JP2013120851A - センサユニット及び固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体チップからの発熱の固体撮像素子への影響を低減できるセンサユニット及び固体撮像装置を提供する。
【解決手段】センサユニット2Aは、金属製のベース部材20Aと、固体撮像素子30と、アンプチップ40とを備える。ベース部材20Aは、第一載置面21a及び第二載置面21bとを有する。固体撮像素子30は、受光面32を有し、裏面33と第一載置面21aとが互いに対向するように第一載置面21a上に配置されている。アンプチップ40は、第二載置面21b上に配置された基板50上に実装されている。ベース部材20Aは、固体撮像素子30の側面と対向する側壁部25を更に有する。アンプチップ40と固体撮像素子30とは、ボンディングワイヤ92を介して互いに電気的に接続されている。アンプチップ40は、基板50のサーマルビア53を介してベース部材20Aと熱的に結合されている。
【選択図】図2

Description

本発明は、センサユニット及び固体撮像装置に関するものである。
特許文献1には、X線検出装置が記載されている。このX線検出装置は、アモルファスシリコンを構成材料とするセンサ基板と、シフトレジスタ及び検出用集積回路が実装されたフレキシブル回路基板とを備えている。センサ基板上には、X線を可視光に変換するための蛍光体(CsI)が設けられている。
特開2005−326403号公報
複数行及び複数列にわたって画素が二次元状に配置された受光面を有する固体撮像素子では、各列の画素から転送された信号(電荷)を増幅して順次出力する為に、積分回路や電圧保持回路が設けられる。これらの回路は、一枚の基板上に受光面と並んで形成される場合のほかに、該基板とは別の半導体チップに形成される場合がある。
例えば、医療用X線撮像システムの用途等において、大面積のガラス基板上に、多結晶シリコンが堆積されて成る薄膜トランジスタや、アモルファスシリコンが堆積されて成るフォトダイオードを備えることにより、単結晶シリコンウェハから作製される従来の固体撮像素子と比較して格段に広い受光面積(例えば一辺30cm〜40cm程度)を有する固体撮像素子が開発されている。例えばそのような構成を備える固体撮像素子では、積分回路や電圧保持回路をガラス基板上に多結晶シリコンで形成するよりも、これらの回路をCMOS型の半導体チップに形成し、この半導体チップと固体撮像素子とをボンディングワイヤ等で接続する方が動作速度の点で好ましい場合がある。
図17は、そのような方式を備えるセンサユニットの例を示す断面図である。このセンサユニット100は、複数の画素を有する固体撮像素子101と、積分回路や電圧保持回路を内蔵する半導体チップ102とを備えている。固体撮像素子101と半導体チップ102とは、一枚の配線基板(ガラスエポキシ基板)107の表面上に実装(ダイボンディング)されており、ボンディングワイヤ106によって互いに電気的に接続されている。固体撮像素子101の受光面上にはシンチレータ103が配置され、X線等の放射線が可視光に変換されて固体撮像素子101の受光面に入射する。なお、センサユニット100は、固体撮像素子101及び半導体チップ102を収容する筐体(不図示)を更に備えてもよい。筐体には、センサユニット100に到達した放射線を固体撮像素子101に向けて透過する窓材が設けられる。また、配線基板107の裏面側には、鉄製のベース基板108および制御基板109が配置される。
しかしながら、図17に示された構成では、次の問題が生じる。積分回路や電圧保持回路を内蔵する半導体チップ102では、固体撮像素子101と比較して発熱量が大きくなる。そして、センサユニット100のように、固体撮像素子101と半導体チップ102とが共通の配線基板107上に実装される構造では、半導体チップ102において生じた熱が、配線基板107を介して固体撮像素子101の付近に到達し易い。その結果、各画素を構成するフォトダイオードの暗電流が増大し、また、シンチレータ103の機能を低下させるおそれがある。特に、大面積のガラス基板上にシリコンが堆積されて成る固体撮像素子では、画素数が格段に多く、半導体チップの個数も多くなるので、半導体チップの発熱量も大きくなり、上記の問題点が顕著となる。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、半導体チップからの発熱の固体撮像素子への影響を低減できるセンサユニット及び固体撮像装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明によるセンサユニットは、主面及び裏面を有する金属製の部材であって、第一載置領域と、裏面を基準とする高さが第一載置領域よりも低い第二載置領域とが主面に形成されたベース部材と、受光面と、該受光面の反対側に位置する裏面とを有し、該裏面と第一載置領域とが互いに対向するように第一載置領域上に配置された固体撮像素子と、ベース部材の第二載置領域上に配置された配線基板上に実装され、固体撮像素子から出力される信号を増幅して出力する信号読出用半導体チップとを備え、ベース部材は、固体撮像素子の側面と対向する側壁部を更に有しており、信号読出用半導体チップと固体撮像素子とは、ボンディングワイヤを介して互いに電気的に接続されており、配線基板がサーマルビアを有しており、信号読出用半導体チップがサーマルビアを介してベース部材と熱的に結合されていることを特徴とする。
このセンサユニットでは、金属製のベース部材の或る面(第一載置領域)上に固体撮像素子が配置されており、信号読出用半導体チップは、金属製のベース部材の別の面(第二載置領域)上において、配線基板上に実装されている。このように、熱伝導性が高い金属製のベース部材上の各載置領域上に固体撮像素子及び信号読出用半導体チップがそれぞれ配置されることにより、信号読出用半導体チップにおいて生じた熱が効果的に拡散され、固体撮像素子へ到達しにくくなるので、半導体チップからの発熱による固体撮像素子への影響を効果的に低減することができる。更に、このセンサユニットでは、配線基板がサーマルビアを有しており、信号読出用半導体チップがサーマルビアを介してベース部材と熱的に結合されている。このような構成により、信号読出用半導体チップの熱をベース部材へ更に効率良く伝えることができ、ベース部材における熱拡散を促進することができる。
