JP2007088118A - Solid state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子と透明キャップとの間に低屈折率の透明樹脂材の接着層を介在させたウエハレベルパッケージまたはチップサイズパッケージで構成した固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device configured by a wafer level package or a chip size package in which an adhesive layer of a transparent resin material having a low refractive index is interposed between a solid-state imaging device and a transparent cap.
従来の固体撮像装置は、セラミクス等の中空構造パッケージ中に固体撮像素子が収納され、固体撮像素子の上面中央にマイクロレンズを配置した受光部が設けられ、その周辺に電極パッドを配置して構成されている。マイクロレンズは受光部の感度向上に役立てられるもので、通常、屈折率が1.5から1.6の有機材料により形成されていた。電極は固体撮像素子の電極パッドとセラミクスパッケージにワイヤボンディングされている。また、固体撮像素子はセラミクスパッケージに収納され、パッケージの上面にガラス等の透明キャップが封着されていた。従来のセラミクスパッケージでは、固体撮像素子のマイクロレンズ上は大気に接しており、大気の屈折率が1.0であることから、マイクロレンズは光を効率良く集光することが可能であった。 A conventional solid-state image pickup device is configured such that a solid-state image pickup device is housed in a hollow structure package such as ceramics, a light receiving portion having a microlens arranged at the center of the upper surface of the solid-state image pickup device, and an electrode pad arranged around the light receiving portion Has been. The microlens is useful for improving the sensitivity of the light receiving portion, and is usually formed of an organic material having a refractive index of 1.5 to 1.6. The electrode is wire bonded to the electrode pad of the solid-state image sensor and the ceramic package. Further, the solid-state imaging device is housed in a ceramic package, and a transparent cap such as glass is sealed on the upper surface of the package. In the conventional ceramics package, the microlens of the solid-state imaging device is in contact with the atmosphere, and since the refractive index of the atmosphere is 1.0, the microlens can collect light efficiently.
一方、特許文献1に示されるように、受光部であるCCDチップの固体撮像素子の上面にマイクロレンズが設けられ、これよりも低屈折率の透明接着剤を透明キャプとの間に充填して、CCDチップの受光感度を落とすことなく、十分な接着面積でCCDチップと透明キャップを固定すると共に、CCDチップの外周部を高耐湿性のシール材で封止する。それにより、低屈折率を重視した接着剤の弱点を補強した耐湿性に優れたパッケージ構造の固体撮像装置が提案されている。
前述のセラミクスを用いた中空パッケージでは、固体撮像素子とカバーガラスの間に中空ギャップが存在するため、全パッケージ高さが高くなると言う問題がある。さらに、このような用途のパッケージにはリード線がガラス封止された金属気密封止パッケージ、あるいは薄型セラミクスパッケージなどが使用されているが、体積が増え、組み立て工数も増えるという問題がある一方、固体撮像素子上にエポキシやアクリル系統の透明接着剤を用いて接着するパッケージ手法もある。この場合の接着剤は屈折率が1.5以上であるため、マイクロレンズ材料の屈折率と同じまたは大きくなり、固体撮像素子上に形成されたマイクロレンズによる集光がうまく働かず、固体撮像素子の感度が悪くなると言う問題があった。 In the hollow package using the above-mentioned ceramics, there is a problem that the total package height is increased because a hollow gap exists between the solid-state imaging device and the cover glass. In addition, a metal hermetic package in which the lead wire is glass-sealed or a thin ceramic package is used for such a package, but there is a problem that the volume increases and the number of assembly steps increases. There is also a packaging method in which an epoxy or acrylic transparent adhesive is bonded onto a solid-state image sensor. In this case, since the adhesive has a refractive index of 1.5 or more, the refractive index is the same as or larger than the refractive index of the microlens material, and the light collected by the microlens formed on the solid-state image sensor does not work well, and the solid-state image sensor There was a problem that the sensitivity of became worse.
