JP2012124305A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップからの発熱による光電変換部の機能障害を防止できる半導体モジュールを提供する。
【解決手段】光電変換領域１１８が形成された第１の半導体チップ１０１と、第１の半導体チップ１０１上における光電変換領域１１８が形成されていない領域に設けられ、第１の半導体チップ１０１と電気的に接続された第２の半導体チップ１０２と、第１の半導体チップ１０１，第２の半導体チップ１０２を収容するとともに、少なくとも光電変換領域１１８と対向する領域が透光性材料で形成されたパッケージ１０３と、第２の半導体チップ１０２とパッケージ１０３を熱的に連結する熱伝導部材１０９と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップがパッケージに収容された半導体モジュールに関する。

従来、半導体モジュールの一例として、固体撮像素子である光半導体素子を、光半導体素子に形成された光電変換部を駆動する半導体素子とともにパッケージに収容したものがある（例えば、特許文献１）。

図８は、特許文献１に記載された半導体モジュールの構成を示す断面図である。
図８に示す半導体モジュールは、凹状のパッケージ９２内に、半導体素子９３，熱伝導性板体９８，光半導体素子９４が順に積層して搭載された構造である。これらの光半導体素子９４および半導体素子９３は、それぞれワイヤ９５Ａ，９５Ｂにより、外部回路と接続するための導体９１に電気的に接続されている。パッケージ９２の上端には、透光性材料からなる光透過性蓋体９６が接着剤９７により固着されている。半導体モジュールに入射した光は光透過性蓋体９６を透過し、光半導体素子９４の光電変換部に入射される。

このように、光半導体素子９４と半導体素子９３を積層させた状態でパッケージ９２に収容することで、実装面積の縮小を図ることができる。また、これらの半導体素子が一つのパッケージ９２に収容されていることで、例えば、デジタルスチルカメラの製造メーカにおいて、半導体モジュールを組み込む際の作業負荷が軽減される。

特開２００７−１９４４４１号公報

しかしながら、特許文献１の構成によると、光半導体素子９４が熱伝導性板体９８の上面に載置されているので、熱伝導性板体９８が精度よく形成されていないために、光半導体素子９４がパッケージ９２の底部に対して水平でなく傾いてしまう恐れがある。ここで、デジタルスチルカメラ等に半導体モジュールを組み込む際には、パッケージ９２を基準にデジタルスチルカメラのレンズの位置合わせが行われる。光半導体素子９４とパッケージ９２の底部とが水平でない場合、光半導体素子９４がレンズの光軸に対して垂直でなくなり、光電変換部とレンズとの距離が焦点距離に一致しなくなる。その結果、画像が歪んだり、ボケたりするといった画質劣化の問題が生じる。

そこで、光半導体素子（以下、第１の半導体チップと記載する。）上に、光電変換部と
電気的に接続された半導体素子（以下、第２の半導体チップと記載する。）を配置する構成を採用することが考えられる。このとき、光透過性蓋体と第１の半導体チップの光電変換部が形成された領域との間の光路が、第２の半導体チップにより遮られることを抑制するため、第２の半導体チップを、第１の半導体チップ上における光電変換部が形成された領域の外に配置する必要がある。さらに、半導体モジュールの小型化を図るためには、第１の半導体チップ上における光電変換部が形成された領域に近接して第２の半導体チップを配置する必要がある。

しかしながら、上記のような構成を採った場合、第２の半導体チップからの発熱により、光電変換部に機能障害が発生する恐れがある。発熱による機能障害とは、例えば、以下のようなものがある。固体撮像素子においては、映像信号の黒レベルを一定にするために、暗電流によるノイズ成分を映像信号から差し引く必要がある。暗電流は光電変換部を構成する半導体の熱雑音に起因するものであり、第２の半導体チップからの発熱により光電変換部が形成された領域内で温度分布が生じた場合には、当該領域内での暗電流の発生量に差が出てしまうこととなる。暗電流によるノイズ成分は、光電変換部が形成された領域全体で一律に映像信号から差し引かれるため、当該領域内で暗電流の発生量に差があると、本来差し引かれるべき量のノイズ成分が差し引かれないこととなる。その結果、画質が劣化するという問題が発生する。

本発明は、上記した課題に鑑み、第１の半導体チップ上に第２の半導体チップを配置する構成を採用した場合でも、第２の半導体チップからの発熱による光電変換部の機能障害を防止できる半導体モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体モジュールは、光電変換部が形成された第１の半導体チップと、前記第１の半導体チップ上における、前記光電変換部が形成されていない領域に設けられ、前記第１の半導体チップと電気的に接続された第２の半導体チップと、前記第１および第２の半導体チップを収容するとともに、少なくとも前記光電変換部と対向する領域が透光性材料で形成されたパッケージと、前記第２の半導体チップと前記パッケージを熱的に連結する熱伝導部材と、を備えることを特徴とする。

上記構成の半導体モジュールによれば、第２の半導体チップとパッケージを熱的に連結する熱伝導部材が設けられているため、第２の半導体チップからの発熱を、熱伝導部材を介してパッケージに放熱することが可能である。このような構成とすることで、第２の半導体チップで発生した熱が光電変換部側へ移動するのを抑制することができる。

したがって、第１の半導体チップ上に第２の半導体チップを配置する構成を採用した場合でも、第２の半導体チップからの発熱による光電変換部の機能障害を防止できる半導体モジュールを提供することができる。

前記熱伝導部材は非透光性を有し、上面視において、前記熱伝導部材が前記第２の半導体チップ全体を覆っていることとしてもよい。
さらに、上面視において、前記熱伝導部材における前記光電変換部と対向する領域に開口が設けられ、前記熱伝導部材の周縁部が当該周縁部の全周にわたって前記パッケージの内壁面と接していることとしてもよい。

