JP2008193358A - 撮像素子ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】撮像素子の周辺回路からの発熱を効率よく放熱させると共に撮像素子に悪影響を与えないようにした撮像素子パッケージを提供する。
【解決手段】像を光電変換し、撮像データを出力する撮像素子１１１と、この撮像素子１１１を駆動するための駆動回路を含む第１回路基板１６２と、撮像素子１１１と第１回路基板１６２の間に設けられた第１スペーサー１６４ａと、第１回路基板１６２に対して、第１スペーサー１６４ａと反対側に設けられ、第１スペーサー１６４より熱伝導率が高い第２スペーサー１６４ｂを具備している。第１回路基板１６２の駆動回路等で発生した熱は、熱伝導率の低い第１スペーサー１６４ａに伝わることが少なく、熱伝導率の高い第２スペーサー１６４ｂを通じて放熱される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、撮像素子ユニットに関し、詳しくは撮像素子とその周辺回路からなる撮像素子ユニットに関する。

最近のデジタルカメラやビデオカメラでは、撮像素子とその周辺回路の実装技術が改良され、小型化が進んできている。撮像素子と周辺回路の実装密度を上げると、これらの回路が発生する熱を効率良く放熱する必要がある。

放熱効率の向上を図ったマルチチップ半導体装置は種々提案されており、例えば、チップを積層させ、チップ間に放熱性接着剤と放熱用プレートを設けたマルチチップ半導体装置が知られている（特許文献１参照）。また、チップ間に熱伝導率の高い金属プレートを配置したマルチチップ半導体装置も知られている（特許文献２参照）。
特開２０００−２９４７２３号公報 特開平１１−１６８１５７号公報

上述の特許文献では、半導体チップの発熱を効率よく放熱しているが、撮像素子が存在する場合に、撮像素子に悪影響を与えないように放熱することについては、考慮されていない。すなわち、撮像素子の駆動回路等の周辺回路は、一般に発熱量が多く、放熱を効率良く行なう必要があり、また放熱経路によっては、撮像素子に悪影響を与え、ノイズの多い画像となってしまう。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、撮像素子の周辺回路からの発熱を効率よく放熱させると共に撮像素子に悪影響を与えないようにした撮像素子パッケージを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため第１の発明に係わる撮像素子ユニットは、像を光電変換し、撮像信号を出力する撮像素子と、この撮像素子を駆動するための駆動回路を含む第１回路基板と、上記撮像素子と上記第１回路基板の間に設けられた第１スペーサーと、上記第１回路基板に対して、上記第１スペーサーと反対側に設けられ、上記第１スペーサーより熱伝導率が高い第２スペーサーを具備する。

第２の発明に係わる撮像素子ユニットは、上記第１の発明において、上記撮像素子、上記第１スペーサー、上記第１回路基板および上記第２スペーサーの順に積層し、この積層体を収納するパッケージを有する。
第３の発明に係わる撮像素子ユニットは、上記第１の発明において、上記第２スペーサー側に放熱用電極を有する。
また、第４の発明に係わる撮像素子ユニットは、上記第１の発明において、上記第２スペーサーに対して、上記第１回路基板と反対側に設けられた第２回路基板を有する。
さらに、第５の発明に係わる撮像素子ユニットは、上記第４の発明において、上記第２回路基板に対して、上記第２スペーサーと反対側に設けられ、上記第１スペーサーより熱伝導率が高い第３スペーサーを有する。

上記目的を達成するため第６の発明に係わる撮像素子ユニットは、撮像素子と、この撮像素子の駆動回路を有する回路基板をＳｉｐ構造によりワンパッケージ化した撮像素子ユニットにおいて、上記回路基板の撮像素子側と、これとは反対側に設けるスペーサーの熱伝導率を異ならせる。

第７の発明に係わる撮像素子ユニットは、上記第６の発明において、上記スペーサーのうち、上記撮像素子側のスペーサーの方が、上記反対側のスペーサーよりも熱伝導率が低い。
また、第８の発明に係わる撮像素子ユニットは、上記第６の発明において、上記スペーサーのうち、上記反対側のスペーサー側に放熱用電極を設ける。

上記目的を達成するため第９の発明に係わる撮像素子ユニットは、撮像素子と、熱を発生する周辺回路と、放熱用電極からなる撮像素子ユニットにおいて、上記熱を発生する回路の撮像素子側には、低熱伝導率のスペーサーを、上記熱を発生する回路の上記放熱用電極側には、高熱伝導率のスペーサーを配置する。

