JP2017195354A - 撮像素子の冷却技術 - Google Patents

Abstract

【課題】結露の無いコンパクトな冷却撮像手段を提供する。【解決手段】冷熱供給手段３とパッケージ１３の間の主たる熱交換経路をパッケージの下に「突き出した幅の狭い熱交換フレーム１６」に限定し、熱交換損失を最小化する。経路のパッケージ側に加熱手段２９を挿入する。また熱交換フレーム内に縦配線２８する。またパッケージと回路ボードをピン無し結合とする。これにより、熱交換フレームの断熱材被覆１８が容易になる。キャビティ４には電気配線が露出しないので、エアロゾルの注入とゲル化（透明、超低熱伝導）が可能になる。従って、水平方向の熱移動が遮断される。垂直方向のパッケージへの冷熱流入も加熱手段で遮断される。従って、主たる熱交換は熱交換フレーム内に閉じ込められ、パッケージは一定の常温に保たれ結露しない。撮像素子はエアロゲルで１気圧封止されるので、熱交換フレームの幅を狭くできる。【選択図】図２

Description

低ノイズの撮影技術に関する。

撮像素子は８℃冷却するごとに暗電流が１／２になる。例えば２５℃から−２５℃に冷却すると、５０℃の温度差があり、５０／８＝６．３３であるので、暗電流は２の６乗分の１以下、すなわち１／６４以下となる。信号強度は周囲の温度にほとんど影響されないので、ＳＮ比は６４倍以上となって画質の改善に大きく貢献する。

これまでの技術では撮像素子を真空中に置き、気体の熱伝導による冷却効果の低減を防ぐとともに、冷却によって内部に生じる結露や結氷を防いでいた。

しかし、パッケージそのものの温度も低下するので、パッケージ周辺の結露防止は大きな課題であった。

パッケージにはソケットに装着するための多数のピンが出ており、結露によるショートの危険性が高い。したがってパッケージ全体、さらにはパッケージを載せた回路ボード全体をレンズをつけた真空容器の中に収める等の技術も使われてきた。

通常の冷却パッケージ１の構造を図１に示す。平面図は断面図の中のＡ−Ｂ断面を上から見たものである。入射面２の反対側の面に冷却ロッド３をつけて冷却する。パッケージのキャビティ４は真空になっており、その中に撮像素子５が置かれている。撮像素子とパッケージの間はボンディングワイヤ６で結ばれている。冷却ロッド３の下に２段のペルチエ素子１１が付けられ、その下に空冷のための放熱板２２とクーリングフィン２３が付けられている。

撮像素子を載せたパッケージを真空チャンバー内に置き、真空中で長期にわたって機密性を保つために、カバーガラス７とパッケージの接合部８は金属溶接やハンダ技術等を用いて接合している。このために３００℃から４００℃の温度が必要であり、ボンディングワイヤと撮像素子のパッドの接合性等に悪影響を及ぼす。

屈折率が１．０３のエアロゲルの熱伝導率は０．０１２Ｗ／（ｍＫ）である。これは空気の熱伝導率０．０２Ｗ／（ｍＫ）以上よりも低い。また可視域から赤外線に至る広い波長域で高い透過性を備える。厚さ１０ｍｍのときの５５０ｎｍの光の透過率は８５％以上である（非特許文献１）。

真空のかわりにエアロゲルを置くことにより、大気圧下で入射面からイメージセンサに供給される熱を効果的に遮断することができる。したがってエアロゲルは開発当初から、撮像素子のパッケージングにおける断熱のために使うことが検討された。一方、エアロゲルは極めてもろく、通常はパッケージの内側の形状が複雑となるので、パッケージの内側に挿入することが難しかった。

通常のパッケージに流動状態でのエアロゾルを注入する方法も考えられるが、注入後、ゲル化と疎水性付与のために、アンモニアを含むポリプロピルアルコールに浸漬し、超臨界乾燥を行う必要がある。したがって、通常のパッケージのように、金属部品が露出しているような場合にはこのような方法は使えない。したがってエアロゲルを挿入するための特殊なプロセス等も検討された（非特許文献２）。

