, welche eine Ausführungsform des Halbleiterbildsensormoduls gemäß der vorliegenden Erfindung vom Rückseitenbelichtungstyp zeigen. 3A ist eine perspektivische Explosionsansicht. 3B ist eine perspektivische Ansicht, und zwar nach dem Zusammenbau. 3C ist eine Seitenansicht nach dem Zusammenbau.
Das Halbleiterbildsensormodul 1 gemäß der vorliegenden Erfindung vom Rückseitenbelichtungstyp weist auf: einen Halbleiterbildsensorchip 2 mit einem Halbleiterbildsensor vom Rückseitenbelichtungstyp mit einem Halbleiterbildsensor 51 vom Rückseitenbelichtungstyp mit einer Mehrzahl Bumpelektroden oder Kugelelektroden 15a, die auf der Seite der Verdrahtungsschicht oder Verbindungsschicht angeordnet sind, und einen Bildsignalverarbeitungschip 3, welcher mit einer Bildsignalverarbeitungseinrichtung ausgebildet ist zum Verarbeiten von Bildsignalen des Halbleiterbildsensorchips 2 und mit einer Mehrzahl Bumpelektroden 15b, die auf dessen Oberfläche ausgebildet sind, wobei der Halbleiterbildsensorchip 2 und der Bildsignalverarbeitungschip 3 mit einer Wärmesenke 4 dazwischen schichtartig übereinander laminiert sind. Die Wärmesenke 4 besitzt Durchgangslöcher 12 an Stellen oder Positionen, welche mit beiden Bumpelektroden oder Kugelelektroden 15a, 15b korrespondieren und die mit leitfähigen Elektroden 13 in den Durchgangslöchern 12 ausgebildet sind. Die Bumpelektroden oder Kugelelektroden 15a, 15b auf beiden Chips 2 und 3 sind elektrisch miteinander über die leitfähigen elektrischen 13 der Wärmesenke 4 verbunden. Des Weiteren sind die Flächen oder Oberflächen, auf welchen der laminierte Halbleiterbildsensorchip, die Wärmesenke 4 und der Signalverarbeitungschip 3 verbunden oder aufgebracht sind, d. h. die verbundenen Flächen oder Oberflächen außer den Bumpelektroden oder Kugelelektroden 15a, 15b, sind mechanisch mit einem Klebemittel 60 verbunden (siehe 4).
Da das Halbleiterbildsensormodul 1 vom Rückseitenbelichtungstyp gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Aufbau besitzt, bei welchem der Halbleiterbildsensorchip 2 und der Bildsignalverarbeitungschip 3 elektrisch über eine Wärmesenke 4 miteinander verbunden sind, kann die vom Bildsignalverarbeitungschip 3 erzeugte Wärme durch die Wärmesenke 4 dissipiert und damit reduziert werden. Auch kann dadurch die Wärmeleitung zum Halbleiterbildsensorchip 2 hin verhindert werden. Im Ergebnis davon können ein Dunkelstrom (dark current) und weißes Rauschen (white noise) in Bezug auf das Halbleiterbildsensormodul reduziert werden. Da die Wärmesenke 4 zwischen dem Halbleiterbildsensorchip 2 und dem Bildsignalverarbeitungschip 3 angeordnet ist, kann selbst dann, wenn der Halbleiterbildsensorchip 2 Licht empfängt, die Wärmesenke 4 den Bildbildverarbeitungschip 3 vom Licht abschirmen.