第２の半導体チップにアナログの画像電気信号を扱う回路が含まれている場合、第２の半導体チップに特定波長域の光が照射されると、当該回路を構成する半導体で光電変換が行われることによる偽信号が発生する場合がある。しかしながら、上記の構成によれば、非透光性を有する熱伝導部材が第２の半導体チップ全体を覆うように設けられているため、偽信号が発生することを防止することができる。

また、前記熱伝導部材は金属材料からなることとしてもよい。
熱伝導部材として金属材料を用いることで、高い伝導性と非透光性を有する熱伝導部材を構成することができる。

さらに、前記熱伝導部材は、当該熱伝導部材の上面に反射防止処理が施されていることとしてもよい。
このようにすることで、熱伝導部材とパッケージの天井部との間に空間が存在する場合に、熱伝導部材の上面とパッケージの天井面の下面との間で入射光が反射されることにより、反射光が光電変換部に入射することを防止することが可能となる。

本発明に係る半導体モジュールは、光電変換部が形成された第１の半導体チップと、前記第１の半導体チップ上における前記光電変換部が形成されていない領域に設けられ、前記第１の半導体チップと電気的に接続された第２の半導体チップと、前記第１および第２の半導体チップを収容するとともに、少なくとも前記光電変換部と対向する領域が透光性材料で形成されたパッケージと、を備え、前記第２の半導体チップが前記パッケージに接するように設けられており、前記パッケージにおける前記第２の半導体チップと接する領域が、前記パッケージ内に含まれる気体よりも熱伝導率が高い材料で構成されていることとしてもよい。

上記構成の半導体モジュールによれば、第２の半導体チップがパッケージに接するように設けられているため、第２の半導体チップからの発熱をパッケージに放熱することが可能である。したがって、第２の半導体チップで発生した熱が光電変換部側へ移動するのを抑制することができる。

前記パッケージの天井部には、さらに、前記第２の半導体チップに対応する貫通孔が設けられ、前記貫通孔内に前記第２の半導体チップが挿通していることにより、前記貫通孔の内壁面が前記第２の半導体チップの側面と接していることとしてもよい。

さらに、前記パッケージの天井部の下面と前記第２の半導体チップの上面が接していることとしてもよい。
このような構成とすることで、半導体モジュールの薄型化を図ることが可能となる。

前記パッケージの天井部における第２の半導体チップと接する領域は、非透光性を有することとしてもよい。
上記の構成によれば、第２の半導体チップにアナログの画像電気信号を扱う回路が含まれている場合において、該回路を構成する半導体で光電変換が行われることによる偽信号が発生することを防止できる。

第１の実施形態に係る半導体モジュール１００の全体構成を示す図である。 半導体チップに形成された回路の具体例を示すブロック図である。 熱伝導部材とパッケージとの接合方法の変形例を示す断面図である。 （ａ）第１の実施形態の変形例に係る半導体モジュール１００Ｇの全体構成を示す断面図と、（ｂ）同変形例に係る半導体モジュール１００Ｈの全体構成を示す断面図である。 （ａ）第２の実施形態に係る半導体モジュール２００の全体構成を示す断面図と、（ｂ）第２の実施形態の変形例に係る半導体モジュール２００Ａの全体構成を示す断面図と、（ｃ）同変形例に係る半導体モジュール２００Ｂの全体構成を示す断面図である。 （ａ）第２の実施形態の変形例に係る半導体モジュール２００Ｃの全体構成を示す断面図と、（ｂ）同変形例に係る半導体モジュール２００Ｄの全体構成を示す断面図である。 （ａ）第３の実施形態に係る半導体モジュール３００の全体構成を示す断面図と、（ｂ）第３の実施形態の変形例に係る半導体モジュール３００Ａの全体構成を示す断面図である。 従来の半導体モジュールの構成を示す模式断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る半導体モジュール１００の全体構成について、図１（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。

図１（ａ）は、半導体モジュール１００の全体構造を示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線矢視断面図（ＸＺ断面図）、図１（ｃ）は図１（ｂ）に示すＢ−Ｂ線矢視断面図（ＸＹ断面図）である。

半導体モジュール１００は、主な構成として、第１の半導体チップ１０１と、第２の半導体チップ１０２と、パッケージ１０３と、熱伝導部材１０９とを備えている。
〈パッケージ〉
パッケージ１０３は、内部に第１の半導体チップ１０１，第２の半導体チップ１０２を収容するとともに、光電変換部と対向する領域が透光性材料で形成されている。具体的には、図１（ａ），（ｂ）に示すように、パッケージ１０３は、セラミック製の基板部１０５，同じくセラミック製の側壁部１０６，透光性材料で構成された透光性カバー１０４とからなる。側壁部１０６と透光性カバー１０４間の固着には、例えば、接着剤等を用いることができる。

透光性カバー１０４は平板状であり、透光性樹脂または透光性ガラス等で形成されている。この透光性カバー１０４が、パッケージ１０３により規定される開口１１２を塞ぐように、パッケージ１０３の側壁部１０６に接着剤等により固着されている。

図１（ｂ），（ｃ）に示すように、パッケージ１０３の内部には複数の電極パッド１１０が設けられている。また、基板部１０５には複数の外部リード線１１１が設けられており、外部リード線１１１の一部は基板部１０５内に埋設されるとともに、他の部分は基板部１０５の外部に突出している。この電極パッド１１０および外部リード線１１１は、それぞれ基板部１０５内に埋設された配線に接続されている。そして、基板部１０５の上面に第１の半導体チップ１０１が配置されており、さらに第１の半導体チップ１０１の上面に第２の半導体チップ１０２が配置されている。