またエアロゲルで真空を置き換えた場合でも、撮像素子に加えた冷熱のパッケージ全体への拡散により、パッケージ外部での結露の問題を解決することは難しかった。

したがって撮像素子だけでなく、パッケージまでも含めて全てエアロゲルで覆ってしまう方法や（特許文献１）、エアロゲル封止したものを、さらに真空中に置く方法等も提案されている。しかし、構造が複雑になる上に、エアロゲル封止の内部にボンディングワイヤが露出しているなど、課題が多く、実際に実用化された例はない。

結露の防止が最も難しいのは冷却部とパッケージの接合部９である。パッケージ内部を拡散した冷熱がこの部分に回りこむ。近接してピンなどが付けられており、側方への冷熱の広がり防止のための断熱材１０を隙間無く貼ることや、撮影時の外部の温度条件で、冷熱がどこまで広がるかを予測することが難しい。この部分で少しでも結露すると、近接してピンがあり、ショートの危険性が高まる。

冷却用パッケージの材料としては、熱膨張率が低く、シリコンの熱膨張率と同じオーダーの窒化アルミニウムやアルミナ（酸化アルミニウム）が用いられる。窒化アルミニウムの熱伝導率は１５０Ｗ／（ｍＫ）とセラミックとしては非常に高い。シリコンウエーファと同程度である。アルミナは３２Ｗ／（ｍＫ）である。それでも冷熱は比較的容易にパッケージの、冷却装置に近い部分に回りこむ。

低熱伝導率のパッケージとしてはＬＴＣＣ（低温同時生成セラミクス）がある。熱伝導率は３Ｗ／（ｍＫ）程度であり、パッケージ材料としては非常に低い。ただし強度が不十分で、熱膨張率も比較的大きいので、強度な冷却を必要とする撮像素子のパッケージにはあまり使われていない。

パッケージ材料にはあまり用いられないが熱伝導率が５Ｗ／（ｍＫ）以下の固体材料も多い。ありふれたものでは、石英ガラスの熱伝導率は１．３５Ｗ／（ｍＫ）、通常のガラスは０．５Ｗ／（ｍＫ）から０．７Ｗ／（ｍＫ）である。

真空パッケージを用いた冷却の場合、最大の熱の供給経路はカバーガラス７とボンディングワイヤ６である。

そのためカバーガラスの面に赤外線に対する防止膜をコーティングすることもある。エアロゲルについても放射による熱の流入を防ぐために表面に赤外線防止膜をつけることもある。

ボンディングワイヤには電導度が非常に高い金やアルミニウムが用いられる。最近の撮像素子ではボンディングワイヤの数が数１００本から千本に達するものもあり、撮像素子を冷却した場合、パッケージ本体から多数のボンディングワイヤを経由して撮像素子に流入する熱量はかなり大きい。そのため、撮像素子の周辺部の温度が比較的高くなり、画像の中央部に比べて周辺のノイズが大きいというノイズムラが生じる場合もある。

冷却を必要とする科学実験でも同様の問題が生じる。電気配線から流入する熱量が大きいので、内部に通じる配線の全てを、一旦、液体窒素等の中をくぐらせて、前もって流入熱を取り去ってからチャンバー内部に挿入する方法などが用いられる。

特開２００６−１１２８０、出願人：浜松ホトニクス、発明者：須山本比呂他、発明の名称：光検出装置

松原秀彰、他、多孔質シリカ粉末およびシリカエアロゲルを用いた真空断熱材の開発（特集 省エネに貢献する断熱材）、セラミックス、４９（８）、ｐｐ．６５３−６５８，２０１４． Ｊ．Ａ．Ｒｕｆｆｎｅｒ，ｅｔ ａｌ．，Ｕｎｃｏｏｌｅｄ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ ａｅｒｏｇｅｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ：ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ ３３２，ｐｐ．３５６−３６１，１９９８．

発明が解決しようとする課題と解決方針

本発明で解決しようとする課題は以下の通りである。

パッケージと冷熱供給手段の間の熱交換経路を「熱交換フレーム」と呼ぶことにする。パッケージは上に、冷熱供給手段は下にあるものとする。熱交換フレームはその間に挟まれている。

熱交換フレームをできるだけ狭くかつ長くする。すなわちアスペクト比をできるだけ大きくする。また熱伝導率のできるだけ低い材料を用いる。これにより実質的に唯一の垂直方向熱交換経路である熱交換フレームを通した、冷熱供給手段とパッケージの間の熱交換量、すなわち熱エネルギー損失を最小限に抑えることができる。

