JP2010225919A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱特性に優れると共に、温度上昇に伴う画質の劣化を防止する撮像機能を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】一方の面を受光面とした撮像機能を有する半導体素子２と、半導体素子２を、受光面を外側にして収納する凹部３ａが設けられたパッケージ３と、半導体素子２を収納したパッケージ３の凹部３ａを閉塞する光透過板５と、パッケージ３に設けられ、半導体素子２と電気的に接続されると共に、外部回路と電気的に接続される導体部４と、半導体素子２の他方の面側に突出して設けられる熱伝導性部材６と、外部回路が設けられており、半導体素子２が外部回路と電気的に接続されて実装されると共に、熱伝導性部材６の逃げとなる開口部７ｂが形成されたプリント配線基板７とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、パッケージ内に、撮像機能を有する半導体素子が収納された放熱性の高い半導体装置に関する。
下記特許文献１には、セラミックで形成したパッケージ内に、ＣＣＤ素子（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳイメージセンサと言った撮像機能を有する半導体素子を実装した半導体装置が記載されている。この特許文献１では、具体的に、凹状のパッケージ内に、光半導体素子と半導体素子とが積層して搭載され、パッケージの内外に露出する熱伝導体に、半導体素子と半導体素子との間に配置された熱伝導性板体が接続されている。そして、特許文献１の半導体装置では、半導体素子と光半導体素子の双方から熱伝導性板体と熱伝導体とに順次に伝熱する高熱伝導率の伝熱経路を形成することによって放熱性を高めている。
この特許文献１の半導体装置では、パッケージの内外に露出する熱伝導体の一端部を、プリント板に接続することによって、最終的に放熱する。ところで、イメージセンサ用の半導体装置では、受光面側が光路となるため、受光面側に放熱用部材を配設することはできない。このため、特許文献１の半導体装置では、コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）のように、半導体素子の上側に、冷却ファン等の冷却装置を設け、強制的に冷却することができない。
撮像機能を有する半導体素子は、信頼性などに影響を及ぼす定格温度を超えない範囲であっても、一般に８〜１０℃程度温度が上昇すると、暗電流が倍程度になって、ノイズが増え画質が損なわれる。このため、撮像機能を有する半導体素子は、できるだけ低い温度で使用することが画質確保の点で極めて重要である。
特開２００７−１９４４４１号公報
そこで、本発明は、以上のような課題を解決すべく、放熱特性に優れた半導体装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、温度上昇に伴う画質の劣化を防止することができる半導体装置を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体装置は、上述した課題を解決すべく、一方の面を受光面とした撮像機能を有する半導体素子と、上記半導体素子を、上記受光面を外側にして収納する凹部が設けられたパッケージと、上記半導体素子を収納した上記パッケージの凹部を閉塞する光透過板と、上記パッケージに設けられ、上記半導体素子と電気的に接続されると共に、外部回路と電気的に接続される導体部と、上記半導体素子の他方の面側に突出して設けられる熱伝導性部材と、上記外部回路が設けられており、上記半導体素子が上記外部回路と電気的に接続されて実装されると共に、上記熱伝導性部材の逃げとなる開口部が形成されたプリント配線基板とを備える。
本発明によれば、半導体素子の他方の面側に突出して熱伝導性部材が設けられ、熱伝導性部材の逃げとなる開口部がプリント配線基板に形成される。したがって、半導体素子で発生した熱をプリント配線基板に伝えることなく、熱伝導性部材より効率的に放熱することができる。これにより、温度上昇に伴う画質の劣化を防止することができる。
第１の実施形態に係る半導体装置の要部平面図である。 上記半導体装置の要部断面図である。 パッケージに半導体素子、光透過板、熱伝導性部材が組み合わされた組立体を熱伝導性部材側から見た斜視図である。 パッケージの取付凹部に熱伝導性部材を取り付ける状態を示す断面図である。 半導体装置と放熱用部材の分解斜視図である。 放熱用部材が取り付けられた半導体装置の要部断面図である。 第２の実施形態に係る半導体装置であり、ねじで放熱用部材を熱伝導性部材に固定する状態を示す要部断面図である。 熱伝導性部材の頂面にねじ穴が形成された状態を示す斜視図である。 第３の実施形態に係る半導体装置であり、熱伝導性部材に設けられたねじで放熱用部材を固定する状態を示す要部断面図である。 熱伝導性部材の頂面にねじが形成された状態を示す斜視図である。 第４の実施形態に係る半導体装置であり、熱伝導性部材にアースコードを接続した状態を示す要部断面図である。 熱伝導性部材を半導体素子の接地電位に電気的に接続し、熱伝導性部材を、アースコードを用いてプリント配線基板の接地電位に電気的に接続した状態を示す要部拡大断面図である。 