本発明によれば、回路基板の撮像素子側と、これとは反対側に設けるスペーサーの熱伝導率を異ならせているので、撮像素子の周辺回路からの発熱を効率よく放熱させると共に撮像素子に悪影響を与えないようにした撮像素子パッケージを提供することができる。

以下、図面に従って本発明を適用した撮像素子ユニットを用いて好ましい実施形態について説明する。この撮像素子ユニットは、撮像素子とその周辺回路である撮像素子駆動回路やＡＤ変換回路を有しており、この撮像素子ユニットは、デジタルカメラやビデオカメラ等の電子撮像装置に組み込まれる。

まず、撮像素子ユニットを組み込んだ状態の撮像モジュールの構成について図１を用いて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係わる撮像モジュール１００の断面図であり、撮像モジュールはレンズ鏡筒ユニットと撮像回路ユニットから構成されている。撮影光学系３は、レンズ鏡筒ユニットの移動枠１１に固定されている。移動枠１１は固定枠１２に保持されており、レンズ駆動用アクチュエータ７ａによって、撮影光学系３の光軸方向に沿って進退自在に制御される。なお、レンズ駆動用アクチュエータ７ａは、レンズ駆動機構の一部であり、撮影光学系のピント合わせ用モータや、焦点距離調節用のモータ等によって構成される。

また、固定枠１２には、撮影光学系３の光路中に介挿自在なＮＤフィルタ４ａが設けられ、このＮＤフィルタ４ａは、ＮＤフィルタ駆動用アクチュエータ５ａによって駆動される。なお、ＮＤフィルタ４ａは、光量調節部材の一部であり、ＮＤフィルタ駆動用アクチュエータ５ａは、光量調節機構の一部である。撮影光学系３の光軸上には、撮像回路ユニットを構成する赤外カットフィルタおよびローパスフィルタ１０９と、撮像素子ユニット１１０が配置されている。撮像素子ユニット１１０は撮像素子基板１５に保持されており、この撮像素子基板１５は、ネジ１６によって固定枠１２に固定されている。

撮像素子ユニット１１０の撮影光学系３側には、赤外カットフィルタおよびローパスフィルタ１０９が配置されている。赤外カットフィルタおよびローパスフィルタ１０９の内、ローパスフィルタは、被写体像の高周波成分をカットし、低周波のみを通過させるための光学的フィルタであり、また赤外カットフィルタは、赤外光成分をカットする光学的フィルタである。

次に、撮像素子ユニット１１０の構成について、図２を用いて説明する。撮像素子ユニット１１０は、公知のシステム・イン・パッケージ（Ｓｉｐ）技術を利用して、基板・チップを積層している。

撮影光学系３によって結像された被写体像を光電変換する撮像素子１１１の裏面側には第１スペーサー１６４ａが配置されている。この第１スペーサー１６４ａの熱伝導率は、後述するように低い値の材料が用いられる。第１スペーサー１６４ａを挟んで、撮像素子１１１の反対側には種々の回路を含む第１回路基板（半導体チップ）１６２が配置されている。

この第１回路基板１６２は、撮像素子１１１を駆動するための撮像素子駆動回路が設けられており、この撮像素子駆動回路としては、タイミングジェネレータ（ＴＧ）や、撮像素子１１１の読み出し用の駆動ドライバ等の回路が含まれる。また、第１回路基板１６２には、撮像素子１１１から出力される撮像信号の処理を行なうためのアナログ信号処理回路、アナログ・フロント・エンド（ＡＦＥ）回路、Ａ／Ｄ変換回路、また種々の調整値や補正値を記憶するためのＥ^２ＰＲＯＭ等の電気的書き換え可能な不揮発性メモリ等が設けられている。

また、第１回路基板１６２の裏面側には第２スペーサー１６４ｂが配置されており、この第２スペーサー１６４ｂの熱伝導率は、上述の第１スペーサー１６４ａよりは高い材料が用いられている。これらの撮像素子１１１、第１スペーサー１６４ａ、第１回路基板１６２および第２スペーサー１６４ｂの順に積層され、第２スペーサー１６４ｂは、薄い基板で構成されたインターポーザ１６６上に配置されている。インターポーザ１６６は、熱伝導率の高い材料で構成され、またインターポーザ１６６の裏面側には、放熱用電極１６７ａが設けられている。