熱交換フレームをパッケージの外部につける。またソケットは用いない。パッケージング工程が全て終った後に、パッケージと初段回路ボードを直接バンプ接合する。したがって、パッケージにピンはついていない。ピンの付く位置に内部配線の先端の断面が、パッケージの外部の底面と同じ面で露出している。熱交換フレームの側面には何もないので、熱交換フレームを断熱材で覆うことが容易になる。

内部配線の先端の断面は非腐食性金属、例えば金で覆う。また、冷却用のパッケージは通常セラミックであるので、パッケージを腐食性溶液中に漬けても何の変質も起こらない。

熱交換フレームとパッケージの接合断面に、熱交換フレームの幅で加熱手段を入れる。冷却手段であるにもかかわらず加熱手段を入れるのは以下の理由による。熱交換フレームとパッケージの接合面の温度を常温に保つ。これにより、パッケージ側には冷熱が一切広がらない。パッケージの全ての部分が常温に保たれる。したがってパッケージ側には局所的であっても結露が生じない。

熱交換フレームの底と、冷熱供給手段の間に、撮像素子そのものを挟む。ただし表面照射撮像素子の場合である。裏面照射撮像素子の場合は、以下の説明より少しだけ複雑になるが、基本的には同じである。撮像素子のチップサイズを受光面面積より十分広くし、外縁が熱交換フレームの外面と同じサイズにする。撮像素子チップ上の水平配線と、熱交換フレームの中の縦配線とを、熱交換フレームの底で電気的に接合する。これにより側面の熱交換フレームにも、底の撮像素子チップにも、上部のパッケージの内部にも、電気配線が一切露出しない。またパッケージの内面と熱交換フレームの内面を合わせておけば、パッケージと熱交換フレームの内部の形状は単純な直方体空間（以後「パッケージの内部」または「内部のスペース」と呼ぶ）になる。また、パッケージ外部の底面に露出している配線の先端断面は非腐食性金属で保護する。これにより、パッケージ内部にエアロゾルを充填してゲル化処理ができる。これにより、パッケージ内部は大気圧に保たれる。従ってカバーガラスや撮像素子チップには、真空封止のときのような、面に垂直の強い力は働かない。したがって撮像素子チップを、厚い部材に貼り付けて補強することなく、そのまま熱交換フレームに接合できる。またカバーガラスとパッケージ、および熱交換フレームと撮像素子チップの接合面は、真空封止のときのような金属の溶融結合による高度の真空や強度を保つ必要がない。

また、パッケージの外部に熱交換フレームを付けても、真空による大きな水平圧力が働かないので、熱交換フレームとパッケージの接着面の幅、すなわち熱交換フレームの幅を小さくできる。また高さ（厚さ）を大きくできる。損失熱量は、幅に比例し、高さに逆比例するので損失熱量をより小さくできる。

撮像素子チップの中央部にある受光面の端と、熱交換フレームとの間の水平距離を十分長くする。下から全面的に冷やすと、受光面だけでなく、受光面と熱交換フレームの間の水平配線も冷やされる。したがって配線を経由して受光面に流入する熱は、事前に除かれる。

課題を解決するための手段と効果

上面と下面が並行で、上下に貫通したスペースを備え、該スペースの平面的なサイズが厚さよりも実質的に大きいことを特徴とする物体をフレームと呼ぶとき、第１のフレームと第２のフレームのスペースの平面的なサイズが実質的に同じで、第１のフレームの下面と第２のフレームの上面が接合してなる物体と、第１のフレームの上面に接合されたカバーガラスと、第２のフレームの外面の平面的サイズと同じサイズで、第２のフレームの底面に接合された平板と、該平板の表面もしくは内部に位置する撮像素子からなる撮像手段であって、
前記のスペースが透明で、熱伝導率が空気の熱伝導率よりも低い物質で満たされており、
第２のフレームの縁の横幅が、第１のフレームの縁の横幅よりも十分に小さく、
第２のフレームが、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍＫ）以下の物質からなり、
第１のフレームと第２のフレームの接合部に、実質的に第２のフレームの横幅と同一の横幅の加熱手段を備えることを特徴とすることにより、
冷熱供給手段と第１のフレームの間の主要な熱交換経路である第２のフレームを通した縦方向の熱エネルギー損失を最小限に抑えることができ、また主要な熱交換経路である第２のフレームが第１のフレーム外に出ているので、その側面を断熱材で容易に覆うことができ、横方向の熱損失も容易に最小化できる。また、冷却技術であるにも関わらず、逆に、第２のフレームと第１のフレームの接合部に加熱手段が入っているので、パッケージ側には冷熱が一切広がらない。したがって第１のフレームの外面は、局所的にも結露しない。また、加熱手段の幅を、幅の狭い第２のフレームの幅に限定しているので、加熱がパッケージ側の温度バランスに与える影響も最小限にとどまる。これらにより、技術的に実現が容易な方法で結露の生じない、熱損失を最少化した、コンパクトな冷却撮像手段を提供する。