また、上記センサユニットでは、ベース部材が、固体撮像素子の側面と対向する側壁部を有している。これにより、ベース部材上における固体撮像素子の位置決めが容易となるので、固体撮像素子と信号読出用半導体チップとのワイヤボンディングの精度を容易に高めることができる。
また、上記センサユニットでは、ベース部材の裏面を基準とする第二載置領域の高さが、第一載置領域の高さよりも低くなっている。これにより、配線基板上に実装される信号読出用半導体チップの上面高さと、固体撮像素子の上面高さとの差を小さくして、ワイヤボンディングを好適に行うことができる。
また、センサユニットは、ベース部材が、第一載置領域と第二載置領域との間に形成され、主面から裏面にわたってベース部材を貫通する孔を更に有することを特徴としてもよい。このような孔がベース部材に形成されていることによって、第一載置領域と第二載置領域との間の熱伝導を遮断することができるので、半導体チップからの発熱による固体撮像素子への影響を更に効果的に低減することができる。
また、センサユニットは、固体撮像素子上に配置され、放射線の入射強度に応じた強度の光を受光面へ出力するシンチレータを更に備えることを特徴としてもよい。上記センサユニットでは、固体撮像素子の裏面と第一載置領域とが互いに対向するように、固体撮像素子が第一載置領域上に配置されている。したがって、シンチレータに入射する放射線の一部が、固体撮像素子を透過して第一載置領域に達する場合がある。このような場合であっても、上記センサユニットではベース部材が金属製であるため、放射線がベース部材を透過することを防ぐことができる。これにより、例えばベース部材の裏面側に制御基板等が配置される場合であっても、該制御基板等を放射線から十分に保護することができる。
また、センサユニットは、ベース部材が、第一載置領域を底面とし且つ側壁部を側面として形成された第一凹部と、第二載置領域を底面として形成された第二凹部とを有することを特徴としてもよい。これにより、第一載置領域及び第二載置領域以外の領域においてベース部材の厚さを十分に確保できるので、ベース部材による放射線遮蔽効果を更に高めることができる。また、固体撮像素子が第一凹部に嵌め込まれることにより、受光面の位置決めを容易に且つ精度良く行うことができる。
また、センサユニットは、ベース部材の裏面と第二載置領域との間隔が第二凹部の深さよりも大きいことを特徴としてもよい。これにより、第一載置領域及び第二載置領域においてもベース部材の厚さを十分に確保できるので、ベース部材による放射線遮蔽効果を更に高めることができる。
また、センサユニットは、固体撮像素子が、受光面への入射光の波長に対して透明な基板を有しており、固体撮像素子の側面と側壁部とが互いに接着されることにより固体撮像素子がベース部材に固定されていることを特徴としてもよい。これにより、固体撮像素子の裏面とベース部材の第一載置領域との間における接着剤の配置を省略することができるので、接着剤が受光面へ映り込むことを回避できる。
また、センサユニットは、固体撮像素子が、受光面への入射光の波長に対して透明な基板を有しており、固体撮像素子の裏面上に遮光膜が設けられていることを特徴としてもよい。これにより、固体撮像素子とベース部材との間に配置されたものが受光面へ映り込むことを効果的に防止できるので、例えば固体撮像素子とベース部材との間に接着剤を配置して、固体撮像素子をベース部材に更に強固に固定することができる。
また、本発明による固体撮像装置は、上記した何れかのセンサユニットと、ベース部材、固体撮像素子、及び信号読出用半導体チップを収容する筐体と、筐体内においてベース部材の裏面を支持するとともに、ベース部材と筐体とを互いに熱的に結合する支持部材とを備えることを特徴とする。この固体撮像装置によれば、信号読出用半導体チップにおいて発生した熱をベース部材から筐体へ効率良く逃がすことができるので、固体撮像素子への影響を更に効果的に低減することができる。
また、固体撮像装置は、第二載置領域の裏側に相当するベース部材の裏面内の領域において支持部材が占める面積割合が、第一載置領域の裏側に相当するベース部材の裏面内の領域において支持部材が占める面積割合よりも大きいことを特徴としてもよい。これにより、信号読出用半導体チップにおいて発生した熱をベース部材から筐体へ更に効率良く逃がすことができる。
本発明によるセンサユニット及び固体撮像装置によれば、半導体チップからの発熱の固体撮像素子への影響を低減できる。
本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の平面図である。 図1に示された固体撮像装置のII−II線に沿った断面を示す図である。 図1に示された固体撮像装置のIII−III線に沿った断面を示す図である。 ベース部材の全体形状を示す斜視図である。 固体撮像素子及びアンプチップを示す平面図である。 固体撮像素子の一部を拡大した平面図である。 図6のVII−VII線に沿った断面を示す側断面図である。 固体撮像素子及びアンプチップの内部構成を示す図である。 ベース部材の裏面を示す図である。 第1変形例に係るセンサユニットの構成を示す断面図であって、図2に相当する断面を示している。 第2変形例に係るセンサユニットの構成を示す断面図であって、図2に相当する断面を示している。 第2変形例に係るセンサユニットの構成を示す断面図であって、図3に相当する断面を示している。 第2変形例に係るセンサユニットが備えるベース部材の全体形状を示す斜視図である。 第3変形例として、ベース部材の様々な形状を示す斜視図である。 第3変形例として、ベース部材の様々な形状を示す斜視図である。 第3変形例として、ベース部材の様々な形状を示す斜視図である。 センサユニットの構成例を示す断面図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明によるセンサユニット及び固体撮像装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図1は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置1Aの平面図である。図2は、図1に示された固体撮像装置1AのII−II線に沿った断面を示す図であり、図3は、図1に示された固体撮像装置1AのIII−III線に沿った断面を示す図である。なお、理解の容易の為に、図1〜図3にはXYZ直交座標系が示されている。