半導体素子とスルーホールとの接続状態を示す平面図である。 アースコードを熱伝導性部材に溶接で接続した状態を示す要部拡大断面図である。 第５の実施形態に係る半導体装置であり、熱伝導性部材にペルチェ素子を積層し、更に冷却ファンを設けた状態を示す要部断面図である。 熱伝導性部材を薄くしてペルチェ素子を重ねた状態を示す断面図である。 熱伝導性部材をペルチェ素子に代えた状態を示す断面図である。 第６の実施形態に係る半導体装置であり、半導体素子を、熱伝導性部材に直置きした状態を示す分解斜視図である。 半導体素子と熱伝導性部材との関係を示した平面図である。 半導体素子を、熱伝導性部材に直置きし、パッケージに取り付けた状態を示す要部断面図である。 （Ａ）は、ＱＦＰ（Quad Flat Package）型のパッケージの導体部と熱伝導性部材との位置関係を示す断面図であり、（Ｂ）は、ＢＧＡ（Ball Grid Array）型のフラットパッケージの導体部と熱伝導性部材との位置関係を示す断面図である。
以下、本発明が適用された半導体装置について、図面を参照し、以下の順で説明する。
１．第１の実施形態
２．第２の実施形態
３．第３の実施形態
４．第４の実施形態
５．第５の実施形態
６．第６の実施形態
７．その他の実施形態
８．適用例
（１．第１の実施形態）
図１乃至図４に示すように、本発明が適用された半導体装置１は、撮像機能を有する例えばＱＦＰ（Quad Flat Package）型の半導体素子２と、半導体素子２を収納するパッケージ３と、半導体素子２と電気的に接続される導体部４と、パッケージ３を閉塞する光透過板５と、半導体素子２の他方の面側に突出して設けられる熱伝導性部材６と、外部回路が設けられたプリント配線基板７とを備える。
半導体素子２は、ＣＣＤ素子（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳイメージセンサと言った撮像機能を有する受光素子であり、例えばシリコン基板の一方の面に受光部を形成し、受光面２ａとしている。
この半導体素子２は、図２に示すように、パッケージ３内に収納される。このパッケージ３は、セラミックやエポキシ樹脂等の電気的絶縁材料で形成されている。パッケージ３は、例えば略矩形をなし、一方の面に、有底の例えば略矩形の凹部３ａが形成されている。この凹部３ａには、上述した半導体素子２を、受光面２ａを開口側とするよう取り付けられる。ここで、例えば、半導体素子２は、凹部３ａの底面に、熱抵抗の小さい接着剤、例えば熱伝導性接着剤８によって貼り付けられる。
凹部３ａを構成する周壁３ｂには、図１及び図２に示すように、この周壁３ｂの内側から外側に延在するように半導体素子２のリード線となる導体部４が設けられている。具体的に、導体部４は、パッケージ３の各辺に複数並んで設けられている。導体部４の凹部３ａの内側に位置する端部４ａには、半導体素子２が電気的に接続され、凹部３ａの外側に位置する端部４ｂには、プリント配線基板７の外部回路が電気的に接続される。導体部４は、凹部３ａの外側に位置する端部４ｂがパッケージ３の下側に位置するプリント配線基板７のランドと接するように、凹部３ａの内側に位置する端部４ａより下側に位置するように折曲されている。導体４の凹部３ａの内側に位置する端部４ａは、ワイヤ９によって、半導体素子２の端子と電気的に接続されている。
なお、パッケージ３の凹部３ａに収納される半導体素子２の数は、複数であっても良い。半導体素子２が複数の場合には、受光素子となる半導体素子２の受光面２ａとは反対側の面に、更なる、受光素子の駆動制御回路等が集積された半導体素子を、接着剤で固定するようにすればよい。この場合、受光素子の下側に位置する更なる半導体素子も、導体部４の端部４ａにワイヤによって電気的に接続されることになる。また、半導体素子２が複数の場合には、半導体素子２の横に並べるようにしても良い。また、半導体素子２は、パッケージ３に形成されたパターンにフリップチップ実装されていても良い。
パッケージ３の凹部３ａに半導体素子２が固定され、導体４とのボンディングが行われると、凹部３ａは、光透過板５によって閉塞される。この光透過板５は、一般に、透明なガラス板や樹脂板によって形成されている。なお、この光透過板５は、ローパスフィルタやレンズ等の光学的機能を有するものであっても良い。一方、凹部３ａを構成する周壁３ｂの先端部には、光透過板５を位置決めして取り付けるための段部５ａが形成されている。光透過板５は、接着剤１１を段部５ａ又は光透過板５の周囲に塗布し、段部５ａに嵌合することによって固定される。
パッケージ３には、図２及び図４に示すように、凹部３ａとは反対側の底面に、熱伝導性部材６を取り付けるための取付凹部１２が形成されている。取付凹部１２は、凹部３ａに固定された半導体素子２と略対向する位置に形成される。したがって、パッケージ３の底面部は、他方の面側から取付凹部１２が形成されることによって、周囲より薄肉になる。パッケージ３は、上述のようにセラミックやエポキシ樹脂等の電気的絶縁材料で形成されており、これらの材料は、一般に、熱抵抗が大きい。そこで、半導体素子２が固定される位置では、周囲より肉薄にして、半導体素子２で発生する熱を、熱抵抗の低い熱伝導性部材６により効率よく熱伝導できるようにしている。一方で、パッケージ３は、取付凹部１２を設ける部分において、薄肉の底面部３ｃを残すことで、熱伝導性部材６と半導体素子２との電気的な絶縁が損なわれないようにし、動作不具合の発生を防止するようにしている。