4 ist eine Querschnittsansicht, welche das Halbleiterbildsensormodul gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das bedeutet, 4 ist eine schematische Querschnittsansicht des wesentlichen oder relevanten Teils, bei welchem ein Speicherchip zusammen mit den Chips 2 und 3 und der Wärmesenke 4 aus 3 verbunden ist. Ein Halbleiterbildsensormodul 11 gemäß dieser Ausführungsform weist auf: einen Halbleiterbildsensorchip 2 vom Rückseitenbelichtungstyp ist auf einer Fläche, Seite oder Oberfläche der Wärmesenke 4 über Bumpelektroden oder Kugelelektroden 15a vorgesehen. Des Weiteren sind der Bildsignalverarbeitungschip 3 und der Speicherchip 7 auf der anderen Seite, Fläche oder Oberfläche der Wärmesenke 4 über jeweilige Bumpelektroden oder Kugelelektroden 15b und 15c angeordnet. Die Bumpelektroden oder Kugelelektroden 15a, 15b, 15c der jeweiligen Chips 2, 3 und 7 sind mit den elektrisch leitfähigen Elektroden 13, die in den Durchgangslöchern 12 der Wärmesenke 4 ausgebildet sind, elektrisch verbunden und darüber hinaus mittels eines Klebemittels 16 mechanisch in stabiler Art und Weise befestigt.
Der Bildsignalverarbeitungschip 3 besitzt einen Signalverarbeitungsbereich 18, eine Verbindungsschicht oder Verdrahtungsschicht 19 sowie Bumpelektroden oder Kugelelektroden 15b, die damit verbunden sind. Der Signalverarbeitungsbereich 18 führt die Verarbeitungsvorgänge im Hinblick auf Signale aus, die von dem Halbleiterbildsensorchip 2 ausgegeben wurden. Der Speicherchip 7 besitzt einen Speicherbereich 28, eine Verbindungsschicht oder Verdrahtungsschicht 29 sowie Bumpelektroden oder Kugelelektroden 15c, die damit verbunden sind. Zum Beispiel werden nichtflüchtige Speicher, DRAM und dergleichen als Speicherchip 7 verwendet. Der Speicherchip wird typischerweise z. B. für das Komprimieren/Dekomprimieren von Bildsignalen und von Abfolgen davon verwendet. Es liegt daher folgende Abfolge vor: vom Bildsensor → Bildsignalverarbeitungschip → Speicher → Bildsignalverarbeitungschip zur Ausgabe. Wenn eine Dekompression durchgeführt wird, besteht in dem Fall, dass eine Vektordetektion (Detektion einer Bewegung) animierter Bilder durchgeführt wird, eine Bildverarbeitungsabfolge wie folgt: vom Bildsensor → Bildsignalverarbeitungschip → Speicher → Bildsignalverarbeitungschip zur Entscheidung darüber, welche Informationen übersprungen werden (nur animierte Informationen werden in Signale umgewandelt, in Bezug auf Bildinformationen werden Bilder, die früher ausgegeben wurden, verwendet). In einem Fall, bei welchem der Speicher dazu verwendet wird, eine Störsignalkorrektur durchzuführen, wird des Weiteren eine Sammlung entsprechender Störsignale für Interpolationen und Auslöschungen gespeichert. Die Verarbeitungsabfolge dafür ist: vom Bildsensor → Bildsignalverarbeitungschip → Speicher → Bildsignalverarbeitungschip (Interpolation/Auslöschen von Bildsignalen im Bildsensor) zur Ausgabe.
Der Halbleiterbildsensorchip 2 kann z. B. bestehen aus: einem Halbleiterbildsensor 51 vom Rückseitenbelichtungstyp mit einer Mehrzahl Pixel, die darin in Matrixform angeordnet sind, wobei jedes Pixel aus einer Fotodiode 53 und einer Mehrzahl MOS-Transistoren auf dem Halbleitersubstrat besteht, wie das in 2 dargestellt ist. Ferner sind mehrschichtige Verbindungsschichten oder Verdrahtungsschichten 73 auf der Seite der Oberfläche des Substrats, vermittelt durch eine Zwischenisolationsschicht 72 und ein Verstärken des Trägersubstrats 74, z. B. ein Siliziumsubstrat oder dergleichen, vorgesehen, die über die Verbindungsschichten oder Verdrahtungsschichten 73 verbunden sind. In diesem Fall sind die Bumpelektroden oder Kugelelektroden 15a mit der leitfähigen Schicht verbunden, die das Trägersubstrat 74 durchdringen. Sie sind auf dem Trägersubstrat 74 ausgebildet.