〈第１の半導体チップ、第２の半導体チップ〉
（外観構成）
第１の半導体チップ１０１は、イメージセンサとして機能する。第１の半導体チップ１０１は、シリコン基板１１４と、シリコン基板１１４上に設けられたレンズ層１１５および複数の電極パッド１１６，１１７とを有している。シリコン基板１１４内の領域１１８には、入射光を受光し光電変換する光電変換部が行列状に複数形成されている。以下、この領域１１８を光電変換領域１１８と称する。レンズ層１１５は、光電変換領域１１８の光電変換部毎に設けられたマイクロレンズからなる層であり、半導体モジュール１００内に入射した光を光電変換領域１１８に導くものである。分かり易くするため、図１（ｂ）では、光電変換領域１１８およびレンズ層１１５の大きさを誇張して示している。なお、第１の半導体チップ１０１と基板部１０５は、例えば、金属ペースト等によりボンディングされている。

また、図１（ｂ）に示すように、透光性カバー１０４を通過した光が第１の半導体チップ１０１の光電変換領域１１８に入射されるように、第１の半導体チップ１０１は、光電変換領域１１８と透光性カバー１０４とが対向するように配置されている。

図１（ｂ）に示すように、電極パッド１１６は、それに対応するパッケージ１０３の電極パッド１１０にワイヤ１１９によりボンディングされている。
第２の半導体チップ１０２は、例えば、第１の半導体チップ１０１に形成された光電変換部を駆動する駆動回路、および第１の半導体チップ１０１からのアナログの画像電気信号をデジタル信号に変換するＡＦＥ（アナログフロントエンド）回路等を含んだ集積回路のチップである。この第２の半導体チップ１０２の下端には複数のバンプ１２１が配設されており、このバンプ１２１を介して、対応する第１の半導体チップ１０１の電極パッド１１７と第２の半導体チップ１０２とが接続されるようにフリップチップボンディングされている。第２の半導体チップ１０２とシリコン基板１１４との隙間には、第２の半導体チップ１０２の集積回路を封止するアンダーフィル材１２２が充填されている。アンダーフィル材１２２は接着力強化剤として用いられており、その材料としては、例えば、液状エポキシ樹脂、樹脂シート、ＡＣＦ等を用いることができる。

（回路構成）
図２は、半導体チップ１０１，１０２に形成された回路の構成の具体例を示す模式ブロック図である。

第１の半導体チップ１０１は、行列状に配置された複数の光電変換部１２３と、光電変換部１２３の列毎に対応して設けられた垂直転送部１２４と、水平転送部１２５と、出力回路部１２６とを備えている。

各光電変換部１２３は、入射光を光電変換して信号電荷を生成する。垂直転送部１２４は、各光電変換部１２３で生成された信号電荷を読み出し、列方向の水平転送部１２５側に転送する。水平転送部１２５は、転送されてきた信号電荷を行方向の出力回路部１２６側に転送する。出力回路部１２６は、転送されてきた信号電荷を電気信号へ変換して第２の半導体チップ１０２に出力する。

第２の半導体チップ１０２の集積回路は、駆動回路１２７と、ＡＦＥ回路１２８と、ＴＧ（タイミングジェネレータ）１２９とで構成されている。
駆動回路１２７は、第１の半導体チップ１０１に形成された光電変換部１２３を駆動するため、ＴＧ１２９で生成されるタイミング信号に基づいて駆動パルスを生成し、生成した駆動パルスを第１の半導体チップ１０１に出力する。なお、ここでの「第１の半導体チップ１０１に形成された光電変換部１２３を駆動する」とは、光電変換部１２３で生成された信号電荷の読み出しから、読み出した信号電荷を垂直転送、水平転送して、出力回路部１２６で出力するまでの一連の動作が行われるよう駆動することを意味している。したがって、駆動回路１２７において生成する駆動パルスには、垂直転送部１２４、水平転送部１２５および出力回路部１２６のそれぞれを駆動する駆動パルスが含まれている。

ＡＦＥ回路１２８は、ＴＧ１２９で生成されるタイミング信号に基づいて、出力回路部１２６から出力されたアナログの画像電気信号を、相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）、自動利得調整（ＡＧＣ：Ａｕｔｏ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）した後、デジタル信号に変換（ＡＤＣ：Ａｎａｌｏｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）する。

〈熱伝導部材〉
図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、パッケージ１０３内における光電変換領域１１８と対向する領域を除く領域には、第２の半導体チップ１０２とパッケージ１０３の双方とを熱的に連結する熱伝導部材１０９が設けられている。熱伝導部材１０９は、第２の半導体チップ１０２からの発熱を、パッケージ１０３へ逃がす機能を果たす。

熱伝導部材１０９は、パッケージ１０３内に含まれる気体よりも熱伝導率が高い材料で構成され、このような材料としては、例えば、アルミニウム，銅，ステンレス等の金属材料、エポキシ樹脂，アクリル樹脂，シリコーン樹脂等の熱伝導性の高い樹脂材料、これらの樹脂材料を布状に形成した熱伝導性シート等が挙げられる。また、熱伝導部材１０９に上記の樹脂材料を用いる場合には、酸化亜鉛，酸化チタン，銀，カーボン，セラミックス等の熱伝導性のフィラーが混合されていることが望ましい。

上記では、熱伝導部材１０９がパッケージ１０３内に含まれる気体よりも熱伝導率が高い材料で構成されているとしたが、より好ましくは、第１の半導体チップ１０１よりも熱伝導率が高い材料で構成されている方が良い。熱伝導部材１０９が第１の半導体チップ１０１よりも熱伝導率が高い材料で構成されている場合には、第２の半導体チップ１０２の放熱は、第１の半導体チップ１０１を介してパッケージ１０３に至る経路よりも、熱伝導部材１０９を介してパッケージ１０３に至る経路による方が支配的になる。したがって、第１の半導体チップ１０１への熱の移動が減少し、第１の半導体チップ１０１はより安定した動作を行うことができる。

