JP2005217322A - 固体撮像装置用半導体素子とそれを用いた固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置用半導体素子とそれを用いた固体撮像装置 Download PDF

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Abstract

【課題】固体撮像装置の小型・薄型化や低コスト化を実現すると共に、受光部への異物の付着による不良発生等を抑制することが求められている。
【解決手段】固体撮像装置用半導体素子10は、撮像素子部11を有する撮像領域14と電極13を有する接続領域15とを備える半導体素子本体(半導体チップ)12を具備する。半導体素子本体12の撮像領域14上には、それを覆うように透明樹脂層17が接合されている。透明樹脂層17上には光学封止板16が接合されている。固体撮像装置用半導体素子10は実装基板に接合されて固体撮像装置を構成する。
【選択図】図1

Description

本発明は固体撮像装置用半導体素子とそれを用いた固体撮像装置に関する。
固体撮像装置はファクシミリ、スキャナ、バーコードリーダ、カメラ、VTR等を始めとする各種の機器に利用されている。固体撮像装置を構成する半導体素子としては、CCD撮像素子やCMOS形撮像素子が知られている。これら半導体素子(固体撮像素子)のパッケージには、一般的にリードフレームを有するDIPパッケージやリードレス構造のLCCパッケージ等が適用されている。図7はDIPパッケージを適用した固体撮像装置を示している。図8はLCCパッケージを適用した固体撮像装置を示している。
図7および図8において、1は固体撮像素子である。図7に示す固体撮像素子1は、リードフレーム2を有するパッケージ基体3上に接合されている。図8に示す固体撮像素子1は、外周面に接続端子4が形成されたパッケージ基体5上に接合されている。パッケージ基体3、5の上面外周部には枠体6が接合されている。枠体6上には固体撮像素子1を封止するようにガラス板等の光学封止板7が接合されている。このような従来の固体撮像装置においては、固体撮像素子1の封止空間8を形成するパッケージ基体3、5や枠体6が必要とされる。このため、製造コストや部品コストが増大すると共に、固体撮像装置の小型・薄型化を実現することが難しい。
このような点に対して、特許文献1には固体撮像素子を囲むように枠状の封止樹脂層を形成し、この枠状の封止樹脂層に透明基板を接着したパッケージ構造が記載されている。特許文献2には、固体撮像素子に形成された突起電極と透明基板に形成された電極端子とを接合することによって、固体撮像素子と透明基板との間に空間を形成したパッケージ構造が記載されている。透明基板の外周部には接続端子を有する枠状のプリント配線板が接合されており、このプリント配線板で透明基板を支持している。これらの固体撮像装置においても、固体撮像素子の封止空間が必要される。このため、上記したDIPパッケージやLCCパッケージと同様に、パッケージの薄型化や小型化を図ることが難しい。
一方、特許文献3には固体撮像素子等が接合されたパッケージ基体の上面外周部に枠状の樹脂層を形成し、この枠状の樹脂層で形成されたキャビティ内に透明な接着材料を充填したパッケージ構造が記載されている。このようなパッケージ構造は、キャビティ内に充填した液状の透明接着材料を硬化させて固体撮像素子を封止しているため、封止材料である透明接着材料に気泡が生じやすいという問題がある。固体撮像素子の封止材料に生じた気泡は光学特性の劣化原因となる。さらに、固体撮像素子の封止はパッケージ基体に実装した後に実施されるため、固体撮像素子の取扱い工程やパッケージの組立て工程の際に固体撮像素子の受光部に異物等が付着して不良が発生しやすいという問題がある。固体撮像装置の大きさもパッケージ基体の形状に左右される。