なお、取付凹部１２の大きさは、半導体素子２と略同じ面積であれば、半導体素子２の面積より多少大きくても小さくても良い。また、取付凹部１２は、パッケージ３の底面が十分に薄いときには必ずしも設ける必要はない。
この取付凹部１２には、図３及び図４に示すように、熱伝導性部材６が取り付けられる。この熱伝導性部材６は、少なくとも熱伝導性に優れた材料であり、例えば銅タングステン合金が用いられる。この熱伝導性部材６は、熱伝導性接着剤１３によって取付凹部１２に貼り付けられる。取付凹部１２に熱伝導性部材６が貼り付けられたとき、熱伝導性部材６は、パッケージ３の底面より突出する程度の高さに形成されている。より具体的に、熱伝導性部材６は、その頂面６ａが導体部４の凹部３ａの外側に位置する端部４ｂより下側にまで突出する高さを有するように形成されている。
なお、熱伝導性部材６の材料としては、銅タングステン合金に限定されるものではなく、銅、アロイ等の鉄系金属を用いても良い。
半導体装置１は、先ず、導体部４が設けられたパッケージ３の凹部３ａに半導体素子２が貼り付けられ、導体部３の凹部３ａの内側に位置する端部４ａとがワイヤボンディングによって電気的に接続される。そして、光透過板５によって凹部３ａが閉塞され、図４に示すように、取付凹部１２に熱伝導性部材６が貼り付けられる。この後、パッケージ３に半導体素子２、光透過板５、熱伝導性部材６が組み合わされると、この組立体１ａは、プリント配線基板７に実装される。
プリント配線基板７は、図１及び図２に示すように、例えばフレキシブルプリント配線基板であり、例えば１ｍｍ程度の厚さを有している。プリント配線基板７は、この組立体１ａが実装される部分に、導体部４の凹部３ａの外側に位置する端部４ｂが電気的に接続されるパッド７ａが形成されている。パッド７ａは、導体部４の凹部３ａの外側に位置する端部４ｂに対応した数だけ設けられ、略矩形をなすように配列されている。そして、各パッド７ａは、プリント配線基板７に形成された外部回路１４と電気的に接続されている。複数のパッド７ａで囲まれる領域には、パッケージ３の取付凹部１２に固定され、パッケージ３の底面より突出した熱伝導性部材６の逃げとなる開口部７ｂが形成されている。
なお、プリント配線基板７としては、リジット基板であっても良く、リジット基板とフレキシブル基板と組み合わせたフレックスリジッドプリント配線基板であっても良い。
パッケージ３に半導体素子２、光透過板５、熱伝導性部材６が組み合わされた組立体１ａは、熱伝導性部材６が開口部７ｂに挿入され、プリント配線基板７の実装位置に仮止めされる。この後、凹部３ａの外側に位置する端部４ｂとパッド７ａとは、リフローによって、半田付けされる。プリント配線基板７に組立体１ａが実装されてなる半導体装置１では、熱伝導性部材６の頂面６ａが開口部７ｂより、パッド７ａが設けられた実装面とは反対側の面より突出した状態となる。したがって、半導体素子２で発生した熱は、プリント配線基板７のパッド７ａが設けられた実装面とは反対側の面より突出した熱伝導性部材６に熱伝達されることになる。
更に、半導体装置１では、図５及び図６に示すように、熱伝導性部材６に放熱用部材１５を設けることもできる。放熱用部材１５は、アルミニウム等の放熱特性に優れた金属材料で形成されている。放熱用部材１５は、基台部１５ｃの一方の面が平坦に形成され、熱伝導性部材６の頂面６ａとの貼付面１５ａとなっている。熱伝導性部材６は、例えば、取付凹部１２より大きい放熱用部材１５を取り付けることができるように、頂面６ａがプリント配線基板７より突出するような厚さを有している。放熱用部材１５の基台部１５ｃの他方の側は、複数のフィン１５ｂが形成されている。放熱用部材１５は、貼付面１５ａを、熱伝導性部材６の頂面６ａに固定部材となる熱伝導性接着剤１６で貼り付けることによって、熱伝導性部材６に固定される。
以上のような、半導体装置１では、半導体素子２から放熱用部材１５までの距離のほとんどを、熱抵抗の小さい熱伝導性部材６が占める。したがって、半導体装置１では、非常に効率よく半導体素子２で発生した熱を効率的に放熱用部材１５に伝達することができ、結果、半導体素子２の温度を低温に維持することができる。
すなわち、半導体装置１では、半導体素子２の熱が効率よく、熱伝導性部材６を介して放熱用部材１５に伝達される。このため、半導体装置１では、半導体素子２の温度が下がり、温度上昇に起因する暗電流などによって引き起こされる熱雑音や、画面内の黒レベルがムラになる現象（ブラックシェーディング）を軽減することができる。また、半導体素子の温度が下がることで、半導体素子の寿命を延ばすこともできる。更に、半導体装置１では、半導体素子２の熱がプリント配線基板７を経由せずに放熱用部材１５で廃熱されることになり、プリント配線基板７へ流れる熱は相対的に少なくなる。これにより、プリント配線基板７に実装されている組立体１ａ以外の他の電子部品への熱ストレスを低減することもでき、これら電子部品を含む回路の故障率を低下することもできる。