特許文献1が開示する固体撮像装置は、パッケージの耐湿性を向上させるために固体撮像素子および透明キャップとの外周部を耐湿性の高いシール材で囲まなければならず、外周部の結合シール材が全体のサイズを大型化していた。加えて、固体撮像素子と外部回路との電気的接続のため、TABリードがパッケージに組み込まれ、固体撮像素子とTABの間がワイヤーボンディング接続され、そのためにパッケージ全体の体積が増え、組み立て工数が増えるなどコスト的に問題があった。特に、固体撮像素子と透明キャップとの間に充填される低屈折率接着剤の厚みは外周部のシール材に高い耐湿性を得るに必要な厚みが必要とされて薄型化には制約となっていた。 In the solid-state imaging device disclosed in Patent Document 1, the outer peripheral portion of the solid-state imaging element and the transparent cap must be surrounded by a highly moisture-resistant sealing material in order to improve the moisture resistance of the package. However, the overall size was increased. In addition, for electrical connection between the solid-state imaging device and the external circuit, a TAB lead is incorporated into the package, and the solid-state imaging device and the TAB are connected by wire bonding, which increases the volume of the entire package and reduces the number of assembly steps. There was a problem in cost such as increase. In particular, the thickness of the low refractive index adhesive filled between the solid-state imaging device and the transparent cap is required to obtain a high moisture resistance for the sealing material on the outer peripheral portion, which is a limitation in reducing the thickness. It was.
したがって、本発明は上述する欠陥を排除するために提案されたものであり、ウエハレベルパッケージまたはチップサイズパッケージを用いて固体撮像素子上に形成されるマイクロレンズとカバーガラスとの間に形成する接着層を薄く形成した新規かつ改良された固体撮像装置の提供を目的とするものである。すなわち、本発明の目的は、全パッケージ高さを低くするために、直接透明カバーを固体撮像素子に貼り合せると共に、固体撮像素子の集光性を改善して光感度を上げるために、貼り合わせに屈折率が1.4以下の低屈折率接着剤を用いたことを特徴とする全高が低くて光感度の高い固体撮像装置の提供である。 Therefore, the present invention has been proposed to eliminate the above-described defects, and an adhesion formed between a microlens formed on a solid-state image sensor and a cover glass using a wafer level package or a chip size package. It is an object of the present invention to provide a new and improved solid-state imaging device having a thin layer. That is, the object of the present invention is to directly bond the transparent cover to the solid-state image sensor in order to reduce the total package height, and to improve the light condensing property of the solid-state image sensor and increase the photosensitivity. The present invention provides a solid-state imaging device having a low overall height and high photosensitivity characterized by using a low refractive index adhesive having a refractive index of 1.4 or less.
本発明によれば、受光面上にマイクロレンズを設けられた固体撮像素子と、屈折率1.4以下の透明な低屈折率接着層を介して透明カバーを直接貼り合わたウエハレベルパッケージまたはチップサイズパッケージで構成した固体撮像装置が提供される。ここで、マイクロレンズは屈折率1.5以上の材料で形成され、接着層は数μm程度に薄く形成されていることを特徴とする固体撮像装置が開示される。具体的には低屈折率接着層としてふっ素系樹脂が使用されると共に透明カバーが固体撮像素子と略同一寸法に形成されたチップサイズパッケージからなることを特徴とする固体撮像装置である。ウエハレベルパッケージは集積回路を構成している半導体基板にエッチング法等により、半導体基板を直接加工し電極、ソルダボールまたは電極バンプを形成し、基板自体をパッケージの一部として使う手法である。したがって、この手法を用いて加工された半導体基板上の固体撮像素子にマイクロレンズを設け、屈折率1.4以下低屈折率透明接着層を介して透明カバーを直接貼り合わせて封着したパッケージから成る固体撮像装置が提供される。換言すると、シリコン基板の表面側に形成した半導体光センサの受光面上にマイクロレンズを配置し、裏面に前記半導体センサと導通スルーホールにより電気的接続したコンタクト電極を設け、透明カバーを前記シリコン基板上の前記マイクロレンズと屈折率1.4以下の透明接着層を介して前記マイクロレンズと直接に貼り合わせて多数の固体撮像素子を形成した後、ダイシングによりチップサイズパッケージに分割して前記透明カバーと前記固体撮像素子とを略同一寸法にしたことを特徴とするウエハレベルパッケージの固体撮像装置が開示される。 According to the present invention, a wafer level package or chip in which a solid-state imaging device provided with a microlens on a light receiving surface and a transparent cover are directly bonded via a transparent low refractive index adhesive layer having a refractive index of 1.4 or less. A solid-state imaging device configured with a size package is provided. Here, a solid-state imaging device is disclosed, in which the microlens is formed of a material having a refractive index of 1.5 or more, and the adhesive layer is thinly formed to be about several μm. Specifically, it is a solid-state imaging device characterized in that a fluorine-based resin is used as the low refractive index adhesive layer and a transparent cover is formed of a chip size package having substantially the same dimensions as the solid-state imaging device. The wafer level package is a technique in which a semiconductor substrate is directly processed by etching or the like on a semiconductor substrate constituting an integrated circuit to form electrodes, solder balls or electrode bumps, and the substrate itself is used as a part of the package. Therefore, from a package in which a microlens is provided on a solid-state imaging device on a semiconductor substrate processed using this technique, and a transparent cover is directly bonded and sealed through a low refractive index transparent adhesive layer with a refractive index of 1.4 or less. A solid-state imaging device is provided. In other words, a microlens is disposed on the light-receiving surface of the semiconductor optical sensor formed on the front surface side of the silicon substrate, a contact electrode electrically connected to the semiconductor sensor through a conduction through hole is provided on the back surface, and a transparent cover is provided on the silicon substrate. A large number of solid-state imaging devices are formed by directly bonding the microlenses to the microlenses via a transparent adhesive layer having a refractive index of 1.4 or less, and the transparent cover is divided into chip size packages by dicing. And a solid-state image pickup device having a wafer level package, wherein the solid-state image pickup device and the solid-state image pickup device have substantially the same dimensions.