さらに、リードフレーム等を有するパッケージ基体に実装した固体撮像素子を具備する固体撮像装置において、固体撮像素子の受光面に液状の透明接着剤やゲル状の透明樹脂を介して透明基板を貼り合わせることが提案されている(例えば特許文献4,5参照)。このようなパッケージ構造においても、液状の透明接着剤の塗布工程やゲル状の透明樹脂の充填工程に基づいて、接着層や充填層に気泡が生じやすい。さらに、いずれも固体撮像素子をパッケージ基体に実装した後に封止しているため、固体撮像素子の受光部に異物等が付着しやすい。特許文献4,5はリードフレーム等を有するパッケージ基体を適用しているため、固体撮像装置の小型化を図ることも困難である。
特許文献6には、固体撮像素子を回路基板上に直接実装し、そのような固体撮像素子の受光面に透明接着剤を用いてガラス基板を接着した構造が記載されている。この場合にはパッケージ基体に由来する装置の大型化を防ぐことができる反面、固体撮像素子を回路基板に実装する際に、固体撮像素子の受光部に異物等が付着しやすいという問題がある。受光部への異物の付着は不良原因となる。さらに、透明接着剤の塗布工程に基づく気泡の発生および気泡による光学特性の劣化に関しては、上記したパッケージ基体上に固体撮像素子を実装した装置と同様である。
特開2003-332542号公報 米国特許第6472761号公報 特表2001-516967号公報 特開平5-183138号公報 米国特許第6121675号公報 特開平4-114456号公報
従来の固体撮像装置はパッケージ構造を利用して固体撮像素子を封止しているため、装置の小型・薄型化を実現することが難しいことに加えて、固体撮像素子の取扱い工程やパッケージの組立て工程の際に受光部に異物等が付着して不良が発生しやすいという問題がある。さらに、従来の透明樹脂で固体撮像素子を封止した構造や、固体撮像素子の受光面に透明接着剤やゲル状透明樹脂を用いて透明基板を接着した構造は、透明樹脂の充填工程や透明接着剤の塗布工程に基づいて接着層や充填層に気泡が生じやすいという問題を有している。接着層や充填層に生じた気泡は光学特性の劣化原因となる。
本発明はこのような課題に対処するためになされたものであって、固体撮像装置の小型・薄型化や低コスト化を実現すると共に、受光部への異物の付着による不良発生等を抑制することを可能にした固体撮像装置用半導体素子、およびそのような半導体素子を用いた固体撮像装置を提供することを目的としている。
本発明の一態様に係る固体撮像装置用半導体素子は、撮像素子部を有する撮像領域と電極を有する接続領域とを備える半導体素子本体と、前記撮像領域を覆うように前記半導体素子本体に接合された透明樹脂層と、前記透明樹脂層上に接合された光学封止板とを具備することを特徴としている。
また、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、撮像領域と接続領域とを有する素子本体と、前記撮像領域を覆うように前記素子本体に接合された透明樹脂層と、前記透明樹脂層上に接合された光学封止板とを備える半導体素子と、前記半導体素子と電気的に接続された外部接続端子を有し、かつ前記半導体素子が接合された実装基板とを具備することを特徴としている。
本発明の一態様に係る固体撮像装置用半導体素子は、半導体素子自体が撮像素子部の封止機能を有しているため、撮像素子部への異物の付着による不良発生等を抑制することができる。また、半導体素子を実装する基板は封止構造を必要としないため、半導体素子の形状に応じて小型化することができる。さらに、半導体素子の実装構造を薄型化することができる。これらによって、小型・薄型化や低コスト化を実現した固体撮像装置用半導体素子および固体撮像装置を提供することが可能となる。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。図1、図2および図3は本発明の一実施形態による固体撮像装置用半導体素子の構成を模式的に示す図である。図1は一実施形態による固体撮像装置用半導体素子の平面図、図2は図1のX−X線に沿った断面図、図3は図1のY−Y線に沿った断面図である。
これらの図に示す固体撮像装置用半導体素子10は、一方の主面側に撮像素子部(受光部)11が設けられた半導体素子本体(半導体チップ)12を有している。半導体素子本体12の両端部側には電極13、13がそれぞれ設けられている。撮像素子部11と電極13とは半導体素子本体12の同一の表面12aに形成されている。撮像素子部11を有する領域は撮像領域14を構成している。また、電極13、13を有する両端部側の領域はそれぞれ接続領域15、15を構成している。