図1〜図3に示されるように、本実施形態の固体撮像装置1Aは、筐体10、ベース部材20A、固体撮像素子30、アンプチップ40、チップ搭載基板50、制御基板55、及びシンチレータ56を備える。筐体10は、XY平面に沿って延びる天板11及び底板12、並びにZ軸に沿って延びる側板13を有する略直方体状の中空容器であり、ベース部材20A、固体撮像素子30、アンプチップ40、チップ搭載基板50、制御基板55、及びシンチレータ56を収容する。筐体10は、固体撮像装置1Aの検出対象である放射線(例えばX線)を遮る材料、例えば鉄等によって構成される。筐体10の天板11には、固体撮像装置1Aに到達した放射線を筐体10の内部へ透過するための窓材14が嵌め込まれている。窓材14は、Z軸方向から入射した放射線を透過するカーボンファイバやアルミニウム等からなる。
ベース部材20A、固体撮像素子30、アンプチップ40、チップ搭載基板50、制御基板55、及びシンチレータ56は、本実施形態におけるセンサユニット2Aを構成する。ベース部材20Aは、固体撮像素子30、アンプチップ40、チップ搭載基板50、制御基板55、及びシンチレータ56を支持する部材である。図4は、ベース部材20Aの全体形状を示す斜視図である。ベース部材20Aは、例えば鉄、アルミニウム、ステンレス、タングステン合金、銅タングステンといった金属から成り、平面形状が略長方形の板状部材であって、XY平面に沿った主面21及び裏面22、並びにZ軸に沿った側面23を有する。主面21には、第一載置領域としての第一載置面21a、及び第二載置領域としての第二載置面21bが、X軸方向に並んで形成されている。第一載置面21a及び第二載置面21bは、ベース部材20Aの厚さ方向と交差する所定平面(本実施形態ではXY平面)に沿って延びている。第一載置面21aと第二載置面21bとの間には段差が形成されており、平坦な裏面22を基準とする第二載置面21bの高さH2(すなわち、第二載置面21bにおけるベース部材20Aの厚さ)は、裏面22を基準とする第一載置面21aの高さH1(第一載置面21aにおけるベース部材20Aの厚さ)よりも低い(薄い)。換言すれば、第二載置面21bは、第一載置面21aを含む仮想平面に対して、裏面22側に位置している。
ベース部材20Aは、第一載置面21aと第二載置面21bとの間に形成されたスリット(孔)24を更に有する。スリット24は、主面21から裏面22にわたってベース部材20Aを貫通している。本実施形態では、ベース部材20Aに複数のスリット24が形成されており、これら複数のスリット24は、第一載置面21aと第二載置面21bとの境界に沿った方向に並んでおり、且つ該方向を長手方向としてそれぞれ形成されている。
ベース部材20Aは、側壁部25を更に有する。側壁部25は、第一載置面21aからZ軸方向に突出して形成されており、第一載置面21aの周囲に配置されている。側壁部25は、第一載置面21a上に搭載される固体撮像素子30(後述)の側面と対向する。図4に示された形態では、一対の側壁部25が、第一載置面21a及び第二載置面21bの並び方向(X軸方向)と交差する方向(すなわちY軸方向)に並んで形成されており、これらの側壁部25の間には第一載置面21aが配置されている。
図2及び図3に示されるように、ベース部材20Aは、筐体10の底板12上において、支持部材93によってその裏面22が支持されている。支持部材93は、例えば鉄、アルミニウム、ステンレス、タングステン合金、銅タングステンといった材料から成る。また、支持部材93は、図3に示されるように例えば複数の柱状の部材から成ってもよい。ベース部材20Aは、この支持部材93によって、筐体10の底板12と熱的に結合されている。なお、支持部材93は、ベース部材20Aと一体として形成されていてもよい。また、支持部材93は、少なくとも第二載置面21b及びその周辺領域の裏側に設けられることが望ましい。
固体撮像素子30は、平面形状が長方形である板状の素子であり、基板31と、上記所定平面(XY平面)に沿って基板31上に形成された受光面32と、該受光面32の反対側に位置する裏面33とを有する。固体撮像素子30は、裏面33と第一載置面21aとが互いに対向するように、第一載置面21a上に配置されている。また、受光面32上にはシンチレータ56が配置されている。シンチレータ56は、筐体10の窓材14から入射した放射線を受け、該放射線の入射強度に応じた強度の可視域のシンチレーション光を受光面32へ出力する。
基板31は、例えばガラス基板によって好適に構成され、受光面32への入射光(本実施形態では、シンチレータ56からのシンチレーション光)の波長に対して透明である。そして、本実施形態では、図3に示されるように、基板31の一部の側面31aと、対向する側壁部25とが接着剤91を介して互いに接着されることにより、固体撮像素子30がベース部材20Aに固定されている。なお、基板31の裏面33と第一載置面21aとの間には、受光面32への映り込みを防ぐため、接着剤その他のものが何ら設けられていない。
アンプチップ40は、本実施形態における信号読出用半導体チップであって、例えばC−MOS型ICチップによって構成される。アンプチップ40と固体撮像素子30とは、ボンディングワイヤ92を介して互いに電気的に接続されている。アンプチップ40は、固体撮像素子30から出力される信号(電荷)を電圧信号に変換するとともに増幅し、この電圧信号を固体撮像装置1Aの外部へ出力する。