第２の半導体チップ１０２とパッケージ１０３とを熱的に連結する熱伝導部材１０９が設けられていることで、第２の半導体チップ１０２からの発熱をパッケージ１０３側へ効率的に放熱することが可能となる。このような構成とすることで、上述したような第２の半導体チップ１０２からの発熱による光電変換領域１１８の機能障害を防止することができる。

半導体モジュール１００の小型化に鑑みると、光電変換領域１１８と第２の半導体チップ１０２間の距離は短いほうが望ましい。この場合、光電変換領域１１８は第２の半導体チップ１０２からの熱の影響をより受けやすくなるため、第２の半導体チップ１０２の発熱をパッケージ１０３側へ放熱させることがより重要となる。

さらに、第２の半導体チップ１０２からの発熱が熱伝導部材１０９を介してパッケージ１０３側へ放熱されることにより、第２の半導体チップ１０２の温度が、自身の動作保証温度を超えるのを抑制することができる。したがって、第２の半導体チップ１０２はより安定した動作を行うことが可能となる。

図１（ｂ）に示すように、熱伝導部材１０９は、その端部が側壁部１０６に設けられた段差１０７に載置されることにより、パッケージ１０３と熱的に接続される。このようにすることで、熱伝導部材１０９の位置合わせを容易に行うことができる。段差１０７と熱伝導部材１０９との密着性をより向上させるために、両者を接着剤で固着することもできる。

また、熱伝導部材１０９を平板状としているため、第２の半導体チップ１０２の上面の高さと段差１０７の上面の高さが異なっている場合であっても、熱伝導部材１０９が撓むことによって、第２の半導体チップ１０２と段差１０７の間を確実に接続することができる。

さらに、図１（ｂ）に示す半導体モジュール１００のように、熱伝導部材１０９と透光性カバー１０４との間に空間が存在する場合には、熱伝導部材１０９の上面に反射防止処理をしておくことが望ましい。このようにすることで、透光性カバー１０４の下面と熱伝導部材１０９の上面との間で入射光が反射されることにより、反射光が光電変換領域１１８に入射することを防止することができる。熱伝導部材１０９の上面に施す反射防止処理としては、例えば、クロムメッキ処理、表面を粗くする、つや消し処理、反射防止用薄膜コーティング処理等が挙げられる。

〈まとめ〉
上記構成の半導体モジュール１００では、第２の半導体チップ１０２とパッケージ１０３を熱的に連結する熱伝導部材１０９が設けられている。このような構成により、第２の半導体チップ１０２からの発熱による光電変換領域１１８の機能障害を防止し、その結果、画質の劣化を抑制することができる。さらに、第２の半導体チップ１０２からの発熱をパッケージ１０３へ逃がすことで、第２の半導体チップ１０２がその動作保証温度を超えることを抑制することができる。

さらに、第２の半導体チップ１０２が、第１の半導体チップ１０１上に配置されているので、両チップが重なっている分、第２の半導体チップ１０２と第１の半導体チップ１０１とが横に並べて配置された場合に比べて、パッケージ１０３を小型化することができる。その結果、半導体モジュール自体を小型化することができる。

また、このようにイメージセンサである第１の半導体チップ１０１と駆動回路１２７およびＡＦＥ回路１２８が形成された第２の半導体チップ１０２とを、パッケージ１０３内に収容したので、例えばデジタルスチルカメラに半導体モジュール１００を組み込む際、別途、駆動回路１２７およびＡＦＥ回路１２８が形成された半導体チップを組み込む必要がなくなり、その分、デジタルスチルカメラの組み込み作業負荷を軽減することができる。

本実施形態では、第１の半導体チップ１０１が高い精度で形成される基板部１０５上に載置されているため、第１の半導体チップ１０１とパッケージ１０３とを精度よく平行に配置することができる。したがって、デジタルスチルカメラ等に半導体モジュール１００を組み込む際、光電変換領域１１８をデジタルスチルカメラ等のレンズの光軸に対して垂直に精度よく配置することができる。結果として、光電変換領域１１８とレンズとの距離が焦点距離に一致しなくなることによる画像の歪み、ボケ等による画質の劣化を抑制することができる。なお、ここでの「平行」とは、完全に平行であるものだけでなく、平行となるように設計されたものであり、製造誤差等により設計値からずれたものも含んでいる。

また、図８に示す構成によれば、光半導体素子９４から出力された信号は、２本のワイヤ９５Ａ，９５Ｂを経由して半導体素子９３に伝送されるので、出力信号の高速な伝送を行うことができないといった問題もある。

一方、本実施形態では、第１の半導体チップ１０１の出力回路部１２６からの出力信号を、電極パッド１１７からバンプ１２１を介して直接的に第２の半導体チップ１０２に伝送することができる。したがって、出力信号の高速な伝送を実現できる。

［第１の実施形態の変形例］
次に、第１の実施形態の変形例について説明する。以下、第１の実施形態と同一の構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。

図３は、熱伝導部材とパッケージとの接合方法の変形例を示すＸＺ断面図である。
図３（ａ）では、熱伝導部材１０９Ａの端部が折り曲げられ、この折り曲げられた部分が接着剤等により側壁部１０６と固着されている。図３（ｂ）では、側壁部１０６にスリット１０８が設けられており、このスリット１０８に熱伝導部材１０９Ｂの端部が嵌合されている。図３（ａ），（ｂ）においては、側壁部に熱伝導部材を載置するための段差を設けない分、図１に示す半導体モジュール１００と比較して、側壁部のＸ方向の厚みを薄くすることができる。