本発明の固体撮像装置は固体撮像素子の受光面上にマイクロレンズを介して透明カバーが低屈折率接着層を用いて直接貼り合わせて構成するから、固体撮像素子の集光特性を改善して光感度を高め、かつ全高寸法を小さくして薄型化を実現する。また、従来のウェハレベルパッケージやチップサイズパッケージでは、屈折率1.5以上のエポキシ、アクリル系統の接着剤で半導体基板とガラスが接着されるため、受光面上にマイクロレンズが設けられた固体撮像素子の場合、マイクロレンズで光が集光されず固体撮像素子の感度を低下させていたが、本発明では屈折率が1.4以下のふっ素系樹脂の接着層を介して直接貼り合わせるのでマイクロレンズの集光特性の改善に役立つ。さらに、パッケージ構造として、マイクロレンズと透明カバーとの間の接着層を含む外周部に耐湿性シール材を使用しないから、接着層の薄型化と構造の簡素化が図られて工業的価値を高める。 In the solid-state imaging device of the present invention, since the transparent cover is directly bonded to the light-receiving surface of the solid-state imaging element through a microlens using a low refractive index adhesive layer, the condensing characteristic of the solid-state imaging element is improved. Achieving thinness by increasing photosensitivity and reducing overall height. Also, in the conventional wafer level package and chip size package, the semiconductor substrate and the glass are bonded with an epoxy or acrylic adhesive having a refractive index of 1.5 or more, so that a solid-state imaging with a microlens provided on the light receiving surface In the case of the element, the light was not collected by the microlens and the sensitivity of the solid-state image sensor was lowered. However, in the present invention, the microlens is directly bonded via an adhesive layer of a fluorine resin having a refractive index of 1.4 or less. Helps improve the light collection characteristics of the lens. Furthermore, since the package structure does not use a moisture-resistant sealing material on the outer periphery including the adhesive layer between the microlens and the transparent cover, the adhesive layer is made thinner and the structure is simplified, thereby increasing industrial value. .
以下、本発明による固体撮像装置の実施の形態について、具体的実施例について説明する。本発明の固体撮像装置は受光面上にマイクロレンズが設けられた固体撮像素子に、屈折率1.4以下の透明接着層を介して透明カバーを直接貼り合わせたウエハレベルパッケージまたはチップサイズパッケージで構成される。ここで、マイクロレンズには屈折率1.5以上の光学材料が使用され、屈折率1.4以下の透明接着層には低屈折率のふっ素系樹脂が使用される。また、透明カバーと固体撮像素子とは略同一寸法に形成されたウェハレベルパッケージまたはチップサイズパッケージからなることを特徴とする固体撮像装置である。なお、説明上技術的に好ましい種々の限定が付されるが、本発明の範囲は、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。 Specific embodiments of the solid-state imaging device according to the present invention will be described below. The solid-state imaging device of the present invention is a wafer level package or chip size package in which a transparent cover is directly bonded to a solid-state imaging device having a microlens on a light receiving surface through a transparent adhesive layer having a refractive index of 1.4 or less. Composed. Here, an optical material having a refractive index of 1.5 or more is used for the microlens, and a fluorine-based resin having a low refractive index is used for the transparent adhesive layer having a refractive index of 1.4 or less. The transparent cover and the solid-state image pickup device are a solid-state image pickup device comprising a wafer level package or a chip size package formed with substantially the same dimensions. Although various technically preferable limitations are given for explanation, the scope of the present invention is not limited to these embodiments unless otherwise specified to limit the present invention.