Beim Halbleiterbildsensor 51 vom Rückseitenbelichtungstyp empfängt eine Fotodiode 53 Licht, welches von der Seite der Rückseite eintritt. Elektrische Ladungen, die aufgrund eines fotoelektrischen Wandlungsprozesses verarbeitet werden, werden als Signale an die Bumpelektroden oder Kugelelektroden 15a über die Verdrahtungsschichten oder Verbindungsschichten in Richtung auf die Vorderseite ausgegeben. Vom Halbleiterbildsensorchip 2 ausgegebene Signale werden als Signale in den Bildsignalverarbeitungschip 3 eingegeben und zwar über die leitenden Elektroden 13, die in der Wärmesenke 3 ausgebildet und mit den Bumpelektroden oder Kugelelektroden 15a verbunden sind.
In Bezug auf den Speicherchip 7 werden Signale über die Bumpelektroden 15c oder Kugelelektroden 15c des Speicherchips 7 und die leitenden Elektroden 13 eingegeben und ausgegeben.
Da das Halbleiterbildsensormodul 11 gemäß dieser Ausführungsform einen Aufbau aufweist, bei welchem der Halbleiterbildsensorchip 2, der Bildsignalverarbeitungschip 3 und der Speicherchip 7 über die Wärmesenke 4 elektrisch miteinander verbunden sind, kann Wärme, die erzeugt wird vom Bildsignalverarbeitungschip, durch die Wärmesenke 4 dissipiert und reduziert werden, eine Wärmeleitung zum Halbleiterbildsensorchip 2 hin kann verhindert werden. Im Ergebnis davon können ein Dunkelstrom (dark current) sowie weißes Rauschen (white noise) bei dem Halbleiterbildsensormodul reduziert werden. Da die Wärmesenke 4 zwischen dem Halbleiterbildsensorchip 2 und dem Bildsignalverarbeitungschip 3 vorgesehen ist, können der Bildverarbeitungschip 3 und der Speicherchip 7 vom Licht abgeschirmt werden, und zwar selbst dann, wenn der Halbleiterbildsensorchip 2 Licht empfängt.
Die 5 bis 7 sind Querschnittsansichten, welche jeweilige Beispiele der oben erläuterten Wärmedissipationseinrichtung oder Wärmedissipationsmittel zeigen.
Die in 5 gezeigte Wärmesenke 4, welche eine Wärmedissipationseinrichtung oder ein Wärmedissipationsmittel darstellt, ist ein Beispiel unter Verwendung eines metallischen leitenden Materials 4a, z. B. in Form einer Aluminiumplatte oder einer Kupferplatte als Materialien. In diesem Fall werden die Durchgangslöcher 12 in dem leitenden Material 4a ausgebildet und die leitenden Elektroden 13 mit einem isolierenden Material 14, z. B. mit Glas oder dergleichen, umgeben und in den Durchgangslöchern 12 ausgebildet.
Die in 6 dargestellte Wärmesenke, welche eine Wärmedissipationseinrichtung oder ein Wärmedissipationsmittel bildet, ist ein Beispiel. bei welchem als Materialien isolierende Materialien 4b verwendet werden, z. B. keramische Substrate oder dergleichen. In diesem Fall werden die Durchgangslöcher 12 in dem isolierenden Material 4b ausgebildet und die leitenden Elektroden 13 werden in den Durchgangslöchern ausgebildet.