パッケージ３の材質は、一般にプリント配線基板７の材質とは異なり、線膨張係数も異なる。半導体装置１では、半導体素子２の効率よく放熱することができ、パッケージ３の温度上昇の抑えることができ、これにより、プリント配線基板７に温度変化による熱収縮が起こりにくくなる。したがって、導体部４の凹部３ａの外側に位置する端部４ｂとパッド７ａとの半田付け部分にも、半田クラック等が生じにくくなり、製品の長期信頼性の向上を図ることができる。
（２．第２の実施形態）
ここで説明する半導体装置２０は、図７及び図８に示すように、放熱用部材１５を、熱伝導性部材６に固定部材となるねじを用いて固定するものである。
すなわち、熱伝導性部材６の頂面６ａには、ねじ穴２１が一又は複数、ここでは２つ設けられている。
放熱用部材１５は、アルミニウム等の放熱特性に優れた金属材料で形成され、基台部１５ｃの一方の面が平坦に形成され、熱伝導性部材６の頂面６ａとの突き合わせ面２２となっている。基台部１５ｃの他方の側は、複数のフィン１５ｂが形成されている。そして、隣接する２つのフィン１５ｂ，１５ｂの間には、貫通孔２３，２３が熱伝導性部材６のねじ穴２１，２１に対応して形成されている。
放熱用部材１５は、突き合わせ面２２を熱伝導性部材６の頂面６ａに突き合わせ、位置合わせがされる。この後、放熱用部材１５は、固定部材となるねじ２４，２４を、貫通孔２３，２３に挿通し、更に、ねじ穴２１，２１に締め付けることによって、頂面６ａと突き合わせ面２２とが密着した状態で固定される。
以上のような半導体装置２０では、放熱用部材１５を熱伝導性部材６に固定するにあたって、ねじ２４を用いるので、熱伝導性接着剤１６で固定する場合よりも耐衝撃性を向上することができる。また、熱伝導性部材６と放熱用部材１５との間は、ビデオカメラを使用しているときに高温になりやすく、非使用時には常温になるため、温度変化が激しい。ここで、放熱用部材１５は、ねじ２４で熱伝導性部材６に固定されるので、熱ストレスに対して、接合強度を、熱伝導性接着剤１６を使用した場合よりも強くすることができる。また、半導体装置２０が故障し分解修理が必要となった際にも、熱伝導性部材６に放熱用部材１５を熱伝導性接着剤１６で固定した場合より、ねじ２４を使用して熱伝導性部材６に放熱用部材１５を固定した場合の方が、容易に分解修理できる。
（３．第３の実施形態）
ここで説明する半導体装置３０は、図９及び図１０に示すように、熱伝導性部材６に固定部材となるねじ部を設け、このねじ部にナットを締め付けることによって放熱用部材１５を固定するものである。
すなわち、熱伝導性部材６の頂面６ａには、ねじ部３１が頂面６ａと一体的に設けられている。なお、ここでは、ねじ部３１を一又は複数、ここでは２つ設けるようにしている。
放熱用部材１５は、アルミニウム等の放熱特性に優れた金属材料で形成され、基台部１５ｃの一方の面が平坦に形成され、熱伝導性部材６の頂面６ａとの突き合わせ面３２となっている。基台部１５ｃの他方の側は、複数のフィン１５ｂが形成されている。そして、隣接する２つのフィン１５ｂ，１５ｂの間には、貫通孔３３，３３が熱伝導性部材６のねじ部３１，３１に対応して形成されている。
放熱用部材１５は、突き合わせ面３２を熱伝導性部材６の頂面６ａに突き合わせ、位置合わせされる。この後、放熱用部材１５は、固定部材となるねじ部３１，３１を、貫通孔３３，３３に挿通し、更に、ナット３４，３４をねじ部３１，３１に締め付けることによって、頂面６ａと突き合わせ面３２とが密着した状態で固定される。
以上のような半導体装置３０は、上述した半導体装置２０と同様の効果を得ることができる他に、更に、次のような効果を得ることができる。すなわち、図７及び図８に示す半導体装置２０では、ねじ２４を強く締め付け過ぎると、熱伝導性部材６が半導体素子２側に歪んでしまい、更に、パッケージ３内の半導体素子２までもが歪んでしまうことがある。すると、半導体素子２の光軸とレンズ鏡筒等に配設された光学レンズの光軸とがずれてしまうことがある。そうすると、撮像した像には、周辺部にぼけが発生することがある。また、レンズ鏡筒内のバックフォーカスレンズとの光軸がずれた場合には、ピンぼけが生じてしまうことがある。この点、半導体装置２０では、熱伝導性部材６の頂面６ａに一体的なねじ部３１にナット３４を締め付けることによって、熱伝導性部材６が半導体素子２側に歪んだり、パッケージ３内の半導体素子２が歪んでしまうことを防止することができる。
また、上述した第２の実施形態やここで説明した第３の実施形態で説明した半導体装置２０，３０では、ねじ止めによって熱伝導性部材６に放熱用部材１５を固定するようにしている。このような場合には、放熱用部材１５を簡単に取り外せるので修理やメンテナンスでも便利である。
（４．第４の実施形態）
上述した第１乃至第３の実施形態では、熱伝導性部材６の材質については、熱伝導性に優れれば導電性を有するかどうかは問題とならない。熱伝導性部材６が熱伝導性に優れると共に導電性を有する場合には、熱伝導性部材６の電位に関しては不定となる。熱伝導性部材６の電位が不定の場合には、静電気や外来の電波状のノイズが放熱用部材１５に対しアンテナのような効果を発揮し流れ込んでしまい、そのノイズが接地電位（グランド）に流れなくなってしまうことがある。このような場合、例えば、図２に示すように、ノイズは、半導体素子２と熱伝導性部材６とに挟まったパッケージ３との底面部３ｃと熱伝導性接着剤８，１３の絶縁物によって形成される静電容量によって、半導体素子２へと流れてしまう虞がある。