図３（ｃ）においては、熱伝導部材１０９Ｃを二度折り曲げることにより、熱伝導部材１０９Ｃが側壁部１０６および基板部１０５の両方に接するようにしている。この場合、側壁部１０６および基板部１０５が、熱伝導部材１０９Ｃを設ける際のガイドとして機能するため、熱伝導部材１０９Ｃの位置合わせを容易に行うことができる。さらに、熱伝導部材１０９Ｃが、側壁部１０６および基板部１０５の両方に接するようにすることで、熱伝導部材１０９Ｃとパッケージとの接触面積が増え、より効率的に第２の半導体チップからの発熱をパッケージ側へ放熱することができる。熱伝導部材は必ずしも側壁部と基板部の両方に接している必要はなく、図３（ｄ）に示すように、熱伝導部材１０９Ｄが基板部１０５のみに接していることとしてもよい。図３（ｃ），（ｄ）のような接合方法においても、図３（ａ），（ｂ）と同様に、図１に示す半導体モジュール１００と比較して、側壁部のＸ方向の厚みを薄くすることができる。

図１および図３（ａ）〜（ｄ）においては、熱伝導部材が板状である場合を例示したが、熱伝導部材の形状はこれに限定されない。図３（ｅ）に示すように、上述したような熱伝導性に優れる樹脂材料を、第２の半導体チップ，側壁部１０６，基板部１０５に接するように充填することにより、熱伝導部材１０９Ｅを形成することとしてもよい。また、図３（ｆ）に示すように、熱伝導部材１０９Ｆは光電変換領域に達しない範囲で、光電変換領域側へ延設することとしてもよい。このようにすることで、第２の半導体チップからの放熱が光電変換領域側へ流入するのをより抑制することができる。図３（ｅ），（ｆ）のいずれの接合方法も、樹脂材料をパッケージ内に流し込むことで簡易に形成することができるという利点がある。

図４は、第１の実施形態の変形例に係る半導体モジュールの全体構成を示すＸＹ断面図である。なお、図４では、透光性カバーを取り除いた状態の断面図を示している。
図４（ａ）に示す半導体モジュール１００Ｇにおいては、熱伝導部材１０９Ｇが第２の半導体チップ１０２全体を覆うように、すなわち、半導体モジュール１００Ｇを上面視した場合に、熱伝導部材１０９Ｇと第２の半導体チップ１０２全体が重なるように設けられている。また、図４（ｂ）に示す半導体モジュール１００Ｈにおいては、熱伝導部材１０９Ｈの周縁部が当該周縁部の全周にわたってパッケージの側壁部１０６の内壁面と接するように、熱伝導部材１０９Ｈが設けられている。なお、熱伝導部材１０９Ｈにおける光電変換領域１１８と対向する領域には開口が設けられ、光電変換領域１１８への光の入射が妨げられないような構成となっている。図４（ａ），（ｂ）に示すような構成とすることで、熱伝導部材とパッケージの側壁部との接触面積が増え、より効率的に第２の半導体チップからの熱をパッケージ側へ放熱させることが可能である。

図４各図において、熱伝導部材とパッケージとの接合方法として、図１のように側壁部に段差（図４（ａ）においては段差１０７Ｇ、図４（ｂ）においては段差１０７Ｈ）を設け、その段差１０７Ｇ（もしくは段差１０７Ｈ）に熱伝導部材の端部を載置する方法を図示しているが、この方法に限定されず、図３各図に示す接合方法を適宜採用することができる。

また、図４に示す熱伝導部材１０９Ｇ，１０９Ｈは、さらに、非透光性を有する材料から構成されている。このような構成とすることで、第２の半導体チップ１０２に含まれるＡＦＥ回路１２８（図２）に光が入射されることによる誤動作を防止することができる。

具体的に説明すると、ＡＦＥ回路１２８のうち、アナログの画像電気信号を扱う回路を構成する半導体に特定波長域（例えば、可視光波長３８０〜７８０［ｎｍ］）の光が照射されると、当該半導体で光電変換が行われることによる偽信号が発生する場合がある。このような偽信号がアナログの画像電気信号に足し合わされると、ＡＦＥ回路１２８が誤動作するおそれが生じる。また、このような偽信号の発生は、画質の劣化にもつながる。

しかしながら、本変形例においては、熱伝導部材１０９Ｇ，１０９Ｈが非透光性を有する材料で構成されているため、上記のような誤動作ならびに画質劣化の問題が招来しない。図４（ａ）に示すように、最低限、熱伝導部材１０９Ｇが第２の半導体チップ１０２全体を覆うように設けられていれば、上記の効果を得ることができる。さらに、図４（ｂ）に示すように、光電変換領域１１８を除く領域全体を熱伝導部材１０９Ｈが覆うことにより、より確実に第２の半導体チップ１０２を遮光することが可能となる。

なお、図４（ｂ）においては透光性カバーの図示を省略しているが、この場合の透光性カバーの形状としては、図１に示す半導体モジュール１００のように、側壁部１０６の全体を塞ぐ形状とすることもできるし、光電変換領域１１８と対向する領域に設けられた開口のみを塞ぐ形状とすることもできる。

［第２の実施形態］
次に、図５を用いて第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と同一の構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。