また、アンプチップ40は、ベース部材20Aの第二載置面21b上に配置されたチップ搭載基板(配線基板)50上に実装される。具体的には、チップ搭載基板50は例えばガラスエポキシ基板であり、裏面側に配置されたコネクタ51を介して第二載置面21b上に支持されている。そして、チップ搭載基板50の表面上にアンプチップ40が実装されており、アンプチップ40とチップ搭載基板50とは、ボンディングワイヤ96を介して互いに電気的に接続されている。コネクタ51はベース部材20Aの主面21側から裏面22側にわたってベース部材20Aを貫通しており、アンプチップ40は、コネクタ51を介して制御基板55と電気的に接続される。制御基板55は、アンプチップ40や固体撮像素子30の動作の制御、及びこれらへの電源の供給を行うための回路を含む。
また、図2に示されるように、チップ搭載基板50は、サーマルビア53を有している。サーマルビア53は、チップ搭載基板50の厚さ方向に形成された貫通孔に、チップ搭載基板50と比較して熱伝導率が極めて高い材料(例えば金属)が埋め込まれて構成される。そして、サーマルビア53と第二載置面21bとの間には熱導電性樹脂54が設けられ、アンプチップ40は、サーマルビア53及び熱導電性樹脂54を介してベース部材20Aと熱的に結合されている。
なお、本実施形態では、ベース部材20Aの主面21上に、金属製の枠体15が設けられている。枠体15は、主面21上に配置された固体撮像素子30及びアンプチップ40を覆い、これらを保護する。枠体15のうち、筐体10の窓材14と固体撮像素子30の受光面32との間に位置する部分には、窓材16が嵌め込まれている。窓材16は、窓材14から入射した放射線を受光面32へ透過するカーボンファイバやアルミニウム等からなる。固体撮像素子30及びアンプチップ40がこのような枠体15により覆われることによって、固体撮像装置1Aの組み立ての際に固体撮像素子30及びアンプチップ40を有効に保護することができ、また、固体撮像素子30のうち受光面32を除く部分及びアンプチップ40を、放射線や電磁波から遮蔽することができる。
ここで、固体撮像素子30及びアンプチップ40の詳細な構成について説明する。本実施形態の固体撮像装置1Aは、例えば医療用X線撮像システムに用いられ、特に歯科医療におけるパノラマ撮影、セファロ撮影、CT撮影といった撮像モードによって、被検者の顎部のX線像を撮像するシステムに好適である。このため、本実施形態の固体撮像素子30は、大面積のガラス基板上に多結晶シリコンが堆積されて成る薄膜トランジスタや、アモルファスシリコンが堆積されて成るフォトダイオードを備えており、単結晶シリコンウェハから作製される従来の固体撮像素子と比較して、格段に広い受光面積(例えば一辺30cm〜40cm程度)を有する。図5〜図7は、本実施形態における固体撮像素子30及びアンプチップ40の構成を示す図である。図5は固体撮像素子30及びアンプチップ40を示す平面図であり、図6は固体撮像素子30の一部を拡大した平面図である。さらに、図7は、図6のVII−VII線に沿った断面を示す側断面図である。なお、図5〜図7には、理解を容易にするためXYZ直交座標系を併せて示している。
図5に示されるように、固体撮像素子30は、ガラス基板31と、ガラス基板31の主面上に作製された受光面32と、垂直シフトレジスタ34とを備えている。垂直シフトレジスタ34は、受光面32に隣接して配置されている。
受光面32は、M×N個の画素がM行N列に2次元配列されることにより構成されている。図6に示される画素Pm,nは、第m行第n列に位置する画素である。ここで、mは1以上M以下の各整数であり、nは1以上N以下の各整数である。なお、図6において、列方向はX軸方向と一致し、行方向はY軸方向と一致する。受光面32に含まれる複数の画素P1,1〜PM,Nそれぞれは、フォトダイオードPDおよび読出用スイッチSWを備えている。読出用スイッチSWの一端(一方の電流端子)は、フォトダイオードPDに接続されている。また、読出用スイッチSWの他端(他方の電流端子)は、対応する読出用配線(例えば画素Pm,nの場合、第n列読出用配線LO,n)に接続されている。読出用スイッチSWの制御端子は、対応する行選択用配線(例えば画素Pm,nの場合、第m行選択用配線LV,m)に接続されている。
図7に示されるように、ガラス基板31上の全面には、シリコン膜35が設けられている。そして、フォトダイオードPD、読出用スイッチSW、および第n列読出用配線LO,nは、このシリコン膜35の表面に形成されている。フォトダイオードPD、読出用スイッチSW、及び第n列読出用配線LO,nは絶縁層36によって覆われており、絶縁層36の上にはシンチレータ56がガラス基板31の全面を覆うように設けられている。フォトダイオードPDは、例えば、アモルファスシリコンを含んで構成されている。
本実施形態のフォトダイオードPDは、n型多結晶シリコンからなるn型半導体層61と、n型半導体層61上に設けられたi型アモルファスシリコンからなるi型半導体層62と、i型半導体層62上に設けられたp型アモルファスシリコンからなるp型半導体層63とを有する。また、読出用スイッチSWは、多結晶シリコンにより形成された薄膜トランジスタ(TFT;Thin Film Transistor)であり、電界効果トランジスタ(FET)としての構成を有する。すなわち、読出用スイッチSWは、チャネル領域64と、チャネル領域64の一方の側面に沿って配置されたソース領域65と、チャネル領域64の他方の側面に沿って配置されたドレイン領域66と、チャネル領域64上に形成されたゲート絶縁膜67及びゲート電極68とを有する。第n列読出用配線LO,nは、金属から成る。シンチレータ56は、入射した放射線に応じてシンチレーション光を発生して放射線像を光像へと変換し、この光像を受光面32へ出力する。