なお、低熱伝導率（λ）の第１スペーサー１６４ａの材料としては、λ＜１．０ｗ／ｍＫ程度であることが望ましく、例えば、ガラス（０．５５〜１．０ｗ／ｍＫ）ヒュームドシリカや高純度ジルコニア（１ｗ／ｍＫ）、発泡セラミック（０．１８〜０．２６Ｋｃａｌ／ｍｈ°Ｃ）を使用することができる。また、高熱伝導率（λ）の第２スペーサー１６４ｂの材料としては、例えば、銀（４２８ｗ／ｍＫ）、銅（４０３ｗ／ｍＫ）、アルミニウム（２３６ｗ／ｍＫ）、セラミック等を使用することができる。但し、銀、銅、アルミニウム等の導電性のスペーサーを用いることで、電気的ショートが発生する場合には、高熱伝導率で絶縁性のシリコンシートを間に挟むようにしても良い。

撮像素子１１１および第１回路基板１６２内の各回路素子は、それぞれボンディングワイヤ１６５および電極１６７を介して外部の回路と接続している。各部材の周囲はパッケージ１６９で囲まれており、また撮像素子１１１の受光面側には封止用のカバーガラス１６８が設けられているので、内部は気密状態に保持され、ゴミ等の侵入を防止することができる。

なお、撮像素子１１１としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）や、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の二次元撮像素子を用いる。撮像素子１１１は、第１回路基板１６２内の撮像素子駆動回路等に接続されており、撮像素子１１１は、撮像素子駆動回路等の駆動制御の下で、被写体像を光電変換して撮像画像信号をＡ／Ｄ変換回路によってデジタルデータに変換して、デジタル画像データとして出力する。

本発明の第１実施形態においては、前述したように撮像素子１１１と第１回路基板１６２との間の第１スペーサー１６４ａの熱伝導率は低い材料であり、一方、第１回路基板１６２とインターポーザ１６６との間の第２スペーサー１６４ｂの熱伝率は高い材料を採用している。このため、第１回路基板１６２の撮像素子駆動回路等によって発生した熱は、主として、第１スペーサー１６４ａ、インターポーザ１６６、放熱電極１６７ａの順に伝わって、放熱していく。撮像素子１１１と第１回路基板１６２の間の第１スペーサー１６４ａの熱伝導率は低いので、殆ど撮像素子１１１側には第１回路基板１６２の発熱が伝わらない。

このため、撮像素子１１１の環境温度が上昇し、暗電流が増加したり、ノイズが増加するおそれが低い。さらに、画素の出力レベルが温度により異常値を示す虞も低くなる。また、第１回路基板１６２における発熱は、一様ではなく、場所によって局所的に発熱が大きい。一様ではない温度分布で熱が撮像素子１１１に伝わると、撮像素子１１１の場所によって、暗電流が増加し、またノイズが増加してしまうが、本実施形態では、スペーサーの熱伝導率を変えてあるので、このようなおそれが殆どないという効果を奏する。

次に、図３を用いて、本発明を適用した第２実施形態について説明する。第１実施形態においては、撮像素子ユニット１１０内の半導体チップとして、撮像素子１１１と第１回路基板１６２を設けてあったが、第２実施形態においては、さらに第２回路基板（半導体チップ）１６３が設けられている。また、放熱電極１６７ａは、広い面電極であったが、分割形状の放熱電極１６７ｂとしている。それ以外は、第１実施形態と同様であるので、相違点を中心に説明する。

第２回路基板１６３は、インターフェース回路を有しており、撮像素子ユニット１１０と接続されるデジタルカメラやビデオカメラ等の電子撮像装置とのインターフェース機能を果たす。また、第２回路基板１６３はインターポーザ１６６に直接、載置されているので、インターポーザ１６６に貫通電極（不図示）を設け、第２回路基板１６３と外部の接続をとる。この貫通電極と放熱用電極１６７をそれぞれ接続する。なお、この場合には、電極を通じて放熱できるので、インターポーザ１６６の熱伝導率は低いものでも構わない。ここで、放熱電極が分割されているので、インターポーザ１６６の電極がそれぞれ異なった電位になっていても、独立して放熱板に導くことが可能となる。

第２実施形態においても、第１回路基板１６２と撮像素子１１１との間に設けられている第１スペーサー１６４ａの熱伝導率は、第１回路基板１６２と第２回路基板１６３との間に設けられている第２スペーサー１６４ｂの熱伝導率よりも低い材料で構成されている。このため、第１回路基板１６２で発生した熱は、主として、第２スペーサー１６４ｂ、第２回路基板１６３、インターポーザ１６６、放熱用電極１６７ｂの順に流れ、放熱する。第２回路基板１６３で発生した熱も、同様の経路を通って放熱する。