そこで、図１１乃至図１３に示す半導体装置４０では、熱伝導性部材６に上述のように銅タングステン合金使用し熱伝導性に優れると共に導電性を有するようにしている。そして、半導体装置４０では、アースコード４１を用いて、プリント配線基板７の接地電位と熱伝導性部材６とを電気的に接続するようにしている。なお、図１１乃至図１３に示す半導体装置４０は、図７及び図８に示した放熱用部材１５を、ねじ２４を放熱用部材１５のねじ穴２１に締め込むことによって熱伝導性部材６に固定する例を示している。これに代わって、半導体装置４０では、図９及び図１０に示すように、熱伝導性部材６のねじ部２４にナット３４を締め込むことで、放熱用部材１５を熱伝導性部材６に固定するようにしても良い。
具体的に、図１１に示すように、プリント配線基板７には、例えば、パッケージ３に半導体素子２、光透過板５、熱伝導性部材６が組み合わされた組立体１ａが実装される面とは反対側の面であって、組立体１ａの実装位置近傍に、接地電位に電気的に接続されたランド４２が設けられている。アースコード４１の一端部は、ランド４２に半田付け等によって電気的に接続されている。アースコード４１の他方の端部には、貫通孔が形成された端子部４３が設けられている。この端子部４３は、熱伝導性部材６の頂面６ａと放熱用部材１５との間に挿入され、導電性を有するねじ２４を貫通孔に挿通することによって共に締め付けられる。
以上のように、半導体装置４０では、放熱用部材１５が拾ってしまった外来ノイズを、アースコード４１を経由してプリント配線基板７の接地電位に接続されたランド４２に逃がすことができ、半導体素子２へと流れるノイズを低減することができる。
なお、アースコード４１の一端部は、導電性のねじ等によってランド４２に電気的に接続するようにしても良い。
また、一般に、半導体素子２の接地電位は、導体部４によってプリント配線基板７の接地電位に接続されるが、動作周波数の高い領域では、ワイヤ９や導体部４のインダクタンス成分を無視できず、完全に接地電位を保つことが困難になってくる。従来は、接地電位に割り当てる導体部４の本数を多くして、並列接続によるインピーダンス低下によってできるだけ接地電位に近づけていたが、この場合、導体部４の本数が増えてしまい、コストアップ要因となる。
そこで、半導体装置４０では、熱伝導性部材６を半導体素子２の接地電位に接続し、熱伝導性部材６をアースコード４１を用いてプリント配線基板７の接地電位に電気的に接続することで、半導体素子２の接地電位のインピーダンスの低下を図るようにしている。
すなわち、図１２及び図１３に示すように、パッケージ３の底面部３ｃの周辺部、すなわち半導体素子２の周囲には、一又は複数のスルーホール４４が形成されている。具体的に、スルーホール４４は、パッケージ３の熱伝導性部材６を取り付けるための取付凹部１２の周囲であって、周壁３ｂの内側に形成されている。そして、スルーホール４４は、内部に導電性材料が充填され、又は、周囲にメッキが施されて、半導体素子２が実装される面と反対側の面とを電気的に接続している。また、スルーホール４４の半導体素子２が実装される面側には、ワイヤ４５を電気的に接続するための第１のパッド４６が形成されている。ワイヤ４５は、半導体素子２の接地電位に割り当てられた端子と第１のパッド４６とをワイヤボンディング等によって電気的に接続する。半導体素子２が実装される面と反対側の面には、導電性を有する熱伝導性部材６と電気的に接続するための第２のパッド４７が形成されている。熱伝導性部材６は、パッケージ３の周辺部を逃げるための切欠部４８が形成されており、第２のパッド４７は、切欠部４８の一の平面に接触して電気的に接続される。かくして、半導体素子２の接地電位は、スルーホール４４を介して熱伝導性部材６に電気的に接続されることになる。
以上のような半導体装置４０では、熱伝導性部材６を半導体素子２の接地電位に電気的に接続し、熱伝導性部材６を、アースコード４１を用いてプリント配線基板７の接地電位に電気的に接続している。したがって、半導体装置４０では、導体部４の本数を増やすことなく、また、導体部４の本数を減らしながら、半導体素子２の接地電位のインピーダンスの低下を図ることができる。なお、図１３の例では、縦の導体部４を、４本から３本に減らした状態を示している。
また、半導体装置４０では、半導体素子２の接地電位をパッケージ３に形成したスルーホール４４を介してプリント配線基板７の接地電位に電気的に接続された熱伝導性部材６に電気的に接続している。したがって、半導体装置４０では、導体部４を用いて半導体素子２をプリント配線基板７の接地電位に電気的に接続する場合よりも、半導体素子２を接地電位に機械的に強固に固定することができる。そして、半導体装置４０では、外来ノイズの影響や、この半導体素子２自身が外へ放射する電波の軽減することもできる。しかも、半導体装置４０では、放熱用部材１５をねじ２４で熱伝導性部材６に固定する作業のみで行うことができる。
また、この放熱用部材１５をねじ２４で熱伝導性部材６に固定し、半導体素子２や熱伝導性部材６をプリント配線基板７の接地電位に接続することは、半田ごてでジャンパ線を熱伝導性部材６とプリント配線基板７の接地電位に接続する場合より組立作業性に優れる。これは、熱伝導性部材６の熱抵抗が小さいことから、半田ごてから加える熱がパッケージ３の方向に拡散していってしまい半田が融点まで温度が上がりにくいためである。また、強力な半田ごてで温度を上げようとすると、その熱が半導体素子２に速やかに伝わってしまい、半導体素子２を熱で痛めてしまう虞があるからである。