さらに、第２のフレームの内部に金属の縦配線を備えることにより、
従来のパッケージでは内部のスペースに存在していたところの、撮像素子とパッケージを電気的に結合するボンディングワイヤが不要に成り、内部のスペースには電気配線が一切露出しない構造になる。これにより、パッケージの内部のスペースに透明な液体を充填して固化処理ができる。これにより、パッケージ内部は大気圧に保たれ、大気圧封止ができる。従って上部のカバーガラス、側面の第２のフレーム、底面の撮像素子の乗ったチップもしくは支持基盤（通常はヒートシンクを兼用する）には、真空封止のときのような、面に垂直の強い引っ張り力は働かない。したがってカバーガラスは、サファイヤガラスのような高強度高透明材料である必要がない。

底の撮像素子については、表面照射型であれば、表面に撮像回路が作りこまれた通常の７５０ミクロンのウエーファのままで十分強度が足りる。裏面照射型撮像素子はウエーファを薄層化してなるので、通常のシリコンウエーファ上に撮像素子を裏向けにして貼り付けて薄層化し、下のウエーファを支持基盤として使えば強度的には十分である。

真空の場合はさらにそれらをヒートシンクを兼ねた銅タングステン等の支持基盤の上に貼り付けて強度的に補強する必要がある。接合回数が増えることで、加工回数が増える。加工回数が増えることに加えて別のデメリットもある。銅タングステン支持基盤の厚さは数ｍｍになる。銅タングステンとシリコンウエーファの熱伝道率は同程度であるから、冷熱供給手段と撮像素子の間の熱損失は、シリコンウエーファ１枚の場合よりはるかに大きい。

さらにこれらの接合には通常、高熱伝道接着剤を使う。しかしこれらの熱伝道率は、金属やシリコンのそれの数分の１である。また接着材は表面張力を使って狭い空間内に充填するが、全面に１００％行きわたったかどうかを確認する手段がない。このような理由のために、ヒートシンクが必要であると、接着面が１枚余計に加わり、熱損失が増加する。

さらに、真空封止では、カバーガラスとパッケージ、パッケージと第２のフレーム、第２のフレームと撮像素子の乗った平板の接合面は、強度の観点と高度の気密性の保持の観点から、溶融金属結合を使う。

大気圧封止であればその必要はない。例えばエポキシ接合で十分である。これにはさらなるメリットがある。第２のフレームの内部の金属の縦配線は、第２のフレームの底部に露出している。一方、撮像素子チップの受光面外の金属配線は、周辺に放射状に伸びている。表面はシリサイドもしくはナイトライドで絶縁されている。撮像素子チップの受光面外の金属配線の端部は第２のフレームの底まで延びている。これらと第２のフレームの底の縦配線の端部とは容易にバンプ接合できる。その後、流動性エポキシで封止する。封止材が溶融金属封止ではショートする。

すなわち、第２のフレームの内部に縦配線するので内部のスペース内の金属配線を無しにできる。これにより内部に透明流体を流し込んで固化できる。これにより大気圧封止になる。したがって溶融金属封止でなく、エポキシ封止できる。したがって、第２のフレーム内の縦配線と撮像素子チップをバンプ接合できる。すなわち関連技術がうまく循環的に機能して、非常に熱効率が良く、結露部分がないコンパクトな冷却撮像手段を提供する。