次に、図４を用いて、本発明を適用した第３実施形態について説明する。この第３実施形態は、第２実施形態において、さらに第３スペーサー１６４ｃを追加し、放熱用電極を第１実施形態と同様にした点を除けば、第２実施形態と同じであるので、相違点を中心に説明する。

第３スペーサー１６４ｃは、第２スペーサー１６４ｂと同様の高熱伝導率の材料で構成される。このため、第１回路基板１６２で発生した熱は、主として、第２スペーサー１６４ｂ、第２回路基板１６３、第３スペーサー１６４ｃ、インターポーザ１６６、放熱用電極１６７ａの順に流れ、放熱する。第２回路基板１６３で発生した熱も、同様の経路を通って放熱する。

次に、第１実施形態ないし第３実施形態における、放熱電極１６７ａ、１６７ｂからの放熱について、図５および図６を用いて説明する。図５において、撮像素子ユニット１１０は、図２に示した第１実施形態における撮像素子ユニット１１０と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付して説明を省略する。

撮像素子ユニット１１０の電極１６７および放熱用電極１６７ａは、両面フレキシブル基板１７０の対応する銅箔パターン１７２に接続されている。両面フレキシブル基板１７０は、ポリイミド等からなるベース材１７３の表面および裏面に、回路配線のための銅箔パターン１７２が施され、電極１６７および放熱用電極１６７ａと接続部分を除いて、絶縁のためにカバーレイ１７１を被覆している。両面フレキシブル基板１７０は、放熱用金属板１７５に保持されている。

また、電極１６７および放熱用電極１６７ａの反対側の銅箔パターン１７２は、放熱用金属板１７５の接触面１７５ａにて、直接、接している。撮像素子ユニット１１０と接続した両面フレキシブル基板１７５は、図６に示すように、コの字形状をした放熱基板１７５に保持されている。この放熱基板１７５の脚部には、取り付け用ビス孔１７５ａが設けられており、撮像モジュール等にビス等によって固定される。また、両面フレキシブル１７０の銅箔パターン１７２の出力配線部は、接続コネクタ部１８０にまで延びている。

このように構成されているので、撮像素子ユニット１１０の放熱用電極１６７ａから伝わってくる熱は、銅箔パターン１７２を介して放熱用金属板１７５に伝わり、この放熱用金属板１７５から空気中に放熱される。なお、図３に示す第２実施形態や、図４に示す第３実施形態における撮像素子ユニット１１０も、同様に、放熱用電極１６７ａ、１６７ｂの形状に合わせて銅箔パターン１７２を形成することにより、第１回路基板１６２や第２回路基板１６３の発熱を放熱用金属板１７５から放熱させることができる。

以上のように、本発明の各実施形態における撮像素子パッケージ１１０は、像を光電変換し、撮像データを出力する撮像素子１１１と、この撮像素子１１１を駆動するための駆動回路を含む第１回路基板１６２と、撮像素子１１１と第１回路基板１６２の間に設けられた第１スペーサー１６４ａと、第１回路基板１６２に対して、第１スペーサー１６４ａと反対側に設けられ、第１スペーサー１６４より熱伝導率が高い第２スペーサー１６４ｂを具備している。第１回路基板１６２の駆動回路等で発生した熱が、熱伝導率の低い第１スペーサー１６４ａに伝わることが少なく、熱伝導率の高い第２スペーサー１６４ｂを通じて放熱される。このため、撮像素子１１１の周辺回路からの発熱を効率よく放熱させると共に撮像素子に悪影響を与えないようにすることが可能である。

また、各実施形態においては、撮像素子１１１、第１スペーサー１６４ａ、第１回路基板１６２および第２スペーサー１６４ｂの順に積層し、この積層体を収納するパッケージ１６９を有している。このように、撮像素子ユニットがパッケージ１６９に収納されていることから、取扱が簡単になる。また、カバーガラス１６８等によって、気密に封入しておくことにより、外部から塵埃等が侵入することがなくなる。

さらに、各実施形態においては、第２スペーサー１６４ｂ側に放熱用電極１６７ａ、１６７ｂを配置しているので、効率良く、撮像素子ユニット１１０の外部に熱を排出することができる。また、第１回路基板１６２の撮像素子１１１と反対側には、第２回路基板１６３を更に追加して配置しても良く、この場合には、さらに多くの回路を備えることができる。