図５（ａ）は、本実施形態に係る半導体モジュール２００の全体構成を示す断面図である。図１に示す半導体モジュール１００との相違点は、第２の半導体チップ２０２がパッケージ２０３に直接的に接するように設けられている、より詳しくは、パッケージ２０３における天井部２０９の下面２３０と第２の半導体チップ２０２の上面が接している点である。さらに、パッケージ２０３における第２の半導体チップ２０２と接する天井部２０９が、パッケージ２０３内に含まれる気体よりも熱伝導率が高い材料で構成されており、この天井部２０９が熱伝導部材として機能する。以下、熱伝導部材として機能する天井部を、熱伝導部材２０９と称する。また、熱伝導部材２０９における光電変換領域２１８と対向する領域には開口２１２が形成されており、この開口２１２を塞ぐように透光性カバー２０４が設けられている。熱伝導部材２０９と透光性カバー２０４とは、接着剤２１３により固着されており、第２の半導体チップ２０２と熱伝導部材２０９との間も同様に接着剤等により固着されている。なお、パッケージ２０３を構成する側壁部２０６，基板部２０５は、第１の実施形態と同様にセラミック製である。

半導体モジュール２００の構成によれば、図１（ｂ）に示す半導体モジュール１００と比較して、熱伝導部材１０９と透光性カバー１０４との間隙に相当する厚み分、半導体モジュール２００を薄型化することが可能となる。また、第２の半導体チップ２０２が直接的にパッケージ２０３に接しているため、効率的に第２の半導体チップ２０２からの熱をパッケージ２０３側へ放熱できる。さらに、熱伝導部材２０９がパッケージ２０３を構成しているため、第２の半導体チップ２０２からの熱を、パッケージ２０３外の空気中へ効率的に放熱させることが可能である。

図５（ｂ）は、第２の実施形態の変形例に係る半導体モジュール２００Ａの全体構成を示す断面図である。半導体モジュール２００と相違する点は、側壁部２０６Ａが熱伝導部材２０９と同一材料で形成されている点である。このような構成によれば、半導体モジュール２００と同様に、半導体モジュール２００Ａを薄型化することが可能となる他、熱伝導性の高い材料を側壁部２０６Ａにも適用されていることで、第２の半導体チップ２０２からの熱を、パッケージ外の空気中へより効率的に放熱させることが可能である。

さらに、図５（ａ），（ｂ）に示す熱伝導部材２０９は、さらに、非透光性を有する材料から構成されている。このような構成とすることで、第２の半導体チップ２０２に含まれるＡＦＥ回路に光が入射されることによる誤動作を防止することができる。なお、このような効果を得るためには、熱伝導部材の下面における少なくとも第２の半導体チップの上面と接する領域が非透光性を有していれば良く、熱伝導部材全体が非透光性を有している必要はない。

図５（ｃ）は、第２の実施形態の変形例に係る半導体モジュール２００Ｂの全体構成を示す断面図である。半導体モジュール２００，２００Ａと相違する点は、パッケージの天井部を構成する熱伝導部材２０９Ｂに第２の半導体チップ２０２に対応する貫通孔が設けられ、この貫通孔内に第２の半導体チップ２０２が挿通されている点である。この結果、熱伝導部材２０９Ｂに設けられた貫通孔の内壁面と、第２の半導体チップ２０２の側面と接することとなる。このような構成とすることで、熱伝導部材２０９Ｂの厚み分、半導体モジュール２００Ｂを薄型化することが可能である。また、熱伝導部材２０９Ｂに設けられた貫通孔の内壁面と第２の半導体チップ２０２の側面の間に間隙が存在する場合には、この間隙をグリス、接着剤等で埋めることにより、熱伝導部材２０９Ｂと第２の半導体チップ２０２間の密着性が向上し、より効率的に放熱を行うことができる。

半導体モジュール２００Ｂは、第２の半導体チップ２０２の上面が熱伝導部材２０９Ｂから露出した構成である。したがって、第２の半導体チップ２０２が、ＡＦＥ回路のようなアナログの画像信号を扱う回路を包含しない場合に有効である。

また、特に図示しないが、半導体モジュール２００Ａと同様に、側壁部２０６Ｂを熱伝導部材２０９Ｂと同一材料で形成することもできる。
なお、図５（ａ）に示す半導体モジュール２００の構成の場合、第１の半導体チップ２０１と透光性カバー２０４とを精度よく平行に配置するためには、第２の半導体チップ２０２の上面の高さを、２基の第２の半導体チップ間で等しくすることが必要である。２基の第２の半導体チップ間で上面の高さが異なる場合は、第２の半導体チップ２０２と熱伝導部材２０９との固着に用いる接着剤等の量を調節することにより、第２の半導体チップ間で上面の高さを等しくすることができる。図５（ｂ），（ｃ）における半導体モジュール２００Ａ，２００Ｂに対しても、同様の処理を適用することができる。

図６（ａ）は、第２の実施形態の変形例に係る半導体モジュール２００Ｃの全体構成を示す断面図である。半導体モジュール２００Ｃは、図５（ｃ）に示す半導体モジュール２００Ｂに対する変形例である。半導体モジュール２００Ｂと異なる部分は、透光性カバー２０４Ｃが熱伝導部材２０９Ｃに嵌め込まれている点である。このような構成にすることで、さらなる半導体モジュールの薄型化を図ることができる。さらに、図６（ｂ）に示す半導体モジュール２００Ｄのように、側壁部２０６Ｄを熱伝導部材２０９Ｄと同一材料で形成することもできる。

図６（ａ），（ｂ）において、熱伝導部材に透光性カバーを嵌め込む際、（Ｘ）部に示すように熱伝導部材をテーパ状にしておくことにより、容易に透光性カバーを嵌め込むことが可能となる。

図５（ｃ）に示す半導体モジュール２００Ｂと同様に、半導体モジュール２００Ｃ，２００Ｄは、第２の半導体チップの上面が熱伝導部材から露出した構成である。したがって、半導体モジュール２００Ｃ，２００Ｄは、第２の半導体チップがＡＦＥ回路のようなアナログの画像信号を扱う回路を包含しない場合に適用可能な変形例である。