半導体素子本体12としては、例えばCCD撮像素子やCMOS形撮像素子等が用いられる。ただし、半導体素子本体12はこれらの固体撮像素子に限定されるものではなく、半導体受光部と走査部とを半導体チップ内に一体的に形成した各種の固体撮像素子を適用することができる。図1〜図3はリニアセンサ用の半導体素子10を示しており、半導体素子本体12の長手方向に沿って撮像素子部11が形成されている。電極13、13は撮像素子部11の両端部外側に配置されている。半導体素子本体12はリニアセンサ用固体撮像素子である。
半導体素子本体12の撮像素子部11を有する表面12a上には、撮像領域14を覆うように光学封止板16が配置されている。光学封止板16は透明樹脂層17を介して半導体素子本体12に接合されている。すなわち、半導体素子本体12には撮像領域14を覆うように透明樹脂層17が接合されており、透明樹脂層17上には光学封止板16が接合されている。撮像領域14は透明樹脂層17および光学封止板16により封止されている。半導体素子本体12の接続領域15は光学封止板16で覆われておらず、電気的な接続を容易に実施することが可能なように外部に露出している。
固体撮像装置用半導体素子10はそれ自体が撮像素子部11を封止並びに保護する機能を有している。言い換えると、半導体素子10はパッケージ機能を備えており、従来の固体撮像装置のようにDIPパッケージやLCCパッケージ等のパッケージ構造体を用いて封止する必要がない。透明樹脂層17は、撮像素子部11を封止する機能、並びに光学封止板16を半導体素子本体12の撮像領域14に接着する機能を有するものである。また、光学封止板16は撮像素子部11を封止する機能、透明樹脂層17を保護する機能、並びに最終的な素子表面の平坦性を維持する機能を有するものである。
光学封止板16には、光透過性を有する材料からなる板材であれば種々の透光性基板を適用することができる。光学封止板16の具体例としては、ガラス基板、アクリル樹脂等の透明樹脂からなる樹脂基板等が挙げられる。光学封止板16の厚さは特に限定されるものではないが、光透過性や封止板としての機能等の点から0.1〜1.2mmの範囲とすることが好ましい。光学封止板16としては、その表面にIR(赤外線)カット膜、ARコート(反射防止膜)等の光学薄膜をコーティングした基板、IRカット材や反射防止材等を含む中間膜を有する基板等を用いてもよい。
透明樹脂層17は、撮像素子部11に入射する光の散乱や屈折等を防ぐために、気泡を実質的に含まない樹脂層であることが好ましい。透明樹脂層17が気泡を有していると、固体撮像素子としての半導体素子本体12の集光特性や撮像特性等が低下する。このような気泡を実質的に含まない透明樹脂層17は、例えば接着性透明樹脂シートを用いて半導体素子本体12と光学封止板16とを接着することにより得ることができる。接着性透明樹脂シートは接着性透明樹脂組成物をシート状に成形したものであり、室温下または加熱下で硬化反応が進行して接着層として機能する。接着性透明樹脂組成物の成形時の状態は、シート形状を維持し得る程度に硬化(例えば架橋)させたものであればよい。
半導体素子本体12と光学封止板16との接着は、まずこれらの間に接着性透明樹脂シートを配置する。この積層物に必要に応じて適度な圧力を加えつつ、室温下での放置処理または加熱処理を施す。加熱温度は透明樹脂組成物に応じて選択され、例えばシリコーン組成物を適用した場合には50〜200℃の温度で加熱処理することが好ましい。このような処理に基づいて接着性透明樹脂シートの硬化反応を進行させることによって、半導体素子本体12と光学封止板16とを接着性透明樹脂シートの硬化物で接着する。
接着性透明樹脂シートは硬化した状態で良好な接着力を示す。この場合には透明樹脂層17は接着性透明樹脂シートの硬化物により構成される。なお、未硬化の状態であっても十分な接着力が得られる場合には、透明樹脂層17を接着性透明樹脂シート自体で構成してもよい。このように、予め接着性透明樹脂組成物をシート状に成形した接着性透明樹脂シートを使用して透明樹脂層17を形成することによって、液状透明接着剤やゲル状透明樹脂を用いた場合のように空気の巻き込みを生じることがないため、気泡を実質的に含まない透明樹脂層17を再現性よく得ることができる。
