JP2009026807A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子の傾斜や温度の影響を防止することができ、かつ生産コストの低減を図ることができるマルチチップパッケージ型の撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置１０は、固体撮像素子１１及び周辺回路素子１２の２種の半導体チップと、パッケージ基体１３と、カバーガラス１４とからなる。パッケージ基体１３は、上部が開口された開放容器形状であって内側底面１３ａに周辺回路素子１２が固着されている。カバーガラス１４は、平板状であって下面側に、受光面１１ａが対向するように固体撮像素子１１が固着されており、パッケージ基体１３の開口を塞ぐように周縁部がパッケージ基体１３の上部に接合されている。固体撮像素子１１及び周辺回路素子１２は、間隙を隔てて対向し、封止空間Ｓ内に封止されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体撮像素子及び周辺回路素子の２種の半導体チップを封止してなるマルチチップパッケージ型の撮像装置に関する。

デジタルカメラ等の電子式カメラには、撮像素子として、半導体チップからなるＣＣＤ（Charge Coupled Device）型やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像素子が用いられている。これらの電子式カメラは、高機能化と同時に小型化が求められている。特に、ＣＣＤ型の固体撮像素子は、通常、ＣＭＯＳプロセスにより製造することができないため、ＣＭＯＳプロセスにより製造される周辺回路素子との１チップ化が困難であり、両者を合わせた実装面積が大きくなるといった問題がある。

この問題に関し、固体撮像素子と、その周辺に実装すべき周辺回路素子とを１つのパッケージ内に封止（１パッケージ化）することで実装面積の縮小を図ったマルチチップパッケージ型の撮像装置が提案されている。例えば、特許文献１に記載の撮像装置は、パッケージ基体に周辺回路素子をフリップチップ実装し、その周辺回路素子の裏面（上面）に固体撮像素子を接着剤により固着した後、周囲を封止することにより１パッケージ化を図ったものである。この技術により、固体撮像素子と周辺回路素子とを一体化し、実装面積の縮小を図ることが可能となる。
特開平１１−２６１０４４号公報

しかしながら、上記の従来技術では、固体撮像素子と周辺回路素子とを上下に積み重ねることで、実装面積が小さくなるものの、一方の素子での発熱が他方の素子に伝導しやすく、温度変化に敏感な固体撮像素子には適さないという問題がある。

また、周辺回路素子上に接着剤を介して固体撮像素子を固着しているため、接着剤のむらや、周辺回路素子の実装傾きなどが影響し、固体撮像素子の受光面に傾きが生じやすいといった問題もある。

さらには、両素子は接着剤により固着されているため、実装後の電気的検査により固体撮像素子と周辺回路素子とのいずれかに不良が検出された場合には、不良品の素子と良品の素子とを分離して良品の素子を再利用することは現実的には難しく、最終検査での歩留まりが低下し、生産コストが上昇するといった問題もある。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、固体撮像素子の傾斜や温度の影響を防止することができ、かつ生産コストの低減を図ることができるマルチチップパッケージ型の撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、固体撮像素子及び周辺回路素子の２種の半導体チップを封止してなるマルチチップパッケージ型の撮像装置において、前記固体撮像素子の受光面が対向するように前記固体撮像素子を保持した透光性の蓋部材と、前記蓋部材を接合することにより生じる封止空間にて、前記固体撮像素子の非受光面側に間隙を隔てて対向するように前記周辺回路素子を保持したパッケージ基体と、を備えたことを特徴とする。

なお、前記パッケージ基体は、上部が開口された開放容器形状であって内側底面に前記周辺回路素子が固着されており、前記蓋部材は、平板状であって下面側に前記固体撮像素子が固着されており、前記パッケージ基体の開口を塞ぐように前記蓋部材の周縁部が前記パッケージ基体の上部に接合されていることが好ましい。

また、前記固体撮像素子は、受光面側に電極を備え、前記蓋部材には、前記固体撮像素子の電極に一部が対向するように配線が形成され、前記パッケージ基体には、前記配線に一部が対向するように第１の端子が形成されていることが好ましい。