Ferner wird die Wärmesenke 4 aus 7, welche eine Wärmedissipationseinrichtung oder ein Wärmedissipationsmittel darstellt, von einer laminierten Platte 6 oder einem laminierten Plättchen 6 gebildet, welche gebildet wird von der eigentlichen Wärmesenke 4 und einer Wärmeisolationsplatte 5 oder einem Wärmeisolationsplättchen 5. Bei der laminierten Platte oder dem laminierten Plättchen 6 wird die eigentliche Wärmesenke 4 in Kontakt gebracht mit der Seite des Bildsignalverarbeitungschips 3. Die Seite der Wärmeisolationsplatte 5 wird so angeordnet, dass sie in Kontakt steht mit der Seite des Halbleiterbildsensorchips 2. In Bezug auf das Material der laminierten Platte 6 oder des laminierten Plättchens 6 werden für das Material für die eigentliche Wärmesenke 4 isolierende Materialien, z. B. Keramiken oder dergleichen, verwendet. In dem Fall isolierender Materialien werden die leitenden Elektroden 13 in den Durchgangslöchern 12 ausgebildet. Als Materialien für die eigentliche Wärmesenke 4 kommen, falls leitfähige Materialien verwendet werden sollen, z. B. Al und Kupfer in Frage. Dann werden die Durchgangslöcher 12 ausgebildet und die inneren Wände der Durchgangslöcher mit einem isolierenden Material, z. B. Glas oder dergleichen, ausgekleidet und umgeben, um dadurch leitende Elektroden in den Durchgangslöchern 12 zu formen. Als Materialien für die Wärmeisolationsplatte oder für das Wärmeisolationsplättchen 5 kommen beispielsweise Harze oder dergleichen in Frage.
Bei der Verwendung der laminierten Platte 6 kann die Übertragung von Wärme an den Halbleiterbildsensorchip 2 aufgrund des Vorsehens der Wärmeisolationsplatte oder des Wärmeisolationsplättchens 5 verhindert werden, wogegen Wärme, die vom Bildsignalverarbeitungssensorchip 3 erzeugt wird, in höchst effektiver Weise durch die Wärmeisolationsplatte 4 dissipiert wird.
Die 8A bis 8C sind schematische Aufbaudiagramme, welche ein anderes Beispiel eines Halbleiterbildsensormoduls zeigen. Die 8A ist eine perspektivische Explosionsansicht. Die 8B liefert eine perspektivische Ansicht nach dem Zusammenbau. Die 8C bietet eine Seitenansicht nach dem Zusammenbau.
Ein Halbleiterbildsensormodul 21 gemäß diesem Beispiel weist auf: den Halbleiterbildsensorchip 2, den Bildsignalverarbeitungschip 3 und zwischen den Chips die Wärmesenke 4 und ein Zwischenverbindungselement 8, welches die Wärmesenke 4 umgibt und zur elektrischen Verbindung der beiden Chips 2 und 3 dient. Insbesondere die Wärmesenke 4 hat keinen elektrischen Kontakt mit den jeweiligen Bumpelektroden oder Kugelelektroden 15a, 15b des Halbleiterbildsensorchips 2 bzw. des Bildsignalverarbeitungschips 3. Die jeweiligen Bumpelektroden oder Kugelelektroden 15a, 15b sind mit den leitenden Elektroden 23 des Verbindungszwischenelements 8 verbunden. Das Verbindungszwischenelement 8 ist in U-Form ausgebildet und hat die Funktionalität des elektrischen Verbindens der Bumpelektroden 15a des Halbleiterbildsensorchips 2 vom Rückseitenbelichtungstyp mit den Bumpelektroden 15b des Bildsignalverarbeitungschips 3. Die Wärmesenke 4 ist in das U-förmige Verbindungszwischenelement 8 eingeführt. Die Wärmesenke 4 ist so verbunden, dass sie den Halbleiterbildsensorchip 2 vom Bildsignalverarbeitungschip 3 elektrisch isoliert.
Um die Bumpelektroden 15a, 15b der beiden Chips 2, 3 elektrisch zu verbinden, kann das U-förmige Verbindungszwischenelement 8 so ausgebildet sein, dass Durchgangslöcher 22 in der Isolationsplatte und die leitenden Elektroden 23 in den Durchgangslöchern 22 ausgebildet sind. Andererseits kann stattdessen ein Siliziumzwischenstück als Verbindungszwischenelement 8 verwendet werden.