なお、本実施形態においては、回路基板は最大２つであったが、これに限らず、３以上でも勿論構わない。その場合には、撮像素子との間を低熱伝導率のスペーサーを配置し、反対側には、高熱伝導率のスペーサーを配置するものとする。また、本実施形態においては、パッケージ１６９やカバーガラス１６８等によって、撮像素子ユニットを覆っていたが、なくても良い。さらに、放熱に放熱用電極を介して放熱用金属板を用いていたが、これに限らず、種々の放熱部材を用いても良い。

本発明の実施形態の説明にあたっては、デジタルカメラやビデオカメラ用の撮像素子ユニットを例に挙げたが、デジタルカメラとしては一眼レフタイプやコンパクトタイプのデジタルカメラ等のいずれでも良く、またこれらのデジタルカメラやビデオカメラ以外の専用機に組み込まれるような電子撮像装置にも本発明を適用できることは勿論である。

本発明の第１実施形態における撮像素子ユニットを組み込んだ撮像モジュールの断面図である。 本発明の第１実施形態に係わる撮像素子ユニットの断面図である。 本発明の第２実施形態における撮像モユニットの断面図である。 本発明の第３実施形態における撮像素子ユニットの断面図である。 本発明の第１実施形態における撮像素子ユニットの放熱機構を示す断面図である。 本発明の第１実施形態における撮像素子ユニットの放熱機構を示す外観斜視図である。

符号の説明

３・・・撮影光学系、４ａ・・・ＮＤフィルタ、５ａ・・・ＮＤフィルタ駆動用アクチュエータ、７ａ・・・レンズ駆動用アクチュエータ、１１・・・移動枠、１２・・・固定枠、
１５・・・撮像素子基板、１６・・・ネジ、１００・・・撮像モジュール、１０９・・・赤外カットフィルタおよびローパスフィルタ、１１０・・・撮像素子ユニット、１１１・・・撮像素子、１６２・・・第１回路基板、１６３・・・第２回路基板、１６４ａ・・・第１スペーサー、１６４ｂ・・・第２スペーサー、１６４ｃ・・・第３スペーサー、１６５・・・ボンディングワイヤ、１６６・・・インターポーザ、１６７・・・電極、１６７ａ・・・放熱用電極、１６７ｂ・・・放熱用電極、１６８・・・カバーガラス、１６９・・・パッケージ、１７０・・・両面フレキシブル基板、１７１・・・カバーレイ、１７２・・・銅箔パターン、１７３・・・ベース材、１７５・・・放熱用金属板、１７５ａ・・・接触面

Claims (9)

1. 像を光電変換し、撮像信号を出力する撮像素子と、
   この撮像素子を駆動するための駆動回路を含む第１回路基板と、
   上記撮像素子と上記第１回路基板の間に設けられた第１スペーサーと、
   上記第１回路基板に対して、上記第１スペーサーと反対側に設けられ、上記第１スペーサーより熱伝導率が高い第２スペーサーと、
   を具備することを特徴とする撮像素子ユニット。
2. 上記撮像素子、上記第１スペーサー、上記第１回路基板および上記第２スペーサーの順に積層し、この積層体を収納するパッケージを有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子ユニット。
3. 上記第２スペーサー側に放熱用電極を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子ユニット。
4. 上記第２スペーサーに対して、上記第１回路基板と反対側に設けられた第２回路基板を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子ユニット。
5. 上記第２回路基板に対して、上記第２スペーサーと反対側に設けられ、上記第１スペーサーより熱伝導率が高い第３スペーサーを有することを特徴とする請求項４に記載の撮像素子ユニット。
6. 撮像素子と、この撮像素子の駆動回路を有する回路基板をＳｉｐ構造によりワンパッケージ化した撮像素子ユニットにおいて、
   上記回路基板の撮像素子側と、これとは反対側に設けるスペーサーの熱伝導率を異ならせたことを特徴とする撮像素子ユニット。
7. 上記スペーサーのうち、上記撮像素子側のスペーサーの方が、上記反対側のスペーサーよりも熱伝導率が低いことを特徴とする請求項６に記載の撮像素子ユニット。
8. 上記スペーサーのうち、上記反対側のスペーサー側に放熱用電極を設けたことを特徴とする請求項６に記載の撮像素子ユニット。
9. 撮像素子と、熱を発生する周辺回路と、放熱用電極からなる撮像素子ユニットにおいて、
   上記熱を発生する回路の撮像素子側には、低熱伝導率のスペーサーを、上記熱を発生する回路の上記放熱用電極側には、高熱伝導率のスペーサーを配置することを特徴とする撮像素子ユニット。