読出用スイッチSWを構成する多結晶シリコンは、低温多結晶シリコンであると尚よい。低温多結晶シリコンは100〜600℃のプロセス温度で形成される多結晶シリコンである。100〜600℃のプロセス温度の範囲は、無アルカリガラスを基板として使える温度範囲であることから、ガラス基板上に大面積の受光面32を製造することが可能となる。無アルカリガラスは例えば0.3〜1.2mmの厚さを有する板状ガラスであり、いわゆるサブストレート用ガラスとして用いられるものである。この無アルカリガラスは、アルカリ分を殆ど含まず、低膨張率、高耐熱性を有し、安定した特性を有している。また、低温多結晶シリコン系デバイスの移動度は10〜600cm/Vsであり、アモルファスシリコンの移動度(0.3〜1.0cm/Vs)よりも大きくすることができる。すなわち、オン抵抗を低くすることが可能である。
なお、本実施形態において、フォトダイオードPDのn型半導体層61、読出用スイッチSWのチャネル領域64、ソース領域65、及びドレイン領域66は、アモルファスシリコンにより構成されてもよい。そのような場合であっても、本実施形態のセンサユニット2Aによる作用効果(後述)を好適に奏することができる。
図7に示されるような画素Pm,nは、例えば、次のような工程によって製造される。まず、ガラス基板31上にアモルファスシリコンを製膜する。製膜方法としては、例えばプラズマCVDが好適である。次に、エキシマレーザアニールによりレーザビームをアモルファスシリコン膜に順次照射してアモルファスシリコン膜の全面を多結晶シリコン化する。こうして、シリコン膜35が形成される。続いて、多結晶シリコン層であるシリコン膜35の一部の領域上に、ゲート絶縁膜67としてのSiO膜を形成したのち、その上にゲート電極68を形成する。続いて、ソース領域65およびドレイン領域66となるべき領域にイオンを注入する。その後、シリコン膜35のパターニングを実施し、露光およびエッチングを繰り返し実施して、他の電極やコンタクトホール等を形成する。また、シリコン膜35における画素Pm,nとなるべき領域にイオンを注入してn型としたのち、その上に、i型およびp型のアモルファスシリコン層(すなわちi型半導体層62及びp型半導体層63)を順に積層してPIN型フォトダイオードPDを形成する。その後、絶縁層36となるパシベーション膜を形成する。
図5に示されるように、固体撮像装置1Aは複数のアンプチップ40を備えており、複数のアンプチップ40は、一つの信号接続部41を構成している。信号接続部41は、受光面32の各画素P1,1〜Pm,nから出力された電荷の量に応じた電圧値を保持し、その保持した電圧値を各行毎に逐次的に出力する。
図8は、固体撮像素子30及びアンプチップ40の内部構成を示す図である。前述したように、受光面32は、M×N個の画素P1,1〜PM,NがM行N列に2次元配列されて成る。M本の行選択用配線LV,1〜LV,Mの各々は、第1列から第N列にわたって延びる単一の配線によってそれぞれ構成されている。第m行のN個の画素Pm,1〜Pm,Nは、第m行選択用配線LV,mを介して垂直シフトレジスタ34に接続されている。なお、図8に示されるように、垂直シフトレジスタ34は第m行選択用配線LV,mの一端に接続されている。
信号接続部41(すなわち複数のアンプチップ40)は、各列毎に設けられたN個の積分回路S〜S及びN個の保持回路H〜Hを有している。積分回路S〜S及び保持回路H〜Hは、各列毎に互いに直列に接続されている。各積分回路S〜Sは共通の構成を有している。また、各保持回路H〜Hは共通の構成を有している。M個の画素P1,n〜Pm,nそれぞれの出力端は、第n列読出用配線LO,nを介して、信号接続部41の積分回路Sの入力端に接続されている。
積分回路S〜Sは、列読出用配線LO,1〜LO,nに接続された入力端をそれぞれ有し、この入力端に入力された電荷を蓄積して、その蓄積電荷量に応じた電圧値を出力端から保持回路H〜Hへ出力する。積分回路S〜Sは、共通のリセット用配線Lを介して制御部37に接続されている。保持回路H〜Hは、積分回路S〜Sの出力端に接続された入力端をそれぞれ有し、この入力端に入力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力端から電圧出力用配線Loutへ出力する。保持回路H〜Hは、共通の保持用配線Lを介して制御部37に接続されている。また、保持回路H〜Hそれぞれは、第1列選択用配線LS,1〜第N列選択用配線LS,Nそれぞれを介して水平シフトレジスタ38に接続されている。
垂直シフトレジスタ34は、第m行選択制御信号Vsel(m)を第m行選択用配線LV,mに出力して、第m行のN個の画素Pm,1〜Pm,nそれぞれにこの第m行選択制御信号Vsel(m)を提供する。垂直シフトレジスタ34において、M個の行選択制御信号Vsel(1)〜Vsel(M)は順次に有意値とされる。また、水平シフトレジスタ38は、列選択制御信号Hshift(1)〜Hshift(N)を列選択用配線LS,1〜LS,Nへ出力して、これらの列選択制御信号Hshift(1)〜Hshift(N)を保持回路H〜Hに与える。列選択制御信号Hshift(1)〜Hshift(N)も順次に有意値とされる。
また、制御部37は、リセット制御信号Resetをリセット用配線Lへ出力して、このリセット制御信号ResetをN個の積分回路S〜Sそれぞれに与える。制御部37は、保持制御信号Holdを保持用配線Lへ出力して、この保持制御信号HoldをN個の保持回路H〜Hそれぞれに与える。
以上の構成を備える本実施形態の固体撮像装置1A及びセンサユニット2Aによって得られる効果について説明する。本実施形態の固体撮像装置1A及びセンサユニット2Aでは、金属製のベース部材20Aの或る面(第一載置面21a)上に固体撮像素子30が配置されており、アンプチップ40は、金属製のベース部材20Aの別の面(第二載置面21b)上において、チップ搭載基板50上に実装されている。このように、熱伝導性が高い金属製のベース部材20A上の各載置面21a,21b上に固体撮像素子30及びアンプチップ40がそれぞれ配置されることにより、アンプチップ40において生じた熱が効果的に拡散され、固体撮像素子30へ到達しにくくなるので、アンプチップ40からの発熱による固体撮像素子30への影響を効果的に低減することができる。更に、このセンサユニット2Aでは、チップ搭載基板50がサーマルビア53を有しており、アンプチップ40がサーマルビア53を介してベース部材20Aと熱的に結合されている。このような構成により、アンプチップ40の熱をベース部材20Aへ更に効率良く伝えることができ、ベース部材20Aにおける熱拡散を促進することができる。