図1は、本発明に係る実施例の固体撮像装置を示す部分拡大断面図である。固体撮像装置は、シリコン基板2に半導体技術を利用して多数の固体撮像素子となるフォトダイオードのイメージセンサ1と、この上にマトリクス配置のスクリーン電極3およびマイクロレンズ4とが形成され、透明接着層6を介して透明カバー7が直接貼り合わせて構成される。ここで、マイクロレンズ4は屈折率が1.5乃至1.6の有機材料からなり、透明接着層6は屈折率は1.4以下のふっ素系樹脂である。これにより、外部からの光8は透明カバー7と透明接着層6を透過して、マイクロレンズ4で集光されてイメージセンサ1が受光することになる。すなわち、イメージセンサ1のあるシリコン基板上にはスクリーン電極3とマイクロレンズ4がマトリクス状に配置され、それぞれ方形状受光部を形成している。マイクロレンズ4は、この受光部の受光感度を高めるために設けられる。このマイクロレンズ4は屈折率が1.5乃至1.6の有機材料からなる。シリコン基板2にはビアホールを通してリード部材を半導体技術を応用して基板内にスルーホール電極として形成され、外面のはんだバンプやAuバンプなどのコンタクト電極5が設けられる。このコンタクト電極5を介して固体撮像素子のイメージセンサ1からの電気信号が外部回路に電気的に接続される。一方、マイクロレンズ4は、ふっ素系樹脂の透明接着層6を介してガラス等の透明カバー7からの外部光線8を集光してイメージセンサ1で受光することになる。受光信号は電気信号に変換され、外部回路に導出される。
FIG. 1 is a partially enlarged cross-sectional view showing a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. In the solid-state imaging device, a photodiode image sensor 1 serving as a solid-state imaging device is formed on a
図2は撮像装置の概観を示す斜視図であり、シリコン基板2と透明カバー7とが透明接着層6を介在して直接貼り合わせられた3〜5mm角のチップ状態の部品を示している。シリコン基板2の内面の表面側には半導体フォトダイオードのイメージセンサとその上にマイクロレンズが設けられている。一方、外面の裏面側にはイメージセンサと導通スルーホールにより電気的接続したコンタクト電極5のはんだバンプが多数設けられている。ここで、透明カバー3をシリコン基板2とは屈折率1.4以下の透明接着層を介して直接に貼り合わせている。製造過程では複数個の単位ユニット固体撮像素子を形成した後、ダイシングによりチップサイズパッケージに分割され、透明カバーと単位ユニット固体撮像素子とを略同一寸法にして小型・薄型化したことを特長とするウエハレベルパッケージの固体撮像装置を開示する。
FIG. 2 is a perspective view showing an overview of the imaging apparatus, and shows a 3 to 5 mm square chip component in which the
図3(a)乃至図3(c)は、本発明の固体撮像装置の製造工程を示している。図3(a)はシリコン基板2と透明カバー7の貼り合わせ工程を示し、一方または両方の貼り合わせ面に透明接着層6がコートされた状態を示し、貼り合わせ直前の状態である。次いで、図3(b)に示すように貼り合わせ後、シリコン基板2の外面にははんだバンプのコンタクト電極5が多数設けられる。次いで、半導体技術により作製された多数の固体撮像素子を含む受光部を備えるシリコン基板2に透明カバー7を屈折率1.4以下の透明接着層6を介在して直接に貼り付けられ、シリコン基板外面にはんだバンプ形成後、図3(c)に示されるように、ダイシングライン9に沿って切断分割されて、個別単位の固体撮像装置が完成される。この場合、透明接着層6の接着強度を高めるために、あらかじめ接着補助材を塗布することもある。透明接着層6が塗布形成された固体撮像素子を含む受光部を備えたシリコン基板2に透明基板が貼り合わせられた後、透明接着層は硬化させて撮像素子を気密封着状態に固着する。図3(b)では、透明カバー7が接着されたシリコン基板2には半導体技術を用いてイメージセンサ1の電気信号を導出するコンタクト電極5が設けられるが、はんだバンプのほかにAuバンプでもよい。貼り合わせで合体された透明カバーとシリコン基板は前述のようにダイサによりチップサイズに切り出し、図2に示す固体撮像装置のチップ部品を得る。このチップ部品はセラミクスパッケージに収納されて固体撮像装置として完成される。
3A to 3C show the manufacturing process of the solid-state imaging device of the present invention. FIG. 3A shows a bonding process of the
前述したように、マイクロレンズで光を集光して感度の良い撮像装置を得るには、光がマイクロレンズ表面で屈折する必要がある。光の屈折はマイクロレンズ材料の屈折率、マイクロレンズ上面のカバー材料の屈折率、マイクロレンズ形状によって決定される。光が凸型のマイクロレンズで屈折するためには、マイクロレンズ上面のカバー材料の屈折率がマイクロレンズ材料の屈折率より小さい必要がある。また光の屈折角は、マイクロレンズ材料の屈折率とマイクロレンズ上のカバー材料の屈折率比に比例するため、マイクロレンズ上のカバー材料の屈折率が小さいほど、マイクロレンズが効率良く働くことになる。固体撮像素子受光面のマイクロレンズの材料屈折率が、通常1.5以上であるため、マイクロレンズとして働くためには、貼り合わせる接着材料の屈折率が1.5未満が必要最小限の条件であるが、実際のマイクロレンズの形状を加味すると1.4以下の屈折率である透明接着層が本発明では使用される。本発明の固体撮像装置においては、望ましくは、1.35以下の屈折率を有する透明接着材料の使用がマイクロレンズの集光特性を向上する上で好ましい。 As described above, in order to obtain a sensitive imaging device by condensing light with a microlens, the light needs to be refracted on the surface of the microlens. The refraction of light is determined by the refractive index of the microlens material, the refractive index of the cover material on the top surface of the microlens, and the microlens shape. In order for light to be refracted by the convex microlens, the refractive index of the cover material on the top surface of the microlens needs to be smaller than the refractive index of the microlens