また、前記蓋部材の配線と、前記固体撮像素子の電極及び前記パッケージ基体の第１の端子とは、異方性導電接着フイルムを介して接着されていることが好ましい。

また、前記周辺回路素子は電極を備え、前記パッケージ基体には、前記周辺回路素子の電極と電気的に接続された第２の端子が形成されていることが好ましい。

また、前記周辺回路素子は、電極が前記パッケージ基体の第２の端子に対向するように、フリップチップ実装されていることが好ましい。

本発明の撮像装置は、固体撮像素子の受光面が対向するように固体撮像素子を保持した透光性の蓋部材と、蓋部材を接合することにより生じる封止空間にて、固体撮像素子の非受光面側に間隙を隔てて対向するように周辺回路素子を保持したパッケージ基体とからなるので、周辺回路素子の実装傾き等の影響による固体撮像素子の傾きを防止することができるとともに、周辺回路素子と固体撮像素子との間での熱伝導を防止することができる。これにより、撮像光軸の位置合わせ精度が向上し、かつ熱によるノイズの発生等が低減されるため、より良好な画像が得られる。

また、固体撮像素子と周辺回路素子との一方に不具合が生じた場合には、蓋部材をパッケージ基体から剥離することで、両素子を容易に分離することができ、不具合が生じた素子のみを良品と交換することができる。さらに、製造時には、蓋部材に実装された固体撮像素子と、パッケージ基体に実装された周辺回路素子とをそれぞれ個別に検査することができるため、良品同士を組み合わせることで、完成品の最終検査での歩留まりを向上させ、生産コストの低減を図ることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わるマルチチップパッケージ型の撮像装置１０の完成状態を示す。図２は、撮像装置１０を分解した状態を示す。図３は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面構造を示す。図１〜図３において、撮像装置１０は、固体撮像素子１１、周辺回路素子１２、パッケージ基体１３、及びカバーガラス１４によって構成されており、全体として直方体形状となっている。

固体撮像素子１１は、カバーガラス１４を介して被写体像の撮像を行い、撮像信号（電圧信号）を出力する２次元イメージセンサである。固体撮像素子１１は、矩形平板状の半導体チップにより形成されている。固体撮像素子１１の上面には、複数の受光素子（光電変換素子）が２次元配列された受光部１５が形成されており、また、その上面には、対向する２辺に沿って、信号入出力のための電極パッド１６が複数個配設されている。

周辺回路素子１２は、固体撮像素子１１の駆動、及び固体撮像素子１１から出力された撮像信号の信号処理を行う制御回路を内蔵した画像信号処理ＬＳＩである。周辺回路素子１２は、矩形平板状の半導体チップにより形成されており、その上面には、対向する２辺に沿って、信号入出力のための電極パッド１７が複数個配設されている。

パッケージ基体１３は、矩形板状の底部と、その底部の周囲を囲う４つの壁部とからなる上蓋のない開放容器形状であり、封止空間Ｓ側の底面（内側底面）１３ａには、周辺回路素子１２が固着されている。パッケージ基体１３の上部（４個の壁部の上部）は、封止空間Ｓ側に切り欠きが形成され、この切り欠きにより生じた段差の下段部分がカバーガラス１４の固着面１８となっている。

カバーガラス１４は、パッケージ基体１３の上部の開口とほぼ同一の寸法を有する矩形平板状の透明ガラス部材である。カバーガラス１４は、周縁部が固着面１８に接着され、パッケージ基体１３の開口を塞ぐ透光性の蓋部材として機能している。カバーガラス１４の下面側には、受光部１５が形成された受光面１１ａが対向するように固体撮像素子１１が固着されている。なお、固体撮像素子１１は、カバーガラス１４より平面寸法がやや小さく、封止空間Ｓ内に周辺回路素子１２とともに封止されている。また、カバーガラス１４としては、赤外線をカットするＩＲカットフィルタ等のフィルタを備えるものが好ましい。

パッケージ基体１３には、固体撮像素子１１の電極パッド１６に一部が対向するように配置された第１リード端子２０と、周辺回路素子１２の電極パッド１７に一部が対向するように配置された第２リード端子２１とが設けられている。この第１及び第２リード端子２０，２１は、それぞれ電極パッド１６，１７の数に合わせて複数個設けられている。第１リード端子２０はそれぞれ、一端側のインナーリード部２０ａが前述の固着面１８に露呈しており、他端側のアウターリード部２０ｂがパッケージ基体１３の外部側の外側底面１３ｂに露呈している。また、第２リード端子２１はそれぞれ、一端側のインナーリード部２１ａが前述の内側底面１３ａに露呈しており、他端側のアウターリード部２１ｂが前述の外側底面１３ｂに露呈している。