Im Zusammenhang mit der Wärmesenke 4 können z. B. Aluminium und Kupfer, wie zuvor erläutert, oder aber keramische Materialien, welche isolierende Materialien sind, oder dergleichen, verwendet werden. Zusätzlich können laminierte Platten oder Plättchen 6 verwendet werden, bei welchen die zuvor beschriebene Wärmesenke und die Wärmeisolierplatte laminiert miteinander angeordnet sind. Die Wärmesenke 4 kann Wärme dissipieren, die insbesondere durch den Bildsignalverarbeitungschip 3 erzeugt wurde. Dieses Beispiel zeigt, dass die Durchgangslöcher im Zusammenhang mit der Wärmesenke 6 nicht benutzt werden müssen.
9 zeigt eine schematische Ansicht des Aufbaus einer Kamera gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Kamera gemäß dieser Ausführungsform ist eine Videokamera, die in der Lage ist, bewegte Bilder aufzunehmen.
Die Kamera gemäß dieser Ausführungsform weist auf: ein Halbleiterbildsensormodul 11, ein optisches System 210, eine Verschlusseinrichtung 211, einen Treiberschaltkreis 212 und einen Signalverarbeitungsschaltkreis 213.
Beim Empfangen von Licht von dem aufzunehmenden Objekt fokussiert das optische System 210 ein Bild auf einer Abbildungsfläche des Halbleiterbildsensormoduls 11. Dadurch werden relevante Signalladungen im Halbleiterbildsensormodul akkumuliert, und zwar für eine bestimmte Zeitspanne.
Die Verschlusseinrichtung 211 steuert die Zeitspanne des Belichtens und des Abschirmens des Licht in Bezug auf das Halbleiterbildsensormodul 11.
Der Treiberschaltkreis 212 stellt Treibersignale zum Steuern einer Übertragungsoperation oder eines Übertragungsvorgangs des Halbleiterbildsensormoduls 11 und eines Verschlussvorgangs der Verschlusseinrichtung 211 zur Verfügung. Die elektrische Ladungsübertragung des Halbleiterbildsensormoduls 11 wird durchgeführt aufgrund von Treibersignalen (timing signals; Zeitablaufsignale), die durch den Treiberschaltkreis 212 bereitgestellt werden. Der Signalverarbeitungsschaltkreis 213 führt verschiedene Arten der Signalverarbeitung aus. Die Bildsignale, auf welche eine Signalverarbeitung angewandt wird, werden in einem Speichermedium gespeichert, z. B. einem Speicher, oder aber sie werden an einen Monitor ausgegeben.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird z. B. ein Halbleiterbildsensormodul vorgesehen, welches einen Analog/Digital-Wandlerschaltkreis (ADC) aufweist, welcher auf dem Halbleiterbildsensorchip 2 vorgesehen ist, sowie einen Bildsignalverarbeitungschip 3 und einen Speicherchip 7, die über die Wärmesenke 4 angeordnet und elektrisch verbunden sind.
Gemäß dem Halbleiterbildsensormodul dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können, da vom Bildsignalverarbeitungschip erzeugte Wärme mittels der Wärmesenke vermindert wird, das Auftreten von Dunkelströmen (dark current) sowie das Auftreten weißen Rauschens (white noise) beim Halbleiterbildsensorchip reduziert oder umgangen werden. Da der Halbleitersensorchip und der Bildsignalverarbeitungschip mit der Wärmesenke dazwischen laminiert sind, können zusätzlich der Auslegungsbereich oder die Auslegungsfläche geringer gestaltet werden als in dem Fall, bei welchem diese in einer Ebene angeordnet werden, wodurch es möglich wird, dass das Halbleiterbildsensormodul in Einrichtungen vorgesehen wird, welche einer Miniaturisierung bedürfen, z. B. bei Mobiltelefonen oder dergleichen. Da ferner die Chips elektrisch über Bumpelektroden oder Kugelelektroden miteinander direkt verbunden sind, kann im Bildsignalverarbeitungschip eine Hochgeschwindigkeitssignalverarbeitung stattfinden. Dadurch wird im Hinblick auf das Modul als Ganzes eine hohe Qualität erreicht. Da der Halbleiterbildsensorchip und der Bildsignalverarbeitungschip direkt miteinander über die Bumpelektroden verbunden