また、固体撮像装置1A及びセンサユニット2Aでは、ベース部材20Aが、固体撮像素子30の側面と対向する側壁部25を有している。これにより、ベース部材20A上における固体撮像素子30の位置決めが容易となるので、固体撮像素子30とアンプチップ40とのワイヤボンディングの精度を容易に高めることができる。
また、固体撮像装置1A及びセンサユニット2Aでは、裏面22を基準とする第二載置面21bの高さH2が、第一載置面21aの高さH1よりも低くなっている。これにより、チップ搭載基板50上に実装されるアンプチップ40の上面高さと、固体撮像素子30の上面高さとの差を小さくして、ワイヤボンディングを好適に行うことができる。
また、本実施形態のように、固体撮像装置1A及びセンサユニット2Aは、ベース部材20Aが、第一載置面21aと第二載置面21bとの間に形成され、主面21から裏面22にわたってベース部材20Aを貫通するスリット24を有することが好ましい。このようなスリット24がベース部材20Aに形成されていることによって、第一載置面21aと第二載置面21bとの間の熱伝導を遮断することができるので、アンプチップ40からの発熱による固体撮像素子30への影響を更に効果的に低減することができる。
また、本実施形態のように、固体撮像装置1A及びセンサユニット2Aは、固体撮像素子30上に配置され、放射線の入射強度に応じた強度の光を受光面32へ出力するシンチレータ56を備えてもよい。固体撮像装置1A及びセンサユニット2Aでは、固体撮像素子30の裏面33と第一載置面21aとが互いに対向するように、固体撮像素子30が第一載置面21a上に配置されている。したがって、シンチレータ56に入射する放射線の一部が、固体撮像素子30を透過して第一載置面21aに達する場合がある。このような場合であっても、センサユニット2Aではベース部材20Aが金属製であるため、放射線がベース部材20Aを透過することを防ぐことができる。これにより、例えばベース部材20Aの裏面側に制御基板55等が配置される場合であっても、該制御基板55等を放射線から十分に保護することができる。
また、本実施形態のように、固体撮像装置1A及びセンサユニット2Aは、固体撮像素子30が受光面32への入射光の波長に対して透明な基板31を有している場合には、固体撮像素子30の側面と側壁部25とが互いに接着されることにより、固体撮像素子30がベース部材20Aに固定されていることが好ましい。これにより、固体撮像素子30の裏面33とベース部材20Aの第一載置面21aとの間における接着剤の配置を省略することができるので、接着剤が受光面へ映り込むことを回避できるとともに、ベース部材20Aから固体撮像素子30の裏面33に伝わる熱を小さく抑えることができる。
また、本実施形態のように、チップ搭載基板50のサーマルビア53とベース部材20Aの第二載置面21bとの間に、熱導電性樹脂54が介在することが好ましい。これにより、アンプチップ40において生じた熱を、更に効率良くベース部材20Aに伝えることができる。
また、本実施形態のように、固体撮像装置1Aは、筐体10内においてベース部材20Aの裏面22を支持するとともに、ベース部材20Aと筐体10とを互いに熱的に結合する支持部材93を備えることが好ましい。これにより、アンプチップ40において発生した熱をベース部材20Aから筐体10へ効率良く逃がすことができるので、固体撮像素子30への影響を更に効果的に低減することができる。なお、支持部材93は、少なくとも第二載置面21bの裏側に設けられることが好ましく、また、第二載置面21bの裏側に相当する裏面22内の領域において支持部材93が占める面積割合は、第一載置面21aの裏側に相当する裏面22内の領域において支持部材93が占める面積割合よりも大きいことが好ましい。これにより、アンプチップ40において発生した熱をベース部材20Aから筐体10へ更に効率良く逃がすことができる。
ここで、図9は、ベース部材20Aの裏面22と、裏面22に取り付けられた支持部材93とを示す図である。本実施形態では、柱状の支持部材93が複数設けられている。そして、複数の支持部材93の一部分は、第一載置面21aの裏側に相当する裏面22内の領域(図中の領域A1)の内側に配置されており、残りの部分は、第二載置面21bの裏側に相当する裏面22内の領域(図中の領域A2)の内側に配置されている。なお、領域A1には、第一載置面21aの裏側の周辺も含まれ、例えば側壁部25の裏側に相当する領域も含まれる。同様に、領域A2には、第二載置面21bの裏側の周辺も含まれる。
図9に示される例では、領域A2における支持部材93の本数と領域A1における支持部材93の本数とが互いに等しく、また、これらの支持部材93の断面積は全て等しい。そして、領域A2の面積は領域A1の面積よりも小さい。したがって、領域A2において支持部材93の取付領域が占める面積割合は、領域A1において支持部材93の取付領域が占める面積割合よりも大きい。
なお、図9に示される例では複数の支持部材93が裏面22の周縁部に並んで配置されているが、複数の支持部材93の配置はこれに限られるものではない。また、例えば領域A2における支持部材93の断面積を領域A1における支持部材93の断面積よりも大きくすることにより、或いは、領域A2における支持部材93の本数を領域A1における支持部材93の本数よりも多くすることにより、上述したような裏面22での支持部材93の面積割合の関係を実現してもよい。
(第1変形例)