［第３の実施形態］
次に、図７を用いて第３の実施形態について説明する。以下、第１，第２の実施形態と同一の構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。

図７（ａ）は、本実施形態に係る半導体モジュール３００の全体構成を示す断面図である。図５（ａ）に示す半導体モジュール２００との相違点は、パッケージの天井部が透光性を有する一枚の板状材料で構成されている結果、熱伝導部材として機能する部分３０９および透光性カバーとして機能する部分３０４が同一材料で構成されている点である。以下、熱伝導部材として機能する部分を熱伝導部３０９、透光性カバーとして機能する部分を透光性カバー部３０４と称する。

熱伝導部３０９および透光性カバー部３０４の基部となる透光性部材３３２は、第１，第２の実施形態における透光性カバーと同様の透光性材料で構成されている。透光性部材３３２の上面に、非透光性を有する材料で構成された遮光シート３３１が貼付された部分が熱伝導部３０９となる。光電変換領域３１８と対向する領域における透光性部材３３２には遮光シート３３１が貼付されておらず、この遮光シート３３１が貼付されていない部分が透光性カバー部３０４となる。

第２の半導体チップ３０２からの発熱は、透光性部材３３２を介してパッケージ全体に放熱される。また、半導体モジュール３００を上面視した場合に、第２の半導体チップ３０２と重なるように遮光シート３３１が貼付されているため、第２の半導体チップ３０２に光が入射することはなく、その結果、第２の半導体チップ３０２に含まれるＡＦＥ回路が誤動作することを防止できる。

また、第２の実施形態に係る半導体モジュール２００の場合と同様に、図１（ｂ）に示す半導体モジュール１００と比較して、熱伝導部材１０９と透光性カバー１０４との間隙に相当する厚み分、半導体モジュール３００を薄型化することが可能となる。

図７（ｂ）は、第３の実施形態の変形例に係る半導体モジュール３００Ａの全体構成を示す断面図である。図７（ａ）に示す半導体モジュール３００と相違する点は、透光性部材３３２の下面に遮光シート３３１Ａが貼付されることにより、熱伝導部３０９Ａと透光性カバー部３０４Ａが形成されている点である。このような構成によっても、図７（ａ）に示す半導体モジュール３００と同様の効果を得ることができる。また、本変形例に係る遮光シート３３１Ａは、非透光性に加え、高い熱伝導率を有する材料で構成することが望ましい。このようにすることによって、熱伝導率の高い遮光シート３３１Ａを介して、第２の半導体チップ３０２Ａと透光性部材３３２が熱的に接続されるので、より効率的な放熱を期待することができる。

以上、第１乃至第３の実施形態および変形例について説明したが、本発明はこれらの例に限られない。例えば、下記のような変形例が考えられる。以下、主に第１の実施形態を例に挙げて説明するが、他の実施形態ならびに変形例でも同様に適用できることは言うまでもない。

［その他の変形例］
（１）熱伝導部材１０９のＺ方向の厚みは、透光性カバー１０４と第２の半導体チップ１０２との距離に合わせて適宜調整することが可能であり、とくに限定するものではない。しかしながら、可能な限り厚い方が、熱伝導部材１０９とパッケージ１０３との接触面積を増やすことができ、より効率的に第２の半導体チップ１０２からの発熱をパッケージ１０３へ放熱することが可能である。

（２）第１の実施形態および変形例では、熱伝導部材１０９がパッケージ１０３の側壁部１０６または基板部１０５と接する例を説明したが、本発明はこれに限られず、熱伝導部材１０９がパッケージ１０３の透光性カバー１０４と接するように設けられることとしてもよい。

（３）図１においては、側壁部１０６の熱伝導部材１０９が載置される部分にのみ、段差１０７が設けられていることとしたが、Ｙ方向に延びる側壁部１０６全体に段差が設けられていることとしてもよい。

（４）図１に示す半導体モジュール１００では、基板部１０５が側壁部１０６と同一材料で形成されることとしていたが、これらを別材料で形成することとしてもよい。基板部１０５と側壁部１０６を同一材料で形成した場合には、これらの部分を別々に製造する必要がないので、製造工程を簡略化できるといった効果がある。一方、別材料で形成する場合には、各部分に最も適した材料を使用することが可能となる。後者の場合、基板部１０５と側壁部１０６間の固着には、例えば、接着剤等を用いることができる。

（５）上記実施形態では、第１の半導体チップ上に配置されている第２の半導体チップの個数が２基である例を説明したが、第２の半導体チップの個数はこれに限定されず、第２の半導体チップの個数は１基、または３基以上であってもよい。第２の半導体チップを３基以上載置する場合は、各第２の半導体チップとパッケージに接するように熱伝導部材を設けることで、上記の実施形態等と同様の効果を得ることが可能である。また、第２の半導体チップの個数を１基とする場合には、その分、第１の半導体チップに形成される光電変換領域の面積を拡張することができる。光電変換領域の面積を拡張しない場合には、半導体モジュールのＸ軸方向の大きさを縮小することが可能である。

（６）第２の半導体チップの形状が矩形であるとして説明したが、形状は特に限定されるものではない。さらに、第２の半導体チップの第１の半導体チップへの接続は、例えば金で形成されたバンプによるフリップチップボンディングに限定されず、半田接合等、他の接合方法を採用することも可能である。

（７）上記実施形態では、イメージセンサを備えた半導体モジュールを用いて説明したが、これに限定するものではない。例えば、イメージセンサ以外の光ピックアップ等の受光素子や、ＬＥＤ素子や半導体レーザ素子等の発光素子を備える半導体モジュールにおいても、本発明の構成を適用することができる。発光素子を備える半導体モジュールを例に具体的に説明すると、発光素子が形成されている半導体チップが第１の半導体チップに、発光素子を駆動する駆動回路が形成された半導体チップが第２の半導体チップに、それぞれ相当する。