さらに前記の内部のスペースを満たす物質がエアロゲルであることを特徴とすることにより、非常に高い透明度と断熱性を確保できる。

さらに、第１のフレームの外部に金属の突出物、すなわちピンがないことを特徴とすることにより、第２のフレームの外面の断熱層の貼り付けが容易になる。実際にはスペースをエアロゲルで満たし、カバーガラスで封止し、下に冷熱供給手段を付けた後、裏返して第２のフレームと冷熱供給手段のまわりもエアロゾルを流し込んで固化することができる。

さらに第２のフレームの外面の平面的サイズと同じサイズの冷却手段を備え、前記の撮像素子の受光面の端と、第２のフレームの内面の距離が２ｍｍ以上であることにより、撮像素子への多数の配線を通した受光面への熱の輸送を、受光面に届くまでに排除することができる。

このためには、パッケージと撮像素子を結ぶ配線が、底部の板の表面もしくは内部に存在する必要がある。すなわちワイヤボンディングが使えない。したがって、第２のフレームの内部に縦配線があることが、この技術を実現する条件でもある。

さらに、第２のフレームの高さが横幅よりも実質的に大きいことにより、第２のフレームを通した熱交換を、さらに減らすことができる。内部が大気圧で、真空時のような大きな水平圧力がかからないことも、アスペクト比を大きくすることに貢献する。

図１ 通常の冷却パッケージの構造
図２ 本発明の第１の実施例の垂直断面図とパッケージとフレームの接合部の拡大図
図３、図４、図５ 本発明の第１の実施例の平面断面図
図６ 本発明の第２の実施例の垂直断面図とパッケージとフレームの接合部の拡大図
図７、図８、図９本発明の第２の実施例の平面断面図
図１０ 本発明の撮像手段を用いた撮影システム（カメラ）

第１の実施の形態

第１の実施の形態の構造

図２から図６に本発明を実施するための最良の形態を示す。

図２は断面図である。図中の黒い丸で囲まれたパッケージ（第１のフレーム）１３と熱交換フレーム（第２のフレーム）１６の接合部分２５の拡大図も含まれている。図３、図４、図５は、図２の水平面３０、３１，３２の断面図である。

本例ではパッケージ１３は窒化アルミニウム（熱伝導率１５０Ｗ／（ｍＫ））で、フレーム１６は石英ガラス（熱伝導率１．３５Ｗ／（ｍＫ））で作られている。

厚さ７５０ミクロンのシリコン平板１９の表面側に撮像素子５が乗っている。撮像素子の厚さは３０ミクロンである。この撮像素子は裏面照射型である。

撮像素子およびシリコン平板の上に厚さ１０ｍｍのエアロゲル１８、さらにその上にカバーガラス７が乗っている。カバーガラスはパッケージに接着剤３９で接着されている。シリコン平板の下に銅タングステンの冷却ロッド３が、その下に２段ペルチエ素子１１がついて冷却している。ペルチエ素子の下についている銅製の放熱板２２と、放熱板に付いている放熱フィン２３を通して空中に熱が放出される（図１に示しているので図２では図示していない）。

図３から図５を用いて配線について説明する。

図２、図４の撮像素子５は裏面照射型である。したがって、上面、すなわち裏面から入射した光により裏面付近で生成した信号電子は、下面、すなわち表面側に達し、表面側に作りこまれた画素回路（図示していない）に保存され、さらに撮像素子の周辺に送付される。撮像素子の周辺には多数のパッド２６が並んでいる。

図５に示すように、シリコン平板の表面には撮像素子５の周辺のパッド２６から、外に向かって放射状に多数の金属配線２０が延びている。これらはシリコン平板の表面に作られ、表面は酸化ケイ素で絶縁されている。これらの金属配線の終端は、熱交換フレーム（第２のフレーム）の下の縁の幅の範囲に配置されたパッド２７に接続し、さらに図２の拡大図、および図３、図４に示すように、熱交換フレームの内部の縦方向配線２８を通して、パッケージ内の水平配線に接続している。図４の撮像素子５の下面のパッドの一つ２５は、その下の金属配線層２０の内側パッドの一つ２６に接続しており、金属配線２０を通して外側パッド２７から図４、図３のフレーム内の縦配線２８に接続している。さらにパッケージ内の水平配線２９に接続し、図２のパッケージ外面下部の金バンプ３７に接続している（この経路は図示されていない）。さらに金バンプから回路ボード側バンプ３８を通して回路ボード内配線に接続している（この経路は図示されていない）。