また、ねじ２４を使わずに放熱用部材１５を図示しないばね等を利用して圧接して熱伝導性部材６に接触させてプリント配線基板７上の接地電位に接続した場合には、さび、砂埃等の微小なごみが放熱用部材１５と熱伝導性部材６との間に挟まる等の経年変化で接触が不安定になる虞がある。また、この場合には、外来からの振動、衝撃により接触部分が振動することで電位がその振動数によって変化し、半導体素子２からの画像出力にその影響を受けてノイズがのることがある。この点、半導体装置４０では、ねじ止めによって放熱用部材１５を熱伝導性部材６に固定しているので、このような不具合の発生を防止することができる。
なお、以上の例では、図１１に示すように、アースコード４１の他方の端部を、端子部４３をねじ２４を用いて接続する場合を説明したが、アースコード４１の他方の端部は、図１４に示すように、ねじ２４とは別のねじ４９ａで熱伝導性部材６に電気的に接続するようにしても良い。この場合、アースコード４１の他方の端部は、導電性のワッシャ４９ｂが設けられており、熱伝導性部材６は、例えば側面に、ねじ穴４９ｃが設けられている。アースコード４１の他方の端部は、ねじ４９ａをワッシャ４９ｂに挿通し、ねじ穴４９ｃに締め付けることによって、熱伝導性部材６と電気的に接続されることになる。
（５．第５の実施形態）
以上の例では、半導体素子２で発生した熱を熱伝導性部材６から放熱用部材１５に熱伝導し、受動的に放熱する場合を説明したが、本発明では、ペルチェ素子や冷却ファンの両方又は何れかを用いて能動的に冷却するようにしても良い。
図１５に示す半導体装置５０では、熱伝導性部材６に、ペルチェ素子５１を取り付け、ペルチェ素子５１に放熱用部材１５を取り付け、放熱用部材１５を冷却ファン５２で冷却するようにしている。
ここで用いる熱伝導性部材６は、図７及び図８の場合と同様に、頂面６ａに、ねじ穴２１が一又は複数、ここでは２つ設けられている。
ペルチェ素子５１は、熱伝導性部材６の頂面６ａと略同じ大きさであり、直流の電源５１ａに電気的に接続されており、熱伝導性部材６側の面で吸熱し、放熱用部材１５側の面で放熱する。そして、ペルチェ素子５１は、熱伝導性部材６側の面が頂面６ａに突き合わされ取り付けられる。また、ペルチェ素子５１には、ねじ穴２１，２１に対応して取付孔５１ｂ，５１ｂが厚さ方向に貫通して形成されている。
放熱用部材１５は、上述のように、アルミニウム等の放熱特性に優れた金属材料で形成され、基台部１５ｃの一方の面が平坦に形成され、ペルチェ素子５１の放熱側の面との突き合わせ面２２となっている。基台部１５ｃの他方の側は、複数のフィン１５ｂが形成されている。そして、隣接する２つのフィン１５ｂ，１５ｂの間には、貫通孔２３，２３が熱伝導性部材６のねじ穴２１，２１とペルチェ素子５１の取付孔５１ｂ，５１ｂに対応して形成されている。
放熱用部材１５は、突き合わせ面２２をペルチェ素子５１の放熱側の面に突き合わせ位置合わせされる。この後、放熱用部材１５は、固定部材となるねじ２４，２４を、貫通孔２３，２３及び取付孔５１ｂ，５１ｂに挿通し、ねじ穴２１，２１に締め付けることによって、頂面６ａと突き合わせ面２２とが密着した状態で固定される。
なお、熱伝導性部材６にペルチェ素子５１と放熱用部材１５とを取り付けるに当たっては、図９及び図１０に示すように、ねじ部３１，３１を熱伝導性部材６の頂面６ａに設け、ねじ部３１，３１を貫通孔２３，２３及び取付孔５１ｂ，５１ｂに挿通し、ナット３４，３４をねじ部３１，３１に締め付けるようにしても良い。
更に、放熱用部材１５の下側には、電源５２ａに接続された冷却ファン５２が配設される。これにより、半導体装置５０では、半導体素子２で発生した熱を、熱伝導性部材６を介してペルチェ素子５１で能動的に移動させ、放熱用部材１５に伝えることができ、更に、冷却ファン５２によって効率的に放熱することができる。これにより、半導体素子２の寿命を延ばすことができる。
なお、半導体装置５０では、能動的な冷却装置として、冷却ファン５２を設けず、ペルチェ素子５１のみとしても良く、また、ペルチェ素子５１を設けず、冷却ファン５２のみとしても良い。
また、この半導体装置５０では、図１１や図１４に示したアースコード４１に代えて、プリント配線基板７の内層よりフレキシブル基板部５３を延出するようにしている。このフレキシブル基板部５３は、プリント配線基板７の接地電位と電気的に接続されている。そして、フレキシブル基板部５３の先端部のリジットなパッド５３ａには、ねじ２４が挿通される貫通孔が形成されている。一方、熱伝導性部材６の頂面６ａには、パッド５３ａの逃げとなる切欠部６ｂが形成されている。フレキシブル基板部５３の先端部のパッド５３ａは、図１５に示すように、熱伝導性部材６とペルチェ素子５１との間において、ねじ２４に挿通されて取り付けられる。このような半導体装置５０では、アースコード４１を用いる必要がないことから、構成の簡素化を図ることができる。また、熱伝導性部材６の頂面６ａには、パッド５３ａの厚さに相当した切欠部６ｂが設けられていることから、ペルチェ素子５１の取付面は、切欠部６ｂにパッド５３ａが配設された状態において、略平坦となり、ペルチェ素子５１をがたつくことなく安定した姿勢で取り付けることができる。