material. In addition, since the refractive angle of light is proportional to the refractive index ratio of the microlens material and the cover material on the microlens, the smaller the refractive index of the cover material on the microlens, the more effective the microlens works. Become. Since the refractive index of the microlens on the light-receiving surface of the solid-state imaging device is usually 1.5 or more, the refractive index of the adhesive material to be bonded is less than 1.5 in order to function as a microlens. However, in consideration of the actual microlens shape, a transparent adhesive layer having a refractive index of 1.4 or less is used in the present invention. In the solid-state imaging device of the present invention, it is desirable to use a transparent adhesive material having a refractive index of 1.35 or less in order to improve the light collecting characteristics of the microlens.
本発明の低屈折率の透明接着層6は、屈折率が1.4以下の透明樹脂材料が使用される。たとえば、ふっ素系樹脂の接着層が好ましく、接着層の厚さは数μm程度の厚みとする。これによって、全高寸法を薄くすると同時に感度の高い固体撮像装置が提供できる。なお、ふっ素系樹脂としては、屈折率1.34のポリテトラフロロエチレン(PTFEP)、屈折率1.35のパーフロロアルコキシ(PFA)、屈折率1.33〜1.38のポリビニルフロライド(PVF)を含むポリビニル系ふっ素樹脂、あるいはパーフロロエチレンプロペンコポリマ(PFEP)、クロロトリフロロエチレン(CTFE)、エチレンクロロトリフロロエチレン(ECTFE)を使用することができる。 For the transparent adhesive layer 6 having a low refractive index of the present invention, a transparent resin material having a refractive index of 1.4 or less is used. For example, a fluorine-based resin adhesive layer is preferable, and the thickness of the adhesive layer is about several μm. As a result, it is possible to provide a solid-state imaging device with high overall sensitivity while reducing the overall height. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene (PTFEP) having a refractive index of 1.34, perfluoroalkoxy (PFA) having a refractive index of 1.35, and polyvinyl fluoride (PVF) having a refractive index of 1.33 to 1.38. ) -Containing polyvinyl resin, or perfluoroethylenepropene copolymer (PFEP), chlorotrifluoroethylene (CTFE), or ethylene chlorotrifluoroethylene (ECTFE).
1;イメージセンサ(固体撮像素子)、 2;シリコン基板、
3;スクリーン電極、 4;マイクロレンズ、 5;コンタクト電極、
6;低屈折率透明接着層、 7;透明カバー(透明ガラス基板)
8;光線、 9;ダイシングライン
1; image sensor (solid-state image sensor), 2; silicon substrate,
3; screen electrode, 4; microlens, 5; contact electrode,
6; low refractive index transparent adhesive layer, 7; transparent cover (transparent glass substrate)
8; Ray, 9; Dicing line
Claims (4)
A microlens is disposed on the light receiving surface of the semiconductor optical sensor formed on the front surface side of the silicon substrate, a contact electrode electrically connected to the semiconductor sensor by a conductive through hole is provided on the back surface, and a transparent cover is provided on the silicon substrate. A large number of solid-state imaging devices are formed by directly bonding to the microlens via a microlens and a transparent adhesive layer having a refractive index of 1.4 or less, and then divided into chip size packages by dicing, and the transparent cover and the solid are separated. A wafer level package solid-state image pickup device characterized in that the image pickup element has substantially the same dimensions.
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