（８）第１の実施形態では、第２の半導体チップに形成された集積回路に、駆動回路、ＡＦＥ回路およびＴＧが含まれる構成を示したが、これに限定するものではない。例えば、半導体チップに駆動回路のみが形成された構成としてもよく、またはＡＦＥ回路のみが形成された構成とすることができる。また、逆に、上記以外の回路を含めることもできる。

（９）図４，図５（ａ）、（ｂ）においては、第２の半導体チップにＡＦＥ回路が含まれていることを前提として説明した。第２の半導体チップにＡＦＥ回路のようなアナログの画像信号を扱う回路が含まれていない場合には、熱伝導部材に非透光性を持たせる必要はない。

（１０）上記実施形態等では、パッケージの側壁部をセラミック製とする構成を示したが、これ以外でも、例えば、樹脂等によって形成することとしてもよい。
（１１）上記実施形態等では、第１の半導体チップが基板部にワイヤボンディングされた構成を示したが、これに限定されず、例えば、フリップチップボンディング、半田接合等の接合方法を採用することもできる。

（１２）上記実施形態等では、外部リード線をパッケージの側面に配置する例を示したが、これに限定されず、例えば、基板部の裏面にペリフェラル又はエリアに配置することも可能である。また、外部リード線の形状は特に限定されるものではない。

（１３）本発明は上述の実施形態および変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態等に対して当業者が思いつく範囲内の変更を施した様々な構成がとり得る。

本発明は、例えば、小型化が要求される光学半導体モジュールに好適に利用可能である。

１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ、１００Ｇ、１００Ｈ、２００、２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ、３００、３００Ａ 半導体モジュール
１０１、２０１ 第１の半導体チップ
１０２、１０２Ａ、１０２Ｇ、１０２Ｈ、２０２、３０２ 第２の半導体チップ
１０３、２０３、２０３Ａ、 パッケージ基体
１０４、２０４、２０４Ａ、 透光性カバー
１０５、２０５ 基板部
１０６、２０６、２０６Ａ、２０６Ｂ、２０６Ｄ 側壁部
１０７、１０７Ｇ、１０７Ｈ 側壁部の段差
１０８ スリット
１０９、１０９Ａ、１０９Ｂ、１０９Ｃ、１０９Ｄ、１０９Ｅ、１０９Ｆ、１０９Ｇ、１０９Ｈ、２０９、２０９Ｂ、２０９Ｃ、２０９Ｄ 熱伝導部材
１１０ 電極パッド
１１１ 外部リード線
１１２、２１２、 開口
１１４ シリコン基板
１１５ レンズ層
１１６、１１７ 電極パッド
１１８、２１８、３１８ 光電変換領域
１１９ ワイヤ
１２１ バンプ
１２２ アンダーフィル材
１２３ 光電変換部
１２４ 垂直転送部
１２５ 水平転送部
１２６ 出力回路部
１２７ 駆動回路
１２８ ＡＦＥ回路
１２９ ＴＧ
２１３ 接着剤
２３０ 天井部の下面
３０９、３０９Ａ 熱伝導部
３０４、３０４Ａ 透光性カバー部
３３１、３３１Ａ 遮光シート
３３２ 透光性部材
９１ 導体
９２ パッケージ
９２Ａ パッケージの凹部
９３ 半導体素子
９４ 光半導体素子
９５Ａ、９５Ｂ ワイヤ
９６ 光透過性蓋体
９７ 接着剤
９８ 熱伝導性板体

Claims (9)

1. 光電変換部が形成された第１の半導体チップと、
   前記第１の半導体チップ上における、前記光電変換部が形成されていない領域に設けられ、前記第１の半導体チップと電気的に接続された第２の半導体チップと、
   前記第１および第２の半導体チップを収容するとともに、少なくとも前記光電変換部と対向する領域が透光性材料で形成されたパッケージと、
   前記第２の半導体チップと前記パッケージを熱的に連結する熱伝導部材と、を備える
   ことを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記熱伝導部材は非透光性を有し、
   上面視において、前記熱伝導部材が前記第２の半導体チップ全体を覆っている
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 上面視において、前記熱伝導部材における前記光電変換部と対向する領域に開口が設けられ、前記熱伝導部材の周縁部が当該周縁部の全周にわたって前記パッケージの内壁面と接している
   ことを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記熱伝導部材は金属材料からなる
   ことを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
5. 前記熱伝導部材は、当該熱伝導部材の上面に反射防止処理が施されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
6. 光電変換部が形成された第１の半導体チップと、
   前記第１の半導体チップ上における、前記光電変換部が形成されていない領域に設けられ、前記第１の半導体チップと電気的に接続された第２の半導体チップと、
   前記第１および第２の半導体チップを収容するとともに、少なくとも前記光電変換部と対向する領域が透光性材料で形成されたパッケージと、を備え、
   前記第２の半導体チップが前記パッケージに接するように設けられている
   ことを特徴とする半導体モジュール。
7. 前記パッケージの天井部には、さらに、前記第２の半導体チップに対応する貫通孔が設けられ、
   前記貫通孔内に前記第２の半導体チップが挿通していることにより、前記貫通孔の内壁面が前記第２の半導体チップの側面と接している
   ことを特徴とする請求項６に記載の半導体モジュール。
8. 前記パッケージの天井部の下面と前記第２の半導体チップの上面が接している
   ことを特徴とする請求項６に記載の半導体モジュール。
9. 前記パッケージの天井部における第２の半導体チップと接する領域は、非透光性を有する
   ことを特徴とする請求項８に記載の半導体モジュール。

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