なお、熱伝導性部材６とペルチェ素子５１とを重ねる場合、図１６に示すように、熱伝導性部材６とペルチェ素子５１とを重ねた合計の厚さがプリント配線基板７より突出すればよい。なお、図示しないが、パッケージ３への熱伝導性部材６とペルチェ素子５１と放熱用部材１５の取付は、図１５のように、ねじを用いても良いし、熱伝導性接着剤で固定するようにしても良い。これにより、ペルチェ素子５１には、取付凹部１２より大きい放熱用部材１５を取り付けることができる。
また、以上の例では、銅タングステン合金等の熱伝導性に優れる熱伝導性部材６を用いる場合を説明したが、図１７に示すように、このような熱伝導性部材６に代えて、ペルチェ素子５１を用いるようにしても良い。すなわち、パッケージ３の取付凹部１２には、直接ペルチェ素子５１を取り付けるようにしても良い。なお、図示しないが、パッケージ３へのペルチェ素子５１と放熱用部材１５の取付は、ねじを用いても良いし、熱伝導性接着剤で固定するようにしても良い。取付凹部１２にペルチェ素子５１を取り付けた場合、ペルチェ素子５１は、熱伝導性に優れる熱伝導性部材６として機能し、半導体素子２の熱をプリント配線基板７に伝えることなく、放熱用部材１５に伝えることができる。このような半導体装置では、図１５のように、熱伝導性部材６にペルチェ素子５１を重ね合わせた場合より薄型化することができる。
（６．第６の実施形態）
以上の例では、パッケージ３の底面部３ｃに、取付凹部１２を設けて、この取付凹部１２に、熱伝導性部材６を固定した場合を説明したが、更に、図１８乃至図２０に示すように、取付凹部１２を貫通して形成し、半導体素子２を、熱伝導性部材６に直置きするようにしても良い。
具体的に、上述のパッケージ３に代わる半導体装置６０のパッケージ６１は、セラミックやエポキシ樹脂等の電気的絶縁材料で形成されている。パッケージ６１は、例えば略矩形をなし、一方の面に、例えば略矩形の凹部６１ａが形成されている。凹部６１ａを構成する周壁６１ｂには、この周壁６１ｂの内側から外側に延在するように半導体素子２のリード線となる導体部４が設けられている。導体部４は、凹部６１ａの内側に位置する端部４ａが半導体素子２に電気的に接続され、凹部６１ａの外側に位置する端部４ｂがプリント配線基板７の外部回路に電気的に接続される。導体４の凹部６１ａの内側に位置する端部４ａには、ワイヤ９によって、半導体素子２の端子と電気的に接続されている。
また、パッケージ６１の底面部６１ｃには、半導体素子２が取り付けられる熱伝導性部材６２が配設され、この熱伝導性部材６２を配設するための取付開口部６３が形成されている。この取付開口部６３は、周囲に、熱伝導性部材６２を支持する支持段部６３ａが形成されている。
熱伝導性部材６２は、半導体素子２が固定される基台部６２ａと、この基台部６２ａと一体に形成され、放熱用部材１５やペルチェ素子５１が固定される熱伝導部６２ｂとを備える。そして、熱伝導部６２ｂが基台部６２ａより小さく形成され、全体が断面略凸字状に形成されている。基台部６２ａの主面部６２ｄには、半導体素子２の受光面２ａを、パッケージ６１の取付開口部６３の反対側の開口側とするよう取り付けられる。ここで、例えば、半導体素子２は、基台部６２ａの主面に、熱抵抗の小さい接着剤、例えば熱伝導性接着剤６４によって貼り付けられる。
熱伝導性部材６２は、基台部６２ａと熱伝導部６２ｂとの接合部分の周囲に、取付開口部６３の周囲に形成された支持段部６３ａに係合する係合段部６２ｃが形成されている。熱伝導性部材６２は、半導体素子２の受光面２ａを、パッケージ６１の取付開口部６３の反対側の開口側とし、支持段部６３ａを、係合段部６２ｃに係合させ、熱抵抗の小さい接着剤、例えば熱伝導性接着剤６５によって固定される。
ところで、基台部６２ａの半導体素子２が貼り付けられる主面部６２ｄは、半導体素子２より大きい。すると、光の入射側から半導体素子２の周囲の主面部６２ｄが露出してしまい、入射光が主面部６２ｄで乱反射してゴースト等による画質の劣化が生じる虞がある。そこで、基台部６２ａの主面部６２ｄは、絶縁処理及び反射光防止処理６７が施してあり、そこに、熱伝導性接着剤６５を塗布し半導体素子２を接着するようにしている。絶縁処理及び反射光防止処理６７は、絶縁フィルムや反射防止フィルムを貼り付けたり、メッキ処理や蒸着によって行うことができる。
半導体装置６０では、ワイヤボンディングによりワイヤ６６で半導体素子２と導体部４とを電気的に接続した後、凹部６１ａを構成する周壁６１ｂの先端部に形成された段部６１ｄに、光透過板５を接着剤６８で固定し、プリント配線基板７に実装されることになる。
以上のような半導体装置６０では、半導体素子２が熱伝導性部材６２の基台部６２ａに直付けされるので、直接的に半導体素子２で発生した熱を熱伝導性部材６２に伝えることができる。
なお、この半導体装置６０においても、上述したペルチェ素子５１や冷却ファン５２を設けるようにしても良い。また、熱伝導性部材６２に対してねじ止めで放熱用部材１５を取り付けるようにし、更に、アースコード４１を用いて、プリント配線基板７の接地電位に電気的に接続するようにしても良い。更に、半導体素子２の接地電位と熱伝導性部材６２とを接続するようにしても良い。