続いて、上記実施形態の変形例について説明する。図10は、上記実施形態の第1変形例に係る固体撮像装置1Bの構成を示す断面図であって、上記実施形態の図2に相当する断面を示している。
本変形例の固体撮像装置1Bが備えるセンサユニット2Bは、上記実施形態のセンサユニット2Aの構成に加えて、遮光膜(若しくは遮光テープ)70を更に備える。遮光膜70は、固体撮像素子30のガラス基板31の裏面33上に成膜されており、シンチレータ56から出力されてガラス基板31を透過しようとする光を遮る。また、遮光膜70と第一載置面21aとの間には接着剤94が配置されており、固体撮像素子30とベース部材20Aとは、接着剤94によって相互に固定されている。
本変形例のように、センサユニットは、固体撮像素子30の裏面33上に遮光膜70を更に備えてもよい。これにより、固体撮像素子30とベース部材20Aとの間に配置されたものが受光面32へ映り込むことを効果的に防止できるので、例えば本変形例のように、固体撮像素子30とベース部材20Aとの間に接着剤94を配置して、固体撮像素子30をベース部材20Aに更に強固に固定することができる。
(第2変形例)
続いて、上記実施形態の第2変形例について説明する。図11及び図12は、一変形例に係る固体撮像装置1Cの構成を示す断面図である。図11は上記実施形態の図2に相当する断面を示しており、図12は上記実施形態の図3に相当する断面を示している。また、図13は、固体撮像装置1Cが備えるベース部材20Cの全体形状を示す斜視図である。
本変形例のベース部材20Cは、上記実施形態のベース部材20Aと同様に、XY平面に沿った主面21及び裏面22、並びにZ軸に沿った側面23を有する。そして、主面21には、第一載置面21a及び第二載置面21bが、X軸方向に並んで形成されている。本実施形態においても、平坦な裏面22を基準とする第二載置面21bの高さH2(すなわち、第二載置面21bにおけるベース部材20Cの厚さ)は、裏面22を基準とする第一載置面21aの高さH1(第一載置面21aにおけるベース部材20Cの厚さ)よりも低い(薄い)。
但し、本変形例では、第一載置面21aの四辺全てが、第一載置面21aからZ軸方向に突出する側壁部26によって囲まれている。これにより、主面21には、第一載置面21aを底面とし、且つ側壁部26を側面する第一凹部27が形成されている。これと同様に、第二載置面21bの四辺全てが、第二載置面21bからZ軸方向に突出する側壁部28によって囲まれている。これにより、主面21には、第二載置面21bを底面とし、且つ側壁部28を側面する第二凹部29が形成されている。
図11及び図12に示されるように、第一凹部27の側壁部26は、第一載置面21a上に搭載される固体撮像素子30の4つの側面と対向する。本変形例では、固体撮像素子30が第一凹部27に嵌め込まれ、固体撮像素子30の基板31の4つの側面31aと、対向する側壁部26とが接着剤95を介して互いに接着されることにより、固体撮像素子30がベース部材20Cに強固に固定されている。
本変形例のように、ベース部材20Cは、第一載置面21aを底面とし且つ側壁部26を側面として形成された第一凹部27と、第二載置面21bを底面として形成された第二凹部29とを有してもよい。これにより、第一載置面21a及び第二載置面21b以外の領域においてベース部材20Cの厚さを十分に確保できるので、ベース部材20Cによる放射線遮蔽効果を更に高めることができる。また、固体撮像素子30が第一凹部27に嵌め込まれることにより、受光面32の位置決めを容易に且つ精度良く行うことができる。
また、本変形例において、ベース部材20Cの裏面22と第二載置面21bとの間隔(すなわち、第二載置面21bにおけるベース部材20Cの厚さ)H2は、第二凹部29の深さD2よりも大きいことが好ましい。これにより、第一載置面21a及び第二載置面21bにおいてもベース部材20Cの厚さを十分に確保できるので、ベース部材20Cによる放射線遮蔽効果を更に高めることができる。
(第3変形例)
図14〜図16は、上記実施形態の第3変形例として、ベース部材の様々な形状を示す斜視図である。図14に示されるベース部材20Dと第1実施形態のベース部材20Aとの相違点は、スリットの形状である。本変形例のベース部材20Dは、第1実施形態のスリット24に代えて、スリット(孔)71を有する。スリット71は、第一載置面21aと第二載置面21bとの間に形成されており、主面21から裏面22にわたってベース部材20Dを貫通している。本実施形態では、ベース部材20Dに一つのスリット71が形成されており、スリット71は、第一載置面21aと第二載置面21bとの境界に沿った方向(すなわちY軸方向)を長手方向として形成されており、該方向における第一載置面21aの幅と同等の長さを有する。
図14に示されるベース部材20Dのように、ベース部材に形成されるスリットは単数でもよく、若しくは他の様々な形状を有することができる。なお、ベース部材のスリットは必須ではなく、スリットが形成されていない場合であっても上記第1実施形態による効果を十分に得ることができる。また、第一載置面と第二載置面との間の熱伝導を遮断する構成は、ベース部材を貫通するスリットに限られるものではなく、例えば第一載置面と第二載置面との間においてベース部材の表面及び裏面の少なくとも一方に形成された溝(凹部)であってもよい。
図15及び図16に示されるベース部材20E,20Fと第1実施形態のベース部材20Aとの相違点は、側壁部の形状並びにスリットの有無である。図15に示されるベース部材20Eは、第1実施形態の側壁部25に代えて、側壁部72を有する。側壁部72は、第一載置面21aからZ軸方向に突出して形成されており、第一載置面21aの周囲に離散的に(例えば第一載置面21aの四隅に)配置されている。これらの側壁部72は、第一載置面21a上に搭載される固体撮像素子30の側面と対向する。図15に示された例では、一対の側壁部72が、X軸方向における第一載置面21aの一端側においてY軸方向に並んで形成されており、また、別の一対の側壁部72が、X軸方向における第一載置面21aの他端側においてY軸方向に並んで形成されている。