熱交換フレーム、シリコン平板、冷却ロッド、ペルチエ素子の外縁は同一面になっており、断熱板１０を密着させ、側方の熱移動を遮断している。

断熱板は厚さ１０ｍｍのエアロゾルを厚さ５００ミクロンの銅板２１の内部に流し込んで固化させたものである。側面の表面温度を一様に保つためにさらに金属面の表面を絶縁して、フィルムヒーターを塗布しても良い。ただし、−５０℃程度までの冷却であれ側面の加熱手段は不要である。

パッケージの下面の第１金属層に、熱交換フレームの横幅と同程度の範囲に、ジグザグ状に曲げられたタングステン配線２９が直線的に配置されている。タングステン配線の両端に電圧をかけると発熱し、熱交換フレームおよびフレーム内の垂直金属配線２８を通して上がってくる冷熱と相殺し、冷熱を遮断する。

加熱タングステン配線は狭い熱交換フレームを通して上がってくる冷熱のいわば関所である。それ以上には冷熱は拡散できないので、パッケージの全ての場所は常温に保たれる。

外面で低温になっているのは、縦エアロゲル断熱層１０の内面だけであり、平面になっている。しかもパッケージにはピンがついていないのと、金属配線の先端は金で保護されているので、裏返してエアロゾルを流し込み、アンモニアを含むプロピルアルコールで固化処理することができる。またエアロゲルではなく、他の個体断熱板を精度良く貼り付けることも極めて容易である。

撮像素子５の受光面サイズは１０ｍｍ×１０ｍｍ、周囲の回路やパッドを含むサイズは１４ｍｍ×１４ｍｍである。通常はこの大きさで十分であるが、本発明では熱交換フレーム下部と撮像素子の間の配線２０の距離を長くして、配線を冷却する。そのため撮像素子の下のシリコン板のサイズは３０ｍｍ×３０ｍｍである。熱交換フレームの幅は４ｍｍ、高さは６ｍｍである。長さは、中心間距離が２８ｍｍであるので熱交換フレームの周長は０．１１２ｍ（０．０２８×４）である。また熱交換フレームの内面のスペースの幅は２２ｍｍ（＝３０−２×４）ある。したがって放射状の配線の長さは４ｍｍ（＝（２２−１４）／２）以上である。

第１の実施の形態の機能

パッケージ周辺の、回路ボードで温められ空気の温度を３０℃とする。センサーをー３４℃まで下げる。６４°の温度差があり、８℃ごとに暗電流が１／２になるので、暗電流は１／２５６（＝１／２＊＊８、ここに＊＊は「乗」を意味する）となる。

このとき熱交換フレームの上下間の熱交換量は６．４５Ｗ（＝１．３５Ｗ／（ｍＫ）×６４°×０．１１２ｍ×０．００４ｍ／０．００６ｍ）である。

キャビティ内のシリコンエアロゲルを通した垂直の熱の損失は０・０５１９Ｗ（＝０．０１２Ｗ／（ｍＫ）×６４°×０．０２２ｍ×０．０２２ｍ／０．０１）である。したがって熱交換フレームを通した熱の損失に比べて無視できる程度に小さい。すなわち、熱の交換経路は実質的に熱交換フレームだけに限定されている。

０．０５Ｗの冷熱がカバーガラス側から流出する。しかし、この冷熱量は小さいので、回路ボードで生じる熱で生じる温風をパッケージの表面側に流すことで、熱エネルギー的に相殺する。また温度の上昇により相対湿度が下がるので、カバーガラス表面の結露は生じない。さらにカバーガラス表面を疎水性にしておけば結露が生じる可能性は全くなくなる。

実際には熱交換フレーム内の金属縦配線による熱交換があり、数Ｗの熱損失がある。ただし、この損失は熱交換フレーム内でクローズしており、他へは漏れない。横方向の熱損失は無視できる。したがって以後の計算では熱損失を１０Ｗ程度と見積もる。