（７．その他の実施形態）
ここで、第１乃至第６の実施形態で用いたＱＦＰ（Quad Flat Package）型のフラットパッケージであるパッケージ３をプリント配線基板７に実装する場合の熱伝導性部材６の高さについて説明する。なお、図２１（Ａ）では、第１の実施形態で説明した半導体装置１を例に説明する。図２１（Ａ）に示すように、ＱＦＰ（Quad Flat Package）型のフラットパッケージでは、凹部３ａの外側に位置する端部４ｂがパッケージ３の下側に位置するプリント配線基板７のランドと接するように、凹部３ａの内側に位置する端部４ａより下側に位置するように折曲されている。ここで、熱伝導性部材６は、その頂面が凹部３ａの外側に位置する端部４ｂの高さｈ１より下側に突出し、プリント配線基板７の熱伝導性部材６の逃げとなる開口部７ｂ内に位置する。又は、熱伝導性部材６は、プリント配線基板７より下側に突出する高さを有するように形成される。これにより、プリント配線基板７に対して半導体素子２で発生した熱が伝わりにくくし、更に、放熱用部材１５を取り付け易くしている。
本発明は、図２１（Ｂ）に示すように、ＢＧＡ（Ball Grid Array）型の半導体装置７０のように、パッケージ７１の下面に、金属ボールやバンプの端子７２を設け、実装するものであっても良い。この場合、半導体素子２は、パッケージ７１の底面のパッド７１ａにワイヤ７４で電気的に接続される。そして、パッド７１ａが端子７２に電気的に接続されている。そして、パッケージ７１の底面に貼り付けられる熱伝導性部材７３は、金属ボールの端子７２の高さｈ２より下側に突出し、プリント配線基板７の熱伝導性部材６の逃げとなる開口部７ｂ内に位置する。又は、熱伝導性部材７３は、プリント配線基板７より下側に突出する高さを有する。これにより、プリント配線基板７に対して半導体素子２で発生した熱が伝わりにくくし、放熱用部材１５を取り付け易くすることができる。
（８．適用例）
本発明が適用された撮像機能を有する半導体装置１，２０，３０，４０，５０，６０，７０は、撮像機能を有する電子機器に適用することができる。例えば、本発明は、ビデオカメラやスチルカメラの撮像部に用いることができる。また、本発明は、望遠鏡や顕微鏡の撮像部や光学マウスの撮像部、光ディスクドライブの光ピックアップ等にも用いることができる。
１ 半導体装置、１ａ 組立体、２ 半導体素子、２ａ 受光面、３ パッケージ、３ａ 凹部、３ｂ 周壁、３ｃ 底面部、４ 導体部、４ａ 凹部の内側に位置する端部、４ｂ 凹部の外側に位置する端部、５ 光透過板、５ａ 段部、６ 熱伝導性部材、６ａ 頂面、７ プリント配線基板、７ａ パッド、７ｂ 開口部、８ 熱伝導性接着剤、９ ワイヤ、１１ 接着剤、１２ 取付凹部、１３ 熱伝導性接着剤、１４ 外部回路、１５ 放熱用部材、１５ａ 貼付面、１５ｂ フィン、１５ｃ 基台部、１６ 熱伝導性接着剤、２０ 半導体装置、２１ ねじ穴、２２ 突き合わせ面、２３ 貫通孔、２４ ねじ部、３０ 半導体装置、３１ ねじ部、３２ 突き合わせ面、３３ 貫通孔、３４ ナット、４０ 半導体装置、４１ アースコード、４２ ランド、４３ 端子部、４４ スルーホール、４５ ワイヤ、４６ 第１のパッド、４７ 第２のパッド、４８ 切欠部、４９ 溶接、５０ 半導体装置、５１ ペルチェ素子、５１ａ 電源、５１ｂ 取付孔、５２ 冷却ファン、５２ａ 電源、５３ フレキシブル基板部、６０ 半導体装置、６１ パッケージ、６１ａ 凹部、６１ｂ 周壁、６１ｂ 凹部、６１ｃ 底面部、６１ｄ 段部、６２ 熱伝導性部材、６２ａ 基台部、６２ｂ 熱伝導部、６２ｃ 係合段部、６２ｄ 主面部、６３ 取付開口部、６３ａ 支持段部、６４ 熱伝導性接着剤、６５ 熱伝導性接着剤、６６ ワイヤ、６７ 絶縁処理及び反射光防止処理、６８ 接着剤、７０ 半導体装置、７１ パッケージ、７２ 端子、７３ 熱伝導性部材

Claims (5)

  1. 一方の面を受光面とした撮像機能を有する半導体素子と、
    上記半導体素子を、上記受光面を外側にして収納する凹部が設けられたパッケージと、
    上記半導体素子を収納した上記パッケージの凹部を閉塞する光透過板と、
    上記パッケージに設けられ、上記半導体素子と電気的に接続されると共に、外部回路と電気的に接続される導体部と、
    上記半導体素子の他方の面側に突出して設けられる熱伝導性部材と、
    上記外部回路が設けられており、上記半導体素子が上記外部回路と電気的に接続されて実装されると共に、上記熱伝導性部材の逃げとなる開口部が形成されたプリント配線基板と
    を備える半導体装置。
  2. 上記熱伝導性部材には、更に、放熱用部材が上記パッケージとは反対側の面に固定部材によって固定されている
    請求項１記載の半導体装置。
  3. 上記熱伝導性部材は、導電性を有しており、上記プリント配線基板の接地電位と電気的に接続されている
    請求項１記載の半導体装置。
  4. 上記熱伝導性部材は、上記半導体素子の接地電位と電気的に接続されている
    請求項３記載の半導体装置。
  5. 上記放熱用部材には、更に、ペルチェ素子が設けられている
    請求項２乃至請求項４のうち、何れか１項記載の半導体装置。
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