さらに、接着性透明樹脂シートは液状接着剤のように塗布むらや不要な広がり等を生じることがないため、透明樹脂層17の形状を安定に保つことが可能となる。例えば、透明樹脂層17の外形を一定に保つことができる。これは半導体素子10の小型化に寄与する。さらに、透明樹脂層17の厚さを均一化することができる。これは半導体素子10の薄型化のみならず、光学封止板16の平行度の向上等にも寄与する。光学封止板16の平行度や平面度が低下すると、固体撮像素子としての半導体素子本体12の集光特性や撮像特性等が劣化する。
接着性透明樹脂シートを構成する樹脂組成物には、透明性および接着性を有する各種の樹脂組成物を適用することが可能である。接着性透明樹脂組成物としては、例えばシリコーン樹脂組成物、エポキシ樹脂組成物、フェノール樹脂組成物等が用いられる。これらのうちでも、特に光透過性や屈性率等の点からシリコーン樹脂組成物を使用することが好ましい。シリコーン樹脂組成物は、例えばポリオルガノシロキサンと架橋剤とを必須成分として含有し、さらに必要に応じて架橋促進剤や接着促進剤等を含有する。
シリコーン組成物は硬化(架橋)機構に基づいて、縮合反応硬化型シリコーン組成物、過酸化物硬化型シリコーン組成物、ヒドロシリル化反応硬化型シリコーン組成物に大別される。接着性透明樹脂シートにはいずれのシリコーン組成物も適用可能であるが、特に副生成物を発生させることなく均一にかつ速やかに硬化することから、ヒドロシリル化反応硬化型シリコーン組成物を適用することが好ましい。接着性透明樹脂シートは、例えばヒドロシリル化反応硬化型シリコーン組成物をシート状に成形した後、室温での放置処理、加熱処理、電子線の照射処理等により適度に架橋させることで得ることができる。
上述した接着性透明樹脂シートの硬化物等からなる透明樹脂層17は、その光透過率や屈折率等によっても異なるが、例えば50〜200μmの範囲の厚さを有することが好ましい。透明樹脂層17の厚さが200μmを超えると透光性等が低下して、固体撮像素子としての半導体素子本体12の集光特性や撮像特性等が低下する。一方、透明樹脂層17の厚さが50μm未満であると、半導体素子本体12の撮像領域14に存在する凹凸を十分に埋めることができないおそれがある。これによって、接合界面に気泡が生じやすくなる。透明樹脂層17の厚さは接着性透明樹脂シートの厚さからの変化が僅かであるため、ほぼ同等の厚さを有する接着性透明樹脂シートを用いることで、所望の厚さを有する透明樹脂層17を得ることができる。
透明樹脂層17は、半導体素子本体12と光学封止板16との接着信頼性を高める上で、光学封止板16より大きい外形を有することが好ましい。図1〜図3に示した半導体素子10は、撮像素子部11の形成方向(長手方向)に対して、透明樹脂層17の外形が光学封止板16のそれより若干大きい形状を有する。半導体素子10の幅方向については、図3に示すように透明樹脂層17と光学封止板16の外形をほぼ同じとしている。このような構造を適用することによって、撮像素子部11の封止状態を低下させることなく、半導体素子本体12と光学封止板16との接着信頼性を高めることができる。なお、半導体素子本体12の外形に余裕がある場合には、透明樹脂層17の全外周部の形状を光学封止板16のそれより大きくしてもよい。
この実施形態の固体撮像装置用半導体素子10は、撮像素子部11を有する半導体素子本体(固体撮像素子)12自体に撮像素子部11の封止並びに保護機能(パッケージ機能)を付与している。このため、半導体素子10の実装時や取扱い時における撮像素子部11への異物の付着等による不良発生を抑制することができる。例えば、固体撮像装置用半導体素子10をチップ状態で機器メーカーに供給する際、輸送中に受光部表面に異物等が付着する可能性がある。これに対して、撮像素子部11を光学封止板16で保護することによって、ほぼチップに近い状態で機器メーカーに供給することができる。さらに、半導体素子10自体に付与したパッケージ機能は、半導体素子本体12に透明樹脂層17を介して光学封止板16を接合した簡易な構造で実現している。従って、パッケージ機能を有する固体撮像装置用半導体素子10の小型・薄型化を実現すると共に、部品コストや製造コストの増大を抑制することが可能となる。