カバーガラス１４の下面には、第１リード端子２０のインナーリード部２０ａと固体撮像素子１１の電極パッド１６とに一部が対向するように配線パターン２２が形成されている。固体撮像素子１１の各電極パッド１６上には、配線パターン２２との接続を図るための導電性のバンプ（突起電極）２３が形成されている。各バンプ２３は、異方性導電接着フイルム（ＡＣＦ）２４で覆われており、このＡＣＦ２４を介して配線パターン２２と接着されている。インナーリード部２０ａは、同様に、異方性導電接着フイルム（ＡＣＦ）２５を介して配線パターン２２と接着されている。

周辺回路素子１２は、樹脂製の接着剤２６を介してパッケージ基体１３の内側底面１３ａに接着されている。周辺回路素子１２は、固体撮像素子１１の下面（非受光面）１１ｂに上面が対向し、かつ固体撮像素子１１の非受光面１１ｂとの間に一定の間隙が生じるように位置している。周辺回路素子１２の各電極パッド１７は、導電性のワイヤ２７を介して第２リード端子２１のインナーリード部２１ａと電気的に接続されている。

以上のように構成された撮像装置１０は、外側底面１３ｂを実装面として回路基板等に実装して使用される。固体撮像素子１１は、カバーガラス１４によって保持されており、周辺回路素子１２とは離間されているため、従来のように周辺回路素子１２の実装傾きの影響を受けることはなく、また、周辺回路素子１２からの熱伝導が防止される。これにより、撮像光軸の位置合わせ精度が向上し、かつ熱によるノイズの発生等が低減されるため、より良好な画像が得られる。さらに、固体撮像素子１１と周辺回路素子１２との一方に不具合が生じた場合には、カバーガラス１４をパッケージ基体１３から剥離することで、両素子を容易に分離することができ、不具合が生じた素子のみを良品と交換することができる。

なお、周辺回路素子１２から固体撮像素子１１への駆動信号の入力、固体撮像素子１１から周辺回路素子１２への撮像信号の入力など、両素子間での信号伝達は、撮像装置１０が実装された回路基板を介して行ってもよいが、第１リード端子２０と第２リード端子２１とをパッケージ基体１３の内部で直結することにより行ってもよい。

次に、固体撮像素子１１及び周辺回路素子１２の具体的な構成について説明する。図４において、固体撮像素子１１は、インターライン転送型のＣＣＤイメージセンサであって、複数の受光素子３０、複数の垂直ＣＣＤ３１、水平ＣＣＤ３２、及び出力アンプ３３によって構成されている。受光素子３０は、前述の受光部１５に２次元マトリクス状に配列され、入射光を光電変換して信号電荷を生成する。各受光素子３０の入射側には、カラーフィルタ及びマイクロレンズ（図示せず）が配設されている。カラーフィルタは、例えば、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３種類の色抽出フィルタからなり、例えば、ベイヤー配列により各受光素子３０上に色配列が行われている。

垂直ＣＣＤ３１は、受光素子３０の垂直列ごとに設けられ、各受光素子３０から信号電荷を読み出し、列方向に電荷転送（垂直転送）を行う。水平ＣＣＤ３２は、各垂直ＣＣＤ３１の終端に接続され、各垂直ＣＣＤ３１から転送されてきた信号電荷を１行ずつ受け取り、行方向に電荷転送（水平転送）を行う。さらに、出力アンプ３３は、水平ＣＣＤ３２から転送されてきた信号電荷を電荷量に応じた電圧信号（撮像信号）に変換して出力する。

周辺回路素子１２は、ＣＣＤドライバ４０、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）４１、及びデジタル信号処理部（ＤＳＰ）４２によって構成されている。ＣＣＤドライバ４０は、ＡＦＥ４１から入力されるタイミング信号に基づいて固体撮像素子１１の駆動信号（垂直転送パルス、水平転送パルス等）を生成し、生成した駆動信号を固体撮像素子１１に入力して、撮像動作を行わせる。

ＡＦＥ４１は、２重相関サンプリング／オートゲインコントロール（ＣＤＳ／ＡＧＣ）回路４３と、Ａ／Ｄ変換器４４と、タイミング信号発生器（ＴＰＧ）４５とからなる。ＣＤＳ／ＡＧＣ回路４３は、固体撮像素子１１から出力された撮像信号に対して２重相関サンプリングを行い、ノイズを低減するとともに、信号量に応じた利得調整を行う。Ａ／Ｄ変換器４４は、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路４３により処理が施された撮像信号を、アナログ信号からデジタル信号に変換する。ＴＰＧ４５は、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路４３、Ａ／Ｄ変換器４４、及びＣＣＤドライバ４０にタイミング信号を与え、動作の同期を図る。