比較的大きい面積を冷却するので、ペルチエ素子の駆動電力は１００Ｗ、上下の温度差は８０°のものを用いる。通常、ペルチエ素子の効率は６０％であるから１６％（＝１０Ｗ／（１００Ｗ×０．６））の損失がある。有効温度差は６７．２°（＝８０°×（１−０．１６））であるから、目標通り、３０°から−３４°（温度差６４°）まで下げられる。暗電流は１／２５６となる。

熱交換フレームの熱伝導率が１０Ｗ／（ｍＫ）程度よりも低いことが重要な条件であることを示す。このとき、熱交換フレームの上下間の熱交換量は石英ガラスの場合の１０／１．３５倍の４７．８Ｗ（＝６．４５Ｗ×１０／１．３５）となる。縦金属配線他の熱交換を考慮すると、５０Ｗ程度の熱損失がある。このとき熱損失は８３．３％（＝５０Ｗ／（１００Ｗ×０．６））となり、有効温度差は１３．４°（＝８０°×（１−０．８３３））となり、冷却効果はほとんど生じない。以上は、受光面が１０ｍｍ四方の第１実施例について示した計算結果である。撮像素子のサイズの受光面は数ｍｍから２０ｍｍ程度であるから、以上の計算結果は代表的なサイズに対する計算結果と見て良い。したがって、熱交換フレームの材料は熱伝導率が１０Ｗ／（ｍＫ）より低いことは一つの目安となる重要な条件である。

図１０に本発明の撮像手段４０を応用した本発明の撮像システム（カメラ）４１の具体例を示す。撮影部４２と制御部４３からなる。入射光４４を光学系４５で集光し、撮像素子４６に入射する。画像信号は撮像素子から読み出された順序で一旦バッファメモリ４７に保存される。中央制御回路４８は、撮像素子の動作を制御する制御タイミング発生回路（ＴＧ）と撮像素子から出力される信号のアナログ処理（例えばＣＤＳ回路によるノイズリダクション）及び信号のデジタル変換を行うＡ／Ｄ変換回路を搭載したＡＦＥ（アナログフロントエンド）集積回路等で構成されている。ＴＧ回路で発生した制御タイミングをもとに駆動回路４９で撮像素子の駆動信号が生成される。また画像化エンジン５３、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサー）５０により、ＡＦＥ回路からの動作制御信号を受けてバッファメモリに保存されていた信号が画像１枚１枚からなる画像信号に変換され画像メモリ５１に保存され、必要に応じて表示エンジン５２により連続画像信号として出力される。冷却コントローラは、加熱配線２９の近傍に取り付けられた熱電対（図示していない）と、撮像素子内に作りこまれた半導体温度計（図示していない）の出力をモニターし、温度制御を行う。この精度は低くて良い。すなわち２°程度ずれても、暗電流にも結露にも大きな影響はない。

シリコンエアロゾルのゲル化においては、アンモニアを含むプロピルアルコールに漬け、超臨界乾燥を行う。キャビティの中には、金属は一切露出していないので、エアロゾルを流し込むときは、パッケージに熱交換フレームと撮像素子付きシリコン平板をつけた状態で流し込めば良い。逆にカバーガラスを付け、裏向けにして注入しても良い。このときパッケージ外部の下面の金属線の端面は金バンプで保護している。エアロゲルを流し込む位置にワイヤボンディングが張られていたりすると、直径１０数ミクロンしかないので、少しの力ですぐ切れる。

本発明の第２の実施形態

図６から図９に本発明の第２の実施形態を示す。

第１の実施形態との違いは、撮像素子５が表面照射型であり、シリコン平板１９の表面側に作りこまれていることである。裏面照射の場合に、図５で示した配線２０も平板１９の表面に作りこまれており、熱交換フレームまで延びている。しかしシリコン板１９の表面付近に作りこまれているので図には示されていないが、図５を参照することで配線２０の概形はわかる。

撮像素子とシリコン板の接着工程が不要で、撮像素子の裏面処理も不要なので、工程がはるかに単純になる。裏面照射型撮像素子を用いる第１の実施例に比べで感度が下がる。また周辺の配線までを含むチップを切り出すので、ウエーファ１枚当たりから取れる撮像素子の数が減るので、撮像素子１枚当たりのコストが上がる。