さらに、パッケージ構造を構成する透明樹脂層17は、例えば接着性透明樹脂シートを用いることで、実質的に気泡を含まない状態とすることができる。接着性透明樹脂シートは接着後(硬化後)の形状を安定に保つことができる。具体的には、接着性透明樹脂シートまたはその硬化物からなる透明樹脂層17の外形や厚さを一定に保つことができる。透明樹脂層17の厚さを均一化することで、光学封止板16の光学的な平行度や平面度を向上させることができる。これらによって、固体撮像素子としての半導体素子本体12の集光特性や撮像特性等の劣化を抑制することが可能となる。このように、半導体素子本体12の特性を低下させることなく、パッケージ機能を有する半導体素子10の小型・薄型化、部品コストや製造コストの低減等を実現することができる。
なお、上記した実施形態では本発明の固体撮像装置用半導体素子をリニアセンサ用の半導体素子10に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。本発明の固体撮像装置用半導体素子は、エリアセンサ用の半導体素子に適用することもできる。ただし、エリアセンサ用半導体素子はカラーフィルタ上にマイクロレンズを形成しており、その上に透明樹脂層17を形成する場合には透明樹脂の屈折率の調整が必要になる。一方、リニアセンサ用半導体素子は一般的にカラーフィルタ上にマイクロレンズを形成していないため、比較的容易に安価な透明樹脂で光学封止板16を接合することができる。このような点から、本発明はリニアセンサ用半導体素子10に好適である。
上述した実施形態の固体撮像装置用半導体素子10は、後に詳述するように実装基板に搭載されて固体撮像装置として用いられる。ただし、半導体素子10自体がパッケージ機能を有していることから、半導体素子10を光学機器の回路基板上に直接実装することも可能である。このようなチップ・オン・ボード構造を適用する場合には、半導体素子10を回路基板上に実装した後、半導体素子10の電極13と回路基板の配線とをボンディングワイヤで電気的に接続する。半導体素子10の電極は半田バンプ等の金属パンプで構成してもよい。このような突起状電極を使用することによって、半導体素子10の回路基板への実装性を高めることができる。金属パンプはチップ・オン・ボード構造に限らず、通常の実装基板に搭載する場合においても適用可能である。
次に、本発明の固体撮像装置の実施形態について、図4、図5および図6を参照して説明する。図4〜図6は本発明の一実施形態による固体撮像装置の構成を模式的に示す図である。図4は一実施形態による固体撮像装置の平面図、図5は図4のX−X線に沿った断面図、図6は図4のY−Y線に沿った断面図である。これらの図に示す固体撮像装置20は、前述した実施形態による固体撮像装置用半導体素子10と、この半導体素子10が接合された実装基板21とを具備している。固体撮像装置用半導体素子10の構成は、前述した実施形態で示した通りである。
実装基板21は、例えばセラミックス基板や樹脂基板等の絶縁性基板により構成されている。このような実装基板21は、半導体素子10がダイボンディングされる接合面(上面)22と、外部接続端子となる非ピンタイプのリード端子23とを有している。リード端子23は半導体素子10の電極13、13に対応させて、実装基板21の両端部側に配置されている。非ピンタイプのリード端子23を有する実装基板21は、いわゆるLCC構造を有するものである。すなわち、非ピンタイプのリード端子23は、実装基板21の上面側の電極部23aと下面側の接続端子部23bとを側面部の導体層23cで接続した構造を有しており、実装基板21自体の表面実装を可能にするものである。
半導体素子10を実装する基板は、上述したようなLCC構造の実装基板に限られるものではない。半導体素子10は一般的なプリント配線板等に実装してもよい。また、例えば電極数が多い場合、半導体素子10は金属バンプ等を有するBGA構造の配線基板に実装してもよい。このように、実装基板の構造、形状、構成材料等は特に限定されるものではない。ただし、半導体素子10はそれ自体を表面実装することが可能な基板上に接合することが好ましい。