sind, können beide Chips mit einem Minimum an parasitären Widerständen und einem Minimum an parasitären Kapazitäten miteinander verbunden werden. Bei Bildsensoren mit Gehäuse und bei Wärmesenken aus dem Stand der Technik ist das gesamte Gehäuse der Wärme ausgesetzt. Es wird dafür gesorgt, dass die Wärme über die Wärmesenke entweichen kann. Andererseits entsteht bei der vorliegenden Erfindung die Wärme lokal im Bildsignalverarbeitungschip oder dergleichen, der seinerseits die Hochgeschwindigkeitsverarbeitung durchführt. Folglich kann diese in wirkungsvoller Art und Weise durch die Wärmesenke abgeführt werden. Da bei einem Aufbau, bei welchem eine typische SIP-Technologie verwendet wird und bei welchem der Halbleiterbildsensorchip mit dem Bildsignalverarbeitungschip verbunden ist, ohne dass eine Wärmesenke vorgesehen wird, hat darüber hinaus der teilweise stark aufgeheizte Bildsignalverarbeitungschip einen nachteiligen Einfluss auf den Halbleiterbildsensorchip, der direkt und teilweise laminiert vorliegt. Jedoch kann aufgrund des oben beschriebenen Aufbaus der vorliegenden Erfindung ein derartiger nachteiliger Einfluss vermieden oder vermindert werden. Folglich kann in Bezug auf jedes Pixel oder jede Spalte eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung durchgeführt werden (in Bezug auf jede Signalleitung), es ist jedoch auch eine Parallelverarbeitung durch eine parallele Ausgabe einer Mehrzahl Pixel, z. B. jeweils in Form von vier Pixel, möglich. Wie beim Stand der Technik beschrieben, kann im Zusammenhang mit der Hochgeschwindigkeitsverarbeitung eine Verminderung oder Beseitigung parasitärer Kapazitäten und parasitärer Widerstände im Hinblick auf die Verdrahtung oder die Anschlüsse erreicht werden.
Im Zusammenhang mit dem Durchschnittsfachmann ist klar, dass verschiedene Abwandlungen, Kombinationen, Unterkombinationen und Abweichungen im Hinblick auf die Designanforderungen und andere Faktoren durchgeführt werden können, ohne dass von der Erfindung gemäß den Patentansprüchen abgewichen wird.

Claims

Halbleiterbildsensormodul, mit: – einem Halbleiterbildsensorchip (2) mit einem Bereich, der Transistoren ausbildet, auf einer ersten Hauptfläche eines Halbleitersubstrats und mit einem fotoelektrischen Umwandlungsbereich mit einer Lichteinfallsfläche (70), welche auf einer zweiten Hauptfläche auf der zur ersten Hauptfläche gegenüberliegenden Seite ausgebildet ist, und – einem Bildsignalverarbeitungschip (3), in welchem Bildsignale, die im Halbleiterbildsensorchip (2) ausgebildet werden, verarbeitet werden, – wobei eine Mehrzahl Bumpelektroden (15a) auf der ersten Hauptfläche des Hauptleiterbildsensorchips (2) ausgebildet ist, – wobei eine Mehrzahl Bumpelektroden (15b) auf dem Bildsignalverarbeitungschip (3) ausgebildet ist, – wobei der Halbleiterbildsensorchip (2) und der Bildsignalverarbeitungschip (3) mittels einer Wärmedissipationseinrichtung (4) laminiert ausgebildet sind, – wobei die Mehrzahl Bumpelektroden (15a) des Halbleiterbildsensorchips (2) und die Mehrzahl Bumpelektroden (15b) auf dem Bildsignalverarbeitungschip (3) elektrisch miteinander verbunden sind, und – wobei die Mehrzahl Bumpelektroden (15a) des Halbleiterbildsensorchips (2) und die Mehrzahl Bumpelektroden (15b) auf dem Bildsignalverarbeitungschip (3) elektrisch über leitfähige Elektroden (13) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, – dass die Wärmedissipationseinrichtung (4) gebildet wird von elektrisch leitfähigem Material (4a) und – dass die Wärmedissipationseinrichtung (4) Öffnungen (12) aufweist, in welchen leitfähige Elektroden (13) ausgebildet sind, und zwar umgeben mit isolierendem Material (14), und zwar an Positionen oder Stellen, die mit der Mehrzahl der Bumpelektroden (15a, 15b) korrespondieren.