ＤＳＰ４２は、ＡＦＥ４１から入力されたデジタル形式の撮像信号に対して、色補間、輝度／色差（Ｙ／Ｃ）変換、ガンマ補正、輪郭補正、ホワイトバランス補正などの所定の信号処理を施し、デジタル形式の画像データを生成する。なお、ＤＳＰ４２は、画像データを格納するためのメモリや、圧縮伸長回路、外部メディアのコントローラ、外部モニタへの入出力用のインターフェース等を備えていてもよい。

次に、撮像装置１０の製造方法について説明を行う。固体撮像素子１１及び周辺回路素子１２は、それぞれ、シリコンウエハに対して、通常の半導体製造プロセスを施し、これを個々のデバイスごとにチップ状にダイシングすることにより製造される。まず、図５（Ａ）に示すように、受光面１１ａ側に形成された電極パッド１６上に、ワイヤボンディング法を用いてＡｕ等からなる導電性のバンプ２３を形成する。次いで、図５（Ｂ）に示すように、バンプ２３上にＡＣＦ２４を貼り付ける。このＡＣＦ２４は、固体撮像素子１１の対向する２辺のそれぞれに配設された複数のバンプ２３上に跨るように、バンプ２３またはアライメントマーク（図示せず）を基準として貼り付ける。

次いで、蒸着法にて配線パターン２２を表面に形成してなるカバーガラス１４を別途作成し、図５（Ｃ）に示すように、配線パターン２２にＡＣＦ２４を介してバンプ２３が対向するように、固体撮像素子１１をカバーガラス１４に対して押し付ける。なお、配線パターン２２は、Ａｕ等によって形成されている。この状態で熱処理を行うことにより、バンプ２３と配線パターン２２とが接着されるとともに導通が図られる。これにより、固体撮像素子１１がカバーガラス１４に対して受光面１１ａが対向するように、いわゆるフェースダウンの状態で接合される。ここまでの工程は、いわゆるＣＯＧ（Chip On Glass）実装と称される実装技術である。

次いで、第１及び第２リード端子２０，２１を有する前述のパッケージ基体１３を別途作成し、図６（Ａ）に示すように、パッケージ基体１３の内側底面１３ａ上に塗布した接着剤２６を介して周辺回路素子１２を固着した状態で、周辺回路素子１２の電極パッド１７と第２リード端子２１のインナーリード部２１ａとを、ワイヤボンディング技術によってワイヤ２７により接続する。なお、このパッケージ基体１３は、セラミックス等によって形成されている。

次いで、第１リード端子２０のインナーリード部２０ａが配されたパッケージ基体１３上端部の固着面１８にＡＣＦ２５を貼り付け、図６（Ｂ）に示すように、固体撮像素子１１を接合したカバーガラス１４を、周縁部をＡＣＦ２５に接触させ、開口を塞ぐようにパッケージ基体１３に押し付ける。この状態で熱処理を行うことにより、ＡＣＦ２５を介してカバーガラス１４とパッケージ基体１３とが接着され、配線パターン２２とインナーリード部２０ａとがＡＣＦ２５を介して導通する。このようにして、固体撮像素子１１及び周辺回路素子１２が封止されたマルチチップパッケージ型の撮像装置１０が完成する。

以上の製造方法によれば、固体撮像素子１１をカバーガラス１４に接合した図５（Ｃ）に示す状態と、周辺回路素子１２をパッケージ基体１３に接合した図６（Ａ）に示す状態とで、それぞれ個別に検査を行うことができ、図６（Ｂ）に示すようにパッケージ基体１３とカバーガラス１４とを接合する際に選択的に良品同士を組み合わせることが可能となる。これにより、撮像装置１０の完成品の最終検査での歩留まりを向上させ、生産コストの低減を図ることができる。

なお、上記実施形態では、固体撮像素子とカバーガラスとの接合、及び、カバーガラスとパッケージ基体との接合において、異方性導電接着フィルム（ＡＣＦ）を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＡＣＦに代えて、導電性ペーストや半田を用いて接合を行ってもよい。