固体撮像装置用半導体素子10は、例えばダイボンディング用フィルムを用いて実装基板21の接合面22に接合されている。さらに、半導体素子10の電極13はボンディングワイヤ24を介して実装基板21のリード端子23(具体的には電極部23a)と電気的に接続されている。ボンディングワイヤ24は例えばエポキシ樹脂やフェノール樹脂等からなる封止樹脂25で覆われている。封止樹脂25はボンディングワイヤ24およびその接続部の電気的および機械的劣化を防ぐものであり、放熱性を高めた封止樹脂を使用することが好ましい。なお、半導体素子10の接続構造はワイヤボンディングに限られるものではなく、例えばフリップチップボンディングを適用することも可能である。
この実施形態の固体撮像装置20は、半導体素子10自体がパッケージ機能を有していることから、半導体素子10を実装する基板21にパッケージ構造を付与する必要がない。これによって、実装基板21の部品コストを大幅に低減することができる。さらに、実装基板21を半導体素子10の形状に応じて小型化することができる。固体撮像装置20はそのような実装基板21にそれ自体を小型・薄型化した半導体素子10を実装して構成されている。従って、固体撮像装置20の小型・薄型化、さらには製造コストや部品コストの低減を図ることが可能となる。この実施形態によれば、小型・薄型化および低コスト化した固体撮像装置20を提供することができる。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、各種の固体撮像素子およびそれを用いた固体撮像装置に適用することができる。そのような固体撮像素子およびそれを用いた固体撮像装置についても、本発明に含まれるものである。また、本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
本発明の一実施形態による固体撮像装置用半導体素子の構成を模式的に示す平面図である。 図1のX−X線に沿った断面図である。 図1のY−Y線に沿った断面図である。 本発明の一実施形態による固体撮像装置の構成を模式的に示す平面図である。 図4のX−X線に沿った断面図である。 図4のY−Y線に沿った断面図である。 従来のDIPパッケージを適用した固体撮像装置の一構成例を示す断面図である。 従来のLCCパッケージを適用した固体撮像装置の一構成例を示す断面図である。
符号の説明
10…固体撮像装置用半導体素子、11…撮像素子部、12…半導体素子本体(半導体チップ)、13…電極、14…撮像領域、15…接続領域、16…光学封止板、17…透明樹脂層、20…固体撮像装置、21…実装基板、23…リード端子、24…ボンディングワイヤ、25…封止樹脂。

Claims (5)

  1. 撮像素子部を有する撮像領域と電極を有する接続領域とを備える半導体素子本体と、
    前記撮像領域を覆うように前記半導体素子本体に接合された透明樹脂層と、
    前記透明樹脂層上に接合された光学封止板と
    を具備することを特徴とする固体撮像装置用半導体素子。
  2. 請求項1記載の固体撮像装置用半導体素子において、
    前記透明樹脂層は実質的に気泡を含まないことを特徴とする固体撮像装置用半導体素子。
  3. 請求項1または請求項2記載の固体撮像装置用半導体素子において、
    前記透明樹脂層は接着性透明樹脂シートまたはその硬化物を具備することを特徴とする固体撮像装置用半導体素子。
  4. 請求項1ないし請求項3のいずれか1項記載の固体撮像装置用半導体素子において、
    前記透明樹脂層は50〜200μmの範囲の厚さを有し、かつ前記光学封止板は0.1〜1.2mmの範囲の厚さを有することを特徴とする固体撮像装置用半導体素子。
  5. 撮像領域と接続領域とを有する素子本体と、前記撮像領域を覆うように前記素子本体に接合された透明樹脂層と、前記透明樹脂層上に接合された光学封止板とを備える半導体素子と、
    前記半導体素子と電気的に接続された外部接続端子を有し、かつ前記半導体素子が接合された実装基板と
    を具備することを特徴とする固体撮像装置。
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