また、図16に示されるベース部材20Fは、第1実施形態の側壁部25に代えて、側壁部73を有する。側壁部73は、第一載置面21a及び第二載置面21bからZ軸方向に突出して形成されており、X軸方向に延びる一対の側壁部73が、Y軸方向に並んで形成されている。本変形例では、一対の側壁部73が第一載置面21aの両側辺から第二載置面21bの両側辺にわたって延びており、これらの側壁部25の間には、第一載置面21a及び第二載置面21bが配置されている。
図15及び図16に示されたベース部材20E,20Fのように、ベース部材の側壁部は、図4に示された形態に限らず様々な形状を有することができる。特に、図16に示されたベース部材20Fのように、側壁部73が第一載置面21aの側辺から第二載置面21bの側辺にわたって延びていることにより、ベース部材の曲げ強度を更に高めることができる。
本発明によるセンサユニット及び固体撮像装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態及び各変形例では、シンチレータを備えており放射線像を撮像するセンサユニット及び固体撮像装置が例示されているが、本発明に係るセンサユニット及び固体撮像装置は、外部から固体撮像装置に到達する光像を撮像するための構成を備えてもよい。
また、上記実施形態では、第一載置領域および第二載置領域の例として所定平面(実施形態ではXY平面)に沿った第一載置面および第二載置面を示したが、本発明における第一載置領域および第二載置領域は平らな面に限られるものではなく、例えば凹凸を有する領域や湾曲した面を有する領域、或いは一部に溝や窪み、開口等が形成された領域であってもよい。
また、上記実施形態では、ベース部材の表面から裏面へ貫通する孔(スリット24、71)が第一載置領域と第二載置領域との間に形成されているが、このような孔に代えて、溝や凹部(すなわち非貫通穴)を、ベース部材の表面及び/又は裏面において第一載置領域と第二載置領域との間に形成してもよい。
1A〜1C…固体撮像装置、2A,2B…センサユニット、10…筐体、14,16…窓材、15…枠体、20A〜20F…ベース部材、21…主面、21a…第一載置面、21b…第二載置面、22…裏面、23…側面、24…スリット、25,26,28…側壁部、27…第一凹部、29…第二凹部、30…固体撮像素子、31…(ガラス)基板、32…受光面、33…裏面、40…アンプチップ、50…チップ搭載基板、51…コネクタ、53…サーマルビア、54…熱導電性樹脂、55…制御基板、56…シンチレータ、91,94,95…接着剤、92,96…ボンディングワイヤ、93…支持部材。

Claims (9)

  1. 主面及び裏面を有する金属製の部材であって、第一載置領域と、前記裏面を基準とする高さが前記第一載置領域よりも低い第二載置領域とが前記主面に形成されたベース部材と、
    受光面と、該受光面の反対側に位置する裏面とを有し、該裏面と前記第一載置領域とが互いに対向するように前記第一載置領域上に配置された固体撮像素子と、
    前記ベース部材の前記第二載置領域上に配置された配線基板上に実装され、前記固体撮像素子から出力される信号を増幅して出力する信号読出用半導体チップと
    を備え、
    前記ベース部材は、前記固体撮像素子の側面と対向する側壁部を更に有しており、
    前記信号読出用半導体チップと前記固体撮像素子とは、ボンディングワイヤを介して互いに電気的に接続されており、
    前記配線基板がサーマルビアを有しており、前記信号読出用半導体チップが前記サーマルビアを介して前記ベース部材と熱的に結合されていることを特徴とする、センサユニット。
  2. 前記ベース部材は、前記第一載置領域と前記第二載置領域との間に形成され、前記主面から前記裏面にわたって前記ベース部材を貫通する孔を更に有することを特徴とする、請求項1に記載のセンサユニット。
  3. 前記固体撮像素子上に配置され、放射線の入射強度に応じた強度の光を前記受光面へ出力するシンチレータを更に備えることを特徴とする、請求項1または2に記載のセンサユニット。
  4. 前記ベース部材は、前記第一載置領域を底面とし且つ前記側壁部を側面として形成された第一凹部と、前記第二載置領域を底面として形成された第二凹部とを有することを特徴とする、請求項3に記載のセンサユニット。
  5. 前記ベース部材の前記裏面と前記第二載置領域との間隔が前記第二凹部の深さよりも大きいことを特徴とする、請求項4に記載のセンサユニット。
  6. 前記固体撮像素子は、前記受光面への入射光の波長に対して透明な基板を有しており、前記固体撮像素子の側面と前記側壁部とが互いに接着されることにより前記固体撮像素子が前記ベース部材に固定されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載のセンサユニット。
  7. 前記固体撮像素子は、前記受光面への入射光の波長に対して透明な基板を有しており、
    前記固体撮像素子の前記裏面上に遮光膜が設けられていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載のセンサユニット。
  8. 請求項1〜7の何れか一項に記載のセンサユニットと、
    前記ベース部材、前記固体撮像素子、及び前記信号読出用半導体チップを収容する筐体と、
    前記筐体内において前記ベース部材の前記裏面を支持するとともに、前記ベース部材と前記筐体とを互いに熱的に結合する支持部材と
    を備えることを特徴とする、固体撮像装置。
  9. 前記第二載置領域の裏側に相当する前記ベース部材の前記裏面内の領域において前記支持部材が占める面積割合が、前記第一載置領域の裏側に相当する前記ベース部材の前記裏面内の領域において前記支持部材が占める面積割合よりも大きいことを特徴とする、請求項8に記載の固体撮像装置。
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