Halbleiterbildsensormodul, mit: – einem Halbleiterbildsensorchip (2) mit einem Bereich, der Transistoren ausbildet, auf einer ersten Hauptfläche eines Halbleitersubstrats und mit einem fotoelektrischen Umwandlungsbereich mit einer Lichteinfallsfläche (70), welche auf einer zweiten Hauptfläche auf der zur ersten Hauptflä che gegenüberliegenden Seite ausgebildet ist, und – einem Bildsignalverarbeitungschip (3), in welchem Bildsignale, die im Halbleiterbildsensorchip (2) ausgebildet werden, verarbeitet werden, – wobei eine Mehrzahl Bumpelektroden (15a) auf der ersten Hauptfläche des Hauptleiterbildsensorchips (2) ausgebildet ist, – wobei eine Mehrzahl Bumpelektroden (15b) auf dem Bildsignalverarbeitungschip (3) ausgebildet ist, – wobei der Halbleiterbildsensorchip (2) und der Bildsignalverarbeitungschip (3) mittels einer Wärmedissipationseinrichtung (4) laminiert ausgebildet sind, – wobei die Mehrzahl Bumpelektroden (15a) des Halbleiterbildsensorchips (2) und die Mehrzahl Bumpelektroden (15b) auf dem Bildsignalverarbeitungschip (3) elektrisch miteinander verbunden sind, und – wobei die Wärmedissipationseinrichtung (4) Öffnungen aufweist, in denen leitfähige Elektroden ausgebildet sind, und zwar an Stellen oder Positionen, die mit der Mehrzahl der Bumpelektroden korrespondieren, dadurch gekennzeichnet, – dass die Wärmedissipationseinrichtung (4) gebildet wird von einer zweischichtigen Struktur (6) eines Wärme isolierenden Materials (5) und eines wärmeleitfähigen Materials (4), und – dass die Seite des Wärme isolierenden Materials der Wärmedissipationseinrichtung in Kontakt steht mit dem Halbleiterbildsensorchip (2) und – dass die Seite des wärmeleitfähigen Materials in Kontakt steht mit dem Bildsignalverarbeitungschip (3), um die Mehrzahl der Bumpelektroden (15a) des Halbleiterbildsensorchips (2) und die Mehrzahl Bumpelektroden (15b) auf dem Bildsignalverarbeitungschip (3) über die leitfähigen Elektroden miteinander elektrisch zu verbinden.
Halbleiterbildsensormodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmedissipationseinrichtung (4) auch als Lichtabschirmplatte für den Bildsensorverarbeitungschip (3) dient.