また、上記実施形態では、固体撮像素子を保持し、かつパッケージ基体の開口を封止する蓋部材として、カバーガラスを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、この蓋部材としては、透光性を有するものであれば、いかなる材料を用いることも可能である。

また、上記実施形態では、パッケージ基体を開放容器形状、カバーガラスを平板状としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、こられの形状は適宜変形してよい。例えば、パッケージ基体を平板状、カバーガラスを開放容器形状と変形することも可能である。

また、上記実施形態では、固体撮像素子をインターライン転送型のＣＣＤイメージセンサとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、固体撮像素子をフレーム転送型のＣＣＤイメージセンサや、ＣＭＯＳイメージセンサ等の他種のイメージセンサとして構成してもよい。

また、上記実施形態では、周辺回路素子をＣＣＤドライバ、ＡＦＥ、及びＤＳＰによって構成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、周辺回路素子は、固体撮像素子の駆動制御、固体撮像素子から出力される撮像信号の信号処理の一方または双方を行うものであれば、いかなる構成としてもよい。

また、上記実施形態では、周辺回路素子とパッケージ基体との電気的な接続をワイヤボンディングによって行っているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ワイヤを使用しないボンディング方法により接続を行ってもよい。図７は、周辺回路素子１２をフリップチップ実装した例を示す。撮像装置５０は、周辺回路素子１２をフリップチップ実装するように、第２リード端子２１の位置が変更されたパッケージ基体５１を備える。周辺回路素子１２は、上記実施形態とは上下逆向きに、パッケージ基体５１の内側底面５１ａに対してフェースダウンに配置され、電極パッド１７上にはＡｕ等からなる導電性のバンプ５２が設けられている。第２リード端子２１のインナーリード部２１ａは、電極パッド１７に対向する位置に設けられており、バンプ５２とインナーリード部２１ａとは、導電性ペースト５３により接合されている。なお、電極パッド１７とインナーリード部２１ａとの接合は、半田等によって行ってもよい。

本発明に係わる撮像装置の完成状態を示す外観斜視図である。 撮像装置の分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 固体撮像素子及び周辺回路素子の機能を表すブロック図である。 撮像装置の製造方法を示す製造工程図（その１）である。 撮像装置の製造方法を示す製造工程図（その２）である。 周辺回路素子をフリップチップ実装した例を示す断面図である。

符号の説明

１０ 撮像装置
１１ 固体撮像素子
１１ａ 受光面
１１ｂ 非受光面
１２ 周辺回路素子
１３ パッケージ基体
１３ａ 内側底面
１３ｂ 外側底面
１４ カバーガラス（蓋部材）
１５ 受光部
１６，１７ 電極パッド（電極）
１８ 固着面
２０ 第１リード端子（第１の端子）
２０ａ インナーリード部
２０ｂ アウターリード部
２１ 第２リード端子（第２の端子）
２１ａ インナーリード部
２１ｂ アウターリード部
２２ 配線パターン（配線）
２３ バンプ
２４，２５ 異方性導電接着フイルム

Claims (6)

1. 固体撮像素子及び周辺回路素子の２種の半導体チップを封止してなるマルチチップパッケージ型の撮像装置において、
   前記固体撮像素子の受光面が対向するように前記固体撮像素子を保持した透光性の蓋部材と、
   前記蓋部材を接合することにより生じる封止空間にて、前記固体撮像素子の非受光面側に間隙を隔てて対向するように前記周辺回路素子を保持したパッケージ基体と、
   を備えたことを特徴とする撮像装置。
2. 前記パッケージ基体は、上部が開口された開放容器形状であって内側底面に前記周辺回路素子が固着されており、前記蓋部材は、平板状であって下面側に前記固体撮像素子が固着されており、前記パッケージ基体の開口を塞ぐように前記蓋部材の周縁部が前記パッケージ基体の上部に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記固体撮像素子は、受光面側に電極を備え、前記蓋部材には、前記固体撮像素子の電極に一部が対向するように配線が形成され、前記パッケージ基体には、前記配線に一部が対向するように第１の端子が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記蓋部材の配線と、前記固体撮像素子の電極及び前記パッケージ基体の第１の端子とは、異方性導電接着フイルムを介して接着されていることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記周辺回路素子は電極を備え、前記パッケージ基体には、前記周辺回路素子の電極と電気的に接続された第２の端子が形成されていることを特徴とする請求項１から４いずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記周辺回路素子は、電極が前記パッケージ基体の第２の端子に対向するように、フリップチップ実装されていることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。

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