その他の実施の形態

第２のフレームとするかわりに、フレームが残る形ですぐ外側にミゾを彫っても良い。またペルチエ素子のかわりにスターリングエンジンや液冷方式を使っても良い。併用しても良い。またパッケージの内部はシリコンエアロゲルで無くても良い。透明で熱伝導率が十分低い固体でも液体でも薄い気体でも良い。幅の狭い熱交換フレームをパッケージの外に出し、パッケージとの接合部に加熱配線を入れれば、それだけで大きな効果がある。またキャビティ内に全く金属配線が無いことで、撮像素子の上部空間に色々なプロセスを適用できる。

非常にノイズの少ない紫外線または赤外線ビデオカメラを提供する。

１．通常の冷却パッケージ
２．入射面
３．冷却ロッド
４．パッケージの内部（キャビティ）
５．撮像素子
６．ボンディングワイヤ
７．カバーガラス
８．カバーガラスとパッケージの接合部
９．冷却部とパッケージの接合部
１０．側方への冷熱の拡散防止のための断熱層
１１．ペルチエ素子
１２．ピン
１３．本発明のパッケージ（第１のフレーム）
１４．ソケット
１５．回路ボード
１６．第２のフレーム
１７．撮像素子の受光部と第２のフレームを電気的に接続する撮像素子内配線
１８．エアロゲル
１９．シリコン板
２０．撮像素子の受光部と第２のフレームを電気的に接続するシリコン板上の配線
２１．側面エアロゲルの補強兼熱の均等伝達のための金属板
２２．放熱板
２３．放熱フィン
２４．撮像素子のパッド
２５．図２の拡大図
２６．撮像素子の受光部と第２のフレームを電気的に接続する配線の内側のパッド
２７．撮像素子の受光部と第２のフレームを電気的に接続する配線の外側のパッド
２８．第２のフレーム内の縦配線
２９．加熱配線
３０、３１、３２．図２の垂直断面図の水平断面図、図３、図４、図５の位置
３３、３４、３５．図６の垂直断面図の水平断面図、図７、図８、図９の位置
３６．図６の拡大図
３７．パッケージ内配線の出口を覆う金バンプ
３８．回路ボード側バンプ
３９．接着材
４０．本発明の撮像手段
４１．本発明の撮像手段を用いた撮像システム（カメラ）
４２．撮影部
４３．制御部
４４．入射光
４５．光学系
４６．撮像素子
４７．バッファメモリ
４８．中央制御回路
４９．駆動回路
５０．ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサー）
５１．画像メモリ
５２．表示エンジン
５３．画像化エンジン
５４．冷却コントローラ
５５．

Claims (6)

1. 上面と下面が並行で、上下に貫通したスペースを備え、該スペースの平面的なサイズが厚さよりも実質的に大きいことを特徴とする物体をフレームと呼ぶとき、第１のフレームと第２のフレームのスペースの平面的なサイズが実質的に同じで、第１のフレームの下面と第２のフレームの上面が接合してなる物体と、第１のフレームの上面に接合されたカバーガラスと、第２のフレームの外面の平面的サイズと同じサイズで、第２のフレームの底面に接合された平板と、該平板の表面もしくは内部に位置する撮像素子からなる撮像手段であって、
   前記のスペースが透明で、熱伝導率が空気の熱伝導率よりも低い物質で満たされており、
   第２のフレームの縁の横幅が、第１のフレームの縁の横幅よりも十分に小さく、
   第２のフレームが、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍＫ）以下の物質からなり、
   第１のフレームと第２のフレームの接合部に、実質的に第２のフレームの横幅と同一の横幅の加熱手段を備えることを特徴とする。
2. 請求項１の撮像手段であって、
   第２のフレームの内部に金属の縦配線を備えることを特徴とする。
3. 請求項２の撮像手段であって、前記の内部のスペースを満たす物質がエアロゲルであることを特徴とする。
4. 請求項１または請求項２の撮像手段であって第１のフレームの外部に金属の突出物がないことを特徴とする。
5. 請求項１または請求項２の撮像手段であって、第２のフレームの平面的サイズと実質的に同じサイズの冷却手段を備え、前記の撮像素子の受光面の端と、第２のフレームの内面の距離が２ｍｍ以上であることを特徴とする。
6. 請求項１から請求項５までのいずれかの撮像手段であって、第２のフレームの高さが横幅よりも実質的に大きい。