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbildsensormoduls, mit den Schritten: – Ausbilden einer Mehrzahl Bumpelektroden (15a) auf einer ersten Hauptfläche eines Halbleiterbildsensorchips (2), in welchem ein Bereich, welcher Transistoren ausgebildet, auf einer Hauptfläche eines Halbleitersubstrats und ein fotoelektrischer Umwandlungsbereich mit einer Lichteinfallsfläche (70) auf einer zweiten Hauptfläche auf einer zur ersten Hauptfläche gegenüberliegenden Seite ausgebildet sind, – Ausbilden einer Mehrzahl Bumpelektroden (15b) auf einem Bildsignalverarbeitungschip (3) zum Verarbeiten von Bildsignalen, die in dem Halbleiterbildsensorchip (2) ausgebildet werden, – Ausbilden des Halbleiterbildsensorchips (2) und des Bildsignalverarbeitungschips (3) in mittels einer Wärmedissipationseinrichtung (4) laminierter Art und Weise, – Verbinden der Mehrzahl Bumpelektroden (15a) des Halbleiterbildsensorchips (2) und der Mehrzahl Bumpelektroden (15b) auf dem Bildsignalverarbeitungschip (3) und – Verbinden der Mehrzahl Bumpelektroden (15a) des Halbleiterbildsensorchips (2) und der Mehrzahl Bumpelektroden (15b) auf dem Bildsignalverarbeitungschip (3) in elektrisch leitender Art und Weise durch die leitfähigen Elektroden (13), gekennzeichnet durch die Schritte: – Ausbilden der Wärmedissipationseinrichtung (4) aus einem elektrisch leitfähigen Material (4a) und – Bereitstellen der Wärmedissipationseinrichtung (4) mit Öffnungen (12) und Ausbilden leitfähiger Elektroden (13) und zwar Umgeben mit isolierendem Material (14) darin, an Stellen oder Positionen, die mit der Mehrzahl Bumpelektroden (15a, 15b) korrespondieren.
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbildsensormoduls, mit den Schritten: – Ausbilden einer Mehrzahl Bumpelektroden (15a) auf einer ersten Hauptfläche eines Halbleiterbildsensorchips (2), in welchem ein Bereich, welcher Transistoren ausgebildet, auf einer Hauptfläche eines Halbleitersubstrats und ein fotoelektrischer Umwandlungsbereich mit einer Lichteinfallsfläche (70) auf einer zweiten Hauptfläche auf einer zur ersten Hauptfläche gegenüberliegenden Seite ausgebildet sind, – Ausbilden einer Mehrzahl Bumpelektroden (15b) auf einem Bildsignalverarbeitungschip (3) zum Verarbeiten von Bildsignalen, die in dem Halbleiterbildsensorchip (2) ausgebildet werden, – Ausbilden des Halbleiterbildsensorchips (2) und des Bildsignalverarbeitungschips (3) in mittels einer Wärmedissipationseinrichtung (4) laminierter Art und Weise, – Verbinden der Mehrzahl Bumpelektroden (15a) des Halbleiterbildsensorchips (2) und der Mehrzahl Bumpelektroden (15b) auf dem Bildsignalver arbeitungschip (3) und – Bereitstellen der Wärmedissipationseinrichtung (4) mit Öffnungen (12) und Ausbilden leitfähiger Elektroden (13) darin, und zwar an Stellen oder Positionen, die mit der Mehrzahl Bumpelektroden (15a, 15b) korrespondieren, gekennzeichnet durch die Schritte: – Ausbilden der Wärmedissipationseinrichtung (4) mit einer Zweischichtstruktur (6) eines Wärme isolierenden Materials (5) und eines wärmeleitfähigen Materials (4) und – Anordnen der Seite des Wärme isolierenden Materials der Wärmedissipationseinrichtung (4) in Kontakt mit dem Halbleiterbildsensorchip (2) und der Seite des wärmeleitfähigen Materials in Kontakt mit dem Bildsignalverarbeitungschip (3), um die Mehrzahl Bumpelektroden (15a) des Halbleiterbildsensorchips (2) und die Mehrzahl Bumpelektroden (15b) auf dem Bildsignalverarbeitungschip (3) durch die leitfähigen Elektroden (13) miteinander elektrisch zu verbinden.
Kamera mit: – einem Halbleiterbildsensormodul (11) nach Anspruch 1 oder 2, und – einer Linse (210), welche auf der Seite der zweiten Hauptfläche des Halbleiterbildsensormoduls (11) vorgesehen ist.
Kamera nach Anspruch 6, bei welcher die Wärmedissipationseinrichtung (4) auch als Lichtabschirmplatte für den Bildsignalverarbeitungschip (3) dient.
Verfahren zum Herstellen einer Kamera, mit den Schritten des Verfahrens nach Anspruch 4 oder 5 und mit dem Schritt des Ausbildens einer Linse (210) auf der Seite der zweiten Hauptfläche des Halbleiterbildsensormoduls (11).